Effects of cattle manure proportion on vermicomposting of spent mushroom substrate

赤子爱胜蚯蚓购自北京大环顺鑫有机肥料厂。挑选生长状况良好，体型相近的成年蚯蚓。蘑菇渣取自北京市海淀区上庄蘑菇园，蘑菇栽培料配方(质量分数)为：玉米芯48%，棉籽壳38%，麦麸12%，石灰2%；蘑菇渣风干后粉碎至1~2 cm备用。风干牛粪取自北京市通州区漷县镇吉祥养牛场。蘑菇渣与牛粪基本化学性质见表1。西葫芦 ‘翠玉一号’Cucurbita pepo‘Cuiyu No.1’种子购自北京顺禾源种子销售有限公司，用于堆肥产物植物毒性测试。

试验于2024年在北京林业大学科技股份有限公司的温室大棚进行。共设5个处理，每个处理中，蘑菇渣干质量为1 kg，牛粪按以下不同质量比加入蘑菇渣(干蘑菇渣∶牛粪)：T0 (100∶0)、 T1 (100∶5)、T2 (100∶10)、T3 (100∶15)和T4 (100∶20)并混匀。不同处理分别取1 kg (干质量)混合材料置于长方形塑料容器内(长38 cm，宽28 cm，高14 cm)。每组处理重复3次；并设置不含蚯蚓的纯蘑菇渣堆肥处理作为对照(ck)。混合材料预堆肥14 d以消除前期材料中有毒物质(如氨气等)对蚯蚓生长的影响^[10]。试验过程中，控制大棚温度在25.4~28.7 ℃，控制堆料平均含水率为60%~70%，材料每周人工翻动1次，以提高材料透气性和促进其均匀降解。预堆肥结束后每个容器加入20条大小均一且带有生殖环的赤子爱胜蚯蚓。在每个容器底部设4个直径1 cm的小孔用以排除多余水分，在底部和上方安放1 mm孔径的塑料网，并用橡皮条固定防止蚯蚓逃逸。堆肥试验继续持续60 d，定期监测调整温度、湿度，并记录数据。

在堆肥试验前后，分别用称量法对蚯蚓质量进行测定并记录；堆肥60 d后，人工计数成年蚯蚓数量；使用塑料网分离出蚯蚓卵和幼蚯蚓，将分离出的蚯蚓卵和幼蚯蚓分别置于培养皿中，用放大镜或显微镜观察并计数。蚯蚓的平均质量、存活率和日增殖倍数按照以下公式计算：蚯蚓平均质量=测定时成蚓总质量/成蚓数；蚯蚓存活率=测定时成蚓数/初始时成蚓数×100%；日增殖倍数=测定时蚯蚓总数/ (初始时成蚓数×堆肥天数)。其中蚯蚓总数为成蚓数、幼蚓数和蚓茧数之和。

堆肥pH、电导率(electrical conductance， EC)、总有机碳(total organic carbon， TOC)、全氮(total nitrogen，TN)、全磷(total phosphorus，TP)、全钾(total potassium，TK)、碳氮比(carbon-nitrogen ratio，C/N)、钙(Ca)、镁(Mg)、铁(Fe)、锰(Mn)的测定参照鲍士旦^[11]的方法。将烘干样和去离子水按质量比1∶5混合后在震荡机上以150 r·min⁻¹震荡30 min，静置后取上清液用pH计和电导率仪分别测定pH和电导率；总有机碳用重铬酸钾容量法测定；全氮用半微量开氏法测定；全磷用钼锑抗比色法测定；全钾用火焰光度法测定；钙、镁用原子吸收分光光度法测定；铁用原子吸收光谱法测定；锰使用高锰酸钾比色法测定；重金属铅(Pb)和镉(Cd)采用石墨炉原子吸收分光光度法测定；铬(Cr)采用火焰原子吸收分光光度法测定；砷(As)采用二乙基二硫代氨基甲酸银分光光度法测定。

堆肥产物容重、总孔隙度、通气孔隙度和持水力的测定参照龚小强等^[12]方法：将风干基质加入200 cm³环刀(W₀)中，记录质量(W₁)；以蒸馏水浸泡24 h，记录质量(W₂)；水分自然下沥4 h后记录质量(W₃)；之后在75 ℃条件下烘至恒量，记录为W₄。按下列公式计算：容重= (W₄ – W₀) / 200，g·cm⁻³；总孔隙度= (W₂ – W₄) / 200×100%；通气孔隙度= (W₂ – W₃) / 200×100%；持水力= (W₃ – W₄) / (W₁ – W₀)，g·g⁻¹。

在堆肥的第0、3、6、11、18、25、32、39、46、53、60天取样。堆肥样品与蒸馏水以质量比1∶10混合振荡2 h，滤出上清液备用，在9 cm培养皿中放入滤纸，将20粒饱满的西葫芦种子整齐摆放在滤纸上，吸取5 mL滤液于培养皿中，在25 ℃黑暗条件下的培养箱中培养48 h。每处理重复3次，以去离子水做空白对照。统计各处理种子的发芽个数和根长。按以下公式计算种子发芽指数(germination rate, GI) = (处理的平均发芽率×处理的平均根长)/(空白的平均发芽率×空白的平均根长)×100%^[13]。

数据采用Excel和SPSS 18.0处理。处理间差异用单因素方差分析，平均值多重比较采用最小显著极差法(LSD法)，数值为平均值±标准差。

由表2可知：堆肥60 d后，蚯蚓平均质量随牛粪添加量的增加呈上升趋势，T3和T4处理蚯蚓平均质量差异不显著，T4处理显著高于其他处理(P＜0.05)；而蚯蚓存活率、蚓卵数、幼蚓数及日增殖倍数T0均显著低于T1~T4处理(P＜0.05)。这表明尽管未添加牛粪的处理(T0)能够维持蚯蚓的生存，但蚯蚓的生长和繁殖状况远不及添加牛粪的处理(T1~T4)。

从表3可知：60 d堆肥结束后，各处理pH均降低，均位于7.05~7.80。其中T4处理的pH降率最大，ck降率最小，分别降低1.30和0.67个单位。各处理的EC在堆肥结束后均升高，其中T0处理EC大于ck，随着牛粪添加量的增加，EC增率从T0的15.89%提高到T4的34.32%。各处理TOC质量分数在堆肥结束时均下降，降率为10.57%~23.67%。T0的TOC降率显著高于ck (P＜0.05)，TOC降率随牛粪添加比例增大而提高，T4处理显著高于T0和T1处理(P＜0.05)。C/N随牛粪添加量的增加逐渐降低，经过60 d堆肥后，所有处理的C/N均显著下降，其中T4处理的C/N降率最大，显著高于ck (P＜0.05)，说明蚯蚓堆肥降解效果优于普通堆肥。

由表4可知：TN、TP初始值随牛粪的添加量呈梯度上升，TK初始值因牛粪略微降低。堆肥结束时，TN、TP和TK质量分数均有所增加，与初始值相比，分别提高了43.94%~89.78%、78.87%~92.42%、37.90%~45.30%。不同蚯蚓堆肥处理之间，TN、TP、TK质量分数增率均以T4处理最高，且显著高于ck和T0处理(P＜0.05)。

由表5可知：各处理堆肥产物Ca质量分数无显著差异；Mg、Fe和Mn随着牛粪添加量增加而升高，T4处理中Mg、Fe和Mn质量分数分别为11.25、2910.17、229.74 mg·kg⁻¹，显著高于T0和ck (P＜0.05)。Cr、Cd和As随着牛粪添加量增加而降低，T4处理中Cr、Cd、As质量分数分别为5.87、0.22、0.029 mg·kg⁻¹，显著低于ck (P＜0.05)。Pb随着牛粪添加量的增加而显著升高(P＜0.05)。

由表6可知：T2~T4处理容重显著高于ck (P＜0.05)，各处理最终堆肥之间总孔隙度无显著差异，随着牛粪添加量的增加，通气孔隙逐渐减小。T2~T4处理最终堆肥产物持水力显著高于ck (P＜0.05)，说明T2~T4处理作为栽培基质可以减轻水分管理工作量，节约水资源。

从图1可以看出：各处理西葫芦种子GI随堆肥时间增加均表现为先下降后上升最后趋于稳定，初始GI为21.01%~23.98%，T0~T4的GI在堆肥第6天就表现出上升趋势，与ck相比提前1周左右。堆肥39 d后，T2、T3和T4最先达到腐熟，60 d后，除ck外，所有处理GI达80%以上；添加牛粪各处理的GI均高于ck，其中T3处理的最终GI最高。可见适当添加牛粪可提高蘑菇渣堆肥的腐熟程度。

Figure 1.  Changes of germination index during composting

蚯蚓生长和繁殖与其摄食、消化及环境条件密切相关。在蚯蚓堆肥中，蚯蚓平均质量、存活率、蚯蚓卵数量、幼蚯蚓数量及日增殖倍数等指标能有效反映蚯蚓的生长繁殖状况。有研究表明：只要原料能被蚯蚓采食，蚯蚓就能从中获取生物量，支持个体生长和种群繁殖，但其生物量增加的程度取决于原料质量及环境适宜性^[14]。本研究结果表明：添加牛粪能够显著提高蚯蚓生长和繁殖能力，牛粪中的氮素(如蛋白质、尿素)在微生物作用下转化为可被蚯蚓吸收的铵盐和硝酸盐，促进蚯蚓的生理活动。然而，过高铵盐可能导致蚯蚓逃逸甚至中毒死亡^[15]，牛粪高含水量、低通透性等特点，也容易引发蚯蚓死亡。因此，在蚯蚓养殖中，牛粪通常需与秸秆等植物残体混合以调节水分和碳氮比。

蚯蚓堆肥的过程也是有机质矿化和腐殖化过程。各处理初始pH为8.35~8.47，符合蚯蚓适生pH^[16]，堆肥结束后，所有处理堆肥pH均下降。有学者认为pH下降可能与N和P分别转化为硝酸盐和正磷酸盐有关，同时新形成的腐植酸也会降低堆体pH^[17]。也有学者认为堆肥过程中产生的铵根离子会增加堆体pH，当堆体pH较低时，铵根离子更容易被保存在堆肥中。因此在两者共同作用下，堆体pH向中性转变^[18]。TOC降低主要源于微生物和蚯蚓对有机质的分解作用。这一过程不仅提高了堆体EC，还通过腐殖酸形成和CO₂释放降低了堆体的pH，有助于氮素的保存。EC高于4 mS·cm⁻¹时会对植物种子萌发及幼苗生长产生不良影响^[19]。本研究所有处理的EC均低于4 mS·cm⁻¹，可安全应用于农业生产栽培。

一般堆肥产物C/N≤20时则代表堆肥基本腐熟；堆肥产物C/N≤15时，说明产物不仅腐熟度较高，且施用于土壤后不会引起短期固氮问题。本研究中，除T0和ck外，其余各处理的C/N均小于15，表明其腐熟度较高，可直接用于作物种植。随着牛粪添加量的增加，有机质分解越充分，pH越低，EC越高，C/N也更低。这结果进一步表明牛粪添加显著促进了堆肥矿化和腐殖化过程。

堆肥结束后，TN、TP和TK质量分数均有所上升，这主要归因于有机质在蚯蚓和微生物的作用下发生矿化与降解，导致堆体质量和体积显著下降，从而使这些元素的相对含量增加^[20]。本研究中，随着牛粪添加量增加，堆肥养分的增率也呈上升趋势，这与牛粪促进有机质分解的结论一致。有研究表明，蚯蚓能够改善堆料微环境，提高固氮菌的数量，促进氨态氮转化为硝态氮，从而减少N损失并提高堆肥产物中的N含量^[21]。微生物活动产生酸导致不溶性磷和钾的溶解，而蚯蚓肠道中的微生物群落在提高P、K有效性方面也发挥了重要作用^[22]。在堆肥过程中，TN和TP增率高于TK，这可能与K在堆肥过程中更易转化为有效态并随水流失有关，而N则通过与腐殖酸根离子结合得以保存。

本研究中，随着牛粪添加量增加，Mg、Fe、Mn、Pb质量分数显著升高，主要归因于堆体的浓缩效应^[23]。而Cr、Cd和As质量分数随牛粪添加量增加而降低，则可能与蚯蚓和微生物的活动密切相关。研究表明：蚯蚓在堆肥过程中能够通过摄食和排泄积累重金属^[24−25]，从而降低其在堆体中的有效性和迁移性，减少通过食物链积累的风险。LÜ等^[26]发现：Pb增加也可能是因为Pb与腐殖酸结合形成稳定的有机络合物，或与硫化物、磷酸盐结合生成沉淀；总量虽然增加，但有效态铅的可利用性反而降低，环境风险可控。堆肥后，堆体的重金属离子总量远低于花木栽培基质的限值^[27]，表明堆肥产物在应用中具有一定的环境安全性。

本研究各处理堆肥产物容重、总孔隙度、通气孔隙和持水力随着牛粪添加量增加而增加，且蚯蚓堆肥大于普通堆肥。这表明蚯蚓在堆体中的活动可以改善堆体通透性，但由于本研究每周进行人工翻堆以促进有机物均匀降解，因而堆肥产物容重、总孔隙度和通气孔隙差异不显著。各处理最终堆肥容重与通气孔隙度均在育苗基质容重理想范围(0.1~0.8)和大部分作物适宜通气孔隙度范围(15%~20%)内^[28−29]；除T0总孔隙度略高于理想水平，其余处理均满足无土栽培基质总孔隙度70%~90%的要求^[30]。蚯蚓在堆肥过程中会采食有机物并排出蚯蚓粪，其中含有大量植物生长所需的营养物质，其本身也具有良好保水保肥能力，蚯蚓粪特有的类团粒结构增强了堆体持水力。

GI是评估堆肥腐熟度和检测植物毒性的重要指标。当GI≥80%时，表明堆肥产物达到腐熟标准^[31]。试验前期GI下降的原因可能是蘑菇渣和牛粪在堆肥前期释放较多的酚、酸等小分子有机物，对种子产生毒害，这些物质随着堆肥进程的推进挥发或重新结合成无害的大分子^[32]，促使GI回升。研究结果显示T3处理对种子毒害作用最小。当牛粪比例继续增至T4时，GI下降至96.57%。这是由于堆肥中低分子有机酸与铵根离子均阻碍了种子萌发及根系生长^[33]。当牛粪添加量较低时，腐殖化程度对堆体GI影响较大，随着牛粪添加量增加，腐殖化程度提高，小分子有机物聚合成腐殖质，堆肥产物GI升高；但当牛粪添加量过高时，含氮有机物分解释放的铵根离子限制了堆肥产物GI。为了平衡堆肥的腐殖化程度和养分释放，牛粪添加量需控制在适宜范围内。基于本研究结果，将蘑菇渣和牛粪混合干质量比控制在100∶15，既可以促进蘑菇渣的资源化利用，又能降低其对种子产生毒害的风险。

与传统的蘑菇渣堆肥相比，蚯蚓堆肥可以促进有机质分解，降低堆肥产物的C/N，提高堆肥的腐熟程度，提高堆肥产物中的TN、TP、TK质量分数。添加牛粪可改善蚯蚓的生长环境，显著提高蚯蚓平均质量和存活率，并加快蚯蚓繁殖速度。随着牛粪添加量增加，堆体有机质分解量增加，EC、TN、TP及养分有效性提高，pH、C/N降低。堆肥产物品质从高到低总体依次为添加牛粪的蘑菇渣蚯蚓堆肥、蘑菇渣蚯蚓堆肥、传统蘑菇渣堆肥。

在蘑菇渣蚯蚓堆肥中，蘑菇渣和牛粪混合干质量比为100∶15时，堆肥的养分含量高、物理性质优，且对植物无毒害作用，可直接用于土壤改良和作物栽培。同时，该技术为蘑菇渣和牛粪的资源化利用提供了高效可行的解决方案，能够减少废弃物污染，推动农业循环经济的发展，具有显著的环境和经济效益。