蚓粪花卉生长基质蚓粪复合肥的开发研究

蚓粪花卉生长基质、蚓粪复合肥的开发研究姓名：蔡树美学号：D08039导师：钱晓晴教授摘要：蚓粪是蚯蚓对有机废弃物进行生物降解的产物，利用蚯蚓资源化处理污泥、畜禽粪便等有机废弃物是经济上可行的生态处理有效方法[1-3]。温室和大田实验都证实蚯蚓粪对不同作物包括谷物、蔬菜等植物有明显的促生长作用[4-5]。但把蚓粪混合其他辅料、配料制成生长基质的研究还不多，尤其对名贵花卉土壤替代生长基质还未进行全面开发。现在人们更加注重通过高附加值产品的开发来实现资源最大化利用，因此开发蚓粪花卉生长基质，将其应用于农业花卉苗木生产，具有重要的现实意义。本论文通过研究蚓粪花卉生长基质、蚓粪复合肥对几种名贵花木的培养效果，主要从养分供应及商品化开发的角度对蚓粪系列产品的应用发展方向作出探讨，为蚓粪的应用推广提供理论依据。关键词：蚓粪；生长基质；复合肥1研究背景与意义1.1畜禽粪便污染现状近年来，随着规模化畜禽养殖业的迅速发展，不同规模的养殖场不断涌现，原本潜在的由畜禽养殖带来的环境污染问题日益显现，并且随着人们环保意识的增加而日益突出。其中畜禽粪便造成的环境污染，是造成畜禽养殖业环境污染的主要污染源。据国家环保总局调查显示，仅1999年，我国畜禽粪便产生量为19亿吨，是工业固体废物的2.4倍，畜禽粪便的总体土地负荷警戒值已达0.49（正常值应小于0.4）。专家预计，到2010年，我国每年畜禽粪便产生量将达到45亿吨[6]。如果这些畜禽粪便随意堆放，不做适当处理，势必对周围环境的水体、土壤、空气和作物造成污染，成为公害，成为畜禽传染病、寄生虫病和人畜共患疾病的传染源。畜禽粪便直接还田如使用不当或连续过量使用，还会导致硝酸盐、磷及重金属的沉积，从而对地表水和地下水构成污染。污水流入河流、池塘可使藻类等浮游生物大量繁殖，产生各种毒素，严重污染水体。畜禽粪便一旦污染了地下水，极难治理恢复，将造成较持久性的污染。此外，畜禽粪便在堆放过程中产生的恶臭是造成畜禽粪便污染的另一主要原因。规模化养殖场产生的大量粪便如果没有进行有效的处理，则养殖场散发出非常难闻的气味，会严重地污染周围居民的生活环境。1.2利用蚯蚓处理畜禽粪便的研究进展其实畜禽粪便等有机废物是农业生产中的宝贵资源，“农村的畜禽粪便等废弃物是放错了位置的资源”。如果好好加以利用和开发，不仅能解决长久以来困扰着我们的环境污染问题，还能创造超乎想象的经济、社会、生态效益，帮助中国的畜禽养殖业走上绿色循环之路[7]。利用蚯蚓处理畜禽粪便的技术就是近年来在我国新兴起来的新技术。1.2.1蚯蚓处理禽畜粪便的原理蚯蚓是一种杂食性的环节动物[8]，它在自然生态中具有促进物质分解转化的功能。研究人员由此联想出利用蚯蚓来处理畜禽粪便的方法。大量的实验研究表明，蚯蚓在其新陈代谢过程中能吞食大量有机物质，并将其与土壤混合，通过砂囊的机械研磨作用和肠道内的生物化学作用下进行分解转化[9]。蚯蚓的消化能力极强，其消化道能分泌出蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶、甲壳素酶及淀粉酶等，在这些酶和微生物的作用下有机物质就会被水解成简单的碳水化合物、脂肪、醇等低分子化合物，这些物质再与土壤中的矿物质结合成高度融合的有机—无机复合体，最终以蚓粪的形式排出。同时蚯蚓在禽畜粪便中的运动还可以改进禽畜粪便中的水汽循环，使得禽畜粪便和其中的微生物得以运动、相互混合，从而加强蚯蚓和微生物对禽畜粪便处理的协同作用[10]。蚯蚓的吞食量很大，1亿条蚯蚓一天可吞食40t～50t禽畜粪便，排出20t消解完全的蚯蚓粪。研究还表明蚯蚓是通过皮肤进行呼吸的，在氧含量很低的情况下也能维持生存。因此蚯蚓这种独特的生活方式和强大的消化能力为“禽畜粪便生态处理”提供了可行性。1.2.2蚯蚓处理禽畜粪便生态处理技术的效益评价首先，在堆肥主发酵中，粪便处理实现了无害化、减量化和一定的资源化。在蚯蚓的后续处理中，使得堆肥更加稳定，且能有效去除粪便中的重金属，另外处理过程中产生的蚯蚓粪是一种优质的有机肥料和土壤改良剂，其肥效比原粪便有明显提高。蚯蚓粪中全氮含量增加37%，全磷含量增加777%，全钾含量增加1262%，有机质增加72%[11]。由此可见蚯蚓粪的养分较为全面，肥效较长，可用来改良土壤、增加土壤肥力，这对于农业的高效持续发展也起着重要的作用。另外，蚯蚓粪气孔率高、呈微小团粒结构、其中含有丰富的微生物群，这些使得蚯蚓粪具有强而均匀的高吸附性，因此蚯蚓粪也可用来作为脱臭剂。蚯蚓粪中的生物活性物质较为全面，其中必需元素和一些微量元素全组合排列的拮抗作用完全且达到了最佳状态的协同平衡[12]，因此蚯蚓粪也可作为优质饲料添加剂，有着较好的市场前景。1.3蚯蚓粪的作用1.3.1蚯蚓粪的性质蚓粪是一种均一且有自然泥土味的细碎类物质，具有很好的通气性、排水性和高持水量，并具有良好的吸收和保持营养物质的能力，相对于较大的表面积而言，还有利于蚓粪中许多有益微生物的生存。尽管蚓粪中营养物质的种类和含量因所取食原料的不同而不同，但总体来说，蚯蚓所取食的各种有机质都转化成稳定的腐殖质类复合物，更有利于植物的吸收和利用。同时，蚓粪中还含有大量的细菌、放线菌和真菌，这些微生物的代谢作用还可以改变土壤的各种理化性质，使土壤成分更加复杂多样和更有利于植物的吸收利用，并会对其它微生物的活动产生一定的影响，如抑制植物的土传病害等。1.3.2蚯蚓粪作用的研究进展人们很早就已经意识到蚓粪在作物生长中具有一定作用，但一直缺乏确凿的科学依据，因此，这种认识在很大程度上只是一些合理的猜测。随着科学技术的进步和人类对蚯蚓研究的深入，人们发现蚓粪并不仅仅是代谢废弃物，它还在促进作物生长、抑制病原菌活性和改善土壤肥力等方面具有重要作用。这些作用都是由蚓粪中所含有的特殊生物和化学成分决定的。目前，国内外对蚓粪作用的探索研究也正是致力于分析蚓粪中的各种生物和化学成分，并通过分析这些成分而阐明蚓粪的作用。对蚓粪中生物成分的研究主要集中在其含有的微生物的种类和作用方面。微生物在养分转化中起着枢纽作用，是土壤有效养分的供应源和储存库。研究蚓粪中微生物种类和数目的变化，对于揭示蚓粪的生态作用有着重要意义。有人报道蚓粪中细菌和放线菌的数目与原土相比大幅度增加，而真菌数目则变化不大。也有人报道土壤微生物含量在蚓粪和原土中差别不大[13]。甚至还有人报道蚓粪中的微生物含量较原土中的少[14-15]。这些研究结果并不具有普遍性，造成它们之间相互矛盾的原因可能有以下几点：第一，实验中选用的蚯蚓种类不同。不同种蚯蚓具有不同的生理特点，所以，它们排出的粪便中含有的微生物种类可能也会有所不同；第二，实验环境条件的差异。不同的养料供应水平，不同的温、湿度条件都可能会对蚓粪的理化性质造成一定的影响，进而影响到在其中生活的微生物；第三，实验方法的不同。根据不同原理设计的实验侧重点不同，尤其是在结果的测量中，不同方法可能导致出现不同的结论；第四，测量时间选择上的不同。蚯蚓的消化作用虽然会使土壤总微生物量降低，但同时又会使被微生物固持的养分得以释放，促进微生物群落的年轻化[16]，而微生物的繁殖力极高，所以，测定时间选取上的较小差异可能会引起实验结果间的巨大差别。1.3.3蚯蚓粪系列产品开发的意义新鲜蚓粪能够抑制病原菌的生长，使涂布有F.Oxysporum孢子悬液的PDA培养基上出现清晰的抑菌圈[17]，而经过灭菌的蚓粪提取液不仅不会出现抑菌圈，反而会刺激镰刀病原菌的生长[18]。这说明是蚓粪中的微生物成分而不是其它成分对病害具有抑制作用。蚓粪抑制植物土传病害的可能机制是：蚓粪中含有的微生物增加了土壤中的微生物量和活性，增强了病土中与病原菌进行营养和能源竞争的微生物的竞争能力，限制了病原菌繁殖潜力的充分发挥；蚓粪中的有益微生物还能产生拮抗活性强、抗菌谱广的抗生素，限制病原菌的生长[19]。除此之外，蚓粪中还含有某些固氮微生物和硫化细菌，它们的正常生理活动可以增加蚓粪中的N、P浓度，提高蚓粪的营养价值[20]。对蚓粪中化学成分研究的资料非常有限，主要集中在蚓粪对植物生长的促进作用方面。Atiyeh，R.M[21]等研究了蚓粪对西红柿生长的影响，发现施加蚓粪能增加西红柿的平均重量。他们还研究了蚓粪对万寿菊(Marigold)的生长和发育的影响，发现了相似的规律。这些现象可能与蚓粪中丰富的化学营养物质有关。胡佩等[5]发现蚓粪提取液对绿豆插条不定根具有显著诱导效应。他们利用高效液相色谱证实环毛蚓(Pheretima)蚓粪中至少存在两种植物激素(IAA和GA3)且其含量较原土中的高得多，经对照实验后的统计发现，蚓粪提取液对绿豆插条不定根具有显著诱导效应，并发现蚓粪中可能还含有除IAA和GA3以外的其它植物激素或生物活性物质。蚓粪提取液的促根作用可能是多种生物活性物质综合作用的结果。另外，蚓粪对植物生长的促进作用与其在土壤中的含量有关，纯的蚓粪反而会抑制西红柿苗的生长，这可能是与蚓粪中高浓度的可溶性盐含量和较差的通气性有关[22]。蚓粪中的生物和化学成分并不是互不相干的，蚓粪中含有的某些微生物种类，能通过正常的生命活动吸收、固定外源化学元素，增加蚓粪中N、P等元素的含量，提高蚓粪的营养价值[23]。而蚓粪中本身所含有的某些化学物质，又会对在其中生活的微生物产生正向或负向的影响。正是由于蚯蚓及其蚓粪的这些重大作用，日本、美国等发达国家曾一度兴起蚯蚓养殖，与此相应的蚯蚓养殖技术的研究在这些国家也迅速开展，世界著名蚯蚓专家爱德华兹在上世纪80年代中期成功设计了自动连续生物反应器，这是较为有效的规模化蚯蚓养殖系统。我国的孙振均对该技术进行了进一步改进，使之结构更简单，成本更低，更符合发展中国家推广使用[19]。2研究目标（1）比较不同配方蚯蚓粪复合肥肥效，研究蚯蚓粪的养分供应规律，推广多功能蚯蚓粪花卉生长基质，开发特种花卉专用生长基质。（2）探讨物料水分、无机黏结剂和有机黏结剂混合添加比例、方式对蚯蚓粪肥造粒成球的作用效果。（3）研究彩色凝胶包膜材料与包膜方法对蚯蚓粪肥外观与内在品质的影响作用。3研究创新之处蚯蚓粪花卉生长基质是利用蚯蚓消解养殖场生物废弃物得到的蚯蚓粪添加一定比例的辅料和配料配置而成。蚯蚓粪花卉生长基质除了具有传统的有机肥、复混肥及其它一些微生物肥料相似的作用效果外，更具有促进作物养分吸收和同化、提高作物抵御不良环境的能力等作用。以改善花卉生长、提高花卉对常见土传真菌植物病害的抵抗力为核心，从源头上控制农业面源污染，使花卉生长环境中各种养分释放曲线与特定花卉养分需求曲线相吻合，改变传统花卉生长以土壤基质为主的方式，提高了花卉培养的成活率，简化了花卉培养方式的同时极大地节约了土壤、花卉种质和肥料资源，是本项目的主要创新之处。4材料与方法4.1蚯蚓粪来源采自扬州大学实验农牧场蚯蚓基地。4.2技术路线和实验方案4.2.1技术路线肥料生产技术研究实验室模拟阶段的工作在扬州大学环境材料与环境工程省重点实验室等有关实验室和研究所进行；小试、中试和规模化生产均在扬州大学实验农牧场内蚯蚓基地进行。（1）养分供应规律研究比较不同配方组成蚯蚓粪复合肥养分含量，通过实验室测定分析肥料在水中、土壤中以及其他基质中的养分释放规律，重点研究蚯蚓粪与各种辅料、配料混合后，对花卉生长的效果比较。推广多功能蚓粪花卉生长基质，开发特种花卉专用生长基质。图1花卉专用生长基质养分供应规律研究技术路线辅料、配料蚯蚓粪不同比例混匀养分含量测定养分释放特征水中土壤中其它基质中花卉培养（2）造粒条件研究在实验室条件下，设以下处理：干混总用料量5%、10%、15%、20%和25%的无机黏结剂（膨润土），总混合料量的0.5%、1%、2%、3%、4%和5%的有机黏结剂（改性玉米淀粉和红薯淀粉），并设置不同量水分喷雾条件，进行圆盘造粒。观察成球过程，测定、比较无机黏结剂和两种有机黏结剂添加比例、及在不同水分喷雾强度下混合物料的成球率、返料率。对颗粒进行烘干处理，比较烘干的难易程度，测定不同粒径颗粒比例、机械强度、水稳性等。图2蚓粪复合肥造粒条件研究技术路线（3）包膜技术研究以目前明确的两种包膜材料（高强度包膜