2024, Vol. 45
2. 中国科学院昆明植物研究所, 云南省真菌多样性与绿色发展重点实验室, 中国西南野生生物种质资源库, 昆明 650201
2. Germplasm Bank of Wild Species, Yunnan Key Laboratory for Fungal Diversity and Green Development, Kunming Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Kunming 650201, China
据估计, 全球每年产生11.2亿t固体废物, 其中约46%为有机废物, 主要包括禽畜粪便、污水污泥、农作物秸秆、厨余垃圾和园林绿化垃圾等[1, 2]. 这些有机废物含有作物所需的大量营养物质, 如氮磷钾等, 但若处置不当或随意丢弃不仅会造成资源浪费, 还会造成环境问题, 如对空气、水和土壤的污染等[3]. 好氧堆肥已被证明是一种处理有机固体废物的有效方法, 并在全球范围内得到广泛的应用[4], 处理过程中氮磷钾等营养元素和重金属的转化成为堆肥研究中普遍关注的问题.
堆肥最终产品可以作为有机肥料, 为作物提供长期的养分供应, 也符合现代农业经济的可持续发展模式. 堆肥产品中含有的氮磷钾等营养元素是植物生长的三大主要营养元素, 因此堆肥中的氮磷钾含量也成为评判堆肥质量的重要指标[5]. 然而全球Meta分析表明, 堆肥中主要营养元素氮素在堆肥过程中约31.4%都将以不同的形式损失掉, 其中通过NH3和N2O排放的氮损失分别占氮素损失的54.8%和4.5%[6]. 同时, 作为堆肥原材料的有机固体废弃物, 如畜禽粪便、污水污泥等, 含有较多的重金属, 经过堆肥后其中的重金属含量不仅没有减少, 甚至可能由于浓缩效应而有所增加[7], 堆肥产品已成为农田土壤重金属的主要来源[8]. 虽然在堆肥过程中重金属可以从可利用态转化为难利用态[9, 10], 这种变化减缓了重金属的毒性, 降低了作物对其的吸收, 但重金属的危害并没有完全消除. 因此, 堆肥过程中营养元素损失和重金属污染等仍是有机固废处理过程中迫切需要面对和解决的问题[11, 12].
蚯蚓堆肥是利用蚯蚓和微生物共同提高有机废物的分解和转化, 从而获得营养丰富且稳定的腐殖质——蚯蚓堆肥的一种经济有效的生物处理技术[13]. 与传统堆肥相比, 蚯蚓堆肥有3个突出的优点：首先, 蚯蚓对有机废物的吞食减少了有机废物的体积, 经过消化循环排出的蚯蚓粪富含氮、磷、钾、钙等可溶性和速效营养物质, 有利于微生物的生长, 最终优化和加速了堆肥过程[2, 14]. 蚯蚓还能够吸收并富集重金属, 并在摄入后有效降低重金属的含量并改变其形态[15]. 其次, 蚯蚓肠道分泌的蛋白酶、酯酶、淀粉酶和纤维素酶等酶正是有机固体废弃物堆肥过程中所必须的, 尤其对纤维素和木质素的降解有促进作用[16]. 第三, 蚯蚓通过活动和挖洞行为, 促使堆体具有良好的孔隙度、透气性、排水性和较大的比表面积, 可以为堆肥有益微生物的生存创造良好的外部环境条件[13]. 这些优点通过蚯蚓堆肥的过程改善微生物的生长, 最终减少营养的损失, 并降低重金属的含量和优化重金属的形态组成.
近年来, 蚯蚓堆肥技术得到了广泛的关注和应用, 研究了蚯蚓堆肥过程中堆肥质量如氮、磷、钾含量和重金属含量与形态的变化特征[17 ~ 19]. Mohee等[20]综述了有机固体废物堆肥中各种金属总含量与蚯蚓堆肥中金属含量的对比, 发现蚯蚓堆肥过程中的金属动态是复杂的, 并且在文献中出现了不同蚯蚓堆肥过程中, 最终堆肥重金属含量的相反结果. 此外, 造成差异较大的原因也可能是蚯蚓种类、原料、调理剂、预堆肥时间、堆肥规模、混合料初始指标和工艺控制等因素造成的. 然而, 以往的研究一般采用单一因素进行设计研究, 并对蚯蚓堆肥过程中的某一堆肥质量或是重金属指标进行了研究分析. 但考虑到现实情况, 在同一项研究中考虑到所有影响因素并进行所有指标分析是不可能实现的. 因此, 有必要针对不同影响因素对蚯蚓堆肥中的营养元素和重金属的转化特征影响进行全面和定量的评价, 以便有效地指导实际生产.
因此, 本研究通过收集相关蚯蚓堆肥文献, 采用Meta分析, 量化蚯蚓堆肥对堆肥质量和重金属转化的影响, 评估蚯蚓种类、原料性质（pH、含水率和C/N等）、过程控制（预堆肥时间和通风方法）对提高堆肥质量和降低重金属毒性的影响效应, 以期为蚯蚓堆肥技术优化提供理论依据和技术指导, 并对有机固体废弃物资源化和无害化处理具有重要意义.
1 材料与方法 1.1 文献检索和数据搜集通过Google Scholar, Elsevier Science Direct, Web of Science和中国知网, 以“蚯蚓堆肥、重金属、生物有效性、营养元素和腐熟度”等关键词系统地检索文献, 流程如图 1所示.
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图 1 蚯蚓堆肥文献检索流程 Fig. 1 Literature retrieval process of vermicomposting |
在计算分析时使用SD, 若文献中仅有SE, 则使用公式（1）将SE转化为SD：
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(1) |
式中, n为每条研究的重复数. 在SD或SE缺失较少的情况下, 按平均值的1/10计算[21]. 基于以上条件, 共获得109篇有效文献.
分组因子, 即解释变量, 可以对指标变化做出一定程度上的解释. 根据堆肥的客观属性（如初始C/N值和初始含水率等）, 蚯蚓的种类, 通风方式, 将各个指标数据分成若干下级分组. 综合考虑到分组因子要尽可能地同时解释所有指标, 本研究对每个分组因子及其下级分组的分组方式做过反复多次亚组分析（比如初始C/N以30为界限, 是由于此时初始C/N解释指标的效果比其他数值为界限相对较好）, 并最终确定以下分组因子及其下级分组：蚯蚓种类（Eisenia fetida、Eudrilus eugeniae、Perionyx excavatus和多种混合）、预堆肥天数（无预堆肥、0 ~ 15 d和15 ~ 65 d）、通风（自然放置、翻堆和静态通风）、初始C/N（0 ~ 30和30 ~ 85）、初始含水率（50% ~ 60%、60% ~ 70%和70% ~ 80%）和初始pH（6 ~ 7、7 ~ 8和8 ~ 9）. 数值因子, 作用与分组因子相同, 不同的是统计的是具体的连续数值, 选择3种数值因子：初始C/N、初始含水率、初始pH. 从所选的研究中提取, 如需要从图中获得数据, 则使用GetData 2.2软件进行获取.
1.2 统计分析每项研究的效应值以响应比（RR）的自然对数计算, 即公式（2）：
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(2) |
式中, XE为实验组数据, XC为对照组数据. 通过使用MetaWin 2.1进行999次数据迭代的bootstrap程序[22], 根据异质性检验结果选择混合随机效应模型[23]. 为每个指标和每组的平均效应大小和偏差校正产生95%置信区间（等效加权指数计算结果）. 为便于解释, 将lnRR（平均效应和置信区间）的分析结果进行反变换, 以指数百分比变化展示, 如公式（3）：
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(3) |
本研究结果中, 以正负效应值表示分组因子及其下级分组对蚯蚓堆肥后堆肥质量和重金属的影响效应. 其中正值代表正效应, 如25.2%表示某一分组因子对某一指标的增幅为25.2%（与对照组相比）；负值代表负效应, 如-32.5%表示某一分组因子对某一指标的降幅为32.5%（与对照组相比）. 若95%置信区间不与0重叠, 则认为实验组与对照组之间存在显著差异；反之无显著差异. 显著组间异质性（QB）（P < 0.05）表明某组影响因素与其他因素差异显著, 同时, 对样本少于10个的亚组, 结果被认为是存疑的.
2 结果与讨论 2.1 蚯蚓堆肥对堆肥腐熟度、质量和重金属的发表性偏倚检验各输出结果的发表性偏倚结果见表 1. 其中NH4+-N、C/N、NO3--N、TN、生物有效性Cu（bioavailable-Cu, bio-Cu）、Cr和生物有效性Cr（bioavailable-Cr, bio-Cr）的肯德尔等级相关系数大于0.05, 且失安全数大于5n+10, 说明这4个指标不存在发表偏倚. 而TP、TK和Cu含量的肯德尔等级相关系数小于0.05, 存在偏差, 但其失安全数大于5n+10, 所出现的发表偏倚不影响估计结果[24].
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表 1 各指标发表偏倚的结果 Table 1 Results of publication bias of various indicators |
2.2 蚯蚓堆肥对堆肥腐熟度、堆肥质量和重金属Cu和Cr的影响
通过Meta分析发现, 蚯蚓堆肥对于优化堆肥质量和减少重金属危害有明显的优化效果. 如图 2所示, 经过蚯蚓堆肥, 最终堆肥的NO3--N、TN、TP和TK含量分别增加了116.2%（CI：82.7% ~ 155.8%）、29.1%（CI：25.2% ~ 33.2%）、31.2%（CI：27.2% ~ 35.3%）和15.0%（CI：8.9% ~ 21.6%）. 而NH4+-N含量和C/N逐渐降低, 最终堆肥的NH4+-N含量和C/N分别降低了14.8%（CI：-22.4% ~ -6.3%）和36.3%（CI：-40.0% ~ -32.5%）. 此外, 蚯蚓堆肥显著降低了堆肥中10.2%（CI：-12.9% ~ -7.4%）的Cu总量和15.5%（CI：-23.7% ~ -6.4%）Cr的总量, 同时也消减了Cu和Cr的生物有效性, 降幅分别为20.7%（CI：-24.0% ~ -17.3%）和41.1%（CI：-46.9% ~ -34.6%）.
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括号中的数值表示研究数, 线段表示95%置信区间 图 2 蚯蚓堆肥对腐熟指标、营养元素和重金属指标影响的总效应 Fig. 2 Total effects of vermicomposting on maturity, nutrient elements, and heavy metals |
为了优化堆肥进程和促进微生物降解, 蚯蚓堆肥的初始参数如含水率、C/N和pH都有严格的限制. Meta分析显示初始含水率、C/N和pH范围分别在50% ~ 80%、5 ~ 85和6 ~ 9之间, 除C/N范围较大外, 其他基本符合Bernal等[25]推荐的范围. 初始含水率、C/N和pH平均值分别为65.4%、28.4和7.5. 在初始C/N中, 观测值在5 ~ 30范围内有133个, 远多于在30 ~ 85内的观测值（70个）. C/N过低可能会导致TN和NH3的损失增加, 而过高可能会减缓堆肥进程, 因此建议初始堆肥C/N调节为28左右. Gao等[26]也在鸡粪和锯末混合的强制通风堆肥实验中发现初始C/N为28能够有效提高堆肥的稳定性和腐熟度. 在含水率中, 在60% ~ 70%范围内较多, 其平均值65%也是微生物最为适宜的水分环境.
在蚯蚓种类中, 由于Eisenia fetida种类是易获取的种类, 而被研究者广泛应用. 在工厂化生产中, 为了节约堆肥发酵时间, 大多不进行预堆肥处理（无预堆肥研究数为99）. 然而固体废物的预堆肥在随后的蚯蚓堆肥中起着重要的作用[27, 28], 一方面, 高温预堆肥后, 可以有效消除废弃物中的病原体和有害细菌[29], 而且蚯蚓也可以免受高温影响[30]；另一方面, 废物中的有害气体如NH3等, 可以在预堆肥阶段挥发, 以减少对蚯蚓的伤害[31]. 有许多研究（研究数为85）进行为期3 ~ 15 d的预堆肥实验, 以消除不利于蚯蚓生存的环境. 在通风方式中, 蚯蚓堆肥不同于传统堆肥, 由于蚯蚓的吞食、活动和挖洞行为使得堆体孔隙率有所提高[32], 不进行静态通风和翻堆就能满足微生物的需氧需求, 因而自然放置的研究最为普遍（研究数为185）.
2.3.2 分组因子对蚯蚓堆肥腐熟度的影响如图 3（a）所示, 在蚯蚓种类中, 添加Eisenia fetida（-17.1%）和多种蚯蚓混合（-18.8%）添加可有效促进NH4+-N含量的降低. 在预堆肥天数分组中, 预堆肥0 ~ 15 d（-23.5%）能有效降低堆肥中NH4+-N含量. 在通风方式中, 自然放置（-13.4%）更能有效降低堆肥中NH4+-N含量. 在物料初始含水率、C/N和pH分组中, 初始含水率为70% ~ 80%（-29.9%）、C/N为0 ~ 30（-16.8%）和pH为6 ~ 7（-38.6%）能显著降低NH4+-N含量.
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括号中的数值表示研究数, 线段表示95%置信区间；括号内的no表示无对应研究 图 3 不同的分组因子对NH4+-N、NO3--N和C/N变化效应的影响 Fig. 3 Effects of different grouping factors on the change efficiency of NH4+-N, NO3--N, and C/N |
同普通堆肥一样, 蚯蚓堆肥也是促使物料中NH4+-N向NO3--N逐渐转化的过程, 因此蚯蚓堆肥中NH4+-N含量显著降低, 而NO3--N含量显著增加时, 可标志着堆肥进入腐熟期[33]. 如图 3（b）所示, 蚯蚓堆肥之后的NO3--N含量显著增加, 这可能是因为蚯蚓肠道运输改变了细菌群落多样性和结构, 促进了有机质降解、含氮营养物质的矿化和NH4+-N的硝化作用[34]. 蚯蚓种类中多种蚯蚓混合堆肥的NO3--N增加最大（156.7%）, 高于单独使用Eisenia fetida蚯蚓（61.3%）和Eudrilus eugeniae蚯蚓（121.9%）的效果. 在预堆肥天数分组中, 无预堆肥显著增加NO3--N含量（143.2%）, 其次为0 ~ 15 d（110.5%）和15 ~ 65 d（78.0%）. 初始含水率为70% ~ 80%（147.1%）能有效地增加NO3--N含量, 其次为60% ~ 70%（116.3%）和50% ~ 60%（104.4%）. 虽然通风和初始pH分组对蚯蚓堆肥的NO3--N无显著影响, 但其中的自然放置和初始pH为6 ~ 7显著增加了120.6%和134.0%的NO3--N含量. NH4+-N和NO3--N含量的比值也可用于评价堆肥腐熟度, 通过统计分析得出蚯蚓最终堆肥的NH4+-N含量范围在0.004 ~ 4.7 g·kg-1, 含量平均值为1.0 g·kg-1；蚯蚓最终堆肥的NO3--N含量范围在0.01 ~ 30.5 g·kg-1, 平均含量为2.7 g·kg-1. 二者平均含量的比值为0.37, 小于1, 达到了堆肥的腐熟要求[35].
此外, C/N也是评价堆肥腐熟度和稳定性的一个重要指标[36]. 如图 3（c）所示, 在蚯蚓种类中, 混合蚯蚓堆肥可以显著降低C/N（-54.6%）, 其次分别是Perionyx excavatus（-46.0%）、Eisenia fetida（-36.2%）和Eudrilus eugeniae（-23.9%）. 预堆肥时间在0 ~ 15 d时降低的C/N最高（-43.4%）, 其次是无预堆肥（-34.2%）和15 ~ 65 d（-25.7%）. 经过适当的预堆肥处理后, 可以使一些难消化的有机质降解到蚯蚓可接受的程度, 提高了蚯蚓降解有机物质的效率[37]. 在自然放置和翻堆的通风条件下, 蚯蚓堆肥的C/N分别显著降低了38.7%和22.3%. 在自然放置的情况下, 由于蚯蚓的生命活动, 使堆肥底物由大颗粒破碎成均匀的小颗粒, 提高了通气性和含氧量, 增加了有效微生物表面积, 从而加速了有机物质的降解[38]. 蚯蚓堆肥的含水率在70% ~ 80%时C/N降低最大（-45.6%）, 其次为60% ~ 70%（-30.1%）和50% ~ 60%（-29.8%）, 可能是由于在较高的含水率下有助于蚯蚓堆肥基质中产甲烷细菌排放甲烷气体[39]. 堆肥初始C/N在30 ~ 85（-45.3%）的时候, C/N显著降低, 其次是0 ~ 30（-27.2%）, Aira等[40]研究表明, 在初始C/N高的情况下, 蚯蚓会优先繁殖而不是生长, 蚯蚓的数量增加, 消耗更多的有机碳, 因此最终堆肥的C/N降低幅度更大. 堆肥初始pH在8 ~ 9时降低蚯蚓堆肥44.5%的C/N, 其次是6 ~ 7（-34.3%）和7 ~ 8（-30.1%）, 此外, 图 6（d）显示当初始pH为7.08时, 蚯蚓堆肥增加的TN效应值最小为24.5%, 与此结果一致, 可能是pH在6 ~ 8之间时, 蚯蚓和微生物有着较高的活性, 加快了有机氮的分解, 导致氮素流失. 所有观测值的统计分析表明, 最终堆肥C/N的范围为1.1 ~ 52.7之间, 平均值为13.8, 小于15, 满足腐熟的要求.
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括号中的数值表示研究数, 线段表示95%置信区间 图 4 不同的分组因子对TN、TP和TK变化效应的影响 Fig. 4 Effects of different grouping factors on the change efficiency of TN, TP, and TK |
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实线表示散点拟合曲性, 两条虚线分别表示95%置信区间 图 5 堆肥初始C/N与NH4+-N、NO3--N、C/N、TN、TP和TK变化效应的相关关系 Fig. 5 Relationship between the initial C/N of compost and the change efficiency of NH4+-N, NO3--N, C/N, TN, TP, and TK |
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实线表示散点拟合曲性, 两条虚线分别表示95%置信区间 图 6 堆肥初始pH与NH4+-N、NO3--N、C/N、TN、TP和TK变化效应的相关关系 Fig. 6 Relationship between initial pH of compost and changing effect of NH4+-N, NO3--N, C/N, TN, TP, and TK |
蚯蚓分解有机物质后, 自身排出富含微生物的含氮排泄物、分泌的多糖、富含激素和酶的粘液等物质的矿化提高了堆体的氮水平[41], 此外, 矿化过程中有机氮化合物分解产生的水分蒸发也可能导致氮含量的相对增加. 如图 4（a）所示, 多种蚯蚓混合增加TN的效果（69.5%）高于单独蚯蚓种类的添加. 在预堆肥时间中, 0 ~ 15 d（25.1%）和15 ~ 65 d（25.2%）的效果都略低于无预堆肥（31.7%）. 通风方式中效果最好的是自然放置（38.4%）, 而静态通风法却会使蚯蚓堆肥的TN含量减少且效应不显著（-7.3%）. 这可能是因为蚯蚓的挖洞习性, 促进了堆肥的通风条件, 优化了微生物群落结构, 从而优化了蚯蚓堆肥的效率, 促进了营养元素的积累[42]. 蚯蚓堆肥的初始C/N在30 ~ 85的时候, 蚯蚓堆肥TN含量增加最大（55.6%）, 最小在0 ~ 30（19.2%）, 初始C/N在较低的水平下, TN增加量较小. Liu等[43]通过Meta分析表明, 堆肥中氮素损失随着初始C/N的增加而减少. 这可能是若初始C/N过低, 则堆肥中有过量的氮素供应, 易引起氮素损失. Jiang等[44]发现猪粪堆肥中料堆C/N在15时比在30时会导致更高的NH3和N2O排放. 此外, Wong等[45]在屠宰场动物残渣堆肥实验中发现, 料堆初始C/N在16时会导致84%的初始NH4+-N的损失. 可能是由于堆体在较低C/N的时候会导致过量的氮累积, 从而刺激NH3排放[46]. 初始pH在8 ~ 9的时候, 蚯蚓堆肥TN含量增幅最大（48.2%）, 其次为pH为6 ~ 7（27.7%）和7 ~ 8（15.0%）, 原因可能是蚯蚓以及堆体中的微生物处于pH为中性的生长环境时有着较高的活性[47], 强烈的生命活动促进堆体有机氮分解, 容易造成氮素的损失.
随着堆肥的进行, 有机物质快速降解导致的富集效应会使蚯蚓堆肥中TP和TK增加[48], 此外, 蚯蚓肠道磷酸酶和溶磷微生物会释放有机质中磷的有效成分[49]. 如图 4（b）所示, 除通风方式外, 其他5组分组因子都显著影响蚯蚓堆肥中TP含量. 在蚯蚓种类中, 混合添加蚯蚓可以最大增加TP含量（102.1%）. 无预堆肥、0 ~ 15 d和15 ~ 65 d预堆肥, 都可显著增加TP含量（分别为33.3%、33.0%和28.4%）, 但3组之间差异不大. 在自然放置条件下, 蚯蚓堆肥的TP含量增加最大（39.8%）. 堆肥含水率在50% ~ 60%的时候, 蚯蚓堆肥的TP含量增加最大（69.9%）, 最小是在60% ~ 70%（12.7%）. 堆肥的初始C/N在30 ~ 85的时候TP增加最大（45.6%）, 在0 ~ 30的时候最小（25.9%）. 初始pH在8 ~ 9的时候蚯蚓堆肥的TP含量增加最大（52.5%）, 其次为7 ~ 8（28.2%）和6 ~ 7（24.4%）.
如图 4（c）所示, 蚯蚓Perionyx excavatus可以最大幅度增加TK含量（37.2%）, 而蚯蚓Eisenia fetida的效果最小且不显著（3.6%）. 预堆肥时间仅在0 ~ 15 d时显著影响蚯蚓堆肥的TK含量, 增幅为28.0%, 经过对堆肥原料进行适当的预降解有助于蚯蚓的消化和吸收并最终增加营养元素的含量[50]. 在通风方式中, 仅自然放置显著增加了18.5%的TK含量. 堆肥含水率在70% ~ 80%的时候, TK含量增加35.8%, 其次为50% ~ 60%（11.2%）. 初始pH分组中, 仅6 ~ 7显著增加了19.9%的TK含量.
2.3.4 堆肥初始性质与堆肥腐熟度和堆肥质量的关系图 5 ~ 7表明, 初始C/N、pH和含水率显著影响最终蚯蚓堆肥的C/N、TN、TK和TP含量. 图 5（c）和图 5（f）显示, 初始C/N与最终堆肥的C/N和TK含量呈现显著的负相关关系. 而初始C/N与TN含量呈现显著的正相关关系, 意味着蚯蚓堆肥的TN含量随着初始C/N的增加而增加. 图 5（d）显示, 蚯蚓堆肥中初始C/N低于20的研究数占38.3%. 因此导致蚯蚓堆肥对于TN增加的效应值相对较低. 此外, 初始C/N与最终堆肥的TP含量呈显著的二次方程关系[图 5（e）], 当初始C/N为49.3时, 蚯蚓堆肥增加的TP效应值最大, 为65.3%.
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实线表示散点拟合曲性, 两条虚线分别表示95%置信区间 图 7 堆肥初始含水率与NH4+-N、NO3--N、C/N、TN、TP和TK变化效应的相关关系 Fig. 7 Relationship between initial moisture content of compost and change effect of NH4+-N, NO3--N, C/N, TN, TP, and TK |
图 6（c）和6（e）显示初始pH与蚯蚓堆肥最终的C/N呈显著的负相关关系, 而与TP含量呈现显著的正相关关系. 此外, 初始pH与蚯蚓堆肥最终的TN含量呈显著的二次方程关系[图 6（d）], 当初始pH为7.08时, 蚯蚓堆肥增加的TN效应值最小, 为24.5%.
如图 7（a）所示, 初始含水率与蚯蚓堆肥最终的NH4+-N含量呈显著的负相关关系. 初始含水率与最终的TP含量呈现显著的二次方程关系[如图 7（e）], 通过计算当初始含水率在69.5%的时候, 蚯蚓堆肥对最终TP含量增加得最少, 增加幅度为16.1%. 初始含水率与最终C/N呈现显著的三次方程关系[如图 7（c）], 通过计算当初始含水率在70.4%时, 蚯蚓堆肥对最终C/N降低的幅度最多, 为41.6%.
2.4 分组因子对蚯蚓堆肥重金属Cu和Cr总量和生物有效性含量的影响如图 8（a）所示, 与一般堆肥相比, 蚯蚓Eudrilus eugeniae可以显著减少34.8%的Cu含量, 其次为蚯蚓Eisenia fetida（-11.0%）. 在无预堆肥的情况下, 蚯蚓堆肥中Cu减少最大（-21.0%）；预堆肥时间越长, 蚯蚓堆肥中的Cu减少越小, 且仅预堆肥为0 ~ 15 d时减少了8.9%的Cu含量. 通风方式中采用翻堆可以显著减少蚯蚓堆肥中23.3%的Cu, 其次为自然放置（-3.8%）. 堆肥含水率在50% ~ 60%时堆体中Cu含量减少的效果最大（-41.8%）, 其次为60% ~ 70%（-9.3%）, 而在70% ~ 80%的情况下, 反而会使Cu含量增加9.1%. 堆肥初始C/N在0 ~ 30（-6.4%）和30 ~ 85（-11.2%）时, Cu减少的效果差别不大. 堆肥的初始pH在7 ~ 8和8 ~ 9的时候, 堆肥Cu含量分别减少16.3%和25.6%, 而在6 ~ 7的时候, 蚯蚓堆肥的Cu含量却显著增加38.4%.
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括号中的数值表示研究数, 线段表示95%置信区间；括号内的no表示无对应研究 图 8 不同的分组因子对Cu、Cr、bio-Cu和bio-Cr变化效应的影响 Fig. 8 Effects of different grouping factors on the change efficiency of Cu, Cr, bio-Cu, and bio-Cr |
如图 8（b）所示, 蚯蚓Eudrilus eugeniae可以显著减少堆肥64.1%的Cr含量. 预堆肥方式中, 只有无预堆肥方式能够显著降低堆肥中Cr含量（-52.1%）. 通风方式中, 仅翻堆的通风方式显著减少了43.4%的蚯蚓堆肥的Cr含量. 堆肥含水率在50% ~ 60%的时候, 蚯蚓减少堆肥中Cr含量的效果最大（-68.6%）. 蚯蚓堆肥初始pH仅在7 ~ 8时可以显著降低31.2%的Cr含量.
在有机废弃物堆肥过程中, 蚯蚓对重金属有效态部分的去除能力主要取决于两个方面. 一方面, 蚯蚓促进有机物的微生物降解, 由于蚯蚓肠道的酶促作用, 金属离子被释放到蚯蚓堆肥系统中[51], 在蚯蚓堆肥过程中, 金属离子与腐殖质结合显著增加[52]；另一方面, 重金属在蚯蚓组织中积累, 与低分子量、富含半胱氨酸、对重金属亲和力高的金属硫蛋白结合, 形成有机金属配合物, 对金属进行解毒[53].
如图 8（c）所示, 蚯蚓堆肥中bio-Cu的减少可能是由于微生物细胞在降解有机质的时候对Cu原子的固定以及Cu在蚯蚓体内稳定化而形成金属硫蛋白络合物[54]. 蚯蚓Eisenia fetida和Eudrilus eugeniae可以显著减少堆肥18.7%和23.0%的bio-Cu. 在预堆肥时间上, 无预堆肥可以最大程度地减少bio-Cu含量（-24.2%）, 其次为15 ~ 65 d（-18.2%）和0 ~ 15 d（-14.1%）. 在通风方式上, 翻堆可以最大程度减少蚯蚓堆肥的bio-Cu（-27.9%）, 其次是自然放置（-18.5%）和静态通风法（-13.2%）. 堆肥含水率在50% ~ 60%时bio-Cu（-44.9%）减少最大, 其次是60% ~ 70%（-17.8%）, 这可能是因为在较干燥条件下, 废物中的重金属难以以金属离子的形式在堆肥系统中移动[55], 减少了与环境的交换量. 物料初始pH在6 ~ 7和7 ~ 8时能分别有效减少28.1%和22.5%的bio-Cu含量.
如图 8（d）所示, 蚯蚓Eisenia fetida可以显著减少堆肥39.2%的bio-Cr含量, 可能是因为Eisenia fetida将对生物毒性较大的Cr（Ⅵ）还原为毒性较小的Cr（Ⅲ）, 然后Cr（Ⅲ）与分解的有机物结合[56], 以此降低了Cr的流动性. 在预堆肥分组中, 0 ~ 15 d预堆肥能有效的减少堆肥的bio-Cr含量（-57.7%）, 其次为无预堆肥（-36.5%）和15 ~ 65 d（-28.4%）. 在通风方式中, 仅翻堆可以有效减少堆肥中50.7%的bio-Cr含量. 物料初始含水率仅在50% ~ 60%（-53.9%）能有效降低bio-Cr含量. 蚯蚓堆肥初始pH对bio-Cr含量无显著的影响.
2.5 蚯蚓堆肥的指导建议表 2展示了不同分组因子对堆肥腐熟度、堆肥质量和重金属影响的正负效应. 从中可以看出, 当初始含水率、C/N和pH分别在70% ~ 80%、30 ~ 85和6 ~ 7范围时, 预堆肥天数在0 ~ 15 d之间, 通风方式选为自然放置, 多种蚯蚓混合, 对于蚯蚓堆肥中NH4+-N和C/N降低的效果更优, 同时也能够显著增加最终蚯蚓堆肥中NO3--N、TN、TP和TK的含量. 而在初始含水率、C/N和pH分别在50% ~ 60%、0 ~ 30和7 ~ 8范围, 不采取预堆肥措施和采取翻堆作为通风方式, 同时选取Eudrilus eugeniae种类进行蚯蚓堆肥, 对于堆肥中重金属总量及其有效性降低的效果较为显著.
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表 2 不同分组因子对堆肥腐熟度、堆肥质量和重金属影响的正负效应1） Table 2 Positive and negative effect values of different grouping factors on compost maturity, compost quality, and heavy metals |
因此在实际大规模蚯蚓堆肥过程中, 若堆肥原料为畜禽粪便、厨余垃圾或其他重金属含量较低的有机固体废弃物, 则蚯蚓堆肥应以提高堆肥腐熟度和质量为目的, 应调节物料初始含水率70% ~ 80%、C/N为30 ~ 85和pH 6 ~ 7, 同时进行0 ~ 15 d的预堆肥, 通风方式为自然放置, 多种蚯蚓混合堆肥；若堆肥原料为城市成活污泥、工业污泥或其他含重金属较高的有机固体废物, 当以去除重金属为主, 同时兼顾堆肥的腐熟度和堆肥质量, 应调节物料初始含水率50% ~ 60%、C/N < 30和pH 7 ~ 8, 同时不进行预堆肥, 选取通风方式为翻堆, 引用Eudrilus eugeniae种类进行蚯蚓堆肥.
3 结论本研究通过Meta分析系统整合了与蚯蚓堆肥营养元素和重金属相关的所有文献数据, 发现蚯蚓堆肥明显有助于提升堆肥质量并降低重金属危害性. 经过蚯蚓堆肥后, 堆体中NO3--N、TN、TP和TK含量分别增加了116.2%、29.1%、31.2%和15.0%. 而NH4+-N含量和C/N分别降低了14.8%和36.3%. 堆肥中Cu总量和Cr总量显著降低了10.2%和15.5%, 同时生物有效性Cu和Cr的含量也分别降低了20.7%和41.1%. 本研究比较分析了在不同的蚯蚓种类、预堆肥时间、通风方式、初始含水率、初始pH和初始C/N对蚯蚓堆肥各指标的影响效应, 以及腐熟度和营养元素指标（NH4+-N、C/N、NO3--N、TN、TP和TK）与初始含水率、初始pH和初始C/N的相关关系, 发现在促进堆肥腐熟、富集营养元素方面, 调节物料初始含水率为70% ~ 80%、C/N为30 ~ 85和pH为6 ~ 7, 进行0 ~ 15 d的预堆肥, 自然放置蚯蚓堆肥的效果最好；而在减少堆体重金属总量, 降低重金属危害性时, 建议调节物料初始含水率在50% ~ 60%、C/N小于30和pH 7 ~ 8, 不进行预堆肥, 定时翻堆, 引用Eudrilus eugeniae种类进行蚯蚓堆肥.
| [1] | Bhat S A, Singh S, Singh J, et al. Bioremediation and detoxification of industrial wastes by earthworms: vermicompost as powerful crop nutrient in sustainable agriculture[J]. Bioresource Technology, 2018, 252: 172-179. DOI:10.1016/j.biortech.2018.01.003 |
| [2] | Chen Y X, Zhang Y, Shi X, et al. The contribution of earthworms to carbon mineralization during vermicomposting of maize stover and cow dung[J]. Bioresource Technology, 2023, 368. DOI:10.1016/j.biortech.2022.128283 |
| [3] | Awasthi M K, Yan B H, Sar T, et al. Organic waste recycling for carbon smart circular bioeconomy and sustainable development: a review[J]. Bioresource Technology, 2022, 360. DOI:10.1016/j.biortech.2022.127620 |
| [4] | Goyer C, Neupane S, Zebarth B J, et al. Diverse compost products influence soil bacterial and fungal community diversity in a potato crop production system[J]. Applied Soil Ecology, 2022, 169. DOI:10.1016/j.apsoil.2021.104247 |
| [5] | Unmar G, Mohee R. Assessing the effect of biodegradable and degradable plastics on the composting of green wastes and compost quality[J]. Bioresource Technology, 2008, 99(15): 6738-6744. DOI:10.1016/j.biortech.2008.01.016 |
| [6] | Zhao S X, Schmidt S, Qin W, et al. Towards the circular nitrogen economy - a global meta-analysis of composting technologies reveals much potential for mitigating nitrogen losses[J]. Science of the Total Environment, 2020, 704. DOI:10.1016/j.scitotenv.2019.135401 |
| [7] | Wu S H, Tursenjan D, Sun Y B. Impact of compost methods on humification and heavy metal passivation during chicken manure composting[J]. Journal of Environmental Management, 2023, 325. DOI:10.1016/j.jenvman.2022.116573 |
| [8] | Peng H, Chen Y L, Weng L P, et al. Comparisons of heavy metal input inventory in agricultural soils in North and South China: a review[J]. Science of the Total Environment, 2019, 660: 776-786. DOI:10.1016/j.scitotenv.2019.01.066 |
| [9] | Chen X M, Du Z, Liu D, et al. Biochar mitigates the biotoxicity of heavy metals in livestock manure during composting[J]. Biochar, 2022, 4(1). DOI:10.1007/s42773-022-00174-x |
| [10] | Wang M M, Wu Y C, Zhao J Y, et al. Comparison of composting factors, heavy metal immobilization, and microbial activity after biochar or lime application in straw-manure composting[J]. Bioresource Technology, 2022, 363. DOI:10.1016/j.biortech.2022.127872 |
| [11] | Huang D L, Gao L, Cheng M, et al. Carbon and N conservation during composting: a review[J]. Science of the Total Environment, 2022, 840. DOI:10.1016/j.scitotenv.2022.156355 |
| [12] | Yousif Abdellah Y A, Shi Z J, Luo Y S, et al. Effects of different additives and aerobic composting factors on heavy metal bioavailability reduction and compost parameters: a meta-analysis[J]. Environmental Pollution, 2022, 307. DOI:10.1016/j.envpol.2022.119549 |
| [13] | Lim S L, Lee L H, Wu T Y. Sustainability of using composting and vermicomposting technologies for organic solid waste biotransformation: recent overview, greenhouse gases emissions and economic analysis[J]. Journal of Cleaner Production, 2016, 111: 262-278. DOI:10.1016/j.jclepro.2015.08.083 |
| [14] | Gong X Q, Zou L, Wang L, et al. Biochar improves compost humification, maturity and mitigates nitrogen loss during the vermicomposting of cattle manure-maize straw[J]. Journal of Environmental Management, 2023, 325. DOI:10.1016/j.jenvman.2022.116432 |
| [15] | Wang F, Yao W, Zhang W W, et al. Humic acid characterization and heavy metal behaviour during vermicomposting of pig manure amended with 13C-labelled rice straw[J]. Waste Management & Research: The Journal for A Sustainable Circular Economy, 2022, 40(6): 736-744. |
| [16] | Gómez-Brandón M, Fornasier F, de Andrade N, et al. Influence of earthworms on the microbial properties and extracellular enzyme activities during vermicomposting of raw and distilled grape marc[J]. Journal of Environmental Management, 2022, 319. DOI:10.1016/j.jenvman.2022.115654 |
| [17] | Devi J, Pegu R, Mondal H, et al. Earthworm stocking density regulates microbial community structure and fatty acid profiles during vermicomposting of lignocellulosic waste: unraveling the microbe-metal and mineralization-humification interactions[J]. Bioresource Technology, 2023, 367. DOI:10.1016/j.biortech.2022.128305 |
| [18] | Ducasse V, Capowiez Y, Peigné J. Vermicomposting of municipal solid waste as a possible lever for the development of sustainable agriculture. A review[J]. Agronomy for Sustainable Development, 2022, 42(5). DOI:10.1007/s13593-022-00819-y |
| [19] | Dume B, Hanc A, Svehla P, et al. Nutrient recovery and changes in enzyme activity during vermicomposting of hydrolysed chicken feather residue[J]. Environmental Technology, 2022. DOI:10.1080/09593330.2022.2147451 |
| [20] | Mohee R, Soobhany N. Comparison of heavy metals content in compost against vermicompost of organic solid waste: past and present[J]. Resources, Conservation and Recycling, 2014, 92: 206-213. DOI:10.1016/j.resconrec.2014.07.004 |
| [21] | Luo Y Q, Hui D F, Zhang D Q. Elevated CO2 stimulates net accumulations of carbon and nitrogen in land ecosystems: a meta-analysis[J]. Ecology, 2006, 87(1): 53-63. DOI:10.1890/04-1724 |
| [22] | Yangjin D, Wu X W, Bai H, et al. A meta-analysis of management practices for simultaneously mitigating N2O and NO emissions from agricultural soils[J]. Soil and Tillage Research, 2021, 213. DOI:10.1016/j.still.2021.105142 |
| [23] | Borenstein M, Hedges L V, Higgins J P T, et al. A basic introduction to fixed-effect and random-effects models for meta-analysis[J]. Research Synthesis Methods, 2010, 1(2): 97-111. DOI:10.1002/jrsm.12 |
| [24] | Zhou S X, Kong F L, Lu L, et al. Biochar — an effective additive for improving quality and reducing ecological risk of compost: a global meta-analysis[J]. Science of the Total Environment, 2022, 806. DOI:10.1016/j.scitotenv.2021.151439 |
| [25] | Bernal M P, Alburquerque J A, Moral R. Composting of animal manures and chemical criteria for compost maturity assessment. a review[J]. Bioresource Technology, 2009, 100(22): 5444-5453. DOI:10.1016/j.biortech.2008.11.027 |
| [26] | Gao M C, Liang F Y, Yu A, et al. Evaluation of stability and maturity during forced-aeration composting of chicken manure and sawdust at different C/N ratios[J]. Chemosphere, 2010, 78(5): 614-619. DOI:10.1016/j.chemosphere.2009.10.056 |
| [27] | Liégui G S, Cognet S, Djumyom G V W, et al. An effective organic waste recycling through vermicomposting technology for sustainable agriculture in tropics[J]. International Journal of Recycling of Organic Waste in Agriculture, 2021, 10(3): 203-214. |
| [28] | Singh V, Wyatt J, Zoungrana A, et al. Evaluation of vermicompost produced by using post-consumer cotton textile as carbon source[J]. Recycling, 2022, 7(1). DOI:10.3390/recycling7010010 |
| [29] | Azizi A B, Lim M P M, Noor Z M, et al. Vermiremoval of heavy metal in sewage sludge by utilising Lumbricus rubellus [J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2013, 90: 13-20. DOI:10.1016/j.ecoenv.2012.12.006 |
| [30] | Ahadi N, Sharifi Z, Hossaini S M T, et al. Remediation of heavy metals and enhancement of fertilizing potential of a sewage sludge by the synergistic interaction of woodlice and earthworms[J]. Journal of Hazardous Materials, 2020, 385. DOI:10.1016/j.jhazmat.2019.121573 |
| [31] | Kaur A, Singh J, Vig A P, et al. Cocomposting with and without Eisenia fetida for conversion of toxic paper mill sludge to a soil conditioner[J]. Bioresource Technology, 2010, 101(21): 8192-8198. DOI:10.1016/j.biortech.2010.05.041 |
| [32] | Pathma J, Sakthivel N. Microbial diversity of vermicompost bacteria that exhibit useful agricultural traits and waste management potential[J]. SpringerPlus, 2012, 1(1). DOI:10.1186/2193-1801-1-26 |
| [33] | Chang H Q, Zhu X H, Wu J, et al. Dynamics of microbial diversity during the composting of agricultural straw[J]. Journal of Integrative Agriculture, 2021, 20(5): 1121-1136. DOI:10.1016/S2095-3119(20)63341-X |
| [34] | Wang N, Wang W H, Jiang Y J, et al. Variations in bacterial taxonomic profiles and potential functions in response to the gut transit of earthworms (Eisenia fetida) feeding on cow manure[J]. Science of the Total Environment, 2021, 787. DOI:10.1016/j.scitotenv.2021.147392 |
| [35] | Zhang L, Sun X Y. Food waste and montmorillonite contribute to the enhancement of green waste composting[J]. Process Safety and Environmental Protection, 2023, 170: 983-998. DOI:10.1016/j.psep.2022.12.080 |
| [36] | Yang W, Zhang L. Addition of mature compost improves the composting of green waste[J]. Bioresource Technology, 2022, 350. DOI:10.1016/j.biortech.2022.126927 |
| [37] | Ramesh S. Grain yield, nutrient uptake and nitrogen use efficiency as influenced by different sources of vermicompost and fertilizer nitrogen in rice[J]. Journal of Pharmacognosy and Phytochemistry, 2018, 7(5): 52-55. |
| [38] | Yang F, Li G X, Zang B, et al. The maturity and CH4, N2O, NH3 emissions from vermicomposting with agricultural waste[J]. Compost Science & Utilization, 2017, 25(4): 262-271. |
| [39] | Swati A, Hait S. Greenhouse gas emission during composting and vermicomposting of organic wastes - a review[J]. Clean - Soil, Air, Water, 2018, 46(6). DOI:10.1002/clen.201700042 |
| [40] | Aira M, Monroy F, Domínguez J. C to N ratio strongly affects population structure of Eisenia fetida in vermicomposting systems[J]. European Journal of Soil Biology, 2006, 42: S127-S131. DOI:10.1016/j.ejsobi.2006.07.039 |
| [41] | Pandit L, Sethi D, Pattanayak S K, et al. Bioconversion of lignocellulosic organic wastes into nutrient rich vermicompost by Eudrilus eugeniae [J]. Bioresource Technology Reports, 2020, 12. DOI:10.1016/j.biteb.2020.100580 |
| [42] | Zhao C H, Wang Y, Wang Y, et al. Insights into the role of earthworms on the optimization of microbial community structure during vermicomposting of sewage sludge by PLFA analysis[J]. Waste Management, 2018, 79: 700-708. DOI:10.1016/j.wasman.2018.08.041 |
| [43] | Liu Y, Tang R L, Li L Q, et al. A global meta-analysis of greenhouse gas emissions and carbon and nitrogen losses during livestock manure composting: influencing factors and mitigation strategies[J]. Science of the Total Environment, 2023, 885. DOI:10.1016/j.scitotenv.2023.163900 |
| [44] | Jiang T, Schuchardt F, Li G X, et al. Effect of C/N ratio, aeration rate and moisture content on ammonia and greenhouse gas emission during the composting[J]. Journal of Environmental Sciences, 2011, 23(10): 1754-1760. DOI:10.1016/S1001-0742(10)60591-8 |
| [45] | Wong J W C, Selvam A, Zhao Z Y, et al. In-vessel co-composting of horse stable bedding waste and blood meal at different C/N ratios: process evaluation[J]. Environmental Technology, 2012, 33(22): 2561-2567. DOI:10.1080/09593330.2012.679697 |
| [46] | Cao Y B, Wang X, Bai Z H, et al. Mitigation of ammonia, nitrous oxide and methane emissions during solid waste composting with different additives: a meta-analysis[J]. Journal of Cleaner Production, 2019, 235: 626-635. DOI:10.1016/j.jclepro.2019.06.288 |
| [47] | Ali U, Sajid N, Khalid A, et al. A review on vermicomposting of organic wastes[J]. Environmental Progress & Sustainable Energy, 2015, 34(4): 1050-1062. |
| [48] | Devi C, Khwairakpam M. Bioconversion of Lantana camara by vermicomposting with two different earthworm species in monoculture[J]. Bioresource Technology, 2020, 296. DOI:10.1016/j.biortech.2019.122308 |
| [49] | Suthar S. Bioconversion of post harvest crop residues and cattle shed manure into value-added products using earthworm Eudrilus eugeniae Kinberg[J]. Ecological Engineering, 2008, 32(3): 206-214. DOI:10.1016/j.ecoleng.2007.11.002 |
| [50] | Kauser H, Khwairakpam M. Organic waste management by two-stage composting process to decrease the time required for vermicomposting[J]. Environmental Technology & Innovation, 2022, 25. DOI:10.1016/j.eti.2021.102193 |
| [51] | Suthar S. Nutrient changes and biodynamics of epigeic earthworm Perionyx excavatus (Perrier) during recycling of some agriculture wastes[J]. Bioresource Technology, 2007, 98(8): 1608-1614. DOI:10.1016/j.biortech.2006.06.001 |
| [52] | He X, Zhang Y X, Shen M C, et al. Effect of vermicomposting on concentration and speciation of heavy metals in sewage sludge with additive materials[J]. Bioresource Technology, 2016, 218: 867-873. DOI:10.1016/j.biortech.2016.07.045 |
| [53] | Swati A, Hait S. Fate and bioavailability of heavy metals during vermicomposting of various organic wastes—a review[J]. Process Safety and Environmental Protection, 2017, 109: 30-45. DOI:10.1016/j.psep.2017.03.031 |
| [54] | Singh J, Kalamdhad A S. Reduction of bioavailability and leachability of heavy metals during vermicomposting of water hyacinth[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2013, 20(12): 8974-8985. DOI:10.1007/s11356-013-1848-x |
| [55] | Stovold R J, Whalley W R, Harris P J. Dehydration does not affect the radial pressures produced by the earthworm Aporrectodea caliginosa [J]. Biology and Fertility of Soils, 2003, 37(1): 23-28. DOI:10.1007/s00374-002-0563-4 |
| [56] | Hait S, Tare V. Transformation and availability of nutrients and heavy metals during integrated composting-vermicomposting of sewage sludges[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2012, 79: 214-224. DOI:10.1016/j.ecoenv.2012.01.004 |