威廉環(huán)毛蚓消解牛糞最優(yōu)條件的研究

張翰林，王金慶，鄭憲清，李雙喜，張娟琴，何七勇，呂衛(wèi)光

（上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究所，農(nóng)業(yè)部上海農(nóng)業(yè)環(huán)境與耕地保育科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，上海市設(shè)施園藝技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海市農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，上海201403）

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威廉環(huán)毛蚓消解牛糞最優(yōu)條件的研究

張翰林，王金慶，鄭憲清，李雙喜，張娟琴，何七勇，呂衛(wèi)光*

（上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究所，農(nóng)業(yè)部上海農(nóng)業(yè)環(huán)境與耕地保育科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，上海市設(shè)施園藝技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海市農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，上海201403）

摘 要：采用藥用價(jià)值高、吞食量大的威廉環(huán)毛蚓進(jìn)行牛糞消解試驗(yàn)，以期在資源再生利用的同時(shí)獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)考察pH、溫度、濕度和接種密度等4個(gè)環(huán)境因子對(duì)蚯蚓日增重倍數(shù)和基質(zhì)降解速率的影響，研究威廉環(huán)毛蚓消解牛糞的最優(yōu)條件。結(jié)果表明：威廉環(huán)毛蚓消解牛糞最佳pH為7.0—8.5，溫度為20—25℃，濕度為60%—70%，最佳接種密度為蚯蚓與基質(zhì)質(zhì)量比1/40。

關(guān)鍵詞：威廉環(huán)毛蚓；牛糞消解；pH；溫度；濕度；接種密度

近年來(lái)，我國(guó)奶牛養(yǎng)殖業(yè)迅速發(fā)展，呈現(xiàn)出養(yǎng)殖規(guī)?；?、集約化的趨勢(shì)［1］，2014年我國(guó)奶牛存欄量達(dá)1 400萬(wàn)頭，產(chǎn)生糞便約6 680萬(wàn)t。大量的奶牛糞便導(dǎo)致臭氣污染、重金屬污染、氮磷污染等，對(duì)水體、土壤和大氣都造成了嚴(yán)重危害［2］。目前，常規(guī)處理畜禽糞便的方法有干燥法、焚燒法、沼氣法厭氧處理、堆肥發(fā)酵法、蚯蚓處理法等［3-4］。上述方法均存在一些問(wèn)題，如干燥法和焚燒法過(guò)于耗能，且容易造成空氣二次污染；沼氣法前期投入過(guò)大，后續(xù)存在產(chǎn)生大量沼液難以處理；堆肥發(fā)酵處理雖耗能低，但處理時(shí)間長(zhǎng)且效益低下［5-6］。利用蚯蚓消解牛糞，蚯蚓繁殖后可作為中藥材或是家禽類飼料，剩余物料可作為肥料直接還田，能夠?qū)Y源進(jìn)行合理利用［7-8］。因此，牛糞的蚯蚓處理方式具有良好的發(fā)展前景。

蚯蚓種類繁多，針對(duì)蚯蚓處理畜禽糞便的研究主要是應(yīng)用正蚓科和鉅蚓科的幾個(gè)屬種，其中最普遍的是正蚓科的赤子愛(ài)勝蚓［9-10］。近年來(lái)，鉅蚓科的威廉環(huán)毛蚓因具有較高的藥用價(jià)值，經(jīng)濟(jì)回報(bào)高且吞食量大而逐漸被應(yīng)用于畜禽糞便處理［11］。威廉環(huán)毛蚓屬于滬地龍的一種，體內(nèi)所含纖溶酶和蚓激酶具有較高的纖溶活性，具有降壓、溶栓、抗腫瘤、抗細(xì)菌、鎮(zhèn)靜解熱等作用［12-13］。然而，目前針對(duì)威廉環(huán)毛蚓消解牛糞的優(yōu)化條件還鮮有報(bào)道。本研究從pH、溫度、濕度和接種密度4個(gè)方面考察威廉環(huán)毛蚓消解牛糞的最優(yōu)參數(shù)，以期為蚯蚓消解牛糞的優(yōu)化控制及利用畜禽廢棄物養(yǎng)殖威廉環(huán)毛蚓提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

蚯蚓來(lái)源：取自于上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院崇明試驗(yàn)基地，蚯蚓種為威廉環(huán)毛蚓（Pheretima guillelmi）。選取個(gè)體大小一致，質(zhì)量在2 g左右的蚯蚓進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)容器：直徑為18 cm、高為25 cm的圓柱形鐵桶作為堆肥反應(yīng)器。底部打4個(gè)孔，四周打8個(gè)孔，底部和四周打孔處內(nèi)附50目細(xì)紗網(wǎng)，鐵桶上口同樣采用50目細(xì)紗網(wǎng)覆蓋防止蚯蚓逃逸。

牛糞：牛糞取自于上海牛奶集團(tuán)瀛博奶牛養(yǎng)殖有限公司，在試驗(yàn)前已經(jīng)過(guò)固液分離處理。試驗(yàn)時(shí)堆肥反應(yīng)器底部放置10%重量的長(zhǎng)度為5—7 cm的玉米秸稈，上面放置90%重量的牛糞。牛糞基本性質(zhì)：pH 8.48，全氮15.72 g/kg，全磷7.35 g/kg，有機(jī)質(zhì)39.21 g/kg。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

pH試驗(yàn)：根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)報(bào)道，蚯蚓一般適宜生存的pH范圍在6.0—8.5，溫度在20—25℃，濕度在60%—65%［14-16］，因本試驗(yàn)所用牛糞pH在8.5左右，所以設(shè)置7.0、7.5、8.0、8.5和9.0共5個(gè)pH處理，采用白礬（硫酸鋁）和生石灰來(lái)調(diào)節(jié)pH，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。每個(gè)試驗(yàn)容器接種蚯蚓數(shù)量20條，保障蚯蚓有充足的生長(zhǎng)空間與食物，采用恒溫培養(yǎng)箱保持溫度20℃、濕度65%進(jìn)行考察。試驗(yàn)時(shí)間為15 d。

溫度試驗(yàn)：根據(jù)pH試驗(yàn)結(jié)果設(shè)置pH，保持濕度65%，每個(gè)試驗(yàn)容器接種蚯蚓數(shù)量20條，試驗(yàn)時(shí)間為15 d。通過(guò)恒溫培養(yǎng)箱調(diào)節(jié)溫度，設(shè)置溫度為10℃、15℃、20℃、25℃和30℃共5個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。

濕度試驗(yàn)：根據(jù)pH試驗(yàn)和溫度試驗(yàn)結(jié)果設(shè)置pH和溫度，每個(gè)試驗(yàn)容器接種蚯蚓數(shù)量20條，試驗(yàn)時(shí)間為15 d。通過(guò)水分添加量控制濕度，設(shè)置濕度為55%、60%、65%、70%和75%共5個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。

接種密度試驗(yàn)：根據(jù)pH試驗(yàn)、溫度試驗(yàn)和濕度試驗(yàn)的結(jié)果設(shè)置pH、溫度和濕度，試驗(yàn)時(shí)間為15 d。設(shè)置蚯蚓和基質(zhì)質(zhì)量比為1/20、1/30、1/40、1/50和1/60共5個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。

1.3測(cè)定方法

pH采用電位法測(cè)定（水土比2.5∶1），溫度采用溫度計(jì)測(cè)定，濕度采用在105℃下烘24 h后再稱重計(jì)算，蚯蚓接種密度采用人工計(jì)數(shù)測(cè)定。

1.4數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)結(jié)束時(shí)將樣品緩慢倒出，仔細(xì)挑出蚯蚓，對(duì)蚯蚓和剩余基質(zhì)進(jìn)行稱重。

其中，平均蚯蚓質(zhì)量=（初始試驗(yàn)蚯蚓質(zhì)量+試驗(yàn)結(jié)束時(shí)蚯蚓質(zhì)量）/2［17］。

試驗(yàn)結(jié)果均以每次測(cè)得的3次重復(fù)分析的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)表示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用EXCEL軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2　結(jié)果與分析

2.1pH對(duì)蚯蚓日增重倍數(shù)和基質(zhì)降解速率的影響

由表1可知，當(dāng)pH為7.0時(shí)，蚯蚓日增重倍數(shù)最大，達(dá)到0.0754倍/d；隨著pH的升高，蚯蚓日增重倍數(shù)持續(xù)降低，pH為9.0時(shí)，蚯蚓日增重倍數(shù)最小，為0.0529倍/d。這與前人研究的結(jié)果相似，pH越接近中性越有利于蚯蚓生長(zhǎng)［14，17］。pH為7.0時(shí)，蚯蚓日增重倍數(shù)顯著高于pH為9.0時(shí)，但與pH為7.5、8.0和8.5這3個(gè)處理無(wú)顯著性差異。

表1　不同pH條件下蚯蚓日增重倍數(shù)Table 1 Daily weight increment of earthworms under different pH

在經(jīng)過(guò)15 d試驗(yàn)后，基質(zhì)的pH均有所變化，其規(guī)律基本為向中性靠近。這與HOOPER等［18］的研究結(jié)果一致，盡管蚯蚓的糞便具有較高的pH，但蚯蚓的活動(dòng)促進(jìn)了基質(zhì)中氮循環(huán)細(xì)菌的活躍程度，導(dǎo)致銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度相對(duì)平衡，由此使得pH向中性趨近。

由表2可知，基質(zhì)降解速率隨pH的增高而逐步降低，pH為7.0和7.5時(shí)顯著高于其他3個(gè)處理，pH 為8.0和8.5時(shí)顯著高于pH為9.0時(shí)。最佳pH的選擇需要綜合考慮到蚯蚓的生長(zhǎng)、基質(zhì)的降解以及成本的消耗，雖然pH為7.0時(shí)效果最佳，但考慮到牛糞原料的pH在8.5左右，降至7.0需要加入硫磺進(jìn)行調(diào)節(jié)，增加成本，且蚯蚓自身可調(diào)節(jié)pH向中性趨近，同時(shí)pH為8.5時(shí)蚯蚓日增重倍數(shù)與pH為7.0時(shí)無(wú)顯著差異，因此后續(xù)試驗(yàn)選擇不進(jìn)行基質(zhì)的pH調(diào)節(jié)。

表2　不同pH條件下基質(zhì)降解速率Table 2 Substrate degradation rate under different pH

2.2溫度對(duì)蚯蚓日增重倍數(shù)和基質(zhì)降解速率的影響

由表3可知，溫度為20℃和25℃時(shí)，蚯蚓日增重倍數(shù)顯著高于其他3個(gè)處理，溫度為30℃和15℃時(shí)顯著高于溫度為10℃時(shí)。結(jié)果表明，最適溫度為25℃，蚯蚓日增重倍數(shù)可達(dá)0.0586倍/d，與赤子愛(ài)勝蚓相似［16］。威廉環(huán)毛蚓對(duì)于溫度的要求較高，過(guò)高或過(guò)低都會(huì)對(duì)其生長(zhǎng)有顯著負(fù)面影響。

表3　不同溫度條件下蚯蚓日增重倍數(shù)Table 3 Daily weight increment of earthworms under different temperature

試驗(yàn)結(jié)果顯示（表4），溫度為20℃和25℃時(shí)，基質(zhì)降解速率顯著高于其他3個(gè)處理，溫度為30℃和15℃時(shí)顯著高于溫度為10℃時(shí)?；|(zhì)降解速率25℃時(shí)效果最佳，可達(dá)0.9023 g/（g蚯蚓·d），其變化規(guī)律與蚯蚓日增重倍數(shù)變化相同，因此，綜合考慮基質(zhì)消解和蚯蚓生長(zhǎng)因素，后續(xù)試驗(yàn)選擇25℃為最佳溫度。

表4　不同溫度條件下基質(zhì)降解速率Table 4 Substrate degradation rate under different temperature

2.3濕度對(duì)蚯蚓日增重倍數(shù)和基質(zhì)降解速率的影響

由表5可知，濕度為60%、65%和70%時(shí)，蚯蚓日增重倍數(shù)顯著高于其他2個(gè)處理，濕度為55%時(shí)顯著高于濕度為75%時(shí)。結(jié)果表明，最適濕度范圍為60%—70%。盧俊平等［16］發(fā)現(xiàn)‘大平二號(hào)’蚯蚓在濕度為75%時(shí)，蚯蚓日增重倍數(shù)為負(fù)值，但本研究中濕度在55%和75%時(shí)，威廉環(huán)毛蚓依然有增長(zhǎng)的趨勢(shì)，日增重倍數(shù)分別為0.0347倍/d和0.0282倍/d，說(shuō)明不同蚯蚓品種對(duì)濕度的適應(yīng)性有一定的區(qū)別。

表5　不同濕度條件下蚯蚓日增重倍數(shù)Table 5 Daily weight increment of earthworms under different humidity

由表6可知，濕度為60%、65%和70%時(shí)，基質(zhì)降解速率顯著高于其他2個(gè)處理，濕度為55%時(shí)顯著高于濕度為75%時(shí)，其變化規(guī)律與蚯蚓日增重倍數(shù)變化相同。濕度為60%—70%時(shí)，蚯蚓日增重倍數(shù)和基質(zhì)降解速率均差異較小，因此，后續(xù)試驗(yàn)選擇中間值65%為最佳濕度。

表6　不同濕度條件下基質(zhì)降解速率Table 6 Substrate degradation rate under different humidity

2.4接種密度對(duì)蚯蚓日增重倍數(shù)和基質(zhì)降解速率的影響

在上述最佳試驗(yàn)條件下，設(shè)置蚯蚓和基質(zhì)質(zhì)量比為1/20、1/30、1/40、1/50和1/60，進(jìn)行15 d密度接種試驗(yàn)。結(jié)果顯示（表7），蚯蚓日增重倍數(shù)隨接種蚯蚓與基質(zhì)質(zhì)量比變小而增大，但1/40、1/50和1/60這3個(gè)處理之間無(wú)顯著差異?？梢?jiàn)，蚯蚓接種密度越大，就越會(huì)限值威廉環(huán)毛蚓的生長(zhǎng)，但當(dāng)接種密度達(dá)到或小于1/40的時(shí)候，接種密度對(duì)蚯蚓的生長(zhǎng)影響較小，這與GARG等［19］對(duì)赤子愛(ài)勝蚓的研究結(jié)果一致。

表7　不同接種密度條件下蚯蚓日增重倍數(shù)Table 7 Daily weight increment of earthworms under different inoculation density

由表8可見(jiàn)，接種密度對(duì)基質(zhì)降解速率的影響顯著，蚯蚓與基質(zhì)質(zhì)量比為1/40、1/50和1/60時(shí)，基質(zhì)降解速率顯著高于其他2個(gè)處理，蚯蚓與基質(zhì)質(zhì)量比為1/30時(shí)顯著高于1/20時(shí)，其變化規(guī)律與蚯蚓日增重倍數(shù)變化相同。蚯蚓與基質(zhì)質(zhì)量比為1/40、1/50和1/60時(shí)，蚯蚓日增重倍數(shù)和基質(zhì)降解速率均無(wú)顯著差異，因此，選擇蚯蚓與基質(zhì)重量比1/40為最佳蚯蚓接種密度。

表8　不同接種密度條件下基質(zhì)降解速率Table 8 Substrate degradation rate under different inoculation density

3　結(jié)論

本研究采用藥用價(jià)值較高的威廉環(huán)毛蚓進(jìn)行牛糞消解，對(duì)威廉環(huán)毛蚓生長(zhǎng)狀況及消解牛糞的效果進(jìn)行考察，結(jié)果顯示威廉環(huán)毛蚓具有較強(qiáng)的牛糞消解能力，綜合考慮蚯蚓生長(zhǎng)、牛糞消解和成本消耗3個(gè)方面因素，最佳pH為7.0—8.5，溫度為20—25℃，濕度為60%—70%，接種密度為蚯蚓與基質(zhì)質(zhì)量比1/40。本研究得出的最佳條件為小規(guī)模試驗(yàn)所得，在實(shí)際大規(guī)模應(yīng)用中最佳條件由于受外界條件的影響可能會(huì)有小幅的變動(dòng)，確定威廉環(huán)毛蚓在規(guī)?；瘧?yīng)用中的最適條件將是下一步的研究方向。

參 考 文 獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯：閆其濤）

Study on the optimal conditions for cow manure digestion of Pheretima guillelmi

ZHANG Han-lin，WANG Jing-qin，ZHENG Xian-qing，LI Shuang-xi，ZHANG Juan-qin，HE Qi-yong，Lü Wei-guang*
（Eco-environmental Protection Institute，Shanghai Academy of Agricultural Sciences；Agricultural Environment and Farmland Conservation Experiment Station of Ministry Agriculture；Shanghai Key Laboratory of Horticultural Technology；Environmental Protection Monitoring Station，Shanghai Academy of Agricultural Sciences，Shanghai 201403，China）

Abstract：In order to obtain higher economic benefits in the utilization of resource recycling，the cow manure digestion test was conducted by Pheretima guillelmi，which had high medical value and large amount of swallowed.Through investigation of pH，temperature，humidity and inoculation density on the earthworm daily weight increment and substrate degradation rate，the optimal conditions for cow manure digestion of Pheretima guillelmi were studied.The results showed that the optimal pH，temperature，humidity and inoculation density were 7.0—8.5，20—25℃，60%—70%，earthworm and substrate mass ratio 1/40，respectively for cow manure digestion of Pheretima guillelmi.

Key words：Pheretima guillelmi；Cow manure digestion；pH；Temperature；Humidity；Inoculation density

中圖分類號(hào)：S141.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-3924（2016）03-096-05

DOI：10.15955/j.issn1000-3924.2016.03.19

收稿日期：2015-09-23

基金項(xiàng)目：上海市科委崇明專項(xiàng)（13231204102）

作者簡(jiǎn)介：張翰林（1985—），男，博士，助理研究員，主要從事環(huán)境污染治理研究

*通信作者