不同光照條件下蚯蚓避光性運(yùn)動(dòng)與蚓糞機(jī)械化分離參數(shù)量化

林嘉聰，劉志剛，邢 行，羅 帥，袁巧霞，曹紅亮

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不同光照條件下蚯蚓避光性運(yùn)動(dòng)與蚓糞機(jī)械化分離參數(shù)量化

林嘉聰1,3，劉志剛2，邢 行1,3，羅 帥1,3，袁巧霞1,3※，曹紅亮1,3

（1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070；2. 江蘇大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013； 3. 農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070）

蚯蚓和蚯蚓糞的機(jī)械化分離是目前蚯蚓規(guī)?；B(yǎng)殖業(yè)亟需解決的瓶頸問題之一，針對(duì)目前最常用的蚯蚓光分離工藝方法在實(shí)際養(yǎng)殖分離中全憑人為經(jīng)驗(yàn)、效率低、無機(jī)械化參數(shù)等問題，探究了不同光質(zhì)條件：白光、黃光、綠光、藍(lán)光、紅光、白熾燈光在10～270 lx不同光照強(qiáng)度下，對(duì)照實(shí)際自然環(huán)境場(chǎng)景：室內(nèi)光照、室外陰處光照和太陽光直射光照條件下的蚯蚓避光應(yīng)激行為，并結(jié)合光線輻射在蚯蚓糞多孔介質(zhì)內(nèi)的衰減規(guī)律分析了蚯蚓堆肥物料表層一定之內(nèi)厚度無蚯蚓的原因。結(jié)果表明：光照強(qiáng)度<10 lx時(shí)，蚯蚓不受光照影響；光照強(qiáng)度10～30 lx時(shí)，蚯蚓的避光反應(yīng)顯現(xiàn)；光照強(qiáng)度30～210 lx時(shí)，蚯蚓的避光應(yīng)激程度隨著光照強(qiáng)度增加緩慢加強(qiáng)，消失時(shí)間不斷縮短；光照強(qiáng)度>210 lx時(shí)，光照引起的蚯蚓的避光反應(yīng)程度趨于最大。白光和太陽光引起蚯蚓避光反應(yīng)最顯著，蚯蚓蠕動(dòng)消失時(shí)間分別為6.5和5 min，蚯蚓消失5 min后堆料表層無蚯蚓層厚度在10～15 mm之間。蚯蚓對(duì)紅色光應(yīng)激程度極低，平均消失時(shí)間>20 min；除了紅光，隨著光照強(qiáng)度增加，蚯蚓在堆料表面的消失時(shí)間呈現(xiàn)對(duì)數(shù)曲線趨勢(shì)下降。該研究量化分析了蚯蚓對(duì)光質(zhì)、光照強(qiáng)度的應(yīng)激響應(yīng)時(shí)間，以期為蚯蚓養(yǎng)殖分離，機(jī)械自動(dòng)化逐層、定時(shí)、定量、定光強(qiáng)分離表層蚯蚓糞提供工藝參數(shù)。

光照；糞；蚯蚓堆肥；量化分析；避光運(yùn)動(dòng)；無蚓層厚度

0 引 言

蚯蚓堆肥是目前處理農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢棄物無害化、減量化、資源化再利用的重要手段，廣泛用于環(huán)境修復(fù)、廢棄物處理[1-6]。蚯蚓被稱為“生態(tài)接口”，即能夠直接采食秸稈、畜禽糞便、城市污泥等有機(jī)物固體廢棄物從而獲得生長(zhǎng)，并將有機(jī)固體廢棄物轉(zhuǎn)化為號(hào)稱“有機(jī)肥之王”的蚯蚓糞[7-10]。目前國(guó)內(nèi)蚯蚓養(yǎng)殖工藝技術(shù)水平較低，平地養(yǎng)殖占據(jù)主要地位，工作環(huán)境惡劣，分離采收效率低，因此工藝的改進(jìn)和機(jī)械化是當(dāng)前蚯蚓堆肥養(yǎng)殖業(yè)亟需解決的問題之一[10-12]。蚯蚓分離采收即是在蚯蚓養(yǎng)殖成熟后期，通過一定工程技術(shù)手段將養(yǎng)殖基料中的蚯蚓、蚯蚓糞等分離收集，是分類獲得蚯蚓產(chǎn)品最后階段。生產(chǎn)中常用的蚯蚓分離采收的方法有光分離法、聲音分離法、熱分離法、餌料誘捕法、水淹法捕抓和機(jī)械采收等方法[9,11-15]。

蚯蚓全身都有感光細(xì)胞，具有避光性，在實(shí)際規(guī)?；B(yǎng)殖中，可以利用蚯蚓的這一特性，實(shí)現(xiàn)收集蚯蚓糞的目的。目前尚無蚯蚓分離效果較好的自動(dòng)化設(shè)備，蚯蚓規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)在使用光分離法時(shí)主要依賴人工分離采收蚯蚓和蚯蚓糞，耗時(shí)較長(zhǎng)，刮料時(shí)間、刮料厚度以及需要刮去表面物料量較大，此外，蚯蚓分離的人力成本較高[10-12]。針對(duì)蚯蚓避光性分離蚯蚓糞，Tauseef等[16]設(shè)計(jì)了的通過光照之后刮去蚯蚓未分解的物料的分離器。美國(guó)蚯蚓專家Edward在20世紀(jì)80年代研究提出了蚯蚓反應(yīng)器，利用機(jī)械刮板刮去反應(yīng)器表面以及底層物料[10,17]。孫振鈞、孫永明等[9,18]也研制了利用刮板從反應(yīng)底部刮料，實(shí)現(xiàn)蚯蚓糞分離的蚯蚓生物反應(yīng)器。大部分蚯蚓生物反應(yīng)器對(duì)于蚯蚓后期分離提及較少。杜文圣[19]設(shè)計(jì)了直線振動(dòng)篩形式的蚯蚓分選機(jī)用于分選蚯蚓以及蚓糞。專利CN205431665U公布了一種往復(fù)式刮板[20]刮去表面物料，專利CN205794547U通過液壓缸將蚯蚓糞和蚯蚓的混合物料頂起，通過高度固定的刮板，將反復(fù)升高的物料刮去[21]。專利CN20235235中，光源被直接設(shè)置在蚯蚓養(yǎng)殖池內(nèi)部，驅(qū)趕蚯蚓往無光的養(yǎng)殖池移動(dòng)[22]，但由于蚯蚓糞多孔介質(zhì)的透光特性，蚯蚓被驅(qū)趕的效果難以保證。

蚯蚓分離工藝是分離設(shè)備設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，目前對(duì)基于光分離法的蚯蚓分離設(shè)備缺乏相關(guān)定量參數(shù)研究[23]。動(dòng)植物對(duì)于不同光質(zhì)、光照強(qiáng)度等光環(huán)境條件產(chǎn)生的應(yīng)激性程度不同[24-26]，鑒于此，本研究擬通過改變光照環(huán)境，探討蚯蚓在不同光照條件下對(duì)光環(huán)境的響應(yīng)行為，研究分析蚯蚓光分離設(shè)備所涉及的無蚯蚓厚度、光照條件、時(shí)間3個(gè)核心工藝參數(shù)，以期為蚯蚓室內(nèi)養(yǎng)殖應(yīng)用和蚯蚓-蚓糞分離一體化刮料設(shè)備的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供參考。

1 蚯蚓避光移動(dòng)行為與堆料豎直面光輻射衰減規(guī)律關(guān)系分析

蚯蚓糞是一種濕度約60%～70%的有機(jī)固體顆粒物，屬于典型多孔介質(zhì)，顆粒小，孔隙結(jié)構(gòu)明顯，孔隙率在0.6～0.8之間。由于蚯蚓糞的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，光線在輻射入蚯蚓糞堆體表面，一部分被反射，一部分被吸收衰減，一部分通過團(tuán)?？障渡淙攵洋w內(nèi)部，并且隨著深度加大輻射不斷衰減，堆體深處可視為黑體模型，最后將進(jìn)入蚯蚓糞的輻射全部被吸收。

自然狀態(tài)光線透過蚯蚓糞時(shí)可視為輻射光線通過氣-固-液體三相耦合的多孔介質(zhì)，即蚯蚓糞可視為灰體，由于光線輻射的隨機(jī)性，采用基于蒙特卡洛法輻射隨機(jī)衰減的簡(jiǎn)化概率模型[27-29]，可得到輻射光線透過蚯蚓糞堆體物料的衰減過程，由于多孔介質(zhì)特征，簡(jiǎn)化二維模型如圖1。

圖1 光進(jìn)入蚯蚓糞多孔物料衰減簡(jiǎn)化模型示意圖

上層面為受光面，輻射光線沿方向衰減，蚯蚓糞為空隙率較高的不透光多孔介質(zhì)，波長(zhǎng)為光線輻射在表層發(fā)生散射與吸收[28]，即是

按照蒙特卡洛隨機(jī)模型，波長(zhǎng)為光線隨機(jī)射入時(shí)滿足光線一次傳播距離建立的函數(shù)[20]為

式中為發(fā)射的光束輻射總數(shù)；為輻射光束條件；為狄拉克算符；為光線傳播的距離；為輻射光束傳播距離，m。

對(duì)于光線一次傳播的距離進(jìn)行積分，可以得到光線輻射在多孔介質(zhì)中的衰減概率模型為()

光線傳播了距離，輻射強(qiáng)度隨著距離增加而衰減，故在處光照的輻射強(qiáng)度為

式中I,為波長(zhǎng)的光線傳播了距離的輻射強(qiáng)度，W/m2。

按照光線在傳播介質(zhì)中的傳播布格爾定律，有

故有

取對(duì)數(shù)可以解得

式中k為輻射衰減系數(shù)

k=+k （8）

式中=k·；=k·；為多孔介質(zhì)固體表面光反射率，%；k為輻射吸收系數(shù)；k為輻射系數(shù)；為多孔介質(zhì)固體表面光吸收率，均可以通過測(cè)量得到。

由于輻射在能夠穿透一定深度的多孔介質(zhì)物料，并且在蚯蚓糞內(nèi)部仍進(jìn)行二次、三次等散射與吸收，在蚯蚓糞表層隨著深度加大光輻照強(qiáng)度逐漸降低，因此在表層一定厚度范圍內(nèi)仍有光照。蚯蚓全身分布感光細(xì)胞，遇到光線會(huì)迅速產(chǎn)生響應(yīng)蠕動(dòng)至無光環(huán)境，蚯蚓由于避光性爬行移動(dòng)至此層的數(shù)量極少，故實(shí)際生產(chǎn)中蚯蚓堆體物料表面此薄層可視為物料的無蚯蚓層，可通過機(jī)械工具刮去。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)臺(tái)

試驗(yàn)供試材料為蚯蚓采食豬糞之后所轉(zhuǎn)化成的蚯蚓糞，取自武漢漢南區(qū)洪康蚯蚓養(yǎng)殖基地，蚯蚓糞參數(shù)如表1所示。蚯蚓為太平二號(hào)，中大號(hào)成熟蚯蚓（少量蚯蚓環(huán)），體長(zhǎng)50～90 mm、直徑3～5 mm、體質(zhì)量為0.4～0.6 g/條。試驗(yàn)采用人工光照環(huán)境，以自然環(huán)境光源作為對(duì)照，選取了5種單色光LED燈：白光（W 400～700 nm）、黃光（Y 590 nm）、綠光（G 520 nm）、藍(lán)光（B 460 nm）、紅光（R 630 nm）以及白熾燈光(8W)，由山東貴翔光電有限公司提供。自然光照環(huán)境：室內(nèi)光照（（280±10）lx）、室外陰處光照（（3 000±10）lx）、太陽光（（5±0.1）×104lx）。試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2，取樣蚯蚓堆肥之后的堆料，構(gòu)造蚯蚓糞分離時(shí)150 mm×150 mm×500 mm長(zhǎng)方體玻璃容器微宇宙環(huán)境模型。

表1 蚯蚓糞參數(shù)

1.蚯蚓堆肥物料取樣微宇宙模型 2.立體玻璃外筒容器 3.燈源 4.光照控制器 5.數(shù)據(jù)采集器 6.計(jì)算機(jī)處理器 7.養(yǎng)殖場(chǎng)蚯蚓堆肥物料 8.溫度傳感器點(diǎn)A 9.溫度傳感器點(diǎn)B

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與指標(biāo)

本試驗(yàn)人工光照擬選取不同光質(zhì)（5種不同色光與白熾燈光）、光照強(qiáng)度為試驗(yàn)因素，以實(shí)際蚯蚓養(yǎng)殖室內(nèi)、室外陰涼處、陽光直射3種自然光照環(huán)境作為對(duì)照，進(jìn)行雙因素重復(fù)試驗(yàn)[30]。試驗(yàn)因素水平如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素與水平

每組試驗(yàn)選取50條蚯蚓（按照蚯蚓實(shí)際養(yǎng)殖中10 000～15 000條/m3等比例取樣），均勻分布于堆體物料表面，由于光照的刺激蚯蚓會(huì)向堆體內(nèi)部蠕動(dòng)，利用秒表統(tǒng)計(jì)每組試驗(yàn)中堆體表面層所有蚯蚓在表面堆體的消失時(shí)間，以蚯蚓在堆料表面消失時(shí)間作為不同因素對(duì)蚯蚓行為影響衡量指標(biāo)；蚯蚓在表面消失5 min以后，水平地刮去堆體表面一層具有一定厚度無蚯蚓的堆體物料，由于蚯蚓糞堆體物料為類土壤的多孔顆粒物料，表面平整度在±3 mm之內(nèi)波動(dòng)，利用試驗(yàn)隔板與量尺丈量以5 mm/次速率刮去表面物料，直至物料表面出現(xiàn)第一條蚯蚓時(shí)停止。以5mm為進(jìn)制單位進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄與統(tǒng)計(jì)，蚯蚓糞是顆粒物質(zhì)，每次進(jìn)行刮料之后刮去的物料厚度不一，在刮料厚度0～2，3～7，8～12，13～17，18～22，23～27 mm分別記錄為0，5，10，15，20，25 mm。通過光學(xué)照度測(cè)試儀（深圳優(yōu)儀高科技有限公司）測(cè)量投射到蚯蚓和堆體物料表面的光照強(qiáng)度。通過EM-50土壤基質(zhì)溫度測(cè)試記錄儀（美國(guó)Decagon公司）采集堆體物料距離表層深度為5 mm與深度為100 mm溫度，分別標(biāo)記為A點(diǎn)和B點(diǎn)。

2.3 記錄與數(shù)據(jù)處理

每組試驗(yàn)重復(fù)4次，記錄數(shù)據(jù)，導(dǎo)入SPSS 12.0軟件中進(jìn)行顯著性分析，用基于單因素ANOVA的Duncan分析法進(jìn)行多重比較[30]，利用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同光強(qiáng)與光質(zhì)（單色光）對(duì)蚯蚓避光行為的影響

光照環(huán)境對(duì)于蚯蚓有較明顯的刺激作用，不同的消失時(shí)間反映了此波段的光照引起蚯蚓體應(yīng)激反應(yīng)程度。如圖3，不同的光照強(qiáng)度條件下，10 lx時(shí)蚯蚓在不同色光處理中平均消失時(shí)間超過了18 min，即此光照條件下的蚯蚓蠕動(dòng)速度極慢，除了紅光，10 lx光強(qiáng)的重復(fù)試驗(yàn)與其他所有組別試驗(yàn)均有顯著性差異（<0.05）。在30 lx光強(qiáng)下，除白光外，其他色光的處理組蚯蚓的消失時(shí)間仍較長(zhǎng)，可知30lx條件下蚯蚓的避光反應(yīng)雖然較弱，但相對(duì)于不同光照處理下的10 lx光強(qiáng)處理有了明顯的縮短。當(dāng)光照強(qiáng)度達(dá)到150 lx時(shí)，除了紅光，其他不同色光組別的消失時(shí)間相對(duì)同組別10 lx條件下蚯蚓消失時(shí)間呈現(xiàn)較大幅度縮短，表明此時(shí)蚯蚓的逆避光應(yīng)激已十分顯著。當(dāng)光照強(qiáng)度在210～270 lx時(shí)，除了紅光試驗(yàn)組，其余的不同顏色光處理下蚯蚓的消失時(shí)間無顯著性差異（>0.05），即在光強(qiáng)增至210 lx后，光照引起的蚯蚓避光應(yīng)激程度達(dá)到最大，在此光環(huán)境下，蚯蚓會(huì)以極快的速度往暗環(huán)境蠕動(dòng)。對(duì)于不同光質(zhì)（單色光）而言，在光強(qiáng)大于210 lx以后，白色光照下的蚯蚓消失時(shí)間最短，為6.5 min。按蚯蚓消失時(shí)間排序?yàn)椋喊坠?白熾燈<綠光<藍(lán)光<黃光<紅光。特別值得注意的，在10～270 lx光照強(qiáng)度下的所有試驗(yàn)組合中，紅光處理下蚯蚓的消失時(shí)間平均在18 min以上，且不同光強(qiáng)的紅光處理組中無顯著性差異（>0.05），表明了紅光引起蚯蚓逆趨光反應(yīng)應(yīng)激的程度極其微弱，利用這一特性，曾中平[31]曾經(jīng)提到農(nóng)村農(nóng)民在野外夜間可以利用微弱紅光在田地里捕抓蚯蚓，或可將紅光用做蚯蚓行為學(xué)觀察的光源等。

注：基于單因素方差分析在5%水平上差異顯著性Duncan比較,其中a，b，c，d表示光照強(qiáng)度不變，改變光質(zhì)比較。e，f，g表示光質(zhì)不變，改變光照強(qiáng)度比較，下同。

宏觀上，LED白光在光照強(qiáng)度為210 lx以上引起的蚯蚓逆趨光應(yīng)激程度達(dá)到最大，消失時(shí)間最短，為6 min。大于210 lx光強(qiáng)時(shí)，白熾燈光與白光無顯著性差異（>0.05），但同樣光強(qiáng)時(shí)，LED白光能耗較白熾燈光較低。單色光如白光、綠光、黃光、藍(lán)光均能夠引起蚯蚓的避光反應(yīng)。

3.2 無蚯蚓層厚度分析

堆體表面無蚯蚓層的厚度如表3所示，可以看出，10 lx的光照強(qiáng)度時(shí)，白光處理下無蚯蚓層厚度與其余不同光質(zhì)試驗(yàn)組之間有顯著性差異（<0.05）。除了紅光，其余試驗(yàn)組均呈現(xiàn)隨著光照強(qiáng)度的增加，無蚯蚓層的厚度緩慢的上升，在光強(qiáng)強(qiáng)度為270 lx達(dá)到最大值，此時(shí)，白光、黃光、綠光、白熾燈處理差異性之間不顯著（>0.05），紅光與藍(lán)光處理組之間均存在顯著性差異（<0.05），無蚯蚓層的物料厚度大小依次為：藍(lán)光>白熾燈光>白光>黃光>綠光>紅光。

宏觀上看，在不同的光質(zhì)（單色光）處理下，物料表面均有一定厚度的無蚯蚓層，厚度在15 mm上下波動(dòng)。紅光處理時(shí)，光強(qiáng)在30～270 lx處理組中均無顯著性差異（>0.05），表明蚯蚓受到光刺激之后的蠕動(dòng)應(yīng)激反應(yīng)程度隨著紅光光強(qiáng)的增加無明顯提升。因此，在蚯蚓養(yǎng)殖生產(chǎn)過程中，利用蚯蚓的避光性驅(qū)逐蚯蚓之后，輕輕刮去表面10～15 mm厚度的無蚯蚓層物料，可避免傷及蚯蚓，還可得到不含蚯蚓的蚯蚓糞。

表3 不同光照條件下無蚯蚓層厚度比較

3.3 自然光照條件與人工光照效果對(duì)比

將室內(nèi)、室外陰涼處、太陽光直射下3種自然光照與光照強(qiáng)度為270 lx條件下的白光進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如圖4和表4所示。

圖4 自然光照條件與270 lx白光消失時(shí)間比較

表4 自然光照條件與270 lx白光無蚯蚓層厚度比較

對(duì)于室內(nèi)光照、室外陰涼處光照（圖4）、盡管兩試驗(yàn)組的光照強(qiáng)度分別在（300±20）和（3 000±100）lx，但2試驗(yàn)組與白光處理組之間無顯著性差異（>0.05）。太陽光直射條件下，光照強(qiáng)度高達(dá)6.5×104lx，與其余室內(nèi)試驗(yàn)組、室外陰涼處試驗(yàn)組、白光處理之間存在顯著性差異（<0.05），且蚯蚓的消失時(shí)間為5 min，在所有試驗(yàn)組中用時(shí)最短，表明了太陽光能夠最大程度的引起蚯蚓的避光應(yīng)激程度最大。在太陽光直射下，蚯蚓蠕動(dòng)速度達(dá)到最大，以最快的速度移動(dòng)至物料深處無光環(huán)境中。

由于太陽光光譜中紅外光譜波段較長(zhǎng)，故太陽光具有明顯的光熱協(xié)同效應(yīng)，蚯蚓糞可吸收大量輻射熱量。在太陽光直射時(shí)，短時(shí)間的輻射傳熱可以快速使得蚯蚓所在的堆體物料表面溫度上升，高溫環(huán)境可使蚯蚓產(chǎn)生熱應(yīng)激，加劇了蚯蚓蠕動(dòng)的速度，故在此條件下，蚯蚓會(huì)以較快的速度往無光、低溫的環(huán)境蠕動(dòng)。通過溫度采集的數(shù)據(jù)（圖5）可以看出，在太陽光直射試驗(yàn)組中，從2 min開始，A點(diǎn)堆體物料的溫度開始上升，然而對(duì)于B點(diǎn)溫度，一直保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，印證了太陽光的輻射熱效應(yīng)也具有縮短蚯蚓消失時(shí)間，增加表面無蚯蚓層厚度的作用。此外，通過蚯蚓微宇宙模型中A，B兩點(diǎn)的溫度對(duì)比，在夏季實(shí)際養(yǎng)殖生產(chǎn)中，蚯蚓堆肥物料內(nèi)部溫度比近表層的溫度低，室內(nèi)的溫度比室外的溫度較低。

圖5 不同光照條件下蚯蚓微宇宙模型表層與內(nèi)部溫度變化

由表4可以看出，自然光照對(duì)照試驗(yàn)下，在5 min時(shí)，無蚯蚓層的厚度接近15 mm，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，無蚯蚓層厚度上升速度變緩。太陽光直射試驗(yàn)組、室內(nèi)試驗(yàn)組、室外試驗(yàn)組和白光處理試驗(yàn)組的結(jié)果之間差異性較小，其原因可能是由于堆體物料深度超過15 mm深度后，環(huán)境光強(qiáng)較低、且溫度合適，蚯蚓蠕動(dòng)速率放緩。

3.4 蚯蚓消失時(shí)間與光照強(qiáng)度關(guān)系分析

蚯蚓的消失時(shí)間與光照強(qiáng)度的擬合曲線如圖6所示。由數(shù)據(jù)擬合結(jié)果可以看出，除了紅光處理組，其余光照處理試驗(yàn)組均呈下降趨勢(shì)，均呈對(duì)數(shù)曲線性質(zhì)，在光照強(qiáng)度10～30 lx區(qū)間內(nèi)蚯蚓的消失時(shí)間隨光強(qiáng)的增加迅速下降；在30～210 lx區(qū)間，蚯蚓的消失時(shí)間降幅放緩；當(dāng)光照強(qiáng)度大于210 lx時(shí)，蚯蚓消失時(shí)間趨于穩(wěn)定，為6.5 min左右。特別地，在不同的光照強(qiáng)度下，紅光處理組消失時(shí)間均比其余光照處理長(zhǎng)，且不符合對(duì)數(shù)下降的趨勢(shì)，也表明了紅光對(duì)于蚯蚓逆趨光應(yīng)激反應(yīng)具有特殊性。

通過擬合得到不同光照處理下蚯蚓消失時(shí)間和光照強(qiáng)度的對(duì)數(shù)關(guān)系為：

白光：T=11.41-0.70ln(-9.90) (2=0.98)

黃光：T=16.03-1.2ln(-8.90) (2=0.77)

綠光：T=41.69-6.07ln(+23.39) (2=0.75)

藍(lán)光：T=16.08-1.31ln(-9.95) (2=0.98)

白熾燈光：T=16.02-1.34ln(-9.89) (2=0.78)

式中為蚯蚓分離時(shí)間；為光照強(qiáng)度。

利用2次重復(fù)試驗(yàn)白光與對(duì)照試驗(yàn)自然光結(jié)果擬合曲線進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表5所示。

圖6 蚯蚓消失時(shí)間隨光照強(qiáng)度改變的擬合曲線關(guān)系

表5 重復(fù)試驗(yàn)擬合效果

4 結(jié)論與討論

不同的光質(zhì)（單色光）均能夠引起蚯蚓的避光反應(yīng)。冷光源中，蚯蚓對(duì)白色光的避光應(yīng)激最強(qiáng)烈，蚯蚓最短的消失時(shí)間為6.5 min，無蚯蚓層厚度達(dá)到15 mm；常規(guī)環(huán)境光源中，陽光直射下其避光反應(yīng)最強(qiáng)烈，蚯蚓的逆趨光應(yīng)激反應(yīng)可能是由于光熱協(xié)同作用引起的，消失時(shí)間為5 min，無蚯蚓層厚度在5 min即達(dá)到15 mm。實(shí)際工程中可將蚯蚓糞分離器反復(fù)刮料時(shí)間間隔設(shè)計(jì)為5～10 min，每次刮料10～15 mm。

光照強(qiáng)度在<10 lx時(shí)，蚯蚓幾乎不受光照影響；在光照強(qiáng)度10～30 lx時(shí)，蚯蚓的逆趨光反應(yīng)開始顯現(xiàn)。光照強(qiáng)度在30～210 lx時(shí)，蚯蚓的避光應(yīng)激程度隨著光照強(qiáng)度增加而增加，消失時(shí)間不斷縮短。在光照強(qiáng)度>210 lx時(shí)，光照引起的蚯蚓避光反應(yīng)程度趨于最大。

除了紅光外，其余不同光質(zhì)（單色光）處理下蚯蚓的消失時(shí)間均隨著光照強(qiáng)度增加，蚯蚓消失時(shí)間呈現(xiàn)對(duì)數(shù)曲線下降，光強(qiáng)在10～30 lx區(qū)間內(nèi)的降幅最大，光強(qiáng)為30～210 lx時(shí)降幅放緩，白光、綠光、白熾燈光，在光照強(qiáng)度>210 lx以后變化趨于平穩(wěn)。蚯蚓對(duì)于紅光的應(yīng)激程度極低，蠕動(dòng)消失時(shí)間較長(zhǎng)，紅光處理下無蚯蚓層厚度較薄。

本研究量化分析了光照強(qiáng)度、蚯蚓的蠕動(dòng)時(shí)間、無蚯蚓層的厚度，能作為蚯蚓養(yǎng)殖過程中實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)化分離蚯蚓糞操作需要控制的工藝參數(shù)，通過自動(dòng)化機(jī)械逐層、定時(shí)、定量刮去表層蚯蚓糞，實(shí)現(xiàn)縮短蚯蚓糞的分離收集時(shí)間與節(jié)省勞動(dòng)力。從成本與易操作性角度，選擇自然光與白光效果較優(yōu)。但由于蚯蚓糞物料特性較為復(fù)雜，在刮料過程需要結(jié)合的機(jī)械結(jié)構(gòu)與材料，需要進(jìn)一步研究。

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Earthworm photophobic movement under different light conditions and quantitative analysis of mechanical separating vermicompost parameters

Lin Jiacong1,3, Liu Zhigang2, Xing Hang1,3, Luo Shuai1,3, Yuan Qiaoxia1,3※, Cao Hongliang1,3

(1.430070,; 2.212013,; 3.430070,)

The vermicomposting has shown to be efficient in processing the organic solid waste like crop straw, dump of poultry and municipal sludge. It is of necessity to separate the earthworm from vermicompost before resulting product is marketed and further developed. But the problems of labor and time intensity, which induce poor earthworm separating efficiency, are urgent to be solved in the stage of vermicomposting. The light separation method has been widely recognized and applied to separate vermicompost. After the earthworm disappeared in the vermicompost pile under the simulated light, there is fixed thickness of vermicompost near the pile surface that can be scraped out. In this way the pure vermicompost can be collected without hurting earthworm. Nowadays, for lacking mechanization and relevant quantitative parameters, the task of earthworm separation is still done by manual labor, which had a higher cost. In this study, the mature earthworms were evenly distributed on the surface of fixed mirco-vermicompost pile. Different monochromatic lights including white light, yellow light, green light, red light, and incandescent light, and the light intensity from 10 to 270 lx, were applied to investigate the earthworm photophobic movement. In order to compare the effect between natural light environment and artificial light, the controlled experiments of indoor light, outdoor light, and direct sunlight were conducted in real environment. The time all earthworms disappeared from the surface of mirco-vermicompost pile was measured and the layer without earthworm was collected. Typically, the study discussed the reason of forming the layer without earthworm through analyzing the pattern of illumination attenuation in the vermicompost. The result indicated that no matter what light qualities were, when the light intensity was less than 10 lx, the earthworm showed almost no reaction; when the light intensity changed from 10 to 30 lx, the earthworm showed weak photophobic reaction; when the light intensity changed from 30 to 210 lx, the extent of earthworm photophobic reaction got increased with the increase of light strength; when the light intensity was over 210 lx, the extent of earthworm photophobic reaction reached the maximum. The white light and direct sunlight had the most significant influence compared with the other light environments, and the disappearing time was 6.5 and 5 min, respectively. After disappearing for 5 min the thickness of the layer without earthworm reached 15 mm, showing no significant difference with other time gaps (10, 15 and 20 min) after disappearing. The red light exerted the weakest impact on earthworm, and the disappearing time was over 20 min in the experiment replicates under different light intensities. With the light intensity increasing, the disappearing time of earthworm dropped logarithmically. When it came to the application for the white light and sunlight with light intensity over 210 lx, 10-15 mm layer without earthworm could be formed. The study calculated the earthworm reaction and responding time under different illumination conditions, which can offer reference for earthworm cultivation. The results of disappearing time, light environment and the thickness of layer without earthworm can be treated as process parameters to provide reference for designing the separating machine.

light; manures; vermicomposting; quantitative analysis; photophobic movement; none earthworm thickness

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.032

S21; X71; S899.9

A

1002-6819(2018)-02-0235-07

2017-09-07

2018-01-01

公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）專項(xiàng)（201303091）；湖北省自然科學(xué)基金（2017CFB159）；華中農(nóng)業(yè)大學(xué)自主科技創(chuàng)新項(xiàng)目（2662016PY108、2015PY077）資助。

林嘉聰，博士生，主要從事設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境工程方面研究。 Email：linjiacong2015@hotmail.com

袁巧霞，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境工程與生物質(zhì)資源化利用方面研究。Email：qxyuan@mail.hzau.edu.cn

林嘉聰，劉志剛，邢 行，羅 帥，袁巧霞，曹紅亮. 不同光照條件下蚯蚓避光性運(yùn)動(dòng)與蚓糞機(jī)械化分離參數(shù)量化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(2)：235－241. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.032 http://www.tcsae.org

Lin Jiacong, Liu Zhigang, Xing Hang, Luo Shuai, Yuan Qiaoxia, Cao Hongliang. Earthworm photophobic movement under different light conditions and quantitative analysis of mechanical separating vermicompost parameters[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(2): 235－241. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.032 http://www.tcsae.org