露天條件下蚯蚓處理牛糞—農(nóng)林廢棄物生產(chǎn)蚯蚓糞的理化性質(zhì)特征

趙懿 趙麗霞 朱志剛 趙靜 高媛

摘? ? 要：為探明在露天條件下利用蚯蚓處理農(nóng)林廢棄物產(chǎn)生蚯蚓糞的理化性質(zhì)差異，對赤子愛勝蚓（Eisenia fetida）攝食分解牛糞與不同比例農(nóng)林廢棄物的混合物，即常規(guī)處理（100%牛糞+0%廢棄物）、低廢棄物處理（70%牛糞+30%廢棄物）、中廢棄物處理（50%牛糞+50%廢棄物）、高廢棄物處理（30%牛糞+70%廢棄物）共4個處理所形成蚯蚓糞的理化性質(zhì)進(jìn)行了對比分析評價。結(jié)果表明：隨著廢棄物比例的增加，堆體的平均溫度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，變異系數(shù)逐漸增加，但各處理之間差異不顯著（P＞0.05）；蚯蚓糞的物理性質(zhì)：容重范圍0.67～0.71 g·cm-3之間，通氣孔隙度的范圍5.93%～6.81%之間，持水孔隙度的范圍是53.20%～60.93%之間，各處理之間差異不顯著（P＞0.05）；蚯蚓糞的化學(xué)性質(zhì)：C/N的范圍是9.54～10.77之間，有效磷范圍是835.3～872.3 mg·kg-1，陽離子交換量范圍是28.1～28.4 cmol·kg-1，酸堿度范圍8.74～8.92之間，各處理之間差異不顯著（P＞0.05），堿解氮和速效鉀以100%牛糞為食物的蚯蚓糞最高，該處理堿解氮和速效鉀分別比添加廢棄物的3個處理平均高19.8%和22.0%，差異顯著（P＜0.05），而不同廢棄物添加比例的3個處理之間差異不顯著（P＞0.05）；蚯蚓糞的生物學(xué)性質(zhì)：糞大腸桿菌數(shù)的范圍在29.7～42.7個·g-1之間，種子發(fā)芽指數(shù)的范圍在95.6%～99.5%之間，各處理之間差異不顯著（P＞0.05），蛔蟲卵死亡率和雜草種子活性未檢出。綜上所述，露天條件下蚯蚓處理牛糞或者牛糞添加不同量農(nóng)林廢棄物產(chǎn)生蚯蚓糞除了堿解氮和速效鉀養(yǎng)分指標(biāo)差異明顯以外，其他參數(shù)差異不明顯，并且均達(dá)到了無害化要求，可為蚯蚓糞再利用提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：農(nóng)林廢棄物；蚯蚓糞；理化性質(zhì)；特征

中圖分類號：X713? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ?DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006－6500.2023.05.008

Abstract：In order to explore the difference in physical and chemical properties of earthworm manure produced by earthworm treatment of agricultural and forestry wastes under open air conditions， this study analyzed and evaluated the physical and chemical parameters of earthworm manure formed by Eisenia foetida after feeding and decomposing cow dung with different proportions of agricultural and forestry waste， including conventional treatment（100% cow dung+0% waste）， low waste treatment（70% cow dung+30% waste）， medium waste treatment （50% cow dung+50% waste）， and high waste treatment （30% cow dung+70% waste）. The results revealed that with the increase of waste addition proportion， the average temperature of the pile gradually decreases and the variation coefficient gradually increased. The difference among four treatments was not significant（P>0.05）. In terms of the physical properties of vermicompost， the range of bulk density was 0.67-0.71 g·cm-3， the range of aeration porosity was 5.93%-6.81%， and the range of water holding porosity was 53.20%-60.93%. There was no significant difference among four treatments（P>0.05）. In terms of the chemical properties of vermicompost， the range of C/N was 9.54-10.77， the range of available phosphorus was 835.3-872.3 mg·kg-1， the range of cation exchange capacity was 28.1-28.4 cmol·kg-1， and the range of pH was 8.74-8.92. There was no significant difference among four treatments （P>0.05）. The highest alkali-hydrolyzable nitrogen and available potassium were found in the 100% cow dung treatment，which was separately19.8% and 22.0% higher than that in the cow dung and waste mixed treatments on average（P＜0.05）. But the alkali-hydrolyzable nitrogen and available potassium showed no significant difference among the three waste addition treatments （P>0.05）. In terms of the biological properties of vermicompost， the number of Escherichia coli per gram ranged from 29.7 to 42.7. The seed germination index ranged from 95.6% to 99.5%. There was no significant difference among four treatments（P>0.05）. The mortality of Ascaris eggs and the activity of weed seeds were not detected. In conclusion， most parameters had no obvious differences except for alkali-hydrolyzable nitrogen and available potassium in earthworm manure produced by earthworm processing cow dung or cow mixed with different amounts of agricultural and forestry wastes under open air conditions， and all harmless parameters meet the requirements of? commercial organic fertilizer， which can provide a theoretical basis for the reuse of earthworm manure.

Key words： agricultural and forestry waste; earthworm manure; physical and chemical properties; characteristics

隨著我國經(jīng)濟的增長和農(nóng)業(yè)集約化程度的提高，產(chǎn)生了大量的農(nóng)業(yè)固體廢棄物，這些固體廢棄物處理不當(dāng)會對土壤、空氣和水體造成潛在的污染，如土壤有害病原生物侵染、重金屬和農(nóng)藥殘留積累[1]，氮磷無機鹽通過淋洗或地表徑流進(jìn)入地下或地表水體，氨氣、氧化亞氮、二氧化碳等氣體排放增加[2]。將農(nóng)業(yè)廢棄物轉(zhuǎn)化為肥料等有益物質(zhì)是資源回收和再循環(huán)的重要組成部分[3]，轉(zhuǎn)化的產(chǎn)品既能為植物生長提供養(yǎng)分，又能改善土壤物理性質(zhì)[4]，還可以緩解農(nóng)業(yè)環(huán)境壓力。因此，十分有必要采用可持續(xù)性的生物技術(shù)對農(nóng)林廢棄物進(jìn)行無害化和資源化處理。

蚯蚓處理廢棄物是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一項新型生物處理技術(shù)[5]。蚯蚓堆肥是一種有效的降解有機廢棄物的方法，是通過微生物和蚯蚓共同作用將廢棄物轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)的方法[6]。該過程不需要高溫堆肥，保持溫度23 ℃，碳氮比30。蚯蚓承擔(dān)著處理廢棄物的主要角色，在蚯蚓蠕動的同時增加了有機廢物暴露于微生物的表面積，固體廢棄物的微生物活性和分解過程得到增強，生物轉(zhuǎn)化速率提高了2～5倍，實現(xiàn)更快速度生物降解有機廢棄物[8]，并且將重金屬富集在蚯蚓體內(nèi)[7]，最終形成具有低C/N比、高孔隙度、高微生物活性及高酶活性特點的高營養(yǎng)、高速效養(yǎng)分且對環(huán)境友好的顆粒狀優(yōu)質(zhì)肥料[9]。

常規(guī)堆肥是微生物在氧氣的參與下分解有機廢物的過程，存在升溫階段、高溫階段和降溫階段的溫度變化，一些學(xué)者認(rèn)為在殺滅病原菌方面蚯蚓堆肥優(yōu)于常規(guī)堆肥[10]，另一些研究則認(rèn)為蚯蚓堆肥溫度最高不能超過35 ℃，缺乏殺滅病原菌原體的能力，被認(rèn)為是蚯蚓堆肥工藝的缺點。因此，將常規(guī)高溫堆肥與蚯蚓堆肥有機結(jié)合，利用2種堆肥方式各自的優(yōu)勢，達(dá)到最佳的堆肥無害化效果[11-12]。首先，通過常規(guī)堆肥處理使廢棄物達(dá)到高溫狀態(tài)以達(dá)到殺滅病原菌的效果，這個過程稱為預(yù)堆肥。之后，再經(jīng)過蚯蚓堆肥使廢棄物形成腐殖質(zhì)。經(jīng)過2個階段的處理實現(xiàn)了高效的蚯蚓堆肥方法[13]。蚯蚓堆肥處理農(nóng)林廢棄物已有大量的研究，但通常是研究機構(gòu)在試驗室進(jìn)行或是在特定的裝置中處理的[14-16]，并未進(jìn)行大面積、大批量的處理廢棄物，在實際生產(chǎn)中利用蚯蚓處理廢棄物的研究較少，限制了該技術(shù)的推廣應(yīng)用。因此，本研究在蚯蚓生產(chǎn)廠露天實際生產(chǎn)條件下，采用預(yù)堆肥+蚯蚓堆肥的方法對農(nóng)林廢棄物進(jìn)行堆肥處理，分析了堆肥過程中溫度變化和堆肥產(chǎn)物的理化性質(zhì)，旨在為蚯蚓處理廢棄物生產(chǎn)蚯蚓糞再利用的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展和大面積推廣提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試蚯蚓：‘赤子愛勝蚯蚓種（Eisenia foetida）由北京大地聚龍生物技術(shù)有限公司提供（從原始的蚯蚓生產(chǎn)壟直接獲得（蚯蚓種為蚯蚓體本身和蚯蚓糞的混合物作為蚯蚓種），廢棄物由北京市延慶區(qū)舊縣鎮(zhèn)周邊蔬菜基地、林地、玉米地獲得，牛糞由周邊養(yǎng)殖小區(qū)獲得。廢棄物的初始性質(zhì)見表1。

1.2 試驗方法

1.2.1 預(yù)堆肥處理 試驗采用廢棄物預(yù)堆肥和蚯蚓堆肥相結(jié)合的方法。廢棄物處理和預(yù)堆肥方法：將樹枝、玉米秸稈、蔬菜廢棄物等通過粉碎機粉碎2～3 cm，按照一定比例將廢棄物摻混（玉米秸稈60%、蔬菜廢棄物30%、樹枝廢棄物10%），摻混后利用好氧發(fā)酵的方法對農(nóng)林廢棄物進(jìn)行預(yù)堆肥處理[17]，預(yù)處理時間為2022年8月17日至9月6日，共20 d，預(yù)堆肥處理的化學(xué)性質(zhì)見表2。

1.2.2 蚯蚓堆肥 預(yù)堆肥結(jié)束后，將預(yù)堆肥產(chǎn)物和牛糞按不同比例摻混，用于蚯蚓堆肥。試驗于2022年9月8日在北京大地聚龍生物科技有限公司院內(nèi)進(jìn)行。試驗設(shè)4個處理，處理1：常規(guī)處理（牛糞比例為100%+廢棄物比例0%）；處理2：低廢棄物處理（牛糞比例70%+廢棄物比例30%）；處理3：中廢棄物處理（牛糞比例50%+廢棄物比例50%）；處理4：高廢棄物處理（牛糞比例30%+廢棄物比例70%）。

蚯蚓種的鋪設(shè)，蚯蚓種按照長8 m，寬50 cm，進(jìn)行鋪設(shè)，鋪設(shè)完成后將廢棄物按照不同處理的比例鋪設(shè)到蚯蚓種上方約5～8 cm厚度，等待蚯蚓處理，處理完成后繼續(xù)按照不同比例上料，堆肥試驗在露天進(jìn)行。

1.3 測定指標(biāo)及方法

堆體溫度的測定：采用彭云物聯(lián)S20A遠(yuǎn)程地溫溫度計進(jìn)行實時測定堆體溫度，每5 min測定1次數(shù)值。

其他指標(biāo)測定：容重采用環(huán)刀法；有效磷采用碳酸氫鈉溶液提取-鉬銻抗比色法；速效鉀含量采用乙酸銨提取，火焰光度法檢測；孔隙度：依據(jù)環(huán)刀內(nèi)可容納水的體積來計算孔隙度；pH采用酸度計法；電導(dǎo)率采用電導(dǎo)率儀法；種子發(fā)芽指數(shù)：恒溫培養(yǎng)箱測定；糞大腸桿菌采用《肥料中糞大腸 菌群的測定》（GB/T 19524.1—2004）測定；蛔蟲卵死亡率采用《肥料中蛔蟲卵死亡率的測定》（GB/T 19524.1—2004）測定；雜草種子活性采用《有機肥料》（NY/T525—2021）附錄H測定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用 Microsoft Excel 2010對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計整理，SPSS 26.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同廢棄物比例的蚯蚓堆肥處理中堆體溫度的變化

不同蚯蚓堆肥處理中堆體溫度變化見圖1。由于9月份天氣逐漸變冷，不同處理的堆體溫度隨時間逐漸也降低的趨勢，最高溫度為24.1 ℃，出現(xiàn)在處理1中，最低溫度為8.1 ℃，出現(xiàn)在處理3中。蚯蚓的活動溫度一般為5～15 ℃，最適宜溫度為20 ℃，20～30 ℃時能維持一定生長，32 ℃以上則停止生長；10 ℃以下活動遲鈍；5 ℃以下時開始休眠[18]。因此，蚯蚓堆肥期間堆體溫度范圍（8.1～24.1 ℃）均比較適合蚯蚓活動，特別是在前25 d，處于最適宜溫度區(qū)間，有利于蚯蚓生物分解廢棄物。從平均數(shù)看，隨著廢棄物添加比例的增加，堆體溫度平均值呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，變異系數(shù)逐漸增加（表3），說明了純牛糞的保溫效果最好，但差異不顯著（P>0.5）。原因可能是由于蚯蚓具有較強的溫度調(diào)節(jié)能力，在不同溫度下會根據(jù)堆體溫度的高低自行調(diào)整活動的深度來保持生命體運行。

2.2 不同廢棄物比例處理對蚯蚓堆肥產(chǎn)物物理性質(zhì)的影響

不同的廢棄物比例處理產(chǎn)生的蚯蚓糞形狀是不同的，有柱狀、塔狀、小球狀和顆粒狀等，不同形狀的蚯蚓糞作為肥料可以增加微生物剖面、土壤孔隙度，并為植物提供必需的養(yǎng)分[19]。因此，蚯蚓糞的容重、通氣孔隙和持水孔隙是重要的評價指標(biāo)。不同處理對蚯蚓堆肥產(chǎn)物的物理性質(zhì)見表4，容重的范圍0.67～0.71 g·cm-3之間，通氣孔隙度的范圍5.93%～6.81%，持水孔隙度的范圍是53.20%～60.93%。上述3個指標(biāo)各處理間差異均不顯著（P>0.5）。

2.3 不同比例廢棄物處理對蚯蚓堆肥產(chǎn)物化學(xué)性質(zhì)的影響

碳氮比是蚯蚓堆肥的重要指標(biāo)，可反映廢棄物分解程度[20]，隨著蚯蚓堆肥對廢棄物進(jìn)行分解，有機質(zhì)含量逐漸降低，總氮含量逐漸增加[14]。本研究中，C/N的范圍是9.54～10.77之間（表5），隨著廢棄物添加比例的增加，碳氮比逐漸升高，但差異不顯著（P>0.5）。

腐熟物中氮素的增加和廢棄物的分解有直接關(guān)系，蚯蚓糞中堿解氮包括無機態(tài)氮（銨態(tài)氮、硝態(tài)氮）及易水解的有機態(tài)氮（氨基酸、酰銨態(tài)氮和易水解蛋白質(zhì)）。本研究中，隨著牛糞的比例降低，堿解氮的含量減少（表5），100%牛糞+0%廢棄物處理的堿解氮含量為835 mg·kg，顯著高于其他處理（P<0.5），比其他3個處理平均高19.8%。

有效磷和速效鉀是蚯蚓糞中的重要指標(biāo)，呈現(xiàn)的規(guī)律與堿解氮相似（表5），隨著牛糞的比例降低，有效磷和速效鉀的含量也減少，有效磷的含量在各處理間差異不顯著，速效鉀100%牛糞-0%廢棄物處理的速效鉀含量顯著高于其他處理，比添加廢棄物的3個處理高22.0%。

陽離子交換量是蚯蚓糞顆粒能吸附各種陽離子的總量，是反映蚯蚓糞營養(yǎng)的重要指標(biāo)。本研究中陽離子交換量在各處理間無顯著的差異（P>0.5）（表6）。EC是蚯蚓堆肥過程中的一個重要參數(shù)，因為可溶性鹽的存在和釋放，表現(xiàn)出有機質(zhì)的礦化速度，使不能溶解的顆粒轉(zhuǎn)化為可溶狀態(tài)，本研究中EC值的在75.6～98.4 mS·m-1（表6），隨著廢棄物添加比例的增加，EC值呈現(xiàn)降低的趨勢，廢棄物達(dá)70%比例時EC值與100%牛糞處理呈現(xiàn)顯著差異。因此牛糞產(chǎn)生的蚯蚓糞較其他處理可能是保持可溶性鹽較好的介質(zhì)材料。同時，試驗表明添加廢棄物產(chǎn)生的蚯蚓糞施用后對土壤和植物潛在的鹽分危害更低。

蚯蚓對pH值的適應(yīng)范圍較大，在pH值5～11范圍內(nèi)蚯蚓均能生存，pH值6和9是2個最佳值，赤子愛勝蚯蚓生長和繁殖的最適pH是6，對于以生產(chǎn)和增質(zhì)量為主要目的的蚯蚓，其最適pH值是8～9[18]。本研究中pH值在8.74～8.92之間（表6），隨著廢棄物的逐漸增加，蚯蚓糞的pH值無明顯變化，差異不顯著（P>0.5）。

2.4 不同比例廢棄物處理對蚯蚓堆肥產(chǎn)物生物學(xué)性質(zhì)的影響

糞大腸桿菌、種子發(fā)芽指數(shù)、蛔蟲卵死亡率和雜草種子活性參照《有機肥料》（NY/T525—2021）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。評價上述指標(biāo)可以評價利用蚯蚓堆肥處理農(nóng)林廢棄物生產(chǎn)蚯蚓糞是否可作為生產(chǎn)商品有機肥的原材料。糞大腸桿菌數(shù)的范圍在29.7～42.7 個·g-1（表7），各處理間差異不顯著，符合商品有機肥標(biāo)準(zhǔn)。種子發(fā)芽指數(shù)的范圍在95.6～99.5%之間，發(fā)芽良好，各處理間無顯著差異?；紫x卵死亡率和雜草種子活性未檢出。

3 討論與結(jié)論

大多數(shù)研究中，蚯蚓堆肥通常是放在特殊的裝置中，如花盆、桶等[21-22]，因此蚯蚓處理廢棄物的條件較優(yōu)越，最終得到的蚯蚓糞的質(zhì)量差異較大。但將蚯蚓糞作為一種肥料或一種土壤改良劑應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)時，還是需要蚯蚓養(yǎng)殖場在露天環(huán)境條件下進(jìn)行蚯蚓堆肥，分析蚯蚓處理農(nóng)林廢棄物產(chǎn)生蚯蚓糞性質(zhì)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重要的意義。

蚯蚓糞的最終特性在很大程度上取決于飼喂蚯蚓的廢棄物原料組成[21]，不同的廢棄物會產(chǎn)生不同性質(zhì)的蚯蚓糞。本試驗通過露天試驗研究表明，在露天條件下，隨著廢棄物的比例增加，蚯蚓糞的物理性質(zhì)（容重、通氣孔隙和持水空隙）無明顯的變化，處理間差異不顯著。原因可能是牛糞添加廢棄物后其特性或各種參數(shù)均在蚯蚓的食用范圍內(nèi)，因此產(chǎn)生的蚯蚓糞物理性質(zhì)差異不大。

化學(xué)性質(zhì)方面，pH值的變化不大，均屬于堿性范圍，這與Katakula[23]研究結(jié)果一致。原因可能是養(yǎng)殖小區(qū)清洗牛圈所利用的清洗劑為堿性，導(dǎo)致牛糞為堿性，也可能是有機化合物生物降解過程中氨的釋放。隨著廢棄物的逐漸增加，蚯蚓糞的pH值無明顯變化，差異不顯著（P>0.5）。這可能和預(yù)處理物料以及牛糞的初始pH值相關(guān)。因此，廢棄物的添加對蚯蚓糞的酸堿度無顯著影響。在有機物分解過程中，會產(chǎn)生各種可溶性鹽，有助于將不可利用的磷、鉀、鈣礦物質(zhì)溶解為植物可利用的形式[24]。因此在蚯蚓堆肥過程中有機物降解和可利用形式的可溶性礦物鹽水平增加[25]。本試驗中陽離子交換量差異不顯著，EC值差異顯著，以100%牛糞處理的EC值最高。原因可能是對于蚯蚓來說，牛糞的適口性是分解有機廢棄物程度的重要因素。氮、磷、鉀3元素是蚯蚓糞重要的指標(biāo)，在露天條件下，隨著牛糞比例的減少，氮、磷、鉀的含量隨之降低，蚯蚓糞中氮、磷、鉀3種速效養(yǎng)分含量均以常規(guī)處理（100%牛糞+0%廢棄物）最高，堿解氮達(dá)顯著水平，有效磷差異不顯著，速效鉀達(dá)顯著水平。原因可能是牛糞的質(zhì)地均勻、保水性強，而廢棄物質(zhì)地與純牛糞相差較大，具有更大的縫隙，因此添加廢棄物處理中的氮素可能會隨著降雨以及灌水淋洗到地下；另一個原因可能是廢棄物產(chǎn)物的發(fā)酵原料中添加有60%的玉米秸稈，而玉米秸稈中全氮含量較低，僅為牛糞的33%左右，加之廢棄物發(fā)酵過程中存在氮損失，發(fā)酵后氮含量進(jìn)一步降低，因而導(dǎo)致添加廢棄物處理的初始氮含量及蚯蚓堆肥產(chǎn)物的堿解氮含量明顯低于100%牛糞處理。

生物學(xué)方面，蚯蚓糞的糞大腸桿菌群數(shù)和種子發(fā)芽指數(shù)均達(dá)到商品有機肥標(biāo)準(zhǔn)，蛔蟲卵死亡率和雜草種子活性未檢出，說明在廢棄物預(yù)堆肥處理中高溫使病菌及雜草種子失去活性，另外蚯蚓的活動也讓部分病菌失去活性。

綜上所述，在露天條件下蚯蚓處理廢棄物過程中，隨著廢棄物的添加所產(chǎn)生的蚯蚓糞物理性狀無顯著差異；化學(xué)性質(zhì)方面由于牛糞的適口性，蚯蚓糞的氮素和鉀素優(yōu)于添加廢棄物處理，但廢棄物的添加量對蚯蚓糞的其他化學(xué)性質(zhì)無顯著的影響；在生物學(xué)方面，添加廢棄物處理產(chǎn)生的蚯蚓糞均符合商品有機肥標(biāo)準(zhǔn)。該結(jié)果為蚯蚓處理廢棄物生產(chǎn)有機肥的技術(shù)可行性和產(chǎn)品安全性、營養(yǎng)性提供了有價值的理論參考。華北地區(qū)通過露天蚯蚓規(guī)模化處理農(nóng)林廢棄物生產(chǎn)高品質(zhì)有機肥是一項可行的綠色循環(huán)技術(shù)模式，值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

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基金項目：現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系北京市生態(tài)循環(huán)與低碳發(fā)展創(chuàng)新團隊項目（BAIC08-2022）

作者簡介：趙懿（1980—），男，北京延慶人，高級農(nóng)藝師，碩士，從事土壤肥料試驗、示范和推廣研究。