蚯蚓处理畜禽粪便研究进展

温凌嵩，宋立华，臧一天，唐夏军，陆灿强，舒邓群*

(1.江西农业大学 动物科学技术学院，江西 南昌 330045； 2.南昌市新建区农业农村局，江西 南昌 330100)

随着生活水平的不断改善，人们对肉类及乳制品的需求不断提高。在2015 年，猪肉产量5 486.5×104t，禽蛋 2 999.2×104t，牛肉 700.1×104t[1]，但全年排放粪便量(包括尿液量)高达到 65.54×108t，其中猪粪35.61×108t，牛粪 20.94×108t，鸡粪3.93×108t[2]。未经处理或短期自然堆放的畜禽粪便含有大量病原菌、寄生虫卵等，若施用到农田中，将危害农作物生长并对土壤环境产生不利影响[3]。如何科学高效地处理利用这些畜禽粪便，一直以来都是人们非常关注的问题。从目前来讲，资源化处理这些畜禽废弃物是行之有效的方法，主要包括厌氧发酵、好氧堆肥和蚯蚓堆肥等。其中蚯蚓堆肥发展迅速，具有独特优点，被广泛用于处理畜禽粪便[4]。蚯蚓可以通过蚯蚓堆肥过程，降解粪便中的有机物，使粪便转化为腐熟度高的有机肥料[5]。

1 畜禽粪便资源化处理

1.1 厌氧发酵

我国规模化养猪场主要采用干清粪、水泡粪或水冲粪的方法来清理猪舍粪便[6]，后两种方式产生的粪污含水率高，应以厌氧发酵工程为基础、多种方式协同并存的方式，资源化处理这些畜禽粪便[7]。厌氧发酵的本质是以厌氧微生物为基础的物质代谢和能量转换。厌氧微生物通过分解代谢过程获得的物质和能量来满足自身的生长和繁殖。在代谢过程中，大部分有机质在厌氧微生物的作用下转化为CH4和CO2[8]。利用厌氧发酵的方式处理畜禽粪污，不仅可以去除去粪便中的有机污染物，还能产生沼气和沼渣。沼气发电入网，沼渣制成有机肥[9]。但利用厌氧发酵处理畜禽粪便还存在一些问题，如：前期配套设备建设及后期设备维护都需要大量的资金支持[10]；沼气的产生易受天气影响，在低温时沼气产生慢[11]；规模化养殖场产生的沼渣量大，远远超出周围农作物所需。

1.2 好氧堆肥

好氧堆肥是将畜禽粪便等有机废弃物在人为控制的条件下(适宜的C/N、含水率、通氧速率、pH 和温度等)，利用好氧微生物进行降解，形成较为稳定、无害且品质良好的有机肥料的过程[12]。在好氧堆肥过程中，微生物分解有机质，同时生成了大量可被植物吸收利用的有效态氮、磷、钾，堆肥过程中产生的持续高温能够有效杀灭畜禽粪便中的病原微生物和寄生虫卵[13]。然而，传统的好氧堆肥技术依然存在一些问题，如堆肥时间长、有机物降解不完全、腐殖化程度低、氨气的挥发和温室气体释放等[14-15]。

1.3 蚯蚓堆肥

蚯蚓堆肥(vermicomposting)，即将蚯蚓引入畜禽粪便等有机废弃物的处理当中。蚯蚓作为自然界中的分解者，可协同微生物，将畜禽粪便等有机废弃物迅速分解，使其转化为腐熟且稳定的有机肥料[16]。1973年日本学者前田古颜[17]培育了一种繁殖能力、适应能力都很强的赤子爱胜蚓(商品名大平2号)。该品种蚯蚓的育成使得人工养殖蚯蚓并利用这些蚯蚓处理畜禽废弃物这项技术得到飞跃性的发展。Haimi等[18]学者最早在1981年就开始在实验室研究用蚯蚓处理畜禽粪便。1990年，胡秀仁等[19]研究表明，经过蚯蚓的处理，生活垃圾可以转变的优质的有机肥料。1993年，孙振钧等[20]对蚯蚓的人工养殖进行了深入且系统的研究，得出了比较适宜的蚯蚓养殖基料。2002年，仓龙等[21]将目光转向蚯蚓处理畜禽粪便时的最佳含水率以及最适接种密度。近年来，蚯蚓处理的畜禽粪便研究以牛粪、鸡粪和猪粪居多，研究的主要内容是不同C/N、添加剂(过磷酸钙，氯化钾和尿素等)和粪便的腐熟程度对蚯蚓生长繁殖的影响等[22-23]。蚯蚓堆肥有其独特的优势(见表1)，但蚯蚓对环境敏感，对不同畜禽粪便等有机废弃物有所偏好。

表1 三种堆肥方式优缺点比较

蚯蚓吞食有机废物排出蚯蚓粪，有机碎屑在蚯蚓体内进行了一系列复杂的生物氧化反应，大量的微生物参与其中[24]。在蚯蚓堆肥过程中，大分子有机物分解成简单有机物，简单无机小分子以及有机单体物质聚合成腐殖质[25]。有机碳的消耗主要是由于蚯蚓和微生物进行的呼吸作用，该作用生成二氧化碳、水和热量。在这些过程中氮元素呈现上升趋势，氮元素的转化主要是由于微生物参与的矿化作用和生物固氮作用来完成[26]。蚯蚓的死亡和分解也会增加产物的含氮量，在整个堆肥过程中C/N呈现下降趋势，反映了有机物的分解和矿化[27]。堆肥后的产物由于经过蚯蚓肠道的消化以及蚯蚓自身的物理搅动，使得产物逐渐形成水稳定性良好的团聚体，这种形态有利于营养物质的保持[28]。堆肥后的产物中含有丰富的氮和无机磷酸盐，这些物质多以易被植物吸收的有效态形式存在[29]。

2 蚯蚓堆肥效果的影响因素

2.1 温度

蚯蚓属于变温动物，环境和堆肥废弃物的温度对蚯蚓的生长繁殖有较大影响。因此，控制畜禽粪便等有机废弃物的温度对蚯蚓堆肥过程非常重要。温度过高时会产生硫化氢和氨气，降低畜禽粪便中氮的含量，并降低处理效率，而且蚯蚓的生长繁殖也会受到影响。蚯蚓的最适宜的活动温度为 15～25 ℃；5 ℃以下时，进入休眠状态； 0 ℃以下、40 ℃以上一般会导致蚯蚓死亡[30]。刘亚纳等[31]利用赤子爱胜蚯处理猪粪，研究温度、湿度等因素对蚯蚓处理猪粪的影响。结果发现，在15～25 ℃时，蚯蚓处理猪粪的效果最好；孙振钧等[20]利用蚯蚓处理牛粪和木屑的混合物，发现在 23～25 ℃时，蚯蚓的繁殖率较高；在 18 ℃时，蚯蚓的生长速度较快。

2.2 含水率

蚯蚓通过表皮溶解氧气进行呼吸作用，湿度是蚯蚓进行呼吸作用的基础。所以，基料的湿度对蚯蚓的生理活动至关重要。蚯蚓适应的湿度范围是30%～80%，最佳湿度范围是60%～80%[32]。Gunadi等[33]通过研究发现，牛粪湿度为90%时，蚯蚓具有较高的生长率；当牛粪湿度为75%时，蚯蚓具有较高的繁殖率。而蚯蚓在猪粪中，具备较高生长率和较高繁殖率的湿度分别是75%和70%；仓龙等[21]研究赤子爱胜蚓处理腐熟猪粪、腐熟鸡粪和中药残渣混合物的最适湿度，发现腐熟猪粪和腐熟鸡粪的最佳湿度分别为75%和65%。张夏刚等[35]研究发现，羊粪湿度为65%～75%，赤子爱胜蚯可获得最高的生长率和繁殖率；Loehr等[36]研究了湿度对赤子爱胜蚓处理污泥的影响，发现湿度范围在84%～91%时，赤子爱胜蚓具有较高的活体重。

2.3 C/N

C/N在畜禽粪便等有机废弃物预堆肥过程中，碳源为堆肥中的微生物提供能量，并伴随CO2的产生和热量的散失; 氮源一部分被微生物同化，一部分通过硝化作用生成硝酸盐类物质或以氨气的形式挥发掉[37]。C /N 是最常用的腐熟度指标之一，Senesi[38]认为C/N低于20即表示堆肥产物达到成熟。刘婷等[39]研究发现，基料的 C/N 对蚯蚓的生长有较大影响。当基料的 C/N 过高时，氮元素缺乏, 蚯蚓可以补充利用的蛋白质量少，生长发育迟缓；C/N过低时，物料的氮素含量过高，容易引起蛋白质中毒，导致蚯蚓死亡腐烂。冯婧等[40]研究了不同原料与畜禽粪便混合，来构建蚯蚓基质模型。发现牛粪+秸秆C/N比在30～35之间、猪粪+秸秆C/N比为30、鸡粪+秸秆C/N比为25比较适宜蚯蚓生长，并繁殖较快。

3 蚯蚓处理不同畜禽粪便研究进展

不同的畜禽粪便理化性质存在差异(见表2[41-42])。畜禽粪便一般呈现弱碱性，这与畜禽肠道的健康状态有关；牛粪的含水率比猪粪和鸡粪高，费辉盈[41]认为这与牛粪中高纤维含量有关，纤维类物质与胶体物质分别起着骨架作用和交联作用，形成细密的网状结构，有利于水分的蓄积；鸡粪的C/N为5.9，是这三种畜禽粪便中最低的。这些差异，都会对蚯蚓处理粪便的效果产生影响。

表2 三种畜禽粪便pH、含水率、有机碳、总氮和纤维含量

3.1 蚯蚓处理牛粪

牛粪被普遍认为是最适合进行蚯蚓堆肥处理的畜禽粪便[43]，因为它更加容易被蚯蚓吞食并利用。Elvira等[44]研究发现，不同配比的牛粪和污泥会影响蚯蚓的增长量，其中全部使用牛粪作为基料，蚯蚓的增长量最多。虽然蚯蚓在全部使用牛粪作为基料时增长量大，生长情况好，但Priya Kaushik等[45]研究表明，污泥比重为70%，牛粪比重为30%时是比较实用的。孙振钧等[20]利用发酵后的牛粪混合木屑作为基料养殖蚯蚓，在温度23～25 ℃、湿度60%～70%、pH 6～9时蚯蚓生长繁殖状况好，有利于蚯蚓对牛粪的处理利用。李辉信等[46]发现处理后的牛粪中矿质氮和速效磷的含量显著增加，同时碱性磷酸酶的活性提高，脲酶活性降低。朱晓玲等[47]发现牛粪经蚯蚓处理后，pH降低，全氮、速效磷和速效钾含量均不断增加，这与李辉信的研究结果基本一致。

3.2 蚯蚓处理鸡粪

鸡没有膀胱，直肠末端膨大形成泄殖腔。粪便与尿液一起排出，呈浅灰绿色，表面附有白色带状尿酸盐，质地粘稠松软[48]，蚯蚓处理鸡粪的效果比较差。成钢等[49]、刘亚纳[50]发现蚯蚓对湿鸡粪极其不适应，成活率低下，但如果鸡粪的堆肥天数越高，鸡粪的腐熟度越好，蚯蚓的繁殖率和增长率越高。钟佳芸[51]发现，在发酵鸡粪中接种的蚯蚓有较高的增长率和繁殖率。另外，用腐熟的玉米秸秆按一定比例与预堆肥后鸡粪混合，蚯蚓的生长状况要比全部使用腐熟鸡粪的好。杨世关等[52]发现蚯蚓在预堆肥7 d以上鸡粪中的生长繁殖情况比未进行预堆肥的好。其中，在预堆肥28 d时，蚯蚓具有最高的日增重倍数；在预堆肥35d时，蚯蚓具有最高的日繁殖倍数。王志凤[53]研究发现，在鸡粪中施用EM菌的蚯蚓日增重倍数明显高于未施用的，但施用过多反而会影响蚯蚓的生长。因此，在实际生产中，要依据实际的需要施用，施用量为 250 g(湿重)饵料加 10 mL 10%的EM菌液时比较适宜，有利于蚯蚓对鸡粪的处理。

3.3 蚯蚓处理猪粪

新鲜猪粪呈深黑褐色，颗粒度较大，粘度大，易结块，但发酵腐熟后有利于改善这种情况，这与猪粪发酵后的颗粒细化有关[54]。刘亚纳等[55]利用蚯蚓处理晾干但未经发酵的干猪粪，发现蚯蚓生长很快，但是繁殖率低，在实际应用中将影响蚯蚓持续处理猪粪的效果；当利用蚯蚓处理混合了稻草且经过预堆肥处理的猪粪时，蚯蚓的生长和繁殖状况都良好；经过蚯蚓处理过后的猪粪pH接近中性，铵态氮含量降低，硝态氮含量升高，这有助于改良土壤。董炜华等[56]研究发现，蚯蚓对猪粪和秸秆混合基料的分解量显著高于纯猪粪；猪粪与玉米秸秆的混合基料减少的质量显著多于猪粪与水稻秸秆混合物中物料减少的质量；经蚯蚓处理后，猪粪中的全氮和速效氮、全磷和速效磷以及全钾和速效钾的含量增加，有机质和 pH降低。陈杰等[57]发现，猪粪中有机碳随时间的增加而降低，猪粪逐渐腐熟；全氮含量随时间的增加呈现出先降低后升高的趋势 ；铵态氮在蚯蚓堆肥过程中不断降低，硝态氮含量随时间的增加先降低后升高；全磷、速效磷和全钾在猪粪中含量随时间增加而升高，肥效得到提升。宋高杰等[58]发现，在堆肥过程中，添加1%的枯草芽孢杆菌可以缩短猪粪和秸秆进入高温阶段的时间，加快腐熟进度，提高蚯蚓处理猪粪的效率。

4 小 结

商业化蚯蚓堆肥可以消纳附近大部分畜禽养殖场产生的粪便，但部分养殖场清粪工艺落后，粪便含水率高，在预堆肥时需要添加较多的木屑、秸秆等辅料调节含水率。一方面增加成本，另一方面，大量的辅料添加影响C/N的调节。建议先将畜禽粪便等有机废弃物应按种类、含水率不同等因素分开处理。搭建沥干池，将含水率高的畜禽粪便先进行堆放、沥干等操作；寻求多种不同种类的畜禽粪便等有机废弃物，探索不同蚯蚓堆肥原料的不同预处理方式。在一种堆肥原料短缺时，也能通过成熟的预处理工艺，快速将其他原料运用到蚯蚓堆肥中。

蚯蚓可有效处理畜禽粪便等有机废弃物并实现资源化利用，通过预堆肥处理调控温度、含水率和C/N等因素将提高蚯蚓处理畜禽粪便的效率。蚯蚓对不同的畜禽粪便处理效果存在差异，其中蚯蚓对牛粪适应性强，处理效果好，牛粪中的速效磷、速效钾和全氮等经蚯蚓处理后升高明显；蚯蚓对鸡粪适应性较差，影响蚯蚓对粪便的处理效果。但用蚯蚓处理发酵的鸡粪，效果较好；蚯蚓能较好处理经过自然晾晒的猪粪，但这种方法并不适合处理大量的猪粪。堆肥过程中常加入的秸秆等调节粪便的C/N，C/N的辅料应根据当地情况，取用周边常见的农用废弃物。