威廉环毛蚓消解牛粪最优条件的研究

张翰林，王金庆，郑宪清，李双喜，张娟琴，何七勇，吕卫光

（上海市农业科学院生态环境保护研究所，农业部上海农业环境与耕地保育科学观测实验站，上海市设施园艺技术重点实验室，上海市农业环境保护监测站，上海201403）



威廉环毛蚓消解牛粪最优条件的研究

张翰林，王金庆，郑宪清，李双喜，张娟琴，何七勇，吕卫光*

（上海市农业科学院生态环境保护研究所，农业部上海农业环境与耕地保育科学观测实验站，上海市设施园艺技术重点实验室，上海市农业环境保护监测站，上海201403）

摘 要：采用药用价值高、吞食量大的威廉环毛蚓进行牛粪消解试验，以期在资源再生利用的同时获得更高的经济效益。通过考察pH、温度、湿度和接种密度等4个环境因子对蚯蚓日增重倍数和基质降解速率的影响，研究威廉环毛蚓消解牛粪的最优条件。结果表明：威廉环毛蚓消解牛粪最佳pH为7.0—8.5，温度为20—25℃，湿度为60%—70%，最佳接种密度为蚯蚓与基质质量比1/40。

关键词：威廉环毛蚓；牛粪消解；pH；温度；湿度；接种密度

近年来，我国奶牛养殖业迅速发展，呈现出养殖规模化、集约化的趋势［1］，2014年我国奶牛存栏量达1 400万头，产生粪便约6 680万t。大量的奶牛粪便导致臭气污染、重金属污染、氮磷污染等，对水体、土壤和大气都造成了严重危害［2］。目前，常规处理畜禽粪便的方法有干燥法、焚烧法、沼气法厌氧处理、堆肥发酵法、蚯蚓处理法等［3-4］。上述方法均存在一些问题，如干燥法和焚烧法过于耗能，且容易造成空气二次污染；沼气法前期投入过大，后续存在产生大量沼液难以处理；堆肥发酵处理虽耗能低，但处理时间长且效益低下［5-6］。利用蚯蚓消解牛粪，蚯蚓繁殖后可作为中药材或是家禽类饲料，剩余物料可作为肥料直接还田，能够对资源进行合理利用［7-8］。因此，牛粪的蚯蚓处理方式具有良好的发展前景。

蚯蚓种类繁多，针对蚯蚓处理畜禽粪便的研究主要是应用正蚓科和钜蚓科的几个属种，其中最普遍的是正蚓科的赤子爱胜蚓［9-10］。近年来，钜蚓科的威廉环毛蚓因具有较高的药用价值，经济回报高且吞食量大而逐渐被应用于畜禽粪便处理［11］。威廉环毛蚓属于沪地龙的一种，体内所含纤溶酶和蚓激酶具有较高的纤溶活性，具有降压、溶栓、抗肿瘤、抗细菌、镇静解热等作用［12-13］。然而，目前针对威廉环毛蚓消解牛粪的优化条件还鲜有报道。本研究从pH、温度、湿度和接种密度4个方面考察威廉环毛蚓消解牛粪的最优参数，以期为蚯蚓消解牛粪的优化控制及利用畜禽废弃物养殖威廉环毛蚓提供科学依据。

1　材料与方法

1.1试验材料

蚯蚓来源：取自于上海市农业科学院崇明试验基地，蚯蚓种为威廉环毛蚓（Pheretima guillelmi）。选取个体大小一致，质量在2 g左右的蚯蚓进行试验。

试验容器：直径为18 cm、高为25 cm的圆柱形铁桶作为堆肥反应器。底部打4个孔，四周打8个孔，底部和四周打孔处内附50目细纱网，铁桶上口同样采用50目细纱网覆盖防止蚯蚓逃逸。

牛粪：牛粪取自于上海牛奶集团瀛博奶牛养殖有限公司，在试验前已经过固液分离处理。试验时堆肥反应器底部放置10%重量的长度为5—7 cm的玉米秸秆，上面放置90%重量的牛粪。牛粪基本性质：pH 8.48，全氮15.72 g/kg，全磷7.35 g/kg，有机质39.21 g/kg。

1.2试验设计

pH试验：根据国内外相关报道，蚯蚓一般适宜生存的pH范围在6.0—8.5，温度在20—25℃，湿度在60%—65%［14-16］，因本试验所用牛粪pH在8.5左右，所以设置7.0、7.5、8.0、8.5和9.0共5个pH处理，采用白矾（硫酸铝）和生石灰来调节pH，每个处理设置3个重复。每个试验容器接种蚯蚓数量20条，保障蚯蚓有充足的生长空间与食物，采用恒温培养箱保持温度20℃、湿度65%进行考察。试验时间为15 d。

温度试验：根据pH试验结果设置pH，保持湿度65%，每个试验容器接种蚯蚓数量20条，试验时间为15 d。通过恒温培养箱调节温度，设置温度为10℃、15℃、20℃、25℃和30℃共5个处理，每个处理设置3个重复。

湿度试验：根据pH试验和温度试验结果设置pH和温度，每个试验容器接种蚯蚓数量20条，试验时间为15 d。通过水分添加量控制湿度，设置湿度为55%、60%、65%、70%和75%共5个处理，每个处理设置3个重复。

接种密度试验：根据pH试验、温度试验和湿度试验的结果设置pH、温度和湿度，试验时间为15 d。设置蚯蚓和基质质量比为1/20、1/30、1/40、1/50和1/60共5个处理，每个处理设置3个重复。

1.3测定方法

pH采用电位法测定（水土比2.5∶1），温度采用温度计测定，湿度采用在105℃下烘24 h后再称重计算，蚯蚓接种密度采用人工计数测定。

1.4数据处理

试验结束时将样品缓慢倒出，仔细挑出蚯蚓，对蚯蚓和剩余基质进行称重。

其中，平均蚯蚓质量=（初始试验蚯蚓质量+试验结束时蚯蚓质量）/2［17］。

试验结果均以每次测得的3次重复分析的平均值±标准差来表示，试验数据采用EXCEL软件进行统计分析。

2　结果与分析

2.1pH对蚯蚓日增重倍数和基质降解速率的影响

由表1可知，当pH为7.0时，蚯蚓日增重倍数最大，达到0.0754倍/d；随着pH的升高，蚯蚓日增重倍数持续降低，pH为9.0时，蚯蚓日增重倍数最小，为0.0529倍/d。这与前人研究的结果相似，pH越接近中性越有利于蚯蚓生长［14，17］。pH为7.0时，蚯蚓日增重倍数显著高于pH为9.0时，但与pH为7.5、8.0和8.5这3个处理无显著性差异。

表1　不同pH条件下蚯蚓日增重倍数Table 1 Daily weight increment of earthworms under different pH

在经过15 d试验后，基质的pH均有所变化，其规律基本为向中性靠近。这与HOOPER等［18］的研究结果一致，尽管蚯蚓的粪便具有较高的pH，但蚯蚓的活动促进了基质中氮循环细菌的活跃程度，导致铵态氮和硝态氮浓度相对平衡，由此使得pH向中性趋近。

由表2可知，基质降解速率随pH的增高而逐步降低，pH为7.0和7.5时显著高于其他3个处理，pH 为8.0和8.5时显著高于pH为9.0时。最佳pH的选择需要综合考虑到蚯蚓的生长、基质的降解以及成本的消耗，虽然pH为7.0时效果最佳，但考虑到牛粪原料的pH在8.5左右，降至7.0需要加入硫磺进行调节，增加成本，且蚯蚓自身可调节pH向中性趋近，同时pH为8.5时蚯蚓日增重倍数与pH为7.0时无显著差异，因此后续试验选择不进行基质的pH调节。

表2　不同pH条件下基质降解速率Table 2 Substrate degradation rate under different pH

2.2温度对蚯蚓日增重倍数和基质降解速率的影响

由表3可知，温度为20℃和25℃时，蚯蚓日增重倍数显著高于其他3个处理，温度为30℃和15℃时显著高于温度为10℃时。结果表明，最适温度为25℃，蚯蚓日增重倍数可达0.0586倍/d，与赤子爱胜蚓相似［16］。威廉环毛蚓对于温度的要求较高，过高或过低都会对其生长有显著负面影响。

表3　不同温度条件下蚯蚓日增重倍数Table 3 Daily weight increment of earthworms under different temperature

试验结果显示（表4），温度为20℃和25℃时，基质降解速率显著高于其他3个处理，温度为30℃和15℃时显著高于温度为10℃时。基质降解速率25℃时效果最佳，可达0.9023 g/（g蚯蚓·d），其变化规律与蚯蚓日增重倍数变化相同，因此，综合考虑基质消解和蚯蚓生长因素，后续试验选择25℃为最佳温度。

表4　不同温度条件下基质降解速率Table 4 Substrate degradation rate under different temperature

2.3湿度对蚯蚓日增重倍数和基质降解速率的影响

由表5可知，湿度为60%、65%和70%时，蚯蚓日增重倍数显著高于其他2个处理，湿度为55%时显著高于湿度为75%时。结果表明，最适湿度范围为60%—70%。卢俊平等［16］发现‘大平二号’蚯蚓在湿度为75%时，蚯蚓日增重倍数为负值，但本研究中湿度在55%和75%时，威廉环毛蚓依然有增长的趋势，日增重倍数分别为0.0347倍/d和0.0282倍/d，说明不同蚯蚓品种对湿度的适应性有一定的区别。

表5　不同湿度条件下蚯蚓日增重倍数Table 5 Daily weight increment of earthworms under different humidity

由表6可知，湿度为60%、65%和70%时，基质降解速率显著高于其他2个处理，湿度为55%时显著高于湿度为75%时，其变化规律与蚯蚓日增重倍数变化相同。湿度为60%—70%时，蚯蚓日增重倍数和基质降解速率均差异较小，因此，后续试验选择中间值65%为最佳湿度。

表6　不同湿度条件下基质降解速率Table 6 Substrate degradation rate under different humidity

2.4接种密度对蚯蚓日增重倍数和基质降解速率的影响

在上述最佳试验条件下，设置蚯蚓和基质质量比为1/20、1/30、1/40、1/50和1/60，进行15 d密度接种试验。结果显示（表7），蚯蚓日增重倍数随接种蚯蚓与基质质量比变小而增大，但1/40、1/50和1/60这3个处理之间无显著差异。可见，蚯蚓接种密度越大，就越会限值威廉环毛蚓的生长，但当接种密度达到或小于1/40的时候，接种密度对蚯蚓的生长影响较小，这与GARG等［19］对赤子爱胜蚓的研究结果一致。

表7　不同接种密度条件下蚯蚓日增重倍数Table 7 Daily weight increment of earthworms under different inoculation density

由表8可见，接种密度对基质降解速率的影响显著，蚯蚓与基质质量比为1/40、1/50和1/60时，基质降解速率显著高于其他2个处理，蚯蚓与基质质量比为1/30时显著高于1/20时，其变化规律与蚯蚓日增重倍数变化相同。蚯蚓与基质质量比为1/40、1/50和1/60时，蚯蚓日增重倍数和基质降解速率均无显著差异，因此，选择蚯蚓与基质重量比1/40为最佳蚯蚓接种密度。

表8　不同接种密度条件下基质降解速率Table 8 Substrate degradation rate under different inoculation density

3　结论

本研究采用药用价值较高的威廉环毛蚓进行牛粪消解，对威廉环毛蚓生长状况及消解牛粪的效果进行考察，结果显示威廉环毛蚓具有较强的牛粪消解能力，综合考虑蚯蚓生长、牛粪消解和成本消耗3个方面因素，最佳pH为7.0—8.5，温度为20—25℃，湿度为60%—70%，接种密度为蚯蚓与基质质量比1/40。本研究得出的最佳条件为小规模试验所得，在实际大规模应用中最佳条件由于受外界条件的影响可能会有小幅的变动，确定威廉环毛蚓在规模化应用中的最适条件将是下一步的研究方向。

参 考 文 献

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（责任编辑：闫其涛）

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

中图分类号：S141.2

文献标识码：A

文章编号：1000-3924（2016）03-096-05

DOI：10.15955/j.issn1000-3924.2016.03.19

收稿日期：2015-09-23

基金项目：上海市科委崇明专项（13231204102）

作者简介：张翰林（1985—），男，博士，助理研究员，主要从事环境污染治理研究

*通信作者