牛粪预处理对蚯蚓堆肥生物学特性和养分含量的影响

2019-05-05鲁耀雄崔新卫龚慧玲彭福元龙世平

江西农业学报 2019年4期

鲁耀雄，崔新卫，陈山，龚慧玲，唐柳，彭福元*，龙世平，张浩

(1.湖南省农业科学院农业环境生态研究所，湖南长沙 410125；2.湖南农业大学植物保护学院，湖南长沙 410125；3.长沙浩博生物科技有限公司，湖南长沙 410606)

随着畜禽养殖业集约化、规模化、工厂化的快速发展，畜禽养殖业粪便的产生量也急剧增加，每年的递增速度超过10%[1]，2016年我国产生畜禽粪便38亿t，目前已成为我国农业有机固体废弃物的主要来源。堆肥化处理是实现畜禽粪便等有机废弃物无害化和资源化利用的一种较好途径[2]。高温堆肥处理法虽然实现畜禽粪便废弃物的回收和利用，但是由于畜禽粪便含水量高，单位质量的干物质含量少，运输和装卸等成本较高，并且在高温堆肥中需要大量的干辅料以调节水分[3]，导致大多数的有机肥生产企业都不愿意采用。利用蚯蚓堆肥处理畜禽粪便废弃物是一种新型的、极具前景的可持续的环保技术[4-5]，蚯蚓能够适应原料的含水量在55%～80%，其堆肥过程中受畜禽粪便等有机废弃物含水量的影响较小，是实行畜禽粪便等有机废弃物资源化的有效途径，也是当前环保产业研究的一个新热点[6]。与高温堆肥相比，蚯蚓堆肥具有工艺简单易行、操作方便，投资和维护费用低，不会对大气、水产生二次污染，同时产生蚯蚓和蚓粪有机肥[7]。蚯蚓是很好的蛋白饲料，可以作为畜禽养殖的蛋白添加剂，蚯蚓粪具有很好的孔性、通气性、排水性和持水量，并含有大量的有益微生物以及赤霉素、生长素、细胞分裂素等激素，做有机肥和育苗基质时可以增加土壤的微生物碳和氮的含量[8]，提高作物系统抗性和促进根系生长[9]，减少作物的病害发生[10]。

蚯蚓堆肥处理畜禽粪便废弃物是20世纪80年代末发展起来的一项新生物处理技术，自从日本学者前田古颜育成了繁殖倍数极高、适合于人工养殖的蚯蚓品种叫“大平2号”，一种用于处理有机废弃物的赤子爱胜蚓(Eiseniafetida)，使这项生物处理技术得到革命性进步，迅速在美国、英国、德国、法国、日本、中国、印度、南非及其他国家得到了广泛的研究。我国于20世纪70年代末从日本引入“大平2号”、“北星2号”等蚯蚓品种，90年代才开始研究利用蚯蚓堆肥处理畜禽粪便、垃圾等废弃物，刘子英等[11]利用经过腐熟的牛粪和玉米秸秆进行蚯蚓堆肥，刘亚纳等[12]利用赤子爱胜蚓处理猪粪。蚯蚓堆肥处理畜禽粪便废弃物是利用蚯蚓腐食、食性广、食量大的特点，通过蚯蚓的活动、生理生化作用(蚯蚓的消化、代谢以及肠道挤压作用)以及与环境中微生物协同作用而加速畜禽粪便废弃物转化为蚯蚓粪有机肥[9,13-14]，消除了畜禽粪便对环境的污染。蚯蚓堆肥处理畜禽粪便已扩展到规模化生产，并在全世界范围内得以推广和应用，实行了畜禽粪便废弃物的无害化、减量化与资源化的目的[15]。由于畜禽粪便在自然分解过程中产生热量以及硫化氢、氨气等气体，pH过高或过低，都可能使蚯蚓逃逸、不产茧甚至死亡[16]，目前相关研究主要集中在将畜禽粪便风干[17-18]、单独发酵腐熟或混合其他原料发酵腐熟降低硫化氢、氨气等有害气体的产生后再进行蚯蚓堆肥[19-20]，这样的畜禽粪便前处理费时费工，而有关畜禽粪便简单预处理后进行蚯蚓堆肥的研究较少。

本试验以牛粪不处理和牛粪添加稻草和EM菌剂为对照，通过喷洒EM菌剂、84消毒液改变牛粪中微生物数量和群落结构后，再接种“大平2号”赤子爱胜蚓进行堆肥处理，记录堆肥结束后的蚯蚓数量和重量，研究蚯蚓堆肥过程中的微生物总量、pH、全氮、铵态氮、硝态氮和发芽指数等堆肥进程与腐熟情况的指标参数，探索出简便经济有效预处理畜禽粪便有机废弃物后加以利用，为减少环境污染、发展可持续经济和循环农业提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

堆肥原料包括牛粪、稻草，来源于中国科学院亚热带农业生态研究所长沙农业环境观测研究站的牛场和水稻种植区。堆肥材料的主要性质见表1。蚯蚓品种为赤子爱胜蚓(Eiseniafoetida)“大平2号”，来源于湖南岳阳君山区某蚯蚓养殖场。试验应用的EM菌液为郑州某生物技术有限公司生产，含有乳酸菌、酵母菌、芽孢杆菌、光合菌、放线菌等10属80多种微生物，有效活菌总数≥1010CFU/mL。84消毒液来源于湖南某医院生产的销售产品，有效氯含量为4.0%～7.0%(w/w)。

1.2 试验设计

试验将牛粪不同预处理制成蚯蚓的饲养料，设置4个处理。对照(CK1)：新鲜牛粪不经任何预处理，堆放室内30 d；对照(CK2)：70%牛粪+30%稻草+EM菌液(将新鲜牛粪与稻草按干基重比混合，将2 L EM菌液均匀地喷洒在1 t牛粪和稻草中进行堆肥处理30 d，其间翻堆2次)；处理1(T1)：牛粪+EM菌液(新鲜牛粪在室内用2 L EM菌液均匀地喷洒在折算成干基1 t的牛粪中处理30 d)；处理2(T2)：牛粪+84消毒液(将2 L 84消毒液均匀地喷洒在折算成干基1 t的牛粪中处理30 d)。每个处理设3次重复，随机排列，以上原料堆放和预处理均在四周通风的钢结构厂房内进行。采用塑料筐养殖蚯蚓，尺寸为0.4 m×0.3 m×0.16 m，底部有透水孔，先放上细纱网防止蚯蚓逃逸，放置2 kg基料在塑料筐的一角，蚯蚓投放密度为5000 条/m3，体重为0.4～0.5 g/条，标记好基料放置，以便取样时避免该位置的原料，然后再铺饲养料在塑料筐，厚度为0.14 m。塑料筐放置在通风的室内，上面用遮阳网避光，下面用砖垫高保持通气，每隔15 d喷洒适量水，保持饲养料湿润，并防止蚂蚁和老鼠等病虫害，保持周围环境安静。蚯蚓堆肥全过程时间为60 d。

试验于2014年6～8月在中国科学院长沙农业环境观测研究站的牛场室内进行，重复试验于2015年6～8月在湖南省农业环境生态研究所进行。

1.3 测定项目和方法

取样方法：每15 d取样一次，在各处理的塑料筐中任意选取5点位置(避免投放基料的位置)，取其体表面深5～10 cm处的样品共计1 kg左右，混合均匀，然后平均分成2份，一份鲜样用于测定试验不同时期的微生物(细菌、放线菌和真菌)的数量、pH；一份鲜样经风干后，粉碎过筛，用于统一测定试验不同时期的铵态氮、硝态氮、全氮和种子发芽指数(GI)，以及堆肥前后的全磷、全钾、有机质和含水量，60 d后从塑料筐倒出，统计成蚯蚓、幼蚯蚓数量及重量。

pH值测定：取保存于冰箱中的新鲜堆肥样品10 g(换算成干基)放入200 mL广口塑料瓶中,按1∶10(w/v)加入去离子水，25 ℃振荡30 min，静止1 h后，用pH计测定。

堆肥细菌、放线菌和真菌的数量测定方法：采用平板稀释培养计数法[21]。

铵态氮、硝态氮测定采用农业部的肥料硝态氮、铵态氮、酰胺态氮含量的测定行业标准(NY/T 1116—2014)，全氮、P2O5、K2O和有机质测定采用农业部的有机肥料行业标准(NY 525—2012)的方法。

1.4 种子发芽指数试验

称取试验不同堆肥时期的风干样品25 g于500 mL的三角瓶中，加入250 mL去离子水，150 r/min振荡30 min，过滤后，吸取滤液20 mL，加入放有2张滤纸的直径为9 cm培养皿中，均匀放置20粒饱满的萝卜种子，再置入到25 ℃培养箱48 h后，测定种子发芽率和根长[22]。对照为去离子水。每个处理重复3次。

1.5 计算与统计分析

发芽指数计算方法为：

式中：GI、GT、LT、GCK和LCK分别代表种子发芽指数(%)、处理发芽率(%)、处理根长(cm)、对照发芽率(%)和对照根长(cm)。

试验数据采用Excel 2003和SAS 8.1软件进行统计分析，采用最小显著差异法(least significant difference，LSD)进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 牛粪预处理后的差异和蚯蚓堆肥对蚯蚓生长、繁殖的影响

牛粪经过不同预处理后，通过观察其物料、臭味和质感，发现不同处理的原料具有一定的差异。相比未处理的新鲜牛粪，T2处理的表面物料显得更加膨松，没有牛粪原料黏稠，氨臭味明显减少。CK2处理的物料变黑，秸秆变软，部分腐烂，臭味减少。T1处理除臭味减少外，没有观察到其他明显变化。

牛粪不同预处理对蚯蚓数量和重量具有明显的差别(表2)。蚯蚓堆肥60 d后，相比其他处理，T2处理的成蚓数量、成蚓重量、幼蚓数量、幼蚓重量、蚯蚓总数量、蚯蚓总重量都为最多，并且幼蚓数量、幼蚓重量、蚯蚓总数量、蚯蚓总重量都显著高于其他处理，其中蚯蚓总数量为4.4万条/m3，总产量为10.73 kg/m3，比CK1分别增加了161.91%和70.86%，比CK2分别增加了82.57%和44.41%。试验说明84消毒液预处理牛粪进行蚯蚓堆肥过程中有利于蚯蚓的生长和繁殖，对蚯蚓养殖具有较好的效益。

2.2 蚯蚓堆肥微生物数量的变化

牛粪不同预处理蚯蚓堆肥的微生物数量变化见表3，其中细菌数量，CK1是“低—高”走势，而CK2、T1和T2是“低—高—低”走势，同一处理中蚯蚓堆肥60 d的细菌数量比堆肥初期增加最多的是T2，增加了2倍，增加最少的是CK2，只增加了57.64%。真菌数量，除了CK2是“高—低”走势，其他处理都是“低—高—低”走势，同一处理中蚯蚓堆肥60 d的真菌数量比堆肥初期减少最多的是CK1，减少了39.09%，减少最少的是T2，只减少了12.5%。放线菌数量，4个处理都是“低—高”走势，同一处理中蚯蚓堆肥60 d的放线菌数量比堆肥初期增加最多的是T2，增加了34.37倍，增加最少的是CK2，增加了8.6倍。试验说明在牛粪蚯蚓堆肥过程中，蚯蚓的活动有利于细菌和放线菌繁殖，尤其是放线菌的生长和繁殖。

表2 牛粪不同预处理对蚯蚓生长和繁殖的影响

注：表中以蚯蚓头上是否有很明显的生殖环来区别成蚯蚓和幼蚯蚓。同列中不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，下同。

表3 蚯蚓堆肥过程中微生物数量的变化

注：表中同行不同大写字母表示差异显著(P<0.05)。

2.3 蚯蚓堆肥pH的变化

牛粪不同预处理蚯蚓堆肥能够将原料的pH呈现逐渐降低的趋势，即由碱性向中性变化(图1)。蚯蚓堆肥60 d时，T2的pH最小，为7.19，其次是T1，为7.42，CK1的pH最大，为7.86。试验说明84消毒液预处理牛粪蚯蚓堆肥过程中，更有利于蚯蚓堆肥的有机物料pH向中性变化的趋势。

图1 蚯蚓堆肥过程中的pH变化

2.4 蚯蚓堆肥过程中氮素的变化

牛粪不同预处理蚯蚓堆肥的全氮含量都呈现缓慢降低的趋势(图2)，4个处理蚯蚓堆肥60 d后，其中以CK1的全氮含量最高，为12.64 g/kg，其次是T1，为11.17g/kg，最低是CK2，为9.45 g/kg。铵态氮含量变化跟全氮的变化趋势一致，4个处理蚯蚓堆肥60 d后，其中以CK1的铵态氮含量最高，为0.29 g/kg，其次是CK2，为0.22 g/kg，最低是T2，为0.1 g/kg。而硝态氮含量的变化趋势与全氮和铵态氮正好相反，呈现逐渐上升的趋势，4个处理蚯蚓堆肥60 d后，其中以T2的硝态氮含量最高，为3.19 g/kg，其次是CK2，为2.66 g/kg，最低是CK1，为2.03 g/kg。

2.5 蚯蚓堆肥前后氮磷钾养分含量的变化

堆肥结束后的氮素含量相比堆肥前都有所减少，其中T2的氮素损失率最大，为32.83%，其次是T1，为24.07%，而损失率最小的是CK1，为14.13%(表4)；堆肥结束后的P2O5和K2O含量相比堆肥前都有所增加，其中T2的P2O5含量增长率最大，为18.42%，其次是CK2，为16.21%，增加率最小的是CK1，为10.92%；K2O增加率最大的是T2处理，为8.1%，其次是T1处理，为6.6%，增加率最小的是CK1处理，为3.65%。

图2 蚯蚓堆肥过程堆体氮含量的变化

处理堆肥前/(g/kg)NP2O5K2O堆肥后/(g/kg)NP2O5K2O养分变化/%NP2O5K2OCK114.72±0.24 a 6.72±0.50 a 10.42±0.78 a 12.64±0.49 a 7.45±0.39 b 10.80±0.42 b -14.13+10.92+3.65CK211.78±0.15 a 7.11±0.27 a 11.49±0.70 a 9.45±0.46 c 8.27±0.26 a 12.17±0.34 a -19.80+16.21+5.89T114.71±0.17 b 6.73±0.32 a 10.40±0.95 a 11.17±0.41 b7.80±0.28 ab 11.09±0.33 b -24.07+15.84+6.6T214.93±0.22 a 6.77±0.87 a 10.37±0.24 a 10.03±0.44 c8.01±0.43 ab 11.21±0.24 b -32.83+18.42+8.10

2.6 蚯蚓堆肥过程中种子发芽指数的变化

种子发芽指数(GI)是检验堆肥腐熟度的一种最直接和有效的方法[22]。未腐熟的堆肥含有植物毒性物质，对植物的生长产生抑制作用，因此可用种子发芽指数来评价堆肥腐熟度。当GI>50%时，表明这种堆肥已达到可接受的腐熟度，可认为堆肥基本无毒性；若GI>80%则表明堆肥已达到完全腐熟[23]，对植物完全没有毒性。

图3 蚯蚓堆肥过程中种子发芽指数的变化

从图3可以看出，在蚯蚓堆肥过程中，不同处理的种子发芽指数趋势基本相同，都是随蚯蚓堆肥的进行逐渐升高。CK1和CK2蚯蚓堆肥0～45 d时，种子发芽指数缓慢上升，而45～60 d种子发芽指数上升较快；T1和T2蚯蚓堆肥0～15 d时，种子发芽指数缓慢上升，15～60 d种子发芽指数上升较快。CK2在堆肥进行30 d后发芽指数大于50%，T2在堆肥进行45 d后发芽指数大于50%，而CK1和T1在堆肥进行60 d后发芽指数才大于50%。堆肥60 d结束后，T2的发芽指数最大，为83.07%，其次是T1，为75.71%，而CK1最小，为62.54%。说明牛粪84消毒液预处理蚯蚓堆肥45 d后堆肥基本腐熟，60 d后达到完全腐熟，而未经任何处理的牛粪蚯蚓堆肥60 d后才基本腐熟。

3 讨论

畜禽粪便在自然分解过程中产生热量以及硫化氢、氨气等气体，pH过高或过低，都可能使蚯蚓逃逸、不产茧甚至死亡，因此在利用蚯蚓处理畜禽粪便废弃物时，要么将他们在空气中充分暴露一段时间从而让硫化氢、氨气等有害气体挥发，要么预先堆肥几周从而减少其中有毒有害物质的含量[16]。试验中牛粪不同预处理后进行蚯蚓堆肥，以84消毒液处理的T2为最好，主要是84消毒液喷洒牛粪上，其含有容易分解的次氯酸杀死了牛粪中的细菌和真菌，1个月后，相比未处理的牛粪，其中的细菌和真菌数量呈现显著降低，改变了牛粪中的微生物群落结构，影响了硫化氢、氨气等臭气的产生，更加有利于蚯蚓堆肥的条件，所以蚯蚓总数量、蚯蚓总重量都显著高于其他处理。因此，在相对数量多的蚯蚓堆肥处理下，T2的pH向着中性变化的趋势也快于其余处理。而利用EM菌剂对牛粪进行预处理的T1，主要是通过添加外源微生物改变了牛粪原有的微生物数量和群落结构，控制了牛粪中硫化氢、氨气等臭气的产生，有利于蚯蚓生长和繁殖，蚯蚓与EM菌的联合作用则进一步促进了有机质的腐熟。同时，在预处理牛粪的时候，还要考虑环境因素的影响，如日光直射或室内通风差，可能导致牛粪堆体的温度升高，改变牛粪中微生物数量和群落结构，导致硫化氢、氨气等臭气的产生，进而影响后期的蚯蚓堆肥效果。

蚯蚓堆肥实现了畜禽粪便的资源化利用，其稳定化过程大致可分为3个阶段，即有机质降解阶段、氨化阶段和硝化阶段[23]。有机氮-氨氮-硝态氮的转化是堆肥系统中氮素转化的主要途径，这其中的相关微生物群落结构、数量和活性起到了关键性的作用[24]。蚯蚓堆肥好氧条件对硝化影响大于对氨化的影响，好氧条件优劣不但影响硝化进程还影响硝化速率[25]。牛粪不同预处理，影响了蚯蚓堆肥过程中的蚯蚓生长和繁殖，进而改变了堆肥过程中微生物的群落结构、数量以及活性，控制着全氮、铵态氮和硝态氮含量的变化。牛粪不同预处理的蚯蚓堆肥过程中堆肥物料的细菌、真菌数量呈现先上升后下降的趋势，而放线菌数量呈现逐步上升的趋势。蚯蚓的引入增加物料的通气性，导致好氧细菌、真菌和放线菌的生长繁殖，因此在蚯蚓堆肥初期细菌、真菌和放线菌都是呈现上升的趋势。随着食物进入蚯蚓消化道的真菌营养体及大部分细菌被杀死，只有真菌的孢子和部分细菌仍保持生活力，生长较快的细菌进入有机质更高的蚯蚓粪中迅速生长繁殖[26]，而生长缓慢的细菌通过蚯蚓消化道后群体下降，同时，蚯蚓通过取食和破碎蚯蚓堆肥中有机残体改变细菌和真菌食物资源的质量，导致了细菌和真菌下降。而放线菌数量的大量增加，一方面是蚯蚓的活动改变堆肥物料的性质，有利于放线菌的生长，如通气、营养等因素；另一方面可能是蚯蚓与微生物的互作，微生物中发现的具有抑菌活性的物质中，近70%是由放线菌产生的，因此，放线菌的存在对蚯蚓自身生长和繁殖抵抗病原微生物是有益作用，从而在进化过程中而在蚯蚓体内保存下来，影响放线菌数量的变化。正是细菌数量和放线菌数量增加，其中可能含有大量的拮抗微生物。因此，蚯蚓粪具有缓解作物连作障碍的作用。由于T2的前期84消毒液预处理改变微生物数量和群落结构产生有利条件，导致蚯蚓数量的显著增加，堆肥物料的通风状况更好，为硝化细菌等好氧微生物的生长和繁殖创造出良好的好氧微环境，进而促进硝化作用中NO3--N的产生[27]，有利于加速氮的矿化和硝化作用，导致T2的全氮、硝态氮含量变化相比更为明显。蚯蚓的大量生长和繁殖会吸收堆肥料中更多的氮素，同时相对多的蚯蚓数量更加有利于其通风而导致铵态氮挥发损失增大，导致了T2单位质量的全氮损失率最大。

在4个不同预处理中使用的要么是牛粪，要么是牛粪和稻草秸秆进行蚯蚓堆肥，由于牛粪和稻草秸秆原料本身的氮、磷和钾的含量相对较低，并且在堆肥过程中伴随铵态氮的挥发损失[2,28]，以及蚯蚓的生长和繁殖会吸收部分养分，所以单位质量的全氮含量较堆肥初期是降低的，虽然随着微生物消耗碳水化合物及物料干重的下降[2]，单位质量的P2O5和K2O含量较堆肥初期有所增加，但是蚯蚓堆肥结束后总养分的含量都均未达到国标的要求(总养分含量≥5%)，因此，在利用牛粪和秸秆进行蚯蚓堆肥时产生的蚯蚓粪，需要添加高养分含量的有机肥进行补充部分养分才能够作为商品有机肥进入市场销售。由于条件限制，试验未研究84消毒等预处理改变了哪些种类的微生物数量和活性，进而影响硫化氢、氨气等臭气产生的相关关系，有待于进一步研究。