不同添料频率对蚯蚓堆肥的影响

胡红文, 夏运红, 查琳, 刘贵平, 李清亮

(四川省内江市农业科学院, 四川 内江 641000)

利用蚯蚓生物反应器将有机废物转化为蚯蚓堆肥已是被广泛认可的生态处理工艺[1]。采用蚯蚓堆肥处理畜禽粪污时，通过调节底料物化性质，引入蚯蚓生物反应器并以此为主要处理环节，可开发一种能够对粪污实现无害化与资源化处理的生态环保堆肥技术[2]。该工艺经济效益好，建立堆制系统所需的成本小，产物蚯蚓体是良好的药材和动物蛋白原料，产物蚯蚓粪是良好的有机肥[3-4]。

目前，蚯蚓堆肥技术的研究与应用不断扩展和深入。蚯蚓品种主要以赤子爱胜蚯蚓(Eiseniafoetida)为主，基床温度25 ℃、湿度70%左右最佳[5]。关于基质最适宜的C/N[6]、蚯蚓的接种密度[7]等都有较多研究，还有许多学者在基质种类、pH、辅料应用等方面开展了广泛研究[8-11]。这些研究成果为蚯蚓堆肥生产技术的推广提供了理论支撑，也为本研究在基料配比和饲养管理等方面的试验设计提供了基础数据。

在实际生产中，添料频率是蚯蚓堆肥工艺的重要参数，蚯蚓堆肥原料存放与转运、用工人数确定、浇水翻土计划、蚯蚓与蚯蚓粪收集等多项工作安排，都要根据添料频率来制定，但目前关于基料添加频率对蚯蚓堆肥的影响尚未有研究。本文研究了基料的添加频率对蚯蚓生长和基料性质的具体影响，首先通过试验筛选出最佳基料量，再根据蚯蚓采食与生长规律设计了添料频率试验，分析了蚯蚓生长速度和基料质量、有机碳(total organic carbon，TOC)、总氮(total nitrogen，TN)、总钾(total potassium，TK)和总磷(total phosphorus，TP)等指标，得出最适宜的添料频率，以期为提高蚯蚓对有机废物的处理效率提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.2 试验设计

1.2.1基料量筛选试验 根据蚯蚓体重随着基料总量的增加先升高后不变，以获得饲养20 d蚯蚓所需的基料总量。选取2.50～45.00 g基料重量，设计10个处理(T1～T10)，每个处理3次重复(表1)。采用圆盒饲养，盒子尺寸高13 cm、直径6 cm，一共30盒，每盒接种20条蚯蚓，每条蚯蚓重为(0.05±0.001)g，盒子口上面用滤纸密封。将盒子放在25 ℃的生化培养箱中20 d，称量20条蚯蚓的总重。

表1 各处理的基质干重

1.2.2添料频率试验 通过基料量试验筛选适宜的基料量，并按照不同的添加频率分批次给蚯蚓添料，添料频率分别为2、3、4、5、7、10、20 d/次，共7个处理(A～G)，各处理每次的基料添加量见表2。每次添加基料量是该时刻至下次添料时刻内蚯蚓采食总量，蚯蚓在本试验体重范围内生长为近直线增重，根据采食量与体重的比例关系，计算出各处理依次添料量。饲养基质类型、饲养温度、饲养时间和接种蚯蚓大小等因素与基料量筛选试验相同。

表2 各处理的基料添加量

1.3 测定项目及方法

1.4 数据处理

用Microsoft Excel 2010整理数据，用SPSS软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 基料干重对蚯蚓体重的影响

图1显示，随着基料干重增加，20条蚯蚓总体重在1～4处理中依次增加；第5处理中基料干重20.00 g时，蚯蚓总体重2.204 1 g；6～10处理中蚯蚓总体重并未随基料变多而显著增加(P>0.05)。因此，确定第5处理中基料干重20.00 g为蚯蚓需求基料总量。

注：不同字母表示差异在P<0.05水平具有统计学意义。

2.2 添料频率对蚯蚓生长的影响

由图2可知，蚯蚓重量随着添料频率的降低呈先升后降的趋势。在E处理(添料频率为7 d一次)中20条蚯蚓总重量最高，达到(2.77±0.17)g，平均重量达到0.138 7 g·条-1，显著高于A处理(2 d一次)、B处理(3 d一次)和G处理(20 d一次)中的蚯蚓总重量(P<0.05)。可知，添料频率为7 d一次时，蚯蚓生长最好。

注：不同字母表示差异在P<0.05水平具有统计学意义。

2.3 不同添料频率对基料物化性质的影响

2.3.1基料干重的变化 根据图3结果可知，各处理的基料干重与处理前相比均降低。随着添料频率的降低，基料干重先降低后升高。其中，添料频率为10 d一次的F处理中基质干重最低，为(14.06±0.22)g。F处理与添料频率为7 d一次的E处理(基料干重为14.68±0.29 g)差异不显著(P>0.05)，但是显著低于其他处理(P<0.05)。

注：不同字母表示差异在P<0.05水平具有统计学意义。

2.3.2基料有机碳、总氮以及C/N的变化 表3显示了处理后基料有机碳(TOC)和总氮(TN)与处理前的比值，以及处理后C/N。可以看出，经过蚯蚓堆肥处理后，基料中TOC、TN以及C/N均变小。基料TOC含量随着添料频率的降低呈现先降低后升高的趋势，添加频率为7 d一次的E处理是趋势转折点，TOC含量为处理前的47.48%，显著低于其他处理(P<0.05)。TOC含量最高的是G处理，降至处理前的60.51%。蚯蚓堆肥处理前后，基料TN以及C/N在各处理中差异均不显著(P>0.05)。TN含氮最低的是E处理，降至为处理前的90.05%；C/N最低的也是E处理，为13.18。TN含氮、C/N最高的是G处理。

表3 不同处理中有机碳、总氮含量及C/N变化

2.3.3基料总钾、总磷和速效磷含量的变化

表4显示，经过蚯蚓堆肥处理后，基料总钾(TK)含量最高的是F处理(2.86±0.08)g·kg-1，其次是E处理；总磷(TP)含量最高的是E处理(8.27±0.08)g·kg-1，其次是F处理；速效磷(AP)含量最高的是E处理(349.29±7.07)mg·kg-1，其次是D处理(345.24±13.73)mg·kg-1。基料中TK、TP和AP含量差异均不显著(P>0.05)。TK、TP含量与处理前相比增加，而AP含量降低。

表4 不同处理中总钾、总磷、速效磷含量

2.3.4基料硝态氮、铵态氮含量和pH的变化

表5 不同处理中硝态氮、铵态氮含量和pH

3 讨论

3.1 添料频率影响蚯蚓的生长

本研究表明，添料频率为7 d一次的试验组中蚯蚓的生长速度最快。蚯蚓体重增加得益于其对基料中养分利用，添加新料后，蚯蚓栖息于新料周边的蚯蚓粪中，并延时采食新料。添料会给蚯蚓带来物理震动、光刺激等，且新料中氨气等有害物质对蚯蚓体表的刺激。添料频率过高，一是对蚯蚓造成的应激较大；二是前期基料量少不能给蚯蚓提供必要的栖息环境，导致蚯蚓生长相对慢。添料频率过低，一是基料本身能为蚯蚓提供的养分会随着时间的推移在微生物的作用下而减少;二是蚯蚓不喜采食久置基料，最终蚯蚓可利用的总养分少。

3.2 添料频率影响基料的物化性质

3.2.1添料频率影响基料的减量化速率 本研究表明，蚯蚓堆肥中蚯蚓体重增加越多，基料消耗量就越多。蚯蚓能够促进微生物生长繁殖，蚯蚓和微生物利用大量的碳作为能量来源，氮用于构建细胞结构，导致有机物分解[14]。添料频率影响基料减量化速率，添料方式不同影响蚯蚓生长及对基料的利用率，进而影响堆肥后期基料重。基料量可因蚯蚓摄取、微生物分解、自身物质挥发等引起减少，但其中最主要是蚯蚓摄取的作用。蚯蚓体重越小，采食基料就越少，同时蚯蚓采食对基料干重的减少速率要远远大于自然堆放。所以在蚯蚓堆肥中可以通过调节添料频率来提高基料减量化速率，添料频率最佳的是7～10 d一次。

3.2.2添料频率影响基料有机碳含量 蚯蚓生长影响微生物数量和活性，同时影响酶活性，并促进基料中C、N的转化，生长越快对应转化速度也越快[15]。蚯蚓堆肥前期总氮含量降低以铵态氮挥发为主因，后期升高以基质干重减少和铵态氮向硝态氮转变为主因。本研究中总氮含量的降低，是因为堆肥时间不够长，处于降低阶段[16-18]。本研究所有处理中有机碳含量均下降，这与许多研究结果相同[18-22]。本研究中有机碳含量在47.48%～60.51%，这与Garg等[23]的研究结果相近。不同处理之间比较，添料频率为7 d一次的E处理中有机碳含量最低，蚯蚓生长也最好。可知，不同添料频率影响蚯蚓堆肥中基料有机碳含量。蚯蚓采食和肠道肌肉活动使被摄入的物质碎化与匀质化，在通过增加粘液和酶提高微生物活动表面，蚯蚓和微生物联合作用导致有机物以CO2的形式损失[24]。本研究中碳氮比降低，不同添料频率对碳氮比影响不显著，可能是因为蚯蚓和微生物均能使碳氮比降低，减弱蚯蚓堆肥对碳氮比的影响[25-26]。

3.2.3添料频率对总钾、总磷和速效磷的影响

磷是植物光合作用、能量传递所必需和有益于开花结果，速效磷能被植物直接吸收利用，钾被用于糖的制造转运、细胞分裂、根系发育等生理过程。Yadav等[27]研究表明，蚯蚓堆肥过程中，细菌和磷酸酶对磷的矿化和积累，实现后期磷含量的提升；Sangwan等[28]研究显示，有机废物经过蚯蚓堆肥后，基料中钾含量增加。本研究中，蚯蚓堆肥处理后基料磷、钾含量均升高，这是因为采用了磷、钾绝对量不易流失的封闭设施，基料干重下降导致总磷和总钾含量增加，与相关学者研究结果[29-30]相符。蚯蚓自身分泌物和蚯蚓粪含有的磷酸酶，促进缓效磷转化为速效磷[31]。Vinotha等[32]研究证实，基料中存在的微生物对速效磷提升起着重要作用；Lee[33]研究表明，蚯蚓的肠道能促使速效磷提升。虽然蚯蚓活动能够提升总钾、总磷和速效磷含量，但本研究未发现频率添料对三者含量有影响，可能试验中蚯蚓体重最高与最低处理间才相差0.037 g·条-1，体重差别小未影响三者含量的变化，只在均值上表现出蚯蚓生长最好的处理中总磷、速效磷含量高，相邻的处理中总钾最高。

3.2.4添料频率影响硝态氮、铵态氮含量和pH

经蚯蚓堆肥处理后，基料中硝态氮含量升高，铵态氮含量和pH均降低。不同处理之间比较，添料频率影响处理后基料中硝态氮、铵态氮含量和pH，7 d一次的添料频率最有利于铵态氮提高和pH趋中性。基料中铵态氮和硝态氮的含量是腐熟程度和基料肥性评价的重要指标[16]。已有研究表明，蚯蚓活动能够通过对硝化细菌群落结构作用来改变基料中铵态氮和硝态氮含量，本研究中蚯蚓生长最好的E处理中铵态氮和硝态氮含量的变化与此相符[34]。蚯蚓堆肥处理后pH由偏碱性降低为5.37～5.86的偏酸性，与相关研究相比，本研究pH降低值偏大，蚯蚓将基质中的氮和磷转化成正磷酸盐、硝酸盐以及亚硝酸盐，基料分解腐殖酸形成丰富微生物，分解产生CO2和有机酸量，铵态氮硝化转换为硝态氮，提升了H+量，这些因素使pH下降[35-37]。Pramanik等[38]研究表明，有机物的分解导致铵离子和腐殖酸的形成，腐殖酸中羧基和酚基的存在导致pH降低，铵离子使体系pH升高，这两个相对荷电基团共同作用使pH向中性方向转变。另外，蚯蚓长势好的E处理中pH最接近7，相对而言不利于硝态氮生成，硝态氮的含量增加最少[39]。