露天条件下蚯蚓处理牛粪—农林废弃物生产蚯蚓粪的理化性质特征

赵懿 赵丽霞 朱志刚 赵静 高媛

摘    要：為探明在露天条件下利用蚯蚓处理农林废弃物产生蚯蚓粪的理化性质差异，对赤子爱胜蚓（Eisenia fetida）摄食分解牛粪与不同比例农林废弃物的混合物，即常规处理（100%牛粪+0%废弃物）、低废弃物处理（70%牛粪+30%废弃物）、中废弃物处理（50%牛粪+50%废弃物）、高废弃物处理（30%牛粪+70%废弃物）共4个处理所形成蚯蚓粪的理化性质进行了对比分析评价。结果表明：随着废弃物比例的增加，堆体的平均温度呈现逐渐降低的趋势，变异系数逐渐增加，但各处理之间差异不显著（P＞0.05）；蚯蚓粪的物理性质：容重范围0.67～0.71 g·cm-3之间，通气孔隙度的范围5.93%～6.81%之间，持水孔隙度的范围是53.20%～60.93%之间，各处理之间差异不显著（P＞0.05）；蚯蚓粪的化学性质：C/N的范围是9.54～10.77之间，有效磷范围是835.3～872.3 mg·kg-1，阳离子交换量范围是28.1～28.4 cmol·kg-1，酸碱度范围8.74～8.92之间，各处理之间差异不显著（P＞0.05），碱解氮和速效钾以100%牛粪为食物的蚯蚓粪最高，该处理碱解氮和速效钾分别比添加废弃物的3个处理平均高19.8%和22.0%，差异显著（P＜0.05），而不同废弃物添加比例的3个处理之间差异不显著（P＞0.05）；蚯蚓粪的生物学性质：粪大肠杆菌数的范围在29.7～42.7个·g-1之间，种子发芽指数的范围在95.6%～99.5%之间，各处理之间差异不显著（P＞0.05），蛔虫卵死亡率和杂草种子活性未检出。综上所述，露天条件下蚯蚓处理牛粪或者牛粪添加不同量农林废弃物产生蚯蚓粪除了碱解氮和速效钾养分指标差异明显以外，其他参数差异不明显，并且均达到了无害化要求，可为蚯蚓粪再利用提供理论依据。

关键词：农林废弃物；蚯蚓粪；理化性质；特征

中图分类号：X713             文献标识码：A             DOI 编码：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

随着我国经济的增长和农业集约化程度的提高，产生了大量的农业固体废弃物，这些固体废弃物处理不当会对土壤、空气和水体造成潜在的污染，如土壤有害病原生物侵染、重金属和农药残留积累[1]，氮磷无机盐通过淋洗或地表径流进入地下或地表水体，氨气、氧化亚氮、二氧化碳等气体排放增加[2]。将农业废弃物转化为肥料等有益物质是资源回收和再循环的重要组成部分[3]，转化的产品既能为植物生长提供养分，又能改善土壤物理性质[4]，还可以缓解农业环境压力。因此，十分有必要采用可持续性的生物技术对农林废弃物进行无害化和资源化处理。

蚯蚓处理废弃物是20世纪80年代发展起来的一项新型生物处理技术[5]。蚯蚓堆肥是一种有效的降解有机废弃物的方法，是通过微生物和蚯蚓共同作用将废弃物转化为腐殖质的方法[6]。该过程不需要高温堆肥，保持温度23 ℃，碳氮比30。蚯蚓承担着处理废弃物的主要角色，在蚯蚓蠕动的同时增加了有机废物暴露于微生物的表面积，固体废弃物的微生物活性和分解过程得到增强，生物转化速率提高了2～5倍，实现更快速度生物降解有机废弃物[8]，并且将重金属富集在蚯蚓体内[7]，最终形成具有低C/N比、高孔隙度、高微生物活性及高酶活性特点的高营养、高速效养分且对环境友好的颗粒状优质肥料[9]。

常规堆肥是微生物在氧气的参与下分解有机废物的过程，存在升温阶段、高温阶段和降温阶段的温度变化，一些学者认为在杀灭病原菌方面蚯蚓堆肥优于常规堆肥[10]，另一些研究则认为蚯蚓堆肥温度最高不能超过35 ℃，缺乏杀灭病原菌原体的能力，被认为是蚯蚓堆肥工艺的缺点。因此，将常规高温堆肥与蚯蚓堆肥有机结合，利用2种堆肥方式各自的优势，达到最佳的堆肥无害化效果[11-12]。首先，通过常规堆肥处理使废弃物达到高温状态以达到杀灭病原菌的效果，这个过程称为预堆肥。之后，再经过蚯蚓堆肥使废弃物形成腐殖质。经过2个阶段的处理实现了高效的蚯蚓堆肥方法[13]。蚯蚓堆肥处理农林废弃物已有大量的研究，但通常是研究机构在试验室进行或是在特定的装置中处理的[14-16]，并未进行大面积、大批量的处理废弃物，在实际生产中利用蚯蚓处理废弃物的研究较少，限制了该技术的推广应用。因此，本研究在蚯蚓生产厂露天实际生产条件下，采用预堆肥+蚯蚓堆肥的方法对农林废弃物进行堆肥处理，分析了堆肥过程中温度变化和堆肥产物的理化性质，旨在为蚯蚓处理废弃物生产蚯蚓粪再利用的产业化发展和大面积推广提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试蚯蚓：‘赤子爱胜蚯蚓种（Eisenia foetida）由北京大地聚龙生物技术有限公司提供（从原始的蚯蚓生产垄直接获得（蚯蚓种为蚯蚓体本身和蚯蚓粪的混合物作为蚯蚓种），废弃物由北京市延庆区旧县镇周边蔬菜基地、林地、玉米地获得，牛粪由周边养殖小区获得。废弃物的初始性质见表1。

1.2 试验方法

1.2.1 预堆肥处理 试验采用废弃物预堆肥和蚯蚓堆肥相结合的方法。废弃物处理和预堆肥方法：将树枝、玉米秸秆、蔬菜废弃物等通过粉碎机粉碎2～3 cm，按照一定比例将废弃物掺混（玉米秸秆60%、蔬菜废弃物30%、树枝废弃物10%），掺混后利用好氧发酵的方法对农林废弃物进行预堆肥处理[17]，预处理时间为2022年8月17日至9月6日，共20 d，预堆肥处理的化学性质见表2。

1.2.2 蚯蚓堆肥 预堆肥结束后，将预堆肥产物和牛粪按不同比例掺混，用于蚯蚓堆肥。试验于2022年9月8日在北京大地聚龙生物科技有限公司院内进行。试验设4个处理，处理1：常规处理（牛粪比例为100%+废弃物比例0%）；处理2：低废弃物处理（牛粪比例70%+废弃物比例30%）；处理3：中废弃物处理（牛粪比例50%+废弃物比例50%）；处理4：高废弃物处理（牛粪比例30%+废弃物比例70%）。

蚯蚓种的铺设，蚯蚓种按照长8 m，宽50 cm，进行铺设，铺设完成后将废弃物按照不同处理的比例铺设到蚯蚓种上方约5～8 cm厚度，等待蚯蚓处理，处理完成后继续按照不同比例上料，堆肥试验在露天进行。

1.3 测定指标及方法

堆体温度的测定：采用彭云物联S20A远程地温温度计进行实时测定堆体温度，每5 min测定1次数值。

其他指标测定：容重采用环刀法；有效磷采用碳酸氢钠溶液提取-钼锑抗比色法；速效钾含量采用乙酸铵提取，火焰光度法检测；孔隙度：依据环刀内可容纳水的体积来计算孔隙度；pH采用酸度计法；电导率采用电导率仪法；种子发芽指数：恒温培养箱测定；粪大肠杆菌采用《肥料中粪大肠 菌群的测定》（GB/T 19524.1—2004）测定；蛔虫卵死亡率采用《肥料中蛔虫卵死亡率的测定》（GB/T 19524.1—2004）测定；杂草种子活性采用《有机肥料》（NY/T525—2021）附录H测定。

1.4 数据统计与分析

采用 Microsoft Excel 2010对数据进行统计整理，SPSS 26.0对数据进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同废弃物比例的蚯蚓堆肥处理中堆体温度的变化

不同蚯蚓堆肥处理中堆体温度变化见图1。由于9月份天气逐渐变冷，不同处理的堆体温度随时间逐渐也降低的趋势，最高温度为24.1 ℃，出现在处理1中，最低温度为8.1 ℃，出现在处理3中。蚯蚓的活动温度一般为5～15 ℃，最适宜温度为20 ℃，20～30 ℃时能维持一定生长，32 ℃以上则停止生长；10 ℃以下活动迟钝；5 ℃以下時开始休眠[18]。因此，蚯蚓堆肥期间堆体温度范围（8.1～24.1 ℃）均比较适合蚯蚓活动，特别是在前25 d，处于最适宜温度区间，有利于蚯蚓生物分解废弃物。从平均数看，随着废弃物添加比例的增加，堆体温度平均值呈现逐渐降低的趋势，变异系数逐渐增加（表3），说明了纯牛粪的保温效果最好，但差异不显著（P>0.5）。原因可能是由于蚯蚓具有较强的温度调节能力，在不同温度下会根据堆体温度的高低自行调整活动的深度来保持生命体运行。

2.2 不同废弃物比例处理对蚯蚓堆肥产物物理性质的影响

不同的废弃物比例处理产生的蚯蚓粪形状是不同的，有柱状、塔状、小球状和颗粒状等，不同形状的蚯蚓粪作为肥料可以增加微生物剖面、土壤孔隙度，并为植物提供必需的养分[19]。因此，蚯蚓粪的容重、通气孔隙和持水孔隙是重要的评价指标。不同处理对蚯蚓堆肥产物的物理性质见表4，容重的范围0.67～0.71 g·cm-3之间，通气孔隙度的范围5.93%～6.81%，持水孔隙度的范围是53.20%～60.93%。上述3个指标各处理间差异均不显著（P>0.5）。

2.3 不同比例废弃物处理对蚯蚓堆肥产物化学性质的影响

碳氮比是蚯蚓堆肥的重要指标，可反映废弃物分解程度[20]，随着蚯蚓堆肥对废弃物进行分解，有机质含量逐渐降低，总氮含量逐渐增加[14]。本研究中，C/N的范围是9.54～10.77之间（表5），随着废弃物添加比例的增加，碳氮比逐渐升高，但差异不显著（P>0.5）。

腐熟物中氮素的增加和废弃物的分解有直接关系，蚯蚓粪中碱解氮包括无机态氮（铵态氮、硝态氮）及易水解的有机态氮（氨基酸、酰铵态氮和易水解蛋白质）。本研究中，随着牛粪的比例降低，碱解氮的含量减少（表5），100%牛粪+0%废弃物处理的碱解氮含量为835 mg·kg，显著高于其他处理（P<0.5），比其他3个处理平均高19.8%。

有效磷和速效钾是蚯蚓粪中的重要指标，呈现的规律与碱解氮相似（表5），随着牛粪的比例降低，有效磷和速效钾的含量也减少，有效磷的含量在各处理间差异不显著，速效钾100%牛粪-0%废弃物处理的速效鉀含量显著高于其他处理，比添加废弃物的3个处理高22.0%。

阳离子交换量是蚯蚓粪颗粒能吸附各种阳离子的总量，是反映蚯蚓粪营养的重要指标。本研究中阳离子交换量在各处理间无显著的差异（P>0.5）（表6）。EC是蚯蚓堆肥过程中的一个重要参数，因为可溶性盐的存在和释放，表现出有机质的矿化速度，使不能溶解的颗粒转化为可溶状态，本研究中EC值的在75.6～98.4 mS·m-1（表6），随着废弃物添加比例的增加，EC值呈现降低的趋势，废弃物达70%比例时EC值与100%牛粪处理呈现显著差异。因此牛粪产生的蚯蚓粪较其他处理可能是保持可溶性盐较好的介质材料。同时，试验表明添加废弃物产生的蚯蚓粪施用后对土壤和植物潜在的盐分危害更低。

蚯蚓对pH值的适应范围较大，在pH值5～11范围内蚯蚓均能生存，pH值6和9是2个最佳值，赤子爱胜蚯蚓生长和繁殖的最适pH是6，对于以生产和增质量为主要目的的蚯蚓，其最适pH值是8～9[18]。本研究中pH值在8.74～8.92之间（表6），随着废弃物的逐渐增加，蚯蚓粪的pH值无明显变化，差异不显著（P>0.5）。

2.4 不同比例废弃物处理对蚯蚓堆肥产物生物学性质的影响

粪大肠杆菌、种子发芽指数、蛔虫卵死亡率和杂草种子活性参照《有机肥料》（NY/T525—2021）技术标准。评价上述指标可以评价利用蚯蚓堆肥处理农林废弃物生产蚯蚓粪是否可作为生产商品有机肥的原材料。粪大肠杆菌数的范围在29.7～42.7 个·g-1（表7），各处理间差异不显著，符合商品有机肥标准。种子发芽指数的范围在95.6～99.5%之间，发芽良好，各处理间无显著差异。蛔虫卵死亡率和杂草种子活性未检出。

3 讨论与结论

大多数研究中，蚯蚓堆肥通常是放在特殊的装置中，如花盆、桶等[21-22]，因此蚯蚓处理废弃物的条件较优越，最终得到的蚯蚓粪的质量差异较大。但将蚯蚓粪作为一种肥料或一种土壤改良剂应用于农业生产时，还是需要蚯蚓养殖场在露天环境条件下进行蚯蚓堆肥，分析蚯蚓处理农林废弃物产生蚯蚓粪性质对农业生产有重要的意义。

蚯蚓粪的最终特性在很大程度上取决于饲喂蚯蚓的废弃物原料组成[21]，不同的废弃物会产生不同性质的蚯蚓粪。本试验通过露天试验研究表明，在露天条件下，随着废弃物的比例增加，蚯蚓粪的物理性质（容重、通气孔隙和持水空隙）无明显的变化，处理间差异不显著。原因可能是牛粪添加废弃物后其特性或各种参数均在蚯蚓的食用范围内，因此产生的蚯蚓粪物理性质差异不大。

化学性质方面，pH值的变化不大，均属于碱性范围，这与Katakula[23]研究结果一致。原因可能是养殖小区清洗牛圈所利用的清洗剂为碱性，导致牛粪为碱性，也可能是有机化合物生物降解过程中氨的释放。随着废弃物的逐渐增加，蚯蚓粪的pH值无明显变化，差异不显著（P>0.5）。这可能和预处理物料以及牛粪的初始pH值相关。因此，废弃物的添加对蚯蚓粪的酸碱度无显著影响。在有机物分解过程中，会产生各种可溶性盐，有助于将不可利用的磷、钾、钙矿物质溶解为植物可利用的形式[24]。因此在蚯蚓堆肥过程中有机物降解和可利用形式的可溶性矿物盐水平增加[25]。本试验中阳离子交换量差异不显著，EC值差异显著，以100%牛粪处理的EC值最高。原因可能是对于蚯蚓来说，牛粪的适口性是分解有机废弃物程度的重要因素。氮、磷、钾3元素是蚯蚓粪重要的指标，在露天条件下，随着牛粪比例的减少，氮、磷、钾的含量随之降低，蚯蚓粪中氮、磷、钾3种速效养分含量均以常规处理（100%牛粪+0%废弃物）最高，碱解氮达显著水平，有效磷差异不显著，速效钾达显著水平。原因可能是牛粪的质地均匀、保水性强，而废弃物质地与纯牛粪相差较大，具有更大的缝隙，因此添加废弃物处理中的氮素可能会随着降雨以及灌水淋洗到地下；另一个原因可能是废弃物产物的发酵原料中添加有60%的玉米秸秆，而玉米秸秆中全氮含量较低，仅为牛粪的33%左右，加之废弃物发酵过程中存在氮损失，发酵后氮含量进一步降低，因而导致添加废弃物处理的初始氮含量及蚯蚓堆肥产物的碱解氮含量明显低于100%牛粪处理。

生物学方面，蚯蚓粪的粪大肠杆菌群数和种子发芽指数均达到商品有机肥标准，蛔虫卵死亡率和杂草种子活性未检出，说明在废弃物预堆肥处理中高温使病菌及杂草种子失去活性，另外蚯蚓的活动也让部分病菌失去活性。

综上所述，在露天条件下蚯蚓处理废弃物过程中，随着废弃物的添加所产生的蚯蚓粪物理性状无显著差异；化学性质方面由于牛粪的适口性，蚯蚓粪的氮素和钾素优于添加废弃物处理，但废弃物的添加量对蚯蚓粪的其他化学性质无显著的影响；在生物学方面，添加废弃物处理产生的蚯蚓粪均符合商品有机肥标准。该结果为蚯蚓处理废弃物生产有机肥的技术可行性和产品安全性、营养性提供了有价值的理论参考。华北地区通过露天蚯蚓规模化处理农林废弃物生产高品质有机肥是一项可行的绿色循环技术模式，值得进一步推广应用。

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基金项目：现代农业产业技术体系北京市生态循环与低碳发展创新团队项目（BAIC08-2022）

作者简介：赵懿（1980—），男，北京延庆人，高级农艺师，硕士，从事土壤肥料试验、示范和推广研究。