蚯蚓处理牛粪效果研究

万海霞，许浩，郭永忠，韩新生，咸海龙

（1宁夏农林科学院林业与草地生态研究所，银川 750002；2固原市富民农业科技发展有限公司，宁夏固原 756000）

0 引言

近年来，中国畜牧业发展导致大量的畜禽粪便产生并带来环境压力[1]。据原农业部统计，中国每年畜禽粪污产生量高达38 亿t，但综合利用率却不足60%[2]。畜禽粪尿超载和不当利用造成了大气、水体和土壤污染等环境问题[2]。《宁夏“十四五”土壤和农村生态环境保护规划》意见中明确提出：推进畜禽粪污治理和综合利用，使畜禽粪污综合利用率达到90%以上。宁夏畜禽粪便资源主要由牛粪构成，据统计，2022 年宁夏肉牛粪便资源量为562万t，到2024年预计将达到702 万t[3]，数量巨大。小规模肉牛养殖户在宁夏南部山区普遍存在，据固原市农牧局统计，2021 年宁夏固原市＜20 头小规模养殖户有77055 户，占全部养殖户的96.03%，存栏肉牛达544976 头，而固原市彭阳县＜20 头的小规模养殖户有14189 户，占全市小规模养殖户的17.68%，存栏肉牛为91083头，产生粪便的数量很大。经调查发现，当地养殖户将产生的牛粪或随意堆置于院落空地，持续积累直到春、秋季需要施肥时再撒进农田，或将未处理的牛粪直接施入农地。畜禽粪便含有大量未被消化吸收的有机物、无机物、病菌等，且散发臭味，夏天极易吸引苍蝇蚊虫，对农村环境卫生造成影响。长期堆积的粪便经腐败分解后还会产生诸如硫化氢等大量有毒有害气体，降低畜禽对疾病的抵抗力[4]。大量未腐熟牛粪施入农田会导致土壤板结，土壤结构失衡和有害物质的不断累积，破坏土壤环境[5]。因此，研究宁南山区畜禽养殖的资源化、无害化利用成为目前亟待解决的重要问题，对推动区域畜牧业健康可持续和农业高质量发展具有重要意义。

利用蚯蚓处理畜禽粪便废弃物是实现有机废弃物资源化的有效途径，也是一种新型的、极具前景的可持续的环保技术[5-6]。有研究表明，蚯蚓可以通过自身的活动以及与微生物的相互作用，改变堆制物的物理化学以及生物学性质，如改变物料的pH[7-8]，参与碳、氮循环，加速有机质的分解，促进有机质的矿化[9-11]，提升物料中部分微生物和特定酶的活性[11-12]，提高物料纤维素与半纤维素的分解率[13]。与自然堆肥相比，蚯蚓处理废物效率高，其产物养分种类齐全，稳定性好[14]，一定程度上可取代工业化肥。蚯蚓还可以富集多种重金属，如Cu、Zn、Cr、Cd等[15-18]，能够阻控土壤重金属污染迁移。目前，宁夏对蚯蚓处理畜禽粪便的技术只有少数企业或者研究机构在涉及，虽然取得了一些成果，但应用范围十分有限。本研究拟通过研究蚯蚓生物处理对当地畜禽粪便的转化效果及产物的理化性状，为研究区推广牛粪的蚯蚓处理与资源化利用提供技术参考，为提升粪污综合利用率，保障土壤、农作物安全提供有效途径，从而解决宁南山区养殖业因畜禽粪便处理不当带来的环境问题。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验蚯蚓为赤子爱胜蚯蚓(Eiseniafetida)，俗称“大平二号”，由吴忠绿谷源家庭农场提供，玉米秸秆和牛粪取自研究区养殖户，相关理化性质见表1。玉米秸秆中含Cr 22.10 mg/kg，含Cu 6.14 mg/kg，含Zn 9.83 mg/kg，无As、Cd和Pb。

1.2 试验方法

试验于2021年5月—9月在宁夏固原市彭阳县白阳镇贾新庄进行，将牛粪与玉米秸秆按不同比例（体积比）混合后设置3个处理。处理1(T1)：牛粪:秸秆=1:1，处理2(T2)：牛粪:秸秆=2:1，处理3(CK1)：纯牛粪不加秸秆，各处理随机排列。另外，将不放蚯蚓的纯牛粪作为CK2。将牛粪与粉碎秸秆混和均匀后堆成高30 cm、宽100 cm、长度7 m的粪床，投放蚯蚓前先对粪床喷水3～6次，充分淋洗出有害物质并稍加晾晒，再均匀撒施蚯蚓于粪床上，投放密度为2 kg/m2，待蚯蚓全部入床后覆盖草帘。当牛粪含水量低于60%时喷水以保持饲养料湿润。60 d 后待蚯蚓摄食完培养料达80%时，在粪床一侧增加新牛粪厚约30 cm，确保蚯蚓对粪料的持续利用。

1.3 测定项目和方法

蚓粪容重、孔隙度采用环刀法测定，首先在蚯蚓摄食完全的粪床上等距离选取5 个点，用环刀垂直向下取满蚓粪（样品避免破碎和晃动）带回后测定，每个处理取5个样品作为重复。之后在每个粪床上随机选取3 个位置，取其表面5～20 cm 处的样品共计1 kg 左右，混合均匀装袋。样品经风干、粉碎、过筛后备用。酸碱度，将牛粪、各处理的蚓粪pH 按固液比1:5 的比例用pH 计测定。全盐采用重量法测定[19]。牛粪和蚓粪理化性质采用常规分析法测定[20]，其中有机质采用重铬酸钾氧化法，全氮用半微量凯氏法，全磷用钒钼黄比色法，全钾用火焰光度法。重金属使用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)，采用微波消解-电感耦合等离子体发射光谱法测定。纤维素、半纤维素与木质素含量测定主要采用中性洗涤、酸性洗涤和72%硫酸溶液洗涤法测定。

1.4 数据处理

数据处理与分析采用Excel 2017 和DPSv19.05 软件进行。

2 结果与分析

2.1 牛粪经蚯蚓摄食后基本性质及养分变化

牛粪经蚯蚓摄食前后的物理性状见表2。牛粪经蚯蚓摄食后产生的蚓粪容重平均为0.39 g/cm3，T1显著大于T2，但与CK1没有显著性差异。蚓粪总孔隙度，毛管孔隙度和非毛管孔隙度平均为85.85%，62.86%，22.99%，总孔隙度和毛管孔隙度各处理没有显著性差异，非毛管孔隙度T1、T2显著大于CK1，但T1、T2差异不显著，表明添加玉米秸秆可以使蚓粪具有更多的非毛管孔隙。观察形成的蚓粪，发现呈黑褐色，无臭味，质地疏松，颗粒明显，透气性和通水性明显改善，若将蚓粪施入农田，将有利于土壤的透气透水。

表2 不同处理的蚓粪与鲜牛粪基本物理性状

蚓粪平均pH 8.4，相比鲜牛粪(CK2)降低了9.1%～15.4%，水溶性总盐平均为9.4 g/kg，比鲜牛粪减少了80.8%～93.0%。可以看出，添加秸秆后产生的蚓粪在性质上更趋于中性。方差分析显示，pH、水溶性总盐各处理均有显著性差异，T1、T2显著小于CK1，T1显著小于T2，添加秸秆，且加入50%秸秆（T1处理）时蚓粪的pH和水溶性总盐最小，可见是否添加秸秆以及加入多少都会对蚓粪的物理性状产生影响。

蚯蚓摄食牛粪后产生的蚓粪和鲜牛粪的养分状况如表3 所示，各处理蚓粪的有机质平均为178.0 g/kg，全氮、全钾平均为8.4 g/kg、14.2 g/kg，C/N 值平均为12.3，相比纯牛粪(CK2)，蚓粪(T1、T2、CK1)的有机质、全氮、全钾含量以及C/N 值均降低，分别减少了62.6%～69.8%、41.1～49.0%、20.7%～33.2%和34.3%～47.8%。加秸秆处理中，有机质含量T1＞T2＞CK1，T1与T2、CK1差异显著，但T2、CK1之间差异不显著。全氮含量与之类似，T1和T2均显著大于CK1，但T1、T2之间差异不显著，表明添加玉米秸秆有助于蚓粪中有机质、全氮养分的积累，相比加入33%秸秆(T2)，添加50%秸秆(T1)产生的蚓粪有机质含量更高，但二者的全氮含量没有显著差异。

表3 不同处理的蚓粪与鲜牛粪养分差异

蚓粪全磷平均为7.3 g/kg，与有机质等含量降低相反，较鲜牛粪增加了1.3～2.0 倍，表明蚯蚓摄食处理有利于蚓粪中磷的富集。各处理差异显著，随秸秆量的增加全磷含量增加，说明蚯蚓处理牛粪时，添加50%秸秆最利于蚓粪全磷养分的积累。

全钾、C/N各处理差异达到显著性水平，但没有表现出规律性。通常堆制物C/N＜20 被认为具有较好的腐熟度，适合于农业应用[21]，蚯蚓处理后的蚓粪C/N均小于20。说明用蚯蚓处理当地牛粪效果很好，不仅速度快、效率高，而且腐熟程度高。

2.2 牛粪经蚯蚓摄食后的纤维素、半纤维素等含量变化

试验结果显示（表4），牛粪经蚯蚓消解转化形成的蚓粪中纤维素、半纤维素和酸性洗涤木质素含量平均为75.62、57.46、26.77 g/kg，相比CK2明显降低，分别减少了74.0%～77.5%，65.6%～83.1%，5.2%～16.3%。方差分析表明，T1、T2和CK1处理的纤维素、半纤维素以及酸性洗涤木质素含量显著小于CK2，说明蚯蚓处理能明显加快物料中纤维素等物质的分解，纤维素含量T1、T2显著大于CK1，但T1和T2之间差异不显著，这是因为添加玉米秸秆间接增加了物料中纤维素基础数量，同样的蚯蚓处理，相比CK1其产物中纤维素含量就更多。半纤维素和酸性洗涤木质素含量T1、T2处理显著小于CK1，其中半纤维素T1、T2之间差异显著，木质素二者差异不显著，可以看出添加玉米秸秆会对物料的分解速率产生影响。T1、T2处理添加玉米秸秆增加了培养料中木质素的基础数量，但也改变了蚯蚓的生存环境，混合物料相对更松散透气，推测其中的微生物及相应的酶类如过氧化物酶、多酚氧化酶也更活跃丰富，因此对半纤维素和木质素的分解更快。木质素与纤维素、半纤维素等降解物不同，是公认的微生物难降解的化合物之一[22-23]。木质素的分解是细胞内酶和细胞外酶共同作用下的氧化过程[24-25]，因微生物及其分解的胞外酶不易与其结合，所以降解缓慢。

表4 不同处理的蚓粪与鲜牛粪纤维素、半纤维素及木质素含量

2.3 牛粪经蚯蚓摄食后的重金属含量变化

牛粪经蚯蚓消解转化形成的蚓粪以及鲜牛粪重金属总量如表5所示。蚓粪中Cr、Pb、Cu、Zn总量范围为17.85～25.15、5.25～8.37、21.54～25.62、62.35～68.48mg/kg，其平均值为22.15、7.12、24.12、64.48 mg/kg，牛粪、蚓粪中均无As、Cd 的检出。参考德国腐熟堆肥重金属限量标准中Cr(100 mg/kg)、Pb(150 mg/kg)、Cu(100 mg/kg)、Zn(400 mg/kg)[24]的标准来看，4 个样品中的重金属含量均不超标。由测定结果可知，蚓粪中Cu、Zn含量低于未处理的鲜牛粪，较CK2分别减少7.52、8.36 mg/kg，而Cr、Pb 含量高于鲜牛粪，较CK2分别增加11.45、7.12 mg/kg。蚓粪中Cr含量较高可能是因为添加的玉米秸秆含有一定量Cr，而蚯蚓对金属Cr也有一定富集作用。各处理的Cr含量没有明显规律，加入秸秆的数量与Cr含量变化并不同步，可能是Cr的积累还与蚯蚓等其他因素有关。值得注意的是，与Cr 不同，只在蚓粪中发现了少量的重金属Pb，鲜牛粪中并未检出Pb，由于玉米秸秆中并未检出Pb，因此蚓粪中Pb的出现可能是蚯蚓的作用。综合以上认为，蚯蚓摄食处理对牛粪物料中的Cu、Zn 去除效果较好，对Pb、Cr 的去除效果不佳。

表5 蚓粪、鲜牛粪中的重金属含量 mg/kg

2.4 蚯蚓对牛粪的转化效率

蚯蚓对物料的转化效率，即为蚯蚓完全摄食牛粪后得到的蚓粪干重与最初投入物料干重之比。从表6可知，蚯蚓对各物料配比的转化效率在43.42%～65.15%范围内，3种配比中T1处理转化效率最高，其次是T2处理，相比不加秸秆的CK1处理，添加秸秆后牛粪消解为蚓粪的转化效率提高了13.0%～50.0%。可见，牛粪中添加玉米秸秆可以提升牛粪-蚓粪的转化效率，且添加50%秸秆最利于蚓粪有机肥的积累。

表6 蚯蚓对牛粪的转化效率

3 讨论

蚯蚓消化道可分泌蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶、甲壳素酶、淀粉酶等多种酶类，对绝大多数有机废弃物有较强的分解作用[7]。牛粪具有相当丰富的营养物质，有利于蚯蚓摄取充足的养分，但水分含量较高，常常需要添加具有高透气度、高透水性的材料才能满足蚯蚓对通气条件的要求。将秸秆与牛粪混合，可以有效地协调混合物料的水分状况，有利于蚯蚓的生长和对秸秆牛粪混合物的消解[14]。利用蚯蚓处理农业废弃物，被公认为是一种经济、易行的处理方法，具有很大的应用价值。

本研究发现牛粪物料经蚯蚓摄食产生的蚓粪呈黑褐色，质地松散，颗粒明显，无臭味，而鲜牛粪颜色为淡黄褐色，含水量大，粘密且富含纤维，有臭味，添加玉米秸秆有助于蚓粪形成更多非毛管孔隙。林嘉聪[10]研究温室蚯蚓堆肥处理后的蚓粪得出其平均容重、总孔隙率为0.56g/cm3和70%，与本研究结果略有不同，蚓粪物理性质差异可能与物料的组成、含水量及处理方式等都有关。有研究指出蚓粪较之鲜牛粪具有较高的比表面积、较大的孔隙体积和较多的细小孔隙[16]。蚯蚓粪内部结构整体平整均匀，孔隙空腔连续、明显，体积大[10]。可见蚓粪作为农田有机肥使用有助于土壤的透气透水。蚓粪的pH、水溶性总盐相比鲜牛粪明显降低，在性质上更趋中性，与很多研究结果一致[7,8,10]。蚯蚓调节物料pH的可能原因有：混合物料中硝化细菌的大量繁殖，NH3的挥发，多种有机酸的产生，还可能与蚯蚓食道分布的钙腺以及蚯蚓体内含有的某种转化酶类有关，它们都能起到降低物料碱性的作用[13]。土壤pH、水溶性盐是影响植物生长的重要因子，因此具有合适的pH 和低浓度盐离子是其能否被广泛应用的一个重要方面，可以看出，蚓粪作为农肥使用具有明显优势，对牛粪的资源化利用具有积极意义。

柏彦超等[7]，林嘉聪[10]，刘鹏[26]研究牛粪蚯蚓消解前后的养分变化，得出蚓粪中有机质、全氮含量降低，全磷含量上升。本研究结果也显示，相比未处理的鲜牛粪，各处理蚓粪的有机质、全氮、全钾含量以及C/N值降低，全磷含量增加。缪丽娟等[16]研究得出蚓粪具有较高的全磷含量和相对低的全氮含量，与本研究结果一致，而蚓粪也具有高P 和低N 的特性。蚯蚓活动促进了培养料中有机质的降解和氮素的矿化，有机质、全氮含量降低。磷含量的增加可能与蚯蚓肠道中的相关微生物有关[15]。王华为等[14]研究指出蚓粪有机肥的有机质含量随掺入秸秆比例的增加而提高，本研究也发现添加一定量的玉米秸秆有助于蚓粪有机质、全氮和全磷养分的积累，可能是牛粪加入秸秆可以起到调节物料水分，通气的作用，有利于蚯蚓的繁殖生长。本研究中蚯蚓各处理的全钾含量降低，但没有规律性，添加玉米秸秆对全钾的积累没有影响，可能是蚯蚓对其中的钾富集作用有限。C/N是反映堆制物腐熟度和稳定度的重要指标[27]，本研究中蚓粪各处理的C/N 均小于20，可见用蚯蚓处理当地牛粪秸秆混合物效果很好，高效快速、腐熟程度高，具有很好的应用前景。

纤维素、半纤维素、木质素的分解主要是依靠与此分解相关的酶，如纤维素酶、木聚糖酶、过氧化物酶、多酚氧化酶。当牛粪与秸秆混合后，秸秆提供酶作用底物，已有的酶与微生物发生作用酶解纤维素类物质[28-29]。将蚯蚓投入混合物料能丰富其中的微生物区系，而微生物、蚯蚓、酶的联合作用能更有效的降解有机质[13]。本研究发现物料经蚯蚓摄食后蚓粪中的纤维素、半纤维素以及酸性洗涤木质素含量显著下降，蚯蚓处理加速了纤维素、半纤维素和木质素的分解，这与周颖[13]和Scheu[30]的研究结果一致。添加玉米秸秆会影响T1、T2处理的半纤维素、木质素的降解速率，可能是因为改变了蚯蚓的生存环境，影响了其中的微生物及酶类作用的发挥。

近年来对蚯蚓对畜禽粪便中的重金属富集作用研究逐渐增多，取得了一些成果[7,16-18,28]，探索生物处理有机肥中金属污染的途径，有利于指导科学施肥，推动绿色农业发展。对照德国腐熟堆肥重金属限量标准[24]中Cr(100 mg/kg)、Pb(150 mg/kg)、Cu(100 mg/kg)、Zn(400 mg/kg)来看，本研究获得的蚓粪中4 种重金属含量均不超标，因此作为农肥使用是安全可靠的。我们还发现蚓粪中Cu、Zn含量低于未处理的鲜牛粪，与大部分研究得出蚯蚓处理产物中一些重金属含量均低于初始饵料中重金属含量[12,16,27]的结论一致。蚓粪中Pb含量高于鲜牛粪，与缪丽娟等[16]、赵海涛等[12]的研究结果一致。蚓粪中Cr含量高于鲜牛粪，与邢宇翚等[17]研究蚯蚓对复合污染的牛粪中重金属的生物富集作用，发现蚯蚓处理产物中重金属浓度在10～20 d时先下降后小幅度上升的结果有一定相似，但与大部分研究结果不同[7,10,12]。敬佩等[18]研究发现赤子爱胜蚓对重金属污染土壤中的Cd有较强的富集能力，蚓粪也表现出较强的富集现象。本研究中的蚓粪对Cr 可能也存在富集作用，其机理还有待进一步研究。综上可见，蚯蚓对不同物料中的不同金属元素处理效率各不相同，其作用机理需进一步研究。

4 结论

牛粪经蚯蚓处理后产生的蚓粪容重平均为0.39 g/cm3，总孔隙度、毛管孔隙度及非毛管孔隙度分别平均为85.85%、62.86%、22.99%，透气性和通水性明显改善。pH 8.4、水溶性盐含量9.4 g/kg，性质趋于中性。有机质、全氮、全钾平均为178.0、8.4、14.2 g/kg，C/N值平均为12.3，相比鲜牛粪分别减少了62.6%～69.8%、41.1%～49.0%、20.7%～33.2%和34.3%～47.8%，全磷平均为7.3 g/kg，较鲜牛粪增加了1.3～2.0倍，添加适量玉米秸秆有助于蚓粪有机肥品质提升。蚓粪中纤维素、半纤维素和木质素平均为75.62、57.46、126.77 g/kg，较鲜牛粪分别减少了74.0%～77.5%，65.6%～83.1%，5.2%～16.3%，蚯蚓摄食加速了3 种物质的分解。蚓粪中Cr、Pb、Cu、Zn含量为22.15、7.12、24.12、64.48 mg/kg，未检出重金属As 和Cd，蚯蚓对Cu、Zn 去除效果较好，对Pb、Cr 的去除效果不佳，其对重金属的迁移转化机理有待进一步研究。蚯蚓对牛粪的转化效率为43.42%～65.15%，加入50%秸秆时转化效率最高。

利用蚯蚓对当地养殖户的牛粪等畜禽粪便进行无害化处理，操作简单，高效快捷，推广应用潜力巨大。经蚯蚓摄食后的蚓粪结构松散，容重减小，总孔隙度和毛管孔隙度增加，透气性和通水性明显改善。将蚓粪单独或与蛭石、有益菌、生物炭等联合施用，将有望改善土壤和植物生长环境，促进植物生长和品质提升。