威廉環毛蚓消解牛糞最優條件的研究

張翰林，王金慶，鄭憲清，李雙喜，張娟琴，何七勇，呂衛光

（上海市農業科學院生態環境保護研究所，農業部上海農業環境與耕地保育科學觀測實驗站，上海市設施園藝技術重點實驗室，上海市農業環境保護監測站，上海201403）

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威廉環毛蚓消解牛糞最優條件的研究

張翰林，王金慶，鄭憲清，李雙喜，張娟琴，何七勇，呂衛光*

（上海市農業科學院生態環境保護研究所，農業部上海農業環境與耕地保育科學觀測實驗站，上海市設施園藝技術重點實驗室，上海市農業環境保護監測站，上海201403）

摘 要：采用藥用價值高、吞食量大的威廉環毛蚓進行牛糞消解試驗，以期在資源再生利用的同時獲得更高的經濟效益。通過考察pH、溫度、濕度和接種密度等4個環境因子對蚯蚓日增重倍數和基質降解速率的影響，研究威廉環毛蚓消解牛糞的最優條件。結果表明：威廉環毛蚓消解牛糞最佳pH為7.0—8.5，溫度為20—25℃，濕度為60%—70%，最佳接種密度為蚯蚓與基質質量比1/40。

關鍵詞：威廉環毛蚓；牛糞消解；pH；溫度；濕度；接種密度

近年來，我國奶牛養殖業迅速發展，呈現出養殖規模化、集約化的趨勢［1］，2014年我國奶牛存欄量達1 400萬頭，產生糞便約6 680萬t。大量的奶牛糞便導致臭氣污染、重金屬污染、氮磷污染等，對水體、土壤和大氣都造成了嚴重危害［2］。目前，常規處理畜禽糞便的方法有干燥法、焚燒法、沼氣法厭氧處理、堆肥發酵法、蚯蚓處理法等［3-4］。上述方法均存在一些問題，如干燥法和焚燒法過于耗能，且容易造成空氣二次污染；沼氣法前期投入過大，后續存在產生大量沼液難以處理；堆肥發酵處理雖耗能低，但處理時間長且效益低下［5-6］。利用蚯蚓消解牛糞，蚯蚓繁殖后可作為中藥材或是家禽類飼料，剩余物料可作為肥料直接還田，能夠對資源進行合理利用［7-8］。因此，牛糞的蚯蚓處理方式具有良好的發展前景。

蚯蚓種類繁多，針對蚯蚓處理畜禽糞便的研究主要是應用正蚓科和鉅蚓科的幾個屬種，其中最普遍的是正蚓科的赤子愛勝蚓［9-10］。近年來，鉅蚓科的威廉環毛蚓因具有較高的藥用價值，經濟回報高且吞食量大而逐漸被應用于畜禽糞便處理［11］。威廉環毛蚓屬于滬地龍的一種，體內所含纖溶酶和蚓激酶具有較高的纖溶活性，具有降壓、溶栓、抗腫瘤、抗細菌、鎮靜解熱等作用［12-13］。然而，目前針對威廉環毛蚓消解牛糞的優化條件還鮮有報道。本研究從pH、溫度、濕度和接種密度4個方面考察威廉環毛蚓消解牛糞的最優參數，以期為蚯蚓消解牛糞的優化控制及利用畜禽廢棄物養殖威廉環毛蚓提供科學依據。

1　材料與方法

1.1試驗材料

蚯蚓來源：取自于上海市農業科學院崇明試驗基地，蚯蚓種為威廉環毛蚓（Pheretima guillelmi）。選取個體大小一致，質量在2 g左右的蚯蚓進行試驗。

試驗容器：直徑為18 cm、高為25 cm的圓柱形鐵桶作為堆肥反應器。底部打4個孔，四周打8個孔，底部和四周打孔處內附50目細紗網，鐵桶上口同樣采用50目細紗網覆蓋防止蚯蚓逃逸。

牛糞：牛糞取自于上海牛奶集團瀛博奶牛養殖有限公司，在試驗前已經過固液分離處理。試驗時堆肥反應器底部放置10%重量的長度為5—7 cm的玉米秸稈，上面放置90%重量的牛糞。牛糞基本性質：pH 8.48，全氮15.72 g/kg，全磷7.35 g/kg，有機質39.21 g/kg。

1.2試驗設計

pH試驗：根據國內外相關報道，蚯蚓一般適宜生存的pH范圍在6.0—8.5，溫度在20—25℃，濕度在60%—65%［14-16］，因本試驗所用牛糞pH在8.5左右，所以設置7.0、7.5、8.0、8.5和9.0共5個pH處理，采用白礬（硫酸鋁）和生石灰來調節pH，每個處理設置3個重復。每個試驗容器接種蚯蚓數量20條，保障蚯蚓有充足的生長空間與食物，采用恒溫培養箱保持溫度20℃、濕度65%進行考察。試驗時間為15 d。

溫度試驗：根據pH試驗結果設置pH，保持濕度65%，每個試驗容器接種蚯蚓數量20條，試驗時間為15 d。通過恒溫培養箱調節溫度，設置溫度為10℃、15℃、20℃、25℃和30℃共5個處理，每個處理設置3個重復。

濕度試驗：根據pH試驗和溫度試驗結果設置pH和溫度，每個試驗容器接種蚯蚓數量20條，試驗時間為15 d。通過水分添加量控制濕度，設置濕度為55%、60%、65%、70%和75%共5個處理，每個處理設置3個重復。

接種密度試驗：根據pH試驗、溫度試驗和濕度試驗的結果設置pH、溫度和濕度，試驗時間為15 d。設置蚯蚓和基質質量比為1/20、1/30、1/40、1/50和1/60共5個處理，每個處理設置3個重復。

1.3測定方法

pH采用電位法測定（水土比2.5∶1），溫度采用溫度計測定，濕度采用在105℃下烘24 h后再稱重計算，蚯蚓接種密度采用人工計數測定。

1.4數據處理

試驗結束時將樣品緩慢倒出，仔細挑出蚯蚓，對蚯蚓和剩余基質進行稱重。

其中，平均蚯蚓質量=（初始試驗蚯蚓質量+試驗結束時蚯蚓質量）/2［17］。

試驗結果均以每次測得的3次重復分析的平均值±標準差來表示，試驗數據采用EXCEL軟件進行統計分析。

2　結果與分析

2.1pH對蚯蚓日增重倍數和基質降解速率的影響

由表1可知，當pH為7.0時，蚯蚓日增重倍數最大，達到0.0754倍/d；隨著pH的升高，蚯蚓日增重倍數持續降低，pH為9.0時，蚯蚓日增重倍數最小，為0.0529倍/d。這與前人研究的結果相似，pH越接近中性越有利于蚯蚓生長［14，17］。pH為7.0時，蚯蚓日增重倍數顯著高于pH為9.0時，但與pH為7.5、8.0和8.5這3個處理無顯著性差異。

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

在經過15 d試驗后，基質的pH均有所變化，其規律基本為向中性靠近。這與HOOPER等［18］的研究結果一致，盡管蚯蚓的糞便具有較高的pH，但蚯蚓的活動促進了基質中氮循環細菌的活躍程度，導致銨態氮和硝態氮濃度相對平衡，由此使得pH向中性趨近。

由表2可知，基質降解速率隨pH的增高而逐步降低，pH為7.0和7.5時顯著高于其他3個處理，pH 為8.0和8.5時顯著高于pH為9.0時。最佳pH的選擇需要綜合考慮到蚯蚓的生長、基質的降解以及成本的消耗，雖然pH為7.0時效果最佳，但考慮到牛糞原料的pH在8.5左右，降至7.0需要加入硫磺進行調節，增加成本，且蚯蚓自身可調節pH向中性趨近，同時pH為8.5時蚯蚓日增重倍數與pH為7.0時無顯著差異，因此后續試驗選擇不進行基質的pH調節。

表2　不同pH條件下基質降解速率Table 2 Substrate degradation rate under different pH

2.2溫度對蚯蚓日增重倍數和基質降解速率的影響

由表3可知，溫度為20℃和25℃時，蚯蚓日增重倍數顯著高于其他3個處理，溫度為30℃和15℃時顯著高于溫度為10℃時。結果表明，最適溫度為25℃，蚯蚓日增重倍數可達0.0586倍/d，與赤子愛勝蚓相似［16］。威廉環毛蚓對于溫度的要求較高，過高或過低都會對其生長有顯著負面影響。

表3　不同溫度條件下蚯蚓日增重倍數Table 3 Daily weight increment of earthworms under different temperature

試驗結果顯示（表4），溫度為20℃和25℃時，基質降解速率顯著高于其他3個處理，溫度為30℃和15℃時顯著高于溫度為10℃時。基質降解速率25℃時效果最佳，可達0.9023 g/（g蚯蚓·d），其變化規律與蚯蚓日增重倍數變化相同，因此，綜合考慮基質消解和蚯蚓生長因素，后續試驗選擇25℃為最佳溫度。

表4　不同溫度條件下基質降解速率Table 4 Substrate degradation rate under different temperature

2.3濕度對蚯蚓日增重倍數和基質降解速率的影響

由表5可知，濕度為60%、65%和70%時，蚯蚓日增重倍數顯著高于其他2個處理，濕度為55%時顯著高于濕度為75%時。結果表明，最適濕度范圍為60%—70%。盧俊平等［16］發現‘大平二號’蚯蚓在濕度為75%時，蚯蚓日增重倍數為負值，但本研究中濕度在55%和75%時，威廉環毛蚓依然有增長的趨勢，日增重倍數分別為0.0347倍/d和0.0282倍/d，說明不同蚯蚓品種對濕度的適應性有一定的區別。

表5　不同濕度條件下蚯蚓日增重倍數Table 5 Daily weight increment of earthworms under different humidity

由表6可知，濕度為60%、65%和70%時，基質降解速率顯著高于其他2個處理，濕度為55%時顯著高于濕度為75%時，其變化規律與蚯蚓日增重倍數變化相同。濕度為60%—70%時，蚯蚓日增重倍數和基質降解速率均差異較小，因此，后續試驗選擇中間值65%為最佳濕度。

表6　不同濕度條件下基質降解速率Table 6 Substrate degradation rate under different humidity

2.4接種密度對蚯蚓日增重倍數和基質降解速率的影響

在上述最佳試驗條件下，設置蚯蚓和基質質量比為1/20、1/30、1/40、1/50和1/60，進行15 d密度接種試驗。結果顯示（表7），蚯蚓日增重倍數隨接種蚯蚓與基質質量比變小而增大，但1/40、1/50和1/60這3個處理之間無顯著差異。可見，蚯蚓接種密度越大，就越會限值威廉環毛蚓的生長，但當接種密度達到或小于1/40的時候，接種密度對蚯蚓的生長影響較小，這與GARG等［19］對赤子愛勝蚓的研究結果一致。

表7　不同接種密度條件下蚯蚓日增重倍數Table 7 Daily weight increment of earthworms under different inoculation density

由表8可見，接種密度對基質降解速率的影響顯著，蚯蚓與基質質量比為1/40、1/50和1/60時，基質降解速率顯著高于其他2個處理，蚯蚓與基質質量比為1/30時顯著高于1/20時，其變化規律與蚯蚓日增重倍數變化相同。蚯蚓與基質質量比為1/40、1/50和1/60時，蚯蚓日增重倍數和基質降解速率均無顯著差異，因此，選擇蚯蚓與基質重量比1/40為最佳蚯蚓接種密度。

表8　不同接種密度條件下基質降解速率Table 8 Substrate degradation rate under different inoculation density

3　結論

本研究采用藥用價值較高的威廉環毛蚓進行牛糞消解，對威廉環毛蚓生長狀況及消解牛糞的效果進行考察，結果顯示威廉環毛蚓具有較強的牛糞消解能力，綜合考慮蚯蚓生長、牛糞消解和成本消耗3個方面因素，最佳pH為7.0—8.5，溫度為20—25℃，濕度為60%—70%，接種密度為蚯蚓與基質質量比1/40。本研究得出的最佳條件為小規模試驗所得，在實際大規模應用中最佳條件由于受外界條件的影響可能會有小幅的變動，確定威廉環毛蚓在規模化應用中的最適條件將是下一步的研究方向。

參 考 文 獻

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（責任編輯：閆其濤）

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

中圖分類號：S141.2

文獻標識碼：A

文章編號：1000-3924（2016）03-096-05

DOI：10.15955/j.issn1000-3924.2016.03.19

收稿日期：2015-09-23

基金項目：上海市科委崇明專項（13231204102）

作者簡介：張翰林（1985—），男，博士，助理研究員，主要從事環境污染治理研究

*通信作者