林嘉聰,劉志剛,邢 行,羅 帥,袁巧霞,曹紅亮
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不同光照條件下蚯蚓避光性運動與蚓糞機械化分離參數量化
林嘉聰1,3,劉志剛2,邢 行1,3,羅 帥1,3,袁巧霞1,3※,曹紅亮1,3
(1. 華中農業大學工學院,武漢 430070;2. 江蘇大學環境與安全工程學院,鎮江 212013; 3. 農業部長江中下游農業裝備重點實驗室,武漢 430070)
蚯蚓和蚯蚓糞的機械化分離是目前蚯蚓規模化養殖業亟需解決的瓶頸問題之一,針對目前最常用的蚯蚓光分離工藝方法在實際養殖分離中全憑人為經驗、效率低、無機械化參數等問題,探究了不同光質條件:白光、黃光、綠光、藍光、紅光、白熾燈光在10~270 lx不同光照強度下,對照實際自然環境場景:室內光照、室外陰處光照和太陽光直射光照條件下的蚯蚓避光應激行為,并結合光線輻射在蚯蚓糞多孔介質內的衰減規律分析了蚯蚓堆肥物料表層一定之內厚度無蚯蚓的原因。結果表明:光照強度<10 lx時,蚯蚓不受光照影響;光照強度10~30 lx時,蚯蚓的避光反應顯現;光照強度30~210 lx時,蚯蚓的避光應激程度隨著光照強度增加緩慢加強,消失時間不斷縮短;光照強度>210 lx時,光照引起的蚯蚓的避光反應程度趨于最大。白光和太陽光引起蚯蚓避光反應最顯著,蚯蚓蠕動消失時間分別為6.5和5 min,蚯蚓消失5 min后堆料表層無蚯蚓層厚度在10~15 mm之間。蚯蚓對紅色光應激程度極低,平均消失時間>20 min;除了紅光,隨著光照強度增加,蚯蚓在堆料表面的消失時間呈現對數曲線趨勢下降。該研究量化分析了蚯蚓對光質、光照強度的應激響應時間,以期為蚯蚓養殖分離,機械自動化逐層、定時、定量、定光強分離表層蚯蚓糞提供工藝參數。
光照;糞;蚯蚓堆肥;量化分析;避光運動;無蚓層厚度
蚯蚓堆肥是目前處理農業生產廢棄物無害化、減量化、資源化再利用的重要手段,廣泛用于環境修復、廢棄物處理[1-6]。蚯蚓被稱為“生態接口”,即能夠直接采食秸稈、畜禽糞便、城市污泥等有機物固體廢棄物從而獲得生長,并將有機固體廢棄物轉化為號稱“有機肥之王”的蚯蚓糞[7-10]。目前國內蚯蚓養殖工藝技術水平較低,平地養殖占據主要地位,工作環境惡劣,分離采收效率低,因此工藝的改進和機械化是當前蚯蚓堆肥養殖業亟需解決的問題之一[10-12]。蚯蚓分離采收即是在蚯蚓養殖成熟后期,通過一定工程技術手段將養殖基料中的蚯蚓、蚯蚓糞等分離收集,是分類獲得蚯蚓產品最后階段。生產中常用的蚯蚓分離采收的方法有光分離法、聲音分離法、熱分離法、餌料誘捕法、水淹法捕抓和機械采收等方法[9,11-15]。
蚯蚓全身都有感光細胞,具有避光性,在實際規模化養殖中,可以利用蚯蚓的這一特性,實現收集蚯蚓糞的目的。目前尚無蚯蚓分離效果較好的自動化設備,蚯蚓規模化養殖場在使用光分離法時主要依賴人工分離采收蚯蚓和蚯蚓糞,耗時較長,刮料時間、刮料厚度以及需要刮去表面物料量較大,此外,蚯蚓分離的人力成本較高[10-12]。針對蚯蚓避光性分離蚯蚓糞,Tauseef等[16]設計了的通過光照之后刮去蚯蚓未分解的物料的分離器。美國蚯蚓專家Edward在20世紀80年代研究提出了蚯蚓反應器,利用機械刮板刮去反應器表面以及底層物料[10,17]。孫振鈞、孫永明等[9,18]也研制了利用刮板從反應底部刮料,實現蚯蚓糞分離的蚯蚓生物反應器。大部分蚯蚓生物反應器對于蚯蚓后期分離提及較少。杜文圣[19]設計了直線振動篩形式的蚯蚓分選機用于分選蚯蚓以及蚓糞。專利CN205431665U公布了一種往復式刮板[20]刮去表面物料,專利CN205794547U通過液壓缸將蚯蚓糞和蚯蚓的混合物料頂起,通過高度固定的刮板,將反復升高的物料刮去[21]。專利CN20235235中,光源被直接設置在蚯蚓養殖池內部,驅趕蚯蚓往無光的養殖池移動[22],但由于蚯蚓糞多孔介質的透光特性,蚯蚓被驅趕的效果難以保證。
蚯蚓分離工藝是分離設備設計的關鍵,目前對基于光分離法的蚯蚓分離設備缺乏相關定量參數研究[23]。動植物對于不同光質、光照強度等光環境條件產生的應激性程度不同[24-26],鑒于此,本研究擬通過改變光照環境,探討蚯蚓在不同光照條件下對光環境的響應行為,研究分析蚯蚓光分離設備所涉及的無蚯蚓厚度、光照條件、時間3個核心工藝參數,以期為蚯蚓室內養殖應用和蚯蚓-蚓糞分離一體化刮料設備的設計與應用提供參考。
蚯蚓糞是一種濕度約60%~70%的有機固體顆粒物,屬于典型多孔介質,顆粒小,孔隙結構明顯,孔隙率在0.6~0.8之間。由于蚯蚓糞的團粒結構,光線在輻射入蚯蚓糞堆體表面,一部分被反射,一部分被吸收衰減,一部分通過團粒空隙射入堆體內部,并且隨著深度加大輻射不斷衰減,堆體深處可視為黑體模型,最后將進入蚯蚓糞的輻射全部被吸收。
自然狀態光線透過蚯蚓糞時可視為輻射光線通過氣-固-液體三相耦合的多孔介質,即蚯蚓糞可視為灰體,由于光線輻射的隨機性,采用基于蒙特卡洛法輻射隨機衰減的簡化概率模型[27-29],可得到輻射光線透過蚯蚓糞堆體物料的衰減過程,由于多孔介質特征,簡化二維模型如圖1。

圖1 光進入蚯蚓糞多孔物料衰減簡化模型示意圖
上層面為受光面,輻射光線沿方向衰減,蚯蚓糞為空隙率較高的不透光多孔介質,波長為光線輻射在表層發生散射與吸收[28],即是

按照蒙特卡洛隨機模型,波長為光線隨機射入時滿足光線一次傳播距離建立的函數[20]為

式中為發射的光束輻射總數;為輻射光束條件;為狄拉克算符;為光線傳播的距離;為輻射光束傳播距離,m。
對于光線一次傳播的距離進行積分,可以得到光線輻射在多孔介質中的衰減概率模型為()

光線傳播了距離,輻射強度隨著距離增加而衰減,故在處光照的輻射強度為

式中I,為波長的光線傳播了距離的輻射強度,W/m2。
按照光線在傳播介質中的傳播布格爾定律,有

故有

取對數可以解得

式中k為輻射衰減系數
k=+k (8)
式中=k·;=k·;為多孔介質固體表面光反射率,%;k為輻射吸收系數;k為輻射系數;為多孔介質固體表面光吸收率,均可以通過測量得到。
由于輻射在能夠穿透一定深度的多孔介質物料,并且在蚯蚓糞內部仍進行二次、三次等散射與吸收,在蚯蚓糞表層隨著深度加大光輻照強度逐漸降低,因此在表層一定厚度范圍內仍有光照。蚯蚓全身分布感光細胞,遇到光線會迅速產生響應蠕動至無光環境,蚯蚓由于避光性爬行移動至此層的數量極少,故實際生產中蚯蚓堆體物料表面此薄層可視為物料的無蚯蚓層,可通過機械工具刮去。
試驗供試材料為蚯蚓采食豬糞之后所轉化成的蚯蚓糞,取自武漢漢南區洪康蚯蚓養殖基地,蚯蚓糞參數如表1所示。蚯蚓為太平二號,中大號成熟蚯蚓(少量蚯蚓環),體長50~90 mm、直徑3~5 mm、體質量為0.4~0.6 g/條。試驗采用人工光照環境,以自然環境光源作為對照,選取了5種單色光LED燈:白光(W 400~700 nm)、黃光(Y 590 nm)、綠光(G 520 nm)、藍光(B 460 nm)、紅光(R 630 nm)以及白熾燈光(8W),由山東貴翔光電有限公司提供。自然光照環境:室內光照((280±10)lx)、室外陰處光照((3 000±10)lx)、太陽光((5±0.1)×104lx)。試驗臺結構如圖2,取樣蚯蚓堆肥之后的堆料,構造蚯蚓糞分離時150 mm×150 mm×500 mm長方體玻璃容器微宇宙環境模型。

表1 蚯蚓糞參數

1.蚯蚓堆肥物料取樣微宇宙模型 2.立體玻璃外筒容器 3.燈源 4.光照控制器 5.數據采集器 6.計算機處理器 7.養殖場蚯蚓堆肥物料 8.溫度傳感器點A 9.溫度傳感器點B
本試驗人工光照擬選取不同光質(5種不同色光與白熾燈光)、光照強度為試驗因素,以實際蚯蚓養殖室內、室外陰涼處、陽光直射3種自然光照環境作為對照,進行雙因素重復試驗[30]。試驗因素水平如表2所示。

表2 試驗因素與水平
每組試驗選取50條蚯蚓(按照蚯蚓實際養殖中10 000~15 000條/m3等比例取樣),均勻分布于堆體物料表面,由于光照的刺激蚯蚓會向堆體內部蠕動,利用秒表統計每組試驗中堆體表面層所有蚯蚓在表面堆體的消失時間,以蚯蚓在堆料表面消失時間作為不同因素對蚯蚓行為影響衡量指標;蚯蚓在表面消失5 min以后,水平地刮去堆體表面一層具有一定厚度無蚯蚓的堆體物料,由于蚯蚓糞堆體物料為類土壤的多孔顆粒物料,表面平整度在±3 mm之內波動,利用試驗隔板與量尺丈量以5 mm/次速率刮去表面物料,直至物料表面出現第一條蚯蚓時停止。以5mm為進制單位進行數據記錄與統計,蚯蚓糞是顆粒物質,每次進行刮料之后刮去的物料厚度不一,在刮料厚度0~2,3~7,8~12,13~17,18~22,23~27 mm分別記錄為0,5,10,15,20,25 mm。通過光學照度測試儀(深圳優儀高科技有限公司)測量投射到蚯蚓和堆體物料表面的光照強度。通過EM-50土壤基質溫度測試記錄儀(美國Decagon公司)采集堆體物料距離表層深度為5 mm與深度為100 mm溫度,分別標記為A點和B點。
每組試驗重復4次,記錄數據,導入SPSS 12.0軟件中進行顯著性分析,用基于單因素ANOVA的Duncan分析法進行多重比較[30],利用Excel進行數據處理與作圖。
光照環境對于蚯蚓有較明顯的刺激作用,不同的消失時間反映了此波段的光照引起蚯蚓體應激反應程度。如圖3,不同的光照強度條件下,10 lx時蚯蚓在不同色光處理中平均消失時間超過了18 min,即此光照條件下的蚯蚓蠕動速度極慢,除了紅光,10 lx光強的重復試驗與其他所有組別試驗均有顯著性差異(<0.05)。在30 lx光強下,除白光外,其他色光的處理組蚯蚓的消失時間仍較長,可知30lx條件下蚯蚓的避光反應雖然較弱,但相對于不同光照處理下的10 lx光強處理有了明顯的縮短。當光照強度達到150 lx時,除了紅光,其他不同色光組別的消失時間相對同組別10 lx條件下蚯蚓消失時間呈現較大幅度縮短,表明此時蚯蚓的逆避光應激已十分顯著。當光照強度在210~270 lx時,除了紅光試驗組,其余的不同顏色光處理下蚯蚓的消失時間無顯著性差異(>0.05),即在光強增至210 lx后,光照引起的蚯蚓避光應激程度達到最大,在此光環境下,蚯蚓會以極快的速度往暗環境蠕動。對于不同光質(單色光)而言,在光強大于210 lx以后,白色光照下的蚯蚓消失時間最短,為6.5 min。按蚯蚓消失時間排序為:白光<白熾燈<綠光<藍光<黃光<紅光。特別值得注意的,在10~270 lx光照強度下的所有試驗組合中,紅光處理下蚯蚓的消失時間平均在18 min以上,且不同光強的紅光處理組中無顯著性差異(>0.05),表明了紅光引起蚯蚓逆趨光反應應激的程度極其微弱,利用這一特性,曾中平[31]曾經提到農村農民在野外夜間可以利用微弱紅光在田地里捕抓蚯蚓,或可將紅光用做蚯蚓行為學觀察的光源等。

注:基于單因素方差分析在5%水平上差異顯著性Duncan比較,其中a,b,c,d表示光照強度不變,改變光質比較。e,f,g表示光質不變,改變光照強度比較,下同。
宏觀上,LED白光在光照強度為210 lx以上引起的蚯蚓逆趨光應激程度達到最大,消失時間最短,為6 min。大于210 lx光強時,白熾燈光與白光無顯著性差異(>0.05),但同樣光強時,LED白光能耗較白熾燈光較低。單色光如白光、綠光、黃光、藍光均能夠引起蚯蚓的避光反應。
堆體表面無蚯蚓層的厚度如表3所示,可以看出,10 lx的光照強度時,白光處理下無蚯蚓層厚度與其余不同光質試驗組之間有顯著性差異(<0.05)。除了紅光,其余試驗組均呈現隨著光照強度的增加,無蚯蚓層的厚度緩慢的上升,在光強強度為270 lx達到最大值,此時,白光、黃光、綠光、白熾燈處理差異性之間不顯著(>0.05),紅光與藍光處理組之間均存在顯著性差異(<0.05),無蚯蚓層的物料厚度大小依次為:藍光>白熾燈光>白光>黃光>綠光>紅光。
宏觀上看,在不同的光質(單色光)處理下,物料表面均有一定厚度的無蚯蚓層,厚度在15 mm上下波動。紅光處理時,光強在30~270 lx處理組中均無顯著性差異(>0.05),表明蚯蚓受到光刺激之后的蠕動應激反應程度隨著紅光光強的增加無明顯提升。因此,在蚯蚓養殖生產過程中,利用蚯蚓的避光性驅逐蚯蚓之后,輕輕刮去表面10~15 mm厚度的無蚯蚓層物料,可避免傷及蚯蚓,還可得到不含蚯蚓的蚯蚓糞。

表3 不同光照條件下無蚯蚓層厚度比較
將室內、室外陰涼處、太陽光直射下3種自然光照與光照強度為270 lx條件下的白光進行了對比,結果如圖4和表4所示。

圖4 自然光照條件與270 lx白光消失時間比較

表4 自然光照條件與270 lx白光無蚯蚓層厚度比較
對于室內光照、室外陰涼處光照(圖4)、盡管兩試驗組的光照強度分別在(300±20)和(3 000±100)lx,但2試驗組與白光處理組之間無顯著性差異(>0.05)。太陽光直射條件下,光照強度高達6.5×104lx,與其余室內試驗組、室外陰涼處試驗組、白光處理之間存在顯著性差異(<0.05),且蚯蚓的消失時間為5 min,在所有試驗組中用時最短,表明了太陽光能夠最大程度的引起蚯蚓的避光應激程度最大。在太陽光直射下,蚯蚓蠕動速度達到最大,以最快的速度移動至物料深處無光環境中。
由于太陽光光譜中紅外光譜波段較長,故太陽光具有明顯的光熱協同效應,蚯蚓糞可吸收大量輻射熱量。在太陽光直射時,短時間的輻射傳熱可以快速使得蚯蚓所在的堆體物料表面溫度上升,高溫環境可使蚯蚓產生熱應激,加劇了蚯蚓蠕動的速度,故在此條件下,蚯蚓會以較快的速度往無光、低溫的環境蠕動。通過溫度采集的數據(圖5)可以看出,在太陽光直射試驗組中,從2 min開始,A點堆體物料的溫度開始上升,然而對于B點溫度,一直保持相對穩定狀態,印證了太陽光的輻射熱效應也具有縮短蚯蚓消失時間,增加表面無蚯蚓層厚度的作用。此外,通過蚯蚓微宇宙模型中A,B兩點的溫度對比,在夏季實際養殖生產中,蚯蚓堆肥物料內部溫度比近表層的溫度低,室內的溫度比室外的溫度較低。

圖5 不同光照條件下蚯蚓微宇宙模型表層與內部溫度變化
由表4可以看出,自然光照對照試驗下,在5 min時,無蚯蚓層的厚度接近15 mm,隨著時間延長,無蚯蚓層厚度上升速度變緩。太陽光直射試驗組、室內試驗組、室外試驗組和白光處理試驗組的結果之間差異性較小,其原因可能是由于堆體物料深度超過15 mm深度后,環境光強較低、且溫度合適,蚯蚓蠕動速率放緩。
蚯蚓的消失時間與光照強度的擬合曲線如圖6所示。由數據擬合結果可以看出,除了紅光處理組,其余光照處理試驗組均呈下降趨勢,均呈對數曲線性質,在光照強度10~30 lx區間內蚯蚓的消失時間隨光強的增加迅速下降;在30~210 lx區間,蚯蚓的消失時間降幅放緩;當光照強度大于210 lx時,蚯蚓消失時間趨于穩定,為6.5 min左右。特別地,在不同的光照強度下,紅光處理組消失時間均比其余光照處理長,且不符合對數下降的趨勢,也表明了紅光對于蚯蚓逆趨光應激反應具有特殊性。
通過擬合得到不同光照處理下蚯蚓消失時間和光照強度的對數關系為:
白光:T=11.41-0.70ln(-9.90) (2=0.98)
黃光:T=16.03-1.2ln(-8.90) (2=0.77)
綠光:T=41.69-6.07ln(+23.39) (2=0.75)
藍光:T=16.08-1.31ln(-9.95) (2=0.98)
白熾燈光:T=16.02-1.34ln(-9.89) (2=0.78)
式中為蚯蚓分離時間;為光照強度。
利用2次重復試驗白光與對照試驗自然光結果擬合曲線進行對比,結果如表5所示。

圖6 蚯蚓消失時間隨光照強度改變的擬合曲線關系

表5 重復試驗擬合效果
不同的光質(單色光)均能夠引起蚯蚓的避光反應。冷光源中,蚯蚓對白色光的避光應激最強烈,蚯蚓最短的消失時間為6.5 min,無蚯蚓層厚度達到15 mm;常規環境光源中,陽光直射下其避光反應最強烈,蚯蚓的逆趨光應激反應可能是由于光熱協同作用引起的,消失時間為5 min,無蚯蚓層厚度在5 min即達到15 mm。實際工程中可將蚯蚓糞分離器反復刮料時間間隔設計為5~10 min,每次刮料10~15 mm。
光照強度在<10 lx時,蚯蚓幾乎不受光照影響;在光照強度10~30 lx時,蚯蚓的逆趨光反應開始顯現。光照強度在30~210 lx時,蚯蚓的避光應激程度隨著光照強度增加而增加,消失時間不斷縮短。在光照強度>210 lx時,光照引起的蚯蚓避光反應程度趨于最大。
除了紅光外,其余不同光質(單色光)處理下蚯蚓的消失時間均隨著光照強度增加,蚯蚓消失時間呈現對數曲線下降,光強在10~30 lx區間內的降幅最大,光強為30~210 lx時降幅放緩,白光、綠光、白熾燈光,在光照強度>210 lx以后變化趨于平穩。蚯蚓對于紅光的應激程度極低,蠕動消失時間較長,紅光處理下無蚯蚓層厚度較薄。
本研究量化分析了光照強度、蚯蚓的蠕動時間、無蚯蚓層的厚度,能作為蚯蚓養殖過程中實現機械自動化分離蚯蚓糞操作需要控制的工藝參數,通過自動化機械逐層、定時、定量刮去表層蚯蚓糞,實現縮短蚯蚓糞的分離收集時間與節省勞動力。從成本與易操作性角度,選擇自然光與白光效果較優。但由于蚯蚓糞物料特性較為復雜,在刮料過程需要結合的機械結構與材料,需要進一步研究。
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Earthworm photophobic movement under different light conditions and quantitative analysis of mechanical separating vermicompost parameters
Lin Jiacong1,3, Liu Zhigang2, Xing Hang1,3, Luo Shuai1,3, Yuan Qiaoxia1,3※, Cao Hongliang1,3
(1.430070,; 2.212013,; 3.430070,)
The vermicomposting has shown to be efficient in processing the organic solid waste like crop straw, dump of poultry and municipal sludge. It is of necessity to separate the earthworm from vermicompost before resulting product is marketed and further developed. But the problems of labor and time intensity, which induce poor earthworm separating efficiency, are urgent to be solved in the stage of vermicomposting. The light separation method has been widely recognized and applied to separate vermicompost. After the earthworm disappeared in the vermicompost pile under the simulated light, there is fixed thickness of vermicompost near the pile surface that can be scraped out. In this way the pure vermicompost can be collected without hurting earthworm. Nowadays, for lacking mechanization and relevant quantitative parameters, the task of earthworm separation is still done by manual labor, which had a higher cost. In this study, the mature earthworms were evenly distributed on the surface of fixed mirco-vermicompost pile. Different monochromatic lights including white light, yellow light, green light, red light, and incandescent light, and the light intensity from 10 to 270 lx, were applied to investigate the earthworm photophobic movement. In order to compare the effect between natural light environment and artificial light, the controlled experiments of indoor light, outdoor light, and direct sunlight were conducted in real environment. The time all earthworms disappeared from the surface of mirco-vermicompost pile was measured and the layer without earthworm was collected. Typically, the study discussed the reason of forming the layer without earthworm through analyzing the pattern of illumination attenuation in the vermicompost. The result indicated that no matter what light qualities were, when the light intensity was less than 10 lx, the earthworm showed almost no reaction; when the light intensity changed from 10 to 30 lx, the earthworm showed weak photophobic reaction; when the light intensity changed from 30 to 210 lx, the extent of earthworm photophobic reaction got increased with the increase of light strength; when the light intensity was over 210 lx, the extent of earthworm photophobic reaction reached the maximum. The white light and direct sunlight had the most significant influence compared with the other light environments, and the disappearing time was 6.5 and 5 min, respectively. After disappearing for 5 min the thickness of the layer without earthworm reached 15 mm, showing no significant difference with other time gaps (10, 15 and 20 min) after disappearing. The red light exerted the weakest impact on earthworm, and the disappearing time was over 20 min in the experiment replicates under different light intensities. With the light intensity increasing, the disappearing time of earthworm dropped logarithmically. When it came to the application for the white light and sunlight with light intensity over 210 lx, 10-15 mm layer without earthworm could be formed. The study calculated the earthworm reaction and responding time under different illumination conditions, which can offer reference for earthworm cultivation. The results of disappearing time, light environment and the thickness of layer without earthworm can be treated as process parameters to provide reference for designing the separating machine.
light; manures; vermicomposting; quantitative analysis; photophobic movement; none earthworm thickness
10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.032
S21; X71; S899.9
A
1002-6819(2018)-02-0235-07
2017-09-07
2018-01-01
公益性行業(農業)專項(201303091);湖北省自然科學基金(2017CFB159);華中農業大學自主科技創新項目(2662016PY108、2015PY077)資助。
林嘉聰,博士生,主要從事設施農業環境工程方面研究。 Email:linjiacong2015@hotmail.com
袁巧霞,教授,博士生導師,主要從事設施農業環境工程與生物質資源化利用方面研究。Email:qxyuan@mail.hzau.edu.cn
林嘉聰,劉志剛,邢 行,羅 帥,袁巧霞,曹紅亮. 不同光照條件下蚯蚓避光性運動與蚓糞機械化分離參數量化[J]. 農業工程學報,2018,34(2):235-241. doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.032 http://www.tcsae.org
Lin Jiacong, Liu Zhigang, Xing Hang, Luo Shuai, Yuan Qiaoxia, Cao Hongliang. Earthworm photophobic movement under different light conditions and quantitative analysis of mechanical separating vermicompost parameters[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(2): 235-241. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.032 http://www.tcsae.org