基于蚯蚓消化作用的畜禽糞便資源化研究進展

甘洋洋 張野 王瑾 董文斌 曾向陽 何鐵光

摘要：本文概述了國內外畜禽糞便的處理現狀及其過剩帶來的環境污染、資源浪費問題。利用蚯蚓堆制這一資源化、無害化處理，可以在一定程度上減少畜禽糞便對于環境的壓力，蚯蚓堆制處理產物——蚓糞、蚓體能夠帶來經濟、生態、社會等多方面效益，具有較高的應用價值。畜禽糞便的蚯蚓堆制處理技術高效、環保，符合生態文明和農業可持續發展的要求。雖然此技術工序已經十分完善，但技術細節有待進一步研究改進。

關鍵詞：蚯蚓;畜禽糞便;堆制處理;蚓糞

中圖分類號： X712? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）10-0047-05

從世界范圍來看，西方許多發達國家的畜禽養殖業產值可以達到其農業生產總值的一半以上[1]。然而，全球每年產生的農業有機廢棄物的數量、分布特點及其對生態環境的影響程度，仍未得到精確統計[2]。Misselbrook等的研究表明，大量農業有機廢棄物的不合理處置導致資源浪費，同時造成了嚴重的環境污染[3-4]。

隨著我國政府在1988年制定實施的“菜籃子”工程陸續推進，養殖業在我國農業中的發展水平得到了顯著提升，畜禽養殖規模和產值以每年10%左右的速度增長[5]。然而，隨著我國畜禽養殖業現代化的快速推進，大量化肥代替原有農家有機肥的使用，以及人工飼料代替農業有機廢棄物飼料的使用[6]，加之現代農業集約化和規模化的發展，打破了傳統農業中畜禽糞便的循環利用環節，結果造成了畜禽糞便的大量積累，進而產生了較為嚴重的環境問題和資源浪費問題[7]。畜禽養殖業污染，己成為我國農業面源污染的重要來源之一。畜禽糞便資源的合理利用已日益成為當前世界大多數國家共同面臨的問題[8]。國內外的實踐表明，畜禽糞便的資源化、無害化處理利用是控制農業環境污染、改善農村環境、發展循環經濟、實現農業可持續發展的有效途徑。在諸多處理利用方式中，蚯蚓堆制處理在畜禽糞便的資源化處理上有廣闊的應用前景。

1 畜禽糞便的危害性

畜禽糞便是物質和能量的載體，是一種特殊形態的農業資源[9]，例如，牛糞干質量中粗蛋白占13.74%，粗脂肪占 1.65%，粗纖維占43.6%，無氮浸出物占22.94%，合計有 81.93% 可利用的有機物質[10]。但研究發現，畜禽糞便中除了含有植物正常生長發育所必需的營養元素（銨態氮的含量較高），還含有大量的寄生蟲、微生物和病毒[11-13]。如果不加處理直接施用到農田中，將會對土壤、水體、空氣質量和作物生長等方面帶來許多不良后果。

1.1 大氣污染

畜禽糞便露天堆制處理，不僅造成了有益成分的耗損，還會產生大量有毒有害、惡臭氣體，使大氣質量下降。研究表明，畜禽糞便堆肥造成的氮損失量可占起始氮量的24%～33%，其中98%以上的氮以氨氣形式揮發損失，導致堆肥的農用價值降低。奶牛、豬和雞飼料中70%左右的氨被排泄出來，肉飼料中50%的氨變成了糞便，在高溫厭氧狀態下，畜禽糞便發酵，含硫蛋白分解產生大量硫化氫、甲烷等有害氣體和甲基硫醇、二甲基二硫醚及多種低級脂肪酸等惡臭氣體，造成空氣中氧氣相對含量下降、污濁度升高，還會產生酸雨、溫室效應等問題。1992年日本居民對畜牧業的投訴案件中，起因于臭氣的問題占63.2%。

1.2 病菌危害

糞便中含有大量病原微生物、寄生蟲卵和病毒，滋生著大量攜帶致病微生物的蚊蠅、飛蟲卵，使周圍環境中病原種類增多，數量增大，易造成幼年禽畜成活率低、體質量增加慢等問題，間接阻礙了畜牧養殖業的發展。據分析，畜牧場所在地排放的污水中平均含33萬個/mL大腸桿菌和69萬個/mL腸球菌[14]。這些有害病菌、蟲卵不僅容易感染作物，而且容易通過氣霧、媒介動物、昆蟲和生產工具等途徑在畜禽、人之間造成傳染病的傳播蔓延，對人和作物構成潛在危害，從各個方面威脅人類的身體健康。

1.3 水體污染

畜禽糞便具有強淋溶性，施入農田后，一部分溶解在灌溉水中，被植物吸收，一部分則向下淋溶滲入地下水中，易造成地下水污染，飲用這些地下水，可能會導致痢疾、傷寒、肝炎等疾病，影響人體健康[15]。據調查，1997年3月，我國臺灣的豬口蹄疫暴發性流行，與病豬的尸體被隨意扔入河道的關系很大[16]。還有一部分糞便污水隨地表水流入江河湖泊，易導致水體富營養化，使藻類快速繁殖，影響水體及沿岸的生態環境;另一方面，人如果長期飲用硝態氮超標的水，則可能誘發癌癥，危害人們的身體健康。畜禽養殖業的污染已成為一些河段的主要污染源，以廣州市為例，生豬飼養業的廢水排放量只有生活污水排放量的11.25%左右，但其中化學需氧量（COD）、鉻（Cr）的排放量是生活污水的115倍，對珠江廣州河段有機污染的貢獻較大[17]。

1.4 土壤污染

高濃度的畜禽糞便污水可降低土壤孔隙度，造成土壤板結、透水透氣性能降低，嚴重影響土壤的理化性質，使農田生產能力逐漸退化[18]。畜禽糞便養分不均衡還會導致作物徒長、倒伏、貪青晚熟、易染病，導致產量減少[19]。

總之，畜禽糞便對人、農作物和農田的負面效果也已經充分顯現，嚴重地制約著畜禽養殖業的可持續發展。如何科學合理地對其進行資源化利用是亟待解決的問題。目前，常見的農業廢棄物的處理方式主要包括材料化利用、能源化利用、飼料化利用和肥料化利用等[20]。傳統的處理方式難以應對不斷增加的畜禽糞便量，不適應國家對農業可持續發展的要求，因此，利用生物手段對畜禽糞便進行資源化、無害化處理，正在成為當下農業可持續發展和生態文明建設的一個重要思路。

2 蚯蚓堆制處理畜禽糞便

2.1 蚯蚓的概述

蚯蚓是土壤中常見的雜食性環節動物，隸屬于寡毛綱，世界范圍內已發現并記錄了12科6 000多種蚯蚓，我國境內記錄有8科305種[21]。按照蚯蚓的生活習性和在生態系統中的功能特點，一般將它們分為表棲型、內棲型和深棲型。蚯蚓是陸地生態系統中總生物量最大的土壤動物，可以影響土壤的物理化學性質及其形成，促進土壤營養循環，它的生存繁殖也會在一定程度上影響陸地生態系統功能的發揮[22]，因此被稱為“生態系統工程師”。蚯蚓生態類群的分布狀況可以表征土壤質量[23]。

2.2 蚯蚓堆制處理

蚯蚓堆制處理（vermicomposting）是利用蚯蚓食量大、消化有機物質能力強、食性廣的優點，將有機廢棄物進行蚯蚓堆制處理并以蚓糞的形式排除，實現廢棄物資源化和無害化的過程。利用蚯蚓處理畜禽糞便有以下幾大好處：加速有機質分解與轉化，促進畜禽糞便腐熟，施入土壤后可提高養分循環效率[24];降低有害菌數量，增加有益菌活性，Zhang等研究發現，蚯蚓作用可使微生物量減少，但活性微生物量增加[25];抑制或祛除畜禽糞便堆制過程中產生的臭氣;主要的處理產物——蚓糞，是優質的有機肥料，能夠改善土壤的理化性質和結構，是一種優良的土壤改良劑，對土壤酶活性有積極影響，同時可以預防植物病害，對植物生長有積極作用[26]。蚯蚓本身也是資源化處理的副產品，蚓體可以作為優質的飼料蛋白和生物醫藥的原材料;蚯蚓粉可作為畜禽養殖業的飼料添加劑，可以提高畜禽的生產性能，提高畜禽產品的品質，還可以提高畜禽的免疫能力，有助于治療多種畜禽疾病[27]。

蚯蚓在農業生產和環境保護中的應用時間較長，一直以來是全球農業、環保、醫藥等產業的焦點。20世紀70年代，日本經過2 000多次雜交試驗繁育出了優良的蚯蚓新品種大平二號;蘇聯用蚯蚓對城市污水處理廠的污泥進行處理并達到了良好效果;我國臺灣也將蚯蚓應用于農業生產和生態環保中;我國還從蚓體中提取出了蚓激酶，用于制作治療心腦血栓的特效藥。

2.3 效益分析

2.3.1 生態效益 用蚯蚓處理畜禽糞便首先保護了周邊生態環境，利用覆土堆制法，在畜禽糞便上覆蓋蚓糞，可以除臭味，而且無蚊蠅，使糞便與周邊環境隔絕，在糞便周圍施撒蚯蚓，可以加速糞便的消解轉化;其次，對農業生態環境具有修復作用，提高了土壤肥力，推動了營養循環，改善了土壤的理化性質，改變了土壤中重金屬的存在形態。Dai研究發現，蚯蚓對土壤中的重金屬有一定耐受能力，自身也能在一定程度上富集重金屬[28]。蚯蚓能增加土壤團粒結構，恢復地力，保水保肥，平衡土壤營養供應，與植物相互作用，還能調節土壤局部氣候、修復環境等。長遠來看，蚯蚓活動有利于陸地生態系統的穩定[29]。蚯蚓堆制處理降低了農業廢棄物的處理難度，部分解決了畜禽糞便隨意堆制占地多、處理時間長、處理麻煩的問題。蚓糞復合肥具有高吸附力，可以與化肥結合成為緩釋性肥料，減少了肥力流失，提高了肥料利用效率。

2.3.2 社會效益 用蚯蚓處理畜禽糞便，減少了化肥、農藥的使用量。蚓糞營養豐富且平衡，可以替代部分化肥，使作物生長發育均衡，減少了病蟲害發生發展，也減少了農藥的使用。蚯蚓堆制處理增加了就業崗位，畜禽糞便運輸、蚯蚓堆制、蚓糞加工、銷售等都需要工人參與，因而提供了就業機會[30];連接產業上下游，使其得到良性循環發展，畜禽養殖場末端處理得到綜合利用，拓寬了行業寬度，衍生了更多的行業，避免了行業“死胡同”。

由此可見，無論從生態效益還是社會效益上看，蚯蚓在整個畜牧生態系統中都發揮著重要作用[31]。因此在畜牧生態系統中，深入研究和恰當評價蚯蚓的功能，合理開發利用蚯蚓資源，具有重要的理論意義和巨大的實用價值。

3 堆制處理因素控制

蚯蚓的生長發育、繁殖孵化狀況直接影響其生態功能的發揮，蚯蚓堆制處理主要受到蚯蚓品種、接種密度、餌料溫度、濕度、pH值、碳氮比（C/N）等因素的影響。適宜的環境條件有利于蚯蚓生長繁殖，提高畜禽糞便的消解和產生蚓糞的效率。

3.1 蚯蚓品種

不同的蚓種具有不同的處理效率，對糞肥轉化率有很大影響。溫帶土壤中常見的品種如Lumbriucus rubellus、Dendrovena veneta（暫無統一的中文名），并不適用于畜禽糞便等有機廢棄物的處理。表棲型蚯蚓一般具有很強的繁殖能力，喜愛土壤中的植物殘體等有機物質，能適應更廣泛的環境條件，特別適用于畜禽糞便的堆制處理。當前，愛勝蚓屬是國內外研究最頻繁、實際應用最廣泛的蚓種，它們食量大，不挑食，長得快，繁殖迅速，能夠適應相對嚴苛的環境條件，用來處理畜禽糞便效率高、效果好，尤其是Eisenia foetida（赤子愛勝蚓）、Eisenia audrei和Eisenia excaraua[32]。

3.2 溫度

蚯蚓是冷血動物，會變溫，周圍環境的溫度會對蚯蚓的新陳代謝、生長繁殖、體質量和活動強度造成直接影響，從而間接影響蚯蚓消解有機物質的能力，所以溫度控制對于蚯蚓在畜禽糞便堆制處理的過程十分關鍵。例如，高溫情況下，赤子愛勝蚓會釋放出氨氣和硫化氫氣體，導致其生長發育、繁殖孵化的速度降低，造成畜禽糞便的消解效率下降。通常情況下，蚯蚓的活動溫度范圍在5～30 ℃間，20 ℃是其最適溫度，5 ℃以下蚯蚓會進入休眠狀態[32]。不同品種蚯蚓的最適溫度、適應的溫度范圍也有區別。Reinecke等的研究表明，Eisenia fortida、Eudrilus eugeuiua、Periouyx excavatus（暫無統一的中文名）中，Eisenia fortida可以忍受上至43 ℃的炎熱溫度以及下至5 ℃的寒冷低溫，因此它具有最寬的溫度適應范圍[33]。孫振軍等的研究表明，在以牛糞和木屑作為發酵餌料的條件下，蚯蚓生長發育和繁殖孵化的最適溫度分別為18 ℃和23～25 ℃[34]。劉亞納等則認為，赤子愛勝蚓的最適溫度范圍為15～25 ℃[35]。

3.3 濕度

蚯蚓喜歡潮濕的生活環境，它們可以通過擴散作用攝取溶解在體表水分中的氧氣，因此，環境濕度在一定程度上決定了蚯蚓的生存和種群情況，保持體表的濕潤對于蚯蚓的正常生長繁殖十分重要。Edwards等的研究發現，在濕度為90%的牛糞和濕度為75%的豬糞中，蚯蚓的生長速度最快，而在濕度為75%的牛糞和濕度為80%的豬糞中，蚯蚓具有最快的繁殖速度[36]。倉龍等通過室內接種試驗證明，赤子愛勝蚓分別在濕度為79%的未腐熟牛糞、75%的熟豬糞、65%的熟雞糞中達到最佳的生長繁育狀態[37]。劉亞納等用赤子愛勝蚓處理豬糞，發現其最適濕度為65%～75%[35]。

3.4 接種密度

蚯蚓的生長繁育速率、畜禽糞便的處理效率同樣受到蚯蚓接種密度的影響。接種密度低，會延長一定數量畜禽糞便的處理時間，影響堆制效率，造成蚓糞的生產效率低下;接種密度過大，蚯蚓會競爭食物及生存空間，互相抑制，影響種群的生長繁育，可能導致蚯蚓逃跑。蚯蚓在接種密度為 1.6 kg/m2、喂食速度為1.25 kg/（kg·d）時生物轉化率最高，在相同密度下，喂食速度為0.75 kg/（kg·d）時堆肥效果最穩定[38]。倉龍等研究發現，在室內接種赤子愛勝蚓最合適的接種密度為8條/100 g風干物料[37]。劉亞納等的試驗證明，蚯蚓處理畜禽糞便的最佳接種密度為8～12條/90 g物料[35]。

3.5 物料pH值

蚯蚓對環境中的pH值感受較為敏感，適應范圍為5～9。孫振軍等發現，以牛糞與木屑混合發酵后培養蚯蚓，8～9是最適合蚯蚓生長的pH值范圍[34]。當pH值過高時，可以淋水稀釋物料中的堿;當pH值過低時，則可以向物料中添加石灰粉，將酸中和。另一方面，蚯蚓會通過自身的新陳代謝作用分泌特殊黏液，改變周圍環境中的pH值以適應自身生存。楊世關等研究發現，經過蚯蚓作用的物料pH值下降至堿性[39]。朱維琴等的試驗證明，豬糞經過蚯蚓堆制后的pH值明顯下降[40]。筆者認為，堆制期間產生的氨氣、硝酸鹽、亞硝酸亞、磷酸鹽以及有機質被分解，產生CO2和有機酸等酸性物質，所以造成堆制產物偏酸。

3.6 物料C/N

物料C/N是影響蚯蚓生長發育、繁殖孵化的關鍵因素。C/N太高，物料缺少氮素營養，蚯蚓增質量慢、發育遲緩;C/N太低，則蛋白質過剩，蚓體容易腐爛。研究者發現，在豬糞、雞糞、牛糞物料的C/N分別為18.2～24.3、16.1～18.9、19.4～24.7時，蚯蚓的堆制效果最好[39]。朱維琴等的研究證明，從蚯蚓存活率、個體平均增質量和增殖效率3個指標統一來看，用蚯蚓處理豬糞和稻草、豬糞和玉米秸稈以及豬糞和木屑的最適宜C/N分別為7 ∶ 3、5 ∶ 5、7 ∶ 3[40]。國外有研究發現，在物料C/N為25時，蚯蚓具有最高的繁殖效率，所產蚓糞肥力最高，對環境影響最小[38]。與pH值相似，C/N也可以通過添加稻稈、木屑等材料進行調整。

此外，蚯蚓生長和繁殖也受到鹽分含量的影響[41-42]。綜上所述，蚯蚓品種、接種密度、餌料溫度、餌料濕度、pH值、C/N 等因素不僅影響蚯蚓的生長發育、繁殖孵化，還影響了蚯蚓對畜禽糞便堆制處理的效率、效果。因此，選擇好的蚓種，投放合適數量的蚯蚓，控制堆制溫度，調控適宜的物料濕度，將pH值、C/N控制在合適的范圍內，對于蚯蚓的生存繁育和畜禽糞便堆制處理都是非常必要的。

4 堆制產物及應用

用蚯蚓處理畜禽糞便主要得到2種產物——蚓糞與蚓體，兩者都具有重要的利用價值。

4.1 蚓糞的應用

畜禽糞便轉變為蚓糞，是將低品位的有機質轉化為穩定的腐殖質的過程。蚯蚓取食有機物料后，經消化分解、腐殖化作用，生成更穩定、腐殖化程度更高的蚓糞[43]，是優質的養殖業蛋白質添加劑。畜禽糞便被蚯蚓消化后，一小部分轉化成為蛋白質、糖、脂肪，為蚯蚓生長繁育提供物質與能量，剩下的一大部分會以蚓糞的形式排出體外。從物理性狀來看，蚓糞呈黑色，疏松多孔，質地均一，散發出黏土氣息，同時，蚓糞物理性狀一定程度上受到物料品種的影響，將蚓糞施入土地中不僅會增加土壤有機質含量，而且會改善后者的質地結構、保水保肥的能力，優化土地的適耕性。從化學性狀來看，蚓糞的養分含量為有機質42.2%，腐殖質25.6%，氮1.4%，磷 1.1%，鉀1.0%，并且還富含多種氨基酸、微量元素[44]。另外，蚓糞中含有大量的細菌、真菌、放線菌，使土地的微生物學性狀得到改善[45]。蚓糞既是糧食蔬菜作物的優良養分，對幼苗生長有促進作用，同時又是土壤的天然改良劑，可以促進團聚體結構形成，降低土壤容重，改變有機碳的空間分布并穩定其形態，維護土壤碳的長久穩定[46]。Singh等的研究發現，赤子愛勝蚓在堆肥過程中可以提高銅、鉛等重金屬的穩定形態的比例[47]。Chand等研究發現，蚓糞能提高重金屬的生物有效性，促進植物的超富集作用[48-49]。因此，蚓糞在農業生產和生態環境上都有重要作用。

4.2 蚓體的應用

用蚯蚓處理畜禽糞便不僅可以獲得大量蚓糞，而且會產生大量新的蚯蚓，這些蚯蚓具有多方面的作用。首先，新生蚯蚓對于擴大畜禽糞便的堆制規模、提高堆制效率有直接幫助。在醫療上，蚯蚓體內分泌的溶栓酶可以消融血栓并抑制血栓形成，性質穩定，幾乎沒有毒副作用，蚓激酶可用于制藥。張希春等發現并分離了存在蚯蚓體內的2組能夠抵抗細菌、抑制癌細胞生長的抗菌肽[50];此外，從蚯蚓體內可以提取出能夠提高細胞免疫能力的蛋白質，增強化療效果，減少輻射傷害。風干蚓體的化學組成為66.5%粗蛋白、12.8%粗脂肪、8.2%碳水化合物，以及多種維生素和微量元素，因此在飼料上，蚓體是營養豐富的飼料。張桂英經試驗證明，蚯蚓粉可以提升漁業、禽業養殖的效果：當使用5%蚯蚓粉替代5%魚粉時，家禽產蛋均質量明顯提高，而料蛋比降低[51]。

5 結論與展望

蚯蚓堆制處理畜禽糞便具有良好的應用前景，是解決農業畜禽廢棄物產量大、難處理問題的優良途徑，是實現“化肥零增長”要求的新方法，是符合“減量增效”要求的新路徑。蚯蚓堆制處理畜禽糞便在傳統的堆肥基礎上增加了蚯蚓這一“催化劑”，使得畜禽糞便這一農業有機廢棄物轉變成為營養高效、溫和無毒害的肥料——蚓糞，蚓體作為另一種堆制產物在醫藥、養殖、生態保護等領域也有較高的應用價值。這一處理方式在一定程度上規避了兩者的缺陷，利用了雙方的優勢，擴大了畜禽糞便堆制處理的效率、效果。隨著研究的深入，許多細節技術正陸續被開發，技術缺陷被填補，其技術正日益受到畜禽養殖業者的歡迎與應用。

目前，蚯蚓堆制畜禽糞便仍存在工藝、環境條件的限制，堆制產物的分離、收集尚缺乏準確高效的處理手段，推廣難度大;蚓糞肥效釋放較無機肥料慢，如何讓蚓糞的肥力更快地釋放到土壤中并得到作物利用是蚓糞應用的新問題;國內一些高校、畜禽養殖企業正在開展畜禽糞便資源化、無害化、減量化的技術研究，但仍存在資本投入力度小、處理技術單一等問題。因此，只有將現有處理技術重新整合，實現多層次、多角度地處理畜禽糞便，使其真正肥料化、無毒害化、循環利用，才能有效地解決畜禽養殖場的糞便污染及其資源化問題。

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