基于蚯蚓消化作用的畜禽粪便资源化研究进展 甘洋洋 张野 王瑾 董文斌 曾向阳 何铁光摘要：本文概述了国内外畜禽粪便的处理现状及其过剩带来的环境污染、资源浪费问题利用蚯蚓堆制这一资源化、无害化处理，可以在一定程度上减少畜禽粪便对于环境的压力，蚯蚓堆制处理产物——蚓粪、蚓体能够带来经济、生态、社会等多方面效益，具有较高的应用价值畜禽粪便的蚯蚓堆制处理技术高效、环保，符合生态文明和农业可持续发展的要求虽然此技术工序已经十分完善，但技术细节有待进一步研究改进关键词：蚯蚓;畜禽粪便;堆制处理;蚓粪： X712 文献标志码： A ：1002-1302（2019）10-0047-05从世界范围来看，西方许多发达国家的畜禽养殖业产值可以达到其农业生产总值的一半以上[1]然而，全球每年产生的农业有机废弃物的数量、分布特点及其对生态环境的影响程度，仍未得到精确统计[2]Misselbrook等的研究表明，大量农业有机废弃物的不合理处置导致资源浪费，同时造成了严重的环境污染[3-4]随着我国政府在1988年制定实施的“菜篮子”工程陆续推进，养殖业在我国农业中的发展水平得到了显著提升，畜禽养殖规模和产值以每年10%左右的速度增长[5]。
然而，随着我国畜禽养殖业现代化的快速推进，大量化肥代替原有农家有机肥的使用，以及人工饲料代替农业有机废弃物饲料的使用[6]，加之现代农业集约化和规模化的发展，打破了传统农业中畜禽粪便的循环利用环节，结果造成了畜禽粪便的大量积累，进而产生了较为严重的环境问题和资源浪费问题[7]畜禽养殖业污染，己成为我国农业面源污染的重要来源之一畜禽粪便资源的合理利用已日益成为当前世界大多数国家共同面临的问题[8]国内外的实践表明，畜禽粪便的资源化、无害化处理利用是控制农业环境污染、改善农村环境、发展循环经济、实现农业可持续发展的有效途径在诸多处理利用方式中，蚯蚓堆制处理在畜禽粪便的资源化处理上有广阔的应用前景1 畜禽粪便的危害性畜禽粪便是物质和能量的载体，是一种特殊形态的农业资源[9]，例如，牛粪干质量中粗蛋白占13.74%，粗脂肪占 1.65%，粗纤维占43.6%，无氮浸出物占22.94%，合计有 81.93% 可利用的有机物质[10]但研究发现，畜禽粪便中除了含有植物正常生长发育所必需的营养元素（铵态氮的含量较高），还含有大量的寄生虫、微生物和病毒[11-13]如果不加处理直接施用到农田中，将会对土壤、水体、空气质量和作物生长等方面带来许多不良后果。
1.1 大气污染畜禽粪便露天堆制处理，不仅造成了有益成分的耗损，还会产生大量有毒有害、恶臭气体，使大气质量下降研究表明，畜禽粪便堆肥造成的氮损失量可占起始氮量的24%～33%，其中98%以上的氮以氨氣形式挥发损失，导致堆肥的农用价值降低奶牛、猪和鸡饲料中70%左右的氨被排泄出来，肉饲料中50%的氨变成了粪便，在高温厌氧状态下，畜禽粪便发酵，含硫蛋白分解产生大量硫化氢、甲烷等有害气体和甲基硫醇、二甲基二硫醚及多种低级脂肪酸等恶臭气体，造成空气中氧气相对含量下降、污浊度升高，还会产生酸雨、温室效应等问题1992年日本居民对畜牧业的投诉案件中，起因于臭气的问题占63.2%1.2 病菌危害粪便中含有大量病原微生物、寄生虫卵和病毒，滋生着大量携带致病微生物的蚊蝇、飞虫卵，使周围环境中病原种类增多，数量增大，易造成幼年禽畜成活率低、体质量增加慢等问题，间接阻碍了畜牧养殖业的发展据分析，畜牧场所在地排放的污水中平均含33万个/mL大肠杆菌和69万个/mL肠球菌[14]这些有害病菌、虫卵不仅容易感染作物，而且容易通过气雾、媒介动物、昆虫和生产工具等途径在畜禽、人之间造成传染病的传播蔓延，对人和作物构成潜在危害，从各个方面威胁人类的身体健康。
1.3 水体污染畜禽粪便具有强淋溶性，施入农田后，一部分溶解在灌溉水中，被植物吸收，一部分则向下淋溶渗入地下水中，易造成地下水污染，饮用这些地下水，可能会导致痢疾、伤寒、肝炎等疾病，影响人体健康[15]据调查，1997年3月，我国台湾的猪口蹄疫暴发性流行，与病猪的尸体被随意扔入河道的关系很大[16]还有一部分粪便污水随地表水流入江河湖泊，易导致水体富营养化，使藻类快速繁殖，影响水体及沿岸的生态环境;另一方面，人如果长期饮用硝态氮超标的水，则可能诱发癌症，危害人们的身体健康畜禽养殖业的污染已成为一些河段的主要污染源，以广州市为例，生猪饲养业的废水排放量只有生活污水排放量的11.25%左右，但其中化学需氧量（COD）、铬（Cr）的排放量是生活污水的115倍，对珠江广州河段有机污染的贡献较大[17]1.4 土壤污染高浓度的畜禽粪便污水可降低土壤孔隙度，造成土壤板结、透水透气性能降低，严重影响土壤的理化性质，使农田生产能力逐渐退化[18]畜禽粪便养分不均衡还会导致作物徒长、倒伏、贪青晚熟、易染病，导致产量减少[19]总之，畜禽粪便对人、农作物和农田的负面效果也已经充分显现，严重地制约着畜禽养殖业的可持续发展。
如何科学合理地对其进行资源化利用是亟待解决的问题目前，常见的农业废弃物的处理方式主要包括材料化利用、能源化利用、饲料化利用和肥料化利用等[20]传统的处理方式难以应对不断增加的畜禽粪便量，不适应国家对农业可持续发展的要求，因此，利用生物手段对畜禽粪便进行资源化、无害化处理，正在成为当下农业可持续发展和生态文明建设的一个重要思路2 蚯蚓堆制处理畜禽粪便2.1 蚯蚓的概述蚯蚓是土壤中常见的杂食性环节动物，隶属于寡毛纲，世界范围内已发现并记录了12科6 000多种蚯蚓，我国境内记录有8科305种[21]按照蚯蚓的生活习性和在生态系统中的功能特点，一般将它们分为表栖型、内栖型和深栖型蚯蚓是陆地生态系统中总生物量最大的土壤动物，可以影响土壤的物理化学性质及其形成，促进土壤营养循环，它的生存繁殖也会在一定程度上影响陆地生态系统功能的发挥[22]，因此被称为“生态系统工程师”蚯蚓生态类群的分布状况可以表征土壤质量[23]2.2 蚯蚓堆制处理蚯蚓堆制处理（vermicomposting）是利用蚯蚓食量大、消化有机物质能力强、食性广的优点，将有机废弃物进行蚯蚓堆制处理并以蚓粪的形式排除，实现废弃物资源化和无害化的过程。
利用蚯蚓处理畜禽粪便有以下几大好处：加速有机质分解与转化，促进畜禽粪便腐熟，施入土壤后可提高养分循环效率[24];降低有害菌数量，增加有益菌活性，Zhang等研究发现，蚯蚓作用可使微生物量减少，但活性微生物量增加[25];抑制或祛除畜禽粪便堆制过程中产生的臭气;主要的处理产物——蚓粪，是优质的有机肥料，能够改善土壤的理化性质和结构，是一种优良的土壤改良剂，对土壤酶活性有积极影响，同时可以预防植物病害，对植物生长有积极作用[26]蚯蚓本身也是资源化处理的副产品，蚓体可以作为优质的饲料蛋白和生物医药的原材料;蚯蚓粉可作为畜禽养殖业的饲料添加剂，可以提高畜禽的生产性能，提高畜禽产品的品质，还可以提高畜禽的免疫能力，有助于治疗多种畜禽疾病[27]蚯蚓在农业生产和环境保护中的应用时间较长，一直以来是全球农业、环保、医药等产业的焦点20世纪70年代，日本经过2 000多次杂交试验繁育出了优良的蚯蚓新品种大平二号;苏联用蚯蚓对城市污水处理厂的污泥进行处理并达到了良好效果;我国台湾也将蚯蚓应用于农业生产和生态环保中;我国还从蚓体中提取出了蚓激酶，用于制作治疗心脑血栓的特效药2.3 效益分析2.3.1 生态效益 用蚯蚓处理畜禽粪便首先保护了周边生态环境，利用覆土堆制法，在畜禽粪便上覆盖蚓粪，可以除臭味，而且无蚊蝇，使粪便与周边环境隔绝，在粪便周围施撒蚯蚓，可以加速粪便的消解转化;其次，对农业生态环境具有修复作用，提高了土壤肥力，推动了营养循环，改善了土壤的理化性质，改变了土壤中重金属的存在形态。
Dai研究发现，蚯蚓对土壤中的重金属有一定耐受能力，自身也能在一定程度上富集重金属[28]蚯蚓能增加土壤团粒结构，恢复地力，保水保肥，平衡土壤营养供应，与植物相互作用，还能调节土壤局部气候、修复环境等长远来看，蚯蚓活动有利于陆地生态系统的稳定[29]蚯蚓堆制处理降低了农业废弃物的处理难度，部分解决了畜禽粪便随意堆制占地多、处理时间长、处理麻烦的问题蚓粪复合肥具有高吸附力，可以与化肥结合成为缓释性肥料，减少了肥力流失，提高了肥料利用效率2.3.2 社会效益 用蚯蚓处理畜禽粪便，减少了化肥、农药的使用量蚓粪营养丰富且平衡，可以替代部分化肥，使作物生长发育均衡，减少了病虫害发生发展，也减少了农药的使用蚯蚓堆制处理增加了就业岗位，畜禽粪便运输、蚯蚓堆制、蚓粪加工、销售等都需要工人参与，因而提供了就业机会[30];连接产业上下游，使其得到良性循环发展，畜禽养殖场末端处理得到综合利用，拓宽了行业宽度，衍生了更多的行业，避免了行业“死胡同”由此可见，无论从生态效益还是社会效益上看，蚯蚓在整个畜牧生态系统中都发挥着重要作用[31]因此在畜牧生态系统中，深入研究和恰当评价蚯蚓的功能，合理开发利用蚯蚓资源，具有重要的理论意义和巨大的实用价值。
3 堆制处理因素控制蚯蚓的生长发育、繁殖孵化状况直接影响其生态功能的发挥，蚯蚓堆制处理主要受到蚯蚓品种、接种密度、饵料温度、湿度、pH值、碳氮比（C/N）等因素的影响适宜的环境条件有利于蚯蚓生长繁殖，提高畜禽粪便的消解和产生蚓粪的效率3.1 蚯蚓品种不同的蚓种具有不同的处理效率，对粪肥转化率有很大影响温带土壤中常见的品种如Lumbriucus rubellus、Dendrovena veneta（暂无统一的中文名），并不适用于畜禽粪便等有机废弃物的处理表栖型蚯蚓一般具有很强的繁殖能力，喜爱土壤中的植物残体等有机物质，能适应更广泛的环境条件，特别适用于畜禽粪便的堆制处理当前，爱胜蚓属是国内外研究最频繁、实际应用最广泛的蚓种，它们食量大，不挑食，长得快，繁殖迅速，能够适应相对严苛的环境条件，用来处理畜禽粪便效率高、效果好，尤其是Eisenia foetida（赤子爱胜蚓）、Eisenia audrei和Eisenia excaraua[32]3.2 温度蚯蚓是冷血动物，会变温，周围环境的温度会对蚯蚓的新陈代谢、生长繁殖、体质量和活动强度造成直接影响，从而间接影响蚯蚓消解有机物质的能力，所以温度控制对于蚯蚓在畜禽粪便堆制处理的过程十分关键。
例如，高温情况下，赤子爱胜蚓会释放出氨气和硫化氢气体，导致其生长发育、繁殖孵化的速度降低，造成畜禽粪便的消解效率下降通常情况下，蚯蚓的活动温度范围在5～30 ℃间，20 ℃是其最适温度，5 ℃以下蚯蚓会进入休眠状态[32]不同品种蚯蚓的最适温度、适应的温度范围也有区别Reinecke等的研究表明，Eisenia fortida、Eudrilus eugeuiua、Periouyx excavatus（暫无统一的中文名）中，Eisenia fortida可以忍受上至43 ℃的炎热温度以及下至5 ℃的寒冷低温，因此它具有最宽的温度适应范围[33]孙振军等的研究表明，在以牛粪和木屑作为发酵饵料的条件下，蚯蚓生长发育和繁殖孵化的最适温度分别为18 ℃和23～25 ℃[34]刘亚纳等则认为，赤子爱胜蚓的最适温度范围为15～25 ℃[35]3.3 湿度蚯蚓喜欢潮湿的生活环境，它们可以通过扩散作用摄取溶解在体表水分中的氧气，因此，环境湿度在一定程度上决定了蚯蚓的生存和种群情况，保持体表的湿润对于蚯蚓的正常生长繁殖十分重要Edwards等的研究发现，在湿度为90%的牛粪和湿度为75%的猪粪中，蚯蚓的生长速度最快，而在湿度为75%的牛粪和湿度为80%的猪粪中，蚯蚓具有最快的繁殖速度[36]。
仓龙等通过室内接种试验证明，赤子爱胜蚓分别在湿度为79%的未腐熟牛粪、75%。