您现在的位置:首页>技术讲座

蚯蚓对畜禽粪便堆肥的影响综述

2020-01-02 10:22四川省有机肥料产业发展促进会官网-有机生态农业网编辑:巴蜀肥人人气:


    摘  要:文章综述了接种蚯蚓对畜禽粪便堆肥理化性质及重金属的影响。接种蚯蚓可能会导致禽畜粪便堆肥全氮含量有所降低,但易被植物直接吸收的速效氮、速效磷、速效钾含量升高; 接种蚯蚓能使畜禽粪便堆肥的 pH 值降低并趋近中性; 表层种能更好地降低堆肥碳/氮; 因生活环境与取食习性存在差异,内层种蚯蚓比表层种蚯蚓能更有效地提高微生物的数量与活性; 蚯蚓能够降低畜禽粪便堆肥中有机质及重金属元素含量,但不同生态型蚯蚓对于粪便中重金属的富集效应不尽相同。为合理利用畜禽排泄物,减少对环境的污染,利用蚯蚓进行畜禽粪便堆肥处理时蚓种的选择非常重要。
    蚯蚓是自然界的“生态系统工程师”。经过蚯蚓堆肥处理后的畜禽粪便结构得以改良、透水性增加、粪便的肥效提高,从而提高了堆肥质量,而且还可以避免未经过堆肥处理的畜禽粪便对环境造成污染。这既改善了环境,又提高了养殖业的经济效益。已知的陆栖蚯蚓种类接近 4 000 种,中国已定名的有 306 种,分属 9 科28 属。大体上可按照蚯蚓生活习惯和功能特点进行生态类群分类,不同类别的蚯蚓生活习惯及食性存在差异,因此不同蚯蚓对于畜禽粪便处理能力各异。
    普遍认为,表层种的爱胜蚓属(Eisenia)蚯蚓食性较广,能快速繁殖并迅速生长,也能较好地适应环境,在有机质处理方面具有更好的效果,尤其是赤子爱胜蚓(Eisenia foetida)、安德爱胜蚓 ( Eisenia andrei) 和Eisenia excaraua 等爱胜蚓属蚯蚓在畜禽粪便的堆肥过程中效果显著。包括 Lampito mauritii、掘穴环爪蚓(Perionyx excavatu)、包氏重胃蚓(Dichogaster bo-laui)、毛利远盲蚓(Amynthas morrisi)和杜拉蚓(Dra-wida willsi)等在内的蚯蚓种类亦被认为具有处理粪便堆肥的潜力。某些蚯蚓品种,如内层种的腹枝蚓(Dendrobaena veneta)及表层种的红正蚓(Lumbricusrubellus)在温带土壤中种群密度较高,但比较试验结果表明其堆肥处理效果较差,不适用于对于有机废弃物的处理。因此,文章综述了畜禽粪便处理时接种不同蚯蚓后重金属含量及堆肥理化性质的变化,明确蚯蚓在畜禽粪便堆肥过程中的作用和地位。
1.蚯蚓对畜禽粪便理化性质的影响
1. 1 全氮和速效氮
    不同蚯蚓在堆肥过程中对全氮含量影响的结论不尽一致,即使同一生态型蚯蚓亦可能出现相反的结果(见表 1)。
    接种蚯蚓进行粪便堆肥处理后,全氮含量可能增加。在蚯蚓取食和掘穴生活的过程中,蚓粪及排泄物、蚯蚓体壁分泌的黏液、生长中的酶类及激素等均可促使氮含量增加,且微生物固氮菌在后期通过固氮作用增加了堆肥的含氮量。部分研究者认为,接种蚯蚓后畜禽粪便全氮含量很可能降低。其原因可能是在堆肥期间,微生物还在持续地对粪便中的蛋白质等含氮有机物进行分解,在分解过程中会有小部分铵态氮( NH+4 -N)产生,由于 NH+4 -N 在常温下易挥发,导致土壤全氮下降。此外,试验过程中接种的蚯蚓多数正处于快速生长发育时期,尤其是进入繁殖阶段后要从畜禽粪便摄取足够的有机氮来维持生存所需,蚯蚓摄取的大部分有机氮都用于自身蛋白质、核酸及其他物质的合成消耗,只有很少部分氮能够通过蚯蚓体内排泄出来。蚯蚓体内排出的代谢产物中也含有部分 NH +4 -N 和 NO 3- -N,这些反应底物在反硝化过程中可能以气态(如 N 2 O)的形式逸散到空气中,从而损失部分氮。
    蚯蚓对排泄物中氮的作用与蚯蚓群落组成种类、种群数量多少有关。高密度种群的蚯蚓堆肥处理时,容易造成氮素的流失。内层种蚯蚓个体较大,在生态系统中的种群密度适中,或许有助于避免粪肥中的氮和养分的流失。堆肥过程中深栖型和内栖型蚯蚓数量较多时,NH+4 -N 浓度在析出液中相对较高,NO 3- -N 浓度则随着表层种蚯蚓增多而提高。
    蚯蚓在取食和繁殖过程中会损失部分能量及营养物质,故堆肥过程中可能流失少量氮素养分,进而导致全氮含量降低,但普遍认为,易被植物直接吸收的速效氮含量将升高。氮是植物必需的常量元素,仅有 5%的无机态氮能够发挥肥效。存在畜禽粪便中的氮素以有机态氮为主,需要经过微生物一系列分解作用才能成为土壤中的氮肥,从而发挥肥效。
1. 2 全磷和速效磷
    由表 1 可知,蚯蚓能促使堆肥中全磷和速效磷含量升高,这与蚯蚓生态型或接种密度、接种时间等无关。蚯蚓新陈代谢过快且对磷需求量较小,蚯蚓体壁分泌的黏液、排泄物及蚓粪中磷酸酶的活性较高,对于缓效磷向速效磷的转化有促进作用。蚯蚓体内磷储存较少、向体外排出较多,导致速效磷含量升高。磷素可以分为无机态和有机态两类,堆肥中的微生物能够固定无机态磷素,减少了磷素的淋溶,但有机态磷因不易被固定造成淋失。在进行蚯蚓堆肥处理牛粪时,有机质矿化可能使堆肥总重减少;但矿化过程中有机态磷可能转化为无机态磷得以固定,从而增加了堆肥中总磷的含量,避免了磷素过度损失。
1. 3 全钾和速效钾
    由表 1 可知,接种蚯蚓处理多表现为增加畜禽粪便中的全钾和速效钾含量。速效钾包含全钾中的水溶性钾和交换性钾,蚯蚓及微生物在生长代谢过程中会向外界排放酸性物质,这可能与其消化道酶有着不可分割的关系,而这些酸性物质可以使难溶性的钾溶解成速效钾,从而作为肥料供植物利用。蚯蚓活动能够促使土壤中的矿物态钾向速效钾转化,从而提高土壤肥力,但在形成速效钾的同时,部分速效钾会随着水分渗漏而流失。杨巍等的研究结果表明,全钾和速效钾含量有先升高后降低的趋势。蚯蚓生长发育过程中代谢同化了部分钾素,也可能蚯蚓取食降解堆肥中的有机质,进而导致钾素含量减少;另外,蚯蚓在进行堆肥期间需要生长繁殖,被蚯蚓吸入的钾一部分残留在体内,一部分被当成粪便排出体外,其中排出体外的钾因淋溶而部分渗入土壤流失,这可能是全钾含量先升高后降低的原因。在接种太平二号蚯蚓的试验中,蚯蚓增加了全钾的含量,同时导致速效钾含量降低,接种蚯蚓有利于全钾的富集;但降低了钾的生物有效性,这或许与蚓粪的缓释性及其高吸附性有关。
1. 4 pH 值
    蚯蚓生长发育受环境 pH 值的影响,当堆肥环境的 pH 值高于 9 或低于 5 时,容易导致蚯蚓死亡。在蚯蚓的饲养试验中,pH 值为 8~9 被认为是蚯蚓生存的适宜条件,当 pH 值介于 6~9 之间时适宜蚯蚓繁殖。当环境的 pH 值过低或过高时,可能会影响畜禽粪便堆肥质量和蚯蚓的活动及繁殖能力。奶牛瘤胃中有特殊菌群生存,从而使其代谢产物中的铵离子(NH +4 )含量较高,因此奶牛粪便常呈弱碱性。
    接种蚯蚓进行堆肥处理后,畜禽粪便 pH 值发生改变。研究结果普遍认为,蚯蚓使畜禽粪便 pH 值趋于中性,降低了弱碱性环境下的 pH 值(见表 2)。蚯蚓食道分布的钙腺对于蚯蚓调节畜禽粪便的能力起至关重要的作用。钙腺将过剩的碳酸盐及钙释放出来,使有机酸被中和,达到调节酸碱平衡的目的。此外,在蚯蚓肠道、蚓触圈内的微生物作用下,堆肥中氮素和磷素可矿化为正磷酸盐、亚硝酸盐和硝酸盐,从而使畜禽粪便 pH 值降低。畜禽粪便堆肥过程中,接种蚯蚓使堆制物的表面孔隙率增加,为硝化细菌硝化作用提供充足的自然氧气,NH +4与 硝酸根离子(NO 3- )之间的平衡被打破,pH 值降低并逐渐趋近中性。另外,蚯蚓与微生物的堆肥过程中协同作用促进有机质向 CO 2 和有机酸转化,对畜禽粪便 pH值起到中和的作用。多种水解酶存在于蚯蚓的消化道内,这些酶类能分解有机质使其形成小分子物质,这些小分子物质能与畜禽粪便结合成蚯蚓粪且呈中性。
1. 5 畜禽粪便碳/氮值
    堆肥时,最适的发酵物料碳/氮值一般为 28 左右。牛粪的碳/氮值接近最适值,一般为20~30。在生产实践中,畜禽粪便堆肥常与秸秆配合使用,秸秆的碳/氮值往往较高,两者搭配堆肥时需要调节碳/氮值至 30 左右。接种蚯蚓对畜禽粪便碳/氮值的影响研究结果较一致。堆肥过程中蚯蚓与微生物的协同作用会使堆肥碳/氮值降低,随时间的延长碳/氮值更趋于稳定,但不同生态型蚯蚓的处理效果有差异。接种深层种蚯蚓 Lampito mauritii 和表层种赤子爱胜蚓处理厨余垃圾和牛粪的混合物时,赤子爱胜蚓繁殖较快、产茧率高,更有利于降低堆肥的碳/氮值。
    蚯蚓和微生物在生长繁殖过程中经同化作用将部分有机质转化为自身组织或者新陈代谢损耗,导致粪便堆肥的碳/氮值下降。蚯蚓与好氧微生物间的协同作用关系使有机质分解矿化速率加快,导致有机碳含量降低。堆肥过程中蚯蚓与微生物的协同作用亦可能促进有机质向CO 2 和有机酸转化,进而减少碳在畜禽粪便中的含量。此外,蚯蚓体内的水分含量约为84%,蚯蚓干组织中氮含量约为 11% [2] ,在堆肥处理中,蚯蚓的接种密度往往较高,蚯蚓生物体在微系统中是一个不容忽视的氮源。
1. 6 微生物活性
    由表 2 可知,蚯蚓能提高畜禽粪便堆肥处理的微生物活性,但不同生态型蚯蚓对微生物数量及活性的影响存在差异。
    蚯蚓通过排泄及吞食活动能直接影响禽畜粪便的微生物数量,蚓粪中富含多种营养物质,且不易被环境分解,对微生物数量及活性亦具有间接影响。蚯蚓活动分解大分子物质有利于微生物及有益菌群繁殖。经过蚯蚓生物床处理后形成的堆肥中含有丰富的微生物区系,特别是真菌和放线菌的数量增加了两个数量级,原因是在蚯蚓的代谢物中富含构成微生物饲料的主要成分(如多糖类、多种氨基酸和生物酶等),而且蚯蚓的肠道对某些微生物而言相当于一个小型活动室,其中不少微生物能与蚯蚓互利共生。蚯蚓肠道适中的 pH 值和温度、湿度为放线菌繁殖代谢提供了适宜的环境。另外,蚓粪表面有较多孔隙,能够提供充足的氧气及营养物质,适宜有益微生物的生存繁衍;蚓粪还有助于保持和吸收堆肥中的营养物质。通过吞食周边老化的微生物,蚯蚓能调控蚓触圈内的微生物分布及其群落结构。
    微生物的数量及活性与不同品种蚯蚓的生活习性有关。在提高微生物的活性及数量方面,内层种壮伟环毛蚓比表层种赤子爱胜蚓表现更佳。赤子爱胜蚓生活在堆肥表层,个头较小但繁殖快,多取食碎屑及腐殖质;壮伟环毛蚓个体大,通过挖掘较深的穴道,在永久穴道中完成上食下居的过程,内层种表现出更大的蚓触圈范围。由于不同生态型蚯蚓的生活、取食习惯和个体大小等方面存在明显差异,接种不同种蚯蚓对堆肥微生物的影响有显著差异。
1. 7 有机质含量
    衡量畜禽粪便肥力的一条重要指标是有机质含量,不同生态型蚯蚓均可能导致畜禽粪便中有机质含量的降低。蚯蚓吞食分解有机质,加速了有机质的矿化和养分的释放。另外,禽畜粪便堆肥过程中,速效养分不断增加,说明微生物数量、活性和群落结构受蚯蚓的积极影响。在蚯蚓与微生物的共同作用下,微生物降解有机物的能力得到强化,有机物降解效率得以提升。蚯蚓及微生物分解畜禽粪便时消耗了有机质的同时还加速了有机质的分解;有机质分解时还会生成一种重要的温室气体———CO 2 ,降低了畜禽粪便中有机质的含量。同时,蚯蚓的活动强度也与有机质下降幅度有关,对于生长良好、活跃的蚯蚓,有机质下降幅度较大,因为其分解能力强于一般蚯蚓。
    《有机肥料标准》(NY 525—2012)中规定,有机肥料的有机质含量需要大于等于 45%。有研究结果表明,畜禽粪便堆肥处理后,牛粪或猪粪等有机质含量均难以符合该规定,如果接种蚯蚓可能进一步降低堆肥中有机质的含量。为使有机质含量符合标准,在生产中往往需要添加高有机质含量的原料进行复配。对于某些高有机质含量的畜禽粪便而言,接种蚯蚓可使堆肥中有机质含量适当降低,促进了微生物活性,提高了微生物数量,增加了速效态养分(如可溶性碳等)含量,提高了堆肥的质量。
2.蚯蚓对畜禽粪便中重金属元素含量影响
    由于我国规模养殖业的快速发展,在动物饲料中常添加锌、镉、铜、砷等重金属微量元素,而畜禽不能
吸收利用这些微量元素,因此排出的粪便中常含有过量重金属元素。通过分析检测畜禽粪便中的重金属元素含量认为,畜禽粪便(尤其猪粪)中重金属元素含量超标及残留问题比较突出。
    接种蚯蚓有助于畜禽粪便中重金属元素含量的降低,但不同生态型蚯蚓对于粪便中重金属元素的富集效应不尽一致,即使同种蚯蚓的富集效应在不同试验条件下(如基质、接种密度等)亦存在差异(见表3)。赤子爱胜蚓能显著降低污泥中重金属元素的含量,降低顺序依次为铜、锌、铬、铅,但接种于畜禽粪便后,其富集效果则发生改变,此时对猪粪中的锌具有较强的吸收能力,但对铜的吸收能力相对变弱。蚯蚓生物床堆肥的研究结果表明,太平二号(赤子爱胜蚓)对牛粪中的铬、镉和铜的去除效果更好,但对铅、锰、锌和铁的去除效果并不理想。综上所述,表层种蚯蚓能显著降低畜禽粪便中的铜、锌含量,而对铅的去除效果较差。对照蔬菜和旱田作物施用畜禽粪便的准则和相关标准,猪粪中的锌和铜及部分地区砷等重金属元素含量严重超标,表层种蚯蚓对于该类重金属元素含量超标的粪便有较好的处理效果。

    通过接种两种蚯蚓的比较试验可以看出,内栖类流蚓属蚯蚓(Aporrectodea caliginosa)与红正蚓(Lum-bricus rubellus)对重金属元素含量的富集效应均表现为镉>锌>铜>铅;但无论是蚓体中的重金属载荷还是富集系数均表现出较大差异,流蚓的富集系数显著高于红正蚓的富集系数。在铜污染土壤中进行的试验结果表明,接种表栖型的爱胜蚓对铜元素的富集系数可高达 51. 2,富集效果远高于流蚓(0. 89)及红正蚓(0. 29~0. 87) 。N. Soobhany 等和 L.Gos-wami 等的 研 究 结 果 表 明,Eudrilus eugeniae 和Lampito mauritti 2 种蚯蚓均能吸附重金属,从而降低重金属含量,但吸附效果有明显差异。畜禽粪便堆制过程中,接种蚯蚓富集处理重金属污染时,蚯蚓的选择是非常重要的。蚯蚓对不同物料中的金属元素吸收效率各不相同,对于某些金属也可能完全不吸收,其作用机理仍然需要更进一步的研究才能得出准确结论。
    蚓粪亦是一种良好的重金属吸附剂。蚯蚓钙腺产生的碳酸盐和生理代谢过程生成的生长素、酶类及含氨基、羧基等的胶黏物质使堆肥中的重金属得以螯合、分解及沉淀;基质中的重金属通过蚯蚓取食等活动亦得以活化。这些都有助于蚯蚓对重金属元素的吸收。
3.小结与展望
    总体而言,蚯蚓在畜禽粪便堆肥处理过程中发挥极其重要的作用,但不同生态型蚯蚓可能产生不同的堆肥效果。畜禽粪便中接种蚯蚓可能导致堆肥全氮含量降低,但易被植物直接吸收的速效氮、速效磷、速效钾含量将升高。接种蚯蚓处理畜禽粪便后,能够使畜禽粪便的pH 值降低至弱碱性,进而趋近中性。不同生态型蚯蚓在堆肥过程中与微生物之间的协同作用会使堆肥碳/氮值降低,同时随时间的延长趋于稳定,表栖型蚯蚓在降低碳/氮值方面是较好的蚓种。蚯蚓能提高畜禽粪便堆肥处理的微生物活性,接种内层种蚯蚓更有助于微生物数量与活性的提高。不同生态型蚯蚓均可能导致畜禽粪便中有机质含量的降低,接种蚯蚓于高有机质含量的畜禽粪便中有助于提高堆肥的质量。蚯蚓堆肥处理能够降低畜禽粪便中的重金属元素含量,但不同生态型蚯蚓对于粪便中重金属的富集效应不尽相同,接种蚯蚓处理堆肥的重金属污染时,品种的选择非常重要。
    利用蚯蚓分解畜禽粪便已成为人类关注的重点,但畜禽粪便的有机成分、组成和存在形态上差异较大,接种的蚯蚓生态型各异,影响堆肥质量的因素亦多,如温度、湿度、基料碳/氮值、有机质含量、蚯蚓投加密度和堆制时间、粪便中重金属元素含量等。在资源化、合理化利用畜禽粪便过程中,可以接种不同生态型蚯蚓进行堆肥处理,利用分子手段和同位素示踪技术,从机理上做出更全面的分析及评价,以期筛选出最适合的蚯蚓品种及接种条件。
(来源:中国有机肥协会)

  • 凡本网注明"来源:四川省有机肥料产业发展促进会官网-有机生态农业网的所有作品,版权均属于四川省有机肥料产业发展促进会官网-有机生态农业网,转载请必须注明四川省有机肥料产业发展促进会官网-有机生态农业网,scyjf.cn。违反者本网将追究相关法律责任。
  • 本网转载并注明自其它来源的作品,目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点或证实其内容的真实性,不承担此类作品侵权行为的直接责任及连带责任。其他媒体、网站或个人从本网转载时,必须保留本网注明的作品来源,并自负版权等法律责任。
  • 如涉及作品内容、版权等问题,请在作品发表之日起一周内与本网联系,否则视为放弃相关权利。




  • 推荐专题上方
    • 推荐专题上方
    • 推荐专题上方
    • 推荐专题上方
      • 推荐专题上方
      • 推荐专题上方


    图片新闻

    更多>>
    判断土壤是否肥沃的“标准”!事实真是如此吗?

    判断土壤是否肥沃的“标准”!事实真是如此吗


    列表页底部广告
    返回首页