0 引 言
随着我国畜禽养殖业的快速发展，畜禽生产所导致的粪便污染问题日趋严重。据估算，2015年规模化养殖粪污产生量高达3.83亿t，其中新鲜粪便为0.636亿t[1]。《第一次全国污染源普查公报》显示[2]：畜禽养殖废水中主要污染物化学需氧量、总氮、总磷，分别占农业污染源排放总量的95.78%、37.89%、56.34%，畜禽粪便已成为环境污染的主要来源之一。畜禽粪便不仅会对土壤、大气和水体造成严重危害[3]，而且其中携带的病原菌、寄生虫卵、抗生素和重金属均会对人体健康构成潜在威胁[4]，处理不当会严重污染环境。因此，畜禽粪便的无害化、资源化处理极大地影响着人畜健康及畜禽养殖业的可持续性发展。
蚯蚓在地球上存在了上亿年，在维持土壤生态系统功能中起着重要作用。蚯蚓不但可以降解有机质、改善土壤物理性状、促进土壤养分循环与释放，而且其在土壤生活过程中，吞食有机废弃物后排泄出的蚯蚓粪同样具有巨大的利用价值[5]。蚯蚓堆肥(vermicomposting)是利用蚯蚓和微生物，将有机废弃物进行快速有效的分解，并将其转换成腐殖质的处理方法，也是一种生态环境友好的堆肥技术。与传统堆肥处理相比，蚯蚓堆肥能促进有机物高效转化，使其发酵分解速度得到大幅度提高[6]。同时，利用蚯蚓处理畜禽粪便不仅能够降低废弃物对环境的影响，还可以促进废物资源化利用的产业化发展，具有显著的环境效益和社会效益。在生态产业的可持续发展成为未来趋势的大背景下，蚯蚓处理畜禽粪便技术具有广阔的应用前景。
1 蚯蚓处理畜禽粪便的影响因素
1.1 蚯蚓类型
蚯蚓分为表层种、内层种和深层种3种生态类型(表1)。表层种因其具有生长周期短、繁殖率高、适应能力强的优点，最适合用于处理畜禽粪便[7]。其中，以赤子爱胜蚓(Eisenia foetida)最为常见。2014—2019五年，以“Vermicomposting”和“蚯蚓堆肥”为关键词分别在Scopus和中国知网检索到英文文献238篇，中文57篇(图1)。国内外学者的研究集中在Eisenia foetida、Eisenia andrei两类温带品种，和Eudrillus eugeniae、Perionyx excavatus两类热带品种。其中关于Eisenia foetida多达172篇，占据了72.3%。可见，赤子爱胜蚓已成为国内外蚯蚓堆肥领域研究的热点。
表1 不同的蚯蚓类型及其特性
Table 1 Classification and characteristics of different earthworm species
特点表层种内层种深层种栖息地地表,3～10 cm表层土壤,10～30 cm深层土壤,30～90 cm身体大小小适中大生命周期短适中长繁殖率高适中低堆肥潜力适宜较差较差常见品种Eisenia foetida; Eisenia andrei;Octochaetona thurstoni;Lumbricus terrestris; Amynthas Eudrilus eugenie; Perionyx excavatus Aporrectodea caliginosahupeiensis; Lampito mauritii
国内研究;
国外研究。
图1 近5年国内外关于蚯蚓堆肥研究的蚯蚓类型分布
Figure 1 Distribution of earthworm types for global researches on vermicomposting in recent five years
1.2 温度与含水率
蚯蚓是变温动物，适宜的温度能通过影响其采食和排便，促进生长繁殖[8]，提高堆肥处理速率[9]。含水率则是其生理活动的物质基础和调节体温的关键因素，含水量过低会导致蚯蚓体表溶解氧减少，过高会造成环境中可利用氧气减少，均不利于蚯蚓生存。一般来说，蚯蚓在不同种类畜禽粪便中的最适温度相差不大，以25 ℃左右为宜[8-10]。由于不同研究者的温度设计区间存在部分差异，如成钢[9]将温度条件设置为15,20,28 ℃ 3个范围，而钟佳芸[8]则将条件更加具体到10，15，20，25，30 ℃ 5个温度点。对于大多数蚯蚓而言，适宜生存的含水率为50%～80%[7]，在不同物料间略有差别。Gunadi等[11]研究发现，在牛粪和猪粪中,Eisenia foetida分别在90%和75%的含水率条件下达到最大的生长率，其繁殖率则分别在70%和80%的含水率下达到最大值。王晓凤等[12]发现，控制温度在20 ℃时，赤子爱胜蚓在含水率为60%～70%的鲜牛粪中日增重倍数最高，而当含水率>75%或<50%则表现为负值。
1.3 碳氮比(C/N)
蚯蚓和微生物作为堆肥过程中的驱动者，其细胞合成和生长代谢都需要大量的氮源和碳源来完成。因此，为了给蚯蚓和微生物提供适当的营养，加快堆肥物料的分解速率，适宜的碳氮比至关重要[13]。蚯蚓堆肥过程中，通过不同物料之间的配比可以实现适宜碳氮比的要求。因为植物废弃物的碳氮比有异于畜禽粪便，现有的研究中畜禽粪便常与其组合堆肥，如秸秆[14]、茶渣[15]、菇渣[16]等。畜禽粪便还常作为填充剂，应用于蚯蚓处理污泥中，不仅可以改善蚯蚓的生长环境，还能得到更好的堆肥产物[17]。除此之外，一些学者通过调整不同物料的质量/体积配比来研究蚯蚓堆肥过程，但其对蚯蚓的影响本质还是碳氮比的改变[15,18]。
Ravindran等[19]用蚯蚓处理鸡粪与废纸的混合物，结果表明碳氮比为40时能够得到最佳品质的蚯蚓堆肥产物，同时蚯蚓生物量也最高。高娟等[14]研究发现，用猪粪和水稻秸秆混合物喂养蚯蚓，当混合物碳氮比为30时，无论是从生长指标还是繁殖指标衡量，蚯蚓都能获得最佳生长繁殖量。不同的物料配比对应的最适宜碳氮比也存在着差异，其原因可能是不同物料中可降解有机物的含量不同[20]。不同来源的堆肥物料中营养成分存在差异，其中易代谢有机物和未同化碳水化合物是可被蚯蚓生长繁殖所吸收利用的部分[20]。
1.4 畜禽粪便种类及腐熟程度
与添加其他不同来源有机废弃物类似，不同种类的畜禽粪便及其配比同样会影响蚯蚓堆肥过程。研究表明，并非所有畜禽粪便都适宜作为蚯蚓堆肥原料。Garg等[21]认为水牛粪、驴粪、骆驼粪并不适合用于蚯蚓堆肥处理；Vodounnou等[20]比较了猪、鸡、兔、牛、羊等动物粪便对蚯蚓生长繁殖的影响，结果表明最适宜的物料是牛粪，其次是猪粪。物料的适口性和不同动物的饮食来源导致其粪便中化学成分差异，以及部分物料中存在的厌氧环境是影响蚯蚓存活的主要原因[20]。
除此之外，畜禽粪便是否经过腐熟及其腐熟程度也是影响蚯蚓生长繁殖的原因。Garg等[21]认为预堆肥过程可以消除有毒气体和厌氧环境，有效避免蚯蚓死亡。Borges等[22]的结果同样证明，新鲜的猪粪会造成蚯蚓的大量死亡。在控制好堆肥物料温度和氨水平的前提下，新鲜猪粪与腐熟的牛粪混合可以确保蚯蚓堆肥过程更好地进行。但也有学者提出，牛粪预堆肥处理会减少蚯蚓可利用的营养物质，不利于蚯蚓生长和繁殖[23]。牛粪只需进行干燥处理，降低其中的
和水分，不预堆肥反而能够缩短处理时间，降低成本[24]。
1.5 接种密度
蚯蚓的生长繁殖状况和对畜禽粪便的处理效果与蚯蚓的接种密度密切相关。接种密度太大，会由于食物不足而造成蚯蚓生长繁殖不佳；接种密度太小又会降低畜禽粪便的处理效率。Hait等[25]研究发现，蚯蚓养殖合适的接种密度为0.5～2.0 kg/m2，而蚯蚓堆肥的接种密度为2.0～4.0 kg/m2。Unuofin等[26]认为利用蚯蚓堆肥处理牛粪和废纸混合物时，最佳蚯蚓接种密度为12.5 g蚯蚓/kg物料。接种密度的差异还取决于物料类型以及养分含量。如，蚯蚓处理牛粪和污泥的混合物每千克接种16～32株[27]，而在处理羊粪和菇渣的研究中，以每千克风干物料中接种23～48条蚯蚓为宜[16]。
虽然许多学者对接种密度进行了较多探讨，但大部分工作都集中在不同接种密度下蚯蚓的生长和繁殖情况，而关注不同接种密度对堆肥产物生物和化学性质特性影响的较少。蚯蚓密度不仅影响蚯蚓生长发育，还直接影响堆肥底物微生物以及酶活性[28]，有学者提出对于堆肥产物养分释放而言，更高的接种密度才是最优选择[26]。而寻求适宜接种密度下，蚯蚓生长繁殖、堆肥效率以及高养分产物三者的综合最优结果对指导实际生产有巨大的帮助。
1.6 其他因素
蚯蚓处理畜禽粪便的影响因素除了上述几点外，还有物料的厚度、疏松程度、有毒有害物质含量、pH值以及蚯蚓的生活习性，也都会对处理过程造成影响。因此，在实际生产过程中要充分考量诸多要素，为蚯蚓堆肥创造最为适宜的环境条件(表2)，以保障蚯蚓处理畜禽粪便高效的完成。
表2 蚯蚓堆肥影响因素的适宜范围
Table 2 Optimal range of influencing factors for vermicomposting
参数蚯蚓生长繁殖的适宜范围参考文献温度20～30 ℃[8]湿度60%～80%[13]C/N25～30[14]堆肥密度2.0～4.0 kg/m2[25]
2 EM菌剂的应用
EM(Effective Microorganism)菌剂是由酵母菌、乳酸菌、放线菌、光合细菌等多种微生物组合而成的微生物菌群(表3)。在有机废弃物常规堆肥过程中接种EM菌剂，可以通过微生物的作用加速堆肥反应进程，形成高效的堆肥系统[29]。此外，接种EM菌剂还能提高堆肥产物的氮、磷、钾含量，产生较高营养价值的堆肥产物[30]，同时抑制H2S、NH3等恶臭气体，提高堆肥产物的腐殖化程度[31]。
表3 EM菌剂中微生物种类及其功能
Table 3 Microbial species and their function in effective microorganism
微生物类型微生物品种功能酵母菌Saccharomyces cerevisi-ae;Candida utilis;促进发酵和作物生长;产生生物活性物质乳酸菌Lactobacillus plantarum;Streptococcus lactis;L. Ca-sei;减少、抑制病原体;加速堆肥过程中的分解和发酵放线菌Streptomyces albus;S. gri-seus降解腐殖质;产生抗菌物质光合细菌Rhodopseudomon palus-tris;Rhodobacter spaeroides合成氨基酸等含氮化合物;转化有毒气体
由于蚯蚓与微生物关系密切，研究人员也评估了添加EM菌剂对于蚯蚓堆肥的潜力。研究表明，通过蚯蚓与EM菌剂的协同作用可加速猪粪的成熟，提高堆肥产物的矿化程度和稳定性，在缩短发酵周期的同时，营养成分不会出现明显降低[32]。此外，EM菌剂的添加还有助于速效养分含量的提高[33]。然而，尽管大量文献表明EM菌剂在加速堆肥过程上具有巨大潜力[29,32,33]，但关于其在堆肥中的作用机制仍需进一步研究。在蚯蚓堆肥系统中引入微生物会加速养分的消耗，影响原有微生物群落，因此，进一步探究微生物的变化规律能够更好理解蚯蚓堆肥中微生物的协同作用机理。
关于EM菌剂对堆肥过程中蚯蚓生长繁殖的影响存在不同的看法。Nair等[34]观察发现在处理厨余垃圾过程中接种EM菌剂能为蚯蚓创造适宜的堆肥环境，提高蚯蚓的繁殖率。但也有学者提出EM菌对蚯蚓生长繁殖的作用并不明显[35]。Palaniappan等[36]认为，添加EM菌剂虽然能加速有机废物的降解，更高效地完成堆肥过程，但微生物种群的增长会消耗碳源，对蚯蚓的生物量增长产生负面影响。然而，蚯蚓和微生物同时作为堆肥过程中的驱动因素，从高效堆肥角度出发，在保证最终养分含量的同时缩短堆肥时间，也许对于实际生产能起到更大的帮助。
3 蚯蚓粪在农业上的应用潜力
蚯蚓粪富含氮、磷、钾、微量元素、多种氨基酸和丰富的有机质[5]。蚯蚓粪中含有的微生物能产生抗生素，抑制病原菌的生长，控制病害发生[37]，经蚯蚓堆肥产生的蚯蚓粪还能有效降低重金属的毒性[38]。同时，施用蚯蚓粪可以增加土壤孔隙度和团聚体数量，具有很强的保水、保肥功能[5]。因此，蚯蚓粪被视为一种理想的天然有机肥。
蚯蚓粪作为有机肥可用于改良土壤、提高作物生产力。蚯蚓粪施入土壤后，能够改善底土的理化性质，增加有机质含量和养分含量，同时改善微生物结构，提高土壤中酸性磷酸酶、过氧化氢酶和脲酶的活性[39]。除此之外，蚯蚓粪还会对土壤微生物量碳起到显著的调节作用，提高氮肥的利用效率，减少施氮量[40]。许多学者通过温室和田间实验研究了蚯蚓粪对植物生长的影响，包括大田作物[41]、观赏植物[42]和水果[43]等，研究结果都证实施用蚯蚓粪能够明显促进植物生长。
尽管蚯蚓粪对不同作物的生长产量和品质都起到积极的作用，但目前单独施用蚯蚓粪的肥效不一定优于化肥，甚至有学者指出完全用蚯蚓粪替代化学肥料还会导致作物产量的减少[44]。蚯蚓粪作为一种生物有机肥，与无机肥相比，其氮、磷、钾含量低，见效慢，但主要优势是含有易于被植物吸收的营养物质，如硝酸盐、可交换性磷和可溶性钾、钙、镁等[37]。为了保证与无机肥料相同的养分水平，需要大面积施用蚯蚓粪，由于其价格高昂，在现阶段不宜采用蚯蚓粪完全取代化肥。因此，实际生产中应该鼓励将蚯蚓粪与其他肥料配合使用，充分发挥蚯蚓粪作为生物有机肥的优势。
4 结束语
1)利用蚯蚓处理畜禽粪便是一种安全、经济、高效的有机废弃物处理方式，在未来发展中具有巨大潜力。目前关于蚯蚓处理畜禽粪便研究多集中在两方面：一是如何保障蚯蚓最适宜的生长繁殖环境，另一方面是如何得到营养价值更高的堆肥产物。而研究蚯蚓生长繁殖，堆肥效率、堆肥产物三者的综合关系，通过改变碳氮比、接种密度，以探索在更短的时间内得到肥效更高的堆肥产物。
2)蚯蚓处理畜禽粪便技术在农业生产上前景广阔。Ramnarain等[45]对蚯蚓堆肥工厂化生产的成本效益进行了分析，在建立12个蚯蚓堆肥单元(1.5 m×1 m×0.6 m)的基础上，预计每年生产4800 kg蚓粪，投资回收期约为2年。面对可观的经济效益，应探索更多有机废弃物蚯蚓堆肥的可能性，将其变废为宝。
3)有机农业和有机肥料是未来发展的趋势，蚯蚓粪在农业利用上具有巨大潜能，但由于技术和经济限制目前使用率仍然很低。未来在做好知识普及工作的同时，应大力发展推广蚯蚓堆肥产业，降低产品成本价格。在现阶段实际生产中，建议将蚯蚓粪与无机肥配合使用，最终逐步代替化肥。
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