摘要
如何在保留肥效与微生物品质前提下，快速降低蚯蚓粪肥的含水量，是蚯蚓粪有机肥生产应用过程中面临的重要难题。选取了纯牛粪与牛粪 + 秸秆转化后的蚯蚓粪肥为研究对象，以 5 种环境干燥温度（25、35、45、 55、65℃）对蚯蚓粪肥进行干燥试验，探究了不同干燥温度对蚯蚓粪肥的养分、腐殖化组分和微生物等指标的影响。结果表明：干燥温度对蚯蚓粪肥 pH 影响不显著，对电导率影响显著；干燥温度在 35℃时，两种蚯蚓粪肥的微生物总量达到最高，分别为 9.92×106 和 1.11×107 N/mL；牛粪蚯蚓粪肥和牛粪秸秆蚯蚓粪肥的磷、钾含量随着干燥温度的升高无显著差异；35℃干燥条件下蚯蚓粪肥腐殖化程度最佳，当温度超过 35℃，胡敏酸含量显著降低；综合评价结果表明，35℃是干燥蚯蚓粪肥的最佳温度；总真菌数、电导率、碱解氮、总放线菌数、胡敏酸、总细菌数、总氮 7 个指标受温度影响显著。研究结果对蚯蚓粪肥的干燥储藏和品质控制有重要意义。
Abstract
To facilitate the transportation and storage of earthworm manure，how to rapidly reduce its water content while retaining its fertilizer and microbial content is a significant problem confronted by the earthworm composting industry．In this research，earthworm manure transformed from pure cow manure and cow manure + straw was selected as the study object， and drying experiments were carried out on earthworm manure at five environmental drying temperatures（25，35，45， 55，65℃）to investigate the influences of different drying temperatures on the comprehensive quality of earthworm manure， such as nutrients，humification components，and microbial indicators．The findings demonstrated that temperature had no substantial effect on the pH of earthworm manure，but had a significant impact on the EC value．When the drying temperature was 35℃，the total microbial content of the two types of earthworm manure reached the peak，which were 9.92× 106 and 1.11×107 N/mL，respectively．There was no significant difference in the phosphorus and potassium content of cow manure-earthworm manure and cow manure-straw-earthworm manure with the increasing of drying temperature．The total available nutrient content of cow manure-straw-earthworm manure dried at 35℃ was higher than that of other groups．The humification degree of earthworm manure was the best at 35℃，and the humic acid content decreased significantly when the temperature was higher than 35℃．The comprehensive evaluation results indicated that 35℃ was the optimal drying temperature for earthworm manure．The seven indicators of total fungus number，conductivity，alkaline nitrogen，total actinomyces number，humic acid，total bacteria number，and total nitrogen were significantly affected by temperature and should be given attention during the drying process．The results of this study have significant implications for the dry storage and quality control of earthworm manure.
Keywords
蚯蚓粪肥作为蚯蚓分解废弃物的产物，颗粒均匀，是一种优良的生物有机肥[1-4]。它同时具备普通有机肥、氨基酸肥料、腐植酸肥料、微生物肥料的特点，但又不只是多种肥料特点的简单叠加组合[5]。蚯蚓粪肥能够增强土壤持水保肥能力，增强土壤微生物活性[6-7]，提升养分含量及养分供给能力，最终对作物起到增产、防害、提质等作用[8-10]，且作用效果显著，已在国内外得到广泛认可[11-13]。
一般蚯蚓堆肥结束后，蚯蚓粪肥含水率为 50%～65%[14]，作为有机肥料，此含水率相对较高，而较高水分状态不仅会影响其储存和运输，还会导致微生物活动过于活跃，易引起二次发酵变质或酸化等问题[15]。因此，蚯蚓堆肥结束后，对蚯蚓粪肥进行快速干燥处理有利于延长其储存时间，增加保质期。
目前研究重点关注后期应用效果，而对前期的蚯蚓粪肥干燥鲜有关注[16]。Karthikeyan 等[17]研究表明，25℃温度下蚯蚓粪肥的保质期为 60 d，60 d 内蚯蚓粪肥大多数特性都能得到保存。Harit 等[18] 研究表明，32℃干燥蚯蚓粪肥和密封储存使得蚯蚓粪肥的有机质含量、微生物活性和酶活性都得到了保持和提高。Kumar 等[19]研究也表明，干燥蚯蚓粪肥会导致含水率、电导率（EC）的降低，以及碳和氮在密封条件下的损失和非密封条件下的增加。 Manyuchi 等[16]研究表明，105℃时干燥蚯蚓粪肥，总氮含量降低，而磷和钾的含量得到显著提高，但降低了微生物活性。综上所述，鲜有研究关注干燥温度对蚯蚓粪肥综合品质的影响，最佳干燥温度不明确。因此，探究干燥温度对蚯蚓粪肥品质的综合影响存在必要性。
本研究以纯牛粪与牛粪混合秸秆转化后的蚯蚓粪肥为研究对象，设置不同温度梯度干燥蚯蚓粪肥，测定其化学性质和营养指标、腐殖化指标以及微生物总量，筛选最佳干燥温度，并通过综合评价手段，确定保持养分含量与微生物活性的最佳干燥温度。本研究的结果可以为蚯蚓粪肥干燥、储存、深加工与应用提供借鉴。
1 材料与方法
1.1 试验材料
试验所用材料为 60 日转化完成的纯牛粪蚯蚓粪肥（N）和牛粪水稻秸秆蚯蚓粪肥（NJ）两种类型，所用材料均来自中国热带农业科学院环境与植物保护研究所儋州两院七队蚯蚓转化试验基地，采用的原料基本特性如表1所示。
表1两种蚯蚓粪肥原料基本性质
1.2 试验方法
试验采用恒温箱进行干燥，干燥强度设置 5 个温度梯度，分别为 25、35、45、55、65℃，每个温度梯度重复 6 次试验，详见表2。具体试验示意图见图1。
表2不同干燥温度试验处理
首先测定初始含水率。称取两种新鲜蚯蚓粪肥各 15 份，每份 5 kg，分别放入 25、35、45、55、 65℃环境中干燥。每隔 4 h 称取重量，计算其含水率。孙振钧[2]研究表明，蚯蚓粪肥含水量约为 40% 时蚯蚓粪肥的微生物活性与养分相对较好，低于 40% 含水率的蚯蚓粪肥微生物含量会显著降低[14]，因此，本研究均统一将蚯蚓粪肥含水率干燥至 40% 时，从恒温干燥箱中取出。取样品 500 g 进行测试，剩余样品风干后磨成粉末状，用于理化性质、营养指标和碳品质等指标测定。
1.3 评价指标
1.3.1 化学性质与营养指标
蚯蚓粪肥理化指标参考《土壤农化分析》[20] 与标准《 有机肥料 》（NY/T525—2021）[21] 和 《 生物有机肥 》（NY 884—2012）。具体方法如下：pH 用电位法测定，EC 用电导率仪测定，总有机碳（TOC）采用重铬酸钾外加热法滴定法测定，总氮（TN） 和总磷（TP） 采用氮磷自动检测仪测定，总钾（TK）与速效钾（AK）采用火焰分光光度法测定，有效磷（AP）采用钼锑抗比色法测定，碱解氮（AN）采用碱解扩散法测定。
图1试验示意图
1.3.2 腐殖化指标
腐殖质碳（HS）、富里酸（FA）、胡敏酸 （HA）含量采用焦磷酸钠-氢氧化钠提取重铬酸钾氧化容量法[22]测定。难氧化有机碳（ROC）、易氧化有机碳（EOC）含量测定参考袁可能[23]测定方法。氧化稳定系数（Kos）=ROC/EOC。
1.3.3 微生物总量指标
细菌、真菌、放线菌均采用血细胞平板计数法进行检测[24]。
1.4 数据处理
试验数据用 Excel 2019 进行计算和整理，SPSS 27.0 统计分析，采用 Origin 2021 进行绘图和相关性分析。测试指标进行统计学与相关性描述，通过最值、均值、标准差、相对标准偏差反映数据指标间差异性；通过指标间的相关性分析判断指标间相关程度，通过显著性的大小筛选评价指标，再利用 SIMCA-P 14.0 对分类数据进行偏最小二乘（PLS）回归分析判别，判断初步分类可靠性，并基于判别结果构建 PLS 回归模型。最后利用冗余分析和主成分分析（PCA）综合评分法，综合评价干燥温度对两种蚯蚓粪肥化学性质、营养指标和腐殖化指标以及微生物总量的影响。
2 结果与分析
2.1 不同干燥温度对蚯蚓粪肥化学特性的影响
对经过不同温度干燥的两种蚯蚓粪肥的 pH 和 EC 进行测定，结果见图2，牛粪蚯蚓粪肥干燥温度为 65℃时 pH 最高，其余干燥温度对牛粪蚯蚓粪肥 pH 无显著影响，但是有机酸的产生和有机物分解过程中 CO2 的释放会导致 pH 出现升高，但不显著[25]。牛粪秸秆蚯蚓粪肥总体 pH 比牛粪高，为 8.55～8.79，偏碱性。牛粪秸秆蚯蚓粪肥中，除 NJ25 和 NJ35 处理外，其他处理 pH 差别不显著（P>0.05）。干燥温度对蚯蚓粪肥 EC 影响明显，随着温度升高，两种蚯蚓粪肥 EC 均呈先升后降的趋势，因为随着温度的升高，微生物的活性增强，影响了有机物的分解，从而导致离子增加，而当温度超过一定值，微生物活性降低，减缓有机物的分解，离子减少[26]。如图2所示，干燥温度于 35℃时，两种蚯蚓粪肥 EC 值显著升高，但均低于过往研究普遍公认的植物毒性4 mS/cm 的限值，各干燥温度的蚯蚓粪肥 EC 对植物均无毒性[27]。因此，干燥温度对两种蚯蚓粪肥 pH 影响总体不显著（P>0.05），对 EC 影响显著 （P<0.05）。
图2不同干燥温度对蚯蚓粪肥 pH 和电导率的影响
注：不同小写字母代表不同处理间在 0.05 水平差异显著。下同。
2.2 不同干燥温度对养分含量的影响
氮、磷、钾的含量是反映堆肥质量的重要指标[28]，也是评价蚯蚓粪肥品质的最基本指标。本研究结果如图3所示，总体上看，随着干燥温度升高，牛粪蚯蚓粪肥的 TN、TP 和总养分无明显变化，总体无显著差异。TN 和 TP 含量在 65℃干燥时显著低于其他处理，分别为 6.63 和 3.93 g/kg。另一方面，TK 含量以及总养分含量对不同干燥温度的响应不显著（P>0.05）。此外，牛粪秸秆蚯蚓粪肥的 TN、TP、TK 养分指标对不同干燥温度的响应均不显著（P>0.05）。对牛粪蚯蚓粪肥而言，总养分含量随干燥温度增加呈总体下降，但处理之间差异不显著 （P>0.05）；对于牛粪秸秆蚯蚓粪肥而言，不同干燥温度对总养分的影响没有明显趋势，处理之间同样差异不显著（P>0.05）。因此，不同干燥温度干燥蚯蚓粪肥的 TN、TP、TK 和总养分含量没有显著差异 （P>0.05），可以认为干燥不会对养分含量产生影响。
图3不同干燥温度对蚯蚓粪肥总养分的影响
氮是微生物的主要营养源之一，氮含量变化间接反映出微生物的活动及有机物的分解状况[29]。如图4所示，当干燥温度达到 55℃，牛粪蚯蚓粪肥的 AN 含量显著上升（P<0.05）。上升的原因是在蚯蚓粪肥干燥过程中，一定程度的高温可能促进了速效氮的活化[30]。牛粪秸秆蚯蚓粪肥在干燥温度达 65℃时，AN 含量显著低于 55℃时（P<0.05），其他处理没有显著差异（P>0.05）。AP 含量变化没有明显趋势。
图4不同干燥温度对蚯蚓粪肥碱解氮、有效磷的影响
AK 含量变化与 AP 含量类似，牛粪蚯蚓粪肥的总速效养分含量不同温度间没有显著影响 （P>0.05）。但干燥使牛粪秸秆蚯蚓粪肥中的 NJ35 和 NJ45 处理的速效养分含量高于其他处理，其中 AP 和 AK 上升明显，由于某些特殊细菌的作用，磷和钾从与它们结合的物质中解离，使得 AP、AK 含量升高[31]。综上可说明该温度区间可以有效促进速效养分的产生。但总体来看，不同干燥温度对速效养分的影响不显著（图5）。
2.3 不同干燥温度对腐殖化的影响
如图6所示，不同温度干燥对牛粪蚯蚓粪肥和牛粪秸秆蚯蚓粪肥 TOC 含量影响不显著 （P>0.05）。此外，牛粪秸秆蚯蚓粪肥的 TOC 含量 （146.54～158.95 g/kg）普遍高于牛粪蚯蚓粪肥的 TOC 含量（127.84～140.45 g/kg），主要原因是有含碳较高的秸秆添加[32]，结果表明，两种蚯蚓粪肥 TOC 的含量均相较于初始样品有所增加。
EOC、ROC 与 Kos 用于表征有机碳的氧化稳定性[33]。如图7所示，NJ65 处理的 EOC 含量相对较低，牛粪秸秆蚯蚓粪的 ROC 的含量最高，这可能是高温有利于秸秆有机碳的转化[34]，但 Kos 与其他处理相比均没有显著差异。
图5不同干燥温度对蚯蚓粪肥速效钾、速效养分的影响
图6不同干燥温度对蚯蚓粪肥总有机碳的影响
腐殖质是堆肥过程中有机物的重要转化产物，主要由 FA 和 HA 组成。如图8所示，干燥对牛粪蚯蚓粪肥和牛粪秸秆蚯蚓粪肥的 HS 不产生显著影响（P>0.05）。但当干燥温度超过 35℃时，两种蚯蚓粪肥的 HA 含量均显著降低（P<0.05），牛粪蚯蚓粪肥的 HA 降低最为明显，N25 和 N35 处理的 HA 含量显著高于其他处理（P<0.05）。牛粪蚯蚓粪肥的 N45 处理的 FA 含量显著高于其他处理（P<0.05），并且当干燥温度超过 35℃后，FA 含量显著升高，FA 的升高表明干燥温度升高会导致蚯蚓粪肥稳定性的下降，导致稳定性下降的原因是在堆肥的过程中，不稳定的 FA 会向更加稳定的 HA 转化[35]，而 HA 稳定性更好[36-37]。牛粪秸秆蚯蚓粪肥的 FA 与 HA 的变化更加明显，NJ25 与 NJ35 处理的 FA 含量显著低于其他处理（P<0.05）。胡富比（HA/FA）是评价堆肥腐殖化效果与腐熟度的关键指标[36]。如图8所示， 25 和 35℃干燥的两种蚯蚓粪肥的 HA/FA 均显著高于其他处理（P<0.05），腐殖化程度显著升高 （P<0.05），结果表明低温干燥更有利于蚯蚓粪肥的腐殖化过程，在干燥过程中要控制干燥温度不能高于 35℃。
图7不同干燥温度对蚯蚓粪肥有机碳稳定性的影响
2.4 不同干燥温度对蚯蚓粪肥微生物总量的影响
蚯蚓粪肥可以显著提高土壤养分，促进农作物的生长，原因之一就是其中的微生物在土壤环境中可与原生微生物协同作用，在增加微生物数量的基础上还能促进微生物群落的演替，而蚯蚓粪肥一大特点就是含有丰富的放线菌、细菌、真菌。赵海涛等[38]发现粪肥在经过蚯蚓处理后，基质中的放线菌和真菌提高了 200 倍，所以微生物数量对蚯蚓粪肥来说十分重要。细菌在堆肥微生物组成中数量最多，同时也是有机肥中最活跃的生物因素，积极参与土壤有机物的分解、腐殖质的合成和各种矿质元素的转化，推动着土壤中各种物质循环有利于植物的生长[39]。此外，真菌也参与有机物质的分解，参与土壤中氮、碳循环，放线菌则属好气性异养型微生物，能够产生胞外水解酶，降解土壤中的复杂结构物质为简单的物质以获得各种营养成分，对有机质的矿化起积极作用，从而参与土壤的物质循环和土壤改良[40-41]。
如图9和图10所示，牛粪蚯蚓粪肥细菌总量在 35℃的干燥温度下达到最高值 5.58×106 N/mL，显著高于其他处理（P<0.05）；牛粪秸秆蚯蚓粪肥细菌总量也在干燥温度为 35℃时达到最高，稍高于 25℃时并显著高于其他处理（P<0.05），结果表明，随着干燥温度的升高，蚯蚓粪肥的细菌总量呈先升后降的趋势，该趋势变化与文献研究结果[42]相类似。真菌总量方面，牛粪蚯蚓粪肥在 25℃时达到最高，牛粪秸秆蚯蚓粪肥在 35℃时达到最高。牛粪蚯蚓粪肥和牛粪秸秆蚯蚓粪肥的放线菌总量变化与细菌类似，在 35℃时达到最高，并在之后呈下降趋势。结果表明，牛粪蚯蚓粪肥和牛粪秸秆蚯蚓粪肥的微生物最适干燥温度为 35℃，微生物总量在此时达到最高，分别为 9.92×106 和 1.11×107 N/ mL。当干燥温度高于 35℃，微生物总量会显著降低（P<0.05），所以蚯蚓粪肥在干燥过程中要控制温度不应高于 35℃。干燥温度对蚯蚓粪肥微生物总量会造成显著影响，并且不同干燥温度对蚯蚓粪肥的细菌、真菌和放线菌的数量均有显著影响 （P<0.05），35℃为微生物存活的最适干燥温度。
图8不同干燥温度对蚯蚓粪肥腐殖质组成的影响
图9不同干燥温度对蚯蚓粪肥细菌、真菌总量的影响
图10不同干燥温度对蚯蚓粪肥放线菌、微生物总量的影响
2.5 不同温度干燥后蚯蚓粪肥综合品质分析
2.5.1 不同温度干燥后蚯蚓粪肥指标的描述统计与相关性分析
为了明确不同干燥温度对蚯蚓粪肥相关指标的影响，并优化确定出干燥蚯蚓粪肥的最佳温度，本研究对蚯蚓粪肥测试指标进行了描述统计和相关性分析，结果如表3和图11所示。
描述统计中，若统计指标在统计学上差异性过小（<10%），说明该指标不适用于评价，在相关性分析中，相关性低的指标则不适合作为评价指标[43-44]。由表3可知，HS、pH、TOC 的相对标准偏差过小，分别为 8.95%、3.43%、 8.98%，说明差异较小不适合作为评价指标。由图11得出，EOC 只与 Kos 显著负相关，FA 只与 HA/FA 呈显著负相关，与其他指标无相关性，这是由于蚯蚓粪肥的 FA 会随着时间的增加转化为更稳定的 HA[35]。HA/FA 只与 3 个指标相关，显著少于除 EOC、FA 之外的其他指标，所以在进行评价时忽略这个指标。经过筛选，保留 EC、ROC、Kos、HA、AP、TN、TP、TK、AN、 AK、总放线菌数、总真菌数、总细菌数 13 个指标。
2.5.2 偏最小二乘回归分析模型建立与实测值验证
基于描述统计与相关性分析结果，筛选出 13 个指标为自变量（X 值），以蚯蚓粪肥不同温度作为因变量（Y 值）。利用 SIMCA-P 14.0 软件建立PLS 回归模型，基于 PLS 的模型如下：
表3不同干燥温度蚯蚓粪肥指标的描述统计分析
注：EOC 为易氧化有机碳，ROC 为难氧化有机碳，Kos 为氧化稳定系数，HS 为腐殖质碳，HA 为胡敏酸，FA 为富里酸，AN 为碱解氮，AP 为有效磷，AK 为速效钾，TN 为总氮，TP 为总磷，TK 为总钾、EC 为电导率，TOC 为总有机碳。图11、13、14 同。
图11不同干燥温度蚯蚓粪肥不同指标之间的相关性分析
注：* 为 P ≤ 0.05，** 为 P ≤ 0.01。
(1)
模型交叉检验以及精度分析结果如表4所示，提取第一个组分时对分类的交叉有效性为 0.806，提取第二个组分为-0.314，有研究认为交叉有效性 >0.0975 时，引入新的组分对模型的预测能力会显示出有明显改善作用[45]。R2X=0.105，R2Y=0.0114，表示增加一个组分后，对 X、Y 的解释能力增加 10.5%、 1.14%[44]。所以本研究提取至第 2 个组分，由表4可知，X 变量累积解释能力为 0.509，说明模型对变量 X 的解释能力为 50.9%；Y变量累积解释能力为 0.872，说明主成分可解释 87.2%的变量 Y的变异[43]，模型预测能力为 0.706（>0.5），说明模型预测能力较良好[46]。
为进一步证明建立的回归模型预测的准确度，将各评价指标的原始数据输入模型进行验证，并与实测值绘制的分类图（图12）进行比较。由图12可知，预测值与实测值的样本点分布接近，表明建立的模型拟合效果较为良好，可用于不同温度干燥蚯蚓粪肥的重要指标筛选。为了考察各指标对分类的影响，又进行了权重得分图的绘制，由图13可知，权重值大于 1 的得分顺序为总真菌数 >EC>AN>总放线菌数 >HA>总细菌数，这 6 个自变量的权重值都 >1，说明这 6 个指标对蚯蚓粪肥的品质影响最大[47]，而 TN 的权重值 >0.8，说明 TN 对蚯蚓粪肥品质的影响较大。这一结果也与其他研究结果[33]基本一致。
2.5.3 不同干燥温度样品的综合评价
基于上述分析，为了进一步解析干燥温度和蚯蚓粪肥品质之间的关系，本研究分别对两种蚯蚓粪肥提取前两个主成分进行冗余分析。由图14可知，分别对牛粪蚯蚓粪肥和牛粪秸秆蚯蚓粪肥提取前两个主成分，累计总解释率分别为 73.68% 和 80.06%，5 个温度指标分布到 4 个象限中，说明区分度和显著性明显，也表明主成分 1、2 可以较好地反映温度对样品的影响。牛粪蚯蚓粪肥主成分1 主要由总真菌数、HS、HA、ROC、TN 构成。主成分 2 主要由 AN、AK、TK 构成。牛粪秸秆蚯蚓粪肥主成分 1 主要由总真菌数、总放线菌数、总细菌数、HA/FA、TK 构成。结果与 PLS 模型得出的部分关键指标吻合。
表4蚯蚓粪肥指标评价 PLS 回归的交叉有效性与精度分析
图12蚯蚓粪肥温度分类实测值效果验证
注：处理编号后的 A、B、C、D、E、F 表示同一处理的 6 个平行。
图13蚯蚓粪肥温度分类权重值图
图14不同干燥温度蚯蚓粪肥与测试指标的冗余分析
采用 PCA 分析划分的主成分模型对两种蚯蚓粪肥进行综合评价，获得两种蚯蚓粪肥的的综合得分及排名，得分高低反映不同温度干燥的蚯蚓粪肥的综合品质。
牛粪蚯蚓粪肥与牛粪秸秆蚯蚓粪肥综合评分模型：
(2)
式中，FN 为牛粪蚯蚓粪肥得分，FNJ 为牛粪秸秆蚯蚓粪肥得分。由表5可知，两种蚯蚓粪肥的综合评分结果与排名分别为 NJ35>NJ45>NJ25>NJ55>NJ65；N35>N25>N55>N65>N45，从而可以直观地得出两种蚯蚓粪肥在 35℃干燥时品质最佳。
表5两种样品不同温度处理主成分得分及综合得分
3 结论
本研究以探究不同干燥温度对蚯蚓粪肥品质的影响为主要目标，采用两种不同的蚯蚓粪肥为研究对象，进行了 19 个指标的测试以及综合评价，主要结论如下：
不同温度干燥蚯蚓粪肥的理化特性、养分含量、腐殖化指标、微生物指标均会有不同变化，其中对微生物指标影响最为显著。
35℃为干燥蚯蚓粪肥的最佳温度。
总真菌数、EC、AN、总放线菌数、HA、总细菌数、TN 7 个指标是衡量干燥蚯蚓粪肥品质的关键指标，也是受到温度影响最显著的指标，需要重点关注。
本研究探明了不同温度干燥蚯蚓粪肥的效果，研究结果有助于优化蚯蚓粪肥的加工储藏工艺，蚯蚓粪肥的品质控制。未来可通过高通量测序等组学技术重点关注微生物群落结构的变化，并进一步探究干燥后蚯蚓粪肥的农用效果，为蚯蚓粪肥干燥后品质评价提供新的理解。