现代化奶牛场牛粪综合处理对策研究

[摘 要]本文基于现代化奶牛场牛粪资源没有得到很好利用的现状，为了得到一种可以有效提高牛粪附加值的方法而进行了实验。实验采用红蚯蚓和环毛蚯蚓来处理牛粪，根据中红外光谱技术（MIRS）具体研究牛粪经过蚯蚓处理其成分的改善情况。实验结果表明，通过蚯蚓的处理，可以有效地提高牛粪资源的利用，同时有利于蚯蚓本身的生长繁殖。而中红外光谱图也显示，经过蚯蚓处理的牛粪，与传统自然发酵方法相比，更加适合作为肥料用于农作，有更好的经济利益并且降低了环保成本。

[关键词]奶牛养殖场 牛粪 蚯蚓 经济 环保

中图分类号：TM321 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）30-0043-02

1.引言

随着生活水平的提高，人们对乳制品的消费量已有明显的增长，也带动了奶牛养殖业的飞速发展。截止到2010年，中国的奶牛存栏1260万头左右，比2000年增长1.6倍。根据上海奶牛协会的最新统计数据，截止到2015年底，全市共有96家奶牛养殖场，共养殖8.1万头奶牛。上海地区主要的养殖品种――荷斯坦奶牛为例，由于品种优良、喂养的饲料等级高，1头荷斯坦奶牛一年就可以生产大约11吨的牛奶，产出1.44吨的牛粪。通过计算，平均一年要产生11.664万吨的牛粪，处理牛粪是一个重要的问题。

通过查阅相关文献发现牛粪作为养牛产业最大的副产品，其实是一种很好的生物质资源[1]。牛粪中含有大量的矿物质元素和丰富的营养物质；牛粪质地细密，含水较多，分解慢，发热量低，属迟效性肥料；从养分含量来看，牛粪中的矿质元素和营养物质大部分含量均较其他畜禽粪便低，有机质含量与鸡粪相近，只有粗纤维、粗灰分以及无氮浸出物含量相对较高。但其产量高，总量大，因此矿物质元素和营养物质总量也相对较多。伴随着养牛业的发展，牛粪的开发利用悄然兴起，通过不同的处理技术和工艺可生产出多种无害化、资源化、高效性的增值产品，如利用牛粪发电，做沼气、煤的替代品，这些举措不仅增加了养牛户的经济收入，还在防治环境污染的同时，获得良好的经济效益和社会效益。

蚯蚓被称为“生态系统工程师”。作为生态系统中的分解者，蚯蚓体内可分泌出一种能分解蛋白质、脂肪和木质纤维的特殊酶，因此，树叶、稻草、畜禽粪便、生活垃圾、活性污泥和造纸、食品工业的下脚料等，都可以是它的食料，也为人们处理和利用牛粪提供了新的途径。资料证明，蚯蚓可以通^改善微生境（排粪、作穴、搅动）、提高有机物的表面积、直接取食、携带传播微生物等方式影响土壤微生物结构、组成和功能。蚯蚓活动形成的通道可以增加土壤孔隙度和通气性，有助于改善微生物微环境，促进其生长和繁殖[2]。蚯蚓还通过取食、粉碎、混合等活动使复杂有机质转变为微生物可利用的形式，增加土壤微生物与有机质的接触面积，促进微生物对有机质的矿化作用，对土壤中碳、氮、磷养分循环等关键过程产生影响，最终促进土壤养分循环和周转速率，提高土壤生物肥力[2-3]。

基于上述文献，本文提出了一个假设，即用牛粪来喂养不同种蚯蚓，探索一条更加有效、较高收益、环保地处理牛粪的方法，并探查不同种蚯蚓处理牛粪的具体效果及其收益情况。

2.实验部分

通过调研奶牛养殖现状，进行牛粪养殖蚯蚓的实验。通过选择不同时期的牛粪以及两种品种的蚯蚓进行养殖并观察，采用牛粪得出实验结果。

2.1 不同发酵时间牛粪pH的变化

（1）取自宝山奶牛场的新鲜牛粪样本6组，每组5000g，放于培养箱中。

（2）将各组培养箱放于露天环境中，让牛粪进行自然发酵。

（3）测定未发酵、发酵第7、30、180天每组培养箱表层以下3cm处牛粪的pH。

（4）在未发酵、发酵30、90、180天的每组培养箱中各加入大小基本相同的活红蚯蚓约20g，箱口用细孔尼龙网盖住（以防红蚯蚓逃出），再置于露天环境中。

（5）21天后，检出牛粪中的红蚯蚓，并称重其中活红蚯蚓的重量。

2.2 经蚯蚓处理牛粪的成分变化测定

测出牛粪及蚯蚓处理过的牛粪的主要成分构成，并对两种蚯蚓对牛粪的改造效果进行对比。利用MIRS技术的分析速度快、分析效率高、分析成本低、操作方便等优点，分析出成分差别及效果差异，探究两种蚯蚓对牛粪的改良作用。

本实验利用傅里叶变换红外光谱仪对牛粪进行透光测试，由于物质本身内部分子有固有的振动频率，与光线内部的振动频率发生耦合，形成共振，而透过样品的光束中相应频率的光也被减弱，从而得出数据，对应有机基团的不同种振动峰位，通过相应软件处理，得到红外光谱图。

（1）分别取已发酵6个月的牛粪、已发酵6个月并经蚯蚓处理60天的牛粪各10g作为样品。

（2）样品先经过恒温65℃烘箱干燥48h，再用粉碎机进行粉碎，取5g样品装入密封塑料袋中封口。

（3）在实验室中，带上消毒后的手套，先用无水酒精沾棉花将实验仪器零件全部擦拭。将研磨用的研钵、小刀片用无水酒精进行擦拭。

（4）用小刀片先取约1g的未经蚯蚓处理牛粪加入研钵，再加入溴化钾粉末来稀释（牛粪与溴化钾比例约为1：75），然后开始研磨。

（5）研磨过程中一开始先不要用力，先让牛粪与溴化钾均匀分布，不让其黏在研钵壁上，而后可以开始稍微加力，进行研磨，直到牛粪呈粉末状均匀分布在研钵内部。

（6）研磨过后，取2～3mg的混合颗粒用刀片置入压膜装置元件上的薄片凹槽内，铺满凹槽，多余颗粒用刀片平推至不受挤压处。

（7）铺满凹槽后即可开始挤压，先盖上另一部分金属元件，放置入挤压钳，过程中注意不让粉末洒出。

（8）挤压过后取出元件，将薄片取下，此时薄片孔上应已有粉末受挤压过后产生的薄膜。

（9）将薄片放入红外光谱仪样品架，打开配套电脑软件OPUS分析数据。

3.结果与讨论

3.1 不同发酵时间牛粪pH的变化（如图1，表1）

通过测定不同发酵时间牛粪的pH可以发现，牛粪的pH先呈中性，后呈弱碱性，再逐渐变至中性。

红蚯蚓在未发酵的（新鲜）牛粪中存活质量比最低，随着发酵时间的延长，红蚯蚓存活质量比逐步提高，并且逃逸至尼龙网上的红蚯蚓数量减少，说明发酵半年的牛粪更适合蚯蚓生长。

根据文献记载[4]，蚯蚓适合在pH中性的环境中生长，这与我的实验结果吻合。新鲜牛粪虽然pH也接近中性，但因为牛粪含水量较大，并存在有毒气体（如硫化氢），导致新鲜牛粪也不适合蚯蚓生长，因此喂养蚯蚓，最好采用发酵半年后的牛粪。

3.2 经蚯蚓处理牛粪的成分变化测定

对蚯蚓处理后的牛粪成分进行红外分析结果如图2所示。

通过实验数据，加以数据分析[5]，我们通过测定样品中有机集团的共振频率来确定含量。测定的内容有：碳水化合物和水分中的-OH伸缩振动；N-H伸缩振动的吸收、脂族C-H伸缩特征峰、CO2反对称伸缩、酰胺羰基C=O伸缩、脂肪族NO2反对称伸缩，仲酰胺NH面内弯曲、芳香族NO2反对称伸缩、木质素和脂肪族化合物中的双键或羰基相连的-CH2变形振动及无机的氨根、硝酸根有机羧酸盐COO-的吸收、酚类中的C-O伸缩振动，有机硅化合物中Si-C的伸缩振动及纤维素酯类的特征吸收、多糖C-O伸缩、碳酸根面外弯曲、芳香环类的特征峰。

通过图像，可以发现：

（1）经环毛蚯蚓处理牛粪后，牛粪中芳香环类特征峰明显突出，甚至高于红蚯蚓处理的牛粪。

（2）经红蚯蚓处理后，牛粪中的木质素和脂肪族化合物中的双键或羰基相连的-CH2形振动及无机的氨根、硝酸根有机羧酸盐COO-的吸收明显强于原来的牛粪，并且与环毛蚯蚓处理的效果相似。

（3）经过环毛蚯蚓处理，牛粪的碳酸根面外弯曲明显增强，且强于红蚯蚓的处理效果。

（4）两种蚯蚓对牛粪的处理效果，其最显著的差异在于碳水化合物和水分中的-OH伸缩振动，N-H伸缩振动的吸收。

（5）环毛蚯蚓与红蚯蚓对于牛粪的处理效果没有太大差异，证明了环毛蚯蚓相比于红蚯蚓，在处理牛粪的效果上，并不是处在绝对劣势，也是一种好的选择。

4.结论

1.由于养牛场不可避免地会形成一定的环境污染，造成城市化规模的扩大与养牛业的发展存在着矛盾，特别是牛粪的处理方式有待进一步的完善和多元化。

2.发酵半年后pH为7～8的牛粪适合养殖蚯蚓。

3.在温度为25℃、湿度为60%的环境条件下，利用发酵半年后的牛粪养殖红蚯蚓与环毛蚯蚓质量增长率分别为45.5%和61.6%，对于牛粪的消耗量则差异不大。

4.环毛蚯蚓以及红蚯蚓都可以作为处理牛粪的选种，且在以牛粪为食物的同时，蚯蚓自身生长迅速。

5.通过中红外光谱技术检验经过两种不同蚯蚓处理的牛粪，发现其理化性质发生改变，目前未见有文献报道。

6.通过蚯蚓处理牛粪，操作和管理过程简单，成本低，可以有效而环保地解决环境污染问题。同时蚯蚓的繁殖、生长以及对牛粪的改造均可获得一定的经济收益，是一种经济、环保、有效的做法。

致谢

感谢少科站以及科学社的老师的指导与帮助。感谢“智勇科考营”给了前往额尔古纳科学考察的机会。

参考文献

[1] 刘春龙，袁立，李忠秋.我国牛粪生物质资源利用现状及发展趋势[J].中国奶牛，2011（5）：411-412.

[2] 张宝贵，李贵桐，申天寿.威廉环毛蚯蚓对土壤微生物量及活性的影响[J].生态学报，2000（1）：168-172.

[3] 曹佳，王冲，皇彦，纪丁戈，楼屹.蚯蚓对土壤微生物及生物肥力的影响研究进展[J].应用生态学报，2015（5）：1579-1586.

[4] 朱晓玲，杨雪，连宾.用蚯蚓处理牛粪增加其养分含量的研究[J].微量元素与健康研究，2012（3）：1-3.

[5] 王文全，赵秀玲，罗艳丽，等.牛粪发酵过程中的红外光谱分析[J].中国牛业科学，2011，37（2）：15-19.