将牛粪固体作为膨松剂用于复合堆肥技术：对蚯蚓活动、木质纤维素降解及温室气体减排效果的协同提升

《Bioresource Technology》：Enhancing combined composting with cattle slurry solids as a bulking agent: Synergistic improvements in earthworm performance, lignocellulose degradation, and greenhouse gas mitigation

本研究评估了固体牛粪（SCM）、猪粪固体（SPM）和水葫芦作为堆肥膨润剂的复合堆肥系统效果。结果显示SCM显著提高蚯蚓存活率（94%）、产茧量（76茧/克土）和增重率（76.6%），同时降低铜含量、温室气体排放（CO?当量减少13.1%）并提升有机质指标（总养分54.5mg/g，腐殖化指数2.0）。

　　

李俊|白梅|程龙|邵一帆|徐阳|徐超|张鑫|曹洪亮|袁巧霞

华中农业大学工程学院，中国武汉430070

摘要

将膜覆盖堆肥与蚯蚓堆肥结合是一种新兴的畜禽粪便管理策略。然而，传统的膨松剂——作物秸秆，由于供应不稳定和生物降解速度慢，给堆肥过程带来了挑战，延长了堆肥周期。因此，寻找易于获取且可生物降解的替代膨松剂至关重要。本研究评估了牛浆液固体成分（SCM）、猪浆液固体成分以及水葫芦作为替代膨松剂对联合堆肥过程的影响，以小麦秸秆作为对照。结果表明，SCM的表现优于其他膨松剂。与对照组相比，SCM不仅使茧的产生量和平均体重增加了72.3%和76.6%，还保持了最高的存活率和基质降解效率。此外，SCM增强了木质素的降解，并使腐殖化指数分别达到了12.4%和2.0。它还提高了细菌多样性以及如Actinomadura等降解木质纤维素的菌属的数量。同时，SCM降低了铜含量和生物可利用性，并提高了最终产品的质量，其特征是总营养含量高（54.5 mg/g）、电导率低（2.7 mS/cm）和堆积密度低（0.3 g/cm3）。最后，与对照组相比，SCM减少了13.1%的温室气体排放（二氧化碳当量）（P < 0.05）。这些发现为畜禽废物管理和蚯蚓堆肥提供了理论支持和技术指导。

引言

中国集约化的畜牧业每年产生38亿吨粪便，带来了巨大的环境管理挑战（Zhu等人，2020年）。好氧堆肥和蚯蚓堆肥是广泛应用的畜禽粪便处理技术，但两者都存在固有的局限性（Pottipati等人，2022年）。传统的好氧堆肥周期长且质量不稳定，而蚯蚓堆肥无法消除病原体或处理新鲜粪便。为了解决这些问题，结合好氧堆肥和蚯蚓堆肥的复合系统因能够减少温室气体排放、增强木质纤维素降解和改善肥料质量而受到越来越多的关注（Yu等人，2022年）。然而，作为前端处理过程的传统好氧堆肥阶段仍存在氮损失、异味排放和消毒不足的问题。膜覆盖堆肥（MC）利用底部通气和半透膜创建一个微正压环境，从而成为一种有效的替代技术，可以减少温室气体排放和氮损失，同时提高消毒效率（Fang等人，2021年）。尽管如此，综合MC-蚯蚓堆肥系统的研究仍相对较少。

畜禽粪便中的不良通气和低C/N比需要膨松剂来调节其物理化学性质（Yun等人，2025年）。木质纤维素材料可以增加孔隙度、维持微生物活性并提供腐殖质前体（Liu等人，2024a）。现有研究表明，丰富的作物秸秆是好氧堆肥和蚯蚓堆肥中首选的膨松剂。例如，Wang等人（2022年）报告称，小麦秸秆在有机降解和堆肥升温方面优于锯末和稻壳。在蚯蚓堆肥中，与锯末和生物炭相比，稻秸秆可以提高蚯蚓茧的产生量和蚯蚓堆肥的质量（Cao等人，2021年；Lalthlansanga等人，2026年）。然而，秸秆的实际应用仍然具有挑战性。其致密的木质纤维素结构延长了堆肥周期，并限制了蚯蚓对饲料的转化效率（Zhang等人，2025年）。尽管预处理（如酸/碱浸泡、蒸汽爆破）和添加剂策略可以加速木质纤维素的降解，但其高昂的成本和对蚯蚓的潜在抑制作用限制了实际应用（Shan等人，2021年；Wu等人，2023年）。此外，秸秆的季节性供应和分散分布与集约化畜牧场的连续粪便输出不匹配，增加了物流成本（Wu等人，2021年）。这些限制在联合堆肥系统中尤为关键，因为膨松剂必须满足前端的好氧消毒要求，同时维持后端的蚯蚓生长。然而，大多数研究仅关注单一堆肥过程，对复合系统中膨松剂的系统评估仍然有限。因此，寻找一种始终可用、低成本且易于生物降解的碳源对于优化综合堆肥系统至关重要。

全球的畜牧场普遍采用固液分离技术来减少粪便体积，以便收集液体部分用于灌溉（Zhang等人，2022年）。然而，分离出的固体由于高C/N比和低营养价值而难以处理（Fang等人，2022年）。另一方面，牛浆液固体成分（SCM）和猪浆液固体成分（SPM）具有高纤维含量、低水分和松散的结构（Fang等人，2021年）。重要的是，动物消化过程破坏了摄入生物质的顽固木质纤维素结构，消化残渣中富含专门的降解微生物群落（Jin等人，2018年；Kara等人，2021年）。因此，这些物理和生化特性表明，SCM和SPM可以作为有效的膨松剂，加速木质纤维素的降解和腐殖化，从而促进蚯蚓生长。这种策略有助于固体部分的管理，同时提高联合堆肥效率并降低成本。然而，这一策略的有效性尚未得到系统评估。

本研究调查了四种木质纤维素材料（包括来自粪便的固体成分SCM、SPM、入侵性水葫芦和传统小麦秸秆）对联合MC和蚯蚓堆肥的影响。分析了蚯蚓生长、物理化学动态、木质纤维素降解、温室气体排放和细菌群落演替，以确定影响产品质量的关键因素。此外，还根据中国的国家标准评估了蚯蚓堆肥的肥料潜力。本研究创新地将低碳MC与蚯蚓堆肥结合，以评估动物浆液固体成分作为膨松剂的可行性。这些发现为优化农场废物的资源利用提供了新的见解，并为蚯蚓堆肥的实际应用提供了数据支持。

材料来源

SCM来自武汉的一家奶牛场，而猪粪便和SPM则来自一所大学附属农场的非实验性猪舍，该农场的饲养和管理方式与商业农场相似。SCM和SPM是通过两阶段机械分离从粪便浆液中获得的固体成分。小麦秸秆来自大学的实验田，水葫芦则从附近的湖泊中采集。使用前，所有收集的材料都经过了充分的

蚯蚓生长与繁殖

存活率、净体重增加量、茧的产生量和幼虫数量反映了蚯蚓的生长和繁殖状况（Lin等人，2024年）。SC-V表现出最高的存活率（94%）和幼虫数量（76）（图1a），优于其他处理方法。图1b显示了平均净体重增加的趋势。SC-V、SP-V和WS-V在最初（0-14天）内净体重增加，随后由于基质

结论

本研究证实，使用SCM作为膨松剂相比小麦秸秆、水葫芦和SPM具有更好的技术和环境优势。具体来说，SCM提高了蚯蚓的表现和木质纤维素的降解效率，同时大幅减少了温室气体排放。SCM通过维持更高的细菌多样性并丰富与木质纤维素降解相关的功能菌群，优化了细菌群落的演替。因此，所得到的蚯蚓堆肥达到了

作者贡献声明

李俊：撰写——原始草稿、可视化、方法论、调查、数据分析、概念化。白梅：撰写——审稿与编辑。程龙：撰写——审稿与编辑。邵一帆：可视化、调查。徐阳：调查、数据管理。徐超：撰写——审稿与编辑、资源准备。张鑫：撰写——审稿与编辑、数据分析。曹洪亮：资源准备、资金获取。袁巧霞：撰写——审稿与编辑、监督、项目指导

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了湖北省技术创新计划（2023BCB113）的支持。李俊还感谢中国奖学金委员会对其在澳大利亚墨尔本大学学习期间的支持（202506760042）。