蚯蚓堆肥與益生菌配施對土壤肥力及微生物特性的影響①

曾令濤，王東升，王禎祎，王斯琪，盛雄杰，常江杰，李輝信，胡 鋒，焦加國*

(1 南京農業大學資源與環境科學學院，南京 210095；2 江蘇省有機固體廢棄物資源化協同創新中心，南京 210095；3 南京市蔬菜科學研究所，南京 210042)

蚯蚓堆肥與益生菌配施對土壤肥力及微生物特性的影響①

曾令濤1,2，王東升3，王禎祎1，王斯琪1，盛雄杰1，常江杰1,2，李輝信1,2，胡 鋒1,2，焦加國1,2*

(1 南京農業大學資源與環境科學學院，南京 210095；2 江蘇省有機固體廢棄物資源化協同創新中心，南京 210095；3 南京市蔬菜科學研究所，南京 210042)

基于等量養分條件，本試驗研究了蚯蚓堆肥與解淀粉芽孢桿菌(X)和熒光假單胞菌(Y)兩株不同功能益生菌配施對西瓜地土壤肥力和微生物特性的影響。結果表明，不論添加益生菌與否，蚯蚓堆肥較單施化肥或常規堆肥均提高了土壤速效養分含量，顯著增加了土壤微生物生物量和土壤酶活性，其中土壤 NO–3-N含量較常規堆肥提高了14.7%。益生菌的添加活化了土壤養分，增加了土壤細菌、放線菌、解淀粉芽孢桿菌和熒光假單胞菌數量，降低了土壤真菌數量，同時顯著提高了土壤酶活性。各處理比較而言，蚯蚓堆肥配施益生菌在土壤速效養分含量、土壤微生物生物量及土壤酶活性上提升作用最為明顯，其中蚯蚓堆肥配施混合益生菌處理 (VCXY) 的土壤細菌數量和蔗糖酶活性相較于常規堆肥配施混合益生菌處理 (CDXY) 分別提高了32.0% 和14.4%。方差分析結果表明，蚯蚓堆肥和常規堆肥與益生菌在土壤速效磷、速效鉀、微生物生物量碳、細菌數量、真菌數量、脲酶及蔗糖酶活性上存在顯著交互作用。綜上所述，蚯蚓堆肥與益生菌配施可顯著促進土壤肥力和微生物活性的改善，可替代部分化肥用于設施蔬菜的綠色生產和土壤培肥。

蚯蚓堆肥；益生菌；土壤肥力；微生物生物量；酶活性

隨著我國畜牧業規模化和集約化的不斷發展，農業有機廢棄物越來越受到人們的關注，一方面，有機廢棄物的無序化處理帶來了環境污染；另一方面，由于有機廢棄物含有的大量養分得不到合理利用而造成嚴重的資源浪費[1–2]。畜禽糞便經發酵而成的有機堆肥，既解決了農業有機廢棄物的處置問題，又具有培肥土壤和促進作物生長的作用，有效地實現了畜禽糞便的養分再循環及其資源化利用[3–5]。蚯蚓堆肥是對高溫腐熟后的有機堆肥添加蚯蚓，通過蚯蚓的吞食消化和生命活動等作用產生的一種新型有機堆肥，結合了傳統堆肥法與生物處理法兩方面的優勢，具有良好的物理、化學和生物學特性，可改善土壤生態環境，提高作物產量和品質[6–9]。土壤益生菌作為促進植株生長的一類土壤細菌，具有活化土壤養分、提高土壤酶活性的作用[10–11]，將其與有機堆肥混合而成的生物肥料，兼具有機堆肥和益生菌的優勢，在有機堆肥給予益生菌良好的生長環境的同時，益生菌也通過自身活動及其分泌物促進了堆肥養分的轉化[12–13]，從而調節土壤微生物生態結構，提高肥料利用率，同時，生物肥料的廣泛應用有效地解決了畜禽糞便給環境帶來的污染，符合我國農業可持續發展的要求。

目前，有研究報道稱有機堆肥與益生菌配施對作物生長、產量和品質具有促進作用，同時對多種作物病害具有防控作用[14–16]。本試驗選用蚯蚓堆肥和常規堆肥，以及自主篩選的解淀粉芽孢桿菌和熒光假單胞菌兩種不同功能的益生菌，旨在研究蚯蚓堆肥與益生菌共同作用下對西瓜地土壤肥力和微生物特性的影響，以期為蚯蚓堆肥的資源化利用提供理論和實踐基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2015年在南京市蔬菜科學研究所溫室大棚開展，試驗地點屬亞熱帶濕潤氣候，年均氣溫15.4℃，年均降雨量1 106 mm，土壤類型為黃棕壤。供試常規堆肥為鮮牛糞經高溫堆制發酵后的腐熟牛糞，蚯蚓堆肥為腐熟牛糞經蚯蚓處理后的產物，均由南京市博農生物科技有限公司提供；供試化肥為尿素(CON2H4)、過磷酸鈣(CaP2H4O8)和氯化鉀(KCl)；供試西瓜品種為8424。

試驗用兩種益生菌為解淀粉芽孢桿菌 X (Bacillus amyloliquefaciens，保藏號CGMCC No.5624)和熒光假單胞菌Y(Pseudomonas fluorescens，保藏號CGMCC No.7130)，均為南京農業大學資環學院土壤生態實驗室自行篩選的專利菌，分別具有解鉀、解磷及一定的促生功能。將兩種益生菌進行實驗室培養，待菌液活菌數量達109cfu/ml后，按照10︰1的固液比分別與蚯蚓堆肥和常規堆肥混合，保持適宜溫度和含水量培養4天，經選擇性培養基測定堆肥中解淀粉芽孢桿菌和熒光假單胞菌濃度分別為1.2×109cfu/g和8.3×109cfu/g，置陰涼處保存備用。供試土壤及有機堆肥理化性質見表1。

表1 供試土壤和有機堆肥基本性質Table 1 Physico-chemical properties of tested soil and organic compost

1.2 試驗設計

試驗共設10個處理(表2)，每個處理3次重復，共30個小區，隨機區組排列，每個小區面積6.8 m2，定植8株西瓜。試驗采用等量養分設計原則，總養分標準為N 240.0 kg/hm2、P2O5345.0 kg/hm2、K2O 330.0 kg/hm2，有機堆肥施用量為 10.5 t/hm2(干重)，養分不足的處理以化肥補齊，肥料以溝施方式于西瓜苗移栽前一次性施入。

表2 試驗處理及具體施肥情況Table 2 Information of experimental treatments and fertilization

于2015年3月28日進行西瓜苗的移栽定植，株間距40 cm，花期自然授粉，田間灌溉采用滴灌方式，保持良好通風，各處理間田間管理一致。分別在西瓜盛花期(2015年5月)和收獲期(2015年6月)采集土壤樣品，采集的土壤樣品帶回實驗室測定土壤化學性質、土壤微生物指標和土壤酶活性。

1.3 測定指標與方法

有機肥理化指標測定：參照國家有機肥料相關標準[17–19]。

土壤肥力指標測定：參照《土壤農化分析》[20]。

土壤微生物指標測定：微生物生物量碳氮采用氯仿熏蒸浸提法測定；微生物呼吸采用黑暗培養–氣相色譜法測定；細菌采用牛肉膏蛋白胨培養基培養測定；真菌采用馬丁氏培養基培養測定；放線菌采用高氏一號培養基培養測定；解淀粉芽孢桿菌和尖孢鐮刀菌采用相應選擇性培養基培養測定[21–22]；熒光假單胞菌采用CFC選擇性培養基培養測定。

土壤酶活性測定：脲酶采用苯酚–次氯酸鈉比色法測定；酸性磷酸酶采用氯代二溴對苯醌亞胺比色法測定；蔗糖酶采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定；過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法測定。

1.4 數據分析

使用Excel 2003處理數據和制表，Origin 9軟件制圖，SPSS 20軟件對數據進行顯著性檢驗 (P<0.05)和方差分析。

2 結果與分析

2.1 蚯蚓堆肥與益生菌配施對土壤肥力的影響

由表 3可知，與單施化肥(CF)或常規堆肥處理(CD)相比，不論添加益生菌與否，蚯蚓堆肥均提高了土壤速效養分含量。與單施化肥相比，蚯蚓堆肥和常規堆肥顯著提高了土壤 pH，土壤有機質(SOM)也有一定程度的提高，但無顯著差異。

在西瓜盛花期，蚯蚓堆肥及其配施益生菌處理的土壤速效養分含量較常規堆肥均有不同程度提高，其中單施蚯蚓堆肥處理的土壤NO3–-N含量較常規堆肥提高了14.7%。解淀粉芽孢桿菌X和熒光假單胞菌Y益生菌的添加，不同程度促進了土壤速效養分含量的提高，其中土壤速效鉀和速效磷含量顯著增加。所有處理中，VCXY處理的速效磷含量最高，相比于VC處理提高了 18.0%，VCX處理的速效鉀含量最高，相比于CDX處理提高了5.8%。

表3 蚯蚓堆肥與益生菌配施對土壤肥力的影響Table 3 Effects of interaction between vermicompost and probiotics on soil fertility

西瓜收獲期的土壤速效養分含量較盛花期均有不同程度的降低，且各處理間變化趨勢與盛花期基本一致，其中單施蚯蚓堆肥處理的 NO3–-N、速效磷和速效鉀含量較單施常規堆肥處理顯著增加。值得注意的是，在西瓜盛花期，單施化肥的速效磷含量高于蚯蚓堆肥和常規堆肥及其配施益生菌處理，而在西瓜收獲期，蚯蚓堆肥和常規堆肥及其配施益生菌的速效磷含量均高于單施化肥處理。各處理間比較而言，蚯蚓堆肥配施益生菌處理對土壤NO3–-N和速效磷含量提升作用最為顯著，其中VCXY處理的速效磷含量相比于CDXY處理提高了8.8%，說明蚯蚓堆肥及其配施益生菌對土壤速效養分的提升作用顯著且優于常規堆肥。

2.2 蚯蚓堆肥與益生菌配施對土壤微生物特性的影響

2.2.1 蚯蚓堆肥與益生菌配施對土壤微生物生物量的影響 由圖1可以看出，各處理間土壤微生物生物量碳(MBC)和土壤微生物生物量氮(MBN)與土壤呼吸速率(SRR)的變化規律基本一致。不論添加益生菌與否，有機堆肥的施用均提高了 MBC、MBN和SRR，且蚯蚓堆肥的作用更為明顯。益生菌的添加對MBC、MBN和SRR也有一定的促進作用，其中MBN顯著增加。各處理間比較而言，蚯蚓堆肥配施益生菌處理的MBC、MBN和SRR均最大，其中VCXY處理的MBC和MBN較CDXY處理分別提高了17.2%和13.1%。MBC/MBN是反映土壤微生物群落組成及結構變化的指標，一般而言，土壤真菌的碳氮比大于土壤細菌。本試驗中單施有機堆肥處理提高了MBC/ MBN，而益生菌的施入則降低了 MBC/MBN，其中以CDXY處理最低，說明有機堆肥及益生菌的施入對土壤微生物群落結構產生了一定的影響。

2.2.2 蚯蚓堆肥與益生菌配施對土壤微生物數量的影響 由表4可知，不論添加益生菌與否，有機堆肥均提高了土壤細菌、放線菌、解淀粉芽孢桿菌和熒光假單胞菌數量，且以蚯蚓堆肥的作用更為明顯。各處理間比較而言，蚯蚓堆肥配施益生菌處理的土壤細菌、放線菌、解淀粉芽孢桿菌和熒光假單胞菌數量均最大，其中VCXY處理的土壤細菌和放線菌數量相比于CDXY處理分別提高了32.0% 和16.7%。益生菌的添加顯著提高了土壤細菌數量，解淀粉芽孢桿菌和熒光假單胞菌數量也得到相應的增加，其中 VCXY處理相比于 VC處理土壤解淀粉芽孢桿菌數量提高了79.2%，VCY處理相比于VC處理土壤熒光假單胞菌數量提高了38.8%，說明益生菌施入土壤之后定殖情況良好。尖孢鐮刀菌是西瓜枯萎病的致病菌，屬于真菌類，益生菌的添加顯著降低了土壤真菌和尖孢鐮刀菌數量，土壤真菌的碳氮比大于土壤細菌，本研究益生菌降低土壤MBC/MBN的試驗結果與此相吻合，原因可能是由于在同一土壤環境容量下，隨著細菌不斷地定殖和繁殖，占用了大量的空間與營養，從而抑制了土壤真菌的生長與繁殖。

表4 蚯蚓堆肥與益生菌配施對土壤微生物數量的影響Table 4 Effects of interaction between vermicompost and probiotics on soil microbial population

2.2.3 蚯蚓堆肥與益生菌互作對土壤酶活性的影響 由圖2可以看出，與單施化肥或常規堆肥相比，不論添加益生菌與否，蚯蚓堆肥均提高了土壤酸性磷酸酶和蔗糖酶活性，其中VC處理相比于CD處理顯著增加。益生菌的添加提高了土壤酶活性，其中VCY處理的土壤脲酶和酸性磷酸酶活性與 VC處理相比分別提高了 12.5% 和 11.8%，值得注意的是，各處理間土壤過氧化氫酶活性無顯著差異，這可能是受到土壤類型以及肥料等綜合因素的影響。各處理間比較而言，土壤脲酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶的最大值處理均為蚯蚓堆肥配施益生菌，其中VCXY處理的土壤蔗糖酶活性相比于CDXY處理提高了14.4%，說明蚯蚓堆肥及其配施益生菌對土壤酶活性的提升作用顯著且優于常規堆肥。

圖2 蚯蚓堆肥與益生菌配施對土壤酶活性的影響Fig. 2 Effects of interaction between vermicompost and probiotics on soil enzyme activities

3 討論

本研究結果表明，不論添加益生菌與否，與單施化肥或常規堆肥相比，蚯蚓堆肥均提高了土壤速效養分含量，增加了土壤微生物生物量和土壤酶活性?；适┤胪寥篮箴B分含量迅速增加，西瓜盛花期CF處理的土壤 NH-N、速效磷和速效鉀含量均高于其他處理，但釋放的養分易因灌溉和土壤的吸附固定而降低其利用率，其中以速效磷尤為明顯，而有機堆肥養分釋放緩慢，持續供應作物生長[3]。試驗各處理比較而言，在整個西瓜生長期，VC處理的土壤NO3–-N、速效磷和速效鉀含量均高于CD處理，且西瓜收獲期土壤NO3–-N和速效磷含量的最大值均為蚯蚓堆肥配施益生菌處理，說明蚯蚓堆肥及益生菌的施入為西瓜中后期的生長提供了更加充足的養分供應；土壤微生物特性是土壤質量的重要組成部分，也是影響土壤微生物生態環境的重要因素[23]。蚯蚓堆肥和常規堆肥的添加均提升了土壤微生物活性，且以蚯蚓堆肥配施益生菌的效果最為突出，其中VC處理的MBC較CD處理提高了17.3%，VCXY處理的土壤細菌數量和土壤蔗糖酶活性較 CDXY處理分別提高了 33.0%和14.4%。已有研究報道表明[24–28]，有機堆肥和益生菌均具有提高土壤養分和土壤微生物活性的作用，本試驗中蚯蚓堆肥與益生菌配施對土壤養分和微生物活性的提升作用更為明顯。此外，Pant等[29]和Zhang等[30]的研究表明，蚯蚓堆肥中提取出的堆肥茶(浸出液)等物質對土壤質量提升和植物生長均具有明顯促進作用。

益生菌的添加促進了土壤速效養分的提高，顯著增加了土壤微生物生物量和土壤酶活性，且以蚯蚓堆肥配施益生菌的提升作用更為明顯，其中VCXY處理相比于CDXY處理土壤NO3–-N含量和MBC含量分別提高了 10.8% 和 17.2%。益生菌的添加顯著提高了土壤細菌和放線菌數量，解淀粉芽孢桿菌和熒光假單胞數量也得到相應的提升，且以蚯蚓堆肥中的益生菌濃度最高，說明施入的益生菌在蚯蚓堆肥中的定殖情況最佳，而定殖后的益生菌通過利用土壤難溶性鉀硅酸鹽和磷酸鹽生長繁殖的方式顯著提高了土壤速效鉀和速效磷含量。有機肥和益生菌的施入，提升了土壤微生物數量，微生物通過自身活動和分泌有機酸等方式活化土壤和肥料養分，而活化后的養分又為微生物的生長繁殖提供了良好的物質基礎，兩者相互促進，共同提升了土壤質量[31–32]。相對于常規堆肥，蚯蚓堆肥除具有良好的生化性質外，還具有疏松多孔、表面積大的物理性質，更有利于益生菌的生長與繁殖。方差分析結果表明(表 5)，有機堆肥與益生菌在土壤速效磷、速效鉀、MBC、細菌數量、真菌數量、脲酶及蔗糖酶活性上有顯著的交互作用。Davoud等[33]研究表明，蚯蚓糞和叢枝菌根真菌(AMF)生物肥料對土壤體積質量等土壤物理性質具有積極的影響。

表5 有機堆肥和益生菌對土壤肥力和微生物特性影響的方差分析Table 5 Variance analysis of effects of organic compost and probiotics on soil fertility and microbial properties

蚯蚓堆肥及益生菌的施用一定程度上降低了西瓜枯萎病發病率，本試驗中土壤真菌和尖孢鐮刀菌數量隨益生菌的施入呈下降趨勢。蚯蚓堆肥中含有大量微生物，經蚯蚓消化后有益微生物的數量成倍增加，且施入的益生菌在蚯蚓堆肥中得以良好定殖，在同一土壤環境容量下，益生菌的大量繁殖增強了其對營養和空間的競爭力，從而抑制了真菌和病原菌的生長，減少病原菌對寄主植物根系的傷害；另一方面蚯蚓堆肥中含有一定數量的拮抗微生物，與施入的益生菌相似，都能產生抗生素及其他次生代謝物質，抑制真菌及病原菌的繁殖，減少植物土傳病害的發生[34]。丁文娟等[35]和王麗麗等[36]研究證明生物有機肥的施用降低了土壤真菌數量，而有研究結果則表明施入的生物有機肥增加了土壤真菌數量[37]，這可能與施入菌劑的種類及土壤性質等綜合因素有關。

4 結論

總之，不論添加益生菌與否，與單施化肥或施用常規堆肥相比，蚯蚓堆肥的施用均可提高土壤肥力和土壤微生物活性，一定程度上抑制了西瓜枯萎病的發生。蚯蚓堆肥與益生菌的配施減少了因畜禽糞便造成的生態環境污染，降低了農業化肥的施用，同時還提高了土壤質量，本研究結果可為實現有機廢棄物的資源化利用提供技術支撐。

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ZENG Lingtao1,2, WANG Dongsheng3, WANG Zhenyi1, WANG Siqi1, SHENG Xiongjie1, CHANG Jiangjie1,2, LI Huixin1,2, HU Feng1,2, JIAO Jiaguo1,2*

(1 College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China; 2 Jiangsu Collaborative Innovation Center for Solid Organic Waste Resource Utilization, Nanjing 210095, China; 3 Nanjing Institute of Vegetable Science, Nanjing 210042, China)

Effects of Interaction Between Vermicompost and Probiotics on Soil Fertility and Microbial Properties

The effects of the application of vermicompost mixed with two different functional probioticsBacillus amyloliquefaciens(X) andFluorescent pseudomonas(Y) on the fertility and microbial properties of soil were studied under the same nutrient level. The results showed that whether mixed with probiotics or not, compared with chemical fertilizer and conventional compost, vermicompost could improve soil available nutrient contents，increase soil microbial biomass and enzyme activities significantly. In terms of soil NO–3content, the application of vermicompost was 14.7% higher than conventional compost. The application of probiotics promoted the activation of soil nutrients, increased the number of soil bacteria, actinomycetes, bacillus amyloliquefaciens and fluorescent pseudomonas, decreased the number of soil fungi, and improved soil enzyme activities significantly. The application of vermicompost mixed with probiotics was more obvious in increasing soil available nutrient contents, soil microbial biomass carbon and nitrogen, the amounts of soil microbial biomass and enzyme activities than other treatments, and soil bacteria number and invertase of vermicompost mixed with probiotics XY were 32.0% and 14.4% higher than conventional compost mixed with probiotics XY. Variance analysis showed that significant interactions between organic compost and probiotics on soil available phosphorus, available potassium, microbial biomass carbon, bacteria and fungi numbers, urease and invertase activities. These results indicated that the vermicompost mixed with probiotics has significant improving effects on soil fertility and microbial properties, which is a good choice of the replacement of chemical fertilizers for protecting vegetable green production and soil fertilities improvement.

Vermicompost; Probiotics; Soil fertility; Microbial biomass; Enzyme activity

S144.1

10.13758/j.cnki.tr.2016.06.006

國家重點研發計劃項目(2016YFD0200106)和農業部引進國際先進農業科學技術計劃項目(2015-Z42)資助。

* 通訊作者(jiaguojiao@njau.edu.cn)

曾令濤(1990—)，男，山東章丘人，碩士研究生，主要從事土壤生物培肥方面研究。E-mail: 2013103062@njau.edu.cn