紫莖澤蘭堆肥的質量及對土壤有機質、養分和微生物的影響①

隋宗明，殷 潔，李 軒，袁 玲

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紫莖澤蘭堆肥的質量及對土壤有機質、養分和微生物的影響①

隋宗明，殷 潔，李 軒，袁 玲*

(西南大學資源環境學院，重慶 400716)

為紫莖澤蘭是我國危害最嚴重的外來入侵植物，具有生物毒性，無害化處理與資源化利用可經濟、有效地防除紫莖澤蘭。試驗檢測了紫莖澤蘭生物堆肥的質量，并將紫莖澤蘭生物堆肥(M)、化肥(CF)和生物堆肥+化肥(CFM)分別施入土壤，利用培養試驗比較了它們對土壤有機質、養分和微生物的影響，為客觀評價紫莖澤蘭生物堆肥質量、微生物毒性和肥效提供有益信息。結果表明，紫莖澤蘭生物堆肥質量符合NY525-2011國家標準(水分除外)，且優于自然堆肥。在120 d的培養期間，CF處理降低土壤真菌和放線菌數量，對細菌數量無顯著影響；CFM和M處理可提高土壤有機質和微生物量碳、氮，增加土壤細菌、真菌和放線菌數量。在添加化肥的土壤中，培養前期的堿解氮、脲酶和蔗糖酶活性高于CK(不施肥)，后期與CK無顯著差異。在CFM和M處理的土壤中，堿解氮變化平緩，但持續高于CK，蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶和過氧化氫酶活性顯著高于CF和CK。因此，紫莖澤蘭生物堆肥對土壤有機質、氮、微生物生物量及土壤酶活性的影響類似于普通有機肥。

紫莖澤蘭；堆肥；土壤；微生物

紫莖澤蘭(Spreng.) 系菊科澤蘭屬多年生毒草，是我國危害最嚴重的外來入侵植物[1-2]。大規模侵入西南地區的農田、森林、草場，在四川省涼山州的危害面積達到幅員面積的14%[3]，并快速向東部和北方蔓延，造成了巨大的生態災難和經濟損失。

關于紫莖澤蘭防除與資源化利用的研究已進行20多年。結果表明，該植物造紙纖維不夠長，做飼料有毒，作為柴火熱值太低[1]。紫莖澤蘭內含單萜類、倍萜類、三萜類、苯丙素類、黃酮類及其衍生物等100多種化學物質。其中，阿魏酸、鞣質、克拉維醇、紫莖澤蘭內脂、乙酸龍腦酯、芳樟醇、香豆素、傘形花酯、香草醛和澤蘭酮等具有動、植物和微生物毒性[4-5]，加之紫莖澤蘭的根、莖和種子均可再生繁殖，除防過程中不能直接施入土壤。因此，提取殺蟲、殺菌、除草成分等成為目前紫莖澤蘭資源化利用的途徑[6]，但剩余的植物殘體仍需有效處理。值得注意的是，紫莖澤蘭分布廣、生長快、生物量大，富含有機質、氮、磷、鉀和微量元素[7]，是優良的有機肥源。人們曾進行過工廠化處理紫莖澤蘭生產有機肥的嘗試，其各項質量指標均達到國家有機肥標準[8]，但由于收集運輸困難、運行成本高、入不敷出，現已全部停產。野外就地堆肥能經濟、有效地防除與資源化利用紫莖澤蘭，但堆肥是微生物主導的生物化學過程，紫莖澤蘭體內的毒物抑制堆肥微生物活動，妨礙有機質礦化與腐殖化，故傳統方法堆肥腐熟不佳，難于有效降解紫莖澤蘭的有毒物質、徹底腐熟和殺滅繁殖器官[9]。

課題組經多年研究，采用生物堆肥野外就地處理紫莖澤蘭，腐熟效果好，能有效降解對動、植物有毒的化學物質[5,10]，但對微生物的毒性尚待評估。為此，本文根據國家NY/525-2011有機肥標準[11]，測定了涼山州多地紫莖澤蘭生物堆肥的有關指標，并采用培養方法研究了紫莖澤蘭堆肥對土壤養分和微生物影響，為評價紫莖澤蘭生物堆肥的質量、微生物毒性和肥效提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

紫莖澤蘭：于2015年9月采自涼山州，屬營養生長期，含水量81.45%，碳氮比13.78，N、P2O5和K2O含量分別為16.1、4.5 和21.7 g/kg，纖維素、木質素含量分別為265.2、177.4 g/kg(干基)。

供試土壤：重慶市北碚區歇馬鎮(106°21′53.07″E，29°46′4.20″N)灰棕紫泥紫色土，pH 6.25，有機質、全氮、磷、鉀分別為17.24、0.74、0.30和13.46 g/kg，有效氮、磷、鉀分別為67.8、23.12和111.8 mg/kg。采集0 ~ 20 cm耕作層，揀除雜物，風干磨細，過2 mm篩備用。

腐熟劑：由銅綠假單胞菌(sp.，活菌數3.01′109cfu/g)和高溫纖維菌(sp.，活菌數1.50′109cfu/g)組成。腐熟劑中的微生物經專門篩選，銅綠假單胞菌能以苯、菲和芘為碳源和能源，最適生長溫度29.0℃，51.0℃停止生長；高溫纖維菌的最適生長溫度32.5℃，61.5℃停止生長。取10.00 g 菌劑，用100 ml無菌水震蕩提取(250 r/min)，4 000 r/min離心15 min，取1.00 ml上清液于25 ml PDA液體培養基中，14 d時對菲、芘的降解率分別為73.14% 和66.32% (30℃、150 r/min搖瓶培養，菲、芘濃度均為100 mg/L)。另取部分上清液，經超聲波破碎，其中CMC-Na纖維酶活力為16.4 μg/(min·ml)。

堆肥輔助劑：尿素和硫酸鎂按2︰1混合。

1.2 試驗方法

1.2.1 堆肥方法 2015年9月，堆肥分別在四川省涼山州會理、會東、西昌、德昌和冕寧縣等地同時進行。堆肥處理包括：①生物堆肥(M)：在收割紫莖澤蘭的附近選擇一塊平地，先將新鮮紫莖澤蘭鍘成5 ~ 10 cm的長條，再堆成長條狀(長′寬′高?(3.5 ~ 4.0) m′(1.5 ~ 2.0) m′(1.5 ~ 1.8) m)。每堆高20 ~ 30 cm，撒少許腐熟劑和輔助劑，踩踏緊實，堆至規定高度后，覆蓋農用塑料薄膜。每1 000 kg紫莖澤蘭約需腐熟劑2.5 kg，堆肥輔助劑4 kg。②自然堆肥：試驗材料、堆制方式、堆制時間均與M處理一致，但未添加腐熟劑和輔助劑。試驗重復4次，堆置70 ~ 90 d。

在堆肥結束后，取堆肥樣品置于索氏脂肪提取器內，石油醚加熱(60°C)回流12 h，用殘余法計算石油醚提取物含量[12]；NY/525-2011方法測定堆肥水分、有機質、N、P2O5、K2O、Pb、Cr、Cd、Hg、As含量；GB/T 11957-2001方法測定腐殖酸含量[13]。

1.2.2 培養試驗 試驗自2015年12月至2016年3月在西南大學資源環境學院植物營養實驗室進行。設置：①不施肥(CK)；②化肥(CF)；③化肥+有機肥(CFM，有機氮︰無機氮=1︰1)；④有機肥(M)共4個處理。化肥選擇尿素、磷酸二氫鉀、氯化鉀配合施用，有機肥為紫莖澤蘭生物堆肥。除對照外，各處理氮、磷、鉀養分用量相同，以單施紫莖澤蘭有機肥養分含量為計算標準(每千克土壤施用5 g紫莖澤蘭有機肥，即11 250 kg/hm2，約相當于316.95 kg N、94.2 kg P2O5和303.45 kg K2O)。取200 g土壤于塑料杯中，肥土混勻，加去離子水至田間最大持水量的60%，透氣膜封口，(25±1)℃黑暗培養120 d，適時用稱重法補水至初始含量的±2%，每個處理重復24次。

在培養期間，于0、5、10、20、30、40、60、120 d，隨機從各處理中取出3個培養杯，常規分析土壤pH，有機質，全量和有效氮、磷、鉀[14]；氯仿熏蒸-0.5 mol/L K2SO4提取土壤微生物生物量碳氮，K2Cr2O7氧化法測碳和腚酚藍比色法測氮[15]；高錳酸鉀滴定法、苯酚鈉-次氯酸鈉比色法、磷酸苯二鈉比色法和3,5-二硝基水楊酸比色法分別測定過氧化氫酶、脲酶、磷酸酶和蔗糖酶活性[16]；第45天用平板計數法測定土壤細菌(牛肉膏蛋白胨培養基)、放線菌(高氏一號培養基)和真菌(馬丁氏瓊脂培養基)數量[17]。

1.2.3 統計分析 用Excel 2010、SPSS 18.0 軟件和Duncan新復極差法對試驗數據進行基本計算、單因素方差分析(One-way ANOVA)和處理間差異性的多重比較，顯著水平設置為< 0.05。

2 結果與分析

2.1 堆肥的感官比較及分析測定

紫莖澤蘭堆置70 ~ 90 d, 生物堆肥處理呈黑褐色和黑色，質地松軟，臭味消失，完全腐熟。但是，同時期的自然堆肥處理未腐熟，呈灰色或灰褐色，紫莖澤蘭的莖桿絕大多數形態完好，質地堅硬、難于折斷，仍保持紫莖澤蘭特有的臭味。

表1可見，自然堆肥的水分、有機質和總養分依次為584.7、414.2和50.7 g/kg，均未達到NY/525-2011國家標準。生物堆肥的水分、有機質、總養分依次為732.8、553.2和63.6 g/kg；Pb、Cd、As、Hg、Cr含量分別是13.25、0.61、3.54、0.26和18.14 mg/kg；除水分含量之外，各項指標均符合國家標準。此外，生物堆肥的有機質、N、P2O5、K2O含量顯著高于自然堆肥，腐殖酸含量高達84.2 g/kg。

2.2 土壤有機質和全量養分

由表2可見，處理間土壤有機質含量依次為M> CFM > CF和CK，變化于17.07~20.81 g/kg。土壤全氮含量范圍0.74~0.87 g/kg；CK最低，施肥處理比CK平均高9.78%~13.78%，但CF、CFM和M處理之間無顯著差異。土壤全磷和全鉀各處理之間均無顯著差異，全磷變化于0.29~0.32 g/kg，全鉀13.41~13.82 g/kg。

表1 紫莖澤蘭和不同堆肥的養分及重金屬含量

注：表中數據為平均值±標準差，同行數據小寫字母不同表示處理間差異顯著(<0.05)。

表2 土壤有機質和全量養分變化(g/kg)

注：表中數據為平均值±標準差，同列數據小寫字母不同表示處理間差異顯著(<0.05)，下表同。

2.3 土壤有效養分

圖1是培養期間，土壤有效氮、磷、鉀的動態變化。

堿解氮：在培養前期(≤ 30 d)處理間土壤堿解氮含量由高到低的順序是：CF > CFM > M > CK。但隨培養時間延長，CF土壤中的堿解氮大幅度降低，CFM緩慢降低，M小幅度增加，CK無顯著變化，致使堿解氮在后期出現CFM ≈M > CF > CK的現象。

有效磷：處理間CF> CFM > M > CK，隨培養時間延長，有效磷含量持續提高。培養至120 d，分別比培養初期增加了23.44%(CK)、19.74%(CF)、25.74% (CFM)和23.55%(M)。

有效鉀：處理間M > CFM >CF>CK；在培養期間，土壤有效鉀含量無顯著變化。

2.4 土壤微生物

2.4.1 微生物生物量碳、氮 微生物生物量碳：CFM和M處理顯著高于CF和CK；在培養第5和20 天，CF土壤中的微生物生物量碳顯著高于CK，其余無顯著差異。微生物生物量氮總體上呈單峰變化。在CFM和M處理土壤中，微生物生物量氮的最大值顯著高于CF和CK。CF和CFM的峰值出現在培養第5和10 天，顯著高于CK，然后迅速降低；M和CK的峰值延遲至培養第20天，然后也迅速降低。在培養20 d以后，CF土壤中的微生物生物量氮與CK無顯著差異。

2.4.2 細菌、真菌、放線菌 培養第45 天，土壤細菌數M處理最高，CFM次之，CF和CK最低(二者無顯著差異)，變化于2.28′107~4.43′107cfu/g(表3)。土壤真菌數M > CFM > CK > CF，高低相差3倍以上。土壤放線菌的變化趨勢類似真菌，高低相差約5倍。

2.5 土壤酶活性

過氧化氫酶：在CFM和M處理土壤中，過氧化氫酶活性顯著高于CF和CK(圖3)；但在培養第20和30天的土壤中，CF處理的過氧化氫酶活性顯著低于CK，其余時間無顯著差異。

表3 土壤可培養細菌、真菌和放線菌數量

酸性磷酸酶：在整個測定周期中，除1個點外(第30 天無顯著差異)，CFM和M處理顯著高于CF和CK，CF和CK之間總體上無顯著差異。在CF、CFM和CK處理的土壤中，隨培養時間延長，磷酸酶活性緩慢上升；在M處理土壤中，培養20 d前磷酸酶活性升至最高，之后降低。

脲酶：在測定的各個時間點，CK處理的土壤脲酶活性無變化。各時期的CFM、M處理均高于CK，而CF在30 d前高于CK，后期與CK一致。在添加CF、CFM和M的土壤中，隨培養時間延長，脲酶活性先升高，然后下降。

蔗糖酶：CK的土壤蔗糖酶活性隨培養時間延長呈近似直線下降。CF、CFM和M處理的土壤中，蔗糖酶活性先升高，然后降低；培養30 d后，CF處理的蔗糖酶活性顯著低于CK；在測定的各個階段，CFM和M處理的蔗糖酶活性顯著高于CK。

3 討論

3.1 紫莖澤蘭堆肥質量

堆肥積制是微生物主導下的生物化學過程，有機物料在堆制過程中發生礦質化和腐殖化[18-19]。在相同時間內，自然堆制的紫莖澤蘭未腐熟，推測其毒物可能抑制了堆肥微生物活動，妨礙有關生物化學反應。但在生物堆肥處理中，腐熟劑中的銅綠假單胞菌能分解苯、菲和芘等芳香族毒物；接種高溫纖維菌增加礦化微生物數量；添加尿素可調節物料碳氮比, 滿足微生物的營養需要；硫酸鎂與有機質分解釋放的CO2和NH3分別生成碳酸鎂和硫酸銨，減少氨的揮發損失；覆膜可保持物料溫度相對平穩，防止降雨積水，減小環境條件的不良影響。因此，生物堆肥有益于微生物活動，促進堆肥發酵，改善堆肥質量，使紫莖澤蘭腐熟良好，有機質、氮、磷、鉀、腐殖酸含量顯著高于自然堆肥，其堆肥質量達到國家NY/525-2011標準(水分例外)，腐殖質含量高達8.42%。

3.2 紫莖澤蘭生物堆肥對土壤有機質和氮素養分的影響

添加紫莖澤蘭生物堆肥提高土壤有機質含量，類似普通有機肥[20-21]。在農業生產中，施用有機肥有益于增加土壤有機質，培肥土壤，提高作物產量品質[22]。在培養前期，土壤堿解氮CF > CFM > M，但隨培養時間延長，CF土壤中的堿解氮大幅度降低，堿解氮CFM ≈ M > CF。說明化肥釋放養分迅速，損失率高；相反，紫莖澤蘭生物堆肥釋放氮素慢，損失少，與普通有機肥的養分釋放相似[23]。因此，化肥配施紫莖澤蘭生物堆肥施入土壤可達到長緩相濟，滿足作物長短期營養需要的目的。

3.3 紫莖澤蘭生物堆肥對土壤微生物的影響

據報道，紫莖澤蘭具有微生物毒性[1,24]，直接施入土壤可能抑制微生物生長繁殖。但是，在培養試驗中，將紫莖澤蘭生物堆肥加入土壤，提高了微生物生物量碳氮；在CFM和M處理的土壤中，細菌、真菌和放線菌數量增加。說明生物堆肥降解了紫莖澤蘭體內的微生物毒物，施入土壤后促進了微生物生長繁殖，與普通有機肥對土壤微生物的影響類似[25-27]。但在CF處理的土壤中，培養前期的微生物生物量氮顯著高于CK，而微生物生物量碳總體上與CK無顯著差異。說明在添加CF的土壤中，微生物生物量碳氮比前后期不同，微生物種群結構不一樣。前人研究表明，化學氮肥施入土壤之后，可活躍氨化、硝化和反硝化微生物，促進氮素轉化或導致氮素損失；當土壤含氮量降低之后，這些微生物的數量隨之減少[28-29]，這可能是微生物生物量碳氮比前后期不同的原因之一。需要指出的是，土壤中棲息著約107種微生物，包括固氮、溶磷、解鉀、促生、抗菌等多種有益微生物，紫莖澤蘭堆肥和化肥對它們的影響尚需進一步評估。

土壤微生物分泌各種酶類，土壤酶活性反映土壤微生物活力狀況[30-32]。在添加紫莖澤蘭堆肥的土壤中，過氧化氫酶、脲酶、磷酸酶和蔗糖酶活性提高，意味著土壤微生物數量增加，活性增強，與秸稈還田和施用有機肥增加土壤微生物數量，提高土壤酶活性的結果一致[33-35]。在CF處理中，培養前期的脲酶和蔗糖酶活性增強，但后期與CK無顯著差異。土壤脲酶催化尿素水解[36-37]，有益于將CF處理中的尿素轉化成NH3。蔗糖酶可作為有機質礦化的重要標志之一[16]，故在未添加有機質的CF處理中，蔗糖酶活性增強意味著土壤本身的有機質發生礦化，由此可解釋長期大量單施氮肥造成土壤有機質降低的現象。

4 結論

紫莖澤蘭生物堆肥的質量優于自然堆肥，除水分含量之外，其余指標符合國家NY/525-2011有機肥料標準。在土壤中添加紫莖澤蘭生物堆肥，提高土壤有機質、堿解氮和微生物生物量碳氮含量，增加細菌、真菌和放線菌數量，增強土壤酶活性，故紫莖澤蘭生物堆肥對土壤有機質、氮、微生物生物量及活性的影響類似于普通有機肥。

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Quality ofCompost and Effects on Organic Matter, Nutrients, and Microbes in Soil

SUI Zongming, YIN Jie, LI Xuan, YUAN Ling*

(College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400716, China)

, a most harmful invasive plant in China, contains toxicants to microbes. It is beneficial to economical and effective elimination this plant by the harmless treatment and resource utilization. In this paper, the qualities ofbio-compost and natural compost were measured, thenbio-compost (M), chemical fertilizer (CF) and bio-compost+chemical fertilizer (CFM) were added into soil to study their influences on soil organic matter, nutrients and microbes by incubation method in order to get information on the evaluation of M quality, microbial toxicity and fertilizer efficiency. The results showed that M was conformed to NY525-2011 (the National Standard of Organic Fertilizer) except moisture higher than that of Standard. M quality was better than natural compost. During 120 day incubation, CF decreased the quantities of fungi and actinomycetes in contrast to bacteria which changed little. Providing soil with CFM or M increased organic matter, microbial carbon and nitrogen, and the quantities of bacteria, fungi and actinomycetes in soils. In the soil with CF, alkaline-hydrolyzed N and the activities of soil urease and sucrase in early incubation stage were much higher than CK (blank control), but became similar to CK in the late stage. In the soil with CFM or M, alkaline-hydrolyzed N was higher than CK and changed gently in whole incubation period, the activities of soil catalase, urease, acid phosphatase and sucrose were higher than CF and CK. Therefore, the influence of M on soil organic matter, nutrients, and microbial biomass and soil enzyme activity was similar to common organic fertilizers.

; Compost; Soil; Microbes

10.13758/j.cnki.tr.2017.03.015

S141.4

A

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目(2013CB127405)和四川省煙草公司科技項目(201551340027159)資助。

(lingyuanh@aliyun.com)

隋宗明(1994—)，男，吉林通化人，碩士研究生，主要研究方向為植物營養與肥料。E-mail: szmlvqy@163.com