人糞便對(duì)土壤微生物及理化性質(zhì)的影響

摘要：為研究人類糞便對(duì)土壤微生物及理化性質(zhì)的影響，以雙甕廁所人糞便發(fā)酵（SW）、SW糞便玻璃鋼化糞池發(fā)酵（BL）以及BL與木醋液混和發(fā)酵（JB）3種糞便為基礎(chǔ)，同時(shí)配合EM菌和木醋液處理，施用土壤，以化肥為對(duì)照（CK），對(duì)土壤微生物數(shù)量、酶活性及土壤養(yǎng)分含量進(jìn)行系統(tǒng)研究。結(jié)果表明，對(duì)比化肥處理，施用發(fā)酵的人糞便提升了土壤養(yǎng)分含量、酶活性、微生物數(shù)量。相比CK，JBEM處理的有機(jī)質(zhì)增加35.73%，全氮增加25.00%，速效鉀增加243.49%，土壤纖維素酶、脲酶和酸性磷酸酶活性最高，分別是CK活性的6.00、11.00、1.44倍;JBEM土壤鋅含量最高;BLEM土壤有效磷含量、微生物數(shù)量、蔗糖酶活性及有效鐵含量最高。發(fā)酵處理后的人糞肥作為底肥施入，可有效改善土壤性質(zhì)。該研究可為人糞肥的合理施用提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：人糞便;土壤酶活性;微生物數(shù)量;土壤養(yǎng)分

人糞便是一種良好的農(nóng)家肥料，養(yǎng)分完全，氮磷鉀有效成分豐富[1]，無害化發(fā)酵后施用于土壤，彌補(bǔ)了禽畜糞便重金屬、抗生素超標(biāo)等不足。但近30年來，人糞便農(nóng)用因受到衛(wèi)生、質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)和管理等多方面因素的影響而逐漸衰退，加之資金缺乏、環(huán)保意識(shí)落后等原因，造成大量人糞便未經(jīng)處理就排放到環(huán)境中[2]。據(jù)估計(jì)，全世界每年有超過2億t人類排泄物沒有得到處理。我國人糞便無害化處理率為49.8%[3]。發(fā)酵后施用于農(nóng)田的人糞便更是少之又少，而且缺乏對(duì)農(nóng)田土壤性質(zhì)的影響分析。如何將人糞便變廢為寶，減少環(huán)境污染，合理回歸農(nóng)田，實(shí)現(xiàn)生態(tài)循環(huán)，已成為社會(huì)發(fā)展急需解決的問題。

EM（Effective Microorganisms）是各微生物之間通過形成互惠互利的共存共生體系而合成的生物活菌制劑，接種EM菌劑能控制有機(jī)質(zhì)和氮素的損失，提高土壤肥力，促進(jìn)植物生長[4]。木醋液能改良土壤，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，減少臭氣[5]。EM菌和木醋液用于禽畜糞便、蚯蚓糞等發(fā)酵方面的研究較多，但關(guān)于人糞便發(fā)酵方面的報(bào)道較少。因此，本研究采用不同方式發(fā)酵人糞便，同時(shí)將EM菌和木醋液添加于不同處理的人糞便中，發(fā)酵后施入土壤，探討經(jīng)不同處理的人糞便對(duì)土壤酶活性、土壤微生物、土壤氮磷鉀含量以及土壤微量元素含量的影響，旨在合理利用人類糞便，提高土壤質(zhì)量。

一、材料與方法

（一）試驗(yàn)材料

1.EM菌液活化

在錐形瓶中加入葡萄糖5.0 g、蛋白胨2.5 g、無菌水250 mL，高壓蒸汽滅菌1 h，冷卻后加入農(nóng)富康EM菌1 g，150 r/min，35 ℃恒溫震蕩培養(yǎng)至菌液中有效菌含量約為8.075×108個(gè)。

2.供試土壤

取自河北省樂亭縣閻各莊鎮(zhèn)勝利村0～20 cm耕層土壤。

3.糞便發(fā)酵

雙甕式衛(wèi)生廁所糞便（SW），SW糞便于璃鋼化糞池中進(jìn)行發(fā)酵（BL），BL糞便加入5%木醋液于玻璃鋼化糞池中進(jìn)行發(fā)酵（JB）。以上3種分別添加

4 mL活化的EM菌液發(fā)酵，形成SWEM、BLEM、JBEM。

（二）試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)7個(gè)處理，室內(nèi)完成，3次重復(fù)。7個(gè)處理分別為不添加人糞便的土壤CK（底肥4 g）、SW（CK+SW糞便300 g/m2）、BL（CK+BL糞便300 g/m2）、JB（CK+JB糞便300 g/m2）、SWEM（CK+SEMW糞便300 g/m2）、BLEM（CK+BLEM糞便300 g/m2）和JBEM（CK+JBEM糞便300 g/m2）。BL和JB、BLEM和JBEM用于分析木醋液的作用。

（三）試驗(yàn)方法

1.土壤微生物數(shù)量測(cè)定

分別取CK、SW、JB、BL、SWEM、

BLEM和JBEM處理的新鮮土樣10 g，采用稀釋涂布菌落計(jì)數(shù)法測(cè)定微生物數(shù)量。細(xì)菌采用固體牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基培養(yǎng)，放線菌采用固體高氏一號(hào)培養(yǎng)基培養(yǎng)，霉菌采用查氏培養(yǎng)基培養(yǎng)[6]。土壤含水量采用105 ℃烘干法測(cè)定，通過計(jì)算得到每克干土中微生物的數(shù)量，即cfu/g干土。

2.土壤酶活性測(cè)定

采用3，5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定蔗糖酶活性和纖維素酶活性，采用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定土壤脲酶活性，采用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定磷酸酶活性。

3.土壤養(yǎng)分測(cè)定

采用凱氏定氮法測(cè)定土壤全氮含量，采用0.5 M碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定土壤有效磷含量，采用NH4OAc浸提、火焰光度計(jì)測(cè)定法測(cè)定土壤速效鉀含量，采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定有機(jī)質(zhì)含量。利用DTPA液浸提過孔徑

2 mm篩的風(fēng)干樣，用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定銅、錳、鐵和鋅含量。

4.數(shù)據(jù)分析

采用單因素方差分析法，分析不同土壤的養(yǎng)分、酶活性及微生物數(shù)量的差異。采用Person相關(guān)分析法，分析土壤養(yǎng)分、土壤酶活性與土壤微生物數(shù)量之間的相關(guān)性。使用SPSS 16.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理和制圖均采用Microsoft Office 2003。

二、結(jié)果與分析

（一）不同土壤中微生物數(shù)量的變化

由表1可以看出，對(duì)比CK，施用發(fā)酵人糞肥的土壤微生物數(shù)量均達(dá)顯著差異。試驗(yàn)土壤中BLEM土壤細(xì)菌和放線菌數(shù)量最多，分別是CK的2.1、2.2倍。霉菌數(shù)量呈現(xiàn)SWEM>BLEM>SW>BL>JBEM>CK>JB的趨勢(shì)。SWEM和SW中霉菌數(shù)量較多，JB和JBEM土壤中霉菌數(shù)量較少，尤其是JB甚至低于CK的霉菌數(shù)量。將EM菌添加于糞肥土壤中，細(xì)菌、放線菌和霉菌數(shù)量顯著高于無EM菌的土壤。就3種微生物數(shù)量而言，JB

綜合以上3類菌群數(shù)量的變化發(fā)現(xiàn)，施用發(fā)酵人糞肥，增加了細(xì)菌和放線菌數(shù)量，BLEM效果最為明顯。隨著糞便發(fā)酵程度的加深，霉菌數(shù)量減少，且差異顯著。EM菌處理增加了微生物數(shù)量，木醋液處理明顯減少了微生物數(shù)量。

（二）對(duì)pH值和土壤養(yǎng)分的影響

由表2可知，不同發(fā)酵類型的人糞肥對(duì)土壤基本狀況有不同程度的影響。對(duì)比CK，施用人糞肥的6種土壤pH值下降，下降范圍0.5～1.8，與CK差異均達(dá)顯著水平;JB和JBEM土壤pH值下降最多。對(duì)比CK，施用人糞肥的6種土壤養(yǎng)分增加，以BLEM和JBEM增加最多;SW和SWEM增加較少，測(cè)定指標(biāo)多數(shù)與CK差異不明顯。

JBEM土壤的有機(jī)質(zhì)、全氮和速效鉀含量相對(duì)較高，較CK有機(jī)質(zhì)增加35.73%，全氮增加25.00%，速效鉀增加243.49%。BLEM土壤有效磷含量最高，較CK增加77.50%。BLEM和JBEM土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和有效磷含量差異不顯著;JBEM土壤速效鉀含量顯著高于BLEM。JB較BL各指標(biāo)明顯升高。對(duì)比EM菌添加前后，土壤養(yǎng)分變化不明顯，僅BLEM較BL有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀含量顯著上升。總體上，發(fā)酵人糞便可以下調(diào)土壤pH值，增加土壤養(yǎng)分;木醋液顯著影響pH值，對(duì)土壤養(yǎng)分增加有一定的促進(jìn)作用;EM菌對(duì)土壤pH值、土壤養(yǎng)分影響不顯著。

發(fā)酵人糞肥有利于增加土壤微量元素，與對(duì)照相比，均呈顯著差異（見表2）。土壤有效銅含量變化為BL>JB>JBEM>BLEM>SW>SWEM>CK，錳含量變化為JB>JBEM>BLEM>BL>SWEM>SW>CK，鐵含量變化為BL>BLEM>SW>JB>SWEM>JBEM>CK，鋅含量變化為JBEM>JB>BLEM>CK>BL>SWEM>SW。錳含量增加效應(yīng)最突出，最高值JB 214.67 mg/kg，是CK的42倍，其次為鐵、銅和鋅。對(duì)比未添加EM菌土壤，JBEM土壤中錳含量有所下降，BLEM和SWEM含量上升;銅和鐵含量，SW>SWEM、BL>BLEM、JB>JBEM，說明EM菌對(duì)銅、鐵含量有抑制作用;鋅含量，SW

（三）對(duì)土壤酶活性的影響

1.蔗糖酶活性

從圖1可以看出，施用人糞便處理對(duì)蔗糖酶活性有不同程度的影響。不同施肥處理土壤中蔗糖活性有如下趨勢(shì)：BLEM>SWEM>JBEM>BL>JB>SW>CK。與無機(jī)肥料CK相比，增添人糞肥顯著提高土壤蔗糖酶活性。BLEM和SWEM的土壤酶活性最高，分別為8.16、7.89 mg/g，顯著高于其他5種土壤;BL、JB和SW 3種土壤蔗糖酶活性是CK的兩三倍，但三者間差異不顯著。EM菌的添加明顯提高了蔗糖酶活性，SWEM、BLEM、JBEM蔗糖酶活性分別是SW、BL、JB的4.8、3.7、3.3倍。JB和BL差異不明顯，JBEM

綜上，6種施用人糞肥土壤蔗糖酶活性較CK處理顯著增強(qiáng)，EM菌有利于土壤蔗糖活性的提高。

2.纖維素酶活性

纖維素酶是碳素循環(huán)中的一個(gè)重要酶[7]。圖2表明，增施人糞肥能顯著提高纖維素酶活性，JBEM>JB>SWEM>BLEM>BL>SW>CK。其中，JBEM土壤中纖維素酶活性最高，達(dá)33.3 mg/（10 g·72 h），是CK的11倍。添加EM菌后，土壤蔗糖酶活性顯著提高，SWEM、BLEM、JBEM較SW、BL、JB的升高倍數(shù)分別為1.3、1.9、1.6倍。木醋液可促進(jìn)提高纖維素酶活性，JBEM和JB分別是BLEM和BL的2.6、3.2倍。

由此可見，人糞肥的施入提升了土壤纖維素酶活性，EM菌和木醋液對(duì)土壤纖維素酶活性起促進(jìn)作用。

3.脲酶活性

土壤脲酶直接參與尿素形態(tài)轉(zhuǎn)化，并促進(jìn)有機(jī)質(zhì)分子中肽鍵的水解，對(duì)提高尿素氮肥利用率有重要意義[7]。如圖3所示，JBEM土壤脲酶活性最高，是CK活性的6倍。在CK、BL、JB、SW土壤處理比較中，BL土壤中脲酶活性最高，JB次之，其次為SW。加入EM菌處理后，JBEM>BLEM>SWEM，JBEM和BLEM差異不顯著。EM菌加入前后，土壤脲酶活性差異不顯著。

由此可見，人糞肥的適當(dāng)發(fā)酵處理有利于土壤脲酶活性的提高，JBEM活性最高，EM菌和木醋液提高了土壤脲酶活性，但EM菌和木醋液作用效果均不明顯。

4.磷酸酶活性

土壤有機(jī)磷經(jīng)土壤磷酸酶轉(zhuǎn)化為無機(jī)磷后才能被根系及土壤微生物吸收利用。施用有機(jī)肥在一定程度上提高了土壤磷酸酶活性。圖4中，土壤酸性磷酸酶活性有如下趨勢(shì)：JBEM>BLEM>JB>BL>SWEM>SW>CK。JBEM活性最高，是CK的1.44倍;BLEM次之，是CK的1.20倍。對(duì)比EM菌添加前后，BLEM>BL，JBEM>JB。對(duì)比木醋酸添加前后，JBEM>BLEM（顯著），JB>BL（不顯著）。綜上，施用JBEM人糞肥的土壤酸性磷酸酶活性最高，EM菌和木醋液均有利于土壤酸性磷酸酶活性的提高。

（四）土壤養(yǎng)分酶活性與土壤微生物的相關(guān)性分析

為探討施用不同類型發(fā)酵人糞便土壤養(yǎng)分、酶活性與土壤微生物數(shù)量之間的關(guān)系，選取測(cè)定的相關(guān)指標(biāo)，進(jìn)行相關(guān)性分析。

由表3可以看出，細(xì)菌數(shù)量與4種酶活性正相關(guān)，其中蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶為顯著正相關(guān)。放線菌與4種酶活性均為極顯著正相關(guān)關(guān)系。霉菌和蔗糖酶有顯著相關(guān)性，與脲酶、酸性磷酸酶和纖維素酶呈負(fù)相關(guān)。總體上，土壤微生物與土壤酶活性密切相關(guān)。

由表4可知，土壤微生物與土壤養(yǎng)分存在較好的相關(guān)性。細(xì)菌與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷為正顯著極相關(guān)，與銅、鐵正相關(guān)。放線菌與有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀均呈現(xiàn)顯著或極顯著相關(guān)性，除鐵外，與其他3種微量元素極顯著相關(guān)。霉菌與土壤養(yǎng)分相關(guān)性較弱，與銅、錳和鋅負(fù)相關(guān)。通過分析發(fā)現(xiàn)，土壤中細(xì)菌和放線菌與土壤養(yǎng)分、微量元素含量關(guān)系密切。

由土壤酶活性與土壤肥力性狀相關(guān)性分析可以看出，除速效鉀外，其余7種養(yǎng)分與蔗糖酶、纖維素酶、酸性磷酸酶和脲酶均為正相關(guān)。有機(jī)質(zhì)與4種酶顯著或極顯著相關(guān)。全氮和有效磷與纖維素酶、脲酶及酸性磷酸酶顯著正相關(guān)。速效鉀與纖維素酶、酸性磷酸酶顯著正相關(guān)，與脲酶負(fù)相關(guān)。微量元素是酶的激活抑制劑，土壤微量元素可能決定酶活性[8]，微量元素銅、錳、鐵和鋅與4種酶正相關(guān)，其中銅、錳、鋅與纖維素酶、脲酶、酸性磷酸酶均有極顯著相關(guān)性，蔗糖酶相關(guān)性較弱。銅和脲酶活性關(guān)系最密切，錳和鋅均與纖維素酶活性最密切。鐵與脲酶極顯著正相關(guān)，與其他3種酶正相關(guān)關(guān)系較弱。

綜上可見，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和有效磷含量越高，土壤酶活性越強(qiáng);酶活性與微量元素、土壤養(yǎng)分相關(guān)較強(qiáng)，以脲酶最為明顯，其次為纖維素酶和酸性磷酸酶，土壤酶活性反映了土壤養(yǎng)分含量。

三、結(jié)論與討論

（一）不同發(fā)酵形式人糞便對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

施用不同發(fā)酵形式的人糞便對(duì)土壤微生物數(shù)量、土壤酶活性、pH值及土壤養(yǎng)分均有一定的影響。已有研究表明，土壤中細(xì)菌、放線菌數(shù)量的增加有利于土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化[9]。本研究結(jié)果中，人糞肥的施用提高了土壤細(xì)菌和放線菌的含量。與多數(shù)有機(jī)肥使用結(jié)果類似[10-11]。原因可能與有機(jī)肥中含有大量微菌群，活化了土壤土著微生物，以及有機(jī)肥含有微生物生長所需營養(yǎng)有關(guān)[12]。研究結(jié)果還表明，BLEM土壤細(xì)菌和放線菌數(shù)量增加效果最為明顯，EM菌劑有利于土壤微生物數(shù)量的增長[12-14]。JB和JBEM土壤較BL土壤的細(xì)菌、放線菌和霉菌數(shù)量減少，可能是因?yàn)槟敬滓悍宇悺⒂袡C(jī)酸多種物質(zhì)對(duì)微生物有毒害作用[15]。SW和SWEM較CK霉菌增多，可能與其未徹底發(fā)酵有關(guān)，BL及JB類土壤霉菌降低，主要原因應(yīng)是人糞便的再次發(fā)酵以及木醋酸對(duì)于霉菌的抑制作用的影響。

不同施肥措施會(huì)影響土壤酶活性。本試驗(yàn)中，人糞肥的施用較化肥提高了土壤蔗糖酶、纖維素酶、脲酶和堿性磷酸酶的活性，BLEM和JBEM綜合性能較高。施用生物有機(jī)肥能提高土壤酶活性[16-17]。有研究表明，EM菌肥能不同程度地提高土壤酶活性[15]。但本研究結(jié)果顯示，EM菌對(duì)土壤酶活性的提高僅在BL、BLEM間差異明顯，其他處理間有提升但不明顯。分析原因可能與EM菌處理時(shí)間或數(shù)量有關(guān)。加入木醋液發(fā)酵的JB和JBEM提高了土壤酶活性，但升高不明顯，可能與木醋液濃度有關(guān)[18]。

研究發(fā)現(xiàn)各施肥處理均不同程度地降低了土壤pH值，提高了土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀及微量元素含量，尤以BL、BLEM、JB和JBEM明顯，SW和SWEM較弱，表明土壤pH值、養(yǎng)分變化與人糞肥發(fā)酵形式有關(guān)。JB和JBEM土壤的pH值較低，與木醋液偏酸性相關(guān)。糞肥的深入發(fā)酵有利于土壤理化性質(zhì)的改善，符合有機(jī)肥對(duì)土壤養(yǎng)分的影響效應(yīng)[19-20]。EM菌肥能提高土壤有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷、速效鉀含量[21]，加入木醋液發(fā)酵的JB和JBEM提高了有機(jī)質(zhì)及微量元素含量，符合木醋液在有機(jī)肥中的應(yīng)用研究[22]。SW和SWEM僅有效磷有明顯差異，究其原因可能與其收集不規(guī)范、發(fā)酵不徹底密切相關(guān)。

（二）土壤微量元素、養(yǎng)分、土壤微生物數(shù)量和土壤酶活性的相關(guān)性

研究結(jié)果顯示，土壤養(yǎng)分含量與微生物數(shù)量存在較好的正相關(guān)性，尤以細(xì)菌和放線菌含量明顯。微生物數(shù)量較多的BLEM和JBEM，對(duì)土壤理化性質(zhì)改善效果最好，因此土壤微生物數(shù)量在一定程度可以反映土壤肥力水平[9]。土壤微生物、土壤肥力之間相互促進(jìn)、協(xié)同發(fā)展[23]。

土壤酶活性廣泛用于評(píng)價(jià)土壤肥力、多種農(nóng)業(yè)措施和肥料的效果。本研究結(jié)果顯示，蔗糖酶、脲酶、纖維素酶和堿性磷酸酶與土壤養(yǎng)分之間關(guān)系密切，為顯著或極顯著水平，尤以有機(jī)質(zhì)相關(guān)性最強(qiáng)。微量元素與酶活性也有一定的相關(guān)性。研究結(jié)果顯示，銅、錳、鐵和鋅對(duì)提高酶活性均有促進(jìn)作用，與沼渣施肥效果類似[24]。但本研究中鋅元素與脲酶呈正相關(guān)結(jié)果與李躍林等研究結(jié)果不同[25]，推斷可能在于有機(jī)肥的施入帶入了微量元素，影響微量元素與酶的關(guān)系。

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通訊作者：潘玉欣。