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中国农业大学学报 微生物菌剂对设施辣椒秸秆原位堆肥土壤理化性质及 细菌群落的影响 李 雪 菲 靳 拓 张 凯 严 昌 荣 丁 超 武 刘 勤 中国农业科学院 农业环境与可持续发展研究所 北京 农业农村部农膜污染防控重点实验室 北 京 农业农村部农业生态与资源保护总站 北京 山东省农业生态与资源保护总站 济南 山东成聚农业科技有限公司 潍 坊 摘 要 为明确微生物菌剂对设施废弃秸秆参与原 位 堆肥的影响 以辣椒秸秆为研究对象 利用实验室常规化学 分析方法 测定堆肥理化性质 并通过 高通量测序技术分析堆肥过程细菌群落 结果 表明 外源微生物 菌剂可显著提高堆肥期间土壤温度 提高电导率值 促进总氮的固定 有效减少堆肥中期氮素损失 不同发酵时期 细菌优势菌 种 不 同 变 形 菌 门 厚 壁 菌 门 酸 杆 菌 门 绿 弯 菌 门 芽单 胞菌门 拟杆 菌门 放线 菌门 和异 常球菌 栖 热 菌门 是辣 椒秸秆原位堆肥过程在门水平优势细菌 克雷伯氏菌属 芽孢 杆 菌属 不动 杆菌属 和 假 单孢菌属 是属水平优势细菌 微生物菌剂对细 菌 群落结构的影响主要体现在堆肥升温期和降温期 添 加 微生物菌剂处理堆肥最高温度比对照提高 和堆 肥前相比 电导率提高了 总氮 提高了 优势菌群变形菌和厚壁门在所有组内变化 最显 著 综上 微生物菌剂为辣椒秸秆原位堆肥 最 适添加量 研究结果为茄果类秸秆还田堆肥技术提 供依据 关键词 设施辣椒秸秆 微生物菌剂 原位堆肥 细菌群落 中图分类号 文章 编号 文献 标志码 收 稿 日期 基 金 项目 国家重点研发计划项目 第一 作者 李雪菲 硕士生研究生 通讯 作者 刘勤 副研究员 博士 主要从事地膜污染综合防控研究 中 国 农 业 大 学 学 报 年 第 卷 设施农业 的迅速发展同时产生了大量的农作物 废弃秸秆 据统 计全球每年约产生秸秆 亿 我国每年产生秸秆超过 亿 秸秆贮存时间短 运输困难 在全国各地分布范围广 产出量大 进行 系统回收和技术处理存在很大的难度 十三 五 期间提出秸秆综合利用率要达到 以上 的目标 秸秆综合利用技术得到迅速发展 但目前仍存在禁 烧时段内时有焚烧 禁烧时段外大量集中焚烧的现 象 蔬菜 秸秆中含有大量 和微量元素 富含营养物质和能量 将秸秆废弃物发酵 经过技术 处理后能成为很好的有机肥料 增加土壤肥力 促进 农业绿色发展 堆肥 技术是提高资源利用率 处理农业废弃物 的有效手段 发酵 堆肥是农业废物被腐殖化的过 程 在发酵升温过程中杀死病原菌 促进有机物的腐 熟 有机 物分解时 不仅生成含氮 磷 钾的化合 物 而且还生成重要的活性物质腐殖质 蔬菜 秸 秆所含养分大多为蔬菜作物生长所需 参与堆肥后 容易被吸收利用 我国农村经常将蔬菜秸秆进行堆 料处理 然而 不添加任何辅料的自然堆肥材料配比 不合理 发酵周期长 木质素分解不充分 还存在较 严重的氮素流失 影响堆肥的质量 达不到无害化标 准 研究 表明 秸秆堆肥前添加微生物菌剂可 以加速堆肥升温 提高产品成熟质量 添加 微 生物菌剂可以加速农业废弃物的降解 而且操作便 捷 不会造成二次污染 微生物菌剂的应用对提高 堆肥效率 改善农作物品质 发展绿色无公害农业具 有重要意义 目前 国 内工厂化堆肥发酵技术已经非常成熟 其相应的微生物菌剂研究也已有众多优良菌群 然 而 工厂化堆肥所需成本高 条件严格 技术需求高 不适合农户小规模农业生产 研究耕层原位高效发 酵秸秆对发展轻简化秸秆还田技术具有重要意义 实现原位堆肥 要求农业废弃物达到绿色循环利用 标准 茄果类蔬菜生产普遍使用覆膜栽培 地膜具 有增加地温 抑制地表水分蒸发 抑制和消灭有害杂 草等多方面功能 年国 内地膜覆盖种植 面积超过 万 然而塑料地膜无 法自然 降解 回收率低 残膜给秸秆还田工作造成负担 设施 蔬菜生产时 利用生物降解地膜代替塑料地膜 可有效解决残膜污染和废弃物难回收等问题 生物降解地膜配合 秸秆还田后进行堆肥 是一种低 成本高效率的农业秸秆可持续利用技术 与密 闭 好氧堆肥或厌氧发酵方式处理蔬菜秸秆比 原位 堆肥不需要前期建设 并且可以避免秸秆收集运输 等环节的人力及经济投入 目前 茄果类秸秆原 位堆肥的研究尚少 特别是针对生物降解地膜覆盖 条件下 对堆肥各个阶段细菌群落动态变化了解不 深 因此 本研究选择设施大棚生物降解地膜覆盖 下辣椒秸秆作为研究对象 通过在堆肥前添加不同 剂量微生物菌剂 利用实验室常规化学分析和 高通 量测序技术分析方法 探明外源微生物 菌剂添加对原位堆肥过程中的理化指标 土壤细菌 优势群落和群落结构多样性的影响 确定最适微生 物菌剂添加量 为解决设施大棚农业生产中废弃秸 秆资源化问题提供依据 材 料 与方法 试验 地概况 试验设置在山东省寿光市马家旗村 该地属暖 第 期 李 雪菲等 微生物菌剂对设施辣椒秸秆原位堆肥土壤理化性质及细菌群落的影响 温带 大陆性季风气候 夏季高温高湿 冬季干冷 年 平均气温 无霜 期 年平均降水量为 主要 发生在 月 土壤类型为潮土 母 质为密河冲积物 试验 材料 原位堆肥所用干鸡粪购于当地一家农场 辣椒 秸秆从设施大棚前茬辣椒收获后直接粉碎还田 覆 盖种植所用生物降解地膜主要材料为 聚对 苯 二甲酸 己二 酸丁二醇酯 利用秸秆粉碎还田机 将秸秆粉碎后长度 辣椒秸秆还田量为 施 用 鸡 粪 旋 耕 耕层 土壤 灌水控制耕层含水量 左右 堆 肥原料的基本理化性质见表 微生物菌剂由山 东成聚农业科技有限公司提供 菌剂呈粉末状 有效 活菌数为每克 亿个 主要成分为枯草芽孢杆菌和 地衣芽孢杆菌 表 堆肥原料的基本理化性质 材 料 含 水 量 总 有 机碳 总 氮 碳 氮 比 干 鸡 粪 辣椒 秸秆 试验 设计 试验温室大棚内进行 试验设 组处理 包括 不添加秸秆和微生物菌剂 不添 加微生物菌 剂 微 生 物 菌 剂 处 理 微生 物菌剂处理 以及 微生 物菌剂处理 每个 处理设 个重复 供 试大棚长 宽 脊高 每组 处理地 块长 宽 前后 设置保护行 各处理用田 埂隔开 为确保样品的代表性 在第 和 天采 用随机取样法取样 选择堆肥发热阶段 高温阶段 降温阶段 腐熟阶段 个时期 收集土壤 待提取 进行微 生物细菌相对丰度和微生物群 落分析 研究 方法 理化性质分析 使用 型环 境温度检测仪 中国农业科 学院农业环境与可持续发展研究所 将探针埋入耕 层土壤深分别为 和 每隔 测定 次 选 择上午 土壤温度 数据绘制温度曲线 采用包世德 的方 法对土壤的理化性质进行分析 样品的 和 值 用 计测定 总有机碳 含量 用重铬酸钾法测定 总氮 含量用 凯氏定氮法测定 土壤 提取 及 扩增 每 个样品取 土样 采用土壤 分离 试 剂盒提取土壤微生物基因组 完成 抽提后 利 用 琼脂糖凝胶电泳检测基因组 的质 量和 浓度 以提取的基因组 为模 板 用引物序列 和 扩增 细菌 基因 的高变区 测序 分析 基因组 由北 京奥维森基因科技有限公司 完成 高通 量测序 对获得的数据通过序列拼 接 过 滤 和 去 嵌 合 体 得 到 优 化 序 列 进 行 聚类 及各分类水平 注释 统计 分析 采用 软件 计算每个土壤样本中细菌群 落的 多样性值 采用 软件中的加权 距离 对 数 据 进 行 热 图 聚 类 和 分 析 采 用 软件 中的单因素方差分析 和 主成 分分析 方差分析多重比较采用最小显著差异 法 在 水平下检验差异显 著性 结 果 与分析 微生物菌剂投入量 对农田土壤温度的影响 堆肥期间土壤最高温度及持续时间可以反映堆 肥系统中微生物的活跃能力 取耕层土壤深 和 处温 度平均值为土壤温度 结果见 图 可知土壤温度变化可将堆肥过程分为 个阶 段 分别为升温期 高温期 降温期和腐熟期 堆肥 期间产生 个温度峰值 分为氧气充足 堆肥第 中 国 农 业 大 学 学 报 年 第 卷 天 和氧 气不足 堆肥第 天 个阶 段 堆 肥初期土壤温度迅速上升 在堆肥第 天左右 所 有处理土壤温度达到峰值 后下降至 左右 在 第 天由 于棚内氧气不足 厌氧菌迅速增加 温度 回升 第 天达 到第二个高峰期 后迅速下降 在堆肥腐熟期稳定在 左右 从地温的变化可 以 看 堆肥过程中 和 组处 理地温 都较 和 高 其中 处理 的地温在 组 处理中最高 最低 堆 肥全过程 和 的 最 高 温 度 比 分 别 高 和 最高 温度比 高 由于 试 验在设施大棚中进行 土温受天气条件影响 阴雨天 气土温偏低 因此堆肥期间温度有所起伏 高温期比 较短暂 不添加秸秆和微生物菌剂 不添加微生物菌剂 微生物菌剂处理 微 生 物 菌剂处理 微生物菌剂处理 下 同 图 耕层土壤温度的变化 微生物菌剂投 入量对土壤理化性质的影响 堆肥期耕层土壤 和 的变化见图 由 图 可知 堆肥期间所有处理堆肥初期 为弱 碱性 堆 肥 升 温 期 小 幅 上 升 堆肥高温期维持在 在堆 肥中期逐渐下降 腐熟期达到最低 堆肥结束时所有处理 呈中性 其中 显著 低 于其他处理 由图 可 知 堆肥升温 期和降温期各处理 值在 左右 波动 在堆肥降温期迅速上升 在堆肥终点达到峰值 堆 肥第 天各处理无显著性差异 但堆肥终点各处理 存在显著差异 和 的 值显著高于其他 组处 理 与堆肥前比较 和 分别 提高了 和 五组 处理在堆肥后的 都低于 符合 无 害化标准 微生物菌剂提高堆肥电导率 微生物 菌剂添加量与 值成正比 堆肥期耕层总有机碳 和总 氮 的变 化见图 和 处理组的有机碳含 量 降低最 为 显 著 在 整 个 堆 肥 过 程 中 和 组的 总有机碳含量分别下降了 和 中 有机碳含量下降幅度 最大 其次是 堆肥 终 点的 含量各处理没有显著差异 说 明微生物菌剂的添加对总有机碳的分解没有影响 由图 可 知 堆肥初期 的 含略 有 下降 其他处理的 含量均提高 于堆肥第 天 到达第一个峰值 第 天后 各处理的 含量开 始下降 到堆肥中期又回升 在堆肥第 天左右达 到第二个峰值 第 天后 小幅平稳下降 到堆 肥终点达到稳定 五组处理堆肥腐熟时 含量与 堆肥前相比均有所提高 和 组的 总氮含量在腐熟期无显著性差异 但在堆 肥中期总氮消耗量 添加微生物菌剂的处理显著高 于对照 第 期 李 雪菲等 微生物菌剂对设施辣椒秸秆原位堆肥土壤理化性质及细菌群落的影响 图 堆肥期耕层土壤 和 电 导率 的变化特点 图 堆肥期耕层总有机碳 和总 氮 的变化特点 微生物菌剂投 入量对土壤微生物的影响 门水平上的主要细菌分布 不同菌剂添加量处理下不同典型发酵阶段在门 水平上的细菌群落结构如图 所示 可见 辣椒秸 秆堆肥期间在门水平上的相对丰度超过 的细菌 种 类 有 变 形 菌 门 厚 壁 菌 酸杆 菌 门 绿 弯 菌 门 芽单 胞菌门 拟杆 菌 门 放线 菌门 和异 常 球菌 栖热 菌门 不同 发 酵阶段细菌优势菌群和含量存在显著差异 堆肥 升温期变形菌门 其 次是 厚壁菌门 高温期厚壁菌门 绿弯 菌门 和变 形 菌门 为优 势菌群 降温期绿弯 菌门 和 变 形 菌 门 成为 优势菌群 腐熟期变形菌门 绿弯 菌门 和芽 单胞菌门 相对 丰度最高 变形菌门数量在堆肥升温期最高 高温期迅速 降低 五组处理数量最低时与堆肥前比降低了 和 降低 幅 度 堆肥 中后期逐渐 数量回升 微生物菌剂对辣椒秸秆原位堆肥高温期 变形菌门数量有显著影响 在添加 处 理中 变形菌门数量降低最多 添加微生物菌剂的 和 组处 理 在堆肥高温期厚壁菌门 与堆肥前相比相对丰度显著增高 分 别 提 高 了 倍 绿弯 菌门在堆肥中后期的数量 最多 不同处理的峰值时期存在差异 在堆 肥高 中 国 农 业 大 学 学 报 年 第 卷 温期 绿弯菌门占比最多 占 其他 组 处理 在堆肥降温期绿弯菌门占比最多 分别占全部细菌的 可知绿弯菌门在 处理中作用最显著 横坐标轴时期的最后一位数字 为升 温期 为高温期 为 降温期 为腐熟期 下同 图 堆肥不同时期门水平主要细菌分布 属水 平上的主要细菌分布 不同菌剂添加量处理下不同典型发酵阶段在属 水平上的细菌群落结构如图 所示 可知 辣椒秸 秆堆肥期间在属水平上的相对丰度超过 的细菌 种类 有 克 雷 伯 氏 菌 属 芽 孢 杆 菌 属 不动 杆菌属 和假 单孢菌 属 不同 发酵阶段细菌优势菌群和 含量存在显著差异 堆肥升温期优势细菌为克雷伯 氏菌属 高温期为不动杆菌属 降温 期为绿弯菌属 腐熟 期为芽单胞菌属 噬冷 杆菌属 在升 温期存在少 量 随着堆肥温度升高几乎消失 假单胞菌属在堆 肥升温期最高 高温期迅速降低 五组处理数量最低 时与堆肥前比降低了 处理假单胞菌属降低幅度最大 不 动杆 菌属在各处理腐熟期丰度无显著差异 但是在堆肥 高温期 添加微生物菌剂的处理下降更快 五组处理 在高温期分别下降了 细菌科水平样本 聚类分析 由图 可知 不同堆肥发酵时期的细菌相对丰 度在科水平上明显分离 升温期与其他三个时期细 菌组成差异最大 在堆肥降温期 和 两种 处 理与堆肥腐熟期的细菌聚类分布更接近 两组处理细菌组 成上堆肥降温期和高温期的细 菌分布更接近 添加微生物菌剂的处理在降温期的 厌氧绳菌科 丰度 最高 降温期添 加 处理 的厌氧菌在所有处理中最高 由于微生物菌剂的主要成分是芽孢杆菌 因此在同 一发酵 时 期 添 加 微 生 物 菌 剂 的 处 理 芽 孢 杆 菌 科 显著 高于对照 芽孢 杆菌科 含量与微生物菌剂添加量成正比 主成 分分析 评价微生物群落之间差异的 主成 分分析 结果见图 可知 堆肥升温期所有处理聚在一组 第 期 李 雪菲等 微生物菌剂对设施辣椒秸秆原位堆肥土壤理化性质及细菌群落的影响 图 堆肥不同时期土壤属水平主要细菌分布 其中 和 距离 接近 最远 堆 肥 高温期所有处理聚在一组 其中 相对 和 最远 堆 肥降温期和堆肥腐熟期所有处理聚 在一组 其中堆肥降温期 相对其他处理最远 堆肥 腐熟期各处理没有显著差异 对于堆肥过程的 细菌 同一处理下不同发酵阶段的细菌组成存在显 著差异 不同处理下同一发酵阶段细菌组成结构类 似 微生物菌剂对细菌群落结构的影响主要体现在 在堆肥升温期和降温期 其中添加 微 生物 菌剂的处理对细菌群落的影响最显著 讨 论 微生物菌 剂投入能提高堆肥土壤高温期温度峰 值 与 龚 建 英 等 研 究 一 致 本 研 究 得 出 添 加 和 微生物菌剂处理对提 高 堆肥 升 温 期 土 壤 最 高 温 度 效 果 更 显 著 已有研究表明添 加微生物菌剂能够提高堆 肥土壤的 主要通过影响微生物的活性来影 响堆肥过程 大多 数微生物生长的最优 范 围在 内 也是 堆肥物料发酵适宜的范 围 大小不仅影响有机物质分解 及微生物活 动强度 而且直接影响酶参与的生化反应速度 本试验样品在堆肥前都呈现弱 碱性 然而 随着堆肥 材料的分解和成熟以及腐殖酸的产生 逐渐降 低并趋于稳定 在堆肥期结束时所有处理 为 适合 辣椒生长 细菌丰度与土壤有机碳 氮含量有关 土壤 中绝大多数的微生物 依赖于 分解土壤有机质来获取能量 由图 曲 线可 知 堆肥升温期所有处理组的 含量 迅速降低 分析原因为土壤存在大量的活性嗜热微生物 堆肥 初期有机碳被好氧微生物降解及同化 生成相对稳 定的腐殖质 堆肥中氮元素的转移是衡量堆肥质 中 国 农 业 大 学 学 报 年 第 卷 图 堆肥不同时期科水平细菌群落的相对丰度 图 主成 分分析 第 期 李 雪菲等 微生物菌剂对设施辣椒秸秆原位堆肥土壤理化性质及细菌群落的影响 量的 重要方式 氮素损失不仅会使堆肥养分散失 产生的气体还会污染环境 堆肥 腐熟时 含 量与堆肥前有所增加 是因为微生物菌剂中存在氨 化细菌 可以有效控制氮素的损失 减少氨气挥发 起到固氮保肥的作用 微生 物菌剂有助于辣椒 秸秆堆肥过程中氮素的保持 但不同添加量对氮素 保持的效果无显著差异 微生物菌剂对细菌群落结构的影响主要体现在 在堆肥升温期和降温期 微生物菌剂能够显著增加 高温期厚壁菌门 加快消耗变形菌 增加降温期厌氧 菌门 和芽 孢杆菌门 丰 度 各优势菌 群在堆肥不同时期起到不同作用 变 形菌与 代谢有关 可加速堆肥过程中有机物的 降解 微生 物菌剂对辣椒秸秆原位堆肥高温期 变形菌相对丰度有显著影响 在添加 处理 中变形菌相对丰度降低最多 厚壁菌门有很多 能够抑制作物病害的细菌 例如芽孢杆菌 芽 孢杆 菌能生产大量抗生素 为作物生长提供需要的 营养 添加微生物菌剂的处理增加了土壤中芽孢杆 菌的数量 绿弯菌主要参与大气 的固 定和纤 维素的分解 同时参与氮的硝化作用 绿弯 菌门 在堆肥中后期的数量最多 不同处理的峰值时期存 在差异 在 处理 中发挥最显著的作用 本试验 以鸡粪为原料 堆体拟杆菌门丰度较高 与赵彬涵 等 研究 一致 结 论 本研究通 过添加不同剂量微生物菌剂对设施大 棚辣椒秸秆进行原位堆肥 测定堆肥期间耕层土壤 理化性质 并使用 高通 量测序技术对堆 肥过程四个典型发酵阶段中的细菌多样性进行了分 析 结论如下 在辣椒秸秆耕层堆肥试验中添加外源微生物菌 剂提高了堆肥期间耕层土壤温度 提高了土壤可溶 性盐的含量 促进了总氮 的固定 有效减少氮 素 损 失 保证了堆肥的质量 变 形 菌 门 厚壁 菌门 酸杆 菌门 绿弯 菌门 芽单 胞菌 门 拟杆 菌门 放线 菌 门 和 异 常 球 菌 栖 热 菌 门 是辣椒秸 秆耕层堆肥过程 在 门 水 平 上 的 优 势 细 菌 克 雷 伯 氏 菌 属 芽孢 杆菌属 不动 杆菌属 和假 单孢菌属 是属 水 平优势细菌 微生物菌剂对细菌群落结构的影响 主要体现在在堆肥升温期和降温期 微生物菌剂能 够显著高温期厚壁菌 大量消耗变形菌 增加降温期 厌氧 菌 和 芽 孢 杆 菌 丰度 处理堆 肥最高温度与对照提高 和 堆肥前相比提高了 电导 率和 总 氮 变形菌门和厚壁菌门 变化在所有组内最显著 对 细菌群落的影响最显著 微生 物菌剂 为辣椒秸秆耕层堆肥最适添加量 参考文献 吴 爱 兵 曹杰 朱德文 曲浩丽 王鹏军 李瑞容 马标 麦秸 与牛粪混合堆沤预处理厌氧干发酵产沼气中试试验 农业 工程学报 牛新 胜 巨晓棠 我国有机肥料资源及利用 植物营养与肥 料学报 石祖 梁 贾涛 王亚静 王久臣 孙仁华 王飞 李想 毕于 运 我国农作物秸秆综合利用现状及焚烧碳排放估算 中 国农业资源与区划 中 国 农 业 大 学 学 报 年 第 卷 符艺 潇 微生物菌肥在农业种植上应用效果的调研报告 大连 大连工业大学 刘勤 严 昌荣 薛颖昊 中国地膜覆盖技术应用与发展趋势 北京 科学出版社 赵岩 陈 学庚 温浩军 郑炫 牛琪 康建明 农田残膜污染 治理技术研究现状与展望 农业机械学报 张 冬 梅 张伟 姜春霞 王晓娟 刘化涛 杨柯 闫六英 刘恩 科 翟广谦 旱地玉米不同耕作覆盖措施的土壤环境及产量 效应 中国农业大学学报 包世 德 土壤与农业化学分析 北京 中国农业出版社 第 期 李 雪菲等 微生物菌剂对设施辣椒秸秆原位堆肥土壤理化性质及细菌群落的影响 张秧 艾 为党 冯海艳 靳向丹 陈艳武 张良长 小麦秸杆 好氧堆肥过程中微生物多样性与优势菌群分析 农业工程 学报 龚建 英 田锁霞 王智中 李国学 李彦明 微生物菌剂和鸡 粪对蔬菜废弃物堆肥化处理的影响 环境工程学报 王 瑞 莹 周童 万可 王从梅 王宇东 韩国华 巢宇杰 王 波 不同类型园林废弃物堆肥过程中理化性质的动态变化 天津农业科学 杨亚 东 宋润科 马俊永 曾昭海 长期氮磷不同施用量对土 壤细菌 硝化与反硝化微生物数量的影响 中国农业大学学 报 胡党 振 徐嫒媛 于梦怡 姜玲 芽孢杆菌处理对柑桔苗木黄 龙病抑制效果 中国农业大学学报 鲜文 东 张潇橦 李文均 绿弯菌的研究现状及展望 微生 物学报 赵彬 涵 孙宪昀 黄俊 李少杰 微生物在有机固废堆肥中的 作用与应用 微生物学通报 责任 编辑 杨爱东