赤子愛勝蚓和毛利遠盲蚓對添加造紙污泥土壤的化學和生物學特征的影響

陳旭飛,張 池,*,戴 軍,郭彥彪,劉 婷, 2

(1. 華南農業大學資源環境學院/農業部華南耕地保育重點實驗室, 廣州 510642； 2. 廣東省生態環境與土壤研究所, 廣州 510650)

赤子愛勝蚓和毛利遠盲蚓對添加造紙污泥土壤的化學和生物學特征的影響

陳旭飛1,張 池1,*,戴 軍1,郭彥彪1,劉 婷1, 2

(1. 華南農業大學資源環境學院/農業部華南耕地保育重點實驗室, 廣州 510642； 2. 廣東省生態環境與土壤研究所, 廣州 510650)

將赤子愛勝蚓(Eiseniafoetida)和毛利遠盲蚓(Amynthasmorrisi)接種于混合15%造紙污泥的旱地土和水稻土中,研究不同蚯蚓對不同混合污泥土壤的化學和生物學性狀的作用。主成分分析結果顯示蚯蚓對混合污泥土壤化學和生物學性質影響與土壤類型和蚯蚓種間差異密切相關(P<0.05)。方差分析結果顯示：(1)在混合污泥旱地土處理中,與對照相比,E.foetida處理的混合污泥土壤pH和Eh分別顯著降低了0.22和13個單位(P<0.05),有機碳和微生物量碳含量,以及過氧化氫酶、N-乙酰-氨基葡萄糖苷酶、脲酶和酸性磷酸酶活性分別降低了22.8%、43.8%、12.4%、48.4%、44.0%和40.7%(P<0.05),而熒光素二乙酸酯酶活性增加了57.4%(P<0.05)；A.morrisi處理的混合污泥土壤堿解氮含量、過氧化氫酶、N-乙酰-氨基葡萄糖苷酶和脲酶活性分別明顯下降了16.5%,12.4%、33.9%和45.5%(P<0.05)。另外,兩種蚯蚓相比較,E.foetida活動后混合污泥旱地土壤pH和Eh值、有機碳含量和碳氮比分別比A.morrisi活動后土壤降低0.17和10個單位、24.9%和2.26個單位,而代謝熵和熒光素二乙酸酯酶活性顯著增高(P<0.05)。(2)在混合污泥水稻土處理中,與對照相比,E.foetida處理的混合土壤有機碳含量和碳氮比顯著提高20.9%和1.02個單位(P<0.05),全鉀含量和呼吸速率明顯降低6.11%和33.8%(P<0.05)；而與對照相比,A.morrisi處理的混合土壤的速效鉀含量和過氧化氫酶活性顯著提高13.2%和10.8%(P<0.05),但β-葡萄糖苷酶和熒光素二乙酸酯酶活性分別下降46.7%和34.4%(P<0.05)。兩種蚯蚓相比較,E.foetida處理后混合污泥水稻土的有機碳含量比A.morrisi處理顯著增加了15.7%,碳氮比增加0.84個單位,速效鉀、呼吸速率和過氧化氫酶活性減少11.4%、36.5% 和 5.51%(P<0.05)。綜上所述,蚯蚓能顯著影響混合造紙污泥土壤的化學和生物學特征。蚯蚓在高有機碳和低粘粒含量旱地土壤中活動,能夠加速有機碳的分解和釋放,降低與土壤有機質分解和養分轉化相關的酶活性和微生物量,但增加微生物總體活性；而蚯蚓在低有機碳和高粘粒含量水稻土壤中活動,則能夠有助于土壤有機碳儲存,對養分和微生物活性的影響相對較小。與A.morrisi相比較,E.foetida對混合污泥旱地土有機碳的分解和釋放、微生物活性的提高,以及混合污泥水稻土有機碳的儲存等方面的能力均較強,而對混合污泥水稻土鉀素轉化能力相對較弱。由于造紙污泥具有高有機碳和低養分含量特征,因此污泥農用仍需考慮按一定比例配施高養分含量有機物料。同時,進一步根據土壤類型和選擇適宜的蚯蚓品種進行較長期的小區和大田試驗,將能夠為污泥農用提供更多科學參考。

蚯蚓; 造紙污泥; 土壤; 化學和生物學性質

造紙污泥產量大、含水量高、成分復雜,處理難度大。常見的污泥焚燒和填埋等處置方法不僅帶來巨大的資源浪費,也容易引起嚴重的環境污染。由于造紙污泥含有豐富的有機質、養分和微量元素[1- 3],而且其較低的重金屬含量也不會導致污染風險[3- 4],因此造紙污泥作為一種良好的資源逐漸應用于農業生產。

近些年,國內外研究學者已通過蚯蚓對造紙污泥進行生物處理、生產優質有機肥[5- 9]。這些研究主要以赤子愛勝蚓(Eiseniafoetida)為研究對象,通過設置蚯蚓堆制處理,探討其吞食污泥或污泥與其他有機廢物的混合物形成的有機肥料的特征。由于造紙污泥能促進土壤良性結構形成[10- 11],降低土壤酸化和提供作物和微生物養分[12- 13]；而蚯蚓作為土壤中“生態工程師”,對土壤結構的形成、通氣和透水性、有機物質的分解、養分轉化以及微生物種群結構和活性的變化都有重要作用[14]。因此,將適宜種類蚯蚓和造紙污泥直接施用于土壤具有一定的可行性,但是目前很少研究將二者聯合添加到自然土壤、觀察蚯蚓對混合污泥土壤的作用。

本研究選取華南地區典型旱地土和水稻土,并分別混合15%造紙污泥、在短時間內接種赤子愛勝蚓(Eiseniafoetida)和毛利遠盲蚓(Amynthasmorrisi)于土壤中,進行常規室內培養。通過研究蚯蚓活動后土壤有機碳、全量氮磷鉀養分及其速效養分、微生物碳含量、土壤呼吸速率、微生物熵和代謝熵,過氧化氫酶、轉化酶、β-葡萄糖苷酶、N-乙酰-氨基葡萄糖苷酶、脲酶、酸性和堿性磷酸酶以及熒光素二乙酸酯酶活性的變化,探討不同蚯蚓對不同混合造紙污泥土壤的化學和生物學特征的影響,為進一步造紙污泥農用提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試蚯蚓為赤子愛勝蚓(Eiseniafoetida)和毛利遠盲蚓(Amynthasmorrisi),前者購自廣州某養殖場,后者采自廣州市郊區農田土壤。所有蚯蚓在實驗室穩定培養一周后,挑選鮮重分別約0.3和0.5 g/條、具有成熟環的健壯赤子愛勝蚓和毛利遠盲蚓進行試驗。

造紙污泥取自廣州造紙集團有限公司無氯漂白污泥,兩種供試土壤(旱地土和水稻土)采自廣州郊區華南農業大學教學農場。污泥和土壤均在自然風干后,分別研磨過0.15mm和2 mm篩備用。過0.15mm篩的污泥和土壤樣品主要用于分析土壤基本理化性狀中總有機碳、全量氮磷鉀和金屬等指標。過2mm篩的污泥和土壤一部分用來分析樣品pH、Eh、速效養分等樣品的基本理化性狀,另一部分則用于布置盆缽試驗。

另外,造紙污泥、旱地土和水稻土的基本理化性狀如表1所示。其中,污泥的金屬銅、鋅、鉛、鎘含量分別為45.1、152、29.7和2.83mg/kg,低于國家農用污泥污染物控制標準(GB 4284—84)中重金屬的限制含量1000、200、1000和20 mg/kg(pH>6.5土壤)。

表1 供試造紙污泥和土壤的基本理化性質

1.2 研究方法

根據預試驗結果,15%污泥添加入土壤較適宜蚯蚓生長。因此本研究試驗共設置6個處理：(1)混合15%污泥的旱地土壤對照(簡寫為DL)；(2)混合15%污泥的旱地土壤+毛利遠盲蚓(簡寫為DL+A)；(3)混合15%污泥的旱地土壤+赤子愛勝蚓(簡寫為DL+E)；(4)混合15%污泥的水稻土壤對照(簡寫為PS)；(5)混合15%污泥的水稻土壤+毛利遠盲蚓(簡寫為PS+A)；(6)混合15%污泥的水稻土壤+赤子愛勝蚓(簡寫為PS+E)。每個處理5次重復。

稱取過2 mm篩的造紙污泥(150g)和土壤(850g),將二者充分混勻,裝于2 L的塑料盆中(盆高20 cm,底直徑10 cm)。調節混合土壤水分至60%的飽和含水量。穩定24 h后,根據處理布置要求向每盆接種6 g蚯蚓,每3 d采用稱重法調節土壤水分含量。整個培養試驗持續時間為30 d,培養結束后將混合污泥土壤進行風干、過2 mm篩、備測。

1.3 土壤樣品的測定方法

土壤pH和Eh值的測定用pH/Eh計電位法(水土比2.5∶1)；有機質、全量和速效氮磷鉀養分以及重金屬全量測定采用土壤農化常規分析法[15]；土壤溶解性碳的測定采用K2SO4浸提,重鉻酸鉀消化法測定[16]。

土壤過氧化氫酶采用KMnO4容量法測定,酶活性以每克土壤消耗的KMnO4(0.02 mol/L)毫升數表示；脲酶采用苯酚鈉比色法,在578 nm波長處比色測定,酶活性以37℃恒溫培養24 h后1 g土壤中NH3-N的毫克數表示(NH3-N mg/g土壤, 37℃, 24 h)。轉化酶采用滴定法測定,酶活性以37℃恒溫培養24 h后1 g土壤消耗的Na2S2O3(0.1 mol/L)毫升數表示[22]。另外,酸性和堿性磷酸酶、β-葡萄糖苷酶、N-乙酰-氨基葡萄糖苷酶和熒光素二乙酸酯酶均利用各自酶促反應試劑、采用比色法進行測定[23- 24]：稱取2 g樣品調至60%田間持水量并穩定48 h,加入3 ml蒸餾水混勻,獲得樣品溶液。酸性和堿性磷酸酶測定采用對硝基苯酚磷酸鹽為酶底物,pH 5檸檬酸鹽(酸性磷酸酶)或pH 9硼酸鹽(堿性磷酸酶)為緩沖液,測定在標準環境下單位土壤每小時釋放對硝基苯酚的量(μg pNP g-1soil h-1)。β-葡萄糖苷酶和N-乙酰-氨基葡萄糖苷酶,則分別使用β-葡萄糖苷-苯二酚和N-乙酰-氨基葡萄糖苷-苯二酚作為酶底物,以及磷酸緩沖液 (pH 5)測定對硝基苯酚的釋放量(μg pNP g-1土壤 h-1)。熒光素二乙酸酯酶(FDA)利用磷酸緩沖液(pH 7.0)、在波長490 nm 處比色、測定熒光素的量,其酶活性單位為單位土壤每小時產生熒光素的量(μg 熒光素-1h-1)。

1.4 數據分析方法

試驗數據均采用平均值±標準差,并利用SAS 統計軟件(SAS 8.0 Software,SAS Institute Inc.)和R(ADE- 4)多元數據分析軟件[25- 26]進行分析。其中,T 檢驗、方差分析和多重比較(DMRT)用于比較培養前后蚯蚓數量和生物量變化以及不同處理間土壤各化學和生物學指標的差異,顯著性水平用P=0.05 表示。主成分分析通過在R中導入ADE- 4軟件包,將各處理中相互關聯的多個變量合成少數獨立而又能反映總體信息的指標,并應用置換檢驗比較不同處理間土壤化學和生物性質綜合特征的差異；多元數據分析結果利用二維空間載荷圖和得分圖直觀而形象的進行反映,處理間的差異顯著性水平用P=0.05表示。

2 結果與分析

2.1 蚯蚓生長狀況

如表2所示,在混合污泥的旱地土和水稻土中,蚯蚓接種30 d后,A.morrisi數量分別減少1.67%(P>0.05)和11.7%(P<0.05),E.foetida數量則分別顯著增加19.0%和15.0%(P<0.05)。另外,在接種30 d后,在混合污泥的旱地土壤中A.morrisi和E.foetida生物量均顯著增加(P<0.05)；而在混合污泥的水稻土壤中則情況相反,兩種蚯蚓生物量均呈下降趨勢,特別是A.morrisi生物量下降達到顯著水平(P<0.05)。

2.2 蚯蚓活動后土壤化學和生物學性質分析

各處理土壤性質的主成分分析結果如圖1所示,第一主成分(PC1)和第二主成分(PC2)的累計方差貢獻率達到59.4%。主成分載荷圖顯示：第一主成分(PC1)的方差貢獻率為46.3%,其分別與大多數碳氮磷鉀養分含量、呼吸速率、微生物熵、過氧化氫酶、脲酶、N-乙酰-氨基葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、熒光素二乙酸酯酶活性密切相關。第二主成分的方差貢獻率為13.1%,其主要與微生物量碳、堿性磷酸酶、轉化酶、脲酶、N-乙酰-氨基葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶活性有關。主成分得分圖顯示：各處理之間的差異達到極顯著水平(P<0.001)。兩種土壤的化學和生物學綜合性質差異主要體現在第一主成分相關指標上：PS土壤具有較高的Eh值、全磷、全鉀和堿解氮含量、呼吸速率、微生物熵、N-乙酰-氨基葡萄糖苷酶和過氧化氫酶活性,而DL土壤則具有較高pH值、豐富的有機碳、全氮、速效鉀含量、碳氮比、β-葡萄糖苷酶、熒光素二乙酸酯酶和脲酶活性。另外,蚯蚓與對照處理土壤差異則主要體現在第二主成分相關指標上：PS土壤中E.foetida處理顯著區別于對照土壤和A.morrisi處理；DL土壤中E.foetida和A.morrisi處理的土壤特征差異不明顯,但A.morrisi與對照土壤差異較為顯著(P<0.001)。

表2 混合污泥土壤中蚯蚓的生物量和數量變化

平均值±標準差,n=5

圖1 各處理土壤化學和生物學性質的主成分分析Fig.1 Principal Component analysis of soil chemical and biological properties in treatments

2.2.1 蚯蚓對兩種添加污泥土壤化學性質的影響

在混合污泥的旱地土壤中,各處理間土壤的pH和Eh值、有機碳和堿解氮含量、碳氮比差異顯著(表3)。與對照土壤相比,E.foetida處理的pH顯著降低了0.22個單位和Eh顯著增加了13個單位,有機碳含量降低了22.8%；A.morrisi處理土壤的堿解氮含量明顯降低了16.5%。與對照土壤相比,兩種蚯蚓處理的全氮、速效鉀含量有一定程度的降低,全磷和全鉀含量有微弱上升,但這些指標處理間差異未達到顯著水平(P>0.05)。另外,兩種蚯蚓相比較,E.foetida處理的pH和Eh值、有機碳含量和碳氮比均顯著低于A.morrisi處理0.17和10個單位、24.9%和2.26個單位(P<0.05)。

在混合污泥的水稻土壤中,各處理間土壤的有機碳、全鉀和速效鉀含量、碳氮比差異顯著(表4)。與對照土壤相比,E.foetida處理的有機碳含量顯著提高20.9%,碳氮比提高1.02個單位,全鉀含量降低6.11%；A.morrisi處理的速效鉀含量顯著提高13.2%(P<0.05)。與對照土壤相比,兩種蚯蚓處理的全氮和全磷含量有一定程度的提高,可溶性碳、速效磷和堿解氮含量有微弱下降,但這些指標處理間差異未達到顯著水平(P>0.05)。另外,兩種蚯蚓相比較,E.foetida處理的有機碳含量顯著高于A.morrisi處理15.7%,碳氮比高0.84個單位,速效鉀含量則顯著低于其11.4%(P<0.05)。

2.2.2 蚯蚓對兩種添加污泥土壤生物學性狀的影響

在混合污泥的旱地土壤中,各處理間土壤的微生物量碳含量、代謝熵、過氧化氫酶、N-乙酰-氨基葡萄糖苷酶、脲酶、酸性磷酸酶和熒光素二乙酸酯酶活性差異顯著(表5)。與對照土壤相比,E.foetida處理的土壤微生物量碳含量顯著降低了43.8%,過氧化氫酶、N-乙酰-氨基葡萄糖苷酶、脲酶和酸性磷酸酶活性分別降低了12.4%、48.4%、44.0%和40.7%,熒光素二乙酸酯酶活性增加了57.4%；A.morrisi處理的土壤過氧化氫酶、N-乙酰-氨基葡萄糖苷酶和脲酶活性分別顯著降低了12.4%、33.9%和45.5%。與對照土壤相比,兩種蚯蚓處理后的土壤微生物熵和轉化酶活性有一定程度的降低,但這些指標處理間差異未達到顯著水平(P>0.05)。另外,兩種蚯蚓相比較,E.foetida處理土壤的代謝熵和熒光素二乙酸酯酶活性顯著高于A.morrisi處理(P<0.05)。

在混合污泥的水稻土壤中,各處理之間土壤的呼吸速率、過氧化氫酶、β-葡萄糖苷酶和熒光素二乙酸酯酶活性差異顯著(表6)。與對照土壤相比,E.foetida處理的呼吸速率顯著降低了33.8%；A.morrisi處理的過氧化氫酶活性顯著提高10.8%,但β-葡萄糖苷酶和熒光素二乙酸酯酶活性分別下降了46.7%和34.4%(P<0.05)。與對照土壤相比,兩種蚯蚓處理的土壤微生物量碳含量、微生物熵、代謝熵、N-乙酰-氨基葡萄糖苷酶和酸性磷酸酶活性均有一定程度的下降,但這些指標處理間差異未達到顯著水平(P>0.05)。另外,兩種蚯蚓相比較,E.foetida處理的土壤呼吸速率和過氧化氫酶活性顯著低于A.morrisi處理36.5%和5.51%,而β-葡萄糖苷酶活性明顯較高(P<0.05)。

3 討論

3.1 不同土壤類型影響蚯蚓對混合污泥土壤的化學和生物學特征的作用

本研究結果表明土壤類型是影響蚯蚓改變土壤化學和生物學性狀的決定性因素之一(圖1,P<0.05)。本研究所用旱地土為高有機碳、低粘粒含量土壤，水稻土則為低有機碳、高粘粒含量土壤。兩種蚯蚓對混合污泥的旱地土壤化學和生物學特征的影響均明顯大于水稻土壤。其中,與對照相比,E.foetida活動后旱地土壤的pH、Eh、有機碳和微生物量碳含量、過氧化氫酶和N-乙酰-氨基葡萄糖苷酶、熒光素二乙酸酯酶活性等7個指標均有顯著影響；而在水稻土壤中,其僅對有機碳含量、碳氮比、全鉀含量和呼吸速率等4個指標有顯著作用。同時,與對照相比,A.morrisi在旱地土壤中活動后,土壤堿解氮含量、過氧化氫酶、N-乙酰-氨基葡萄糖苷酶、脲酶活性、熒光素二乙酸酯酶活性均發生顯著變化,而水稻土壤中,該蚯蚓活動后土壤中只有速效鉀含量、過氧化氫酶活性、β-葡萄糖苷酶和熒光素二乙酸酯酶活性4個指標顯著變化。具體分析如下：

本研究結果顯示蚯蚓在混合污泥的水稻土中對pH的作用并不明顯；而在混合污泥的旱地土壤中E.foetida活動后的pH降低(表3和表4)。與水稻土相比,旱地土壤有機碳含量相對較高(表1),蚯蚓分解有機物質形成較多有機酸可能是造成這一現象的原因之一[27]。另外,目前較少研究顯示蚯蚓作用后土壤的氧化還原電位變化情況。本研究結果顯示：與對照相比,蚯蚓活動后混合污泥的旱地土的氧化還原電位顯著降低,特別是E.foetida處理達到顯著水平；而在水稻土壤中這種現象并未發現。由于氧化還原電位與土壤通氣性密切相關[28]。本研究中旱地土壤粘粒含量相對較少、土質疏松,土壤通氣性較好。由于蚯蚓具有將原本疏松或緊實的土壤,通過自身吞食和挖掘行為將其變為中間狀態的能力[29]。因此,原本疏松的、通氣性較好的旱地土壤經蚯蚓活動后可能變的相對緊實、通氣性降低,從而使其氧化還原電位隨之下降。

本研究將E.foetida接種于土壤中發現：在原本高有機碳含量的混合污泥旱地土壤中,該蚯蚓活動顯著降低了有機碳含量；而在相對較低有機碳含量的混合污泥水稻土壤中,蚯蚓活動則促進了土壤有機碳含量的升高(表3和表4)。結合前人研究：蚯蚓在普通土壤中活動能夠明顯提高其有機碳含量[30- 31]; 但是,在蚯蚓接種于有機廢棄物后,物料有機碳含量并未升高、反而呈現顯著降低的趨勢[6, 27, 32- 35]。因此,本研究得出蚯蚓可能也具有一種能力：其在有機碳較低的基質中,能選擇性吞食有機物顆粒,提高基質中碳素的儲備；但是在豐富有機碳物質中,蚯蚓則與大量微生物聯合作用,將有機物快速分解并以CO2形式將其釋放[32, 34, 36- 37],從而降低其有機碳含量。已有研究結果顯示蚯蚓處理污泥后,污泥的全氮、磷含量明顯增加[6, 27, 33, 38- 39]。本研究結果顯示兩種污泥混合土壤接種蚯蚓后其全氮和全磷含量的變化與對照相比并不顯著,兩種土壤和污泥本身較低的氮和磷含量可能是造成這種現象的重要原因。較多研究結果顯示蚯蚓處理后的污泥全鉀含量顯著增加[6, 27, 33, 38- 39]。而本研究結果顯示蚯蚓處理的混合污泥旱地土壤全鉀變化不明顯、水稻土全鉀含量顯著降低。造成這種現象的原因可能是蚯蚓生理代謝對鉀素的利用[40],Vig等[34]也曾研究發現E.foetida處理的污泥和牛糞混合物全鉀含量顯著下降的現象。前人研究結果顯示經蚯蚓處理后的污泥或有機物料的堿解氮、速效磷和速效鉀含量明顯增高[9, 33, 35 ]。而王小利等[38]和劉鴻雁等[39]研究顯示蚯蚓處理后污泥的堿解氮、速效磷、速效鉀含量呈下降趨勢。本研究結果顯示兩種蚯蚓處理的混合污泥土壤堿解氮含量均呈現下降趨勢,特別是旱地土壤的堿解氮降低量達顯著水平。由于本研究所用造紙污泥為富含大量有機質、未經腐解的物料,在蚯蚓活動過程中,有機質的好氧分解很可能加大了物料溫度升高幅度,促進了其氨氮揮發率和硝化速度,因此混合污泥土壤的堿解氮含量呈現下降趨勢[39]。本研究結果顯示蚯蚓對兩種混合污泥土壤的速效磷含量影響不大,而對速效鉀含量的影響主要體現在混合污泥的水稻土壤中：與對照相比,A.morrisi處理后水稻土的速效鉀含量顯著增加表明了該種蚯蚓活動促進土壤全鉀向有效鉀的轉化能力。Yadav 和 Garg[27]、Vig等[34]和Garg等[35]研究顯示E.foetida堆制處理污泥和不同有機廢棄物混合物后,物料的碳氮比顯著降低。本研究結果顯示E.foetida在混合污泥的旱地土壤中顯著降低其碳氮比,但是在混合污泥水稻土壤中顯著增加碳氮比；而A.morrisi則在兩種土壤混合物中均有增加物料碳氮比的趨勢。在混合物料中,蚯蚓和微生物協同作用對有機質分解造成的碳富集或損失、氮含量降低或增加,以及蚯蚓作用后物料的熟化度變化都可能是造成這種現象的重要原因[34]。

與對照相比,本研究結果總體顯示：蚯蚓處理兩種混合污泥土壤后,土壤微生物碳量、呼吸速率、微生物熵和代謝熵呈下降趨勢(表5和表6)；特別是E.foetida處理在旱地土和水稻土中顯著降低微生物量碳含量和呼吸速率(P<0.05)。這與Gómez-Brandón等[41]和郭瑞華等[9]研究發現E.andrei或E.foetida處理的有機物料和污泥后,物料的微生物量減少、土壤呼吸釋放CO2量顯著減弱的結果相一致。由于土壤微生物量碳和呼吸速率分別是反映微生物量大小和微生物活性的重要指標。因此,本研究中較低的微生物量碳和呼吸速率可能是蚯蚓在混合污泥土壤中吞食某些有害微生物種群而造成的[9]。

酶是土壤生物化學反應的重要參與者,它不僅能夠對土壤微生物活性有較為敏感的反應,而且能夠反映土壤碳氮磷等養分的轉化和利用狀況。已有研究結果顯示,蚯蚓在土壤或有機物料中活動后土壤酶活性呈顯著增加的趨勢[9,42- 44]。而本研究結果顯示蚯蚓處理不同類型土壤后,不同種類酶活性變化差異較大。在混合污泥的水稻土中,兩種蚯蚓活動均能提高過氧化氫酶活性；而在混合污泥的旱地土中,則呈現相反的趨勢(表5和表6)。由于過氧化氫酶對不同農田土壤的有機碳和養分含量變化較為敏感[45],因此本研究中兩種土壤有機碳和養分含量差異可能是造成過氧化氫酶活性差異的重要原因。β-葡萄糖苷酶和轉化酶分別是降解纖維素和水解蔗糖成為葡萄糖和果糖的重要酶。在混合污泥旱地土壤中,本研究結果顯示蚯蚓對這兩種酶活性的影響與其對過氧化氫酶活性影響一致。但是,在混合污泥的水稻土壤中,蚯蚓的作用并沒有一定的規律,不同蚯蚓取食特性的差異很可能是造成這種現象的原因之一。由于過氧化氫酶、β-葡萄糖苷酶和轉化酶與土壤的腐殖質形成、有機質含量緊密相關,因此上述研究結果也進一步說明蚯蚓對不同類型土壤的碳素轉化有不同作用。N-乙酰-氨基葡萄糖苷酶是降解幾丁質和肽聚糖、水解氨基葡萄糖的酶類,而脲酶是催化尿素水解的酶,二者均是參與土壤氮循環的重要物質。磷酸酶在土壤有機磷化合物水解中起重要作用,是參與土壤磷素循環的關鍵酶類。在本研究中,蚯蚓處理旱地土后,顯著降低的土壤N-乙酰-氨基葡萄糖苷酶、脲酶、酸性磷酸酶活性可能與處理中下降的堿解氮和速效磷養分含量有一定的關系；在水稻土壤中也呈現相似的結果,但均未達到顯著水平。由于酶活性變化與土壤有效養分特征密切相關[46],旱地土和水稻土中較為相似的氮磷含量可能是造成蚯蚓處理后兩種土壤氮磷轉化相關的酶類變化趨于一致的原因之一。另外,熒光素二乙酸酯水解酶是通過土壤中蛋白酶、脂肪酶及酯酶等水解產生的熒光素二乙酸活性來評價微生物的總體活性的重要酶類。本研究結果顯示兩種蚯蚓在不同混合污泥土壤中熒光素二乙酸酯水解酶活性明顯不同：在旱地土壤中,蚯蚓活動能顯著增加熒光素二乙酸酯酶活性,而在水稻土壤中則呈現相反的結果。兩種土壤有機碳和養分含量差異、微生物種群特征差異可能是造成這種現象的重要原因,更多的相關研究需深入進行。

3.2 蚯蚓種間差異是影響蚯蚓對混合污泥土壤化學和生物學特征作用的重要原因

E.foetida是一種人工養殖的表層種蚯蚓,對有機物料的分解能力較強,也具有較高的繁殖率和較短的代際時期,對環境的忍耐力強,適用范圍較廣,因此其被廣泛的應用于污泥、食物、農業廢棄物的生物處理[47]。目前,大多數研究結果顯示E.foetida在處理純污泥進程中的積極作用[5-9],但對其他種類蚯蚓的研究則較為少見。本研究首次引入本地種A.morrisi和常規人工養殖蚯蚓E.foetida于混合造紙污泥的土壤中進行研究。由于A.morrisi是一種華南地區本地自然生長的表-內層種蚯蚓,其主要以有機物和土壤為主要食源。因此,當高有機碳含量的造紙污泥混入兩種土壤中,A.morrisi與E.foetida的食性不同及在土壤中取食行為的差異成為蚯蚓影響混合污泥土壤化學性質和生物學特征的重要原因。在高有機碳含量的旱地土壤中,和A.morrisi相比,E.foetida處理的土壤pH、Eh、有機碳和碳氮比較低(表3),這種現象一定程度上再次證實了該種蚯蚓較強的有機質吞食和分解能力,較多的有機酸生成、有機碳以CO2釋放的形式損失是上述指標值或含量較低的重要原因。另外,在旱地土壤中,E.foetida處理的土壤的微生物代謝熵和熒光素二乙酸酯酶活性較高(表5),一定程度上也顯示了該種蚯蚓活動對于該土壤微生物種群,特別是年輕微生物群落活性的提高有一定的積極作用[48]。同樣,在水稻土壤中,有機碳含量、碳氮比、速效鉀含量、呼吸速率、過氧化氫酶和β-葡萄糖苷酶活性特征變化是造成A.morrisi和E.foetida處理的混合土壤化學和生物學性質差異的重要因素(表4和表6)。E.foetida處理相對較高的有機碳含量、碳氮比、β-葡萄糖苷酶活性和較低的呼吸速率一定程度上凸顯了該蚯蚓在低有機碳含量的水稻土中具有較強的儲備有機碳能力；而A.morrisi處理土壤具有較高的速效鉀含量,這些現象則表明了該蚯蚓在混合污泥水稻土壤中具有一定的鉀素養分轉化能力。

4 結論

(1)蚯蚓對混合污泥土壤化學和生物學性質影響與土壤類型密切相關。具有高有機碳和低粘粒含量的旱地土壤混合15%的造紙污泥后,蚯蚓活動能夠顯著降低土壤pH和Eh、加速有機碳分解和減少碳含量、減小微生物量、以及降低與土壤有機質分解和養分轉化相關的酶活性,提高微生物總體活性。而具有低有機碳和高粘粒含量水稻土壤混合15%造紙污泥后,蚯蚓活動則主要作用于土壤有機碳的儲存、對養分和微生物活性的影響相對較小。

(2)本研究使用的造紙污泥為高有機碳和低養分含量的有機物料,在土壤中添加后蚯蚓對混合污泥土壤的作用顯示：在混合污泥的高有機碳和低粘粒含量旱地土壤中,E.foetida對土壤有機碳分解能力和微生物活性提高的能力顯著高于A.morrisi。在混合污泥的低有機碳和高粘粒含量的水稻土壤中,E.foetida對土壤有機碳的儲存能力則顯著高于A.morrisi,而A.morrisi對鉀素的轉換能力相對較強。

綜上所述,蚯蚓能顯著影響混合15%造紙污泥土壤化學和生物學特征。由于造紙污泥具有高有機碳和低養分含量特征,該污泥農用仍需按一定比例配合施用高養分有機物料。進一步根據土壤類型、選擇適宜蚯蚓品種,進行長期小區和大田試驗將更具參考價值。

[1] Bellamy K L, Chong C, Cline R A. Paper sludge utilization in agriculture and container nursery culture. Journal of Environmental Quality, 1995, 24: 1074- 1082.

[2] Gagnon B, Lalande R, Simard R R, Roy M. Soil enzyme activities following paper sludge addition in a winter cabbage-sweet corn rotation. Canadian Journal of Soil Science, 2000, 80: 91- 97.

[3] Wang D H, Peng J J, Dai M. Evaluation of paper mill sludges as fertilizer and its agricultural test. Paper and Paper Making, 2003, 3: 47- 50.

[4] Du W, Zheng G D, Chen T B, Fu B T, Lei M, Gao D, Yue B, Liu B, Zhang J. Value and potential contamination risk of paper mill sludge land application:a review. Acta Ecologica Sinica, 2008, 28(10): 5095- 5103.

[5] Gupta R, Garg V K. Vermiremediation and nutrient recovery of non-recyclable paper waste employingEiseniafetida. Journal of Hazardous Materials, 2009, 162: 430- 439.

[6] Kaur A, Singh J, Pal Vig A, Dhaliwal S S, Rup P J. Composting with and withoutEiseniafetidafor conversion of toxic paper mill sludge to a soil conditioner. Bioresource Technology, 2010, 101: 8192- 8198.

[7] Li D, Wang D H, Zeng T, Li L, Xie X L. Study on Pulp and Paper Mill Sludge Vermicomposting by Using Eisenia foetida. Transactions of China Pulp and Paper, 2010, 25(1): 22- 26.

[8] Yang M, Duan J J, Wang X L, Cui W W, Huang C, Guo D H. Advances in earthworm biological treatment of paper mill sludge and application of vermicompost. Guizhou agricultural sciences, 2011, 39(8): 116- 119.

[9] Guo D H, Fan M, Zhao L J, Liu H Y. Effect of Earthworms Treatment on Bioactivities of Bamboo Pulp Sludge. Guizhou Agricultural Sciences, 2011, 39(5): 103- 105.

[10] Nemati M R, Caron J, Gallichand J. Using paper de-inking sludge to maintain soil structural form: field measurements. Soil Science Society of America Journal, 2000, 64: 275- 285.

[11] Zibilske L M, Clapham W M, Rourke R V. Multiple applications of paper mill sludge in an agricultural system: soil effects. Journal of Environmental Quality, 2000, 29: 1975- 1981.

[12] Piearce T G, Boone G C. Responses of invertebrates to paper sludge application to soil. Applied Soil Ecology, 1998, 9: 393- 397.

[13] Chantigny M H, Angers D A, Beauchamp C J. Active carbon pools and enzyme activities in soils amended with de-inking paper sludge. Canadian Journal of Soil Science, 2000, 80： 99- 105.

[14] Lavelle P, Spain AV. Soil Ecology. London: Kluwer AcademicPublishers. 2001:285- 289, 463- 494.

[15] Lu R K. Analytical Method of Soil Agricultural Chemistry. Beijing: Chinese Agriculture Science and Technology Press,2000:12- 292.

[16] Dai J, Becquer T, Rouiller J H, Reversat G, Berhard-Reversat F, Lavelle P. Influence of heavy metals (zinc, cadmium, lead and copper) to some micro-biological characteristics of soils. Applied Soil Ecology, 2004, 25: 99- 109.

[17] Vance E D, Brookes P C, Jenkinson D S. An extraction method for measuring soil microbial biomass C. Soil Biology and Biochemistry, 1987, 19(6): 703- 707.

[18] Sparling G P. Ratio of microbial biomass carbon to soil organic carbon as a sensitive indicator of changes in soil organic matter. Australia Journal of Soil Research, 1992, 30: 195- 207.

[19] Wang W J, Dalal R C, Moody P W, Smith C J. Relationships of soil respiration to microbial biomass, substrate availability and clay content. Soil Biology and Biochemistry, 2003, 35: 273- 284.

[20] Zibilsk L M. Carbon mineralization//Weaver R W, Angle S, Bottomley P, Bezdicek D, Smith S. Methods of Soil Analysis Part2-Microbiological and Biochemical Properties. Soil Science Society of America, 1994: 835- 859.

[21] Anderson T H. Microbial eco-physiological indicators to assess soil quality. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2003, 98: 285- 293.

[22] Guan S Y. Soil enzyme and its methods. Beijing: Agricultural Press, 1986: 234- 279.

[23] Mora P, Miambi E, Jimenez J J, Decaens T, Rouland C. Functional complement of biogenic structures produced by earthworms, termites and ants in the neotropical savannas. Soil Biology and Biochemistry, 2005, 37: 1043- 1048.

[24] Li Y T, Rouland C, Benedetti M F, Li F B, Pando A, Lavelle P, Dai J. Microbial biomass, enzyme and mineralization activity in relation to soil organic C, N and P turnover influenced by acid metal stress. Soil Biology and Biochemistry,2009, 41: 969- 977.

[25] R Development Core Team. R: A Language and Environment for Statistical Computing. R Foundation for Statistical Computing, Vienna, Austria, ISBN 3- 900051- 07- 0, 2009. URL http://www.R-project.org.

[26] Thioulouse J, Chessel D, Doledec S, Olivier J M. ADE- 4: a multivariate analysis and graphical display software.StatisticsandComputing, 1997, 7: 75- 83.

[27] Yadav A, Garg V K, Recycling of organic wastes by employingEiseniafetida. Bioresource Technology, 2011, 102: 2874- 2880.

[28] Huang C Y. Soil Science. Beijing: Agricultural Press, 2000:179- 183.

[29] Barré P, McKenzie B M, Hallet P D. Earthworms bring compacted and loose soil to a similar mechanical state. Soil Biology and Biochemistry, 2009, 41: 656- 658.

[30] Jouquet P, Hartmann C, Choosai C, Hanboonsong Y, Brunet D, Montoroi J P. Different effects of earthworms and ants on soil properties of paddy fields in North-East Thailand. Paddy Water Environ, 2008, 6: 381- 386.

[31] Zhang C, Langlest R, Velasquez E, Pando A, Brunet D, Dai J, Lavelle P. Cast production and NIR spectral signatures ofAporrectodeacaliginosafed soil with different amounts of half-decomposed Populusnigra litter. Biology and Fertility of Soils, 2009, 45(8): 839- 844.

[32] Elvira C, Sampedro L, Benitez E, Nogales R. Vermicomposting of sludges from paper mill and dairy industries with Eisenia Andrei: A pilot-scale study. Bioresource Technology, 1998, 63: 205- 211.

[33] Suthar S. Vermistabilization of municipal sewage sludge amended with sugarcane trash using epigeic Eisenia fetida (Oligochaeta). Journal of Hazardous materials, 2009, 163: 199- 206.

[34] Vig A P, Singh J, Wani S H, Dhaliwal S S. Vermicomposting of tannery sludge mixed with cattle dung into valuable manure using earthworm Eisenia fetida (Savigny). Bioresource Technology, 2011, 102: 7941- 7945.

[35] Garg V K, Suthar S, Yadav A. Management of food industry waste employing vermicomposting technology. Bioresource Technology, 2012, 126: 437- 443.

[36] Aira M, Monroy F, Dominguez J. Earthworms strongly modify microbial biomass and activity triggering enzymatic activities during vermicomposting independently of the application rates of pig slurry. Science of the Total Environment, 2007, 385: 252- 261.

[37] Hait S, Tare V. Vermistabilization of primary sewage sludge. Bioresource Technology, 2011, 102: 2812- 2820.

[38] Wang X L, Huang C, Duan J J, Yang M, Guo D H. Effect of Earthworm Biological Treatment on Nutrients and Heavy Metals of Paper Mill Sludge. Chinese Journal of Soil Science, 2012, 43(2): 472- 476.

[39] Liu H Y, Guo D H, Fan M, Chen M. The study of earthworm biological treatment on paper sludge. Guizhou Chemical Industry, 2009, 34(5): 33- 35.

[40] Singh J, Kaur A, Vig A P, Rup P J. Role of Eisenia fetida in rapid recycling of nutrients from bio sludge of beverage industry. Ecotoxicology and Environment Safety, 2010, 73: 430- 435.

[41] Gómez-Brandón M, Aira M, Lores M, Domínguez J. Epigeic earthworms exert a bottleneck effect on microbial communities through gut associated processes. PLoS ONE 6(9): e24786. doi:10.1371/journal.pone.0024786.

[42] Sen B, Chandra T S. Do earthworms affect dynamics of functional response and genetic structure of microbial community in a lab-scale composing system? Bioresource Technology, 2009, 100: 804- 811.

[43] Aira M, Domínguez J. Microbial and nutrient stabilization of two animal manures after the transit through the gut of the earthwormEiseniafetida(Savigny, 1826). Journal of Hazardous Materials, 2009, 161: 1234- 1238.

[44] Zhang C, Chen X F, Zhou B, Li J L, Yang C F, Dai J. Effects ofAmynthasrobustusandAmynthascorticison enzyme activities and microbe characteristics in South China. Scientia agricultura sinica, 2012, 45(13): 2658- 2667.

[45] Liu J X. Correlative research on the activity of enzyme and soil nutrient. Chinese Journal of Soil Science, 2004, 35(4): 523- 525.

[46] Ernst G, Henseler I, Felten D, Emmerling C. Decomposition and mineralization of energy crop residues governed by earthworms. Soil Biology and Biochemistry, 2009, 41: 1548- 1554.

[47] Edwards C A. Earthworm Ecology. Boca Raton: CRC Press. 2004.

[48] Zhang B Q, Li G T, Shen T S. Influence of the earthwormPheretimaguillelmion soil microbial biomass and activity. Acta Ecologica Sinica, 2000, 20(1):168- 172.

參考文獻：

[3] 王德漢, 彭俊杰, 戴苗. 造紙污泥作為肥料資源的評價與農用試驗. 紙和造紙, 2003, 3: 47- 50.

[4] 杜偉, 鄭國砥, 陳同斌, 付本田, 雷梅, 高定, 岳波, 劉斌, 張軍. 造紙污泥土地利用的資源價值與潛在風險. 生態學報, 2008, 28(10): 5095- 5103.

[7] 李丹, 王德漢, 曾婷, 李亮, 謝錫龍. 接種蚯蚓堆制處理造紙污泥的試驗研究. 中國造紙學報, 2010, 25(1): 22- 26.

[8] 楊明, 段建軍, 王小利, 崔雯雯, 黃春, 郭端華. 蚯蚓生物處理造紙污泥及蚓糞應用的研究進展. 貴州農業科學, 2011, 39(8): 116- 119.

[9] 郭端華, 范敏, 趙柳軍, 劉鴻雁. 蚯蚓生物處理對竹漿造紙污泥生物活性的影響. 貴州農業科學, 2011, 39(5): 103- 105.

[15] 魯如坤. 土壤農業化學分析方法. 北京: 中國農業科技出版社, 2000： 12- 292.

[22] 關松蔭. 土壤酶及其研究法. 北京: 農業出版社, 1986: 234- 279.

[28] 黃昌勇.土壤學. 北京：中國農業出版社, 2000:179- 183.

[38] 王小利, 黃春, 段建軍, 楊明, 郭端華. 蚯蚓對造紙污泥的養分和重金屬處理效應的研究. 土壤通報, 2012, 43(2): 472- 476.

[39] 劉鴻雁, 郭端華, 范敏, 陳敏. 造紙污泥蚯蚓生物處理效應研究. 貴州化工, 2009, 34(5): 33- 35.

[44] 張池, 陳旭飛, 周波, 黎建龍, 楊成方, 戴軍．華南地區壯偉環毛蚓和皮質遠盲蚓對土壤酶活性和微生物學特征的影響. 中國農業科學, 2012, 45(13): 2658- 2667.

[45] 劉建新. 不同農田土壤酶活性與土壤養分相關關系研究. 土壤通報, 2004, 35(4): 523- 525.

[48] 張寶貴, 李貴桐, 申天壽. 威廉環毛蚯蚓對土壤微生物量及活性的影響. 生態學報, 2000, 20(1): 168- 172.

Effects ofEiseniafoetidaandAmynthasmorrision the chemical and biological properties of soil amended with the paper mill sludge

CHEN Xufei1, ZHANG Chi1,*, DAI Jun1,GUO Yanbiao1,LIU Ting1, 2

1CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,SouthChinaAgriculturalUniversity/KeyLaboratoryofArableLandConservation(SouthChina)ofMinistryofAgriculture,Guangzhou510642,China2GuangdongInstituteofEco-environmentandSoilSciences,Guangzhou510650,China

Two earthworm species (EiseniafoetidaandAmynthasmorrisi) were inoculated in dryland and paddy soil mixed with 15% paper mill sludge for 30 days. Effects of earthworm on soil chemical and biological properties were evaluated, which included pH and Eh value, contents of organic carbon and dissolved organic carbon, contents of total nitrogen, phosphorus and potassium and their available contents, the ratio of C and N, contents of microbial biomass carbon, soil respiration rate, metabolic quotient, microbial quotient, and activities of catalase, urease, invertase, acid and alkaline phosphatase, β-glucosidase, N-acetyl-glucosaminidase and fluorescein diacetate (FDA) hydrolysis. PCA results showed that: effects of earthworms on the chemical and biological properties of soil mixed with paper mill sludge depend on soil types and earthworm special species (P<0.05). ANOVA results showed that: (1) in dry land treatments, compared with the control, 0.22 and 13 units of soil pH and Eh values and 22.8% contents of organic carbon were reduced byE.foetidasignificantly, respectively (P<0.05). In the meantime,E.foetidareduced contents of microbial biomass carbon, activities of catalase, N-acetyl-glucosaminidase, urease and acid phosphatase by 43.8%, 12.4%, 48.4%, 44.0% and 40.7%, respectively, but increased FDA hydrolysis by 57.4% as well (P<0.05). Compared with the control, 16.5% reduction of available N contents and 12.4%, 33.9% and 45.5% reduction of activities of catalase, N-acetyl-glucosaminidase and urease were shown byA.morrisi(P<0.05). In addition, compared toA.morrisi, reductions of 0.17 and 10 units, 24.9% and 2.26 ratio of soil pH and Eh values, organic carbon content and the ratio of carbon to nitrogen were observed significantly byE.foetida, respectively (P<0.05). Higher of soil metabolic quotient and FDA hydrolysis were shown inE.foetidathanA.morrisitreatments. (2) in paddy soil, compared with the control, 20.9% and 1.02 units increase of soil organic carbon and C∶N ratio were shown inE.foetidatreatments significantly, but 6.11% and 33.8% decreases of total K contents and soil respiration rate were observed as well(P<0.05). ForA.morrisitreatments, 13.2% and 10.8% increases of soil available K contents and catalase activities was observed significantly (P<0.05), but 46.7% and 34.4% decreases of β-glucosidase activities and FDA hydrolysis were observed as well. Moreover, in paddy soil treatments, 15.7% and 0.84 units increase of organic carbon contents and C∶N ratio were shown inE.foetidathanA.morrisitreatments, but 11.4%, 36.5% and 5.51% decrease of total K contents, respiration rate and catalase activities were observed as well (P<0.05). In summary, earthworm had significant effects on the chemical and biological properties in soil amended with the paper mill sludge. In dry land soil with higher contents of organic matter and lower contents of clay, earthworm accelerated organic matter decomposition, released organic carbon, reduced microbial biomass and the related enzyme activities in organic matter decomposition and nutrient transformation, but increased the potential overall microbial activity. In paddy soil with lower contents of organic matter and higher contents of clay, earthworm contributed to soil organic carbon storage, but had less effect on soil nutrient contents and microbial characteristics. To compare withA.morrisi,E.foetidahad stronger abilities on accelerating soil organic matter decomposition, releasing organic carbon and enhancing microbial activities in dry land soil, but increasing organic carbon storage in paddy soil.A.morrisihad stronger ability on potassium cycling thanE.foetidain paddy soil. The paper mill sludge was rich in organic matter and poor in nutrient contents in our study. According to proportion, other organic matters rich in nutrient contents should be chose and used together with sludge in the further agricultural application. It is recommended that more studies should be performed in plot and field experiment according to soil types and earthworm species as well.

earthworm; the paper mill sludge; soil; chemical and biological properties

國家自然科學基金青年科學基金項目(41201305); 廣東省自然科學基金博士啟動項目(S2012040007806);中國博士后科學基金資助項目(2012M511819);廣東省教育部產學研結合項目(2011A09020003)

2013- 06- 09;

2013- 09- 26

10.5846/stxb201306091524

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhangchi121@163.com

陳旭飛,張池,戴軍,郭彥彪,劉婷.赤子愛勝蚓和毛利遠盲蚓對添加造紙污泥土壤的化學和生物學特征的影響.生態學報,2014,34(5):1114- 1125.

Chen X F, Zhang C, Dai J,Guo Y B,Liu T.Effects ofEiseniafoetidaandAmynthasmorrision the chemical and biological properties of soil amended with the paper mill sludge.Acta Ecologica Sinica,2014,34(5):1114- 1125.