不同腐熟劑對堆肥腐植酸含量及肥力的影響

楊笑瑩 辛寒曉 孫國科 趙升遠 劉麗英 孫中濤*

1 山東佐田氏生物科技有限公司 濟南 250000

2 山東農業(yè)大學生命科學學院 泰安 271018

近年來，我國食用菌發(fā)展迅速，年產量約4000 萬噸[1]，食用菌栽培廢料（菌糠）作為副產物，年產生量至少達2000 萬噸[2]，其綜合利用成為了亟待解決的問題。菌糠富含蛋白質、纖維素和多種礦質元素等營養(yǎng)物質，若不及時處理，就地堆放極易引起霉菌和害蟲滋生及腐爛惡臭，引發(fā)生態(tài)環(huán)境污染問題。雖然菌糠綜合利用的方式很多，例如，堆肥、生態(tài)修復、再次用于食用菌栽培原料等，但堆肥是其中最經濟、最具發(fā)展前景的利用方式[3]。堆肥是在適宜的條件下，對菌糠等有機固廢進行發(fā)酵腐熟，實現其減量化、無害化和資源化利用[3]。通過堆肥，可將菌糠轉化為有機肥，用于農業(yè)生產，具有促進作物生長、增產增收、提高土壤肥力的作用。施用堆肥產品能使小白菜增產14.5%；仙丹花和矮牽牛等生長茂盛，土壤肥力、土壤酶活性和微生物數量顯著提高[4]。但由于食用菌菌糠碳氮比（C/N）較高，呈微堿性，單獨堆肥的效果不佳[5，6]。已有研究表明，微生物接種劑（細菌和放線菌等）或者營養(yǎng)添加劑（禽糞便、污泥等）可以間接提高微生物的生長和代謝，改善堆肥產品效果[7，8]。酶制劑，如纖維素酶，也可以用來增加營養(yǎng)和改善堆肥的微生物代謝，但很少有研究。為此，本文通過添加不同外源性物質，研究堆肥進程及產品質量，并采用盆栽試驗的方法，將不同堆肥產品、清水及無機肥進行比較，研究添加不同外源性物質的堆肥產品在辣椒植株的生長發(fā)育狀況、根系抗氧化酶活性及土壤酶活性方面的應用效果。

1 材料與方法

1.1 試驗時間、地點

堆肥試驗于2019年3 月—5 月在山東農業(yè)大學生命科學學院農業(yè)微生物試驗室內進行。盆栽試驗于2019年5 月—7 月在山東佐田氏生物科技有限公司試驗田中進行。

1.2 試驗材料

堆肥原料：菌糠，來源于山東佐田氏生物科技有限公司發(fā)酵車間，其有機碳含量為48.95%，全氮、磷、鉀含量分別為1.47%、2.41%、1.01%，纖維素含量為27.39%，C/N 為40.5，pH 為6.82，含水率為23.10%，電導率為0.75 mS/cm。外源性物質，纖維素酶：購置于泰安信得利生物工程有限公司，其酶活性為5×105u/g；黑曲霉：購置于沂水錦潤生物科技有限公司，其含量為1.0×1010cfu/g。價格分別為：纖維素酶0.05 元/克，黑曲霉0.01 元/克。

盆栽試驗所用無機肥：磷酸二氫鉀1.7 g 和尿素1.8 g，由山東佐田氏生物科技有限公司提供。試驗辣椒植株：“羊角椒”，購于江蘇省一畝田蔬菜種苗有限公司。

1.3 試驗設計與方法

1.3.1 堆肥的制備方法

堆肥反應容器為壁厚5 cm的泡沫保溫箱，內部長、寬、高分別為60、45、41 cm。在堆肥反應容器中加入堆肥原料40 千克（鮮重）/箱，保持初始含水量為51.20%。試驗共設置3 個處理，外源性物質為變量。在第25 天，以1∶100的質量比例，將外源性物質（纖維素酶或黑曲霉）溶于水，通過噴水處理控制水分含量，使其均勻混合后將含水率調至50%。前40 天堆肥中，每天機械翻轉1 次，之后5 天機械翻轉1 次，以保證氧氣充足。

3 個試驗處理分別為：T1（全菌糠發(fā)酵，噴灑等量的水）、T2[添加0.2%（w/w）纖維素酶]、T3[添加0.2%（w/w）黑曲霉]。

1.3.2 盆栽試驗

盆栽試驗采用盆口內徑、底內徑和高分別為15、13、15 cm的陶盆。每盆土壤質量為3 kg，每株添加1.5%的相應堆肥產品，混勻加入盆中。將辣椒幼苗緩苗一周后，選取大小和生長良好的幼苗移到盆中。試驗共設置5 個處理，每個處理設3 個平行，每個平行5 盆，每盆種植2 株緊密平行植株，每個處理種植30 株，共150 株75 盆。將其在試驗田擺成“5×15”的長方形，每天早上七點和晚上五點每盆各澆水200 mL，連續(xù)澆水60 天。

5 個試驗處理分別為：CK1（清水對照，不施肥）、CK2（施無機復合肥，磷酸二氫鉀1.7 g 和尿素1.8 g）、T1（施普通成熟堆肥）、T2（施纖維素酶成熟堆肥）、T3（施黑曲霉成熟堆肥）。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 堆肥溫度的測定

將3 支數字溫度計隨機插入堆肥箱約20 cm 深的中間位置，溫度計彼此相距約10 cm，取3 支溫度計的平均值為當日堆肥溫度，并測定當時環(huán)境溫度，溫度測量完后將堆肥翻轉。在堆肥前期每天下午兩點，用溫度計測量溫度；后期若溫度變化不大，則2～3 天測量1 次。

1.4.2 堆肥產品質量指標

在第60 天采用五點取樣法，將樣品取出并保存于-4 ℃下，用于化學分析。測定堆肥中的理化參數：采用重鉻酸鉀法測定總有機質含量[9]；采用凱氏定氮法測定總氮（TN）含量[9]；采用分光光度法測定總磷（TP）含量[10]；采用火焰光度計法測定總鉀（TK）含量[11]；采用焦磷酸鈉浸提-重鉻酸鉀容量法測定總腐植酸含量[11]；采用1%氫氧化鈉浸提-重鉻酸鉀容量法測定游離腐植酸含量[12]；采用容量滴定法測定黃腐酸含量[11]；采用0.05 M NaHCO3溶液的吸光度確定E4/E6值[10]。

1.4.3 盆栽試驗樣品采集及指標測定

（1）辣椒生長指標測定。在第30 天和第60 天分別進行采樣，從每個處理選取3 株長勢基本一致的辣椒植株，測量樣品莖粗和株高，采用游標卡尺測量莖粗（第一葉片處測量）；采用直尺測株高，測其莖基部到葉頂端的垂直距離；測量并記錄整個植株的鮮重；將鮮重樣品放于105 ℃烘箱30 min，后70 ℃烘至恒重，記錄干重；采用乙醇提取比色法測定植株葉片葉綠素總量[13]。

（2）辣椒根系抗氧化酶活性指標和丙二醛（MDA）測定。在第30 天和第60 天分別進行采樣，采用氮藍四唑（NBT）法測定超氧化物歧化酶（SOD）的活性[14]；采用愈創(chuàng)木酚法測定過氧化物酶（POD）的活性[15]；采用過氧化氫法測定過氧化氫酶（CAT）活性[15]；采用TBA 法測定MDA 含量[16]。

（3）辣椒根系土壤生物學指標測定。在第30 天和第60 天分別進行采樣，采用苯酚鈉比色法測定土壤脲酶活性[17]；采用錳酸鉀滴定法測定過土壤過氧化氫酶活性[18]；采用3，5-二硝基水楊酸法測定土壤蔗糖酶活性[19]。

（4）辣椒品質指標測定。在第60 天進行采樣，采用福林酚法測定可溶性蛋白的含量[20]；采用2，6-二氯靛酚滴定法測定Vc 含量[21]。

1.5 數據分析

采用MicrosoftExcel 對試驗數據進行處理，SPSS 軟件對試驗數據進行分析和比較。

2 結果與分析

2.1 堆肥過程中溫度變化

在堆肥過程中，溫度是評估大規(guī)模堆肥質量的一個主要指標。隨溫度變化，有機物分解、酶活性、微生物生長等也會產生變化。堆肥過程中溫度變化如圖1 所示。堆肥前25 天，溫度迅速升高，通過自加熱，從23 ℃開始上升，在第4 天，堆肥溫度達到最大值，此時是好氧型微生物活躍最頻繁的時期，分解最為旺盛，能逐漸降解有機物，加速堆肥。在4 天之后，堆肥溫度開始降低，說明此時的有機質被分解，剩下了難分解的物質，尤其是大量木質纖維素；微生物活性開始下降，從而導致溫度逐漸降低。在25 天時T2 加入纖維素酶，T3 加入黑曲霉，T1 不添加外源性物質，作為對照。從圖中可以看出，從25 天開始，溫度再次升高，T2 和T3 高溫均持續(xù)5 天，T1 在后期有升溫但是變化范圍較小，最高溫度依次為T3>T2>T1。原因是在T2 中添加的纖維素酶通過分解菌糠中的纖維素提供更多的碳源來促進微生物的生長和代謝，在T3 中添加的黑曲霉可以產生大量的纖維素酶和蛋白酶，進而通過分解菌糠中的纖維素和蛋白質等提供更多的碳源和氮源來促進微生物的生長和代謝，從而使堆肥溫度升高且持續(xù)時間長。持續(xù)高溫有助于在堆肥過程中滅活潛在的病原體，更有利于物質的降解，促進堆肥快速腐熟。這與Meng 等[9]堆肥溫度與微生物的生長和代謝密切相關有類似的結果。

圖1 堆肥過程中溫度變化Fig.1 Temperature change during composting

2.2 堆肥產品質量分析

堆肥產品成熟度用于評估堆肥產品的穩(wěn)定性和安全性。堆肥的成熟度通常使用總有機質、總氮、總磷、總鉀、總腐植酸、游離腐植酸、黃腐酸和E4/E6值的指標來表示。堆肥產品質量分析結果見表1。

表1 堆肥產品質量分析Tab.1 Quality analysis of compost product

從表中可以看出，在總有機質含量方面，添加黑曲霉的T3 含量最低，添加纖維素酶的T2 次之，噴水對照T1 最高，其中T3 與T1 差異達顯著水平。說明在堆肥中添加外源性物質（黑曲霉或纖維素酶），復雜的有機質被分解，總有機質含量有所降低，從而加速堆肥。特別是T3 效果最為顯著。這與Kiyohiko 等[22]的研究結果類似。

在總氮、總磷、總鉀含量方面，與T1 比較，T3 分別提高14.83%、31.92%和21.08%；T2 分別提高13.13%、17.23%和4.90%，不同處理之間差異達顯著水平。說明添加外源性物質能有效增強堆肥中微生物活性，使氮得以保留，磷損失減少，鉀含量增加。添加外源性物質的堆肥產品作用于植物，有利于其擁有足夠的氮、磷、鉀來支持生長。這與Meng 等[9]的結果基本一致。

在總腐植酸和游離腐植酸含量方面，與T1 比較，總腐植酸和游離腐植酸的含量由高到低依次為T3>T2>T1。其中T3 與T1 相比分別增加17.75%和17.93%，差異達顯著水平；T2 與T1 相比分別增加13.75%和13.64%，差異達顯著水平；T3 與T2 相比，游離腐植酸含量差異達顯著水平。堆肥過程升高溫度能加速腐殖化過程，有助于生成結構穩(wěn)定的腐殖質，使總腐植酸和游離腐植酸含量增加。這說明添加外源性物質的堆肥效果好，特別是加入黑曲霉，對加速堆肥的腐熟進程，提高利用率，增強腐殖化程度和產品質量有較強的促進作用。

表1 還可以看出，在黃腐酸含量和E4/E6值方面，T2、T3 與T1 比較，差異達顯著水平，其中T3的黃腐酸含量最少，E4/E6值最低。造成這種現象的原因可能是：添加外源性物質黑曲霉，黃腐酸等小分子可溶性物質會被微生物分解利用或轉化為腐植酸等大分子物質，使含量下降。黃腐酸含量和E4/E6值可作為堆肥產品穩(wěn)定性的輔助指標，一般與堆肥的穩(wěn)定性呈負相關。這與Esteves 等[23]研究結果相似。

2.3 不同堆肥產品對辣椒生長指標的影響

對生長30 天的辣椒，進行生長指標測定，研究不同堆肥產品對其影響結果如表2、表3 所示。與清水對照CK1 相比，施加堆肥產品的辣椒生長和葉綠素總量均顯著提高。施普通成熟堆肥T1 與施無機復合肥CK2 相比，辣椒干重顯著提高19.27%，其他指標差異不顯著。施纖維素酶成熟堆肥T2 與CK2 相比，鮮重、干重、株高、莖粗和葉綠素總量分別顯著提高40.08%、59.92%、25.00%、15.21%和13.51%。施黑曲霉成熟堆肥T3 與CK2 相比，鮮重、干重、株高、莖粗和葉綠素總量分別顯著提高55.82%、68.59%、6.68%、16.41% 和24.84%。T2 與T1 相 比，鮮 重、干重、株高和葉綠素總量分別顯著提高29.70%、34.09%、19.99%和13.51%，莖粗提高7.50%；T3與T1 相比，鮮重、干重和葉綠素總量分別顯著提高44.29%、41.36%和24.86%，株高和莖粗分別提高2.40%和8.61%；T3 與T2 相比，鮮重、干重和葉綠素總量分別顯著提高11.24%、5.42%和1.00%，株高降低14.66%，莖粗提高1.04%。

對生長60 天的辣椒，進行生長指標測定，研究不同堆肥產品對其影響結果如表2、表3 所示。與CK1 相比，施加堆肥產品的辣椒生長和葉綠素總量均顯著提高。T1 與CK2 相比，鮮重、干重和莖粗分別顯著提高7.17%、7.79%和6.55%，株高和葉綠素總量增長差異不顯著。T2 與CK2 相比，鮮重、干重、株高、莖粗和葉綠素總量分別顯著提高27.77%、22.16%、14.79%、13.75% 和14.89%。T3 與CK2 相比，鮮重、干重、株高、莖粗和葉綠素總量分別顯著提高48.49%、32.98%、13.63%、8.49%和27.66%。T2 與T1 相比，鮮重、干重、莖粗和葉綠素總量分別顯著提高19.22%、13.55%、6.75%和13.68%，株高增長差異不顯著；T3 與T1 相比，在鮮重、干重和葉綠素總量分別顯著提高38.55%、23.61%和26.32%，株高和莖粗增長差異不顯著；T3 與T2 相比，鮮重、干重和葉綠素總量分別顯著提高16.21%、8.86%和11.11%，株高增長差異不顯著，莖粗顯著降低4.63%。

表2 不同堆肥產品對辣椒鮮重和干重的影響Tab.2 Effects of different compost product on fresh and dry weight of chilig

表3 不同堆肥產品對辣椒株高、莖粗、葉綠素總量的影響Tab.3 Effects of different compost product on plant height,stem diameter and total chlorophyll content of chili

2.4 不同堆肥產品對辣椒根系抗氧化酶活性和MDA的影響

對生長30 天的辣椒，進行抗氧化酶活性指標測定，研究不同堆肥產品對辣椒根系抗氧化酶活性及MDA 含量影響的結果見表4。在辣椒根系SOD、POD 和CAT的活性方面，堆肥產品與CK1 相比均顯著提高，MDA 含量顯著降低。T1 與CK2 相比，SOD、POD、CAT 活性和MDA 含量分別顯著提高2.77%、22.18%、16.64%和20.00%。T2 與CK2 相比，SOD、POD 和CAT 活性分別顯著提高11.80%、61.17%和38.86%，MDA 含量降低4.21%。T3 與CK2 相比，SOD、POD 和CAT 活性分別顯著提高31.47%、68.01%和58.21%，MDA 含量顯著降低32.63%。T2 與T1 相比，SOD、POD 和CAT 活性分別顯著提高8.78%、31.91%和18.74%，MDA 含量顯著降低20.17%；T3 與T1 相比，SOD、POD和CAT 活性分別顯著提高27.92%、37.51% 和35.29%，MDA 含量顯著降低43.86%；T3 與T2 相比，SOD、POD 和CAT 活性分別顯著提高17.59%、4.24%和13.94%，MDA 含量顯著降低29.67%。

對生長60 天的辣椒，進行抗氧化酶活性指標測定，研究不同堆肥產品對辣椒根系抗氧化酶活性及MDA 含量影響的結果見表4。在辣椒根系SOD、POD 和CAT的活性方面，堆肥產品與CK1 相比均顯著提高，MDA 含量顯著降低。T1 與CK2 相比，SOD、POD、CAT 活性和MDA 含量分別顯著提高2.99%、4.69%、8.76%和11.96%。T2 與CK2 相比，SOD、POD 和CAT 活性分別顯著提高11.53%、16.49%和21.19%，MDA 含量顯著降低5.43%。T3與CK2 相比，SOD、POD 和CAT 活性分別顯著提高25.81%、23.11%和30.20%，MDA 含量顯著降低10.87%。T2 與T1 相比，SOD、POD 和CAT 活性分別顯著提高8.29%、11.26%和11.43%，MDA 含量顯著降低15.53%；T3 與T1 相比，SOD、POD 和CAT 活性分別顯著提高22.15%、17.56%和19.72%，MDA 含量顯著降低25.61%；T3 與T2 相比，SOD、POD 和CAT 活性分別顯著提高12.80%、5.68%和7.44%，MDA 含量顯著降低5.75%。

表4 不同堆肥產品對辣椒根系抗氧化酶活性和MDA 含量的影響Tab.4 Effects of different compost product on antioxidant enzyme activity and malondialdehyde of chili root system

2.5 不同堆肥產品對辣椒根際土壤酶活性的影響

對生長30 天的辣椒，進行根際土壤酶活性指標測定，研究不同堆肥產品對辣椒根際土壤酶活性影響的結果見表5。堆肥產品與CK1 相比，辣椒根際土壤中脲酶、過氧化氫酶和蔗糖酶活性顯著提高。T1 與CK2 相比，脲酶、過氧化氫酶和蔗糖酶活性分別顯著提高4.96%、2.94%和3.07%。T2與CK2 相比，脲酶、過氧化氫酶和蔗糖酶活性分別顯著提高14.05%、11.76%和4.59%。T3 與CK2相比，脲酶、過氧化氫酶和蔗糖酶活性分別顯著提高28.10%、20.69%和9.33%。T2 與T1 相比，脲酶、過氧化氫酶和蔗糖酶活性分別顯著提高8.66%、8.57%和1.48%；T3 與T1 相比，脲酶、過氧化氫酶和蔗糖酶活性分別顯著提高22.05%、17.14%和6.08%；T3 與T2 相比，脲酶、過氧化氫酶和蔗糖酶活性分別顯著提高12.32%、7.89%和4.53%。

對生長60 天的辣椒，進行根際土壤酶活性指標測定，研究不同堆肥產品對辣椒根際土壤酶活性影響的結果見表5。施加堆肥產品與CK1 相比，辣椒根際土壤中脲酶、過氧化氫酶和蔗糖酶活性均顯著提高。T1 與CK2 相比，脲酶、過氧化氫酶和蔗糖酶活性分別顯著提高2.23%、16.67%和0.24%。T2 與CK2 相比，脲酶、過氧化氫酶和蔗糖酶活性分別顯著提高8.38%、42.86%和5.13%。T3 與CK2 相比，脲酶、過氧化氫酶和蔗糖酶活性分別顯著提高18.44%、61.90%和10.41%。T2 與T1 相比，脲酶、過氧化氫酶和蔗糖酶活性分別顯著提高6.01%、22.45%和4.87%；T3 與T1 相比，脲酶、過氧化氫酶和蔗糖酶活性分別顯著提高15.85%、38.78%和10.15%；T3 與T2 相比，脲酶、過氧化氫酶和蔗糖酶活性分別顯著提高9.28%、13.33%和5.03%。

表5 不同堆肥產品對辣椒根際土壤酶活性的影響Tab.5 Effects of different compost product on enzyme activity of chili rhizosphere soil

2.6 不同堆肥產品對辣椒果實品質的影響

對生長60 天的辣椒，進行果實品質指標測定，研究不同堆肥產品對辣椒果實品質的影響的結果見表6。在辣椒的可溶性蛋白和Vc 含量方面，施用不同堆肥產品與CK1 相比顯著提高。與CK2 相比，T1的可溶性蛋白和Vc 含量分別提高19.99%和37.44%；T2的可溶性蛋白和Vc 含量分別顯著提高41.81%和40.70%；T3的可溶性蛋白和Vc 含量分別顯著提高53.45%和50.60%。T2 與T1 相比，可溶性蛋白含量提高18.19%，Vc含量差異不顯著；T3 與T1 相比，可溶性蛋白和Vc 含量分別顯著提高27.89%和9.58%；T3 與T2相比，可溶性蛋白和Vc 含量分別顯著提高8.21%和7.04%。

表6 不同堆肥產品對辣椒果實品質的影響Tab.6 Effects of different compost product on fruit quality of chili

3 討論與結論

堆肥產品與清水對照和無機復合肥相比，可以提高辣椒的生長發(fā)育，其中添加黑曲霉的堆肥產品辣椒鮮重、干重和莖粗3 項指標最好，植物利用營養(yǎng)成分的能力增強，將外界的養(yǎng)分轉化為自身生長所需，并且植株的干重得到提高。這與Arancon等[24]研究結果施加堆肥莖干重顯著增加一致。對光能的利用隨葉綠素總量的增加而提高，說明葉綠素總量的增加有利于提高光合作用，提高抗性，最終增強凈光合速率。堆肥產品，尤其是添加黑曲霉的堆肥產品提高了葉綠素總量，進而提高了光合效率。這與Bound 等[25]研究結果一致。

辣椒根系SOD、POD、CAT 活性和MDA 含量高低在鑒定植物抗性中可以作為輔助評價指標，體內過剩的活性氧被抗氧化酶清除的能力提高，活性氧代謝平衡的維持能力增強，一般SOD、POD、CAT 活性與抗性呈正相關，MDA 含量高低與抗性呈負相關。堆肥產品，特別是添加黑曲霉的堆肥產品能增強辣椒的抗氧化能力，從而減緩衰老。這與劉青等[26]研究結果相似。

土壤的綜合肥力及土壤養(yǎng)分特征可以依據土壤酶活性的高低來衡量。脲酶和過氧化氫酶活性高低與土壤中有機質含量和微生物數量密切相關，土壤中微生物活性及土壤的肥力強弱隨蔗糖酶活性變化而變化。在堆肥產品中，尤其是添加黑曲霉的堆肥產品，酶活性有明顯提高，促進土壤中養(yǎng)分轉化，并提高作物吸收養(yǎng)分的效率，促進辣椒生長，增加辣椒產量。這與Lie 等[27]研究結果相似。

食用蔬菜的口感與可溶性蛋白和Vc 含量高低密切相關，并且蔬菜的商品價值與這兩種物質的含量高低也密切相關，蔬菜營養(yǎng)品質中的重要指標可以根據可溶性蛋白和Vc 含量高低來判斷。在堆肥產品中，特別是添加黑曲霉的堆肥產品不僅能明顯提高Vc的含量，而且能增加可溶性蛋白的含量，進而達到改善辣椒的品質，改良辣椒的口感和營養(yǎng)的作用。這與申飛等[28]研究結果相似。

綜上，在堆肥的過程中加入不同外源性物質，能有效提高堆肥溫度，加強對難降解物質的分解，其中添加黑曲霉的堆肥產品更具優(yōu)勢，可以持續(xù)高溫，充分殺滅病原菌，降解有機質，提高產品質量。施黑曲霉成熟堆肥在辣椒植株方面，更能有效增強光合作用，促進植株的生長，提高根系的抗氧化酶活性，降低植株中細胞的氧化程度，改善土壤微生態(tài)平衡，增強土壤肥力，是一種優(yōu)良的有機肥。