周 星，陳 騁，常海娜，王東升，鄭 勇，焦加國，胡 鋒，劉滿強?

蚓堆肥熱干擾后對土壤質(zhì)量和作物生長的影響*

周 星1，陳 騁1，常海娜1，王東升2，鄭 勇1，焦加國1，胡 鋒1，劉滿強1?

（1. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院土壤生態(tài)實驗室，江蘇省有機固體廢棄物資源化協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210095；2. 南京市蔬菜科學(xué)研究所，南京 210042）

了解熱干擾對蚓堆肥肥效的影響有助于指導(dǎo)其規(guī)模化加工和應(yīng)用，促進有機廢棄物的高效循環(huán)利用。通過模擬不同熱干擾梯度（30、40、50、60和70℃）研究蚓堆肥自身性質(zhì)的變化，將新鮮的蚓堆肥置于烘箱中加熱20 h，并于溫室中采用盆栽試驗探究經(jīng)過熱干擾后的蚓堆肥對土壤性質(zhì)及番茄生長的影響。結(jié)果表明，隨著熱干擾溫度的升高，蚓堆肥的pH、可溶性有機碳及銨態(tài)氮含量呈上升趨勢且在最高溫干擾處理下達到最高，但硝態(tài)氮和速效鉀含量呈下降趨勢；微生物生物量碳氮含量先上升后下降，而其中參與碳氮循環(huán)的酶活性逐漸降低。經(jīng)不同熱干擾處理后的蚓堆肥施入土壤后，相比30℃的對照，蚓堆肥經(jīng)熱干擾后番茄的地上部生物量提高了2倍左右，根系生物量增加了56%～115%；伴隨蚓堆肥熱干擾溫度的增加，植物氮磷鉀養(yǎng)分的吸收量逐漸提高，蚓堆肥對土壤氮磷鉀養(yǎng)分的供應(yīng)量（土壤速效養(yǎng)分與植物有效養(yǎng)分吸收量之和）先升高后下降并在50℃干擾處理后達到最高；土壤pH及可溶性有機碳含量逐漸升高，土壤微生物生物量碳氮含量呈先上升后下降的趨勢且在70℃干擾后降至最低，而土壤中參與碳氮循環(huán)的酶活性變化趨勢不一致，但與對照相比總體呈上升趨勢?？傊?，熱干擾導(dǎo)致蚓堆肥生物活性下降及養(yǎng)分有效性增加，相應(yīng)地，熱干擾后的蚓堆肥施入土壤后能明顯促進作物氮磷鉀養(yǎng)分的吸收，有利于蚓堆肥發(fā)揮其肥效。因此，蚓堆肥加熱處理有利于其發(fā)揮短期培肥和植物促生功效，而其長期效果有待今后在更大時空尺度上的研究。

蚓堆肥；熱干擾；廢棄物利用；番茄；生態(tài)系統(tǒng)功能；微生物生物量及活性

高強度集約型農(nóng)業(yè)以長期施用化肥為特征，在滿足作物增產(chǎn)需求的同時，也會導(dǎo)致土壤肥力的退化以及各種生態(tài)環(huán)境問題[1]。相比之下，有機物料如畜禽糞便轉(zhuǎn)化為堆肥的循環(huán)利用則是現(xiàn)階段高效而雙贏的途徑。研究表明，堆肥施用不僅能夠減少化肥用量及改良土壤質(zhì)量，而且能夠提高農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有利于土壤的可持續(xù)管理[2]。與傳統(tǒng)堆肥相比，經(jīng)過蚯蚓堆制過程后的蚓堆肥具有疏松的物理結(jié)構(gòu)、較高的持水能力和微生物活性[3]，有助于提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[4]。然而，在蚯蚓堆制過程中為了保障蚯蚓的生物活性，溫度通?？刂圃?0℃以下，導(dǎo)致一些具有潛在危害的病原生物仍可能存活[5]。中溫堆肥過程可能存在的生物污染風險成為一種安全隱患。為殺死堆肥中可能存在的沙門氏桿菌、大腸桿菌和寄生蟲卵等，一種行之有效的措施是，額外增加高溫（50～70℃）處理以殺死蚓堆肥中的病原生物[6]。同時，伴隨著綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展，有機物料需求增加，規(guī)?；乩抿径逊室仓饾u成為趨勢，而商品化蚓堆肥也需要加熱鼓風去除水分，以利于蚓堆肥的保存并降低運輸成本。因此，利用高溫加熱過程可達到殺滅病原物和烘干的雙重目的。值得注意的是，關(guān)于蚓堆肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的功效及其作用機制已經(jīng)積累了諸多研究，但是大部分研究通常為了保持生物活性而使用的是未經(jīng)任何處理的蚓堆肥[7-8]。伴隨著蚓堆肥高溫處理逐漸普遍，一個值得關(guān)注的問題是：蚓堆肥的肥效和作用機理在加熱后是否發(fā)生了變化？

蚓堆肥的理化和生物學(xué)性質(zhì)直接決定了其對土壤質(zhì)量和作物生長、養(yǎng)分吸收的影響效果。理論上，蚓堆肥經(jīng)高溫處理后不僅影響其微生物活性，而且其活性養(yǎng)分含量也會受到顯著影響。高溫處理在抑制微生物群落活性和功能的同時，也引起有機物大分子熱解和微生物死亡后內(nèi)容物的釋放，活性有機碳和養(yǎng)分含量等均得以增加[9]。眾所周知，土壤微生物是生物地球化學(xué)循環(huán)的直接驅(qū)動者，影響土壤內(nèi)有機物的分解和養(yǎng)分礦化[10-11]。值得注意的是，相比不經(jīng)過高溫處理的蚓堆肥，高溫加熱直接降低了蚓堆肥中微生物的數(shù)量和活性，可能不利于蚓堆肥施入土壤后的土壤生物群落發(fā)展、養(yǎng)分礦化和釋放。此外，土壤生物驅(qū)動的大部分生態(tài)服務(wù)功能均離不開酶的催化作用[12-13]。土壤酶活性的高低通常被用來表征碳氮循環(huán)狀況[14]，評價土壤的肥力水平[15]，特別是酶底物專一性和功能多樣性近來被認為可全面反映土壤生物群落的生態(tài)功能[16]。迄今為止，盡管發(fā)揮重要功能作用的土壤酶對溫度的變化也非常敏感，但是少有研究結(jié)合堆肥的工業(yè)過程來探討加熱對土壤功能的影響。大量盆栽和田間的研究一般均基于蚓堆肥自身具有高生物活性的特點，一般將蚓堆肥對土壤質(zhì)量的改善功效不僅僅歸因于對土壤理化性質(zhì)的改善，還部分歸因于來自蚓堆肥內(nèi)的生物群落和生物活性物質(zhì)的作用[17]。因此，無論從生物安全還是蚓堆肥商品化的角度，經(jīng)過加熱處理后的蚓堆肥的生化性質(zhì)變化，特別是高溫處理蚓堆肥施用于土壤后的功能，即對土壤性質(zhì)和作物生長的影響及機制，均有待于深入的研究。

目前，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大力倡導(dǎo)化肥減施的背景下，有機廢棄物資源化并部分替代化肥已成為共識[18-19]。然而，有機廢棄物在農(nóng)業(yè)上的循環(huán)利用并不是一勞永逸的問題，堆肥尤其是蚓堆肥的潛在生物風險需要評估和預(yù)防[20]。如上所述，蚓堆肥高溫處理步驟在降低病原物危害中發(fā)揮重要作用，但是對蚓堆肥進行熱干擾所導(dǎo)致的微生物活性下降和養(yǎng)分有效性提高是否會降低蚓堆肥的功效及影響機制仍屬于研究空白領(lǐng)域?；诖?，提出以下假說：（1）隨著熱干擾程度的增加，由于有機質(zhì)的熱解及微生物的死亡而使得養(yǎng)分被釋放出來，因此蚓堆肥中的活性養(yǎng)分會逐漸增加。（2）隨著熱干擾程度的增加，一方面蚓堆肥中生物活性下降，在施入土壤后可能會減弱其包含的生物或者類生物活性物質(zhì)對土壤及植物的功效；另一方面隨著蚓堆肥中養(yǎng)分釋放量的增加，在施入土壤后其非生物性質(zhì)對土壤和植物生長的貢獻會增加?？傊狙芯客ㄟ^設(shè)置蚓堆肥加熱溫度梯度（30～70℃），研究蚓堆肥在不同熱干擾強度下自身性質(zhì)的變化，并進一步探究不同熱干擾處理后蚓堆肥對作物生長和養(yǎng)分吸收的影響。研究結(jié)果有助于為蚓堆肥的生物安全和工業(yè)化制備等提供指導(dǎo)，并揭示蚓堆肥對土壤和植物影響的機制。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試蚓堆肥為赤子愛勝蚓吞食牛糞后的新鮮產(chǎn)物，系2017年5月采自安徽省匯豐蚯蚓養(yǎng)殖基地的新鮮蚓堆肥，含水量850 g·kg–1，有機碳含量為300.1 g·kg–1，全氮13.1 g·kg–1，全磷7.65 g·kg–1，全鉀7.41 g·kg–1。蚓堆肥經(jīng)不同熱干擾后的主要性質(zhì)見表1。

供試土壤采自南京市蔬菜科學(xué)研究所（118°46′12″E，31°43′14″N）蔬菜大棚連作后撂荒的設(shè)施菜地土壤（0 ～ 20 cm），已經(jīng)連續(xù)3年以上不種植農(nóng)作物和不施肥，鮮土采集后過5 mm篩，剔除大型土壤動物及根系等殘體。土壤類型為淋溶土，質(zhì)地為黏壤土（黏粒226 g·kg–1，粉粒338 g·kg–1，砂粒436 g·kg–1），pH（水∶土=2.5∶1）為6.07，土壤有機碳含量為18.2 g·kg–1，全氮1.22 g·kg–1，全磷0.313 g·kg–1，全鉀0.192 g·kg–1，礦質(zhì)氮（銨態(tài)氮和硝態(tài)氮之和）80.5 mg·kg–1，有效磷17.9 mg·kg–1，速效鉀169.3 mg·kg–1。

供試植物為番茄，品種為“世紀紅冠”，購自江蘇省南京金盛達種子有限公司。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗設(shè)計包括兩部分：實驗室內(nèi)加熱和溫室內(nèi)盆栽。實驗室內(nèi)加熱實驗：將新鮮蚓堆肥（相當于烘干重500 g）置于玻璃瓶中，為防止在不同強度加熱過程中水分散失而導(dǎo)致含水量差別，加熱前用錫箔紙將口密封3層并用皮筋扎緊后置于已設(shè)置好溫度的烘箱中，加熱溫度分別設(shè)置為30℃、40℃、50℃、60℃、70℃加熱20 h，取出冷卻后立即測定蚓堆肥在各加熱處理后的性質(zhì)變化（表1）。

表1 不同強度熱干擾后的蚓堆肥性質(zhì)

溫室內(nèi)盆栽試驗在南京市蔬菜科學(xué)研究所溫室內(nèi)進行（白天溫度25℃，夜間溫度15℃左右，光線充足）。每盆稱取土1.5 kg（干物質(zhì)量），各個溫度干擾處理后的蚓堆肥75 g（干物質(zhì)量），將蚓堆肥與采集的鮮土按1︰20（干物質(zhì)量比）均勻混合裝入盆缽中（18 cm×21 cm），且盆缽中不施用其他化肥。之后將長勢一致的番茄幼苗移入盆缽中，試驗共設(shè)置5個蚓堆肥熱干擾后的處理，每個處理重復(fù)4次，共20個盆缽，番茄按照田間種植方式進行管理，盆缽隨機排列，每周更換兩次位置，直至番茄開花期前采樣。

1.3 樣品采集與測定

土壤pH采用電位法（水∶土 = 2.5∶1）測定[21]；有效磷采用NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用NH4Oac浸提，火焰光度計法測定；銨態(tài)氮、硝態(tài)氮采用2 mol·L–1KCl 提取后流動分析儀（Seal AA3，德國）測定；可溶性有機碳采用超純水提取、總有機碳分析儀（Vario TOC cube，德國）測定。土壤微生物生物量碳（MBC）采用氯仿熏蒸提取—可溶性有機碳自動分析法測定[21]；微生物生物量氮（MBN）采用氯仿熏蒸提取后凱氏定氮法測定[21]。土壤酶活性采用微孔板熒光法測定[22]，利用熒光物質(zhì)4-羥甲基-7-香豆素（MUB）共軛物質(zhì)作為測定底物，接種土壤懸液至96孔微孔板中，測定4種參與碳循環(huán)的酶（α-葡糖苷酶、β-葡糖苷酶、β-纖維素酶、木聚糖酶）和2種參與氮循環(huán)的酶（亮氨酸胺基肽酶、β-乙酰氨基葡萄糖苷酶），用每小時每克樣品的基質(zhì)轉(zhuǎn)化率表示酶活性（nmol·g–1·h–1）。植株采用濃硫酸-雙氧水消煮后，全氮、全磷和全鉀含量分析分別用凱氏定氮法、釩鉬黃比色法和火焰光度計法測定[21]。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

各器官養(yǎng)分吸收量（g·plant–1）=各器官養(yǎng)分含量（g·kg–1）×各器官干物質(zhì)含量；植株養(yǎng)分吸收量（g·plant–1）=各器官養(yǎng)分吸收量總和

蚓堆肥對土壤速效養(yǎng)分的供應(yīng)總量（mg·g–1）=（土壤速效養(yǎng)分含量×土壤干物質(zhì)量+ 植株養(yǎng)分吸收量-土壤基本速效養(yǎng)分含量×土壤干物質(zhì)量）/施入蚓堆肥的干物質(zhì)量

采用Statistica.7.1軟件對數(shù)據(jù)進行分析。分析前利用柯爾莫可洛夫-斯米洛夫檢驗（Kolmogorov- Smirnov）和Levene方法檢驗數(shù)據(jù)的正態(tài)分布及方差齊性，在必要時利用對數(shù)進行轉(zhuǎn)化，采用單因素方差分析（one-way ANOVA）并用最小顯著差異（LSD）法進行處理之間的差異顯著性檢驗（< 0.05），利用R 3.3.3做圖。冗余分析（RDA）檢測植物指標與熱干擾后蚓堆肥初始性質(zhì)的相關(guān)性，作圖采用Canoco 5.0軟件。

2 結(jié) 果

2.1 熱干擾對蚓堆肥性質(zhì)的影響

隨蚓堆肥熱干擾溫度的提高，蚓堆肥的pH、銨態(tài)氮和可溶性有機碳均呈上升趨勢，與30℃對照相比，在70℃干擾溫度下，pH增加了0.9個單位，銨態(tài)氮含量提高了48倍，可溶性有機碳含量提高了7倍；但硝態(tài)氮含量在70℃熱干擾處理下降至最低，而有效磷和速效鉀的含量先上升后下降且在熱干擾60℃時較高；微生物生物量碳氮的含量也呈先上升后下降的趨勢，但酶活性隨熱干擾溫度的升高逐漸下降（表1）。

2.2 熱干擾蚓堆肥對土壤速效養(yǎng)分及其供應(yīng)總量的影響

與對照30℃相比，土壤pH隨蚓堆肥熱干擾程度增加呈逐漸上升趨勢，在70℃熱干擾下增加了0.16個單位；硝態(tài)氮含量在對照30℃時含量最高，而后伴隨熱干擾溫度增加而下降，在最高溫70℃干擾處理后下降了28%；銨態(tài)氮含量的變化呈現(xiàn)隨熱干擾溫度升高先降低后升高，且在30℃干擾處理下達到最高；可溶性有機碳含量也隨蚓堆肥熱干擾溫度增加而上升，在70℃干擾下增加了21%；有效磷和速效鉀含量均在熱干擾超過50℃后顯著下降，在70℃干擾下分別下降了49%和16%（圖1）。

與對照30℃相比較，基于盆缽內(nèi)土壤養(yǎng)分的總供應(yīng)量換算結(jié)果表明，伴隨蚓堆肥熱干擾溫度的增加，蚓堆肥對土壤速效養(yǎng)分的總供應(yīng)量先提高后降低，且蚓堆肥在50℃干擾后提供給土壤的速效養(yǎng)分均達到最高（圖2）。

2.3 熱干擾蚓堆肥對土壤微生物生物量碳氮及酶活性的影響

與對照30℃相比，蚓堆肥熱干擾溫度的升高導(dǎo)致土壤微生物生物量碳氮（MBC、MBN）先增加后降低，尤其是MBC在70℃干擾蚓堆肥的處理下為對照的19%（圖3）。與 30℃相比較，在其他熱干擾的蚓堆肥施用后，土壤酶活性增加；除木糖苷酶（XYL）和β-乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）外，土壤碳氮酶活性在40～70℃干擾處理下無顯著差異（圖4）。

2.4 熱干擾蚓堆肥對番茄生長及有效養(yǎng)分吸收量的影響

與30℃對照相比，蚓堆肥熱干擾再施用后促進了番茄的株高及地上、地下部的生長，但50℃干擾蚓堆肥的處理下根系的長勢稍差；且隨熱干擾溫度的升高，氮磷鉀吸收量總體呈增加趨勢，且蚓堆肥在較高溫度（>50℃）的干擾下對植物的氮磷鉀吸收量影響不顯著（圖5）。冗余分析表明，植物的生長和養(yǎng)分吸收量與熱干擾后蚓堆肥中的活性養(yǎng)分呈正相關(guān)，而與蚓堆肥中的酶活性呈負相關(guān)（圖6）。

圖2 不同熱干擾的蚓堆肥處理下土壤礦質(zhì)氮、有效磷、速效鉀供應(yīng)總量

圖3 不同熱干擾的蚓堆肥處理下土壤微生物生物量碳（MBC）和微生物生物量氮（MBN）變化

圖4 不同熱干擾的蚓堆肥處理下參與碳氮循環(huán)的土壤酶活性變化

注：SPH：單個株高，SDB：地上部干重，RDB：根干重，NU：氮吸收量，PU：磷吸收量，KU：鉀吸收量。下同。Note：SPH：single plant height，SDB：shoot dry biomass，RDB：root dry biomass，NU：nitrogen uptake，PU：phosphorus uptake，KU：potassium uptake. The same below.

3 討 論

3.1 不同強度的熱干擾對蚓堆肥性質(zhì)的影響

隨熱干擾強度的提高，蚓堆肥中的養(yǎng)分含量呈逐漸上升趨勢，而微生物活性則下降。蚓堆肥本身的可溶性有機碳、速效氮磷鉀含量一般均在60℃時達到最高（表1）；活性資源伴隨熱干擾溫度的升高而增加，主要歸因于蚓堆肥中的有機物大分子在高溫下熱解為小分子化合物；而微生物死亡導(dǎo)致細胞內(nèi)容物的釋放，從而共同導(dǎo)致活性有機碳和養(yǎng)分的增加[23]。隨加熱溫度的升高，蚓堆肥中銨態(tài)氮上升而硝態(tài)氮下降（表1），與先前的報道[24]一致。這是由于大分子有機含氮化合物可熱解為簡單的含氮化合物及銨態(tài)氮，而高溫會抑制有機肥中微生物尤其是硝化細菌的活性[25]；此外，銨態(tài)氮的累積會導(dǎo)致pH升高[26]，硝化作用也會受到抑制。蚓堆肥中參與碳氮循環(huán)的酶活性在熱干擾下降低（表1），與過去的研究結(jié)論一致，即酶活性的適宜溫度范圍一般均較窄[27]?？傊m然加熱引起蚓堆肥中微生物活性下降，但同時也促進了其中活性養(yǎng)分的釋放。

注：實心箭頭表示植物性狀，空心箭頭表示不同熱干擾后蚓堆肥的初始性質(zhì)，圖中蚓堆肥性質(zhì)和植物性狀的代號參見本文的表1和圖5Note：solid arrows indicate plant traits and hollow arrows indicate basic properties of the vermicompost relative to treatment；please refer to Table 1 and Fig. 5 for codes of vermicompost properties and plant traits in the figure

3.2 蚓堆肥經(jīng)熱干擾后對土壤質(zhì)量的影響

隨蚓堆肥熱干擾溫度的增加，蚓堆肥內(nèi)養(yǎng)分的增加也促進了植物可吸收的養(yǎng)分供應(yīng)量。而土壤中速效養(yǎng)分（礦質(zhì)氮和速效鉀）含量在30℃以上的蚓堆肥熱干擾處理中逐漸下降（圖1），結(jié)合植物的生物量和養(yǎng)分狀況，主要是植物對養(yǎng)分的吸收量增加所致，這與以往的研究結(jié)果[28]相似。土壤的有效磷含量及其供應(yīng)量均在高于50℃干擾蚓堆肥的處理下明顯降低（圖1），這與蚓堆肥本身的有效磷含量變化有關(guān)。由于施入土壤中的磷肥逐年增加并超出了植物生長所需，而植物對磷素的利用率較低導(dǎo)致磷素在土壤中大量積累[29]，所以經(jīng)高溫（>50℃）干擾后的蚓堆肥施入土壤后磷富集的現(xiàn)象不如氮素明顯。土壤的pH和可溶性有機碳含量呈上升趨勢且與蚓堆肥本身的變化趨勢相一致（表1）。土壤pH能夠影響土壤生物群落數(shù)量、結(jié)構(gòu)和多樣性及植物生長等各個方面的性質(zhì)，在土壤生態(tài)的各個過程中發(fā)揮著重要作用。由于加熱后蚓堆肥pH增加，相應(yīng)土壤的pH也提高，我國農(nóng)田土壤的酸化問題非常嚴重[30]，因此加熱后的蚓堆肥對土壤酸化的改良作用應(yīng)受到重視。

土壤微生物生物量碳氮在高于50℃干擾蚓堆肥作用下降低，與可溶性有機碳含量的變化趨勢相反（圖1和圖3）。一般可溶性有機碳含量越高，微生物量和活性也越高[31]。而有研究表明，有機肥在高溫處理后會形成一些微生物難降解的芳香族化合物及大分子有機物等[32]，推測蚓堆肥經(jīng)較高程度的熱干擾后會生成難降解性物質(zhì)，將其施入土壤后可能會導(dǎo)致微生物難以利用而降低其活性；也有一些研究發(fā)現(xiàn)植物和微生物在土壤養(yǎng)分尤其是氮素上存在競爭[33]，從礦質(zhì)氮含量及根系生物量的結(jié)果來看，有可能隨著根系對氮素的吸收而抑制了微生物活性。土壤酶活性與30℃對照相比呈現(xiàn)增加的趨勢，這與加熱后蚓堆肥的初始（即施入土壤之前）酶活性的變化趨勢相反（圖4和表1）。土壤酶活性的增加一方面可能是土壤中微生物在受養(yǎng)分脅迫時會增加相應(yīng)酶的分泌來滿足自身對養(yǎng)分的需求[34]；另一方面可能是熱干擾后的蚓堆肥雖然導(dǎo)致本身生物活性下降，但由于可溶性有機碳的釋放，在施入土壤后會促進微生物繁殖，繼而也刺激了酶活性[35]，酶活性提高后有利于提高土壤碳氮等養(yǎng)分的有效性[36]，進而促進了植物的養(yǎng)分吸收和生長。

3.3 蚓堆肥經(jīng)熱干擾后對作物生長的影響

相比30℃對照處理，蚓堆肥加熱后再施入土壤中促進了植物（番茄）的生長，植物的養(yǎng)分吸收量在高溫干擾蚓堆肥的處理中更高（圖5），這與預(yù)期相符。從冗余分析也可看出，養(yǎng)分有效性是影響植物生長的最重要因素（圖6）。基于蚓堆肥在40～ 50℃干擾下性質(zhì)的變化，可以將對植物生長的促進作用歸因于蚓堆肥本身速效養(yǎng)分的釋放。在60～70℃干擾蚓堆肥的處理下，土壤的速效磷鉀含量明顯下降（圖1），而植物的磷鉀吸收量達到最高（圖5），推測其原因是土壤磷鉀素的本底值含量較高，即使蚓堆肥對土壤磷鉀的供應(yīng)量有所降低，植物的養(yǎng)分吸收并未受到不利影響。

蚓堆肥促進植物生長的途徑還可能包括其他生物和非生物因素作用。先前的研究發(fā)現(xiàn)，蚓堆肥經(jīng)高溫處理后會產(chǎn)生類腐殖酸物質(zhì)[37]，將其施入土壤后可能會通過增加微生物的多樣性和改善微生物群落結(jié)構(gòu)，進而刺激植物的生長[38]。但是，本研究中蚓堆肥經(jīng)熱干擾后對植物生長的影響主要取決于蚓堆肥中的養(yǎng)分含量，而蚓堆肥內(nèi)原來的生物及生物活性物質(zhì)對土壤和植物性質(zhì)的貢獻不大。有報道表明，高溫處理使蚓堆肥中有益與有害微生物同時失活從而消除了蚓堆肥中微生物對植物生長的影響[39]，今后應(yīng)該進一步分析蚓堆肥和土壤中的微生物群落結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化以更全面地了解干擾對蚓堆肥功效的影響機制。除此之外，本研究表現(xiàn)的是盆栽種植的短期效應(yīng)，今后應(yīng)在更大的時空尺度上加強研究，以期系統(tǒng)地評價蚓堆肥的效果及其內(nèi)在的生物調(diào)控機制。

4 結(jié) 論

蚓堆肥中的微生物生物量和活性雖然在短期加熱后下降，但同時也促進了蚓堆肥中速效養(yǎng)分的釋放。熱干擾后的蚓堆肥施入土壤后，雖然土壤微生物生物量因蚓堆肥經(jīng)歷加熱環(huán)節(jié)后顯著下降，但土壤養(yǎng)分供應(yīng)量和土壤酶活性卻升高。從植物生長角度，伴隨蚓堆肥前期加熱程度的增強，植物生長和氮磷鉀吸收量明顯提高，受熱干擾后蚓堆肥雖然本身微生物活性較低，但在施入土壤后反而促進了作物生長和養(yǎng)分吸收。蚓堆肥受熱干擾后會更利于發(fā)揮其促進效果，說明蚓堆肥促進作物生長的肥效可能與其自身的微生物生物量和總體活性關(guān)聯(lián)不明顯。

［1］ Tilman D，Cassman K G，Matson P A，et al. Agricultural sustainability and intensive production practices. Nature，2002，418（6898）：671—677.

［2］ Diacono M，Montemurro F. Long-term effects of organic amendments on soil fertility. A review. Agronomy for Sustainable Development，2010，30（2）：401—422.

［3］ Lim S L，Wu T Y，Lim P N，et al. The use of vermicompost in organic farming：Overview，effects on soil and economics. Journal of the Science of Food Agriculture，2015，95（6）：1143—1156.

［4］ Arancon N Q，Edwards C A，Bierman P. Influences of vermicomposts on field strawberries：Part 2. Effects on soil microbiological and chemical properties. Bioresource Technology，2006，97（6）：831—840.

［5］ Lazcano C，Gómez-Brandón M，Domínguez J. Comparison of the effectiveness of composting and vermicomposting for the biological stabilization of cattle manure. Chemosphere，2008，72（7）：1013—1019.

［6］ Song X C. Changes of agricultural waste during vermicompost and their effects on soil properties and crop production. Nanjing：Nanjing Agricultural University，2015. [宋修超. 蚯蚓堆肥性質(zhì)的變化及其對土壤性質(zhì)與作物生長的影響. 南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015.]

［7］ Li Y P，Shao M A，Wang J. Effects of earthworm cast mulch on soil evaporation. Acta Pedologica Sinica，2018，55（3）：633—640. [李彥霈，邵明安，王嬌. 蚯蚓糞覆蓋對土壤水分蒸發(fā)過程的影響. 土壤學(xué)報，2018，55（3）：633—640.]

［8］ Wang D，Shi Q，Wang X，et al. Influence of cow manure vermicompost on the growth，metabolite contents，and antioxidant activities of Chinese cabbage（ssp. chinensis）. Biology & Fertility of Soils，2010，46（7）：689—696.

［9］ Chantigny M H，Curtin D，Beare M H，et al. Influence of temperature on water-extractable organic matter and ammonium production in mineral soils. Soil Science Society of America Journal，2010，74（2）：517—524.

［10］ Wang Q，Wang S，He T，et al. Response of organic carbon mineralization and microbial community to leaf litter and nutrient additions in subtropical forest soils. Soil Biology & Biochemistry，2014，71（3）：13—20.

［11］ Zhong W，Gu T，Wang W，et al. The effects of mineral fertilizer and organic manure on soil microbial community and diversity. Plant & Soil，2010，326（1/2）：511—522.

［12］ Kotroczó Z，Veres Z，F(xiàn)ekete I，et al. Soil enzyme activity in response to long-term organic matter manipulation. Soil Biology & Biochemistry，2014，70（2）：237—243.

［13］ Tian S Y，Wang M W，Cheng Y H，et al. Long-term effects of chemical and organic amendments on red soil enzyme activities. Acta Ecologica Sinica，2017，37（15）：4963—4972. [田善義，王明偉，成艷紅，等. 化肥和有機肥長期施用對紅壤酶活性的影響. 生態(tài)學(xué)報，2017，37（15）：4963—4972.]

［14］ Liu J G，Li X G，Wang X X. Effects of successive application of organic fertilizers on rhizosphere microbial populations and enzyme activities of monoculture peanut. Soils，2018，50（2）：305—311. [劉金光，李孝剛，王興祥. 連續(xù)施用有機肥對連作花生根際微生物種群和酶活性的影響. 土壤，2018，50（2）：305—311.]

［15］ Wang L D，Wang F L，Guo C X，et al. Review：Progress of soil enzymology. Soils，2016，48（1）：12—21. [王理德，王方琳，郭春秀，等. 土壤酶學(xué)硏究進展. 土壤，2016，48（1）：12—21.]

［16］ Bandick A K，Dick R P. Field management effects on soil enzyme activities. Soil Biology & Biochemistry，1999，31（11）：1471—1479.

［17］ Kuzyakov Y. Priming effects：Interactions between living and dead organic matter. Soil Biology & Biochemistry，2010，42（9）：1363—1371.

［18］ Li H L，Zhang W F，Zhang F S，et al. Chemical fertilizer use and efficiency change of main grain crops in China. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer，2010，16（5）：1136—1143. [李紅莉，張衛(wèi)峰，張福鎖，等. 中國主要糧食作物化肥施用量與效率變化分析. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報，2010，16（5）：1136—1143.]

［19］ Sun Y M，Li G X，Zhang F D，et al. Status quo and developmental strategy of agricultural residues resources in China. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2005，21（8）：181—185. [孫永明，李國學(xué)，張夫道，等. 中國農(nóng)業(yè)廢棄物資源化現(xiàn)狀與發(fā)展戰(zhàn)略. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2005，21（8）：181—185.]

［20］ Udikovickolic N，Wichmann F，Broderick N A，et al. Bloom of resident antibiotic-resistant bacteria in soil following manure fertilization. Proceedings of the National Academic of Sciences of the United States of America，2014，111（42）：15202—15207.

［21］ Lu R K. Analytical methods for soil and agro-chemistry. Beijing：China Agricultural Science and Technology Press，2000. [魯如坤. 土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法. 北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2000.]

［22］ Bell C W，F(xiàn)ricks B E，Rocca J D，et al. High-throughput fluorometric measurement of potential soil extracellular enzyme activities. Journal of Visualized Experiments Jove，2013（81）：e50961.

［23］ Cao Y，Huang H Y，Wu H S，et al. Physico-chemical properties of hyperthermophilic composting from livestock manures and its effects on growth of Chinese cabbage. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2018，34（12）：251—257. [曹云，黃紅英，吳華山，等. 畜禽糞便超高溫堆肥產(chǎn)物理化性質(zhì)及其對小白菜生長的影響. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34（12）：251—257.]

［24］ Yu Z X，Yang J J，Wang Y Y，et al. Physical and chemical maturity indexes and Fourier transform infrared（FTIR）spectroscopy of animal manures during composting. Chinese Journal of Applied Ecology，2016，27（6）：2015—2023. [于子旋，楊靜靜，王語嫣，等. 畜禽糞便堆肥的理化腐熟指標及其紅外光譜. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2016，27（6）：2015—2023.]

［25］ Yang O，Norton J M，Stark J M. Ammonium availability and temperature control contributions of ammonia oxidizing bacteria and archaea to nitrification in an agricultural soil. Soil Biology & Biochemistry，2017，113：161—172.

［26］ Cao Y，Huang H Y，Qian Y T，et al. Hyperthermophilic pretreatment device and its application on improving decomposition effect for chicken manure and rice straw aerobic composting. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2017，33（13）：243—250. [曹云，黃紅英，錢玉婷，等. 超高溫預(yù)處理裝置及其促進雞糞稻秸好氧堆肥腐熟效果. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33（13）：243—250.]

［27］ Razavi B S，Liu S，Kuzyakov Y. Hot experience for cold-adapted microorganisms：Temperature sensitivity of soil enzymes. Soil Biology & Biochemistry，2017，105：236—243.

［28］ Chen G，Zhang H M，Shen Y Q，et al. Application effects of swine and cow manures on rice yield，nutrient uptakes and use efficiencies and soil fertility. Soils，2018，50（1）：59–65. [陳貴，張紅梅，沈亞強，等. 豬糞與牛糞有機肥對水稻產(chǎn)量、養(yǎng)分利用和土壤肥力的影響. 土壤，2018，50（1）：59–65.]

［29］ Wang Y Z，Chen X，Shi Y. Phosphorus availability in cropland soils of China and related affecting factors. Chinese Journal of Applied Ecology，2013，24（1）：260—268. [王永壯，陳欣，史奕. 農(nóng)田土壤中磷素有效性及影響因素. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2013，24（1）：260—268.]

［30］ Guo J H，Liu X J，Zhang Y，et al. Significant acidification in major Chinese croplands. Science，2010，327（5968）：1008—1010.

［31］ Diana M L，Mariela N，María del M，et al. Long-term management systems under semiarid conditions：Influence on labile organic matter，β-glucosidase activity and microbial efficiency. Applied Soil Ecology，2015，96：296—305.

［32］ Huang G F，Zhong L J，Zhang Z D，et al. Physicochemical changes and maturity evaluation of solid organic waste compost. Chinese Journal of Applied Ecology，2003，14（5）：813—818. [黃國鋒，鐘流舉，張振鈿，等. 有機固體廢棄物堆肥的物質(zhì)變化及腐熟度評價. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2003，14（5）：813—818.]

［33］ Zhao C S，Hu C X，Huang W. Study on nitrogen mineralization of two typical vegetable soils in Central China. Soils，2013，45（1）：41—45. [趙長盛，胡承孝，黃魏. 華中地區(qū)兩種典型菜地土壤中氮素的礦化特征研究. 土壤，2013，45（1）：41—45.]

［34］ Stone M M，Deforest J L，Plante A F. Changes in extracellular enzyme activity and microbial community structure with soil depth at the Luquillo Critical Zone Observatory. Soil Biology & Biochemistry，2014，75：237—247.

［35］ Huang S S，Cheng Y H，Zhong Y J，et al. Effects of soil and water conservation measures on soil labile organic carbon and soil enzyme activity in gentle slope land of red soil. Acta Pedologica Sinica，2016，53（2）：468—476. [黃尚書，成艷紅，鐘義軍，等. 水土保持措施對紅壤緩坡地土壤活性有機碳及酶活性的影響. 土壤學(xué)報，2016，53（2）：468—476.]

［36］ Wang J H，Hu J L，Lin X G，et al. Effects of long-term balanced fertilization on microbial activity and nutrient uptake of maize in a fluvo-aquic soil. Acta Pedologica Sinica，2011，48（4）：766—772. [王俊華，胡君利，林先貴，等. 長期平衡施肥對潮土微生物活性和玉米養(yǎng)分吸收的影響. 土壤學(xué)報，2011，48（4）：766—772.]

［37］ Marhuenda-Egea F C，Martínez-Sabater E，Jordá J，et al. Dissolved organic matter fractions formed during composting of winery and distillery residues：Evaluation of the process by fluorescence excitation-emission matrix. Chemosphere，2007，68（2）：301—309.

［38］ Maji D，Misra P，Singh S，et al. Humic acid rich vermicompost promotes plant growth by improving microbial community structure of soil as well as root nodulation and mycorrhizal colonization in the roots of. Applied Soil Ecology，2016，110：97—108.

［39］ Zhao H T，Che L，Jiang W，et al. Effect of high-temperature sterilization and materials addition of vermicompost-formulated substrate on capsicum seedling development. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer，2014，20（2）：380—388. [趙海濤，車玲，姜薇，等. 高溫處理與添加物料對蚓糞基質(zhì)培育辣椒壯苗的影響. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報，2014，20（2）：380—388.]

Effects of Thermal-Disturbed Vermicompost on Soil Quality and Crop Growth

ZHOU Xing1, CHEN Cheng1, CHANG Haina1, WANG Dongsheng2, ZHENG Yong1, JIAO Jiaguo1, HU Feng1, LIU Manqiang1?

(1. College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University, Jiangsu Collaborative Innovation Center for Solid Organic Waste Resource Utilization, Nanjing 210095, China; 2. Nanjing Institute of Vegetable Science, Nanjing 210042, China)

This study is oriented to explore effects of thermal-disturbed vermicompost on soil quality and crop growth in expectation that all the findings may help guide large-scale processing and application of the manure and promote high-efficient recycling and utilization of organic waste.Fresh vermicompost was placed into an incubator for 20 hrs of incubation under a set temperature (30, 40, 50, 60, and 70℃) separately, The incubated vermicomposts were sampled for analysis of changes in basic property, and then packed into pots separately for pot experiment in a well-lit greenhouse to explore effects of the incubated vermicompost on soil properties and tomato growthResults show that with the temperature in incubation rising from 30℃ to 70℃, pH, and the contents of dissolved organic carbon and ammonium in the vermicompost increased and reached the highest at 70℃, but the content of nitrate and available potassium declined and the activities of the enzymes involved in carbon and nitrogen recycling did, too, while microbial biomass carbon and nitrogen increased first (at 40℃) and then declined (at 70℃). Microcosm study shows that compared to CK (vermicompost incubated at room temperature (30℃), the vermicomposts incubated at higher temperatures significantly increased shoot and root biomasses of the tomato in the pot experiment by about 200% and 56%～115%, respectively. With incubation temperature rising, the plant uptake of NPK increased steadily. NKP supply(the sum of soil available nutrients and effective nutrient uptake of the plant)of the vermicompost increased first and declining with the incubation temperature rising, and was the highest in Treatment 50 (where the vermicompost was incubated under 50℃). Soil pH and dissolved organic carbon in the vermicompost increased gradually with rising incubation temperature. Soil microbial biomass carbon and nitrogen increased first and then declined and was the lowest in Treatment 70. Activities of the soil enzymes involved in carbon and nitrogen recycling varied from treatment to treatment, but on the whole did exhibit a rising trend.To sum up, thermal disturbance may cause vermicompost to decline in bio-activity, but increase in nutrient availability. So application of thermal disturbed vermicompost can significantly promote plant uptake of NPK. Obviously thermal disturbance may help vermicompost bring its nutrient availability into full play. It is, therefore, concluded that thermal disturbance of vermicompost is beneficial to building up of soil fertility in a short term and to plant growth as well. However, future studies should shift their focus on long-term effect of the application of thermal-disturbed vermicompost on larger spatial and temporal scales.

Vermicompost; Thermal disturbance; Waste management; Tomato; Ecosystem function; Microbial biomass and activities

S154.1

A

10.11766/trxb201902250580

周星，陳騁，常海娜，王東升，鄭勇，焦加國，胡鋒，劉滿強. 蚓堆肥熱干擾后對土壤質(zhì)量和作物生長的影響[J]. 土壤學(xué)報，2020，57（1）：142–152.

ZHOU Xing，CHEN Cheng，CHANG Haina，WANG Dongsheng，ZHENG Yong，JIAO Jiaguo，HU Feng，LIU Manqiang. Effects of Thermal-Disturbed Vermicompost on Soil Quality and Crop Growth [J]. Acta Pedologica Sinica，2020，57（1）：142–152.

* 國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFD0200305）、國家自然科學(xué)基金項目（41771287，41671255）和中央高校業(yè)務(wù)費（KYYJ201702）共同資助Supported by the National Key Research and Development Program of China（No. 2016YFD0200305）and the National Natural Science Foundation of China（Nos. 41771287 and 41671255）and the Central University Business Fees（No. KYYJ201702）

，E-mail：liumq@njau.edu.cn

周 星（1992—），女，江蘇宿遷人，碩士研究生，主要從事土壤生態(tài)方面的研究。E-mail：zhouxingxuesheng@163.com

2019–02–25；

2019–05–10；

2019–06–06

（責任編輯：陳榮府）