不同微生物菌劑對芒萁秸稈腐熟過程中腐殖質(zhì)構成的影響

李國平　楊鷺生　王宇晴　趙林艷　湯婉君

摘 要 以芒萁秸稈為材料，采用室內(nèi)培養(yǎng)試驗，研究了4種微生物菌劑對芒萁秸稈發(fā)酵腐熟過程中腐殖質(zhì)形成的影響。結果表明：發(fā)酵30 d后4種微生物菌劑處理均顯著降低發(fā)酵物全碳量、提高胡敏酸含量、降低胡敏素含量，使PQ值和HA/EA比值顯著提高，說明微生物菌劑處理對芒萁秸稈腐殖質(zhì)形成和組分有顯著影響，其中木霉菌處理的效果最為顯著，適宜作為芒萁秸稈的腐熟菌。

關鍵詞 微生物菌劑；腐殖質(zhì)形成；芒萁

中圖分類號 S151.9 文獻標識碼 A

腐殖質(zhì)（Humic substances，Hs）是土壤有機質(zhì)的主要部分，是影響土壤肥力，土壤結構、性質(zhì)和植物生長的重要因素[1]。腐殖質(zhì)的形成與微生物活動密切相關，真菌在腐殖質(zhì)形成中起重要作用，一些放線菌和細菌也可參與腐殖質(zhì)的形成[2-3]。植物秸稈的主要成分為木質(zhì)纖維素，秸稈還田對土壤有機碳含量及腐殖質(zhì)各組分變化有顯著影響[4]，許多研究表明不同微生物對秸稈腐殖質(zhì)形成、轉化和結構特征有重要作用[5-7]。芒萁（Dicranopteris dichotoma）屬于蕨類植物里白科芒萁屬，廣泛分布于中國長江以南濕潤地區(qū)，是酸性土壤的指示性植物，具有水土保持及改良土壤的作用。至今尚未見到有關微生物菌劑對芒萁秸桿腐熟及其腐殖質(zhì)形成作用的研究報道，本研究以芒萁秸稈為材料，通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗，研究了幾種微生物菌劑處理對腐殖質(zhì)各組分含量的影響，初步篩選出芒萁秸稈腐熟的菌劑，為進一步研究芒萁秸稈降解形成土壤腐殖質(zhì)的機制提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試秸稈 采集自武夷學院蘭圃周邊山地，將其剪成約10 mm長后烘干，備用。

1.1.2 微生物發(fā)酵劑 “農(nóng)富康”秸稈發(fā)酵劑（河南農(nóng)富康生物科技有限公司生產(chǎn)）、“益加益”秸稈發(fā)酵劑（鄭州益加益生物科技有限公司生產(chǎn)）、EM菌種（百益寶生物技術有限公司生產(chǎn)），分別按產(chǎn)品說明書進行菌種活化，將發(fā)酵原液分別稀釋成含有效活菌數(shù)為8.2×108個/mL的處理菌液備用；木霉菌液（自制菌劑，菌株分離自武夷學院校園內(nèi)馬尾松+芒萁群落土壤表層腐殖土）：以察氏液體培養(yǎng)基（NaNO3 2.0 g、K2HPO4 1.0 g、KCl 0.5 g、MgSO4 0.5 g、FeSO4 0.01 g、水1 000 mL、pH自然）擴培，制成處理菌液，有效活菌數(shù)為8.2×108個/mL。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計 試驗在武夷學院科技樓進行。先將經(jīng)粉碎的芒萁秸稈各1 kg放置于塑料桶內(nèi)，加蒸餾水至飽和含水量的60%，并加尿素調(diào)節(jié)至C/N值25 ∶ 1左右。采用單因子試驗設計，共設5個處理：T1，接種“農(nóng)富康”秸稈發(fā)酵劑；T2，接種“益加益”秸稈發(fā)酵劑；T3，接種EM菌液；T4，接種木霉菌液；CK，不加菌劑，作為對照。每處理3次重復，每重復各接種菌劑100 mL，接后充分拌勻。塑料桶加蓋并覆蓋保溫被，在（30±2）℃賺氣條件下培養(yǎng)，培養(yǎng)期間定期補充損失的水分。分別在發(fā)酵當天和5、10、l5、20、25、30 d時進行取樣，55 ℃下烘干，研磨，并通過0.149 mm篩孔，裝于廣口瓶中備用。

1.2.2 測定方法及內(nèi)容 芒萁秸稈發(fā)酵物中腐殖質(zhì)（HS）由可提取腐殖酸（Extractable humus，HE）和存在于殘渣中的胡敏素（HM）等組成。可提取腐殖酸（HE）由胡敏酸（HA）、富里酸（FA）組成。胡敏素含碳量則由腐殖質(zhì)全碳量減去腐殖酸含碳量算出。腐殖質(zhì)全碳量的測定參照標準LY/T 1237-1999《森林土壤有機質(zhì)的測定及碳氮比的計算》，用重鉻酸鉀-外加熱法測定[8]；腐殖質(zhì)各成分的測定參照標準LY/T 1238-1999《森林土壤腐殖質(zhì)組成的測定》[9]，采用焦磷酸鈉浸提-重鉻酸鉀氧化法測定。PQ值為可提取腐殖物質(zhì)中胡敏酸的相對比例，即PQ=HA/HE。HA/FA比值為胡敏酸與富里酸的比值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析處理和制圖采用office Excel 2003和SPSS 16.0軟件，采用獨立樣本T-檢驗法和方差分析（LSD法）比較各處理腐殖質(zhì)組成含量的顯著性差異。

2 結果與分析

2.1 不同微生物菌劑處理對芒萁秸稈發(fā)酵物全碳量的影響

不同處理不同發(fā)酵時間芒萁秸稈發(fā)酵物全碳量的動態(tài)變化見圖1。由圖1可見，添加了菌液的各處理全碳量初始值（0 d）均比CK的高，這是由于處理菌液本身有機碳數(shù)量較高所致。隨著培養(yǎng)時間的推移，除對照組CK外，接種菌劑的各處理中秸稈發(fā)酵物全碳量總體呈降低趨勢。秸稈發(fā)酵物全碳量的減少是由于微生物的呼吸作用致使發(fā)酵物中碳素以CO2形式釋放，微生物的數(shù)量越多、代謝活性越強則全碳量的損失越大[10]。培養(yǎng)30 d后，不接種菌劑的CK組培養(yǎng)前后全碳量無顯著差異（p>0.05），T1、T2、T3、T4處理的全碳量較各自初始值分別減少11.2%、8.3%、10.4%、31.8%，經(jīng)T-test，差異達顯著水平（p<0.05）；全碳量損失率T4>T1>T3>T2>CK，LSD多重比較結果表明，除T1與T3處理間無顯著差異（p>0.05）外，其它處理間全碳量損失率差異達極顯著水平（p<0.01），T4處理的全碳量損失率最大，說明T4處理中木霉菌更有利于芒萁秸稈的降解。

2.2 不同微生物菌劑處理對芒萁秸稈腐熟過程中腐殖質(zhì)組成的影響

2.2.1 發(fā)酵物可提取腐殖酸含量的動態(tài)變化 不同處理芒萁秸稈發(fā)酵物可提取腐殖酸含碳量的變化情況見圖2，培養(yǎng)第30天，T1、T2、T4處理組的腐殖酸含量分別較各自初始值（0 d）減少7.4%、7.8%、3.6%，而CK、T3處理組的腐殖酸含量分別較初始值（0 d）增加13.3%、17.6%，除T1與T2處理間無顯著差異（p>0.05）外，其它處理間可提取腐殖酸變化率差異達極顯著水平（p<0.01）。腐殖酸由有機質(zhì)經(jīng)過微生物的分解、轉化而成，這一過程受多種因素影響，新合成的腐殖酸也會被微生物重新降解而導致總量的動態(tài)變化。相對于接種菌劑的處理，CK處理的腐殖酸含量變化較平穩(wěn)，培養(yǎng)期間腐殖酸含量增加可能與原料自身攜帶有微生物有關。

2.2.2 發(fā)酵物胡敏酸含量的動態(tài)變化 胡敏酸是組成腐殖質(zhì)的重要成分，其含量是評價有機物腐熟質(zhì)量的重要指標之一。不同處理芒萁秸稈發(fā)酵物中胡敏酸含碳量動態(tài)變化情況如圖3，除CK處理外，接種菌劑的各處理中胡敏酸含量總體呈“升高-降低-升高”的趨勢，培養(yǎng)第30天，CK處理的胡敏酸含量與初始值（0 d）無顯著差異（p>0.05），T1、T2、T3、T4處理的胡敏酸含量較各自初始值（0 d）分別增加253.1%、223.6%、131.4%、286.9%，經(jīng)T-test，差異均達極顯著水平（p<0.01）；發(fā)酵物胡敏酸量增加率T4>T1>T2>T3，LSD多重比較結果表明， 除T1與T2處理間差異達顯著水平（p<0.05）外，其它各處理間胡敏酸含量變化率差異達極顯著水平（p<0.01），T4處理的胡敏酸含量增加最多，可見，木霉菌降解芒萁秸稈和轉化形成胡敏酸的能力最強。

2.2.3 發(fā)酵物胡敏素含量的動態(tài)變化 胡敏素是腐殖質(zhì)的成分之一，其含量以芒萁秸稈發(fā)酵物提取腐殖酸后殘渣中的含碳量表示，由于CK全碳量初始值（0 d）較其它各處理的低，故CK的初始胡敏素含量也比其它處理的低。不同處理芒萁秸稈發(fā)酵物中胡敏素含量動態(tài)變化情況如圖4所示，在整個培養(yǎng)過程中胡敏素含量總體呈降低的趨勢，培養(yǎng)第30天，CK、T1、T2、T3和T4處理的胡敏素含量較各自初始值（0 d）分別降低8.6%、13.6%、8.6%、29.1%和50.4%，T2處理與CK處理間沒有顯著差異，其它各處理間的差異達極顯著水平（p<0.01），胡敏素含量降低最多的也是接種木霉菌液的T4處理。胡敏素含量降低是由于秸稈中碳素被微生物降解利用，致使殘渣中含碳量減少，說明木霉菌較其它菌劑更能有效降解芒萁秸稈。

2.2.4 發(fā)酵過程中PQ值的動態(tài)變化 PQ值為可提取腐殖酸中胡敏酸所占的比例，可作為腐殖化程度的指標，也可以用來描述腐殖質(zhì)的構成和HA、FA相互轉化情況。各處理中PQ值隨培養(yǎng)時間的變化情況如圖5所示，總體上，除CK處理外，其它各處理PQ值隨培養(yǎng)時間推移呈動態(tài)上升趨勢，各處理的變化曲線有所不同，說明芒萁秸稈腐熟過程中HA、FA消長情況因不同菌劑處理而異，但除T3處理外，其它接種菌劑的處理中HA呈積累狀態(tài)，這可能是由于芒萁秸稈腐熟過程中FA較快轉化為HA，或FA因微生物分解而大量減少。經(jīng)T-test，培養(yǎng)第30天，CK處理的PQ值與初始值（0 d）無顯著差異，其它處理的PQ值均與各自初始值有極顯著差異（p<0.01），PQ值增加率排序為T4>T1>T2>T3；LSD多重比較結果表明，培養(yǎng)第30天，接種菌劑的各處理PQ增加率均與CK存在極顯著差異（p<0.01），T4與T1間、T4與T2間的PQ增加率差異顯著（p<0.05）、而T1與T2間無顯著差異（p>0.05），T4處理的PQ值增加最多，說明木霉菌處理對芒萁秸稈腐熟過程中HA、FA消長變化影響最大。

2.2.5 發(fā)酵過程中HA/FA的動態(tài)變化 胡敏酸與富里酸比（HA/FA）也是描述秸稈腐熟過程中腐殖質(zhì)組成和性質(zhì)變化的重要指標。如圖6所示，不同處理組中HA/FA比值隨時間變化情況與PQ的變化（圖5）類似，培養(yǎng)第30天，接種菌劑的各處理中HA/FA比值均較CK有極顯著的提高（p<0.01），HA/FA比值增加率排序為T4>T1>T2>T3，除T1與T2處理間外，其它各處理間HA/FA增加率差異顯著（p<0.05），HA/FA比值增加最大的也是T4處理組，說明木霉菌處理能夠更好促進芒萁秸稈的腐解，提高腐解物中胡敏酸含量。

3 討論與結論

本試驗初步研究了4種微生物菌劑處理對芒萁秸稈腐熟過程中腐殖質(zhì)組成的影響，結果表明：4種微生物菌劑處理對腐殖質(zhì)全碳量、HE、HA、HM以及PQ、HA/FA比值均有顯著影響；隨腐解過程進行，接種菌劑的各處理中腐殖質(zhì)全碳量、HM總體呈逐漸降低趨勢，HA、PQ值和HA/EA比值逐漸升高，說明微生物菌劑處理對芒萁秸稈降解和腐殖物質(zhì)的形成有積極作用，這與王菊花[7]、劉艷麗[5]、來航線等[11]、王帥等[12]、李慧敏[13]、張晉京等[14]的研究結果基本一致。

不同微生物菌劑處理對芒萁秸稈腐殖質(zhì)中HA、FA、HM以及PQ值、HA/EA比值的影響不同，其中接種木霉菌液的T4處理組在培養(yǎng)結束后HA、PQ值和HA/FA比值增幅最大，F(xiàn)A和HM降幅最大，其變化率與CK以及接種其它菌劑的T1、T2、T3處理均存在極顯著差異（p<0.01），說明木霉菌降解芒萁秸稈和轉化形成胡敏酸的能力較其它復合菌劑強，有利于腐殖質(zhì)積累。本研究結果與來航線等[11]、王帥等[12]的研究結論一致，據(jù)王帥等[12]報道，3類真菌（木霉、黑曲霉和青霉）及混合菌在液體培養(yǎng)條件下對玉米秸稈類腐殖質(zhì)形成和轉化有顯著影響，其中木霉利用和轉化HM的能力最強，HA所占比例最大，HA的復雜程度最高；來航線等[11]將不同C/N比的植物秸稈加入滅菌后的土壤中，接種培養(yǎng)細菌、真菌和放線菌的純菌株，結果表明真菌中的木霉形成HA的含量高，HA/FA比值最大。

芒萁秸稈由葉柄和小羽片組成，以葉柄為主，木質(zhì)化程度高，主要成分是木質(zhì)素、纖維素和半纖維素。根據(jù)瓦克斯曼學說[2]，木質(zhì)素是構成腐殖質(zhì)的基本原料，不同微生物在降解木質(zhì)素、形成腐殖質(zhì)中所扮演的角色不同，真菌在腐殖質(zhì)形成中起關鍵作用，而細菌、放線菌起輔助作用[15]?！稗r(nóng)富康”秸稈發(fā)酵劑、“益加益”秸稈發(fā)酵劑和“百益寶”EM菌劑主要由光合菌、乳酸菌、酵母菌、醋酸菌、雙歧桿菌、芽孢桿菌、放線菌和絲狀真菌等復合而成，在本試驗條件下細菌類為優(yōu)勢菌；T4處理中接種的木霉菌，分離自馬尾松+芒萁群落土壤表層腐殖土，可能具有更強的分解木質(zhì)纖維素物質(zhì)的能力，更有利于促進芒萁秸稈腐熟過程中HS形成，提高HA含量，所以認為T4處理優(yōu)于其它處理，木霉菌更適合作為芒萁秸稈的腐熟菌。

本文初步研究了4種微生物菌劑處理對芒萁秸稈腐殖質(zhì)形成的影響，對于腐殖質(zhì)各成分的光學性質(zhì)、形成和相互轉化機制有待進一步研究；本試驗中不同微生物菌劑處理之間有明顯差異，有待進一步探討不同微生物在有效降解芒萁秸稈中的作用。芒萁秸稈是栽培食用菌優(yōu)質(zhì)培養(yǎng)料[16]，也是植物無土栽培的潛在植料資源，本研究可為探討芒萁秸稈腐殖質(zhì)形成及其綜合利用提供參考資料。