菌劑和外源氮素添加對(duì)青花椒采收剩余物分解的影響

周書玉，袁 川，王景燕，龔 偉*，唐海龍

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院/林業(yè)生態(tài)工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 611130；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)體育學(xué)院，四川雅安 625014；3.廣安市林業(yè)局，四川廣安 638500）

青花椒因具有生長快、結(jié)果早、收益好、用途廣、栽培管理簡便、適應(yīng)性強(qiáng)、根系發(fā)達(dá)、能保持水土等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，被廣泛栽培，對(duì)解決山丘區(qū)群眾勞動(dòng)就業(yè)和增收致富具有重要作用[3]。青花椒采收剩余物指采收青花椒果實(shí)時(shí)從椒樹上修剪下來的枝、葉和刺。隨著青花椒種植規(guī)模的不斷擴(kuò)大，采收剩余物的數(shù)量日益增加，但目前采收剩余物的主要處理方式為被焚燒或就地丟棄，從而造成環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。另外，每年把大量的青花椒采收剩余物堆放在椒園里或道路旁，可能會(huì)為病蟲害滋生和火災(zāi)發(fā)生創(chuàng)造條件。與焚燒相比，堆肥化處理不僅可使青花椒采收剩余物作為有機(jī)肥還地改土，又可實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分循環(huán)利用，還可降低病蟲害發(fā)生率[4-7]。添加菌劑在堆肥中應(yīng)用廣泛，一方面可以增加微生物的數(shù)量[8]，另一方面可使物料快速升溫，延長高溫期和提高酶活性，進(jìn)而促進(jìn)堆腐物的分解[9-11]。C/N 比是影響堆肥過程中微生物數(shù)量種群的關(guān)鍵因素，調(diào)節(jié)堆腐物適宜的C/N 比也可促進(jìn)微生物對(duì)其分解[12]。過去關(guān)于堆肥的研究主要側(cè)重于禽畜糞便、城市污泥、生活垃圾、農(nóng)業(yè)秸稈和園林綠化枝條等[13-17，5，7]，但迄今為止有關(guān)青花椒采收剩余物分解特性方面的研究尚未見報(bào)道，難以滿足當(dāng)前青花椒產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要。本文以青花椒采收剩余物為對(duì)象，研究不同菌劑和C/N 比處理對(duì)采收剩余物葉、枝和刺分解特性的影響，為加快青花椒采收剩余物分解和促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)利用提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2016 年7 月上旬青花椒采收時(shí)期，收集四川農(nóng)業(yè)大學(xué)崇州教學(xué)科研基地青花椒園內(nèi)有代表性的青花椒采收剩余物（采收青花椒果實(shí)時(shí)從椒樹上修剪下來的葉、枝和刺）帶回實(shí)驗(yàn)室，于室內(nèi)通風(fēng)處自然風(fēng)干后，把青花椒采收剩余物的枝、葉和刺分開，將枝條剪成3～5 cm 備用。首先，根據(jù)自然生長比例，分別稱取枝10 g、葉5 g 和刺1 g 各9 袋，于65 ℃烘干至恒量，計(jì)算烘干樣和風(fēng)干樣含水率的轉(zhuǎn)化系數(shù)，隨后將烘干樣磨碎過1 mm 的篩用以測(cè)定葉、枝和刺的初始化學(xué)特性（見表1）。準(zhǔn)確稱取相當(dāng)于烘干質(zhì)量10、5 和1 g 的枝、葉和刺，將風(fēng)干的青花椒采收剩余物裝入15 cm× 10 cm 的尼龍網(wǎng)袋（上下表面孔徑均為1 mm）。

試驗(yàn)采用2 因素4 水平的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)（見表2），共16 個(gè)處理，3 個(gè)重復(fù)，研究不同菌劑類型（包括：未添加菌劑對(duì)照（CK）、有機(jī)物料發(fā)酵劑（YJ）、種植EM 菌液（ZZ）、植物與發(fā)酵EM 菌（ZW））和C/N比（包括：20、25、30 和35）對(duì)青花椒采收剩余物分解的影響。堆腐分解試驗(yàn)在發(fā)酵桶中完成，每個(gè)發(fā)酵桶為一個(gè)處理，在桶中隨機(jī)放置枝、葉和刺各8袋，16 個(gè)處理共有枝、葉和刺各384 袋。再往每個(gè)桶里面添加472 g 的剩余物，枝、葉和刺比例均勻。有機(jī)物料發(fā)酵劑購自山東君德生物科技有限公司，種植EM 菌液購自河南農(nóng)富康生物科技有限公司，植物與發(fā)酵EM 菌購自江西新余仙鶴農(nóng)業(yè)科技公司。調(diào)節(jié)C/N 比所用氮源為尿素[18-21]，將青花椒采收剩余物枝、葉和刺作為整體調(diào)節(jié)C/N，按自然生長比例計(jì)算堆體總碳量和總氮量，然后根據(jù)與尿素的重量比計(jì)算所需增加氮素，按剩余物干物質(zhì)量的200%加水[11]；按使用說明添加菌液，再將所需尿素溶解添加在清水中和菌液一起均勻地噴灑到剩余物上，記錄每個(gè)發(fā)酵桶的總重量。試驗(yàn)于2016 年8 月—2017 年2 月在四川農(nóng)業(yè)大學(xué)溫江校區(qū)塑料防雨大棚內(nèi)進(jìn)行，堆肥開始后每3 天進(jìn)行一次翻堆并稱重補(bǔ)水。

表1 3種剩余物組分初始化學(xué)特性Table 1 Initial chemical characteristics of three residue fractions decomposed

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表L16（42）Table 2 Orthogonal experimental design L16 (42)

1.2 樣品采集與分析

堆腐后第10、20、40、60、90、120、150 和180 天于各處理的每個(gè)重復(fù)中各取葉、枝和刺1 袋帶回實(shí)驗(yàn)室，自然風(fēng)干后于65 ℃烘干至恒重，稱重然后計(jì)算葉、枝和刺的質(zhì)量損失。葉、枝和刺中有機(jī)碳采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法（LY/T 1237-1999）測(cè)定；全氮采用硫酸-高氯酸消煮后半微量凱氏法測(cè)定（LY/T 1228-1999）測(cè)定；全磷采用硫酸-高氯酸消煮后鉬銻抗比色法測(cè)定（LY/T 1270-1999）；木質(zhì)素和纖維素用酸性洗滌纖維法[22]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用SPSS 軟件對(duì)葉、枝和刺的質(zhì)量損失進(jìn)行Olsen 指數(shù)衰減模型擬合：y=ae-kt，式中，y為質(zhì)量殘留率（%）；a為擬合參數(shù)；k為年分解系數(shù)（kg/（kg·a））；t為時(shí)間。剩余物分解50%（T0.5）和95%（T0.95）所需時(shí)間的計(jì)算方法為[23]：T0.5=-ln（1-0.50）/k；T0.95=-ln（1-0.95）/k。

數(shù)據(jù)采用SPSS 18.0 和Excel 2007 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種剩余物組分初始化學(xué)特性

葉、枝、刺3種剩余物組分初始化學(xué)特性見表1，3 者之間除C 元素含量差異不顯著外，N、P、K、木質(zhì)素及C/N 均有顯著差異。其中枝和刺的木質(zhì)素含量和C/N 均高于葉，而其他元素低于葉。

2.2 不同菌劑和C/N 比對(duì)葉分解的影響

由圖1A 可知，經(jīng)過180 d 的堆腐處理后，葉的質(zhì)量殘留率明顯下降，分解前期（0～80 d）質(zhì)量殘留率下降迅速，分解后期（80～180 d）下降緩慢。由表3 可知，分解180 d 后，各處理葉的質(zhì)量殘留率為40.4%～65.2%，質(zhì)量損失50%和95%所需時(shí)間分別為0.49～1.02 a 和2.12～4.39 a。各處理中，種植EM 菌液+C/N 25處理的葉分解最快，葉的質(zhì)量損失95%所需時(shí)間為2.12 a；CK+C/N 35 處理葉分解最慢，葉的質(zhì)量損失95%所需時(shí)間為4.39 a。不添加菌劑對(duì)照CK 處理葉的質(zhì)量殘留率平均為61.8%，添加有機(jī)物料發(fā)酵劑、種植EM 菌液和植物與發(fā)酵EM 菌處理葉的平均質(zhì)量殘留率分別為51.9%、44.5%和47.6%。與對(duì)照CK相比，添加了有機(jī)物料發(fā)酵劑、種植EM 菌液和植物與發(fā)酵EM 菌處理的葉分解95%所需時(shí)間分別減少0.77～1.18 a（平均0.99 a）、1.36～1.80 a（平均1.60 a）和1.16～1.55 a（平均1.38 a）。C/N 為20、25、30 和35時(shí)，葉的平均質(zhì)量殘留率分別為50.6%、47.5%、53.0%和54.7%，葉分解95%所需的時(shí)間分別為2.89、2.66、3.09 和3.26 a。相同菌液和不同C/N 比處理?xiàng)l件下，葉的分解系數(shù)k均呈現(xiàn)出C/N 25＞C/N 20＞C/N 30＞C/N 35 的變化規(guī)律。說明添加菌劑和調(diào)節(jié)C/N 比對(duì)葉的分解具有較好的促進(jìn)作用，其中添加種植EM菌液和將C/N 調(diào)至25 對(duì)葉的分解作用最好。

圖1 各處理剩余物分解過程的質(zhì)量殘留率Figure 1 The mass residual rate of the decomposition process of the residues

2.3 不同菌劑和C/N 比對(duì)枝分解的影響

由圖1B 可知，經(jīng)過180 d 的堆腐處理后，各處理枝的質(zhì)量殘留率為70.8%～79.8%。由表4 可知，質(zhì)量損失50%和95%所需時(shí)間分別為1.15～1.61 a和4.98～6.95 a。各處理中，種植EM 菌液+C/N 25 處理的枝質(zhì)量損失50%所需時(shí)間最短為1.15 a，損失95%所需時(shí)間最短為4.98 a。不添加菌劑對(duì)照CK 處理枝的質(zhì)量殘留率平均為78.9%，添加有機(jī)物料發(fā)酵劑、種植EM 菌液和植物與發(fā)酵EM 菌處理枝的質(zhì)量殘留率平均為76.8%、73.1%和74.8%，對(duì)照CK處理枝的質(zhì)量殘留率高于添加菌劑處理。與對(duì)照CK處理相比，添加了有機(jī)物料發(fā)酵劑、種植EM 菌液和植物與發(fā)酵EM 菌的枝分解95%所需時(shí)間減少0.39～0.80 a（平均0.59 a）、1.34～1.86 a（平均1.55 a）和0.91～1.22 a（平均1.06 a）。C/N 為20、25、30 和35 時(shí)，枝的平均質(zhì)量殘留率分別為75.4%、74.2%、76.7%和77.3%，枝分解95%平均所需時(shí)間分別為5.99 a、5.87 a、6.21 a 和6.29 a。C/N 為25 時(shí)質(zhì)量殘留率最低，C/N 20、C/N 30 和C/N 35 質(zhì)量殘留率依次增大，分解95%所需時(shí)間越來越長。相同菌劑和不同C/N 條件下，枝的分解系數(shù)k均呈現(xiàn)出C/N 25＞C/N 20＞C/N 30＞C/N 35 的變化規(guī)律。說明添加菌劑和調(diào)節(jié)C/N 比對(duì)枝的分解具有較好的促進(jìn)作用，其中添加種植EM菌液和將C/N 調(diào)至25 對(duì)枝的分解作用最好。

2.4 不同菌劑和C/N 比對(duì)刺分解的影響

由圖1C 可知，經(jīng)過180 d 的堆腐處理后，各處理刺的質(zhì)量殘留率為82.7%～93.3%。由表5 可知，質(zhì)量損失50%和95%所需時(shí)間分別為2.03～5.42 a和8.76～23.40 a。與葉和枝相比，刺分解速度最慢。各處理中，種植EM 菌液+C/N 25 處理的刺分解速率最快，刺的質(zhì)量損失50%所需時(shí)間最短為2.03 a，質(zhì)量損失95%所需時(shí)間最短為8.76 a。不添加菌劑對(duì)照CK 處理質(zhì)量殘留率平均為91.5%，添加有機(jī)物料發(fā)酵劑、種植EM 菌液和植物與發(fā)酵EM 菌處理刺的質(zhì)量殘留率平均分別為89.2%、84.8%和87.6%。與對(duì)照CK 處理相比，添加有機(jī)物料發(fā)酵劑、種植EM 菌液和植物與發(fā)酵EM 菌的刺分解95%所需時(shí)間分別減少2.45～7.03 a（平均4.72 a）、5.92～12.35 a（平均9.13 a）和3.90～9.34 a（平均6.71 a）。C/N 為20、25、30 和35 時(shí)，刺的質(zhì)量殘留率平均分別為87.9%、85.9%、89.2%和90.1%，分解95%所需時(shí)間平均分別為13.40、11.61、14.89 和16.22 a。相同菌液和不同C/N比條件下，刺的分解系數(shù)k 均呈現(xiàn)出C/N 25＞C/N 20＞C/N 30＞C/N 35 的變化規(guī)律。說明添加菌劑和調(diào)節(jié)C/N 比對(duì)刺的分解具有較好的促進(jìn)作用，其中添加種植EM 菌液和將C/N 調(diào)至25 對(duì)刺的分解作用最好。

表3 采收剩余物葉分解模型Table 3 Decomposition models of leaf residues of harvest

表4 采收剩余物枝分解模型Table 4 Decomposition models of twig residues of harvest

表5 采收剩余物刺分解模型Table 5 Decomposition models of thorn residues of harvest

3 討論

植物殘?bào)w的分解主要受氣候、質(zhì)量、分解階段和分解者的影響[24-25]。氣候是影響植物殘?bào)w分解的決定性因子，各氣候帶中植物殘?bào)w的分解速率表現(xiàn)為熱帶＞亞熱帶＞溫帶＞寒溫帶[26]。在一個(gè)特定的氣候區(qū)內(nèi)，植物殘?bào)w基質(zhì)質(zhì)量是決定分解快慢的關(guān)鍵因素，而C/N 比、木質(zhì)素和纖維素含量是制約植物殘?bào)w分解的最重要的質(zhì)量因素[27-28]。J.M.Anderson 等[29]的研究發(fā)現(xiàn)，歐洲石楠凋落物含氮量高的其分解速度快。李雪峰等[30]的研究發(fā)現(xiàn)，長白山次生針闊混交林內(nèi)9 種凋落物葉的分解速率與其初始氮含量和C/N 比顯著相關(guān)。唐仕姍等[31]對(duì)川西亞高山3種優(yōu)勢(shì)林木根系原位分解發(fā)現(xiàn)，闊葉樹的木質(zhì)素/氮顯著低于針葉樹，分解中闊葉樹比針葉樹的質(zhì)量損失率大，并認(rèn)為可能與木質(zhì)素/氮有關(guān)。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，青花椒采收剩余物分解過程中，葉分解最快，枝分解較慢，刺分解最慢。葉分解最快而枝分解較慢這一結(jié)果與向元斌等[32]對(duì)華西雨屏區(qū)常綠闊葉林凋落物分解的研究結(jié)果相似。另外，青花椒采收剩余物中葉的含N 量顯著高于枝和刺，葉初始N 含量分別是枝和刺的1.58 倍和1.85 倍，氮含量越高，C/N 比就越低，這可能是采收剩余物中葉分解最快的原因之一。

青花椒采收剩余物分解過程有明顯的階段性，分解前期（0～80 d）質(zhì)量損失較快，后期（80～180 d）質(zhì)量損失變緩慢。這一現(xiàn)象與其他學(xué)者的研究結(jié)果相似[33-34]。據(jù)報(bào)道，植物殘?bào)w在分解前期，易于分解的糖分和氨基酸被快速分解，到了分解后期，只剩下木質(zhì)素等難分解的大分子復(fù)合物，分解速度降低，甚至停滯[35]。本研究中，采收剩余物中枝和刺的初始木質(zhì)素含量分別是葉的2.15 倍和2.53 倍，這可能是采收剩余物中葉分解最快的又一原因。相反，涂利華等[33]對(duì)華西雨屏區(qū)撐綠雜交竹為期兩年的模擬氮沉降試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雖雜交竹凋落籜的木質(zhì)素含量和C/N 比均高于凋落葉，但是卻比凋落葉分解得更快。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能與凋落籜物理結(jié)構(gòu)較疏松和內(nèi)部有空隙，有利于微生物分解有關(guān)。因此，除木質(zhì)素和C/N 比等作為衡量植物殘?bào)w基質(zhì)質(zhì)量的重要指標(biāo)外，植物殘?bào)w的物理性質(zhì)也值得考慮。A.Gallardo 等[36]的研究指出，葉片硬度是預(yù)測(cè)凋落物葉分解速率的最佳指標(biāo)。本研究也發(fā)現(xiàn)，采收剩余物分解95%所需時(shí)間葉為2.12～4.39 a，枝為4.98～6.95 a，刺為8.76～23.40 a，其中刺的硬度最大，也是最難分解的采收剩余物組分。一般而言，分解研究中植物殘?bào)w組分包括葉、枝、籜和果等[24，32-33，37]，而有關(guān)于刺的分解研究尚未見報(bào)道。本研究結(jié)合青花椒發(fā)展實(shí)際，研究了青花椒采收剩余物中葉、枝和刺的分解特性，為明確刺的分解特性提供了參考。

植物殘?bào)w的分解是由土壤動(dòng)物、微生物和酶等綜合作用的結(jié)果，它們決定了植物殘?bào)w的分解速率和元素的釋放過程[37]。本研究中，青花椒采收剩余物采用堆腐方式分解，與土壤隔離，分解過程沒有土壤動(dòng)物參與，因此微生物和酶對(duì)剩余物的分解起著決定性作用。大量的研究發(fā)現(xiàn)，添加微生物菌劑能增加細(xì)菌、放線菌和酵母菌數(shù)量，同時(shí)升溫更快、堆體溫度更高、高溫期更長，酶活性更高[38-40]。也有研究發(fā)現(xiàn)，加入復(fù)合微生物菌劑可以促進(jìn)分解纖維素類的微生物的生長，提高纖維素酶活性[19，41]。本研究中發(fā)現(xiàn)，添加菌劑的處理明顯促進(jìn)了采收剩余物的分解。這應(yīng)該與采收剩余物添加菌劑后，微生物大量繁殖和酶活性增強(qiáng)有關(guān)[42-44]。碳是構(gòu)成微生物體的最重要部分，也是植物殘?bào)w的主要組成成分[45]，微生物生長過程需要大量的碳作為呼吸能量，只有快速分解植物殘?bào)w中的碳才能滿足自身繁殖的需要。本研究發(fā)現(xiàn)，添加菌劑處理明顯促進(jìn)了采收剩余物的分解，種植EM 菌液促進(jìn)作用最顯著，植物與發(fā)酵EM 菌次之，有機(jī)物料發(fā)酵劑最弱。3種菌劑均為復(fù)合菌劑，包含了放線菌和芽孢桿菌等，放線菌通過釋放過氧化物酶、氧化酶和脂酶等能夠降解腐殖質(zhì)和木質(zhì)素，芽孢桿菌能夠產(chǎn)生芽孢，抗熱性較強(qiáng)，經(jīng)過高溫階段的休眠，溫度下降后仍可大量繁殖產(chǎn)生熱量，分泌的纖維素酶可以分解纖維素[46-47]。一般來說，植物殘?bào)w中的纖維素由木質(zhì)素聚合體包裹保護(hù)著，當(dāng)木質(zhì)素分解受阻時(shí)，纖維素也會(huì)受到相同的影響[33]。木質(zhì)素由結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、復(fù)雜的無定型三維體形大分子構(gòu)成，是植物殘?bào)w中最難分解的物質(zhì)；纖維素由長鏈葡萄糖分子構(gòu)成，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，分解更容易[28]。因此，木質(zhì)素分解的快慢就決定了剩余物分解的速度。本試驗(yàn)中，種植EM 菌液不僅包含了大量的促進(jìn)木質(zhì)素分解的放線菌，而且有效活菌數(shù)（CFU）高達(dá)500 億/mL，活菌數(shù)是植物與發(fā)酵EM 菌的4～5 倍，是有機(jī)物料發(fā)酵劑的5 倍。這應(yīng)該是種植EM 菌液對(duì)青花椒采收剩余物分解作用最好的主要原因。

堆腐分解實(shí)際上就是微生物作用的過程，C/N比、溫度、含水率和pH 均會(huì)影響到微生物的活性及活動(dòng)，從而影響分解的進(jìn)程[48]。植物殘?bào)w的初始化學(xué)性質(zhì)，一定程度上決定了能否有效的向微生物提供足夠的能量和營養(yǎng)，影響其分解速率。通過向養(yǎng)分相對(duì)不足的植物殘?bào)w添加外源營養(yǎng)物質(zhì)，可以補(bǔ)充微生物生長所需，有助于分解的加快[49]。朱偉珍等[50]通過對(duì)天竺桂廢棄枝葉添加尿素，降低剩余物的C/N比，增強(qiáng)了微生物的活性，促進(jìn)了分解。氮源是微生物的營養(yǎng)物質(zhì)，在發(fā)酵分解過程中，氮以氨氣的形式散失，或變?yōu)橄跛猁}和亞硝酸鹽，或是由生物體同化吸收[51]。有研究表明[52-53]，當(dāng)堆體初始C/N 比為25 時(shí)，堆體溫度達(dá)到最高，高溫期時(shí)間最長。牛俊玲等[54]比較了不同C/N 比餐廚垃圾堆肥過程中纖維素酶和蔗糖酶的活性變化發(fā)現(xiàn)，C/N 為25 時(shí)纖維素酶活性比C/N 比為20 時(shí)高，說明C/N 為25 時(shí)更有利于纖維素的分解。馮海萍等[18]探討了當(dāng)堆體C/N 比為20、30、40 和50 時(shí)對(duì)枸杞枝條堆腐的影響發(fā)現(xiàn)，C/N 比為30 時(shí)加速了有機(jī)質(zhì)的分解，這與張強(qiáng)等[55]的研究結(jié)果一致。本試驗(yàn)中青花椒采收剩余物中葉、枝和刺的殘留率，在C/N 為25 時(shí)最低，分解效果最好，相反，在C/N 比為35 時(shí)最高，分解效果最差。這是由于當(dāng)C/N 比較低時(shí)，底物碳源濃度不足，沒有使相關(guān)的木質(zhì)素纖維素酶活性達(dá)到飽和，代謝能力隨底物濃度的增加而提高，由此微生物迅速生長繁殖，代謝的能量和中間產(chǎn)物也用于自身的合成；當(dāng)C/N 比較高時(shí)，與分解相關(guān)的酶活性達(dá)到最高，微生物因底物氮源不足而受到限制，對(duì)有機(jī)物質(zhì)的氧化作用也隨之減弱[56]。因此，適宜的C/N 比是促進(jìn)青花椒采收剩余物分解的關(guān)鍵。

4 結(jié)論

青花椒采收剩余物葉分解最快，剩余物枝分解較慢，剩余物刺分解最慢。添加微生物菌劑顯著促進(jìn)采收剩余物的分解，特別是葉，其中種植EM 菌液促進(jìn)作用最顯著，植物與發(fā)酵EM 菌次之，有機(jī)物料發(fā)酵劑最弱。調(diào)節(jié)合適的C/N 比有利于剩余物的分解，C/N 為25 時(shí)，剩余物中葉、枝和刺的質(zhì)量損失率最高，分解95%的時(shí)間最短，C/N 為20、30 和35 的質(zhì)量損失率和分解95%所需時(shí)間依次遞增。種植EM 菌液+C/N 25 處理的剩余物分解最快，剩余物分解95%所需時(shí)間葉為2.12 a、枝為4.98 a、刺為8.76 a。