廚余垃圾堆肥對(duì)烤煙土壤酶活性和細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響①

張曉花，王克勤，宋婭麗，楊 昕，茶聯(lián)玲

廚余垃圾堆肥對(duì)烤煙土壤酶活性和細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響①

張曉花，王克勤，宋婭麗*，楊 昕，茶聯(lián)玲

(西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，昆明 650224)

以滇中植煙土壤為研究對(duì)象，設(shè)置不同廚余垃圾堆肥(基肥)施用量：不施肥對(duì)照(CK)、低施肥量8 t/hm2(FWL)、中施肥量16 t/hm2(FWM)、高施肥量24 t/hm2(FWH)，研究廚余垃圾堆肥施用后土壤酶活性和細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的變化特征，為廚余垃圾堆肥農(nóng)田推廣使用提供依據(jù)。結(jié)果表明：與CK相比，F(xiàn)WH處理可顯著提高土壤的pH、有機(jī)碳、全氮、全磷、堿解氮、有效磷、脲酶活性、酸性磷酸酶活性、熒光素二乙酸水解酶活性(↑0.39% ～ 89.42%)、土壤細(xì)菌OUT數(shù)目(↑12.91%)、Chao指數(shù)(↑11.20%)、Ace指數(shù)(↑11.37%)。變形菌門(Proteobacteria)的相對(duì)豐度隨施肥量的增加而增加，而酸桿菌門(Acidobacteria)則相反；細(xì)菌群落的膜運(yùn)輸和碳水化合物代謝功能均在施肥后顯著增強(qiáng)。脲酶活性、酸性磷酸酶活性、pH、全氮、全磷、堿解氮、有效磷指標(biāo)對(duì)土壤細(xì)菌的群落組成和多樣性均有影響，其中堿解氮和脲酶活性是調(diào)控菌群最主要的因子。

廚余垃圾堆肥；細(xì)菌群落；酶活性

目前我國(guó)生活垃圾量累積超過70億t，且在此基礎(chǔ)上仍以平均每年8% ～ 10% 速度持續(xù)增長(zhǎng)[1]。在垃圾分類標(biāo)準(zhǔn)下，生活垃圾中廚余垃圾的資源化處理、處置已成為廣受關(guān)注的環(huán)境保護(hù)措施[2]。堆肥是廚余垃圾獲得土壤改良潛力產(chǎn)品的重要方法，可有效且環(huán)保地管理廚余垃圾，在國(guó)外被廣泛使用[3]?？緹熓俏覈?guó)的重要經(jīng)濟(jì)作物，種植面積達(dá)1.026×106hm2，覆蓋區(qū)域主要集中在西南地區(qū)[4]。但由于長(zhǎng)期不合理的施肥導(dǎo)致土壤肥料利用率低、病蟲害增加，繼而導(dǎo)致烤煙品質(zhì)降低，土壤健康受到威脅[5]。土壤細(xì)菌是農(nóng)田土壤生態(tài)系統(tǒng)擾動(dòng)反應(yīng)最靈敏的土壤微生物群體，其重要微生物參數(shù)如酶活性、細(xì)菌多樣性指數(shù)及群落結(jié)構(gòu)等對(duì)施肥措施干擾響應(yīng)迅速[6]，能夠很好指示施肥后土壤肥力和健康狀況的變化[7]，因此研究土壤酶活性和細(xì)菌群落特征能較好地表征廚余垃圾堆肥的應(yīng)用效果。

此前已有研究集中于廚余垃圾堆肥施用對(duì)土壤理化性質(zhì)、酶活性、微生物數(shù)量以及作物產(chǎn)量的影響，如生活垃圾熱水解營(yíng)養(yǎng)土能顯著提高土壤的養(yǎng)分和酶活性，可有效促進(jìn)植物的生長(zhǎng)[8]；廚余堆肥還田可改善生姜的根區(qū)環(huán)境，提高土壤氮磷鉀含量和酶活性，促進(jìn)生姜植株生長(zhǎng)[9]；餐廚堆肥可以確保水稻的生長(zhǎng)和產(chǎn)量，且在土壤有機(jī)質(zhì)和速效氮的提升上優(yōu)于豬糞有機(jī)肥，具備推廣和應(yīng)用的潛力[10]；與動(dòng)物糞肥相比，施用廚余垃圾堆肥后土壤中的細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量最多，提高了水果質(zhì)量以及維生素C、溶質(zhì)糖和有機(jī)酸的含量[11]。以上研究均證實(shí)了廚余垃圾堆肥應(yīng)用的可行性，對(duì)土壤微生態(tài)和作物產(chǎn)量均有促進(jìn)作用，同時(shí)，也可為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的有機(jī)肥開源，解決部分地區(qū)因有機(jī)肥料缺少，而長(zhǎng)期單一施用化肥的問題。但此前研究鮮少關(guān)注廚余垃圾堆肥對(duì)土壤細(xì)菌群落的影響，廚余垃圾堆肥推廣施用尚欠缺土壤微生態(tài)部分的實(shí)驗(yàn)剖析。

為了更好地指示廚余垃圾堆肥應(yīng)用的結(jié)果，需要更多地了解廚余垃圾堆肥后土壤氮磷養(yǎng)分、酶活性和細(xì)菌群落如何變化以及它們之間的相互關(guān)系。本研究擬通過田間試驗(yàn)比較不同廚余垃圾堆肥施用量對(duì)土壤酶活性和細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響，研究旨在：①明確廚余垃圾堆肥施用對(duì)植煙土壤氮磷養(yǎng)分和酶活性的影響；②確定堆肥施用量是否會(huì)導(dǎo)致土壤細(xì)菌群落組成和功能的差異；③表征堆肥施用后細(xì)菌群落和土壤化學(xué)性質(zhì)、酶活性的相互關(guān)系，以期為廚余垃圾的農(nóng)田資源化利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于云南省玉溪市紅塔區(qū)高倉(cāng)街道龍樹村，地處紅塔區(qū)中南郊交界處，102°34′12.30′′E，24°17′32.33′′N，海拔1 625 m。全年日照時(shí)數(shù)1 947.5 h，日照率44%，霜降共52 d，多年平均降水量909.1 mm，降水天數(shù)130 ～ 150 d，最大24 h降水量為41 mm，屬中亞熱帶半濕潤(rùn)冷冬高原季風(fēng)氣候，干濕季分明，雨季為5—10月。土壤屬紅壤(山原紅壤)，由砂頁巖發(fā)育而成，土層薄淺。土壤基本化學(xué)性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)12.07 g/kg、全氮0.91 g/kg、全磷51.06 mg/kg、堿解氮20.00 mg/kg、有效磷1.92 mg/kg、pH 5.00。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)材料為烤煙，品種為K326，于2021年4月18日進(jìn)行移栽，材料由玉溪市煙草公司統(tǒng)一調(diào)入，種植密度為16 500 株/hm2。試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理：不施基肥對(duì)照(CK)、低施肥量8 t/hm2(FWL)、中施肥量16 t/hm2(FWM)、高施肥量24 t/hm2(FWH)，施肥量參考滿吉勇等[10]的試驗(yàn)布設(shè)。每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，用1 m×1 m的鐵框劃分樣方，每個(gè)樣方種植2株烤煙，共12個(gè)樣方，各樣方之間相隔均大于2 m，隨機(jī)排列，田間管理措施同當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的管理保持一致。移栽時(shí)穴施基肥，起壟種植，壟高30 cm、株間距40 cm，4月27日施用提苗肥，5月24日施用追肥，提苗肥氮磷鉀比例為12︰6︰24，追肥氮磷鉀比例為18︰5︰22。各施肥量養(yǎng)分含量具體見表1。

廚余垃圾堆肥按蔬菜、水果等廚余垃圾占50%，干土作為輔料占40%，過磷酸鈣占10% 的比例混合均勻，調(diào)節(jié)含水率至45% ～ 50%。將發(fā)酵菌劑與10倍的玉米面混勻，撒入有機(jī)物料中，進(jìn)行堆制，當(dāng)溫度達(dá)到55 ℃ 時(shí)開始第一次翻堆，之后每達(dá)60 ℃ 翻堆一次，10 ～ 15 d即可基本腐熟。廚余垃圾堆肥的基本性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)472 g/kg、全氮18.05 g/kg、全磷1.89 g/kg、pH 7.2 ～ 7.5。

表1 各處理施肥量

注：表中折合純氮、折合純磷分別為折合基肥以及折合提苗肥和追肥的純氮和純磷量。

1.3 土壤樣品采集與測(cè)定

于2021年9月烤煙成熟期，在每個(gè)樣方距烤煙根部0 ～ 10 cm范圍內(nèi)取耕層0 ～ 30 cm范圍內(nèi)的非根際土壤樣品，剔除石礫和殘根等雜物后混勻，分為兩份，裝入無菌密封袋，一部分風(fēng)干后用于化學(xué)指標(biāo)、酶活性測(cè)定，另一部分放置于–80℃ 冰箱保存，用于DNA提取和高通量測(cè)序。

土壤化學(xué)性質(zhì)均采用土壤常規(guī)分析方法測(cè)定[12]。土壤pH采用pH計(jì)法(土︰水=1︰5)測(cè)定；采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測(cè)定有機(jī)碳(SOC)；采用半微量凱氏法測(cè)定全氮(TN)；使用鉬銻抗比色法測(cè)定全磷(TP)和有效磷(AP)；采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定堿解氮(AN)。土壤酶活性均采用試劑盒的方法測(cè)定，試劑盒均由北京盒子生工科技有限公司提供。土壤脲酶(URE)、酸性磷酸酶(ACP)、多酚氧化酶 (PPO)、熒光素二乙酸水解酶(FDA)均應(yīng)用酶標(biāo)儀在特定波長(zhǎng)下測(cè)定其吸光度，并使用標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算試樣中的土壤酶活力。4種酶活性單位均為U/g土樣，即每天每克土樣中產(chǎn)生1 μg NH3-N、1 nmol酚、1 mg紫色沒食子、1 μmol熒光素的酶量分別定義為1個(gè)酶活力單位。

采用OMEGA試劑盒E.Z.N.ATM Mag-Bind Soil DNA Kit的試劑提取樣品DNA，進(jìn)行瓊脂糖電泳檢測(cè)，查看基因組DNA的完整性與濃度。利用Qubit2.0 DNA檢測(cè)試劑盒對(duì)基因組DNA精確定量，以確定PCR反應(yīng)應(yīng)加入的DNA量。PCR擴(kuò)增所用的引物為：16S rRNA基因V3-V4區(qū)引物341F (CCTACGGGN GGCWGCAG)和805R (GACTACHVGGGTATTCTA ATCC) ；PCR擴(kuò)增結(jié)束后，對(duì)PCR產(chǎn)物進(jìn)行瓊脂糖電泳，采用生工瓊脂糖回收試劑盒(cat：SK8131) 對(duì)DNA進(jìn)行回收?；厥债a(chǎn)物用Qubit2.0定量，將所有樣品按照1︰1的比例進(jìn)行混合，充分振蕩均勻，用于后續(xù)的建庫(kù)與測(cè)序。高通量測(cè)序委托上海生工生物工程有限公司在Illumina MiSeq平臺(tái)上完成。測(cè)序后，對(duì)原始下機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)控處理，進(jìn)行過濾、拼接、去除嵌合體，根據(jù)定制的參考數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)序列，檢查索引和適配器的完整性。將每個(gè)樣本的有效序列提交給RDP分類器，以識(shí)別細(xì)菌序列，使用Mothur計(jì)算物種豐富度和多樣性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

土壤化學(xué)性質(zhì)、酶活性和細(xì)菌群落α多樣性利用SPSS 25.0進(jìn)行單因素方差分析(One-Way ANOVA)和最小顯著差數(shù)法的多重比較(LSD)；細(xì)菌群落與土壤生物化學(xué)性質(zhì)間的冗余分析(RDA)采用Canoco 5.0軟件；酶活性柱形圖和細(xì)菌門類百分比堆積柱形圖采用Origin 2019軟件進(jìn)行繪制；熱圖均使用R(4.1.1)分析軟件進(jìn)行繪制，并結(jié)合Gephi-0.9.2繪制土壤化學(xué)性質(zhì)、酶活性與細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)、功能的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。

2 結(jié)果與分析

2.1 廚余垃圾堆肥施用量對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

由表2可知，每個(gè)處理0 ～ 30 cm土層的pH、SOC、TN、TP、AN、AP含量均隨土層深度加深而降低。0 ～ 10 cm土層，對(duì)比CK，施用廚余垃圾堆肥均能提高土壤pH(↑0.16 ～ 0.39個(gè)單位)、SOC(↑17.27% ～ 23.80%)、TN(↑47.12% ～ 89.42%)，其中pH和TN含量在各施肥量間差異顯著(<0.05)。pH在10 ～ 20 cm和20 ～ 30 cm土層各處理間差異不顯著。在10 ～ 20 cm土層，F(xiàn)WM處理顯著降低了SOC含量(↓23.91%)， FWH處理顯著提高SOC含量(↑25.84%)，但降低了20 ～ 30 cm土層SOC含量(↓25.26%)。10 ～ 20 cm土層TN含量在各處理下顯著提高(↑10.31% ～ 29.90%)，而20 ～ 30 cm差異不顯著。施用廚余垃圾堆肥均能顯著提高0 ～ 30 cm土層的TP和AP含量(<0.05)，分別提高0.00% ～ 30.52% 和14.59% ～ 235.90%。對(duì)比CK，施用廚余垃圾堆肥均顯著提高了0 ～ 10 cm和10 ～ 20 cm土層AN含量(↑38.99% ～ 79.10%、↑31.80% ～ 46.99%)，而在20 ～ 30 cm土層僅FWH處理顯著提高了AN含量(↑52.82%)。

表2 不同處理下的土壤化學(xué)性質(zhì)

注：同列數(shù)據(jù)小寫字母不同表示同一土層不同處理間差異顯著(<0.05)，大寫字母不同表示同一處理不同土層間差異顯著(< 0.05)。

2.2 廚余垃圾堆肥施用量對(duì)土壤酶活性的影響

由圖1可知，0 ～ 10、10 ～ 20、20 ～ 30 cm土層的URE和ACP活性均隨土層深度的增加而降低，且差異顯著(<0.05)；而PPO和FDA活性在0 ～ 30 cm土層內(nèi)變化差異不顯著。對(duì)比CK，0 ～ 10 cm土層，URE活性在FWL(↑32.02%)、FWM(↑43.94%)、FWH(↑73.91%)處理下均顯著提高(<0.05)，ACP和FDA活性僅在FWH處理下顯著提高，分別為13.93% 和80.10%(<0.05)；在10 ～ 20 cm土層，URE、ACP和FDA活性僅在FWH處理下顯著提高(<0.05)，分別為50.17%、16.67% 和20.01%；在20 ～ 30 cm土層ACP、PPO和FDA活性在各處理下差異不顯著，而FWH處理下URE活性顯著提高約39.14%。

2.3 廚余垃圾堆肥施用量對(duì)土壤細(xì)菌群落和功能的影響

2.3.1 土壤細(xì)菌α多樣性 由表3可知，對(duì)比CK，施用廚余垃圾堆肥能提高細(xì)菌的OTU數(shù)目、豐富度(Chao指數(shù)、Ace指數(shù))和多樣性(Shannon指數(shù))指數(shù)。FWL處理對(duì)土壤細(xì)菌群落多樣性影響不顯著，而FWM和FWH處理下OTU數(shù)顯著提高12.21%、12.91%，Chao指數(shù)提高10.45%、11.20%，Ace指數(shù)提高10.28%、11.37%，Shannon指數(shù)提高0.31、0.29。

(URE：脲酶；ACP：酸性磷酸酶；PPO：多酚氧化酶；FDA：熒光素二乙酸水解酶；圖柱上方小寫字母不同表示同一土層不同處理間差異達(dá)P<0.05顯著水平)

表3 16S rRNA基因OTU數(shù)、豐富度和多樣性指數(shù)

注：同列數(shù)據(jù)小寫字母不同表示處理間差異顯著(<0.05)。

2.3.2 土壤細(xì)菌群落組成 如圖2所示，在門水平上繪制土壤細(xì)菌群落組成相對(duì)豐度柱形圖(共檢測(cè)出26個(gè)菌門，圖中僅顯示相對(duì)豐度前13的細(xì)菌門，其余歸為other)。變形菌門(Proteobacteria)、酸桿菌門(Acidobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)的相對(duì)豐度約占總豐度的64.87% ～ 70.80%，共同組成本研究區(qū)的優(yōu)勢(shì)菌門。變形菌門的相對(duì)豐度與土層深度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨土層深度增加而降低，酸桿菌門的相對(duì)豐度則表現(xiàn)相反，放線菌門的相對(duì)豐度在各土層間無明顯差異。0 ～ 30 cm土層變形菌門和擬桿菌門(Bacteroidetes)的相對(duì)豐度與廚余垃圾堆肥施用量呈正相關(guān)；而酸桿菌門和綠彎菌門(Chloroflexi)的相對(duì)豐度隨施用量的增加而降低。

圖3中顯示的是各處理下相對(duì)豐度前11名的菌屬：未分類菌屬4個(gè)(unclassified、unclassified、unclassified1、unclassified)，酸桿菌亞群3個(gè)(1、2、3)，鞘氨醇單胞菌屬()，芽單胞菌屬()，2，；其中3個(gè)酸桿菌亞群(1、2、3)相對(duì)豐度與廚余垃圾堆肥施用量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(<0.05)。

2.3.3 土壤細(xì)菌群落功能分析 采用PICRUSt軟件預(yù)測(cè)施用廚余垃圾堆肥后土壤細(xì)菌代謝功能的變化，將得到的功能基因家族與KEGG數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行對(duì)比，一級(jí)功能可分為6類：代謝(metabolism)、遺傳信息處理(genetic information processing)、環(huán)境信息處理(environmental information processing)、細(xì)胞過程(cellular processes)、人類疾病(human diseases)、有機(jī)系統(tǒng)(organismal systems)。從圖4整體來看，對(duì)比CK，在0 ～ 10 cm土層各施肥處理均顯著提高總功能基因豐度，約35.69% ～ 46.57%，但不同施肥量間功能基因拷貝數(shù)在0 ～ 10 cm和10 ～ 30 cm土層差異不顯著。代謝功能是細(xì)菌群落最主要的功能，約占總功能基因的48.84% ～ 49.53%，各處理間的總功能基因豐度差異主要是由代謝功能貢獻(xiàn)，其余5個(gè)一級(jí)功能在各處理間差異均不顯著。

圖2 細(xì)菌門類水平相對(duì)豐度

圖3 主要優(yōu)勢(shì)菌屬

圖4 土壤細(xì)菌一級(jí)功能

二級(jí)功能基因獲得41類，如圖5所示，總功能基因中占比10.66% ～ 10.99% 的氨基酸代謝(amino acid metabolism)功能、10.47% ～ 11.02% 的碳水化合物代謝(carbohydrate metabolism)功能、9.27% ～ 10.61% 的膜運(yùn)輸(membrane transport)功能、6.83% ～ 7.15% 的復(fù)制與修復(fù)(replication and repair)功能、5.60% ～ 5.80% 的能量代謝(energy metabolism)功能、4.06% ～ 4.36% 的翻譯(translation)功能、4.04% ～ 4.17% 的輔因子和維生素的代謝(metabolism of cofactors and vitamins)功能、3.99% ～ 4.12% 的脂質(zhì)代謝(lipid metabolism)功能是主要的二級(jí)子功能。對(duì)比CK，膜運(yùn)輸和碳水化合物代謝功能均在施用廚余垃圾堆肥后顯著增強(qiáng)。

2.4 土壤化學(xué)性質(zhì)和酶活性對(duì)細(xì)菌群落的影響

為明確施用廚余垃圾堆肥后土壤化學(xué)性質(zhì)和酶活性對(duì)土壤細(xì)菌群落的影響，采用冗余分析(RDA)評(píng)估土壤生物化學(xué)指標(biāo)與細(xì)菌群落組成和多樣性之間的關(guān)系(圖6)，同時(shí)進(jìn)行土壤化學(xué)性質(zhì)與土壤細(xì)菌群落組成門類和多樣性的相關(guān)分析(圖7)。結(jié)合圖6和圖7發(fā)現(xiàn)URE、ACP、pH、TN、TP、AN、AP指標(biāo)對(duì)細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)和多樣性均有顯著影響，均集中在第一、四象限；RDA1和RDA2共解釋了細(xì)菌群落78.59% 的變異；其中AN和URE活性是調(diào)控細(xì)菌群落的最主要因子，AN和URE活性主要與變形菌門、厚壁菌門等優(yōu)勢(shì)菌門顯著正相關(guān)，與綠彎菌門、酸桿菌門等優(yōu)勢(shì)菌門顯著負(fù)相關(guān)。

圖5 土壤細(xì)菌二級(jí)功能

3 討論

3.1 施用廚余垃圾堆肥對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)和酶活性的影響

本研究發(fā)現(xiàn)在植煙土壤表層0 ～ 10 cm的化學(xué)性質(zhì)和酶活性易受施肥的影響。施肥后能顯著提高表層土壤的pH，改善土壤酸化程度，這是由于廚余垃圾堆肥本身的pH(7.0 ～ 7.5)高于研究區(qū)土壤pH(5.00)，Lee等[13]在水飽和的稻田和不飽和的旱地土壤中施用垃圾堆肥同樣提高了土壤pH，土壤酸化得到改善。土壤有機(jī)質(zhì)和土壤氮素含量均隨施肥量的增加而增加，為烤煙生長(zhǎng)創(chuàng)造了良好的土壤條件。這是由于廚余垃圾堆肥主要由蔬菜、水果殘?jiān)M成，具有高碳水化合物和高氮化合物的成分，可為烤煙植株提供豐富的養(yǎng)分。Baiano等[14]同樣認(rèn)為生物垃圾(城市固體廢物的有機(jī)部分)堆肥富含有機(jī)物質(zhì)和氮養(yǎng)分，施用后能增加土壤中的有機(jī)碳和全氮。本文中施肥后0 ～ 30 cm土層的TP含量?jī)H在FWH處理顯著增加，堆肥對(duì)土壤磷素含量的增幅遠(yuǎn)小于氮素，主要是因?yàn)楸緟^(qū)域土壤磷素含量較低，施肥時(shí)仍需要單獨(dú)補(bǔ)充施用磷肥。

土壤酶直接參與土壤營(yíng)養(yǎng)元素的有效化過程，也能在一定程度上體現(xiàn)土壤養(yǎng)分變化的動(dòng)態(tài)過程[15]。本文中施肥后URE活性在0 ～ 30 cm土層下均隨廚余垃圾堆肥施用量的增加而增加，這是由于URE與土壤氮循環(huán)密切相關(guān)，而施肥提供了豐富的氮源，參與土壤氮循環(huán)的微生物生長(zhǎng)速率加快，分泌更多的脲酶。本文中施用2.4 t/hm2堆肥(FWH)時(shí)，ACP顯著增強(qiáng)，主要是由于ACP主要參與土壤磷素轉(zhuǎn)化，而本區(qū)域土壤的供磷能力較低，高量施用堆肥累積的磷反應(yīng)底物才足以刺激土壤微生物分泌較多的酸性磷酸酶[16]；同樣FDA活性在FWH下顯著增強(qiáng)，是因?yàn)镕DA主要來源于微生物細(xì)胞和部分動(dòng)植物殘?bào)w的分解[17]，當(dāng)施用2.4 t/hm2堆肥時(shí)，土壤細(xì)菌群落多樣性和豐度均顯著提高，OUT數(shù)目增多，因此FDA活性顯著增強(qiáng)。PPO主要參與土壤腐殖質(zhì)組分的形成，與土壤腐質(zhì)化程度呈負(fù)相關(guān)[18]。本文中PPO活性在施肥后雖增強(qiáng)但差異不顯著，可能是施肥后導(dǎo)致的土壤增加的反應(yīng)底物量不足以規(guī)模性促進(jìn)細(xì)菌的氧化還原酶的分泌。

(Pro：變形菌門；Act：放線菌門；Aci：酸桿菌門；Chl：綠彎菌門；WPS-2：candidate_division_WPS-2；Fir：厚壁菌門；Bac：擬桿菌門；Ver：疣微菌門；Gem：芽單胞菌門；Pla：浮霉菌門；WPS-1：candidate_division_WPS-1；unc：unclassified_ Bacteria；Sac：Candidatus_Saccharibacteria)

(圖中顯示相關(guān)性顯著(P<0.05)的菌門和土壤化學(xué)性質(zhì)、酶活性)

3.2 施用廚余垃圾堆肥對(duì)土壤細(xì)菌群落的影響

適宜的土壤養(yǎng)分是提高土壤微生物豐富度和多樣性的重要因素之一，而土壤養(yǎng)分通過細(xì)菌群落豐富度和多樣性的提高得以改善，兩者間為相互促進(jìn)作用[19]。本文中1.6 t/hm2和2.4 t/hm2施肥量(FWM和FWH)處理下細(xì)菌的豐富度和多樣性均顯著提高，這是由于營(yíng)養(yǎng)豐富的堆肥施入后，為細(xì)菌帶來大量可利用的養(yǎng)分，刺激細(xì)菌繁殖生長(zhǎng)，從而細(xì)菌的豐富度和多樣性增加。變形菌門和擬桿菌門相對(duì)豐度隨廚余垃圾堆肥施用量的增加而增加，這是由于變形菌門屬于富營(yíng)養(yǎng)學(xué)型細(xì)菌，擬桿菌門是富營(yíng)養(yǎng)的微環(huán)境中自由生活型微生物群落的重要組成部分[20]，在養(yǎng)分充足的條件下生長(zhǎng)速率快。酸桿菌門作為本研究第二優(yōu)勢(shì)菌門，其相對(duì)豐度隨廚余垃圾堆肥施用量的增加而降低，主要是因?yàn)樗釛U菌門屬于寡營(yíng)養(yǎng)型細(xì)菌，較適應(yīng)條件差的土壤環(huán)境[21]。土壤養(yǎng)分和pH均隨廚余垃圾堆肥施用量增加而提高，土壤條件得到改善，酸桿菌門相對(duì)豐度與施肥量即呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。1、2、3作為最主要的酸桿菌亞群，均表現(xiàn)為相對(duì)豐度隨施肥量增加而顯著降低，隨土層深度的加深而增加，這與土壤pH變化一致，而研究表明土壤pH是影響酸桿菌多樣性的關(guān)鍵因素[22]。

對(duì)比CK，在0 ～ 10 cm土層各施肥處理均顯著提高總功能基因拷貝數(shù)，約35.69% ～ 46.57%，施用廚余垃圾堆肥能增強(qiáng)土壤細(xì)菌群落功能，前人研究同樣認(rèn)為農(nóng)田土壤細(xì)菌功能易受外界環(huán)境條件如施肥的影響[23]。本研究中，代謝功能是細(xì)菌群落最主要的功能，約占總功能基因的48.84% ～ 49.53%，表征土壤細(xì)菌群落的養(yǎng)分轉(zhuǎn)化能力和活性增強(qiáng)，作物對(duì)土壤養(yǎng)分利用率將會(huì)提高，而驅(qū)動(dòng)土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化這一關(guān)鍵過程是由土壤微生物主導(dǎo)，施入土壤中的養(yǎng)分與有機(jī)物質(zhì)需要土壤微生物吸收代謝或分泌相應(yīng)的酶將其分解為作物可吸收的有效態(tài)，進(jìn)而促進(jìn)作物養(yǎng)分吸收與生長(zhǎng)[24]。二級(jí)代謝通路功能基因獲得41類，對(duì)比CK，膜運(yùn)輸和碳水化合物代謝功能均在各施肥處理下顯著增強(qiáng)。這主要是由于廚余垃圾堆肥富含高碳水化合物和高氮化合物，為富營(yíng)養(yǎng)學(xué)型菌門提供了充足的養(yǎng)分，菌門豐度顯著增加，如富營(yíng)養(yǎng)型菌門中的變形菌門豐度增加可降解氨基酸和碳水化合物，促進(jìn)土壤碳氮循環(huán)[25]。

土壤化學(xué)性質(zhì)影響著土壤細(xì)菌的養(yǎng)分供給和生存環(huán)境，而細(xì)菌群落的豐度和多樣性表征其對(duì)土壤環(huán)境的適應(yīng)能力[26]。本文發(fā)現(xiàn)土壤化學(xué)性質(zhì)和酶活性對(duì)細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)和多樣性均有顯著的影響(AN> URE>TN>TP>ACP >AP>pH)，其中AN和URE活性是調(diào)控細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)最主要的因子，主要與富營(yíng)養(yǎng)學(xué)型菌門的變形菌門和厚壁菌門顯著正相關(guān)，與綠彎菌門、酸桿菌門顯著負(fù)相關(guān)。AN是作物和土壤微生物最主要的氮源[27]，在施用廚余垃圾堆肥后AN含量顯著增加，促進(jìn)了參與氮循環(huán)的細(xì)菌生長(zhǎng)(變形菌和厚壁菌均是與氮生物地球化學(xué)循環(huán)有關(guān)的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌[28])；脲酶是參與氮循環(huán)的細(xì)菌進(jìn)行分泌，因此AN和URE活性對(duì)土壤細(xì)菌群落的影響表現(xiàn)基本一致。土壤養(yǎng)分條件得到改善后，寡營(yíng)養(yǎng)型(酸桿菌)和光能自養(yǎng)型(綠彎菌)細(xì)菌的生長(zhǎng)會(huì)被抑制，與養(yǎng)分呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[21，29]。而前人研究表明土壤pH是影響細(xì)菌分布的最主要的環(huán)境因子[30]，本文所得結(jié)論不同，可能是本研究在施肥后土壤pH變幅較小(5.21 ～ 5.65)，對(duì)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的變化影響也較小。綜上，廚余垃圾堆肥施用可緩解土壤酸化，增加土壤的養(yǎng)分含量，提高土壤富營(yíng)養(yǎng)學(xué)型細(xì)菌的豐度和部分酶的活性，可促進(jìn)土壤細(xì)菌對(duì)肥料養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，提高作物對(duì)養(yǎng)分的利用率，可作為化學(xué)肥料和其他動(dòng)物糞便的替代物，其應(yīng)用前景較好。但廚余垃圾堆肥施用后是否會(huì)限制烤煙作物生長(zhǎng)，影響烤煙產(chǎn)量和質(zhì)量，以及連續(xù)施用多年后其對(duì)土壤碳、氮循環(huán)和微生態(tài)的影響機(jī)制還需進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

廚余垃圾堆肥施入后土壤酸化得到緩解，豐富了土壤養(yǎng)分，促進(jìn)了部分土壤酶活性和富營(yíng)養(yǎng)型細(xì)菌的繁殖，為烤煙生長(zhǎng)提供了良好的土壤環(huán)境，因此，廚余垃圾堆肥是可以作為化學(xué)肥料和其他動(dòng)物糞便的替代物，為垃圾分類背景下垃圾資源化利用提供出路。

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Effect of Food Waste Composting on Enzyme Activity and Bacterial Community Structure of Flue-cured Tobacco Soil

ZHANG Xiaohua, WANG Keqin, SONG Yali*, YANG Xin, CHA Lianling

(College of Ecology and Environment, Southwest Forestry University, Kunming 650224, China)

In order to investigate the changes of soil enzyme activity and bacterial community structure after fertilizer application and to provide basic data to support the promotion of food waste compost on farm, flue-cured tobacco growing soils in central Yunnan were taken as study object, different application rates of food waste compost (base fertilizer) were designed: no fertilizer control (CK), low fertilizer application rate (8 t/hm2, FWL), medium fertilizer application rate (16 t/hm2, FWM), and high fertilizer application rate (24 t/hm2, FWH). The results show that compared with CK, FWH significantly increases soil pH, the contents of organic carbon, total nitrogen, total phosphorus, alkaline soluble nitrogen and effective phosphorus, the activities of urease, acid phosphatase, fluorescein diacetate hydrolase activity (↑0.39%–89.42%), soil bacterial OUT number (↑12.91%), Chao index (↑11.20%), Ace index (↑11.37%). The relative abundance of Proteobacteria is increased with increasing fertilizer application, while Acidobacteria is decreased. Both membrane transport and carbohydrate metabolism of the bacterial community are significantly enhanced after fertilization. Urease and acid phosphatase activities, pH, total nitrogen, total phosphorus, alkaline nitrogen and effective phosphorus all have effects on the community composition and diversity of soil bacteria, with alkaline nitrogen and urease activity being the most important factors regulating the bacterial community.

Food waste composting; Bacterial community; Enzyme activity

S154.3

A

10.13758/j.cnki.tr.2023.02.012

張曉花, 王克勤, 宋婭麗, 等. 廚余垃圾堆肥對(duì)烤煙土壤酶活性和細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響. 土壤, 2023, 55(2): 321–330.

云南省科技計(jì)劃項(xiàng)目(202203AC100001-03)、云南省科技廳“三區(qū)”人才支持計(jì)劃項(xiàng)目(90202101)、云南省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(202110677076)和云南省水土保持監(jiān)測(cè)站（玉溪二龍?zhí)缎×饔蛩帘３直O(jiān)測(cè)）項(xiàng)目(632166)資助。

(songyali19851205@sina.com)

張曉花(1998—)，女，貴州納雍人，碩士研究生，主要從事生態(tài)恢復(fù)研究。E-mail: zxh1570494195@163.com