不同腐熟剂对堆肥腐植酸含量及肥力的影响

杨笑莹 辛寒晓 孙国科 赵升远 刘丽英 孙中涛*

1 山东佐田氏生物科技有限公司 济南 250000

2 山东农业大学生命科学学院 泰安 271018

近年来，我国食用菌发展迅速，年产量约4000 万吨[1]，食用菌栽培废料（菌糠）作为副产物，年产生量至少达2000 万吨[2]，其综合利用成为了亟待解决的问题。菌糠富含蛋白质、纤维素和多种矿质元素等营养物质，若不及时处理，就地堆放极易引起霉菌和害虫滋生及腐烂恶臭，引发生态环境污染问题。虽然菌糠综合利用的方式很多，例如，堆肥、生态修复、再次用于食用菌栽培原料等，但堆肥是其中最经济、最具发展前景的利用方式[3]。堆肥是在适宜的条件下，对菌糠等有机固废进行发酵腐熟，实现其减量化、无害化和资源化利用[3]。通过堆肥，可将菌糠转化为有机肥，用于农业生产，具有促进作物生长、增产增收、提高土壤肥力的作用。施用堆肥产品能使小白菜增产14.5%；仙丹花和矮牵牛等生长茂盛，土壤肥力、土壤酶活性和微生物数量显著提高[4]。但由于食用菌菌糠碳氮比（C/N）较高，呈微碱性，单独堆肥的效果不佳[5，6]。已有研究表明，微生物接种剂（细菌和放线菌等）或者营养添加剂（禽粪便、污泥等）可以间接提高微生物的生长和代谢，改善堆肥产品效果[7，8]。酶制剂，如纤维素酶，也可以用来增加营养和改善堆肥的微生物代谢，但很少有研究。为此，本文通过添加不同外源性物质，研究堆肥进程及产品质量，并采用盆栽试验的方法，将不同堆肥产品、清水及无机肥进行比较，研究添加不同外源性物质的堆肥产品在辣椒植株的生长发育状况、根系抗氧化酶活性及土壤酶活性方面的应用效果。

1 材料与方法

1.1 试验时间、地点

堆肥试验于2019年3 月—5 月在山东农业大学生命科学学院农业微生物试验室内进行。盆栽试验于2019年5 月—7 月在山东佐田氏生物科技有限公司试验田中进行。

1.2 试验材料

堆肥原料：菌糠，来源于山东佐田氏生物科技有限公司发酵车间，其有机碳含量为48.95%，全氮、磷、钾含量分别为1.47%、2.41%、1.01%，纤维素含量为27.39%，C/N 为40.5，pH 为6.82，含水率为23.10%，电导率为0.75 mS/cm。外源性物质，纤维素酶：购置于泰安信得利生物工程有限公司，其酶活性为5×105u/g；黑曲霉：购置于沂水锦润生物科技有限公司，其含量为1.0×1010cfu/g。价格分别为：纤维素酶0.05 元/克，黑曲霉0.01 元/克。

盆栽试验所用无机肥：磷酸二氢钾1.7 g 和尿素1.8 g，由山东佐田氏生物科技有限公司提供。试验辣椒植株：“羊角椒”，购于江苏省一亩田蔬菜种苗有限公司。

1.3 试验设计与方法

1.3.1 堆肥的制备方法

堆肥反应容器为壁厚5 cm的泡沫保温箱，内部长、宽、高分别为60、45、41 cm。在堆肥反应容器中加入堆肥原料40 千克（鲜重）/箱，保持初始含水量为51.20%。试验共设置3 个处理，外源性物质为变量。在第25 天，以1∶100的质量比例，将外源性物质（纤维素酶或黑曲霉）溶于水，通过喷水处理控制水分含量，使其均匀混合后将含水率调至50%。前40 天堆肥中，每天机械翻转1 次，之后5 天机械翻转1 次，以保证氧气充足。

3 个试验处理分别为：T1（全菌糠发酵，喷洒等量的水）、T2[添加0.2%（w/w）纤维素酶]、T3[添加0.2%（w/w）黑曲霉]。

1.3.2 盆栽试验

盆栽试验采用盆口内径、底内径和高分别为15、13、15 cm的陶盆。每盆土壤质量为3 kg，每株添加1.5%的相应堆肥产品，混匀加入盆中。将辣椒幼苗缓苗一周后，选取大小和生长良好的幼苗移到盆中。试验共设置5 个处理，每个处理设3 个平行，每个平行5 盆，每盆种植2 株紧密平行植株，每个处理种植30 株，共150 株75 盆。将其在试验田摆成“5×15”的长方形，每天早上七点和晚上五点每盆各浇水200 mL，连续浇水60 天。

5 个试验处理分别为：CK1（清水对照，不施肥）、CK2（施无机复合肥，磷酸二氢钾1.7 g 和尿素1.8 g）、T1（施普通成熟堆肥）、T2（施纤维素酶成熟堆肥）、T3（施黑曲霉成熟堆肥）。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 堆肥温度的测定

将3 支数字温度计随机插入堆肥箱约20 cm 深的中间位置，温度计彼此相距约10 cm，取3 支温度计的平均值为当日堆肥温度，并测定当时环境温度，温度测量完后将堆肥翻转。在堆肥前期每天下午两点，用温度计测量温度；后期若温度变化不大，则2～3 天测量1 次。

1.4.2 堆肥产品质量指标

在第60 天采用五点取样法，将样品取出并保存于-4 ℃下，用于化学分析。测定堆肥中的理化参数：采用重铬酸钾法测定总有机质含量[9]；采用凯氏定氮法测定总氮（TN）含量[9]；采用分光光度法测定总磷（TP）含量[10]；采用火焰光度计法测定总钾（TK）含量[11]；采用焦磷酸钠浸提-重铬酸钾容量法测定总腐植酸含量[11]；采用1%氢氧化钠浸提-重铬酸钾容量法测定游离腐植酸含量[12]；采用容量滴定法测定黄腐酸含量[11]；采用0.05 M NaHCO3溶液的吸光度确定E4/E6值[10]。

1.4.3 盆栽试验样品采集及指标测定

（1）辣椒生长指标测定。在第30 天和第60 天分别进行采样，从每个处理选取3 株长势基本一致的辣椒植株，测量样品茎粗和株高，采用游标卡尺测量茎粗（第一叶片处测量）；采用直尺测株高，测其茎基部到叶顶端的垂直距离；测量并记录整个植株的鲜重；将鲜重样品放于105 ℃烘箱30 min，后70 ℃烘至恒重，记录干重；采用乙醇提取比色法测定植株叶片叶绿素总量[13]。

（2）辣椒根系抗氧化酶活性指标和丙二醛（MDA）测定。在第30 天和第60 天分别进行采样，采用氮蓝四唑（NBT）法测定超氧化物歧化酶（SOD）的活性[14]；采用愈创木酚法测定过氧化物酶（POD）的活性[15]；采用过氧化氢法测定过氧化氢酶（CAT）活性[15]；采用TBA 法测定MDA 含量[16]。

（3）辣椒根系土壤生物学指标测定。在第30 天和第60 天分别进行采样，采用苯酚钠比色法测定土壤脲酶活性[17]；采用锰酸钾滴定法测定过土壤过氧化氢酶活性[18]；采用3，5-二硝基水杨酸法测定土壤蔗糖酶活性[19]。

（4）辣椒品质指标测定。在第60 天进行采样，采用福林酚法测定可溶性蛋白的含量[20]；采用2，6-二氯靛酚滴定法测定Vc 含量[21]。

1.5 数据分析

采用MicrosoftExcel 对试验数据进行处理，SPSS 软件对试验数据进行分析和比较。

2 结果与分析

2.1 堆肥过程中温度变化

在堆肥过程中，温度是评估大规模堆肥质量的一个主要指标。随温度变化，有机物分解、酶活性、微生物生长等也会产生变化。堆肥过程中温度变化如图1 所示。堆肥前25 天，温度迅速升高，通过自加热，从23 ℃开始上升，在第4 天，堆肥温度达到最大值，此时是好氧型微生物活跃最频繁的时期，分解最为旺盛，能逐渐降解有机物，加速堆肥。在4 天之后，堆肥温度开始降低，说明此时的有机质被分解，剩下了难分解的物质，尤其是大量木质纤维素；微生物活性开始下降，从而导致温度逐渐降低。在25 天时T2 加入纤维素酶，T3 加入黑曲霉，T1 不添加外源性物质，作为对照。从图中可以看出，从25 天开始，温度再次升高，T2 和T3 高温均持续5 天，T1 在后期有升温但是变化范围较小，最高温度依次为T3>T2>T1。原因是在T2 中添加的纤维素酶通过分解菌糠中的纤维素提供更多的碳源来促进微生物的生长和代谢，在T3 中添加的黑曲霉可以产生大量的纤维素酶和蛋白酶，进而通过分解菌糠中的纤维素和蛋白质等提供更多的碳源和氮源来促进微生物的生长和代谢，从而使堆肥温度升高且持续时间长。持续高温有助于在堆肥过程中灭活潜在的病原体，更有利于物质的降解，促进堆肥快速腐熟。这与Meng 等[9]堆肥温度与微生物的生长和代谢密切相关有类似的结果。

图1 堆肥过程中温度变化Fig.1 Temperature change during composting

2.2 堆肥产品质量分析

堆肥产品成熟度用于评估堆肥产品的稳定性和安全性。堆肥的成熟度通常使用总有机质、总氮、总磷、总钾、总腐植酸、游离腐植酸、黄腐酸和E4/E6值的指标来表示。堆肥产品质量分析结果见表1。

表1 堆肥产品质量分析Tab.1 Quality analysis of compost product

从表中可以看出，在总有机质含量方面，添加黑曲霉的T3 含量最低，添加纤维素酶的T2 次之，喷水对照T1 最高，其中T3 与T1 差异达显著水平。说明在堆肥中添加外源性物质（黑曲霉或纤维素酶），复杂的有机质被分解，总有机质含量有所降低，从而加速堆肥。特别是T3 效果最为显著。这与Kiyohiko 等[22]的研究结果类似。

在总氮、总磷、总钾含量方面，与T1 比较，T3 分别提高14.83%、31.92%和21.08%；T2 分别提高13.13%、17.23%和4.90%，不同处理之间差异达显著水平。说明添加外源性物质能有效增强堆肥中微生物活性，使氮得以保留，磷损失减少，钾含量增加。添加外源性物质的堆肥产品作用于植物，有利于其拥有足够的氮、磷、钾来支持生长。这与Meng 等[9]的结果基本一致。

在总腐植酸和游离腐植酸含量方面，与T1 比较，总腐植酸和游离腐植酸的含量由高到低依次为T3>T2>T1。其中T3 与T1 相比分别增加17.75%和17.93%，差异达显著水平；T2 与T1 相比分别增加13.75%和13.64%，差异达显著水平；T3 与T2 相比，游离腐植酸含量差异达显著水平。堆肥过程升高温度能加速腐殖化过程，有助于生成结构稳定的腐殖质，使总腐植酸和游离腐植酸含量增加。这说明添加外源性物质的堆肥效果好，特别是加入黑曲霉，对加速堆肥的腐熟进程，提高利用率，增强腐殖化程度和产品质量有较强的促进作用。

表1 还可以看出，在黄腐酸含量和E4/E6值方面，T2、T3 与T1 比较，差异达显著水平，其中T3的黄腐酸含量最少，E4/E6值最低。造成这种现象的原因可能是：添加外源性物质黑曲霉，黄腐酸等小分子可溶性物质会被微生物分解利用或转化为腐植酸等大分子物质，使含量下降。黄腐酸含量和E4/E6值可作为堆肥产品稳定性的辅助指标，一般与堆肥的稳定性呈负相关。这与Esteves 等[23]研究结果相似。

2.3 不同堆肥产品对辣椒生长指标的影响

对生长30 天的辣椒，进行生长指标测定，研究不同堆肥产品对其影响结果如表2、表3 所示。与清水对照CK1 相比，施加堆肥产品的辣椒生长和叶绿素总量均显著提高。施普通成熟堆肥T1 与施无机复合肥CK2 相比，辣椒干重显著提高19.27%，其他指标差异不显著。施纤维素酶成熟堆肥T2 与CK2 相比，鲜重、干重、株高、茎粗和叶绿素总量分别显著提高40.08%、59.92%、25.00%、15.21%和13.51%。施黑曲霉成熟堆肥T3 与CK2 相比，鲜重、干重、株高、茎粗和叶绿素总量分别显著提高55.82%、68.59%、6.68%、16.41% 和24.84%。T2 与T1 相 比，鲜 重、干重、株高和叶绿素总量分别显著提高29.70%、34.09%、19.99%和13.51%，茎粗提高7.50%；T3与T1 相比，鲜重、干重和叶绿素总量分别显著提高44.29%、41.36%和24.86%，株高和茎粗分别提高2.40%和8.61%；T3 与T2 相比，鲜重、干重和叶绿素总量分别显著提高11.24%、5.42%和1.00%，株高降低14.66%，茎粗提高1.04%。

对生长60 天的辣椒，进行生长指标测定，研究不同堆肥产品对其影响结果如表2、表3 所示。与CK1 相比，施加堆肥产品的辣椒生长和叶绿素总量均显著提高。T1 与CK2 相比，鲜重、干重和茎粗分别显著提高7.17%、7.79%和6.55%，株高和叶绿素总量增长差异不显著。T2 与CK2 相比，鲜重、干重、株高、茎粗和叶绿素总量分别显著提高27.77%、22.16%、14.79%、13.75% 和14.89%。T3 与CK2 相比，鲜重、干重、株高、茎粗和叶绿素总量分别显著提高48.49%、32.98%、13.63%、8.49%和27.66%。T2 与T1 相比，鲜重、干重、茎粗和叶绿素总量分别显著提高19.22%、13.55%、6.75%和13.68%，株高增长差异不显著；T3 与T1 相比，在鲜重、干重和叶绿素总量分别显著提高38.55%、23.61%和26.32%，株高和茎粗增长差异不显著；T3 与T2 相比，鲜重、干重和叶绿素总量分别显著提高16.21%、8.86%和11.11%，株高增长差异不显著，茎粗显著降低4.63%。

表2 不同堆肥产品对辣椒鲜重和干重的影响Tab.2 Effects of different compost product on fresh and dry weight of chilig

表3 不同堆肥产品对辣椒株高、茎粗、叶绿素总量的影响Tab.3 Effects of different compost product on plant height,stem diameter and total chlorophyll content of chili

2.4 不同堆肥产品对辣椒根系抗氧化酶活性和MDA的影响

对生长30 天的辣椒，进行抗氧化酶活性指标测定，研究不同堆肥产品对辣椒根系抗氧化酶活性及MDA 含量影响的结果见表4。在辣椒根系SOD、POD 和CAT的活性方面，堆肥产品与CK1 相比均显著提高，MDA 含量显著降低。T1 与CK2 相比，SOD、POD、CAT 活性和MDA 含量分别显著提高2.77%、22.18%、16.64%和20.00%。T2 与CK2 相比，SOD、POD 和CAT 活性分别显著提高11.80%、61.17%和38.86%，MDA 含量降低4.21%。T3 与CK2 相比，SOD、POD 和CAT 活性分别显著提高31.47%、68.01%和58.21%，MDA 含量显著降低32.63%。T2 与T1 相比，SOD、POD 和CAT 活性分别显著提高8.78%、31.91%和18.74%，MDA 含量显著降低20.17%；T3 与T1 相比，SOD、POD和CAT 活性分别显著提高27.92%、37.51% 和35.29%，MDA 含量显著降低43.86%；T3 与T2 相比，SOD、POD 和CAT 活性分别显著提高17.59%、4.24%和13.94%，MDA 含量显著降低29.67%。

对生长60 天的辣椒，进行抗氧化酶活性指标测定，研究不同堆肥产品对辣椒根系抗氧化酶活性及MDA 含量影响的结果见表4。在辣椒根系SOD、POD 和CAT的活性方面，堆肥产品与CK1 相比均显著提高，MDA 含量显著降低。T1 与CK2 相比，SOD、POD、CAT 活性和MDA 含量分别显著提高2.99%、4.69%、8.76%和11.96%。T2 与CK2 相比，SOD、POD 和CAT 活性分别显著提高11.53%、16.49%和21.19%，MDA 含量显著降低5.43%。T3与CK2 相比，SOD、POD 和CAT 活性分别显著提高25.81%、23.11%和30.20%，MDA 含量显著降低10.87%。T2 与T1 相比，SOD、POD 和CAT 活性分别显著提高8.29%、11.26%和11.43%，MDA 含量显著降低15.53%；T3 与T1 相比，SOD、POD 和CAT 活性分别显著提高22.15%、17.56%和19.72%，MDA 含量显著降低25.61%；T3 与T2 相比，SOD、POD 和CAT 活性分别显著提高12.80%、5.68%和7.44%，MDA 含量显著降低5.75%。

表4 不同堆肥产品对辣椒根系抗氧化酶活性和MDA 含量的影响Tab.4 Effects of different compost product on antioxidant enzyme activity and malondialdehyde of chili root system

2.5 不同堆肥产品对辣椒根际土壤酶活性的影响

对生长30 天的辣椒，进行根际土壤酶活性指标测定，研究不同堆肥产品对辣椒根际土壤酶活性影响的结果见表5。堆肥产品与CK1 相比，辣椒根际土壤中脲酶、过氧化氢酶和蔗糖酶活性显著提高。T1 与CK2 相比，脲酶、过氧化氢酶和蔗糖酶活性分别显著提高4.96%、2.94%和3.07%。T2与CK2 相比，脲酶、过氧化氢酶和蔗糖酶活性分别显著提高14.05%、11.76%和4.59%。T3 与CK2相比，脲酶、过氧化氢酶和蔗糖酶活性分别显著提高28.10%、20.69%和9.33%。T2 与T1 相比，脲酶、过氧化氢酶和蔗糖酶活性分别显著提高8.66%、8.57%和1.48%；T3 与T1 相比，脲酶、过氧化氢酶和蔗糖酶活性分别显著提高22.05%、17.14%和6.08%；T3 与T2 相比，脲酶、过氧化氢酶和蔗糖酶活性分别显著提高12.32%、7.89%和4.53%。

对生长60 天的辣椒，进行根际土壤酶活性指标测定，研究不同堆肥产品对辣椒根际土壤酶活性影响的结果见表5。施加堆肥产品与CK1 相比，辣椒根际土壤中脲酶、过氧化氢酶和蔗糖酶活性均显著提高。T1 与CK2 相比，脲酶、过氧化氢酶和蔗糖酶活性分别显著提高2.23%、16.67%和0.24%。T2 与CK2 相比，脲酶、过氧化氢酶和蔗糖酶活性分别显著提高8.38%、42.86%和5.13%。T3 与CK2 相比，脲酶、过氧化氢酶和蔗糖酶活性分别显著提高18.44%、61.90%和10.41%。T2 与T1 相比，脲酶、过氧化氢酶和蔗糖酶活性分别显著提高6.01%、22.45%和4.87%；T3 与T1 相比，脲酶、过氧化氢酶和蔗糖酶活性分别显著提高15.85%、38.78%和10.15%；T3 与T2 相比，脲酶、过氧化氢酶和蔗糖酶活性分别显著提高9.28%、13.33%和5.03%。

表5 不同堆肥产品对辣椒根际土壤酶活性的影响Tab.5 Effects of different compost product on enzyme activity of chili rhizosphere soil

2.6 不同堆肥产品对辣椒果实品质的影响

对生长60 天的辣椒，进行果实品质指标测定，研究不同堆肥产品对辣椒果实品质的影响的结果见表6。在辣椒的可溶性蛋白和Vc 含量方面，施用不同堆肥产品与CK1 相比显著提高。与CK2 相比，T1的可溶性蛋白和Vc 含量分别提高19.99%和37.44%；T2的可溶性蛋白和Vc 含量分别显著提高41.81%和40.70%；T3的可溶性蛋白和Vc 含量分别显著提高53.45%和50.60%。T2 与T1 相比，可溶性蛋白含量提高18.19%，Vc含量差异不显著；T3 与T1 相比，可溶性蛋白和Vc 含量分别显著提高27.89%和9.58%；T3 与T2相比，可溶性蛋白和Vc 含量分别显著提高8.21%和7.04%。

表6 不同堆肥产品对辣椒果实品质的影响Tab.6 Effects of different compost product on fruit quality of chili

3 讨论与结论

堆肥产品与清水对照和无机复合肥相比，可以提高辣椒的生长发育，其中添加黑曲霉的堆肥产品辣椒鲜重、干重和茎粗3 项指标最好，植物利用营养成分的能力增强，将外界的养分转化为自身生长所需，并且植株的干重得到提高。这与Arancon等[24]研究结果施加堆肥茎干重显著增加一致。对光能的利用随叶绿素总量的增加而提高，说明叶绿素总量的增加有利于提高光合作用，提高抗性，最终增强净光合速率。堆肥产品，尤其是添加黑曲霉的堆肥产品提高了叶绿素总量，进而提高了光合效率。这与Bound 等[25]研究结果一致。

辣椒根系SOD、POD、CAT 活性和MDA 含量高低在鉴定植物抗性中可以作为辅助评价指标，体内过剩的活性氧被抗氧化酶清除的能力提高，活性氧代谢平衡的维持能力增强，一般SOD、POD、CAT 活性与抗性呈正相关，MDA 含量高低与抗性呈负相关。堆肥产品，特别是添加黑曲霉的堆肥产品能增强辣椒的抗氧化能力，从而减缓衰老。这与刘青等[26]研究结果相似。

土壤的综合肥力及土壤养分特征可以依据土壤酶活性的高低来衡量。脲酶和过氧化氢酶活性高低与土壤中有机质含量和微生物数量密切相关，土壤中微生物活性及土壤的肥力强弱随蔗糖酶活性变化而变化。在堆肥产品中，尤其是添加黑曲霉的堆肥产品，酶活性有明显提高，促进土壤中养分转化，并提高作物吸收养分的效率，促进辣椒生长，增加辣椒产量。这与Lie 等[27]研究结果相似。

食用蔬菜的口感与可溶性蛋白和Vc 含量高低密切相关，并且蔬菜的商品价值与这两种物质的含量高低也密切相关，蔬菜营养品质中的重要指标可以根据可溶性蛋白和Vc 含量高低来判断。在堆肥产品中，特别是添加黑曲霉的堆肥产品不仅能明显提高Vc的含量，而且能增加可溶性蛋白的含量，进而达到改善辣椒的品质，改良辣椒的口感和营养的作用。这与申飞等[28]研究结果相似。

综上，在堆肥的过程中加入不同外源性物质，能有效提高堆肥温度，加强对难降解物质的分解，其中添加黑曲霉的堆肥产品更具优势，可以持续高温，充分杀灭病原菌，降解有机质，提高产品质量。施黑曲霉成熟堆肥在辣椒植株方面，更能有效增强光合作用，促进植株的生长，提高根系的抗氧化酶活性，降低植株中细胞的氧化程度，改善土壤微生态平衡，增强土壤肥力，是一种优良的有机肥。