环境科学  2023, Vol. 44 Issue (9): 5025-5035   PDF    
引用本文
贾培寅, 王馨, 花玉婷, 姜志翔. 不同堆肥工艺处理的城市污水污泥对滨海湿地土壤中养分释放特征和潜力的影响[J]. 环境科学, 2023, 44(9): 5025-5035.
JIA Pei-yin, WANG Xin, HUA Yu-ting, JIANG Zhi-xiang. Effects of Different Biochar and Effective Microorganism Agent Improvement Approaches on the Nutrient Release Characteristics and Potential of Compost[J]. Environmental Science, 2023, 44(9): 5025-5035.
不同堆肥工艺处理的城市污水污泥对滨海湿地土壤中养分释放特征和潜力的影响
贾培寅1,2, 王馨1,2, 花玉婷1,2, 姜志翔1,2     
1. 青岛大学环境科学与工程学院, 青岛 266071;
2. 青岛市碳中和生态环境技术创新中心, 青岛 266071
收稿日期: 2022-10-09; 修订日期: 2022-11-28
基金项目: 国家自然科学基金项目(42177225);青岛市科技惠民示范引导项目(20-3-4-6-nsh, 21-1-4-ny-1-nsh)
作者简介: 贾培寅(1999~), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为生物有机质堆肥生产及其土壤修复, E-mail: 13181626051@163.com
通信作者: 姜志翔, E-mail: jzx_qdu@qdu.edu.cn
摘要: 通过土壤培养实验研究了4种不同堆肥[纯城市污水污泥堆肥、玉米秸秆生物炭（CSB）改良堆肥、益生菌菌剂（EM）改良堆肥和CSB+EM改良堆肥]在土壤中的碳、氮、磷和钾等养分释放特性及其对土壤溶解有机质（DOM）光谱特征、微生物群落的影响.结果表明，堆肥添加可显著降低土壤的pH，提高土壤的电导率，同时提高土壤中植物可利用养分[如可溶性有机碳（DOC）、NH4+-N、NO3--N、速效磷（AP）和速效钾（AK）]含量；比较不同堆肥发现CSB+EM改良堆肥（CSB+EM-C）具备更高的养分释放潜力，且同时显著提高土壤DOM的腐殖化程度；高通量测序结果发现堆肥添加可以增加优势菌门水平上的相对丰度（如变形菌门、厚壁菌门、拟杆菌门和放线菌门），但不同堆肥之间有所差异，其中CSB+EM-C的提高潜力最大.综合上述结果证实CSB+EM的堆肥工艺具有最佳的堆肥养分供应和改善土壤质量的潜力.该研究能够为建立有效的城市污水污泥资源化利用和滨海湿地退化土壤改良综合技术策略提供科学的理论依据.
关键词: 生物炭      城市污水污泥堆肥      养分释放特性      三维荧光光谱(3D-EEMS)      高通量测序     
Effects of Different Biochar and Effective Microorganism Agent Improvement Approaches on the Nutrient Release Characteristics and Potential of Compost
JIA Pei-yin1,2 , WANG Xin1,2 , HUA Yu-ting1,2 , JIANG Zhi-xiang1,2     
1. College of Environmental Science and Engineering, Qingdao University, Qingdao 266071, China;
2. Carbon Neutrality and Eco-Environmental Technology Innovation Center of Qingdao, Qingdao 266071, China
Abstract: The nutrient release characteristics of four types of composts, pure municipal sewage sludge compost, corn straw biochar (CSB) improved compost, effective microorganism agent (EM) improved compost, and CSB+EM improved compost, in coastal wetland soil were examined through a soil incubation experiment. The effects of different composts on the spectral characteristics of soil dissolved organic matter (DOM) and microbial community were also investigated. The results demonstrated that the compost additions could significantly reduce soil pH, while increasing soil electrical conductivity and contents of plant available nutrients (e.g., dissolved organic carbon, NH4+-N, NO3--N, available phosphorus, and available potassium). By comparing the nutrient release potential among the improved composts, the CSB+EM-improved compost (CSB+EM-C) evidently had the highest nutrient release potential. Furthermore, the DOM in CSB+EM-C amended soil exhibited a higher humification degree than that of the other composts. The high-throughput sequencing results indicated that the compost additions increased the relative abundances of dominant bacteria at the phylum level, such as the Proteobacteria, Firmicutes, Bacteroidetes, and Actinobacteria. CSB+EM-C exhibited a greater potential to improve the relative abundance of these dominant bacteria phyla than other improved composts. Overall, among all the improvement approaches, the combined use of CSB and EM agent was the optimal composting strategy owing to its highest potentials of nutrient supply and soil quality improvement. The present findings can provide a solid scientific theoretical basis for establishing an effective technology strategy involving the combination of municipal sewage sludge utilization and degraded coastal wetland soil remediation.
Key words: biochar      municipal sewage sludge compost      nutrient release characteristics      three-dimensional fluorescence spectrum(3D-EEMS)      high throughput sequencing     

利用好氧堆肥技术将农业与城市系统中产生的巨量有机废弃物制成有机肥料是一种低成本和环境友好型的有机废弃物资源化利用方式, 因而在实践中被广泛应用[1~3].有机堆肥中含有丰富的有机质及氮、磷、钾等多种植物生长所需营养物质, 其施用到土壤中, 对土壤有机质和养分含量水平、土壤总孔隙度和其它理化性质具有积极的改善潜力, 进而促进植物生长[4].因此, 有机堆肥被认为是一种经济有效的绿色肥料资源.然而, 由于传统堆肥普遍面临着发酵效率和养分保持能力低等问题, 导致堆肥产品品质较差, 预期环境、经济效益未得到有效实现[5].目前, 不同学者针对上述问题展开了大量的研究, 主要的改进途径包括以下3个方面：①物理改进措施, 主要为添加外源改良剂, 如生物炭[6]、赤泥[7]和竹球[8]等; ②化学改进措施, 主要为添加外源化学改良剂, 如硫酸盐类等[9]; ③生物改进措施, 主要为添加外源微生物菌剂, 如益生菌(effective microorganisms, EM)[10]、霉菌(G. trabeum)[11]和芽孢杆菌(Bacillus)[12]等菌剂.其中化学添加剂由于其本身的不可循环、应用成本高且易造成二次污染等缺点, 往往会对堆肥的田间施用产生负面影响[13].生物炭是一种利用有机废弃物通过热化学转化制备的富碳材料, 由于其优良的理化特性, 作为改良剂在改善堆肥过程和提高堆肥品质等方面已经被证实具有极高的应用潜力[5, 6].EM菌是由10个属, 80多个微生物复合而成的微生物菌剂, 由于其具有快速繁殖、发酵、除臭、杀虫、杀菌和干燥等功能, 在堆肥过程中可快速降解基质中的有机质, 产生生物热能, 提高发酵速率等[14].前期部分研究表明, 生物炭和生物菌剂联合使用对提高堆肥基质中有机质的转化和养分保持具有明显的协同促进效应[12, 15, 16].

城市污水污泥年产生量巨大, 其处理成为当前社会发展面临的难点问题.同时, 城市污水污泥蕴含丰富的营养元素和有机质.因而, 将其转化为堆肥, 不仅能够解决其处置难的问题, 而且还能够获得良好的土壤改良剂[17].但由于城市污水污泥中可能含有较高的重金属, 其在粮食生产性土壤中应用存在危害人类健康的潜在风险.将城市污水污泥堆肥应用于非生产性土壤(如滨海湿地、城市绿地等)修复应该是一种理想的技术路径.然而, 基于不同生物炭/生物菌剂改良工艺的城市污水污泥堆肥制备及其在滨海湿地土壤中的养分释放特征的研究还十分匮乏, 不同改良堆肥的养分释放潜力尚不明确.鉴于上述问题, 本文以不同生物炭和生物菌剂使用条件下制备的城市污水污泥堆肥为研究对象, 通过建立土壤培养实验开展它们的养分释放性能分析, 以评价不同改良措施对堆肥养分释放的提高潜力以及堆肥在滨海湿地土壤改良中的应用潜力, 以期能够为建立有效的城市污水污泥资源化利用和滨海湿地退化土壤改良综合技术策略提供科学的理论依据.

1 材料与方法 1.1 供试材料

供试土壤取自中国青岛市胶州湾洋河口, 采样深度为0~20 cm.土样在室内自然风干后, 去除杂物, 研磨过2 mm筛网.土壤基本理化性质见表 1.供试城市污水污泥堆肥共4种, 分别为纯城市污水污泥堆肥、玉米秸秆生物炭(CSB)改良堆肥、EM改良堆肥、CSB+EM改良堆肥.其中按照一定比例添加芦苇秸秆至城市污水污泥, 调节堆肥基质的初始碳氮比为25. CSB和EM分别购置于黑龙江绿森墨粉科技股份有限公司和中国河南农富康有限公司, 它们的添加率分别为10%[6]和7%[18].堆肥是在密闭化堆肥装置中进行高温好氧堆肥, 采用通气泵强制曝气, 堆置42 d.堆肥完成后, 将堆肥物质风干, 研磨过2 mm筛网, 得到4种堆肥.4种堆肥的养分含量见表 1.

表 1 供试堆肥及土壤的基本理化特性1) Table 1 Basic physicochemical properties of compost and soil were tested

1.2 土壤培养实验

开展土壤培养实验研究各堆肥的养分释放特征和潜力, 共设5个处理, 包括：不施任何堆肥(CK); 2%普通堆肥(CK-C); 2%CSB改良堆肥(CSB-C); 2%EM改良堆肥(EM-C); 2%CSB和EM联合改良堆肥(CSB+EM-C), 每个处理设置3个重复.将土壤预培养2周, 以恢复土壤微生物[19].预培养后, 分别取土壤500 g(干重)与各堆肥混合均匀, 装入500 mL的棕色培养瓶中, 加入蒸馏水调节土壤含水率达到田间最大持水量的70%, 之后每隔3 d采用称重法保持恒定土壤含水率, 于25℃条件下培养.从培养之日起, 于0、2、4、8、12、20、28、40和52 d进行取样, 风干过筛后进行各项指标测定.

1.3 测定方法

土壤pH和电导率(EC)分别采用pH计(PHS-3CW, 上海版特仪器制造有限公司)和数字电导仪(DDS-307A, 上海仪电科学仪器股份有限公司)进行测定.总碳(TC)、氢(H)、氧(O)和总氮(TN)等用元素分析仪(elementar vario EL cube, 德国元素, 德国)进行测量.铵态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)、总磷(TP)、速效钾(AK)、有效磷(AP)、可溶性有机碳(DOC)和总钾(TK)均按照《土壤农化分析》方法进行测量[20].溶解有机质(DOM)三维荧光光谱(3D-EEMS)利用荧光分光光度计(F-4600, HITACHI, 日本)测定.计算土壤净矿化速率反映堆肥对植物氮素的供应能力.各养分释放率和土壤净矿化速率按照式(1)和式(2)进行计算[21]：

(1)

式中, QRi为第i种养分的释放速率, MQij为第i种养分在第j种堆肥处理土壤中的矿质态含量, MQi(CK)为第i种养分在CK处理土壤中的矿质态含量, TQij为第i种养分在第j种堆肥中的总含量.

(2)

式中, NMRi为土壤净矿化速率, TMNi和TMN0分别为矿质氮(包括NH4+-N和NO3--N)在第i观测点和第0 d时的总量, Di为第i观测点时的培养天数.

1.4 DNA提取和高通量测序

采用OMEGA Soil DNA Kit (D5625-01)(OmegaBio-Tek, Norcross, GA, USA)试剂盒对第52 d的土壤样品进行DNA提取, DNA浓度和纯度利用紫外分光光度计(Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA)进行测定.采用0.8%琼脂糖凝胶电泳检测最终的DNA质量.将提取获得的生物膜样品送到上海派森诺生物科技有限公司进行高通量测序, 使用细菌16S rRNA V3-V4区特异性引物[338F(5′ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3′)和806R(5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′]进行扩增.扩增结果进行2%琼脂糖凝胶电泳, 切取目的片段后用Axygen凝胶回收试剂盒回收.利用Quant-iT PicoGreen dsDNA Assay Kit对PCR产物在Microplate reader(BioTek, FLx800)上进行定量.在MiSeq测序平台上构建文库, 采用Illumina高通量测序技术对样品进行测序.使用QIIME2 2019.4版本, 并根据官方教程(https://docs.qiime2.org/2019.4/tutorials/)进行修改和对微生物组生物学信息进行分析.原始序列数据使用demux插件进行解码处理, cutadapt插件进行引物切除, 然后使用DADA2插件对序列进行质量过滤、去噪、拼接和嵌合体去除等数据处理.对上述获得的序列按100%的序列相似度进行归并, 生成特征性序列ASVs以及丰度数据表格, 最后通过RDP classifier得到分类学分析信息[22].

1.5 三维荧光荧光区域及指标计算

为比较不同改良堆肥处理的土壤经过一定时期培养后DOM各组分的变化, 选取第52 d的土壤样品, 利用荧光区域积分法(FRI)解析并计算三维荧光光谱图中各荧光区域i的积分体积(Φi)和积分标准体积(Φi, n)[23].通过计算荧光指数(FI)、腐殖化指数(HIX)和自生源指数(BIX)等3种光谱参数分析不同处理的土壤DOM组分的来源与特征[24].

1.6 分析方法

实验数据以均数±标准差(n=3)表示, 采用SPSS 25软件(IBM, USA)进行统计分析.采用Tukey's T检验评价差异, P < 0.05为差异有统计学意义, 利用Origin 2021软件以及美吉生物云平台(https://www.majorbio.com)进行绘图.

2 结果与讨论 2.1 不同堆肥对土壤主要化学特性的影响

整个培养期内, 各堆肥组中土壤pH呈现先上升后下降, 再上升再下降的变化趋势[图 1(a)].由于各堆肥的初始pH均显著低于土壤的(表 1), 因此堆肥添加后显著降低了土壤的pH.在第20 d时, 所有堆肥组的pH达到最高, 之后开始下降至第40 d, 在之后的培养期内pH又有所增加.培养结束(52 d), 各堆肥组的土壤pH显著低于CK组0.51~0.59个单位, 但各堆肥组间无显著性差异.堆肥组中pH下降的结果与堆肥中有机酸的缓慢释放密切相关[25].培养结束(52 d), 各堆肥组土壤的pH值在7.76~8.22范围之间, 该pH水平将更加有利于植物生长[6].李秀春[21]的研究也发现添加植物残体堆肥降低了烟草土壤的pH.而张育华[26]的研究发现施用堆肥提高了土壤pH值, 从而抑制土壤酸化效果.上述不同研究结果之间的差异表明堆肥和土壤的类型能够显著影响堆肥施用后土壤pH的变化方向和程度.

图 1 培养期内土壤pH、EC、DOC和土壤净矿化速率的动态变化 Fig. 1 Dynamic changes in soil pH, EC, DOC, and net mineralization rate during the whole incubation period

在整个培养期内, 各组的土壤EC呈现上升趋势[图 1(b)].由于各堆肥本身含有较高的各类离子, 添加到土壤后, 在微生物的分解作用下不断释放, 导致土壤EC提高.随着培养天数的增加, EC上升的趋势逐渐趋于平缓.培养结束(52 d), 各处理的土壤EC值在3.73~4.23 mS·cm-1之间.其中CSB+EM-C处理的EC值最高, 且显著高于其他处理, 而其他处理之间均无显著性差异.

由图 1(c)可知, 各处理的土壤DOC含量在整个培养期内波动较大, 但随着培养时间的增加, 总体上呈现出下降的趋势.培养结束(52 d), 各堆肥组的ω(DOC)(mg·kg-1)分别为: 377(CK-C)、262(CSB-C)、297(EM-C)和258(CSB+EM-C), 显著高于CK的241 mg·kg-1.DOC是总有机碳中活性较高的组分, 在驱动土壤碳循环和微生物活动方面具有重要的作用[11].上述结果证实堆肥施用能够为土壤提供更多的DOC, 因而有利于提高微生物活性, 促进土壤中碳和养分的周转.

如图 1(d)所示, 各堆肥组的土壤净矿化速率在整个培养期内呈现出先增加后降低的趋势, 并且在培养的前28 d, 所有堆肥组的土壤净矿化速率均显著高于CK, 并且在有EM改进的堆肥组中(如EM-C和CSB+EM-C)尤为突出.在第2 d时, 各堆肥组的土壤净矿化速率达到峰值, 与CK中的净矿化速率相比提高了7.32~20.2 mg·(kg·d)-1.其中CSB+EM-C组的土壤净矿化速率最大, 说明CSB+EM-C具备更高的植物氮素供应潜力.

2.2 不同堆肥对土壤主要养分指标的影响

长期施用有机肥可以增加土壤氮含量, 为土壤微生物提供合适的氮源, 增加微生物数量, 最终提高土壤养分有效性[27].由图 2(a)可知, 各堆肥组的土壤NH4+-N含量呈先上升后下降, 再趋于稳定的动态变化; 而CK组的NH4+-N含量始终处于非常低的水平.土壤NH4+-N含量的这一变化趋势与李秀春[21]研究的结果一致.在培养前期的0~12 d, 各堆肥组的NH4+-N含量呈现出不断升高的趋势, 并且均显著高于CK处理.主要原因是各堆肥具有较高的NH4+-N含量(表 1), 加入土壤中后不断释放.第12 d后, NH4+-N含量开始下降, 并在第20 d(EM-C组在第28 d)时下降至最低, 其含量水平与CK组的NH4+-N含量持平.这可能是在硝化作用下NH4+-N不断转化为NO3--N[如同一时期NO3--N的含量不断提高, 图 2(b)].上述各堆肥组的NH4+-N含量的动态变化表明, 堆肥添加具有较强的NH4+-N释放潜力, 特别是EM-C组.

图 2 培养期内土壤NH4+-N-、NO3--N、AP和AK含量的动态变化 Fig. 2 Dynamic changes in soil NH4+-N, NO3--N, AP, and AK contents during the whole incubation period

与NH4+-N含量变化趋势相反, 各堆肥组的土壤NO3--N含量总体呈现不断上升的趋势[图 2(b)].在培养前期的4~20 d, 各堆肥组的NO3--N含量呈现出急剧增加的过程, 可能的原因有两个：一是堆肥自身含有的NO3--N释放; 二是可能来源于土壤NH4+-N经过硝化过程的转化[如同一时期内土壤NH4+-N不断下降, 图 2(a)].培养结束(52 d), 各堆肥组的ω(NO3--N)(mg·kg-1)分别为: 53.9(CK-C)、45.5(CSB-C)、62.9(EM-C)和57.5(CSB+EM-C), 较CK组提高了336%、268%、408%和365%.向书江等[28]的研究发现向紫色土壤中施加有机肥能够提高土壤NO3--N含量, 这与本文所得结果一致.

李丽君[4]在其研究中发现, 施用有机肥可以增加土壤磷有效性的发挥, 并提供持续的后效.同样的, 本研究中各堆肥组的AP含量呈现先下降后稳定上升的变化趋势, 且总体上显著高于CK[图 2(c)].在培养前期的0~8 d, 各堆肥组的AP含量呈现下降的趋势, 较培养起始点的AP含量降低了42.5%~54.1%, 这可能是由于磷与土壤中其他离子(如Fe3+和Al3+等)络合, 使磷从有效态转化成其他形态[29].随后, 在第8~12 d时, AP含量又开始上升.培养结束(52 d), 各堆肥组的AP含量均显著高于CK, 与CK组相比分别提高了250%(CK-C)、213%(CSB-C)、195%(EM-C)和283%(CSB+EM-C).其中, CSB+EM-C组的AP提高效果更强.

由图 2(d)可知, 各堆肥组的土壤AK含量整体上呈现不断上升的趋势.同样的, 于亚楠等[30]的研究显示牛粪有机肥增加了滨海盐土的AK含量.从培养起始点开始土壤中的AK含量不断增加, 到40 d时趋于平缓.在整个培养期内, 除CK-C处理外, 其他堆肥组的AK含量均高于CK组.培养结束(52 d), CSB-C与CSB+EM-C处理中AK含量显著高于CK组, 分别比CK组增加了43.0%和27.3%.

2.3 不同堆肥对土壤主要养分释放率的影响

由图 3(a)可知, 在培养至20 d时, EM-C和CSB+EM-C处理的矿质氮释放率达到最大, 分别为17.2%和14.7%; 而CK-C和CSB-C在第28 d达到最大释放率, 分别为11.2%和12.7%.前期关于植物残体有机肥在植烟草土壤中的研究发现, 无机氮释放率在第28 d达到最大(10.9%)[21].培养结束(52 d), 各处理的无机氮释放率分别为9.15% (CK-C)、7.90% (CSB-C)、11.2% (EM-C) 和11.4% (CSB+EM-C).其中EM-C以及CSB+EM-C两组的无机氮释放率显著高于其他处理, 这与它们高的土壤净矿化速率相一致, 因此进一步证实CSB+EM-C与EM-C具备更高的氮素供应潜力.

图 3 培养期内土壤无机氮、AP和AK释放率的变化 Fig. 3 Changes in soil inorganic nitrogen, AP, and AK releases during the whole incubation period

图 3(b)的结果显示, 各堆肥添加至土壤后均提高土壤的AP释放率, 但不同堆肥对AP释放率具有不同的影响.除CSB-C外, 其它3个堆肥组的AP释放率随培养时间增加, 均呈现上升趋势.这一结果可能是由于有机质在分解过程中产生的有机酸减少了土壤对磷的固定, 从而增强磷的有效性[31].培养结束(52 d), 各组的AP释放率分别为14.2%(CK-C)、8.30%(CSB-C)、11.1%(EM-C)和11.0%(CSB+EM-C).其中CK-C组的AP释放率显著高于其他组, 说明未改良堆肥的AP的释放效率最大, 其原因可能与其培养土壤更低的EC值有关.

在整个培养期内, 不同堆肥组的土壤AK释放率呈现先升高再下降至平缓的趋势[图 3(c)].其中在培养第20 d, CK-C、CSB-C和EM-C这3组的AK释放率达到最大, 分别为2 234%、3 002%和4 539%, 而CSB+EM-C组的AK释放率在第28 d达到最大, 为3 740%.培养结束(52 d), CSB-C (2 332%)组的AK释放率显著高于其他组, 表明CSB改良堆肥具有更高的AK释放效率.在所有养分指标中, 堆肥添加对AK的释放率影响更为强烈.而在李秀春[21]关于植物残体堆肥在烟草土壤中的养分释放特性的研究中得到相反的结果, 这一结果的差异可能取决于不同的土壤类型.

2.4 不同堆肥对土壤DOM的荧光光谱特征的影响 2.4.1 DOM的三维荧光光谱特征分析

DOM是一类结构复杂、成分不均的富含多种有机物质的混合物, 其在微生物的生长代谢过程、有机质分解过程中扮演者重要角色, 是生态系统的物质交换和能量循环过程中的重要一环[32].同时, DOM还可显著提高土壤各速效养分含量[33].已有研究表明有机肥施用能提高DOM的芳香性、腐殖化程度、疏水占比和分子量增加, 因而更趋于稳定[34].培养结束(52 d), 不同处理组DOM的3D-EEMS和各荧光区域积分体积分别如图 4和表 2所示.与各改良堆肥组相比, CK-C组的各类DOM的荧光光谱非常微弱(图 4), 表明未作任何处理的土壤含有较少的DOM, 这一结果与CK组的DOC含量最低结果一致[图 1(c)].而改良堆肥组的DOM的荧光光谱明显, 其光谱组分均由5种荧光峰组成.其中类腐殖酸(E区)和类富里酸(C区)同属于结构复杂的类腐殖质酸, 类酪氨酸(A区)和类色氨酸(B区)同属于结构相对简单的类蛋白质物质[35].荧光强度的增强表明堆肥施用增加了土壤DOM中难降解大分子类腐殖质类物质的含量, 其次是易被降解的小分子芳香族蛋白质, 这与堆肥高腐殖化程度有着密切关系.

图 4 不同处理中土壤DOMs的三维荧光光谱图 Fig. 4 Three-dimensional fluorescence spectra of DOMs derived from different compost amended soils

表 2 不同处理中土壤DOM的荧光区域积分体积(Φi)×107 /au·nm2 Table 2 Fluorescence area integral volume (Φi) of DOMs derived from different compost amended soils×107/au·nm2

各堆肥组的DOM各荧光区域积分体积均高于CK, 并且与CK-C相比, 改良堆肥处理组(尤其是CSB+EM-C)对各荧光区域积分体积增加的程度更高(表 2).同时, CSB+EM-C组中的类酪氨酸(A区)、溶解性微生物代谢产物(D区)和类腐殖酸(E区)均高于其他堆肥处理组.高含量腐殖酸类物质能够改善土壤中植被可利用养分含量, 更利于植被生长, 这一结果与CSB+EM-C具备更高的养分供应潜力相一致.

2.4.2 DOM的三维荧光光谱参数分析

FI代表荧光指数, 当FI < 1.4时, DOM异源特征明显; 当FI>1.9时, 表明DOM来自微生物代谢活动; 当FI在1.4~1.9之间时, 表明DOM是生物和非生物的混合液[36].由各处理组的DOM的FI可以看出, CK处理的DOM的FI值最高(1.84), 其余堆肥组的DOM的FI值范围为1.51~1.78(表 3).这一结果支持堆肥组的DOM的来源既有外源堆肥的输入, 又有内部微生物活动的参与, 而CK组的DOM主要偏向于内部微生物活动.HIX指数能够对样品腐殖化程度进行表征, 其值越大, 表明DOM腐殖化程度越高[37].如表 3所示, HIX值的大小顺序为：EM-C(2.93)>CSB+EM-C(2.84)>CSB-C(2.79)>CK-C(2.44)>CK(1.56).上述结果证实堆肥施用后提高了DOM的腐殖化程度, 这与它们中D区和E区高荧光标准积分体积的结果一致.BIX值代表DOM的自生源参数, 反映了自生源有机物对土壤DOM的贡献[38].当BIX < 0.6、0.6~0.7、0.7~0.8、0.8~1.0和>1.0时, 分别对应DOM中含有较少的微生物来源、含有较少的自生组分、具有中度新近自生源特征、具有较强自生源特征和DOM主要为生物或者细菌活动产生[36].结果显示(表 3), 各处理组的BIX值范围在0.71~0.91之间, 意味着它们的DOM来源偏向于自生源输入.总体上, 从上述3种荧光参数值的结果来看, 各堆肥处理的DOM受外源输入和内源输入的综合影响, 但主要以内源性有机质(类蛋白质和类氨基酸等)为主; 此外, 堆肥施加显著增强了DOM的腐殖化程度, 具备更高的改善植物可利用性养分供应的潜力.

表 3 不同处理中土壤DOM三维荧光光谱特征参数 Table 3 Characteristic parameters of three-dimensional excitation emission matrix fluorescence spectroscopy of DOMs derived from different compost amended soils

2.5 不同堆肥对土壤细菌群落的影响 2.5.1 土壤细菌种群多样性分析

表 4的结果显示, 土壤细菌群落的覆盖率指数在0.98~0.99之间, 表明该测序结果制备的MiSep文库覆盖了土壤样品中98.0%~99.0%的细菌类群, 测序数据量合理, 文库容量足够大. α多样性指数是用来反映微生物群落的丰富度(Chao1指数)和多样性(Shannon指数)[39].Chao1指数的结果表明, 各处理组之间的Chao1指数值未观察到显著性差异性(表 4), 表明堆肥的添加对滨海湿地土壤细菌群落丰富度影响很小.Shannon指数的结果显示, CSB+EM-C组中的Shannon指数值显著低于CK和其他堆肥组, 表明CSB+EM-C添加降低了土壤细菌群落的多样性.其他研究中也报道了类似的结果.如李丽君[4]报道了外源污泥堆肥的加入降低了土壤中细菌群落的Shannon指数; 李正辉等[40]发现羊粪有机肥施用降低了烟草土壤细菌群落结构的多样性和丰富度.然而在李秀春[21]和李建欣等[41]的研究中发现施加植物残体堆肥和菌渣堆肥均提高了土壤细菌群落的多样性.导致上述结果间的差异可能与堆肥类型和土壤性质的不同密切相关.

表 4 不同处理中土壤细菌群落α多样性指数1) Table 4 The α diversity indexes of soil bacterial communities in different treatments

2.5.2 土壤细菌群落种类组成和相对丰度分析

不同处理组中土壤细菌群落细菌门水平上的种群组成和相对丰度的分析结果如图 5所示.不同处理组中相对丰度排名前10的细菌门分别是变形菌门(Proteobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、放线菌门(Actinobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)、酸杆菌门(Acidobacteria)、髌骨细菌门(Patescibacteria)、浮霉菌门(Planctomycetes)和蓝藻细菌门(Cyanobacteria).以上细菌门类的相对比例占各样品总序列数的98.3%~99.4%, 其中以变形菌门(40.0%~46.6%)、厚壁菌门(16.2%~19.4%)、拟杆菌门(13.2%~19.9%)和放线菌门(10.4%~15.9%)为主, 这些类群占细菌序列的80%以上.这4种优势菌门在CK(85.2%)中的相对丰度要显著低于CK-C(93.0%)、CSB-C(91.3%)、EM-C (91.6%)和CSB+EM-C(91.9%)堆肥组.这一结果说明堆肥添加显著提高了土壤中优势种群的相对丰度.李丽君[4]研究发现污泥堆肥施用提高了部分优势菌门的相对丰度; 同样, 李正辉等[40]、Ren等[42]和蒋雨洲等[43]的研究也报道了不同堆肥添加提高了部分优势菌门的相对丰度.具体而言, 与CK处理相比, 堆肥添加提高变形菌门的相对丰度(5.48%~16.4%), 该菌门是细菌中的重要成员, 不仅起到固氮作用, 而且跟土壤速效养分密切相关[44]; CK-C和CSB-C组降低了厚壁菌门的相对丰度(1.67%~5.04%); EM-C组降低了拟杆菌门的相对丰度(3.94%), 但提高了放线菌门的相对丰度(10.5%), 放线菌门能够有效分解动植物残体, 供给土壤养分[45].此外, 不同的堆肥对这些优势菌门的影响相同.与其他堆肥组相比, CK-C组中变形菌门(46.6%)的相对丰度显著提高; EM-C组中放线菌门(15.9%)的相对丰度显著提高; 而CSB+EM-C组中厚壁菌门(19.4%)和拟杆菌门(9.90%)显著提高.拟杆菌门细菌能够促进土壤硝化和反硝化过程, 推动土壤氮循环过程[46].

图 5 不同处理中土壤细菌群落在门水平上的组成和相对丰度 Fig. 5 Composition and relative abundance of soil bacterial communities at phylum level in different treatments

综上所述, 堆肥施用虽然对土壤中细菌群落的多样性没有显著的影响, 但是提高了优势种群的相对丰度, 进而促进土壤有机质的转化, 提高土壤有效养分的含量水平.

3 结论

(1) 与纯城市污水污泥堆肥相比, 经过改良的堆肥(CSB-C、EM-C和CSB+EM-C)能够显著提高滨海湿地土壤中各植物所需养分的含量, 其中CSB+EM-C具备更大的潜力.

(2) 不同改良堆肥, 特别是CSB+EM-C显著提高了滨海湿地土壤的净矿化速率、各养分释放率和DOM腐殖化程度, 这一结果与改良堆肥处理土壤中显著高的养分含量一致.

(3) 与其他两种改良堆肥相比(CSB-C和EM-C), CSB+EM-C对变形菌门、厚壁菌门、拟杆菌门和放线菌门等优势菌的相对丰度的提高潜力更大, 这是其最高的养分供应能力的一个重要机制.

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