蚯蚓堆肥与益生菌配施对土壤肥力及微生物特性的影响①

曾令涛，王东升，王祯祎，王斯琪，盛雄杰，常江杰，李辉信，胡 锋，焦加国*

(1 南京农业大学资源与环境科学学院，南京 210095；2 江苏省有机固体废弃物资源化协同创新中心，南京 210095；3 南京市蔬菜科学研究所，南京 210042)

蚯蚓堆肥与益生菌配施对土壤肥力及微生物特性的影响①

曾令涛1,2，王东升3，王祯祎1，王斯琪1，盛雄杰1，常江杰1,2，李辉信1,2，胡 锋1,2，焦加国1,2*

(1 南京农业大学资源与环境科学学院，南京 210095；2 江苏省有机固体废弃物资源化协同创新中心，南京 210095；3 南京市蔬菜科学研究所，南京 210042)

基于等量养分条件，本试验研究了蚯蚓堆肥与解淀粉芽孢杆菌(X)和荧光假单胞菌(Y)两株不同功能益生菌配施对西瓜地土壤肥力和微生物特性的影响。结果表明，不论添加益生菌与否，蚯蚓堆肥较单施化肥或常规堆肥均提高了土壤速效养分含量，显著增加了土壤微生物生物量和土壤酶活性，其中土壤 NO–3-N含量较常规堆肥提高了14.7%。益生菌的添加活化了土壤养分，增加了土壤细菌、放线菌、解淀粉芽孢杆菌和荧光假单胞菌数量，降低了土壤真菌数量，同时显著提高了土壤酶活性。各处理比较而言，蚯蚓堆肥配施益生菌在土壤速效养分含量、土壤微生物生物量及土壤酶活性上提升作用最为明显，其中蚯蚓堆肥配施混合益生菌处理 (VCXY) 的土壤细菌数量和蔗糖酶活性相较于常规堆肥配施混合益生菌处理 (CDXY) 分别提高了32.0% 和14.4%。方差分析结果表明，蚯蚓堆肥和常规堆肥与益生菌在土壤速效磷、速效钾、微生物生物量碳、细菌数量、真菌数量、脲酶及蔗糖酶活性上存在显著交互作用。综上所述，蚯蚓堆肥与益生菌配施可显著促进土壤肥力和微生物活性的改善，可替代部分化肥用于设施蔬菜的绿色生产和土壤培肥。

蚯蚓堆肥；益生菌；土壤肥力；微生物生物量；酶活性

随着我国畜牧业规模化和集约化的不断发展，农业有机废弃物越来越受到人们的关注，一方面，有机废弃物的无序化处理带来了环境污染；另一方面，由于有机废弃物含有的大量养分得不到合理利用而造成严重的资源浪费[1–2]。畜禽粪便经发酵而成的有机堆肥，既解决了农业有机废弃物的处置问题，又具有培肥土壤和促进作物生长的作用，有效地实现了畜禽粪便的养分再循环及其资源化利用[3–5]。蚯蚓堆肥是对高温腐熟后的有机堆肥添加蚯蚓，通过蚯蚓的吞食消化和生命活动等作用产生的一种新型有机堆肥，结合了传统堆肥法与生物处理法两方面的优势，具有良好的物理、化学和生物学特性，可改善土壤生态环境，提高作物产量和品质[6–9]。土壤益生菌作为促进植株生长的一类土壤细菌，具有活化土壤养分、提高土壤酶活性的作用[10–11]，将其与有机堆肥混合而成的生物肥料，兼具有机堆肥和益生菌的优势，在有机堆肥给予益生菌良好的生长环境的同时，益生菌也通过自身活动及其分泌物促进了堆肥养分的转化[12–13]，从而调节土壤微生物生态结构，提高肥料利用率，同时，生物肥料的广泛应用有效地解决了畜禽粪便给环境带来的污染，符合我国农业可持续发展的要求。

目前，有研究报道称有机堆肥与益生菌配施对作物生长、产量和品质具有促进作用，同时对多种作物病害具有防控作用[14–16]。本试验选用蚯蚓堆肥和常规堆肥，以及自主筛选的解淀粉芽孢杆菌和荧光假单胞菌两种不同功能的益生菌，旨在研究蚯蚓堆肥与益生菌共同作用下对西瓜地土壤肥力和微生物特性的影响，以期为蚯蚓堆肥的资源化利用提供理论和实践基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2015年在南京市蔬菜科学研究所温室大棚开展，试验地点属亚热带湿润气候，年均气温15.4℃，年均降雨量1 106 mm，土壤类型为黄棕壤。供试常规堆肥为鲜牛粪经高温堆制发酵后的腐熟牛粪，蚯蚓堆肥为腐熟牛粪经蚯蚓处理后的产物，均由南京市博农生物科技有限公司提供；供试化肥为尿素(CON2H4)、过磷酸钙(CaP2H4O8)和氯化钾(KCl)；供试西瓜品种为8424。

试验用两种益生菌为解淀粉芽孢杆菌 X (Bacillus amyloliquefaciens，保藏号CGMCC No.5624)和荧光假单胞菌Y(Pseudomonas fluorescens，保藏号CGMCC No.7130)，均为南京农业大学资环学院土壤生态实验室自行筛选的专利菌，分别具有解钾、解磷及一定的促生功能。将两种益生菌进行实验室培养，待菌液活菌数量达109cfu/ml后，按照10︰1的固液比分别与蚯蚓堆肥和常规堆肥混合，保持适宜温度和含水量培养4天，经选择性培养基测定堆肥中解淀粉芽孢杆菌和荧光假单胞菌浓度分别为1.2×109cfu/g和8.3×109cfu/g，置阴凉处保存备用。供试土壤及有机堆肥理化性质见表1。

表1 供试土壤和有机堆肥基本性质Table 1 Physico-chemical properties of tested soil and organic compost

1.2 试验设计

试验共设10个处理(表2)，每个处理3次重复，共30个小区，随机区组排列，每个小区面积6.8 m2，定植8株西瓜。试验采用等量养分设计原则，总养分标准为N 240.0 kg/hm2、P2O5345.0 kg/hm2、K2O 330.0 kg/hm2，有机堆肥施用量为 10.5 t/hm2(干重)，养分不足的处理以化肥补齐，肥料以沟施方式于西瓜苗移栽前一次性施入。

表2 试验处理及具体施肥情况Table 2 Information of experimental treatments and fertilization

于2015年3月28日进行西瓜苗的移栽定植，株间距40 cm，花期自然授粉，田间灌溉采用滴灌方式，保持良好通风，各处理间田间管理一致。分别在西瓜盛花期(2015年5月)和收获期(2015年6月)采集土壤样品，采集的土壤样品带回实验室测定土壤化学性质、土壤微生物指标和土壤酶活性。

1.3 测定指标与方法

有机肥理化指标测定：参照国家有机肥料相关标准[17–19]。

土壤肥力指标测定：参照《土壤农化分析》[20]。

土壤微生物指标测定：微生物生物量碳氮采用氯仿熏蒸浸提法测定；微生物呼吸采用黑暗培养–气相色谱法测定；细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基培养测定；真菌采用马丁氏培养基培养测定；放线菌采用高氏一号培养基培养测定；解淀粉芽孢杆菌和尖孢镰刀菌采用相应选择性培养基培养测定[21–22]；荧光假单胞菌采用CFC选择性培养基培养测定。

土壤酶活性测定：脲酶采用苯酚–次氯酸钠比色法测定；酸性磷酸酶采用氯代二溴对苯醌亚胺比色法测定；蔗糖酶采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定；过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法测定。

1.4 数据分析

使用Excel 2003处理数据和制表，Origin 9软件制图，SPSS 20软件对数据进行显著性检验 (P<0.05)和方差分析。

2 结果与分析

2.1 蚯蚓堆肥与益生菌配施对土壤肥力的影响

由表 3可知，与单施化肥(CF)或常规堆肥处理(CD)相比，不论添加益生菌与否，蚯蚓堆肥均提高了土壤速效养分含量。与单施化肥相比，蚯蚓堆肥和常规堆肥显著提高了土壤 pH，土壤有机质(SOM)也有一定程度的提高，但无显著差异。

在西瓜盛花期，蚯蚓堆肥及其配施益生菌处理的土壤速效养分含量较常规堆肥均有不同程度提高，其中单施蚯蚓堆肥处理的土壤NO3–-N含量较常规堆肥提高了14.7%。解淀粉芽孢杆菌X和荧光假单胞菌Y益生菌的添加，不同程度促进了土壤速效养分含量的提高，其中土壤速效钾和速效磷含量显著增加。所有处理中，VCXY处理的速效磷含量最高，相比于VC处理提高了 18.0%，VCX处理的速效钾含量最高，相比于CDX处理提高了5.8%。

表3 蚯蚓堆肥与益生菌配施对土壤肥力的影响Table 3 Effects of interaction between vermicompost and probiotics on soil fertility

西瓜收获期的土壤速效养分含量较盛花期均有不同程度的降低，且各处理间变化趋势与盛花期基本一致，其中单施蚯蚓堆肥处理的 NO3–-N、速效磷和速效钾含量较单施常规堆肥处理显著增加。值得注意的是，在西瓜盛花期，单施化肥的速效磷含量高于蚯蚓堆肥和常规堆肥及其配施益生菌处理，而在西瓜收获期，蚯蚓堆肥和常规堆肥及其配施益生菌的速效磷含量均高于单施化肥处理。各处理间比较而言，蚯蚓堆肥配施益生菌处理对土壤NO3–-N和速效磷含量提升作用最为显著，其中VCXY处理的速效磷含量相比于CDXY处理提高了8.8%，说明蚯蚓堆肥及其配施益生菌对土壤速效养分的提升作用显著且优于常规堆肥。

2.2 蚯蚓堆肥与益生菌配施对土壤微生物特性的影响

2.2.1 蚯蚓堆肥与益生菌配施对土壤微生物生物量的影响 由图1可以看出，各处理间土壤微生物生物量碳(MBC)和土壤微生物生物量氮(MBN)与土壤呼吸速率(SRR)的变化规律基本一致。不论添加益生菌与否，有机堆肥的施用均提高了 MBC、MBN和SRR，且蚯蚓堆肥的作用更为明显。益生菌的添加对MBC、MBN和SRR也有一定的促进作用，其中MBN显著增加。各处理间比较而言，蚯蚓堆肥配施益生菌处理的MBC、MBN和SRR均最大，其中VCXY处理的MBC和MBN较CDXY处理分别提高了17.2%和13.1%。MBC/MBN是反映土壤微生物群落组成及结构变化的指标，一般而言，土壤真菌的碳氮比大于土壤细菌。本试验中单施有机堆肥处理提高了MBC/ MBN，而益生菌的施入则降低了 MBC/MBN，其中以CDXY处理最低，说明有机堆肥及益生菌的施入对土壤微生物群落结构产生了一定的影响。

2.2.2 蚯蚓堆肥与益生菌配施对土壤微生物数量的影响 由表4可知，不论添加益生菌与否，有机堆肥均提高了土壤细菌、放线菌、解淀粉芽孢杆菌和荧光假单胞菌数量，且以蚯蚓堆肥的作用更为明显。各处理间比较而言，蚯蚓堆肥配施益生菌处理的土壤细菌、放线菌、解淀粉芽孢杆菌和荧光假单胞菌数量均最大，其中VCXY处理的土壤细菌和放线菌数量相比于CDXY处理分别提高了32.0% 和16.7%。益生菌的添加显著提高了土壤细菌数量，解淀粉芽孢杆菌和荧光假单胞菌数量也得到相应的增加，其中 VCXY处理相比于 VC处理土壤解淀粉芽孢杆菌数量提高了79.2%，VCY处理相比于VC处理土壤荧光假单胞菌数量提高了38.8%，说明益生菌施入土壤之后定殖情况良好。尖孢镰刀菌是西瓜枯萎病的致病菌，属于真菌类，益生菌的添加显著降低了土壤真菌和尖孢镰刀菌数量，土壤真菌的碳氮比大于土壤细菌，本研究益生菌降低土壤MBC/MBN的试验结果与此相吻合，原因可能是由于在同一土壤环境容量下，随着细菌不断地定殖和繁殖，占用了大量的空间与营养，从而抑制了土壤真菌的生长与繁殖。

表4 蚯蚓堆肥与益生菌配施对土壤微生物数量的影响Table 4 Effects of interaction between vermicompost and probiotics on soil microbial population

2.2.3 蚯蚓堆肥与益生菌互作对土壤酶活性的影响 由图2可以看出，与单施化肥或常规堆肥相比，不论添加益生菌与否，蚯蚓堆肥均提高了土壤酸性磷酸酶和蔗糖酶活性，其中VC处理相比于CD处理显著增加。益生菌的添加提高了土壤酶活性，其中VCY处理的土壤脲酶和酸性磷酸酶活性与 VC处理相比分别提高了 12.5% 和 11.8%，值得注意的是，各处理间土壤过氧化氢酶活性无显著差异，这可能是受到土壤类型以及肥料等综合因素的影响。各处理间比较而言，土壤脲酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶的最大值处理均为蚯蚓堆肥配施益生菌，其中VCXY处理的土壤蔗糖酶活性相比于CDXY处理提高了14.4%，说明蚯蚓堆肥及其配施益生菌对土壤酶活性的提升作用显著且优于常规堆肥。

图2 蚯蚓堆肥与益生菌配施对土壤酶活性的影响Fig. 2 Effects of interaction between vermicompost and probiotics on soil enzyme activities

3 讨论

本研究结果表明，不论添加益生菌与否，与单施化肥或常规堆肥相比，蚯蚓堆肥均提高了土壤速效养分含量，增加了土壤微生物生物量和土壤酶活性。化肥施入土壤后养分含量迅速增加，西瓜盛花期CF处理的土壤 NH-N、速效磷和速效钾含量均高于其他处理，但释放的养分易因灌溉和土壤的吸附固定而降低其利用率，其中以速效磷尤为明显，而有机堆肥养分释放缓慢，持续供应作物生长[3]。试验各处理比较而言，在整个西瓜生长期，VC处理的土壤NO3–-N、速效磷和速效钾含量均高于CD处理，且西瓜收获期土壤NO3–-N和速效磷含量的最大值均为蚯蚓堆肥配施益生菌处理，说明蚯蚓堆肥及益生菌的施入为西瓜中后期的生长提供了更加充足的养分供应；土壤微生物特性是土壤质量的重要组成部分，也是影响土壤微生物生态环境的重要因素[23]。蚯蚓堆肥和常规堆肥的添加均提升了土壤微生物活性，且以蚯蚓堆肥配施益生菌的效果最为突出，其中VC处理的MBC较CD处理提高了17.3%，VCXY处理的土壤细菌数量和土壤蔗糖酶活性较 CDXY处理分别提高了 33.0%和14.4%。已有研究报道表明[24–28]，有机堆肥和益生菌均具有提高土壤养分和土壤微生物活性的作用，本试验中蚯蚓堆肥与益生菌配施对土壤养分和微生物活性的提升作用更为明显。此外，Pant等[29]和Zhang等[30]的研究表明，蚯蚓堆肥中提取出的堆肥茶(浸出液)等物质对土壤质量提升和植物生长均具有明显促进作用。

益生菌的添加促进了土壤速效养分的提高，显著增加了土壤微生物生物量和土壤酶活性，且以蚯蚓堆肥配施益生菌的提升作用更为明显，其中VCXY处理相比于CDXY处理土壤NO3–-N含量和MBC含量分别提高了 10.8% 和 17.2%。益生菌的添加显著提高了土壤细菌和放线菌数量，解淀粉芽孢杆菌和荧光假单胞数量也得到相应的提升，且以蚯蚓堆肥中的益生菌浓度最高，说明施入的益生菌在蚯蚓堆肥中的定殖情况最佳，而定殖后的益生菌通过利用土壤难溶性钾硅酸盐和磷酸盐生长繁殖的方式显著提高了土壤速效钾和速效磷含量。有机肥和益生菌的施入，提升了土壤微生物数量，微生物通过自身活动和分泌有机酸等方式活化土壤和肥料养分，而活化后的养分又为微生物的生长繁殖提供了良好的物质基础，两者相互促进，共同提升了土壤质量[31–32]。相对于常规堆肥，蚯蚓堆肥除具有良好的生化性质外，还具有疏松多孔、表面积大的物理性质，更有利于益生菌的生长与繁殖。方差分析结果表明(表 5)，有机堆肥与益生菌在土壤速效磷、速效钾、MBC、细菌数量、真菌数量、脲酶及蔗糖酶活性上有显著的交互作用。Davoud等[33]研究表明，蚯蚓粪和丛枝菌根真菌(AMF)生物肥料对土壤体积质量等土壤物理性质具有积极的影响。

表5 有机堆肥和益生菌对土壤肥力和微生物特性影响的方差分析Table 5 Variance analysis of effects of organic compost and probiotics on soil fertility and microbial properties

蚯蚓堆肥及益生菌的施用一定程度上降低了西瓜枯萎病发病率，本试验中土壤真菌和尖孢镰刀菌数量随益生菌的施入呈下降趋势。蚯蚓堆肥中含有大量微生物，经蚯蚓消化后有益微生物的数量成倍增加，且施入的益生菌在蚯蚓堆肥中得以良好定殖，在同一土壤环境容量下，益生菌的大量繁殖增强了其对营养和空间的竞争力，从而抑制了真菌和病原菌的生长，减少病原菌对寄主植物根系的伤害；另一方面蚯蚓堆肥中含有一定数量的拮抗微生物，与施入的益生菌相似，都能产生抗生素及其他次生代谢物质，抑制真菌及病原菌的繁殖，减少植物土传病害的发生[34]。丁文娟等[35]和王丽丽等[36]研究证明生物有机肥的施用降低了土壤真菌数量，而有研究结果则表明施入的生物有机肥增加了土壤真菌数量[37]，这可能与施入菌剂的种类及土壤性质等综合因素有关。

4 结论

总之，不论添加益生菌与否，与单施化肥或施用常规堆肥相比，蚯蚓堆肥的施用均可提高土壤肥力和土壤微生物活性，一定程度上抑制了西瓜枯萎病的发生。蚯蚓堆肥与益生菌的配施减少了因畜禽粪便造成的生态环境污染，降低了农业化肥的施用，同时还提高了土壤质量，本研究结果可为实现有机废弃物的资源化利用提供技术支撑。

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ZENG Lingtao1,2, WANG Dongsheng3, WANG Zhenyi1, WANG Siqi1, SHENG Xiongjie1, CHANG Jiangjie1,2, LI Huixin1,2, HU Feng1,2, JIAO Jiaguo1,2*

(1 College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China; 2 Jiangsu Collaborative Innovation Center for Solid Organic Waste Resource Utilization, Nanjing 210095, China; 3 Nanjing Institute of Vegetable Science, Nanjing 210042, China)

Effects of Interaction Between Vermicompost and Probiotics on Soil Fertility and Microbial Properties

The effects of the application of vermicompost mixed with two different functional probioticsBacillus amyloliquefaciens(X) andFluorescent pseudomonas(Y) on the fertility and microbial properties of soil were studied under the same nutrient level. The results showed that whether mixed with probiotics or not, compared with chemical fertilizer and conventional compost, vermicompost could improve soil available nutrient contents，increase soil microbial biomass and enzyme activities significantly. In terms of soil NO–3content, the application of vermicompost was 14.7% higher than conventional compost. The application of probiotics promoted the activation of soil nutrients, increased the number of soil bacteria, actinomycetes, bacillus amyloliquefaciens and fluorescent pseudomonas, decreased the number of soil fungi, and improved soil enzyme activities significantly. The application of vermicompost mixed with probiotics was more obvious in increasing soil available nutrient contents, soil microbial biomass carbon and nitrogen, the amounts of soil microbial biomass and enzyme activities than other treatments, and soil bacteria number and invertase of vermicompost mixed with probiotics XY were 32.0% and 14.4% higher than conventional compost mixed with probiotics XY. Variance analysis showed that significant interactions between organic compost and probiotics on soil available phosphorus, available potassium, microbial biomass carbon, bacteria and fungi numbers, urease and invertase activities. These results indicated that the vermicompost mixed with probiotics has significant improving effects on soil fertility and microbial properties, which is a good choice of the replacement of chemical fertilizers for protecting vegetable green production and soil fertilities improvement.

Vermicompost; Probiotics; Soil fertility; Microbial biomass; Enzyme activity

S144.1

10.13758/j.cnki.tr.2016.06.006

国家重点研发计划项目(2016YFD0200106)和农业部引进国际先进农业科学技术计划项目(2015-Z42)资助。

* 通讯作者(jiaguojiao@njau.edu.cn)

曾令涛(1990—)，男，山东章丘人，硕士研究生，主要从事土壤生物培肥方面研究。E-mail: 2013103062@njau.edu.cn