人粪便对土壤微生物及理化性质的影响

摘要：为研究人类粪便对土壤微生物及理化性质的影响，以双瓮厕所人粪便发酵（SW）、SW粪便玻璃钢化粪池发酵（BL）以及BL与木醋液混和发酵（JB）3种粪便为基础，同时配合EM菌和木醋液处理，施用土壤，以化肥为对照（CK），对土壤微生物数量、酶活性及土壤养分含量进行系统研究。结果表明，对比化肥处理，施用发酵的人粪便提升了土壤养分含量、酶活性、微生物数量。相比CK，JBEM处理的有机质增加35.73%，全氮增加25.00%，速效钾增加243.49%，土壤纤维素酶、脲酶和酸性磷酸酶活性最高，分别是CK活性的6.00、11.00、1.44倍;JBEM土壤锌含量最高;BLEM土壤有效磷含量、微生物数量、蔗糖酶活性及有效铁含量最高。发酵处理后的人粪肥作为底肥施入，可有效改善土壤性质。该研究可为人粪肥的合理施用提供理论依据。

关键词：人粪便;土壤酶活性;微生物数量;土壤养分

人粪便是一种良好的农家肥料，养分完全，氮磷钾有效成分丰富[1]，无害化发酵后施用于土壤，弥补了禽畜粪便重金属、抗生素超标等不足。但近30年来，人粪便农用因受到卫生、质量、经济和管理等多方面因素的影响而逐渐衰退，加之资金缺乏、环保意识落后等原因，造成大量人粪便未经处理就排放到环境中[2]。据估计，全世界每年有超过2亿t人类排泄物没有得到处理。我国人粪便无害化处理率为49.8%[3]。发酵后施用于农田的人粪便更是少之又少，而且缺乏对农田土壤性质的影响分析。如何将人粪便变废为宝，减少环境污染，合理回归农田，实现生态循环，已成为社会发展急需解决的问题。

EM（Effective Microorganisms）是各微生物之间通过形成互惠互利的共存共生体系而合成的生物活菌制剂，接种EM菌剂能控制有机质和氮素的损失，提高土壤肥力，促进植物生长[4]。木醋液能改良土壤，提高土壤有机质含量，减少臭气[5]。EM菌和木醋液用于禽畜粪便、蚯蚓粪等发酵方面的研究较多，但关于人粪便发酵方面的报道较少。因此，本研究采用不同方式发酵人粪便，同时将EM菌和木醋液添加于不同处理的人粪便中，发酵后施入土壤，探讨经不同处理的人粪便对土壤酶活性、土壤微生物、土壤氮磷钾含量以及土壤微量元素含量的影响，旨在合理利用人类粪便，提高土壤质量。

一、材料与方法

（一）试验材料

1.EM菌液活化

在锥形瓶中加入葡萄糖5.0 g、蛋白胨2.5 g、无菌水250 mL，高压蒸汽灭菌1 h，冷却后加入农富康EM菌1 g，150 r/min，35 ℃恒温震荡培养至菌液中有效菌含量约为8.075×108个。

2.供试土壤

取自河北省乐亭县阎各庄镇胜利村0～20 cm耕层土壤。

3.粪便发酵

双瓮式卫生厕所粪便（SW），SW粪便于璃钢化粪池中进行发酵（BL），BL粪便加入5%木醋液于玻璃钢化粪池中进行发酵（JB）。以上3种分别添加

4 mL活化的EM菌液发酵，形成SWEM、BLEM、JBEM。

（二）试验设计

试验共设7个处理，室内完成，3次重复。7个处理分别为不添加人粪便的土壤CK（底肥4 g）、SW（CK+SW粪便300 g/m2）、BL（CK+BL粪便300 g/m2）、JB（CK+JB粪便300 g/m2）、SWEM（CK+SEMW粪便300 g/m2）、BLEM（CK+BLEM粪便300 g/m2）和JBEM（CK+JBEM粪便300 g/m2）。BL和JB、BLEM和JBEM用于分析木醋液的作用。

（三）试验方法

1.土壤微生物数量测定

分别取CK、SW、JB、BL、SWEM、

BLEM和JBEM处理的新鲜土样10 g，采用稀释涂布菌落计数法测定微生物数量。细菌采用固体牛肉膏蛋白胨培养基培养，放线菌采用固体高氏一号培养基培养，霉菌采用查氏培养基培养[6]。土壤含水量采用105 ℃烘干法测定，通过计算得到每克干土中微生物的数量，即cfu/g干土。

2.土壤酶活性测定

采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定蔗糖酶活性和纤维素酶活性，采用靛酚蓝比色法测定土壤脲酶活性，采用磷酸苯二钠比色法测定磷酸酶活性。

3.土壤养分测定

采用凯氏定氮法测定土壤全氮含量，采用0.5 M碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定土壤有效磷含量，采用NH4OAc浸提、火焰光度计测定法测定土壤速效钾含量，采用重铬酸钾外加热法测定有机质含量。利用DTPA液浸提过孔径

2 mm筛的风干样，用原子吸收分光光度计测定铜、锰、铁和锌含量。

4.数据分析

采用单因素方差分析法，分析不同土壤的养分、酶活性及微生物数量的差异。采用Person相关分析法，分析土壤养分、土壤酶活性与土壤微生物数量之间的相关性。使用SPSS 16.0软件对数据进行统计分析。试验数据的整理和制图均采用Microsoft Office 2003。

二、结果与分析

（一）不同土壤中微生物数量的变化

由表1可以看出，对比CK，施用发酵人粪肥的土壤微生物数量均达显著差异。试验土壤中BLEM土壤细菌和放线菌数量最多，分别是CK的2.1、2.2倍。霉菌数量呈现SWEM>BLEM>SW>BL>JBEM>CK>JB的趋势。SWEM和SW中霉菌数量较多，JB和JBEM土壤中霉菌数量较少，尤其是JB甚至低于CK的霉菌数量。将EM菌添加于粪肥土壤中，细菌、放线菌和霉菌数量显著高于无EM菌的土壤。就3种微生物数量而言，JB

综合以上3类菌群数量的变化发现，施用发酵人粪肥，增加了细菌和放线菌数量，BLEM效果最为明显。随着粪便发酵程度的加深，霉菌数量减少，且差异显著。EM菌处理增加了微生物数量，木醋液处理明显减少了微生物数量。

（二）对pH值和土壤养分的影响

由表2可知，不同发酵类型的人粪肥对土壤基本状况有不同程度的影响。对比CK，施用人粪肥的6种土壤pH值下降，下降范围0.5～1.8，与CK差异均达显著水平;JB和JBEM土壤pH值下降最多。对比CK，施用人粪肥的6种土壤养分增加，以BLEM和JBEM增加最多;SW和SWEM增加较少，测定指标多数与CK差异不明显。

JBEM土壤的有机质、全氮和速效钾含量相对较高，较CK有机质增加35.73%，全氮增加25.00%，速效钾增加243.49%。BLEM土壤有效磷含量最高，较CK增加77.50%。BLEM和JBEM土壤有机质、全氮和有效磷含量差异不显著;JBEM土壤速效钾含量显著高于BLEM。JB较BL各指标明显升高。对比EM菌添加前后，土壤养分变化不明显，仅BLEM较BL有机质、全氮、有效磷和速效钾含量显著上升。总体上，发酵人粪便可以下调土壤pH值，增加土壤养分;木醋液显著影响pH值，对土壤养分增加有一定的促进作用;EM菌对土壤pH值、土壤养分影响不显著。

发酵人粪肥有利于增加土壤微量元素，与对照相比，均呈显著差异（见表2）。土壤有效铜含量变化为BL>JB>JBEM>BLEM>SW>SWEM>CK，锰含量变化为JB>JBEM>BLEM>BL>SWEM>SW>CK，铁含量变化为BL>BLEM>SW>JB>SWEM>JBEM>CK，锌含量变化为JBEM>JB>BLEM>CK>BL>SWEM>SW。锰含量增加效应最突出，最高值JB 214.67 mg/kg，是CK的42倍，其次为铁、铜和锌。对比未添加EM菌土壤，JBEM土壤中锰含量有所下降，BLEM和SWEM含量上升;铜和铁含量，SW>SWEM、BL>BLEM、JB>JBEM，说明EM菌对铜、铁含量有抑制作用;锌含量，SW

（三）对土壤酶活性的影响

1.蔗糖酶活性

从图1可以看出，施用人粪便处理对蔗糖酶活性有不同程度的影响。不同施肥处理土壤中蔗糖活性有如下趋势：BLEM>SWEM>JBEM>BL>JB>SW>CK。与无机肥料CK相比，增添人粪肥显著提高土壤蔗糖酶活性。BLEM和SWEM的土壤酶活性最高，分别为8.16、7.89 mg/g，显著高于其他5种土壤;BL、JB和SW 3种土壤蔗糖酶活性是CK的两三倍，但三者间差异不显著。EM菌的添加明显提高了蔗糖酶活性，SWEM、BLEM、JBEM蔗糖酶活性分别是SW、BL、JB的4.8、3.7、3.3倍。JB和BL差异不明显，JBEM

综上，6种施用人粪肥土壤蔗糖酶活性较CK处理显著增强，EM菌有利于土壤蔗糖活性的提高。

2.纤维素酶活性

纤维素酶是碳素循环中的一个重要酶[7]。图2表明，增施人粪肥能显著提高纤维素酶活性，JBEM>JB>SWEM>BLEM>BL>SW>CK。其中，JBEM土壤中纤维素酶活性最高，达33.3 mg/（10 g·72 h），是CK的11倍。添加EM菌后，土壤蔗糖酶活性显著提高，SWEM、BLEM、JBEM较SW、BL、JB的升高倍数分别为1.3、1.9、1.6倍。木醋液可促进提高纤维素酶活性，JBEM和JB分别是BLEM和BL的2.6、3.2倍。

由此可见，人粪肥的施入提升了土壤纤维素酶活性，EM菌和木醋液对土壤纤维素酶活性起促进作用。

3.脲酶活性

土壤脲酶直接参与尿素形态转化，并促进有机质分子中肽键的水解，对提高尿素氮肥利用率有重要意义[7]。如图3所示，JBEM土壤脲酶活性最高，是CK活性的6倍。在CK、BL、JB、SW土壤处理比较中，BL土壤中脲酶活性最高，JB次之，其次为SW。加入EM菌处理后，JBEM>BLEM>SWEM，JBEM和BLEM差异不显著。EM菌加入前后，土壤脲酶活性差异不显著。

由此可见，人粪肥的适当发酵处理有利于土壤脲酶活性的提高，JBEM活性最高，EM菌和木醋液提高了土壤脲酶活性，但EM菌和木醋液作用效果均不明显。

4.磷酸酶活性

土壤有机磷经土壤磷酸酶转化为无机磷后才能被根系及土壤微生物吸收利用。施用有机肥在一定程度上提高了土壤磷酸酶活性。图4中，土壤酸性磷酸酶活性有如下趋势：JBEM>BLEM>JB>BL>SWEM>SW>CK。JBEM活性最高，是CK的1.44倍;BLEM次之，是CK的1.20倍。对比EM菌添加前后，BLEM>BL，JBEM>JB。对比木醋酸添加前后，JBEM>BLEM（显著），JB>BL（不显著）。综上，施用JBEM人粪肥的土壤酸性磷酸酶活性最高，EM菌和木醋液均有利于土壤酸性磷酸酶活性的提高。

（四）土壤养分酶活性与土壤微生物的相关性分析

为探讨施用不同类型发酵人粪便土壤养分、酶活性与土壤微生物数量之间的关系，选取测定的相关指标，进行相关性分析。

由表3可以看出，细菌数量与4种酶活性正相关，其中蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶为显著正相关。放线菌与4种酶活性均为极显著正相关关系。霉菌和蔗糖酶有显著相关性，与脲酶、酸性磷酸酶和纤维素酶呈负相关。总体上，土壤微生物与土壤酶活性密切相关。

由表4可知，土壤微生物与土壤养分存在较好的相关性。细菌与土壤有机质、全氮、有效磷为正显著极相关，与铜、铁正相关。放线菌与有机质、全氮、有效磷、速效钾均呈现显著或极显著相关性，除铁外，与其他3种微量元素极显著相关。霉菌与土壤养分相关性较弱，与铜、锰和锌负相关。通过分析发现，土壤中细菌和放线菌与土壤养分、微量元素含量关系密切。

由土壤酶活性与土壤肥力性状相关性分析可以看出，除速效钾外，其余7种养分与蔗糖酶、纤维素酶、酸性磷酸酶和脲酶均为正相关。有机质与4种酶显著或极显著相关。全氮和有效磷与纤维素酶、脲酶及酸性磷酸酶显著正相关。速效钾与纤维素酶、酸性磷酸酶显著正相关，与脲酶负相关。微量元素是酶的激活抑制剂，土壤微量元素可能决定酶活性[8]，微量元素铜、锰、铁和锌与4种酶正相关，其中铜、锰、锌与纤维素酶、脲酶、酸性磷酸酶均有极显著相关性，蔗糖酶相关性较弱。铜和脲酶活性关系最密切，锰和锌均与纤维素酶活性最密切。铁与脲酶极显著正相关，与其他3种酶正相关关系较弱。

综上可见，土壤有机质、全氮和有效磷含量越高，土壤酶活性越强;酶活性与微量元素、土壤养分相关较强，以脲酶最为明显，其次为纤维素酶和酸性磷酸酶，土壤酶活性反映了土壤养分含量。

三、结论与讨论

（一）不同发酵形式人粪便对土壤理化性质的影响

施用不同发酵形式的人粪便对土壤微生物数量、土壤酶活性、pH值及土壤养分均有一定的影响。已有研究表明，土壤中细菌、放线菌数量的增加有利于土壤养分转化[9]。本研究结果中，人粪肥的施用提高了土壤细菌和放线菌的含量。与多数有机肥使用结果类似[10-11]。原因可能与有机肥中含有大量微菌群，活化了土壤土著微生物，以及有机肥含有微生物生长所需营养有关[12]。研究结果还表明，BLEM土壤细菌和放线菌数量增加效果最为明显，EM菌剂有利于土壤微生物数量的增长[12-14]。JB和JBEM土壤较BL土壤的细菌、放线菌和霉菌数量减少，可能是因为木醋液酚类、有机酸多种物质对微生物有毒害作用[15]。SW和SWEM较CK霉菌增多，可能与其未彻底发酵有关，BL及JB类土壤霉菌降低，主要原因应是人粪便的再次发酵以及木醋酸对于霉菌的抑制作用的影响。

不同施肥措施会影响土壤酶活性。本试验中，人粪肥的施用较化肥提高了土壤蔗糖酶、纤维素酶、脲酶和碱性磷酸酶的活性，BLEM和JBEM综合性能较高。施用生物有机肥能提高土壤酶活性[16-17]。有研究表明，EM菌肥能不同程度地提高土壤酶活性[15]。但本研究结果显示，EM菌对土壤酶活性的提高仅在BL、BLEM间差异明显，其他处理间有提升但不明显。分析原因可能与EM菌处理时间或数量有关。加入木醋液发酵的JB和JBEM提高了土壤酶活性，但升高不明显，可能与木醋液浓度有关[18]。

研究发现各施肥处理均不同程度地降低了土壤pH值，提高了土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾及微量元素含量，尤以BL、BLEM、JB和JBEM明显，SW和SWEM较弱，表明土壤pH值、养分变化与人粪肥发酵形式有关。JB和JBEM土壤的pH值较低，与木醋液偏酸性相关。粪肥的深入发酵有利于土壤理化性质的改善，符合有机肥对土壤养分的影响效应[19-20]。EM菌肥能提高土壤有机质、速效氮、速效磷、速效钾含量[21]，加入木醋液发酵的JB和JBEM提高了有机质及微量元素含量，符合木醋液在有机肥中的应用研究[22]。SW和SWEM仅有效磷有明显差异，究其原因可能与其收集不规范、发酵不彻底密切相关。

（二）土壤微量元素、养分、土壤微生物数量和土壤酶活性的相关性

研究结果显示，土壤养分含量与微生物数量存在较好的正相关性，尤以细菌和放线菌含量明显。微生物数量较多的BLEM和JBEM，对土壤理化性质改善效果最好，因此土壤微生物数量在一定程度可以反映土壤肥力水平[9]。土壤微生物、土壤肥力之间相互促进、协同发展[23]。

土壤酶活性广泛用于评价土壤肥力、多种农业措施和肥料的效果。本研究结果显示，蔗糖酶、脲酶、纤维素酶和碱性磷酸酶与土壤养分之间关系密切，为显著或极显著水平，尤以有机质相关性最强。微量元素与酶活性也有一定的相关性。研究结果显示，铜、锰、铁和锌对提高酶活性均有促进作用，与沼渣施肥效果类似[24]。但本研究中锌元素与脲酶呈正相关结果与李跃林等研究结果不同[25]，推断可能在于有机肥的施入带入了微量元素，影响微量元素与酶的关系。

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通讯作者：潘玉欣。