蚯蚓对废纸屑再利用及养分贫瘠土壤综合质量的影响

张孟豪,吴 玲,陈 静,潘伯桂,刘科学,Velasquez Elena,Lavelle Patrick,戴 军,张 池,*

1 华南农业大学资源环境学院, 广州 510642 2 广东华南空间规划研究院, 广州 510651 3 广州新华学院资源与城乡规划系, 广州 510520 4 Universidad Nacional de Colombia, Palmira, Colombia 111321 5 Université Paris Sorbonne, IEES-BIODIS, Paris, France 75006

办公废纸屑是社会生产中常见的有机废弃物,其尺寸较小,且转化为再生纸的成本较高[1—3],因而不易回收再利用。但是废纸屑本身含有大量有机碳,将其作为有机物料进行还田可以明显提高土壤质量、改良退化土壤。已有研究显示在土壤中添加废纸屑可以增加土壤的透气性、提高养分、改变生物学特性、最终提高土壤质量[4]。然而,废纸屑的主要组分为纤维素,其在土壤中自然分解速度较慢[5],如何加速其在土壤中的分解是废纸屑能否高效再利用的关键。

蚯蚓作为土壤的生态系统工程师,是土壤自组织系统的重要因子[6]。已有研究显示,将蚯蚓接种入土壤中可以加速土壤有机物质的分解、提高土壤养分含量、促进微生物活性、帮助退化土壤构建自组织系统、恢复并维持土壤生态系统稳定,最终提高土壤质量[6—8]。赤子爱胜蚓(Eiseniafetida)作为联合国粮农组织认证的模式蚓[9—10],繁殖能力强且易获取,被广泛用于有机废弃物堆置处理和退化土壤的改良修复中[11—13]。但是,赤子爱胜蚓如何促进废纸屑的分解、二者联合如何改良退化土壤质量至今未见报道。

综上所述,本研究通过添加废纸屑和蚯蚓于华南地区养分贫瘠土壤中,分析废纸屑和蚯蚓对土壤pH、养分、交换性盐基离子和微生物PLFAs的影响,利用土壤质量综合指数GISQ法[14]对改良前后的土壤进行综合评价,以期为废纸屑资源化利用、废纸屑和蚯蚓联合改良养分贫瘠土壤提供新的理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤为采自华南农业大学校园0—20 cm的赤红壤(23°9′33″N,113°21′22″E)。供试土壤的基本理化性质如下：pH (5.45±0.11),有机碳(2.97±0.71)g/kg,全氮(0.12±0.11)g/kg,全磷 (138.38±7.53)mg/kg,全钾(12.34±0.14)g/kg。将采集的土壤自然风干,去除石砾等杂质,过 2 mm 筛,备用。

供试有机物料为取自办公室碎纸机的废纸屑。废纸屑尺寸为长10 mm,宽2 mm。pH 9.48±0.11,有机碳(334.33±5.13)g/kg,全氮(0.50±0.11)g/kg,全磷(51.86±8.36)mg/kg,全钾(0.25±0.07) g/kg。

供试蚯蚓为赤子爱胜蚓Eiseniafetida,购自广州市某养殖场,将购得的蚯蚓在适宜环境中培养 1 周后,挑选单条质量约 0.5 g 的大小一致、具有成熟环的健壮蚯蚓进行土壤接种。

1.2 试验方法

本试验分别设置空白土壤对照S、单独添加废纸屑处理SP、单独接种蚯蚓处理SE和废纸屑+蚯蚓SPE处理。养分贫瘠的土壤中蚯蚓无法生存,因此SE(单独接种蚯蚓)处理最终取消。

(1)S：2 kg土壤,不添加有机物料和蚯蚓,培养90 d。

(2)SP：1.8 kg土壤+0.2 kg有机物料,培养90 d。

(3)SPE：1.8 kg土壤+0.2 kg有机物料,培养30 d后接种赤子爱胜蚓50 g,继续培养60 d。

试验培养过程使用 3 L的圆柱形塑料盆钵(10 cm×14 cm×20 cm),每个处理设置4次重复。试验期间,温度保持在25 ℃左右,土壤水分保持田间持水量的40%—60%,每两天通过称重法保持土壤含水量。养分退化土壤营养元素匮乏,为了赤子爱胜蚓的生存和土壤养分的提升,需要外源有机物料的投入,本试验中投入废纸屑作为有机物料。培养90 d后进行土壤样品采集。采集新鲜土壤置于-20 ℃冰箱保存,冻干处理后待测土壤微生物PLFAs。余下土壤样品经风干后,分离去除未完全分解的废纸屑,过2 mm筛, 备用待测。

1.3 测试方法

废纸屑pH采用无CO2水以土水比1∶10提取,pH 计(雷磁 PHS- 3C)测定[15]；有机碳含量采取重铬酸钾氧化-外加热法测定；全氮含量通过硫酸-过氧化氢消煮,半微量开氏法测定；全磷用硫酸-过氧化氢消煮,矾钼黄法测定；全钾用硫酸-过氧化氢消煮,原子吸收法测定。

土壤 pH 采用无 CO2水以土水比1∶2.5提取,pH 计(雷磁 PHS- 3C)测定；有机碳含量通过重铬酸钾氧化-外加热法进行测定；全氮含量通过凯氏定氮法测定；全磷采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法测定；全钾的测定采用氢氧化钠熔融-火焰原子吸收法；碱解氮的测定采用碱解扩散法；速效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法；速效钾采用乙酸铵浸提-火焰原子吸收法测定[16]。

土壤CEC通过乙酸铵 (1 mol/L的 CH3COONH4,pH 7.0) 交换-原子吸收分光光度法测定；土壤交换性 K+、Na+、Ca2+、Mg2+含量采用 1 mol/L 的 CH3COONH4(pH 7.0)浸提,原子吸收分光光度法测定[17]。

通过脂类提取以及磷脂脂肪酸分析进行土壤微生物PLFAs测定。脂类提取步骤包括单相提取液提取、固相抽提柱层析分离脂类和脂类的碱性甲醇水解和甲基化。气相色谱(型号：HP6890/ MSD5973,色谱柱为Agilent1909lB- 102)进行磷脂脂肪酸的分析,气相色谱的升温程序由MIDI软件的要求设置,甲基十九烷脂肪酸(19:0)为内标,总量用n mol/g表示[18]。本研究中14：00、15：00、17：00、18：00表征一般细菌(CB)；18：2 w6c、18：1 w9c表征真菌(F)；10Me 16：0 、10Me 17：0、10Me 18：0表征放线菌(ACT)；14：0 iso、15：0 iso、15：0 anteiso、16：0 iso、17：0 iso、17：0 anteiso表征革兰氏阳性菌(G+)；16：1 w7c、18：1 w7c、17：0 cyclo、19：0 cyclo w8c表征革兰氏阴性菌(G-)；细菌(B)数量以革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌以及一般细菌加和表示[19—20]。

1.4 数据处理

使用Excel 2010 进行数据整理,使用 SPSS 23.0 对试验数据进行分析,不同处理间的差异采用单因素方差分析 (One-way ANOVA) 和 Duncan′ s 多重比较进行分析,分别在 R 中导入ADE- 4 软件包对不同土壤样本pH、养分状况、交换性盐基离子和微生物PLFAs进行主成分分析 (Principal component analysis, PCA)[21]。在此基础上,研究根据土壤综合质量指数评价方法[14],将上述土壤肥力和微生物指标作为综合质量评价变量,通过In=F1 × (α1a+β1b+γ1c)+F2 × (α2a+β2b+γ2c),计算每个样点的亚指标综合指数In。其中,F1和F2为第一和第二主成分中方差累积贡献率,α、β和γ代表变量对各自主成分的贡献,a、b和c是所选变量在其对应轴上的得分值。将In进行数学标准化转化,使其在0.1—1.0区间,最终得出各处理的土壤综合质量指数Y。

2 结果与分析

2.1 赤子爱胜蚓对有机物料的分解作用

蚯蚓的添加有效加速了废纸屑在土壤中的分解过程。如图1所示,SP处理的土壤中仍然存在大量的未分解废纸屑,SPE处理的残存的未分解废纸屑数量极少。由图2可知,SP处理未分解废纸重量极显著高于SPE处理(P<0.01)；SPE废纸分解率高达98.28%,极显著高于SP处理(P<0.01)。

图1 SP和SPE处理的土壤外观图Fig.1 Photos of soil appearance in SP and SPE treatments SP：土壤+废纸屑 Add wast paper to the soil；SPE：土壤+废纸屑+蚯蚓 Add wastepaper and earthworm to the soil

图2 蚯蚓对办公废纸屑的分解作用Fig.2 Effects of earthworms on decomposition of office wastepaper图中数值表示平均值±标准差,n=4;采用t检验比较同种指标不同处理间的差异,**表示不同处理之间差异极显著(P<0.01)

2.2 赤子爱胜蚓对土壤的pH和养分的影响

如图3所示,对照S的土壤pH为5.43,呈酸性。有机物料的添加有效提升了土壤pH,相比对照S,SP处理的土壤pH显著提升到8.37(P<0.05),呈碱性；SPE处理的土壤pH显著提升到7.26(P<0.05),呈中性。废纸的添加显著提高了土壤有机碳含量, SPE处理的有机碳含量显著高于SP处理,且SP处理显著高于对照S(P<0.05)。

图3 不同处理土壤的pH和养分状况Fig.3 Soil pH value and nutrient contents in different treatments图中数值表示平均值±标准差,n=4;不同字母表示同种指标不同处理之间差异显著(P<0.05);S：对照土壤 Control

赤子爱胜蚓的接种有效提高了土壤的全氮和有效氮含量(图3)。土壤全氮和碱解氮含量整体呈现为S

2.3 赤子爱胜蚓对土壤中交换性盐基离子含量的影响

如图4所示,与对照S相比,SP和SPE处理中交换性钾、钠、钙、镁和阳离子交换量均有提高,特别是SPE处理。具体到各项指标,对照S、SP和SPE的阳离子交换量无显著差异；SPE处理的交换性钾显著高于对照S和SP(P<0.05)；对照SP和SPE处理的交换性钠显著高于对照S(P<0.05)；对照S、SP和SPE处理的交换性钙和镁呈现为：S

图4 不同处理土壤的交换性盐基离子含量Fig.4 Contents of exchangeable base cations in different treatment soils图中数值表示平均值±标准差,n=4;不同字母表示同种指标不同处理之间差异显著(P<0.05)

2.4 赤子爱胜蚓对土壤微生物PLFAs的影响

有机物料的添加显著提高了土壤微生物PLFAs(表1)。相比对照土壤,对照SP和SPE处理的真菌、放线菌、革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、一般细菌和总PLFAs显著提高(P<0.05)。赤子爱胜蚓的接种进一步显著提高土壤微生物PLFAs(P<0.05),SPE处理的真菌、放线菌、革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、一般细菌和总PLFAs显著高于SP处理(P<0.05)。

表1 不同处理土壤微生物PLFAsTable 1 Microbial PLFAs in different treatments

对照S的革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌显著高于SP和SPE处理(P<0.05),SP和SPE处理的革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌不存在显著差异。对照S的真菌/细菌显著低于SP和SPE处理(P<0.05),而SP和SPE处理的真菌/细菌值无显著差异。

如图5所示,不同处理土壤微生物生物量占比有明显差异。对照S的革兰氏阳性菌和放线菌占比明显高于SP和SPE处理,后两者之间占比相近。SP和SPE处理的真菌占比相近,且两者明显高于对照S。一般细菌、革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌之和为细菌。图5显示,随着废纸屑的添加,细菌在总PLFAs中的占比有所降低。

图5 不同处理微生物PLFAs分布 Fig.5 Percentage of various microbial PLFAs in different treatments F：真菌 Fungi；ACT：放线菌 Actinomycetes；G+：革兰氏阳性菌 Gram-positive bacteria；G-：革兰氏阴性菌 Gram-negative bacteria；CB：一般细菌 Common Bacteria

2.5 赤子爱胜蚓作用下土壤化学和微生物指标的综合分析

各处理的土壤pH、养分状况、交换性盐基离子和微生物PLFAs的主成分分析如图6所示,第一主成分和第二主成分累计方差贡献率达到了85.3%,可以反映不同土壤参数的大部分信息。其中Axis1方差贡献率为75.8%,其主要与pH、交换性钠、真菌/细菌、革兰氏阳性菌、交换性镁、细菌、总PLFAs、真菌、革兰氏阳性菌、放线菌、有机碳、丛枝菌根真菌、交换性钙、全磷、全氮、交换性钾、有效氮、有效钾、全钾和革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌的变化有关；Axis2方差贡献率为9.5%,主要与pH、全磷和革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌比值的变化有关。

图6 不同处理土壤性质的主成分分析Fig.6 Principal component analysis of soil properties in different treatments SOC：土壤有机碳 Soil organic carbon； TN：全氮 Total nitrogen,AN：碱解氮 Available nitrogen,TP：全磷 Total phosphorus,AP：有效磷 Available phosphorus,TK：全钾 Total potassium,AK：速效钾 Available potassium。CEC：阳离子交换量 Cation exchange capacity,KEx：交换性钾 Exchangeable potassium,NaEx：交换性钠 Exchangeable sodium,CaEx：交换性钙 Exchangeable calcium,MgEx：交换性镁 Exchangeable magnesium;T-P：总磷脂脂肪酸 Total phosphdipid fatty acid；B：细菌(一般细菌、革兰氏阳性菌和革兰氏阳性菌之和) Bacteria;

图6主成分荷载图中,代表各土壤变量的箭头间余弦角度显示了各变量的相互关系,角度越小,相关性越高。相关分析结果显示pH、交换性钠和真菌细菌比之间有明显的正相关关系,与革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌之间有明显的负相关关系；革兰氏阴性菌、交换性镁、细菌、总PLFAs、真菌、革兰氏阳性菌、放线菌、有机碳、交换性钙、全磷、全氮、交换性钾和有效氮之间有明显的正相关关系,与全钾存在明显的负相关关系。图6主成分得分图显示,对照S、SP和SPE处理之间差异显著(P=0.001),对照S明显偏向革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌较高,pH、交换性钠和真菌/细菌较低的方向；SP处理明显偏向全钾较高,有效钾较低的方向；SPE处理明显偏向pH、交换性钠、真菌/细菌、革兰氏阳性菌、交换性镁、细菌、总PLFAs、真菌、革兰氏阳性菌、放线菌、有机碳、交换性钙、全磷、全氮、交换性钾、有效氮较高,全钾较低的方向。对照S与SP处理的差异体现在Axis1和Axis2上；而对照S与SPE处理的差异主要体现在Axis1上。整体来讲,对照S、SP和SPE处理的差异主要体现在Asix1,即不同处理的差异主要表现在pH、交换性钠、真菌/细菌、革兰氏阳性菌、交换性镁、细菌、总PLFAs、真菌、革兰氏阳性菌、放线菌、有机碳、交换性钙、全磷、全氮、交换性钾、有效氮、有效钾、全钾和革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌。

如图7所示,通过对主成分分析的结果进一步计算,得出各处理的土壤综合质量指数。三个处理的土壤综合质量指数得分分别为0.13、0.46和0.94,三者差异显著,呈现为S

图7 不同处理的土壤综合质量指数Fig.7 Soil quality indices in different treatments 图中数值表示平均值±标准差,n=4;不同字母表示同种指标不同处理之间差异显著(P<0.05)

3 讨论

废纸屑的主要成分是纤维素,在自然界中分解速度较慢。蚯蚓堆置处理将废弃有机物再利用的研究已较为广泛[22—23],但是单一废纸屑湿润后孔隙度极小且呈碱性,不适宜蚯蚓生存,无法直接进行蚯蚓堆肥[2]。赤子爱胜蚓在养分贫瘠的土壤中无法生存,但大量研究证实土壤中有机物质充足可以保证赤子爱胜蚓较高的存活率[24—26]。因此,本研究将废纸屑与蚯蚓共同添加入土壤后,一方面能极大的增加土壤有机物质和孔隙度、改善土壤pH、创造适宜蚯蚓生存的环境,使蚯蚓能够正常存活；另一方面,接种蚯蚓后,能够直接吞食消化腐解或半腐解的有机物料[27]以及蚯蚓的肠道纤维素分解菌等菌种的快速生长繁殖[28—29],也极大的促进了废纸屑的分解(图1和图2),有效地改良土壤性质,提高土壤质量(图7)。

废纸屑和蚯蚓共同作用优化了土壤pH值。本研究土壤pH值在二者作用下由弱酸性变为碱性再到中性(图3)。废纸屑呈碱性,其单独添加极大的提高了土壤pH值；而蚯蚓吞食碱性废纸屑后,将其与土壤在肠道中进一步混合,中性肠道分泌物随蚓粪排出体外导致土壤pH趋于中性[30—32]。

废纸屑和蚯蚓共同作用显著改变土壤养分及盐基离子含量。本研究所用废纸屑碳氮含量较高而土壤碳氮含量极低。当蚯蚓吞食消化废纸屑后,废纸屑在蚯蚓肠道与土壤进一步充分混合,大量养分经肠道微生物快速分解转化后随蚓粪排入土壤,因而造成了土壤中有机碳和全氮含量显著提高(图2,P<0.05)。同时,尽管废纸屑磷含量明显低于土壤,但是接种蚯蚓后土壤全磷含量却提高了,蚯蚓自身分泌磷素或死亡蚯蚓残体中的磷素释放到土壤中可能是造成上述现象的原因[33]。另外,本研究显示蚯蚓活动能够显著提高土壤碱解氮和速效钾的含量,却并未显著提高土壤速效磷含量。土壤碱解氮与全氮呈现明显的正相关,碱解氮含量的提高可能归因于全氮的提高；而土壤速效钾的提高是由于蚯蚓能够通过消化作用将矿物钾转化为速效钾,提高速效钾含量[34]。蚯蚓在土壤取食消化废纸屑的过程中显著增加了土壤微生物的数量,从而导致对磷素的需求过大而被消耗。当磷素成为微生物和蚯蚓生长繁殖的限制因子时,微生物活动会导致有效磷含量降低[35]。再者,本研究显示交换性盐基离子随着废纸屑的添加和蚯蚓的接种变化显著,这与Wu 的研究结果相似[36](图4)。交换性钙和镁是土壤中主要的两种盐基离子,尽管二者含量与成土母质以及成土过程中钙和镁的优先固持作用密切相关,但是有机物的添加和赤子爱胜蚓钙腺的影响也可能造成上述两种离子含量的明显增加[37]。另外,本研究结果还显示土壤交换性钾的改变受到蚯蚓的影响较大,交换性钠受到废纸屑的影响较大,造成上述现象的原因有待进一步深入探究。

废纸屑和蚯蚓显著提高土壤微生物结构和生物量(真菌、放线菌、革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、一般细菌和总PLFAs)(表1)。由于废纸屑带来了大量可被土壤微生物分解利用的碳源和氮源,为土壤微生物繁殖提供了物质基础[38—39]。蚯蚓体内特殊的肠道环境内定殖着丰富多样的微生物,特别是独有微生物[40]。这些微生物受进入肠道的纸屑养分的影响,生长旺盛,因而造成土壤中微生物总生物量大幅度增加(表1)。同时,随着废纸屑和蚯蚓的添加,土壤革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌显著降低(表1)。自然生态系统中的革兰氏阳性菌常在细菌中占优势地位[41—42],废纸屑含有大量纤维素可能会增加革兰氏阴性菌的量[43—44],同时系统内土壤pH的提高会导致细菌群落向革兰氏阴性菌增加的趋势发展[45]。土壤真菌/细菌随着废纸屑和蚯蚓的添加显著提高(表1)。添加废纸屑有利于真菌的生长繁殖,这与前人研究发现有机物归还量大的土壤真菌细菌比较高的结果相似[42,46]。

废纸屑和蚯蚓添加能够有效提升土壤质量。本研究中,使用Velasquez等[14]的方法进行土壤综合质量指标分析。这一方法区别于前人单一专注土壤肥力[47—50]或土壤污染物[51—53]等指标进行质量评价,而将土壤理化及生物学指标纳入指标体系,综合、直观的评价不同处理土壤的综合质量。本研究利用这一方法证明了废纸屑的添加使土壤综合质量从0.13提升至0.46(图7),而赤子爱胜蚓的接种使其进一步提高至0.94。主成分分析结果显示,土壤质量的提升与土壤微生物量和结构变化的关系更为密切(图6)。Zhu等指出蚯蚓等土壤动物具有大量独有微生物[40]。本研究中蚯蚓体内存在哪些独有微生物以及这些微生物对养分退化土壤质量的提升起到什么作用,有待深入研究。

4 结论

废纸屑用于养分贫瘠土壤的改良修复材料,能显著提高土壤pH值、增加土壤有机碳、全氮和全磷含量,并提高土壤微生物量。同时添加废纸屑和接种赤子爱胜蚓于土壤,能够进一步加速废纸屑的分解,中和土壤pH,明显提高土壤碳氮磷含量0.36—13.65倍,促使革兰氏阴性菌和真菌在微生物种群中的占比明显增高,最终显著提高养分贫瘠土壤的综合质量。本研究可为废纸屑的资源化利用及贫瘠土壤的质量提升提供理论指导。

致谢：感谢张卫信老师对写作的帮助。