添加不同菌剂制作园林废弃物堆肥对青稞幼苗生长和土壤肥力的影响

Effects of adding different bactericides to make garden waste compost on the growth of Hordeum vulgare seedlings and soil fertility

摘要

为研究添加不同菌剂的园林废弃物堆肥对青棵幼苗生长和土壤肥力的影响。通过设计了5处理，每种处理3次盆栽试验，并对青棵幼苗生长指标和土壤理化性质进行了测定和分析。结果表明：在堆肥中添加不同促生菌剂后，青稞幼苗的株高、叶绿素含量、生物量和根系均得到显著促进（P < 0.05）。其中，F1-5处理组对株高、叶绿素a+b促生效果最显著，分别提高了40.18%和92.80%；HQ36-2处理组对青稞地下部分鲜物质积累、地上干物质积累和地下干物质积累促生效果最大，分别较CK提高了272.22%、133.33%、112.97%，而F1-5的地上部分鲜物质积累最大，较CK增加了122.79%。在青稞根系的影响方面，HQ36-2处理组效果最好，壮苗指数为0.12±0.003；在土壤养分方面，EM处理组对全氮、GWC处理组对碱解氮、HQ36-2处理组对全钾、速效钾含量影响最显著，分别较对照显著提高了160.03%、669.55%、96.16%、34.33%。综合不同处理的青稞生长指标，F1-5菌剂处理组的综合评分最高（2.66），可作为未来开发和推广青稞专用生物肥料的优良菌种。

Abstract

In order to study the effects of garden waste compost with different bactericides on seedling growth and soil fertility. Five treatments were designed, three pot tests were carried out for each treatment, and the growth indexes of green seedlings and the physical and chemical properties of soil were measured and analyzed. The results showed that the plant height, chlorophyll content, biomass and root system of Hordeum vulgare seedlings were significantly improved after adding different growth promoting bacteria in the compost (P < 0.05). Among them, F1-5 treatment group had the most significant effect on plant height and chlorophyll a+b growth, which increased by 40.18% and 92.80%, respectively. HQ36-2 treatment group had the largest growth promotion effect on fresh matter accumulation in the underground part of Hordeum vulgare, above-ground dry matter accumulation and underground dry matter accumulation, which increased by 272.22%, 133.33% and 112.97% compared with CK, respectively, while F1-5 had the largest fresh matter accumulation in above-ground part, which increased by 122.79% compared with CK. In terms of the influence of Hordeum vulgare root system, HQ36-2 treatment group had the best effect, and the seedling growth index was 0.12±0.003. In terms of soil nutrients, the effects of EM treatment group on total nitrogen, GWC treatment group on alkali-hydrolyzed nitrogen and HQ36-2 treatment group on total potassium and available potassium content were the most significant, which were significantly increased by 160.03%, 669.55%, 96.16% and 34.33%, respectively, compared with the control group. According to the growth indexes of Hordeum vulgare treated with different treatments, the comprehensive score of F1-5 treatment group was the highest (2.66), which could be used as an excellent strain for the future development and promotion of special biological fertilizer for Hordeum vulgare.

Graphical abstract

关键词

园林废弃物堆肥 / 菌剂 / 青稞幼苗 / 农艺性状 / 土壤理化性质

Key words

Garden waste composting / Bactericide / Hordeum vulgare seedlings / Agronomic traits / Physical and chemical properties of soil

园林废弃物是指园林植物自然凋落或人工修剪所产生的植物残体，主要包括树叶、草屑、树木及灌木剪枝等，其主要成分是木质纤维素^[1]。我国每年产生大量园林废弃物，传统的处理方式不仅占用大量的资源，还会导致生态环境污染，园林废弃物的潜在价值无法体现^[2]。

堆肥是利用园林废弃物的有效方法之一，但传统堆肥存在堆肥时间长、腐殖质利用不完全等问题，园林废弃物主要由木质素、纤维素、半纤维素组成。研究发现，在堆肥中添加微生物能分解木质素和纤维素，从而加速堆肥的腐熟时间和提高肥效。此外，在园林废弃物加入微生物菌剂还有助于提高堆体温度，加快堆肥的腐熟速度；降低堆肥过程中铵态氮含量并提高硝态氮含量，使堆腐pH值升高，也能提高全氮的含量^[3]。王思远等研究结果表明，在园林废弃物堆肥中加入不同的微生物菌剂有利于提高土壤全氮、全磷、速效钾含量^[4]。另有研究表明，在园林废弃物加入不同的微生物菌剂能够提高堆肥的腐熟速度^[5-6]。付冰妍等的研究也发现，将芽孢杆菌制成的固体菌剂加入园林废弃物堆肥中，有助于促进木质素、纤维素的降解以及腐殖质的合成^[7]。因此，在园林废弃物堆肥中添加菌剂对植物的生长会产生影响。

为了改良传统堆肥，加快堆肥时间，改善堆肥的质量，本研究在园林废弃物堆肥中添加了微生物菌剂，以不加菌剂的堆肥为对照，分析不同菌剂对堆肥效果的影响。以西藏主要粮食作物青稞作为研究对象，选取西藏种植品种藏青 2 000为研究对象，探讨了添加菌剂的园林废弃物堆肥对青棵幼苗和土壤肥力的影响，旨在为科学利用园林废弃物的及对青稞种植的促生作用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试园林废弃物堆肥（GWC）选择西藏自治区林芝市西藏农牧学院试验果园进行(29°40'12″N，94°20'8″E)，海拔2 970 m，该园位于青藏高原东南部西藏自治区林芝县境内，处于藏东南温暖气候区与半湿润气候区的过渡地带，受印度洋暖湿季风影响，冬春少雨，夏秋雨丰，年降水量600 ~ 1 000 mm，年均温8 ℃ ~ 10 ℃，≥ 0 ℃积温3 000 ℃ ~ 3 500 ℃，≥ 10 ℃的时间约180 d^[8]，园林废弃物为西藏自治区林芝市西藏农牧学院院内松树和杂草等树木修剪枝，利用粉碎机进行粉碎，添加牛粪和有机肥发酵剂（湖北中向生物工程有限公司，其中每克包含芽孢杆菌、放线菌、酵母菌和丝状真菌等200亿个有效活菌）采用条垛法堆制；其它堆肥在西藏农牧学院生物技术中心（32°26'55″N，119°23'37″E）进行，利用塑料盒（40 cm × 30 cm × 20 cm）进行堆肥，堆体温度与环境温度趋于一致，菌剂分别来源于：HQ36-2为赵伟进等^[9]从西藏不同地区青稞根际分离筛选的优良PGPR菌株，分别具有固氮、溶磷、分泌IAA的能力^[10]；F1-5为刘林峰^[11]从牛粪、腐殖土和锯木屑中共分离出的菌株，具有一定降解木质素和纤维素的能力。以上菌株信息详见表1。

供试青稞品种为“藏青2 000”，具有产量高、抗倒伏、高秆和广泛适应性等优点，该种子由西藏农牧学院生物技术中心真菌实验室提供。

供试土壤来自西藏自治区林芝市巴宜区米瑞乡农田地，土壤类型是砂壤土，偏碱性，肥力偏低；

供试堆肥为园林废弃物堆肥（GWC）和添加具有溶磷、产IAA等生物活性的菌剂F1-5、HQ36-2和EM制作成生物有机肥；

以上供试土壤与堆肥基本理化详见表2。

1.2 试验设计

试验共设5个处理，如表3所示，每个处理重复3次，总共15个花盆，每个花盆装有2 kg土。园林废弃物堆肥均以干重计算，每个花盆使用20 g 园林废弃物堆肥。花盆规格为口径19.5 cm × 高13.5 cm，底径12.2 cm，将园林废弃物堆肥和农田土均匀混合，用水灌透置放一晚第二天开始播种，期间不再施肥，每天定量灌水一次。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 农艺性状指标的测定

以7 d 为1个周期对盆栽株高采用直尺进行测定。植株于28 d取样，每处理取样5株，重复3次，清洗干净用滤纸吸干表面水分，测定其根长、根体积和茎基粗；叶绿素参考邹琦^[12]进行测定；称取地上部分鲜重和地下部分鲜重，后将地上部分和地下部分一起放入烘箱中，先于105 ℃杀青30 min，然后75 ℃烘干至恒重，称取地上部分干重和根干重，并计算根冠比、青稞幼苗壮苗指数和G值^[13]。

根冠比=单株地下部干质量/单株地上部干质量；

壮苗指数=（茎粗/株高＋地下部干质量/地上部干质量）×全株干质量；

G值=全株干重／苗龄。

1.3.2 土壤理化性质测定

于28 d后利用环刀法现场取样，进行物理性质测定^[14]，在对其盆栽土壤全部过筛进行土壤化学性质和生物特性测定，其中土壤化学性质分析参照鲍士旦^[15]进行测定，土壤酶活性参照关松荫^[16]进行测定，详细测定指标如表4，其余理化分析的项目与方法同第二章2.3.1。

1.3.3 综合评价因子分析方法

单一指标比较并不能准确地反映不同处理对青稞幼苗的的综合性状差异^[17]，因此，采用模糊数学中隶属函数的方法，对青稞生长指标进行综合评价。首先将原始数据导入SPSS 软件进行标准化处理，根据降维原理，得出各成分的初始特征值、方差贡献率和累计贡献率，根据累计贡献率提取出可以反映绝大部分信息的主成分，并得出提取主成分与原始变量的相关载荷数据，计算各系数除以提取主成分特征值的平方根得到向量矩阵（系数），将该向量矩阵与标准化数据矩阵进行乘积得到主成分表达式，以每个提取主成分对应的特征值占所有提取主成分总的特征值之和的比例为权重，将该权重与各自主成分值的乘积之和即为综合主成分得分^[18]：

Yi=a₁*X₁+a₂*X₂+a₃*X₃+......+an*Xn，其中，i=1、2、3...n代表主成分个数，a₁、a₂、a₃...代表不同指标的特征向量，X₁、X₂、X₃......Xn代表青稞不同的生长指标；

用i个主成分对应的方差贡献率作为权重，结合方程Yi (i=1、2、3)对几个主成分得分加权求和，构建青稞生长综合评价模型：

Y=b₁*Y₁+b₂*Y₂+b3*Y₃+......+bn*Yn，其中b₁、b₂、b₃...为各主成分对应的方差贡献率，Y为各主成分的综合得分，根据综合得分越高代表该处理效果越好^[19]。

1.4 数据分析

利用Microsoft Office Excel 2019数据处理软件进行数据分析，SPSS Statistics 22.0统计软件对数据进行方差分析，采用沃勒 -邓肯法（Duncan-test）进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 添加不同菌剂制作园林废弃物堆肥对青稞生长指标的影响

2.1.1 添加不同菌剂制作园林废弃物堆肥对青稞幼苗株高的影响

如图1所示，不同时间段内园林废弃物添加不同菌剂对青稞幼苗株高的影响程度不同。在7 d内的总体趋势为：GWC > F1-5 > HQ36-2 > CK > EM。各处理较CK波动幅度为：-0.09% ~ 10.51%，GWC、F1-5和HQ36-2显著高于CK和EM，CK与EM间差异并不显著(P<0.05)。14d内的总体趋势为：F1-5 > HQ36-2 > GWC > CK > EM，各处理较CK波动幅度为：-0.07% ~ 23.16%。GWC、F1-5和HQ36-2依然显著高于CK和EM，CK与EM间差异并不显著(P<0.05)。随着青稞生育期的延长，园林废弃物堆肥的促生作用逐渐显著。在21d内的总体趋势为：F1-5 > EM > HQ36-2 > GWC > CK。各处理较CK波动幅度为：15.28% ~ 47.41%，均显著高于CK (P<0.05)。28d之前总体趋势为：F1-5 > HQ36-2 > EM > GWC > CK，各处理较CK波动幅度为：17.76% ~ 40.18%，均显著高于CK (P<0.05)。结果表明，园林废弃物添加不同菌剂对青稞株高增长有较好作用。

2.1.2 添加不同菌剂制作园林废弃物堆肥对青稞幼苗叶绿素的影响

叶绿素含量体现出作物光合能力的强弱，能反映植株抗旱能力和增产潜力的高低^[20]。由表5可知，园林废弃物添加不同菌剂对不同种类叶绿素含量有着不同程度的影响，添加堆肥后的处理较CK的叶绿素a含量增加幅度为：2.46% ~ 106.56%，EM、F1-5和HQ36-2显著高于CK和GWC，且CK与GWC间差异并不显著(P<0.05)，其中以HQ36-2的叶绿素a含量最高（10.22 mg·g^-1）；添加堆肥后的处理较CK的叶绿素b含量增减幅度为：-76.19% ~ 74.17%，F1-5显著高于CK和GWC(P<0.05)，HQ36-2和GWC低于CK，其中以F1-5的叶绿素b含量最高（2.29 mg·g^-1）；添加堆肥后的处理较CK的类胡萝卜素含量增加幅度为：34.43% ~ 165.87%，GWC、EM、F1-5和HQ36-2显著高于CK (P<0.05)，其中以HQ36-2的类胡萝卜素含量最高（2.87 mg·g^-1）；添加堆肥后的处理较CK的叶绿素a+b含量增加幅度为：0.55% ~ 92.80%，EM、F1-5和HQ36-2显著高于CK和GWC，且CK与GWC间差异并不显著(P<0.05) ，其中以F1-5的叶绿素a+b含量最高（12.07 mg·g^-1）。初步判断F1-5和HQ36-2效果最好。

2.1.3 添加不同菌剂制作园林废弃物堆肥对青稞幼苗生物量的影响

作物生物量是表征其生长以及生产力的重要农学参数，是作物长势监测以及产量估算中的一个关键指标^[21]，更是指示生态系统功能的重要标志^[22]，生物量大，表示植物生长茁壮；反之植物生长羸弱^[23]，根冠比的大小可以反映植物光合产物的分配状况，也能反映植物根系的生长发育结果，适宜的根冠比可以为植株创造良好的营养生长条件^[24]。如图2-3所示，与CK相比，不同菌剂制作的园林废弃物堆肥能够有效提高根冠比，并且均能提高青稞幼苗的生物量积累（P < 0.05），较CK而言，添加不同菌剂制作的园林废弃物堆肥使青稞幼苗地上部分鲜物质量增加了：63.34% ~ 122.79%，地下部分鲜物质量增加了：83.33% ~ 272.22%，地上部分干物质量增加了：33.33% ~ 133.33%，地上下部分干物质量增加了：48.86% ~ 112.97%，其中HQ36-2的地下部分鲜物质积累、地上干物质积累和地下干物质积累最大，F1-5的地上部分鲜物质积累最大，初步判断F1-5和HQ36-2效果最好。

2.1.4 添加不同菌剂制作园林废弃物堆肥对青稞幼苗根系的影响

传统上认为，较大的根系和根冠比有利于植物抗旱^[25]，如表6所示，施用园林废弃物添加不同菌剂对青稞幼苗的根体积和根长较CK了均显著增加（P < 0.05），分别增加幅度为：180.00% ~ 357.33%，0.36% ~ 16.62%，其中GWC和CK的根长显著性差异并不大（P < 0.05）；不同处理的茎粗较CK有着不同程度的变化，其中HQ36-2和F1-5显著增加（P < 0.05），分别增加了：20.00%和25.83%，GWC和EM较CK差异并不显著（P < 0.05），且GWC较CK茎粗下降了0.42%；壮苗指数指在一些单项指标(如茎粗、株高等)的基础上组合成的一个复合指标，是全面评价幼苗品质的一个重要指标，壮苗指数越大，说明幼苗质量越好^[26]，添加不同菌剂制作的园林废弃物堆肥均能显著提高青稞幼苗的壮苗指数（P < 0.05），且以HQ36-2效果最好（0.12）。

2.2 添加不同菌剂制作园林废弃物堆肥对土壤理化性质的影响

2.2.1 添加不同菌剂制作园林废弃物堆肥对土壤基本理化性质的影响

如表7可知，园林废弃物添加不同菌剂能够有效改善盆栽土壤基本理化性质。不同处理均能显著降低土壤容重（P < 0.05），降低幅度为：9.20% ~ 17.82%，以GWC效果最好；不同处理均能显著提高土壤含水量（P < 0.05），提高幅度为：44.44% ~ 73.61%，以GWC效果最好；不同处理均能显著增加孔隙度（P < 0.05），增加幅度为：6.51% ~ 13.61%，以GWC效果最好；不同处理均能显著降低pH值（P < 0.05），降低幅度为：2.27% ~ 12.67%，以GWC效果最好；不同处理均能显著增加有机质（P < 0.05），增加幅度为：271.95% ~ 414.30%，以F1-5效果最好；不同处理对土壤EC值有不同程度的影响，呈：GWC > F1-5 > HQ36-2 > CK > EM，以GWC效果最好。综上所述，GWC对土壤基本理化性质影响最大，效果最好。

2.2.2 添加不同菌剂制作园林废弃物堆肥对土壤养分的影响

如表8可知，园林废弃物添加不同菌剂对青稞盆栽土壤养分产生了不同程度的影响，与CK相比，不同处理均能显著提高土壤全氮、碱解氮和全钾的含量（P < 0.05），分别增加幅度为：100.73% ~ 160.03%、473.40% ~ 669.55%和74.48% ~ 96.16%，其中全氮以EM增加最高，碱解氮以GWC效果最高，全钾以HQ36-2效果最高；不同处理较CK的全磷显著性差异并不大（P < 0.05），但呈：CK > HQ36-2 > EM > F1-5 > GWC，均低于CK，下降幅度为：11.35% ~ 27.50%；不同处理的有效磷和速效钾较CK呈不同变化，其趋势分别为：GWC > HQ36-2 > CK > EM > F1-5，HQ36-2 > EM > GWC > CK > F1-5，其中有效磷以GWC效果最高，速效钾以HQ36-2效果最高。由此可见不同菌剂制作园林废弃物堆肥对土壤养分也有不同的影响。

2.2.3 添加不同菌剂制作园林废弃物堆肥对土壤酶活性的影响

如图4~6和图7所示，园林废弃物添加不同菌剂对土壤酶活性有着不同程度的影响。添加不同堆肥后过氧化氢酶活性较CK显著下降（P < 0.05），不同处理呈：CK > GWC > F1-5 > EM > HQ36-2，各处理较CK下降幅度为：-25.53% ~ -61.45%；添加不同堆肥后蔗糖酶活性较CK显著提高（P < 0.05），呈：EM > GWC > HQ36-2 > F1-5 >CK，各处理较CK上升幅度为：28.07% ~ 95.61%；添加不同堆肥后脲酶活性较CK均有上升，呈：GWC > EM > F1-5 > HQ36-2 > CK，上升幅度为：10.45% ~ 138.81%，其中HQ36-2、F1-5和CK处理的差异性并不显著（P < 0.05）；添加不同堆肥后碱性磷酸酶活性较CK显著提高（P < 0.05），呈：EM > F1-5 > GWC > HQ36-2 > CK，上升幅度为：30.17% ~ 107.33%。

2.3 不同处理的青稞生长指标综合评价

为了更深入的分析园林废弃物添加不同菌剂对青稞幼苗生长综合质量的影响，利用主成分分析，对不同处理后青稞幼苗生长指标进行组合，提取特征值较高的主成分，并使其累积贡献率达到80%以上，用生成的主成分代替指标系统，为得分函数提供评价指标。在提取特征时，选择特征值大于1的向量，此过程中，可以提取出2个主成分，如表9所示，2个主成分的特征值由大到小排序分别为：8.12、1.60。相应地，各个主成分的方差贡献率分别为73.79%、14.51%，累积贡献率达88.30%，代表了88.30%青稞幼苗生长的信息。即选取这2个主成分作为新的评价指标，能够替代原始数据中88.30%的数据变化方向（表9）。表10可以看出提取出来的主成分的系数、载荷，Y1（第一主成分）、Y2（第二主成分）被用来表示2个主成分，主要指标包括：株高、根鲜重、叶鲜重、根干重、叶干重、根体积、根长、茎粗、叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素，不同主成分各指标前的系数通过运算得到（以不同主成分中各指标特征向量除以其对应特征值的算术平方根）。它能够用来表示各单项指标对于对应主成分的重要程度并决定了该主成分的实际意义。通过分析载荷，发现株高、鲜重、干重、根长、叶绿素a和类胡萝卜素在主成分1上具有较高的载荷，叶绿素b在主成分2上具有较高的载荷，并且Y1和Y2的累积贡献率已达到88.30%，能够解释大部分数据方差变化，因此可以使用它进行综合质量评价。

构建得分函数采取的方法为：主成分客观赋权法，将数据套用模型后得出主因子得分，并以其因子贡献率为权重，计算最终因子得分^[27]。由表3-7可知，2个主成分因子的权重分别为73.79%、14.51%，可得出2个主成分因子的得分，同时使用客观赋权法构造得分函数：

Y1=0.34*X1+0.32*X2+0.34*X3+0.35*X4+0.34*X5+0.27*X6+0.28*X7+0.28*X8+0.31*X9－0.03*X10+0.33*X11；

Y2=0.16*X1－0.31*X2+0.09*X3－0.04*X4+0.09*X5－0.39*X6+0.23*X7+0.24*X8+0.08*X9+0.77*X10－0.08*X11；

用每个主成分对应特征值方差贡献率建立综合整合函数，通式为：

Y=0.74*Y1+0.15*Y2；

由表11可知，不同菌剂制作的园林废弃物堆肥对青稞幼苗生长有提升作用，但不同处理间也有明显差距，其中以GWC处理的效果最低，较CK也有明显促进效果，EM和HQ36-2之间差距不大，效果最好的为F1-5。

3 讨论与总结

3.1 讨论

虽然堆肥原料本身就含有大量微生物，但仅仅依靠堆肥原料自身微生物作用的进行堆肥会出现一系列问题，如堆肥时间较长，异味大，养分不平衡等。为了增加堆肥初期微生物群体种类和数量、缩短堆肥时间、增强微生物的降解活性，以及加速有机物分解，研究人员开展了对堆肥外源添加剂的研究。李轲等人的研究结果表明，添加起爆剂和微生物菌剂的园林废弃物堆肥可以显著提高产品质量，明显提高莜麦菜种子的发芽率和整齐度，促进莜麦菜植株的生长^[28]。王思远等等人的研究结果显示，在土壤中施入园林废弃物堆肥及微生物菌剂能够提高土壤全氮、全磷、速效钾的含量，促进土壤有机质的转化，从而改善土壤性状，提高土壤肥力^[4]。宋文忠在园林废弃物堆肥过程中添加有机肥和微生物菌剂可显著提升堆肥产品质量、显著促进芍药生长发育，其中以添加猪粪和酵素菌效果最佳^[29]。然而，目前对于堆肥外源添加剂的应用效果尚未得出统一的结论^[30]，需进一步研究解决这个领域所面临的问题。

3.2 总结

本次研究园林废弃物堆肥添加不同促生菌剂制成的堆肥对青稞幼苗株高、叶绿素、生物量和根系均具有显著性促进作用（P < 0.05）；园林废弃物添加不同菌剂堆肥均能有效改善土壤物理性质，降低土壤容重和pH，增加孔隙度、含水量、EC和有机质，其中以GWC综合效果最为显著；园林废弃物添加不同菌剂堆肥均能显著提高土壤全氮、碱解氮和全钾的含量（P < 0.05）；全磷显著性差异并不大，但均低于CK处理；有效磷和速效钾较CK呈不同变化，有效磷以GWC效果最高（6.07 g·kg^-1），速效钾以HQ36-2效果最高（234.79 g·kg^-1）；园林废弃物添加不同菌剂后过氧化氢酶活性较CK显著下降（P < 0.05），对蔗糖酶、脲酶和碱性磷酸酶均为上升；根据不同处理的青稞生长指标进行综合评价，其F1-5综合评分最高（2.66），可作为开发和推广青稞专用生物肥料的优良菌种。

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基金资助

1：“新农科”高原植物生产类专业提升实践创新能力平台建设(1001/533323003)

西藏农牧学院研究生创新计划项目(YJS2023-42)