沼渣是有機(jī)物發(fā)酵后剩余的固形物質(zhì)，富含腐殖質(zhì)、腐殖酸、微量營(yíng)養(yǎng)元素等多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，可以作為良好的土壤改良劑。隨著農(nóng)村沼氣池的普及，沼渣產(chǎn)量越來(lái)越大，預(yù)計(jì)2030年我國(guó)的沼氣年產(chǎn)量將超過(guò)3.0×1028m3，沼渣年產(chǎn)量將達(dá)到3.6×1023t，因此沼渣處置成了亟待解決的環(huán)境問(wèn)題。沼渣還田是目前沼渣資源化的主要方式，然而未充分腐熟的沼渣存在致病菌，而且會(huì)在土壤中繼續(xù)發(fā)酵消耗氧氣而產(chǎn)生較多熱量和有毒有害氣體，因此未充分腐熟的沼渣還田會(huì)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用，如抑制種子發(fā)芽、導(dǎo)致幼苗黃化、致使農(nóng)作物生長(zhǎng)速率低下甚至死亡等。沼渣堆肥處理可以穩(wěn)定有機(jī)物并抑制致病菌。目前，沼渣堆肥效率低是普遍性問(wèn)題。本研究通過(guò)分析沼渣堆肥的微生境因子與沼渣堆肥的水溶性有機(jī)物(DOM)穩(wěn)定化指標(biāo)的相互關(guān)系構(gòu)建沼渣堆肥穩(wěn)定化調(diào)控技術(shù)，用以加速腐殖質(zhì)向腐殖酸轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)沼渣堆肥的快速穩(wěn)定化。

1、材料與方法

1.1 堆肥原料

沼渣取自北京順義某農(nóng)戶(hù)家庭，豬糞和雞糞取自河北樂(lè)亭某實(shí)驗(yàn)基地，堆肥前將這3種堆肥原料晾干，其中豬糞碳含量較高，雞糞氮含量較高，而沼渣纖維含量較高。玉米秸稈也取自河北樂(lè)亭某實(shí)驗(yàn)基地，用于調(diào)整堆肥原料的碳氮比(C/N)，使用前粉碎至粒徑為0.1~0.5cm。

1.2 堆肥設(shè)備

堆肥設(shè)備主體部分為盛放堆料的圓柱形反應(yīng)箱，由不銹鋼罐體構(gòu)成，高度和底面直徑分別為0.40、0.33m，容積為34L，位于恒溫箱中，通過(guò)溫差控制裝置監(jiān)測(cè)和控制溫度，上方有氣體測(cè)定裝置，可在線(xiàn)監(jiān)測(cè)O2、H2S、CO2等氣體，同時(shí)配備有氣泵、氣體流量計(jì)、溫差控制裝置、氣體過(guò)濾裝置等，試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

表1設(shè)計(jì)了堆肥原料沼渣、豬糞、雞糞的三因素兩水平正交試驗(yàn)3013，通過(guò)玉米秸稈調(diào)整堆肥原料C/N后得到T1~T4不同堆肥處理物料的理化性質(zhì)，如表2所示，堆肥過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度和含水率變化，分別在第0天(升溫期)、第6天(高溫期)、第14天(降溫期)和第30天(腐熟期)各采兩份約100g的樣品，一份4℃保存用于監(jiān)測(cè)理化指標(biāo)，另一份-20℃保存用于監(jiān)測(cè)生物學(xué)指標(biāo)。

1.4 指標(biāo)監(jiān)測(cè)方法

含水率采用差重法3013測(cè)定;有機(jī)質(zhì)采用燒失量法測(cè)定;總氮采用堿性過(guò)硫酸鉀消解/紫外分光光度法測(cè)定;氨氮(AN)用納氏試劑光度法測(cè)定;pH用梅特勒FE28-StandardpH計(jì)測(cè)定;總碳用耶拿multiN/C2100總有機(jī)碳測(cè)定儀測(cè)定;纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的測(cè)定參照《飼料中粗纖維的含量測(cè)定》(GB/T6434—2022);C/N為總碳與總氮的質(zhì)量比。

種子發(fā)芽指數(shù)(GI)用油菜種子發(fā)芽試驗(yàn)法進(jìn)行測(cè)定。

用DP336土壤脫氧核糖核酸(DNA)試劑盒提取堆肥樣品中的總DNA，通過(guò)質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)DNA提取質(zhì)量后，以提取的DNA為模板，以534R和357F為特異性引物，進(jìn)行聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)，PCR產(chǎn)物用變性梯度凝膠電泳(DGGE)鑒定，最后通過(guò)計(jì)算香農(nóng)指數(shù)(SWI)解釋不同堆肥樣品的細(xì)菌群落多樣性。

DOM樣品的前處理方法參照文獻(xiàn)，使用總有機(jī)碳測(cè)定儀測(cè)定DOM濾液的溶解有機(jī)碳(DOC)，然后用UNICOUV-4802雙光束紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)掃描DOM紫外吸收光譜，掃描波長(zhǎng)為200~700nm，掃描間隔為1nm。測(cè)定254、280nm的吸光度，并分別計(jì)算與DOC的比值，分別記為SUVA254、SUVA280，分別用來(lái)表征腐殖酸的腐殖化程度和不飽和度、有機(jī)質(zhì)的芳構(gòu)化程度和分子量。測(cè)定250、365nm的吸光度(分別記為E250和E365)，并計(jì)算E250/E365，也可用來(lái)表征DOM的芳香性和分子量。測(cè)定253、203nm的吸光度(分別記為E253和E203)，并計(jì)算E253/E203，用來(lái)表征極性官能團(tuán)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

用IBMSPSSStatistics22.0軟件進(jìn)行光譜學(xué)指標(biāo)的單因素方差分析;用Canoco5.0軟件進(jìn)行冗余分析(RDA)，揭示微生境因子對(duì)DOM光譜學(xué)指標(biāo)變化的貢獻(xiàn)率;用IBMSPSSAmos26.0軟件構(gòu)建結(jié)構(gòu)方程模型，識(shí)別微生境因子的作用途徑。

2、結(jié)果與分析

2.1 細(xì)菌群落演替與多樣性變化

DGGE是分析細(xì)菌群落多樣性的有效方法，能有效反映不同生態(tài)環(huán)境中細(xì)菌群落的演替。由圖2可見(jiàn)，16SrRNA基因片段的條帶1、2、3、5、7幾乎存在于各個(gè)處理的整個(gè)堆肥過(guò)程中，這些細(xì)菌可能在堆肥過(guò)程中降解有機(jī)物方面起重要作用。4個(gè)處理的細(xì)菌群落多樣性在高溫期和降溫期發(fā)生了明顯變化，說(shuō)明原料配比不同導(dǎo)致堆肥理化性質(zhì)不同，進(jìn)而影響細(xì)菌群落多樣性。T2和T3沼渣含量低，雞糞、豬糞的相對(duì)含量高，更易于復(fù)雜有機(jī)物分解轉(zhuǎn)化為腐殖酸，從而提高了細(xì)菌群落的多樣性。

2.2 沼渣堆肥DOM穩(wěn)定化表征

用DOM的4種光譜學(xué)指標(biāo)(SUVA254、SUVA280、E253/E203、E250/E365)表征堆肥腐熟度，結(jié)果如圖3所示。4個(gè)處理中SUVA254、SUVA280、E253/E203在堆肥過(guò)程中總體呈上升趨勢(shì)，而E250/E365總體呈下降趨勢(shì)，由此說(shuō)明隨著堆肥進(jìn)行，DOM分子量、分子結(jié)構(gòu)的縮合度和不飽和度逐漸變大，DOM腐殖化程度加深。單因素方差分析結(jié)果顯示，各個(gè)處理的4種DOM光譜學(xué)指標(biāo)從升溫期到腐熟期均差異顯著，結(jié)合細(xì)菌群落DGGE氣泡圖(見(jiàn)圖2)，可以說(shuō)明堆肥從開(kāi)始到結(jié)束由于有機(jī)質(zhì)構(gòu)成發(fā)生變化導(dǎo)致細(xì)菌群落發(fā)生變化。升溫期的DOM光譜學(xué)指標(biāo)排序發(fā)現(xiàn)，SUVA254、SUVA280、E253/E203排序均為T4<T1<T2<T3，堆肥過(guò)程總體呈上升趨勢(shì)，表明T3處理的堆肥腐熟程度最好，穩(wěn)定化程度最高。因此按T3處理的原料配比最有利于沼渣堆肥DOM穩(wěn)定化。

2.3 影響DOM穩(wěn)定化的關(guān)鍵微生境因子識(shí)別

RDA通過(guò)原始變量與解釋變量之間的相關(guān)性分析引起原始變量差異的原因。本研究通過(guò)RDA來(lái)探究堆肥微生境因子與DOM光譜學(xué)指標(biāo)之間的響應(yīng)關(guān)系，結(jié)果如圖4所示，前兩軸的特征值占到了總特征值的99.02%。原始變量為DOM光譜學(xué)指標(biāo)，用實(shí)心箭頭連線(xiàn)表示;解釋變量為微生境因子，用空心箭頭連線(xiàn)表示。解釋變量連線(xiàn)在DOM光譜學(xué)指標(biāo)連線(xiàn)上的投影(即余弦值)表示微生境因子對(duì)DOM光譜學(xué)指標(biāo)的方差貢獻(xiàn)率大小。連線(xiàn)間的夾角反映了變量間的相關(guān)性，夾角越接近0°表示越呈正相關(guān)性，越接近180°表示越呈負(fù)相關(guān)性，越接近90°表示越不相關(guān)。由圖4可以看出，SUVA254、SUVA280、E253/E203與GI、pH、SWI呈正相關(guān)性，與AN呈負(fù)相關(guān)性;而E250/E365與GI、pH、SWI呈負(fù)相關(guān)性，與AN呈正相關(guān)性。綜合分析表明，GI對(duì)DOM光譜學(xué)指標(biāo)方差貢獻(xiàn)率最大。

2.4 微生境因子的作用途徑分析

為了更深入地探究堆肥微生境因子對(duì)DOM光譜學(xué)指標(biāo)的作用途徑，采用能夠直觀表示生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)關(guān)系的結(jié)構(gòu)方程模型進(jìn)行分析。圖5展示了4種微生境因子和4種DOM光譜學(xué)指標(biāo)之間的因果關(guān)系。其中，pH與GI呈顯著正相關(guān)性，AN與GI呈顯著負(fù)相關(guān)性，GI與DOM穩(wěn)定化指標(biāo)SUVA254、SUVA280、E253/E203均存在顯著正相關(guān)性，與E250/E365存在顯著負(fù)相關(guān)性，這與KONG等的研究結(jié)果一致。由此可以得出，pH、AN通過(guò)影響GI間接作用于DOM光譜學(xué)指標(biāo)，因此GI是作用路徑的關(guān)鍵。由圖5(b)還可以發(fā)現(xiàn)，SWI與SUVA280存在顯著正相關(guān)性，表明SWI在堆肥進(jìn)程中對(duì)芳香族化合物含量升高具有促進(jìn)作用，可能與微生物的芳香性代謝物有關(guān)。由圖5(d)發(fā)現(xiàn)，AN與E253/E203存在顯著負(fù)相關(guān)性，這與閆彩紅等的研究結(jié)果一致。綜上，GI是DOM穩(wěn)定化過(guò)程的關(guān)鍵微生境因子，pH、AN、SWI或直接或間接地也可影響堆肥穩(wěn)定化過(guò)程。

3、結(jié)論

(1)沼渣堆肥過(guò)程中，原料配比不同導(dǎo)致堆肥理化性質(zhì)不同，細(xì)菌群落多樣性各異，從而改變堆肥穩(wěn)定化進(jìn)程，按沼渣5.85kg、豬糞8.490kg、雞糞8.190kg的原料配比，堆肥腐熟程度最好，穩(wěn)定化程度最高，最有利于沼渣堆肥的DOM穩(wěn)定化。

(2)GI對(duì)DOM光譜學(xué)指標(biāo)方差貢獻(xiàn)率最大，是作用路徑的關(guān)鍵樞紐，直接作用于DOM穩(wěn)定化。pH、AN也可通過(guò)影響GI間接作用于DOM穩(wěn)定化，SWI在堆肥進(jìn)程中對(duì)芳香族化合物含量升高具有促進(jìn)作用。

(3)可以通過(guò)調(diào)控堆肥微生境因子(升高pH、GI、SWI，降低AN)來(lái)加速腐殖質(zhì)向腐殖酸轉(zhuǎn)化，達(dá)到提高DOM穩(wěn)定化程度的目的。（來(lái)源：聊城大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，聊城大學(xué)農(nóng)學(xué)與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院）