許傳陽(yáng) 楊英 唐建恒 許晴 高志鑫 齊明

摘? ? 要：為探討蔬菜廢棄物水熱處理產(chǎn)物對(duì)小白菜生長(zhǎng)的影響，對(duì)蔬菜廢棄物進(jìn)行高溫水熱處理，將得到的固態(tài)和液態(tài)產(chǎn)物作為土壤改良劑，進(jìn)行為期35 d的小白菜幼苗生長(zhǎng)試驗(yàn)。結(jié)果表明：210 ℃水熱固態(tài)產(chǎn)物改良土壤中（簡(jiǎn)稱S210B），小白菜長(zhǎng)勢(shì)較好，與CK相比，其產(chǎn)量、株高、莖圍、根長(zhǎng)分別增加了42.82%、18.18%、13.21%和82.61%。土壤中添加稀釋30倍的210 ℃水熱液態(tài)產(chǎn)物（簡(jiǎn)稱Y210（30））后，小白菜的長(zhǎng)勢(shì)更佳，且氮、磷、鉀養(yǎng)分含量分別高出CK 12.16%、26.42%和37.46%。2種處理的根際土壤中主要細(xì)菌群落在門(mén)水平上的變化趨勢(shì)較為相似，優(yōu)勢(shì)菌群為厚壁菌門(mén)和變形桿菌門(mén)。綜上，蔬菜廢棄物水熱產(chǎn)物作為有機(jī)肥具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：蔬菜廢棄物；水熱產(chǎn)物；細(xì)菌群落；有機(jī)肥；資源化利用

中圖分類號(hào)：X712? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006－6500.2024.05.014

The Effect of Hydroheat Products from Vegetable Waste on the Growth Characteristics of Chinese Cabbage and Soil Microorganisms

XU Chuanyang1， YANG Ying2，TANG Jianheng2， XU Qing2，GAO Zhixin2，QI Ming2

（1.School of Business Administration， Henan University of Technology， Jiaozuo， Henan 454003， China; 2.School of Resources and Environment， Henan University of Technology， Jiaozuo， Henan 454003， China）

Abstract： To investigate the effects of hydrothermal treatment products of vegetable waste on the growth of Chinese cabbage， vegetable waste had been subjected to high-temperature hydrothermal treatment， and the solid and liquid products obtained had been used as soil amendments for a 35-days experiment with Chinese cabbage seedlings. The results showed that the Chinese cabbage grown in the soil amended with the solid hydrothermal product at 210 ℃（S210B） had better growth， with an increase of 42.82% in yield， 18.18% in plant height， 13.21% in stem diameter， and 82.61% in root length compared with the control. The Chinese cabbage grown in the soil amended with the liquid hydrothermal product at 210 ℃ diluted 30 times（Y210 （30）） had even better growth， with higher nitrogen， phosphorus， and potassium nutrient contents than the control by 12.16%， 26.42% and 37.46%， respectively. The trends in the changes of the dominant bacterial communities at the phylum level in the rhizosphere soil of the two treatments were similar， with the dominant bacterial community being the Firmicutes and the Proteobacteria. In conclusion， the hydrothermal products of vegetable waste as organic fertilizers had certain application value.

Key words： vegetable waste; hydrothermal products; bacterial communities; organic fertilizer; resource utilization

近年來(lái)，我國(guó)在農(nóng)業(yè)上的化肥施用量越來(lái)越高，傳統(tǒng)化肥的投入使用有效地提高了作物產(chǎn)量[1]，但長(zhǎng)期單一使用化肥會(huì)造成土壤板結(jié)、酸化等問(wèn)題，進(jìn)而導(dǎo)致作物產(chǎn)量和品質(zhì)下降，還會(huì)引發(fā)氨揮發(fā)、溫室氣體的超量排放等各種污染問(wèn)題[2]。目前，生態(tài)有機(jī)肥顯示出巨大潛力，在對(duì)土壤環(huán)境進(jìn)行改善的同時(shí)，能夠促使農(nóng)作物增產(chǎn)，還有利于緩解過(guò)量使用化肥所帶來(lái)的問(wèn)題，減少有機(jī)廢棄物的浪費(fèi)和環(huán)境污染[3-5]。因此，大力發(fā)展有機(jī)肥已成為我國(guó)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的基本政策[6]。目前，對(duì)綠色廢棄物進(jìn)行就地處理，通過(guò)生物降解和腐殖化，可以將蔬菜廢棄物轉(zhuǎn)化為肥料，改善土壤品質(zhì)和增加作物產(chǎn)量。

蔬菜廢棄物的含水率普遍較高，而通過(guò)熱水處理后養(yǎng)分損失較小，安全利用效果更佳。與傳統(tǒng)的焚燒和堆肥處理相比，水熱處理更具實(shí)際應(yīng)用性更強(qiáng)。因此，水熱處理蔬菜廢棄物是一種無(wú)害化處理新途徑，反應(yīng)過(guò)程溫和，可產(chǎn)生無(wú)毒無(wú)害的固體和液體產(chǎn)物，為實(shí)現(xiàn)綠色廢棄物減量化資源化提供了新思路[7]。研究表明，蔬菜廢棄物在水熱處理后的產(chǎn)物符合有機(jī)肥使用標(biāo)準(zhǔn)要求（調(diào)節(jié)pH值），對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量和作物生長(zhǎng)具有明顯的提升效果[8-12]。本研究旨在通過(guò)研究水熱處理產(chǎn)物在還田過(guò)程中對(duì)作物生長(zhǎng)指標(biāo)和根際土壤細(xì)菌群落的影響，推動(dòng)水熱技術(shù)在蔬菜廢棄物處理中的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用[13]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)前，將供試土壤剔除石子和植物殘留的根茬，自然風(fēng)干后，研磨過(guò)10目篩，保存以備使用。供試土壤及水熱產(chǎn)物等物料基本性質(zhì)如表1和表2所示。

1.2 試驗(yàn)方法

每盆播入15粒小白菜種子，覆土約2 cm。出苗后，選留長(zhǎng)勢(shì)接近的6棵植株，分別施加2種水熱產(chǎn)物。

（1）施加固態(tài)水熱產(chǎn)物

物料添加量占土壤干質(zhì)量的1%。根據(jù)上述方法種植蔬菜，設(shè)置4個(gè)處理。處理1：施入180 ℃下的產(chǎn)物（S180B）；處理2：施入210 ℃下的產(chǎn)物（S210B）；處理3：施入240 ℃下的產(chǎn)物（S240B）；處理4：供試土壤作為對(duì)照組（CK）。小白菜生長(zhǎng)35 d后進(jìn)行收獲。

（2）施加液態(tài)水熱產(chǎn)物

待蔬菜長(zhǎng)至3片真葉且苗高5～8 cm時(shí)，供試土壤施加物料Y180、Y210、Y240（分別稀釋15倍、30倍、45倍），每5 d施加1次；每次用量為100 mL，共施6次。施用時(shí)，先噴施葉面，以葉面剛好濕潤(rùn)為宜，同時(shí)進(jìn)行灌根，直到小白菜周邊土壤充分濕潤(rùn)。首次噴施35 d后，收獲小白菜。

1.3 樣品采集與測(cè)定

采樣時(shí)間為試驗(yàn)開(kāi)始后的第35天。采集小白菜時(shí)，注意保護(hù)根部。土樣采集時(shí)，使用土鉆在隨機(jī)選取5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行取樣，采樣深度為5～10 cm，每盆取土量為40 g。隨后，將取樣置于-80 ℃的環(huán)境下保存，以備測(cè)定土壤微生物。

使用土壤DNA提取試劑盒（MO-BIO Laboratories，Carlsbad，CA USA）測(cè)定土壤微生物。每次提取時(shí)重復(fù)3個(gè)平行試驗(yàn)，每個(gè)試驗(yàn)取0.25 ｇ樣品。隨后，使用基因組DNA純化試劑盒（Thermo Scientific，Hudson，USA）對(duì)DNA提取物進(jìn)行純化處理。之后，用瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)提取DNA的完整性，用Nanodrop 2000檢測(cè)DNA的純度和濃度。

將試驗(yàn)獲得的DNA混合，以獲得最終的代表性樣品。使用分光光度計(jì)測(cè)量DNA濃度，并將其存放在-80 ℃的條件下，一同送至美格基因科技有限公司進(jìn)行檢測(cè)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

本研究使用Microsoft Excel軟件和Origin軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使用SPSS 26.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，采用鄧肯氏新復(fù)極差測(cè)驗(yàn)（Duncan's new multiple range test）對(duì)各處理的平均數(shù)進(jìn)行多重比較，以檢驗(yàn)差異的顯著性（P=0.05），采用R語(yǔ)言中的ggplot2包作圖，以探索微生物群落與理化變量之間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)小白菜植株生長(zhǎng)的影響

在不同供試條件下，小白菜生長(zhǎng)幼苗表現(xiàn)如圖1所示，各項(xiàng)指標(biāo)均有提升。如圖2所示，對(duì)于生長(zhǎng)性狀而言，施加固態(tài)產(chǎn)物時(shí)，S210B效果最好，在根長(zhǎng)、產(chǎn)量、株高和莖圍表征上，比CK分別提升了45.24%、29.98%、15.38%和11.67%；施加液態(tài)產(chǎn)物時(shí)，相較CK，稀釋30倍的Y210（30）效果最佳，其根長(zhǎng)、產(chǎn)量、莖圍和株高分別提升了52.78%、45.35%、39.56%和23.07%。如圖3所示，對(duì)于氮、磷、鉀養(yǎng)分而言，施加固態(tài)產(chǎn)物時(shí)，S180B效果最好，其含量分別高于CK11.38%、15.87%和13.69%；施加液態(tài)產(chǎn)物時(shí)，稀釋15倍的Y210（15）效果最佳，其含量分別高于CK18.23%、31.79%、32.09%。由表3和圖2可知，對(duì)于小白菜生長(zhǎng)，液態(tài)產(chǎn)物施用效果普遍優(yōu)于固態(tài)產(chǎn)物，尤其是根長(zhǎng)、產(chǎn)量和磷、鉀含量遠(yuǎn)高于CK。

2.2 水熱產(chǎn)物還田土壤中細(xì)菌群落分布

土壤中的微生物會(huì)對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)產(chǎn)生積極影響，包括土壤改良、拮抗作用和防治肥料流失等方面。土壤細(xì)菌與蔬菜性狀以及氮磷鉀的相關(guān)性見(jiàn)圖4。土壤中含有大量的有機(jī)質(zhì)，這些有機(jī)質(zhì)不能被植物直接利用，必須經(jīng)過(guò)土壤中微生物的分解轉(zhuǎn)化后，才能夠被植物吸收利用。此外，植物也可以吸收土壤微生物分泌的代謝物和有機(jī)養(yǎng)分。

選擇蔬菜廢棄物水熱固態(tài)產(chǎn)物和供試原狀土壤進(jìn)行小白菜盆栽還田試驗(yàn)。蔬菜廢棄物水熱處理后，對(duì)土壤細(xì)菌群落分布具有明顯的影響，結(jié)果如圖5所示。各處理的土壤細(xì)菌群落主要表現(xiàn)26個(gè)門(mén)類，其中放線菌門(mén)（Actinobacteriota）、酸桿菌門(mén)（Acidobacteriota）、變形桿菌門(mén)（Proteobacteria）、厚壁菌門(mén)（Firmicutes）、擬桿菌門(mén)（Bacteroidetes）、疣微菌門(mén)（Verrucomicrobia）和綠彎菌門(mén)（Chloroflexi）的相對(duì)豐度較大。

2.3 蔬菜廢棄物水熱產(chǎn)物對(duì)土壤細(xì)菌alpha多樣性的影響

由圖6可知，使用不同的水熱產(chǎn)物S210B和Y210（30）作為底肥后，小白菜根際土壤中的細(xì)菌Alpha多樣性存在明顯差異。考慮到樣本的分類總數(shù)和每個(gè)分類的比例，群落多樣性越高，物種分布越均勻，Shannon指數(shù)就越大[14]。Simpson指數(shù)通過(guò)計(jì)算隨機(jī)取樣的2個(gè)個(gè)體屬于不同種類的概率來(lái)表征群落內(nèi)物種分布的多樣性和均勻度。

度多樣的微生物群落。通常情況下，Alpha多樣性越高，土壤中微生物的環(huán)境越健康。當(dāng)微生物群落的多樣性得到提高時(shí)，土壤生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力、穩(wěn)定性、可持續(xù)性也會(huì)隨之提高。S210B根際土壤細(xì)菌群落的Shannon和Simpson等指數(shù)均高于Y210（30）和CK，即水熱固態(tài)產(chǎn)物作為底肥的土壤微生物多樣性和均勻性顯著較高，此時(shí)土壤的微生物環(huán)境更有利于小白菜的根系生長(zhǎng)。相比CK，施用Y210（30）根際細(xì)菌的豐富度（richness）、豐富度估計(jì)值（chao1）和Simpson指數(shù)等多樣性指標(biāo)相對(duì)較弱，且豐度并不高，表現(xiàn)出一定程度的降低[24]。這可能與水熱產(chǎn)物復(fù)雜成分或稀釋倍數(shù)過(guò)大有關(guān)?？傊?，施用S210B的土壤中，微生物的Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)均高于供試土壤。這表明S210B可以作為有機(jī)肥料底肥使用，能顯著提高土壤微生物的覆蓋度和優(yōu)勢(shì)度，并在一定程度上促進(jìn)作物的生長(zhǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 秦淵淵， 郭文忠， 李靜， 等. 蔬菜廢棄物資源化利用研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)蔬菜， 2018（10）： 17-24.

[2] 常瑞雪. 蔬菜廢棄物超高溫堆肥工藝構(gòu)建及其過(guò)程中的氮素?fù)p失研究[D]. 北京： 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)， 2017.

[3] 劉安輝， 李吉進(jìn)， 孫欽平， 等. 蔬菜廢棄物漚肥在油菜上應(yīng)用的產(chǎn)量、品質(zhì)及氮素效應(yīng)[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)， 2011， 27（10）： 224-229.

[4] HE X Y， LIU Z X， NIU W J， et al. Effects of pyrolysis temperature on the physicochemical properties of gas and biochar obtained from pyrolysis of crop residues[J]. Energy， 2018， 143： 746-756.

[5] LEE J T E， KHAN M U， TIAN H L， et al. Improving methane yield of oil palm empty fruit bunches by wet oxidation pretreatment： Mesophilic and thermophilic anaerobic digestion conditions and the associated global warming potential effects[J]. Energy Conversion and Management， 2020， 225： 113438.

[6] 湯江武. 豬糞好氧堆肥高效菌篩選、工藝優(yōu)化及應(yīng)用研究[D]. 杭州： 浙江大學(xué)， 2008.

[7] 王國(guó)英， 袁京， 孔藝霖， 等. 堆肥種子發(fā)芽指數(shù)測(cè)定方法與敏感性種子篩選[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2021， 37（19）： 220-227.

[8] DING X L， YUAN Y R， LIANG Y， et al. Impact of long-term application of manure， crop residue， and mineral fertilizer on organic carbon pools and crop yields in a Mollisol[J]. Journal of Soils and Sediments， 2014， 14（5）： 854-859.

[9] NING C C， GAO P D， WANG B Q， et al. Impacts of chemical fertilizer reduction and organic amendments supplementation on soil nutrient， enzyme activity and heavy metal content[J]. Journal of Integrative Agriculture， 2017， 16（8）： 1819-1831.

[10] YANG Z C， ZHAO N， HUANG F， et al. Long-term effects of different organic and inorganic fertilizer treatments on soil organic carbon sequestration and crop yields on the North China Plain[J]. Soil and Tillage Research， 2015， 146（Part A）： 47-52.

[11] CARDINALE B J， MATULICH K L， HOOPER D U， et al. The functional role of producer diversity in ecosystems[J]. American Journal of Botany， 2011， 98（3）： 572-592.

[12] YADAV N， YADAV A N. Actinobacteria for sustainable agriculture[J]. Journal of Applied Biotechnology & Bioengineering， 2019， 6（1）： 38-41.

[13] 鄧正昕， 高明， 王鎣燕， 等. 化肥減量配施有機(jī)肥對(duì)檸檬根際/非根際土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響[J]. 環(huán)境科學(xué)， 2023， 44（2）： 1074-1084.

[14] 葉雯， 李永春， 喻衛(wèi)武， 等. 不同種植年限香榧根際土壤微生物多樣性[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)， 2018， 29（11）： 3783-3792.

[15] 尹萌， 孫寓姣， 李潔， 等. 生物質(zhì)廢棄物發(fā)酵過(guò)程中菌群多樣性及秸稈降解菌的篩選[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)， 2020， 36（3）： 591-598.

[16] SAXENA A K， KUMAR M， CHAKDAR H， et al. Bacillus species in soil as a natural resource for plant health and nutrition[J]. Journal of Applied Microbiology， 2020， 128（6）： 1583-1594.

[17] 龔雪蛟， 秦琳， 劉飛， 等. 有機(jī)類肥料對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)， 2020， 31（4）： 1403-1416.

[18] 李鳳霞， 郭永忠， 王學(xué)琴， 等. 不同改良措施對(duì)寧夏鹽堿地土壤微生物及苜蓿生物量的影響[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)， 2012， 28（30）： 49-55.

[19] ALI A， GHANI M I， DING H Y， et al. Garlic substrate induces cucumber growth development and decreases fusarium wilt through regulation of Soil microbial community structure and diversity in replanted disturbed Soil[J]. International Journal of Molecular Sciences， 2020， 21（17）： 6008.

[20] 劉守偉， 于慧穎， 吳鳳芝. 不同蔬菜根際細(xì)菌群落多樣性及輪作效應(yīng)[J]. 北方園藝， 2012（12）： 103-106.

[21] GAO Y， LU Y， LIN W P， et al. Biochar suppresses bacterial wilt of tomato by improving Soil chemical properties and shifting Soil microbial community[J]. Microorganisms， 2019， 7（12）： 676.

[22] 陳孟立， 曾全超， 黃懿梅， 等. 黃土丘陵區(qū)退耕還林還草對(duì)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響[J]. 環(huán)境科學(xué)， 2018， 39（4）： 1824-1832.

[23] 牛世全， 龍洋， 李海云， 等. 應(yīng)用IlluminaMiSeq高通量測(cè)序技術(shù)分析河西走廊地區(qū)鹽堿土壤微生物多樣性[J]. 微生物學(xué)通報(bào)， 2017， 44（9）： 2067-2078.

[24] BANDYOPADHYAY P， BHUYAN S K， YADAVA P K， et al. Emergence of plant and rhizospheric microbiota as stable interactomes[J]. Protoplasma， 2017， 254（2）： 617-626.