含镉堆肥施用对红壤微生物量、酶活性及微生物多样性_硕士学位论文.pdf

1 硕l j 学位论文 摘要 堆肥是我国农业生产的重要肥源 施用堆肥对于提供作物养分 维持土壤肥 力发挥了重要作用 长期以来堆肥一直被认为是一种安全肥料 在无公害食品 绿色食品 有机食品等安全农产品生产中 均强调堆肥的施用 然而 堆肥的重 要作用是以其本身无污染为前提 近年来 随着社会经济的发展和环境压力的日 益增加 城市生活垃圾 畜禽粪便等堆肥原料的重金属污染问题已经非常普遍 堆肥重金属污染问题日益突出 而重金属镉在土壤中又具有较强的生物活性 容 易被植物根系吸收而进入人类食物链 危害人体健康 迄今 关于含重金属的堆 肥对土壤环境的污染研究较少 因此 研究重金属污染堆肥施用后对土壤微生物 量 酶活性及微生物多样性的影响具有重要的意义 本文选取了我国南方广泛分布的早地红壤为供试材料 通过室内培养实验 采用连续提取法 P C R D G G E 技术等 探讨含C d 堆肥施用后 对红壤中微生物 量 C P 酶活性 脲酶 过氧化氢酶 脱氢酶和酸性磷酸酶活性 微生物多样 性的影响 以及C d 在红壤中的赋存形态 可交换态 碳酸盐结合态 有机结合态 F e M n 氧化态 残渣态 的迁移转化及生物有效性 在理论上 进一步完善并丰富 堆肥中重金属的基础研究 在实践上 为生产中堆肥的合理安全使用提供科学参 考 使用化学分析方法分析施用含C d 堆肥 浓度分别为7 8m g k g 8 8m g k g 1 2 8 m g k g 1 7 8m g k g 2 7 8m g k g 6 7 8m g k g 1 0 7 8m g k g 对红壤微生物量 及 酶活性的影响 研究结果表明 施用含C d 堆肥使红壤微生物量C 微生物量P 以及脱氢酶 过氧化氢酶 酸性磷酸酶的活性随着培养时间的延长而不断降低 相同培养时间 与对照相比 含C d 堆肥对微生物生物量P 酸性磷酸酶活性有抑 制作用 然而 C d 浓度小于2 7 8m g k g 堆肥 对微生物生物量C 有激活作用 其激活率为0 2 6 9 8 4 6 C d 浓度小于1 2 8m g k g 堆肥 对过氧化氢酶活性有激 活作用 其激活率为0 1 7 4 4 9 含C d 浓度为8 8m g k g 堆肥使红壤脱氢酶活性 增加1 6 1 6 1 脲酶活性在C d 浓度小于1 7 8m g k g 堆肥时 其活性随着C d 浓 度的增加而增加 然而 第2 0 天时 C d 浓度大于2 7 8m g k g 的堆肥对脲酶活性 有抑制作用 其抑制率为0 8 l 2 6 5 应用连续提取法和P C R D G G E 技术 探讨了含C d 堆肥 浓度分别为7 8 m g k g 1 2 8m g k g 1 0 7 8m g k g 施用后 C d 在红壤中各赋存形态的迁移转化以 及对微生物多样性的影响 研究发现 相同培养时间内 1 2 8m g k gC d 和1 0 7 8 m g k gC d 堆肥处理中可交换态C d 碳酸盐结合态c d 铁锰氧化态C d 含量均大 I I 一 含镉堆肥施用对红壤微 圭物量 酶活性及微生物多样忡的影响 于对照处理 其含量分别增加0 8 8 1 0 1 2m g k g 0 1 9 2 5 8m g k g 0 4 7 1 9m g k g 而有机结合态C d 随着堆肥中C d 浓度的增加而逐渐减少 其降低了0 0 5 N 0 3 4 m g k g 残渣态C d 变化不明显 D G G E 指纹图谱表明 含C d 堆肥对红壤微生物 有一定程度的影响 相同培养时f B J 时 含C d 堆肥对微生物多样性影响小 随着 培养时间的延长 微生物多样性发生变化 培养前1 4 天 D G G E 指纹图谱中的条 带如e g l n 亮度增强 且在培养第7 天 出现新增条带 h r A B C D 培养2 8 天后 A B C 等条带逐渐消失 说明含C d 堆肥对微生物种群有毒 害作用 各泳道条带进行相似性 C s 分析发现 培养前期不同处理中微生物D N A 基因相似性逐渐增加 最大值为9 4 而培养后期不同处理之间红壤微生物D N A 基因型相似性不断减低 减低到7 6 4 S h a n n o n 指数和C d 赋存各形态之间的相 关系数表明 对照处理对微生物多样性的影响不明显 1 2 8m g k gC d 堆肥处理中 碳酸盐结合态C d 对微生物有激活作用 1 0 7 8m g k gC d 堆肥处理中 可交换态 碳酸盐结合态对微生物有抑制作用 综上所述 含C d 堆肥对微生物生物量P 酸性磷酸酶活性有抑制作用 小于 2 7 8m g k gC d 堆肥对微生物生物量C 有激活作用 小于1 2 8m g k gC d 堆肥对过 氧化氢酶活性有激活作用 8 8m g k gC d 堆肥对脱氢酶活性有激活作用 脲酶活 性在C d 浓度小于1 7 8m g k g 堆肥时 其活性随着C d 浓度的增加而增加 C d 在 红壤中各赋存形态发生了迁移转化 D G G E 指纹图谱说明碳酸盐结合态C d 对微 生物有激活作用在1 2 8m g k gC d 堆肥处理中 可交换态C d 碳酸盐结合态C d 在1 0 7 8 m g k gC d 堆肥处理中对微生物有抑制作用 关键词 C d 堆肥 红壤 P C R D G G E 连续提取法 微生物生物量 酶活性 微生物群落 I l l 硕l 学位论文 A b s t r a c t C a d m i u mi sak i n do fd i s p e n s a b l ec h e m i c a le l e m e n tf o rp l a n tg r o w t h I th a sa s t r o n gt o x i c i t yt ol i v i n g s S op e o p l ep a ym o r ea t t e n t i o nt oe n v i r o n m e n tp o l l u t i o n c a u s e db yc a d m i u m C o m p o s ti sa ni m p o r t a n tf e r t i l i z e ri na g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o n T h e u s eo fc o m p o s tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ea s p e c t so fo f f e r i n gp l a n tn u t r i e n t sa n d k e e p i n gs o i lf e r t i l i z e re f f i c i e n c y C o m p o s ti sr e g a r d e da sav e r ys a f ef e r t i l i z e r f o ra l o n gt i m ei n t h e p r o d u c t i o no fs a f ea g r i c u l t u r a lp r o d u c t s a sn oe n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o nf o o d g r e e nf o o da n do r g a n i cf o o d H o w e v e r n op o l l u t i o no fc o m p o s ti t s e l f i st h ep r e m i s eo ft h eg r e a te f f e c to fc o m p o s t W i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m y a n dt h ei n c r e a s i n go fe n v i r o n m e n tp r e s s u r ei nr e c e n ty e a r s t h ep o l l u t i o no fc o m p o s t i t s e l fi sb e c o m i n go u t s t a n d i n g T h ea p p e a r a n c eo fe n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nc a u s e db y u n s u i t a b l eu s eo fc o m p o s ti Sf r e q u e n t H o w e v e r b e c a u s ec a d m i u mh a sas t r o n g b i o a v a i l a b i l i t yi nt h es o i l i ti se a s yf o rp l a n tt oa b s o r bb yr o o t sa n dt h e ng e ti n t o h u m a nf o o dc h a i nw h i c hi Sb a df o rh u m a nb e i n g sh e a l t h y U pt on o w t h e r ew a sf e w s t u d i e sa b o u th e a v ym e n t a lc o n t a m i n a t e dc o m p o s to nr e ds o i le n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n T h e r e f o r e r e s e a r c h e so nh e a v ym e n t a lc o n t a m i n a t e dc o m p o s ti n f l u e n c i n go nr e ds o i l p r o p e r t i e sa n dm i c r o b i a lc o m m u n i t yd i v e r s i t yh a ds i g n i f i c a n ti m p o r t a n c e I nt h i sp a p e r d r y l a n dr e ds o i lw h i c hw a sw i d ed i s t r i b u t e di nS o u t hC h i n aw a s s e l e c t e di nt h i ss t u d y C h e m i c a la n a l y s i s s e q u e n t i a l e x t r a c t i o nm e t h o da n d P C R D G G Ew e r eu s e dw i t hi n d o o rc u l t u r ec o n d i t i o n T h ee f f e c t so fC d c o n t a m i n a t e d c o m p o s to nr e ds o i lm i c r o b i a lb i o m a s sC P u r e a s e c a t a l a s e d e h y d r o g e n a s ea n d a c i d p h o s p h a t a s ea c t i v i t ya n dt h et r a n s f o r m a t i o no fd i f f e r e n tf r a c t i o n so fC d m i c r o b i a l c o m m u n i t yd i v e r s i t y w e r es t u d i e di nr e ds o i l T h er e s e a r c hc o u l dp r o v i d ef u t h e r i n f o r m a t i o no ne f f e c t so fh e a v ym e t a l sc o n t a m i n a t e dc o m p o s to ns o i l a n dc o u l d p r o v i d eas c i e n t i f i cr e f e r e n c ef o rt h ep r o d u c t i o no f r e a s o n a b l es a f e t yc o m p o s t C h e m i c a la n a l y s i sm e t h o d sw a su s e dt oa s s e s sc h a n g e so fm i c r o b i a lb i o m a s sa n d e n z y m ea c t i v i t i e sb e t w e e nc o m p o s ta n dc a d m i u m p o l l u t e dc o m p o s t 8 8m g k g 1 2 8 m g k g 1 7 8m g k g 2 7 8m g k g 6 7 8m g k g 1 0 7 8m g k gC d a p p l i e dt or e d s o i l R e s u l t ss h o w e dt h a ts o i lm i c r o b i a lb i o m a s sCa n dP a c t i v i t i e s o fc a t a l a s e d e h y d r o g e n a s ea n da c i dp h o s p h a t a s ed e c r e a s e di na l lt r e a t m e n t sd u r i n gt h ei n c u b a t i o n t i m e C o m p a r e dw i t ha l lt r e a t m e n t sa t t h es a m et i m e C d p o l l u t e dc o m p o s th a da n i n h i b i t o r ye f f e c to nm i c r o b i a lb i o m a s sPa n da c i dp h o s p h a t a s ea c t i v i t yt h a nc o n t r o l M i c r o b i a lb i o m a s sCw a sa c t i v a t e db y0 2 6 9 8 4 6 i n 2 7 8m g k gC dt r e a t m e n tt h a n I V J 含镉堆肥施用对红壤微生物量 酶活性及微生物多样忭的影响 t h a to fc o n t r 0 1 C a t a l a s ea c t i v i t yw a ss t i m u l a t e db y0 17 4 4 9 i nt r e a t m e n t sw i t h 1 2 8m g k gC d W h e nt r e a t e dw i t h8 8m g k gC d d e h y d r o g e n a s ea c t i v i t yi n c r e a s e db y 1 6 1 6 1 t h a nt h a to fc o n t r 0 1 U r e a s ea c t i v i t yi n c r e a s e db y0 5 6 6 5 9 0 w i t ha n i n c r e a s eo fC di nc o m p o s tw i t h 2 7 8m g k g C d t h eu r e a s ea c t i v i t yw a si n h i b i t e db y0 81 2 6 5 a tt h e2 0 伽d a y S e q u e n t i a l e x t r a c t i o n p r o c e d u r e a n d p o l y m e r a s e c h a i n r e a c t i o n d e n a t u r i n g g r a d i e n tg e le l e c t r o p h o r e s i s P C R D G G E a n a l y s i sw e r eu s e dt o s t u d yd y n a m i c s p e c i a t i o no fc a d m i u ma n dc h a n g e si nm i c r o b i a lc o m m u n i t yd i v e r s i t y r e s p e c t i v e l y i n r e ds o i ls t r e s s e db yd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o no f c a d m i u m p o l l u t e dc o m p o s t 7 8m g k g 1 2 8m g k g 1 0 7 8m g k g C d T h er e s u l t e ds h o w e dt h a te x c h a n g e a b l e c a r b o n a t e a n d F e M no x i d e sf r a c t i o n so fC dw e r eh i g h e ri n12 8 m g k gC da n d 10 7 8m g k gC d t r e a t e d p o l l u t e d c o m p o s tt r e a t m e n t st h a nt h a ti nt h ec o n t r o l s T h ep e r c e n t a g eo f e x c h a n g e a b l ef r a c t i o n c a r b o n a t ef r a c t i o n F e M no x i d e sf r a c t i o nw e r eh i g h e ri n C d c o n t a m i n a t e d c o m p o s t t r e a t m e n t st h a nt h a ti nt h e c o n t r o l s t h e y w e r e l 8 4 9 5 6 9 5 1 8 0 2 3 5 3 5 1 5 0 4 2 5 0 7 r e s p e c t i v e l y T h eo r g a n i c f r a c t i o no fC dd e c r e a s e dw i t hi n c r e a s e dC di nc o m p o s ta p p l i e dt or e ds o i l R e s i d u a l f o r m a t i o nd i dn o tc h a n g eo b v i o u s l yi na n yt r e a t m e n t D G G Ep r o f i l e si n d i c a t e dt h a t b a c t e r i ac o m m u n i t i e sw e r ea f f e c t e db yC d p o l l u t e dc o m p o s tt os o m ee x t e n t N e w b a n d s h r A B C a n dD e m e r g e da te a r l yi n c u b a t i o ns t a g e a n ds o m eb a n d s A B a n dC d i s a p p e a r e da tl a t ei n c u b a t i o ns t a g e S i m i l a r i t yc o e f f i c i e n t C s o fD G G E p r o f i l e ss h o w e dt h a tg e n e t i cs i m i l a r i t yi n c r e a s e db e f o r e14d a y s h i g h e s to f9 3 8 a n dd e c r e a s e da f t e r2 8d a y s 1 0 w e s to f7 4 6 H i g hS h a n n o n Sd i v e r s i t yi n d e x 功 r e v e a l e da c t i v a t i o ne f f e c to fC dt ob a c t e r i ac o m m u n i t i e s w h i c hm a i n l ya t t r i b u t e dt o t h ei n c r e a s eo fc a r b o n a t ef r a c t i o ni n1 2 8 m g k gt r e a t m e n t L o wHi m p l i e da n i n h i b i t i o no fb a c t e r i ac o m m u n i t i e si n10 7 8m g k gC dc o m p o s t w h i c hp o s s i b l yd u et o t h ei n c r e a s eo fe x c h a n g e a b l ea n dc a r b o n a t ef r a c t i o n s I ns u m m a r y s o i lm i c r o b i a lb i o m a s sC P u r e a s c c a t a l a s e d e h y d r o g e n a s e a c i d p h o s p h t a t a s ea c t i v i t yh a dac e r t a i nc h a n g ew i t ht h ei n c u b a t i o nt i m ea f t e ra p p l i c a t i o n o f h i g h C dc o n c e n t r a t i o n c o m p o s t t or e ds o i l L o w e rt h a n2 7 8 m g k g C d c o n t a m i n a t e dc o m p o s th a v ea na c t i v a t i o ni m p a c t so ns o i lm i c r o b i a lb i o m a s sC u r e a s e c a t a l a s e a n dd e h y d r o g e n a s ea c t i v i t y G e n e t i cs i m i l a r i t yi n c r e a s e di nt h ee a r l y i n c u b a t i o ns t a g e a n dd e c r e a s e di nt h el a t ei n c u b a t i o np e r i o d B a c t e r i ac o m m u n i t i e s w e r ea c t i v a t e db yc a r b o n a t ef r a c t i o ni n12 8 m g k gC dc o m p o s t a n di n h i b i t e db y e x c h a n g e a b l ea n dc a r b o n a t ef r a c t i o n si n10 7 8m g k gC d c o n t a m i n a t e dc o m p o s t V 硕l q 位论文 K e yw o r d s C a d m i u m C o m p o s t R e ds o i l P C R D G G E S e q u e n t i a le x t r a c t i o n M i c r o b i a lb i o m a s s E n z y m ea c t i v i t y M i c r o b i a lc o m m u n i t y V I 含镉堆肥施用对红壤微生物量 酶活性及微生物多样件的影响 目录 湖南大学 I 学位论文原创性声明 I 摘要 I I A b s t r a e t I V 第1 章绪论 l 1 1 堆肥的概述 1 1 1 1 堆肥的概念 1 1 1 2 堆肥利用现状及其作用 1 1 1 3 堆肥利用存在的问题 一3 1 2 重金属的环境污染 4 1 2 1 重金属定义及其污染特点 4 1 2 2 重金属污染现状 一5 1 2 3 重金属的控制标准 6 1 2 4 重金属形态划分方法 6 1 2 5 重金属的来源与危害 7 1 3 土壤微生物参数的基本概念 9 1 3 1 土壤微生物量 一9 1 3 2 土壤酶 9 1 3 3 土壤微生物群落 1 1 1 4 重金属对土壤微生物参数的影响 一1 1 1 4 1 重金属污染对土壤微生物生物量的影响 1 2 1 4 2 重金属污染对土壤酶活性的影响 1 2 1 4 3 重金属污染对土壤微生物种群结构的影响 1 3 1 5 微生物多样性研究方法 1 5 1 5 1 传统的微生物培养法 1 5 1 5 2B i o l o g 微平板方法 1 5 1 5 3 生物标记物 B i o m a k e r 法 15 1 5 4 分子生物学技术 1 6 1 6 分子生物学方法在土壤微生物多样性研究中的应用 1 7 1 6 1 研究样品的制备 17 1 6 2 土壤微生物特征核酸的获取与分析 1 8 1 6 3 聚合酶链式反应 P C R 扩增 1 8 V I I 一1 J 硕I 学位论义 1 6 4 基于P C R 的核酸技术 2 l 1 7 核酸探针检测技术 2 5 1 7 1 变性梯度凝胶电泳技术简介 2 6 1 7 2D G G E 的基本原理 2 6 1 7 3D G G E 在微生物生态学研究中的应用 2 6 1 7 4D G G E 技术自身存在的缺陷 2 8 1 7 5D G G E 在微生物生态学中的应用前景 2 9 1 8 本课题的研究目的及内容 2 9 1 8 1 研究目的和意义 2 9 1 8 2 研究内容 3l 1 8 3 技术路线 3 2 第2 章含镉堆肥施用对红壤微生量及酶活性的影响 3 3 2 1 前言 3 3 2 2 材料与方法 3 3 2 2 1 供试堆肥及红壤 3 3 2 2 2 实验设计 3 4 2 2 3 分析方法 3 4 2 3 结果与讨论 3 5 2 3 1 含镉堆肥对红壤p H 值的影响 3 5 2 3 2 含镉堆肥对红壤微生物量碳的影响 3 6 2 3 3 含镉堆肥对红壤微生物量磷的影响 3 8 2 3 4 含镉堆肥对红壤脲酶活性的影响 3 9 2 3 5 含镉堆肥对红壤过氧化氢酶活性的影响 4 0 2 3 6 含镉堆肥对红壤脱氢酶活性的影响 4 1 2 3 7 含镉堆肥对红壤酸性磷酸酶活性的影响 4 2 2 4 结论 4 3 第3 章含镉堆肥旌用对红壤镉形态与微生物多样性的研究 4 4 3 1 前言 4 4 3 2 材料与方法 4 5 3 2 1 供试堆肥及红壤 4 5 3 2 2 实验设计 4 6 3 2 3 重金属C d 的分析 4 6 3 2 4 总D N A 的提取 4 7 3 2 5D N A 的纯化 4 7 3 2 6P C R 扩增 4 8 V I i i I 含镉堆肥施用对红壤微生物鞋 酶活性及微生物多样性的影响 3 2 7D G G E 分析 4 8 3 2 8 统计分析 5 1 3 3 结果与讨论 5l 3 3 1 红壤中C d 的形态分布 5 l 3 3 2 红壤中C d 的各赋存形态含量 5 4 3 3 3 红壤微生物群落D N A 的P C R D G G E 分析 5 6 3 3 4D G G E 图谱S h a n n o n 指数分析 5 7 3 3 5D G G E 图谱相似性分析 5 7 3 3 6 微生物多样与C d 赋存形态的关系 5 8 3 4 结论 5 9 结论 6 0 参考文献 6 3 致谢 7 4 附录A 攻读学位期间发表的学术论文目录 7 5 1 硕l j 学位论文 插图索引 图1 15 4 株T r i c h o d e r m ah a m a t u m3 8 2 菌株的R A P D 图谱 2 2 图1 2细菌1 6Sr R N A 和真菌1 8 Sr R N A 的S S C P 2 4 图1 3 放线菌基因的S S C P 图 2 4 图1 4P C R 重扩增细菌的S S C P 2 4 图1 5 研究技术路线 3 2 图2 1 一含C d 堆肥对红壤p H 值的影响 3 6 图2 2 含C d 堆肥对红壤微生物生物量碳的影响 3 8 图2 3 含C d 堆肥对红壤微生物生物量磷的影响 3 9 图2 4 含C d 堆肥对红壤脲酶活性的影响 4 1 图2 5含C d 堆肥对红壤过氧化氢酶的影响 4 2 图2 6 含C d 堆肥对红壤脱氢酶活性的影响 4 3 图2 7 含C d 堆肥对红壤酸性磷酸酶活性的影响 4 4 图3 1 红壤中C d 的5 种形态浓度的变化 5 5 图3 2红壤中C d 的5 种形态百分含量的变化 5 6 图3 3红壤微生物1 6 Sr D N A V 3 区 经P C R 扩增的D G G E 图谱 5 8 图3 4红壤微生物D G G E 图谱的U P G M A 聚类分析 j 6 0 X 硕 学位论文 附表索引 表1 1F I S H 探测微生物常用荧光素 2 5 表2 1 施用含C d 堆肥后红壤微生物量碳降低的百分率 3 7 表2 2 含C d 堆肥对红壤微生物量磷的抑制率 一3 9 表3 1D G G E 图谱的微生物多样性指数分析 5 7 表3 2 红壤中C d 的5 种形态之间的相关性指数 5 9 X I LrL rk r J 1 硕 学位论文 1 1 堆肥的概述 第1 章绪论 1 1 1 堆肥的概念 堆肥是指用动植物残体 生物废料 排泄物等经发酵腐熟而成的肥料 在我 国的传统农业中是一个极为重要的肥料来源 几乎一切含有有机物质 及能够提 供多种养分的物料 都可称为堆肥料 堆肥料是一种富含腐殖质 高分子有机化 合物 微生物活体等有机胶体和各种粘土矿物的无机胶体 具有巨大的表面能 是速效养分与迟效养分 有机养分与无机养分兼容的储备库 含有作物生长所需 的多种营养元素 包括氮 磷 钾大量元素 硫 钙 镁 锌 钼 铜 铁等中 微量元素 能满足作物各个时期对养分的需求 此外 堆肥料还含有氨基酸 蛋 白质 糖 脂肪 胡敏酸等各种有机养分 是重要的营养源 堆肥保证了我国几千年来农业的发展 土壤肥力的维持和农村环境的安全 在现代农业中堆肥在发展安全农产品生产中仍然占有极其重要的地位 利用好堆 肥 可充分发挥其具有培肥地力 增强植物抗逆性 促进废弃物和城市垃圾的开 发利用 保护环境和修复净化土壤污染 以及改善作物品质及食品风味 提高农 产品国际市场的竞争力等多方面具有重要作用 也是无公害农业和有机农业生产 中不可或缺的肥源 1 1 2 堆肥利用现状及其作用 中国地大物博 人口众多 是典型的农业大国 我国堆肥原料十分丰富 就 堆肥资源而言 大致可分为三大类 基本资源 粪尿 秸秆 绿肥 饼肥 派生 资源 厩肥 堆沤肥 草木灰 沼气肥等 和可利用资源 塘泥 河泥 泥炭 城镇 垃圾 污水 污泥 植物性海肥等 每年总有机废物排放量为4 1 3 亿 4 3 4 亿t 其中蕴含粗有机质为1 2 2 7 亿t 氮 磷 钾总贮量约为8 7 3 4 万t 在这些有机 固体废弃物中 从氮 磷 钾养分资源来看 占主要地位的是畜禽粪便 其氮 磷 钾总贮量约为6 3 3 0 万t 相当于4 9 3 0 万t 尿素 1 1 9 4 0 万t 的过磷酸钙和3 3 8 0 万t 的氯化钾 占第2 位的是城市生活垃圾 再次是农作物秸秆 其氮 磷 钾 总贮量约为9 1 4 万t 1 1 据农业部农技推广中心的数据 堆肥在肥料总投入量中的 比例为 1 9 4 9 年9 9 9 1 9 5 7 年9 1 O 1 9 6 5 年8 0 7 1 9 7 5 年6 6 4 1 9 8 0 年4 7 1 1 9 8 5 年4 3 7 1 9 9 0 年3 7 4 t 2 1 据李家康的研究 这 比例在1 9 9 5 年降至3 2 1 2 0 0 0 年继续降至3 0 6 再据 2 0 0 4 年中国环境状况公报 公布 食镉堆肥施用对红壤微生物量 酶活性及微生物多样性的影响 的数字 2 0 0 3 年全国堆肥施用量仅占肥料施用总量的2 5 总之 我国堆肥的施 用比例已经降到了严重的程度 主要是由于建国以来中国的化肥工业得到了很大 发展 但是随着科学技术的迅猛发展 人们逐渐认识到长期使用化肥所造成的危 害 在国内 社会各界对化肥的不合理使用造成土壤酸化板结 结构破坏 导致 地力下降 作物品质变坏 损害人体健康等已形成共识 因此 堆肥的施用受到 了重视 目前 堆肥资源管理和利用上主要存在两方面的问题 一是堆肥资源丰 富 但利用率不高 比如 每年产生的6 5 亿t 作物秸秆 有3 0 被焚烧 1 0 左右丢弃沟渠 直接和间接还田的仅占总量的4 0 19 3 亿 t 畜禽粪便 有 2 5 3 0 进入水体 3 J 工厂化利用方式不足1 城市生活垃圾 污泥等基本上 未被利用 通过填埋 焚烧和堆积直接进入环境 造成严重的污染 4 二是堆肥 长期以来被认为是一种安全肥料 对堆肥资源的不当利用造成环境污染进而威胁 人类健康的认识不足 实践证明 增施堆肥是培肥土壤 提高地力的一项有效措施 因为堆肥具有 以下十分重要的作用 1 堆肥含有多种营养成分 被称作 全元素肥料 堆肥在矿化过程中 能 较长时间供给作物必需的多种营养元素和丰富的有机质 释放出各种养分供给作 物吸收利用 堆肥除了提供各种矿物质养分外 还能不断释放出二氧化碳 改善 作物的碳素营养 促进农作物增产 同时还可供给多种活性物质 如氨基酸 核 糖核酸 胡敏酸和各种酶等 尤其是腐熟的家畜 家禽粪中的酶活性高于土壤酶 活性的几十倍到几百倍 既能营养植物 又能刺激作物生长 还能增强土壤微生 物活动 提高土壤养分的有效性 2 堆肥在适宜的温度 湿度 空气等条件下 被微生物持续分解 并释放出 二氧化碳 同时产生多种形态的养分 释放的养分被作物慢慢吸收 比化肥的肥 效长 同时 堆肥料中的腐殖酸与土壤中的无机盐类形成一个配位体 即 螯合 作用 可提高肥料的有效性和化肥利用率 使化学肥料避免流失和污染 3 堆肥可改善土壤理化性状 提高土壤保水保肥能力 堆肥施入土壤被微生 物分解后 所产生的各种有机酸和碳酸 可加速土壤中的难溶性磷酸盐转化 变 为作物可吸收的养分 提高磷的有效性 发挥土壤潜在肥力 堆肥料进入土壤后 经微生物分解后缩合成新的腐殖质 吸收大量的水分及钾 钙 镁等离子 与土 壤中的粘土及钙离子结合 形成有机无机复合体 同时 腐殖质可促进土壤中水 稳性团粒结构形成 提高土壤的保肥能力 可改良盐碱地 另外 腐殖质还有加 深土壤颜色 吸热增温的作用 有利于种子萌芽和作物生长 其吸水能力强 有 助于作物的抗旱和抗涝 又可调节土壤的p H 值 因此 增施堆肥可增加士壤的抗 早保肥能力 有利于作物的高产和稳产 4 堆肥料能促进土壤微生物繁殖 提高微生物活性 促使有机物分解 没有 2 硕1 学位论文 大量土壤微生物存在 有机养分就得不到分解 形成土壤结构的腐殖质也难以形 成 连年多次施用堆肥的农田 绿肥田 微生物繁殖快 活力强 丰富了根际营 养 因此对作物生长发育有直接的关系 5 植株体内碳氢比例失调 氮的积累是病虫危害的重要原因 大量的实践证 明 堆肥料与化学肥料配合施用能提高农产品品质 堆肥施入土中产生的有机氮 磷 氨基酸 核酸能明显增加食品的蛋白质 糖 维生素以及芳香物质的含量 增加鲜嫩食品的干物质比重 从而使食品品质 风味 耐贮藏性提高 色泽 外 观明显改善 这种特殊作用是化肥不能替代的 6 堆肥中的腐殖质能吸收某些农药 从而消除农药残毒及减轻重金属污染土 壤 同时 施用堆肥可修复被污染的土壤 保持土壤清洁 土壤中有益微生物数 量占优势 生物多样性恢复 减少植物病虫害 与施用化肥相比 施用堆肥可减 少农药用量1 3 以上 1 1 3 堆肥利用存在的问题 随着我国工农业的发展 产生大量的有机废弃物 这些有机废弃物的农用是 处理这些废弃物最经济有效的措施之一 用这些物料生产的堆肥虽然可以提供有 机质和部分大中微量元素 但目前的堆肥已发生了质的变化 同样存在着严重的 安全隐患 尽管国内外学者提出的 有机农业 或 生态农业 均强调大量施用 堆肥 但越来越多的研究表明 大量施用堆肥对大气 土壤和水体等造成潜在威 胁 5 1 近年来 随着社会经济的发展和环境压力的日益增加 有关该领域的研究逐 渐成为热点 我国施用堆肥所产生的环境问题之一就是重金属污染问题 在我国 虽然已规定了商品堆肥的质量标准 但农业生产中普遍施用各种非商品化堆肥 来源广泛 复杂且难以管理和控制 且我国集约化禽畜养殖业快速发展 禽畜废 弃物成为堆肥主要资源 但我国饲料生产中存在长期超剂量添加重金属微量元素 的现象 大量重金属微量元素未被吸收就被排出体外 使禽畜粪便中含有重金属 元素 长期大量施用重金属含量高的禽畜粪便或各种厩肥 将会造成重金属等有 害物质在土壤中累积 5 1 大多研究认为有机物可降低重金属毒性 减少植物对期 吸收 6 而另有研究则认为堆肥对土壤重金属活性及作物吸收的影响视重金属种 类及其交换作用而有所区别 7 1 A l m a sA R 等 8 l 研究表明施用猪粪增加了黑麦草对 C d 和Z n 的吸收 实际上由于动物粪肥 作物及大气降尘中重金属浓度的不确定 多种因素综合作用导致重金属在农业土壤中积累表现出很强的不确定性 有资料 报道 肉鸡粪中砷的含量已经超过污泥农用标准 4 1m g k g t 9 1 长期施肉鸡粪的土 壤 C u Z n 含量已积累到毒害水平 关于堆肥对土壤原有重金属影响及本身带入 的重金属在土壤中的积累与被作物吸收情况尚待进一步研究 5 J 含镉堆肥施用对红壤微生物量 酶活性及微生物多样性的影响 针对目前施用堆肥产生的重金属污染问题 世界各国都采取了一系列的措施 意大利规定耕地上施用禽畜粪便的最高限量为4t h m 2 丹麦规定每公顷的奶牛粪 便最高限用量 H 9 2 A u 3 C u 2 c u C 0 2 P b 2 A s 3 P b C r 3 十 N i 2 其他离子 4 3 1 重金属对土壤酶活性呈现明显的剂量效应 L e b e d e v a l 4 4 1 发现质量分数为2 0 m g k g 不会引起脲酶活性明显降低 1 0 0 1 5 0m g k g 的Z n 和8 0 1 0 0m g k g 的P b 则使脲酶活性显著降低 石汝杰等 4 5 的研究表明 P b 对土壤脲酶活性表现出低浓 度下激活高浓度下抑制的作用 重金属的化学形态决定了其在土壤中的移动性和 生物利用率 重金属的生物毒性不仅与其总量有关 更大程度上取决于它们的化 学形态 杨红飞等 4 6 l 的研究显示在水稻土中 碳酸盐结合态C u Z n 对过氧化氢 酶活性的抑制作用最大 交换态P b 对脲酶活性的抑制作用最大 重金属污染常常是一种复合污染 除了重金属之间的复合 还有重金属和有 机质 城市固体废物 肥料等的复合污染 复合污染的生态效应和毒性效应较单 一污染更为复杂 近几年国内外已相继开展了重金属复合污染的研究 于寿娜等 4 7 l 的研究表明 C d 和H g 复合污染对土壤脲酶和酸性磷酸酶活性表现为协同抑制 作用 沈国清等 4 8 1 研究结果显示 Z n 和苯并a 芘相互作用对脲酶活性以及C d 和 Z n 交互作用对脱氢酶活性的影响均表现为拮抗作用 Z n 和菲 C d 和菲之间的交 互作用 无论是对脲酶还是脱氢酶均表现为协同作用 B a r b a r a 等 4 9 的研究结果 显示重金属和P A H 多轮芳香族碳氢化合物 复合污染下对土壤脱氢酶和磷酸酶 的作用强度较各自单独作用时大 1 4 3 重金属污染对土壤微生物种群结构的影响 土壤微生物种群结构是表征土壤生态系统群落结构和稳定性的重要参数 由 于土壤微生物通常和土壤粘土矿物和有机质结合在一起 生理及形态差异大 目 前对微生物种群进行定量分析还存在很大困难 而B i o l o g 碳素法是近年发展的能 根据微生物利用碳源引起的指示剂的变化 检测不同的微生物群落结构的先进方 含镉堆肥施用对红壤微生物量 酶活性及微生物多样性的影响 法 它对细菌群落测定的重现性较好 能区分不同土壤类型的微生物群落结构 及同一类型土壤下种植不同植物产生的群落结构差别 K n i g h t l 5 0 已经将B i o l o g 法应用于评价重金属污染对微生物群落结构的影响 K e l l f 等用此法发现锌会影响土壤微生物的群落结构和功能多样性 B r u c e I s 2 1 的研 究也表明在农田土壤中 锌含量超标会大大降低土壤微生物的多样性 各类菌对 重金属的敏感程度不同 对污染的耐性也不同 研究表明 一般表现为真菌 细 菌 放线菌 这便会引起微生物种群结构的变化 R o a n e 5 3 等通过D N A 分析 检 测镉污染及无污染的土壤中的微生物组成 结果发现 镉污染的土壤中可培养的 微生物数量减少 但分离出抗性微生物 其中的假单胞菌随镉浓度的提高 其抗 性也提高 S u h a d o l i c l 5 4 等的研究表明 污染重的土壤中耐性细菌比轻污染的土壤 中的耐性细菌数量多 土壤受锌 铅污染后 对固氮菌 纤维分解菌 木霉等菌 类起抑制作用 但耐性较强的大豆根瘤菌和含脂刚螺茵比无污染和污染较轻的土 壤多 在铝对微生物影响的研究中 发现随铝浓度的提高 氨化细菌 硝化细菌 和反硝化细菌的数量均增加 但当铝质量分数大