堆肥过程中有机质和微生物群落的动态变化堆肥过程中有机质和微生物群落的动态变化.pdf

生态环境学报 2011, 20(11): 1745-1752 Ecology and Environmental Sciences E-mail: editor@ 堆肥过程中有机质和微生物群落的动态变化 1 2, 3 4 1* 张园 ，耿春女 ，何承文 ，蔡超 1. 中国科学院城市环境研究所城市环境与健康重点实验室，福建 厦门 361021 ；2. 上海市环境科学研究院，上海 200233 ； 3. 中国科学院南京土壤研究所//土壤与农业可持续发展国家重点实验室，江苏 南京 210008 ；4. 北京科技大学，北京 100083 摘要：利用 3 个容积约为 50 L 的平行生物反应装置研究堆肥过程中温度、湿度(水分含量) 、pH 值和有机质的动态变化情况。 按照 Van Soest 方法根据有机质不同的溶解特性将其分为：溶于沸水的有机质 H2O、溶于中性试剂的有机质 SOLU、半纤维 素(HEMI)、纤维素(CELL)和木质素(LIGN)。结果表明：反应装置内环境湿度调控在 60%左右时，堆肥系统内借助生化反应， 温度最高可达到约 50 ℃。堆肥材料在反应初期呈现偏酸性(pH=6.5) ，而随着反应的发生，pH 逐渐变为中性或弱碱性(pH=7.4)。 经过 20 d 的堆肥实验，有机质总量降解了约 47% 。在微生物作用下的各类有机质的降解率不同，按大小排序为 H2OHEMICELLSOLULIGN ，其降解率分别是 85%、56%、36%、32%和 27% 。为了深入理解堆肥过程中有机质的降解 机制，文章采用磷脂脂肪酸(PLFAs)技术对体系中的微生物群落变化进行了初步分析，发现微生物优势群落随反应温度的改 变发生明显变化，在堆肥初期和堆肥中期，细菌占优势，而堆肥末期时真菌比例较高。在堆肥的过程中，革兰氏阴性菌的比 例呈下降趋势，而革兰氏阳性菌的比例呈上升趋势。 关键词：堆肥；有机质；Van Soest 方法；磷脂脂肪酸(PLFAs) ；主成分分析法(PCA) 中图分类号：X799.3 文献标志码：A 文章编号：1674-5906(2011)11-1745-08 堆肥过程是一个利用微生物降解有机物的生 杂多变性而未有明确的答案，也因此成为本实验拟 化过程，在这样一个生化反应中，有机质是微生物 探讨的主要问题。 赖以生存和繁殖的重要因素。由于堆肥原料来源广 1 实验材料和方法 泛，堆肥中有机质的成份复杂多样且可变，因此有 本实验在中法联合赞助下完成，其中堆肥实验 机物含量的多少、成份的变化等均会对堆肥过程产 主要在中科院生态环境研究中心完成，而使用 Van 生一定的影响。例如，有机质中可溶性部分的含量 Soest 方法[6]测定有机质组分的实验则在法国国家 在堆肥初期会迅速下降，这主要是因为水溶性物质 农业研究院完成(INRA-EGC)。 的快速降解，其是有机质中最不稳定的部分，也是 1.1 反应装置 最容易矿化的部分[1] 。另一方面，木质素和纤维素 本实验采用容积为 50 L 的圆筒形铁质反应装 间的高比例保证了堆肥最终产物的稳定性[2] ，而这 置(图 1)，高 60 cm ，直径为 27 cm。装置外围使用 2 mm 厚度的中空层，填充石英棉以绝热。反应装 又与堆肥的矿化过程中大量的碳元素损失相关联。 置内靠近底部放置一个孔径为 5 mm(6%的孔隙度) 除了有机质自身的性质外，一些环境因素也会直接 影响它们在堆肥过程中的降解：首先是温度[3] ，它 的带孔平板，便于装置内的堆肥