生物炭对蚯蚓堆肥过程中碳代谢的影响

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中国每年产生大量的农业废弃物,如果不能合理处置不仅造成资源的浪费,还会导致环境问题。蚯蚓堆肥已经被广泛应用于农业废弃物处理,在堆肥中添加生物炭对堆肥产生有利影响,然而不同的添加量与添加时间对堆肥过程影响均不相同,目前关于秸秆堆肥生物炭最佳添加剂量与添加时间的研究相对不足。本试验底物为秸秆与牛粪等比例混合物,共设置24个试验组,具体分组为:常规堆肥组(A)、蚯蚓堆肥组(B)。将底物混合均匀进行15d的预堆制,预堆制结束后,常规堆肥组继续进行堆肥,蚯蚓堆肥组接种蚯蚓,比例为120条/kg,蚯蚓品种为赤子爱胜蚓(Eisenia fetida)。所有组分别在不同时间添加生物炭,试验分组名称之后第一个数字表示添加生物炭时间,1表示第0天,2表示第15天,3表示第30天添加。第二个数字表示生物炭添加量,1表示未添加,2表示添加5%生物炭,3表示添加10%生物炭,4表示添加15%生物炭。堆制过程中定期取样,进行理化性质、酶活力、温室气体排放量以及微生物群落结构分析。主要研究结果如下:(1)堆制过程中,所有试验组的温度在15-35℃之间波动,堆肥第0天添加5%和10%生物炭提高了堆肥嗜热期的温度,并且加快了升温进程。p H值先升高后降低,最终趋于稳定,在堆肥中添加生物炭提高了堆肥的p H值。生物炭添加时间与添加量对堆肥底物电导率影响不同,总体来看,添加生物炭提高了堆肥的电导率。堆肥底物有机碳含量随着堆制的进行逐渐下降。添加生物炭的试验组可溶性有机碳降解程度更高。对于木质纤维素降解转化,试验结果表明,在堆肥第0天添加5%和10%生物炭降解效果最好。常规堆肥组添加5%、10%以及15%均提高了底物中木质纤维素的降解速率;在蚯蚓堆肥组,添加5%和10%均提高了木质纤维素的降解速率。在本次试验中,所有堆肥组还原糖在堆肥初期含量较高,在第15天时趋于稳定。在堆肥前期E4/E6短暂升高,随后开始波动或者下降,试验组中,添加生物炭之后,底物的E4/E6出现了波动,说明生物炭改变了底物中E4/E6。(2)添加生物炭显著提高了常规堆肥与蚯蚓堆肥中羧甲基纤维素酶活力。木聚糖酶活力在第15天达到了峰值,添加生物炭提高了蚯蚓堆肥中木聚糖酶活力。在第15天锰过氧化物酶活力达到最大值,堆肥第0天添加5%、10%以及15%生物炭提高了常规堆肥和蚯蚓堆肥中的锰过氧化物酶活力。漆酶活力在第60天达到最大值,在蚯蚓堆肥中添加生物炭增加了底物中漆酶活力。添加生物炭提高了常规堆肥以及蚯蚓堆肥中木质素过氧化物酶活力。(3)在本次堆肥试验中,添加生物炭降低了常规堆肥以及蚯蚓堆肥中的CO2排放通量以及排放总量,添加生物炭增加了常规堆肥以及蚯蚓堆肥中CH4的排放。(4)本次堆肥试验中细菌的优势菌属有Acinetobacter、Pedobacter、Mycobacterium、Streptomyces、Cellulosimicrobium和Bacillus。高通量测序结果表明,所有蚯蚓堆肥组底物中微生物多样性随着时间推移而增加,而添加5%以及10%生物炭的蚯蚓堆肥组微生物多样性高于对照组。
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