覆盖作物及其肥力效应大肠杆菌堆肥家禽粪便改良淤泥壤土的丰度

摘要

覆盖作物等土壤保护措施可以提高作物产量、土壤质量和水质。覆盖作物还可以影响土壤微生物的生长和活动。覆盖作物和施肥土壤可能储存和传播粪便细菌（例如。，大肠杆菌)至地表水，如发生径流及地下渗漏。虽然许多研究表明覆盖作物对土壤健康有好处，但很少有研究评估覆盖作物在多大程度上影响潜在的废物传播病原体的丰度。一项为期两年(2015-2017年)的研究在美国肯塔基州罗根县的一个资源有限的农场进行，以量化粪便指标的丰度大肠杆菌（大肠杆菌)细菌(作为粪便大肠菌群的代理人)在有或没有覆盖作物或堆肥家禽垃圾处理。覆盖作物包括谷类黑麦(Secale Cereale.奥地利冬豌豆(Pisum一和深红色三叶草(绛车轴草l .)混合。夏季作物包括免耕玉米(Zea Mays.l。） - 大豆（大豆l .)旋转。在每个夏季作物种植季节前后采集土壤样品并进行评估，以进行检测和枚举大肠杆菌。在研究期结束时，两组间无显著治疗差异大肠杆菌在土壤中检测到丰度(约10^4.CFU·g^-1） ( ）.然而，季节/时间是一个重要因素( ）.我们得出结论是背景大肠杆菌土壤中已经存在的腐殖质足够高，抑制了检测添加堆肥凋落物的影响。这些土著大肠杆菌不受覆盖作物和营养管理的影响，但确实在季节性的基础上波动。

1.导言

养护管理措施可以提高作物产量和土壤质量[1那2］.利用覆盖作物有许多好处，包括保护土壤不受侵蚀[3.那4.]加强土壤矿化[2那5.]，以抑制杂草和土传疾病[6.]更高效的营养循环[7.，改善土壤质量和产量[8.那9.］.从微生物角度看，覆盖作物改善了土壤通气性，增加了保水能力，提供了有效碳(C)，促进了土壤微生物的生长和活性[10］.然而，如果使用粪肥是一种保护措施，那么土壤可能是传播粪便病原体的蓄水池[11[和土壤 - 传播病原体可以污染农产品，特别是蔬菜，在作物生产水平。

高效的集成和应用程序以及在长期和可持续使用动物粪便中的覆盖作物可以控制病原体[12]但是研究了覆盖作物如何影响土壤中粪便细菌持续性的研究。Schutter等人。[13]观测到，季节是微生物群落结构的关键决定因素，而不是冬、夏覆盖作物的利用;大肠杆菌随着气温下降，人数减少。蒋等人[14的数据也迅速下降大肠杆菌在较低温度下，粪肥土壤中的数量。其他影响粪便细菌存在和存活的因素包括土壤类型、pH值、肥料施用量、养分有效性和竞争[15］.芦苇琼斯等。[11[展示时间，细菌种类，温度，沉淀和耕作影响了覆盖作物与土壤中的细菌数之间的关系。覆盖作物是一个因素大肠杆菌一年的持续存在，但升高的人口并没有持续到一年。

未经处理的粪便会将有害细菌（如病原体）带到土壤中，这些细菌可以存活数周，并随着时间推移转移到可食作物部位[16］.动物粪便的土地施用也使细菌病原体进入地下水，对生态系统和人类健康产生不利影响[17-20.］.虽然通常是良性的共生生物，但用作肠道病原体的代理，几个大肠杆菌菌株具有致病性，可导致人类严重出血性结肠炎和溶血性尿毒症[15那21-23］.

我们之前的研究表明，覆盖作物和家禽凋落物组合对土壤氮(N)矿化具有添加效应[2]及农作物生物量[24］.本研究的目的是量化粪便指示菌(大肠杆菌-粪便大肠菌群和更严重病原体的替代物）在不同的家禽粪便堆肥和化肥处理中，使用和不使用覆盖作物。这项研究进行了两年。根据之前的研究，我们的假设是覆盖作物不会影响粪便指示细菌的数量和存活。

2。材料和方法

2．1．研究场地和实验设计

从2015年秋季开始，在肯塔基州罗根县(36.88°N;86.60°W，海拔183米)。该站点属于温带湿润大陆性气候，年平均温度和降水量分别在7 - 21°C和991 - 1524毫米之间(图)1）.该地区全年大部分时间无霜期(154-219天无霜期)，平均生长期为5月至9月，生长期平均温度为22°C(图)1)。根据美国农业部土壤分类法，该土壤被归类为Crider粉质壤土（细粉质、混合、活跃、中生型古土壤），排水良好，坡度为2–6%。在研究期间，玉米(玉蜀黍属玉米L.)和大豆(大豆L.)与覆盖作物燕麦黑麦(Secale Cereale.)、奥地利冬豌豆(Pisum漂白亚麻纤维卷)，以及深红色三叶草(绛车轴草）.

田间试验采用随机完全区组设计，设4个重复(区组)。在小区内随机采用6种处理方法:(1)未修改的对照;(2)覆盖作物(CC);(3)禽粪堆肥(PL);(4)家禽凋落物堆肥和覆盖作物(PL + CC);(5)合成肥料(NPK);(6)肥料和覆盖作物(NPK + CC)。家禽垃圾堆肥以氮量为基础施用，由合成化合物组成的化肥以肯塔基大学合作推广服务中心推荐的确定用量施用[2那26］.禽类垃圾堆肥以1.78毫克·哈的速度应用^-12016年春季，夏季作物大豆和26.3毫克·哈^-1在2017年春季，当时夏季作物是玉米。

2.2. 土壤收集和实验室方法

在春季治疗应用之前，从表面土壤（0-15cm深度）收集二十四个土壤核心样品（各自的组合土壤核心），每年秋季的收获（表1）.使用土壤芯取样器(内径= 7 cm)获得土壤芯，并在每个处理地块的行与行之间取样。去除植物残余物和非土物质，用手将大块土块打碎。

土壤样本放在冰上，然后被运送到肯塔基州立大学进行进一步分析。现场数据采集后24小时内开始进行微生物分析。对土壤样品进行分析，进行检测和计数大肠杆菌．称取约5 g土壤，加入10 ml无菌盐水溶液中。一毫升这种混合物被用来进行连续稀释至1000倍。从1000倍稀释液中提取1毫升混合物，接种3 M™petrifilfilms的3个重复板，以检测是否存在大肠杆菌。将石化膜在37°C下培养48小时，然后计数每个石化膜上的阳性菌落。大肠杆菌在家禽垃圾堆肥中，在使用前也通过类似的程序进行了测试。所有结果均以干重基础上每克土壤或家禽垃圾堆肥的菌落形成单位表示。粪便细菌的含量(大肠杆菌)将日志转换为统计目的。作为参考，基线样本于研究开始前的2015年秋季采集。

2.3. 统计方法

对粪便细菌的治疗效果(大肠杆菌)通过比较处理（包括覆盖作物处理的地块和非覆盖作物处理的地块）来评估随时间变化的数字。我们还比较了给定年份内不同采样期的处理平均值。基于Tukey检验，使用单向方差分析（ANOVA）来比较平均值（一个单步、多重比较统计测试，用于找出彼此之间显著不同的平均值）。一个显著的F-测试在 ．使用SPSS (IBM SPSS Statistics version 22)进行分析。

3.结果与讨论

该站点有一个基线平均值大肠杆菌6.3 × 10计数^4.CFU·g^-12015年秋季种植覆盖作物前的土壤。这是因为在过去的5年里，该场地一直在用家禽粪便施肥(与业主的个人沟通)。Cooprider和Coyne研究了肯塔基州一种新的家禽凋落物修正粉壤土[27]土壤粪便大肠菌群数在2 × 10之间^3.6.4 × 10^4.CFU·g^-1，而类似的未改良土壤的粪便大肠菌群数为1-2 × 10²CFU·g^-1[28］.在整个研究过程中，来自家禽来源的凋落物是合成的，而不是新鲜的。因此,大肠杆菌施用前，家禽粪便堆肥本身的数量仅为66 CFU·g^-12016年6.3 × 10^3.CFU·g^-1在2017年。这些数字相对于报告的值是相当低的大肠杆菌在新鲜家禽粪便中(约10^7.·g^-1) ［29］.预期价格会很低是合理的大肠杆菌计数堆肥和干燥的材料。从土地使用的角度来看，下降了大肠杆菌数量是预期的，因此这是一个更安全的选择新鲜的垃圾。考虑不添加家禽凋落物堆肥的处理，每年的统计结果相同大肠杆菌以家禽凋落物堆肥处理后的土壤为例，我们可以得出家禽凋落物堆肥处理本身并没有改变土壤的肥力大肠杆菌要么浓度。在2016年，凋落物堆肥的施用率将改变土壤大肠杆菌浓度<0.01%，2017年<0.5%。因此，我们的研究主要评估添加家禽粪便堆肥本身和覆盖作物对常住土壤的影响大肠杆菌专注。

2016年春季，家禽凋落物堆肥和涵盖作物治疗都不是重要因素（ ;数字1)大肠杆菌专注。大肠杆菌与2015年秋季评估相比，所有治疗方法的数量急剧下降。相比之下,大肠杆菌2016年春季（在家禽垃圾堆肥之前）秋季秋季的计数显着增加（ ;数字1）.增长最大的大肠杆菌计数（+3.1 log cfu·g^-1结果表明，NPK + CC处理对土壤的影响最大，且增幅最小(+2.2 log CFU·g)^-1在PL + CC处理下，土壤中发生了明显的异常。覆盖作物和家禽凋落物堆肥处理均不显著。其他的研究(11那18那28]发现与之间的强烈相关性大肠杆菌在春季和秋季采样期间，气温和降水等天气相关因素导致该季节的显著下降。因此，2015年秋季到2016年春季的下降是可以预见的。的增加大肠杆菌本赛季的计数没有被预测。在免耕实践中，覆盖作物可以保持土壤水分，并作为绝缘体缓冲土壤温度波动[30.那31］.2016年的春季比2017年更冷，而2月至8月的月份更潮湿(图)1），这可能会考虑居民土壤的韧性大肠杆菌(图2）.

在2017年,大肠杆菌2017年春季春季秋季的所有治疗中均拒绝（图3.）.降幅最大的是大肠杆菌(−1.3 日志 CFU·g^-1PL + CC处理的土壤)，但处理间差异无统计学意义( ）.正如Reed-Jones等人所证明的那样，这种下降并不像人们对新添加的粪便细菌所期望的那么大[11]和stoddard等人。[18]其中不可选定的基线大肠杆菌在应用后的几个月达到了这个值。

这大肠杆菌无论如何处理，2017年春季的数量都比2016年春季高得多。2016年1月和2月比2017年同期冷得多，这可以解释持久性的差异。尽管凋落物堆肥的施用量较高大肠杆菌计数，趋势是大肠杆菌与2016年相比，2017年略微下降到2016年时，略微下降;2016年降雨量略高于2017年，在7月和8月的重点夏季大幅上乘，这可能会占不同趋势。

缺乏治疗效果和相似性大肠杆菌在不添加任何禽畜垃圾堆肥的土壤中，土壤计数强烈反映了当地土壤的季节性变化大肠杆菌而不是受大肠杆菌在家禽粪便堆肥中。覆盖作物的存在没有影响。土壤还原大肠杆菌从2015年到2017年5月，背景有下降趋势大肠杆菌从季节到季节，因为家禽垃圾堆肥以农艺学相关的速率添加而不是新鲜的垃圾。对土壤微生物群落的凋落物效应持续只有4年在亚利桑那州家禽垃圾修订棉花的研究中[32尽管土壤中可培养的粪便大肠菌群变得无法检测，但总体而言，居民群体的多样性增加了。因此，添加家禽垃圾堆肥对土壤微生物种群的好处似乎大于添加粪便微生物的潜在危害。

4.结论

覆盖作物对作物生长没有影响大肠杆菌动力学。与单独或单独使用覆盖作物和家禽垃圾堆肥对粪便细菌数量的影响相比，两者的联合作用没有显著性意义(例如，大肠杆菌)在这两个年份（2016年和2017年）。作物处理的效果可能受到不同覆盖作物品种（大豆和玉米）、降水、温度和时间的相互作用的限制大肠杆菌在某一年的抽样周期之间是否具有统计学意义，但抽样周期之间的时间检测大肠杆菌也长了。许多相互作用在种群动态中起着作用大肠杆菌可能在春季和秋季取样期间被遗漏了。先前的研究表明，温度和湿度(降雨)是种群动态的关键驱动因素大肠杆菌这项研究也证明了这一点。覆盖作物既不增加也不减少土壤大肠杆菌计数。

数据可用性

用于本研究的数据可以在对Maheteme Gebremedhin的要求下获得（maheteme.gebremedhin@kysu.edu.）.

披露

内容完全是作者的责任，并不一定代表肯塔基NRCS的官方观点。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

致谢

这项研究得到了肯塔基州NRCS保护创新计划的全力支持。68 - 5 - c16 - 15 - 5251)。Sait Sarr感谢肯塔基州立大学农业、社区和环境学院的研究生资助。作者感谢以下人员在设计、现场取样、数据收集和实验室分析过程中提供的帮助:Jason Simmons、Tierra Freeman-Taylor、Edwin Chavous、Ronald Bunton和Leroy Ballew。

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