蚯蚓糞配施化肥對(duì)玉米根際土壤生物學(xué)特征的影響

徐 憲 斌

(德州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院, 山東 德州 253015)

蚯蚓糞配施化肥對(duì)玉米根際土壤生物學(xué)特征的影響

徐 憲 斌

(德州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院, 山東 德州 253015)

[目的] 探討蚯蚓糞與化肥配施對(duì)玉米根際土壤生物學(xué)性狀的作用效果，為土壤培肥制度的建立與玉米的合理施肥提供理論依據(jù)。[方法] 通過大田試驗(yàn)，研究CF(單施化肥)、VC(蚯蚓糞)與VC+CF(蚯蚓糞和化肥各提供50%的氮)等處理對(duì)玉米根系分泌物、根際土壤微生物數(shù)量、酶活性與腐殖質(zhì)組成的影響。[結(jié)果] 同CF處理相比，VC+CF處理顯著提高了根系分泌物含量，并明顯提高了根際土壤中微生物數(shù)量、微生物量碳含量及脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶、中性磷酸酶活性，其中細(xì)菌數(shù)分別較CK，CF與VC處理提高124.32%，62.99%和15.45%，脲酶活性分別高出44.27%，23.53%和12.50%。此外，VC+CF處理亦顯著提高了根際土壤中胡敏酸、富里酸含量和胡/富比。同VC+CF處理相比，VC處理對(duì)玉米根際土壤生物學(xué)特征的影響較小。[結(jié)論] 蚯蚓糞與化肥配施能較好地改善玉米根際區(qū)域的微生態(tài)環(huán)境。

玉米; 蚯蚓糞; 根系分泌物; 土壤酶; 腐殖質(zhì)

文獻(xiàn)參數(shù)： 徐憲斌.蚯蚓糞配施化肥對(duì)玉米根際土壤生物學(xué)特征的影響[J].水土保持通報(bào)，2017,37(1)：078-082.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.014; XU Xianbin. Effects of vermicompost co-applied with inorganic fertilizer on soil biological characteristics in rhizosphere of maize[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(1)：078-082.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.014

全球變化是當(dāng)前世界矚目的重要領(lǐng)域，其中氣候變暖與大氣氮沉降是人們的關(guān)注焦點(diǎn)[1]?；实拇罅渴┯脤?dǎo)致氮循環(huán)速率明顯加快[2]，并使土壤的固氮能力、碳/氮比及理化環(huán)境亦發(fā)生變化，顯著影響土壤微生物數(shù)量與群落多樣性[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)[4]，2011年中國(guó)化肥的施用量高達(dá)6.03×107t，平均施用量是發(fā)達(dá)國(guó)家化肥安全施用上限的2倍。但是，主糧作物的肥料利用效率卻呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。目前，中國(guó)主糧作物的氮肥利用率只有27.5%[5]。大量試驗(yàn)表明，長(zhǎng)期單施化肥能使土壤板結(jié)、酸化，引起土壤養(yǎng)分流失，而過量施用化肥勢(shì)必會(huì)加劇這些問題[5-7]。針對(duì)以上情況，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者做了大量探索研究，發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥的施用能明顯緩解由于過量施用化肥所引起的土壤酸化、養(yǎng)分流失等問題，且能顯著增加土壤有效養(yǎng)分，促進(jìn)微生物快速繁殖，增強(qiáng)保水、保肥性能[8-9]。但有研究表明[10]，單施有機(jī)肥雖然有助于土壤的可持續(xù)利用，卻存在增產(chǎn)效果較低的弱點(diǎn)，而將有機(jī)肥與化肥搭配施用則是比較理想的措施。

蚯蚓糞是通過蚯蚓消化有機(jī)廢棄物而產(chǎn)生的均勻顆粒，具有良好的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，疏松適度，通透性好，并有較強(qiáng)的保水與保肥能力；同時(shí)含有多種有利于植物生長(zhǎng)的腐殖質(zhì)、植物激素與酶類物質(zhì)[11]。中國(guó)從20世紀(jì)80年代已開始快速發(fā)展蚯蚓養(yǎng)殖業(yè)，北京、云南、寧夏等地均建有不同規(guī)模的蚯蚓養(yǎng)殖場(chǎng)，蚯蚓糞年產(chǎn)量高達(dá)數(shù)十萬(wàn)噸[12]。前人針對(duì)蚯蚓糞開展大量的研究，但主要集中于黃瓜、草莓、花卉等作物[12-14]，而應(yīng)用于玉米的研究報(bào)道相對(duì)較少，尤其關(guān)于玉米根際土壤微生物、酶活性及腐殖質(zhì)組成的研究報(bào)道甚少。土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分源與匯的一個(gè)巨大原動(dòng)力，在土壤養(yǎng)分循環(huán)和平衡、土壤理化性狀改善及生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[7]。土壤酶活性作為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量變化的預(yù)警與敏感指標(biāo)，可表征土壤的養(yǎng)分轉(zhuǎn)化進(jìn)程與綜合肥力特性[15]。而腐殖質(zhì)是土壤有機(jī)質(zhì)的主體部分，既能作為營(yíng)養(yǎng)元素的“庫(kù)”，還可影響土壤的礦物成分，其組成是衡量土壤肥力水平的關(guān)鍵指標(biāo)[16]。為此，本研究擬選用經(jīng)蚯蚓吞食牛糞后產(chǎn)生的蚓糞為供試原料，開展了蚯蚓糞配施化肥對(duì)玉米根際土壤生物學(xué)特征的研究，旨在為土壤培肥制度的建立與玉米的合理施肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與供試材料

試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在德州市運(yùn)河經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)蘆莊村九龍灣生態(tài)園，供試土壤為壤土，土壤速效N，P，K含量分別為95.26，36.07，98.39 mg/kg，有機(jī)質(zhì)含量為13.62 g/kg。供試蚯蚓糞為蚯蚓吞食牛糞后的產(chǎn)物，全量N，P和K含量分別為1.55%，1.12%和0.87%；有機(jī)碳含量為187.05 g/kg；有益菌群≥1.8億個(gè)/g；氨基酸總量為5.42%，其所含氨基酸種類在16～18種；pH值6.8。所用化肥為尿素(含N 46%)、過磷酸鈣(含P2O512%)和硫酸鉀(含K2O 50%)。玉米采用冬小麥—夏玉米輪作模式，其中玉米品種為中農(nóng)99(ZN99)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用田間小區(qū)試驗(yàn)，小區(qū)面積為136 m2(8.5 m×16 m )。共設(shè)4個(gè)處理： ① 不施肥(CK)； ② 單施化肥(CF)； ③ 蚯蚓糞(VC)； ④ 蚯蚓糞和化肥各提供50%的氮(VC+CF)。每個(gè)處理重復(fù)5次，共計(jì)20個(gè)小區(qū)，處理隨機(jī)排列。除CK外，各處理均為等養(yǎng)分量，N，P和K含量相當(dāng)于260.85，212.35，196.50 kg/hm2，各處理P和K不足部分分別用過磷酸鈣、硫酸鉀補(bǔ)足。全部有機(jī)肥作為基肥于播種前一次性深施；無(wú)機(jī)肥處理的尿素分2次施用，其中50%作為基肥播種時(shí)施入，剩余50%在大口期開溝追施。

玉米種植密度為52 000株/hm2，播種行距和株距分別為55 cm和35 cm。于2015年6月16日播種，9月29日收獲，整個(gè)玉米生育期共106 d。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

2015年9月29日(成熟期)采集土壤樣品。在土壤水分含量適中時(shí)利用剝落分離法[17]采集根際土，并將所取根際土壤樣品充分混勻后分為2份：一份新鮮土樣于4 ℃冰箱避光保存，盡快測(cè)定微生物數(shù)量和微生物量碳、氮；另一份樣品風(fēng)干，過1 mm篩后用于根系分泌物、土壤酶活性及腐殖質(zhì)組成的分析。

根系分泌物中氨基酸總量的測(cè)定采用甲醛滴定法；有機(jī)酸總量的測(cè)定采用液相色譜儀法；總糖的測(cè)定采用蒽酮比色法[18]。土壤微生物數(shù)量采用稀釋平板計(jì)數(shù)法，細(xì)菌采用牛肉蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基；放線菌采用改良高氏1號(hào)培養(yǎng)基；真菌采用馬丁—孟加拉紅培養(yǎng)基[7]。土壤微生物量碳的測(cè)定采用氯仿熏蒸K2SO4浸提法[19]。土壤脲酶活性的測(cè)定采用靛酚藍(lán)比色法；蔗糖酶活性的測(cè)定采用3，5—二硝基水楊酸比色法；過氧化氫酶活性的測(cè)定采用高錳酸鉀滴定法；中性磷酸酶活性的測(cè)定采用磷酸苯二鈉比色法[20]。腐殖質(zhì)各組分的測(cè)定采用焦磷酸鈉提取—重鉻酸鉀氧化法：首先用重鉻酸鉀氧化法測(cè)定腐殖質(zhì)全碳，并用氫氧化鈉—焦磷酸鈉混合液制備待測(cè)液，然后用重鉻酸鉀氧化法分別測(cè)定胡敏酸+富里酸的總碳量以及胡敏酸碳量，最后采用差值法即可分組[21]。

1.4 統(tǒng)計(jì)方法

采用Excel 2013處理數(shù)據(jù)并制圖，采用SAS軟件進(jìn)行方差分析和多重比較(LSD法，p<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 根系分泌物

由表1可以看出，施用蚯蚓糞的2個(gè)處理的氨基酸總量、有機(jī)酸總量與總糖含量顯著高于CK與CF處理，其中VC+CF處理的有機(jī)酸總量和總糖含量明顯高于其他處理，而氨基酸含量與VC處理差異未達(dá)顯著水平，分別較CK顯著提高57.38%，91.81%和68.20%，分別較CF處理顯著提高45.87%，52.23%和74.83%。同CK相比，CF處理顯著提高了有機(jī)酸總量，而對(duì)氨基酸總量與總糖含量的影響則較小。以上分析可見，不同施肥處理對(duì)玉米根系分泌物含量的影響呈現(xiàn)出明顯差異，施入蚯蚓糞較單施化肥可明顯增加玉米根系分泌物含量，其中配施蚯蚓糞處理的效果最顯著。

2.2 根際土壤微生物數(shù)量

玉米根際土壤中細(xì)菌、放線菌與真菌所占微生物總量的比例分別為61.31%～77.48%，21.79%～37.77%和0.83%～0.92%，可見細(xì)菌占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，放線菌次之，而真菌最少(表2)。與對(duì)照相比，各施肥處理能明顯增加根際土壤的細(xì)菌數(shù)、真菌數(shù)與微生物總量，而對(duì)放線菌數(shù)無(wú)顯著影響。

表1 不同處理對(duì)玉米根系分泌物含量的影響

注:數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差; 同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(p<0.05)。 下同。

在各施肥處理中，VC與VC+CF處理的細(xì)菌數(shù)、真菌數(shù)和微生物總量顯著高于CF處理；而VC+CF處理的細(xì)菌數(shù)、微生物總量均顯著高于其他處理，其中細(xì)菌數(shù)分別比CK，CF與VC處理明顯提高124.32%，62.99%和15.45%。

表2 不同處理對(duì)玉米根際土壤微生物數(shù)量與微生物量碳含量的影響

由表2還可見，不同處理微生物量碳含量的大小次序?yàn)椋篤C+CF>VC>CF>CK，且各個(gè)處理間差異均達(dá)顯著水平，其中VC+CF處理分別較CK，CF與VC處理顯著高出75.45%，42.24%和16.68%。以上分析認(rèn)為，施用蚯蚓糞較單施化肥可顯著提高玉米根際土壤的微生物數(shù)量與微生物量碳含量，其中蚯蚓糞配施化肥的效果更優(yōu)。

2.3 根際土壤酶活性

由表3可以看出，各處理脲酶和蔗糖酶活性的大小次序?yàn)椋篤C+CF>VC>CF>CK，且處理間差異均達(dá)顯著水平，可見，VC+CF處理的脲酶和蔗糖酶活性顯著高于其他處理，其中脲酶活性分別較CK，CF和VC處理明顯高出44.27%，23.53%和12.50%。VC+CF處理的過氧化氫酶活性與VC處理無(wú)顯著性差異，但顯著高于CK和CF處理。

從表3還可知，VC+CF處理的中性磷酸酶活性亦最高，并顯著高于其他處理，其次為VC處理，也明顯高于CK和CF處理，而CK與CF處理間差異不顯著。數(shù)據(jù)表明，蚯蚓糞與化肥配施處理的脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶和中性磷酸酶活性均顯著高于單施化肥。

表3 不同處理對(duì)玉米根際土壤酶活性的影響

2.4 根際腐殖質(zhì)組成

從表4可以看出，各個(gè)處理的胡敏酸含量并未表現(xiàn)出明顯的差異；VC+CF處理的腐殖酸碳、胡敏酸碳和富里酸碳均最高，并顯著高于其他處理，其中胡敏酸碳分別較CK，CF和VC處理顯著提高42.96%，30.41%和22.93%；而CK，CF和VC處理間的腐殖酸碳、胡敏酸碳和富里酸碳差異均未達(dá)顯著水平。同時(shí)，VC+CF處理較CK顯著降低了胡敏素碳與腐殖酸碳的比值，而CF，VC與CK無(wú)顯著性差異。從表4還可知，VC+CF處理的HA/FA比值最大，分別比CK，CF和VC處理明顯高出23.35%，12.51%和7.82%；依次為VC和CF處理，兩者間差異不顯著，但均顯著高于CK。

綜合分析可知，蚯蚓糞配施化肥處理較單施化肥能明顯提高胡敏酸碳和富里酸碳含量，并顯著增加HA/FA比值。

表4 不同處理對(duì)玉米根際土壤腐殖質(zhì)組分的影響

3 討 論

根際是植物—土壤—微生物相互作用的特殊微生態(tài)環(huán)境，根際微生物數(shù)量和種類是表征土壤肥力的重要生物學(xué)指標(biāo)[22]。本試驗(yàn)研究表明，施用蚯蚓糞處理較對(duì)照和單施化肥能顯著提高玉米根際土壤細(xì)菌數(shù)、真菌數(shù)和微生物總量。這說明施用蚯蚓糞可促進(jìn)土壤微生物生長(zhǎng)，主要是由于大部分微生物在土壤中實(shí)際上處于一種低營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，當(dāng)蚯蚓糞加入土壤后，為微生物提供了新的能源，使微生物在種群數(shù)量上發(fā)生較大的改變；另一方面，蚯蚓糞本身也帶入大量活的微生物，施入蚯蚓糞在某種程度上起到了“接種”的作用[7]。同時(shí)，本研究發(fā)現(xiàn)，蚯蚓糞處理對(duì)根際土壤放線菌數(shù)并未產(chǎn)生顯著影響，這與井大煒等[23]關(guān)于西瓜根際土壤微生物的研究結(jié)果不完全一致，造成這一差異可能與作物種類、土壤性狀和試驗(yàn)周期等因素有關(guān)。

土壤酶是土壤系統(tǒng)內(nèi)動(dòng)物、植物和微生物殘?bào)w或活體，通過催化土壤生化反應(yīng)發(fā)揮重要作用，是表征土壤肥力和土壤生物活性重要指標(biāo)[20]。土壤酶直接影響土壤能量代謝、物質(zhì)轉(zhuǎn)化及養(yǎng)分釋放和固定，與土壤肥力高低密切相關(guān)[15]。不同施肥處理會(huì)影響土壤微生物區(qū)系構(gòu)成、生物量和代謝過程，改變土壤酶活性。本試驗(yàn)得出，施用蚯蚓糞可明顯提高根際土壤酶活性，這與前人的研究結(jié)論[24-25]相類似，主要是因?yàn)轵球炯S有利于改善土壤理化性狀，調(diào)節(jié)土壤C/N，促進(jìn)作物與土壤微生物的生長(zhǎng)，而且蚯蚓糞能為土壤酶提供豐富的酶促基質(zhì)，發(fā)揮底物誘導(dǎo)作用，從而有助于土壤酶活性的提高[13]。此外，蚯蚓糞與化肥配施處理的微生物數(shù)量與土壤酶活性均明顯高于蚯蚓糞處理。這可能是由于配施蚯蚓糞能更好地調(diào)節(jié)土壤碳氮比，從而為微生物活動(dòng)與酶活性的提高創(chuàng)造了優(yōu)越的條件。同時(shí)，植物根系具有很強(qiáng)的合成功能，能夠合成氨基酸、植物堿和維生素等，且在植物的整個(gè)生長(zhǎng)期間進(jìn)行著很活躍的代謝作用，向根外分泌無(wú)機(jī)和有機(jī)物質(zhì)，即根系分泌物[25]。本研究表明，配施蚯蚓糞處理較單施化肥可顯著提高玉米根系分泌物中氨基酸總量、有機(jī)酸總量與總糖含量，這與劉方春等[22]在冬棗上的研究結(jié)論基本一致。可見，根系分泌物含量的提高也是增加土壤微生物數(shù)量和增強(qiáng)酶活性的重要原因之一。此外，有機(jī)酸總量的提高能降低根際土壤pH值，這有利于增強(qiáng)P，K與部分鹽類離子的溶解性，從而可提高根際土壤中養(yǎng)分離子的有效性[20]，促進(jìn)玉米對(duì)磷和鉀的吸收，對(duì)于玉米產(chǎn)量和品質(zhì)的提高具有積極意義。

腐殖質(zhì)是土壤有機(jī)質(zhì)的主體部分，是評(píng)價(jià)土壤肥力水平的重要指標(biāo)之一，而腐殖酸與胡/富比是其核心部分[26]。有研究表明[16]，有機(jī)—無(wú)機(jī)配施可以增加胡敏酸與富里酸的含量，而有機(jī)肥顯著補(bǔ)充了胡敏酸，或是礦化消耗的富里酸多于胡敏酸，從而升高了胡/富比值。本研究認(rèn)為，配施蚯蚓糞處理比單施化肥明顯提高了玉米根際土壤中胡敏酸、富里酸含量和胡/富比。這與朱青藤等[27]在白土土壤上的研究結(jié)論相似。可能是由于施用蚯蚓糞明顯改善了玉米根系的形態(tài)特征[28]，且增強(qiáng)了根系活性，從而促使根系分泌物增多；也可能與根際土壤微生物數(shù)量和土壤酶活性的提高有一定關(guān)聯(lián)；同時(shí)，微生物本身活動(dòng)的加劇可導(dǎo)致細(xì)胞死亡并加速殘?bào)w的分解，可能是引起胡敏酸增加的原因之一。而部分根系的腐解與脫落亦可能會(huì)改變土壤腐殖質(zhì)的組成成分[28]。

4 結(jié) 論

與單施化肥相比，蚯蚓糞與化肥配施處理能顯著提高玉米根系分泌物含量，并明顯提高了根際土壤中微生物數(shù)量、微生物量碳含量及脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶、中性磷酸酶活性；同時(shí)，配施蚯蚓糞處理亦顯著提高了玉米根際土壤中胡敏酸、富里酸含量和胡/富比。同配施蚯蚓糞處理相比，蚯蚓糞處理對(duì)玉米根際土壤生物學(xué)特征的影響較小。綜上所述，蚯蚓糞與化肥配施能較好地改善玉米根際區(qū)域的微生態(tài)環(huán)境。

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[25] 井大煒,邢尚軍,劉方春,等.保水劑—尿素凝膠對(duì)側(cè)柏裸根苗細(xì)根生長(zhǎng)和氮素利用率的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2016,27(4):1046-1052.

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[27] 朱青藤,申連玉,錢黎慧,等.有機(jī)物料對(duì)白土土壤胡敏酸結(jié)構(gòu)特征的影響[J].植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào),2015,21(2):396-403.

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Effects of Vermicompost Co-applied with Inorganic Fertilizer on Soil Biological Characteristics in Rhizosphere of Maize

XU Xianbin

(DezhouAcademyofAgriculturalScience,Dezhou,Shandong253015,China)

[Objective] The objective of this study is to explore the effect of vermicompost co-applied with inorganic fertilizer on biological characteristics in rhizosphere soil of maize and to provide theoretical basis for the development of the soil fertilizer system and reasonable fertilization of corn. [Methods] A field experiment was conducted to determine the effect of four treatments, CK(neither urea nor vermicompost was applied), CF(100% of nitrogen was provided by urea), VC(100% of nitrogen was provided by vermicompost), and VC+CF (50% and 50% of nitrogen was provided by vermicompost and urea, respectively) on root exudates, microorganism population, enzyme activities and humus composition in the rhizosphere soil of maize. [Results] The VC+CF treatment significantly increased root exudates, and microorganism population, microbial biomass carbon, as well as the enzyme activities of urease, invertase, catalase and neutral phosphatase compared with CF treatment. The bacterial population increased by 124.32%, 62.99% and 15.45%， and the urease enzyme activity increased by 44.27%, 23.53% and 12.50% compared with the treatments of CK, CF and VC, respectively. In addition, the VC+CF treatment also obviously increased the contents of humic acid and fulvic acid, and the ratio of humic acid to fulvic acid. However, effect on biological properties in rhizosphere soil of maize in VC treatment was less than that in VC+CF treatment. [Conclusion] In summary, vermicompost co-applied with inorganic fertilizer had better effect on micro-ecological environment in rhizosphere soil of maize.

maize; vermicompost; root exudate; soil enzyme; humus

2016-03-15

2016-07-25

山東省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目“魯西北地區(qū)新型日光溫室及其蔬菜生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究集成與示范”(2012GNC11108)

徐憲斌(1964—),男(漢族),山東省寧津縣人,本科,高級(jí)農(nóng)藝師,主要從事作物栽培技術(shù)研究。E-mail:xuxianbin007@126.com。

A

1000-288X(2017)01-0078-05

S154.34