施加有機(jī)肥下木質(zhì)素對平邑甜茶根系活力及根際土壤微生態(tài)的影響

呂婷雯,沈汝波,楊洪強(qiáng),范偉國,張瑞雪,王利*,徐穎,曹輝,寧留芳,周春然

1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,山東 泰安 271018

2.山東臨朐縣果樹站,山東 臨朐 262600

3.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院,山東 泰安 271018

我國造紙工業(yè)發(fā)展十分迅速，在滿足人們生活需要的同時，也產(chǎn)生了許多廢棄物。而木質(zhì)素就是來源于廢棄物之一，它存在于植物細(xì)胞次生壁與胞間層的中間[1]。制漿廢液中的木質(zhì)素以改變土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，增加營養(yǎng)元素的有效性等方式來改善土壤質(zhì)量[2]。在土壤中施用木質(zhì)素復(fù)合肥后，其降解產(chǎn)物能有效結(jié)合土壤中分散的土粒膠體，降低土壤對磷、鉀等的吸附固持能力[1]。木質(zhì)素的抗誘變性可以產(chǎn)生類似鄰醌類植物生長激素，這種激素能夠促進(jìn)平邑甜茶植株幼苗根系的發(fā)展[3]。

木質(zhì)素能夠抑制脲酶活性[4,5]，且將其與氮肥配施有益于土壤中多酚氧化酶和過氧化物酶活性的顯著增加[6]。施用適量木質(zhì)素可增加冬小麥的生長量[7]。近幾年，以平邑甜茶（Malus hupehensisRehd.）為試材，對其進(jìn)行生理特性的研究有很大的進(jìn)展，但目前施用木質(zhì)素對平邑甜茶根系活力及土壤微生態(tài)環(huán)境影響的研究甚少，基于木質(zhì)素與有機(jī)肥的大量研究，本實(shí)驗將探討在不同有機(jī)肥添加量下，木質(zhì)素施入土壤后對植物根系活力及土壤環(huán)境的影響，以便更好地在生產(chǎn)中應(yīng)用。

土壤是植物賴以生存的大環(huán)境，土壤的改善導(dǎo)致根系環(huán)境的改變，它的養(yǎng)分狀況因多種因素而改變，如有機(jī)肥的施用及添加改良劑的種類等。土壤酶的存在使土壤中的微生物吸收足夠供植株生長的養(yǎng)分，對土壤中碳素循環(huán)及營養(yǎng)物質(zhì)的積累有很大的作用，在土壤中加入有機(jī)肥后，可以促進(jìn)土壤磷酸酶，過氧化物酶及脲酶活性[8]。土壤微生物作為土壤有機(jī)質(zhì)及土壤中養(yǎng)分分解的參與者，其活性某種程度上可以表征土壤的健康狀況。生物炭和有機(jī)肥組合可以改善土壤微生物多樣性[9]。

作為蘋果的一種砧木，平邑甜茶的抗病能力和適應(yīng)能力極強(qiáng)，其實(shí)生苗個體間差異小，是一種類茶植物[10]。本試驗以平邑甜茶為試材，在盆栽條件下，探討在施加有機(jī)肥條件下不同濃度木質(zhì)素對平邑甜茶根系活力及根區(qū)土壤酶活性和土壤微生物的變化，以期為進(jìn)一步木質(zhì)素資源的有效利用，改善根際土壤的環(huán)境和科學(xué)培育平邑甜茶提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2015年3～11月在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)南校區(qū)科技創(chuàng)新園進(jìn)行。供試植株為生長勢相近的1年生盆栽平邑甜茶，花盆內(nèi)徑36 cm，高27 cm，裝土量為10.2 kg。盆土（普通褐土、河砂按照8:2（V/V）均勻混合而成）的速效磷 27.3 mg·kg-1，堿解氮 54.9 mg·kg-1，速效鉀 33.9 mg·kg-1，有機(jī)質(zhì) 12.4 g·kg-1，pH 7.3，試驗用木質(zhì)素為堿木質(zhì)素，購自山東某木質(zhì)素生產(chǎn)有限公司。

1.2 試驗處理

試驗設(shè)計為在添加10%和40%體積配比的有機(jī)肥（主要成分為堿解氮1.1 mg·kg-1，速效鉀12.1 g·kg-1，有機(jī)質(zhì) 350.5 g·kg-1，速效磷 234.9 mg·kg-1）的盆土中，分別施入用量為 0、1.5、2.5 g·kg-1的木質(zhì)素，混合均勻，共6個處理；每處理3株供試平邑甜茶；2015年3月21日將長勢一致的一年生平邑甜茶栽入盆中，以未施木質(zhì)素的盆土為對照。在盆栽土壤相對含水量降到50%左右時對各處理進(jìn)行灌溉，使其達(dá)到含水量大約80%。取樣前一周內(nèi)不灌水。處理180 d后取樣測定。

1.3 測定指標(biāo)與方法

試驗于2015年11月下旬取樣測定，取樣時由于表層土壤相對干燥，微生物分布較少，所以用小鏟子刮掉表層土壤，在盆中均勻取出平邑甜茶根系及根系周圍的土壤，分揀出根系，剔除土壤中的雜物，用力抖動集中收集緊密粘附在根系表面的土壤為本次測定的根際土壤，1盆1株苗子，每個處理取3個重復(fù)，然后把根系放入冰盒中以測定根系活力；根際土壤裝進(jìn)自封袋，分成2份，1份放入帶有冰塊的保溫瓶中，帶回實(shí)驗室放進(jìn)4℃冰箱內(nèi)，以供測定土壤微生物等；另1份土壤自然風(fēng)干，研磨后過18目篩，用于測定土壤酶活性。

1.3.1 土壤的基本特性 參照楊劍虹等[11]測定土壤速效鉀、堿解氮及速效磷含量；土壤堿解氮采取堿解擴(kuò)散法來檢測；土壤速效鉀測定使用1 mol·L-1乙酸銨浸提-火焰光度法；土壤速效磷采取0.5 mol·L-1的碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定。采用Elab-TOC總有機(jī)碳分析儀測定土壤有機(jī)質(zhì)含量[12]。

1.3.2 根系活力 利用TTC法測定[13]。

1.3.3 土壤酶活性 土壤脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法，稱取5 g風(fēng)干土于50 mL三角瓶中于37℃恒溫培養(yǎng)箱24 h，之后顯色于578 nm比色測定；土壤堿性磷酸酶采取磷酸苯二鈉比色法，稱5 g風(fēng)干土置于50 mL三角瓶中于37℃恒溫箱中2 h，之后按標(biāo)準(zhǔn)曲線方法于510 nm比色測定光密度從而計算出磷酸酶活性；土壤纖維素酶采用硝基水楊酸比色法測定，稱取10 g土壤于50 mL三角瓶中于37℃恒溫箱中培養(yǎng)72 h，取培養(yǎng)后的濾液1 mL，按標(biāo)準(zhǔn)曲線方法于540 nm比色記錄；土壤蔗糖酶采取3,5-二硝基水楊酸比色法來測定，稱取5 g風(fēng)干土于50 mL三角瓶中于37℃恒溫箱中培養(yǎng)24 h，之后顯色于508 nm比色測定[14]。

測定土壤脫氫酶活性采用三苯基四氮唑氯化物比色法[15]。以2,3,5-三苯基四氮唑氯化物為基質(zhì)接受脫氫酶的活化的氫，反應(yīng)產(chǎn)物為2,3,5-三苯基甲臢，顯紅色。由甲臢的生成數(shù)量及紅色溶液吸光度，然后進(jìn)行定量分析，1 mg甲臢為150.35 μL H+計算出酶活性。

1.3.4 土壤微生物數(shù)量 土壤微生物（細(xì)菌、真菌、放線菌）計數(shù)采用稀釋涂抹平板法[15]。細(xì)菌培養(yǎng)采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基，真菌采用加孟加拉紅的馬丁氏培養(yǎng)基，放線菌采用改良高氏Ⅰ號培養(yǎng)基。置于28℃培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)，細(xì)菌培養(yǎng)2 d，真菌培養(yǎng)3 d，放線菌培養(yǎng)5 d后計數(shù)。微生物數(shù)量以每克樣品菌數(shù)表示。本試驗細(xì)菌采取代表性10-4梯度，真菌10-1梯度，放線菌10-5梯度，選取Shannon-Wiener指數(shù)代表用來計算微生物多樣性指數(shù)(H)，計算公式為：H=-∑(ni/N)*ln(ni/N)公式中ni為第i個物種微生物個體數(shù)量；N為群落中所有物種的微生物個體數(shù)目[16]。

1.3.5 數(shù)據(jù)處理 用Microsoft Excel 2003和DPS 7.05軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，用Tukey法（α=0.05）進(jìn)行差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 木質(zhì)素對平邑甜茶根系活力的影響

由圖1可以看出，施加有機(jī)肥后，經(jīng)過不同的木質(zhì)素施用量處理后，平邑甜茶根系活力發(fā)生不同的變化。不論施加10%或者40%有機(jī)肥，平邑甜茶根系活力都隨木質(zhì)素施用量的增加而提高，其中2.5 g·kg-1提高最顯著，分別比各自對照提高61.2%和77.4%。兩種有機(jī)肥條件下1.5 g·kg-1木質(zhì)素處理也提高了平邑甜茶根系活力，但提高效果不及2.5 g·kg-1木質(zhì)素處理顯著。

2.2 木質(zhì)素對平邑甜茶根際土壤酶活性的影響

由表1可以發(fā)現(xiàn)，施加有機(jī)肥下，不同的木質(zhì)素施用量的處理之后，平邑甜茶根際土壤的酶活性發(fā)生不同的變化。10%有機(jī)肥條件下，隨木質(zhì)素施用量增加，根際土壤蔗糖酶、脫氫酶活性呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢，且顯著高于對照，其中2.5 g·kg-1木質(zhì)素處理的根際土壤根際土壤蔗糖酶、脫氫酶活性最高，分別比對照增加73.2%和63.7%。脲酶和纖維素酶活性呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，2.5 g·kg-1木質(zhì)素處理的最低。

40%有機(jī)肥條件下，木質(zhì)素處理增加了根際土壤脲酶、纖維素酶及脫氫酶活性，2.5 g·kg-1木質(zhì)素處理的蔗糖酶活性最高，比對照提高22.6%，此外平邑甜茶根際土壤纖維素酶活性比對照增加3.51倍。1.5 g·kg-1木質(zhì)素處理的土壤脲酶活性在三組中最高，比對照提高10.6%。

表1 木質(zhì)素對平邑甜茶根際土壤酶活性的影響Table 1 Effects of lignin on enzymes activities in rhizosphere soil of Malus hupehensis Rehd.

2.3 施用木質(zhì)素對平邑甜茶根際土壤微生物的影響

由表2可知，施加有機(jī)肥下，不同木質(zhì)素施用量的處理，根際土壤的各種微生物數(shù)量出現(xiàn)不同的變化。10%有機(jī)肥條件下，隨木質(zhì)素施用量增加，1.5 g·kg-1木質(zhì)素處理的根際細(xì)菌、真菌、放線菌、總數(shù)量增加最多，分別比對照增加了57.5%、207%、67.2%、60.8%，與對照比較達(dá)到顯著差異水平。40%有機(jī)肥條件下，平邑甜茶根際細(xì)菌、真菌、放線菌、總微生物數(shù)量呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢，其中，2.5 g·kg-1木質(zhì)素處理的根際細(xì)菌、真菌、放線菌、總數(shù)量最多，分別比對照增加了30.2%、179%、40.9%、33.6%，與對照相比較達(dá)到顯著差異水平。施加有機(jī)肥下，隨木質(zhì)素施用量增加，根際土壤微生物多樣性指數(shù)有所提高，但不同處理間土壤微生物多樣性差異不顯著。

表2 木質(zhì)素對平邑甜茶根際土壤微生物的影響Table 2 Effects of lignin on microorganism in rhizosphere soil of Malus hupehensis Rehd.

3 討 論

土壤酶的活性與土壤類型等一些因素有很大的關(guān)系，它的活性高低反映了土壤中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的相對強(qiáng)度，每一種土壤酶從不同層面反映了土壤的狀況，測定酶的活性可以了解土壤中某種物質(zhì)的轉(zhuǎn)化情況。N素可以提高土壤微生物生物量，從而顯著影響土壤纖維素酶和脫氫酶活性[17]，本試驗研究顯示可知，10%有機(jī)肥條件下，經(jīng)過不同的木質(zhì)素施用量的處理，平邑甜茶根際蔗糖酶活性隨木質(zhì)素濃度的增加都逐漸提高，而脲酶逐漸降低。這是因為木質(zhì)素碳氮比相對較高為250左右[18]，多種活性基團(tuán)在土壤中能受微生物的影響分解為腐植酸，土壤中施用腐植酸復(fù)合肥可以抑制脲酶活性，顯著提高蔗糖酶活性和磷酸酶活性[4]。土壤纖維素酶活性受根系分泌物、土壤有機(jī)碳及土壤pH值的影響很大[19]。本研究中10%低有機(jī)肥下，添加木質(zhì)素后，木質(zhì)素使得平邑甜茶根系分泌物較少，纖維素降解不夠徹底導(dǎo)致土壤中易溶性營養(yǎng)物質(zhì)減少，分解纖維素酶的細(xì)菌較少，進(jìn)而導(dǎo)致纖維素酶活性降低[20]。在40%有機(jī)肥條件下，木質(zhì)素提高了平邑甜茶根際土壤脲酶及纖維素酶活性，且較高濃度木質(zhì)素效果更為明顯，這進(jìn)一步證實(shí)了木質(zhì)素的加入有利于土壤中主要酶活性的增加；低濃度木質(zhì)素提高平邑甜茶根際脲酶活性，這與張杰[21]研究結(jié)果相反，可能是較高有機(jī)肥施用量下，木質(zhì)素可以彌補(bǔ)氮素的缺失，一定程度增加土壤脲酶活性，促進(jìn)植株生長。脫氫酶活性升高可能是由于加入木質(zhì)素后，木質(zhì)素能夠提高微生物固持氮素的能力，而土壤N素可以提高土壤微生物生物量，從而顯著增加土壤脫氫酶活性[22]。

土壤微生物作為土壤中物質(zhì)循環(huán)的主要推動者，它(細(xì)菌、真菌、放線菌)的數(shù)量是衡量土壤中微生物體系狀況的重要指標(biāo)之一[23]。通常來說，細(xì)菌在土壤中微生物中的數(shù)量最多；放線菌數(shù)量與土壤有機(jī)質(zhì)及有效磷含量等有關(guān)，可以抑制根際細(xì)菌，它介于細(xì)菌和真菌之間；真菌數(shù)量最少，但有著生物量大的特點(diǎn)；反應(yīng)微生物多樣性的指數(shù)各有差異，本實(shí)驗中選取Shannon指數(shù)表示物種活動的差異性。一般而言，根際微生物數(shù)量及微生物種類的多少在某種程度上決定了土壤微生物活性，間接影響植株的生長發(fā)育，但微生物數(shù)量與土壤微生物多樣性指數(shù)并不成正比[24]。本試驗證明，10%低有機(jī)肥條件下，施加低濃度木質(zhì)素有利于平邑甜茶根際土壤中微生物的活動，更好的促進(jìn)植株生長。而較高濃度木質(zhì)素則抑制了土壤中微生物種群的豐富。在40%較高有機(jī)肥下，高濃度木質(zhì)素提高了平邑甜茶根際微生物多樣性，有利于土壤養(yǎng)分最大化利用，保證土壤中各種活動的完成。微生物多樣性指數(shù)反映了土壤中微生物種群的豐富程度，如果土壤中多樣性指數(shù)越低，那么其中微生物種群比例分布越不均勻[25]。本試驗中微生物多樣性有所提高，Shannon指數(shù)無顯著變化，但張杰[21]研究表明木質(zhì)素降低了Shannon指數(shù)，減少了土壤微生物多樣性，其結(jié)果差異的原因需進(jìn)一步探討。

根系活力是反映植物根系生命活動的一個重要的生理指標(biāo)，與呼吸作用相關(guān)聯(lián)[26]。根系吸收運(yùn)輸植株所需的養(yǎng)料及水分的能量由根系部分細(xì)胞的呼吸提供。研究發(fā)現(xiàn)施用秸稈有利于土壤的物理化學(xué)性質(zhì)的改善，提高黃瓜的根系活力，而本試驗中堿木質(zhì)素是通過麥草秸桿等堿法制漿黑液中被分開來的產(chǎn)物，在土壤中施用適宜濃度的木質(zhì)素對提高植株根系活力有一定的促進(jìn)作用。本研究證明添加有機(jī)肥下，木質(zhì)素提高了根系活力，2.5 g·kg-1木質(zhì)素處理提高最大，這可能由于添加少量木質(zhì)素后，木質(zhì)素作為氮磷復(fù)合肥提高了土壤的養(yǎng)分，優(yōu)化了根系生長的土壤環(huán)境，提高了根系活力。施用有機(jī)營養(yǎng)物能夠改善根系的生長發(fā)育，添加不同物料結(jié)果表明番茄的根系活力與根系土壤的微生物特性有正相關(guān)聯(lián)系[27,28]。在高肥條件下，木質(zhì)素使用使平邑甜茶根系活力與根系土壤的微生物數(shù)量成正相關(guān)。本實(shí)驗中平邑甜茶的根系活力改變與根際土壤微生態(tài)環(huán)境的改變有很大的關(guān)系，具體的機(jī)制有待于下一步研究。

4 結(jié) 論

不論10%或40%有機(jī)肥條件下，施用木質(zhì)素提高了平邑甜茶根系活力，較高濃度提高最為顯著。10%有機(jī)肥條件下，2.5 g·kg-1木質(zhì)素處理抑制土壤脲酶及纖維素酶活性，提高土壤堿性磷酸酶及蔗糖酶活性最為顯著；1.5 g·kg-1木質(zhì)素處理顯著增加土壤微生物細(xì)菌、真菌及放線菌數(shù)量。40%有機(jī)肥下，木質(zhì)素對土壤脲酶、脫氫酶、纖維素酶活性有促進(jìn)作用，2.5 g·kg-1木質(zhì)素處理效果最顯著；2.5 g·kg-1木質(zhì)素處理提高微生物數(shù)量最多。