土壤調(diào)理劑對(duì)烤煙根系活力及根際土壤微生物碳代謝特征的影響

靳輝勇 黎 娟 朱 益 齊紹武.4 梁仲哲 淡俊豪

(1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖南 長沙 410128；2江蘇省宿遷市宿豫區(qū)農(nóng)業(yè)委員會(huì)，江蘇 宿遷 223800；3廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，廣東廣州 510000；4湖南雜交水稻研究中心，湖南長沙 410128)

土壤的生態(tài)環(huán)境與作物生長有著密切的聯(lián)系，良好的土壤環(huán)境是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)烤煙的基礎(chǔ)[1-2]。在我國，由于主產(chǎn)煙區(qū)長期過量施用化肥、農(nóng)藥，導(dǎo)致土壤生態(tài)環(huán)境不斷惡化，土壤板結(jié)、養(yǎng)分失衡、群菌失調(diào)、生物活性降低等問題愈發(fā)嚴(yán)重[3-4]。研究發(fā)現(xiàn)土壤改良不但可以提高土壤肥力，還可以增強(qiáng)微生物活性，是維持和改善土壤環(huán)境的有效措施[5]。目前，市場上的土壤調(diào)理劑種類繁多[6]，原料來源非常廣泛，有以石灰石、白云巖、膨潤土、蛭石、硅藻土、皂石、海泡石等礦物質(zhì)為原料的產(chǎn)品，也有以味精發(fā)酵尾液、酒糟、粉煤灰、高爐渣、乳化瀝青等廢棄物為原料的產(chǎn)品，但以城市生活垃圾為主要原料的土壤調(diào)理劑極為少見。

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、能量循環(huán)過程中發(fā)揮著重要作用。土壤改良對(duì)土壤根際生態(tài)區(qū)域的影響較大[7]。目前，關(guān)于土壤調(diào)理劑在植煙土壤上的改良應(yīng)用，多集中在土壤調(diào)理劑對(duì)烤煙生長發(fā)育[8]、產(chǎn)質(zhì)量[9]、土壤養(yǎng)分含量[10]、微生物數(shù)量[11]等方面的影響，而關(guān)于施用土壤調(diào)理劑對(duì)烤煙根系及根際土壤動(dòng)態(tài)變化影響的研究尚鮮見報(bào)道。為此，本研究以湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)城市固棄物綜合利用試驗(yàn)室提供的土壤調(diào)理劑為改良材料，烤煙為模式作物，通過小區(qū)試驗(yàn)，探究土壤調(diào)理劑對(duì)烤煙根系活力及根際土壤微生物碳代謝特征的影響，探討其適宜的施用量，以期為烤煙生產(chǎn)中土壤調(diào)理劑的合理施用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2016年4-8月在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)耘園試驗(yàn)基地進(jìn)行?？緹熎贩N為湘煙3號(hào)，由中國煙草中南農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站提供。前茬作物為水稻。供試土壤為黏壤土，理化性質(zhì)為土壤pH值5.9、有機(jī)質(zhì)16.8 g·kg-1、堿解氮 114.19 mg·kg-1、有效磷 18.42 mg·kg-1、速效鉀134.46 mg·kg-1。

1.2 供試土壤調(diào)理劑

土壤調(diào)理劑由湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)城市固棄物綜合利用實(shí)驗(yàn)室提供。該土壤調(diào)理劑主要以城市園林垃圾中的有機(jī)質(zhì)和建筑垃圾中的無機(jī)質(zhì)為主要原料，并添加白云石、長石等礦物及硒、鉬等微量元素，經(jīng)配料、焙燒、冷卻、粉磨、均化等工序制成[12]。土壤調(diào)理劑包含70%城市生活垃圾、15%MgO、5%CaO、5%K2O、4.6%Na2O、0.4%(NH4)6Mo7O24·4 H2O，其中有機(jī)質(zhì)含量為 328 g·kg-1。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)置4個(gè)處理，即對(duì)照(不施土壤調(diào)理劑，CK)和3個(gè)土壤調(diào)理劑施用設(shè)水平(T1:1 500 kg·hm-2、T2:3 000 kg·hm-2、T3:4 500 kg·hm-2)。 每個(gè)處理重復(fù)3次，共12個(gè)小區(qū)，每小區(qū)面積為30 m2。每個(gè)小區(qū)種50株烤煙，株行距為0.5 m×1.2 m。土壤調(diào)理劑在起壟前均勻撒施，然后深度旋耕16～18 cm，并平整土地。

1.4 樣品采集與測定

1.4.1 樣品采集 分別在烤煙生長的團(tuán)棵期(移栽后30 d)、旺長期(移栽后60 d)、成熟期(移栽后90 d)，每個(gè)小區(qū)選取5株烤煙，采用抖土法，先輕輕抖落大塊不含根系的非根際土壤，然后輕輕剝離根系表面附著的土壤，即獲取根際土壤，用于測定土壤微生物碳代謝特征。同時(shí)取煙株根系末端白嫩根，立即測定根系活力。

1.4.2 樣品測定 根系活力采用 TTC法[13]測定。土壤微生物碳代謝特征測定參照 Garland等[14]的Biolog法。稱取10 g新鮮土樣于250 mL滅菌的三角瓶中，加入90 mL 0.85%無菌NaCl溶液，封口后在搖床上250 r·min-1振蕩30 min，靜置15 min后吸取上清液5 mL于新三角瓶中，加入45 mL 0.85%無菌NaCl溶液，再將所得溶液稀釋1 000倍。將稀釋后所得溶液接種到96孔Biolog-ECO培養(yǎng)板上，25℃恒溫箱連續(xù)培養(yǎng)10 d，每隔1 d利用Biolog微孔板讀數(shù)儀(廣州市華粵行儀器有限公司)讀取數(shù)值并記錄。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；SPSS 17.0進(jìn)行方差分析、相關(guān)性分析及主成分分析，Duncan法進(jìn)行多重比較；DPS 15.10統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析，根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)判斷微生物參數(shù)與土壤調(diào)理劑、根系活力的關(guān)聯(lián)度。按照公式[15-17]分別計(jì)算平均吸光值(average well color development，AWCD)、 豐富度指數(shù)(S，richness index)、均一性指數(shù)(U，mcintosh index)、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(D，simpson index):

式中，Ci:反應(yīng)孔在590 nm下的吸光度；R:對(duì)照孔在590 nm下的吸光度；n:培養(yǎng)基碳源種類數(shù)；Pi:第i孔的相對(duì)吸光值與整個(gè)平板相對(duì)吸光值總和的比值；ni:第i孔的相對(duì)吸光值。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤調(diào)理劑對(duì)烤煙根系活力的影響

根系活力是衡量植物根系功能的重要指標(biāo)之一，其活力水平直接影響植物個(gè)體的生長發(fā)育。由表1可知，烤煙根系活力在整個(gè)大田生育期內(nèi)總體呈先升高后降低的變化趨勢(shì)，在旺長期達(dá)到最大值。與CK相比，不同土壤調(diào)理劑處理對(duì)烤煙根系活力均有顯著影響。其中，在團(tuán)棵期T3的烤煙根系活力最高，顯著高于其他處理，其次是T1和T2，三者分別較CK顯著提高了40.8%、25.0%和22.5%，但T1和T2間無顯著性差異。在旺長期和成熟期，隨著土壤調(diào)理劑施用量的增加，烤煙根系活力均呈先升高后降低的趨勢(shì)，各處理根系活力依次為T2＞T1＞T3＞CK，且各處理間差異顯著。結(jié)果表明，添加土壤調(diào)理劑有利于提高烤煙根系活力，對(duì)延緩根系衰老具有積極作用，以 3 000 kg·hm-2(T2)施用量最佳。

表1 土壤調(diào)理劑對(duì)烤煙根系活力動(dòng)態(tài)變化的影響Table1 Effect of soil conditioner on dynamic of changes flue-cured tobacco root vigor(μg·g-1·h-1)

2.2 土壤微生物利用碳源能力的動(dòng)態(tài)變化

AWCD是評(píng)價(jià)微生物對(duì)碳源底物平均利用能力的重要指標(biāo)之一，可以反映土壤微生物群落代謝特征，AWCD值越高，碳源利用能力越大[18-19]。由圖1可知，各生育期內(nèi)，隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長，微生物群落利用碳源能力均呈先不斷提高后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。在0～96 h內(nèi)，AWCD值的變化速度(斜率)最大，表明微生物代謝最活躍，碳源被大量利用；96 h以后，AWCD值的變化趨于平緩，表明碳源利用量已經(jīng)達(dá)到最大值。在團(tuán)棵期、旺長期和成熟期，添加土壤調(diào)理劑處理(T1、T2、T3)的AWCD值均高于CK，且均達(dá)到顯著水平(P＜0.05)。結(jié)果表明，添加土壤調(diào)理劑有利于提高土壤微生物代謝活性，增強(qiáng)微生物對(duì)碳源的利用。

圖1 土壤微生物AWCD的動(dòng)態(tài)變化Fig.1 AWCD dynamics over incubation time

2.3 土壤微生物對(duì)不同類型碳源的利用強(qiáng)度分析

根據(jù)微生物對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)代謝途徑的不同，將Biolog-ECO微孔板上31種底物碳源分為6類，即糖類(8種)、羧酸類(9種)、氨基酸類(6種)、胺類(2種)、聚合物類(4種)和雜合物類(2種)，對(duì)6類碳源分別計(jì)算，利用AWCD值反映根際土壤微生物對(duì)不同碳源的利用強(qiáng)度。為進(jìn)一步探究施用土壤調(diào)理劑條件下，根際土壤微生物對(duì)不同類型碳源的利用情況，選擇培養(yǎng)96 h測定的AWCD值進(jìn)行分析。由表2可知，在團(tuán)棵期，糖類物質(zhì)的利用率較同時(shí)期其他類型碳源高，而胺類、聚合物類和雜合物類的利用率則相對(duì)較低；添加土壤調(diào)理劑能顯著增加糖類、氨基酸類、胺類和雜合物類的利用率，其中以T2、T3表現(xiàn)最優(yōu)。在旺長期，糖類物質(zhì)的利用率最高，雜合物類利用率最低；添加土壤調(diào)理劑顯著降低了雜合物類的利用率，增加了其他類型碳源的分解；土壤調(diào)理劑施用量為3 000 kg·hm-2(T2)時(shí)，羧酸類(除團(tuán)棵期)和氨基酸類的利用率最高；施用量為4 500 kg·hm-2(T3)時(shí)，在旺長期，糖類、胺類和聚合物類的利用率最高。在成熟期，土壤調(diào)理劑施用量為3 000 kg·hm-2(T2)時(shí)，糖類、羧酸類、氨基酸類、胺類、聚合物類碳源的利用率均為最高，較CK分別增加了 31.9%、64.1%、50.3%、213.6%、74.4%，且與CK差異顯著。結(jié)果表明，添加土壤調(diào)理劑有利于加快糖類、氨基酸類、羧酸類、胺類碳源的分解，提高其利用率，考慮適量原則，以3 000 kg·hm-2(T2)為土壤調(diào)理劑最佳施用量。

2.4 不同處理烤煙根際土壤微生物碳源利用主成分分析

對(duì)培養(yǎng)96 h的AWCD值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后進(jìn)行主成分分析。由表3可知，3個(gè)生育期試驗(yàn)結(jié)果一致，每個(gè)生育期均提取3個(gè)主成分，且3個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率均達(dá)到100%；團(tuán)棵期、旺長期、成熟期的前2個(gè)主成分，PC1和PC2累計(jì)方差貢獻(xiàn)率分別為76.503%、85.290%、81.118%，可以解釋變異的絕大部分信息，因此對(duì)PC1和PC2這2個(gè)主成分進(jìn)行重點(diǎn)分析。

碳源載荷值能反映碳源利用與主因子的相關(guān)性，載荷值越高，表示其對(duì)主成分的影響越大[20-21]。由表4可知，在團(tuán)棵期，與PC1相關(guān)性較高(載荷值＞0.6)的碳源有14個(gè)，其中糖類和羧酸類均為4個(gè)，氨基酸類和胺類均為2個(gè)，聚合物類和雜合物類均為1個(gè)；與PC2相關(guān)性較高的碳源有8個(gè)，其中羧酸類3個(gè)，氨基酸類和聚合物類均為2個(gè)，糖類1個(gè)；說明團(tuán)棵期根際土壤微生物利用的碳源主要是羧酸類、糖類、氨基酸類。旺長期，與PC1相關(guān)性較高的碳源有18個(gè)，其中羧酸類和糖類均為5個(gè)，氨基酸類和聚合物類均為4個(gè)；與PC2相關(guān)性較高的碳源有6個(gè)，其中氨基酸類和羧酸類均為2個(gè)，雜合物類和聚合物類均為1個(gè)；說明旺長期根際土壤微生物利用的碳源主要是羧酸類、氨基酸類、糖類、聚合物類。成熟期，與PC1相關(guān)性較高的碳源有23個(gè)，其中羧酸類8個(gè)，氨基酸類6個(gè)，糖類4個(gè)，聚合物類3個(gè)，雜合物類2個(gè)；與PC2相關(guān)性較高的碳源有6個(gè)，其中氨基酸類和羧酸類均為2個(gè)，聚合物類和雜合物類均為1個(gè)；說明成熟期根際土壤微生物利用的碳源主要是羧酸類和氨基酸類。綜上，烤煙根際土壤微生物利用的碳源主要是羧酸類和氨基酸類。

表2 土壤微生物對(duì)不同類型碳源的利用強(qiáng)度Table2 Utilization of different carbon sources by soil microbial

表3 主成分貢獻(xiàn)率Table3 Contribution rate of principal component /%

2.5 烤煙根際土壤微生物群落功能多樣性指數(shù)分析

多樣性指數(shù)可以從不同方面來描述微生物群落的多樣性[22]。其中，豐富度指數(shù)用來表征生態(tài)系統(tǒng)中物種的數(shù)目，優(yōu)勢(shì)度指數(shù)反映各個(gè)種群數(shù)量的變化情況，均一性指數(shù)用來描述物種中的個(gè)體所占比例[23-25]。本研究利用培養(yǎng)96 h的AWCD值來分析施用土壤調(diào)理劑條件下，烤煙根際土壤微生物群落豐富度指數(shù)、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)、均一性指數(shù)的差異。由表5可知，在各生育期，僅旺長期施用土壤調(diào)理劑對(duì)豐富度指數(shù)影響顯著，T1、T2、T3均顯著高于 CK，較 CK分別提高了4.9%、6.5%、5.4%；而各處理間的優(yōu)勢(shì)度指數(shù)則無顯著差異。在團(tuán)棵期，T2、T3的均一性指數(shù)均顯著高于T1、CK；在旺長期，均一性指數(shù)隨著土壤調(diào)理劑施用量的增加而增加，T1、T2、T3較 CK分別顯著提高了23.0%、32.3%、44.4%，且各處理間差異顯著；在成熟期，隨著土壤調(diào)理劑施用量的增加，均一性指數(shù)呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，其中T2的均一性指數(shù)最大，是CK的1.46倍。結(jié)果表明，施用土壤調(diào)理劑能顯著提高烤煙根際土壤微生物均一性指數(shù)和豐富度指數(shù)，在旺長期表現(xiàn)最優(yōu)，考慮適量原則，以3 000 kg·hm-2(T2)為土壤調(diào)理劑最佳施用量。

2.6 微生物參數(shù)與部分因子的灰色關(guān)聯(lián)度分析

為明確土壤調(diào)理劑和根系活力對(duì)微生物碳代謝強(qiáng)度、豐富度指數(shù)、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)、均一性指數(shù)等參數(shù)的影響效應(yīng)，采用均值化法對(duì)各指標(biāo)無量綱化處理，進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析。由表6可知，在團(tuán)棵期，土壤調(diào)理劑和根系活力對(duì)碳代謝強(qiáng)度的影響均大于對(duì)多樣性指數(shù)的影響；與碳代謝強(qiáng)度、豐富度指數(shù)、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)關(guān)聯(lián)度較高的是根系活力；而與均一性指數(shù)關(guān)聯(lián)度較高的是土壤調(diào)理劑。在旺長期和成熟期，與碳代謝強(qiáng)度、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)、均一性指數(shù)關(guān)聯(lián)度較大的均是土壤調(diào)理劑，而與豐富度指數(shù)關(guān)聯(lián)度較大的是根系活力；各微生物參數(shù)與土壤調(diào)理劑灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)中以均一性指數(shù)最大，其次是碳代謝強(qiáng)度，與根系活力的關(guān)聯(lián)系數(shù)順次為均一性指數(shù)＞碳代謝強(qiáng)度＞豐富度指數(shù)＞優(yōu)勢(shì)度指數(shù)。

表4 31種碳源的主成分載荷值Table4 Loading values of principal components of 31 sole carbon sources

表5 土壤微生物群落多樣性指數(shù)Table5 Diversity indices of soil microbial communities

3 討論

3.1 土壤調(diào)理劑對(duì)烤煙根系活力的影響

烤煙根系活力與土壤環(huán)境密切相關(guān)，土壤改良不僅可以提高土壤養(yǎng)分含量，還可以改善土壤微生物環(huán)境，進(jìn)而優(yōu)化根系生長的土壤環(huán)境，使烤煙根系活力提高[26]。孫延國等[27]通過在煙田中施用海藻類土壤改良劑，發(fā)現(xiàn)魚蛋白肥可以有效改善土壤養(yǎng)分含量，顯著提高烤煙根系活力。這與本研究結(jié)果相同。本研究表明，不同施用量的土壤調(diào)理劑均可提高烤煙根系活力，以3 000 kg·hm-2施用量效果最好。這是由于土壤調(diào)理劑有機(jī)質(zhì)含量超過了30%，這些有機(jī)質(zhì)增加了土壤中的有效能源物質(zhì)，促進(jìn)了微生物的新陳代謝，微生物產(chǎn)生的代謝物質(zhì)可刺激根系生長發(fā)育，進(jìn)而增強(qiáng)根系活力。此外，土壤調(diào)理劑中還含有烤煙生長發(fā)育所需的中微量元素，能夠加速根系細(xì)胞的合成，間接地促進(jìn)根系的生長。但當(dāng)土壤調(diào)理劑施入量過多時(shí)，會(huì)改變土壤結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致根系活力減弱[28]，兼顧適量原則，建議土壤調(diào)理劑最佳施用量為3 000 kg·hm-2。

表6 微生物參數(shù)與部分因子的灰色關(guān)聯(lián)度Table6 Grey correlation degree of microbial parameters with some factors

3.2 土壤調(diào)理劑對(duì)土壤微生物碳代謝特征的影響

植煙土壤中添加土壤調(diào)理劑可以改善土壤微生態(tài)環(huán)境，增強(qiáng)微生物對(duì)碳源的利用，提高土壤微生物群落功能多樣性，維護(hù)土壤微生物平衡[29]。沈桂花等[30]研究發(fā)現(xiàn)施用土壤改良劑牡蠣殼粉不僅可以提高煙草根際土壤微生物對(duì)羧酸類、氨基酸類和碳水化合物類等碳源的利用程度，還可以增加微生物群落香農(nóng)指數(shù)和均勻度指數(shù)。本研究中，添加土壤調(diào)理劑后，改變了烤煙根際土壤微生物的碳代謝特征，主要表現(xiàn)為微生物碳源利用總量顯著增加，微生物對(duì)糖類、氨基酸類、羧酸類、胺類這4類碳源的利用率顯著提高；主成分分析結(jié)果表明，羧酸類、氨基酸類是烤煙根際土壤微生物利用的主要碳源，進(jìn)一步證實(shí)了添加土壤調(diào)理劑有利于提高烤煙根際土壤微生物對(duì)碳源的利用能力。多樣性指數(shù)分析結(jié)果表明，施用土壤調(diào)理劑能顯著提高微生物均一性指數(shù)和豐富度指數(shù)。這與李鳳霞等[31]和鄒富楨[32]的研究結(jié)果一致。但在烤煙移栽90 d后，4 500 kg·hm-2土壤調(diào)理劑處理下，均一性指數(shù)表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，這可能是由于隨著時(shí)間的推移，高劑量的土壤調(diào)理劑逐漸分解，改變了土壤環(huán)境，從而影響了微生物的分布。

3.3 微生物參數(shù)與土壤調(diào)理劑、根系活力的關(guān)系

采用灰色關(guān)聯(lián)法研究因素間的關(guān)聯(lián)程度，可簡化復(fù)雜問題，找出系統(tǒng)內(nèi)因素間最大的影響因素[33]。杜瑩等[34]認(rèn)為小白菜根系活力與碳源利用AWCD值之間呈極顯著正相關(guān)。本研究表明，在烤煙移栽30 d，影響微生物碳代謝強(qiáng)度及多樣性的主要是烤煙根系活力，這是由于此時(shí)土壤調(diào)理劑剛開始分解，未被根系和微生物大量利用。肖占文等[35]研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)碳土壤改良劑施用量與土壤微生物數(shù)量、多樣性呈正相關(guān)。本研究表明，在烤煙移栽60、90 d，與微生物碳代謝強(qiáng)度及多樣性關(guān)聯(lián)度最大的均是土壤調(diào)理劑，這是由于此時(shí)烤煙根系生長已經(jīng)達(dá)到鼎盛期，土壤調(diào)理劑的大量分解加快了微生物的繁殖，增強(qiáng)了微生物的新陳代謝。因此，在烤煙生長中后期，土壤調(diào)理劑對(duì)根際土壤微生物碳代謝的影響更加突出。

4 結(jié)論

施用土壤調(diào)理劑可以提高烤煙根系活力，加快糖類、氨基酸類、羧酸類、胺類等碳源物質(zhì)的分解，增強(qiáng)烤煙根際土壤微生物對(duì)碳源的利用能力，還可提高烤煙根際土壤微生物群落均一性指數(shù)和豐富度指數(shù)，以3 000 kg·hm-2施用量的效果最好。本研究結(jié)果為利用土壤調(diào)理劑改良煙田土壤提供了理論依據(jù)。