蚯蚓糞與土壤復(fù)配比例對基質(zhì)微生物性狀及韭菜生長和品質(zhì)的影響

徐仲楠，王 沖,2*，朱 逴，劉萌麗，劉 林，王新宇，曹 佳

（1 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/生物多樣性與有機(jī)農(nóng)業(yè)北京重點實驗室，北京 100193；2 植物-土壤相互作用教育部重點實驗室，北京 100193）

蚯蚓糞是蚯蚓轉(zhuǎn)化廢棄物后的二次產(chǎn)物，為黑色、均一、有自然泥土味的細(xì)碎類物質(zhì)，具有良好的孔性、通氣性、排水性和高的持水性，蚯蚓糞具有很大的表面積，并具有良好的吸收和保持營養(yǎng)物質(zhì)的能力[1]，能夠顯著地降低土壤容重并增加土壤孔隙度，進(jìn)而改良土壤結(jié)構(gòu)[2]。蚯蚓糞還能促進(jìn)種子的萌發(fā)生長[3]，并促進(jìn)矮牽牛地上部和地下部的干物質(zhì)積累，進(jìn)而增加花朵數(shù)量[4]。蚯蚓糞內(nèi)部含有大量的微生物[5]，可分泌生長素、細(xì)胞分裂素、赤霉素、吲哚酸等植物激素，促進(jìn)作物生長，調(diào)控作物代謝[6-7]。蚯蚓糞中的微生物還可以顯著提高土壤中氮、磷、鉀等養(yǎng)分的生物有效性[8]，進(jìn)而提高土壤生物肥力、促進(jìn)根系生長[9]、提高產(chǎn)量并改善作物品質(zhì)[10]。研究表明，蚯蚓糞可以顯著提高西瓜產(chǎn)量和品質(zhì)[11]，還可以提高草莓、櫻桃蘿卜和茼蒿中的糖和維生素C含量[12-13]，進(jìn)而提升果蔬的品質(zhì)。蚯蚓糞還可以促進(jìn)作物對微量元素的吸收[14]，其內(nèi)部含有的大量的拮抗菌可通過產(chǎn)生揮發(fā)性有機(jī)化合物來殺滅或抑制植物病原真菌[15]、寄生線蟲和其他害蟲[16-17]，從而達(dá)到生物防治的效果。綜上所述，蚯蚓糞作為一種新型的有機(jī)基質(zhì)，具有非常廣泛的應(yīng)用前景，受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。本試驗在土壤中添加不同質(zhì)量比的蚯蚓糞，復(fù)配出韭菜的栽培基質(zhì)并研究其對韭菜生長和品質(zhì)的影響，同時研究了蚯蚓糞土壤基質(zhì)中的微生物群落結(jié)構(gòu)，為蚯蚓糞產(chǎn)品的開發(fā)提供一定的理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2015年4—6月在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)溫室內(nèi)進(jìn)行。本次試驗所使用土壤取自中國農(nóng)業(yè)大學(xué)校園內(nèi)；韭菜根和蚯蚓糞均來自深州眾翔蚯蚓養(yǎng)殖合作社；韭菜栽培方式為栽培新鮮韭菜根部。

1.2 試驗設(shè)計

試驗按照蚯蚓糞、土壤質(zhì)量百分比(w/w)，共設(shè)置4個處理：純土壤不添加蚯蚓糞 (CK)、20%/80%(T1)、60%/40% (T2)、100%/0 (T3)。試驗用盆為上口徑25 cm、高15 cm的塑料盆，每盆裝入混合基質(zhì)3 kg。每個處理4次重復(fù)，共計16盆隨機(jī)排列，水分管理方式為見干見濕，在韭菜生長期內(nèi)不施加任何肥料。

1.3 取樣方法及測定方法

韭菜生長45天后進(jìn)行取樣。貼基質(zhì)面用剪刀將韭菜分為地上部和地下部，分別洗凈后用吸水紙吸干水分后放于紙袋，部分留樣測定韭菜品質(zhì)，部分置于烘箱中先用105℃殺青2 h，再用75℃烘干至恒重后稱重；韭菜新根比計算為韭菜新根生物量占韭菜根系總生物量的比例。各盆基質(zhì)過2 mm篩后充分混勻，部分存放于-80℃，用于分子生物學(xué)的測定，剩余的基質(zhì)風(fēng)干備用。有機(jī)質(zhì)用濃硫酸-重鉻酸鉀外加熱法[18]測定；全氮用半微量開氏法[18]測定；速效鉀用NH4OAc浸提—火焰光度法[18]測定。葉綠素含量采用丙酮比色法[19]測定；可溶性蛋白采用考馬斯亮藍(lán)G-250法[19]測定；可溶性糖采用蒽酮比色法[19]測定。

微生物群落結(jié)構(gòu)采用末端限制片段長度多態(tài)性(T-RFLP) 數(shù)據(jù)分析，相對峰面積 (Ap) =ni/N× 100(式中ni為單個T-RF的峰面積，N為圖譜中所有峰的面積的總和)，計算單個T-RF的相對峰面積 (Ap)。本文Ap計算僅采用片段長度在50～500 bp區(qū)間的T-RF數(shù)值進(jìn)行計算，且僅采用Ap值大于1%的T-RF進(jìn)行統(tǒng)計分析，在統(tǒng)計時將差距 ± 1 bp的T-RF合并為同一片段，基質(zhì)微生物多樣性指數(shù)也基于此數(shù)據(jù)計算。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel和SPSS 20.0軟件統(tǒng)計分析；相關(guān)性分析為皮爾森相關(guān)，使用SPSS 20.0軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 蚯蚓糞、土壤配合比例對基質(zhì)養(yǎng)分含量的影響

添加蚯蚓糞顯著增加了基質(zhì)中全氮、速效鉀及有機(jī)質(zhì)含量 (P＜ 0.05)，其中T3處理中的全氮、速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量相較于CK分別顯著增加了741.4%、1223.2% 和 994.6% (P＜ 0.05，表 1)。

2.2 蚯蚓糞、土壤配合比例對韭菜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

蚯蚓糞能夠提高韭菜地上部和地下部的生物量(P＜ 0.05，表2)。與CK處理相比，蚯蚓糞顯著增加韭菜的新根比 (P＜ 0.05) (圖1)，并且T2和T3處理顯著增加了韭菜的可溶性蛋白 (P＜ 0.05) 和可溶性糖含量 (P＜ 0.05，表 2)。

2.3 蚯蚓糞、土壤配合比例對微生物群落的影響

蚯蚓糞會顯著調(diào)控基質(zhì)中的微生物群落多樣性和結(jié)構(gòu)。隨著蚯蚓糞施用量的增加，細(xì)菌、真菌辛普森指數(shù)均呈現(xiàn)上升趨勢。T2、T3處理顯著提升了細(xì)菌辛普森多樣性指數(shù) (P＜ 0.05) (圖2)。并且隨著蚯蚓糞的添加量增加，細(xì)菌片段116、118、130、226、297 顯著增加 (P＜ 0.05)，而 88、95、156、163、344片段顯著降低 (P＜ 0.05)。真菌中，71、91、153、351片段顯著降低 (P＜ 0.05)，而336片段則顯著增加(P＜ 0.05) (圖3)。通過查閱文獻(xiàn)[20-21]，筆者對部分細(xì)菌片段所代表的細(xì)菌門類進(jìn)行了大致的推測 (表3)，發(fā)現(xiàn)蚯蚓糞增加了酸桿菌門、厚壁菌門及部分不可培養(yǎng)的細(xì)菌數(shù)量。

3 討論

3.1 蚯蚓糞對基質(zhì)肥力的影響

氮和鉀是植物生長主要的營養(yǎng)元素，能夠通過參與光合作用和蛋白質(zhì)形成等生理過程調(diào)控植物生長[22]。蚯蚓糞中富含大量植物生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)，例如硝酸鹽、磷酸鹽、可溶性鉀、鈣、鎂，釋放后極易被作物利用[23]，因此蚯蚓糞添加到土壤中可以提高養(yǎng)分含量。此外蚯蚓糞還含有大量的有益微生物，能夠促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的分解和養(yǎng)分的礦化，是植物營養(yǎng)元素的活性庫[24]。本研究的相關(guān)性結(jié)果表明，基質(zhì)中真菌和細(xì)菌的多樣性與基質(zhì)中全氮、速效鉀和有機(jī)質(zhì)的含量具有顯著的正相關(guān)關(guān)系 (表4)。表明蚯蚓糞可能通過提升栽培基質(zhì)的微生物多樣性進(jìn)而提升基質(zhì)的養(yǎng)分含量。研究表明，酸桿菌在土壤氮素循環(huán)中起著重要作用[25]，可以產(chǎn)生聚酮合成酶和非核糖體肽合成酶，這些酶催化鐵載體合成，通過改善鐵營養(yǎng)來刺激植物生長[26]；厚壁菌則被認(rèn)為是一個主要的共營養(yǎng)微生物群，在肥料降解中起著重要的作用[27]。由此可見，蚯蚓糞能夠調(diào)節(jié)與土壤養(yǎng)分循環(huán)相關(guān)的微生物，進(jìn)而提高了基質(zhì)養(yǎng)分有效性，促進(jìn)了韭菜的生長。

表 2 不同處理對韭菜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響Table 2 Effects of different treatments on the yield and quality of leek

圖 1 不同處理韭菜根系Fig. 1 The root growth of leek under different treatments

圖 2 不同蚯蚓糞基質(zhì)微生物辛普森多樣性指數(shù)Fig. 2 Microbial Simpson diversity index in substrate containing different proportion of vermicompost

圖 3 不同蚯蚓糞含量基質(zhì)中細(xì)菌、真菌的群落組成Fig. 3 Community composition of bacteria and fungi in substrate with different proportion of vermicompost

表 3 T-RFP細(xì)菌所屬門類片段Table 3 Segments of T-RFP bacterial

表 4 基質(zhì)細(xì)菌、真菌多樣性指數(shù)與基質(zhì)肥力的相關(guān)性Table 4 Correlation between microbial diversity indices and fertility of substrates

3.2 蚯蚓糞基質(zhì)對韭菜產(chǎn)量的影響

蚯蚓糞中含有的腐殖酸對植物的生長和產(chǎn)量具有明顯的刺激作用[28]，能夠顯著地增加作物株高、葉表面積及地下部干重[29]。此外，蚯蚓糞中還含有多種有機(jī)酸，當(dāng)其隨著蚯蚓糞進(jìn)入土壤后，能夠促進(jìn)某些不溶礦物的溶解，進(jìn)而增加土壤中有效養(yǎng)分的含量，促進(jìn)作物的生長[30]。且蚯蚓糞中的大量細(xì)菌、真菌等微生物能夠產(chǎn)生赤霉素、細(xì)胞分裂素等植物生長調(diào)節(jié)物質(zhì)[31]，因此本研究中純蚯蚓糞基質(zhì)的韭菜產(chǎn)量最高。

4 結(jié)論

蚯蚓糞加入土壤后，增加了微生物多樣性，顯著增加了基質(zhì)養(yǎng)分含量，提升了養(yǎng)分的有效性，進(jìn)而促進(jìn)作物的生長，有利于韭菜生物量的積累，并改善韭菜品質(zhì)。蚯蚓糞既可直接用作基質(zhì)，也可以按照一定比例與土壤配合開發(fā)基質(zhì)，提升韭菜的產(chǎn)量和品質(zhì)。