一種新型土壤改良劑的制備及應(yīng)用研究

姜莉莉，朱寶偉，李昌麗，姚雨秀，自小雨，鄭曉

（營口理工學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院, 遼寧 營口 115014）

大量使用礦物肥料常常導(dǎo)致了土壤生產(chǎn)力下降和環(huán)境污染退化[1]。為了增強(qiáng)土地利用的可持續(xù)性，人們越來越關(guān)注土壤改良劑的開發(fā)研究。土壤改良劑是指一類人為添加在土壤中具有改善土壤物理、化學(xué)、生物性質(zhì)的物料，具有調(diào)節(jié)土壤根際微生物群落、提高土壤生產(chǎn)力、降低土壤中重金屬離子含量、促進(jìn)作物生長、增加作物產(chǎn)量和品質(zhì)等作用[2-4]。土壤改良劑按照性質(zhì)大致可分為無機(jī)類、有機(jī)類、生物類[5-7]，實(shí)際應(yīng)用中常常多種類型的改良劑復(fù)合使用，可更好地發(fā)揮促進(jìn)作物生長的作用。

泥炭是由植物殘?bào)w所形成的褐色、棕色或黑色的沉積物，富含腐殖質(zhì)和富里酸等成分，富里酸是一種優(yōu)秀的電解質(zhì)，可吸附重金屬，并具有促進(jìn)動植物的生長和預(yù)防疾病的作用[7]。泥炭常用于富里酸的制備，并且提取完富里酸后的泥炭常常廢棄，因其含有殘留的富里酸和其他腐殖質(zhì)成分而造成了資源的浪費(fèi)。擬青霉（Paecilomyces）能促進(jìn)難溶磷酸鹽的溶解及許多化學(xué)聚合物（如農(nóng)藥等）的分解，還可以防治植物寄生線蟲病，具有一定的環(huán)保效應(yīng)[8]。利用擬青霉菌和泥炭制備土壤改良劑還未見報(bào)道。鑒于此，本研究將從富里酸溶液中篩選出的擬青霉菌（Paecilomyces HGX-1）接種在廢棄泥炭上制備新型土壤改良劑，并探究了該土壤改良劑對植物生長的影響及其作用機(jī)制。本研究成果將為新型土壤改良劑的制備及土壤改良劑的高效、綠色應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 培養(yǎng)基與菌種

PAD 培養(yǎng)基：土豆200 g、葡萄糖20 g、瓊脂15～20 g、水1 000 mL，115 ℃下滅菌20 min 后，備用。瓊脂、葡糖糖：北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司；

擬青霉菌（Paecilomyces HGX-1）：營口理工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程系生物工程實(shí)驗(yàn)室分離篩選。

1.2 土壤改良劑的制備

1.2.1 菌種活化

將4 ℃冰箱保存的菌種接種于滅菌的固體土豆培養(yǎng)基上，并將培養(yǎng)皿置于恒溫培養(yǎng)箱中，30 ℃培養(yǎng)24 h 進(jìn)行菌種的活化。

1.2.2 搖瓶培養(yǎng)

將裝有100 mL 土豆液體培養(yǎng)基的250 mL 三角瓶用紗布和牛皮紙封口，滅菌冷卻后接入活化菌種，置于恒溫?fù)u床培養(yǎng)箱中30oC、200 r·min-1培養(yǎng)48 h。

1.2.3 土壤改良劑的制備

稱取經(jīng)富里酸提取過的泥炭600 g 并平均放置于2 個(gè)托盤（50 cm×30 cm）中，分別將搖瓶培養(yǎng)后90 mL 擬青霉菌菌液接種在上述泥炭中，在泥炭上噴灑一些無菌水使泥炭保持濕潤，最后在泥炭上覆蓋一層保鮮膜，并在保鮮膜上扎許多的小孔，最后置于恒溫培養(yǎng)箱中，在30 ℃下培養(yǎng)10 d 后備用，定期進(jìn)行攪拌并保持泥炭濕潤。

1.3 土壤pH 測定

稱取10 g 待測土樣置于50 mL 燒杯中，加入25 mL 的無二氧化碳的蒸餾水，密封后用磁力攪拌器攪拌2 min，靜置30 min 后，用pH 計(jì)測定。

1.4 土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)測定

采集對照組和添加土壤改良劑實(shí)驗(yàn)組的植株，去除根部大塊土壤，晃動根部，去除根部松散的土壤后，使用無菌刷從根部收集殘留土壤5 g，液氮速凍，置于-80 ℃冰箱保存。土樣用干冰保存郵寄到上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司，進(jìn)行微生物宏基因組測序，對樣本的 16S rDNA V4 區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)增，采用的前端引物為515F(5’- TGCCAGCMGCCGCGG TAA-3’)，反向引物為806R (5’- GGACTACHVGGG TWTCTAAT-3’)； 采用MiSeq 2000 (Illumina)測序平臺系統(tǒng)對PCR 擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行測序；在97%相似水平下，用UCLUST 方法對操作分類單元(OUT)進(jìn)行；利用RDP 數(shù)據(jù)庫對OTU 進(jìn)行物種分類。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 土壤中不同添加成分對植株生長的影響

取8 個(gè)同樣大小的花盆，分別放入140 g 經(jīng)170 目（90 μm）篩子篩過后的校園花壇中普通土壤，并分成4 組，其中1 組作為空白，其余3 組分別添加10%泥炭、10%菌液、10%土壤改良劑，種上相同數(shù)量的黑豆種子, 并于室溫培養(yǎng)20 d 后記錄植株生長情況，所有數(shù)據(jù)取每組植株的平均值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 不同土壤添加成分對植株生長的影響

根據(jù)表1 可見，添加土壤改良劑后植株的平均高度為9.4 cm，高于其他組植株的平均高度，說明該土壤改良劑對植株的生長有一定的促進(jìn)作用；另外，添加土壤改良劑后植株的平均根長為5.2 cm、平均重量為10.3 g 均高于其他組測定的數(shù)據(jù)，說明該改良劑可以促進(jìn)植物根部生長，進(jìn)而提高植株對土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的吸收能力，從而起到了促進(jìn)植株生長和增加植株重量的作用。另外，由表1 也可以看出，與菌株和泥炭單獨(dú)使用相比，土壤改良劑對植株生長的促進(jìn)作用要更加明顯，很有可能是由于擬青霉菌和泥炭復(fù)合后共同發(fā)揮作用的結(jié)果。

2.2 土壤改良劑不同添加量對植株生長的影響

取8 個(gè)同樣大小的花盆，分別放入280 g 經(jīng)170 目（90 μm）篩子篩過后的校園花壇中普通土壤，并分成4 組，每組按照0%、5%、10%、15%的比例添加土壤改良劑后，種上相同數(shù)量的黑豆種子, 并于室溫培養(yǎng)30 天后記錄植株生長情況，所有數(shù)據(jù)取每組植株的平均值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 不同添加量的土壤改良劑對植株生長的影響

由表2 可見，土壤改良劑的添加對植株的發(fā)芽率和高度均具有一定的促進(jìn)作用，但對植株葉片數(shù)量沒有明顯的影響。尤其當(dāng)土壤改良劑的添加量為10%時(shí)，黑豆的發(fā)芽率最高，由22%上升為61%。此組植株高度也從26.0 cm 提高為43.6 cm，但與5%和15%添加量的實(shí)驗(yàn)組相比，植株略矮一些，分析原因可能是由于10%添加量的實(shí)驗(yàn)組中植株數(shù)量較多，土壤中平均營養(yǎng)較少所造成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明土壤改良劑的添加量對植株生長具有一定的影響作用，但并不是添加量越高就越利于植株的生長，因此從出芽率和經(jīng)濟(jì)性兩方面考慮，確定10%為該土壤改良劑的最適添加量。

2.3 土壤改良劑對土壤pH 值的影響

分別取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%和10%土壤改良劑的土壤10 g，分別測定土樣的pH 值，考察土壤改良劑對土壤pH 的影響，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3 所示。由表3 可見，本實(shí)驗(yàn)制備的土壤改良劑呈酸性，將其添加到土壤中可使土壤的pH 降低，呈偏酸性，利于土壤中的金屬離子溶解及植物的吸收，從而促進(jìn)植物的生長。蘇洪君等[9]使用生物菌混配的土壤改良劑降低了林地的pH, 提高有機(jī)質(zhì)和氮磷含量，并促進(jìn)了根系生長發(fā)育。

表3 土壤改良劑對土壤pH 值的影響

2.4 土壤改良劑對土壤中細(xì)菌群落的影響

土壤微生物是評價(jià)土壤質(zhì)量的關(guān)鍵生物學(xué)指標(biāo)，不僅可以改善土壤質(zhì)量，而且對植物生長發(fā)育具有一定的促進(jìn)作用[10]。土壤中細(xì)菌的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約占微生物總量的70%～90%[11]，因此，利用高通量測序技術(shù)分析土壤中細(xì)菌群落的變化，探究土壤改良劑的添加對土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。針對土壤中細(xì)菌群落組成在科水平上進(jìn)行分析，如圖1 所示，伯克氏菌科（Burkholderiaceae）在科水平上占主導(dǎo)地位，并且其在菌群中的豐富度受土壤改良劑影響顯著，從對照組8.3%顯著上升為21.2%。伯克氏菌在農(nóng)業(yè)上是一類具有生物降解、生物控制及促進(jìn)植物生長等多種功能的根圈微生物[12]。由此可推斷本實(shí)驗(yàn)室制備的土壤改良劑通過提高土壤細(xì)菌群落中伯克氏菌科的豐富度來促進(jìn)植物的生長。

圖1 科水平上添加土壤改良劑后種植土壤細(xì)菌菌群的相對豐度

3 結(jié)論

本文以提取富里酸后的廢棄泥炭為基質(zhì)，通過接種擬青霉菌制備成新型土壤改良劑，實(shí)現(xiàn)了變廢為寶、降低生產(chǎn)成本的目的，該土壤改良劑的最適添加量為10%，對植株的出芽率及根部和株高具有一定的促進(jìn)作用。該土壤改良劑的添加能夠調(diào)節(jié)土壤的pH值呈偏酸性，利于植物對金屬離子的吸收；另外，還可以顯著提高土壤細(xì)菌群落中伯克氏菌科（Burkholderiaceae）的豐富度。因此，該土壤改良劑可以通過調(diào)節(jié)土壤理化性狀，改善植物生長的微生態(tài)環(huán)境，進(jìn)而促進(jìn)植物的生長具有潛在的利用價(jià)值。