生物肥與碳酰胺配施對(duì)大櫻桃根際土壤微環(huán)境及單果重的影響

陳 瑩， 劉 瓊， 田春青， 郭海麗， 高圣鈺, 牛紅云， 劉 丹

(1.山東省林業(yè)保護(hù)和發(fā)展服務(wù)中心， 山東 濟(jì)南 250109； 2.山東銘源人力資源管理有限公司， 山東 濟(jì)南 250013； 3.山東省林草種質(zhì)資源中心 ， 山東 濟(jì)南 250102； 4.山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 ， 山東 德州 251100；5.山東省航空應(yīng)急救援中心， 山東 濟(jì)南 250000)

近年來(lái)，我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展正處于從傳統(tǒng)向現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型的階段，得益于國(guó)家政策紅利和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)發(fā)展，我國(guó)糧食產(chǎn)量實(shí)現(xiàn)了持續(xù)增產(chǎn)，在此轉(zhuǎn)變過(guò)程中化肥的大量施用為進(jìn)一步提高農(nóng)林生產(chǎn)效益發(fā)揮重要作用，然而生態(tài)環(huán)境不斷惡化，土壤肥力持續(xù)下降等問(wèn)題也隨之出現(xiàn)，影響了土壤微生物活性，進(jìn)而影響作物的產(chǎn)量與品質(zhì)，不利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1]。因此，新型肥料，特別是生物有機(jī)肥的研發(fā)與應(yīng)用受到了眾多國(guó)家的高度重視。生物肥是一類微生物活體制品，它是憑借微生物生命活動(dòng)及其代謝產(chǎn)物而為作物提供特定的肥效[2]。其主要原理是利用微生物的各項(xiàng)生命代謝活動(dòng)來(lái)為作物生長(zhǎng)提供其所需的營(yíng)養(yǎng)元素或者通過(guò)微生物新陳代謝過(guò)程中產(chǎn)生的多種生理活性物質(zhì)來(lái)調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)[3]。研究發(fā)現(xiàn)，施用生物肥可以提高肥料的利用率，增加土壤的肥力，通過(guò)改善土壤生態(tài)環(huán)境，來(lái)達(dá)到提升作物品質(zhì)和豐產(chǎn)的目的[4-5]。

根際是由土壤-微生物-酶組成的一個(gè)特殊微生態(tài)系統(tǒng)，因?yàn)楦瞪砘顒?dòng)影響使其與原土體在生物學(xué)特性、物理和化學(xué)等方面有較大的差異[6]。土壤微生物生物量是土壤中有效養(yǎng)分的儲(chǔ)備庫(kù)，驅(qū)動(dòng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的同時(shí)參與了土壤內(nèi)部養(yǎng)分循環(huán)；而酶活性是土壤生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的組分，也是土壤生物活性的表征，二者不僅是植物營(yíng)養(yǎng)元素的活性庫(kù)，還是土壤有機(jī)物轉(zhuǎn)化的執(zhí)行者[7-9]。大量研究表明[6-11]，施肥不但能明顯增加土壤肥力，而且對(duì)土壤微生物數(shù)量、多樣性和活性以及土壤酶活性產(chǎn)生一定影響。

大櫻桃(Prunusavium)又名歐洲甜櫻桃、西洋實(shí)櫻，薔薇科(Rosaceae)李屬(Prunus)植物，在落葉果樹中果實(shí)成熟時(shí)間僅次于櫻桃(Prunuspseudocerasus)，且果實(shí)色澤鮮艷、香味濃郁，在食用和醫(yī)療保健等方面具有多重利用價(jià)值，目前大櫻桃已在全國(guó)多地進(jìn)行推廣栽培，產(chǎn)業(yè)前景廣闊[5]。施肥是大櫻桃栽培管理過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)之一，施肥效應(yīng)不僅與施肥量、土壤特性、植物本身等因素有關(guān)，還與肥料種類等密切相關(guān)[12-14]。多年來(lái)，大櫻桃施肥仍然以化肥為主，雖然能顯著提高大櫻桃產(chǎn)量，但化肥的養(yǎng)分利用率偏低，容易引起土壤板結(jié)，進(jìn)而導(dǎo)致大櫻桃果實(shí)品質(zhì)的降低?？梢?，科學(xué)有效的施肥技術(shù)對(duì)于大櫻桃栽培顯得尤為重要。目前，關(guān)于大櫻桃施生物肥的研究報(bào)道相對(duì)較少，尤其是針對(duì)生物肥與碳酰胺(即尿素)配合施用的應(yīng)用研究更是鮮見報(bào)道。鑒于此，本研究選用生物肥為供試原料，進(jìn)行了生物肥與碳酰胺配施對(duì)5年生大櫻桃根系活力與根際土壤微生物數(shù)量、酶活性及其單果重的研究，為探討施用生物肥對(duì)大櫻桃微生態(tài)環(huán)境的影響提供理論依據(jù)，也為生物肥的推廣應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤為潮土，土壤中速效氮含量37.65 mg·kg-1，速效磷含量16.22 mg·kg-1，速效鉀含量72.50 mg·kg-1，有機(jī)碳含量8.19 g·kg-1。供試生物肥為從市場(chǎng)購(gòu)買的果蔬專用商品生物肥(氮、磷、鉀總養(yǎng)分≥5%，有機(jī)質(zhì)≥45%，有效活菌數(shù)≥0.2億·克-1)；供試化肥為過(guò)磷酸鈣(CaP2H4O8)、碳酰胺(CH4N2O)及硫酸鉀(K2SO4)[15]。大櫻桃為5年生‘甜心’，嫁接砧木是吉塞拉5號(hào)，無(wú)病蟲害，生長(zhǎng)狀況相近。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地位于山東省林草種質(zhì)資源中心高官寨保育庫(kù)(117°14′46.32″E， 36°54′24.63″N)。2019年3月中旬，開始進(jìn)行大田試驗(yàn)，采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共設(shè)置4個(gè)處理，即： CK為不施肥；CF為100%的氮由碳酰胺提供(342.45 kg·hm-2)；BF為100%的氮由生物肥提供(6300kg·hm-2)； BF+CF為生物肥和碳酰胺各提供50%的氮(碳酰胺171.23 kg·hm-2，生物肥3150 kg·hm-2)[16-17]。重復(fù)3次，共計(jì)12個(gè)小區(qū)。每小區(qū)面積為12 m×8.5 m=102 m2，每小區(qū)內(nèi)有大櫻桃10株。除CK外，其余等量，N、P、K含量相當(dāng)于157.5、45.0、172.5 kg·hm-2，分別用CaP2H4O8與K2SO4來(lái)補(bǔ)足各處理P與K的不足部分[17]。

1.3 測(cè)定

2019年9月26日，采集根系樣品與根際土，對(duì)每小區(qū)的10棵植株進(jìn)行采集。在土壤水分含量適中時(shí)采用剝落分離法[18]取樣，將帶土植株取出，輕輕抖落大塊不含根系的土壤，用力將根表面附著的土壤全部抖落，迅速裝入塑料袋內(nèi)(根際土) 。根際土混勻后迅速帶回實(shí)驗(yàn)室，用四分法取適量土樣分成2份，一份新鮮土樣過(guò)2 mm篩立即測(cè)定微生物數(shù)量，一份土樣風(fēng)干過(guò)1 mm篩后測(cè)定酶活性[19-20]。同時(shí)，用水沖洗根系，采用氯化三苯基四氮唑(TTC)比色法測(cè)定根系活力[21]，其原理是植物根系中脫氫酶引起TTC還原，生成紅色而不溶于水的三苯基甲臜(TTF)，根系活力越高，生成的TTF越多。計(jì)算公式如下：

根系活力=四氮唑還原量 /(根重×?xí)r間)

(1)

式中：根系活力(μg·g-1·h-1)；四氮唑還原量 (μg)；根重 (g)；時(shí)間 (h)。

細(xì)菌、放線菌與真菌分別選用牛肉蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基、改良高氏1號(hào)培養(yǎng)基與馬丁-孟加拉紅培養(yǎng)基，并采用稀釋平板計(jì)數(shù)法測(cè)定微生物數(shù)量[16，22]。過(guò)氧化氫酶、脲酶、多酚氧化酶與蔗糖酶活性分別采用高錳酸鉀滴定法、苯酚鈉-次氯酸鈉比色法、鄰苯三酚比色法與Na2S2O3滴定法的方法進(jìn)行酶活性測(cè)定[22]。

果實(shí)成熟后在試驗(yàn)田中從不同區(qū)組采集大櫻桃果實(shí)，并從中隨機(jī)選取10個(gè)代表果，測(cè)量單果重[23]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析(One-way ANOVA)與最小顯著差異法(LSD)比較不同處理組間的差異，差異顯著性水平α為0.05[13，17]。

2 結(jié)果與分析

2.1 根系活力

反映根系吸收功能的重要指標(biāo)之一是根系活力，根系特性與發(fā)育狀況與植株對(duì)土壤水分、養(yǎng)分的吸收有直接關(guān)系[24]。因此，根系活力大小影響著大櫻桃植株生長(zhǎng)。不同施肥處理都能顯著提高大櫻桃的根系活力(見圖1)。BF+CF處理的根系活力最大，分別較CK、CF和BF處理顯著提高81.93%、43.16%和16.62%；其次為BF處理，較CK、CF處理顯著提高56%、22.76%。以上分析可知：施用生物肥相比單施化肥能明顯提高大櫻桃的根系活力，其中提高幅度更大的是生物肥與碳酰胺配施，增強(qiáng)了大櫻桃根系吸收能力。

注： 不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。圖1 不同施肥處理下大櫻桃的根系活力Fig.1 Root activity of Prunus avium under the different fertilization treatments

2.2 根際土壤微生物

根際土壤微生物對(duì)果樹生長(zhǎng)與營(yíng)養(yǎng)元素的流動(dòng)起著至關(guān)重要的作用[25]。如表1所示：3個(gè)不同施肥處理的4項(xiàng)根際土壤微生物數(shù)量指標(biāo)均顯著高

表1 不同施肥處理下大櫻桃的根際土壤微生物數(shù)量Tab.1 Microbial population in rhizosphere soil of Prunus avium under the different fertilization treatments×104 CFU·g-1處理細(xì)菌放線菌真菌微生物總量CK257.02±16.84 d78.54±9.32 d2.97±0.46 c338.53±0.03 dCF325.78±23.09 c93.86±3.53 c4.33±0.25 b423.97±0.06 cBF460.92±12.57 b122.37±5.94 b5.94±0.16 a589.23±0.09 bBF+CF518.33±10.65 a143.98±6.60 a6.08±0.10 a668.39±0.05 a 注: 數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差,同一列中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

于CK。對(duì)各個(gè)施肥處理結(jié)果比較分析發(fā)現(xiàn)：BF和BF+CF處理的4項(xiàng)微生物數(shù)量指標(biāo)均明顯高于CF處理，BF+CF處理下的細(xì)菌數(shù)、放線菌數(shù)和微生物總量均顯著高于其他處理，只有真菌數(shù)量與BF處理相比無(wú)顯著差異。此外，BF+CF處理的細(xì)菌數(shù)與CK、CF、BF處理相比分別顯著增加101.67%、59.10%、12.46%。綜上所述：?jiǎn)为?dú)或搭配施入生物肥均能顯著增加大櫻桃根際土壤的微生物數(shù)量，生物肥與碳酰胺配施的增幅最大。

2.3 根際土壤酶活性

不同施肥處理下的土壤酶活性與CK相比差異顯著，均有不同程度的增加(見表2)。CF與BF、BF+CF施肥處理相比，土壤酶活性明顯低于后面2種處理，且差異顯著；在BF和BF+CF生物肥處理中，后者的脲酶、蔗糖酶活性最高，顯著高于前者，但過(guò)氧化氫酶、多酚氧化酶活性與前者相比差異不顯著。其中，對(duì)蔗糖酶活性增幅最大的是BF+CF處理，較CK處理提高了78.92%，較CF與BF處理分別提高42.79%與17.39%。綜上所述：同單施化肥相比，施用生物肥能明顯提高大櫻桃根際土壤的這4種酶活性，其中生物肥與碳酰胺配施對(duì)脲酶和蔗糖酶活性的提高幅度最大。

表2 不同施肥處理下大櫻桃的根際土壤酶活性Tab.2 Enzyme activity in rhizosphere soil of Prunus avium under the different fertilization treatments處理過(guò)氧化氫酶/(mL 0.1 NKMnO4·g-1·h-1)脲酶/(mg NH3-N·g-1·h-1)蔗糖酶/(mL 0.1NNa2S2O3·g-1·h-1)多酚氧化酶/(mg gallic acid·g-1·h-1)CK1.36±0.03 c1.59±0.08 d1.66±0.12 d0.63±0.09 cCF1.52±0.05 b1.87±0.06 c2.08±0.07 c0.80±0.03 bBF1.64±0.02 a2.09±0.03 b2.53±0.16 b0.96±0.03 aBF+CF1.68±0.03 a2.36±0.06 a2.97±0.10 a0.93±0.05 a

2.4 單果重

由圖2可知：各處理單果重的大小次序?yàn)锽F+CF>BF≈CF>CK，BF+CF處理的單果重最大，分別較CK、CF與BF處理顯著高出20.13%、9.81%與8.23%；BF和CF 2種處理雖然無(wú)顯著性差異，但仍顯著高于CK(分別高出10.99%和9.40%)。綜上所述：不同施肥措施相比對(duì)照均能顯著提高大櫻桃的單果重，其中生物肥與碳酰胺配施處理對(duì)單果重的增幅最大，這對(duì)于提高大櫻桃的商品率和產(chǎn)量具有重要意義。

圖2 不同施肥處理下大櫻桃的單果重Fig.2 Single fruit weight of Prunus avium under different fertilization treatments

3 結(jié)論與討論

根際是植物-土壤-微生物與周圍環(huán)境相互作用的場(chǎng)所，根際微域的養(yǎng)分可以直接被植物根系所吸收，這對(duì)于植物高效利用土壤養(yǎng)分具有重要的影響作用[26-27]，而根系活力作為根系吸收功能的重要指標(biāo)，與根際土壤之間具有密切的關(guān)聯(lián)[24，28]。在本試驗(yàn)中，施用生物肥的2個(gè)處理同單施化肥相比能顯著提高大櫻桃的根系活力，這表明施生物肥有助于提升大櫻桃的根系活性。

有研究表明，根際是一個(gè)多因素相關(guān)聯(lián)的復(fù)雜系統(tǒng)，包括植物根系、細(xì)菌、放線菌、真菌與土壤動(dòng)物等[29]。相關(guān)研究認(rèn)為，施用有機(jī)肥或有機(jī)無(wú)機(jī)配施可提高根際土壤微生物數(shù)量[16]。我們通過(guò)研究得出了相似的結(jié)論：在單施化肥與對(duì)照處理相比之下，生物肥或生物肥-碳酰胺配施處理的根際土壤細(xì)菌、放線菌、真菌的數(shù)量與微生物總量均顯著升高，證明施用生物肥能促進(jìn)土壤微生物的快速生長(zhǎng)，主要原因是生物肥本身帶入了大量活的微生物，相當(dāng)于發(fā)揮了“接種”的作用；同時(shí)土壤中多數(shù)微生物處于低營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，當(dāng)施入生物肥后，為它們提供了新能源，促進(jìn)了微生物的快速繁殖。但孫運(yùn)杰等[4]在藍(lán)莓上的研究認(rèn)為，施用生物肥處理相比對(duì)照卻顯著降低了土壤細(xì)菌數(shù)和微生物總量；徐憲斌[20]在玉米上的研究發(fā)現(xiàn)，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；涂佳等[30]在各施肥處理下的泡桐根間對(duì)比發(fā)現(xiàn)，真菌數(shù)量明顯高于對(duì)照，而細(xì)菌、放線菌數(shù)量除個(gè)別高于對(duì)照外，其余均低于對(duì)照。造成這些差異可能受作物種類、土壤性狀、試驗(yàn)周期等因素影響。

土壤酶作為有機(jī)物轉(zhuǎn)化的重要執(zhí)行者，其活性與土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化緊密相關(guān)，測(cè)定土壤酶活性的大小，有助于對(duì)土壤供肥性能作出合理的評(píng)判[31]。Garcia等[32]認(rèn)為土壤酶活性作為土壤肥力的評(píng)價(jià)指標(biāo)是完全可行的，但大多數(shù)學(xué)者卻認(rèn)為，單一的酶活性并不能客觀地反映出土壤肥力的真實(shí)水平，而應(yīng)綜合考慮那些與土壤肥力密切相關(guān)且分布廣泛的土壤酶活性。本文共研究了不同施肥條件下具有代表性的4種土壤酶活性，結(jié)果顯示不同施肥處理對(duì)大櫻桃根際土壤酶活性具有顯著的影響。生物肥或生物肥-碳酰胺配施處理較單施化肥處理能明顯提高大櫻桃根際土壤酶活性，這與井大煒等對(duì)楊樹苗根際土壤生物學(xué)特征的研究結(jié)果相似[16]。生物肥一方面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，另一方面還能提高根際土壤的腐殖質(zhì)含量，從而腐殖質(zhì)通過(guò)離子鍵、共價(jià)鍵或離子交換等方式固定土壤酶[4]。此外，生物肥與碳酰胺搭配處理的根際土壤微生物數(shù)量、酶活性均高于生物肥處理。究其原因可能是生物肥與碳酰胺搭配有助于協(xié)調(diào)土壤的C/N比值，改善土壤理化性狀，促進(jìn)大櫻桃與土壤微生物生物量的生長(zhǎng)，使更多的酶伴隨著大櫻桃的根系活動(dòng)與土壤動(dòng)物、微生物的代謝活動(dòng)進(jìn)入土壤，同時(shí)施入的碳酰胺能使土壤中消耗的氮得到及時(shí)補(bǔ)充，所以加快了根際土壤微生物的繁殖速度，進(jìn)而提高了土壤微生物數(shù)量與酶活性[33-35]。同時(shí)，生物肥與碳酰胺配施能明顯提高大櫻桃的單果重，這說(shuō)明根系活力與根際土壤微生物數(shù)量、酶活性的改善，增強(qiáng)了大櫻桃的根系活性，并使根際土壤微生態(tài)環(huán)境得到優(yōu)化，進(jìn)而提升了根際土壤的供肥性，有利于促進(jìn)大櫻桃果實(shí)的生長(zhǎng)。土壤酶與土壤理化性狀存在緊密的聯(lián)系[36]，施肥對(duì)土壤酶活性與土壤理化性狀具有基本相似的影響，因此在實(shí)際生產(chǎn)中可通過(guò)增施生物肥-無(wú)機(jī)肥配施來(lái)改善土壤理化性狀，增強(qiáng)土壤酶活性，且能減少施加化肥的用量，明顯提升肥料利用率，這對(duì)于改善生態(tài)環(huán)境進(jìn)而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)林可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。