AM真菌質量分數對沙地榆土壤質量的影響1)

李俊杰 李鋼鐵 麻云霞 張月欣 胡博 張蒙蒙

(內蒙古農業(yè)大學，呼和浩特，010018)

渾善達克沙地是內蒙古四大沙地之一，位于農牧交錯帶，土壤相對貧瘠，地力相對較低。由于長期干旱氣候導致沙化情況越來越嚴重[1]。目前，盡管經過有效的治理，改良了沙地植被環(huán)境，但由于人類頻繁開發(fā)利用，導致生產力減退。所以，如何采取措施促進地力的提高，保證水土保持的有效性是目前水土保持遇到地亟需解決的難題。

叢枝菌根真菌菌絲能與植物根系形成共生，同時也可以對土壤地力的提高有明顯的作用[2]。目前，以AM真菌為主的微生物菌劑與有機肥配施已引起了高度關注。95%以上的植物能與其形成共生組織[3]，這極大地增加了AM真菌應用于沙化土壤修復的可操作性。AM真菌能與沙地榆根系緊密聯(lián)系起來，形成很好的共生關系，不僅能促進植物的生長，還能顯著改善土壤的質量[4]。在干旱的環(huán)境條件下，AM真菌能提高植物抵抗干旱的特性[5]。

近年來，學者們利用叢枝菌根真菌提升土壤地力，并取得了一定進展。龐強強等[6]研究提出，利用微生物菌劑接種可以有效促進土壤肥力程度的提高，保證土壤的酶活性水平；李倩等[7]試驗發(fā)現，將微生物菌劑加入到烤煙種植的土壤中以后，土壤過氧化氫酶和蔗糖酶活性顯著增加，土壤中速效氮、磷的增加與磷酸酶和脲酶活性的提高有關[8]。試驗數據表明，AM真菌接種質量分數與土壤基本理化性質以及酶活性變化呈顯著相關[9]。黃土高原的叢枝菌根真菌對土壤的理化性質有相似的影響，有利于提高根際土壤礦質營養(yǎng)離子的活性[10]。

本研究以內蒙古渾善達克沙地土壤作為研究對象，通過施用AM菌劑后測定土壤理化指標和微生物活性，尤其是觀測土壤微生物指標的變化，從而探究施用AM菌劑對土壤地力以及微生物活性的影響，證明土壤理化性質與土壤微生物之間的關系，為AM菌劑與有機肥料配施進一步開發(fā)利用提供數據參考，從而為提升沙地的土壤生產力和水土流失區(qū)修復提供理論依據。

1 研究區(qū)概況

渾善達克沙地位于錫林郭勒高原中部(41°56′～44°24′N，112°22′～117°57′E)，東西跨度約450 km，南北跨度50～300 km，總面積約710萬hm2；平均海拔1 200 m。全年平均溫度為14 ℃，無霜期為100～110 d[11-12]。日溫差和年溫差相差較大，年日照平均時間3 100 h。土壤主要為風沙土[13]。

2 材料與方法

2.1 樣品采集與處理

試驗中使用的沙地榆插條來自正藍旗桑根達來林木良種種植基地。2021年3月10日，在造林地選擇健壯的母株，采集2年生枝條100株，無機械損傷、病蟲害，枝條粗度大于0.8 cm。用清水浸泡3～5 d后，將其切成10～15 cm長、厚度>0.6 cm的枝條。AM真菌為Rhizophagusintraradices。復合肥購自內蒙古耕宇化肥有限公司，w(N)∶w(P2O5)∶w(K2O)=34∶6∶8。

試驗地位于內蒙古農業(yè)大學東園區(qū)溫室，本試驗于2021年3月22日進行扦插，扦插前用0.5%的高錳酸鉀噴灑于基質上，然后再深翻基質并攪拌均勻。研究共布設5個處理:(1)空白對照(CK)，(2)T1處理為復合肥2.668 kg/hm2，(3)T2處理為AM菌劑0.134 kg/hm2+復合肥2.668 kg/hm2，(4)T3處理為AM菌劑0.167 kg/hm2+復合肥2.668 kg/hm2，(5)T4處理為AM菌劑0.209 kg/hm2+復合肥2.668 kg/hm2。試驗采用完全隨機區(qū)組設計，3次重復，每個處理即為1個小區(qū)，小區(qū)面積為350 cm×900 cm。小區(qū)中間有保護行，行寬100 cm。菌劑采用溝施處理，將不同質量分數微生物菌劑與有機肥拌勻后施入土壤，從5月1日開始施肥，每隔25 d施肥1次，共施肥4次，各處理之間其余田間管理均保持一致。8月22日在試驗區(qū)內用土鉆以五點取樣法隨機采集沙地榆根際5～20 cm土壤混合，四分法取混合土樣作為檢測樣品，土壤樣品揀去植物殘體，在實驗室內自然風干，用瑪瑙研缽研細過篩后保存?zhèn)溆谩?/p>

2.2 土壤理化性質及土壤酶活性測定

堿解氮的測量利用1 mol/L NaOH堿解擴散法；土壤有效磷的測定利用NaHCO3進行浸提，然后利用鉬銻抗比色法開展；土壤有機質的測定采用重鉻酸鉀容量法；土壤速效鉀質量分數利用中性醋酸銨進行浸提，利用火焰光度計法進行測量；利用玻璃電極法開展pH值的測定；利用烘干法開展土壤中水分含量的測定[14]。利用高錳酸鉀滴定法開展土壤中過氧化氫酶含量的測定；利用比色法開展土壤中脲酶的測定；利用鄰苯三酚比色法開展土壤中多酚氧化酶含量的測定；利用二硝基水楊酸比色法開展淀粉酶含量的測定；土壤中蔗糖酶活性的測量利用比色法開展。土壤測定酶活性的質量指示一般用幾何平均值(GM)計算[15]，GM=(各酶活性的乘積)1/5。

2.3 土壤微生物數量的測定

利用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基進行細菌的培養(yǎng)，在無菌培養(yǎng)皿上做好10-6、10-7、10-8稀釋菌液的標記，每個稀釋度設置3個重復；真菌的培養(yǎng)使用馬鈴薯瓊脂培養(yǎng)基，在無菌培養(yǎng)皿上做好10-3、10-4、10-5稀釋菌液的標記，每個稀釋度設置3個重復；放線菌的培養(yǎng)利用優(yōu)化后的高氏1號培養(yǎng)基凝固后做好10-3、10-4、10-5標記，并進行3次重復。接種完成以后，將其放入恒溫培養(yǎng)箱之中，保持溫度為28～30 ℃進行培養(yǎng)。培養(yǎng)3～5 d并計數[16]。

2.4 統(tǒng)計分析

利用SPSS22開展典型相關研究和分析；利用Canoco5開展冗余分析(RDA)，選用Origin2019進行圖形的繪制。

3 結果與分析

3.1 不同AM真菌處理對土壤理化性質的影響

通過表1可以看出，添加了AM菌劑的種植土壤相比較于對照土壤，土壤的理化指標都獲得了不同程度的優(yōu)化，然而理化指標的變化存在差異。施加菌劑的樣地土壤有機質質量分數高于對照地，其中T3樣品差異最為顯著，說明施用微生物菌劑能有效提高土壤有機質質量分數。從土壤的養(yǎng)分層面進行分析，添加微生物制劑可以有效保證土壤中速效磷、鉀元素和銨態(tài)氮的質量分數增加。其中堿解氮和速效磷差異性顯著，這主要是因為AM菌劑中不僅含有一定量的氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，還含有大量的菌絲體，菌絲在生長發(fā)育過程中會分泌一些激素和特殊的酶，土壤中的復雜有機物在這些酶的作用下會釋放出更多的養(yǎng)分，所以施用菌劑后各樣地的土壤養(yǎng)分質量分數得到了相應的提高。

由表1還可知，從土壤含水量來看，AM菌劑配施進一步改善了土壤結構，有利于提高沙地的水土保持能力，增強土壤持水力。其中T2樣地當中含有的磷元素和氮元素的提高幅度最高，T3中鉀元素質量分數提高幅度最高。這主要是因為菌劑改善了土壤的通氣條件，菌劑中的菌絲體可以促進植物根系的生長，從而增加根瘤數量，提高根瘤菌的活性，顯著增強植物的固氮能力。所以，添加AM菌劑的土壤對于有效氮的吸收顯著提高。此外，AM菌劑對土壤中磷和鉀的分解有明顯的作用，可以有效的促進土壤對磷和鉀元素的吸收[17]。

表1 不同處理下土壤理化性質

3.2 不同AM真菌處理對土壤酶活性的影響

不同處理下酶活性變化見表2，土壤蔗糖酶活性各處理與CK相比，T1～T4各處理均增加了土壤蔗糖酶的活性，其中T1、T3、T4處理達顯著水平(p<0.05)，其活性相比CK增加了2.007、2.008、2.055倍；與CK相比，T2、T3、T4明顯增加了土壤淀粉酶活性。其中T4處理顯著提高了土壤淀粉酶活性，較CK增加了15.33倍，而T1未達到顯著水平；土壤磷酸酶活性較CK相比，各處理增幅相對較小。T3增幅最大為1.306倍，酶活性最大值為0.474 μmol·g-1·h-1。T1、T2、T4與CK相比，均達到顯著水平(p<0.05)，其中過氧化氫酶活性較CK均增加了1.117、1.057、1.034倍；而T3與CK相比降低了酶活性，為CK的1.004倍。對于土壤脲酶相比CK，T1～T4各處理均達顯著水平(p<0.05)，各處理均增加了土壤酶活性，分別為CK的1.045、1.052、1.316、1.595倍。土壤酶活性的加權平均值相較于CK均有所提高，其中T3、T4顯著增加了土壤酶活性的加權平均值，差異顯著；而T2相比CK有細微提高，但差異不顯著。

表2 不同處理下土壤酶活性

3.3 不同AM真菌處理對可培養(yǎng)微生物的影響

根據表3可以發(fā)現，添加了AM菌劑的樣地中微生物的數量相較于對照組樣地有著明顯的增加。5組土壤樣品相對值差異較大，其中土壤中相對度較高的依次是細菌約占53%，放線菌約占46%，真菌約占38%。對各組土壤樣品進行對比發(fā)現CK與T1土壤中的微生物種類相對值較為接近，而T3與T2土壤中的微生物種類相對值存在顯著差異，T4與T3土壤中的微生物種類相對值也存在顯著差異。其中，T2的土樣中細菌的相對值顯著低于其他各處理土樣，而在T3土樣中細菌的相對值達到最大值，T4土樣的相對值仍高于CK土樣。真菌的相對值先升高后下降，在T2土樣中達最大值，與CK土樣呈顯著差異。放線菌的相對值先下降后升高，在T4土樣中達最大值，與CK土樣呈顯著差異。

表3 不同處理下土壤細菌數量相對值

通過對土壤理化性質與微生物數量之間相關性分析(表4)，發(fā)現細菌數量與有機質質量分數呈極顯著性正相關(p<0.05)，相關系數為0.891，跟速效鉀質量分數表現出了明顯的關聯(lián)，相關系數值是0.79。真菌數量跟電導率表現出了極為明顯的正相關關系(p<0.05)，相關系數為0.929。放線菌數量與速效鉀質量分數呈極顯著負相關(p<0.05)，相關系數為0.901。

表4 土壤理化性質與土壤微生物數量之間的相關性

利用RDA分析土壤養(yǎng)分與微生物相對值的關系(圖1)表明，放線菌相對值與土壤過氧化氫酶活性呈顯著正相關，與土壤含水量呈正相關。真菌相對值與電導率和有機質質量分數呈極顯著正相關，與速效磷質量分數、速效氮質量分數呈顯著正相關。細菌的數量跟有機質質量分數和速效鉀質量分數體現出了非常明顯的正相關關系，與磷酸酶活性表現出明顯的正相關關系；跟淀粉酶和蔗糖酶活性表現出正相關關系。3種微生物的豐富性跟pH值和脲酶都沒有明顯的關聯(lián)。說明微生物相對值主要受電導率、有機質質量分數、速效鉀質量分數影響，對過氧化氫酶和磷酸酶活性影響較大。由表4還可看出，磷酸酶活性與有機質質量分數，速效鉀質量分數表現相互明顯的正相關關系，淀粉酶與蔗糖酶活性呈正相關；pH值與脲酶活性表現出明顯的正向關系，過氧化氫酶活性主要取決于土壤含水量。說明土壤磷酸酶活性主要被有機質質量分數、速效鉀質量分數所影響，pH值直接影響脲酶活性。以上分析表明，施加AM菌劑能夠大幅度地改變土壤的理化性質，進而改善種植地土壤中微域環(huán)境，提高土壤肥力[17]。3大微生物類群的數量通常作為衡量土壤微生物的首要標準。

SOM.有機質;AN.速效氮;AP.有效磷；AK.速效鉀；pH.酸堿度;EC.電導率；CAT.過氧化氫酶；URease.脲酶；Amy.淀粉酶；INV.蔗糖酶；ACP.磷酸酶。

4 討論與結論

土壤中營養(yǎng)物質的變化受到各種因素的影響，不僅包括土壤中微生物的數量，還與土壤當中水分和酸堿度存在直接關系。本次研究可以看出，添加AM真菌能夠有效促進土壤中營養(yǎng)物質質量分數的提升，叢枝菌根真菌附著于植物根部幫助土壤中營養(yǎng)物質的積累，有效幫助植物生長，促進土壤地力的提高。在3個大田種植中，AM真菌菌劑均能較好地侵染榆樹根系，并形成良好的菌根共生體。對土壤中有機質質量分數，速效氮、速效磷以及速效鉀質量分數進行測定可以發(fā)現，相較于沒有添加菌劑的樣地土壤相比，都有較顯著增加。

已有研究表明，Frey et al.[18]的試驗中利用隔室培養(yǎng)系統(tǒng)和同位素跟蹤技術，能夠看出通過叢枝菌根真菌菌絲體進行吸收和傳輸,到達土壤和植物中的氮質量分數占氮總吸收量的30%，跟研究結果基本相近。褚義紅[19]的試驗中，施用微生物菌劑可以在一定范圍內降低土壤電導率，但當達到一定質量分數時，隨著微生物肥質量分數的增加，土壤電導率的上升幅度略小于對照，這與褚義紅的研究結果一致。王美新等[20]配施微生物有機肥對植煙土壤理化性質的影響做了研究，結果表明，施用EM微生物菌劑后，土壤養(yǎng)分質量分數相比CK組均有明顯提高。試驗結果表明，不同施用AM菌劑質量分數對土壤中養(yǎng)分元素的影響不同，T2、T3處理較對照組CK均有明顯提高，但T4處理中，土壤養(yǎng)分提升幅度均低于前兩個處理，但仍比對照組CK要高。其主要原因可能是沙地當中的榆樹幼苗根系提高了對土壤當中營養(yǎng)物質的吸收水平，也可能由于適合比例的AM菌劑促進了植物進行營養(yǎng)物質吸收的水平提高。

土壤酶活性反映了土壤吸收養(yǎng)分的潛力，體現了土壤營養(yǎng)物質循環(huán)的速度，是土壤地力活性強弱的標志之一[21]。本試驗研究發(fā)現施加AM菌劑的土壤酶活性相比對照組均有所上升，其中蔗糖酶、過氧化氫酶、脲酶活性較對照相比有明顯提高，其中蔗糖酶和脲酶酶活性提高最為顯著，蔗糖酶活性在T4達到最大值2.964 μmol·g-1·h-1，過氧化氫酶活性在T2處理中到達頂峰值2.800 μmol·g-1·h-1，脲酶活性在T4達到最大值1.595 μg·g-1·h-1。這說明施用AM菌劑可以有效的提高土壤蔗糖酶、過氧化氫酶、脲酶酶活性。這主要是因為，土壤中很多因素影響著土壤酶，包括土壤養(yǎng)分質量分數的變化、水分滲透的變化，以及有機質質量分數的積累。脲酶活性和堿解氮、有機物質以及磷的元素的質量分數都表現出了明顯的關聯(lián)。土壤中過氧化氫酶活性跟有機物的質量分數呈正相關關系。由圖1還可知，磷酸酶，淀粉酶活性相比對照組也有所上升，磷酸酶活性在T3達到最大值0.474 μmol·g-1·h-1，淀粉酶活性達到最大值0.046 μmol·g-1·h-1。淀粉酶其提高幅度較另3種酶活性相對較小，這可能由于磷酸酶和淀粉酶活性對于外界環(huán)境和管理等因素引起的變化較敏感。

已有研究表明鄭兆飛[22]在毛竹林地土壤配施微生物菌肥的試驗中，分析得到以下發(fā)現：配施微生物菌肥的處理中過氧化氫酶、脲酶、蛋白酶和磷酸酶的活性，均高于對照6倍左右，因此土壤當中的微生物可以使得毛竹林地土壤中的物質實現轉變，促進了土壤酶活性的提高，使植被可以充分利用和吸收土壤中的營養(yǎng)物質。張麗娜[23]通過對蘿卜地施用微生物菌肥，使得土壤中的脲酶活性及過氧化氫酶活性短期有顯著浮動，最終趨于穩(wěn)定。而本試驗結果顯示，土壤中不同酶活性對不同質量分數AM菌劑的耐受性不同，淀粉酶、蔗糖酶、磷酸酶在T3中達到最大值，而過氧化氫酶和脲酶在T4中達到最大值。這跟以前的試驗成果相符合。過氧化氫酶活性先升后降，主要是由于過氧化氫的來源是植被的根部或者微生物，添加微生物菌劑以后，過氧化氫活性的提高使得過氧化物的降解速度提高，當菌劑質量分數不斷降低以后，過氧化氫活性也相應降低。脲酶活性先降低后上升，在T4中達到最大值，這可能與土壤中化肥尿素的水解有關系。

土壤中的微生物種群跟與土壤中有機物質、氮、磷、土壤含水量和土壤pH值等環(huán)境因素存在緊密的聯(lián)系[24]。對本次研究進行總結可以發(fā)現，添加AM菌劑以后土壤中細菌、放線菌和真菌的數量明顯提高，與其他兩個沒有添加AM菌劑的對照組進行比較更加顯著。研究發(fā)現AM真菌會對植被根部周圍的微生物多樣性造成影響。結果表明，土壤中放線菌數量增加，對植物耐極端干旱有促進作用，放線菌還具有固氮作用，有利于提高土壤銨態(tài)氮的水平[25-26]。

本試驗中施用AM菌劑的土壤樣品微生物相對值較對照組土壤均有顯著提高。其中T2的土樣中細菌的相對值顯著低于其他各處理土樣，而在T3土樣中細菌的相對值達到最大值，T4土樣的相對值仍高于CK土樣。真菌的豐富程度先升后降，在T2土樣中達到峰值。放線菌的豐富程度先降后升，在T4土樣中到達峰值。分析數據結果可以發(fā)現，在沙地榆土壤中，微生物相對值的大小順序為細菌、放線菌、真菌，表明細菌可促進土壤微生物活性的提高。在榆樹幼苗生長過程中，其根系會不斷產生分泌物質，對土壤微生物數量和相對值有很大影響，土壤微生物也會促進榆樹的生長[27]。

添加AM菌劑的處理，土壤中營養(yǎng)物質的質量分數增加，微域環(huán)境相對改善。各處理中，AM菌劑與復合肥配施提高了土壤養(yǎng)分和有機質質量分數，進一步增加了土壤酶活性。單施用復合肥雖然也可以提高土壤養(yǎng)分和沙地榆長勢，但會抑制一部分土壤酶活性和微生物數量，不同質量分數AM菌劑和復合肥配施可以有效的提高土壤酶活性和微生物數量。單施用復合肥雖然對總體酶活性有所提高，而對土壤淀粉酶和脲酶活性卻有所抑制；細菌和放線菌數量相較于對照也顯著下降。綜上，不同質量分數AM菌劑與復合肥配施處理中，AM菌劑0.167 kg/hm2與復合肥配施對于土壤養(yǎng)分和提高土壤酶活性有相對明顯的效果。