竹菌共生體系在重度退化草地的作用效應(yīng)

肖析蒙, 楊壯, 廖鴻, 龍文聰, 劉君藝, 楊瑤君*

1. 樂山師范學(xué)院竹類病蟲防控與資源開發(fā)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 樂山 614000；

2. 四川省龍日種畜場(chǎng), 阿壩 紅原624401

草地退化嚴(yán)重影響著草原的生態(tài)環(huán)境[1]，退化草地內(nèi)土壤環(huán)境惡劣[2]，土壤水分、養(yǎng)分保持能力喪失[3]，退化草地比未退化地區(qū)土壤水分含量降低54.28%[4]，速效氮、磷、鉀低58.33%、62.2%、29.3%[5]。惡劣的土壤環(huán)境導(dǎo)致土表植物多樣性降低，土表植被覆蓋度不足40%[6]?？焖傩迯?fù)退化草地，已經(jīng)成為保護(hù)草原生態(tài)環(huán)境、保障草原生產(chǎn)的重點(diǎn)研究方向。

草場(chǎng)封育、人工補(bǔ)播草種是目前修復(fù)退化草地最常用的治理方法[7]，播種高品質(zhì)、抗逆性強(qiáng)的牧草可提高退化草地牧草產(chǎn)量86.7%[8]。但退化草地土壤環(huán)境惡劣，植被生長(zhǎng)受阻，利用封育、補(bǔ)播的方法難以在短時(shí)間內(nèi)取得成效[9]。為縮短治理周期，王東磊等人通過施用化肥促進(jìn)植物生長(zhǎng)，較圍欄封育處理植被覆蓋度增加46.3%[10]，但化肥對(duì)重度退化草地的生物多樣性會(huì)有負(fù)面影響[11]。為避免化肥的負(fù)面影響，王小燕等人[12]利用微生物肥結(jié)合氮肥混合施用提升了28.83%的堿解氮含量。王雨等人[13]研究指出在干旱條件下利用微生物肥可增加11.3%植株高度和56.6%葉綠素含量。任卓然[14]等人利用微生物肥治理退化草地，地上生物量一年后增幅達(dá)到126%，但對(duì)土壤水分保持方面作用甚微。高吸水材料可有效改善土壤顆粒結(jié)構(gòu)[15]、控制土壤侵蝕等功能[16]。程登喜等人研究指出，沙土混合高分子材料可提高33.9%土壤含水量[17]。馬丙堯[18]等人發(fā)現(xiàn)保水劑與尿素凝膠混施后蔗糖酶、多酚氧化酶和脲酶活性較對(duì)照組可提高80.34%、62.71%和27.21%。但過量使用高分子材料會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土壤板結(jié)，對(duì)植物生長(zhǎng)起到反作用[19]。宋雙雙等人也指出隨著保水劑用量增加，會(huì)導(dǎo)致土壤微生物數(shù)量減少[20]。廖文菊等人[21]指出退化草地治理的關(guān)鍵是改善土壤環(huán)境，再通過牧草種植逐漸恢復(fù)草地生態(tài)。

由高吸水竹纖維與竹纖維共生菌組成的竹菌共生體系，具有提高土壤水分、促進(jìn)根際微生物繁殖雙重功能，其對(duì)缺水、根系生長(zhǎng)不好的退化草地根際微生態(tài)環(huán)境改良是否具有促進(jìn)作用？通過將共生體系應(yīng)用于退化草場(chǎng)，探討以下3 個(gè)方面的內(nèi)容：1）竹菌共生體系對(duì)沙地土壤水分的影響；2）竹菌共生體系對(duì)土壤微生物的影響；3）竹菌共生體系對(duì)菊苣-將軍生長(zhǎng)的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地為阿壩藏族羌族自治州紅原縣，北緯32°48′，東經(jīng)102°33′海拔3 507，屬高原寒溫帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫2.9℃，年降水量860.8 mm，日照時(shí)數(shù)2 212 h，年均濕度69%[22]，試驗(yàn)地選擇重度退化草地（總覆蓋度減少率＞30%，總產(chǎn)草量下降＞50%）進(jìn)行試驗(yàn)[23]。

1.2 試驗(yàn)方法

于2022 年5 月進(jìn)行播種，2022 年9 月進(jìn)行取樣，試驗(yàn)采用大區(qū)對(duì)比試驗(yàn)，重復(fù)3 次，每個(gè)小區(qū)面積667 m2，根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，處理為竹菌體系，由高吸水竹纖維（吸水倍數(shù)478 倍）24 g·m-2和竹纖維共生菌有效活菌數(shù)（5×109CFU·g-1）6 g·m-2組成（高吸水竹纖維和竹纖維共生菌由竹類病蟲防控與資源開發(fā)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制并提供），對(duì)照組為不施用高吸水竹纖維和竹纖維共生菌，其他管理?xiàng)l件一致。栽培措施為菊苣-將軍（Cichorium intybuscv.Commander）草種3 g·m-2，人工開溝條播，行距30 cm。

土樣采集：采集使用蛇形布點(diǎn)法，試驗(yàn)組及對(duì)照組各取5 個(gè)點(diǎn)，避開直接施肥的地區(qū)，用土鏟取0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm 深的土層分裝，提出雜物放置于自封袋中低溫運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室，將土樣分成2 份，新鮮土樣用于土壤微生物數(shù)量檢測(cè)，一部分土樣按照試驗(yàn)分組進(jìn)行混合，過40 目篩，放置于4℃冰箱保藏用于土壤養(yǎng)分含量檢測(cè)。

植物樣品取樣：試驗(yàn)大區(qū)內(nèi)劃5 個(gè)1 m×1 m 的樣方，隨機(jī)選擇樣方內(nèi)20 株植株進(jìn)行葉片長(zhǎng)度、厚度統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)收集后刈割樣方內(nèi)植株莖葉放置于取樣袋中，加裝冰袋低溫保藏，送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)。

土壤溫度測(cè)定方法：土壤濕度、溫度檢測(cè)使用植物數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，將濕度計(jì)埋于20 cm 土壤中，溫度計(jì)埋于10 cm 土壤中。土壤濕度、溫度測(cè)定儀每隔1 h將收集的數(shù)據(jù)上傳至云端，通過電腦從云端下載存儲(chǔ)。

土壤微生物計(jì)數(shù)采用平板涂布法，細(xì)菌培養(yǎng)采用 Luria-Bertani 培養(yǎng)基；真菌培養(yǎng)基采用改良馬丁培養(yǎng)基；放線菌采用高氏一號(hào)培養(yǎng)基[24]。土壤養(yǎng)分檢測(cè)參考于嘉欣[25]等人的方法進(jìn)行檢測(cè)；植株全氮、磷、鉀檢測(cè)參考張慧等人試驗(yàn)方法進(jìn)行[26]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用SPSS23.0 分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 表層土溫度的變化動(dòng)態(tài)

由表1 可知隨著季節(jié)變化，7—11 月試驗(yàn)區(qū)土溫逐漸降低，試驗(yàn)組7～11 月土壤平均溫度（10.85℃）均低于對(duì)照組（11.295℃）3.4%但差異并不顯著（P=0.106），試驗(yàn)組和對(duì)照組月平均氣溫最高為8 月，分別為15.49℃和16.18℃，試驗(yàn)組比對(duì)照組土溫低4.26%；11 月溫度最低，試驗(yàn)組較對(duì)照組平均氣溫低15.54%，差異不顯著。7—11 月試驗(yàn)區(qū)內(nèi)土壤水分含量逐漸降低，試驗(yàn)組7 月土壤水分含量最高（64.61%）10 月水分含量最低（39.57%），對(duì)照組10 月土壤水分含量最高（54.01%），11 月水分含量最低（28.72%）；試驗(yàn)組月均土壤水分含量較對(duì)照組提升24.74%，這表明試驗(yàn)處理能夠顯著提升退化草地土壤水分含量。

表1 沙地內(nèi)土壤濕度、土壤溫度結(jié)果表Tab. 1 Results of soil moisture and soil temperature in sandy land

表2 土壤微生物結(jié)果表Tab. 2 Results of soil microorganisms

2.2 土壤微生物變化

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)組細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量均高于對(duì)照組，試驗(yàn)組0—10 cm 細(xì)菌數(shù)量高對(duì)照組22.74%，但不顯著P=0.078；10—20 cm 和20—30 cm 土層細(xì)菌數(shù)量顯著高于對(duì)照組，分別高出22.34%、41.92%。10—20 cm 土層真菌數(shù)量最高（113×106CFU/g），高對(duì)照組192.21%，20—30 cm 土層真菌數(shù)量差異最大，試驗(yàn)組高對(duì)照組225.14%。試驗(yàn)組0—10 cm 土層放線菌含量最高（123.27×106CFU/g），比對(duì)照組同土層放線菌數(shù)量（69.12×106CFU/g）高78.34%。數(shù)量差異最明顯的為20—30 cm 土層放線菌含量，試驗(yàn)組放線菌數(shù)量高對(duì)照組419.77%，差異最小的為10—20 cm土層細(xì)菌數(shù)量，處理組高對(duì)照組22.34%。證明竹菌共生體系能夠有效提升土壤微生物數(shù)量。

2.3 土壤養(yǎng)分變化

由表3 可知，試驗(yàn)組土壤速效養(yǎng)分含量均高于對(duì)照組。試驗(yàn)組銨態(tài)氮（182.95 mg/kg）、有效磷（28.76 mg/kg）和有機(jī)質(zhì)（71.77 g/kg）含量高對(duì)照組60.06%、41.05%和10.47%，達(dá)到顯著水平P＜0.05，試驗(yàn)組速效鉀含量高對(duì)照組8.14%但未達(dá)到顯著水平。試驗(yàn)結(jié)果表明竹菌共生體系能夠有效改良退化草場(chǎng)土壤環(huán)境，提升土壤速效養(yǎng)分含量。

表3 土壤養(yǎng)分結(jié)果表Tab. 3 Soil nutrients result

2.4 土壤微生物與養(yǎng)分相關(guān)性分析

由表4 可知，三種微生物數(shù)量呈正相關(guān)，細(xì)菌和真菌相關(guān)性顯著（P＜0.05），真菌與放線菌相關(guān)性極顯著（P＜0.01）。細(xì)菌、真菌、放線菌與土壤養(yǎng)分指標(biāo)均呈正相關(guān)，真菌與土壤有效磷呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.851，表明土壤內(nèi)真菌數(shù)量高低會(huì)顯著影響到土壤有效磷含量。放線菌與銨態(tài)氮呈顯著正相關(guān)，與有效磷呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.831 和0.925，證明土壤銨態(tài)氮、有效磷的含量高低與放線菌數(shù)量有直接聯(lián)系。

表4 土壤微生物與養(yǎng)分相關(guān)性分析Tab. 4 Correlation analysis between soil microorganisms and nutrients

2.5 菊苣-將軍生長(zhǎng)變化

從表5 菊苣-將軍的生長(zhǎng)生理指標(biāo)調(diào)查結(jié)果可知，與對(duì)照相比較，試驗(yàn)組葉綠素含量、葉片長(zhǎng)、寬、營(yíng)養(yǎng)成分含量均高于對(duì)照組，增加幅度最大的是葉片寬度，顯著高出對(duì)照組69.00%，葉綠素SPDA 值含量增長(zhǎng)最低為10.79%，試驗(yàn)組葉片厚度（5.89 mm）和全氮（16.33 g/kg）含量分別高于對(duì)照組18.27%、12.78%，但未達(dá)到顯著水平。試驗(yàn)組葉長(zhǎng)、葉寬、全磷、全鉀含量顯著高于對(duì)照組，分別高出15.8%、69%、31.46%和33.99%。

表5 菊苣-將軍生長(zhǎng)生理指標(biāo)表Tab. 5 Growth physiological indexes of Chicory-General

3 結(jié)論與討論

利用高吸水性竹纖維增加退化草地土壤的保水性，相比于圍欄封育3—6 年的自然恢復(fù)周期而言[27]，恢復(fù)效果更快、治理周期更短，郭東權(quán)[28]等人的研究結(jié)果也指出，高分子材料能夠加速退化草地的治理。實(shí)驗(yàn)中利用竹纖維共生菌加速土壤有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化，這可避免化肥使用的負(fù)面影響[11]。隨著時(shí)間推移，高吸水性竹纖維被微生物降解為營(yíng)養(yǎng)成分被微生物、植物吸收，這也避免了使用高分子材料治理退化草地時(shí)對(duì)土壤通透性的影響[29]。相比單用微生物肥治理退化草地，本試驗(yàn)方法有著更為廣泛的適用性。

試驗(yàn)組微生物數(shù)量均高于對(duì)照組，證明添加微生物及高分子材料能夠提升沙地內(nèi)微生物數(shù)量，這與Li Xuqing 等人的研究結(jié)果相同[30][31]。與之不同的是趙卉鑫的研究發(fā)現(xiàn)，使用高分子材料會(huì)導(dǎo)致微生物豐富度下降[32]，庫(kù)永麗等人指出使用微生物肥會(huì)降低土壤內(nèi)真菌數(shù)量[33]。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著土層深度的增加，土壤微生物數(shù)量呈減少趨勢(shì)[34][35]，這與劉株秀及王少坤等人的研究結(jié)果一致[36]。試驗(yàn)中處理組土壤銨態(tài)氮、有效磷、有機(jī)質(zhì)含量均顯著高于對(duì)照組，這與Miransari 等人的研究結(jié)果相似[37]，但Zhao yangan 等人研究指出，微生物肥料會(huì)降低土壤內(nèi)銨態(tài)氮的含量，降幅可達(dá)12.2%[38]，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，土壤內(nèi)微生物數(shù)量與土壤養(yǎng)分含量均呈正相關(guān)，白世紅等人的研究結(jié)果相似[39]。但黃晶淼等人研究指出速效磷與放線菌呈顯著負(fù)相關(guān)，與細(xì)菌和真菌數(shù)量呈顯著正相關(guān)。于嘉欣和毛寧等人的研究也發(fā)現(xiàn)，土壤微生物數(shù)量與速效鉀呈負(fù)相關(guān)[40][41]。試驗(yàn)組菊苣的多項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)均顯著高于對(duì)照組，這與Nur Prihatiningsih 等人的研究結(jié)果相似[42]。

高吸水竹纖維與竹纖維共生菌應(yīng)用于退化草地治理，驗(yàn)證了竹菌共生體系對(duì)退化草地的影響，竹菌共生體系可顯著提高退化草地土壤水分含量、微生物種群數(shù)量，顯著提升土壤內(nèi)銨態(tài)氮、有效磷、有機(jī)質(zhì)的含量，并對(duì)菊苣-將軍生長(zhǎng)及其全磷、全鉀含量有著顯著的提升效果。對(duì)于退化草地土壤環(huán)境改良，促進(jìn)退化草地內(nèi)菊苣-將軍有著積極作用，在后續(xù)將持續(xù)監(jiān)測(cè)竹菌共生體系對(duì)土壤酶活、植株生長(zhǎng)及根系酶活變化，并從轉(zhuǎn)錄組、代謝組等分子學(xué)層面闡述土壤改良機(jī)理，為退化草地的快速治理提供了一條新的技術(shù)措施。