上海濱海地區鹽堿地蔬菜栽培土壤的微生物改良及其評價

寇一鳴，戴佳偉，劉石秀，吳文艷，陳軍

(上海師范大學生命與環境科學學院植物種質資源開發協同創新中心，上海200234)

上海濱海地區鹽堿地蔬菜栽培土壤的微生物改良及其評價

寇一鳴，戴佳偉，劉石秀，吳文艷，陳軍

(上海師范大學生命與環境科學學院植物種質資源開發協同創新中心，上海200234)

為了改良上海濱海地區鹽堿地的土壤肥力狀況，使之轉變成適合蔬菜生產的土質環境，實驗通過混合鹽堿土與有機肥后，噴施基于有機基質協同降解的復合微生物對鹽堿土進行土壤改良.結果表明：鹽堿土混入5∶1的有機質肥后，施加0.5%的1∶3∶3∶1的地衣芽孢桿菌、假單胞菌、黃桿菌和鞘氨醇單胞菌菌液的復合微生物能快速增強土壤有機質的利用能力，顯著提高土壤微生物數量和多樣性指數.同時，土壤中的脲酶、磷酸酶、纖維素酶和過氧化氫酶等酶學指標顯著上升.改良土的蔬菜栽培試驗顯示栽培50 d后青菜的生物量比原始鹽堿地產量增加近1倍，比單純施加有機肥的產量增加30.2%.結論對鹽堿地的生物改良具有良好的參考、應用價值.

濱海鹽堿地；復合微生物；有機質利用；土壤改良

0 引言

上海東部濱海地區土壤鹽分含量為0.4～0.6 g/kg，局部地區甚至高達8.1 g/kg，約有60%的土壤pH為8.0～8.5，另有近40%土壤pH為8.5～9.0，鹽分組成以NaCl為主，屬于中度鹽堿地［1］.該區域鹽堿土中有機質總體含量低，大多小于20 g/kg，土壤肥力貧瘠、結構粘滯、板結緊實、通氣性差、容重率高，易造成土溫上升慢，土壤中好氣性微生物活動性差、水分釋放慢、滲透系數低、毛細作用強、表層土壤鹽漬化嚴重等現象，對蔬菜的生產十分不利［2-3］.

上海作為國際化大都市，城市規模大，市民人口多，城市生活中蔬菜消費需求量大.由于季節、天氣和消費觀念等因素的影響，經常會造成上海地區蔬菜供應緊張的問題，因此，保持一定規模的上海本土蔬菜的生產是十分必要的［2］.上海可供蔬菜種植的土地十分緊缺，拓展蔬菜種植的土地資源必然指向上海東部濱海地區大量的灘涂圍墾形成的鹽堿地.改良適合蔬菜生產的鹽堿地的一個有效途徑是增施有機肥.有機肥經過土壤微生物分解轉化后形成有機酸和腐殖質，能中和土壤堿性，提高土壤的緩沖能力，促進團粒結構形成，增加土壤孔度，增強透水性，有利于鹽分淋洗，抑制返鹽［4-6］.另一方面微生物作用也可以加速養分分解，促進遲效養分的轉化，提高氮磷鉀等營養要素的有效利用.而自然發酵處理過程中有機肥釋放養分的速率和比例并不能完全滿足蔬菜栽培的生理需要，因此，人工強化功能性微生物是促進土壤改良的重要手段，能夠高效促進土壤中物質的轉化，提高作物營養均衡度，促進營養吸收和刺激調控作物的生長，同時也能抑制部分病害生物［6-9］.本文作者旨在探究通過基于有機基質協同降解利用的復合微生物的增施，提高上海濱海地區鹽堿地蔬菜栽培土質的性能.

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗土樣

土樣取自上海東部濱海的浦東三甲港地區，取樣時間為2015年4月中旬.選取多點采集樣土，等量混合后使用.采樣地要求為濱海灘涂未開墾種植過的海濱原始土樣，土表風干后有明顯的淺白色鹽霜.

1.1.2 有機基質及制備混合土質

有機基質取自奶牛飼養場經堆肥發酵數月的固體糞肥.將采樣的鹽堿土與有機基質按重量比5∶1混合均勻，以不混入有機基質的鹽堿土樣為對照土樣.

1.1.3 供試菌種

地衣芽孢桿菌(Bacillus licheniformis)，假單胞菌(Pseudomonassp.)，黃桿菌(Flavobacteriumsp.)和鞘氨醇單胞菌屬(Sphingomonassp.).以上菌種均為本實驗室鑒定保藏.

1.1.4 供試青菜品種

上海青(Brassica chinensisL.)，上海師范大學植物園提供.

1.1.5 主要設備

數字式液體稀釋儀(Bio Dilutor，西班牙IUL)；全自動微生物平皿螺旋加樣系統(DJH5 EddyJetIUL，西班牙)；紫外可見分光光度計(TU1901，普析通用)，HPLC(Agilent 1100系列，德國)等.

1.2 實驗方法

1.2.1 土壤樣品采集與分析

采集三甲港地區灘涂圍墾地土樣，分析其pH、有機質含量、容重、全氮、有效磷和速效鉀等指標，并對其中的微生物總數及多樣性和土壤酶活性等指標進行分析.

1.2.2 土壤復合微生物菌劑的施用

分別對供試菌種進行擴大培養制備4種供試微生物菌劑，調節菌液濃度的吸光度至A600=2.0，以各種菌液的混合體積比為因素，設定的3個混合比(0、10、30 mL)為水平，進行四因素三水平的正交實驗.菌液復合后用水稀釋至500 mL根據試驗要求分別噴施于10 kg鹽堿土與有機基肥混合土樣中，裝入塑料栽培槽中置于溫室中空置培養(溫室溫度為20～25℃).每間隔5 d從栽培槽中取樣檢測土樣的pH、細菌總數、放線菌總數、真菌總數和微生物總數，并對微生物進行生物多樣性統計.

1.2.3 微生物改良鹽堿土的蔬菜栽培試驗

通過正交實驗優化噴施微生物組合后的土質用于青菜栽培試驗.以原始鹽堿土為陰性對照，鹽堿土與有機肥混合土為陽性對照，選取苗形基本一致的青菜(每株苗高8～10 cm，苗重4.5～5 g)種植于30 cm×90 cm×30 cm塑料栽培槽中，每槽均勻種植8株，每處理組設置5個平行種植槽.以栽培基質的土壤肥力指標和青菜生物量作為響應值，評價復合微生物改良鹽堿土的效果.

1.2.4 測試方法

1.2.4 .1土樣微生物多樣性指數檢測

土壤微生物數量分析采用數字液體稀釋儀和全自動微生物平皿螺旋加樣系統操作［10］，其中細菌檢測采用營養瓊脂培養基平板，放線菌檢測采用高氏一號培養基平板，真菌檢測采用馬丁氏培養基平板［11］.

土樣微生物類群多樣性指數采用Shannon-Wiener(SW)多樣性指數表示［12］.公式如下：

式中：Pi=Ni/N，N：菌落總數(cfu/mL)，Ni：第i個種的菌落數(cfu/mL).

1.2.4.2土壤肥力指標分析［12-14］

土壤有機質含量(g/kg)測定采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法；全氮(mg/kg)測定采用凱氏消煮法；有效磷(mg/kg)測定用Olsen法；速效鉀(mg/kg)測定采用乙酸銨提取法測定；電導率(μS/cm)測定采用電導法.

青菜生物量(g)測定以洗凈蔬菜淋水晾干后的重量表示.

土壤脲酶活力測定采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法，活力數以24 h后1 g干土樣中NH3-N的質量(mg)表示(mg/g.24 h)；土壤磷酸酶活性測定采用以磷酸苯二鈉比色法，以24 h后1 g干土樣中釋放出的酚的質量(mg)表示(mg/g.24 h)；土壤纖維素酶活性測定用3，5-二硝基水楊酸比色法，以72 h，1 g干土樣生成葡萄糖質量(mg)表示(mg/g.72 h)；過氧化氫酶活性測定采用高錳酸鉀滴定法，活性以每克干土樣1 h內消耗的0.1mol/L KMnO4體積數(mL)表示(mL/g.h).

1.2.5 數據處理與分析

利用Excel 2013和SPSS 16.0進行數據分析和差異顯著性檢驗.

2 結果與分析

2.1 上海濱海地區鹽堿地主要土壤指標分析

對采集的用于鹽堿地改良的原始土樣進行分析，測定結果如表1所示.

表1 浦東三甲港地區采集土樣的肥力指標分析

分析結果顯示，上海濱海地區鹽堿土土質pH在7.95～8.17，偏堿性，電導能力高，容重率高，有機質及氮、磷水平低，屬于比較典型的中度鹽堿地特征，土壤主要肥力指標不利于一般蔬菜的栽培生產.

圖1顯示的濱海鹽堿土中微生物總數在4× 105cfu/g以下，數量較一般栽培土質明顯偏低，微生物多樣性指數(SW)僅在0.3左右.生物多樣性指數是描述生物類型數和均勻度的一個度量指標，可以反映土樣中微生物物種的豐富程度及其各類型間的分布比例［12］.分析表明，在原始鹽堿土的細菌、放線菌和真菌三大類群中細菌占絕對優勢，其次是放線菌和真菌，反映出土樣中微生物種群較為單一.康貽軍等［14］指出，細菌、放線菌數量與土壤中全鹽含量呈顯著負相關，細菌的數量與土壤有機質含量呈極顯著相關，土壤鹽份度越高，微生物數量越少，反映了以鹽份為主導因子的鹽堿土壤環境條件的綜合影響.土壤鹽漬化會降低土壤微生物的活性，鹽度脅迫通常會抑制土壤微生物的生長.從檢測的土壤肥力指標可以說明有機質含量低可能是微生物數量低和種群單一的主要原因［15］.對于鹽堿土的生物改良而言，減少鹽分的途徑不多，但是通過復配有機質，改善土質的有機物組成，再輔助以功能性微生物加速有機質的分解，應該能成為土壤生物改良的較好手段.

圖1 浦東三甲港地區采集土樣的微生物多樣性分析

表2顯示的原始鹽堿土的土壤酶活性中脲酶、磷酸酶、纖維素酶和過氧化氫酶活性較一般栽植土壤的酶活明顯的偏差.

表2 浦東三甲港地區采集土樣的土壤酶活力分析

毛志剛等［16］認為，土壤酶活性與土壤鹽分、pH之間存在顯著負相關；過氧化氫酶與土壤pH呈正相關關系，與脲酶和磷酸酶的pH呈負相關，土壤微生物區系及生理生化指標對改良方式有良好的響應，因此，通過土壤酶活性檢測可以作為土壤改良的重要參照指標.

2.2 微生物復合噴施后土質微生物多樣性的變化

本實驗采用的鹽堿土改良方法首先在原始鹽堿土中混入20%的發酵牛糞，以提高其中的有機物比例，同時也可以增加土壤的膨松程度.再選用對纖維素、蛋白質等有機質具有較強降解能力的組合微生物，嘗試提高對土壤改良的效果.根據正交實驗設計要求在復合鹽堿土中噴施不同組合微生物，經20 d處理后考察土壤微生物組成改變，實驗測試的結果如表3所示.

表3 微生物復合處理對微生物多樣性影響的正交實驗L9(34)

從復合微生物噴施對混合土壤中微生物多樣性指標分析可以發現，影響土壤中微生物多樣性的最重要因素為A(地衣芽孢桿菌)，處理后SW平均值為0.56，比原始土樣的0.3提高了0.26，其次是C(黃桿菌)和D(鞘氨醇單胞菌屬)，SW平均值分別為0.55和0.52，而B(假單胞菌)的添加對土壤微生物種類的影響最小，SW平均值為0.50；從噴施菌的比例上分析，A、B、C和D 4種微生物菌液分別以10、30、30和10 mL的體積比例混合施用效果最為顯著；從菌種的生物學特性上分析可以反映出：由于地衣芽孢桿菌具有較強的產蛋白酶和纖維素酶的能力，對有機基質的分解能力最強，而黃桿菌和鞘氨醇單胞菌具有降解結構復雜的有機分子的能力，能使有機基質中的一些不易利用的微量有機基質得到分解，從而提高了土壤中部分生長因子的供給能力.微生物的降解作用也會使土壤的pH值明顯下降，處理組中pH值最大可降到6.4左右.雖然假單胞菌在組合實驗中對生物多樣性指數的作用較小，但很多文獻報道中認為假單胞菌具有一定的對有害生物的拮抗作用和促進植物生長作用［17］，在土質改良中也會產生重要的影響.

2.3 復合微生物改良鹽堿土對蔬菜栽培的影響

選種上海地區最為普遍栽培的青菜品種上海青(Brassica chinensisL.)進行鹽堿土改良后的種植試驗，以原始的灘涂鹽堿地為陰性對照，以混入20%牛糞為有機基質的鹽堿土為改良土質，按正交實驗優化后的最佳菌液配比施加土樣中考察青菜生長情況.試驗周期為50 d，不同處理土樣中青菜生長結果如表4所示.

表4 不同處理方式對青菜生物量的對比(g/棵)

比較青菜生長的不同時期的生物量變化，可以明顯發現鹽堿土中混入有機基質的混合土樣能明顯改善青菜的生長速度，在強化復合微生物后，青菜的生長速度更為快速.50 d后采收的青菜生物量增重比原始鹽堿土提高將近一倍，比不施加微生物的混合土樣提高35.46%.數據說明了復合微生物的添加能顯著改良鹽堿地青菜栽培的條件.

2.4 鹽堿地微生物改良后的肥力指標評價

對栽培后的鹽堿土壤進行相關肥力指標的分析，考察微生物改良對土質栽培的肥力指標影響的差異，探究鹽堿土生物改良的改良機制，從而評價鹽堿地改良的效果.改良后的主要土壤肥力指標如表5和圖2所示.

表5 改良蔬菜栽培地的肥力指標評價

土壤酶活性是表征土壤肥力、土壤質量及土壤健康的重要指標.從表5看出，復合微生物處理過的鹽堿土中的pH下降到6.64，比原始土樣降低了1.31，全氮增加了3.09倍，有效磷和速效鉀分別提高了4.47和1.76倍，土壤的電導率和容重也得到了有效改善；改良后土壤的磷酸酶、過氧化氫酶和脲酶活性不同程度上高于對照處理.由于復合微生物的高效施加有效磷含量高，抑制了磷酸酶的活性(0.484 mg/g.24 h)，磷酸酶活性低于對照(0.545 mg/g.24 h)，脲酶(0.048 mg/g.24 h)、纖維素酶(18.67 mg/g.72 h)和過氧化氫酶(2.349 mL/g.h)活性大于2種對照，酶活分別提高2.96、4.11和5.65倍.

圖2的微生物多樣性指數指標顯示，復合微生物改良后的土壤微生物總數呈現大幅度提高，微生物總數超過4.3×106cfu/g，比原始鹽堿土樣提高了10倍以上.生物多樣性指數由原先的0.306增加到0.61，各種微生物種類得到了均衡提高.反映了基于有機物協同降解的微生物改良模式下微生物的優化施加促進了土壤中基質的分解利用，改善了微生物生長的條件，由此好使得土壤理化指標和土質肥力指標有了顯著地改善.

圖2 改良蔬菜栽培地的微生物多樣性指標評價

3 結論

鹽堿地改良是一個較為復雜的土壤綜合治理工程.鹽堿地改良方式需要根據鹽堿土的土質形成狀況和改良后所適應對象的不同而采用相應的改良方法［6］.上海濱海地區鹽堿土大部分是由圍堤后吹墊海底泥沙而成的，土壤含鹽量高、堿性大，土質緊實，容重大，肥力低下.因此需要從土壤發育演變的規律出發，通過人工強化和促進的手段將鹽漬土向農業土改良［1-2］.本研究針對性地采用增加鹽堿土有機質含量，運用有機質協同降解復合微生物菌群，促進土壤中基質的降解，加快各類物質的轉化，強化土壤肥力要素的形成，從而達到滿足鹽堿土質對蔬菜種植的環境要求.實驗數據表明采用的復合微生物改良后的土壤理化狀況、微生物多樣性指數和土壤酶學指標均得到了顯著性改善，實驗試種的上海代表性蔬菜品種對改良鹽堿土的栽培適應性良好，驗證了采用復合微生物改良鹽堿土質具有明顯的土壤改良成效，對上海開發濱海鹽堿地種植蔬菜提供了積極的參考作用.

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Microbialproperty improvement of saline-alkali soil for vegetable cultivation in Shanghai coastal area and its evaluation

KOU Yiming，DAI Jiawei，LIU Shixiu，WU Wenyan，CHEN Jun
(Development Center of Plant Germplasm Resources，College of Life and Environmental Sciences，Shanghai Normal University，Shanghai 200234，China)

In order to improve the fertility of saline-alkali soil in Shanghai coastal area，and make it suitable for vegetable cultiration，in the study，the saline-alkali soil was mixed with organic fertilizer，and then sprayed with composite microbes，which have the ability of the synergistically degrading organic substrate.The results showed that the saline-alkali soil added with 5∶1 organic fertilizer can rapidly increase the utilization ability soil organic matter.The soil microbial populations and microbial diversity index were significantly improved when applied with the 0.5%composite microbial liquid which containeds 1∶3∶3∶1 ofBacillus licheniformis，Pseudomonassp.，Flavobacteriumsp.andSphingomonassp..At the same time，the enzymology indicators of soil urease，phosphatase，cellulase and catalase increased significantly.The vegetable cultivation experiments showed that：the biomass ofBrassica chinensisnearly doubled in the original saline-alkali soil，while the yield of organic fertilizer increased 30.2%after 50 days.The research result on of the biological improvement for saline-alkali soil will have good application value in vegetable planting in coastal saline-alkali soil.

coastal saline-alkali soil；compound microorganism；organic matter utilization；soil improvement

Q 939.96

A

1000-5137(2015)06-0599-07

10.3969/J.ISSN.1000-5137.2015.06.004

(責任編輯：顧浩然，包震宇)

2015-09-26

上海師范大學植物種質資源開發中心項目(2F12051301)；上海市大學生創新活動計劃項目(A-9103-14-007123)

陳軍，中國上海市徐匯區桂林路100號，上海師范大學生命與環境科學學院，郵編：200234；E-mail：cj7206@shnu.edu.cn