濱海鹽堿環境下鹽肥耦合對續隨子熒光特性及土壤微生物的影響

劉 沖，王茂文，邢錦城，丁海榮，朱小梅，趙寶泉，董 靜，洪立洲

(江蘇沿海地區農業科學研究所，江蘇 鹽城 224002)

?

濱海鹽堿環境下鹽肥耦合對續隨子熒光特性及土壤微生物的影響

劉 沖，王茂文，邢錦城，丁海榮，朱小梅，趙寶泉，董 靜，洪立洲*

(江蘇沿海地區農業科學研究所，江蘇 鹽城 224002)

為明確濱海鹽堿環境下鹽肥耦合對續隨子熒光特性及土壤微生物的影響，通過正交試驗設計進行田間試驗，研究了不同土壤鹽分下續隨子鹽肥耦合效應。結果表明：① 2.1～3.5 g/kg的土壤鹽分可促進續隨子生長，鹽分增大，生長受到抑制。增施氮肥可緩解鹽分脅迫對植株生長的抑制作用，隨著施氮量的增加，生物量及株高呈現先增加后下降的趨勢；② 土壤鹽分增大，續隨子葉片凈光合速率(Pn)、初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)、PSⅡ實際光化學效率(ФPSⅡ)、幼苗葉片光化學熒光猝滅系數(qP)均降低。增施氮肥可顯著提高各項指標，以75 kg·hm-2(N2)、150 kg·hm-2(N3)水平為佳。③ 濱海鹽堿環境下土壤養分及土壤微生物養分隨鹽分的增加而下降。增施氮肥后，在75 kg·hm-2(N2)、150 kg·hm-2(N3)水平下，土壤全氮、有機質含量以及土壤微生物氮、碳含量呈現顯著增加的趨勢。④ 在鹽堿環境下增施氮肥可使土壤微生物物種豐富度指數(H)增大，優勢度指數(Ds)減小。由此說明在鹽堿環境下增施氮肥，其鹽肥耦合作用可促進續隨子的生長、提高光合熒光性能、增加土壤養分以及土壤微生物養分，提高土壤微生物多樣性，對改善鹽堿生態環境有積極的作用。

續隨子；鹽肥耦合；葉綠素熒光；光合作用；土壤微生物

鹽漬土對農業的威脅是一個全球性的問題。長期以來，關于如何解決土壤鹽漬化對植物的危害一直為人們所關注[1]。灘涂土壤鹽分高，養分低[2]，是限制其農業發展的重要因素。因此，如何開發利用鹽堿地成為科學界廣泛關注的問題。

表1 供試土壤基本理化性質

氮素是農作物需求量最大的礦物元素，施氮水平是決定作物產量的最關鍵因素。近年來，隨有機肥源的匱乏，作物產量提高愈發依賴氮肥的足量投入，在沿海灘涂更是如此。施氮水平的提升會對土壤C/N比產生重要影響，而且不僅會影響植株體內氮素營養的循環，還會影響土壤微生物活性，從而使土壤微生物學特性發生改變[3-4]。

續隨子(EuphorbialathyrisL.)，屬大戟科大戟屬，二年生草本植物。原產歐洲，在我國栽培已久，現在我國南北各省區均有栽培或野生分布。續隨子是一種很有開發前途的新型能源油料作物。種子油成分主要是C16、C18、C20脂肪酸組成結構，與石化柴油的脂肪酸組成結構相類似，是制備生物柴油十分理想的生產原料[5-6]。本研究通過田間試驗，探討了濱海鹽堿環境下鹽肥耦合對續隨子生長、光合熒光特性以及土壤養分、土壤微生物特性的影響，以期為沿海灘涂續隨子栽培中氮肥的營養措施及鹽堿地土壤環境持續培育提供指導依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與供試土壤

試驗于2014年5月在江蘇省鹽城市金海農場灘涂實驗基地進行，供試土壤為沖積鹽土類，土壤鹽漬化是制約該地區農業生產發展的主要障礙因子。試驗地土壤理化性質見表1。

1.2 試驗設計及田間管理

以4種不同含鹽量S1(0.5～1.9 g/kg)、S2(2.1～3.5 g/kg)、S3(3.6～5.0 g/kg)、S4(5.1～7.5 g/kg)的海涂鹽土為試驗用地。氮肥(純氮)處理設4 個水平：N1(0 kg·hm-2)、N2(75 kg·hm-2) 、N3(150 kg·hm-2) 和N4(225 kg·hm-2)，計4個處理，每處理3 次重復，采用完全隨機區組設計。試驗小區長4 m，寬3 m，面積為12 m2，四邊均設有保護行，以防側滲和互溢。施肥時，氮肥30 %、磷肥(P2O5) 135 kg·hm-2作基肥。剩余的氮肥均分3次以尿素形態分別在續隨子生長過程中作為追肥施入。

1.3 測定項目及方法

植株株高和生物量測定、土壤采樣及測定分別于2014年8月續隨子收獲后進行。土壤基本理化測定采用鮑士旦方法[7]；植株光合熒光性能于2014年7月進行。采用英國PP_System 公司CIRAS_1 型全自動便攜式光合測定系統測定續隨子幼苗葉片凈光合速率(Pn)；采用英國Hansatech 公司生產的FMS_2 便攜調制式熒光儀測定葉綠素熒光參數熒光參數。

Biolog試驗參照Classen等[8]的方法。Biolog Eco微平板購自美國Biolog公司(Biolog，Hayward，USA)，采用酶標儀(BIO-TEK Instruments INC，USA)進行測定。將Biolog微平板上的31種碳源分成6大類，分別為羧酸類9種、碳水化合物類7類、氨基酸類6種、聚合物類4種、胺類2種、其他類化合物3種，選取培養120 h的試驗結果進行計算。

1.4 數據分析

試驗數據采用SPSS13.0軟件進行數據統計與分析。

2 結果與分析

2.1 鹽堿環境下鹽肥耦合對續隨子株高及生物量的影響

如圖1所示，隨著土壤鹽分的增加，續隨子生長呈現先升后降的趨勢，其中，在S2土壤鹽分水平下，生長情況較好。以生物量為例，在N1水平下，S2、S3、S4水平的生物量分別為S1的107.6 %、98.3 %、73.7 %，說明低濃度的土壤鹽分可一定程度上促進續隨子的生長。而S3、S4水平的高土壤鹽分則開始抑制其生長。在鹽漬土壤上增施氮肥，可顯著增加續隨子的生物量和株高。以S1水平下株高為例，N2、N3、N4分別比N1增加的8.1 %、15.1 %、11.9 %；說明通過合理的施用氮肥，可以顯著促進續隨子生長，但氮肥達到一定量以后，增產效應反而會減小。

2.2 鹽堿環境下鹽肥耦合對續隨子光合熒光性能的影響

植物的光合生理特性會隨著生長環境因子的變化而改變。凈光合速率能直接反映出植物單位葉面積的物質生產能力[9]。葉綠體是光合作用的主要場所，也是對鹽脅迫敏感的細胞器，因此葉綠素熒光參數通常用于植物逆境反應的篩選參數，光化學淬滅系數(qP)則反映PSⅡ天線色素吸收的光能用于光化學電子傳遞和熱耗散的份額[10]。

圖1 鹽堿環境下鹽肥耦合對續隨子株高及生物量的影響 Fig.1 Effects of different combinations of salt and nitrogen on the fresh weight and plant height of Euphorbia lathyris L.

由表2所示，隨著土壤鹽分的提高，續隨子光合、熒光性能呈現先升后降的趨勢。以S2土壤鹽分下數值較高。以N1水平為例，S2、S3、S4土壤鹽分下，續隨子葉片凈光合速率Pn分別為S1鹽分的109.1 %、87.9 %、36.3 %；qP分別為S1鹽分的103.7 %、52.3 %、23.1 %。隨著氮肥施用量的增加，續隨子光合、熒光性能變化顯著。其中，在S1、S2土壤鹽分下，各指標數據大致呈現先高后低的趨勢。以S1水平為例，N2、N3、N4水平的qP分別為N1的106.1 %、110.7 %、107.6 %。在S3、S4土壤鹽分下，各指標數據變化不顯著。可見，在S1、S2輕中度土壤鹽分下，氮肥的施用可明顯改善續隨子葉片的光合熒光性能，有利于植株的生長發育。在小麥[11]和棉花[12]的研究中也已得出相似的結論。而在S3、S4土壤鹽分下，氮肥的改善效應則不明顯，說明此時的鹽脅迫已占主導地位，抑制著植株的生長發育。

表2 鹽堿環境下鹽肥耦合對續隨子光合熒光性能的影響

注：同列小寫字母表示差異顯著(P< 0. 05)，下同。

Note： Different small letters mean significantly different at 0.05 level. The same as below.

圖2 鹽堿環境下鹽肥耦合對續隨子生長土壤全氮含量(A)、土壤有機質含量(B)的影響Fig.2 Effects of different combinations of salt and nitrogen on soil total nitrogen content and soil organic matter content of Euphorbia lathyris L.

2.3 鹽堿環境下鹽肥耦合對續隨子生長土壤養分的影響

土壤生化性質因施氮而發生變化，施氮可提升土壤全氮和速效氮含量[13]。而在鹽堿地上追施氮肥還能夠促進鹽漬土的生物修復，降低土壤中的Na+濃度及其危害[14]。如圖2所示，本研究中土壤養分含量隨著土壤鹽分的增加而顯著下降，在S4土壤水平下，N1下的土壤全氮含量以及有機質含量僅為S1的32.9 %、66.6 %。當增施氮肥后，土壤養分得到顯著改善。以S2水平為例，N2、N3、N4水平的土壤有機質含量分別為N1的128.6 %、142.8 %、132.1 %。而S3、S4土壤水平下的氮肥的提高養分的幅度小于S1、S2土壤水平。

2.4 鹽堿環境下鹽肥耦合對續隨子生長土壤微生物的影響

2.4.1 土壤微生物養分的影響 土壤微生物生物量雖然只為土壤有機質的1 %～5 %，但支配養分供應中，土壤微生物量不僅充當許多基礎反應的生物催化劑，還相當于土壤N、P元素的快速周轉庫[15]。土壤微生物生物量氮的活性與消長被認為是土壤氮素內循環的本質性內容[16]。由圖3可以看出，土壤微生物碳、氮含量隨著土壤鹽分及氮肥用量的不同，指標變化顯著。在S2水平時比S1略有下降，在S3、S4水平時則顯著下降。各鹽分土壤上施氮處理后，土壤微生物氮、碳含量在N2、N3水平下呈現顯著增加的趨勢，以S2處理為例，S2N2、S2N3處理的微生物氮含量分別比N1增加14.3 %、28.6 %。本結果說明控釋氮肥能顯著增加土壤微生物生物量碳、氮含量，這與羅蘭芳[16]的實驗結果較為一致。

2.4.2 土壤Biolog試驗-微生物群落功能分析 Shannon豐富度指數表示在顏色變化率一致的情況下，整個生態系統土壤微生物群落利用碳源類型的多與少，即功能多樣性。某生態系統物種豐富度指數值越大，表明該系統的土壤微生物群落功能多樣性越高，反之，則多樣性越低。Simpson優勢度指數反映了各物種種群數量的變化情況，指數越大，說明群落內物種數量分布越不均勻，優勢種的地位越突出，微生物多樣性較差[17]。由圖4所示，隨著土壤鹽分的增加，土壤微生物群落物種豐富度指數呈現逐漸下降的趨勢。優勢度指數呈現逐漸上升的趨勢。而增施氮肥，可增加豐富度指數(H)、降低優勢度指數。以S2土壤鹽分為例，N2、N3、N4水平下，豐富度指數(H)分別為N1的107.4 %、109.6 %、102.1 %，優勢度指數分別為N1的98.9 %、97.7 %、96.5 %。可見，在鹽堿地上增施氮肥可顯著改善沿海灘涂土壤微生物生存環境。

圖4 鹽堿環境下鹽肥耦合對續隨子生長土壤微生物多樣性指數(120 h)的影響Fig.4 Effects of different combinations of salt and nitrogen on the analysis of microbial community diversity index of Euphorbia lathyris L.(120 h)

3 結論與討論

沿海灘涂土壤資源利用的最主要限制因素是土壤高含鹽量[18]。種植耐鹽植物便成為經濟有效的方式之一，它不僅能夠帶來顯著的經濟效益，還能通過土壤微生物活動改善生態環境，實現經濟與環境效益的雙豐收。已有研究發現在鹽堿地上種植堿蓬，能降低土壤含鹽量，還顯著增加土壤養分含量[19]。

氮是植物生長發育的必需營養元素之一。在鹽堿地上增施氮肥，其可以通過“以氮調鹽”、“以氮調水”的方式促進植株生長，同時，一定數量的肥料氮施用后會迅速被微生物同化，對植株生長量會有較大程度促進，使微生物所同化的氮釋放出來向植物有效氮轉化[20]。

本試驗系統的研究了沿海灘涂上鹽肥耦合對續隨子的生長、光合熒光性能、土壤養分、微生物養分及微生物群落各項指標的影響。結果發現，2.1～3.5 g/kg的土壤鹽分(S2)可促進續隨子生長；當鹽分增大，生長受到抑制。前期研究也發現低濃度NaCl脅迫下，續隨子能夠較多地將光能用于光化學反應，光抑制程度較低，最終明顯減輕鹽脅迫對植株生長的影響，具有一定耐鹽性[21]。本研究從大田試驗證實了續隨子這一耐鹽性能。

隨著土壤鹽分的增加，續隨子生長受到抑制，光合熒光性能降低。這是因為鹽脅迫導致細胞中鹽離子的大量累積，離子毒害和滲透脅迫占主導地位，并且破壞了葉綠體結構，造成葉片光合器官的損傷、葉肉細胞的光合活性下降。而增施氮肥卻能提高續隨子葉片光合熒光性能，且以N2、N3水平達顯著水平。這是因為葉綠素是植物光合、熒光作用中吸收、傳遞和轉換光能的物質基礎，其質量分數是反映光合、熒光強度的重要生理指標。氮是作物葉綠素的組成成分，增施氮肥可以顯著提高葉片的葉綠素質量分數，這是氮肥提高光合、熒光性能的生理基礎[22]。

鹽漬化對土壤質量的影響包括土壤理化性質，土壤養分流動等；對微生物而言主要產生滲透脅迫，導致微生物細胞的失水或裂解。大部分研究結果顯示鹽漬化抑制微生物活性，顯著降低土壤的微生物量碳，其主要原因是鹽分影響水分的有效性或微生物細胞的生理和代謝過程[23]。土壤微生物多樣性影響土壤生態系統的結構、功能及過程，是維持土壤生產力的重要組分，可以作為指標來監測土壤環境變化和對脅迫的反應，同時用于進一步了解土壤微生物群落狀態。研究發現鹽分對土壤微生物量有抑制作用伴隨著微生物量C/N比值的降低[24]。本實驗中，隨著土壤鹽分的提高，土壤養分下降，微生物養分及微生物多樣性下降，而施用氮肥卻可以顯著提高各項指標。鹽堿環境中，鹽分、水分和肥料之間存在著協同、順序加和及表現拮抗等作用，其交互耦合現象是非常普遍及復雜的。在本實驗中，對于續隨子而言，增施氮肥不但能促進其在鹽堿環境下的生長發育，還能起到提高土壤養分，提高土壤微生物養分(土壤微生物氮、碳含量)及多樣性的作用，物種豐富度指數(H)增大，優勢度指數(Ds)減小，且以N2、N3水平為佳。從而達到改善灘涂鹽堿生態環境的效果。

綜上所述，在鹽堿環境下增施氮肥，其鹽肥耦合作用可促進續隨子的生長、提高光合熒光性能、增加土壤養分以及土壤微生物養分，提高土壤微生物多樣性，對改善鹽堿生態環境的有積極的作用。但其具體分子機制還尚未清楚，這將在以后的工作中進行研究。

[1]鄭青松，劉海燕，隆小華，等. 鹽脅迫對油菜幼苗離子吸收和分配的影響[J]. 中國油料作物學報，2010, 32(1): 65-70.

[2]隆小華，劉兆普，陳銘達，等. 半干旱區海涂海水灌溉菊芋氮肥效應的研究[J]. 水土保持學報，2005, 19(2): 114-117.

[3]Falguera V, Lordan J, Gatius F, et al. Influence of nitrogen fertilization on polyphenol oxidase activity impeach fruits[J].Scientia Horticulturae, 2012,142: 155-157.

[4]Alvar-Fuentes J, Morell F J, Madejon E, et al. Soil biochemical properties in a semiarid Mediterranean agroecosystem as affected by long-term tillage and N fertilization[J]. Soil and Tillage Research,2013,129: 69-74.

[5]李昌珠，蔣麗娟，程樹棋. 生物柴油-綠色能源[M]. 北京：化學工業出版社，2004.

[6]金夢陽，馬 沖，危文亮，等. 新型能源植物續隨子的核型分析[J]. 中國油料作物學報，2007, 29(2): 107-109.

[7]鮑士旦．土壤農化分析[M]．第三版. 北京：中國農業出版社，2000: 25-69.

[8]岳冰冰，李 鑫，張會慧，等. 連作對黑龍江烤煙土壤微生物功能多樣性的影響[J]. 土壤，2013, 45(1): 116-119.

[9]隆小華，劉兆普， 蔣云芳，等. 海水處理對不同產地菊芋幼苗光合作用及葉綠素熒光特性的影響[J]. 植物生態學報, 2006, 30(5): 827-834.

[10]唐秀梅，鐘瑞春. 揭紅科間作遮蔭對花生光合作用及葉綠素熒光特性的影響[J]. 西南農業學報，2011,24(5): 1703-1707.

[11]鞠正春，于振文. 追施氮肥時期對冬小麥旗葉葉綠素熒光特性的影響[J]. 應用生態學報，2006, 17(3): 395-398.

[12]張旺鋒，勾 玲，王振林，等. 氮肥對新疆高產棉花葉片葉綠素熒光動力學參數的影響[J]. 中國農業科學，2003, 36(8): 893-898.

[13]陳 林，張佳寶，趙炳梓，等. 施氮和灌溉管理下作物產量和土壤生化性質[J]. 中國生態農業學報，2014, 22(5): 501-508.

[14]梁 飛，田長彥，田明明，等. 追施氮肥對鹽地堿蓬生長及其改良鹽漬土效果研究[J]. 草業學報，2013,22(3): 234-240.

[15]Burger M，Jackson L E．Microbial immobilization of ammonium and nitrate in relation to ammonification and conventional cropping systems[J]．Soil Biol．Biochem, 2003, 35: 29-36．

[16]羅蘭芳，聶 軍，鄭圣先，等. 施用控釋氮肥對稻田土壤微生物生物量碳、氮的影響[J]. 生態學報，2010, 30(11): 2925-2932.

[17]武曉森，杜廣紅，穆春雷，等. 不同施肥處理對農田土壤微生物區系和功能的影響[J]. 植物營養與肥料學報，2014, 20(1): 99-109.

[18]劉廣明，楊勁松，姜 艷. 江蘇典型灘涂區地下水及土壤的鹽分特征研究[J]. 土壤，2005, 37(2): 163-168.

[19]張立賓，徐化凌，趙庚星．堿蓬的耐鹽能力及其對濱海鹽漬土的改良效果[J]．土壤，2007, 39(2): 310-313.

[20]仇少君，彭佩欽，劉 強，等．土壤微生物生物量氮及其在氮素循環中作用[J]．生態學雜志，2006, 25(4):443-448.

[21]劉 沖，王茂文，丁海榮，等．NaCl 脅迫對續隨子光合作用及葉綠素熒光特性的影響[J]．西南農業學報，2012, 25(5): 1642-1646.

[22]鄭順林，楊世民，李世林，等．氮肥水平對馬鈴薯光合及葉綠素熒光特性的影響[J]．西南大學學報，2013,35(1): 1-9.

[23]Tripathi S, Kumari S, Chakraborty A，et al. Microbial biomass and its activities in salt-affected coastal soils[J]. Biol. Fert. Soils, 2006, 42: 273-277.

[24]楊 芳, 徐秋芳. 土壤微生物多樣性研究進展[J]. 浙江林業科技, 2002, 22(6): 39-41, 55．

(責任編輯 李山云)

Coupling Effect of Salt and Fertilizer Application on Chlorophyll Fluorescence ofEuphorbialathyris.L. and Microbiological Characteristics of Soils in Coastal Saline Soil

LIU Chong, WANG Mao-wen, XING Jin-cheng, DING Hai-rong, ZHU Xiao-mei,ZHAO Bao-quan, DONG Jing, HONG Li-zhou*

(Institute of Agricultural Sciences in Coastal Area of Jiangsu Province, Jiangsu Yancheng 224002, China)

A field experiment based on the coastal saline soil was carried out to study the coupling effect of salt and fertilizer application on the chlorophyll fluorescence ofEuphorbialathyrisL. and microbiological characteristics of soils. The results were as follows:(i) Compared to other salt concentration of soil, there were better fresh weight and plant height ofEuphorbialathyrisL.when the salt concentration of soil was 2.1-3.5 g/kg. The fresh weight and plant height decreased with the increase of salt concentration of soil. Increasing nitrogen fertilizer could alleviate the salt stress on plant growth. With the increase of amount of nitrogen fertilizer, the fresh weight and plant height showed first increased and then decreased trend.(ii) The net photosynthetic rate(Pn), minimal fluorescence(Fo), maximum fluorescence(Fm), ФPSⅡand photochemical quench(qP) ofEuphorbialathyrisL. all decreased with the increase of soil salinity. After the application of nitrogen fertilizer, various index data all increased significantly under the level of N2 and N3.(iii) The soil nutrient and soil microbial nutrient decreased with the increase of soil salinity. After the application of nitrogen fertilizer, soil total nitrogen content and soil organic matter content, soil microbial carbon content and soil microbial N content increased significantly under the level of N2 and N3.(iv) With the increase of nitrogen in coastal saline soil, species richness index(H) was significantly increased, dominance index(Ds) decreased. In coastal saline soil, the coupling effect of salt and fertilizer can promote the growth of theEuphorbialathyrisL., increase the photosynthesis and chlorophyll fluorescence of plant, increase the soil nutrient and soil microbial nutrient, and improve the soil microbial diversity. So, the increasing of nitrogen in coastal saline soil has positive effect on improving the ecological environment of coastal saline soil.

EuphorbialathyrisL.; Coupling effect of salt and fertilizer; Chlorophyll fluorescence; Photosynthesis; Microorganism of soil

1001-4829(2016)08-1918-06

10.16213/j.cnki.scjas.2016.08.030

2015-10-15

江蘇省農業科技自主創新資金(CX(14)2046)；江蘇蘇北科技發展計劃(BN2014056)

劉 沖(1984-)，男，江蘇鹽城人，碩士研究生，助理研究員，主要從事為耐鹽植物栽培利用研究，E-mail：cellbio@163.com，*為通訊作者。

S158.2

A