蚯蚓糞配施化肥對玉米根際土壤生物學特征的影響

徐 憲 斌

(德州市農業科學研究院, 山東 德州 253015)

蚯蚓糞配施化肥對玉米根際土壤生物學特征的影響

徐 憲 斌

(德州市農業科學研究院, 山東 德州 253015)

[目的] 探討蚯蚓糞與化肥配施對玉米根際土壤生物學性狀的作用效果，為土壤培肥制度的建立與玉米的合理施肥提供理論依據。[方法] 通過大田試驗，研究CF(單施化肥)、VC(蚯蚓糞)與VC+CF(蚯蚓糞和化肥各提供50%的氮)等處理對玉米根系分泌物、根際土壤微生物數量、酶活性與腐殖質組成的影響。[結果] 同CF處理相比，VC+CF處理顯著提高了根系分泌物含量，并明顯提高了根際土壤中微生物數量、微生物量碳含量及脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶、中性磷酸酶活性，其中細菌數分別較CK，CF與VC處理提高124.32%，62.99%和15.45%，脲酶活性分別高出44.27%，23.53%和12.50%。此外，VC+CF處理亦顯著提高了根際土壤中胡敏酸、富里酸含量和胡/富比。同VC+CF處理相比，VC處理對玉米根際土壤生物學特征的影響較小。[結論] 蚯蚓糞與化肥配施能較好地改善玉米根際區域的微生態環境。

玉米; 蚯蚓糞; 根系分泌物; 土壤酶; 腐殖質

文獻參數： 徐憲斌.蚯蚓糞配施化肥對玉米根際土壤生物學特征的影響[J].水土保持通報，2017,37(1)：078-082.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.014; XU Xianbin. Effects of vermicompost co-applied with inorganic fertilizer on soil biological characteristics in rhizosphere of maize[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(1)：078-082.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.014

全球變化是當前世界矚目的重要領域，其中氣候變暖與大氣氮沉降是人們的關注焦點[1]。化肥的大量施用導致氮循環速率明顯加快[2]，并使土壤的固氮能力、碳/氮比及理化環境亦發生變化，顯著影響土壤微生物數量與群落多樣性[3]。據統計[4]，2011年中國化肥的施用量高達6.03×107t，平均施用量是發達國家化肥安全施用上限的2倍。但是，主糧作物的肥料利用效率卻呈現出下降趨勢。目前，中國主糧作物的氮肥利用率只有27.5%[5]。大量試驗表明，長期單施化肥能使土壤板結、酸化，引起土壤養分流失，而過量施用化肥勢必會加劇這些問題[5-7]。針對以上情況，國內外許多學者做了大量探索研究，發現有機肥的施用能明顯緩解由于過量施用化肥所引起的土壤酸化、養分流失等問題，且能顯著增加土壤有效養分，促進微生物快速繁殖，增強保水、保肥性能[8-9]。但有研究表明[10]，單施有機肥雖然有助于土壤的可持續利用，卻存在增產效果較低的弱點，而將有機肥與化肥搭配施用則是比較理想的措施。

蚯蚓糞是通過蚯蚓消化有機廢棄物而產生的均勻顆粒，具有良好的團粒結構，疏松適度，通透性好，并有較強的保水與保肥能力；同時含有多種有利于植物生長的腐殖質、植物激素與酶類物質[11]。中國從20世紀80年代已開始快速發展蚯蚓養殖業，北京、云南、寧夏等地均建有不同規模的蚯蚓養殖場，蚯蚓糞年產量高達數十萬噸[12]。前人針對蚯蚓糞開展大量的研究，但主要集中于黃瓜、草莓、花卉等作物[12-14]，而應用于玉米的研究報道相對較少，尤其關于玉米根際土壤微生物、酶活性及腐殖質組成的研究報道甚少。土壤微生物是土壤生態系統中養分源與匯的一個巨大原動力，在土壤養分循環和平衡、土壤理化性狀改善及生態系統的可持續發展中發揮著至關重要的作用[7]。土壤酶活性作為評價土壤質量變化的預警與敏感指標，可表征土壤的養分轉化進程與綜合肥力特性[15]。而腐殖質是土壤有機質的主體部分，既能作為營養元素的“庫”，還可影響土壤的礦物成分，其組成是衡量土壤肥力水平的關鍵指標[16]。為此，本研究擬選用經蚯蚓吞食牛糞后產生的蚓糞為供試原料，開展了蚯蚓糞配施化肥對玉米根際土壤生物學特征的研究，旨在為土壤培肥制度的建立與玉米的合理施肥提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與供試材料

試驗地點設在德州市運河經濟開發區蘆莊村九龍灣生態園，供試土壤為壤土，土壤速效N，P，K含量分別為95.26，36.07，98.39 mg/kg，有機質含量為13.62 g/kg。供試蚯蚓糞為蚯蚓吞食牛糞后的產物，全量N，P和K含量分別為1.55%，1.12%和0.87%；有機碳含量為187.05 g/kg；有益菌群≥1.8億個/g；氨基酸總量為5.42%，其所含氨基酸種類在16～18種；pH值6.8。所用化肥為尿素(含N 46%)、過磷酸鈣(含P2O512%)和硫酸鉀(含K2O 50%)。玉米采用冬小麥—夏玉米輪作模式，其中玉米品種為中農99(ZN99)。

1.2 試驗設計

采用田間小區試驗，小區面積為136 m2(8.5 m×16 m )。共設4個處理： ① 不施肥(CK)； ② 單施化肥(CF)； ③ 蚯蚓糞(VC)； ④ 蚯蚓糞和化肥各提供50%的氮(VC+CF)。每個處理重復5次，共計20個小區，處理隨機排列。除CK外，各處理均為等養分量，N，P和K含量相當于260.85，212.35，196.50 kg/hm2，各處理P和K不足部分分別用過磷酸鈣、硫酸鉀補足。全部有機肥作為基肥于播種前一次性深施；無機肥處理的尿素分2次施用，其中50%作為基肥播種時施入，剩余50%在大口期開溝追施。

玉米種植密度為52 000株/hm2，播種行距和株距分別為55 cm和35 cm。于2015年6月16日播種，9月29日收獲，整個玉米生育期共106 d。

1.3 測定項目與方法

2015年9月29日(成熟期)采集土壤樣品。在土壤水分含量適中時利用剝落分離法[17]采集根際土，并將所取根際土壤樣品充分混勻后分為2份：一份新鮮土樣于4 ℃冰箱避光保存，盡快測定微生物數量和微生物量碳、氮；另一份樣品風干，過1 mm篩后用于根系分泌物、土壤酶活性及腐殖質組成的分析。

根系分泌物中氨基酸總量的測定采用甲醛滴定法；有機酸總量的測定采用液相色譜儀法；總糖的測定采用蒽酮比色法[18]。土壤微生物數量采用稀釋平板計數法，細菌采用牛肉蛋白胨瓊脂培養基；放線菌采用改良高氏1號培養基；真菌采用馬丁—孟加拉紅培養基[7]。土壤微生物量碳的測定采用氯仿熏蒸K2SO4浸提法[19]。土壤脲酶活性的測定采用靛酚藍比色法；蔗糖酶活性的測定采用3，5—二硝基水楊酸比色法；過氧化氫酶活性的測定采用高錳酸鉀滴定法；中性磷酸酶活性的測定采用磷酸苯二鈉比色法[20]。腐殖質各組分的測定采用焦磷酸鈉提取—重鉻酸鉀氧化法：首先用重鉻酸鉀氧化法測定腐殖質全碳，并用氫氧化鈉—焦磷酸鈉混合液制備待測液，然后用重鉻酸鉀氧化法分別測定胡敏酸+富里酸的總碳量以及胡敏酸碳量，最后采用差值法即可分組[21]。

1.4 統計方法

采用Excel 2013處理數據并制圖，采用SAS軟件進行方差分析和多重比較(LSD法，p<0.05)。

2 結果與分析

2.1 根系分泌物

由表1可以看出，施用蚯蚓糞的2個處理的氨基酸總量、有機酸總量與總糖含量顯著高于CK與CF處理，其中VC+CF處理的有機酸總量和總糖含量明顯高于其他處理，而氨基酸含量與VC處理差異未達顯著水平，分別較CK顯著提高57.38%，91.81%和68.20%，分別較CF處理顯著提高45.87%，52.23%和74.83%。同CK相比，CF處理顯著提高了有機酸總量，而對氨基酸總量與總糖含量的影響則較小。以上分析可見，不同施肥處理對玉米根系分泌物含量的影響呈現出明顯差異，施入蚯蚓糞較單施化肥可明顯增加玉米根系分泌物含量，其中配施蚯蚓糞處理的效果最顯著。

2.2 根際土壤微生物數量

玉米根際土壤中細菌、放線菌與真菌所占微生物總量的比例分別為61.31%～77.48%，21.79%～37.77%和0.83%～0.92%，可見細菌占絕對優勢，放線菌次之，而真菌最少(表2)。與對照相比，各施肥處理能明顯增加根際土壤的細菌數、真菌數與微生物總量，而對放線菌數無顯著影響。

表1 不同處理對玉米根系分泌物含量的影響

注:數據為平均值±標準差; 同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(p<0.05)。 下同。

在各施肥處理中，VC與VC+CF處理的細菌數、真菌數和微生物總量顯著高于CF處理；而VC+CF處理的細菌數、微生物總量均顯著高于其他處理，其中細菌數分別比CK，CF與VC處理明顯提高124.32%，62.99%和15.45%。

表2 不同處理對玉米根際土壤微生物數量與微生物量碳含量的影響

由表2還可見，不同處理微生物量碳含量的大小次序為：VC+CF>VC>CF>CK，且各個處理間差異均達顯著水平，其中VC+CF處理分別較CK，CF與VC處理顯著高出75.45%，42.24%和16.68%。以上分析認為，施用蚯蚓糞較單施化肥可顯著提高玉米根際土壤的微生物數量與微生物量碳含量，其中蚯蚓糞配施化肥的效果更優。

2.3 根際土壤酶活性

由表3可以看出，各處理脲酶和蔗糖酶活性的大小次序為：VC+CF>VC>CF>CK，且處理間差異均達顯著水平，可見，VC+CF處理的脲酶和蔗糖酶活性顯著高于其他處理，其中脲酶活性分別較CK，CF和VC處理明顯高出44.27%，23.53%和12.50%。VC+CF處理的過氧化氫酶活性與VC處理無顯著性差異，但顯著高于CK和CF處理。

從表3還可知，VC+CF處理的中性磷酸酶活性亦最高，并顯著高于其他處理，其次為VC處理，也明顯高于CK和CF處理，而CK與CF處理間差異不顯著。數據表明，蚯蚓糞與化肥配施處理的脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶和中性磷酸酶活性均顯著高于單施化肥。

表3 不同處理對玉米根際土壤酶活性的影響

2.4 根際腐殖質組成

從表4可以看出，各個處理的胡敏酸含量并未表現出明顯的差異；VC+CF處理的腐殖酸碳、胡敏酸碳和富里酸碳均最高，并顯著高于其他處理，其中胡敏酸碳分別較CK，CF和VC處理顯著提高42.96%，30.41%和22.93%；而CK，CF和VC處理間的腐殖酸碳、胡敏酸碳和富里酸碳差異均未達顯著水平。同時，VC+CF處理較CK顯著降低了胡敏素碳與腐殖酸碳的比值，而CF，VC與CK無顯著性差異。從表4還可知，VC+CF處理的HA/FA比值最大，分別比CK，CF和VC處理明顯高出23.35%，12.51%和7.82%；依次為VC和CF處理，兩者間差異不顯著，但均顯著高于CK。

綜合分析可知，蚯蚓糞配施化肥處理較單施化肥能明顯提高胡敏酸碳和富里酸碳含量，并顯著增加HA/FA比值。

表4 不同處理對玉米根際土壤腐殖質組分的影響

3 討 論

根際是植物—土壤—微生物相互作用的特殊微生態環境，根際微生物數量和種類是表征土壤肥力的重要生物學指標[22]。本試驗研究表明，施用蚯蚓糞處理較對照和單施化肥能顯著提高玉米根際土壤細菌數、真菌數和微生物總量。這說明施用蚯蚓糞可促進土壤微生物生長，主要是由于大部分微生物在土壤中實際上處于一種低營養狀態，當蚯蚓糞加入土壤后，為微生物提供了新的能源，使微生物在種群數量上發生較大的改變；另一方面，蚯蚓糞本身也帶入大量活的微生物，施入蚯蚓糞在某種程度上起到了“接種”的作用[7]。同時，本研究發現，蚯蚓糞處理對根際土壤放線菌數并未產生顯著影響，這與井大煒等[23]關于西瓜根際土壤微生物的研究結果不完全一致，造成這一差異可能與作物種類、土壤性狀和試驗周期等因素有關。

土壤酶是土壤系統內動物、植物和微生物殘體或活體，通過催化土壤生化反應發揮重要作用，是表征土壤肥力和土壤生物活性重要指標[20]。土壤酶直接影響土壤能量代謝、物質轉化及養分釋放和固定，與土壤肥力高低密切相關[15]。不同施肥處理會影響土壤微生物區系構成、生物量和代謝過程，改變土壤酶活性。本試驗得出，施用蚯蚓糞可明顯提高根際土壤酶活性，這與前人的研究結論[24-25]相類似，主要是因為蚯蚓糞有利于改善土壤理化性狀，調節土壤C/N，促進作物與土壤微生物的生長，而且蚯蚓糞能為土壤酶提供豐富的酶促基質，發揮底物誘導作用，從而有助于土壤酶活性的提高[13]。此外，蚯蚓糞與化肥配施處理的微生物數量與土壤酶活性均明顯高于蚯蚓糞處理。這可能是由于配施蚯蚓糞能更好地調節土壤碳氮比，從而為微生物活動與酶活性的提高創造了優越的條件。同時，植物根系具有很強的合成功能，能夠合成氨基酸、植物堿和維生素等，且在植物的整個生長期間進行著很活躍的代謝作用，向根外分泌無機和有機物質，即根系分泌物[25]。本研究表明，配施蚯蚓糞處理較單施化肥可顯著提高玉米根系分泌物中氨基酸總量、有機酸總量與總糖含量，這與劉方春等[22]在冬棗上的研究結論基本一致。可見，根系分泌物含量的提高也是增加土壤微生物數量和增強酶活性的重要原因之一。此外，有機酸總量的提高能降低根際土壤pH值，這有利于增強P，K與部分鹽類離子的溶解性，從而可提高根際土壤中養分離子的有效性[20]，促進玉米對磷和鉀的吸收，對于玉米產量和品質的提高具有積極意義。

腐殖質是土壤有機質的主體部分，是評價土壤肥力水平的重要指標之一，而腐殖酸與胡/富比是其核心部分[26]。有研究表明[16]，有機—無機配施可以增加胡敏酸與富里酸的含量，而有機肥顯著補充了胡敏酸，或是礦化消耗的富里酸多于胡敏酸，從而升高了胡/富比值。本研究認為，配施蚯蚓糞處理比單施化肥明顯提高了玉米根際土壤中胡敏酸、富里酸含量和胡/富比。這與朱青藤等[27]在白土土壤上的研究結論相似。可能是由于施用蚯蚓糞明顯改善了玉米根系的形態特征[28]，且增強了根系活性，從而促使根系分泌物增多；也可能與根際土壤微生物數量和土壤酶活性的提高有一定關聯；同時，微生物本身活動的加劇可導致細胞死亡并加速殘體的分解，可能是引起胡敏酸增加的原因之一。而部分根系的腐解與脫落亦可能會改變土壤腐殖質的組成成分[28]。

4 結 論

與單施化肥相比，蚯蚓糞與化肥配施處理能顯著提高玉米根系分泌物含量，并明顯提高了根際土壤中微生物數量、微生物量碳含量及脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶、中性磷酸酶活性；同時，配施蚯蚓糞處理亦顯著提高了玉米根際土壤中胡敏酸、富里酸含量和胡/富比。同配施蚯蚓糞處理相比，蚯蚓糞處理對玉米根際土壤生物學特征的影響較小。綜上所述，蚯蚓糞與化肥配施能較好地改善玉米根際區域的微生態環境。

[1] 王方超,鄒麗群,唐靜,等.氮沉降對杉木和楓香土壤氮磷轉化及碳礦化的影響[J].生態學報,2016,36(11):3226-3234.

[2] 王敬,程誼,蔡祖聰,等.長期施肥對農田土壤氮素關鍵轉化過程的影響[J].土壤學報,2016,53(2):292-304.

[3] 楊馨逸,劉小虎,韓曉日.施氮量對不同肥力土壤氮素轉化及其利用率的影響[J].中國農業科學,2016,49(13):2561-2571.

[4] 段鵬鵬,叢耀輝,徐文靜,等.氮肥與有機肥配施對設施土壤可溶性氮動態變化的影響[J].中國農業科學,2015,48(23):4717-4727.

[5] 郝小雨,周寶庫,馬星竹,等.長期不同施肥措施下黑土作物產量與養分平衡特征[J].農業工程學報,2015,31(16):178-185.

[6] 陳安強,付斌,魯耀,等.有機物料輸入稻田提高土壤微生物碳氮及可溶性有機碳氮[J].農業工程學報,2015,31(21):160-167.

[7] 萬水霞,唐杉,蔣光月,等.紫云英與化肥配施對土壤微生物特征和作物產量的影響[J].草業學報,2016,25(6):109-117.

[8] 米迎賓,楊勁松,姚榮江,等.不同措施對濱海鹽漬土壤呼吸、電導率和有機碳的影響[J]土壤學報,2016,53(3):612-620.

[9] 郭金瑞,宋振偉,朱平,等.長期不同種植模式對東北黑土微生物群落結構與土壤理化性質的影響[J].土壤通報,2016,47(2):353-359.

[10] 高洪軍,彭暢,張秀芝,等.長期不同施肥對東北黑土區玉米產量穩定性的影響[J].中國農業科學,2015,48(23):4790-4799.

[11] 李歡,向丹,李曉林,等.蚯蚓糞和生物有機肥對土壤養分及夏玉米產量的調控作用[J].土壤通報,2011,42(5):1179-1183.

[12] 胡艷霞,孫振鈞,孫永明,等.蚯蚓糞對黃瓜炭疽病的系統誘導抗性作用[J].應用生態學報,2004,15(8):1358-1362.

[13] 田給林,張潞生.蚯蚓糞緩解草莓連作土壤障礙的作用[J].植物營養與肥料學報,2016,22(3):759-767.

[14] 程世平,施江,史國安,等.不同配比蚯蚓糞對桂圓菊生長發育的影響[J].北方園藝,2010(17):62-64.

[15] 孔濤,劉民,馬瑜,等.黃瓜產量及土壤酶活性對基于古龍酸母液與廢棄培養基有機肥的響應[J].環境化學,2015,34(12):2275-2280.

[16] 吳萍萍,王家嘉,李錄久.不同施肥措施對白土腐殖質組成的影響[J].土壤,2016,48(1):76-81.

[17] Wang Xiaoping, Zabowski D. Nutrient composition of Douglas-fir rhizosphere and bulk soil solutions[J]. Plant Soil, 1998,200:13-20.

[18] 顧美英,唐光木,劉洪亮,等.施用棉稈炭對新疆連作棉花根際土壤微生物群落結構和功能的影響[J].應用生態學報,2016,27(1):173-181.

[19] 井大煒,邢尚軍,劉方春,等.畦灌配施保水劑改善楊樹林下土壤物理性狀提高微生物活性[J].農業工程學報,2015,31(14):116-122.

[20] 楊林生,張宇亭,黃興成,等.長期施用含氯化肥對稻—麥輪作體系土壤生物肥力的影響[J].中國農業科學,2016,49(4):686-694.

[21] 魯如坤.土壤農業化學分析方法[M].北京:中國農業科技出版社,2000.

[22] 劉方春,邢尚軍,馬海林,等.根際促生細菌(PGPR)對冬棗根際土壤微生物數量及細菌多樣性影響[J].林業科學,2013,49(8):75-80.

[23] 井大煒,張紅,王明友.牛糞對西瓜根際土壤微生物多樣性及氮素利用率的影響[J].核農學報,2014,28(11):2102-2107.

[24] 王文鋒,李春花,黃紹文,等.不同施肥模式對設施秋冬茬芹菜生育期間土壤酶活性的影響[J].植物營養與肥料學報,2016,22(3):676-686.

[25] 井大煒,邢尚軍,劉方春,等.保水劑—尿素凝膠對側柏裸根苗細根生長和氮素利用率的影響[J].應用生態學報, 2016,27(4):1046-1052.

[26] 張艷鴻,竇森,董珊珊,等.秸稈深還及配施化肥對土壤腐殖質組成和胡敏酸結構的影響[J]土壤學報,2016,53(3):694-702.

[27] 朱青藤,申連玉,錢黎慧,等.有機物料對白土土壤胡敏酸結構特征的影響[J].植物營養與肥料學報,2015,21(2):396-403.

[28] 劉鏡波,王小林,張歲岐,等.有機肥與種植密度對旱作玉米根系生長及功能的影響[J].水土保持通報,2011,31(6):32-36.

Effects of Vermicompost Co-applied with Inorganic Fertilizer on Soil Biological Characteristics in Rhizosphere of Maize

XU Xianbin

(DezhouAcademyofAgriculturalScience,Dezhou,Shandong253015,China)

[Objective] The objective of this study is to explore the effect of vermicompost co-applied with inorganic fertilizer on biological characteristics in rhizosphere soil of maize and to provide theoretical basis for the development of the soil fertilizer system and reasonable fertilization of corn. [Methods] A field experiment was conducted to determine the effect of four treatments, CK(neither urea nor vermicompost was applied), CF(100% of nitrogen was provided by urea), VC(100% of nitrogen was provided by vermicompost), and VC+CF (50% and 50% of nitrogen was provided by vermicompost and urea, respectively) on root exudates, microorganism population, enzyme activities and humus composition in the rhizosphere soil of maize. [Results] The VC+CF treatment significantly increased root exudates, and microorganism population, microbial biomass carbon, as well as the enzyme activities of urease, invertase, catalase and neutral phosphatase compared with CF treatment. The bacterial population increased by 124.32%, 62.99% and 15.45%， and the urease enzyme activity increased by 44.27%, 23.53% and 12.50% compared with the treatments of CK, CF and VC, respectively. In addition, the VC+CF treatment also obviously increased the contents of humic acid and fulvic acid, and the ratio of humic acid to fulvic acid. However, effect on biological properties in rhizosphere soil of maize in VC treatment was less than that in VC+CF treatment. [Conclusion] In summary, vermicompost co-applied with inorganic fertilizer had better effect on micro-ecological environment in rhizosphere soil of maize.

maize; vermicompost; root exudate; soil enzyme; humus

2016-03-15

2016-07-25

山東省科技發展計劃項目“魯西北地區新型日光溫室及其蔬菜生產關鍵技術研究集成與示范”(2012GNC11108)

徐憲斌(1964—),男(漢族),山東省寧津縣人,本科,高級農藝師,主要從事作物栽培技術研究。E-mail:xuxianbin007@126.com。

A

1000-288X(2017)01-0078-05

S154.34