木醋液對堿性土壤微生物數量及酶活性的影響

程 虎,王紫泉,周 琨,錢 爽,卞永榮,和文祥*,呂家瓏

(1.西北農林科技大學資源環境學院,陜西 楊凌 712100；2. 中國科學院南京土壤研究所中國科學院土壤環境與污染修復重點實驗室,江蘇 南京 210008；3.中國科學院大學,北京 100049)

木醋液對堿性土壤微生物數量及酶活性的影響

程 虎1,2,3,王紫泉1,周 琨1,錢 爽1,卞永榮2,和文祥1*,呂家瓏1

(1.西北農林科技大學資源環境學院,陜西 楊凌 712100；2. 中國科學院南京土壤研究所中國科學院土壤環境與污染修復重點實驗室,江蘇 南京 210008；3.中國科學院大學,北京 100049)

采用室內培養方法,研究了添加不同濃度木醋液對堿性土壤微生物區系和土壤酶活性的影響.結果表明:培養期內,添加木醋液可顯著增加堿性土壤中真菌、細菌的數量,且在3d內有效激活土壤酶活性,土壤蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶和脫氫酶活性均有不同程度的增加;添加高濃度木醋液,短期內抑制堿性土壤中部分微生物活性;添加木醋液使微生物生長對氮元素的需求增加,特別是培養后期,土壤營養狀況變差,容易造成作物與微生物競爭營養物質.因此木醋液的施用要注意濃度的大小以及氮元素的供給.

木醋液；塿土；微生物；土壤酶活性

木醋液是木材在碳化或干餾過程中產生的煙氣經冷凝回流和再分離得到的有機混合物,又被稱作植物酸,主要成分是乙酸,含有少量酮類、酚類、酯類、醛類、醇類以及微量金屬元素[1-2].木醋液直接來源于天然木材,是一種綠色產品,同時,也是對木材生產加工過程中產生廢氣的回收應用.因此,木醋液的相關研究與應用對環境保護和綠色農業的推廣具有重要意義.

有研究表明木醋液施用于土壤中,能夠改變土壤理化性質,顯著增加土壤有效態養分含量[3-4],提高土壤微生物數量[5-7],促進植物生長和品質提升.土壤微生物是土壤生物活性的根本,其數量直接反映土壤質量狀況,是土壤環境質量評價的重要生物學指標之一.土壤酶是土壤中的生物催化劑,在物質循環,能量交換和環境凈化等過程中發揮重要作用,是衡量土壤質量水平的關鍵指標[8-10].土壤微生物區系和土壤酶活性均易受外源物質的影響[11-13].中國西北土壤為石灰性土壤,pH值偏高,有效態養分含量相對偏低,木醋液為酸性小分子混合物,添加到土壤中可能是改良堿性土壤微生物學性質的有效途徑.

本試驗通過長期室內培養實驗,向堿性土壤中添加不同濃度的木醋液,測定土壤微生物數量與土壤酶活性隨時間的變化,分析木醋液應用的濃度,時間效應,探討木醋液對堿性土壤微生物學性質的影響.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗土樣采自西北農林科技大學農作一站小麥試驗田耕層土壤,土壤母質為塿土,采樣深度0～20cm,樣品采回后風干,過2mm篩,混勻,4℃存儲備用.供試土壤理化性質:有機質含量為14.82g/kg,全氮含量為1.11g/kg,速效P、K含量分別為21.03,178.71mg/kg,堿解氮含量為43.75mg/kg,陽離子交換量為18.12cmol/kg, pH值8.42.

木醋液試劑由陜西億鑫生物能源科技開發有限公司提供,主要由蘋果樹提煉而成,有機碳33.5g/L,電導率3.37ms/cm, pH =3.6[14].

1.2 試驗處理

稱取500g 風干土,噴灑不同濃度的木醋液,使土壤含水量達到田間持水量的60%,攪拌至均勻,放置于1L塑料培養瓶中,加蓋,于28℃下恒溫培養,培養期間保持土壤含水量為田間持水量的60%.對照處理噴灑等量去離子水.

試驗設置7個不同濃度木醋液處理:(1) CK:對照處理(蒸餾水); (2) C1:木醋液原液稀釋1000倍; (3) C2:木醋液原液稀釋500倍; (4) C3:木醋液原液稀釋400倍; (5) C4:木醋液原液稀釋300倍; (6) C5:木醋液原液稀釋200倍; (7) C6:木醋液原液稀釋100倍.每個處理重復3次.

1.3 測定項目與方法

微生物數量[15]:細菌、真菌和放線菌分別采用牛肉膏蛋白胨培養基,馬鈴薯瓊脂培養基和高氏1號培養基培養.1、3、7、15d后取出土壤樣品,采用平板計數法分離測定土壤中的細菌、真菌、放線菌數量.

土壤酶活性[16]:本試驗選擇測定與土壤碳、氮、磷循環密切相關的蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶與脫氫酶活性.取培養1,3,7,15,30,60d后的土壤樣品,水楊酸比色法測定土壤蔗糖酶,靛酚藍比色法測定脲酶,磷酸苯二鈉比色法測定堿性磷酸酶,TTC比色法測定脫氫酶活性.

1.4 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2013和SPSS 20.0進行數據統計分析, Origin 8.5進行圖形繪制.

2 結果

2.1 木醋液對土壤微生物數量的影響

細菌是土壤中數量最多的微生物類群,約占土壤微生物的70%～90%[17],能夠快速分解土壤有機物,促進土壤有機碳、氮轉換,加快物質循環,提高土壤有效態養分含量.

圖1 木醋液對土壤微生物數量的影響Fig.1 The effects of pyroligneous acid on quantity of soil microorganism

從圖1看出,除第1d外,添加木醋液可有效增加土壤細菌數量,且木醋液的濃度影響增加效果.第1d,低濃度木醋液(C1)處理效果不顯著,C2、C3和C4處理均顯著促進土壤細菌的繁殖,細菌數量分別增加92%、82% 和76%, C5處理僅增加21%.由細菌數量變化可知,木醋液濃度增大,促進效果逐漸弱化,C6處理時出現高濃度抑制細菌數量的狀況.除對照外,土壤中細菌數量隨培養時間出現先增加后降低到平緩的趨勢.

土壤環境中,放線菌發揮著保障土壤健康的重要作用,不僅能加速土壤氮磷鉀等養分的轉化、循環,而且可通過營養抗性來抵御和抑制有害生物(土傳病害)的生長繁殖,是評估土壤健康與安全的重要指示菌[18].室內恒溫培養條件下,除第7d外,添加木醋液對土壤中放線菌數量無顯著的促進作用,且存在高濃度抑制現象.第7d時,除低濃度處理(C1), C2～C6處理放線菌數量均顯著增加,分別增加47%、58%、45%、58% 和43%.第15d時,C6處理放線菌數量受到顯著抑制,抑制率達到37%.放線菌數量隨時間呈現先上升后平穩的趨勢.

真菌是土壤微生物的重要組成部分[19],能夠加快土壤物質循環,抑制土傳病害等的發生,維護土壤安全與健康,是評價土壤安全與肥力的重要指標.從圖1看出,短期內(7d內),添加木醋液可以促進真菌數量的增加;培養15d時,相對于對照處理均無顯著性差異.第1d時,C1、C2和C3處理真菌數量顯著增加,增幅分別為335%、318% 和251%;C4、C5和C6處理,真菌數量增加不顯著,木醋液濃度增加,真菌數量增加效果逐漸減小.第3d時,添加木醋液處理,真菌數量均顯著增加,增幅分別為:65%、50%、40%、80%、95% 和180%;并且呈現出木醋液添加濃度越高,真菌數量越多的趨勢.第7d時,效果減小,除C3處理外,差異均不顯著,C3處理真菌數量相對增加了100%.

2.2 木醋液對土壤酶活性的影響

蔗糖酶廣泛分布在土壤中,通過水解蔗糖,增加易溶性營養物質的含量,提高有機物利用率,其活性能夠反映土壤有機碳累積與分解轉化的速率.各處理條件下,蔗糖酶活性總體表現出先上升后下降的趨勢(圖2).培養1d后,除C1處理外,蔗糖酶活性較對照均顯著增加; C5處理蔗糖酶活性最高,達到558 μg/(g·h),較對照增加了53%; 3,7, 15,30d,各處理蔗糖酶變化規律較復雜;培養60d時,各處理無顯著差異.

圖2 木醋液對土壤酶活性的影響Fig.2 The effects of pyroligneous acid on soil enzyme activity

堿性磷酸酶能夠提高有效磷含量,加速土壤磷素循環,通過磷酸酶活性可以對土壤磷素轉化方向和強度進行準確評估[20].從圖2看出,堿性磷酸酶活性隨培養時間的增加呈現先上升后下降的趨勢,30d時堿性磷酸酶活性最大,在42.208～49.969μg/(g·h)之間;培養時間相同時,堿性磷酸酶活性隨添加木醋液濃度的增加呈現先增加后降低的趨勢,C3和C4處理效果最好,表明添加木醋液可提高堿性磷酸酶活性,但添加濃度需適度.

土壤脲酶具有水解尿素的能力,是促進氮素循環的重要土壤酶之一.脲酶活性與土壤碳、磷、有機質等含量正相關,能夠綜合反映土壤養分水平[21].如圖2所示,隨培養時間增加,各處理脲酶活性整體上呈現出先上升后下降的趨勢.培養15d時達到最大值,C0～C6處理脲酶活性分別為9.7,12.2,12.9,13.7,13.1,13.7,13.0μg/(g·h).除第3d外,各培養階段均顯示木醋液的添加可以增加脲酶活性.培養1d后,脲酶活性均增加,并且木醋液的添加濃度越大,脲酶活性增加越大.培養3d后,脲酶活性稍微降低,但處理間差異不顯著.培養7,15,30,60d后,添加木醋液處理土壤脲酶活性均顯著性高于對照,表明添加木醋液可提高土壤脲酶活性,且效應持續60d仍未消失.高濃度木醋液(C6)對脲酶活性沒有抑制作用.

土壤脫氫酶是一種胞內酶,在細胞外無活性,與土壤微生物活性正相關,其活性可以表征土壤微生物活性和功能多樣性.脫氫酶活性隨培養時間的增加呈現先增強后減弱的趨勢,不同處理酶活性達到至高點所需時間不一致.從圖2看出,培養期間,除第1d外,C2～C6處理脫氫酶活性均高于對照,表明C2～C6處理可在長時間內(60d)增加土壤脫氫酶活性,加速土壤有機物代謝. C1處理前7d內,脫氫酶活性均高于對照,后期無顯著差異,表明低濃度木醋液的添加7d內可增加脫氫酶活性,7d后效應弱化至不顯著;對照處理(C0)酶活性在第7d時最高,為0.56 μg/(g·h);低濃度處理(C1)培養1d后酶活性達到最高;C2處理第3d酶活性最高,其余處理酶活性均在第7d達到酶活性最高點,表明添加低濃度木醋液短時間內可促進提高脫氫酶活性,并達到較高水平,高濃度木醋液會出現延遲效應.在各個培養階段,土壤脫氫酶活性隨木醋液的添加濃度的升高呈現出先增加,后降低的趨勢,表明高濃度木醋液的添加對脫氫酶活性存在一定的抑制作用.

3 討論

3.1 木醋液對土壤微生物的影響

木醋液是木材蒸餾過程中小分子有機物的混合體,添加到土壤中,其中一部分小分子有機物可被微生物直接吸收利用,加快微生物繁殖;另一部分有機物可被進一步分解,增加土壤中的碳源,促進微生物數量與活性的增加.同時,木醋液中部分小分子有機物對微生物有毒害作用,減少微生物數量或活性.本試驗表明,添加適宜濃度木醋液,可促進堿性土壤微生物(真菌,放線菌,細菌)數量的增加,其中細菌和真菌最為顯著.胡春花等研究表明木醋液的添加可顯著地增加土壤細菌數量,與本文研究結果一致[7].添加高濃度木醋液(C6),相對于其他處理,短時間內出現抑制微生物繁殖和活性的現象,放線菌和細菌培養1d后菌落數量小于對照,真菌數量雖高于對照組,但低于C1～C5處理.隨培養時間增加,高濃度木醋液抑制效果逐步減弱,一段時間后,促進效果顯現并逐漸占據主導地位;添加低濃度木醋液(C1)對放線菌影響不顯著,對細菌后期(7d)具有顯著影響,對真菌前期(3d)具有顯著影響,對放線菌影響不顯著.為解釋此現象提出以下假設: (1)木醋液中含有大量酚類和有機酸類化合物,抑制微生物繁殖與活性[22];添加高濃度木醋液時,酚類和有機酸類化合物數量多,對微生物的毒害抑制強,抑制微生物的繁殖和生物活性,培養一段時間后,部分有機物被分解或揮發,毒害抑制作用減弱,且經分解進一步提供營養物質,促進微生物繁殖,提高微生物活性,添加少量木醋液,毒害抑制作用相對較小,繁殖速度與微生物活性變化相對較小.(2)試驗供試土壤pH值為8.42,木醋液原液pH值 3.6,添加高濃度木醋液(C6),可能瞬間改變周邊微域土壤環境pH值[4]、氧化還原電位等,對微生物尤其是喜好偏中性的放線菌和細菌生長不利,雖同時提供營養物質,但由于微生物生存環境的瞬時改變,繁殖與活性均受到一定抑制,培養一定時間后,環境逐漸恢復,微生物逐漸適應新環境,且部分物質再次分解為可被微生物直接吸收利用的營養物質,從而促進微生物繁殖,提高微生物活性;然而,添加低濃度木醋液,對環境微域改變較小,且提供額外的碳源,促使微生物短時間繁殖.

Sulaiman等[23]的研究也表明,高濃度的木醋液會抑制微生物的生長,培養時間增加,有害物質或者有機酸被真菌分解利用,土壤pH值和氧化還原電位升高,土壤環境變得適宜放線菌和細菌生長,兩者數量顯著增加.培養后期,木醋液逐漸被分解利用,土壤中營養物質減少,微生物生長處于穩定停滯狀態.

本研究發現,細菌和真菌在1d內被有效激活 ,分別可持續15d和7d,放線菌在第7d時被有效激活,第15d時激活效果不顯著.杜相革等[6]的研究發現添加木醋液可使土壤微生物10d內被有效地激活,與本文結果一致.

3.2 木醋液對土壤酶活性的影響

土壤酶活性反映了土壤養分轉化速率的能力.本研究發現:添加木醋液后,土壤蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶和脫氫酶活性均有不同程度的增加,其中脲酶和脫氫酶增幅最大,且受影響可持續60d以上.蔗糖酶、脲酶和脫氫酶活性在添加木醋液后1d內顯著增加,堿性磷酸酶活性在第3d時顯著增大.木醋液含有大量有機小分子物質,為土壤微生物提供大量有效的碳源,可增加微生物數量及活性,其生長繁殖進一步增加營養物質的需求量,致使微生物分泌與所需營養物質相關的酶,從而表現為酶活性增大;其次木醋液中部分有機物質可作為底物,誘導微生物產生酶,從而表現為酶活性升高.

通過相關分析,土壤堿性磷酸酶活性與真菌、放線菌數量顯著正相關(r=0.546**;0.472*);土壤脲酶活性與真菌和放線菌數量極顯著正相關(r=0.563**;0.754**),脫氫酶活性與細菌、真菌數量顯著相關(r=0.409*;0.416*).證實土壤酶活性與土壤微生物活性相關.

3.3 木醋液對土壤養分的影響

土壤養分含量和比例直接影響作物生長和產品質量,是土壤肥力的重要參數之一.不同微生物在不同生長時期內對營養物質的需求不一樣,通過分泌不同的土壤酶消耗不同比例的養分.土壤蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶分別是土壤碳、氮、磷循環中的重要酶類.其活性可以表征土壤碳、氮、磷養分的消耗速率,其比值可以一定程度上反映土壤碳、氮、磷速效養分平衡關系[24-27].

通過相關分析,蔗糖酶活性與微生物數量不相關,表明木醋液可為土壤微生物提供小分子碳源,直接被微生物吸收利用,滿足碳營養的需求,所以蔗糖酶不分泌或者分泌很少,對土壤碳元素有一定的積累貢獻.土壤堿性磷酸酶、脲酶、脫氫酶活性與微生物相關,表明木醋液的添加提高了土壤有效態養分含量,以滿足微生物生長的需求.

圖3 木醋液對土壤酶比值的影響Fig.3 The effects of pyroligneous acid on soil enzyme ratio

土壤蔗糖酶/堿性磷酸酶、蔗糖酶/脲酶比值與真菌和放線菌數量顯著負相關(r=-0.580**; -0.561**;-0.453*;-0.654**),堿性磷酸酶/脲酶比值與放線菌數量極顯著負相關(r=-0.529**),表明土壤酶活性比值與微生物各營養需求比例之間有良好的相關性,證實土壤酶活性比值可以反映微生物生長的各營養元素需求狀況.

由圖3看出,土壤蔗糖酶/脲酶的比值在前3d內增加,隨后降低,在第15d達到最小,之后又有增大,說明微生物在培養前期對碳源要求較高,隨后由于生長繁殖需要,對氮源的需求更大,因此微生物分泌更多與獲取氮相關的酶,脲酶作為其中一種,酶活性也相應增加,從而導致蔗糖酶/脲酶比值減小,在后期微生物群落趨于穩定,對氮的需求也相對穩定.木醋液各處理土壤蔗糖酶/脲酶比值小于對照土壤,表明在供給碳源的情況下,微生物生長對氮源的需求較大.土壤蔗糖酶/堿性磷酸酶比值呈現逐漸減小后上升趨勢,培養期間蔗糖酶活性變化不大,總體表現出先上升后下降的趨勢,堿性磷酸酶活性逐漸增加后下降.表明在培養前期供給碳源的情況下,微生物生長對磷源的需求較大,但各處理間對磷源需求差異較小.土壤脲酶/堿性磷酸酶比值在培養期間呈現先降低再增加然后下降的過程.培養7d后,木醋液處理土壤脲酶/堿性磷酸酶比值均大于對照,說明施用木醋液,微生物生長對氮的需求大于磷.

4 結論

4.1 堿性土壤添加木醋液可促進微生物生長繁殖,土壤細菌、真菌和放線菌數量都有一定程度上的增加.除第1d外,添加木醋液可有效促進土壤細菌數量的增加,第1d存在高濃度抑制效應;低濃度木醋液可增加放線菌數量,但不顯著,高濃度時存在抑制效應;真菌數量在7d內持續增加.

4.2 堿性土壤添加木醋液可在一定時間內激活土壤酶活性.蔗糖酶、堿性磷酸酶和脲酶均在木醋液添加1d后升高,脫氫酶在第3d顯著增加,并且在一定時間內酶活性維持較高水平.

4.3 木醋液原液稀釋300～500倍效果最好,培養期間,促進微生物生長,有效激活土壤酶.木醋液提供大量碳源,有助于碳元素的累積;有利于微生物生長,分泌更多的酶,使酶活性增加,促進營養物質循環.木醋液作為肥料使用,還應注意土壤氮元素的供給,避免微生物與植物發生爭氮效應.

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Effects of pyroligneous acid on quantity of microorganismand enzyme activity in alkaline soil.

CHENG Hu1,2,3,WANG Zi-quan1, ZHOU Kun1, QIAN Shuang1, BIAN Yong-rong2, HE Wen-xiang1*, Lü Jia-long1
(1.College of Resources and Environment, Northwest A&F University, Yangling 712100, China；2.Key Laboratory of Soil Environment and PollutionRemediation, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China；3.University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China). China Environmental Science, 2017,37(2)：696～701

A laboratory incubationexperiment was conducted to explore the effects of different concentrations of pyroligneous acid onquantities of microorganismand enzyme activity inalkaline soil. Results showed that the quantity of fungi and bacteria inalkaline soil were significantly increased with the presence of pyroligneous acid. Besides, soil enzyme activity was effectively activated withinthree days. Soil invertase, urease, alkaline phosphatase and dehydrogenase activity were increased to some extent respectively. However, microbial activity inalkaline soils was partly inhibited by high-concentrationof pyroligneous acid ina short time. The demand of microbial growth for nitrogennutrient was increased with the additionof pyroligneous acid, which would cause nutritioncompetitionbetweencrop and microorganismespecially inthe later incubationperiod. Consequently, attentionshould be paid to the concentrationof pyroligneous acid and the applicationof nitrogento soil simultaneously whenusing pyroligneous acid.

pyroligneous acid；Lou soil；microorganism；soil enzyme activity

X712,S154.3

A

1000-6923(2017)02-0696-06

程 虎(1994-),男,安徽淮北人,中國科學院南京土壤研究所博士研究生,主要從事環境污染與化學控制方向.

2016-06-23

國家自然科學基金項目(41571245):西北農林科技大學大學生科創項目資助

* 責任作者, 教授, wxhe1968@163.com