微生物菌劑對草坪植物高羊茅生長與土壤酶活性的影響

張美存, 程 田, 多立安, 趙樹蘭

天津市動植物抗性重點實驗室, 天津師范大學生命科學學院, 天津 300387

微生物菌劑對草坪植物高羊茅生長與土壤酶活性的影響

張美存, 程 田, 多立安, 趙樹蘭*

天津市動植物抗性重點實驗室, 天津師范大學生命科學學院, 天津 300387

從生活垃圾堆肥中分離出放線菌、枯草芽孢桿菌和蘇云金芽孢桿菌,通過形態(tài)學和染色鑒定,分別以微生物單菌劑施入到草坪土壤基質中,研究了幾種微生物菌劑對高羊茅生長與土壤酶活性的影響。結果表明：3種微生物菌劑處理可以顯著提高高羊茅株高、生物量和葉綠素含量(P<0.01或P<0.05),促進了高羊茅的生長。同時,施加不同的微生物菌劑對于土壤蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶、多酚氧化酶和過氧化物酶活性均有顯著的增強作用,其中放線菌處理土壤脲酶和多酚氧化酶分別是對照的8.38倍和20.6倍。因此,從堆肥中得到的3種微生物菌劑均可有效提高土壤酶活性,改善植物根際微生態(tài)環(huán)境,提高了土壤肥力和養(yǎng)分的利用率,促進了草坪植物生長,改善草坪質量。該研究可為微生物菌劑在草坪建植體系中的應用提供依據(jù)。

生活垃圾堆肥；微生物菌劑；高羊茅；土壤酶活性

近年來,微生物菌劑被廣泛用于改善土壤微生物環(huán)境,促進作物生長[1],放線菌、枯草芽孢桿菌和蘇云金芽孢桿菌三類微生物均對植物生長起到促進作用。Zaidi等研究顯示,土壤接種BacillussubtilisSJ- 101可顯著提高芥菜生物量,促進植物生長[2]。Moellenbeck等認為,蘇云金芽孢桿菌中的一種蛋白能殺死玉米根蟲,對玉米的生長有顯著促進作用[3]。放線菌對草莓根系生長和新根的生成有明顯的促進作用[4]。

土壤酶是土壤有機質分解與養(yǎng)分轉化和循環(huán)的驅動力,是土壤質量和生態(tài)穩(wěn)定性的重要指標[5-7],土壤酶活性的高低能反映土壤生物活性和土壤生化反應強度,土壤過氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶等關鍵酶的共同作用促進了作物的生長發(fā)育和根系活力的提高[8-9]。研究發(fā)現(xiàn),接種微生物菌劑能夠改善土壤結構和營養(yǎng)狀況,調節(jié)土壤酶的活性,提高土壤肥力和養(yǎng)分利用率[10]。芽孢桿菌菌劑能夠顯著改善根際土壤微生態(tài),提高土壤脲酶、蔗糖酶、蛋白酶、過氧化物酶和脫氫酶活性[11]。

草坪是城市建設的重要組成部分,其綠化面積及質量已成為評價城市環(huán)境質量的重要客觀標準[12]。由于環(huán)境因素和管理條件的限制,草坪草的生長受到影響。因此,促進草坪草生長、提高其抗性研究將具有重要的現(xiàn)實意義。盡管接種微生物的效應研究報道較多,但將微生物應用于草坪體系的研究還鮮有報道。本研究將堆肥中分離得到的放線菌、枯草芽孢桿菌和蘇云金芽孢桿菌,施入草坪土壤中,探索幾種微生物菌劑對草坪植物的生長和土壤酶活性的影響,為堆肥微生物菌劑在草坪建植體系中的應用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試菌株從生活垃圾堆肥中分離獲取；供試草坪植物選用我國北方常見高羊茅(Festucaarundinacea)；供試土壤為天津師范大學校內草坪土,取自5—15 cm表層土壤,土壤類型為潮土,質地為砂質粘土,其性質為：pH 7.44,有機質含量46.8 g/kg,全氮2.1 g/kg,全鉀45.61 g/kg,有效磷22.03 mg/kg,飽和含水量58%。土壤采集后,剔除植物殘根等,過2 mm篩,備用。

1.2 方法

1.2.1 微生物菌劑的制備

采用稀釋涂布法培養(yǎng)堆肥中的微生物[13],放線菌分離采用高氏一號固體培養(yǎng)基,細菌分離采用牛肉膏蛋白胨固體培養(yǎng)基,挑取菌落特征符合放線菌、枯草芽孢桿菌和蘇云金芽孢桿菌的菌種進行分離,然后分別進行染色鑒定和生理生化實驗鑒定。將分離出的菌種純化培養(yǎng)兩代,取純化的菌種培養(yǎng),繪制微生物的生長曲線(圖1),獲得微生物生長至穩(wěn)定期的時間。將純化的菌種接入相應的液體培養(yǎng)基中,適溫培養(yǎng),分別得到放線菌、枯草芽孢桿菌和蘇云金芽孢桿菌單一菌劑。利用顯微鏡直接計數(shù)法計算單位體積菌液中的活菌數(shù)。放線菌、枯草芽孢桿菌和蘇云金芽孢桿菌每ml菌液中的活菌數(shù)分別為2.9×109、2.29×109CFU和1.75×109CFU。

圖1 微生物生長曲線Fig.1 Growth curves of microorganisms

1.2.2 盆栽實驗

在直徑為7 cm(容積0.3 L)的塑料盆中裝入250 g供試土壤(容重為1.14 g/cm3),播種高羊茅草種0.5 g。待高羊茅幼苗生長至約5 cm時,分別向草坪土壤中加入1 mL 不同微生物菌劑,為避免液體培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質干擾,對照分別加入1 mL無菌液體培養(yǎng)基(放線菌培養(yǎng)基為高氏一號培養(yǎng)基,枯草芽孢桿菌和蘇云金芽孢桿菌培養(yǎng)基均為牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基),每一處理3次重復。每天按需補充水分,使土壤含水量維持在田間持水量的70%,以保證植物良好生長。植物培養(yǎng)在室溫下進行,培養(yǎng)期間環(huán)境溫度為15—20 ℃,相對濕度為40%—55%,光照為透入室內的自然光,經(jīng)常調換盆栽位置,以保證光照一致。

1.3 指標測定

株高動態(tài)測定：接種菌劑后每隔10 d對每個處理測定1次株高,共測定5次,每個處理中隨機選取3株長勢勻稱的植株,取其平均株高。

生物量的測定：草坪培植70 d后,將高羊茅齊根剪下,測定鮮重,然后將地上部分于105 ℃條件下殺青0.5 h,80 ℃烘干至恒重,稱干重。根洗凈,80 ℃烘干至恒重。

葉綠素含量測定：播種70 d后,高羊茅處于營養(yǎng)生長期,取0.2 g鮮葉片于研缽中,加少量石英砂及少許80%丙酮,充分研磨,將勻漿轉入15 mL離心管中,并用適量80%丙酮洗滌缽體,一并轉入離心管中,用80%丙酮定容至10 mL,4000 r/min離心10 min,取上清液,以80%丙酮作為對照,分別測定663 nm和645 nm處的吸光度值,并計算葉綠素含量[14]。

高羊茅培植70 d后,采集土樣,自然風干過1 mm篩,按照關松蔭的方法測定土壤酶的活性[5]。其中,蔗糖酶采用硫代硫酸鈉滴定法；脲酶測定采用比色法；過氧化氫酶測定采用高錳酸鉀滴定法；多酚氧化酶測定采用鄰苯三酚比色法；過氧化物酶測定采用鄰苯三酚比色法。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2003和SPSS 17.0進行數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計分析,用獨立樣本T檢驗對數(shù)據(jù)進行顯著性差異分析。

2 結果與分析

2.1 微生物菌劑對高羊茅株高及生物量的影響

不同微生物菌劑對高羊茅的株高均有顯著促進作用(表1)。在接種菌劑的20 d內,菌劑處理對高羊茅的株高沒有明顯的影響,但隨著時間的推延,微生物菌劑對株高生長的促進作用開始顯現(xiàn),接種后30 d,和不含菌劑的對照相比,放線菌和蘇云金芽孢桿菌處理株高分別增加了21.9%和29.1%(P<0.01)；枯草芽孢桿菌處理增加了18.7%(P<0.05)。接種后50 d,3種微生物菌劑處理高羊茅株高分別比對照增加了16.9%、21.9%和31.8%(P<0.01)。

表1 微生物菌劑對高羊茅生物株高和生物量的影響

注：*和**表示菌劑處理與對照之間的差異;*P< 0.05,**P< 0.01

與對照相比,微生物菌劑處理的高羊茅地下干重、地上鮮重和地上干重均有顯著的增加(表1)。放線菌菌劑處理地下干重、地上鮮重分別比對照增加了44.4%(P<0.05)、51.0%(P<0.01)；枯草芽孢桿菌處理地上鮮重和干重分別增加了57.0%和40.9%(P<0.01)；而蘇云金芽孢桿菌處理地下干重、地上干重分別比對照增加了60.0%(P<0.05)和31.8%(P<0.01)。

2.2 微生物菌劑對高羊茅葉綠素含量的影響

放線菌和枯草芽孢桿菌對高羊茅葉綠素a和總葉綠素含量的提高均有顯著作用(表2),而對葉綠素b含量增加沒有明顯的促進作用(P>0.05)。接種放線菌、枯草芽孢桿菌后,葉綠素a的含量分別比對照增加了67.2%(P<0.01)、39.7%(P<0.05),總葉綠素含量則分別比對照增加了52.3%(P<0.01)、36.6%(P<0.05)。接種放線菌菌劑對葉綠素a和總葉綠素含量的促進作用最大,而蘇云金芽孢桿菌對高羊茅葉綠素含量無顯著影響(P>0.05)。

表2 不同微生物菌劑對高羊茅葉綠素含量的影響

2.3 微生物菌劑對土壤酶活性的影響

微生物菌劑對土壤酶活性均有不同程度的促進作用(圖2)。由圖2可知,放線菌處理的土壤蔗糖酶活性顯著高于對照,是對照的2.10倍(P<0.05)。微生物菌劑處理的土壤脲酶活性顯著高于對照(圖2),尤其是放線菌處理,其脲酶活性是對照的8.38倍(P<0.05),而加入枯草芽孢桿菌和蘇云金芽孢桿菌的處理,土壤脲酶活性與對照相比也有顯著增加,分別是對照的2.77(P<0.01)和2.45倍(P<0.05)。由圖2可知,放線菌、枯草芽孢桿菌和蘇云金芽孢桿菌處理,土壤過氧化氫酶活性均顯著高于對照,分別是對照的1.91(P<0.05)、1.85(P<0.01)和1.40倍(P<0.05)。3種微生物菌劑處理的多酚氧化酶活性,分別是對照的20.6(P<0.01)、7.7(P<0.05)和8.4倍(P<0.01；圖2)；由圖2e可知,微生物菌劑對土壤過氧化物酶活性的增加有明顯的促進作用,3菌劑處理的過氧化物酶活性分別是對照的3.3、4.6和4.3倍(P<0.05)。這說明加入微生物在一定程度上加速了土壤腐質化程度,促進了土壤酶活性的提高。

圖2 微生物菌劑對土壤酶活性的影響Fig.2 Effects of microbial agents on soil enzyme activities

3 討論

土壤酶主要來源于土壤微生物、土壤動物、植物根系和殘體,它是土壤有機體的代謝動力,參與土壤發(fā)生與發(fā)育以及土壤肥力的形成等過程[15]。土壤酶活性高低可以代表土壤中物質代謝的旺盛程度,是土壤肥力的一個重要指標[16]。本研究從垃圾堆肥中獲得放線菌、枯草芽孢桿菌和蘇云金芽孢桿菌,分別加入草坪土壤基質中,發(fā)現(xiàn)3種微生物菌劑均顯著提高了土壤脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶、多酚氧化酶和過氧化物酶活性,而放線菌對于土壤蔗糖酶、脲酶和多酚氧化酶活性的提高要強于另兩種菌劑。這可能因為放線菌自身能夠產(chǎn)生大量的抗生素和胞外酶,對土壤有機物的分解及土壤腐殖質合成起著重要作用, 同時放線菌的次生代謝產(chǎn)物能夠改善土壤環(huán)境[17]。而枯草芽孢桿菌和蘇云金芽孢桿菌在生長代謝中能夠產(chǎn)生酶類,具有抗菌活性和抗逆能力[18-20]。閆海霞等研究發(fā)現(xiàn),枯草芽孢桿菌FZB42菌株顯著提高了黃瓜根際脫氫酶、脲酶、多酚氧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶和堿性磷酸酶活性[21]。微生物菌劑的施加能顯著增加土壤關鍵酶的活性,主要因為微生物菌劑能加速有機化合物的分解,提供了酶促反應的底物,從而促進了微生物的生長,而土壤酶是土壤中微生物生長代謝的產(chǎn)物[22]。涂璇等研究表明,供試放線菌能明顯改變辣椒根內和根外不同部位土壤中細菌、真菌、放線菌的數(shù)量,并且呈現(xiàn)增大的趨勢[23]。枯草芽孢桿菌Tpb55菌株在煙草根際土壤施用50 d后土壤中細菌多樣性和豐富度均有所提高[24]。由于土壤酶在進行酶促反應時具有專一性,3種微生物菌劑對各種酶的影響也有所不同。

施加放線菌、枯草芽孢桿菌和蘇云金芽孢桿菌菌劑,對高羊茅的生長有明顯的促進作用,與對照相比,株高、生物量和葉綠素含量都有顯著的增加。這與雷先德等添加Paenibacillusmucilaginosus和Bacillussubtilis的復合微生物菌劑促進了菠菜營養(yǎng)生長的研究結果相一致[25],認為微生物菌劑的有益菌群在土壤中定殖后,分泌有機酸可以溶解釋放出被土壤顆粒等吸附的N、P、K養(yǎng)分, 從而延長了土壤N、P、K養(yǎng)分的有效供給, 促進了菠菜營養(yǎng)生長。朱金峰等的研究也表明,施用微生物菌劑處理能顯著提高烤煙根系活力和促進植物生長,認為微生物菌劑的加入能豐富土壤微生物的多樣性,促進營養(yǎng)元素轉化,改善和提高土壤肥力狀況[9]。研究證明,許多的芽孢桿菌具有促生作用,它們可以將物質轉化為植物所需的營養(yǎng)成分；或產(chǎn)生多種生理活性物質刺激調節(jié)植物生長；或通過刺激土壤中某些生理功能微生物的繁殖,增強土壤肥力,使植物處于良好的生長狀態(tài)[11,26]。另一方面,施加3種微生物菌劑對高羊茅生長的促進作用,也與加入微生物菌劑后土壤酶活性的增強有關。土壤中氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素的形態(tài)和含量都與土壤酶活性變化有關,土壤酶活性增強與土壤養(yǎng)分含量的提高有密切聯(lián)系[27]。土壤蔗糖酶將蔗糖水解成葡萄糖和果糖,成為植物和微生物重要的營養(yǎng)來源[28]；脲酶活性反映土壤有機態(tài)氮向有效態(tài)氮的轉化能力和土壤無機氮的供應能力[22]；過氧化氫酶參與生物的呼吸代謝,消除過氧化氫,其活性與好氧微生物數(shù)量、土壤肥力有密切聯(lián)系[28]；多酚氧化酶可促進土壤腐殖質的合成和有機碳的累積[29]；過氧化物酶活性表征土壤腐殖質化強度大小和有機質轉化速度[30]。3種微生物菌劑施用后,均增強了土壤酶活性,使土壤中的氮、磷、鉀養(yǎng)分經(jīng)酶的作用更容易被高羊茅所吸收,提供了良好的土壤生態(tài)環(huán)境,從而促進了高羊茅的生長。

4 結論

從堆肥中分離出的放線菌、枯草芽孢桿菌和蘇云金芽孢桿菌施入草坪基質中,能夠通過改善和平衡微生物群體結構,調節(jié)土壤酶活性,改善土壤生態(tài)環(huán)境,提高土壤肥力和養(yǎng)分利用率,促進了草坪植物的生長。但值得注意的是,本實驗只選用了一個菌劑用量,適宜的菌劑用量對草坪植物的生長至關重要,如若將這幾種微生物菌劑應用于草坪的田間種植體系中,菌劑用量問題還需進一步研究。同時,菌劑的施入對土壤微生物區(qū)系的生態(tài)效應也需進一步研究,從而為更好地應用微生物菌劑于草坪建植體系提供依據(jù)。

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Effects of microbial agents on the growth of turfgrassFestucaarundinaceaand soil enzyme activity

ZHANG Meicun, CHENG Tian, DUO Li′an, ZHAO Shulan*

TianjinKeyLaboratoryofAnimalandPlantResistance,CollegeofLifeSciences,TianjinNormalUniversity,Tianjin300387,China

Turfgrass plays a vital role in beautifying the environment, purifying the air, conserving soil and water, and providing recreation sites for people. However, turfgrass growth is limited by environmental factors and management conditions. It is well known that beneficial microbial agents can improve soil structure and nutrient status and enhance the activity of soil enzymes, thereby promoting plant growth. Three types of microbial communities, actinomycetes,Bacillussubtilis, andBacillusthuringiensis, play a role in promoting plant growth. Municipal solid waste (MSW) compost consists of a rich variety of rapid succession microbial communities, the type and population size of which depend on the composition and content of organic matter in the compost and the interaction among the microorganisms. Microorganisms can be extracted from MSW compost and have a potentially broad application. In the present study, the aforementioned three types of microbial communities were extracted from compost, identified through morphological characteristics and staining, and then applied to a turfgrass medium. The effects of microbial agents on the growth of the turfgrass (Festucaarundinacea) and soil enzyme activity were investigated. The results indicated that each type of microbial agent significantly increased the plant height, biomass, and chlorophyll content ofF.arundinaceacompared to the controls. On day 30 of the investigation, plant heights were 21.9%, 18.7%, and 29.1% higher in actinomycetes-,B.subtilis-, andB.thuringiensis-inoculated plants than their controls, respectively. The aboveground fresh and dry weights ofF.arundinaceainoculated withB.subtilisincreased by 57.0% and 40.9%, respectively, compared to the control. A significant enhancement of 60.0% in belowground dry weight was observed in plants inoculated withB.thuringiensis. The total chlorophyll contents ofF.arundinaceainoculated with actinomycetes andB.subtilisincreased by 52.3% and 36.6%, respectively, compared to their controls. Furthermore, application of microbial agents markedly stimulated the activities of soil enzymes. In soils inoculated with actinomycetes,B.subtilis, andB.thuringiensis, the urease activity increased by 8.38-, 2.77-, and 2.45-fold, respectively; the polyphenol oxidase activity increased by 20.6-, 7.7-, and 8.4-fold, respectively; and the peroxidase activity increased by 3.3-, 4.6-, and 4.3-fold, respectively, compared with their controls. On the basis of the results obtained, we conclude that the three types of microbial communities derived from the compost can effectively increase soil enzyme activities, improve the micro-ecosystem of the plant rhizosphere, and improve soil fertility and nutrient utilization, thereby promoting turfgrass growth and improving turf quality. This study can provide a basis for the utilization of microbial agents in turf establishment.

municipal solid waste compost; microbial agents;Festucaarundinacea; soil enzyme activities

國家自然科學基金資助項目(31470548)；天津市科技支撐計劃重點項目(13ZCZDNC00200)

2016- 04- 20; 網(wǎng)絡出版日期:2017- 03- 02

10.5846/stxb201604200743

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhaosl_tjnu@126.com

張美存, 程田, 多立安, 趙樹蘭.微生物菌劑對草坪植物高羊茅生長與土壤酶活性的影響.生態(tài)學報,2017,37(14):4763- 4769.

Zhang M C, Cheng T, Duo L A, Zhao S L.Effects of microbial agents on the growth of turfgrassFestucaarundinaceaand soil enzyme activity.Acta Ecologica Sinica,2017,37(14):4763- 4769.