土壤調理劑對烤煙根系活力及根際土壤微生物碳代謝特征的影響

靳輝勇 黎 娟 朱 益 齊紹武.4 梁仲哲 淡俊豪

(1湖南農業(yè)大學農學院，湖南 長沙 410128；2江蘇省宿遷市宿豫區(qū)農業(yè)委員會，江蘇 宿遷 223800；3廣東中煙工業(yè)有限責任公司，廣東廣州 510000；4湖南雜交水稻研究中心，湖南長沙 410128)

土壤的生態(tài)環(huán)境與作物生長有著密切的聯(lián)系，良好的土壤環(huán)境是生產優(yōu)質烤煙的基礎[1-2]。在我國，由于主產煙區(qū)長期過量施用化肥、農藥，導致土壤生態(tài)環(huán)境不斷惡化，土壤板結、養(yǎng)分失衡、群菌失調、生物活性降低等問題愈發(fā)嚴重[3-4]。研究發(fā)現(xiàn)土壤改良不但可以提高土壤肥力，還可以增強微生物活性，是維持和改善土壤環(huán)境的有效措施[5]。目前，市場上的土壤調理劑種類繁多[6]，原料來源非常廣泛，有以石灰石、白云巖、膨潤土、蛭石、硅藻土、皂石、海泡石等礦物質為原料的產品，也有以味精發(fā)酵尾液、酒糟、粉煤灰、高爐渣、乳化瀝青等廢棄物為原料的產品，但以城市生活垃圾為主要原料的土壤調理劑極為少見。

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在土壤養(yǎng)分轉化、能量循環(huán)過程中發(fā)揮著重要作用。土壤改良對土壤根際生態(tài)區(qū)域的影響較大[7]。目前，關于土壤調理劑在植煙土壤上的改良應用，多集中在土壤調理劑對烤煙生長發(fā)育[8]、產質量[9]、土壤養(yǎng)分含量[10]、微生物數(shù)量[11]等方面的影響，而關于施用土壤調理劑對烤煙根系及根際土壤動態(tài)變化影響的研究尚鮮見報道。為此，本研究以湖南農業(yè)大學城市固棄物綜合利用試驗室提供的土壤調理劑為改良材料，烤煙為模式作物，通過小區(qū)試驗，探究土壤調理劑對烤煙根系活力及根際土壤微生物碳代謝特征的影響，探討其適宜的施用量，以期為烤煙生產中土壤調理劑的合理施用提供理論依據(jù)和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2016年4-8月在湖南農業(yè)大學耘園試驗基地進行?？緹熎贩N為湘煙3號，由中國煙草中南農業(yè)試驗站提供。前茬作物為水稻。供試土壤為黏壤土，理化性質為土壤pH值5.9、有機質16.8 g·kg-1、堿解氮 114.19 mg·kg-1、有效磷 18.42 mg·kg-1、速效鉀134.46 mg·kg-1。

1.2 供試土壤調理劑

土壤調理劑由湖南農業(yè)大學城市固棄物綜合利用實驗室提供。該土壤調理劑主要以城市園林垃圾中的有機質和建筑垃圾中的無機質為主要原料，并添加白云石、長石等礦物及硒、鉬等微量元素，經配料、焙燒、冷卻、粉磨、均化等工序制成[12]。土壤調理劑包含70%城市生活垃圾、15%MgO、5%CaO、5%K2O、4.6%Na2O、0.4%(NH4)6Mo7O24·4 H2O，其中有機質含量為 328 g·kg-1。

1.3 試驗設計

試驗共設置4個處理，即對照(不施土壤調理劑，CK)和3個土壤調理劑施用設水平(T1:1 500 kg·hm-2、T2:3 000 kg·hm-2、T3:4 500 kg·hm-2)。 每個處理重復3次，共12個小區(qū)，每小區(qū)面積為30 m2。每個小區(qū)種50株烤煙，株行距為0.5 m×1.2 m。土壤調理劑在起壟前均勻撒施，然后深度旋耕16～18 cm，并平整土地。

1.4 樣品采集與測定

1.4.1 樣品采集 分別在烤煙生長的團棵期(移栽后30 d)、旺長期(移栽后60 d)、成熟期(移栽后90 d)，每個小區(qū)選取5株烤煙，采用抖土法，先輕輕抖落大塊不含根系的非根際土壤，然后輕輕剝離根系表面附著的土壤，即獲取根際土壤，用于測定土壤微生物碳代謝特征。同時取煙株根系末端白嫩根，立即測定根系活力。

1.4.2 樣品測定 根系活力采用 TTC法[13]測定。土壤微生物碳代謝特征測定參照 Garland等[14]的Biolog法。稱取10 g新鮮土樣于250 mL滅菌的三角瓶中，加入90 mL 0.85%無菌NaCl溶液，封口后在搖床上250 r·min-1振蕩30 min，靜置15 min后吸取上清液5 mL于新三角瓶中，加入45 mL 0.85%無菌NaCl溶液，再將所得溶液稀釋1 000倍。將稀釋后所得溶液接種到96孔Biolog-ECO培養(yǎng)板上，25℃恒溫箱連續(xù)培養(yǎng)10 d，每隔1 d利用Biolog微孔板讀數(shù)儀(廣州市華粵行儀器有限公司)讀取數(shù)值并記錄。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007進行數(shù)據(jù)處理；SPSS 17.0進行方差分析、相關性分析及主成分分析，Duncan法進行多重比較；DPS 15.10統(tǒng)計軟件進行灰色關聯(lián)度分析，根據(jù)灰色關聯(lián)度系數(shù)判斷微生物參數(shù)與土壤調理劑、根系活力的關聯(lián)度。按照公式[15-17]分別計算平均吸光值(average well color development，AWCD)、 豐富度指數(shù)(S，richness index)、均一性指數(shù)(U，mcintosh index)、優(yōu)勢度指數(shù)(D，simpson index):

式中，Ci:反應孔在590 nm下的吸光度；R:對照孔在590 nm下的吸光度；n:培養(yǎng)基碳源種類數(shù)；Pi:第i孔的相對吸光值與整個平板相對吸光值總和的比值；ni:第i孔的相對吸光值。

2 結果與分析

2.1 土壤調理劑對烤煙根系活力的影響

根系活力是衡量植物根系功能的重要指標之一，其活力水平直接影響植物個體的生長發(fā)育。由表1可知，烤煙根系活力在整個大田生育期內總體呈先升高后降低的變化趨勢，在旺長期達到最大值。與CK相比，不同土壤調理劑處理對烤煙根系活力均有顯著影響。其中，在團棵期T3的烤煙根系活力最高，顯著高于其他處理，其次是T1和T2，三者分別較CK顯著提高了40.8%、25.0%和22.5%，但T1和T2間無顯著性差異。在旺長期和成熟期，隨著土壤調理劑施用量的增加，烤煙根系活力均呈先升高后降低的趨勢，各處理根系活力依次為T2＞T1＞T3＞CK，且各處理間差異顯著。結果表明，添加土壤調理劑有利于提高烤煙根系活力，對延緩根系衰老具有積極作用，以 3 000 kg·hm-2(T2)施用量最佳。

表1 土壤調理劑對烤煙根系活力動態(tài)變化的影響Table1 Effect of soil conditioner on dynamic of changes flue-cured tobacco root vigor(μg·g-1·h-1)

2.2 土壤微生物利用碳源能力的動態(tài)變化

AWCD是評價微生物對碳源底物平均利用能力的重要指標之一，可以反映土壤微生物群落代謝特征，AWCD值越高，碳源利用能力越大[18-19]。由圖1可知，各生育期內，隨著培養(yǎng)時間的延長，微生物群落利用碳源能力均呈先不斷提高后趨于穩(wěn)定的趨勢。在0～96 h內，AWCD值的變化速度(斜率)最大，表明微生物代謝最活躍，碳源被大量利用；96 h以后，AWCD值的變化趨于平緩，表明碳源利用量已經達到最大值。在團棵期、旺長期和成熟期，添加土壤調理劑處理(T1、T2、T3)的AWCD值均高于CK，且均達到顯著水平(P＜0.05)。結果表明，添加土壤調理劑有利于提高土壤微生物代謝活性，增強微生物對碳源的利用。

圖1 土壤微生物AWCD的動態(tài)變化Fig.1 AWCD dynamics over incubation time

2.3 土壤微生物對不同類型碳源的利用強度分析

根據(jù)微生物對營養(yǎng)物質代謝途徑的不同，將Biolog-ECO微孔板上31種底物碳源分為6類，即糖類(8種)、羧酸類(9種)、氨基酸類(6種)、胺類(2種)、聚合物類(4種)和雜合物類(2種)，對6類碳源分別計算，利用AWCD值反映根際土壤微生物對不同碳源的利用強度。為進一步探究施用土壤調理劑條件下，根際土壤微生物對不同類型碳源的利用情況，選擇培養(yǎng)96 h測定的AWCD值進行分析。由表2可知，在團棵期，糖類物質的利用率較同時期其他類型碳源高，而胺類、聚合物類和雜合物類的利用率則相對較低；添加土壤調理劑能顯著增加糖類、氨基酸類、胺類和雜合物類的利用率，其中以T2、T3表現(xiàn)最優(yōu)。在旺長期，糖類物質的利用率最高，雜合物類利用率最低；添加土壤調理劑顯著降低了雜合物類的利用率，增加了其他類型碳源的分解；土壤調理劑施用量為3 000 kg·hm-2(T2)時，羧酸類(除團棵期)和氨基酸類的利用率最高；施用量為4 500 kg·hm-2(T3)時，在旺長期，糖類、胺類和聚合物類的利用率最高。在成熟期，土壤調理劑施用量為3 000 kg·hm-2(T2)時，糖類、羧酸類、氨基酸類、胺類、聚合物類碳源的利用率均為最高，較CK分別增加了 31.9%、64.1%、50.3%、213.6%、74.4%，且與CK差異顯著。結果表明，添加土壤調理劑有利于加快糖類、氨基酸類、羧酸類、胺類碳源的分解，提高其利用率，考慮適量原則，以3 000 kg·hm-2(T2)為土壤調理劑最佳施用量。

2.4 不同處理烤煙根際土壤微生物碳源利用主成分分析

對培養(yǎng)96 h的AWCD值進行標準化處理，然后進行主成分分析。由表3可知，3個生育期試驗結果一致，每個生育期均提取3個主成分，且3個主成分的累計貢獻率均達到100%；團棵期、旺長期、成熟期的前2個主成分，PC1和PC2累計方差貢獻率分別為76.503%、85.290%、81.118%，可以解釋變異的絕大部分信息，因此對PC1和PC2這2個主成分進行重點分析。

碳源載荷值能反映碳源利用與主因子的相關性，載荷值越高，表示其對主成分的影響越大[20-21]。由表4可知，在團棵期，與PC1相關性較高(載荷值＞0.6)的碳源有14個，其中糖類和羧酸類均為4個，氨基酸類和胺類均為2個，聚合物類和雜合物類均為1個；與PC2相關性較高的碳源有8個，其中羧酸類3個，氨基酸類和聚合物類均為2個，糖類1個；說明團棵期根際土壤微生物利用的碳源主要是羧酸類、糖類、氨基酸類。旺長期，與PC1相關性較高的碳源有18個，其中羧酸類和糖類均為5個，氨基酸類和聚合物類均為4個；與PC2相關性較高的碳源有6個，其中氨基酸類和羧酸類均為2個，雜合物類和聚合物類均為1個；說明旺長期根際土壤微生物利用的碳源主要是羧酸類、氨基酸類、糖類、聚合物類。成熟期，與PC1相關性較高的碳源有23個，其中羧酸類8個，氨基酸類6個，糖類4個，聚合物類3個，雜合物類2個；與PC2相關性較高的碳源有6個，其中氨基酸類和羧酸類均為2個，聚合物類和雜合物類均為1個；說明成熟期根際土壤微生物利用的碳源主要是羧酸類和氨基酸類。綜上，烤煙根際土壤微生物利用的碳源主要是羧酸類和氨基酸類。

表2 土壤微生物對不同類型碳源的利用強度Table2 Utilization of different carbon sources by soil microbial

表3 主成分貢獻率Table3 Contribution rate of principal component /%

2.5 烤煙根際土壤微生物群落功能多樣性指數(shù)分析

多樣性指數(shù)可以從不同方面來描述微生物群落的多樣性[22]。其中，豐富度指數(shù)用來表征生態(tài)系統(tǒng)中物種的數(shù)目，優(yōu)勢度指數(shù)反映各個種群數(shù)量的變化情況，均一性指數(shù)用來描述物種中的個體所占比例[23-25]。本研究利用培養(yǎng)96 h的AWCD值來分析施用土壤調理劑條件下，烤煙根際土壤微生物群落豐富度指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)、均一性指數(shù)的差異。由表5可知，在各生育期，僅旺長期施用土壤調理劑對豐富度指數(shù)影響顯著，T1、T2、T3均顯著高于 CK，較 CK分別提高了4.9%、6.5%、5.4%；而各處理間的優(yōu)勢度指數(shù)則無顯著差異。在團棵期，T2、T3的均一性指數(shù)均顯著高于T1、CK；在旺長期，均一性指數(shù)隨著土壤調理劑施用量的增加而增加，T1、T2、T3較 CK分別顯著提高了23.0%、32.3%、44.4%，且各處理間差異顯著；在成熟期，隨著土壤調理劑施用量的增加，均一性指數(shù)呈先增加后降低的變化趨勢，其中T2的均一性指數(shù)最大，是CK的1.46倍。結果表明，施用土壤調理劑能顯著提高烤煙根際土壤微生物均一性指數(shù)和豐富度指數(shù)，在旺長期表現(xiàn)最優(yōu)，考慮適量原則，以3 000 kg·hm-2(T2)為土壤調理劑最佳施用量。

2.6 微生物參數(shù)與部分因子的灰色關聯(lián)度分析

為明確土壤調理劑和根系活力對微生物碳代謝強度、豐富度指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)、均一性指數(shù)等參數(shù)的影響效應，采用均值化法對各指標無量綱化處理，進行灰色關聯(lián)分析。由表6可知，在團棵期，土壤調理劑和根系活力對碳代謝強度的影響均大于對多樣性指數(shù)的影響；與碳代謝強度、豐富度指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)關聯(lián)度較高的是根系活力；而與均一性指數(shù)關聯(lián)度較高的是土壤調理劑。在旺長期和成熟期，與碳代謝強度、優(yōu)勢度指數(shù)、均一性指數(shù)關聯(lián)度較大的均是土壤調理劑，而與豐富度指數(shù)關聯(lián)度較大的是根系活力；各微生物參數(shù)與土壤調理劑灰色關聯(lián)系數(shù)中以均一性指數(shù)最大，其次是碳代謝強度，與根系活力的關聯(lián)系數(shù)順次為均一性指數(shù)＞碳代謝強度＞豐富度指數(shù)＞優(yōu)勢度指數(shù)。

表4 31種碳源的主成分載荷值Table4 Loading values of principal components of 31 sole carbon sources

表5 土壤微生物群落多樣性指數(shù)Table5 Diversity indices of soil microbial communities

3 討論

3.1 土壤調理劑對烤煙根系活力的影響

烤煙根系活力與土壤環(huán)境密切相關，土壤改良不僅可以提高土壤養(yǎng)分含量，還可以改善土壤微生物環(huán)境，進而優(yōu)化根系生長的土壤環(huán)境，使烤煙根系活力提高[26]。孫延國等[27]通過在煙田中施用海藻類土壤改良劑，發(fā)現(xiàn)魚蛋白肥可以有效改善土壤養(yǎng)分含量，顯著提高烤煙根系活力。這與本研究結果相同。本研究表明，不同施用量的土壤調理劑均可提高烤煙根系活力，以3 000 kg·hm-2施用量效果最好。這是由于土壤調理劑有機質含量超過了30%，這些有機質增加了土壤中的有效能源物質，促進了微生物的新陳代謝，微生物產生的代謝物質可刺激根系生長發(fā)育，進而增強根系活力。此外，土壤調理劑中還含有烤煙生長發(fā)育所需的中微量元素，能夠加速根系細胞的合成，間接地促進根系的生長。但當土壤調理劑施入量過多時，會改變土壤結構，導致根系活力減弱[28]，兼顧適量原則，建議土壤調理劑最佳施用量為3 000 kg·hm-2。

表6 微生物參數(shù)與部分因子的灰色關聯(lián)度Table6 Grey correlation degree of microbial parameters with some factors

3.2 土壤調理劑對土壤微生物碳代謝特征的影響

植煙土壤中添加土壤調理劑可以改善土壤微生態(tài)環(huán)境，增強微生物對碳源的利用，提高土壤微生物群落功能多樣性，維護土壤微生物平衡[29]。沈桂花等[30]研究發(fā)現(xiàn)施用土壤改良劑牡蠣殼粉不僅可以提高煙草根際土壤微生物對羧酸類、氨基酸類和碳水化合物類等碳源的利用程度，還可以增加微生物群落香農指數(shù)和均勻度指數(shù)。本研究中，添加土壤調理劑后，改變了烤煙根際土壤微生物的碳代謝特征，主要表現(xiàn)為微生物碳源利用總量顯著增加，微生物對糖類、氨基酸類、羧酸類、胺類這4類碳源的利用率顯著提高；主成分分析結果表明，羧酸類、氨基酸類是烤煙根際土壤微生物利用的主要碳源，進一步證實了添加土壤調理劑有利于提高烤煙根際土壤微生物對碳源的利用能力。多樣性指數(shù)分析結果表明，施用土壤調理劑能顯著提高微生物均一性指數(shù)和豐富度指數(shù)。這與李鳳霞等[31]和鄒富楨[32]的研究結果一致。但在烤煙移栽90 d后，4 500 kg·hm-2土壤調理劑處理下，均一性指數(shù)表現(xiàn)出下降趨勢，這可能是由于隨著時間的推移，高劑量的土壤調理劑逐漸分解，改變了土壤環(huán)境，從而影響了微生物的分布。

3.3 微生物參數(shù)與土壤調理劑、根系活力的關系

采用灰色關聯(lián)法研究因素間的關聯(lián)程度，可簡化復雜問題，找出系統(tǒng)內因素間最大的影響因素[33]。杜瑩等[34]認為小白菜根系活力與碳源利用AWCD值之間呈極顯著正相關。本研究表明，在烤煙移栽30 d，影響微生物碳代謝強度及多樣性的主要是烤煙根系活力，這是由于此時土壤調理劑剛開始分解，未被根系和微生物大量利用。肖占文等[35]研究發(fā)現(xiàn)有機碳土壤改良劑施用量與土壤微生物數(shù)量、多樣性呈正相關。本研究表明，在烤煙移栽60、90 d，與微生物碳代謝強度及多樣性關聯(lián)度最大的均是土壤調理劑，這是由于此時烤煙根系生長已經達到鼎盛期，土壤調理劑的大量分解加快了微生物的繁殖，增強了微生物的新陳代謝。因此，在烤煙生長中后期，土壤調理劑對根際土壤微生物碳代謝的影響更加突出。

4 結論

施用土壤調理劑可以提高烤煙根系活力，加快糖類、氨基酸類、羧酸類、胺類等碳源物質的分解，增強烤煙根際土壤微生物對碳源的利用能力，還可提高烤煙根際土壤微生物群落均一性指數(shù)和豐富度指數(shù)，以3 000 kg·hm-2施用量的效果最好。本研究結果為利用土壤調理劑改良煙田土壤提供了理論依據(jù)。