微生物菌劑對小葉楊復墾區土壤理化性質和酶活性的影響

侯曉萌，孔 濤＊，霍宏亮，狄軍貞，馮奧哲，程昊天，黃麗華

(1. 遼寧工程技術大學環境科學與工程學院，遼寧 阜新 123000；2. 中國農業科學院果樹研究所，遼寧 葫蘆島 125100；3. 遼寧工程技術大學土木工程學院，遼寧 阜新 123000)

土地沙化、水土流失等土壤侵蝕問題是當今全球生態環境面臨的嚴峻挑戰，而我國已成為土壤侵蝕問題最為嚴重的國家之一。2020 年統計數據顯示，受水力作用侵蝕的水土流失面積為112 萬km2，受風力作用侵蝕的水土流失面積為157 萬km2，風力和水力侵蝕問題依然嚴峻[1]。遼西北地區地域開闊，處于半干旱牧區和半濕潤農業區之間的過渡區域[2]，在水力與風力雙重侵蝕作用下，該區氣候復雜多變、自然災害頻發、土質疏松且養分匱乏，加上人類不合理的利用，給土壤生態環境帶來巨大的負面效應，其服務功能不斷衰退，形成“生態脆弱帶”[3-5]。

小葉楊（Populus simoniiCarr）為楊柳科，落葉喬木，是中國原產型深根性闊葉樹種，其根系發達，適應性強，抗旱、抗寒、防風固沙，在風蝕水蝕交錯區栽植較多，是土壤修復的優選樹種。植被復墾技術可以有效修復土壤生態[6]，但風蝕水蝕交錯區的土壤理化性質較差，生態環境惡劣，植物栽植后成活率不高，影響復墾效果。近年來，微生物菌劑修復憑借投入低、效果好、周期短、無二次污染等優勢，在土地復墾領域倍受關注，應用前景廣闊[7-8]。叢枝菌根真菌（Arbuscular mycorrhizalfungi，AMF）、哈茨木霉菌（Trichoderma harzianum，TH）和膠質芽孢桿菌（Bacillus mucilaginosus，BM）是土壤修復中常用的菌劑。AMF 能改善植物對磷、氮等養分的吸收，增強植物抗性，提高成活率和生長速度[9-10]。TH 是一種有益的真菌，具有促進植物重寄生、競爭、抗生以及提高抗病性等作用，能將土壤中的營養轉化成植物易于吸收的成分[11]。BM 是可以分解土壤中硅酸鹽礦物的異養型好氧細菌，具有解鉀、解磷作用，并將其轉化成供植物利用的有效養分，同時可分泌生長激素和酶類等物質促進植物生長發育[12-13]。以上菌劑均可通過提高根系吸收、固定、轉化養分的能力，促進植物生長，改良土壤生態。單一菌劑的作用只能從某一方面提高復墾效果，有一定的不足之處，配施可使不同菌劑建立良性循環，將不同效用形成合力，大大提升復墾效應。

目前，國內現有研究多集中于單一微生物菌劑施用對土壤復墾效果的研究，以多類型功能菌為代表的微生物菌劑配施復墾技術在風蝕水蝕交錯區的應用較少，其對土壤理化性質和酶活性的影響尚不明確。土壤理化指標和土壤酶種類繁多，單一指標在反應土壤質量變化上存在很大的片面性。將土壤理化指標和土壤酶活性運用加權和法計算土壤質量綜合指數（SQI）和土壤酶指數（SEI），并以復墾前后土壤酶指數和土壤質量綜合指數的變化率作為土壤酶恢復指數（ERI）和土壤養分恢復指數（NRI），可以客觀、量化的揭示土壤的變化規律[14]。本研究以我國人工防護林典型樹種小葉楊為復墾植物，通過比較AMF、BM、TH 三種菌劑聯合復墾后土壤酶活性和理化性質的變化，探索不同微生物菌劑及配施方式對土壤理化性質和酶活性的影響，明確小葉楊與不同菌劑聯合復墾技術對土壤的改良效果，為“植物 + 微生物菌劑”聯合復墾技術應用提供理論參考。

1 研究區概況

研究區位于遼寧省阜新市彰武縣葦子溝鎮腰嶺崗子村（42°26′15″ N，122°48′38″ E），地處科爾沁沙地的東南部，屬半干旱區；風力強且集中，秋冬季節大風頻發，易出現沙暴天氣，平均風速3.7～4.6 m?s?1；雨熱同期且時空分布不均，夏季降雨集中，易形成暴雨，年均降水量不足550 mm，是典型的風蝕水蝕交錯區；該區年均氣溫5.7 ℃，最高氣溫35.2 ℃，最低氣溫?29.5 ℃，年蒸發量>1 200 mm，干燥度1.2～2.0，相對濕度50%～60%。土壤風蝕與水蝕嚴重，土壤類型為棕壤土，農耕地養分含量較低；土壤含水量14.02%，pH 值為6.3，土壤有機質含量為16.2 g?kg?1，土壤全N、全P和全K 含量分別為1.2、0.48、57.90 g?kg?1。區域內植物為典型的沙地灌草叢，如 歐 李（Semen pruniHumilis）、 錦 雞 兒（Parochetus communisBuch）、羊茅（Festuca ovinaLinn.）、沙蓬（Agriophyllum squarrosumLinn.）、 差 巴 戈 蒿（Artemisia halodendronTurcz.）等，試驗開始前已對地被植物進行人工清除。

2 研究方法

2.1 樣地設置

本研究選用叢枝菌根真菌（AMF）、哈茨木霉菌（TH）和膠質芽孢桿菌（BM）作為試驗菌劑，其中，TH、BM 購于綠隴生物，其菌劑濃度分別為1.0 × 1010、2.0 × 1010CFU·g?1；AMF 則選用了菌根效應優良的摩西球囊霉菌（Glomus mosseae），菌種購于石河子大學，菌種是內含真菌孢子、菌絲以及被浸染宿主植物根段等繁殖體的根際砂土混合物。試驗設置菌劑單施、菌劑混施和對照3 個試驗組，具體配置方式及菌劑施用量見表1。試驗共分8 個處理，每處理3 次重復，每次重復設為1 個試驗小區，共計24 個試驗小區，進行隨機區組設計。每個試驗小區面積為2 m × 2 m，每小區內種植4 株小葉楊，株行距均為1.0 m ×1.0 m，為防止小區內微生物菌劑的遷移，各小區間設置2 m 隔離帶。于2020 年3 月在各小區內種植2 年生（地徑2～3 cm）小葉楊，在以定植點為中心30 cm 處將菌劑與土壤均混后進行埋施處理，并適時進行田間常規人工撫育管理，保證植物生長的良好性和均一性。

表1 實驗設計及微生物菌劑施用量Table 1 Design of application and dosage of microbial agent in experimental

2.2 樣品采集

在復墾處理90 d 后進行土壤采集，各試驗小區內采用5 點取樣法，采0～20 cm 土層土壤，同區土樣混合均勻，去除覆土層可見的砂石、植物及動物殘體等雜物，迅速過100 目（孔徑1.5 mm）篩后將取好的土樣用封口袋密封保存于冷藏箱帶回實驗室，1 份土壤4 ℃下保存，用于測定含水量、土壤酶活性等；另1 份土壤樣品風干后研磨，用于測定土壤理化性質。

2.3 測定方法

2.3.1 理化性質測定 參考鮑士旦《土壤農化分析》[15]測定土壤理化性質，土壤含水量采用烘干法；土壤酸堿度（pH）采用電位法，以蒸餾水浸提土壤，液土比為5∶1；土壤電導率（EC）采用5∶1 浸提法；土壤有機質（SOM）采用低溫外熱重鉻酸鉀氧化—比色法[16]；土壤全氮（TN）采用凱式定氮分析儀測定；土壤全磷（TP）、全鉀（TK）、鈣（Ca）、鎂（Mg）采用等離子體發射光譜儀（ICP-AES）測定。

2.3.2 土壤基礎呼吸測定 采用室內密閉培養，1 mol·L?1NaOH 堿液吸收法測定[17]。

2.3.3 土壤酶活性測定[18]脲酶（URE）活性采用苯酚鈉比色法；蔗糖酶（SUC）活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法；過氧化氫酶（CAT）活性采用高錳酸鉀滴定法；脫氫酶（DHA）活性采用TTC比色法。

2.4 土壤質量綜合指數和土壤酶綜合指數

在土壤中各指標測定值的基礎上，采用加權和法計算土壤質量綜合指數（SQI）和土壤酶綜合指數（SEI），并將實測值轉換為介于0～1 之間，實現指標標準化[19]。SEI計算公式如下：

式中：SEI為土壤酶指數；Wi為土壤酶i的權重；Vi為酶i活性的隸屬度值；權重和隸屬度參照許明祥等[19]的方法計算。SQI計算公式與SEI的計算方法一致。

2.5 土壤酶活性恢復指數（ERI）和土壤養分恢復指數（NRI）

用土壤酶活性恢復指數（ERI）[20]來評價復墾技術對土壤酶活性的影響，以未復墾裸地為對照，公式如下:

式中：A表示土壤SEI，下標R 為復墾區，D 為未復墾區。

土壤養分恢復指數(NRI)[21]以未復墾裸地對照，計算復墾區土壤SOM、TN、TP、TK、Ca、Mg與裸地間差異，以定量描述復墾對土壤養分的影響，公式如下：

式中：S為土壤的SQI，下標R 為復墾區，D 未復墾的裸地區。

2.6 數據分析與處理

數據整理、計算與作圖均采用Microsoft Excel 2019 進行。采用單因素方差分析（One-Way ANOVA）對不同菌劑配施處理下土壤理化性質和酶活性進行差異顯著性分析；使用“悟空”數據分析平臺（https://www.omicsolution.com/wkomics/main/）的控件對酶活性與土壤理化因子進行冗余分析（RDA）。

3 結果與分析

3.1 不同菌劑配施下小葉楊復墾土壤的理化性質差異

表2 表明：不同處理的土壤含水量為15.60%～17.91%；土壤pH 值為6.32～6.58，各處理土壤pH 值均顯著高于對照；電導率為65.35～128.60 mS?cm?1，除AMF + BM 和TH + BM 處理高于對照外，其他處理均顯著低于對照；AMF 處理的土壤有機質含量最高，顯著高于對照和其他處理，較對照提高了41.3%，其他處理與對照無顯著差異；各處理土壤的TN 含量均高于對照，BM 處理最佳，較對照提高了19.1%，但與對照差異不顯著；各處理土壤的TK 含量均低于對照，其中，TH、AMF + TH 和AMF+ TH + BM 處理與對照差異顯著，分別降低了8.1%、11.2%和9.4%； AMF +BM 和AMF + TH 處理的土壤TP 含量較高，分別比對照顯著提高了51.5%和53.0%；TH + BM 處理的Ca 含量最高，比對照顯著提高了14.0%；AMF + BM 處理的Mg 含量最高，比對照顯著提高了53.6%。各菌劑處理組的SQI均高于對照，其中，AMF + BM、AMF + TH + BM、BM 處理顯著高于對照，分別提高了56.8%、36.4%和31.8%?？傮w而言，AMF + BM 處理土壤質量綜合指數最優。

表2 不同處理對土壤理化性質及養分影響Table 2 Effects of different treatments on soil physicochemical properties and nutrients

3.2 不同菌劑配施對小葉楊復墾土壤呼吸和土壤酶活性的效應差異

圖1 表明：所有處理均不同程度地提高了土壤呼吸，單施BM 處理的土壤呼吸最高，比對照顯著提高了42.7%；混施中AMF + BM 和AMF + TH處理間土壤呼吸差異顯著。

各菌劑處理的脲酶活性均顯著高于對照，其中，AMF + BM 混施處理最高，比對照提高了34.8%（圖1）。AMF、TH 單施和兩菌混施的土壤蔗糖酶活性均顯著高于對照，其中，單施AMF的效果最好，比對照顯著提高了84.3%。單施AMF和TH 處理的土壤脫氫酶活性顯著高于對照，AMF 處理比對照提高了39.7%。單施中，僅BM 處理的過氧化氫酶活性顯著高于對照，提高了110.4%，混施中AMF + BM 處理過氧化氫酶活性最高，比對照顯著提高了179.2%。

圖1 不同處理對土壤呼吸及土壤酶活性的影響Fig. 1 Effects of different treatments on soil respiration and soil enzyme activities

各菌劑處理的土壤酶綜合指數均顯著提高，AMF + BM 的土壤酶指數最高，為0.84，比對照提高了1.33 倍；其次為BM 處理，為0.76，比對照提高了1.01 倍。除AMF + TH 和AMF + TH +BM 差異不顯著外，其他各處理間均差異顯著。

3.3 不同菌劑配施對土壤酶活性恢復指數和土壤養分恢復指數的影響

圖2 表明：不同菌劑配施下，土壤酶活性恢復指數均高于對照，單施中，BM 處理的土壤酶活性恢復指數最大，為206.76%，是對照的4.56 倍；混施中，AMF + BM 處理的土壤酶活性恢復指數最大，為238.89%，是對照的5.27 倍，各混施處理的土壤酶活性恢復指數高低依次為AMF + BM >AMF + TH > AMF + TH + BM > TH + BM。

圖2 不同處理對土壤酶活性恢復指數和養分恢復指數的影響Fig. 2 Effects of different treatments on soil enzyme activity recovery index and nutrient recovery index

菌劑配施不同程度的提升了土壤養分恢復指數，其變化范圍為104.42%～178.15%，表明菌劑配施對土壤養分的恢復具有良好的促進作用（圖2）。單施AMF、BM、TH 處理的土壤養分恢復指數分別為110.94%、104.42%和131.82%，以BM 處理的恢復效果最優； 混施中AMF + BM 處理土壤養分恢復指數最高，為178.15%，整體效果最優；不同處理土壤養分恢復指數的變化趨勢與土壤酶活性恢復指數的規律基本一致。

3.4 不同菌劑配施下小葉楊土壤因子與土壤呼吸及酶活性的冗余分析

冗余分析結果可以更好的解釋不同處理對土壤的理化性質與土壤呼吸及酶活性的影響，并反映各指標間的相關性。圖3 顯示：前2 個軸可以解釋不同菌劑處理土壤的理化性質、土壤呼吸和酶活性關系變異78.46%的情況，其中，第1 排序軸的解釋比例為42.85%，第2 排序軸為35.61%。AMF +BM 和TH + BM 兩處理主要影響土壤Ca、Mg、TK含量，三種元素含量均與電導率呈正相關。AMF和TH 處理有效提高了土壤有機質含量，其含量與土壤脫氫酶和蔗糖酶活性顯著相關。AMF + TH +BM、AMF + BM 和BM 三組處理綜合復墾效應較好，主要影響pH、TP、含水量、過氧化氫酶、脲酶和土壤呼吸6 個指標。

注：BL 為裸地，DHA 為土壤脫氫酶，SUC 為蔗糖酶，URE 為脲酶，CAT 為過氧化氫酶。Notes： BL: bare land； DHA: Soil dehydrogenase； SUC:sucrase；URE：Urease；CAT：Catalase.

4 討論

4.1 不同菌劑處理對土壤理化性質的影響

土壤理化性質與微生物活動和酶代謝密切相關，土壤既為微生物提供了的營養物質和生存環境，也受微生物的調控，微生物菌劑作為土壤改良劑，能夠改善土壤的理化性質和養分狀況[22-24]。本研究中，單施AMF 顯著提升了土壤的有機質含量，與畢銀麗等[25]的研究結果一致。AMF 能分泌土壤球囊霉素相關蛋白，對土壤有機碳的積累具有重要作用，從而促進了有機質的提高[26-27]；而單施AMF 會促進根系對N、P 等元素吸收[28]，尤其對P 的吸收，本研究中AMF 處理下土壤中的TP 含量顯著低于CK 組。呂曼曼等[29]研究發現，與對照相比，木霉菌與楊樹配施明顯降低了土壤含水率，本研究中得到了相似的結果。原因可能是木霉菌促進了植物對養分的吸收，并增加土壤孔隙，引起土壤水分散失。BM 能顯著提升土壤含水率，分解土壤礦物和巖石中的P 和K，且有一定的固氮能力，在本研究中都有所體現。三種菌劑單施處理中，BM 處理的土壤含水量、TN、TP 都最高[30]。

4.2 不同菌劑處理對土壤酶活性的影響

AMF 和TH 都能提高土壤脲酶和蔗糖酶活性，表明這2 種菌劑均能促進土壤的C、N 循環，促進物質周轉，這與前人研究結果一致[31-33]。本研究中，AMF 和TH 處理顯著提高了脫氫酶活性，表明這2 種菌劑能夠促進土壤微生物活性；而BM 則對土壤脲酶和過氧化氫酶影響較大，可能是因為BM 能促進土壤團粒的形成，使土壤變得疏通、綿軟，好氧微生物活性增強，進而提高了土壤過氧化氫酶活性[13,34]。

4.3 不同菌劑配施在土壤修復中的協同作用

AMF 和植物根際促生菌（Plant Growthpromoting rhizobacteria，PGPR）是植物根際有益的2 類微生物[35-36]，其中，AMF 侵染植物根系后形成菌根共生體，擴大根系吸收面積，促進養分的獲取，提高抗逆性[37]。BM 和TH 是PGPR 的代表菌種，具有固氮、解磷、解鉀功能，并產生植物激素、抗生素和拮抗病原菌。已有研究表明，AMF 與PGPR 具有協同修復土壤、促進植物營養吸收和生長的效應[38-39]。本課題前期研究發現，較單施AMF 相比，AMF + TH 混施對煤矸石基質的養分、微生物量及酶活性等都具有更顯著的促進作用[40]。本研究中，AMF 與PGPR 搭配的AMF +BM 處理，土壤養分恢復指數和土壤酶活性恢復指均高于其他處理，表明BM 促進土壤養分的釋放與AMF 提高植物對養分的吸收形成了高效的協同機制。冗余分析也顯示，AMF + BM 主要影響土壤pH、TP、過氧化氫酶、脲酶和土壤呼吸等多個指標；而3 菌混施效果則低于AMF + BM 處理，原因可能在于3 菌之間產生了對于基質養分的競爭或存在一定程度的拮抗作用，對于形成本結果的機制機理有待于進一步的研究。

5 結論

菌劑單施處理中，BM 顯著提高了土壤含水量，AMF 顯著提高了土壤有機質含量；BM 和TH 單施顯著提高了土壤呼吸，并高于對照；AMF、TH 單施顯著提高了土壤蔗糖酶、脫氫酶活性?；焓┨幚碇校珹MF + BM 主要影響土壤pH、TP、過氧化氫酶、脲酶和土壤呼吸等指標。總體而言，AMF 與PGPR 的配施形成了良好的協同效應，以AMF + BM 效果最佳，顯著提升了土壤酶活性恢復指數和土壤養分恢復指數，且不同處理下土壤養分恢復指數的變化趨勢與土壤酶活性恢復指數的規律基本一致，說明微生物雙菌劑配施的聯合效用顯著提升了風蝕水蝕交錯區的土壤復墾效果。