不同來源有機物料對菜用蠶豆生長和品質及根際土壤性狀的影響①

任改弟，張 苗，張文越，郭德杰，馬 艷,4*

不同來源有機物料對菜用蠶豆生長和品質及根際土壤性狀的影響①

任改弟1,2,3,4，張 苗1,2，張文越1,2，郭德杰1,2，馬 艷1,2,4*

(1 江蘇省農業科學院農業資源與環境研究所，南京 210014；2 國家農業環境六合觀測實驗站，南京 210014；3 江蘇大學生命科學研究院，江蘇鎮江 212013；4 江蘇大學環境與安全工程學院，江蘇鎮江 212013)

通過盆栽試驗，分析了不同來源有機物料(雞糞、牛糞、菇渣)對菜用蠶豆生長和品質、根際土化學和生物學性狀的影響。結果表明：①3種有機物料對蠶豆分枝數、莢干重、籽粒干重、大粒重、大粒蠶豆占比、籽粒淀粉含量均有積極作用，其中牛糞和菇渣能顯著(<0.05) 提高大粒蠶豆占比，雞糞能顯著(<0.05) 提高二粒莢和三粒莢的占比，并且對籽粒淀粉含量的提升效果最為明顯(比對照增加69.1%)；②3種有機物料增加了根際土中細菌、真菌數量，顯著(<0.05) 提高了根際土中性轉化酶、脲酶、酸性磷酸酶、多酚氧化酶活性(除牛糞使中性轉化酶活性提高不顯著外)，其中雞糞對細菌數量、中性轉化酶活性、脲酶活性的提高程度均最大；③雞糞能顯著(<0.05) 增加根際土有機碳、全氮、NH4+-N含量，牛糞、雞糞能顯著(<0.05) 提高土壤pH。大粒蠶豆占比與土壤酸性磷酸酶活性、有效磷含量呈顯著正相關。蠶豆淀粉含量與細菌數量、中性轉化酶活性、有機碳、全氮、NH4+-N含量呈顯著正相關，這說明有機物料的施用可能為細菌生長提供了更多的碳源和能源，導致細菌數量增加。細菌是酶的重要產生者，細菌數量的增加可能提高了碳氮循環相關酶(中性轉化酶、脲酶) 的產生量和活性，從而使更多的有機氮轉變為無機氮(NH4+-N)，提高了土壤養分(NH4+-N、全氮) 水平，進而提高了蠶豆營養品質。

有機物料；蠶豆；作物生長和品質；土壤生物學性狀；土壤化學性狀

施肥是提高作物產量、改善農產品品質的關鍵因素。在實際生產中，由于長期施用化肥，忽視有機類肥料的施用，往往造成土壤酸化和板結[1]、土壤生物活性降低[2]、土壤肥力下降[1]、土壤碳素過度消耗、有機質含量降低[1]等一系列的土壤退化問題，嚴重影響了作物的產量和品質。隨著土壤生態環境的惡化，單施化肥已不利于我國農業的可持續發展。現代農業生產中，為了調節土壤養分平衡，實現土地的用養結合，化肥基礎上增施有機物料成為有效的解決方法[3-5]。

有機物料種類多樣，主要包括天然草炭、畜禽糞便、秸稈、食用菌生產廢料、動物內臟、沼氣發酵殘留物等[6]。有機物料作為土壤腐殖質的重要物質來源，在改善根際土壤性狀及提高作物產量和品質方面的意義深遠。有機物料施用在改變土壤理化性狀的同時，亦可能會改變土壤的生物學性狀。這是因為有機物料是一種高能量的物質，其進入土壤可以為土壤微生物提供更多的物質和能量來源，從而增強土壤微生物的活性，提高微生物酶的合成水平，改善土壤的生物學性狀。土壤理化性狀、生物學性狀的改變意味著作物的生存環境發生了變化，這最終可能會影響作物的生長和農產品品質。張啟明等[5]研究了不同有機物料(普通商品有機肥、生物有機肥、生物質炭)與化肥配施對土壤改良和烤煙產量和質量的影響，結果表明，與常規施肥 (100% 化肥)相比，有機物料與化肥配施能夠提高土壤酶活性、微生物多樣性、烤后煙葉含鉀量，促進煙葉化學成分更為協調，從而能夠提高煙葉均價、上等煙比例和經濟效益。趙征宇等[7]研究發現有機肥配施能降低番茄果實中的硝酸鹽含量，并且有機肥配施比例越高，番茄果實中的硝酸鹽含量下降越大。

蠶豆(Linn.)俗稱佛豆、胡豆、寒豆、南漢豆、利馬豆、川豆等，屬于越年生或一年生豆科野豌豆屬草木植物。蠶豆是聯合國糧農組織支持發展的作物之一，是世界上重要的豆科作物。因蠶豆具糧食、蔬菜、飼料和綠肥兼用等特點，并具有較高的固氮量，而且可以減少病蟲害、增加生態系統中生物多樣性，蠶豆在世界范圍內廣泛種植。據估計，世界蠶豆的種植面積高達260萬hm2，我國的蠶豆種植規模居世界首位，種植面積占世界種植面積的40%[8]。蠶豆在我國大多數省份都有種植，長江以南地區以秋播冬種為主，長江以北以早春播為主。鮮食蠶豆有較高經濟效益、生態效益和社會效益，國內外市場前景廣闊，在一些蠶豆生產基礎好的地區，鮮食蠶豆已成為特色產業進入國內外市場。菜用蠶豆是指采收青莢剝粒作為蔬菜食用的蠶豆品種。目前，對于有機物料施用在改善根際生態環境、保證作物生長、改善農產品品質方面主要集中于小麥[9]、玉米[10-11]、煙草[12]、黃瓜[13]、番茄[7, 14]、辣椒[14]等作物，而有機物料對菜用蠶豆生長和品質、根際土壤的生物學和化學性狀的影響研究鮮見報道。多數研究表明，施用有機物料可提高作物的產量和品質，改善土壤化學性狀和生物學性狀[7, 9, 14]。

蠶豆是江蘇省主要栽培的冷季鮮食豆科作物之一，是江蘇省主要的豆類蔬菜作物之一，為高效設施農業中的主要作物，在出口創匯蔬菜中占據重要地位[15]。本研究以菇渣、雞糞、牛糞為不同來源的供試有機物料，以江蘇省主要的冷季豆類蔬菜——菜用蠶豆為供試作物，通過溫室盆栽試驗，在常規施化肥的基礎上施用有機物料，研究其對蠶豆生長和品質、蠶豆根際土壤化學性狀和生物學性狀的影響，耦合分析蠶豆根際土壤化學性狀和生物學性狀與蠶豆生長和品質的關系，以期為通過施用有機物料改善菜用蠶豆根際環境、保證產量、提高品質提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

菜用蠶豆品種為江蘇省農業科學院經濟作物研究所提供的蘇蠶豆2號。供試土壤為馬干土，采自江蘇省農業科學院六合動物科學基地(118°37′18″E, 32°29′17″N)。采集的土壤為0 ～ 20 cm表層土。土壤基本理化性質如下：土壤pH (土:水=1:5) 7.66，有機質10.53 g/kg，全氮1.15 g/kg，全磷0.71 g/kg，全鉀10.52 g/kg，有效磷35.23 mg/kg，速效鉀 202.33 mg/kg，NH4+-N 3.55 mg/kg，NO3–-N 11.98 mg/kg。腐熟的牛糞、雞糞、菇渣來自江蘇省農業科學院六合動物科學基地堆肥廠，這3種有機物料養分含量見表1。

表1 供試有機物料養分含量

1.2 蠶豆盆栽試驗設置

盆栽試驗在江蘇省農業科學院展示溫室大棚內進行。設置4個處理：①不加有機物料的對照(CK)；②加雞糞處理(Chi)；③加牛糞處理(Cow)；④加菇渣處理(Mus)。每個處理4個重復，共計16盆。所有處理化肥施入量相同：氮肥用量為N 56 mg/kg土，以尿素形式施加；磷肥用量為P 70 mg/kg土，以過磷酸鈣形式施加；鉀肥用量為K 60 mg/kg土，以K2SO4形式施加。磷鉀肥全部作為基肥一次性施入，氮肥的55% 以基肥施入，45% 于盛花期追施。對于添加有機物料處理，雞糞、牛糞、菇渣的添加量均為10 g/kg土(按照干重計算)，均作為基肥一次性施入。各個處理的有機物料和化肥施用量見表2。

表2 各處理有機物料和化肥施用量

盆栽所用盆缽直徑為30.5 cm，高度為24 cm，每盆裝土12 kg。蠶豆在種植之前，先用清水浸泡過夜，倒掉浸泡后的水，用清水沖洗蠶豆2 ～ 3次直到清洗的水變清澈，再繼續用水浸泡4 ～ 5 h后即可播種。每盆播種3顆種子。本試驗蠶豆的播種時間為2019年9月30日。待蠶豆出苗生長至株高約10 cm時，間苗，每盆留1棵苗。當到盛花期時，按照N 25 mg/kg土追施尿素。追施方法：將尿素溶解于水中，配成尿素溶液，以根系為中心，在距離根系10 cm處挖一個環形追肥溝，將尿素溶液均勻加到追肥溝內，待溶液全部滲入土壤后，覆土。整個生長過程中，定期供水，使土壤水分達到田間持水量的60% ～ 70%。

1.3 樣品采集

在蠶豆成熟期采集蠶豆植株樣品和根際土，測定蠶豆植株生長指標、果粒品質指標、根際土生物學指標。

把植株地上部中最長的分枝拉直，用米尺測量植株基部至該最長分枝頂部的高度，即為株高。記錄分枝高度大于群體一半的分枝數。用剪刀將豆莢剪下，烘干后，稱莢重量。將莢皮剝開，統計每個莢中蠶豆個數；分別統計大粒蠶豆(>0.8 g/粒)、中粒蠶豆(0.6 ～ 0.8 g/粒)和小粒蠶豆(<0.6 g/粒)的個數和重量。用刀將地上部與地下部分開，將地上部裝入信封中，烘干，測定地上部干重。將地下部連土倒出盆缽，抖根法采集根際土后，小心收集根系，用去離子水將根系沖洗干凈，裝入信封中，烘干稱重。

1.4 樣品測定

1.4.1 果粒營養品質指標測定 果粒中淀粉含量采用蒽酮比色法測定[16]，具體操作流程按照Solarbio公司的淀粉含量檢測試劑盒(北京索萊寶科技有限公司)中的步驟進行。果粒中蛋白質含量采用考馬斯亮藍法測定[17]。

1.4.2 根際土壤酶活性測定 1) 土壤中性轉化酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定[18]，操作流程按照Solarbio提供的土壤中性轉化酶(S-NI)活性檢測試劑盒中的步驟進行。單位定義：以37 ℃每g土壤每天產生1 mg還原糖定義為一個酶活性單位。

2) 土壤脲酶活性采用靛酚藍比色法測定[18]，具體操作按照蘇州科銘生物科技有限公司提供的土壤脲酶(solid-urease, S-UE)測定試劑盒中的操作步驟進行。單位的定義：每天每g土樣中產生1 μg NH3-N定義為1個酶活力單位。

3) 土壤酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定[18]，具體操作按照蘇州科銘生物科技有限公司提供的土壤酸性磷酸酶活性(soil acid phosphatase, S-ACP)測定試劑盒中的操作步驟進行。活性單位定義：37 ℃土壤中每g土壤每天釋放1 μmol酚為1個酶活單位。

4) 土壤多酚氧化酶采用鄰苯三酚比色法測定[19]，具體操作步驟按照蘇州科銘生物科技有限公司提供的土壤多酚氧化酶(solid-polyphenol oxidase, S-PPO)試劑盒測定。單位定義：每天每g土壤中產生1 mg紫色沒食子素定義為1個酶活力單位。

1.4.3 根際土壤DNA提取 采用FastDNA? Spin Kit for Soil(MP Biomedicals公司)試劑盒提取土壤微生物基因組DNA。稱取0.5 g土樣，按照說明書的提取步驟進行。將提取得到的土壤微生物總DNA溶解于100 μl無菌水后，采用微量紫外分光光度計(NanoDropND-1000)測定DNA濃度和純度。此外，采用1.2% 的瓊脂糖凝膠電泳分析DNA的完整性。將DNA樣品置于–20 ℃備用。

1.4.4 細菌和真菌熒光定量PCR 采用引物515F (5′-GTGCCAGCMGCCGCGG-3′)和907R (5′-CCGT CAATTCMTTTRAGTTT-3′)用于對細菌16S rRNA基因的V4-V5區進行分析。采用引物NS1 (5′-GTA GTCATATGCTTGTCTC-3′) 和Fung (5′-ATTCCCCG TTACCCGTTG-3′)對真菌的18S rRNA基因進行定量[20]。定量PCR標線采用含有目標基因的克隆進行制備。利用特定引物分別擴增目的基因，構建克隆文庫后，將含有目標基因的重組子在LB培養基中擴大培養，利用試劑盒提取質粒并測定質粒濃度，然后換算成拷貝數。降質粒進行10倍梯度稀釋，獲得目標基因的標準曲線。熒光定量PCR反應體系如下：10 μl SYBR Premix Ex Taq (TaKaRa)，1.0 μl引物(10 μmol/L)，1.0 μl DNA 模板，加入無菌水補足至20 μl。每個樣品設置3個技術重復。定量PCR時，以用無菌水代替模板DNA作為陰性對照。細菌和真菌熒光定量PCR的條件如下：94 ℃預變性30 s；94 ℃變性30 s，55 ℃退火30 s，72 ℃延伸30 s，35個循環。

1.4.5 根際土壤化學性狀測定 pH使用1︰2.5(︰)土水比電極法測定[21]，土壤有機碳采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化–容量法測定[21]，全氮采用凱氏定氮法測定[21]，銨態氮采用靛酚藍比色法測定[21]，硝態氮采用紫外分光光度法測定[21]，有效磷采用NaHCO3–鉬銻抗比色法測定[21]。

2 結果

2.1 不同有機物料對蠶豆植株和豆莢生長的影響

如表3所示，與不加有機物料的對照處理相比，施用牛糞、雞糞、菇渣對蠶豆株高、分枝數、地上部和根部生物量沒有顯著影響，對莢干重、蠶豆籽粒干重有一定的促進作用，但并未達到顯著水平。盡管如此，牛糞和菇渣處理卻顯著(<0.05)增加了大粒蠶豆的個數百分比(圖1A)，使大粒蠶豆的個數占比由對照處理的90.3% 分別增加至98.1% 和99.0%；雞糞增加了大粒蠶豆的個數占比，但是未達到顯著水平。另外，根據蠶豆莢中含有的豆粒個數，將蠶豆莢分為一粒莢、兩粒莢、三粒莢。如圖1B所示，一粒莢的占比最高，達到58.1% ～ 76.0%；其次為兩粒莢，占比為24.1% ～ 36.0%；三粒莢占比最低，僅為0 ～ 7.14%。雞糞處理能顯著增加(<0.05)兩粒莢和三粒莢的占比，而顯著降低一粒莢的占比，說明雞糞處理下，蠶豆更傾向于形成多籽粒莢(兩粒莢或三粒莢)。牛糞也能顯著增加(<0.05)兩粒莢的占比，而顯著降低一粒莢的占比。

2.2 不同有機物料對蠶豆籽粒營養品質的影響

淀粉是植物中糖的主要儲存形式，是蠶豆籽粒中含量最大的成分，其含量對于評價食品營養價值有重要意義。蛋白質作為細胞中含量最豐富的生物大分子之一，是生物體結構和功能最重要的物質基礎，也是評價豆類作物營養價值的重要指標。

本研究發現，供試有機物料中，施用雞糞對蠶豆籽粒淀粉含量提升幅度最大，比對照增加69.1%(圖2A)，并且達到顯著水平(<0.05)；施用牛糞、菇渣對蠶豆籽粒淀粉含量也有提升，但差異不顯著，分別比對照增加了18.7% 和27.6%(圖2A)。3種有機物料對蠶豆籽粒蛋白質含量也都有提升，但與對照相比沒有顯著差異，分別增加了6.71%、1.09% 和8.45%(圖2B)。

注：Cow，牛糞；Chi，雞糞；Mus，菇渣；CK，對照；同列小寫字母不同表示處理間差異達<0.05顯著水平；下同。

圖1 不同有機物料對大粒蠶豆和豆莢占比的影響

圖2 不同有機物料對蠶豆籽粒中淀粉和蛋白質含量影響

2.3 不同有機物料對蠶豆根際土壤微生物數量的影響

微生物是土壤中一切生物化學過程的主要參與者。細菌、真菌是構成土壤微生物的主要生物量類群，它們的數量變化能反映土壤中生命物質的旺盛程度，是表征土壤微生物活性的重要參數之一。如表4所示，與對照相比，牛糞、雞糞、菇渣處理均有使根際土壤細菌、真菌數量增加的趨勢。其中雞糞處理使細菌的豐度顯著增加(<0.05)，增加幅度也最大(比對照增加19.4%)，這說明雞糞處理能顯著促進根際土中細菌的生長繁殖。雞糞、菇渣處理使土壤真菌數量顯著增加(<0.05)，菇渣增加幅度最大，為101.4%，雞糞增加幅度為57.5%。進一步分析了根際土中細菌/真菌的比值，結果發現，3種有機物料對細菌/真菌比例影響不顯著。

表4 細菌和真菌的熒光定量PCR結果以及細菌/真菌比值變化

2.4 不同有機物料對蠶豆根際土壤酶活性的影響

土壤酶是一類具有一定催化功能的生物活性物質，參與了土壤生態系統的許多重要生態過程，其活性常作為衡量土壤質量變化的敏感指標，表征了土壤的綜合肥力特征以及土壤養分轉化過程。

2.4.1根際土壤中性轉化酶活性 轉化酶又稱蔗糖酶，參與土壤中碳水化合物的代謝與循環，是土壤中重要酶類。如圖3A所示，雞糞、菇渣處理均顯著(<0.05)提高了蠶豆根際土中性轉化酶活性，雞糞處理提高程度最大，較對照提高了76.2%；其次為菇渣，較對照提高了49.4%；而牛糞處理對中性轉化酶活性的提高作用不顯著。

圖3 不同有機物料對根際土壤酶活性的影響

相關性分析表明，土壤中性轉化酶活性與根際細菌數量呈顯著正相關(=0.985，<0.05)，與根際真菌數量呈正相關(=0.706)，但相關性不顯著，這說明，有機物料處理下，土壤細菌數量增加可能是土壤中性轉化酶活性增加的主要原因。

2.4.2 根際土壤脲酶活性 脲酶是將酰胺態有機氮化物水解轉化為植物可以直接利用的無機氮化物的酶，是評價土壤質量的重要指標，它能作用于尿素中的C-N鍵，使尿素水解生成CO2和氨。該酶是土壤中最活躍的水解酶類之一，對于提高土壤氮素利用率和土壤氮素代謝有重要意義。如圖3B所示，牛糞、雞糞、菇渣處理均顯著(<0.05)提高了土壤脲酶活性，其中雞糞對該酶活性提高幅度最大，較對照提高了6.45倍；其次為菇渣，較對照提高了6.16倍；牛糞對該酶活性的提高幅度最小，較對照提高了2.27倍。

脲酶活性與土壤細菌數量呈顯著正相關(=0.990，<0.05)，與真菌數量也存在正相關關系，但是相關性不顯著(=0.885，>0.05)，這說明供試有機物料處理下，根際土細菌數量增加可能是根際土壤脲酶活性增加的重要原因。

2.4.3 根際土壤酸性磷酸酶活性 土壤磷酸酶是一類催化磷酸單酯水解生成磷酸根離子和自由羥基的酶的統稱。通常，土壤中有機磷占總磷的30% ～ 65%[22]。土壤有機磷在磷酸酶酶促水解作用下，可以轉化為植物能利用的形態。因此，該酶是催化土壤中有機磷礦化的酶，其活性的高低直接影響著土壤中有機磷的分解及磷的生物有效性，是評價土壤磷素生物轉化方向和強度的指標。酸性磷酸酶是目前研究較多的酶。如圖3C所示，牛糞、雞糞、菇渣處理均顯著(<0.05)提高了土壤酸性磷酸酶活性，酶活性分別比對照增加了100.1%、33.7%、65.3%。

2.4.4 根際土壤多酚氧化酶活性 土壤多酚氧化酶是一類以銅、錳為活性中心的氧化還原酶，能把土壤中芳香族化合物氧化成醌，醌與土壤中蛋白質、氨基酸、糖類、礦物等物質反應生成大小分子量不等有機質和色素，完成土壤芳香族化合物循環，是土壤中重要的氧化還原酶類，可以反映土壤的腐殖化程度。如圖3D所示，供試的3種有機物料處理均顯著(<0.05)提高了蠶豆根際土壤多酚氧化酶活性，其中牛糞、雞糞對該酶活性提高程度較大，使酶活分別比對照增加了4.76倍和3.72倍；菇渣處理對該酶活性提高程度較小，使酶活比對照增加了67.4%。

2.5 不同有機物料對蠶豆根際土壤化學性狀的影響

如圖4所示，牛糞、雞糞處理均能顯著(<0.05)提高土壤pH，雞糞有機物料還能顯著(<0.05)增加土壤有機碳、全氮、NH4+-N含量，牛糞和菇渣能顯著(<0.05)增加土壤有效磷含量。相關性分析表明，土壤NH4+-N與土壤脲酶活性、中性轉化酶活性均呈顯著正相關(脲酶：=0.979，中性轉化酶：=0.993；<0.05)；土壤有效磷含量與土壤酸性磷酸酶含量呈顯著正相關(=0.954；<0.05)。這說明，有機物料作用下，土壤中性轉化酶、脲酶提高可能是土壤NH4+-N增加的重要驅動力，酸性磷酸酶活性提高是土壤有效磷增加的重要驅動力。

圖4 根際土壤pH及養分含量變化

2.6 根際土壤生物學性狀和化學性狀與蠶豆生長和品質之間的相關性

有機物料作用下，根際土壤生物學性狀和化學性狀的改善可能是蠶豆生長指標提高的重要原因。如表5所示，土壤酸性磷酸酶活性和土壤有效磷含量與蠶豆大粒干重和大粒占比呈顯著正相關(<0.05)，這說明，有機物料作用下，有效磷含量的增加可能是大粒蠶豆占比增加的重要驅動因素；土壤多酚氧化酶活性與兩粒莢占比呈顯著正相關，中性轉化酶數量和細菌數量與三粒莢占比呈顯著正相關，這說明有機物料作用下，中性轉化酶數量和細菌數量的增加使蠶豆更傾向于形成三粒莢。多個土壤性狀(細菌數量、中性轉化酶活性、pH、有機碳、全氮、NH4+-N)與蠶豆淀粉含量呈顯著正相關，這說明，有機物料作用下，蠶豆營養品質的增加可能是由于蠶豆根際土壤生物學性狀、化學性狀(養分含量增加、pH提高)得以改善的綜合作用的結果。

綜合3種有機物料對蠶豆生長指標、營養品質、根際化學性狀、生物學性狀影響，雞糞的效果最好，該有機物料不僅可以顯著提高蠶豆籽粒的淀粉含量(提高幅度為69.1%)，還能使蠶豆傾向于形成二粒莢和三粒莢，并且對大粒干重和占比均有正向影響，而且該有機物料對根際細菌數量、中性轉化酶活性、脲酶活性的提高幅度也最大，對根際酸性磷酸酶、多酚氧化酶活性也有顯著的促進作用。

3 討論

本研究發現，無論是動物來源的有機物料(雞糞和牛糞)還是非動物來源的有機物料(菇渣)對蠶豆分枝數、莢干重、籽粒干重、大粒重、大粒蠶豆占比均有積極的作用，其中牛糞和菇渣還能使大粒蠶豆占比顯著增加，雞糞還能顯著增加二粒莢和三粒莢的占比。已有研究表明，有機物料(雞糞、豬糞、羊糞，或牛糞)對辣椒[23]、蠶豆[24]、玉米[25]等作物生長或產量有提升作用。本研究與前人的研究結果具有一致性。本研究發現，牛糞、雞糞、菇渣均對蠶豆籽粒的營養品質有積極的作用，使籽粒的淀粉含量比對照增加18.7% ～ 69.1%，使蛋白含量比對照增加1.09% ～ 8.45%。李鳴雷等[26]研究發現，以麥草和雞糞為原料制成的有機無機復混肥使大豆蛋白質和脂肪含量比無機肥和不施肥處理顯著增加。梁潘潘[27]發現，50% 的有機肥氮素替代無機化肥時，可以提高蠶豆中、下部籽粒中可溶性總糖和蛋白含量。因此，本研究與已有研究結果具有一致性。

表5 蠶豆根際土壤生物學性狀、化學性狀與蠶豆生長指標的相關性

注：*表示相關性達<0.05顯著水平。

有機物料可以為微生物生長繁殖提供碳源和能源。本研究中雞糞、牛糞、菇渣的處理根際土壤的細菌數量顯著提高，這與周超[28]的研究施用有機肥可以提高果園土壤細菌數量一致。由于土壤酶主要來自微生物細胞，因此，根際土壤細菌數量的變化勢必導致土壤酶活性的變化。本研究結果表明，雞糞、牛糞、菇渣均能不同程度地提高土壤中性轉化酶、脲酶、酸性磷酸酶、多酚氧化酶的活性，其中雞糞對中性轉化酶、脲酶活性的提高幅度最大(增幅分別為76.2% 和645%)。這些研究結果與已有學者得出的施用有機物料可以不同程度地提高土壤酶活性的結論具有相似性[28-29]，Nayak等[29]的研究也表明長期使用有機肥配施無機肥處理能夠提高土壤脲酶活性。中性轉化酶和脲酶是參與土壤碳循環和氮循環的重要酶類，可以為植物提供簡單的碳源和氮源[30]。已有研究表明有機物料處理后碳循環相關酶活性的提高主要是由于有機物料增加了土壤有機碳含量[31]。本研究發現，有機碳含量與土壤中性轉化酶活性呈正相關性(=0.764)，添加雞糞處理時土壤有機碳含量最高，中性轉化酶活性也最強。另外，有機物料處理下脲酶活性顯著增加，可能原因是：①細菌數量顯著增加，作為酶的生產者之一，細菌數量的增加可能會提高酶的產生量，增強脲酶活性。本研究中，細菌數量與脲酶活性呈顯著正相關的現象支持了這一推斷；②有機物料的添加增加了土壤有機質含量，使得土壤酶活性免遭變性或降解，間接增加了脲酶活性[32]。本研究中，土壤有機碳含量與土壤脲酶活性呈正相關(=0.549)的結果也支持了這一推斷。Nayak等[29]也發現，土壤有機碳含量與土壤脲酶活性呈高度正相關。

本研究還發現，蠶豆淀粉含量與根系土壤細菌數量、碳氮循環相關酶(中性轉化酶、脲酶)活性，養分含量(NH4+、全氮)、土壤有機碳呈顯著正相關。土壤細菌數量與脲酶活性呈正相關，土壤脲酶活性與土壤NH4+-N含量呈正相關。植物的碳代謝和氮代謝是互為基礎的。氮是葉綠素的組成成分，環境中氮素供應水平的高低與葉片中葉綠素的含量呈正相關[33]，葉綠素含量的多少直接影響著光合作用產物的形成。因此，我們推斷，供試有機物料為微生物生長繁殖提供了碳源和能源，從而使細菌數量明顯增加。由于土壤酶主要來自微生物細胞，因此，細菌數量增加使得土壤整體脲酶水平增加和活性增強，脲酶活性的增強使得土壤中NH4+-N含量增加，土壤氮素供應的增加促進了葉片中葉綠素含量的增加，促進了光合產物(如淀粉)的積累。

供試牛糞、雞糞、菇渣均能提高蠶豆根際土壤磷酸酶活性和有效磷含量，且大粒蠶豆個數占比與土壤中的酸性磷酸酶活性和有效磷含量均呈高度正相關(相關系數分別高達0.966和0.985)。多數研究已經表明，磷能加強光合作用和碳水化合物的合成和運轉，提高作物產量。胡誠等[34]研究表明，土壤磷酸酶活性與小麥產量及土壤有效磷含量呈極顯著正相關(<0.01)。因此，我們推斷，供試有機物料通過提高土壤磷酸酶活性而增加了磷的有效性，進而提高了大粒蠶豆的生物量及大粒蠶豆的占比。

綜上，有機物料的施用改善了根際土壤的化學和生物學性狀，為根系生長提供了良好的土壤環境，利于蠶豆的生長和品質的提高。具體而言，可能是由于有機物料的施入為微生物生長繁殖提供了更多的碳源和能源，使土壤細菌大量生長繁殖，從而使細菌數量大幅度增加。細菌作為土壤酶的主要產生者之一，細菌數量的增加帶來了中性轉化酶和脲酶活性增強，更多的有機氮轉變為無機氮(NH4+-N)，保障了氮的供給，進而通過植株影響到淀粉合成相關代謝過程，從而增加淀粉含量，最終改善蠶豆營養品質。另外，有機物料作用下，大粒蠶豆的形成可能與有機物料添加引起的土壤酸性磷酸酶活性增強以及有效磷含量增加有關。

4 結論

良好的土壤微環境(土壤生物學性狀、化學性狀)是促進蠶豆生長、提升蠶豆營養品質的必要條件。大粒蠶豆的形成可能與有機物料添加引起的土壤酸性磷酸酶活性增強以及有效磷含量增加有關。有機物料作用下，細菌數量增加、碳氮循環相關酶(中性轉化酶、脲酶)活性增強、養分(NH4+-N、全氮)含量增加、pH的提高有助于提高蠶豆籽粒的淀粉含量。綜合雞糞、牛糞、菇渣對蠶豆生長指標、營養品質、根際生物學性狀、化學性狀的提升效果，雞糞的效果最好。

致謝：本研究所用的蠶豆種子為江蘇省農業科學院經濟作物研究所陳新研究員提供，特此致謝。

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Effects of Organic Materials from Different Sources on Growth and Quality of Vegetable Broad Beans and Properties of Rhizosphere Soil

REN Gaidi1,2,3,4, ZHANG Miao1,2, ZHANG Wenyue1,2,GUO Dejie1,2, MA Yan1,2,4*

(1Institute of Agricultural Resources and Environment, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China; 2 National Agricultural Experiment Station for Agricultural Environment, Luhe, Nanjing 210014, China; 3 Institute of Life Sciences,Jiangsu University, Zhenjiang, Jiangsu 212013, China; 4 School of the Environment and Safety Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang, Jiangsu 212013, China)

A pot experiment was conducted to investigate the effects of organic materials from different sources (chicken manure, cow manure, and mushroom residue) on the growth and quality of vegetable broad bean, and the chemical and biological properties of rhizosphere soil. The results showed that: 1) Organic materials had positive effects on the number of branches, pod dry weight, kernel dry weight, large-kernel dry weight, percent of large-kernel and kernel starch content. Cow manure or mushroom residue significantly (<0.05) increased the percentage of large-kernel. Chicken manure significantly (<0.05) increased the percentages of two-kernel pod and three-kernel pod, and also resulted in the largest increase in the starch content of kernel (69.1% higher than that of the control). 2) Organic materials not only increased the quantity of rhizosphere bacteria and fungi, but also significantly (<0.05) increased the activities of neutral invertase, urease, acid phosphatase and polyphenol oxidase in rhizosphere soil (except an insignificant increase of neutral invertase by cattle manure treatment). Chicken manure led to the greatest increase in bacterial quantity, and neutral invertase and urease activities. 3) Chicken manure significantly (<0.05) increased the contents of organic carbon, total nitrogen, and NH4+-N in rhizosphere soil. Cattle manure and chicken manure significantly (<0.05) increased soil pH. The proportion of large kernel was positively correlated with soil acid phosphatase activity and available phosphorus content. Starch content of kernel was positively correlated with the quantity of bacteria, the activity of neutral invertase, and the contents of organic carbon, total nitrogen, and NH4+-N. The above results indicated that organic materials can provide more C and energy for bacteria, and hence lead to an increase in bacterial quantity. Bacteria are important producers of enzymes. The increase of bacterial quantity can increase the production and activities of enzymes (neutral invertase and urease) related with carbon and nitrogen cycles, result in more conversion from organic nitrogen to inorganic nitrogen (NH4+-N), then increase soil nutrient (NH4+-N, total nitrogen) levels, and thus lead to improvement of the nutritional quality of broad bean.

Organic materials; Broad bean; Crop growth and quality; Soil biological properties; Soil chemical properties

S141；S154；S153

A

10.13758/j.cnki.tr.2022.04.011

任改弟, 張苗, 張文越, 等. 不同來源有機物料對菜用蠶豆生長和品質及根際土壤性狀的影響. 土壤, 2022, 54(4): 740–749.

江蘇省自然科學基金面上項目(SBK2020023002)、院基本科研業務專項項目(重點人才配套)(ZX(2020)3011)、江蘇省第五期“333工程”科研項目(BRA2019313)和江蘇現代農業(蔬菜)產業技術體系廢棄資源利用創新團隊項目(JATS[2019]333)資助。

(myjaas@sina.com)

任改弟(1984—)，女，河南安陽人，博士，副研究員，主要從事微生物分子生態學研究。E-mail: gaidiren@163.com