施用蚯蚓糞對楊樹苗根際土壤生物學特征的影響

井 大 煒

(1.德州學院， 山東 德州 253023; 2.山東省林業科學研究院， 山東 濟南 250014)

大量施用化肥而忽略有機肥的施用是傳統農業種植模式的主要特征，長期以來導致土壤中有機質含量嚴重不足，并出現地下水和蔬菜中硝態氮含量明顯超標等問題[1]，已經成為一個亟待解決的環境問題。而有機肥所含營養成分豐富、全面，可優化土壤微生物種群，增強土壤酶活性，改善土壤農化性狀，保持土壤肥力，并且對養分具有緩釋效果，與化肥相比肥效期更長、養分利用率更高[2]。所以，有機肥和化肥配合施用已受到國內外的普遍重視。

蚯蚓糞是通過蚯蚓消化有機廢棄物而產生的均勻顆粒，具有良好的團粒結構，疏松適度，通透性好，酸堿度中性，水氣調和，且有保水、保肥的性能；并且其礦質養分豐富，有效成分高，有機質含量多，含有多種利于植物生長的酶、腐殖質和植物激素類物質[3]。中國從20世紀80年代開始興起蚯蚓養殖業，北京、天津、河北、寧夏、云南等地都建有不同規模的蚯蚓養殖場，蚯蚓糞年產量達數十萬噸[4]。可見，蚯蚓糞的應用已受到了高度關注。前人關于蚯蚓糞進行了大量的研究，但主要集中在花卉、蔬菜等園藝作物上[5-6]，而應用于人工林施肥的研究尚未見報道。目前在人工林營造和經營中由于管理措施不當，一定程度上造成了林地土壤生態環境退化、林地生產力下降的現象，急需科學有效的施肥技術來改善林地肥力。為此，本文選用經蚯蚓吞食牛糞后產生的蚯蚓糞為供試原料，開展了蚯蚓糞與化肥配施對一年生I-107歐美楊根際土壤的微生物數量、酶活性、根系建造水平及理化性狀的研究，為探討施用蚯蚓糞對楊樹苗生物學特性的影響提供理論依據，并且為楊樹苗的培育和造林提供技術指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與供試材料

試驗地點設在山東省林業科學研究院試驗苗圃，供試土壤為潮土，土壤速效氮27.96 mg/kg，速效磷 26.52 mg/kg，速效鉀 79 mg/kg，有機質含量為6.83 g/kg。供試蚯蚓糞為蚯蚓吞食牛糞后的產物，全量N，P，K含量分別為1.68%，1.29%和0.95%；所用化肥為尿素、過磷酸鈣、氯化鉀。楊樹扦插苗品種為I-107歐美楊，接穗長15～16 cm，莖粗2 cm，重量25～27 g。

1.2 試驗設計

采用盆栽試驗，隨機區組設計，設4個處理：處理1為不施肥(CK)；處理2為單施化肥(CF)；處理3為蚯蚓糞(VC)；處理4為蚯蚓糞提供50%的氮，化肥提供50%的氮(VC+CF)。每個處理8盆，共計32盆。除CK外，各處理均為等養分量，N，P和K含量分別為3.55，1.56，2.48 g，各處理P和K不足部分分別用過磷酸鈣、氯化鉀補足。試驗用盆為購自市場的棱柱型塑料盆，盆高20 cm，邊長30 cm。于2012年4月6日盆栽試驗時，將肥料與土壤充分混勻后裝盆，每盆裝土10.5 kg。

1.3 取樣和分析測定方法

2012年10月18日楊樹落葉前采集土壤、根系和地上部樣品。在土壤水分含量適中時采用剝落分離法[7]取樣，將帶土植株取出，先輕輕抖落大塊不含根系的土壤，然后用力將根表面附著的土壤全部抖落下來，迅速裝入塑料袋內(根際土)。同時，用水沖洗挑選出的根系，用游標卡尺將根系按照<2，2～5，>5 mm的粗度進行分級，然后連同地上部莖和葉一起放入75 ℃的烘箱中烘干至恒重，并分別稱其質量。根際土取樣后一部分樣品立即進行土壤微生物的測定，一部分土樣冷凍干燥過篩后進行土壤酶活性和理化性質的測定。

土壤微生物數量采用稀釋平板計數法，細菌采用牛肉蛋白胨瓊脂培養基；放線菌采用改良高氏1號培養基；真菌采用馬丁—孟加拉紅培養基。脲酶測定采用苯酚鈉—次氯酸鈉比色法；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；蔗糖酶測定采用Na2S2O3滴定法。pH值的測定采用電位法(水土比為2.5∶1)，堿解氮的測定采用堿解擴散法，速效磷的測定采用NaHCO3浸提鉬銻抗比色法，速效鉀的測定采用NH4Ac浸提火焰光度法，EC值的測定采用電導法(水土比為5∶1)，CEC的測定采用乙酸銨交換法[8]。

1.4 統計方法

采用 Excel 2007處理數據并制圖，采用SAS軟件進行方差分析和多重比較(LSD法，p<0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同處理對楊樹苗根際土壤微生物數量的影響

根際土壤微生物對植物生長及營養元素流動起著重要作用。土壤微生物數量是反映土壤生物活性的重要指標，土壤微生物多樣性受植物類型、土壤質地與土壤管理措施等的影響[9]。不同處理對楊樹苗根際土壤微生物數量的影響如表1所示。可以看出，同CK相比，各施肥處理均顯著增加了細菌數、放線菌數、真菌數和微生物總量。在各施肥處理中，VC和VC+CF處理的3大功能微生物數量和微生物總量均顯著高于CF處理；VC+CF處理的細菌數、真菌數和微生物總量均是最高，并且顯著高于其他處理，而放線菌數與VC處理差異不顯著。其中，VC+CF處理的細菌數量分別比CK，CF和VC處理增加了165.99%，67.34%和31.73%。可見，蚯蚓糞的施入能明顯促進楊樹苗根際土壤的微生物數量，其中蚯蚓糞與化肥配施的效果最顯著。

表1 不同處理對楊樹苗根際土壤微生物數量的影響 104/g

2.2 不同處理對楊樹苗根際土壤酶活性的影響

土壤酶參與土壤的許多生物化學過程和物質循環，包括腐殖質及各種有機化合物的分解與合成、土壤養分的固定與釋放以及各種氧化還原反應，直接參與了土壤營養元素的有效化過程，可以客觀地反映土壤肥力狀況[10]。表2顯示了不同處理對楊樹苗根際土壤酶活性的影響，可見，各施肥處理的酶活性均顯著高于CK。在3個施肥處理中，VC和VC+CF處理的酶活性均顯著高于CF處理；而VC+CF處理的脲酶、多酚氧化酶和蔗糖酶活性均是最高，并顯著高于VC處理，但過氧化氫酶活性與VC處理差異不顯著。其中，VC+CF處理對蔗糖酶活性的提高幅度最大，分別比CK，CF和VC處理提高了90.37%，45.31%和32.34%。由此可見，施加蚯蚓糞處理的土壤酶活性均顯著高于單施化肥處理。除過氧化氫酶外，蚯蚓糞與化肥配施處理對楊樹苗根際土壤酶活性的提高幅度最明顯。這與根際土壤微生物數量的變化規律相呼應。

表2 不同處理對楊樹苗根際土壤酶活性的影響

2.3 不同處理對楊樹苗根系和地上部生物量的影響

植物根系的建造水平對養分及水分的吸收有著不可忽略的作用。由圖1可知，從根系分級的絕對重量來看，各施肥處理<2，2～5和>5 mm的根系均顯著大于對照。在各施肥處理中，施加蚯蚓糞的兩個處理對楊樹苗根系建造水平產生了很大的影響。VC+CF處理中<2 mm的根系干重最大，均顯著大于VC和CF處理，其次是VC處理，也顯著大于CF處理。而2～5和>5 mm的根系，3個施肥處理之間未見顯著差異。從根系總生物量來看，CF，VC和VC+CF處理分別比對照增加60.26%，84.84%和104.82%；而從地上部生物量來看，分別比對照增加143.86%，216.14%和273.35%，并且地上部與根系生物量的比值分別為6.01，6.75和7.20，各處理之間均達到顯著水平。

由此可見，施肥能明顯增加楊樹苗的細根和根系總生物量，但對地上部的增加速度明顯更快；而在不同的施肥處理中，蚯蚓糞與化肥配施的效果最顯著。

圖1 不同處理對楊樹苗根系和地上部生物量的影響

2.4 不同處理對楊樹苗根際土壤理化性質的影響

土壤pH值是土壤重要的化學性質，也是影響土壤肥力的因素之一。它直接影響土壤養分的存在狀態、轉化和有效性，因此，對植物的生長發育有直接的影響。pH值是代表與土壤固相處于平衡的土壤溶液中氫離子濃度的負對數，它受外界條件、也受土壤內在性質的影響。從表3可知，不同處理對楊樹苗根際土壤的pH值產生了很大的影響。VC+CF處理的pH值最低，分別比CK，CF和VC處理降低了0.56，0.45和0.24個單位，差異均達顯著性水平；其次是VC處理，也顯著低于CK和CF，而CF與CK差異不顯著。土壤水溶性鹽是強電解質，其導電能力的強弱可用電導率(EC)表示；在一定范圍內，溶液的含鹽量與EC值呈正相關。VC+CF和VC處理還顯著增加了根際土壤的EC值，這說明蚯蚓糞的加入對楊樹苗根際環境產生了較大的影響，而單施化肥的影響不明顯。根際土壤的養分含量主要取決于當年施肥量，同時也受到微生物的礦化作用和酶促反應的影響。植物根系周圍土壤的養分能被植物直接吸收利用，是物質循環中最活躍的部位[11]。VC+CF處理的堿解氮、速效磷和速效鉀含量均是最高，且顯著高于其他處理，同CF處理相比，分別增加了24.05%，26.24%和16.13%；其次是VC處理，速效磷和速效鉀含量均顯著高于CK和CF，而堿解氮含量與CF差異不顯著，但顯著高于CK。此外，陽離子交換量(CEC)的大小基本上代表了土壤可能保持的養分數量，即保肥性的高低，故可作為評價土壤保肥能力的指標。不同處理還對楊樹苗根際土壤的CEC產生了明顯的影響，VC+CF處理的CEC分別比CK，CF和VC處理提高了19.88%，17.35%和8.21%。這說明蚯蚓糞與化肥配施對根際土壤養分的保持有一定的促進作用，這對楊樹苗根系吸收養分同樣具有重要意義。

表3 不同處理對楊樹苗根際土壤理化性質的影響

3 討 論

3.1 根際土壤微生物數量、酶活性

根際是受根系活力影響的一定體積的土壤，根際的空間范圍因土壤結構、微粒尺寸、含水量及土壤緩沖力的不同而不同，同時根際又是一個由植物根系、細菌、真菌、放線菌及土壤動物組成的多因素相關聯的復雜系統[12]。已有研究表明，施用有機肥或有機無機配施能提高根際土壤細菌、真菌和放線菌數量[13]。這一結論在本試驗中得到進一步證實：蚯蚓糞和蚯蚓糞化肥配施兩個處理的根際土壤細菌、真菌、放線菌和微生物總量均顯著高于對照和單施化肥處理。這表明施加蚯蚓糞能夠促進土壤微生物的生長，主要是由于大部分微生物在土壤中實際上處于一種低營養狀態，當蚯蚓糞加入土壤后，為微生物提供了新的能源，使微生物在種群數量上發生較大的改變；另一方面，蚯蚓糞本身也帶入大量活的微生物，所以，蚯蚓糞的施入在某種程度上起到了“接種”的作用。

不同的施肥措施同樣對根際土壤酶活性產生明顯的影響。從本試驗可知，蚯蚓糞或蚯蚓糞化肥配施均能顯著提高根際土壤酶活性，這與武雪萍等[14]在植煙上的研究結果一致。這主要是因為蚯蚓糞的施用不僅可以為土壤酶提供更多、更豐富的酶促基質，發揮底物誘導作用，而且還能提高腐殖質含量，而腐殖質能夠通過離子交換、離子鍵或共價鍵等與土壤酶結合，固定土壤酶[15]。本試驗還發現，蚯蚓糞與化肥配施處理的根際土壤微生物數量和土壤酶活性均高于蚯蚓糞處理。這一方面可能是因為蚯蚓糞與化肥配施有利于協調土壤C/N比，改善土壤理化性質，從而有助于楊樹苗和土壤微生物的生長，使更多的酶伴隨著旺盛的根系活動和土壤動物、微生物的生活活動而進入土壤；另一方面化肥的施入補充了土壤中氮的消耗，促進了土壤微生物的繁殖，從而提高了土壤微生物數量和土壤酶活性[16]。此外，蚯蚓糞施用處理的根際土壤微生物數量與酶活性呈現基本一致的變化規律。說明微生物生命代謝活動的加強能夠提高土壤酶活性，同時土壤酶活性的提高也促進了土壤中物質轉化速率，為微生物提供養分和良好的土壤微生態環境。

3.2 根際土壤理化性質

由本試驗結論可知，蚯蚓糞的施用影響了楊樹苗根際土壤的養分和理化性質。首先是蚯蚓糞與化肥配施處理顯著降低了楊樹苗根際土壤的pH值。植物根系不但能夠提供植物生長所需的水分和養分，而且也能通過對養分的直接吸收和對微生物的間接作用來誘導根際土壤養分組分的改變[17]，可以向生長介質中分泌質子，釋放無機離子，溢泌或分泌大量的有機物，這些物質和根組織脫落物一起統稱為根系分泌物。已有研究表明，根系分泌物中含有一定量的有機酸[18]。蚯蚓糞與化肥配施顯著提高了楊樹苗根際土壤的微生物數量和酶活性，促進了根系的生長，尤其是明顯增加了毛細根的數量，可能會誘導根系分泌物中有機酸總量的增加，從而導致根際土壤pH值的變化，這也許是配施蚯蚓糞降低土壤根際pH值的機理之一。根際土壤pH值的降低，對土壤中磷和鉀具有一定的溶解作用，提高了根際土壤中速效磷和速效鉀的含量，從而提高了根際土壤中養分離子的濃度，導致EC值增加。根際土壤養分離子濃度的提高有利于植物根系對養分的吸收利用。由以上分析可知，蚯蚓糞與化肥配施導致土壤pH值降低，可能是楊樹苗根際土壤理化性質改變的主要機理之一；而且，配施蚯蚓糞在楊樹苗根際土壤中形成了“微生物數量增加、酶活性提高—根系活性增強—根系分泌物增多—pH值降低—養分離子濃度增加—促進養分吸收”的良性循環。此外，本試驗還得出，施肥對地上部的提高速度顯著快于根系，這可能是由于施肥增加了土壤養分的有效性，根據功能平衡假說，植物會把更多的光合產物分配給地上部[19-20]，從而使根系的增長速度明顯慢于地上部。

4 結 論

蚯蚓糞與化肥配施處理有利于協調土壤C/N比，并且化肥的施入補充了土壤中氮的消耗，從而明顯提高了根際土壤中微生物數量及脲酶、過氧化氫酶、多酚氧化酶和蔗糖酶活性，其中細菌數量分別比對照、單施化肥和蚯蚓糞處理提高165.99%，67.34%和31.73%，蔗糖酶活性分別提高90.37%，45.31%和32.34%。施用蚯蚓糞有利于楊樹苗細根的生長，但對地上部的增長速度顯著快于地下部。此外，配施蚯蚓糞處理使根際土壤pH值明顯降低，陽離子代換能力顯著提高，并且還明顯增加了根際土壤中養分離子的有效性，堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別增加24.05%，26.24%和16.13%。與配施蚯蚓糞處理相比，蚯蚓糞處理對楊樹苗根際土壤生物學特征的影響作用明顯減弱。

綜合分析認為，蚯蚓糞與化肥配施更好地改善了楊樹苗根際土壤的微生態環境，顯著提高了根際土壤中養分離子的有效性和養分保持能力，并促進了毛細根的生長。

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