蚯蚓糞對豇豆根際土壤生物學特征及微生物活性的影響

賈德新，李士平，王風丹，王明友，*

(1. 德州市農業科學研究院，山東 德州 253015；2. 德州學院 生態與園林建筑學院，山東 德州 253023)

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蚯蚓糞對豇豆根際土壤生物學特征及微生物活性的影響

賈德新1，李士平2，王風丹2，王明友2，*

(1. 德州市農業科學研究院，山東 德州 253015；2. 德州學院 生態與園林建筑學院，山東 德州 253023)

通過大田試驗，研究CK(對照，不施肥)、CF(單施化肥)、VC(蚯蚓糞)和VC+CF(蚯蚓糞和化肥各提供50%的氮)處理對豇豆根際土壤微生物數量、微生物量碳、根系分級、根系分泌物、微生物呼吸及代謝熵的影響。結果表明：與CF處理相比，VC+CF處理顯著增加了根際土壤微生物數量與微生物量碳，其中細菌數分別較CK，CF和VC處理增加124.13%，70.48%和17.83%。施用蚯蚓糞明顯促進了豇豆根系的生長，尤其增加了毛細根的數量及在根體系中的比例。同時，VC+CF處理還顯著提高了根際土壤中根系分泌物含量，并增強了土壤微生物呼吸作用，但降低了代謝熵，其中，土壤微生物呼吸分別比CK，CF和VC處理增加64.91%，36.23%和16.05%，而代謝熵分別下降10.85%，9.06%和5.32%。與VC+CF處理相比，VC處理對豇豆根際土壤微域的影響較小。綜上，施用蚯蚓糞相比單施化肥能明顯改善豇豆根際土壤的微生態環境，且能顯著增強土壤微生物活性，尤以蚯蚓糞與化肥配施的效果更優。

豇豆；蚯蚓糞；根系構建；土壤微生物呼吸；代謝熵

豇豆的蛋白質含量在24%左右，富含磷、鐵、鈣、維生素、纖維素等營養成分，并含多種氨基酸，尤其是賴氨酸與色氨酸含量較高，可以彌補禾谷類糧食的不足，是我國和東南亞許多國家的重要豆類蔬菜作物[1]。豇豆比大多數豆類作物適應性強，耐熱，經濟效益較好，是近40年來發展較快的豆類作物，在我國山東、河北、湖北、安徽、浙江等省均有大面積栽培。

有機肥料是傳統農業中的重要肥源，在現代農業生產中被越來越多的人所采用[2]。但隨著大量規模化畜禽場的興建和運作，畜禽糞便變成了許多規模化種植農場的有機肥料，這些畜禽場所產生的有機肥與傳統有機肥相比，已產生了質的變化，某些規模化畜禽場已成為有毒成分集中的“毒品庫”。有研究發現，在年出欄1萬頭的豬場，糞便中每年排出砷元素量為150 kg，折合As2O3為230 kg[3]。可見，若要生產綠色、有機農產品，對有機肥的選擇不可忽視。

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，且有保水保肥性能；同時其礦質養分豐富，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[4]。我國從20世紀80年代開始興起蚯蚓養殖業，北京、天津、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[5]。前人對蚯蚓糞進行了大量的研究，但主要集中在花卉、黃瓜、甘藍、番茄等作物上[6-9]，而應用于豇豆的研究鮮有報道。

土壤微生物量既是土壤有機質和土壤養分轉化與循環的動力，又可作為土壤中植物有效養分的儲備庫[10]，在土壤能量轉移、養分循環與平衡、土壤理化性質改善及生態系統的長期穩定性中發揮著重要的作用[11]，現已被廣泛用作表征土壤質量的重要微生物學指標，能快速地指示土壤質量的變化趨勢[12]。雖然土壤微生物在生態系統中的關鍵作用已得到了廣泛認識，但關于豇豆根際土壤微生物量和活性的研究尚處于空白狀態。為此，本研究選用經蚯蚓吞食牛糞后產生的蚓糞為供試原料，開展了蚯蚓糞與化肥配施對豇豆根際土壤生物學特征及微生物活性的研究，旨在為土壤培肥制度的建立及豇豆的合理施肥提供理論依據。

1　材料與方法

1.1試驗地點與供試材料

試驗地點設在德州市運河經濟開發區蘆莊村九龍灣生態園，供試土壤為輕壤土，土壤速效氮、磷、鉀的含量分別為92.07，35.18，105.49 mg·kg-1，有機質含量為14.89 g·kg-1。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%，0.95%；有機碳含量196.35 g·kg-1；有益菌群≥1.8億個·g-1；氨基酸總量為5.42%，其所含氨基酸種類在16～18種之間；有機酸總量和總糖含量分別為41.26和25.39 mg·g-1；pH 6.9。所用化肥為尿素(含N 46%)、過磷酸鈣(含P2O512%)和硫酸鉀(含K2O 50%)。豇豆品種為之豇28-2。

1.2試驗設計

采用田間小區試驗，隨機區組設計，設4個處理：處理1，不施肥(CK)；處理2，單施化肥(CF)；處理3，蚯蚓糞(VC)；處理4，蚯蚓糞提供50%的氮，化肥提供50%的氮(VC+CF)。每個處理重復3次，每小區面積為7.5 m×12 m=90 m2，共計12個小區。除CK外，各處理均為等養分量，N，P，K含量相當于310.5，213，321 kg·hm-2，各處理P和K不足部分分別用過磷酸鈣、硫酸鉀補足。

豇豆采用12 cm高M壟栽培，栽培行寬50 cm，株距40 cm，操作行距 90 cm。按試驗設計撒施定量有機肥和化肥，深翻攪拌均勻后整地起壟，覆蓋地膜。在2014年4月28日使用點播器點播豇豆，植株抽蔓后支人字架，架高1.9 m。生長期間每20 d進行一次中耕除草，生長后期及時摘除基部黃葉。整個生長期根據具體情況噴施藥劑防治病蟲害。

1.3測定項目與方法

2014年8月27日采集土壤和根系樣品。在土壤水分含量適中時利用剝落分離法[13]采集根際土，并將所取根際土壤樣品充分混勻后分為兩份：一份新鮮土樣于4 ℃冰箱避光保存，盡快測定微生物數量、微生物呼吸及微生物量碳；另一份樣品風干，過1 mm篩后用于根系分泌物的分析。同時，用水沖洗挑選出的根系，用游標卡尺將根系按照<2 mm，2～5 mm，>5 mm的粗度進行分級，然后放入75 ℃烘箱中烘干至恒重，并分別稱其質量。

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。土壤微生物呼吸的測定采用室內密閉培養法[14]，并以單位質量土壤平均每小時釋放的CO2-C數量表示，單位為mg CO2-C·kg-1·h-1。土壤微生物量碳的測定采用氯仿熏蒸K2SO4浸提法。微生物代謝熵是土壤微生物呼吸與土壤微生物量碳的比值，用mg CO2-C·g-1MBC ·h-1表示。根系分泌物中氨基酸總量的測定采用甲醛滴定法；有機酸總量的測定采用液相色譜儀法；總糖的測定采用蒽酮比色法[15]。

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根際土壤微生物數量與微生物量碳

豇豆根際土壤中細菌、放線菌和真菌占微生物總量的比例分別為74.72%～77.23%，21.95%～24.51%和0.67%～1.42%，表明細菌占據絕對優勢，放線菌次之，而真菌最少(表1)。同對照相比，各施肥處理均顯著(P<0.05)增加了根際土壤的細菌數、放線菌數和微生物總量，而對真菌數的影響較小，這對于抑制土壤傳染性病蟲害具有一定積極意義。在施肥處理中，VC和VC+CF處理的細菌數、放線菌數和微生物總量明顯高于CF處理；而VC+CF處理的細菌數和微生物總量均最高，并顯著(P<0.05)高于其他處理，其中細菌數分別較CK，CF和VC處理高出124.13%，70.48%和17.83%。

土壤微生物量碳一般為土壤有機碳的1%～4%，由于土壤微生物C/N較低，在土壤中分解速度比土壤有機質快，因此，對土壤有機質的分解及養分的轉化循環等都有重要的作用。從表1可知，各處理微生物量碳含量的大小次序為：VC+CF>VC>CF>CK，且各處理之間的差異均達顯著(P<0.05)水平，其中VC+CF處理分別比CK，CF和VC處理提高了84.79%，49.64%和22.45%。由此可知，施用蚯蚓糞相比單施化肥能明顯提高豇豆根際土壤的微生物數量及微生物量碳含量，其中以蚯蚓糞與化肥配施的作用效果更優。

2.2根系構建水平

作物根系的構建水平對水分與養分的吸收具有重要作用。由圖1可見，從根系分級的絕對質量來看，各施肥處理<2 mm，2～5 mm和>5 mm的根系均顯著(P<0.05)大于對照，這說明施肥能促進豇豆根系的生長。在各個施肥處理中，施用蚯蚓糞的兩個處理對豇豆根系的生物量及建造水平產生了較大的影響。VC+CF處理中<2 mm的根系干重最大，并明顯大于VC和CF處理，其次是VC處理，亦明顯大于CF處理。而2～5 mm和>5 mm的根系，3個施肥處理之間差異均未達顯著水平。此外，CF，VC和VC+CF處理中<2 mm根系所占比例分別為36.09%，44.23%和50.23%，表明施加蚯蚓糞處理較單施化肥能更顯著地提高細根的比例，其中VC+CF處理中細根所占的比例達到最大值。從根系總干重來看，蚯蚓糞的加入同樣對根系產生了明顯影響。同CF處理相比，VC和VC+CF處理的根系總干重分別增加了16.77%和31.92%，差異均達顯著水平(P<0.05)。綜上，蚯蚓糞的施入有利于豇豆根系的生長，尤其是促進了毛細根數量的增加，有利于增強豇豆根系對水分及養分的吸收能力。

表1不同處理對豇豆根際土壤微生物數量與微生物量碳含量的影響

Table 1Effect of different treatments on microbial population and microbial biomass C content in rhizosphere soil of cowpea

處理細菌/(×104cfu·g-1)放線菌/(×104cfu·g-1)真菌/(×104cfu·g-1)微生物總量/(×104cfu·g-1)微生物量碳/(mg·kg-1)CK387.6±10.9d119.0±8.0c7.3±0.2a513.8±9.8d317.6±12.3dCF509.6±23.8c145.3±7.8b7.2±0.6a662.0±15.8c392.2±25.1cVC737.3±19.0b241.8±3.3a7.6±0.4a986.7±8.5b479.3±21.7bVC+CF868.7±12.5a248.6±5.7a7.5±0.2a1124.9±13.5a586.9±17.5a

注：數據為平均值±標準差，同列數據后無相同小寫字母的表示差異顯著(P<0.05)。下同。

圖1　不同處理對豇豆根系構建水平的影響Fig.1　Effect of different treatments on root construction level of cowpea

2.3根系分泌物

由表2可知，施加蚯蚓糞的兩個處理的氨基酸總量、有機酸總量和總糖含量均顯著(P<0.05)高于CK和CF處理。其中VC+CF處理的氨基酸總量和有機酸總量顯著(P<0.05)高于其他處理，而總糖含量與VC處理無顯著性差異，分別較CK高出77.54%，73.39%和38.80%，分別較CF處理高出64.35%，45.57%和34.26%。與CK相比，CF處理顯著(P<0.05)提高了有機酸總量，但對氨基酸總量和總糖含量的影響不顯著。綜上，不同施肥措施對豇豆根系分泌物含量的影響具有明顯的差異，蚯蚓糞的施入較單施化肥能顯著促進豇豆根系分泌物含量的增加，其中以蚯蚓糞與化肥配施的效果最優。

表2不同處理對豇豆根系分泌物含量的影響

Table 2Effect of different treatments on root exudate content of cowpea

處理氨基酸/(μg·kg-1)有機酸/(mg·g-1)總糖/(mg·kg-1)CK316.73±12.91c21.87±0.96d13.89±0.51bCF342.15±20.38c26.05±1.73c14.36±0.64bVC475.28±9.65b32.64±1.29b19.15±0.29aVC+CF562.31±17.26a37.92±0.81a19.28±0.41a

2.4根際土壤微生物呼吸與代謝熵

土壤呼吸指土壤由于代謝作用而釋放CO2的過程，包括3個生物學過程：植物的根系呼吸、土壤微生物的異養呼吸以及土壤動物呼吸，其中最重要的組成部分是根系呼吸和土壤微生物異養呼吸[16]。本試驗剔除了植物的根系，采用室內培養法測定土壤呼吸速率， 所以考查的土壤呼吸主要為土壤微生物呼吸。由圖2可見，施肥處理相比對照顯著(P<0.05)提高了豇豆根際土壤的微生物呼吸速率，CF，VC和VC+CF處理較CK分別高出21.05%，42.11%和64.91%。而在各施肥處理中，VC+CF處理的土壤微生物呼吸速率最高，其次是VC處理，亦顯著(P<0.05)高于CF處理。

代謝熵是土壤微生物呼吸與微生物量碳的比率，反映了土壤微生物種群利用土壤有機成分的效率。它可以表示微生物生物量的大小和活性，指示土壤質量的變化趨勢和土壤生態系統的成熟程度[17]。不同處理對豇豆根際土壤代謝熵的影響表現出明顯的差異(圖2)。同CK相比，各施肥處理的代謝熵均有不同程度的下降，其中CF處理與CK差異不顯著，而在VC和VC+CF處理條件下，代謝熵均顯著下降。在施用蚯蚓糞的兩個處理中，以VC+CF處理的代謝熵最低，分別較CK，CF和VC處理降低10.85%，9.06%和5.32%，差異均達顯著水平。上述結果表明，蚯蚓糞與化肥配施不僅能顯著增強豇豆根際土壤的微生物呼吸作用，還降低了代謝熵。

圖2　不同處理對豇豆根際土壤微生物呼吸與代謝熵的影響Fig.2　Effect of different treatments on microbial respiration and metabolic quotient in rhizosphere soil of cowpea

3　討論

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[18]。土壤微生物量碳是反映土壤碳素養分循環與轉化過程的重要參數，可直觀地體現土壤微生物生長狀態和土壤肥力狀況[19]。本研究發現，與對照和單施化肥相比，施用蚯蚓糞處理明顯提高了豇豆根際土壤中細菌數、放線菌數、微生物總量及微生物量碳含量。這可能是因為：1)蚯蚓糞本身帶入了大量活的微生物，并補充輸入了有機碳源，提高了養分的有效性和保水能力，同時改善了土壤物理性狀，這必將刺激土壤微生物的繁殖[20]；2)施用蚯蚓糞能顯著促進豇豆根系的生長，尤其是明顯增加了毛細根數量，從而顯著增強了根系活性，并促進了根系分泌物中氨基酸總量、有機酸總量和總糖含量的明顯升高，為微生物的生長和繁殖提供了營養來源和能量來源。這與張乃芹等[21]在西瓜上和王妮等[22]在側柏上的研究結果相似。同時，根系分泌物中有機酸總量的提高可降低豇豆根際土壤的pH值，有利于增強磷、鉀及部分鹽類離子的溶解性，從而提高根際土壤中養分離子的有效性，促進豇豆對磷和鉀的吸收，這對于提高豇豆的品質具有積極意義。

土壤微生物呼吸實際上是微生物對土壤有機質的分解過程，即土壤有機質潛在的礦化速率。它是表征土壤質量和肥力的重要生物學指標，反映了土壤微生物的總體活性和土壤物質代謝強度[20]。本研究表明，各施肥處理相比對照均顯著提高了豇豆根際土壤的微生物呼吸速率，可能與各施肥措施能增加土壤有機質含量有關，這與張慶忠等[23]的研究結論一致。本研究還發現，蚯蚓糞處理相比單施化肥亦明顯增強了微生物呼吸強度，可能是由于：1)蚯蚓糞處理能更顯著地增加根際土壤中易分解有機質的量，明顯增加了土壤呼吸的底物；2)蚯蚓糞帶入了中微量元素，能改善根際土壤中的營養元素平衡，對微生物活動產生促進作用，從而顯著提高土壤微生物的呼吸作用[24]。這與張前兵等[25]在棉田上的研究結果基本一致。

代謝熵將微生物生物量的大小與微生物的生物活性和功能有機地聯系起來，可以揭示微生物群落生理的特征[26]。有研究認為[27]，代謝熵較低說明土壤中微生物對碳的利用效率較高，而代謝熵較高則意味著用于微生物細胞合成的碳比例相對較小，即碳源的利用率低。在本研究中，單施化肥的代謝熵低于對照，但差異未達顯著水平，表明單施化肥對碳源的利用率很有限；而徐永剛等[20]研究認為，單施化肥較對照能明顯提高土壤微生物呼吸作用，這與本研究結果不完全一致，這一差異可能與作物種類、土壤質地、施肥周期等因素有關，具體原因還有待于進一步深入研究。本研究還發現，施用蚯蚓糞處理的代謝熵顯著低于對照和單施化肥，分析其原因可能是盡管各處理的微生物呼吸與微生物量碳呈現出正相關的變化規律，均為配施蚯蚓糞>蚯蚓糞>單施化肥>對照，但施用蚯蚓糞處理的微生物量碳含量增加更快，所以降低了代謝熵。同時，配施蚯蚓糞處理的代謝熵明顯低于蚯蚓糞處理，這可能是因為蚯蚓糞與化肥配施更好地調節了土壤的碳氮比，明顯促進了土壤微生物的大量繁殖和微生物活性的提高，顯著增加了微生物生物量，從而提高了對碳源的利用率，使得代謝熵降低。這與宋蒙亞等[28]的研究結論基本一致。

4　小結

同單施化肥相比，蚯蚓糞與化肥配施處理顯著增加了根際土壤微生物數量與微生物量碳，其中細菌數分別較對照、單施化肥和蚯蚓糞處理增加124.13%，70.48%和17.83%。施用蚯蚓糞明顯促進了豇豆根系的生長，尤其增加了毛細根的數量及在根體系中的比例。同時，配施蚯蚓糞處理明顯提高了根際土壤中根系分泌物含量，并顯著增強了土壤微生物的呼吸作用，但降低了代謝熵，其中土壤微生物呼吸分別比對照、單施化肥和蚯蚓糞處理高出64.91%，36.23%和16.05%，而代謝熵分別下降10.85%，9.06%和5.32%。與配施蚯蚓糞相比，蚯蚓糞處理對豇豆根際土壤微域的影響作用較小。綜合分析認為，施用蚯蚓糞相比單施化肥能明顯改善豇豆根際土壤的微生態環境，且能顯著增強土壤微生物活性，其中蚯蚓糞與化肥配施的作用效果更優。

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(責任編輯高峻)

Effects of vermicompost on biological characteristics and microbial activity in rhizosphere soil of cowpea

JIA De-xin1， LI Shi-ping2， WANG Feng-dan2， WANG Ming-you2，*

(1.DezhouAcademyofAgriculturalScience，Dezhou253015，China; 2.CollegeofEcologyandGardenArchitecture，DezhouUniversity，Dezhou253023，China)

A field experiment including 4 treatments， CK (neither urea nor vermicompost was applied)， CF (100% of nitrogen was provided by urea)， VC (100% of nitrogen was provided by vermicompost)， and VC+CF (50% and 50% of nitrogen was provided by vermicompost and urea， respectively) was performed， to determine the effects of different treatments on microbial population， microbial biomass carbon content， root system construction， root exudates content， microbial respiration and metabolic quotient in the rhizosphere soil of cowpea. It was shown that in comparison with CF treatment， VC+CF treatment significantly increased microorganism population and microbial biomass carbon content. Bacteria population under VC+CF treatment was increased by 124.13%， 70.48% and 17.83% compared to that under CK， CF and VC treatment， respectively. Vermicompost application obviously promoted the root growth and construction of cowpea， especially fine root weight and the ratio of fine root. Meanwhile， VC+CF treatment evidently increased the root exudates content and significantly increased microbial respiration， but the metabolic quotient was decreased. Microbial respiration under VC+CF treatment was increased by 64.91%， 36.23% and 16.05% compared to that under CK， CF and VC treatment， respectively， while the metabolic quotient was reduced by 10.85%， 9.06% and 5.32%， respectively. However， the effect of VC treatment on micro-domain environment characteristics was minor. In conclusion， vermicompost application could significantly improve micro-ecological environment and enhance the microbial activity of cowpea rhrizosphere soil compared with CF treatment， especially when vermicompost was co-applied with inorganic fertilizer.

cowpea; vermicompost; root construction; soil microbial respiration; metabolic quotient

10.3969/j.issn.1004-1524.2016.02.23

2015-08-10

山東省農業良種工程項目([2013]207號)

賈德新(1965—)，男，山東武城人，高級農藝師，主要從事農作物(蔬菜)育種栽培研究。E-mail: jiadexin2015@163.com

，王明友，E-mail: nwmy_sddz@163.com

S147.2；S154.3

A

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