施加有機肥下木質素對平邑甜茶根系活力及根際土壤微生態的影響

呂婷雯,沈汝波,楊洪強,范偉國,張瑞雪,王利*,徐穎,曹輝,寧留芳,周春然

1.山東農業大學林學院,山東 泰安 271018

2.山東臨朐縣果樹站,山東 臨朐 262600

3.山東農業大學園藝科學與工程學院,山東 泰安 271018

我國造紙工業發展十分迅速，在滿足人們生活需要的同時，也產生了許多廢棄物。而木質素就是來源于廢棄物之一，它存在于植物細胞次生壁與胞間層的中間[1]。制漿廢液中的木質素以改變土壤團聚體結構，增加營養元素的有效性等方式來改善土壤質量[2]。在土壤中施用木質素復合肥后，其降解產物能有效結合土壤中分散的土粒膠體，降低土壤對磷、鉀等的吸附固持能力[1]。木質素的抗誘變性可以產生類似鄰醌類植物生長激素，這種激素能夠促進平邑甜茶植株幼苗根系的發展[3]。

木質素能夠抑制脲酶活性[4,5]，且將其與氮肥配施有益于土壤中多酚氧化酶和過氧化物酶活性的顯著增加[6]。施用適量木質素可增加冬小麥的生長量[7]。近幾年，以平邑甜茶（Malus hupehensisRehd.）為試材，對其進行生理特性的研究有很大的進展，但目前施用木質素對平邑甜茶根系活力及土壤微生態環境影響的研究甚少，基于木質素與有機肥的大量研究，本實驗將探討在不同有機肥添加量下，木質素施入土壤后對植物根系活力及土壤環境的影響，以便更好地在生產中應用。

土壤是植物賴以生存的大環境，土壤的改善導致根系環境的改變，它的養分狀況因多種因素而改變，如有機肥的施用及添加改良劑的種類等。土壤酶的存在使土壤中的微生物吸收足夠供植株生長的養分，對土壤中碳素循環及營養物質的積累有很大的作用，在土壤中加入有機肥后，可以促進土壤磷酸酶，過氧化物酶及脲酶活性[8]。土壤微生物作為土壤有機質及土壤中養分分解的參與者，其活性某種程度上可以表征土壤的健康狀況。生物炭和有機肥組合可以改善土壤微生物多樣性[9]。

作為蘋果的一種砧木，平邑甜茶的抗病能力和適應能力極強，其實生苗個體間差異小，是一種類茶植物[10]。本試驗以平邑甜茶為試材，在盆栽條件下，探討在施加有機肥條件下不同濃度木質素對平邑甜茶根系活力及根區土壤酶活性和土壤微生物的變化，以期為進一步木質素資源的有效利用，改善根際土壤的環境和科學培育平邑甜茶提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗區概況

試驗于2015年3～11月在山東農業大學南校區科技創新園進行。供試植株為生長勢相近的1年生盆栽平邑甜茶，花盆內徑36 cm，高27 cm，裝土量為10.2 kg。盆土（普通褐土、河砂按照8:2（V/V）均勻混合而成）的速效磷 27.3 mg·kg-1，堿解氮 54.9 mg·kg-1，速效鉀 33.9 mg·kg-1，有機質 12.4 g·kg-1，pH 7.3，試驗用木質素為堿木質素，購自山東某木質素生產有限公司。

1.2 試驗處理

試驗設計為在添加10%和40%體積配比的有機肥（主要成分為堿解氮1.1 mg·kg-1，速效鉀12.1 g·kg-1，有機質 350.5 g·kg-1，速效磷 234.9 mg·kg-1）的盆土中，分別施入用量為 0、1.5、2.5 g·kg-1的木質素，混合均勻，共6個處理；每處理3株供試平邑甜茶；2015年3月21日將長勢一致的一年生平邑甜茶栽入盆中，以未施木質素的盆土為對照。在盆栽土壤相對含水量降到50%左右時對各處理進行灌溉，使其達到含水量大約80%。取樣前一周內不灌水。處理180 d后取樣測定。

1.3 測定指標與方法

試驗于2015年11月下旬取樣測定，取樣時由于表層土壤相對干燥，微生物分布較少，所以用小鏟子刮掉表層土壤，在盆中均勻取出平邑甜茶根系及根系周圍的土壤，分揀出根系，剔除土壤中的雜物，用力抖動集中收集緊密粘附在根系表面的土壤為本次測定的根際土壤，1盆1株苗子，每個處理取3個重復，然后把根系放入冰盒中以測定根系活力；根際土壤裝進自封袋，分成2份，1份放入帶有冰塊的保溫瓶中，帶回實驗室放進4℃冰箱內，以供測定土壤微生物等；另1份土壤自然風干，研磨后過18目篩，用于測定土壤酶活性。

1.3.1 土壤的基本特性 參照楊劍虹等[11]測定土壤速效鉀、堿解氮及速效磷含量；土壤堿解氮采取堿解擴散法來檢測；土壤速效鉀測定使用1 mol·L-1乙酸銨浸提-火焰光度法；土壤速效磷采取0.5 mol·L-1的碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定。采用Elab-TOC總有機碳分析儀測定土壤有機質含量[12]。

1.3.2 根系活力 利用TTC法測定[13]。

1.3.3 土壤酶活性 土壤脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法，稱取5 g風干土于50 mL三角瓶中于37℃恒溫培養箱24 h，之后顯色于578 nm比色測定；土壤堿性磷酸酶采取磷酸苯二鈉比色法，稱5 g風干土置于50 mL三角瓶中于37℃恒溫箱中2 h，之后按標準曲線方法于510 nm比色測定光密度從而計算出磷酸酶活性；土壤纖維素酶采用硝基水楊酸比色法測定，稱取10 g土壤于50 mL三角瓶中于37℃恒溫箱中培養72 h，取培養后的濾液1 mL，按標準曲線方法于540 nm比色記錄；土壤蔗糖酶采取3,5-二硝基水楊酸比色法來測定，稱取5 g風干土于50 mL三角瓶中于37℃恒溫箱中培養24 h，之后顯色于508 nm比色測定[14]。

測定土壤脫氫酶活性采用三苯基四氮唑氯化物比色法[15]。以2,3,5-三苯基四氮唑氯化物為基質接受脫氫酶的活化的氫，反應產物為2,3,5-三苯基甲臢，顯紅色。由甲臢的生成數量及紅色溶液吸光度，然后進行定量分析，1 mg甲臢為150.35 μL H+計算出酶活性。

1.3.4 土壤微生物數量 土壤微生物（細菌、真菌、放線菌）計數采用稀釋涂抹平板法[15]。細菌培養采用牛肉膏蛋白胨培養基，真菌采用加孟加拉紅的馬丁氏培養基，放線菌采用改良高氏Ⅰ號培養基。置于28℃培養箱中進行培養，細菌培養2 d，真菌培養3 d，放線菌培養5 d后計數。微生物數量以每克樣品菌數表示。本試驗細菌采取代表性10-4梯度，真菌10-1梯度，放線菌10-5梯度，選取Shannon-Wiener指數代表用來計算微生物多樣性指數(H)，計算公式為：H=-∑(ni/N)*ln(ni/N)公式中ni為第i個物種微生物個體數量；N為群落中所有物種的微生物個體數目[16]。

1.3.5 數據處理 用Microsoft Excel 2003和DPS 7.05軟件進行數據分析，用Tukey法（α=0.05）進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 木質素對平邑甜茶根系活力的影響

由圖1可以看出，施加有機肥后，經過不同的木質素施用量處理后，平邑甜茶根系活力發生不同的變化。不論施加10%或者40%有機肥，平邑甜茶根系活力都隨木質素施用量的增加而提高，其中2.5 g·kg-1提高最顯著，分別比各自對照提高61.2%和77.4%。兩種有機肥條件下1.5 g·kg-1木質素處理也提高了平邑甜茶根系活力，但提高效果不及2.5 g·kg-1木質素處理顯著。

2.2 木質素對平邑甜茶根際土壤酶活性的影響

由表1可以發現，施加有機肥下，不同的木質素施用量的處理之后，平邑甜茶根際土壤的酶活性發生不同的變化。10%有機肥條件下，隨木質素施用量增加，根際土壤蔗糖酶、脫氫酶活性呈現逐漸升高的趨勢，且顯著高于對照，其中2.5 g·kg-1木質素處理的根際土壤根際土壤蔗糖酶、脫氫酶活性最高，分別比對照增加73.2%和63.7%。脲酶和纖維素酶活性呈現逐漸降低的趨勢，2.5 g·kg-1木質素處理的最低。

40%有機肥條件下，木質素處理增加了根際土壤脲酶、纖維素酶及脫氫酶活性，2.5 g·kg-1木質素處理的蔗糖酶活性最高，比對照提高22.6%，此外平邑甜茶根際土壤纖維素酶活性比對照增加3.51倍。1.5 g·kg-1木質素處理的土壤脲酶活性在三組中最高，比對照提高10.6%。

表1 木質素對平邑甜茶根際土壤酶活性的影響Table 1 Effects of lignin on enzymes activities in rhizosphere soil of Malus hupehensis Rehd.

2.3 施用木質素對平邑甜茶根際土壤微生物的影響

由表2可知，施加有機肥下，不同木質素施用量的處理，根際土壤的各種微生物數量出現不同的變化。10%有機肥條件下，隨木質素施用量增加，1.5 g·kg-1木質素處理的根際細菌、真菌、放線菌、總數量增加最多，分別比對照增加了57.5%、207%、67.2%、60.8%，與對照比較達到顯著差異水平。40%有機肥條件下，平邑甜茶根際細菌、真菌、放線菌、總微生物數量呈現逐漸升高的趨勢，其中，2.5 g·kg-1木質素處理的根際細菌、真菌、放線菌、總數量最多，分別比對照增加了30.2%、179%、40.9%、33.6%，與對照相比較達到顯著差異水平。施加有機肥下，隨木質素施用量增加，根際土壤微生物多樣性指數有所提高，但不同處理間土壤微生物多樣性差異不顯著。

表2 木質素對平邑甜茶根際土壤微生物的影響Table 2 Effects of lignin on microorganism in rhizosphere soil of Malus hupehensis Rehd.

3 討 論

土壤酶的活性與土壤類型等一些因素有很大的關系，它的活性高低反映了土壤中發生化學反應的相對強度，每一種土壤酶從不同層面反映了土壤的狀況，測定酶的活性可以了解土壤中某種物質的轉化情況。N素可以提高土壤微生物生物量，從而顯著影響土壤纖維素酶和脫氫酶活性[17]，本試驗研究顯示可知，10%有機肥條件下，經過不同的木質素施用量的處理，平邑甜茶根際蔗糖酶活性隨木質素濃度的增加都逐漸提高，而脲酶逐漸降低。這是因為木質素碳氮比相對較高為250左右[18]，多種活性基團在土壤中能受微生物的影響分解為腐植酸，土壤中施用腐植酸復合肥可以抑制脲酶活性，顯著提高蔗糖酶活性和磷酸酶活性[4]。土壤纖維素酶活性受根系分泌物、土壤有機碳及土壤pH值的影響很大[19]。本研究中10%低有機肥下，添加木質素后，木質素使得平邑甜茶根系分泌物較少，纖維素降解不夠徹底導致土壤中易溶性營養物質減少，分解纖維素酶的細菌較少，進而導致纖維素酶活性降低[20]。在40%有機肥條件下，木質素提高了平邑甜茶根際土壤脲酶及纖維素酶活性，且較高濃度木質素效果更為明顯，這進一步證實了木質素的加入有利于土壤中主要酶活性的增加；低濃度木質素提高平邑甜茶根際脲酶活性，這與張杰[21]研究結果相反，可能是較高有機肥施用量下，木質素可以彌補氮素的缺失，一定程度增加土壤脲酶活性，促進植株生長。脫氫酶活性升高可能是由于加入木質素后，木質素能夠提高微生物固持氮素的能力，而土壤N素可以提高土壤微生物生物量，從而顯著增加土壤脫氫酶活性[22]。

土壤微生物作為土壤中物質循環的主要推動者，它(細菌、真菌、放線菌)的數量是衡量土壤中微生物體系狀況的重要指標之一[23]。通常來說，細菌在土壤中微生物中的數量最多；放線菌數量與土壤有機質及有效磷含量等有關，可以抑制根際細菌，它介于細菌和真菌之間；真菌數量最少，但有著生物量大的特點；反應微生物多樣性的指數各有差異，本實驗中選取Shannon指數表示物種活動的差異性。一般而言，根際微生物數量及微生物種類的多少在某種程度上決定了土壤微生物活性，間接影響植株的生長發育，但微生物數量與土壤微生物多樣性指數并不成正比[24]。本試驗證明，10%低有機肥條件下，施加低濃度木質素有利于平邑甜茶根際土壤中微生物的活動，更好的促進植株生長。而較高濃度木質素則抑制了土壤中微生物種群的豐富。在40%較高有機肥下，高濃度木質素提高了平邑甜茶根際微生物多樣性，有利于土壤養分最大化利用，保證土壤中各種活動的完成。微生物多樣性指數反映了土壤中微生物種群的豐富程度，如果土壤中多樣性指數越低，那么其中微生物種群比例分布越不均勻[25]。本試驗中微生物多樣性有所提高，Shannon指數無顯著變化，但張杰[21]研究表明木質素降低了Shannon指數，減少了土壤微生物多樣性，其結果差異的原因需進一步探討。

根系活力是反映植物根系生命活動的一個重要的生理指標，與呼吸作用相關聯[26]。根系吸收運輸植株所需的養料及水分的能量由根系部分細胞的呼吸提供。研究發現施用秸稈有利于土壤的物理化學性質的改善，提高黃瓜的根系活力，而本試驗中堿木質素是通過麥草秸桿等堿法制漿黑液中被分開來的產物，在土壤中施用適宜濃度的木質素對提高植株根系活力有一定的促進作用。本研究證明添加有機肥下，木質素提高了根系活力，2.5 g·kg-1木質素處理提高最大，這可能由于添加少量木質素后，木質素作為氮磷復合肥提高了土壤的養分，優化了根系生長的土壤環境，提高了根系活力。施用有機營養物能夠改善根系的生長發育，添加不同物料結果表明番茄的根系活力與根系土壤的微生物特性有正相關聯系[27,28]。在高肥條件下，木質素使用使平邑甜茶根系活力與根系土壤的微生物數量成正相關。本實驗中平邑甜茶的根系活力改變與根際土壤微生態環境的改變有很大的關系，具體的機制有待于下一步研究。

4 結 論

不論10%或40%有機肥條件下，施用木質素提高了平邑甜茶根系活力，較高濃度提高最為顯著。10%有機肥條件下，2.5 g·kg-1木質素處理抑制土壤脲酶及纖維素酶活性，提高土壤堿性磷酸酶及蔗糖酶活性最為顯著；1.5 g·kg-1木質素處理顯著增加土壤微生物細菌、真菌及放線菌數量。40%有機肥下，木質素對土壤脲酶、脫氫酶、纖維素酶活性有促進作用，2.5 g·kg-1木質素處理效果最顯著；2.5 g·kg-1木質素處理提高微生物數量最多。