蚯蚓糞對設施甜瓜土壤微生物特性的影響

李少杰 王紅梅 曹云娥

摘要：以甜瓜（Cucumis melo）No.1為試材，采用單因素完全隨機設計，設計30、60、90 t/hm2等3個蚯蚓糞梯度，探討不同蚯蚓糞施入量對土壤酶活性、微生物量及碳源利用率的影響。結果表明，與對照（CK）相比，蚯蚓糞處理有機質含量增加21.93%～31.38%，全氮含量提高35.64%～48.29%;顯著提高土壤蔗糖酶、磷酸酶、蛋白酶和過氧化氫酶活性;利于微生物繁殖，增加土壤可培養細菌數量118.24%～274.53%，可培養放線菌數量44.29%～115.89%，顯著提高土壤中生理菌群數量，土壤氨化細菌數量增加192.12%～471.52%，亞硝化細菌數量增加34.91%～90.95%，反硝化細菌數量增加33.33%～332.81%;顯著提高土壤微生物量碳含量7.64%～44.45%，微生物量氮含量22.46%～58.43%;顯著提高了土壤碳水化合物、多聚類、羧酸類、氨基酸類、胺類及酚類碳源的利用水平。處理間比較可見，施用量越大，效果越好，90 t/hm2處理效果最佳，促進有機質增加，提高土壤微生物生長、繁殖、酶活性，微生物對碳源的利用效果最好。

關鍵詞：蚓糞;微生物活性;土壤酶;生理菌群;碳源的利用

中圖分類號： S154.39? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）10-0286-05

隨著設施蔬菜生產的區域化、規?；?、專業化的發展[1]，蔬菜設施栽培成為現代農業優選項目。然而設施蔬菜栽培中為了追求高效益，過量施用化肥和農藥，栽培品種單一且存在多年連作等現象，直接導致土壤質量下降，蔬菜品質、產量及抗性也隨之下降，嚴重威脅著生態環境及制約著設施蔬菜產業可持續發展。施肥是影響土壤質量演化及其可持續利用最為普遍的農業措施之一[2]。施肥能激活休眠細胞參與土壤物質循環[3]，是改善土壤理化性質、提高作物產量、改善設施蔬菜品質的重要環節[4]。研究表明，施用蚯蚓糞可增加有機碳源的多樣性，能顯著提高土壤微生物生物量及及土壤酶活性[5-6]，促進土壤微生物多樣性的恢復[7]，有效抑制連作障礙的發生進程，改善土壤微生態環境[1]。

土壤微生物量是指生活在土壤中的體積小于5×103 μm3 的微生物活體的總量[8]，細菌、真菌、放線菌為主要類群，既是土壤有機質和養分分解、轉化、釋放及循環的動力，又可作為土壤養分的儲備庫，同時也是植物生長中有效養分的重要來源[2]，并對土壤環境條件的改變尤為敏感。因此，其對土壤肥力狀況及作物養分供應起決定性作用。土壤微生物量碳、氮是土壤碳素、氮素分解、轉化、循環的重要參與者，能直觀反映土壤微生物和土壤肥力狀況[9]。土壤酶活性是土壤生物學活性的總體現，作為衡量土壤質量變化的預警和敏感指標[10]，表征了土壤的綜合肥效及其養分分解、轉化進程，反映了土壤生化反應的方向與速度，是衡量土壤肥力水平的重要指標。因此，研究不同施用量蚯蚓糞改良設施土壤措施對微生物生物量的影響具有十分重要的意義。

前人研究主要集中在施用化肥或有機肥對土壤理化性質指標或者單一微生物學指標的影響，而系統性研究蚯蚓糞的施用量及方法對土壤微生物生物量、土壤酶活性等多種土壤微生物學指標的影響的報道較少。本研究以寧夏銀川市西夏區鎮北堡鎮多年連作的設施甜瓜為對象，通過施用不同量蚯蚓糞改良土壤，探討蚯蚓糞對設施土壤酶活性、可培養微生物數量、微生物量碳氮及微生物碳源利用的影響，旨在為尋求合理有效的土壤改良措施提供科學的理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在寧夏銀川市西夏區鎮北堡鎮蔬菜生產基地進行。鎮北堡鎮（38°37′N、106°03′ E）氣候干燥，日照充足，光熱資源豐富，日照時數約為3 039.6 h，無霜期約為129 d，年降水量僅為99.7 mm～233.1 mm，而年蒸發量高達1 583.2 mm，屬典型中溫帶干旱氣候[11]。

選擇的溫室為種植了4年的日光溫室，供試土壤為粉沙壤土，土壤pH值為8.21，電導率（EC）值為0.25 mS/cm，有機質含量為5.02 g/kg，全氮含量為0.34 g/kg，全磷含量為046 g/kg，全鉀含量為0.58 g/kg，有效氮含量為12.58 mg/kg，有效磷含量為19.82 mg/kg，有效鉀含量為156.2 mg/kg。

1.2 試驗材料

供試甜瓜（Cucumis melo）品種為No.1。蚯蚓糞原材料由牛糞和秸稈堆置而成，經大平2號蚯蚓分解而得，pH值為 8.34，EC為0.23 mS/cm，有效鉀含量為0.53 g/kg，有效磷含量為0.71 g/kg，有效氮含量為0.13 g/kg，全鉀含量為 6.88 g/kg，全磷含量為2.06 g/kg，全氮含量為9.34 g/kg，有機質含量為196.34 g/kg。

1.3 試驗設計

供試溫室長88 m，寬7.6 m，沒有加溫和補光設備。試驗于2017年4—7月之間進行，共設4個處理：0、30、60、90 t/hm2 蚯蚓糞，分別記為CK、VC2、VC4、VC6。試驗為完全隨機區組設計，每個處理3個小區，小區長4.2 m，寬7 m，每小區種植3畦，采用寬窄行方式栽培，大行距為80 cm，小行距為40 cm，株距為40 cm，每畦共種植36株甜瓜苗。

選取長勢一致的甜瓜壯苗，于2017年4月18日定植，于2017年7月2日拉秧。灌溉方式采用覆膜滴灌，每畦2條，各處理施肥量以及灌水量均一致，在甜瓜生長期間，各處理每次施尿素、硝酸鉀及復合肥總量為150 kg/hm2，全生育期共追施10次，定期整枝打杈，其他栽培管理措施保持一致。

1.4 樣品的采集與分析

1.4.1 土壤樣品采集 土壤樣品在結果盛期于根圍（距離植株莖2 cm左右）選取5個不同部位用土鉆采樣，采集后將樣品混合。將土壤樣品過2 mm篩并混勻，然后將樣品分成2份，1份保存于-20 ℃冰箱冷凍，用于微生物相關指標測定;1份風干后測定。

1.4.2 土壤理化指標的測定 參考鮑士旦的方法[12]測定土壤理化性質。

1.4.3 土壤酶活性的測定 參考關松蔭的方法[13]測定土壤酶活性。采用苯酚-次氯酸鈉比色法測定土壤脲酶活性，以1 d后1 g土壤中氨態氮（NH3-N）的質量（mg）計;采用磷酸苯二鈉比色法測定土壤磷酸酶活性，以1 d后1 g土壤中釋放出的酚的質量（mg）計;采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定土壤蔗糖酶活性，以1 d后1 g干土生成的葡萄糖（C6H12O6）的質量（mg）計;采用高錳酸鉀滴定法測定土壤過氧化氫酶活性，以1 g土壤在20 min內消耗的0.02 mol/L KMnO4體積（mL）計;采用比色法測定蛋白酶活性，以1 d后1 g土壤中氨基氮（NH2-N）的質量（mg）表示。

1.4.4 土壤微生物指標的測定 土壤微生物數量測定采用稀釋平板計數法。采用牛肉膏蛋白胨培養基培養細菌;采用馬丁孟加拉紅-鏈霉素選擇性培養基培養真菌;采用改良高氏一號培養基培養放線菌[14];采用阿須貝氏培養基培養好氧性自生固氮菌;采用蛋白胨液體培養基培養氨化細菌;采用銨鹽培養基培養亞硝化細菌;采用檸檬酸鈉培養基培養反硝化細菌[15]。參考吳金水等的方法[16]測定土壤微生物量碳和氮。采用三氯甲烷熏蒸直接提取-重鉻酸鉀/硫酸消煮-硫酸亞鐵滴定法測定微生物量碳;采用茚三酮反應態氮增量法測定微生物量氮。采用Biolog ECO微平板測定微生物碳源利用情況[17]，主要包括碳水化合物、多聚類、羧酸類、氨基酸類、胺類、酚類。具體測定方法為將土樣用無菌水稀釋成10-3土壤稀釋液，于每個ECO微平板孔中添加150 μL土壤懸液并在25 ℃黑暗條件下培養。每隔24 h在590 nm處測定吸光度直至穩定。

1.5 數據處理

采用Excel制圖，用SPSS 19.0軟件對數據進行統計分析，選用LSD法在α=0.05水平上進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 蚯蚓糞對土壤有機質和全氮含量的影響

土壤有機質含量代表土壤肥力，通過改善土壤團粒結構和增加土壤通透性，可有效緩解作物逆境作用，為地上部植物提供養分，同時也作為土壤微生物的碳源和氮源[18]，重建土壤微生物群落并增強其活性。由圖1可知，蚯蚓糞處理顯著提高土壤有機質含量，與CK相比，蚯蚓糞處理有機質含量增加了21.93%～31.38%，且隨著蚯蚓糞施用量增加表現為遞增趨勢，其中VC6處理有機質含量最高。

土壤全氮反映了土壤氮素的整體水平，是土壤潛在肥力的表征之一，并與土壤有機質含量具有正相關性[17]，也是土壤肥力的重要指標。由圖2可知，施用蚯蚓糞顯著提高了土壤全氮含量，與CK相比，增加了35.64%～48.29%。施蚯蚓糞對全氮含量的影響與有機質含量趨勢一致，均隨著蚯蚓糞施用量的增加而增加。

2.2 蚯蚓糞對土壤酶活性的影響

土壤酶是土壤生物化學過程的主要參與者，其中脲酶促進尿素轉化為氨供植物吸收利用，磷酸酶促進土壤中的有機磷轉化為無機磷，蔗糖酶促進蔗糖的轉化與分解，過氧化氫酶分解土壤中對活細胞有害的過氧化氫，其土壤酶活性與微生物數量與活性、土壤呼吸強度及土壤肥力密切相關。此外，蛋白酶參與土壤中眾多有機物的轉化，其活性與土壤中的有機質及氮素含量有關。由表1可知，蚯蚓糞顯著影響了土壤酶活性，除對脲酶活性的影響沒有達到顯著水平外，對其他酶活性的影響均達到顯著水平。與CK相比，蚯蚓糞處理的蔗糖酶活性提高了21.75%～98.88%，磷酸酶活性提高了4607%～70.79%，蛋白酶活性提高了3.58%～37.83%，過氧化氫酶活性提高了29.94%～77.71%，對磷酸酶活性的影響最明顯，可能由于蚯蚓糞激發了土壤磷酸酶活性，從而促進無機磷釋放;蚯蚓糞各處理間的蔗糖酶與過氧化氫酶活性差異均達到0.05顯著水平，VC4與VC6處理的磷酸酶與蛋白酶活性差異沒有達到0.05顯著水平。整體來看，土壤酶活性基本隨著蚯蚓糞施用量的增加而增加，多數酶活性以VC6處理最大，表明蚯蚓糞能夠提高土壤的生物活性和土壤肥力。

2.3 蚯蚓糞對土微生物群落結構的影響

微生物的主要組成成分有細菌、放線菌和真菌，在耕作層中細菌數量居多，同時也是土壤中最活躍的生物因素，其次為放線菌，真菌數量最少，其主要作用是分解土壤中的有機化合物和促進土壤中腐殖質的合成以及推動土壤中各種物質循環[19]。由表2可知，蚯蚓糞處理顯著影響土壤可培養細菌和放線菌數量，對真菌數量影響不顯著;與CK相比，蚯蚓糞處理土壤的可培養細菌數量增加了118.24%～274.53%，可培養放線菌數量增加了44.29%～115.89%;VC4與VC6處理間的放線菌數量差異不顯著;可培養細菌、放線菌數量隨蚯蚓糞施用量的增加而增加，VC6處理最大。結果表明，蚯蚓糞可以促進土壤細菌和放線菌的繁殖，從而促進土壤有機質的礦化及作物對水分、養分的吸收利用。

從表2還可以看出，蚯蚓糞同時也顯著影響土壤的生理菌群數量。CK處理自生固氮菌數量與VC4、VC6處理相比差異顯著（P<0.05），分別是VC4、VC6處理的1.79、2.61倍;與CK相比，蚯蚓糞處理土壤的氨化細菌數量增加了192.12%～471.52%，亞硝化細菌數量增加了34.91%～90.95%，反硝化細菌數量增加了33.33%～332.81%，并且這些生理菌群數量均隨蚯蚓糞施用量的增加而增加，VC6處理菌落數量最多。結果說明，蚯蚓糞有利于生理菌群的繁殖，尤其是反硝化細菌。

2.4 蚯蚓糞對土微生物量碳氮的影響

土壤微生物量氮既是土壤有機質及土壤養分轉化和循環的動力，也是土壤活性養分庫[20]，以無機養分的形式釋放并供植物吸收利用。土壤微生物量碳含量變化反映了微生物利用土壤碳源進行自身細胞建成而大量繁殖和微生物細胞解體使有機碳礦化的過程[21]。由圖3可以看出，蚯蚓糞處理微生物量碳、微生物氮含量均有不同程度提高，且施用量越大效果越明顯。與CK相比，蚯蚓糞處理土壤微生物碳含量增加了764%～44.45%，土壤微生物量氮含量增加了22.46%～5843%，其中VC4和VC6處理與對照差異均達顯著水平。表明蚯蚓糞能提高土壤碳氮源含量，促進微生物繁殖。

2.5 蚯蚓糞對土壤微生物碳源利用的影響

碳是微生物的主要食源，不同類群微生物對碳源利用的水平不同。由表3可以看出，蚯蚓糞處理顯著影響土壤所有類型碳源利用。與CK相比，施用蚯蚓糞顯著提高了土壤碳水化合物、多聚類、羧酸類、氨基酸類、胺類及酚類碳源的利用水平，且隨蚯蚓糞施用量增加土壤微生物碳源利用水平逐漸提高，VC6處理達到最大值，分別提高了41.48%、50.35%、39.01%、21.56%、58.86%、60.96%。結果表明，蚯蚓糞處理可提高碳源利用水平，使不同類型微生物活性增強，利于土壤微生態環境的改良。

3 結論與討論

有機質是評價土壤肥力水平的重要指標之一[22]。本研究結果表明，土壤通過添加蚓糞，顯著提高了土壤的有機質含量，對土壤具有很好的培肥作用。與CK相比，蚯蚓糞處理有機質含量增加了21.93%～31.38%，這與鄭世英等的研究結果[23]相符。主要由于蚓糞含有豐富的有機質以及腐殖質，且飼養蚯蚓的餌料來源于黃牛糞，使得蚯蚓糞中營養物質的含量高于相同原材料的普通堆肥，進而有機質和腐殖質含量均增加。蚓糞中還含有植物生長激素、各種酶類物質及有益微生物[24]，在微生物作用下，有機質與土壤中鈣離子凝聚形成穩定的團粒結構，土壤容重降低[25]，使土壤具備良好的通氣性、持水性、排水性和好氧環境，從而促進土壤中營養物質的利用及植物根系的生長[26]。

土壤酶活性是土壤中生物化學過程的總體現，反映土壤生物活性和土壤生化反應強度、土壤性質和肥力水平[27]。本研究結果表明，土壤施用蚯蚓糞，土壤磷酸酶、蔗糖酶、蛋白酶及過氧化氫酶活性顯著提高，但對脲酶活性影響不顯著，這可能由于土壤磷酸酶、蛋白酶與蔗糖轉化酶活性分別與速效磷、堿解氮、溶解性碳含量呈顯著正相關[28]，蚯蚓糞、生物碳、秸稈的施用，使得土壤中可利用氮、磷、碳含量迅速增加，而這些元素作為微生物生長的能源物質被吸收利用，刺激土壤微生物的活性，促進各種酶的分泌以及土壤氮、磷、碳素循環，從而增強了土壤酶活性，提高了土壤生產力。

外源蚓糞帶入土壤大量微生物以及種微生物生長所需的養分[29]。研究表明，蚯蚓糞的添加顯著增加了土壤可培養微生物的量。本研究結果表明，蚓糞處理能顯著提高土壤可培養細菌和放線菌數量，這說明蚯蚓糞處理可促進土壤微生物繁殖，一方面由于土壤中多數微生物處于一種低營養狀態，蚯蚓糞加入為土壤中微生物提供新的能源，使土壤中微生物數量及類群發生了改變;另一方面由于蚓糞中含有大量有益微生物，施入土壤中促進土壤中優勢種群的生長繁殖，對微生物群落組成和多樣性具有一定的調控作用，進而增加土壤中細菌、放線菌、真菌數量。有報道表明，施用蚓糞增加了土壤有機物數量，對土壤微生物起促進作用。本研究表明，蚯蚓糞處理有利于土壤生理菌群數量的增加，主要由于蚓糞表面具有結構特殊，具有很好的孔性和很大的表面積，具有很強的吸附特性及對土壤酸堿的緩沖能力，并具有吸收和保持營養物質的能力，可改善土壤理化性質，調控土壤微生物生態等。

微生物碳氮作為土壤-作物二者之間極其重要的紐帶，推動著土壤有機質和土壤養分的轉化與循環[29-30]。本研究結果表明，蚓糞可顯著提高土壤微生物碳氮含量，較CK土壤微生物碳含量增加了7.64%～44.45%，土壤微生物氮含量增加了22.46%～58.43%。蚯蚓糞作為土壤改良劑，能夠有效改良土壤結構，提高土壤的通透性，改善土壤微生物的生活環境，為微生物生長提供碳源、氮源和其他養分[31]，加強土壤中微生物生長和繁殖的能力，進而增加了微生物生物碳氮含量，促進微生物碳氮的增加。

蚓糞施入增加了微生物對碳源的利用，但微生物對碳源的利用存在很大差異[32]。土壤微生物群落對碳源的利用表明，蚯蚓糞提高了土壤碳水化合物、多聚類、羧酸類、氨基酸類、胺類及酚類碳源的利用率。可能由于外源有機物料施入，改善了土壤環境，增強了土壤生態系統功能，為微生物生長繁殖提供了良好的環境，增加了微生物數量和微生物多樣性[33]，進一步提高了微生物對碳源的利用。

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