一種新型土壤改良劑的制備及應用研究

姜莉莉，朱寶偉，李昌麗，姚雨秀，自小雨，鄭曉

（營口理工學院 化學與環境工程學院, 遼寧 營口 115014）

大量使用礦物肥料常常導致了土壤生產力下降和環境污染退化[1]。為了增強土地利用的可持續性，人們越來越關注土壤改良劑的開發研究。土壤改良劑是指一類人為添加在土壤中具有改善土壤物理、化學、生物性質的物料，具有調節土壤根際微生物群落、提高土壤生產力、降低土壤中重金屬離子含量、促進作物生長、增加作物產量和品質等作用[2-4]。土壤改良劑按照性質大致可分為無機類、有機類、生物類[5-7]，實際應用中常常多種類型的改良劑復合使用，可更好地發揮促進作物生長的作用。

泥炭是由植物殘體所形成的褐色、棕色或黑色的沉積物，富含腐殖質和富里酸等成分，富里酸是一種優秀的電解質，可吸附重金屬，并具有促進動植物的生長和預防疾病的作用[7]。泥炭常用于富里酸的制備，并且提取完富里酸后的泥炭常常廢棄，因其含有殘留的富里酸和其他腐殖質成分而造成了資源的浪費。擬青霉（Paecilomyces）能促進難溶磷酸鹽的溶解及許多化學聚合物（如農藥等）的分解，還可以防治植物寄生線蟲病，具有一定的環保效應[8]。利用擬青霉菌和泥炭制備土壤改良劑還未見報道。鑒于此，本研究將從富里酸溶液中篩選出的擬青霉菌（Paecilomyces HGX-1）接種在廢棄泥炭上制備新型土壤改良劑，并探究了該土壤改良劑對植物生長的影響及其作用機制。本研究成果將為新型土壤改良劑的制備及土壤改良劑的高效、綠色應用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 培養基與菌種

PAD 培養基：土豆200 g、葡萄糖20 g、瓊脂15～20 g、水1 000 mL，115 ℃下滅菌20 min 后，備用。瓊脂、葡糖糖：北京奧博星生物技術有限責任公司；

擬青霉菌（Paecilomyces HGX-1）：營口理工學院化學與環境工程系生物工程實驗室分離篩選。

1.2 土壤改良劑的制備

1.2.1 菌種活化

將4 ℃冰箱保存的菌種接種于滅菌的固體土豆培養基上，并將培養皿置于恒溫培養箱中，30 ℃培養24 h 進行菌種的活化。

1.2.2 搖瓶培養

將裝有100 mL 土豆液體培養基的250 mL 三角瓶用紗布和牛皮紙封口，滅菌冷卻后接入活化菌種，置于恒溫搖床培養箱中30oC、200 r·min-1培養48 h。

1.2.3 土壤改良劑的制備

稱取經富里酸提取過的泥炭600 g 并平均放置于2 個托盤（50 cm×30 cm）中，分別將搖瓶培養后90 mL 擬青霉菌菌液接種在上述泥炭中，在泥炭上噴灑一些無菌水使泥炭保持濕潤，最后在泥炭上覆蓋一層保鮮膜，并在保鮮膜上扎許多的小孔，最后置于恒溫培養箱中，在30 ℃下培養10 d 后備用，定期進行攪拌并保持泥炭濕潤。

1.3 土壤pH 測定

稱取10 g 待測土樣置于50 mL 燒杯中，加入25 mL 的無二氧化碳的蒸餾水，密封后用磁力攪拌器攪拌2 min，靜置30 min 后，用pH 計測定。

1.4 土壤細菌群落結構測定

采集對照組和添加土壤改良劑實驗組的植株，去除根部大塊土壤，晃動根部，去除根部松散的土壤后，使用無菌刷從根部收集殘留土壤5 g，液氮速凍，置于-80 ℃冰箱保存。土樣用干冰保存郵寄到上海美吉生物醫藥科技有限公司，進行微生物宏基因組測序，對樣本的 16S rDNA V4 區域進行擴增，采用的前端引物為515F(5’- TGCCAGCMGCCGCGG TAA-3’)，反向引物為806R (5’- GGACTACHVGGG TWTCTAAT-3’)； 采用MiSeq 2000 (Illumina)測序平臺系統對PCR 擴增產物進行測序；在97%相似水平下，用UCLUST 方法對操作分類單元(OUT)進行；利用RDP 數據庫對OTU 進行物種分類。

2 實驗結果

2.1 土壤中不同添加成分對植株生長的影響

取8 個同樣大小的花盆，分別放入140 g 經170 目（90 μm）篩子篩過后的校園花壇中普通土壤，并分成4 組，其中1 組作為空白，其余3 組分別添加10%泥炭、10%菌液、10%土壤改良劑，種上相同數量的黑豆種子, 并于室溫培養20 d 后記錄植株生長情況，所有數據取每組植株的平均值，實驗結果如表1 所示。

表1 不同土壤添加成分對植株生長的影響

根據表1 可見，添加土壤改良劑后植株的平均高度為9.4 cm，高于其他組植株的平均高度，說明該土壤改良劑對植株的生長有一定的促進作用；另外，添加土壤改良劑后植株的平均根長為5.2 cm、平均重量為10.3 g 均高于其他組測定的數據，說明該改良劑可以促進植物根部生長，進而提高植株對土壤中營養物質的吸收能力，從而起到了促進植株生長和增加植株重量的作用。另外，由表1 也可以看出，與菌株和泥炭單獨使用相比，土壤改良劑對植株生長的促進作用要更加明顯，很有可能是由于擬青霉菌和泥炭復合后共同發揮作用的結果。

2.2 土壤改良劑不同添加量對植株生長的影響

取8 個同樣大小的花盆，分別放入280 g 經170 目（90 μm）篩子篩過后的校園花壇中普通土壤，并分成4 組，每組按照0%、5%、10%、15%的比例添加土壤改良劑后，種上相同數量的黑豆種子, 并于室溫培養30 天后記錄植株生長情況，所有數據取每組植株的平均值，實驗結果如表2 所示。

表2 不同添加量的土壤改良劑對植株生長的影響

由表2 可見，土壤改良劑的添加對植株的發芽率和高度均具有一定的促進作用，但對植株葉片數量沒有明顯的影響。尤其當土壤改良劑的添加量為10%時，黑豆的發芽率最高，由22%上升為61%。此組植株高度也從26.0 cm 提高為43.6 cm，但與5%和15%添加量的實驗組相比，植株略矮一些，分析原因可能是由于10%添加量的實驗組中植株數量較多，土壤中平均營養較少所造成。實驗結果也表明土壤改良劑的添加量對植株生長具有一定的影響作用，但并不是添加量越高就越利于植株的生長，因此從出芽率和經濟性兩方面考慮，確定10%為該土壤改良劑的最適添加量。

2.3 土壤改良劑對土壤pH 值的影響

分別取質量分數為0%和10%土壤改良劑的土壤10 g，分別測定土樣的pH 值，考察土壤改良劑對土壤pH 的影響，具體實驗數據如表3 所示。由表3 可見，本實驗制備的土壤改良劑呈酸性，將其添加到土壤中可使土壤的pH 降低，呈偏酸性，利于土壤中的金屬離子溶解及植物的吸收，從而促進植物的生長。蘇洪君等[9]使用生物菌混配的土壤改良劑降低了林地的pH, 提高有機質和氮磷含量，并促進了根系生長發育。

表3 土壤改良劑對土壤pH 值的影響

2.4 土壤改良劑對土壤中細菌群落的影響

土壤微生物是評價土壤質量的關鍵生物學指標，不僅可以改善土壤質量，而且對植物生長發育具有一定的促進作用[10]。土壤中細菌的質量分數約占微生物總量的70%～90%[11]，因此，利用高通量測序技術分析土壤中細菌群落的變化，探究土壤改良劑的添加對土壤中微生物群落結構產生的影響。針對土壤中細菌群落組成在科水平上進行分析，如圖1 所示，伯克氏菌科（Burkholderiaceae）在科水平上占主導地位，并且其在菌群中的豐富度受土壤改良劑影響顯著，從對照組8.3%顯著上升為21.2%。伯克氏菌在農業上是一類具有生物降解、生物控制及促進植物生長等多種功能的根圈微生物[12]。由此可推斷本實驗室制備的土壤改良劑通過提高土壤細菌群落中伯克氏菌科的豐富度來促進植物的生長。

圖1 科水平上添加土壤改良劑后種植土壤細菌菌群的相對豐度

3 結論

本文以提取富里酸后的廢棄泥炭為基質，通過接種擬青霉菌制備成新型土壤改良劑，實現了變廢為寶、降低生產成本的目的，該土壤改良劑的最適添加量為10%，對植株的出芽率及根部和株高具有一定的促進作用。該土壤改良劑的添加能夠調節土壤的pH值呈偏酸性，利于植物對金屬離子的吸收；另外，還可以顯著提高土壤細菌群落中伯克氏菌科（Burkholderiaceae）的豐富度。因此，該土壤改良劑可以通過調節土壤理化性狀，改善植物生長的微生態環境，進而促進植物的生長具有潛在的利用價值。