蚯蚓及植物促生根际细菌对土壤中氮和钾有效性的影响

吴福勇 毕银丽 毛艳丽

摘要：采用室内试验的方法研究不同接种方式接种威廉环毛蚓（Pheretima guillelmi）、植物促生根际细菌（钾活化细菌（Ｂａｃｉｌｌｕｓ ｍｕｃｉｌａｇｉｎｏｕｓ ＰＤＳＫ－１）和固氮细菌（Ａｚｏｔｏｂａｃｔｅｒ ｃｈｒｏｏｃｏｃｃｕｍ ＰＤＳＮ－５））对土壤中固氮细菌和钾活化细菌的生长、土壤脲酶的活性以及土壤钾有效性的影响。７种接种方式均明显增加了土壤中固氮细菌和钾活化细菌的生长。蚯蚓活动对土壤中固氮细菌生长的影响有限，但明显增加了钾活化细菌的生长。接种蚯蚓、接种固氮细菌、接种蚯蚓和固氮细菌均明显增加了土壤中脲酶的活性。土壤中脲酶活性和速效钾的浓度分别与土壤中固氮细菌与钾活化细菌的数量成显著正相关关系（Ｐ＜０．０５）。试验结果表明，混合接种方式是一种有潜力的生物技术，可以用来减少农业生产中化肥的施用量。

关键词：蚯蚓；植物促生根际细菌；混合接种；土壤酶活性

中图分类号：Ｑ９３９．１ 文献标识码：Ａ文章编号：0439－８114（２０12）15－3186-04

Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｅａｒｔｈｗｏｒｍｓ ａｎｄ Ｐｌａｎｔ Ｇｒｏｗｔｈ Ｐｒｏｍｏｔｉｎｇ Ｒｈｉｚｏｂａｃｔｅｒｉａ ｏｎ Ａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙ

ｏｆ Ｎ ａｎｄ Ｋ ｉｎ Ｓｏｉｌ

ＷＵ Ｆｕ－ｙｏｎｇ１，２，ＢＩ Ｙｉｎ－ｌｉ２，ＭＡＯ Ｙａｎ－ｌｉ１

（１． Department of Environmental arol Municipal Engineering， Ｈｅｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｕｒｂａｎ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ， Ｐｉｎｇｄｉｎｇｓｈａｎ ４６７０３６２， Ｈｅｎａｎ， Ｃｈｉｎａ； ２． Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａ ｐｏｔ ｔｒｉａｌ ｗａｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｔｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ， ｄｕａｌ ｏｒ ｔｒｉｐｌｅ ｉｎｏｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｅａｒｔｈｗｏｒｍｓ ｏｒ ｐｌａｎｔ ｇｒｏｗｔｈ－ｐｒｏｍｏｔｉｎｇ ｒｈｉｚｏｂａｃｔｅｒｉａ （ＰＧＰＲ）， ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｎｉｔｒｏｇｅｎ－ｆｉｘｉｎｇ ｂａｃｔｅｒｉａ （ＮＦＢ） （Ａｚｏｔｏｂａｃｔｅｒ ｃｈｒｏｏｃｏｃｃｕｍ ＰＤＳＮ－５） ａｎｄ ｐｏｔａｓｓｉｕｍ－ｓｏｌｕｂｉｌｉｚｉｎｇ ｂａｃｔｅｒｉａ （ＫＳＢ）（Ｂａｃｉｌｌｕｓ ｍｕｃｉｌａｇｉｎｏｕｓ ＰＤＳＫ－１）， ｏｎ ｔｈｅ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ＮＦＢ ａｎｄ ＫＳＢ ａｎｄ Ｎ ａｎｄ Ｋ ａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙ ｉｎ ｓｏｉｌｓ． Ａｌｌ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｖｅｎ ｉｎｏｃｕｌａｔｉｏｎ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ ａｐｐａｒｅｎｔｌｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｔｈｅ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ＮＦＢ ａｎｄ ＫＳＢ． Ｔｈｅ ａｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｅａｒｔｈｗｏｒｍ ｈａｄ ｌｉｍｉｔｅｄ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ＮＦＢ， ｂｕｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｔｈｅ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ＫＳＢ． Ｔｈｒｅｅ ｉｎｏｃｕｌａｔｉｏｎ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｓｉｎｇｌｅ ｉｎｏｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｅａｒｔｈｗｏｒｍ， ｓｉｎｇｌｅ ｉｎｏｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ＮＦＢ ａｎｄ ｄｕａｌ ｉｎｏｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｅａｒｔｈｗｏｒｍ ａｎｄ ＮＦＢ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｔｈｅ ａｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｕｒｅａｓｅ ｉｎ ｓｏｉｌｓ obviously． Ｔｈｅｒｅ ｗａｓ ａ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｕｒｅａｓｅ ａｃｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ ｔｏｔａｌ ｎｕｍｂｅｒｓ ｏｆ ＮＦＢ ａｎｄ ｂｅｔｗｅｅｎ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ＮＨ４ＯＡｃ－ｅｘｔｒａｃｔａｂｌｅ Ｋ （ｒ=０．４７， Ｐ＜０．０５） ａｎｄ ｔｏｔａｌ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ＫＳＢ （ｒ＝０．４４， Ｐ＜０．０５） ｉｎ ｓｏｉｌ． Ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｓｔｕｄｙ ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｉｘｔｕｒｅ ｉｎｏｃｕｌａｔｉｏｎ ｍａｙ ｂｅ ａ ｐｒｏｍｉｓｉｎｇ ａｐｐｒｏａｃｈ ｆｏｒ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｎｅｅｄ ｆｏｒ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒｓ ｉｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｅａｒｔｈｗｏｒｍｓ； ＰＧＰＲ； ｍｉｘｔｕｒｅ ｉｎｏｃｕｌａｔｉｏｎ； ｓｏｉｌ ｅｎｚｙｍｅ ａｃｔｉｖｉｔｙ

蚯蚓普遍存在于温带和热带生态系统中，是重要的陆地生态系统工程师［１］。蚯蚓在促进有机物质分解和矿质营养元素循环、转化等过程中发挥着十分重要的作用。据估计，通过排泄及分泌黏液，蚯蚓大约每年向每平方米土壤提供３．４～４．１ ｇ的矿化氮［２］。此外，土壤中广泛存在的植物促生根际细菌（包括固氮细菌和钾活化细菌）也能够明显增加土壤营养元素的可利用性，进而促进植物的生长［３，４］。蚯蚓可以通过直接取食、携带传播微生物等方式影响土壤微生物群落的数量、活性、组成和功能，因此，蚯蚓与微生物交互作用是土壤生态学研究的一个重点。Ｐａｒｌｅ［５］研究表明，土壤通过蚯蚓肠道后，细菌、放线菌的数目有大幅度的增加，而真菌的数目无变化。然而，蚯蚓活动对土壤中固氮细菌和钾活化细菌生长的影响目前尚不清楚。

土壤中营养元素的浓度通常受土壤中有关酶活性的影响。土壤微生物和植物的根均能够产生该类酶。当土壤中可利用的营养元素降低时，土壤微生物或植物均能够增加这些酶的分泌，从而促进无机氮和磷的供应。土壤脲酶普遍存在于土壤中，是由细菌分泌的一种酶，并在氮素转化时发挥关键作用，能分解有机氮化合物，为植物提供氮素营养［６］。徐晓燕等［７］研究表明，蚯蚓活动能够增加农田土壤中脲酶的活性。然而，同时接种蚯蚓与植物促生根际细菌对土壤中脲酶的活性及营养元素可利用性的影响尚不清楚。本研究通过室内盆栽试验了解蚯蚓活动对土壤中固氮细菌和钾活化细菌生长的影响，研究接种蚯蚓、固氮细菌、钾活化细菌分别对土壤脲酶的活性影响以及对土壤中钾有效性的影响，研究结果将为增加土壤肥力，减少农田化肥施用量、改善农田环境奠定一定的理论基础。

１材料与方法

１．１材料

试验用蚯蚓为威廉环毛蚓（Ｐｈｅｒｅｔｉｍａ ｇｕｉｌｌｅｌｍｉ）采集于河南平顶山郊区菜田，并在室内培养３周。室内盆栽试验前，为最大程度减少蚯蚓体表及消化道内细菌对试验的影响，蚯蚓放置在灭菌玻璃瓶（直径１２ ｃｍ、高１４ ｃｍ）内饿食２４ ｈ。所有供试蚯蚓为成年蚯蚓，鲜体重约为１．５ ｇ。试验用固氮细菌（Ａｚｏｔｏｂａｃｔｅｒ ｃｈｒｏｏｃｏｃｃｕｍ ＰＤＳＮ－５）及钾活化细菌（Ｂａｃｉｌｌｕｓ ｍｕｃｉｌａｇｉｎｏｕｓ ＰＤＳＫ－１）均采集于河南平顶山郊区菜田，分离及培养按照参考文献［８］的方法进行。培养后的２种细菌分别转移至经高温高压蒸汽灭菌（１２１ ℃， ２０ ｍｉｎ）的草炭（直径２ ｍｍ），４ °Ｃ保存待用。该混合物将做为微生物接种剂，草炭中的固氮细菌及钾活化细菌种群密度分别为５．０×１０９ 和 ４．０×１０９ ＣＦＵ／ｋｇ （干重）。 供试土壤采集于河南平顶山郊区菜田（０～１０ ｃｍ表层土），理化性状如表１所示。土壤在装盆前过筛（直径＜２ ｍｍ）、高温高压蒸汽灭菌（１２１℃， ２ ｈ）， 风干备用。

１．２方法

１．２．１试验设计室内试验采用如下８种处理：接种蚯蚓、接种固氮细菌、接种钾活化细菌、接种蚯蚓＋钾活化细菌、接种钾活化细菌＋固氮细菌、接种蚯蚓＋钾活化细菌＋固氮细菌以及对照处理（不接种蚯蚓及植物促生根际细菌），每处理设３个重复。

１．２．２接种方法每盆（１２ ｃｍ×１３ ｃｍ，高×直径）装风干土壤１．５ ｋｇ，每盆添加３个大小基本一致的蚯蚓作为接种蚯蚓处理，为防止蚯蚓逃逸，土层表面覆盖塑料膜。每盆接种植物促生根际细菌（备用草炭）５ ｇ，对照及接种蚯蚓处理组分别加入相应的５ ｇ灭菌菌剂和２５ ｍＬ菌剂滤液，以保持土壤中除植物促生根际细菌外其他微生物区系的一致性。

１．２．３试验管理试验于日光温室（２８ ℃（昼）／２３ ℃（夜））中进行，每３天浇１次去离子水，维持土壤含水量在最大持水量的６０％。３０ ｄ后每盆随机采集５０ ｇ土壤样品， 一半新鲜土样用来测定土壤脲酶、活体固氮细菌和钾活化细菌，一半风干待用。

１．２．４样品分析土壤中Ｎ、Ｐ、Ｋ含量采用常规方法测定。液土比５∶１测定土壤ｐＨ、ＥＣ，试验用水为无ＣＯ２去离子水。按照参考文献［９］的方法测定土壤中活体固氮细菌和活体钾活化细菌的菌落形成单位。土壤脲酶活性测试采用靛酚比色法［１０］，以尿素为反应基质，经土壤脲酶酶促水解反应后生成氨，氨与酚类化合物起反应生成蓝色的靛酚，颜色深度与氨含量相关。脲酶活性以１ ｇ 土壤在３７ ℃下培养２ ｈ释放出ＮＨ３－Ｎ的微克数表示。

１．２．５统计分析对数据结果采用ＳＡＳ ８．１软件利用最小显著法进行方差分析，所有处理均在０．０５水平下进行显著性分析。

２结果与分析

２．１接种蚯蚓及植物促生根际细菌对土壤中固氮细菌和钾活化细菌生长的影响

接种蚯蚓及植物促生根际细菌明显增加了土壤中固氮细菌和钾活化细菌的生长（图１）。接种蚯蚓、接种固氮细菌、接种蚯蚓＋固氮细菌、接种固氮细菌＋钾活化细菌和混合接种的土壤中固氮细菌的数量分别为对照的５．４、２０．７、１５．２、１９．３、１６．５倍（图１ａ）。接种蚯蚓＋固氮细菌处理与接种蚯蚓、接种固氮细菌处理相比，土壤中固氮细菌数量均无统计学差异。混合接种处理与接种固氮细菌＋钾活化细菌处理相比，土壤中固氮细菌数量也无统计学差异，这说明蚯蚓活动对土壤中固氮细菌生长的影响有限。另外，接种蚯蚓、接种钾活化细菌、接种蚯蚓＋钾活化细菌、接种固氮细菌＋钾活化细菌、混合接种的土壤中钾活化细菌的数量分别为对照的５．０、９．７、１２．１、８．５、１８．３倍（图１ｂ）。混合接种处理下土壤中钾活化细菌数量显著多于接种钾活化细菌＋固氮细菌处理（Ｐ＜０．０５），接种蚯蚓＋钾活化细菌处理分别与接种蚯蚓及接种钾活化细菌处理相比土壤中钾活化细菌数量也有增加的趋势，表明蚯蚓活动明显增加了土壤中钾活化细菌的生长。

２．２接种蚯蚓及植物促生根际细菌对土壤中脲酶活性和速效钾浓度的影响

接种蚯蚓及植物促生根际细菌对土壤中脲酶活性和速效钾浓度的影响见图２。接种蚯蚓、接种固氮细菌、接种蚯蚓＋固氮细菌均明显增加了土壤中脲酶的活性，其中后两种接种方式与对照相比较，差异均达到显著水平（Ｐ＜０．０５）。接种蚯蚓对土壤中速效钾浓度的影响不大，但是，接种钾活化细菌及接种蚯蚓＋钾活化细菌明显增加了土壤中速效钾浓度。接种蚯蚓＋钾活化细菌处理中速效钾浓度是对照的２．１倍，与对照相比达到统计学显著水平（Ｐ＜ ０．０５）。此外，土壤中脲酶活性和速效钾的浓度分别与土壤中固氮细菌与钾活化细菌成显著正相关关系（ｒ＝０．４７，Ｐ＜０．０５；ｒ＝０．４４，Ｐ＜０．０５）（表２）。

３讨论

蚯蚓和微生物在土壤生态系统中发挥着重要的作用，它们的存在提高了土壤容纳和供给生物所需的各种营养物质的能力［１１］。蚯蚓活动能够影响土壤生态系统中其他微生物的生长。本试验结果表明，蚯蚓对土壤中固氮细菌的生长影响不大，但对钾活化细菌生长具有明显促进作用。徐晓燕等［１２］的研究结果显示：无论是接种人工培养的蚯蚓或是接种野生的蚯蚓，均会导致土壤中微生物类群的数量有不同程度的增加，其中细菌数量的增加比放线菌和真菌的增加明显。Ｚｈａｎｇ等［１３］研究表明，经蚯蚓过腹转化的土壤更有利于微生物的生长繁殖，从而进一步增加微生物数量与活性。蚯蚓活动对钾活化细菌的促生作用机理需更深入更系统的研究。此外，单接种蚯蚓处理土壤中的固氮细菌及钾活化细菌可能来自于蚯蚓自身肛肠内。

接种蚯蚓、固氮细菌和钾活化细菌显著增加了根际土壤中脲酶的活性及速效钾的浓度。土壤酶活性与土壤微生物活动有很强的相关性［１４］。本试验结果表明，土壤中脲酶的活性与土壤中的固氮细菌的数量呈显著正相关关系。此外，蚯蚓也可以通过排粪、作穴、搅动等活动来改善土壤的营养状况。徐晓燕等［７］研究表明，当接种毛利环毛蚓的数量增加１倍后，土壤脲酶活性增加了５９．３％。刘宾等［１５］认为在红壤中接种蚯蚓可以显著提高土壤中铵态氮的含量。与对照相比，接种蚯蚓＋钾活化细菌造成钾活化细菌显著增加，从而造成土壤中速效钾浓度的显著升高。钾活化细菌能够产生有机酸，这些有机酸能够改变硅酸盐的组成结构，进而向土壤中释放可利用态钾。Ｆａｌｌａｈ等［１６］研究表明，钾活化细菌存在时，可以导致土壤中多释放出１６％～４０％的可利用态钾。综上所述，本研究结果表明，混合接种方式是一种有潜力的生物技术，可以用来减少农业生产中的化肥施用量，特别是对大范围的依赖有机物分解释放养分的有机农业尤为重要。

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