蚯蚓生物有机培肥技术（FBO）对茶园土壤微生物特征及酶活性的影响

唐劲驰，周波，黎健龙，唐颢，操君喜



蚯蚓生物有机培肥技术（FBO）对茶园土壤微生物特征及酶活性的影响

唐劲驰，周波，黎健龙，唐颢，操君喜*

广东省农业科学院饮用植物研究所 广东省茶树资源创新利用重点实验室，广东 广州 510640

连续5年对蚯蚓生物有机培肥的茶园土壤微生物特征以及酶活性变化情况进行了研究，分析了蚯蚓生物有机培肥技术（FBO）对茶园土壤微生物特征及酶活性的影响。结果表明，蚯蚓生物有机培肥处理（100% FBO）可以显著增加0~20 cm土层微生物量碳、呼吸速率、微生物熵、细菌、真菌和放线菌等表征土壤微生物数量和活性的指标，并可以显著提升过氧化氢酶、脲酶、转化酶和碱性磷酸酶的活性（<0.05）。在20~40 cm土层，100% FBO处理的微生物和酶活性相关指标也高于CK，但多数未达到显著水平。蚯蚓生物有机培肥技术可以显著增加表层土壤微生物的数量和活性，并提升与土壤养分转化密切相关的几类酶的活性，有利于受损茶园土壤生态系统的恢复和重建，全面提升土壤质量。

蚯蚓；生物有机培肥技术；土壤微生物；土壤酶；茶园土壤

茶是世界三大植物饮料之一，因其独特品质及保健功效日益受到世界各地消费者的青睐[1]。我国是世界上最大的茶叶生产国，种植面积和产量均居世界第一位[2]。茶叶的产量和品质与茶园土壤质量和培肥措施密切相关[4-6]，但是近年来大量化学肥料的施用严重影响了土壤质量。蚯蚓生物有机培肥技术（Fertilization bio-organic technology，FBO）是由法国发展研究院的Lavelle教授和印度萨姆巴珀大学B K senapati教授共同合作开发的一种利用土壤工程生物蚯蚓和农业有机废弃物共同作用，激活土壤生态系统，全面提升土壤质量的新型培肥措施。茶园土壤微生物是茶园生态系统的重要组成部分，参与并推动着土壤养分的循环和转化，微生物及酶活性的特征直接影响茶叶产量和品质[7-10]，能够反映蚯蚓生物有机培肥技术对茶园土壤生态系统和土壤质量改良的作用效果。本试验研究了连续5年采用蚯蚓生物有机培肥条件下，茶园土壤微生物特征以及酶活性变化的情况，以期为该技术在茶园土壤培肥中的推广应用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于广东省农业科学院饮用植物研究所英德试验基地，属亚热带季风气候，年平均日照时数1 631.7 h；平均气温21.1℃；平均有霜日6 d；年均降水量1 906.2 mm，多集中4~9月；年平均蒸发量1 717.9 mm；年平均相对湿度77%。试验区位于24°18′N，113°23′E，占地约0.4 hm2。茶树品种为金萱，茶龄4~5年。土壤类型为赤红壤，土壤pH值5.86，有

机质17.66 g·kg-1，全氮0.99 g·kg-1，全磷0.39 g·kg-1，全钾24.86 g·kg-1，碱解氮94.89 mg·kg-1，有效磷4.50 mg·kg-1，速效钾96.15 mg·kg-1。

1.2 供试材料

供试蚯蚓：选择当地野生品种中数量最多、适应能力较强的壮伟环毛蚓（A.）和皮质远盲蚓（A.），在试验基地的蚯蚓养殖池进行人工繁育增殖后备用。

供试有机物料：厩肥和稻草。厩肥以牛粪为主，有机碳含量为180 g·kg-1，全氮含量为10 g·kg-1，C/N为18:1；稻草有机碳含量为410 g·kg-1，全氮含量为8 g·kg-1，C/N为51:1。

常规化学肥料：尿素，全氮含量为46.4%。

1.3 试验方案

实验地为80 m×50 m（长×宽）的长方形地块，茶树行距为1.5 m，9个小区随机排列，小区面积为2 2m×12 m（长×宽）=264 m2，小区和小区之间设置2 m宽的隔离行，试验田四周设置5 m宽保护行。

试验设3个处理：100%蚯蚓生物有机培肥（100% FBO）、50%蚯蚓生物有机培肥（50% FBO）和常规化学培肥（CK），每个处理3次重复。100% FBO完全采用有机肥+蚯蚓的施肥模式，有机肥的投入量根据当地茶园有机肥施用习惯确定；CK处理中化肥的用量根据当地施用化肥茶园的施肥习惯用量确定；50% FBO处理为100% FBO处理中有机肥用量和蚯蚓投入量的一半（表1）。

试验于2009年11月开始，第1年施肥按照试验方案设计用量进行，100% FBO和50% FBO的有机肥作基肥一次开沟施入，CK的尿素均分4次作追肥施入。2010年5月按设计用量在100% FBO和50% FBO处理的小区中接种蚯蚓，接种的蚯蚓中壮伟环毛蚓（A.）和皮质远盲蚓（A.）各一半。之后每年在11月仅按照设计用量进行施肥，不再接种蚯蚓。灌溉、防虫，以及采茶、修剪等茶园管理均按普通茶园管理方式进行。

1.4 样品测定方法

土壤基础呼吸的测定采用NaOH密闭吸收法，用单位重量土壤在单位时间内产生的CO2的量表示，呼吸速率为单位有机碳含量的基础呼吸量，单位为g·kg-1·d-1。微生物量碳采用氯仿熏蒸-硫酸钾浸提法测定。微生物熵用微生物量碳与有机碳的百分比来表示。代谢熵用单位微生物量碳每天产生的CO2量表示，单位为mg·g-1。细菌、真菌、放线菌的测定采用平板计数法[11]。过氧化氢酶的测定采用KMnO4容量法，活性以30 min内每克土壤消耗的高锰酸钾（0.02 mol·L-1）的量表示，单位为mL·g-1。脲酶的测定采用苯酚钠比色法，活性以每千克土壤每天产生的NH4+-N的量表示，单位为g·kg-1·d-1。转化酶的测定采用滴定法，酶活性以每克土壤37℃培养24 h后消耗的硫代硫酸钠（0.1 mol·L-1）表示，单位为mL·g-1·d-1。磷酸酶的测定采用磷酸苯二钠比色法（酸性磷酸酶用pH 5.0的醋酸盐缓冲液，碱性磷酸酶用pH 9.6的硼酸盐缓冲液），活性均以37℃恒温培养24 h后每克土壤中生成酚的毫克数表示，单位为mg·g-1·d-1[12]。蚯蚓田间调查采用驱虫剂结合手拣法进行，驱虫剂选择芥末乙酸悬液。

1.5 数据统计分析

不同处理间的差异分析采用方差和多重比较进行。采用主成分分析（Principal components analysis）借助ADE-4软件，将茶园土壤微生物特征和酶活性特征指标进行综合分析，利用二维空间载荷图和得分图反映不同处理综合属性的差异情况，并对其显著水平进行判别分析。数据统计采用SAS 8.0和ADE-4软件包[13]。

2 结果与分析

2.1 蚯蚓数量变化特征

不同处理茶园土壤中现有的蚯蚓数量如图1所示。100% FBO处理的大蚓类和小蚓类的数量均显著高于常规化肥处理（CK），50%FBO处理的小蚓类也显著高于常规化肥处理。

2.2 FBO对茶园土壤微生物特征的影响

土壤微生物特征见表2。在0~20 cm土层，100%FBO处理的微生物量碳、呼吸速率和微生物熵都显著高于CK（常规化肥）处理（<0.05），而微生物的代谢熵则显著低于CK；细菌、真菌和放线菌的数量也都是100% FBO处理最高，显著高于CK。与0~20 cm土层不同的是在20~40 cm土层，100% FBO处理除了微生物量碳显著高于CK外，呼吸速率、微生物熵、细菌、真菌和放线菌等指标虽然较CK处理也都有所升高，但是差异均未达到显著水平；而100% FBO处理的微生物代谢熵与0~20 cm土层情况相同，也显著低于CK处理。

2.3 FBO对茶园土壤酶活性特征的影响

土壤酶活性见表3。在0~20 cm土层，100% FBO处理的过氧化氢酶、脲酶、转化酶和碱性磷酸酶的活性均显著高于50% FBO和CK处理；50% FBO和CK处理相比，5种酶的活性也均有所升高，其中转化酶和碱性磷酸酶活性与CK间的差异达到显著水平。在20~40 cm土层，各处理5种酶的活性与0~20 cm土层相比均有大幅度的下降；100% FBO处理的过氧化氢酶、脲酶、转化酶和碱性磷酸酶活性显著高于CK处理，氧化氢酶、脲酶活性显著高于50% FBO处理；50% FBO处理的脲酶、转化酶和碱性磷酸酶活性显著高于CK处理。在0~20 cm和20~40 cm土层中，3个处理的酸性磷酸酶活性均未达到显著差异。

2.4 FBO对茶园土壤微生物和酶学特征影响的综合分析

采用主成分分析对土壤微生物和酶活性变化进行综合分析，结果见图2。第1主成分和第2主成分的累积方差贡献率为88.59%，

并且判别分析的<0.0001，说明第1主成分和第2主成分能够代表土壤微生物和酶属性指标的主要信息。由图2-a的主成分因子载荷图可见，第1主成分的方差贡献率为71.19%，相关性较大的指标依次为脲酶、真菌、转化酶、细菌、放线菌、过氧化氢酶、碱性磷酸酶、酸性磷酸酶和呼吸速率；第2主成分的方差贡献率为17.40%，相关性较大的指标主要有代谢熵、微生物熵和微生物量碳。由图2-b的主成分得分图可见，3个处理在0~20 cm土层差异较大，并且这种差异主要来源于第1主成分；而3个处理的综合属性在20~40 cm土层的差异较小。综上所述，100% FBO处理在0~20 cm土层促进了微生物和酶的综合属性指标向第1主成分的正方向偏移，这种效果在20~40 cm土层则迅速减弱。

2.5 FBO条件下茶园土壤微生物和酶学特征的相关分析

为进一步明确蚯蚓生物有机培肥对土壤微生物和酶的影响，分析了在蚯蚓生物有机培肥条件下，不同土层中，微生物特征指标和主要土壤酶活性指标之间的相关性（表4）。通过分析可见，在0~20 cm土层内，微生物数量和活性相关的指标与过氧化氢酶、脲酶、转化酶和碱性磷酸酶多数都表现出显著或极显著的相关性；而在20~40 cm土层内，微生物数量和活性的相关指标与测试的5种酶活性指标相关性多数未达到显著水平。

3 结论与讨论

近年来，化学肥料的大量施用在一定程度上提升茶叶产量的同时，却造成了茶园土壤板结、酸化等问题，土壤生态系统遭到破坏，生态功能下降[14-15]。于是，研究者希望通过施用有机肥，并添加各种菌种、蚯蚓等方式加速有机肥的分解，促进茶园土壤生态系统的恢复。本研究在同一茶园中进行了连续5年的蚯蚓生物有机培肥，利用农业有机废弃物和蚯蚓的共同作用培肥茶园土壤，蚯蚓作为土壤生态系统中生物量最大的动物，它们在土壤中的取食和挖掘活动能够强烈改变土壤的生物化学性质[16-17]，引起微生物及酶活性的变化，结合新投入的有机废弃物，可以激活被破坏的土壤生态系统，在不施或少施化肥的情况下，提升土壤质量。该技术是否有效，土壤微生物及酶活性的提升是关键指标[18]。

表4 蚯蚓生物有机培肥下茶园土壤微生物和酶属性的相关分析

注：相关系数，n=9，“*”表示两个指标间相关性显著（<0.05），“**”表示两指标间相关性极显著（<0.01）。

Note: The correlation coefficient, n = 9, "*" indicated that the correlation between the two indexes were significantly (<0.05), "**" indicated that the correlation between the two indexes were very significantly (<0.01).

在土壤生态系统中，土壤微生物量碳是土壤有机碳中最活跃的部分，对土壤中养分和物质的循环具有重要作用[19]。土壤微生物代谢熵的变化能反映微生物对碳的利用效率，进而体现出土壤生态系统的演变和受干扰程度[20]。过氧化氢酶、脲酶、转化酶和磷酸酶是与土壤养分转化密切相关的几种酶类，同时其活性的变化也极易受到微生物种群变化的影响[21-22]。因而，本文选择上述指标来表征蚯蚓生物有机培肥技术对茶园土壤生态系统的影响。分析发现，100%FBO处理的微生物量碳、呼吸速率、微生物熵、细菌、真菌和放线菌等微生物相关指标均显著高于CK（常规化肥处理），过氧化氢酶、脲酶、转化酶和碱性磷酸酶的活性也都显著高于CK，特别是在0~20 cm土层这种趋势更明显。而主成分分析和相关分析的结果，也进一步证明了蚯蚓生物有机培肥技术对茶园土壤生态系统的改良效果。

综上所述，连续5年的茶园蚯蚓生物有机培肥试验证明，该技术可以显著增加土壤微生物的数量和活性，并提升与土壤养分转化密切相关的酶类的活性，有利于受损茶园土壤生态系统的恢复和重建，全面提升土壤质量。

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Effects of Earthworm Bio-organic Fertilization Technology on Soil Microbial Characteristics and Enzyme Activities of Tea Plants

TANG Jinchi, ZHOU Bo, LI Jianlong, TANG Hao, CAO Junxi*

Drinkable Plants Research Institute, Guangdong Academy of Agricultural Sciences, Guangdong Provincial Key Laboratory of Tea Plant Resources Innovation and Utilization, Guangzhou 510640, China

Tea garden soil which had been fertilized five years was chosen for the study, and soil microbial characteristics and enzyme activities were studied. The results showed that: Earthworm bio-organic fertilization treatment (100% FBO) could significantly increase soil microbial biomass carbon, respiration rate, microbial quotient, level of bacteria, fungi and actinomycetes in 0-20 cm soil level, and could significantly improve the activity of catalase, urease, invertase and alkaline phosphatases in soil (<0.05). In 20-40 cm soil level, the indicators of microorganisms and enzyme activities under 100% FBO treatment were also higher than CK, but most of them did not reach significant level. Bio-organic fertilization technology could significantly increase the number and activity of soil microorganisms, and upgrading soil enzymes activity which was related to soil nutrient. This would help to restore or rebuild the damaged soil ecosystem of tea garden, and to enhance soil quality.

earthworm, fertilization bio-organic technology, soil microbial, soil enzyme, soil of tea garden

S571.1；S154

A

1000-369X（2016）01-045-07

2015-02-12

2015-10-03

广东省科技计划项目（2015B070701012、2015A020208004）、广东省自然科学基金项目（2015A030313563）、广东省科技计划项目（粤科规财字[2014]208号）。

唐劲驰，女，副研究员，主要从事茶树栽培营养生理研究。*通讯作者：junxic@126.com