土壤调理剂对烤烟根系活力及根际土壤微生物碳代谢特征的影响

靳辉勇 黎 娟 朱 益 齐绍武.4 梁仲哲 淡俊豪

(1湖南农业大学农学院，湖南 长沙 410128；2江苏省宿迁市宿豫区农业委员会，江苏 宿迁 223800；3广东中烟工业有限责任公司，广东广州 510000；4湖南杂交水稻研究中心，湖南长沙 410128)

土壤的生态环境与作物生长有着密切的联系，良好的土壤环境是生产优质烤烟的基础[1-2]。在我国，由于主产烟区长期过量施用化肥、农药，导致土壤生态环境不断恶化，土壤板结、养分失衡、群菌失调、生物活性降低等问题愈发严重[3-4]。研究发现土壤改良不但可以提高土壤肥力，还可以增强微生物活性，是维持和改善土壤环境的有效措施[5]。目前，市场上的土壤调理剂种类繁多[6]，原料来源非常广泛，有以石灰石、白云岩、膨润土、蛭石、硅藻土、皂石、海泡石等矿物质为原料的产品，也有以味精发酵尾液、酒糟、粉煤灰、高炉渣、乳化沥青等废弃物为原料的产品，但以城市生活垃圾为主要原料的土壤调理剂极为少见。

土壤微生物是土壤生态系统的重要组成部分，在土壤养分转化、能量循环过程中发挥着重要作用。土壤改良对土壤根际生态区域的影响较大[7]。目前，关于土壤调理剂在植烟土壤上的改良应用，多集中在土壤调理剂对烤烟生长发育[8]、产质量[9]、土壤养分含量[10]、微生物数量[11]等方面的影响，而关于施用土壤调理剂对烤烟根系及根际土壤动态变化影响的研究尚鲜见报道。为此，本研究以湖南农业大学城市固弃物综合利用试验室提供的土壤调理剂为改良材料，烤烟为模式作物，通过小区试验，探究土壤调理剂对烤烟根系活力及根际土壤微生物碳代谢特征的影响，探讨其适宜的施用量，以期为烤烟生产中土壤调理剂的合理施用提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2016年4-8月在湖南农业大学耘园试验基地进行。烤烟品种为湘烟3号，由中国烟草中南农业试验站提供。前茬作物为水稻。供试土壤为黏壤土，理化性质为土壤pH值5.9、有机质16.8 g·kg-1、碱解氮 114.19 mg·kg-1、有效磷 18.42 mg·kg-1、速效钾134.46 mg·kg-1。

1.2 供试土壤调理剂

土壤调理剂由湖南农业大学城市固弃物综合利用实验室提供。该土壤调理剂主要以城市园林垃圾中的有机质和建筑垃圾中的无机质为主要原料，并添加白云石、长石等矿物及硒、钼等微量元素，经配料、焙烧、冷却、粉磨、均化等工序制成[12]。土壤调理剂包含70%城市生活垃圾、15%MgO、5%CaO、5%K2O、4.6%Na2O、0.4%(NH4)6Mo7O24·4 H2O，其中有机质含量为 328 g·kg-1。

1.3 试验设计

试验共设置4个处理，即对照(不施土壤调理剂，CK)和3个土壤调理剂施用设水平(T1:1 500 kg·hm-2、T2:3 000 kg·hm-2、T3:4 500 kg·hm-2)。 每个处理重复3次，共12个小区，每小区面积为30 m2。每个小区种50株烤烟，株行距为0.5 m×1.2 m。土壤调理剂在起垄前均匀撒施，然后深度旋耕16～18 cm，并平整土地。

1.4 样品采集与测定

1.4.1 样品采集 分别在烤烟生长的团棵期(移栽后30 d)、旺长期(移栽后60 d)、成熟期(移栽后90 d)，每个小区选取5株烤烟，采用抖土法，先轻轻抖落大块不含根系的非根际土壤，然后轻轻剥离根系表面附着的土壤，即获取根际土壤，用于测定土壤微生物碳代谢特征。同时取烟株根系末端白嫩根，立即测定根系活力。

1.4.2 样品测定 根系活力采用 TTC法[13]测定。土壤微生物碳代谢特征测定参照 Garland等[14]的Biolog法。称取10 g新鲜土样于250 mL灭菌的三角瓶中，加入90 mL 0.85%无菌NaCl溶液，封口后在摇床上250 r·min-1振荡30 min，静置15 min后吸取上清液5 mL于新三角瓶中，加入45 mL 0.85%无菌NaCl溶液，再将所得溶液稀释1 000倍。将稀释后所得溶液接种到96孔Biolog-ECO培养板上，25℃恒温箱连续培养10 d，每隔1 d利用Biolog微孔板读数仪(广州市华粤行仪器有限公司)读取数值并记录。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2007进行数据处理；SPSS 17.0进行方差分析、相关性分析及主成分分析，Duncan法进行多重比较；DPS 15.10统计软件进行灰色关联度分析，根据灰色关联度系数判断微生物参数与土壤调理剂、根系活力的关联度。按照公式[15-17]分别计算平均吸光值(average well color development，AWCD)、 丰富度指数(S，richness index)、均一性指数(U，mcintosh index)、优势度指数(D，simpson index):

式中，Ci:反应孔在590 nm下的吸光度；R:对照孔在590 nm下的吸光度；n:培养基碳源种类数；Pi:第i孔的相对吸光值与整个平板相对吸光值总和的比值；ni:第i孔的相对吸光值。

2 结果与分析

2.1 土壤调理剂对烤烟根系活力的影响

根系活力是衡量植物根系功能的重要指标之一，其活力水平直接影响植物个体的生长发育。由表1可知，烤烟根系活力在整个大田生育期内总体呈先升高后降低的变化趋势，在旺长期达到最大值。与CK相比，不同土壤调理剂处理对烤烟根系活力均有显著影响。其中，在团棵期T3的烤烟根系活力最高，显著高于其他处理，其次是T1和T2，三者分别较CK显著提高了40.8%、25.0%和22.5%，但T1和T2间无显著性差异。在旺长期和成熟期，随着土壤调理剂施用量的增加，烤烟根系活力均呈先升高后降低的趋势，各处理根系活力依次为T2＞T1＞T3＞CK，且各处理间差异显著。结果表明，添加土壤调理剂有利于提高烤烟根系活力，对延缓根系衰老具有积极作用，以 3 000 kg·hm-2(T2)施用量最佳。

表1 土壤调理剂对烤烟根系活力动态变化的影响Table1 Effect of soil conditioner on dynamic of changes flue-cured tobacco root vigor(μg·g-1·h-1)

2.2 土壤微生物利用碳源能力的动态变化

AWCD是评价微生物对碳源底物平均利用能力的重要指标之一，可以反映土壤微生物群落代谢特征，AWCD值越高，碳源利用能力越大[18-19]。由图1可知，各生育期内，随着培养时间的延长，微生物群落利用碳源能力均呈先不断提高后趋于稳定的趋势。在0～96 h内，AWCD值的变化速度(斜率)最大，表明微生物代谢最活跃，碳源被大量利用；96 h以后，AWCD值的变化趋于平缓，表明碳源利用量已经达到最大值。在团棵期、旺长期和成熟期，添加土壤调理剂处理(T1、T2、T3)的AWCD值均高于CK，且均达到显著水平(P＜0.05)。结果表明，添加土壤调理剂有利于提高土壤微生物代谢活性，增强微生物对碳源的利用。

图1 土壤微生物AWCD的动态变化Fig.1 AWCD dynamics over incubation time

2.3 土壤微生物对不同类型碳源的利用强度分析

根据微生物对营养物质代谢途径的不同，将Biolog-ECO微孔板上31种底物碳源分为6类，即糖类(8种)、羧酸类(9种)、氨基酸类(6种)、胺类(2种)、聚合物类(4种)和杂合物类(2种)，对6类碳源分别计算，利用AWCD值反映根际土壤微生物对不同碳源的利用强度。为进一步探究施用土壤调理剂条件下，根际土壤微生物对不同类型碳源的利用情况，选择培养96 h测定的AWCD值进行分析。由表2可知，在团棵期，糖类物质的利用率较同时期其他类型碳源高，而胺类、聚合物类和杂合物类的利用率则相对较低；添加土壤调理剂能显著增加糖类、氨基酸类、胺类和杂合物类的利用率，其中以T2、T3表现最优。在旺长期，糖类物质的利用率最高，杂合物类利用率最低；添加土壤调理剂显著降低了杂合物类的利用率，增加了其他类型碳源的分解；土壤调理剂施用量为3 000 kg·hm-2(T2)时，羧酸类(除团棵期)和氨基酸类的利用率最高；施用量为4 500 kg·hm-2(T3)时，在旺长期，糖类、胺类和聚合物类的利用率最高。在成熟期，土壤调理剂施用量为3 000 kg·hm-2(T2)时，糖类、羧酸类、氨基酸类、胺类、聚合物类碳源的利用率均为最高，较CK分别增加了 31.9%、64.1%、50.3%、213.6%、74.4%，且与CK差异显著。结果表明，添加土壤调理剂有利于加快糖类、氨基酸类、羧酸类、胺类碳源的分解，提高其利用率，考虑适量原则，以3 000 kg·hm-2(T2)为土壤调理剂最佳施用量。

2.4 不同处理烤烟根际土壤微生物碳源利用主成分分析

对培养96 h的AWCD值进行标准化处理，然后进行主成分分析。由表3可知，3个生育期试验结果一致，每个生育期均提取3个主成分，且3个主成分的累计贡献率均达到100%；团棵期、旺长期、成熟期的前2个主成分，PC1和PC2累计方差贡献率分别为76.503%、85.290%、81.118%，可以解释变异的绝大部分信息，因此对PC1和PC2这2个主成分进行重点分析。

碳源载荷值能反映碳源利用与主因子的相关性，载荷值越高，表示其对主成分的影响越大[20-21]。由表4可知，在团棵期，与PC1相关性较高(载荷值＞0.6)的碳源有14个，其中糖类和羧酸类均为4个，氨基酸类和胺类均为2个，聚合物类和杂合物类均为1个；与PC2相关性较高的碳源有8个，其中羧酸类3个，氨基酸类和聚合物类均为2个，糖类1个；说明团棵期根际土壤微生物利用的碳源主要是羧酸类、糖类、氨基酸类。旺长期，与PC1相关性较高的碳源有18个，其中羧酸类和糖类均为5个，氨基酸类和聚合物类均为4个；与PC2相关性较高的碳源有6个，其中氨基酸类和羧酸类均为2个，杂合物类和聚合物类均为1个；说明旺长期根际土壤微生物利用的碳源主要是羧酸类、氨基酸类、糖类、聚合物类。成熟期，与PC1相关性较高的碳源有23个，其中羧酸类8个，氨基酸类6个，糖类4个，聚合物类3个，杂合物类2个；与PC2相关性较高的碳源有6个，其中氨基酸类和羧酸类均为2个，聚合物类和杂合物类均为1个；说明成熟期根际土壤微生物利用的碳源主要是羧酸类和氨基酸类。综上，烤烟根际土壤微生物利用的碳源主要是羧酸类和氨基酸类。

表2 土壤微生物对不同类型碳源的利用强度Table2 Utilization of different carbon sources by soil microbial

表3 主成分贡献率Table3 Contribution rate of principal component /%

2.5 烤烟根际土壤微生物群落功能多样性指数分析

多样性指数可以从不同方面来描述微生物群落的多样性[22]。其中，丰富度指数用来表征生态系统中物种的数目，优势度指数反映各个种群数量的变化情况，均一性指数用来描述物种中的个体所占比例[23-25]。本研究利用培养96 h的AWCD值来分析施用土壤调理剂条件下，烤烟根际土壤微生物群落丰富度指数、优势度指数、均一性指数的差异。由表5可知，在各生育期，仅旺长期施用土壤调理剂对丰富度指数影响显著，T1、T2、T3均显著高于 CK，较 CK分别提高了4.9%、6.5%、5.4%；而各处理间的优势度指数则无显著差异。在团棵期，T2、T3的均一性指数均显著高于T1、CK；在旺长期，均一性指数随着土壤调理剂施用量的增加而增加，T1、T2、T3较 CK分别显著提高了23.0%、32.3%、44.4%，且各处理间差异显著；在成熟期，随着土壤调理剂施用量的增加，均一性指数呈先增加后降低的变化趋势，其中T2的均一性指数最大，是CK的1.46倍。结果表明，施用土壤调理剂能显著提高烤烟根际土壤微生物均一性指数和丰富度指数，在旺长期表现最优，考虑适量原则，以3 000 kg·hm-2(T2)为土壤调理剂最佳施用量。

2.6 微生物参数与部分因子的灰色关联度分析

为明确土壤调理剂和根系活力对微生物碳代谢强度、丰富度指数、优势度指数、均一性指数等参数的影响效应，采用均值化法对各指标无量纲化处理，进行灰色关联分析。由表6可知，在团棵期，土壤调理剂和根系活力对碳代谢强度的影响均大于对多样性指数的影响；与碳代谢强度、丰富度指数、优势度指数关联度较高的是根系活力；而与均一性指数关联度较高的是土壤调理剂。在旺长期和成熟期，与碳代谢强度、优势度指数、均一性指数关联度较大的均是土壤调理剂，而与丰富度指数关联度较大的是根系活力；各微生物参数与土壤调理剂灰色关联系数中以均一性指数最大，其次是碳代谢强度，与根系活力的关联系数顺次为均一性指数＞碳代谢强度＞丰富度指数＞优势度指数。

表4 31种碳源的主成分载荷值Table4 Loading values of principal components of 31 sole carbon sources

表5 土壤微生物群落多样性指数Table5 Diversity indices of soil microbial communities

3 讨论

3.1 土壤调理剂对烤烟根系活力的影响

烤烟根系活力与土壤环境密切相关，土壤改良不仅可以提高土壤养分含量，还可以改善土壤微生物环境，进而优化根系生长的土壤环境，使烤烟根系活力提高[26]。孙延国等[27]通过在烟田中施用海藻类土壤改良剂，发现鱼蛋白肥可以有效改善土壤养分含量，显著提高烤烟根系活力。这与本研究结果相同。本研究表明，不同施用量的土壤调理剂均可提高烤烟根系活力，以3 000 kg·hm-2施用量效果最好。这是由于土壤调理剂有机质含量超过了30%，这些有机质增加了土壤中的有效能源物质，促进了微生物的新陈代谢，微生物产生的代谢物质可刺激根系生长发育，进而增强根系活力。此外，土壤调理剂中还含有烤烟生长发育所需的中微量元素，能够加速根系细胞的合成，间接地促进根系的生长。但当土壤调理剂施入量过多时，会改变土壤结构，导致根系活力减弱[28]，兼顾适量原则，建议土壤调理剂最佳施用量为3 000 kg·hm-2。

表6 微生物参数与部分因子的灰色关联度Table6 Grey correlation degree of microbial parameters with some factors

3.2 土壤调理剂对土壤微生物碳代谢特征的影响

植烟土壤中添加土壤调理剂可以改善土壤微生态环境，增强微生物对碳源的利用，提高土壤微生物群落功能多样性，维护土壤微生物平衡[29]。沈桂花等[30]研究发现施用土壤改良剂牡蛎壳粉不仅可以提高烟草根际土壤微生物对羧酸类、氨基酸类和碳水化合物类等碳源的利用程度，还可以增加微生物群落香农指数和均匀度指数。本研究中，添加土壤调理剂后，改变了烤烟根际土壤微生物的碳代谢特征，主要表现为微生物碳源利用总量显著增加，微生物对糖类、氨基酸类、羧酸类、胺类这4类碳源的利用率显著提高；主成分分析结果表明，羧酸类、氨基酸类是烤烟根际土壤微生物利用的主要碳源，进一步证实了添加土壤调理剂有利于提高烤烟根际土壤微生物对碳源的利用能力。多样性指数分析结果表明，施用土壤调理剂能显著提高微生物均一性指数和丰富度指数。这与李凤霞等[31]和邹富桢[32]的研究结果一致。但在烤烟移栽90 d后，4 500 kg·hm-2土壤调理剂处理下，均一性指数表现出下降趋势，这可能是由于随着时间的推移，高剂量的土壤调理剂逐渐分解，改变了土壤环境，从而影响了微生物的分布。

3.3 微生物参数与土壤调理剂、根系活力的关系

采用灰色关联法研究因素间的关联程度，可简化复杂问题，找出系统内因素间最大的影响因素[33]。杜莹等[34]认为小白菜根系活力与碳源利用AWCD值之间呈极显著正相关。本研究表明，在烤烟移栽30 d，影响微生物碳代谢强度及多样性的主要是烤烟根系活力，这是由于此时土壤调理剂刚开始分解，未被根系和微生物大量利用。肖占文等[35]研究发现有机碳土壤改良剂施用量与土壤微生物数量、多样性呈正相关。本研究表明，在烤烟移栽60、90 d，与微生物碳代谢强度及多样性关联度最大的均是土壤调理剂，这是由于此时烤烟根系生长已经达到鼎盛期，土壤调理剂的大量分解加快了微生物的繁殖，增强了微生物的新陈代谢。因此，在烤烟生长中后期，土壤调理剂对根际土壤微生物碳代谢的影响更加突出。

4 结论

施用土壤调理剂可以提高烤烟根系活力，加快糖类、氨基酸类、羧酸类、胺类等碳源物质的分解，增强烤烟根际土壤微生物对碳源的利用能力，还可提高烤烟根际土壤微生物群落均一性指数和丰富度指数，以3 000 kg·hm-2施用量的效果最好。本研究结果为利用土壤调理剂改良烟田土壤提供了理论依据。