枯草芽孢杆菌对植烟土壤养分含量与酶活性的影响

胡亚杰，韦建玉，张纪利，卢 健，蒋 南，龚湛武，陈力力，李迪秦

（1广西中烟工业有限责任公司，南宁510003；2湖南农业大学农学院，长沙410128）

土壤是作物生长发育、赖以生存的物质基础，土壤的可持续性利用是农业生产稳定发展的前提［1，2］。在土壤生态系统中，土壤酶参与了土壤枯枝落叶的分解、各种有机物质分解与合成、养分释放，以及循环等生化过程，土壤酶活性高低，直接或间接影响着土壤生态系统中各种物质的转化与循环速率［2］。影响土壤酶的因素主要有土壤微生物、土壤理化性状和养分、种植的作物和施肥措施等［3～5］。土壤微生物和作物根系是土壤酶的主要来源，其活动能力受土壤养分直接影响［6，7］。有机质是土壤微生物和酶的有机载体，能够增强土壤通气性及孔隙度，其组成和含量会对土壤酶稳定性有影响；土壤中氮、磷、钾等营养元素存在状况及含量，与土壤酶活性变化有关。此外，烤烟根系分必物对土壤酶有较强的化感作用，影响着土壤酶活性，土壤酶活性与土壤养分含量有密切联系［7～9］。

因长期施用化学肥料，导致土壤板结，有机质含量下降，土壤微生物活性降低，物质难以转化及降解，土壤养分失调，土传病害加剧等，制约了农业生产稳定健康可持续发展［10］。植烟土壤出现营养失调、根系分泌物积累、土壤微环境及微生物区系变化等［10］。

微生物肥料是近年生产上广泛应用的一种新型肥料。已有研究表明，微生物菌肥含有微生物菌群、活性酶、有机质、多种微量元素等［11，12］，对土壤酶活性有显著促进作用。它通过微生物活动及相关代谢产物改善农作物的生长环境及营养条件，刺激农作物生长发育，促进土壤养分转化和改善土壤养分状况，进而提高农产品产量和改善品质［13，14］。关于烤烟大田生长各个时期，枯草芽孢杆菌对土壤养分含量及酶活性的影响，以及土壤养分含量与酶活性间的灰色关联的相关研究鲜有报道。本研究通过分析施用枯草芽孢杆菌后土壤主要养分与土壤酶间的相互影响，探寻微生物菌剂对土壤主要养分含量及酶活性的影响，以期为实现土壤提质、生产增效及可持续性发展提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地点及材料

试验于2017年在湖南农业大学科研基地的烟稻轮作田进行。参试烤烟品种K326（中国烟草中南农业试验站提供）。试验土壤有机质27.6 g/kg、全氮1.25 g/kg、全磷0.71 g/kg、全钾13.2 g/kg、碱解氮110.4 mg/kg、有效磷64.2 mg/kg、速效钾182.6 mg/kg、pH 5.75；细菌0.11×107cfu/g、放线菌0.96×106cfu/g、真菌1.60×104cfu/g。烤烟于3月23日移栽，行株距120 cm ×50 cm，施氮量105 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O=1∶0.75∶2.3。试验用烟草专用肥由湖南金叶众望科技股份有限公司生产；含芽孢杆菌微菌剂由河北沧州兴业生物有限公司提供，含量≥2×109cfu/g。

1.2 试验设计与处理

试验为单因素随机区组设计，设4个不同用量芽孢杆菌菌剂处理。T1：15 kg/hm2（0.952 g/株）；T2：30 kg/hm2（1.905 g/株）；T3：45 kg/hm2（2.857 g/株）；T4（CK）：0 kg/hm2。3次重复，小区面积45 m2，每个小区之间用高0.5 m、长5 m、厚5 mm的PVC板隔开。含芽孢杆菌菌剂随基肥在移栽前3 d采用穴施方法施用。栽培管理措施等按长沙优质烟叶栽培技术措施进行。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤养分测定

分别在烤烟移栽后第30、45、60、75、90天，5点取样法用采样器采集两烟株中间垄体上，深度0～20 cm的耕作层土壤样品1 kg左右，以小区为单位混合均匀后，用无菌自封袋装好，在无阳光直射下自然风干，研磨剔除杂物以及烟株残根，过筛后进行土壤养分的测定。

有机质采用水合热重铬酸钾氧化比色法；碱解氮釆用碱解扩散法，用H3BO3（pH 4.8）指示剂溶液吸收测定；有效磷采用碳酸氢钠法，在Alpha1506分光光度计下测定；速效钾采用火焰光度法，在FP640火焰光度计下测定。

1.3.2 土壤酶活性测定

5点法每个处理采集0～20 cm土层，去除杂物和石头，混合制样，待样品自然风干后过1 mm筛备用。

过氧化氢酶（Catalase）活性采用高锰酸钾滴定法测定，结果以1 g土消耗0.02 mol/L KMnO4的体积（mL）（25℃，20 min）表示［15］；土壤脲酶（Urease）活性采用苯酚—次氯酸钠比色法测定，结果以24 h后1 g土壤中的质量（mg）表示［16］；蔗糖酶（Sucrase）采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定，酶活性以24 h后1 g土壤中葡萄糖的质量（mg）表示。

1.3.3 土壤主要养分与土壤微生物间的灰色关联分析

按照灰色系统理论，将土壤脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶和土壤主要养分有机质、碱解氮、有效磷和速效钾视为一个灰色系统，其中：蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶均设参考数列为X0，有机质、碱解氮、有效磷和速效钾为比较序列（子序列）Xi，其中：有机质为X1、碱解氮为X2、有效磷为X3、速效钾为X4。由公式（1）计算其参考数列与子序列间的灰色关联系数。

式中：L0i（k）为在k时刻母序列X0与子序列Xi的关联系数；Δ0i（k）表示k时刻两比较序列的绝对差值，即Δ0i（k）=|X0（k）-Xi（k）|（1≤i≤m）；Δmax与Δmin分别表示所有比较序列各个时刻绝对差值中的最大与最小值（一般取Δmin=0）；ρ为分辨系数，取值为0.5。

综合各点的关联系数，由公式（2）求出子序列与母序列的关联度r0i。

按照灰色关联分析原则，分析大田期间土壤酶与土壤主要养分之间的灰色关联系数，灰色关联系数大的数列与参考数列关系最为密切，灰色关联系数小的数列与参考数列关系为疏远。详见朱雪志等［17～19］方法。

1.4 数据处理及分析

利用Excel 2007整理数据，利用DPS软件进行灰色关联分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理土壤主要养分含量

从图1可知，在烤烟移栽后30～90 d：（1）土壤有机质含量均表现为T4（CK）＞T1＞T2＞T3，各处理间无显著差异；各处理有机质含量随着烤烟生育进程的推进都呈现由高到低的变化。（2）土壤碱解氮含量均表现为T3＞T2＞T1＞T4（CK）；在移栽后30、45、60、90 d，T3、T2和T1间无显著差异，T4（CK）显著低于T2和T3；移栽后75 d，T4（CK）显著低于其余处理。（3）土壤有效磷含量均表现为T3＞T2＞T1＞T4（CK），且在移栽后30、60、75、90 d，T4（CK）显著低于T3和T2，其余处理间无显著差异；在移栽后45 d，T4（CK）显著低于其余各处理，T3、T2、T1间无显著差异。（4）土壤速效钾含量均表现为T3＞T2＞T1＞T4（CK），且T4（CK）显著低于T3和T2，T4（CK）与T1间无显著差异。（5）随着烤烟生育进程的推进，各处理土壤有效钾都呈现“中—高—低”的变化规律，且在移栽后45 d达到最大值。

由此表明，大田期间土壤养分含量变化，与烟株大田生长发育进程对养分需求规律基本一致，确保了养分的供应和烟株正常的生长发育。

2.2 移栽后不同处理大田土壤酶活性变化

从图2可知，移栽后30～90 d，土壤中的脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶活性，均表现T3＞T2＞T1＞T4（CK）的规律。（1）T3处理脲酶活性在移栽后30 d显著高于其余处理，其余处理间无显著差异，在移栽后60～90 d，T3显著高于T1和T4（CK）。（2）过氧化氢酶活性在移栽后30 d和60 d，各处理间无显著差异；在移栽后45 d和90 d，T3处理显著高于T1和T4（CK），但与T2间无显著差异；在移栽后75 d，T1～T3间无显著差异，但显著高于T4（CK）。（3）蔗糖酶活性在移栽后30～45 d，均表现为T3＞T2显著＞T1显著＞T4（CK）；在移栽后60～75 d，均表现为T3显著＞T2＞T1显著＞T4（CK）；在移栽后90 d，T3显著＞T2显著＞T1显著＞T4（CK）。且在移栽后30～90 d，T1～T3处理的酶活性中：脲酶活性均出现由低到高的变化规律，移栽后90 d达到最大值；过氧化氢酶出现“低—高（45 d）—低”的规律性变化；蔗糖酶活性出现“高—低（60 d）—最高（75 d）—高（低于30 d）”的规律性变化。

图1 不同处理烤烟移栽后的土壤养分含量变化Fig.1 Soil nutrients contents after transplanted under different treatments

图2 不同处理烤烟移栽后土壤酶活性变化Fig.2 Soil enzyme activity changes after transplanted under different treatments

2.3 土壤酶活性与土壤养分含量间的相互关系

通过关联性分析，探讨各处理土壤酶活性与土壤养分含量间的相互关系。从表1可知：

（1）土壤脲酶活性与有机质和碱解氮含量间灰色关联系数呈现“45 d＞60 d＞75 d＞30 d＞90 d”的变化趋势；与有效磷含量间的灰色关联系数呈现“60 d＞75 d＞45 d＞30 d＞90 d”的变化趋势；与速效钾含量间的灰色关联系数呈现“60 d＞45 d＞30 d＞75 d＞90 d”的变化趋势。由此表明，脲酶活性在移栽后45 d和60 d，对土壤有机质和碱解氮以及有效磷和钾含量影响较大。

（2）土壤过氧化氢酶活性与有机质和碱解氮含量间的灰色关联系数呈现“60 d＞45 d＞75 d＞30 d＞90 d”的变化趋势；与有效磷和速效钾含量间的灰色关联系数呈现“60 d＞75 d＞45 d＞90 d＞30 d”的变化趋势。表明过氧化氢酶活性在移栽后60 d，对土壤有机质、碱解氮，及有效磷和钾含量影响最大。

（3）土壤蔗糖酶活性与有机质和碱解氮含量间的灰色关联系数呈现“75 d＞60 d＞45 d＞30 d＞90 d”的变化趋势；与有效磷和速效钾含量间的灰色关联系数呈现“75 d＞60 d＞45 d＞90 d＞30 d”的变化趋势。由此表明，蔗糖酶活性在移栽后75 d，对土壤有机质和碱解氮及有效磷和钾的含量影响最大。

表1 烤烟移栽后不同时间土壤养分含量与3种酶活性间的灰色关联系数Table 1 Correlation degree among soil nutrients content&three kinds of enzymes activity after transplanted under different treatments

3 讨论与结论

3.1 枯草芽孢杆菌对土壤主要养分的影响

已有研究表明，枯草芽孢杆菌能活化土壤养分，防止土壤板结，抑制土壤残留的病菌，促进植物种子、幼苗的生长发育，增强根系活力，用途十分广泛［20，21］。施用含枯草芽孢杆菌的生物肥比常规施肥，能提高植烟土壤有机质8.38%、有效磷12.59%、速效钾5.51%和全钾含量10.59%［22］。也有研究表明，施用含枯草芽孢杆菌的有机肥有利于改良土壤质量，明显提升土壤养分含量，其中氮素提升最为明显，但对磷素没有明显的影响［23］。

本研究表明，含枯草芽孢杆菌有机肥对土壤有机质及速效氮磷钾的提升有一定的效果。与前人研究不一致的是，随着烤烟生育进程的推进，土壤有机质、速效氮磷钾含量都呈现“低—高—低”的变化规律。产生这一结果的原因，可能是它加速了土壤中有机质的分解及土壤固定的磷、钾的降解。同时，在烤烟移栽后30～90 d的时间段，土壤有机质、碱解氮及速效磷钾含量呈现出随着芽孢杆菌施用量的增加而降低，且对照有机质含量最高的结果，这与前人相关作物生长发育进程中土壤养分含量变化不一致。出现这一变化可能的原因：其一，枯草芽孢杆菌和土壤其它微生物自身的繁殖需消耗有机质，微生物生物量越大消耗越多；其二，随着烤烟植株生物量的增大吸收的有效养分越多；其三，烤烟与其它农作物不同，大田生长期间，不能通过自身产生的枯枝落叶还田增加土壤有机质含量，只能依靠轮作及施肥补充有机质的消耗，平衡土壤养分。具体原因仍需进一步深入研究。

3.2 枯草芽孢杆菌对土壤酶的影响

相关研究表明，施用微生物菌肥可以有效提高土壤脲酶、转化酶、过氧化氢酶活性［11～13］。枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）是芽孢杆菌属的一种，其菌体生长过程中产生高活性分解酵素分解有机质，产生的有机酸、酶、生理活性物等代谢生成物易为动植物和微生物吸收［13］。已有研究表明，接种枯草芽孢杆菌Bs-15能提高土壤酶的活性［20～22］。本研究结果进一步验证了含枯草芽孢杆菌微生物菌肥对提高土壤脲酶、过氧化氢酶和蔗糖酶活性有较好的效果，施用量越大效果越好。

3.3 土壤酶与土壤主要养分含量间的相互关系

前人研究表明，施用微生物肥料，对土壤主要养分含量及三大微生物数量均有一定的作用。土壤微生物和植物根系是土壤酶的主要来源，他们的活动能力受到土壤养分的直接影响［23，24］。杨超才等［22］研究表明，施用含枯草芽孢杆菌有机肥，可以有效提高土壤养分含量；但枯草芽孢杆菌对烤烟大田期间土壤酶与养分含量间相互影响等相关报道极少。

本研究结果表明，土壤脲酶、过氧化氢酶和蔗糖酶活性对土壤养分有机质、碱解氮、速效磷钾的作用，随着枯草芽孢杆菌施用量提高而增加；不同酶活性对土壤养分影响的最大时间有差异，对有机质和碱解氮的影响最大期，脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶活性分别出现在移栽后45、60、75 d；对有效磷和钾的影响最大期，脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶活性均出现在移栽后60、60、75 d。产生这一差异的原因，除了枯草芽孢杆菌自身的影响外，还可能与烟草根系自身的活性及产生的根系分泌物密切相关［19］。但为什么土壤酶活性与土壤养分含量间的灰色关联系数呈现不同微生物菌剂施用量及不同生育时期间的差异性，仍需要进一步研究。