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化肥优化对烤烟根际微生物及土壤酶的影响差异

2021-01-09武盼盼刘书武张晓宁

河南化工 2020年12期
关键词:烟农放线菌根际

武盼盼,刘书武,张晓宁

(1.河南省化工研究所有限责任公司,河南 郑州 450052 ; 2.云南省烟草公司 文山州公司,云南 文山 663000 ; 3.中国农业大学 曲周试验站,河北 邯郸 057250)

0 引言

烟草生长发育必需的元素有19种,其中烟草需要量较大有的氮、磷、钾等10种元素,需要的微量元素有硼、镁等9种。必需的元素对烟草生长发育非常重要,影响着烟草的生长发育和产量[1]。但近年来随着集约化农业的发展和推广应用,依靠着农业机械化的推进、复种指数的增加、长期无机肥料和化学农药的大量投入及有机肥比例的急剧减少,虽然大幅提高了烟草的产量,但对土壤中营养元素的消耗量也逐年增加,土壤可持续性在不断下降。逐渐出现大量元素的富营养化,中、微量元素补充不足的问题。

前期的土壤普查检测发现,土壤缺乏硼、镁等中微元素且日益突出。镁是烟草生长发育的一种必需元素,作为酶、叶绿素等成分在植物体内存在,并参与在逆境条件胁迫下的植物信号传导[2]。植物缺镁的主要症状就是失绿黄化,一旦缺镁,就会破坏叶绿体结构,损伤被膜,降低基粒数和类囊体数目,减弱植物叶片进行光合作用的能力[3]。刘厚诚等[4]认为缺镁会比较明显影响到植物的光合作用,主要表现在叶片的光饱和点、光补偿点降低,会明显降低饱和光强下的最大净光合速率。在植物体中,还参与光合作用、呼吸作用、糖酵解、三梭酸循环等过程,是这些过程中一些相关酶的活化剂。镁对烟灰的凝结性、卷烟的燃烧性和烟叶色泽均有良好的作用。周冀衡等[2]研究发现,镁能协调烟草化学成分,提高可溶性糖的含量,降低烟碱与蛋白质含量,减少刺激性等影响烟叶的品质。硼是烟草必需的一种微量元素,主要参与糖代谢与转运过程,能够促进细胞分裂和细胞伸长,促进植物半纤维素、细胞壁的形成,对碳、氮和酚类代谢及木质化作用有重要的调节作用,还能够提高叶片的蒸腾速率和光合作用效率,促进根系生长发育,提高烟株的抗逆性。韦翔华等[5]研究发现硼能够显著促进烟草花粉粒的萌发和植物花粉管的生长。当烟株缺硼时,就会抑制糖的合成,影响同化物的转运,从而使烟株中积累大量的淀粉和糖分,严重影响烟叶的品质[6]。

这些元素的缺乏成为制约丘北烟区烤烟产量和品质的重要因素。本实验以无机肥料的优化配比对土壤酶活性、微生物数量和群落结构及其代谢等主要生物学性状的影响进行研究。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地在云南省文山州丘北。海拔为1 465 m,年平均气温16.20 ℃,年降雨量1 174.2 mm,自然气候优越,立体气候明显,地势平坦,灌溉方便。试验面积共0.13 hm2,前茬闲置,土壤类型为红壤,质地为中壤土,肥力均匀。供试品种为云烟87,在0~20 cm耕作层土壤养分含量和理化性质见表1。

表1 供试土壤的基本理化性状

1.2 试验设计

试验设置 4 个处理:处理CK1,烟农施肥量;处理Y,烟农优化施肥;处理T1,推荐施肥1;处理T2,推荐施肥2。每个处理设3次重复,共12个小区,采用单因素随机区组设计。每个小区种烟30株,株行距为55 cm×110 cm,小区四周均设保护行。试验区大田管理措施按文山州优质烟叶生产技术规范进行。具体施肥量如表2所示。

表2 实验施肥量

1.3 样品采集

分别于烟苗移栽后35、75、118天3个时期采用五点取样法选采样点,在各处理小区去除表层土后用抖土法采集根际土并混匀将土壤样品分成2份,其中过2 mm筛的一份新鲜土样装入无菌袋中,用冰盒带回并保存于4 ℃冰箱,用于土壤微生物数量及群落功能多样性的分析;另一份土样风干,磨细过830 μm(20目)筛后用于测定土壤脲酶、过氧化氢酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶。

1.4 测定项目和方法

1.4.1土壤酶活性

土壤过氧化氢采用高锰酸钾氧化法;土壤蔗糖酶活性、土壤脲酶活性、土壤酸性磷酸酶活性测定参照文献[7]。

1.4.2微生物数量和群落功能多样性

细菌、真菌、放线菌的数量用稀释平板法,细菌用牛肉膏蛋白胨培养基、真菌用马丁氏培养基、放线菌用高氏一号培养基培养[8]。研究不同施肥处理对土壤微生物群落功能多样性的影响用Biolog-ECO微平板法,具体操作步骤参照文献[9]。

1.5 数据处理

采用培养120 h的590 nm下的光密度值数据进行土壤微生物碳源利用分析和主成分分析,平均每孔颜色变化率(AWCD)计算公式如(1)所示。

AWCD=∑[(Ai-A1)/31]

(1)

式中:Ai为第i个反应孔的光密度值;A1是对照孔的光密度值。

功能多样性指数:Shannon 指数(H)、Simpson指数(D)和McIntosh指数(U),计算公式如(2)~(4)所示[15]。

H=-∑(PilnPi)

(2)

(3)

式中:Pi=(Ai-A1)/∑(Ai-A1),表示第i孔的相对光密度值与整个微板相对光密度值总和的比值;N表示第i孔的相对光密度值(Ai-A1)。

采用Microsoft Excel 2010作图表和SPSS 19.0软件对数据进行统计分析,Duncan法对数据进行差异显著分析处理。

2 结果与分析

2.1 化肥优化对烤烟根际微生物数量动态变化

不同施肥处理根际土壤可培养微生物数量土壤微生物AWCD随培养时间的变化见图1。

CK:烟农施肥;Y:烟农优化;T1:推荐1;T2:推荐2

从图1的细菌数量上看,表现为先上升后下降的趋势且在移栽后75 d的时候达到了峰值。从3个时期与对照CK相比,推荐2的各个时期的微生物数量都比较高且与其他处理达到了显著水平,T1大体上要优于Y,其两者细菌的数量都好于CK且在移栽后75 d达到了显著水平。细菌数量大小的大致表现为T2(推荐2)>T1(推荐1)>Y(烟农优化)>CK(烟农施肥),表明T1与T2均能增加烤烟根际的细菌数量,Y的总体上比CK好但两者未达到显著水平。

从图1的放线菌数量结果看出,各个时期各个处理土壤放线菌的数量都有差异,随着烟草生育期的推进,是先上升后下降的现象。在整个生育期内,以T1、T2的根际放线菌数量较高,在移栽后75 d放线菌较CK提高量达到了峰值,丘北较CK分别提高139.5%、113.8%。Y处理在放线菌数量都要好于CK且达到显著水平(P<0.05)。放线菌的数量总体趋势是T2、T1>Y>CK,说明与CK相比,本实验的各个处理均能提高根际放线菌数量,总体以T1最佳。

由图1的真菌数量上看,4个施肥处理均表现为在烟草移栽后75 d数量达到最大值后逐渐下降的趋势。其中丘北的变化幅度比较大,丘北的T2各个时期的真菌数量都要少于各个处理且达到了显著水平(P<0.05)。

2.2 化肥优化对烤烟根际微生物群落代谢功能多样性的影响

2.2.1根际土壤微生物对碳源总的利用能力(AWCD)的变化

AWCD反映的是随时间的变化微生物对碳源利用强度的变化,也是微生物碳源代谢活性的一个关键指标,数值越大微生物的代谢活性越大。AWCD值是与土壤微生物群落中能利用单一碳源的微生物种类和数目密切相关的。由图1可以看出,各个处理的AWCD值在24~48 h的变化比较平稳,在96~120 h快速上升以后进入一个相对均衡的上升过程,因此采用120 h的数据进行分析是比较能反应微生物整体的活性的。在培养的192 h中,随着烟草的生长发育,各处理的土壤微生物AWCD值逐渐升高,表明微生物的整体代谢活性逐渐增强。其中,推荐2处理的 AWCD值总体上在各个时期不同的地方均表现为最高。表明在烟草的生长过程中,推荐2处理会显著提高微生物的代谢活性,增强其利用碳源的能力。而推荐1的AWCD 值在各个时期大致要略高于优化处理且两者都高于CK,说明3个处理均能不同程度地提高根际微生物的整体代谢活性和数量。

2.2.2化肥优化施肥措施下根际土壤微生物对不同类型碳源利用的差异

微生物对不同碳源的利用能力可表征土壤微生物的代谢功能类群。Biolog-ECO微平板上含有31种碳源,根据官能团不同将其分为6大类,采用120 h的AWCD值计算得到微生物对6大类碳源的相对利用率图谱。由图2可知,在烟草的整个生育期内,各处理碳源利用种类有很大差别,与CK相比,各个施肥处理均不同程度增加了糖类碳源、氨基酸类碳源。在移栽后55 d,各施肥处理的微生物均增加了糖类碳源、氨基酸类碳源的相对利用率,降低了羧酸类碳源的相对利用率。微生物在碳源的利用上增加了多胺碳源的相对利用。在移栽后75 d,各施肥处理均显著增加了微生物对糖类碳源、氨基酸类碳源、羧酸类碳源的相对利用率。在采烤结束后,各施肥处理均显著增加了微生物对氨基酸类碳源、羧酸类碳源的相对利用率。

CH:糖类;AA:氨基酸类;CA:羧酸类;PM:聚合物类;AM:胺类;PA:酚酸类

2.3 化肥优化对烤烟根际土壤酶活性的影响

由图2可见,在烟草整个生育期内不同施肥处理的脲酶活性变化类似都是逐渐增加的,在移栽后75 d达到峰值后开始下降。在烟草的整个生长发育时期3个施肥处理均要高于CK且达到显著水平,酶活性的大小为T2>T1>Y,分别比CK最大增加为120.3%、88.3%、83.5%,说明3个施肥处理均能提高土壤的脲酶活性,而T2处理在提高土壤酶活性比其他的处理有更加明显的效果。

由图2可以看出,各个时期各个处理的蔗糖酶活性是呈上升的趋势,其中3个处理在3次采样中的蔗糖酶活性都要高于CK且达到了显著水平。蔗糖酶活性大体上为T2>T1、Y>CK,T2、T1、Y处理比CK最大提高分别为51.2%、48.1%、98.7%,说明3个处理均能提高土壤蔗糖酶活性且T2增加的效应更好。

磷酸酶主要来源于植物根系和土壤微生物的分泌物,对土壤中有机磷的水解有重要贡献,其活性的高低甚至可以用作诊断植株磷素丰缺的指标[10]。由图2可得,在烟草的生育期内各处理的土壤酸性磷酸酶活性变化的趋势与脲酶类似都是先升高后下降。土壤酸性磷酸酶活性表现趋势与蔗糖酶的表现趋势大致相似,4个施肥处理在两地的蔗糖酶活性总体上是T2>T1、Y>CK,其中与CK都达到了显著性差异以T2处理的酸性磷酸酶活性最高,说明3个处理均能增强烤烟土壤酸性磷酸酶活性。

3 结果与讨论

微生物群落在土壤中是处于一个动态平衡的过程,土壤理化因子的变化会影响其平衡,从而影响土壤微生物的活性及生态功能,进而影响土壤肥力和环境质量[11]。云南土壤的pH值偏酸性,化学肥料(主要是施氮、磷、钾肥或氮、磷、钾不同配比的复混肥)连年施用,许多研究表明,化肥的过量连续施用会降低土壤pH值,造成土壤酸化[12-13]。土壤的酸化导致土壤的碳氮比失衡及进一步造成磷、硼、钙、镁等营养元素的缺失,造成养分失衡问题。对文山的土壤质量进行普查发现,土壤问题之一是土壤B、Mg等元素偏低。B、Mg是植物生长发育过程中必需元素,它们涉及植物几乎全部的新陈代谢过程,如氮、磷和碳初级和次级代谢,酶系统的运作等,叶绿素的合成、激素信号传导、基因调节、细胞的自我保护都需要微量元素的参与[14-17]。缺乏时严重影响作物的产量和品质,这与土壤中缺乏相应元素是密切相关的。土壤中这些元素含量对植物中这些元素含量有重要的直接影响。

实验结果表明,不同的化肥措施对烟草根际土壤微生物数量是不相同的,可以看出添加微量元素及补充P、K方面,推荐1的细菌、放线菌数量施肥处理要显著高于烟农施肥处理。其次对于只施了微量元素的Y处理细菌、放线菌数量也要好于烟农施肥,说明中、微量元素的施入可以增加烤烟根际微生物的细菌、放线菌的数量。这可能是微量元素的加入增加了土壤养分,更能满足微生物中某些种群的生长,另一方面也满足植物对多种养分的需求,增加根的生物量使根际微生物的活动范围更加广泛,促进植物对养分的吸收,同时也提高了肥料利用率。减少氮肥、添加中、微量元素及调节肥料配比方法(推荐2)处理的效果最好,说明适当减肥并调节基追比更能促进细菌、放线菌的生长。在真菌的数量上4个处理有一些差异,总体上 CK>Y>T1、T2。这3类微生物数量上的表现与黄玉茜[18]的研究结果是比较相似的。在两地的碳源利用情况可以看出,AWCD值的大小变化与细菌放线菌数量的变化比较一致,都是T2>T1>Y>CK。表明与烟农施肥相比,推荐1、推荐2、烟农优化施肥都可以增加根际微生物的代谢活性。这与花东来等[19]研究的合理施肥可以提高微生物的代谢活性的结果相一致。与CK相比,3个处理均增加了在碳源的利用,在利用率上有比较大的差异,主要表现在对糖类碳源和氨基酸碳源的利用上。丘北的微生物对多胺类碳源出现了偏好。从总体的碳源利用率可以将其划分为3类,一类是T2,一类是Y、T1,一类是CK。

在土壤酶活性上,可以看到3个处理的酶活性都要高于处理前,这与前人的研究结果是一致的[20-21]。无机肥料的施用上适当添加一定量的中、微量元素,比单施氮磷钾肥更有利于提高微生物数量、增加多样性及土壤酶活性的。其中调配磷钾比并适当减肥增加基追比为5∶5的施肥处理效果最佳。丁效东等[22]发现在一定的氮水平下,追施比(5∶5)比基追比为7∶3时更吻合优质烤烟对氮需求规律。本实验结果与之类似。郑德剑等[23]研究中微量复合肥可以有效促进叶绿素的合成增强光合作用,增强甘蔗抗逆性,病虫害减少显著增产的效果。因此在烟草生产上要根据当地肥力情况在保证氮、磷、钾大量元素施用的基础上,补充一定量的微量元素,同时减少氮肥用量,调节基追比,可以更好地调节土壤微生态环境。

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