一种新型土壤改良剂的制备及应用研究

姜莉莉，朱宝伟，李昌丽，姚雨秀，自小雨，郑晓

（营口理工学院 化学与环境工程学院, 辽宁 营口 115014）

大量使用矿物肥料常常导致了土壤生产力下降和环境污染退化[1]。为了增强土地利用的可持续性，人们越来越关注土壤改良剂的开发研究。土壤改良剂是指一类人为添加在土壤中具有改善土壤物理、化学、生物性质的物料，具有调节土壤根际微生物群落、提高土壤生产力、降低土壤中重金属离子含量、促进作物生长、增加作物产量和品质等作用[2-4]。土壤改良剂按照性质大致可分为无机类、有机类、生物类[5-7]，实际应用中常常多种类型的改良剂复合使用，可更好地发挥促进作物生长的作用。

泥炭是由植物残体所形成的褐色、棕色或黑色的沉积物，富含腐殖质和富里酸等成分，富里酸是一种优秀的电解质，可吸附重金属，并具有促进动植物的生长和预防疾病的作用[7]。泥炭常用于富里酸的制备，并且提取完富里酸后的泥炭常常废弃，因其含有残留的富里酸和其他腐殖质成分而造成了资源的浪费。拟青霉（Paecilomyces）能促进难溶磷酸盐的溶解及许多化学聚合物（如农药等）的分解，还可以防治植物寄生线虫病，具有一定的环保效应[8]。利用拟青霉菌和泥炭制备土壤改良剂还未见报道。鉴于此，本研究将从富里酸溶液中筛选出的拟青霉菌（Paecilomyces HGX-1）接种在废弃泥炭上制备新型土壤改良剂，并探究了该土壤改良剂对植物生长的影响及其作用机制。本研究成果将为新型土壤改良剂的制备及土壤改良剂的高效、绿色应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 培养基与菌种

PAD 培养基：土豆200 g、葡萄糖20 g、琼脂15～20 g、水1 000 mL，115 ℃下灭菌20 min 后，备用。琼脂、葡糖糖：北京奥博星生物技术有限责任公司；

拟青霉菌（Paecilomyces HGX-1）：营口理工学院化学与环境工程系生物工程实验室分离筛选。

1.2 土壤改良剂的制备

1.2.1 菌种活化

将4 ℃冰箱保存的菌种接种于灭菌的固体土豆培养基上，并将培养皿置于恒温培养箱中，30 ℃培养24 h 进行菌种的活化。

1.2.2 摇瓶培养

将装有100 mL 土豆液体培养基的250 mL 三角瓶用纱布和牛皮纸封口，灭菌冷却后接入活化菌种，置于恒温摇床培养箱中30oC、200 r·min-1培养48 h。

1.2.3 土壤改良剂的制备

称取经富里酸提取过的泥炭600 g 并平均放置于2 个托盘（50 cm×30 cm）中，分别将摇瓶培养后90 mL 拟青霉菌菌液接种在上述泥炭中，在泥炭上喷洒一些无菌水使泥炭保持湿润，最后在泥炭上覆盖一层保鲜膜，并在保鲜膜上扎许多的小孔，最后置于恒温培养箱中，在30 ℃下培养10 d 后备用，定期进行搅拌并保持泥炭湿润。

1.3 土壤pH 测定

称取10 g 待测土样置于50 mL 烧杯中，加入25 mL 的无二氧化碳的蒸馏水，密封后用磁力搅拌器搅拌2 min，静置30 min 后，用pH 计测定。

1.4 土壤细菌群落结构测定

采集对照组和添加土壤改良剂实验组的植株，去除根部大块土壤，晃动根部，去除根部松散的土壤后，使用无菌刷从根部收集残留土壤5 g，液氮速冻，置于-80 ℃冰箱保存。土样用干冰保存邮寄到上海美吉生物医药科技有限公司，进行微生物宏基因组测序，对样本的 16S rDNA V4 区域进行扩增，采用的前端引物为515F(5’- TGCCAGCMGCCGCGG TAA-3’)，反向引物为806R (5’- GGACTACHVGGG TWTCTAAT-3’)； 采用MiSeq 2000 (Illumina)测序平台系统对PCR 扩增产物进行测序；在97%相似水平下，用UCLUST 方法对操作分类单元(OUT)进行；利用RDP 数据库对OTU 进行物种分类。

2 实验结果

2.1 土壤中不同添加成分对植株生长的影响

取8 个同样大小的花盆，分别放入140 g 经170 目（90 μm）筛子筛过后的校园花坛中普通土壤，并分成4 组，其中1 组作为空白，其余3 组分别添加10%泥炭、10%菌液、10%土壤改良剂，种上相同数量的黑豆种子, 并于室温培养20 d 后记录植株生长情况，所有数据取每组植株的平均值，实验结果如表1 所示。

表1 不同土壤添加成分对植株生长的影响

根据表1 可见，添加土壤改良剂后植株的平均高度为9.4 cm，高于其他组植株的平均高度，说明该土壤改良剂对植株的生长有一定的促进作用；另外，添加土壤改良剂后植株的平均根长为5.2 cm、平均重量为10.3 g 均高于其他组测定的数据，说明该改良剂可以促进植物根部生长，进而提高植株对土壤中营养物质的吸收能力，从而起到了促进植株生长和增加植株重量的作用。另外，由表1 也可以看出，与菌株和泥炭单独使用相比，土壤改良剂对植株生长的促进作用要更加明显，很有可能是由于拟青霉菌和泥炭复合后共同发挥作用的结果。

2.2 土壤改良剂不同添加量对植株生长的影响

取8 个同样大小的花盆，分别放入280 g 经170 目（90 μm）筛子筛过后的校园花坛中普通土壤，并分成4 组，每组按照0%、5%、10%、15%的比例添加土壤改良剂后，种上相同数量的黑豆种子, 并于室温培养30 天后记录植株生长情况，所有数据取每组植株的平均值，实验结果如表2 所示。

表2 不同添加量的土壤改良剂对植株生长的影响

由表2 可见，土壤改良剂的添加对植株的发芽率和高度均具有一定的促进作用，但对植株叶片数量没有明显的影响。尤其当土壤改良剂的添加量为10%时，黑豆的发芽率最高，由22%上升为61%。此组植株高度也从26.0 cm 提高为43.6 cm，但与5%和15%添加量的实验组相比，植株略矮一些，分析原因可能是由于10%添加量的实验组中植株数量较多，土壤中平均营养较少所造成。实验结果也表明土壤改良剂的添加量对植株生长具有一定的影响作用，但并不是添加量越高就越利于植株的生长，因此从出芽率和经济性两方面考虑，确定10%为该土壤改良剂的最适添加量。

2.3 土壤改良剂对土壤pH 值的影响

分别取质量分数为0%和10%土壤改良剂的土壤10 g，分别测定土样的pH 值，考察土壤改良剂对土壤pH 的影响，具体实验数据如表3 所示。由表3 可见，本实验制备的土壤改良剂呈酸性，将其添加到土壤中可使土壤的pH 降低，呈偏酸性，利于土壤中的金属离子溶解及植物的吸收，从而促进植物的生长。苏洪君等[9]使用生物菌混配的土壤改良剂降低了林地的pH, 提高有机质和氮磷含量，并促进了根系生长发育。

表3 土壤改良剂对土壤pH 值的影响

2.4 土壤改良剂对土壤中细菌群落的影响

土壤微生物是评价土壤质量的关键生物学指标，不仅可以改善土壤质量，而且对植物生长发育具有一定的促进作用[10]。土壤中细菌的质量分数约占微生物总量的70%～90%[11]，因此，利用高通量测序技术分析土壤中细菌群落的变化，探究土壤改良剂的添加对土壤中微生物群落结构产生的影响。针对土壤中细菌群落组成在科水平上进行分析，如图1 所示，伯克氏菌科（Burkholderiaceae）在科水平上占主导地位，并且其在菌群中的丰富度受土壤改良剂影响显著，从对照组8.3%显著上升为21.2%。伯克氏菌在农业上是一类具有生物降解、生物控制及促进植物生长等多种功能的根圈微生物[12]。由此可推断本实验室制备的土壤改良剂通过提高土壤细菌群落中伯克氏菌科的丰富度来促进植物的生长。

图1 科水平上添加土壤改良剂后种植土壤细菌菌群的相对丰度

3 结论

本文以提取富里酸后的废弃泥炭为基质，通过接种拟青霉菌制备成新型土壤改良剂，实现了变废为宝、降低生产成本的目的，该土壤改良剂的最适添加量为10%，对植株的出芽率及根部和株高具有一定的促进作用。该土壤改良剂的添加能够调节土壤的pH值呈偏酸性，利于植物对金属离子的吸收；另外，还可以显著提高土壤细菌群落中伯克氏菌科（Burkholderiaceae）的丰富度。因此，该土壤改良剂可以通过调节土壤理化性状，改善植物生长的微生态环境，进而促进植物的生长具有潜在的利用价值。