添加外源酚酸条件下有机肥对辣椒化感效应的调控研究

2022-08-10张卫东吴云成刘明庆赵家印王蒙蒙

江西农业学报 2022年5期

张卫东，刘宇，吴云成，刘明庆，赵家印，王蒙蒙，陈哲，田伟*

（1.生态环境部南京环境科学研究所，江苏南京 210042；2.河海大学农业工程学院，江苏南京 210098）

0 引言

伴随着现代农业的发展，连作障碍已经成为农业生产中的世界性难题。连作障碍是指在同一地块连续多茬种植同种或同科作物后，植株长势变弱、病虫害加重、产量和品质下降的现象［1］，化感物质的逐年积累以及由此引起的土壤根际微生物群落结构的失衡是连作障碍发生的重要诱因。研究表明，酚酸类化感物质是影响植物幼苗生长的重要因素［2］。酚酸类物质是单一连作体系中重要的化感物质，可通过直接的自毒作用或间接的抑制作用，使土壤向“利病型土壤”转化［3］。因此，要防治与克服连作障碍，必须从土壤微生物区系着手，构建一个健康的土壤微生物区系，并设法维持。大量研究结果表明，生物防治是治理土传病害最有效、最安全的途径［4-6］。

有机肥的生产过程是一个由不同种类的微生物参与的自发的生物学过程［7］，研究表明，腐熟的有机肥存在大量的细菌、真菌和放线菌等微生物，施用有机肥不但具有培肥土壤、增加作物产量、改善作物品质等作用，同时能够调控土壤微生物区系特征［8-9］。本试验以辣椒根系分泌物以及残留物中的酚酸类物质：香草酸（VA）、水杨酸（SA）与苯甲酸（BA）等为代表，重点关注了在此类化感物质存在的情况下，有机肥对辣椒种子的发芽情况和幼苗生长的影响以及对土壤微生物功能的调控作用，以期为研究连作障碍中根际调控技术提供支撑。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

供试土壤采自江苏省仪征市江扬农业生态有限公司四庄基地，该土壤的pH值为 7.20，有机碳含量为19.21 g/kg，总氮含量为1.87 g/kg,有效磷含量为172.31 mg/kg，有效钾含量为31.56 mg/kg。

1.2 实验设计

将辣椒种子的表面用5%的过氧化氢（H2O2）消毒30 min，再用无菌水清洗3次，然后放在含有湿式过滤纸的培养皿中，保持30 ℃发芽48 h，最后将种子移入盆中。实验包括7个处理：（1）CK（未添加酚酸的土壤）；（2）BA（添加苯甲酸）；（3）BA+OF（添加苯甲酸和有机肥）；（4）SA（添加水杨酸）；（5）SA+OF（添加水杨酸和有机肥）；（6）VA（添加香草酸）；（7）VA+OF（添加香草酸和有机肥）。每个处理重复3次。在播种7 d后采集土壤，并将其保存在4 ℃下冷藏待后期分析。各酚酸处理过程为：将每种酚酸在乙醇中溶解后分别加入到土壤中，使其浓度最终达到5 mg/g。各有机肥处理过程为：在添加有机肥的处理中按1.0%的比例添加牛粪有机肥，有机肥的基本理化性质为：全氮1.34%、全磷1.58%、全钾0.92%。

1.3 测定指标与方法

土壤常规理化指标分析［10］：土壤pH值采用土∶水=1∶10浸提，用pH计测定；铵态氮含量采用氯化钾浸提─靛酚蓝比色法测定；硝态氮含量采用紫外分光光度法测定；速效钾含量采用乙酸铵浸提─火焰光度法测定；有效磷含量采用碳酸氢钠浸提─钼锑抗比色法测定；土壤酚酸类化合物采用液相色谱法（HPLC）测定［11］。

土壤微生物数量：以鲜土样为测定对象，采用试管梯度稀释涂平板法测定土壤细菌、真菌和放线菌数量，采用的培养基分别是牛肉膏蛋白胨培养基、马丁氏培养基和高氏培养基［12］。微生物功能多样性采用Biolog-Eco微平板测定，微平板含96孔、共31种碳源，放置于25 ℃恒温恒湿培养箱培养8 d，每12 h用酶标仪读取各孔在590 nm波长下的数值［13］。

1.4 统计分析

采用孔平均颜色变化率法测定微生物利用单一碳源的能力。

平均颜色变化率（AWCD）=∑(Ci-R+)/31

其中，Ci为各反应孔在590 nm 的光密度值；R为ECO 板对照孔A1 的光密度值；Ci-R小于零的孔在计算中记为零。采用PCA（Canoco 4.5）软件对接种84 h 后的31 种碳源的OD 值进行主成分分析［14-15］，测定数据经Microsoft Excel 2010软件整理后，用SPSS 18.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 外源酚酸和有机肥对土壤理化性质的影响

由表1可知，与CK相比，酚酸处理（BA、SA、VA）以及酚酸-有机肥处理（BA+OF、SA+OF、VA+OF）均明显改变了土壤的基础理化性状，土壤的pH值、铵态氮和硝态氮含量都有提升，其中铵态氮的含量显著增加；酚酸-有机肥处理（BA+OF、SA+OF、VA+OF）中的有效磷、速效钾含量显著增加。与对应的酚酸处理（BA、SA、VA）相比，酚酸-有机肥处理（BA+OF、SA+OF、VA+OF）显著增加了土壤速效钾的含量，降低了土壤的pH值。对于土壤pH值的变化，各处理之间并未表现出一致的规律性。

表1 外源酚酸和有机肥对土壤理化性质的影响

2.2 外源酚酸和有机肥对辣椒种子的发芽率以及土壤中酚酸浓度的影响

与CK相比，酚酸处理均显著抑制了辣椒种子的发芽（图1a），BA、SA与VA处理的种子发芽率明显降低，分别降低至47.6%、14.8%、38.2%。而酚酸-有机肥处理则对酚酸抑制辣椒种子发芽具有缓解效应，BA+OF、SA+OF和VA+OF处理的辣椒种子发芽率分别达到了63.2%、51.5%和71.8%。

不同处理间土壤中总酚酸含量表现不同（图1b）。SA+OF 处理的总酚酸含量最高，达613.7 mg/kg；CK 的总酚酸含量最低，为91.9 mg/kg。BA 处理的总酚酸含量（330.5 mg/kg）高于BA+OF 处理的总酚酸含量（236.2 mg/kg）。VA 处理的总酚酸含量（239.7 mg/kg）高于VA+OF 处理的总酚酸含量（239.7 mg/kg），而SA 处理的总酚酸含量（173.8 mg/kg）显著低于SA+OF 处理的总酚酸含量（613.3 mg/kg）。

2.3 外源酚酸和有机肥对土壤可培养微生物数量的影响

与CK相比，酚酸与酚酸-有机肥处理均明显抑制了土壤细菌的数量（图2a），分别降低至1.7×107～1.6×108、6.1×107～2.6×108cfu/g。但相较于对应的酚酸处理，酚酸-有机肥处理中的BA+OF和SA+OF中土壤细菌的数量分别为1.4×108和2.6×108cfu/g，显著高于BA和SA的单独酚酸处理的1.7×107、1.7×108cfu/g。相较于SA处理，SA+OF处理土壤真菌的数量显著降低（图2b）。BA+OF和VA+OF处理中的放线菌的数量显著高于对应的BA和VA处理（图2c）。

2.4 外源酚酸和有机肥对土壤微生物功能多样性的影响

土壤微生物群落对碳源的利用能力可以通过平均颜色变化率（AWCD）来反映，其能够直观反映微生物的生长情况。由图3可知，较未添加酚酸的CK处理，酚酸的添加，尤其是苯甲酸的添加，显著抑制了土壤微生物对碳源的利用。与单独添加酚酸的处理相比，添加有机肥在一定程度上增加了平均颜色变化率，BA+OF处理和VA+OF处理的平均颜色变化率分别为1.3和1.4，显著高于BA处理和VA处理的0.9和1.1。

由图4可看出，与BA处理相比，BA+OF处理消耗较多的碳水化合物类、羟酸类、氨基酸类、胺类、酚类化合物，并消耗较少的聚合物。与SA处理相比，SA+OF处理消耗较多的碳水化合物类、氨基酸类与胺类，并消耗较少的聚合物。与VA处理相比，VA+OF处理消耗较多的聚合物、碳水化合物类、羟酸类、氨基酸类、胺类、酚类化合物以及聚合物。

图4 不同处理中各碳源的平均颜色变化率

2.5 外源酚酸和有机肥对微生物碳源利用特征的影响

为确定不同处理的土壤微生物对碳源利用能力的差异化程度，对所有处理的平均颜色变化率进行了PCA分析。由图5可以看出，第一主成分（PC1）和第二主成分（PC2）分别解释了所对应变量方差的70.8%和 21.0%，2个主成分累计达到了91.8%，作为变异的主要来源，可以用来表征不同处理间微生物碳源利用的差异。酚酸+有机肥处理与酚酸处理分布于不同的象限，表明各处理利用碳源的差异比较明显。

图5 不同处理的碳源利用能力的主成分分析

3 讨论

在双碳战略背景下，可持续农业是世界农业发展的必然，通过发掘土壤本身的生产潜力，降低化肥、农药等化石能源的投入，构建循环农业体系，减少土传病害的发生［16］。我国是农业废弃物生产大国，堆肥是一种经济、环保的农业固体废弃物资源化的利用方式［17］。本文重点关注了在化感物质存在的情况下，有机肥对辣椒种子的发芽情况和幼苗生长的影响以及其对土壤微生物功能的调控作用。

本实验结果表明，外源酚酸的添加具有一定的活化土壤营养成分的作用，土壤中氨态氮、硝态氮、有效磷和速效钾的含量较对照来说总体得到了提升，这可能是由于外源酚酸的添加，选择性地促进了某一类或者某几类以此酚酸为碳源和能源的土壤微生物的生长，提高了土壤中难利用养分的矿化效率。相反，改变土壤有效态养分（硝态氮、有效磷、速效钾）的含量也可能会改变土壤微生物群落结构［18］。有机肥能够增加土壤有机质含量并且为作物生长提供养分，本实验有机肥添加处理显著增加了土壤中有效磷和速效钾的含量，这与前期的研究结论一致［19］。

外源酚酸的添加对辣椒幼苗的生长具有明显的抑制作用，Asao等［20］报道，在芋头根系分泌物中含有大量的酚酸类物质，包括苯甲酸、香草酸和琥珀酸等，其中苯甲酸对芋头幼苗具有明显的抑制作用。研究表明，在未灭菌的土壤中，即使土壤中酚酸的浓度很高，也能被土壤中的微生物快速降解［21］。因此，土壤中微生物的数量、结构和活性决定了酚酸在土壤中的停留时间，同时决定了种子的发芽率，但是要注意的是，施用有机物料来控制土传病原菌与具体的有机物料和土传病原菌的种类有关［22］。例如，SA+OF处理中水杨酸的含量高于SA处理，初步认为在有机物料的微生物降解过程中，有一定数量的水杨酸释放到了土壤中［23］。

有机肥施用是一种有效的土传病害的防控措施，在有机质的降解过程中，土壤中 k 型和 r 型微生物的比值随着微生物区系的演替而改变［3］，而这种比值往往与土壤的抑病能力有关。本研究发现，外源酚酸的添加一定程度上抑制了细菌的生长，而有机肥能够缓解这种抑制效应，促进可培养细菌和放线菌的生长繁殖，尤其是苯甲酸+有机肥处理，这种促进效应更加明显。研究表明，土壤细菌数量/真菌数量的比值越高，越有利于降低土壤病害的发生概率［24］，这可能是细菌和放线菌的快速繁殖在一定程度上抑制了有害真菌的生存。另外，土壤中的放线菌一般能够产生抗生素等一些次生代谢产物，从而抑制了病原微生物的生长。但是，由于酚酸种类的差异及其对微生物的选择性，因此，并不是所有的酚酸+有机肥处理的微生物数量会表现出一致的规律性。

平均颜色变化率值反映了土壤微生物利用碳源的能力和代谢活性的大小，其值越高，土壤中微生物群落代谢活性也就越高［25］。本文通过研究外源酚酸及酚酸+有机肥条件下土壤微生物碳源利用能力，分析了有机肥的添加对土壤微生物功能多样性的影响。研究结果表明，与单独添加酚酸处理相比，添加有机肥可显著改变土壤细菌群落的碳代谢能力，有机肥处理的细菌种群增加了对碳水化合物、羟酸、氨基酸、胺类以及酚类化合物的利用。宁赵等［26］研究发现，施用有机肥可显著增加土壤微生物的碳源利用能力，提高微生物对碳水化合物的代谢速率。张玥琦等［27］研究了不同施肥措施对番茄连作土壤微生物功能多样性的影响，发现鸡粪和稻草等有机物料的投入均能在一定程度上提高土壤微生物碳源利用能力。Poulsen等［28］从生态学的角度研究了植物根际微生物多样性与土传病害发生的关系，表明根际细菌种群及功能多样性越丰富，其抑制病原菌生长的能力就越强。总体来说，在添加外源酚酸条件下，有机肥对辣椒化感效应具有正向调控作用。