牛粪与化肥配施对侧柏根际土壤微生物数量和酶活性的影响

付 海 丽

（1.德州学院 生态与园林建筑学院，山东 德州 253023；2.山东省林业科学研究院，山东 济南 250014）

侧柏（Platycladus orientalis）具有较强的抗干旱能力，在防风固沙、水土保持等方面具有重要作用，是我国营造海岸林和荒山荒滩造林的先锋树种[1]，同时也是国内最广泛应用的园林绿化树种之一。侧柏寿命长，在其生长发育的生命周期中与土壤微生物，特别是根际土壤微生物有着紧密的关系。探讨施肥对侧柏根际土壤微生物及土壤酶活性的影响，对于选择合适的施肥措施，创造良好的微生态环境，从而更好地促进侧柏的生长具有重要的实践意义。土壤微生物是土壤中物质转化和养分循环的驱动力，它们参与土壤有机质分解、腐殖质形成、土壤养分转化和循环等过程[2]。土壤酶是土壤中动植物残体分解、植物根系分泌物及土壤微生物代谢的产物，参与土壤中许多重要的生物化学过程[3]。土壤中的酶和微生物活性高低可以代表土壤中物质代谢的旺盛程度，在一定程度上能反映作物对养分的吸收利用与生长发育状况等，是土壤肥力的重要因子[4]。根际是距离根系表面0～4 mm的土壤区域，受到植物根系的直接影响，也是植物和微生物交流比较活跃的土壤微区。植物根际与非根际土壤的微生物种类、数量的差别呈现出特殊的根际效应，在这一区域内，微生物种群丰富，研究和利用这一丰富的微生物资源库，正越来越受到人们的重视。

牛粪是一种丰富的有机肥资源，仅次于猪粪资源，居第2位，占畜禽粪便的1/3[5]。近年来，许多学者利用牛粪在小麦[6]、玉米[7]、大豆[8]等农作物上进行了深入的研究，并取得了良好的增产效应，而关于牛粪在侧柏方面的应用，尤其是对侧柏根际微域土壤微生物状况的研究尚未见报道。为此，本研究以腐熟好的牛粪为供试原料，开展了牛粪与化肥配施对一年生侧柏裸根苗根际土壤微生物数量、微生物多样性及土壤酶活性的研究，旨在为选择合适的施肥措施，创造以有益微生物占优势的土壤微生态环境，实现侧柏根际生态的动态平衡，为侧柏的园林绿化生产提供理论依据和技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验地点与供试材料

试验地点设在山东省林业科学研究院试验苗圃，供试土壤为潮土，土壤速效氮21.35 mg/kg，速效磷19.46 mg/kg，速效钾 62.00 mg/kg，有机质5.71 g/kg。试验所用牛粪采自附近养殖场，并经腐熟发酵好、风干后施用，其基本理化性状为：含水量22.18%，有机质116.85 g/kg，全氮7.61 g/kg，全磷5.59 g/kg，全钾3.24 g/kg。所用化肥为尿素、过磷酸钙和氯化钾。供试材料选用山东省林业科学研究院培育的一年生侧柏裸根苗，平均地径0.86±0.03 cm，平均株高53.28±0.15 cm。

1.2 试验设计

采用盆栽试验，随机区组设计，设4个处理：处理1，不施肥（CK）；处理2，单施化肥(CF)；处理3，牛粪(CM)；处理4，牛粪提供50%的氮，化肥提供50%的氮(CM+CF)。每个处理8盆，共计32盆。除CK外，各处理均为等养分量，N、P和K含量分别为2.06、1.54、0.89 g[9]，各处理P和K不足部分分别用过磷酸钙、氯化钾补足。试验用盆购自市场的棱柱型塑料盆，盆高20 cm，边长30 cm。于2013年4月6日盆栽试验时，将肥料与土壤充分混匀后装盆，每盆装土10.5 kg。

1.3 取样和分析测定方法

2013年9月26日将每个处理的所有根系进行挑选并用水冲洗，放在一个盛有少量水的长方形平盘中，小心地将根分开，避免根重叠和堆积，然后采用WinRHIZ2003b根系分析系统对根系进行扫描，并分析计算出根表面积、总根长和根尖数；根系活力采用 TTC还原法测定，以单位鲜重根系还原的TTC量表示；采用烘干法称量根系的生物量，并计算出比根表面积。同时参考Wang等[10]的方法采集根际土，并将所取根际土壤样品充分混匀后风干，过2 mm筛供土壤生物学性状的测定。

土壤微生物数量采用稀释平板计数法，细菌采用牛肉蛋白胨琼脂培养基；放线菌采用改良高氏1号培养基；真菌采用马丁-孟加拉红培养基。脲酶测定采用苯酚钠-次氯酸钠比色法；过氧化氢酶测定采用高锰酸钾滴定法；多酚氧化酶测定采用邻苯三酚比色法；蔗糖酶测定采用Na2S2O3滴定法[12]。土壤微生物量碳、氮的测定用氯仿熏蒸法。土壤微生物多样性指数计算公式[11]：

式中，Pi为i类群个体数占总个体数的比例。

1.4 统计方法

采用 Excel 2007处理数据并制图，采用SAS软件进行方差分析和多重比较（LSD法，P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 根系形态特征和根系活力

由表1可见，不同处理的侧柏根系形态特征和根系活力存在明显的差异。与CK相比，各施肥处理均明显提高了侧柏根系的生物量、表面积、比根表面积和总根长，而CM+CF处理的提高幅度最大，并显著高于其它处理，其中根表面积分别比CK、CF和CM处理提高110.01%、59.27%和28.54%，总根长分别提高 92.27%、52.24%和 22.88%；CM 处理的根系生物量、表面积、比根表面积和总根长均显著高于CF处理。

根尖既包括须根根尖，也包括根毛根尖；须根数和根毛数越多，根系与土壤接触的面积就越大, 固定的土壤体积就越大，保持的水分也就越多，同时根系的有效吸收面积就越多[13]。CM+CF处理的根尖数最多，分别比CK、CF和CM处理增加37.79%、34.45%和16.64%，差异均达到显著水平；CM处理的根尖数明显多于CK和CF处理，而CK和CF处理之间无显著性差异。

根系活力大小在一定程度上可反映根系吸收养分能力的强弱，其大小直接影响植物个体的生长发育和营养水平等。由表1可知，各处理根系活力的大小次序为：CM+CF＞CM＞CF≈CK，CM+CF处理的根系活力最高，其次是CM处理，均显著高于CF和CK处理，而CF和CK处理的差异不显著。数据表明，牛粪与化肥配施对侧柏根系形态特征和根系活力的影响作用最显著。

表1 配施牛粪对侧柏根系形态特征和根系活力的影响

2.2根际土壤微生物数量及微生物量碳、氮

由表2可见，不同处理侧柏根际土壤中的各生理类群数量差异显著，并且均以细菌占居优势，放线菌次之，而真菌最少。同CK相比，各施肥处理均明显增加了侧柏根际土壤的细菌数、放线菌数、真菌数和微生物总量。在各施肥处理中，CM+CF和CM处理的三个功能微生物数量和微生物总量均显著高于CF处理；CM+CF处理的细菌数、放线菌数和微生物总量均是最高，并显著高于其它处理，而真菌数与CM处理无显著性差异。其中，CM+CF处理的细菌数分别比CK、CF和CM处理增加143.55%、59.61%和19.08%，放线菌数分别增加87.22%、48.06%和16.94%。

土壤微生物量碳、氮作为土壤肥力水平的活指标，对了解土壤养分转化及循环具有重要意义。从表2可知，CM+CF处理的微生物量碳、氮含量均是最高，并显著高于其它处理，分别比CF处理提高62.22%和45.35%；其次是CM处理，微生物量碳、氮含量均显著高于CK和CF处理；CF处理的微生物量氮含量显著高于 CK，而微生物量碳含量与 CK差异不显著。由此可见，施用牛粪能显著增加侧柏根际土壤的微生物数量及微生物量碳、氮，尤其是牛粪与化肥的配合施用。

表2 配施牛粪对侧柏根际土壤微生物数量及微生物量碳、氮的影响

2.3 根际土壤微生物多样性指数

本试验通过 Shannon 指数公式分别计算了侧柏根际土壤微生物多样性指数（图 1）。结果表明，不同处理使侧柏根际土壤的微生物多样性指数存在一定的差异，说明不同处理的侧柏根际土壤微生物群落的丰富度不同。CM+CF处理的微生物多样性指数最高，其次是CM处理，均显著高于CF和CK处理，这与微生物总量的变化趋势一致；而CF处理的微生物多样性指数明显低于CK，这与微生物总量的变化趋势不一致，这可能是由于单施化肥使侧柏根际微域环境可能会适合于某一类或几类微生物的生长，而对其它类群微生物的生存不一定产生影响，即对各类微生物的作用不同，结果使土壤中微生物总数可能较高，但其微生物多样性指数不一定高[11]。这也进一步证明了施用牛粪对侧柏根际土壤微生物群落的作用效果要明显优于单施化肥。

2.4 根际土壤酶活性

不同处理对侧柏根际土壤酶活性的影响如表3所示。可以看出，同CK相比，各施肥处理均显著增强了土壤酶活性。在三个施肥处理中，CM和CM+CF处理的脲酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶和蔗糖酶活性均明显高于CF处理，而CM+CF处理的过氧化氢酶、多酚氧化酶和蔗糖酶活性均是最高，且显著高于CM处理，但脲酶活性与CM处理无显著性差异。其中，CM+CF处理多酚氧化酶活性的提高幅度最大，分别比CK、CF和CM处理提高69.64%、37.68%和17.28%。数据显示，施用牛粪处理的侧柏根际土壤酶活性均明显高于单施化肥处理。除脲酶外，牛粪与化肥配施处理对侧柏根际土壤酶活性的提高幅度最显著，这与侧柏根际土壤微生物数量的变化趋势相一致。

图1配施牛粪对侧柏根际土壤微生物多样性指数的影响

表3 配施牛粪对侧柏根际土壤酶活性的影响

3 讨论与结论

根际是植物-土壤-微生物相互作用的特殊生态环境，植物根系以多种形式向周围的土壤释放有机物质，并以其自身的活动影响这部分土壤的理化及生物学性状，特别是影响微生物区系的发育[14]。土壤微生物各主要生理类群直接参与土壤碳、氮等营养元素循环和能量流动，其数量和活性直接关系到土壤肥力的高低。本试验研究认为，不同的施肥措施使侧柏根际土壤微生物各生理类群的数量差异显著，且均以细菌占绝对优势、放线菌次之、真菌最少，这与陈汝等[15]在不同苹果砧木上的研究结果一致。本试验还发现，施用牛粪的两个处理使侧柏根际土壤中细菌、放线菌、真菌和微生物总量均明显高于对照和单施化肥处理。这主要是因为：1）牛粪本身带入了大量活的微生物，在某种程度上起到了“接种”的作用；2）大部分微生物在土壤中实际上处于一种低营养状态，当牛粪加入土壤后，为微生物提供了新的能源，使微生物在种群数量上发生了较大的改变；3）施用牛粪处理能明显改善根系形态特征，使根表面积、比根表面积、总根长和根尖数显著增加，同时增强了根系活力，从而有利于刺激根系分泌物的生成，而根系分泌物尤其是低分子有机化合物可以通过改变根际pH、Eh和螯合作用来影响根际元素的溶解度和有效性，进而直接或间接影响根际土壤微生物的数量和种群结构[16]。此外，同单施化肥相比，牛粪和牛粪-化肥配施处理还显著提高了侧柏根际土壤的微生物量碳、氮含量，而微生物量碳、氮是土壤中有机质养分的一种短暂且最有效的贮存形式，是土壤养分的源和库，对土壤养分转化及循环起着重要的作用。

根际微生物数量和种类越多，土壤生物活性越强，对植物生长的促进作用越明显，但微生物数量和种类的变化趋势有时并不完全一致。本试验通过对微生物多样性指数的研究得出，牛粪和牛粪-化肥配施处理的微生物多样性指数与微生物总量的变化趋势一致，而对照和单施化肥处理的微生物多样性指数与微生物总量的变化趋势相反，这表明微生物总数高的侧柏根际土壤，其多样性指数不一定高。这也进一步印证了施用牛粪相比单施化肥能明显地提高微生物群落的丰富度。

土壤酶参与土壤中的各种代谢过程和能量转化，是土壤生物化学特征的重要组成部分[17]。从本研究可知，施用牛粪的两个处理均能明显提高根际土壤的酶活性，这与李华等[18]在小麦-玉米轮作体系中的研究结果一致。这主要是由于施用牛粪既能为土壤酶提供更多、更丰富的酶促基质，发挥底物诱导作用，同时还能提高腐殖质含量，而腐殖质能够通过离子交换、离子键或共价键等与土壤酶结合，固定土壤酶[19]。本研究还得出，牛粪与化肥配施处理的根际土壤微生物数量和土壤酶活性均高于牛粪处理。这主要是由于牛粪与化肥搭配施用能更好地调节土壤碳氮比，改善土壤理化性状，更有助于侧柏和土壤微生物的生长，使更多的酶伴随着旺盛的根系活动和土壤动物、微生物的生活活动而进入土壤，从而更有利于土壤微生物数量和土壤酶活性的提高[20]。

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