蚯蚓粪对豇豆根际土壤生物学特征及微生物活性的影响

贾德新，李士平，王风丹，王明友，*

(1. 德州市农业科学研究院，山东 德州 253015；2. 德州学院 生态与园林建筑学院，山东 德州 253023)



蚯蚓粪对豇豆根际土壤生物学特征及微生物活性的影响

贾德新1，李士平2，王风丹2，王明友2，*

(1. 德州市农业科学研究院，山东 德州 253015；2. 德州学院 生态与园林建筑学院，山东 德州 253023)

通过大田试验，研究CK(对照，不施肥)、CF(单施化肥)、VC(蚯蚓粪)和VC+CF(蚯蚓粪和化肥各提供50%的氮)处理对豇豆根际土壤微生物数量、微生物量碳、根系分级、根系分泌物、微生物呼吸及代谢熵的影响。结果表明：与CF处理相比，VC+CF处理显著增加了根际土壤微生物数量与微生物量碳，其中细菌数分别较CK，CF和VC处理增加124.13%，70.48%和17.83%。施用蚯蚓粪明显促进了豇豆根系的生长，尤其增加了毛细根的数量及在根体系中的比例。同时，VC+CF处理还显著提高了根际土壤中根系分泌物含量，并增强了土壤微生物呼吸作用，但降低了代谢熵，其中，土壤微生物呼吸分别比CK，CF和VC处理增加64.91%，36.23%和16.05%，而代谢熵分别下降10.85%，9.06%和5.32%。与VC+CF处理相比，VC处理对豇豆根际土壤微域的影响较小。综上，施用蚯蚓粪相比单施化肥能明显改善豇豆根际土壤的微生态环境，且能显著增强土壤微生物活性，尤以蚯蚓粪与化肥配施的效果更优。

豇豆；蚯蚓粪；根系构建；土壤微生物呼吸；代谢熵

豇豆的蛋白质含量在24%左右，富含磷、铁、钙、维生素、纤维素等营养成分，并含多种氨基酸，尤其是赖氨酸与色氨酸含量较高，可以弥补禾谷类粮食的不足，是我国和东南亚许多国家的重要豆类蔬菜作物[1]。豇豆比大多数豆类作物适应性强，耐热，经济效益较好，是近40年来发展较快的豆类作物，在我国山东、河北、湖北、安徽、浙江等省均有大面积栽培。

有机肥料是传统农业中的重要肥源，在现代农业生产中被越来越多的人所采用[2]。但随着大量规模化畜禽场的兴建和运作，畜禽粪便变成了许多规模化种植农场的有机肥料，这些畜禽场所产生的有机肥与传统有机肥相比，已产生了质的变化，某些规模化畜禽场已成为有毒成分集中的“毒品库”。有研究发现，在年出栏1万头的猪场，粪便中每年排出砷元素量为150 kg，折合As2O3为230 kg[3]。可见，若要生产绿色、有机农产品，对有机肥的选择不可忽视。

蚯蚓粪是通过蚯蚓消化有机废弃物而产生的均匀颗粒，具有良好的团粒结构，疏松适度，通透性好，酸碱度中性，水气调和，且有保水保肥性能；同时其矿质养分丰富，有效成分高，有机质含量多，含有多种利于植物生长的酶、腐殖质和植物激素类物质[4]。我国从20世纪80年代开始兴起蚯蚓养殖业，北京、天津、宁夏、云南等地都建有不同规模的蚯蚓养殖场，蚯蚓粪年产量达数十万吨[5]。前人对蚯蚓粪进行了大量的研究，但主要集中在花卉、黄瓜、甘蓝、番茄等作物上[6-9]，而应用于豇豆的研究鲜有报道。

土壤微生物量既是土壤有机质和土壤养分转化与循环的动力，又可作为土壤中植物有效养分的储备库[10]，在土壤能量转移、养分循环与平衡、土壤理化性质改善及生态系统的长期稳定性中发挥着重要的作用[11]，现已被广泛用作表征土壤质量的重要微生物学指标，能快速地指示土壤质量的变化趋势[12]。虽然土壤微生物在生态系统中的关键作用已得到了广泛认识，但关于豇豆根际土壤微生物量和活性的研究尚处于空白状态。为此，本研究选用经蚯蚓吞食牛粪后产生的蚓粪为供试原料，开展了蚯蚓粪与化肥配施对豇豆根际土壤生物学特征及微生物活性的研究，旨在为土壤培肥制度的建立及豇豆的合理施肥提供理论依据。

1　材料与方法

1.1试验地点与供试材料

试验地点设在德州市运河经济开发区芦庄村九龙湾生态园，供试土壤为轻壤土，土壤速效氮、磷、钾的含量分别为92.07，35.18，105.49 mg·kg-1，有机质含量为14.89 g·kg-1。供试蚯蚓粪为蚯蚓吞食牛粪后的产物，全量N，P，K含量分别为1.68%，1.29%，0.95%；有机碳含量196.35 g·kg-1；有益菌群≥1.8亿个·g-1；氨基酸总量为5.42%，其所含氨基酸种类在16～18种之间；有机酸总量和总糖含量分别为41.26和25.39 mg·g-1；pH 6.9。所用化肥为尿素(含N 46%)、过磷酸钙(含P2O512%)和硫酸钾(含K2O 50%)。豇豆品种为之豇28-2。

1.2试验设计

采用田间小区试验，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，蚯蚓粪(VC)；处理4，蚯蚓粪提供50%的氮，化肥提供50%的氮(VC+CF)。每个处理重复3次，每小区面积为7.5 m×12 m=90 m2，共计12个小区。除CK外，各处理均为等养分量，N，P，K含量相当于310.5，213，321 kg·hm-2，各处理P和K不足部分分别用过磷酸钙、硫酸钾补足。

豇豆采用12 cm高M垄栽培，栽培行宽50 cm，株距40 cm，操作行距 90 cm。按试验设计撒施定量有机肥和化肥，深翻搅拌均匀后整地起垄，覆盖地膜。在2014年4月28日使用点播器点播豇豆，植株抽蔓后支人字架，架高1.9 m。生长期间每20 d进行一次中耕除草，生长后期及时摘除基部黄叶。整个生长期根据具体情况喷施药剂防治病虫害。

1.3测定项目与方法

2014年8月27日采集土壤和根系样品。在土壤水分含量适中时利用剥落分离法[13]采集根际土，并将所取根际土壤样品充分混匀后分为两份：一份新鲜土样于4 ℃冰箱避光保存，尽快测定微生物数量、微生物呼吸及微生物量碳；另一份样品风干，过1 mm筛后用于根系分泌物的分析。同时，用水冲洗挑选出的根系，用游标卡尺将根系按照<2 mm，2～5 mm，>5 mm的粗度进行分级，然后放入75 ℃烘箱中烘干至恒重，并分别称其质量。

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。土壤微生物呼吸的测定采用室内密闭培养法[14]，并以单位质量土壤平均每小时释放的CO2-C数量表示，单位为mg CO2-C·kg-1·h-1。土壤微生物量碳的测定采用氯仿熏蒸K2SO4浸提法。微生物代谢熵是土壤微生物呼吸与土壤微生物量碳的比值，用mg CO2-C·g-1MBC ·h-1表示。根系分泌物中氨基酸总量的测定采用甲醛滴定法；有机酸总量的测定采用液相色谱仪法；总糖的测定采用蒽酮比色法[15]。

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根际土壤微生物数量与微生物量碳

豇豆根际土壤中细菌、放线菌和真菌占微生物总量的比例分别为74.72%～77.23%，21.95%～24.51%和0.67%～1.42%，表明细菌占据绝对优势，放线菌次之，而真菌最少(表1)。同对照相比，各施肥处理均显著(P<0.05)增加了根际土壤的细菌数、放线菌数和微生物总量，而对真菌数的影响较小，这对于抑制土壤传染性病虫害具有一定积极意义。在施肥处理中，VC和VC+CF处理的细菌数、放线菌数和微生物总量明显高于CF处理；而VC+CF处理的细菌数和微生物总量均最高，并显著(P<0.05)高于其他处理，其中细菌数分别较CK，CF和VC处理高出124.13%，70.48%和17.83%。

土壤微生物量碳一般为土壤有机碳的1%～4%，由于土壤微生物C/N较低，在土壤中分解速度比土壤有机质快，因此，对土壤有机质的分解及养分的转化循环等都有重要的作用。从表1可知，各处理微生物量碳含量的大小次序为：VC+CF>VC>CF>CK，且各处理之间的差异均达显著(P<0.05)水平，其中VC+CF处理分别比CK，CF和VC处理提高了84.79%，49.64%和22.45%。由此可知，施用蚯蚓粪相比单施化肥能明显提高豇豆根际土壤的微生物数量及微生物量碳含量，其中以蚯蚓粪与化肥配施的作用效果更优。

2.2根系构建水平

作物根系的构建水平对水分与养分的吸收具有重要作用。由图1可见，从根系分级的绝对质量来看，各施肥处理<2 mm，2～5 mm和>5 mm的根系均显著(P<0.05)大于对照，这说明施肥能促进豇豆根系的生长。在各个施肥处理中，施用蚯蚓粪的两个处理对豇豆根系的生物量及建造水平产生了较大的影响。VC+CF处理中<2 mm的根系干重最大，并明显大于VC和CF处理，其次是VC处理，亦明显大于CF处理。而2～5 mm和>5 mm的根系，3个施肥处理之间差异均未达显著水平。此外，CF，VC和VC+CF处理中<2 mm根系所占比例分别为36.09%，44.23%和50.23%，表明施加蚯蚓粪处理较单施化肥能更显著地提高细根的比例，其中VC+CF处理中细根所占的比例达到最大值。从根系总干重来看，蚯蚓粪的加入同样对根系产生了明显影响。同CF处理相比，VC和VC+CF处理的根系总干重分别增加了16.77%和31.92%，差异均达显著水平(P<0.05)。综上，蚯蚓粪的施入有利于豇豆根系的生长，尤其是促进了毛细根数量的增加，有利于增强豇豆根系对水分及养分的吸收能力。

表1不同处理对豇豆根际土壤微生物数量与微生物量碳含量的影响

Table 1Effect of different treatments on microbial population and microbial biomass C content in rhizosphere soil of cowpea

处理细菌/(×104cfu·g-1)放线菌/(×104cfu·g-1)真菌/(×104cfu·g-1)微生物总量/(×104cfu·g-1)微生物量碳/(mg·kg-1)CK387.6±10.9d119.0±8.0c7.3±0.2a513.8±9.8d317.6±12.3dCF509.6±23.8c145.3±7.8b7.2±0.6a662.0±15.8c392.2±25.1cVC737.3±19.0b241.8±3.3a7.6±0.4a986.7±8.5b479.3±21.7bVC+CF868.7±12.5a248.6±5.7a7.5±0.2a1124.9±13.5a586.9±17.5a

注：数据为平均值±标准差，同列数据后无相同小写字母的表示差异显著(P<0.05)。下同。

图1　不同处理对豇豆根系构建水平的影响Fig.1　Effect of different treatments on root construction level of cowpea

2.3根系分泌物

由表2可知，施加蚯蚓粪的两个处理的氨基酸总量、有机酸总量和总糖含量均显著(P<0.05)高于CK和CF处理。其中VC+CF处理的氨基酸总量和有机酸总量显著(P<0.05)高于其他处理，而总糖含量与VC处理无显著性差异，分别较CK高出77.54%，73.39%和38.80%，分别较CF处理高出64.35%，45.57%和34.26%。与CK相比，CF处理显著(P<0.05)提高了有机酸总量，但对氨基酸总量和总糖含量的影响不显著。综上，不同施肥措施对豇豆根系分泌物含量的影响具有明显的差异，蚯蚓粪的施入较单施化肥能显著促进豇豆根系分泌物含量的增加，其中以蚯蚓粪与化肥配施的效果最优。

表2不同处理对豇豆根系分泌物含量的影响

Table 2Effect of different treatments on root exudate content of cowpea

处理氨基酸/(μg·kg-1)有机酸/(mg·g-1)总糖/(mg·kg-1)CK316.73±12.91c21.87±0.96d13.89±0.51bCF342.15±20.38c26.05±1.73c14.36±0.64bVC475.28±9.65b32.64±1.29b19.15±0.29aVC+CF562.31±17.26a37.92±0.81a19.28±0.41a

2.4根际土壤微生物呼吸与代谢熵

土壤呼吸指土壤由于代谢作用而释放CO2的过程，包括3个生物学过程：植物的根系呼吸、土壤微生物的异养呼吸以及土壤动物呼吸，其中最重要的组成部分是根系呼吸和土壤微生物异养呼吸[16]。本试验剔除了植物的根系，采用室内培养法测定土壤呼吸速率， 所以考查的土壤呼吸主要为土壤微生物呼吸。由图2可见，施肥处理相比对照显著(P<0.05)提高了豇豆根际土壤的微生物呼吸速率，CF，VC和VC+CF处理较CK分别高出21.05%，42.11%和64.91%。而在各施肥处理中，VC+CF处理的土壤微生物呼吸速率最高，其次是VC处理，亦显著(P<0.05)高于CF处理。

代谢熵是土壤微生物呼吸与微生物量碳的比率，反映了土壤微生物种群利用土壤有机成分的效率。它可以表示微生物生物量的大小和活性，指示土壤质量的变化趋势和土壤生态系统的成熟程度[17]。不同处理对豇豆根际土壤代谢熵的影响表现出明显的差异(图2)。同CK相比，各施肥处理的代谢熵均有不同程度的下降，其中CF处理与CK差异不显著，而在VC和VC+CF处理条件下，代谢熵均显著下降。在施用蚯蚓粪的两个处理中，以VC+CF处理的代谢熵最低，分别较CK，CF和VC处理降低10.85%，9.06%和5.32%，差异均达显著水平。上述结果表明，蚯蚓粪与化肥配施不仅能显著增强豇豆根际土壤的微生物呼吸作用，还降低了代谢熵。

图2　不同处理对豇豆根际土壤微生物呼吸与代谢熵的影响Fig.2　Effect of different treatments on microbial respiration and metabolic quotient in rhizosphere soil of cowpea

3　讨论

根际是受根系活力影响的一定体积的土壤，根际的空间范围因土壤结构、微粒尺寸及土壤缓冲力的不同而不同；同时根际又是一个由植物根系、细菌、真菌、放线菌及土壤动物组成的多因素相关联的复杂系统[18]。土壤微生物量碳是反映土壤碳素养分循环与转化过程的重要参数，可直观地体现土壤微生物生长状态和土壤肥力状况[19]。本研究发现，与对照和单施化肥相比，施用蚯蚓粪处理明显提高了豇豆根际土壤中细菌数、放线菌数、微生物总量及微生物量碳含量。这可能是因为：1)蚯蚓粪本身带入了大量活的微生物，并补充输入了有机碳源，提高了养分的有效性和保水能力，同时改善了土壤物理性状，这必将刺激土壤微生物的繁殖[20]；2)施用蚯蚓粪能显著促进豇豆根系的生长，尤其是明显增加了毛细根数量，从而显著增强了根系活性，并促进了根系分泌物中氨基酸总量、有机酸总量和总糖含量的明显升高，为微生物的生长和繁殖提供了营养来源和能量来源。这与张乃芹等[21]在西瓜上和王妮等[22]在侧柏上的研究结果相似。同时，根系分泌物中有机酸总量的提高可降低豇豆根际土壤的pH值，有利于增强磷、钾及部分盐类离子的溶解性，从而提高根际土壤中养分离子的有效性，促进豇豆对磷和钾的吸收，这对于提高豇豆的品质具有积极意义。

土壤微生物呼吸实际上是微生物对土壤有机质的分解过程，即土壤有机质潜在的矿化速率。它是表征土壤质量和肥力的重要生物学指标，反映了土壤微生物的总体活性和土壤物质代谢强度[20]。本研究表明，各施肥处理相比对照均显著提高了豇豆根际土壤的微生物呼吸速率，可能与各施肥措施能增加土壤有机质含量有关，这与张庆忠等[23]的研究结论一致。本研究还发现，蚯蚓粪处理相比单施化肥亦明显增强了微生物呼吸强度，可能是由于：1)蚯蚓粪处理能更显著地增加根际土壤中易分解有机质的量，明显增加了土壤呼吸的底物；2)蚯蚓粪带入了中微量元素，能改善根际土壤中的营养元素平衡，对微生物活动产生促进作用，从而显著提高土壤微生物的呼吸作用[24]。这与张前兵等[25]在棉田上的研究结果基本一致。

代谢熵将微生物生物量的大小与微生物的生物活性和功能有机地联系起来，可以揭示微生物群落生理的特征[26]。有研究认为[27]，代谢熵较低说明土壤中微生物对碳的利用效率较高，而代谢熵较高则意味着用于微生物细胞合成的碳比例相对较小，即碳源的利用率低。在本研究中，单施化肥的代谢熵低于对照，但差异未达显著水平，表明单施化肥对碳源的利用率很有限；而徐永刚等[20]研究认为，单施化肥较对照能明显提高土壤微生物呼吸作用，这与本研究结果不完全一致，这一差异可能与作物种类、土壤质地、施肥周期等因素有关，具体原因还有待于进一步深入研究。本研究还发现，施用蚯蚓粪处理的代谢熵显著低于对照和单施化肥，分析其原因可能是尽管各处理的微生物呼吸与微生物量碳呈现出正相关的变化规律，均为配施蚯蚓粪>蚯蚓粪>单施化肥>对照，但施用蚯蚓粪处理的微生物量碳含量增加更快，所以降低了代谢熵。同时，配施蚯蚓粪处理的代谢熵明显低于蚯蚓粪处理，这可能是因为蚯蚓粪与化肥配施更好地调节了土壤的碳氮比，明显促进了土壤微生物的大量繁殖和微生物活性的提高，显著增加了微生物生物量，从而提高了对碳源的利用率，使得代谢熵降低。这与宋蒙亚等[28]的研究结论基本一致。

4　小结

同单施化肥相比，蚯蚓粪与化肥配施处理显著增加了根际土壤微生物数量与微生物量碳，其中细菌数分别较对照、单施化肥和蚯蚓粪处理增加124.13%，70.48%和17.83%。施用蚯蚓粪明显促进了豇豆根系的生长，尤其增加了毛细根的数量及在根体系中的比例。同时，配施蚯蚓粪处理明显提高了根际土壤中根系分泌物含量，并显著增强了土壤微生物的呼吸作用，但降低了代谢熵，其中土壤微生物呼吸分别比对照、单施化肥和蚯蚓粪处理高出64.91%，36.23%和16.05%，而代谢熵分别下降10.85%，9.06%和5.32%。与配施蚯蚓粪相比，蚯蚓粪处理对豇豆根际土壤微域的影响作用较小。综合分析认为，施用蚯蚓粪相比单施化肥能明显改善豇豆根际土壤的微生态环境，且能显著增强土壤微生物活性，其中蚯蚓粪与化肥配施的作用效果更优。

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(责任编辑高峻)

Effects of vermicompost on biological characteristics and microbial activity in rhizosphere soil of cowpea

JIA De-xin1， LI Shi-ping2， WANG Feng-dan2， WANG Ming-you2，*

(1.DezhouAcademyofAgriculturalScience，Dezhou253015，China; 2.CollegeofEcologyandGardenArchitecture，DezhouUniversity，Dezhou253023，China)

A field experiment including 4 treatments， CK (neither urea nor vermicompost was applied)， CF (100% of nitrogen was provided by urea)， VC (100% of nitrogen was provided by vermicompost)， and VC+CF (50% and 50% of nitrogen was provided by vermicompost and urea， respectively) was performed， to determine the effects of different treatments on microbial population， microbial biomass carbon content， root system construction， root exudates content， microbial respiration and metabolic quotient in the rhizosphere soil of cowpea. It was shown that in comparison with CF treatment， VC+CF treatment significantly increased microorganism population and microbial biomass carbon content. Bacteria population under VC+CF treatment was increased by 124.13%， 70.48% and 17.83% compared to that under CK， CF and VC treatment， respectively. Vermicompost application obviously promoted the root growth and construction of cowpea， especially fine root weight and the ratio of fine root. Meanwhile， VC+CF treatment evidently increased the root exudates content and significantly increased microbial respiration， but the metabolic quotient was decreased. Microbial respiration under VC+CF treatment was increased by 64.91%， 36.23% and 16.05% compared to that under CK， CF and VC treatment， respectively， while the metabolic quotient was reduced by 10.85%， 9.06% and 5.32%， respectively. However， the effect of VC treatment on micro-domain environment characteristics was minor. In conclusion， vermicompost application could significantly improve micro-ecological environment and enhance the microbial activity of cowpea rhrizosphere soil compared with CF treatment， especially when vermicompost was co-applied with inorganic fertilizer.

cowpea; vermicompost; root construction; soil microbial respiration; metabolic quotient

10.3969/j.issn.1004-1524.2016.02.23

2015-08-10

山东省农业良种工程项目([2013]207号)

贾德新(1965—)，男，山东武城人，高级农艺师，主要从事农作物(蔬菜)育种栽培研究。E-mail: jiadexin2015@163.com

，王明友，E-mail: nwmy_sddz@163.com

S147.2；S154.3

A

1004-1524(2016)02-0318-06

贾德新，李士平，王风丹，等. 蚯蚓粪对豇豆根际土壤生物学特征及微生物活性的影响[J]. 浙江农业学报，2016，28(2)： 318-323.