施加有机肥下木质素对平邑甜茶根系活力及根际土壤微生态的影响

吕婷雯,沈汝波,杨洪强,范伟国,张瑞雪,王利*,徐颖,曹辉,宁留芳,周春然

1.山东农业大学林学院,山东 泰安 271018

2.山东临朐县果树站,山东 临朐 262600

3.山东农业大学园艺科学与工程学院,山东 泰安 271018

我国造纸工业发展十分迅速，在满足人们生活需要的同时，也产生了许多废弃物。而木质素就是来源于废弃物之一，它存在于植物细胞次生壁与胞间层的中间[1]。制浆废液中的木质素以改变土壤团聚体结构，增加营养元素的有效性等方式来改善土壤质量[2]。在土壤中施用木质素复合肥后，其降解产物能有效结合土壤中分散的土粒胶体，降低土壤对磷、钾等的吸附固持能力[1]。木质素的抗诱变性可以产生类似邻醌类植物生长激素，这种激素能够促进平邑甜茶植株幼苗根系的发展[3]。

木质素能够抑制脲酶活性[4,5]，且将其与氮肥配施有益于土壤中多酚氧化酶和过氧化物酶活性的显著增加[6]。施用适量木质素可增加冬小麦的生长量[7]。近几年，以平邑甜茶（Malus hupehensisRehd.）为试材，对其进行生理特性的研究有很大的进展，但目前施用木质素对平邑甜茶根系活力及土壤微生态环境影响的研究甚少，基于木质素与有机肥的大量研究，本实验将探讨在不同有机肥添加量下，木质素施入土壤后对植物根系活力及土壤环境的影响，以便更好地在生产中应用。

土壤是植物赖以生存的大环境，土壤的改善导致根系环境的改变，它的养分状况因多种因素而改变，如有机肥的施用及添加改良剂的种类等。土壤酶的存在使土壤中的微生物吸收足够供植株生长的养分，对土壤中碳素循环及营养物质的积累有很大的作用，在土壤中加入有机肥后，可以促进土壤磷酸酶，过氧化物酶及脲酶活性[8]。土壤微生物作为土壤有机质及土壤中养分分解的参与者，其活性某种程度上可以表征土壤的健康状况。生物炭和有机肥组合可以改善土壤微生物多样性[9]。

作为苹果的一种砧木，平邑甜茶的抗病能力和适应能力极强，其实生苗个体间差异小，是一种类茶植物[10]。本试验以平邑甜茶为试材，在盆栽条件下，探讨在施加有机肥条件下不同浓度木质素对平邑甜茶根系活力及根区土壤酶活性和土壤微生物的变化，以期为进一步木质素资源的有效利用，改善根际土壤的环境和科学培育平邑甜茶提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验于2015年3～11月在山东农业大学南校区科技创新园进行。供试植株为生长势相近的1年生盆栽平邑甜茶，花盆内径36 cm，高27 cm，装土量为10.2 kg。盆土（普通褐土、河砂按照8:2（V/V）均匀混合而成）的速效磷 27.3 mg·kg-1，碱解氮 54.9 mg·kg-1，速效钾 33.9 mg·kg-1，有机质 12.4 g·kg-1，pH 7.3，试验用木质素为碱木质素，购自山东某木质素生产有限公司。

1.2 试验处理

试验设计为在添加10%和40%体积配比的有机肥（主要成分为碱解氮1.1 mg·kg-1，速效钾12.1 g·kg-1，有机质 350.5 g·kg-1，速效磷 234.9 mg·kg-1）的盆土中，分别施入用量为 0、1.5、2.5 g·kg-1的木质素，混合均匀，共6个处理；每处理3株供试平邑甜茶；2015年3月21日将长势一致的一年生平邑甜茶栽入盆中，以未施木质素的盆土为对照。在盆栽土壤相对含水量降到50%左右时对各处理进行灌溉，使其达到含水量大约80%。取样前一周内不灌水。处理180 d后取样测定。

1.3 测定指标与方法

试验于2015年11月下旬取样测定，取样时由于表层土壤相对干燥，微生物分布较少，所以用小铲子刮掉表层土壤，在盆中均匀取出平邑甜茶根系及根系周围的土壤，分拣出根系，剔除土壤中的杂物，用力抖动集中收集紧密粘附在根系表面的土壤为本次测定的根际土壤，1盆1株苗子，每个处理取3个重复，然后把根系放入冰盒中以测定根系活力；根际土壤装进自封袋，分成2份，1份放入带有冰块的保温瓶中，带回实验室放进4℃冰箱内，以供测定土壤微生物等；另1份土壤自然风干，研磨后过18目筛，用于测定土壤酶活性。

1.3.1 土壤的基本特性 参照杨剑虹等[11]测定土壤速效钾、碱解氮及速效磷含量；土壤碱解氮采取碱解扩散法来检测；土壤速效钾测定使用1 mol·L-1乙酸铵浸提-火焰光度法；土壤速效磷采取0.5 mol·L-1的碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定。采用Elab-TOC总有机碳分析仪测定土壤有机质含量[12]。

1.3.2 根系活力 利用TTC法测定[13]。

1.3.3 土壤酶活性 土壤脲酶活性采用苯酚钠-次氯酸钠比色法，称取5 g风干土于50 mL三角瓶中于37℃恒温培养箱24 h，之后显色于578 nm比色测定；土壤碱性磷酸酶采取磷酸苯二钠比色法，称5 g风干土置于50 mL三角瓶中于37℃恒温箱中2 h，之后按标准曲线方法于510 nm比色测定光密度从而计算出磷酸酶活性；土壤纤维素酶采用硝基水杨酸比色法测定，称取10 g土壤于50 mL三角瓶中于37℃恒温箱中培养72 h，取培养后的滤液1 mL，按标准曲线方法于540 nm比色记录；土壤蔗糖酶采取3,5-二硝基水杨酸比色法来测定，称取5 g风干土于50 mL三角瓶中于37℃恒温箱中培养24 h，之后显色于508 nm比色测定[14]。

测定土壤脱氢酶活性采用三苯基四氮唑氯化物比色法[15]。以2,3,5-三苯基四氮唑氯化物为基质接受脱氢酶的活化的氢，反应产物为2,3,5-三苯基甲臢，显红色。由甲臢的生成数量及红色溶液吸光度，然后进行定量分析，1 mg甲臢为150.35 μL H+计算出酶活性。

1.3.4 土壤微生物数量 土壤微生物（细菌、真菌、放线菌）计数采用稀释涂抹平板法[15]。细菌培养采用牛肉膏蛋白胨培养基，真菌采用加孟加拉红的马丁氏培养基，放线菌采用改良高氏Ⅰ号培养基。置于28℃培养箱中进行培养，细菌培养2 d，真菌培养3 d，放线菌培养5 d后计数。微生物数量以每克样品菌数表示。本试验细菌采取代表性10-4梯度，真菌10-1梯度，放线菌10-5梯度，选取Shannon-Wiener指数代表用来计算微生物多样性指数(H)，计算公式为：H=-∑(ni/N)*ln(ni/N)公式中ni为第i个物种微生物个体数量；N为群落中所有物种的微生物个体数目[16]。

1.3.5 数据处理 用Microsoft Excel 2003和DPS 7.05软件进行数据分析，用Tukey法（α=0.05）进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 木质素对平邑甜茶根系活力的影响

由图1可以看出，施加有机肥后，经过不同的木质素施用量处理后，平邑甜茶根系活力发生不同的变化。不论施加10%或者40%有机肥，平邑甜茶根系活力都随木质素施用量的增加而提高，其中2.5 g·kg-1提高最显著，分别比各自对照提高61.2%和77.4%。两种有机肥条件下1.5 g·kg-1木质素处理也提高了平邑甜茶根系活力，但提高效果不及2.5 g·kg-1木质素处理显著。

2.2 木质素对平邑甜茶根际土壤酶活性的影响

由表1可以发现，施加有机肥下，不同的木质素施用量的处理之后，平邑甜茶根际土壤的酶活性发生不同的变化。10%有机肥条件下，随木质素施用量增加，根际土壤蔗糖酶、脱氢酶活性呈现逐渐升高的趋势，且显著高于对照，其中2.5 g·kg-1木质素处理的根际土壤根际土壤蔗糖酶、脱氢酶活性最高，分别比对照增加73.2%和63.7%。脲酶和纤维素酶活性呈现逐渐降低的趋势，2.5 g·kg-1木质素处理的最低。

40%有机肥条件下，木质素处理增加了根际土壤脲酶、纤维素酶及脱氢酶活性，2.5 g·kg-1木质素处理的蔗糖酶活性最高，比对照提高22.6%，此外平邑甜茶根际土壤纤维素酶活性比对照增加3.51倍。1.5 g·kg-1木质素处理的土壤脲酶活性在三组中最高，比对照提高10.6%。

表1 木质素对平邑甜茶根际土壤酶活性的影响Table 1 Effects of lignin on enzymes activities in rhizosphere soil of Malus hupehensis Rehd.

2.3 施用木质素对平邑甜茶根际土壤微生物的影响

由表2可知，施加有机肥下，不同木质素施用量的处理，根际土壤的各种微生物数量出现不同的变化。10%有机肥条件下，随木质素施用量增加，1.5 g·kg-1木质素处理的根际细菌、真菌、放线菌、总数量增加最多，分别比对照增加了57.5%、207%、67.2%、60.8%，与对照比较达到显著差异水平。40%有机肥条件下，平邑甜茶根际细菌、真菌、放线菌、总微生物数量呈现逐渐升高的趋势，其中，2.5 g·kg-1木质素处理的根际细菌、真菌、放线菌、总数量最多，分别比对照增加了30.2%、179%、40.9%、33.6%，与对照相比较达到显著差异水平。施加有机肥下，随木质素施用量增加，根际土壤微生物多样性指数有所提高，但不同处理间土壤微生物多样性差异不显著。

表2 木质素对平邑甜茶根际土壤微生物的影响Table 2 Effects of lignin on microorganism in rhizosphere soil of Malus hupehensis Rehd.

3 讨 论

土壤酶的活性与土壤类型等一些因素有很大的关系，它的活性高低反映了土壤中发生化学反应的相对强度，每一种土壤酶从不同层面反映了土壤的状况，测定酶的活性可以了解土壤中某种物质的转化情况。N素可以提高土壤微生物生物量，从而显著影响土壤纤维素酶和脱氢酶活性[17]，本试验研究显示可知，10%有机肥条件下，经过不同的木质素施用量的处理，平邑甜茶根际蔗糖酶活性随木质素浓度的增加都逐渐提高，而脲酶逐渐降低。这是因为木质素碳氮比相对较高为250左右[18]，多种活性基团在土壤中能受微生物的影响分解为腐植酸，土壤中施用腐植酸复合肥可以抑制脲酶活性，显著提高蔗糖酶活性和磷酸酶活性[4]。土壤纤维素酶活性受根系分泌物、土壤有机碳及土壤pH值的影响很大[19]。本研究中10%低有机肥下，添加木质素后，木质素使得平邑甜茶根系分泌物较少，纤维素降解不够彻底导致土壤中易溶性营养物质减少，分解纤维素酶的细菌较少，进而导致纤维素酶活性降低[20]。在40%有机肥条件下，木质素提高了平邑甜茶根际土壤脲酶及纤维素酶活性，且较高浓度木质素效果更为明显，这进一步证实了木质素的加入有利于土壤中主要酶活性的增加；低浓度木质素提高平邑甜茶根际脲酶活性，这与张杰[21]研究结果相反，可能是较高有机肥施用量下，木质素可以弥补氮素的缺失，一定程度增加土壤脲酶活性，促进植株生长。脱氢酶活性升高可能是由于加入木质素后，木质素能够提高微生物固持氮素的能力，而土壤N素可以提高土壤微生物生物量，从而显著增加土壤脱氢酶活性[22]。

土壤微生物作为土壤中物质循环的主要推动者，它(细菌、真菌、放线菌)的数量是衡量土壤中微生物体系状况的重要指标之一[23]。通常来说，细菌在土壤中微生物中的数量最多；放线菌数量与土壤有机质及有效磷含量等有关，可以抑制根际细菌，它介于细菌和真菌之间；真菌数量最少，但有着生物量大的特点；反应微生物多样性的指数各有差异，本实验中选取Shannon指数表示物种活动的差异性。一般而言，根际微生物数量及微生物种类的多少在某种程度上决定了土壤微生物活性，间接影响植株的生长发育，但微生物数量与土壤微生物多样性指数并不成正比[24]。本试验证明，10%低有机肥条件下，施加低浓度木质素有利于平邑甜茶根际土壤中微生物的活动，更好的促进植株生长。而较高浓度木质素则抑制了土壤中微生物种群的丰富。在40%较高有机肥下，高浓度木质素提高了平邑甜茶根际微生物多样性，有利于土壤养分最大化利用，保证土壤中各种活动的完成。微生物多样性指数反映了土壤中微生物种群的丰富程度，如果土壤中多样性指数越低，那么其中微生物种群比例分布越不均匀[25]。本试验中微生物多样性有所提高，Shannon指数无显著变化，但张杰[21]研究表明木质素降低了Shannon指数，减少了土壤微生物多样性，其结果差异的原因需进一步探讨。

根系活力是反映植物根系生命活动的一个重要的生理指标，与呼吸作用相关联[26]。根系吸收运输植株所需的养料及水分的能量由根系部分细胞的呼吸提供。研究发现施用秸秆有利于土壤的物理化学性质的改善，提高黄瓜的根系活力，而本试验中碱木质素是通过麦草秸杆等碱法制浆黑液中被分开来的产物，在土壤中施用适宜浓度的木质素对提高植株根系活力有一定的促进作用。本研究证明添加有机肥下，木质素提高了根系活力，2.5 g·kg-1木质素处理提高最大，这可能由于添加少量木质素后，木质素作为氮磷复合肥提高了土壤的养分，优化了根系生长的土壤环境，提高了根系活力。施用有机营养物能够改善根系的生长发育，添加不同物料结果表明番茄的根系活力与根系土壤的微生物特性有正相关联系[27,28]。在高肥条件下，木质素使用使平邑甜茶根系活力与根系土壤的微生物数量成正相关。本实验中平邑甜茶的根系活力改变与根际土壤微生态环境的改变有很大的关系，具体的机制有待于下一步研究。

4 结 论

不论10%或40%有机肥条件下，施用木质素提高了平邑甜茶根系活力，较高浓度提高最为显著。10%有机肥条件下，2.5 g·kg-1木质素处理抑制土壤脲酶及纤维素酶活性，提高土壤碱性磷酸酶及蔗糖酶活性最为显著；1.5 g·kg-1木质素处理显著增加土壤微生物细菌、真菌及放线菌数量。40%有机肥下，木质素对土壤脲酶、脱氢酶、纤维素酶活性有促进作用，2.5 g·kg-1木质素处理效果最显著；2.5 g·kg-1木质素处理提高微生物数量最多。