炭吸附聚谷氨酸对土壤环境及小麦产量的影响

杨曼利 吉庆勋 李志明

摘要 [目的]研究炭吸附聚谷氨酸对土壤环境及小麦产量的影响。[方法]在小麦地喷施炭吸附聚谷氨酸产品，检测其对土壤氮含量、pH、总孔隙度、团聚体、细菌及小麦产量的影响。[结果]炭吸附聚谷氨酸处理土壤，全氮含量增加0.131 g/kg，pH逐步趋向中性，总孔隙度增加5.2%，团聚体（0.05～2.00 mm）增加70.7 g/kg，微生物多样性提高，类群数增加，小麦增产6%以上。相关性分析结果表明，土壤微生物与小麦产量呈显著正相关（P<0.05），对小麦产量影响很大。 [结论]炭吸附聚谷氨酸可改善土壤环境，提高小麦产量，为炭吸附聚谷氨酸的广泛推广应用提供理论基础。

关键词 炭吸附聚谷氨酸；土壤環境；小麦产量；相关性分析

中图分类号 S14 文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2019）08-0155-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.08.041

Abstract [Objective] To explore the effect of adsorption of carbon with polyglutamic acid on soil environment and wheat yield. [Method] Spraying carbon adsorption poly glutamic acid in wheat，the soil nitrogen， pH， total porosity， aggregate， microbe and wheat yield were detected. [Result] The carbon adsorption poly glutamic acid treatment， the total nitrogen content increased by 0.131 g/kg， pH gradually increased to neutral， total porosity increased by 5.2%， aggregate （0.05-2.00 mm） increased by 70.7 g/kg， the microbe diversity increased， the number of microbe groups increased， and the wheat yield increased by more than 6%.Correlation analysis showed that soil microbe were significantly positively correlated with wheat yield （P<0.05）， which had a great impact on wheat yield. [Conclusion] Carbon adsorption polyglutamic acid can improve soil environment and wheat yield， and provide theoretical basis for the extensive application of carbon adsorption polyglutamic acid.

Key words Carbon adsorbed polyglutamic acid；Soil environment；Wheat yield；Correlation analysis

土壤作为不可或缺的自然资源为人类的生命活动提供物质基础，人类的生存与发展离不开土壤，人类在土壤上进行农业活动，从而获得生活所需的农产品，土壤肥力又直接影响植物的生长发育，是土壤物理、化学和生物学的综合反映，进而直接影响作物的生长发育、品质和产量[1]。研究表明，长期施肥不仅直接影响土壤的物理化学性质，还能引起土壤微生物类群、数量和活性的变化[2-5]。过量或长期施用化肥会造成土壤pH降低，对土壤、植物和微生物产生胁迫作用[6-9]。土壤微生物作为土壤生态系统中最为活跃的部分，在土壤有机质的分解、养分循环、生态安全调控以及土壤可持续生产中起着重要作用。长期施用有机肥或有机-无机肥配施可大大提高土壤中细菌、真菌和放线菌的数量[10-14]。有机肥可以促进土壤中土著微生物的生长，使其成为优势种群[15-19]。Martens等[20]研究发现，有机肥可以增加土壤中酶活性，从而刺激微生物的活性。Chu等[16]、Shahzad等[21]研究发现，泉古菌门中的一类细菌具氨单加氧酶基因催化氨氧化过程获得能量进行自养，对于土壤碳氮循环可能发挥重要的作用，长期施用氮肥会造成氨氧化细菌群落结构的变化，且施用有机肥的影响大于化肥。

炭吸附聚谷氨酸是一种水溶性、可生物降解、对人和环境无毒的生物高分子物质[22-23]，能增加土壤有机质含量，提高土壤有效性营养元素的含量，从而促进植物生长，提高作物产量[24-25]。但有关炭吸附聚谷氨酸对土壤微生物的影响，以及土壤环境和小麦产量关系鲜见报道。笔者在小麦地喷施炭吸附聚谷氨酸，检测其对土壤中全氮含量、pH、总孔隙度、团聚体、土壤微生物及小麦产量的影响，以期为炭吸附聚谷氨酸的广泛推广应用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

炭吸附聚谷氨酸示范试验基地，选在河南省禹州市范坡镇前柴村。土壤类型为褐土，质地轻壤，中等肥力水平，土体无明显障碍因子，地势平坦，肥力均匀，排灌方便。土壤有机质15.4 g/kg，土壤水分25.2%，全氮0.91 g/kg，速效磷10.7 mg/kg，缓效钾736 mg/kg，速效钾119 mg/kg，土壤容重1.39 g/cm3，常年小麦-夏玉米轮作。

1.2 试验设计

试验设置2个处理，每个处理面积约0.67 hm2，小麦品种为周麦28。对照小麦地不使用炭吸附聚谷氨酸产品喷施，示范小麦地在小麦返青期喷施3 750 g/hm2炭吸附聚谷氨酸产品。

收获期多点采集不同处理耕作层土壤，每个小区取多点土样均匀混合，剔除砾石和植物残根，过2 mm筛，用无菌自封袋包装，立即带回实验室，在-20 ℃条件下保存。

1.3 测定项目与方法

土壤中全氮采用凯氏定氮法测定；全磷采用碱熔法测定；全钾采用碱熔法[26]测定；pH采用电位法测定；密度、总孔隙度采用环刀法[26]测定；团聚体采用吸管法测定[26]；土壤微生物采用现代分子生物学技术高通量测序的分析方法[27]；小麦产量采用实打实收的方式收货，并进行考种分析。

1.4 数据处理

原始数据经Excel 2007软件整理后，采用SPSS 19.0软件进行统计分析，并对土壤氮、pH、总孔隙度、团聚体、土壤微生物及小麦产量进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 炭吸附聚谷氨酸对土壤全氮、pH、总孔隙度、团聚体的影响

由表1可知，示范土壤与对照土壤相比，全氮含量增加0.131 g/kg，pH降低0.13，逐步趋向中性，总孔隙度增加5.2%，团聚体（0.05～2.00 mm）增加70.7 g/kg，说明炭吸附聚谷氨酸可以提高土壤全氮含量，改善土壤pH，增加土壤孔隙度，改善土壤团聚体，有利于作物的生长发育，使作物高产丰收。

2.2 炭吸附聚谷氨酸对土壤微生物的影响

2.2.1 炭吸附聚谷氨酸对土壤微生物多样性的影响。

多样性指数是土壤微生物群落多样性的重要指标，包括种类的丰富度和种类的均匀度两部分。Chao 1和或ACE指数越大，表明群落的丰富度越高，Simpson多样性指数或Shannon多样性指数越大，表明群落的丰富度和均匀度越高。 由表2可知，炭吸附聚谷氨酸处理的土壤，其Chao 1指数、ACE指数、Simpson多样性指数、Shannon多样性指数均高于对照，说明炭吸附聚谷氨酸可增加土壤微生物的多样性。

2.2.2 炭吸附聚谷氨酸对土壤微生物类群的影响。

对测序得到的OTU结果进行分析，得到不同处理在各分类水平所含有的细菌类群数量。由图1可知，示范土壤与对照土壤检测到细菌门的数量均为9，纲的数量分别为16、18，目的数量分别为46、47，科的数量分别为68、81，属的数量分别为97、113，种的数量分别为161、204，示范土壤在纲、目、科、属、种各分类水平的细菌类群数均增加。由图2可知，连续多年使用炭吸附聚谷氨酸产品处理土壤的变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、芽单孢菌门（Gemmatimonadetes）、厚壁菌门（Firmicutes）、泉古菌门（Crenarchaeota）菌群数增加。说明连续多年使用炭吸附聚谷氨酸，可增加土壤中某些细菌的类群数，主要包括变形菌门、拟杆菌门、芽单孢菌门、厚壁菌门、泉古菌门。

2.3 炭吸附聚谷氨酸对小麦产量的影响

连续3年测定对照和示范地小麦产量，结果见图3。由图3可知，2015年示范地小麦产量较对照地小麦增产6.6%；2016年示范地小麦产量较对照地小麦增产7.6%，均达显著差异水平（P<0.05）；2017年示范地小麦产量较对照地小麦增产12.7%，达极显著差异水平（P<0.01）。说明炭吸附聚谷氨酸能够增加小麦产量，且连续多年使用，增产效果显著。

2.4 土壤微生物、全氮、pH、总孔隙度、团聚体及产量相关性分析

对土壤微生物、全氮、pH、总孔隙度、团聚体及产量进行相关性分析，结果见表3。由表3可知，小麦产量与土壤微生物呈显著相关（P<0.05），与其他指标相关性不显著（P>0.05），但与pH和总孔隙度的相关性较高，与全氮和团聚体（0.05～2.00 mm）的相关度较小，说明土壤微生物对小麦产量影响很大，pH、总孔隙度对小麦产量的影响较大，全氮、团聚体对小麦产量的影响较小。

3 结论与讨论

氮是植物生长发育过程中必需的大量营养元素，植物养分的来源主要是土壤，土壤中氮含量的高低直接影响植物的生长发育[28-30]。土壤pH、总孔隙度、团聚体与作物生长发育

密切相关，进而影响作物产量 [31-33]。许宗奇等[34]研究表明，聚谷氨酸可明显提高土壤氮的含量。Doran 等[35]研究显示，γ-PGA 对酸、碱具有较好的缓冲能力，可有效平衡土壤的酸碱值，避免因长期使用化学肥料造成的土壤酸化和板结。Tarui等[36]研究显示，聚谷氨酸与土壤结合后，可以促进土壤中团聚体的形成，增强土壤通透性，起到对土壤环境改良的作用。该研究表明，炭吸附聚谷氨酸示范地土壤全氮含量高于对照地0.131 g/kg，推测炭吸附聚谷氨酸可以增加土壤微生物多样性，而这些新增的土壤微生物中有可以促进作物固氮的细菌，从而增加土壤固氮能力，提高土壤氮含量。示范地土壤pH逐步趋向中性，土壤总孔隙度和团聚体（0.05～2.00 mm）增加，由此可知炭吸附聚谷氨酸可有效改善土壤质量，有利于作物生长，提高作物产量。

土壤微生物是土壤中最活跃的组分，参与有机质分解、腐殖质合成和生长活性物释放等多种生物化学反应[37-38]，它们在土壤中的数量、活性及代谢特征对植物生长发育起重要

作用[39-41]。褚群[42]研究发现，聚谷氨酸不仅具有保水保肥性能，还可以提高基质中微生物活性；Perrott等[43]研究发现，聚谷氨酸具有生物降解性，能够为微生物提供氮源和碳源，提高微生物活性；Xu等[47]研究发现，添加聚谷氨酸能提高土壤微生物量和微生物多样性。该研究结果表明，炭吸附聚谷氨酸示范地土壤，纲、目、科、属、种各分类水平细菌类群数增加，增加了变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、芽单孢菌门（Gemmatimonadetes）、厚壁菌门（Firmicutes）、泉古菌门（Crenarchaeota）等细菌类群。变形菌门、拟杆菌门和泉古菌门种群數量的增加，可能是炭吸附聚谷氨酸改善土壤团聚体的重要原因之一。Gittel等[18]、高莹[19]研究发现芽单孢菌门和厚壁菌门与土壤全氮含量呈正相关关系，炭吸附聚谷氨酸示范地土壤芽单孢菌门和厚壁菌门的菌群数增加，提高了土壤中全氮含量。

土壤是人类获得生活所需农产品的物质基础，改善土壤的最终目的是提高作物产量、改善作物品质 [1，45-46]。李汉涛等[47]研究表明，施用聚γ-谷氨酸增效复合肥比习惯施肥提高油菜产量达5.7%～11.5%，比普通复合肥提高油菜产量3.3%～7.8%。Xu等[44]研究表明，聚谷氨酸包裹尿素的施加方式，不但可以提高油菜产量，还可增加土壤可培养微生物的数量，提高土壤生态系统的稳定性。Wang 等[48]研究发现，土壤微生物群体生物量和多样性与植物生物量之间存在正相关性。该研究连年小麦试验表明，炭吸附聚谷氨酸能明显提高小麦产量，相关性分析表明，小麦产量与土壤微生物呈显著相关（P<0.05），对小麦产量影响很大，与其他指标相关性不显著（P>0.05），但与pH和总孔隙度的相关性较高，与全氮和团聚体（0.05～2.00 mm）的相关度较小。

参考文献

[1] 倪添.稻麦轮作体系下不同施肥措施对土壤微生物区系的影响[D].南京：南京农业大学，2013.

[2] 曾希柏，王亚男，王玉忠，等.不同施肥模式对设施菜地细菌群落结构及丰度的影响[J].中国农业科学，2013，46（1）：69-79.

[3] SEGHERS D，TOP E M，REHEUL D.Longterm effects of mineral versus organic fertilizers on activity and structure of the methanotrophic community in agricultural soils[J].Environmental microbiology，2003，5（10）：867-877.

[4] WITTER E，MRTNSSON A M，GARICA F V.Size of the soil microbial biomass in a longterm field experiment as affected by different Nfertilizers and organic manures[J].Soil biology and biochemistry，1993，25（6）：659-669.

[5] 姜蓉，徐智，湯利.化肥减量配施不同有机肥对设施菊花土壤微生物功能多样性的影响[J].云南农业大学学报，2017，32（5）：895-902.

[6] 苏婷婷，徐宸，周鑫斌，等.生物有机肥对新整理烟田古菌群落组成的影响[J].中国烟草学报，2016，22（6）：91-97.

[7] 李秀英，赵秉强，李絮花，等.不同施肥制度对土壤微生物的影响及其与土壤肥力的关系[J].中国农业科学，2005，38（8）：1591-1599.

[8] 李俊乐.土壤微生物对环境胁迫的响应机制分析[J].中国高新技术企业，2017（11）：145-146.

[9] KAUTZ T，WIRTH S，ELLMER F.Microbial activity in a sandy arable soil is governed by the fertilization regime[J].European journal of soil biology，2004，40（2）：87-94.

[10] NDAYEGAMIYE A，CT D.Effect of longterm pig slurry and solid cattle manure application on soil chemical and biological properties [J].Canadian journal of soil science，1989，69（1）：39-47.

[11] ZHANG Q C，SHAMSI I H，XU D T，et al.Chemical fertilizer and organic manure inputs in soil exhibit a vice versa pattern of microbial community structure[J].Applied soil ecology，2012，57：1-8.

[12] NANDA S K，DAS P K，BEHERA B.Effects of continuous manuring on microbial population，ammonification and CO2 evolution in a rice soil [J].Oryza，1998，25（4）：413-416.

[13] PLAZA C，HERNNDEZ D，GARCAGIL J C，et al.Microbial activity in pig slurryamended soils under semiarid conditions[J].Soil biology and biochemistry，2004，36（10）：1577-1585.

[14] 王利利，董民，张璐，等.不同碳氮比有机肥对有机农业土壤微生物生物量的影响[J].中国生态农业学报，2013，21（9）：1073-1077.

[15] CHU H Y，LIN X G，FUJII T，et al.Soil microbial biomass，dehyrogenase activity，bacterial community structure in response to longterm fertilizer management[J].Soil biology and biochemistry，2007，39（11）：2971-2976.

[16] CHU H Y，FUJII T，MORIMOTO S，et al.Community structure of ammoniaoxidizing bacteria under longterm application of mineral fertilizer and organic manure in a sandy loam soil [J].Applied and environmental microbiology，2007，73：485-491.

[17] AXELROOD P E，CHOW M L，RADOMSKI C C，et al.Molecular characterization of bacterial diversity from British Columbia forest soils subjected to disturbance [J].Canadian journal of microbiology，2002，48（7）：655-674.

[18] GITTEL A，BRTA J，KOHOUTOV I，et al.Distinct microbial communities associated with buried soils in the Siberian tundra [J].The ISME Journal，2014，8（4）：841-853.

[19] 高瑩.松嫩平原羊草种群模拟放牧耐受性研究[D].长春：东北师范大学，2008.

[20] MARTENS D A，JOHANSON J B，FRAKENBERGER W T.Production and persistence of soil enzymes with repeated addition of organic residues [J].Soil science，1992，153（1）：53-61.

[21] SHAHZAD T，CHENU C，REPINAY C，et al.Plant clipping decelerates the mineralization of recalcitrant soil organic matter under multiple grassland species [J].Soil biology biochemistry，2012，51：73-80.

[22] 张文，张树清，王学江.γ-聚谷氨酸的微生物合成及其在农业生产中的应用[J].中国农学通报，2014，30（6）：40-45.

[23] 陈东义，华振亮，卿树政，等.“炭吸附聚谷氨酸有机水溶肥”对玉米田减肥增产的作用[J].农学学报，2017，7（4）：25-28.

[24] 武玉，徐刚，吕迎春，等.生物炭对土壤理化性质影响的研究进展[J].地球科学进展，2014，29（1）：68-79.

[25] XU G，LU Y C，SUN J N，et al.Recent advances in biochar applications in agricultural soils：Benefits and environmental implications [J].Cleansoil，air，water，2012，40（10）：1093-1098.

[26] 鲍士旦.土壤农化分析[M].3版.北京：中国农业出版社，2000：1-329.

[27] DEGNAN P H，OCHMAN H.Illuminabased analysis of microbial community diversity[J].The ISEM Journal，2012，6（1）：183-194.

[28] 曹畅，梁绮雯，田宇，等.硅藻土、改性海泡石对氮磷钾吸附和缓释作用的研究[J].中国农学通报，2016，32（18）：136-141.

[29] 栾江，仇焕广，井月，等.我国化肥施用量持续增长的原因分解及趋势预测[J].自然资源学报，2013，28（11）：1869-1878.

[30] 沈金金，李彬，胡锋峰，等.废硅藻土改善土壤保肥性能的研究[J].浙江树人大学学报（自然科学版），2011，11（3）：15-18.

[31] 陈振德，何金明，黄俊杰，等.蔬菜穴盘育苗基质的选配及其理化特性研究[J].农业工程学报，1998，14（2）：192-197.

[32] HERNNDEZ T，CHOCANO C，MORENO J L，et al.Towards a more sustainable fertilization：Combined use of compost and inorganic fertilization for tomota cultivation[J].Agriculture，ecosystems and enviroment，2014，196：178-184.

[33] 王景燕，胡庭兴，龚伟，等.川南坡地不同退耕模式对土壤团粒结构分形特征的影响[J].应用生态学报，2010，21（6）：1410-1416.

[34] 许宗奇，万传宝，许仙菊，等.肥料增效剂γ-聚谷氨酸对小青菜产量和品质的影响[J].生物加工过程，2012，10（1）：58-62.

[35] DORAN J W，ZEISS M R.Soil health and sustainability：Managing the biotic component of soil quality[J].Applied soil ecology，2000，15（1）：3-11.

[36] TARUI Y，LIDA H，ONO E，et al.Biosynthesis of polyγglutamic acid in plants：Transient expression of polyγglutamate synthetase complex in tobacco leaves[J].J Biosci Bioeng，2005，100（4）：443-448.

[37] DENG Q，CHENG X L，HUI D F，et al.Soil microbial community and its interaction with soil carbon and nitrogen dynamics following afforestation in central China[J].Science of the total environment，2016，541：230-237.

[38] GUO X P，CHEN H Y H，MENG M J，et al.Effects of land use change on the composition of soil microbial communities in a managed subtropical forest[J].Forest ecology and management，2016，373：93-99.

[39] NIELSEN U N，AYRES E，WALL D H，et al.Soil biodiversity and carbon cycling：A review and synthesis of studies examining diversity-function relationships[J].European journal of soil science，2011，62（1）：105-116.

[40] COSENTINO D，CHENU C，LEBISSONNAIS Y.Aggregate stability and microbial community dynamics under dryingwetting cycles in a silt loam soil[J].Soil biology and biochemistry，2006，38（8）：2053-2062.

[41] 雷丽萍，郭荣君，繆作清，等.微生物在烟草生产中应用研究进展[J].中国烟草学报，2006，12（4）：47-51.

[42] 褚群.γ-聚谷氨酸和解磷菌M20 对番茄和西瓜穴盘苗基质养分供应和根际细菌群落结构的影响[D].北京：中国农业科学院，2016.

[43] PERROTT K W，SARATHCHANDRA S U，WALLER J E.Seasonal storage and release of phosphorus and potassium by organic matter and the microbial biomass in a high producing pastoral soil[J].Soil research，1990，28（4）：593-603.

[44] XU Z Q，LEI P，FENG X H，et al.Effect of poly（γglutamic acid）on microbial community and nitrogen pools of soil[J].Acta agriculturae scandinarica，setion B：Soil and plant science，2013，63（8）：657-668.

[45] WANG H，DU N M.Research and prospect of rice cropping system[J].Crop research，2006（5）：498-503.

[46] 高菊生，徐明岗，董春华，等.长期稻-稻-绿肥轮作对水稻产量及土壤肥力的影响[J].作物学报，2013，39（2）：343-349.

[47] 李汉涛，杨国正，柯云，等.聚γ-谷氨酸增效复合肥对油菜产量及其构成因素的影响[J].湖北农业科学，2010，49（10）：2395-2397.

[48] WANG J L，LI X L，ZHANG J L，et al.Effect of root exudates on beneficial microorganismsevidence from a continuous soybean monoculture[J].Plant ecology，2012，213（12）：1883-1892.