蚯蚓粪对海南滨海盐渍土的改良效果

2022-03-03 13:39武春媛杨桂生谭华东吴东明李勤奋
江苏农业科学 2022年3期
关键词:蕹菜盐渍滨海

邓 晓, 武春媛, 杨桂生, 李 怡, 谭华东, 吴东明, 李勤奋,3

(1.中国热带农业科学院环境与植物保护研究所,海南海口 571101; 2.国家农业环境儋州观测实验站,海南儋州 571737;3.海南省热带生态循环农业重点实验室,海南海口 571101)

海南是我国耕地面积最小的省份,且近年来常用耕地面积有减少的趋势,作为我国冬季瓜菜的主要生产基地,耕地资源更显短缺。滨海土壤作为一种重要的土地资源和农业资源,是拓展沿海地域可耕土地面积的重要来源。海南滨海土壤大多属于壤质沙土,存在有机质缺乏、养分分布不均和保水保肥性能差等缺陷,这将严重制约海南农业的可持续发展。此外,滨海土壤过高的含盐量是制约土地复垦的关键因素,其不利于作物生长发育,导致作物生长衰退,甚至脱水枯死,使土壤资源难以利用,严重影响农业生产和农民生活水平。土壤改良是高效利用盐渍土资源的重要途径,现阶段的盐渍土改良措施主要包括工程、化学、物理和生物等措施。上述措施各有优缺点,但趋向于利用有机肥和工农业有机废弃物等无二次污染风险的材料进行土壤改良。利用有机肥来改良盐渍化土壤,一方面可以改变土壤物理性状,改善团粒结构,增加农作物的产量;另一方面,有机肥的施用会增加土壤中微生物的活性和数量,促进土壤中盐分的迁移和转化,降低盐分浓度。蚯蚓粪具有良好的团粒结构,富含微生物、生物活性物质等,在施入土壤后通过对周围土壤进行矿化作用,将土壤中的有效养分释放出来,还能增加土壤腐殖质的含量,比一般有机肥更能发挥改良土壤的作用。故针对海南滨海盐渍土理化性质差、肥料利用率低和作物长势弱等问题,本研究通过设置盆栽试验,以种植蕹菜为目标,探究不同配比的蚯蚓粪处理对海南滨海盐渍土的盐分、pH值、有机质含量、有效养分、酶活和微生物多样性的影响。旨在为蚯蚓粪应用于海南滨海盐渍土改良提供科学的理论依据,并对促进海南农业高效发展和生态安全具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2019年4—5月在中国热带农业科学院海口试验基地温室大棚内进行,供试蕹菜品种为台湾竹叶蕹菜。供试蚯蚓粪来自海南大学儋州校区农科基地。供试土壤采自海南省文昌市兰溪村(19°59′24.5″N,110°37′16.6″E)0~20 cm耕作层土壤,风干后过2 mm筛备用,pH值为6.33,盐分含量3.36 g/kg,有机质含量17.1 g/kg,全氮含量 0.683 g/kg,有效磷含量60.01 mg/kg,速效钾含量 192.4 mg/kg。

1.2 试验设计

盆栽试验按照蚯蚓粪与滨海盐渍土体积比的不同设置5个处理,分别为0 ∶20、1 ∶20、2 ∶20、3 ∶20 和4 ∶20,每种处理3次重复。每盆植株栽培条件与管理方式相同,蚯蚓粪与过2 mm筛的风干土混合均匀后直接用于种植蕹菜,浇水1次/d,30 d后记录蕹菜叶片数并采收蕹菜同时采集土壤样品。整株蕹菜连根拔起将根部冲洗干净后晾干称量蕹菜质量,土壤样品分成3份,一份过2 mm筛后保存于-80 ℃,用于土壤微生物多样性分析;一份风干后过1 mm筛用于测定土壤盐分、pH值及有机质、全氮、有效磷和速效钾含量;一份风干后过40目筛,用于测定土壤脲酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶和酸性转化酶活性。

1.3 测定方法

土壤pH值及盐分、有机质、全氮、有效磷和速效钾含量均参照农业行业标准测定。各种土壤酶活指标均采用试剂盒(苏州科铭生物技术有限公司,www.cominbio.com)分析测定。土壤微生物群落及其多样性分析采用高通量测序方法,将每种处理3次重复试验的土壤样品分别采用土壤基因组DNA提取试剂盒[天根生化科技(北京)有限公司]提取土壤总DNA,使用紫外分光光度计测定DNA的质量和浓度;然后采用通用引物338F(5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3′)和806R(5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′)扩增细菌16S rRNA基因V3-V4区;根据PCR产物浓度将3次重复的PCR产物进行等量混样,充分混匀后使用1%琼脂糖凝胶电泳检测PCR扩增产物,对目的条带使用琼脂糖凝胶回收试剂盒纯化回收产物,文库构建和测序委托北京百迈客生物科技有限公司完成。

1.4 数据分析方法

使用UCLUST算法确定具有97%序列相似性的系统类型的操作分类单元(OTUs),应用百迈客生物云平台(https://international.biocloud.net) 开展多样性指数和物种分类分析。应用Excel 2010 进行数据统计和图表制作,采用SPSS 19.0 对数据进行方差分析,用Duncan’s 多重比较法进行差异显著性检测。

2 结果与分析

2.1 蚯蚓粪对蕹菜生长的影响

由表1可知,在不施用任何肥料的条件下,与不施蚯蚓粪相比,蚯蚓粪与滨海盐渍土体积比为 1 ∶20~4 ∶20时均能促进蕹菜的根系生长,提高蕹菜的叶片数和单株质量。其中平均每株叶片数增加26.8%~31.0%,单株蕹菜的质量提高42.0%~87.5%,平均每株地下部根质量提高37.5%~106.3%,均达显著水平(<0.05)。

表1 蚯蚓粪对滨海盐渍土中蕹菜生长的影响

2.2 蚯蚓粪对滨海盐渍土盐分和pH值的影响

由表2可知,蚯蚓粪与滨海盐渍土比例为 1 ∶20~2 ∶20的处理土壤盐度显著降低(<0.05),降低率达14.0%~19.9%;蚯蚓粪与滨海盐渍土比例为 3 ∶20~4 ∶20 的处理土壤盐度略有升高,但未达显著水平(>0.05)。蚯蚓粪与滨海盐渍土比例为1 ∶20和 2 ∶20 处理之间对土壤盐度的降低效果无显著差异(>0.05)。

未添加蚯蚓粪的土壤种植蕹菜后,仍为酸性土壤(pH值为6.35);添加蚯蚓粪的4个处理种植蕹菜后,土壤均变为中性土壤(pH值为6.87~7.22),pH值提高了0.52~0.87,且均达显著水平(<0.05)。说明体积比为1 ∶20~4 ∶20的蚯蚓粪能使滨海盐渍土由酸性改善为中性,更有利于作物的生长。考虑经济成本和实际效果,以添加1 ∶20~2 ∶20 的蚯蚓粪对降低土壤盐度和改善土壤的酸碱度效果较好。

表2 蚯蚓粪对滨海盐渍土理化指标的影响

2.3 蚯蚓粪对滨海盐渍土有机质及养分的影响

由表2可知,滨海盐渍土的有机质含量在蚯蚓粪与滨海盐渍土体积比为1 ∶20~4 ∶20时均得到显著提高(<0.05),提高率达12.1%~45.2%,且土壤有机质含量随蚯蚓粪添加比例增加而增加。

滨海盐渍土的养分含量在蚯蚓粪与滨海盐渍土比例为1 ∶20~4 ∶20时也得到显著提高(<0.05),土壤全氮、有效磷和速效钾含量分别提高了52.6%~87.2%、38.9%~111.1%和95.3%~313.3%。不同处理对滨海盐渍土的全氮、有效磷和速效钾的促进作用均随蚯蚓粪添加比例的增加而提高。而蚯蚓粪与滨海盐渍土比例为1 ∶20和 2 ∶20 处理之间的土壤有机质、全氮、有效磷的含量差异均不显著(>0.05),但蚯蚓粪与滨海盐渍土比例为1 ∶20~4 ∶20的4个处理间土壤速效钾含量差异均达显著水平(<0.05)。考虑经济成本和实际效果,以蚯蚓粪与滨海盐渍土体积比为1 ∶20~2 ∶20对提升滨海盐渍土有机质和有效养分含量的效果较好。

2.4 蚯蚓粪对滨海盐渍土酶活性的影响

由表3可知,蚯蚓粪与滨海盐渍土体积比为 1 ∶20~4 ∶20时均能提高土壤脲酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶和酸性转化酶的活性。土壤脲酶和酸性磷酸酶活性在蚯蚓粪与滨海盐渍土体积比为 2 ∶20~4 ∶20的处理中均得到显著增强(<0.05),分别提高了9.6%~15.4% 、18.2%~38.7%;土壤过氧化氢酶和酸性转化酶活性在蚯蚓粪与滨海盐渍土体积比为1 ∶20~4 ∶20的处理中均得到显著增强(<0.05),分别提高了52.6%~63.4%、29.4%~92.7%。4种酶活性在蚯蚓粪与滨海盐渍土体积比为2 ∶20和3 ∶20处理之间差异均不显著(>0.05)。考虑经济成本和实际效果,以蚯蚓粪与滨海盐渍土体积比为2 ∶20~3 ∶20的处理对增强滨海盐渍土酶活性的效果较好。

表3 蚯蚓粪对滨海盐渍土(干土)酶活性的影响

2.5 蚯蚓粪对滨海盐渍土微生物群落及其多样性的影响

由表4可知,蚯蚓粪与滨海盐渍土体积比为 1 ∶20~4 ∶20的处理蚯蚓粪种植蕹菜后的细菌丰富度指数(Ace指数和Chao1指数)和多样性指数(Shannon指数)均得到明显提高,ACE指数和Chao1指数分别提高了12.4%~19.7%、7.88%~18.4%,Shannon指数提高了19.8%~23.9%。

表4 蚯蚓粪对滨海盐渍土细菌α多样性指数的影响

UPGMA聚类分析结果表明,添加1 ∶20~4 ∶20 的4个处理(A12、A22、A32和A42)在收获蕹菜后土壤细菌群落聚为一个分支,未施用蚯蚓粪的处理(CK2)收获蕹菜后的土壤细菌群落聚为另一个分支(图1)。说明添加蚯蚓粪处理的滨海土壤细菌群落结构发生明显改变。结果同时表明,蚯蚓粪与滨海盐渍土体积比为1 ∶20~2 ∶20的处理种植蕹菜后土壤中亚硝化单胞菌科(Nitrosomonadaceae)、芽单胞菌科(Gemmatimonadaceae)和噬几丁质菌科(Chitinophagaceae)丰度明显提高(图2),比未施用蚯蚓粪的处理分别提高了146%~463%、3.0%~39.8%、124%~192%。表明施用蚯蚓粪可增强滨海土壤的碳氮循环能力,更有益于作物生长。

3 讨论与结论

滨海盐渍土肥力低,尤其缺氮。本研究发现添加蚯蚓粪能显著提升滨海盐渍土的有机质、全氮、有效磷和速效钾的含量,且随蚯蚓粪施用量的增加提升效果更明显。而农业生产中施入土壤中的磷肥,除一小部分能被植物吸收利用外,绝大部分被阳离子结合成难溶性磷沉积在土壤中,难以被植物直接吸收利用。蚯蚓粪能有效提升土壤中有效养分的含量是因为它本身是有机质、有益微生物、生长因子相结合的多功能肥料,它不仅能提高肥料利用率,而且能活化和分解土壤中积存的氮、磷、钾,激活土壤中多种生长因子。同时,蚯蚓粪中含有丰富的放线菌、细菌和真菌等微生物,这些微生物能将土壤中的复杂矿物矿化成易于植物吸收利用的有效物质。本研究结果也与周东兴等的报道基本一致。

土壤酶活性能反映出土壤转化和肥力水平,土壤中所有生物化学反应都是在土壤酶的参与下完成的,土壤酶活性的高低可以反映土壤生物活性和生化反应的程度。本研究发现施用蚯蚓粪能显著增强滨海盐渍土的脲酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶和酸性转化酶活性。这与周东兴等的报道基本相同。土壤酶活性的提高可能是因为蚯蚓粪的施加能够将大量微生物、酶及各种微生物生长所需的养分和酶催化的底物带入土壤所致。脲酶是土壤氮素循环的关键酶,脲酶的活性可以反映土壤有机氮向有效态氮转化和无机氮供应的能力。蚯蚓粪中含有丰富的胶体物质,有机质与土壤的交互作用能够改善土壤的生态环境,提高土壤碳、氮含量,而新的碳源和氮源使土壤微生物区系组成发生变化,进而提高土壤脲酶活性。蚯蚓粪施入土壤后导致土壤微生物生物量升高,微生物呼吸和代谢能力增强,土壤中动、植物残体的分解加速,而过氧化氢酶是土壤中动、植物残体分解的重要参与者,所以过氧化氢酶活性会增强。蚯蚓粪能增强土壤酸性磷酸酶的活性,这可能是因为蚯蚓粪能够促进土壤中解磷微生物的生物量,解磷微生物通过释放磷酸酶提高土壤中磷的有效性,从而提高土壤酸性磷酸酶的活性。

蚯蚓粪对水肥的吸附性为微生物的生长与繁殖创造了良好的环境。细菌作为土壤中数量最多的微生物类群,能够及时感知土壤养分、pH 值等外界条件的变化,从而反映土壤质量的变化。本研究发现,施用蚯蚓粪可以引起土壤中细菌群落结构发生变化和提高土壤细菌群落的多样性,这与周东兴等的研究结果基本一致。

综上,蚯蚓粪与海南滨海盐渍土的体积比为 1 ∶20~4 ∶20能显著促进蕹菜的生长,明显改善土壤pH值,显著提高土壤有机质和速效养分含量,并显著增强土壤酶活性;蚯蚓粪与滨海盐渍土体积比为1 ∶20~2 ∶20能显著降低土壤盐度,同时提高土壤细菌群落的丰富度和多样性并优化其群落结构。考虑经济成本和实际效果,以蚯蚓粪与滨海盐渍土体积比为1 ∶20~2 ∶20对海南滨海盐渍土的改良效果较好。

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