蠶豆根分泌物對(duì)紫色土有效養(yǎng)分及微生物數(shù)量的影響*

袁秀梅 耿賽男 鄭夢圓 習(xí)向銀宋大利 黃伏森

(西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 重慶 400715)

蠶豆根分泌物對(duì)紫色土有效養(yǎng)分及微生物數(shù)量的影響*

袁秀梅 耿賽男 鄭夢圓 習(xí)向銀**宋大利 黃伏森

(西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 重慶 400715)

為培育紫色土肥力和合理利用蠶豆資源, 本研究首先通過溶液培養(yǎng)法收集到蠶豆根系分泌物后, 并通過真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀得到濃縮液, 然后通過室內(nèi)土壤培養(yǎng)試驗(yàn), 即分別在3種60 g紫色土(酸性紫色土、堿性紫色土和中性紫色土)添加2個(gè)水平[6 mL(低量)和12 mL(高量)]的蠶豆根系分泌物濃縮液, 并置于25 ℃恒溫箱中黑暗培養(yǎng)15 d , 從而探索蠶豆根系分泌物對(duì)不同紫色土有效養(yǎng)分和微生物數(shù)量的影響。結(jié)果表明: 在3種紫色土上, 與對(duì)照相比, 添加低量和高量蠶豆根系分泌物濃縮液后, 土壤堿解氮含量和pH均顯著降低; 而土壤有效磷、速效鉀、有效鐵、有效鋅含量和微生物數(shù)量均顯著增加, 且此趨勢隨根系分泌物濃縮液添加量增加而增強(qiáng)。與其他兩種紫色土相比, 酸性紫色土添加蠶豆根系分泌物濃縮液對(duì)于土壤堿解氮含量和pH的降低效應(yīng)最明顯, 對(duì)土壤中細(xì)菌和真菌數(shù)量增加效應(yīng)更為顯著, 與對(duì)照相比, 增幅分別為-32.00％、-4.51％、3.51倍和9.00倍。與其他兩種紫色土相比, 堿性紫色土添加高量蠶豆根系分泌物濃縮液對(duì)土壤有效磷、速效鉀、有效鋅和有效鐵含量活化效應(yīng)最強(qiáng), 分別是對(duì)照的4.48倍、2.04倍、147.10％和128.00％。在中性紫色土上, 添加高量蠶豆根系分泌物濃縮液對(duì)以上土壤有效養(yǎng)分和土壤微生物數(shù)量的影響介于酸性紫色土和堿性紫色土之間?？傊? 蠶豆根系分泌物對(duì)不同紫色土土壤有效養(yǎng)分(土壤堿解氮和pH除外)和土壤微生物活性有不同促進(jìn)效應(yīng), 這對(duì)于紫色土肥力培育有深遠(yuǎn)影響。

蠶豆 紫色土 根系分泌物 有效養(yǎng)分 微生物數(shù)量

紫色土是亞熱帶和熱帶季風(fēng)氣候條件下由紫色巖風(fēng)化發(fā)育而成的一種非地帶性土壤, 集中分布在四川盆地丘陵區(qū)和海拔800 m以下的低山區(qū), 是四川省僅次于水稻土居于第二位的耕作土地。其中,堿性紫色土的分布面積達(dá) 400萬 hm2以上, 中性紫色土分布面積達(dá)266萬 hm2以上, 酸性紫色土分布面積達(dá)200萬 hm2以上。紫色土礦質(zhì)養(yǎng)分豐富, 在四川盆地丘陵地區(qū)為較肥沃土壤, 農(nóng)業(yè)利用價(jià)值很高。但由于紫色土結(jié)構(gòu)疏松, 易于風(fēng)化, 水土流失嚴(yán)重, 48.8％的紫色土受到土壤侵蝕的危害[1]。加上人口增長和耕地面積急劇減少, 耕地質(zhì)量遭受嚴(yán)重破壞, 越來越變得貧瘠而耕作困難, 甚至出現(xiàn)土壤板結(jié)硬化, 耕作層變淺[2], 保水保肥功能下降等現(xiàn)象,糧食綜合生產(chǎn)能力每況愈下。因此, 改良紫色土, 培育紫色土肥力, 提高耕地質(zhì)量已成為紫色土可持續(xù)發(fā)展的迫切要求[2]。

根系分泌物是植物在生長過程中通過根系向外界分泌的物質(zhì), 主要是一些低分子和高分子有機(jī)化合物[3–4]。是植物與土壤進(jìn)行物質(zhì)、能量、信息交流的重要媒介, 也是根際微生態(tài)系統(tǒng)中的有機(jī)樞紐。它不僅是保持根際微生態(tài)系統(tǒng)活力的關(guān)鍵因素, 也是根際微生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)遷移和調(diào)控的重要組成部分[5]。已有研究表明, 根系分泌物能活化土壤中的磷[6–7], 促進(jìn)氮素從無機(jī)向有機(jī)的轉(zhuǎn)化[8], 并且對(duì)土壤中速效鉀[9]、有效鐵[10]、有效鋅[11]等有很好的活化效應(yīng)。土壤微生物是土壤的重要組成部分, 大部分土壤中的生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過程都是由微生物的活動(dòng)引起的[12], 能客觀地反映土壤肥力狀況, 是土壤肥力的重要指標(biāo)之一[13], 根系分泌物能為土壤微生物提供大量的營養(yǎng)和能源物質(zhì)及豐富的碳、氮源,顯著促進(jìn)土壤微生物活動(dòng)[14–15], 進(jìn)而對(duì)微生物的種類、數(shù)量和分布產(chǎn)生重要影響。

蠶豆(Vicia faba)是一種重要經(jīng)濟(jì)作物, 也是一種綠肥, 目前我國蠶豆的種植面積位居世界第一,尤其在四川、重慶等地分布廣泛[16–17]。目前關(guān)于蠶豆的研究涉及蠶豆根系分泌物對(duì)土傳病害的防治[18]、蠶豆作為綠肥對(duì)土壤改良的作用[19–20], 以及蠶豆/小麥(Triticum aestivum)[21]和蠶豆–玉米(Zea mays)[22]間作模式中作物產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收等方面。而關(guān)于蠶豆根系分泌物對(duì)土壤肥力影響的研究很少。因此, 本試驗(yàn)擬通過土壤培養(yǎng)試驗(yàn)探索蠶豆根系分泌物對(duì)不同紫色土肥力的影響, 為紫色土肥力培育和蠶豆資源利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試蠶豆購自河南華豐草業(yè)科技有限公司。供試土壤包括酸性、堿性和中性 3種紫色土。酸性紫色土采自重慶市江津區(qū)四面山鎮(zhèn)燕子村, 堿性紫色土采自重慶市潼南縣雙江鎮(zhèn)雙江村, 中性紫色土采自重慶市合川區(qū)大石鎮(zhèn)觀龍村。土壤采樣采用多點(diǎn)混合法, 均采集耕層土壤, 然后風(fēng)干備用, 其基本理化性質(zhì)見表1。試驗(yàn)于2014年3—6月在西南大學(xué)植物營養(yǎng)系實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

表1　試驗(yàn)用3種紫色土的基本化學(xué)成分Table 1 Basic chemical compositions of three types of purple soils used in the experiment

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 蠶豆根系分泌物收集

選出大小一致且飽滿的蠶豆種子, 15％ H2O2浸泡 15 min, 用去離子水清洗干凈后將種子均勻撒在裝有濕潤石英砂的托盤中, 用濕潤濾紙覆蓋, 置于25 ℃黑暗培養(yǎng)室中發(fā)芽, 出芽后正常光照下培養(yǎng),待長到 3片葉后, 將其拔出, 用去離子水反復(fù)沖洗掉附著在根上面的石英砂, 移入1/2營養(yǎng)液中培養(yǎng)1周后移入全營養(yǎng)液中培養(yǎng)。所用盆缽體積為2 L, 每盆缽種植蠶豆15株, 共種植10盆。每3 d更換一次營養(yǎng)液, 每天通氣和光照12 h (8:30—20:30)。所用營養(yǎng)液配方(mol.L–1)為: K2SO40.75×10–3; KCl 0.1×10–3; KH2PO40.25×10–3; (NH4)6Mo7O24.4H2O 5.0×10–9; Ca(NO3)22.0×10–3; MgSO4.7H2O 0.6×10–3; H3BO31.0×10–5; CuSO4.5H2O 5.0×10–7; MnSO4.7H2O 1.0×10–6; Fe-EDTA 1.0×10–4; ZnSO4.7H2O 1.0×10–6。

移栽后40 d時(shí)收集蠶豆根系分泌物, 具體收集方法為[17,23-24]: 先光照 2 h后, 將每盆中 15株蠶豆植株從培養(yǎng)溶液中取出, 并用去離子水沖洗根系 4 次, 將根系轉(zhuǎn)至盛有450 mL去離子水的1 L燒杯中,并保證根部處于避光條件下收集分泌物4 h, 將10盆收集的根系分泌物合并, 并在真空40 ℃下濃縮 40倍,最后得到 150株蠶豆根系分泌物的濃縮液, 即每0.75 mL蠶豆根系分泌物濃縮液相當(dāng)于單株蠶豆4 h的根系分泌量, 并立即貯于冰箱冷凍室–20 ℃?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 土壤培養(yǎng)試驗(yàn)

參照孫磊等[24]的方法進(jìn)行土壤培養(yǎng)試驗(yàn)。蠶豆根系分泌物設(shè)2個(gè)水平, 高量: 12 mL根系分泌物;低量: 6 mL根系分泌物加6 mL去離子水; 以12 mL去離子為對(duì)照(CK)。取風(fēng)干過80目篩的酸性、堿性、中性紫色土60 g置于100 mL燒杯中。將上述溶液均勻地點(diǎn)滴入酸性、中性、堿性紫色土中, 使土壤濕度保持在田間持水量的80％左右, 每個(gè)處理重復(fù)4次,置于25 ℃恒溫箱中黑暗培養(yǎng)15 d。每天利用稱重法和中性去離子水補(bǔ)足缺失的水分。待培養(yǎng)結(jié)束時(shí),每個(gè)處理每個(gè)重復(fù)的60 g土全部取出, 并按測定指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)方法分別制樣待用。

1.3 測定指標(biāo)及方法

土壤堿解氮測定采用擴(kuò)散法, 土壤速效鉀測定采用NH4Ac-火焰光度法, 土壤有效磷測定采用Olsen法,土壤有效鋅和有效鐵測定采用DTPA浸提–原子吸收分光光度法, 土壤pH采用水浸提法和pH計(jì)測量[25]。

土壤微生物數(shù)量: 細(xì)菌采用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基, 平板菌落計(jì)數(shù)法測定; 放線菌采用改良高氏1號(hào)培養(yǎng)基, 平板菌落計(jì)數(shù)法測定; 真菌采用馬丁氏孟加拉鏈霉素培養(yǎng)基。平板菌落計(jì)數(shù)法測定[26]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 18.0和Microsoft Excel 2007軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析和數(shù)據(jù)均值及標(biāo)準(zhǔn)差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 蠶豆根系分泌物對(duì)紫色土養(yǎng)分含量的影響

由表2可知, 與對(duì)照相比, 在酸性、堿性和中性紫色土加入6 mL和12 mL蠶豆根系分泌物濃縮液后,土壤堿解氮含量均顯著降低, 且土壤堿解氮降幅隨根系分泌物濃縮液量增加而增加。對(duì)于酸性紫色土而言, 加入蠶豆12 mL和6 mL的根系分泌物濃縮液后, 土壤堿解氮分別較對(duì)照降低32.00％、24.40％; 對(duì)于堿性紫色土而言, 對(duì)應(yīng)降幅依次為6.00％、2.50％;對(duì)于中性紫色土而言, 對(duì)應(yīng)降幅依次為25.40％、12.50％?？梢? 蠶豆根系分泌物對(duì)酸性紫色土堿解氮降低效應(yīng)最為明顯。

表2　蠶豆根系分泌物對(duì)3種紫色土養(yǎng)分含量的影響Table 2 Effects of root exudates of faba bean on nutrients contents of three types of purple soil

與對(duì)照相比, 在堿性紫色土和中性紫色土上加入12 mL和6 mL蠶豆根系分泌物濃縮液后土壤有效磷均顯著增加, 且增幅有隨根系分泌物濃縮液量增加而遞增的趨勢。在酸性紫色土上, 與對(duì)照相比,僅加入12 mL根系分泌物濃縮液后土壤有效磷含量顯著增加, 加入6 mL根系分泌物濃縮液與對(duì)照之間沒有差異。對(duì)于酸性紫色土而言, 加入12 mL和6 mL蠶豆根系分泌物濃縮液后, 土壤有效磷含量依次是對(duì)照的1.33倍、1.14倍; 同樣地, 對(duì)于堿性紫色土而言, 依次是對(duì)照的4.48倍、3.06倍; 對(duì)于中性紫色土而言, 依次是對(duì)照的1.49倍、1.24倍?？梢? 蠶豆根系分泌物對(duì)堿性紫色土的有效磷活化效應(yīng)最強(qiáng)。

與對(duì)照相比, 在堿性紫色土和中性紫色土上加入12 mL和6 mL蠶豆根系分泌物濃縮液后土壤速效鉀含量均顯著增加, 且增幅有隨根系分泌物濃縮液量增加而遞增的趨勢。在酸性紫色土上, 與對(duì)照相比, 僅加入12 mL根系分泌物濃縮液后土壤速效鉀含量顯著增加, 而加入6 mL根系分泌物濃縮液與對(duì)照之間沒有顯著差異。其中, 對(duì)于酸性紫色土而言,加入12 mL和6 mL蠶豆根系分泌物濃縮液后, 土壤速效鉀含量依次是對(duì)照的1.88倍、1.41倍; 同樣地,對(duì)于堿性紫色土而言, 依次是對(duì)照的2.04倍、1.56倍;對(duì)于中性紫色土而言, 依次是對(duì)照的1.62倍、1.37倍。可見, 蠶豆根系分泌物對(duì)堿性紫色土的速效鉀活化效應(yīng)最強(qiáng)。

在酸性紫色土上, 加入蠶豆12 mL和6 mL根系分泌物濃縮液后, 有效鐵含量均顯著高于對(duì)照; 在堿性紫色土和中性紫色土上, 僅加入12 mL蠶豆根系分泌物濃縮液后, 有效鐵含量顯著高于對(duì)照, 而加入6 mL蠶豆根系分泌物濃縮液與對(duì)照無顯著差異?？梢? 在3種紫色土上, 加入12 mL根系分泌物濃縮液對(duì)土壤有效鐵都有很好的活化效應(yīng)。加入12 mL蠶豆根系分泌物濃縮液后, 與對(duì)照相比, 有效鐵含量增幅在酸性紫色土為15.60％, 在堿性紫色土為28.00％, 在中性紫色土為17.30％?？梢? 加入高量蠶豆根系分泌物對(duì)堿性紫色土的有效鐵活化效應(yīng)最強(qiáng)。在酸性紫色土上, 加入12 mL和6 mL蠶豆根系分泌物濃縮液后, 兩者的有效鋅含量與對(duì)照均無顯著差異; 在堿性紫色土上, 加入12 mL蠶豆根系分泌物濃縮液后, 有效鋅含量顯著高于對(duì)照; 在中性紫色土上, 加入12 mL和6 mL蠶豆根系分泌物濃縮液后,有效鋅含量均顯著高于對(duì)照。加入12 mL蠶豆根系分泌物濃縮液后, 與對(duì)照相比, 有效鋅含量增幅在酸性紫色土為6.73％, 在堿性紫色土為47.10％, 在中性紫色土為17.90％?？梢? 加入高量蠶豆根系分泌物對(duì)堿性紫色土的有效鋅活化效應(yīng)最強(qiáng)。

2.2 蠶豆根系分泌物對(duì)紫色土pH的影響

由表3可知, 在堿性紫色土和中性紫色土上, 與對(duì)照相比, 加入12 mL和6 mL蠶豆根系分泌物濃縮液后土壤pH均顯著降低, 且降幅有隨根系分泌物濃縮液量增加而遞增的趨勢。在酸性紫色土上, 與對(duì)照相比, 加入12 mL和6 mL蠶豆根系分泌物濃縮液后土壤pH均顯著降低, 而兩種用量根系分泌物濃縮液之間沒有差異。其中, 對(duì)于酸性紫色土而言, 加入12 mL和6 mL蠶豆根系分泌物濃縮液后, 土壤pH降幅依次是對(duì)照的4.51％、3.25％; 同樣地, 對(duì)于堿性紫色土而言, 降幅依次是對(duì)照的1.73％、0.58％; 對(duì)于中性紫色土而言, 降幅依次是對(duì)照的3.21％、1.20％?？梢? 蠶豆根系分泌物對(duì)酸性紫色土的土壤pH降幅最大。

表3　蠶豆根系分泌物對(duì)3種紫色土pH的影響Table 3 Effects of root exudates of faba bean on pH of three types of purple soil

2.3 蠶豆根系分泌物對(duì)紫色土微生物數(shù)量的影響

如表4所示, 在酸性紫色土上, 與對(duì)照相比, 僅加入12 mL蠶豆根系分泌物濃縮液后, 細(xì)菌和真菌數(shù)量顯著增加, 增加幅度依次是對(duì)照的4.51倍和10.00倍, 而放線菌沒有顯著差異; 在堿性紫色土上,與對(duì)照相比, 加入12 mL和6 mL蠶豆根系分泌物濃縮液后, 細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量均顯著增加, 12 mL根系分泌物濃縮液處理增加幅度依次是對(duì)照的2.22倍、4.00倍、2.02倍; 在中性紫色土上, 與對(duì)照相比,加入12 mL和6 mL蠶豆根系分泌物濃縮液后, 細(xì)菌和真菌均顯著增加, 12 mL根系分泌物濃縮液處理增加幅度依次是對(duì)照的3.59倍和5.00倍, 但對(duì)放線菌數(shù)量沒有顯著影響?？梢? 加入高量蠶豆根系分泌物對(duì)酸性紫色土的細(xì)菌和真菌數(shù)量有最明顯的增加效應(yīng)。

表4　蠶豆根系分泌物對(duì)3種紫色土微生物數(shù)量的影響Table 4 Effects of root exudates of faba bean on microbe quantity of three types of purple soil ×105cfu.g–1

3 討論和結(jié)論

植物根系在生長過程中, 會(huì)向根基周圍分泌一些低分子的有機(jī)酸、氨基酸等有機(jī)化合物, 稱之為根系分泌物[3–4]。根系分泌物對(duì)土壤中礦質(zhì)養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和微生物活動(dòng)起著重要作用。本研究中, 土壤中加入蠶豆根系分泌物后, 土壤堿解氮含量顯著降低,這與前人[8,14]的研究結(jié)果類似。這可能是因?yàn)榧尤胄Q豆根系分泌物后促進(jìn)了土壤微生物繁殖, 而微生物代謝活動(dòng)增加了對(duì)無機(jī)氮的需求, 從而顯著降低了土壤中堿解氮的含量[8,14]; 另一個(gè)原因可能是根系分泌物降低了土壤中脲酶的活性, 土壤脲酶是催化土壤有機(jī)態(tài)氮轉(zhuǎn)化為無機(jī)態(tài)氮的酶類, 它與土壤氮素養(yǎng)分具有顯著正相關(guān)性[27–28]。本研究還表明, 蠶豆根系分泌物對(duì)酸性紫色土的堿解氮降低幅度最大,這可能與酸性紫色土的低土壤 pH和活躍的微生物活動(dòng), 以及土壤脲酶較低有關(guān)。

植物根系分泌物對(duì)提高土壤磷素的生物有效性具有非常重要的作用。本研究表明, 與對(duì)照相比, 加入蠶豆根系分泌物后, 土壤中有效磷含量增加, 并且隨根系分泌物量增加而增加, 說明蠶豆根系分泌物有利于土壤難溶性磷的活化效應(yīng), 如Li等[29]在研究蠶豆與玉米間套作時(shí)發(fā)現(xiàn)蠶豆根系會(huì)通過釋放有機(jī)酸和質(zhì)子來酸化土壤, 活化土壤難溶性磷, 促進(jìn)玉米對(duì)磷的吸收利用; 其他植物根系分泌物對(duì)磷的影響也得出了類似結(jié)果[30–32]。蠶豆根系分泌物之所以提高了土壤有效磷的含量, 其一可能因?yàn)槠浜写罅康头肿佑袡C(jī)酸[18,33], 能降低土壤pH[34], 提高土壤難溶性磷化合物的溶解度; 其次磷可與土壤中的Al3+、Fe3+和Ca2+等形成螯合物, 這不僅提高了Al-P、Fe-P和Ca-P復(fù)合體中陽離子的有效性[35], 而且促進(jìn)了磷的釋放, 使根際土壤中難溶性磷轉(zhuǎn)變?yōu)榭衫玫牧? 從而提高磷的有效性[35]; 再次根系分泌物可能提高了土壤磷酸酶活性, 磷酸酶活性高反映了土壤速效磷的供應(yīng)狀況好[28]。本研究還表明, 蠶豆根系分泌物對(duì)堿性紫色土有效磷含量的增加效應(yīng)最強(qiáng)。這可能與堿性紫色土中含有較高含量的難溶性磷化合物(如Ca-P等)有關(guān), 具體原因還有待進(jìn)一步研究。

與土壤中的氮、磷相比, 土壤中鉀素含量更為豐富。可以說, 土壤是一個(gè)巨大的天然鉀庫, 但土壤中的速效鉀含量卻不高, 僅占全鉀的0.1％～2％, 緩效鉀含量也只占全鉀的2％～8％, 而作物難利用的礦物態(tài)鉀占土壤鉀的90％～98％。本研究表明, 加入蠶豆根系分泌物后, 土壤中速效鉀含量明顯高于對(duì)照,這和前人[36]結(jié)果類似。這主要可能是由于根系分泌物中含有大量的有機(jī)酸[18,37], 有機(jī)酸中解離的H+,既可以通過酸溶作用促進(jìn)難溶性礦物的溶解, 又可以形成水合氫離子, 而其大小與鉀離子相似, 因此可取代礦物晶格中的鉀, 從而使K+釋出[37]。此外,有機(jī)酸中鄰位帶羧基和羥基的小分子有機(jī)酸, 容易與礦物結(jié)構(gòu)中的金屬離子形成金屬-有機(jī)復(fù)合體,從而加速礦物的分解[37]?？傊? 低分子量有機(jī)酸可有效地促進(jìn)礦物鉀的分解釋放, 其可能機(jī)制為絡(luò)合溶解和酸性水解雙重作用的結(jié)果。其中, 草酸具有較強(qiáng)的絡(luò)合能力和水解能力, 活化礦物鉀的能力大于其他有機(jī)酸; 檸檬酸、蘋果酸、酒石酸等多元酸,絡(luò)合能力強(qiáng), 但其水解能力較弱, 主要是通過絡(luò)合溶解作用活化礦物鉀; 乳酸、乙酸等一元酸, 絡(luò)合能力低, 水解能力較弱, 活化礦物鉀的能力很低。本文研究還表明, 蠶豆根系分泌物對(duì)于堿性紫色土有更好的活化效應(yīng), 可能是因?yàn)閴A性紫色土里含有較多的礦物鉀, 另外與堿性紫色土中含有較高的全鉀含量也有一定關(guān)系, 具體原因有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

石灰性土壤中作物常出現(xiàn)Fe、Zn等微量元素的缺乏現(xiàn)象, 這對(duì)作物生長發(fā)育造成很大影響。這種情況的發(fā)生與土壤pH、土壤碳酸鈣含量、土壤含水量等多種因素有關(guān)。本研究表明, 加入蠶豆根系分泌物后, 土壤pH有所降低, 而有效鐵和有效鋅含量均有所提高, 這與左元梅等[10]和胡學(xué)玉[11]等的研究結(jié)果類似。較低土壤pH意味著土壤溶液中有較多的H+, 進(jìn)而能夠使土壤表面的Fe、Zn等金屬離子被H+置換下來[38–40]。同時(shí), 根系分泌物對(duì)鋅和鐵有相似的螯溶能力, 根系分泌物中的某些物質(zhì)對(duì)鐵和鋅的活化主要是通過絡(luò)合作用來實(shí)現(xiàn)的[39]。此外, 根系分泌物通過與Ca2+形成較為穩(wěn)定的配合物, 降低土壤中Ca2+的濃度, 以減少含鈣化合物對(duì)鋅的吸附固定,從而使土壤中鋅素得以釋放[39]。本研究還表明, 高量蠶豆根系分泌物更有利于堿性紫色土有效鋅和有效鐵的活化效應(yīng), 這可能與堿性紫色土存在較多易被根系分泌物絡(luò)合的鐵鋅形態(tài)有關(guān), 具體原因有待進(jìn)一步研究。

土壤微生物在有機(jī)質(zhì)降解、無機(jī)物轉(zhuǎn)化、氮固定、植物營養(yǎng)和土壤肥力保持方面具有重要作用,對(duì)維持土壤生態(tài)系統(tǒng)平衡意義重大。許多研究表明土壤中真菌、細(xì)菌和放線菌3大類微生物的數(shù)量是評(píng)價(jià)土壤肥力高低的重要生物學(xué)指標(biāo)[13,41]。本研究表明, 添加蠶豆根系分泌物提高了土壤真菌、細(xì)菌和放線菌數(shù)量, 這與劉純和趙小亮等[23,42–43]的研究結(jié)果一致, 原因是根系分泌物中豐富的糖類、氨基酸及維生素等為土壤微生物的生長和繁殖提供了充足的營養(yǎng); 而楊陽等[44]在研究分蘗洋蔥根系分泌物對(duì)土壤微生物的影響指出, 分蘗洋蔥根系分泌物處理增加了土壤細(xì)菌、放線菌數(shù)量, 降低了真菌數(shù)量, 這可能是因?yàn)樗玫母捣置谖飦碓床煌蛘呤窃囼?yàn)所用土壤不同。本研究還表明, 高量蠶豆根系分泌物對(duì)酸性紫色土細(xì)菌和真菌數(shù)量增加效應(yīng)最為明顯,這可能與酸性紫色土有適宜微生物繁殖的土壤pH環(huán)境有關(guān)。

綜上所述, 添加蠶豆根系分泌物濃縮液降低了土壤堿解氮含量和土壤pH, 提高了有效磷、有效鉀、有效鐵、有效鋅含量及增加了土壤真菌、細(xì)菌、放線菌數(shù)量; 高量蠶豆根系分泌物對(duì)土壤有效養(yǎng)分和微生物數(shù)量有顯著的增加效應(yīng), 但增加效應(yīng)因紫色土類型不同而異。因此, 種植蠶豆可活化紫色土不易被利用的磷、鉀、鐵、鋅, 并提高紫色土微生物活性。本研究還表明, 堿性紫色土上, 蠶豆根系分泌物對(duì)土壤有效磷、有效鉀、有效鋅和有效鐵的活化效應(yīng)最為明顯。本研究結(jié)果為紫色土肥力培育和蠶豆合理利用提供了重要的科學(xué)依據(jù)。本文采用溶液培養(yǎng)法收集的根系分泌物來初步探索蠶豆根系分泌物對(duì)紫色土養(yǎng)分活化的影響, 這些數(shù)據(jù)與土壤培養(yǎng)和田間條件下可能會(huì)有些差異, 因此本研究結(jié)果還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

References

[1] 林超文, 涂仕華, 黃晶晶, 等. 植物籬對(duì)紫色土區(qū)坡耕地水土流失及土壤肥力的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2007, 27(6): 2190–2198 Lin C W, Tu S H, Huang J J, et al. The effects of plant hedgerows on soil erosion and soil fertility on sloping farmland in the purple soil area[J]. Acta Ecologica Sinica, 2007, 27(6): 2190–2198

[2] 朱波, 陳實(shí), 游祥, 等. 紫色土退化旱地的肥力恢復(fù)與重建[J].土壤學(xué)報(bào), 2002, 39(5): 743–749 Zhu B, Chen S, You X, et al. Soil fertility restoration on degraded upland of purple soil[J]. Acta Pedologica Sinica, 2002, 39(5): 743–749

[3] 張豆豆, 梁新華, 王俊. 植物根系分泌物研究綜述[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào), 2014, 30(35): 314–320 Zhang D D, Liang X H, Wang J. A review of plant root exudates[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2014, 30(35): 314–320

[4] Dijkstra F A, Cheng W X. Interactions between soil and tree roots accelerate long-term soil carbon decomposition[J]. Ecology Letters, 2007, 10(11): 1046–1053

[5] 張福鎖, 申建波, 馮固. 根際生態(tài)學(xué)——過程與調(diào)控[M].北京: 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社, 2009: 158–163 Zhang F S, Shen J B, Feng G. Rhizosphere Ecology: Process and Regulation[M]. Beijing: China Agricultural University Press, 2009: 158–163

[6] Paul G C, Bokhtiar S M, Islam M J. Contribution of different green manuring to phosphate nutrition of sugarcane[J]. Bangladesh Journal of Sugarcane, 1999, 21: 76–80

[7] Shen H, Yan X L, Zhao M, et al. Exudation of organic acids in common bean as related to mobilization of aluminum- and iron-bound phosphates[J]. Environmental and Experimental Botany, 2002, 48(1): 1–9

[8] Landi L, Valori F, Ascher J, et al. Root exudate effects on the bacterial communities, CO2evolution, nitrogen transformations and ATP content of rhizosphere and bulk soils[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2006, 38(3): 509–516

[9] 李廷軒, 馬國瑞, 張錫洲. 富鉀基因型籽粒莧主要根系分泌物及其對(duì)土壤礦物態(tài)鉀的活化作用[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2006, 17(3): 368–372 Li T X, Ma G R, Zhang X Z. Root exudates of potassium- enrichment genotype grain amaranth and their activation on soil mineral potassium[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2006, 17(3): 368–372

[10] 左元梅, 陳清, 張福鎖. 利用14C示蹤研究玉米/花生間作玉米根系分泌物對(duì)花生鐵營養(yǎng)影響的機(jī)制[J]. 核農(nóng)學(xué)報(bào), 2004, 18(1): 43–46 Zuo Y M, Chen Q, Zhang F S. The mechanisms of root exudates of maize in improvement of iron nutrition of peanut in peanut/maize intercropping system by14C tracer technique[J]. Acta Agriculturae Nucleatae Sinica, 2004, 18(1): 43–46

[11] 胡學(xué)玉, 李學(xué)垣, 謝振翅. 不同青菜品種吸鋅能力差異及與根系分泌物的關(guān)系[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2002, 8(2): 234–238 Hu X Y, Li X Y, Xie Z C. Differences of Zn uptake in various pakchoi cultivars and relationship between Zn uptake and root exudates[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2002, 8(2): 234–238

[12] 張錫洲, 李廷軒, 王永東. 植物生長環(huán)境與根系分泌物的關(guān)系[J]. 土壤通報(bào), 2007, 38(4): 785–789 Zhang X Z, Li T X, Wang Y D. Relationship between growth environment and root exudates of plants: A review[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2007, 38(4): 785–789

[13] 鄭詩樟, 肖青亮, 吳蔚東, 等. 丘陵紅壤不同人工林型土壤微生物類群、酶活性與土壤理化性狀關(guān)系的研究[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2008, 16(1): 57–61 Zheng S Z, Xiao Q L, Wu W D, et al. Relationship among microbial groups, enzyme activity and physico-chemical properties under different artificial forestry in hilly red soil[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2008, 16(1): 57–61

[14] Fisk L M, Barton L, Jones D L, et al. Root exudate carbon mitigates nitrogen loss in a semi-arid soil[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2015, 88: 380–389

[15] Lu Y F, Zhou Y R, Nakai S, et al. Stimulation of nitrogen removal in the rhizosphere of aquatic duckweed by root exudate components[J]. Planta, 2014, 239(3): 591–603

[16] 焦彬. 中國綠肥[M]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)出版社, 1986: 27–28 Jiao B. Chinese Green Manure[M]. Beijing: China Agriculture Press, 1986: 27–28

[17] 杜成章, 張繼君, 曾憲琪, 等. 不同播期對(duì)重慶蠶豆農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量的影響[J]. 農(nóng)業(yè)科技通迅, 2010(12): 86–89 Du C Z, Zhang J J, Zeng X Q, et al. Effects of different sowing dates on agronomic characters and yield and of broad bean in Chongqing[J]. Bulletin of Agricultural Science and Technology, 2010(12): 86–89

[18] 董艷, 董坤, 鄭毅, 等. 不同抗性蠶豆品種根系分泌物對(duì)枯萎病菌的化感作用及根系分泌物組分分析[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2014, 22(3): 292–299 Dong Y, Dong K, Zheng Y, et al. Allelopathic effects and components analysis of root exudates of faba bean cultivars with different degrees of resistance to Fusarium oxysporum[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2014, 22(3): 292–299

[19] 張欽, 陳正剛, 崔宏浩, 等. 蠶豆青秸翻壓對(duì)玉米產(chǎn)量與土壤養(yǎng)分利用的影響[J]. 西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2015, 28(2): 632–636 Zhang Q, Chen Z G, Cui H H, et al. Effects of horse bean straw on maize yield and utilization of soil nutrients[J]. Southwest China Journal of Agricultural Sciences, 2015, 28(2): 632–636

[20] 耿賽男. 豆科綠肥對(duì)旱坡地紫色土地力提升的機(jī)理研究[D].重慶: 西南大學(xué), 2015: 23–29 Geng S N. Research on the mechanism of legumes on the improvement of soil fertility in dry slope land of purple soil[D]. Chongqing: Southwest University, 2015: 23–29

[21] 趙平, 鄭毅, 湯利, 等. 小麥蠶豆間作施氮對(duì)小麥氮素吸收、累積的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2010, 18(4): 742–747 Zhao P, Zheng Y, Tang L, et al. Effect of N supply and wheat/faba bean intercropping on N uptake and accumulation of wheat[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2010, 18(4): 742–747

[22] 李淑敏, 李隆, 張福鎖. 蠶豆/玉米間作接種 AM 真菌與根瘤菌對(duì)其吸磷量的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2005, 13(3): 136–139 Li S M, Li L, Zhang F S. Effect of inoculation of arbuscular mycorrhizal fungi and rhizobium on the P uptake in faba bean/maize intercropping system[J]. Chinese Journal of Eco- Agriculture, 2005, 13(3): 136–139

[23] 趙小亮, 劉新虎, 賀江舟, 等. 棉花根系分泌物對(duì)土壤速效養(yǎng)分和酶活性及微生物數(shù)量的影響[J]. 西北植物學(xué)報(bào), 2009, 29(7): 1426–1431 Zhao X L, Liu X H, He J Z, et al. Effects of cotton root exudates on available soil nutrition, enzyme activity and microorganism quantity[J]. Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica, 2009, 29(7): 1426–1431

[24] 孫磊, 陳兵林, 周治國. 麥棉套作 Bt棉花根系分泌物對(duì)土壤速效養(yǎng)分及微生物的影響[J]. 棉花學(xué)報(bào), 2007, 19(1): 18–22 Sun L, Chen B L, Zhou Z G. Effects of root exudates on available soil nutrition, Micro-organism quantity of Bt cotton in wheat-cotton intercropping system[J]. Cotton Science, 2007, 19(1): 18–22

[25] 南京農(nóng)業(yè)大學(xué). 土壤農(nóng)化分析[M]. 第 2版. 北京: 農(nóng)業(yè)出版社, 1996: 23–45 Nanjing Agricultural University. Soil Agro-chemistry Analysis[M]. 2nd ed. Beijing: Agriculture Press, 1996: 23–45

[26] 李阜棣, 喻子牛, 何紹江. 農(nóng)業(yè)微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)[M]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)出版社, 1996: 69–72 Li F L, Yu Z N, He S J. Agricultural Microbiology Experiment Technology[M]. Beijing: China Agriculture Press, 1996: 69–72

[27] 趙金莉, 程春泉, 顧曉陽, 等. 入侵植物紫茉莉根系分泌物對(duì)土壤微生態(tài)環(huán)境的影響[J]. 河南師范大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2014, 42(3): 95–99 Zhao J L, Cheng C Q, Gu X Y, et al. Effects of root exudates from mirabilis jalapa on soil microenvironment[J]. Journal of Henan Normal University: Natural Science Edition, 2014, 42(3): 95–99

[28] 李會(huì)娜, 劉萬學(xué), 戴蓮, 等. 紫莖澤蘭入侵對(duì)土壤微生物、酶活性及肥力的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2009, 42(11): 3964–3971 Li H N, Liu W X, Dai L, et al. Invasive impacts of Ageratina adenophora (Asteraceae) on the changes of microbial community structure, enzyme activity and fertility in soil ecosystem[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2009, 42(11): 3964–3971

[29] Li L, Li S M, Sun J H, et al. Diversity enhances agricultural productivity via rhizosphere phosphorus facilitation on phosphorus-deficient soils[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2007, 104(27): 11192–11196

[30] 吳林坤, 林向民, 林文雄. 根系分泌物介導(dǎo)下植物–土壤–微生物互作關(guān)系研究進(jìn)展與展望[J]. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2014, 38(3): 298–310 Wu L K, Lin X M, Lin W X. Advances and perspective in research on plant-soil-microbe interactions mediated by root exudates[J]. Chinese Journal of Plant Ecology, 2014, 38(3): 298–310

[31] 蘭忠明, 林新堅(jiān), 張偉光, 等. 缺磷對(duì)紫云英根系分泌物產(chǎn)生及難溶性磷活化的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2012, 45(8): 1521–1531 Lan Z M, Lin X J, Zhang W G, et al. Effect of P deficiency on the emergence of Astragalus L. root exudates and mobilization of sparingly soluble phosphorus[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2012, 45(8): 1521–1531

[32] 楊利寧, 敖特根·白銀, 李秋鳳, 等. 苜蓿根系分泌物對(duì)土壤中難溶性磷的影響[J]. 草業(yè)科學(xué), 2015, 32(8): 1216–1221 Yang L N, Aotegen B Y, Li Q F, et al. Effects of alfalfa root exudates on insoluble phosphorus in soil[J]. Pratacultural Science, 2015, 32(8): 1216–1221

[33] 劉素萍, 楊之為. 根系分泌物[J]. 生態(tài)農(nóng)業(yè)研究, 1998, 6(2): 36–38 Liu S P, Yang Z W. Plant root exudates[J]. Eco-AgricultureResearch, 1998, 6(2): 36–38

[34] 張德閃, 王宇蘊(yùn), 湯利, 等. 小麥蠶豆間作對(duì)紅壤有效磷的影響及其與根際 pH 值的關(guān)系[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2013, 19(1): 127–133 Zhang D S, Wang Y Y, Tang L, et al. Effects of wheat and faba bean intercropping on available phosphorus of red soils and its relationship with rhizosphere soil pH[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2013, 19(1): 127–133

[35] 章愛群, 賀立源, 趙會(huì)娥, 等. 有機(jī)酸對(duì)土壤無機(jī)態(tài)磷轉(zhuǎn)化和速效磷的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2009, 29(8): 4061–4069 Zhang A Q, He L Y, Zhao H E, et al. Effect of organic acids on inorganic phosphorus transformation in soils and its readily available phosphate[J]. Acta Ecologica Sinica, 2009, 29(8): 4061–4069

[36] 占麗平, 叢日環(huán), 李小坤, 等. 低分子量有機(jī)酸對(duì)紅壤和黃褐土 K+吸附動(dòng)力學(xué)的影響[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2012, 49(6): 1147–1157 Zhan L P, Cong R H, Li X K, et al. Effect of low- molecular-weight organic acids on K+adsorption kinetics of red soil and yellow-cinnamon soil[J]. Acta Pedologica Sinica, 2012, 49(6): 1147–1157

[37] 江長勝, 楊劍虹, 魏朝富, 等. 低分子量有機(jī)酸對(duì)紫色母巖中鉀釋放的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2002, 8(4): 441–446 Jiang C S, Yang J H, Wei C F, et al. Effect of Low- molecular-weight organic acids on potassium release from purple rock[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2002, 8(4): 441–446

[38] 盧豪良, 嚴(yán)重玲. 秋茄[Kandelia candel (L)]根系分泌低分子量有機(jī)酸及其對(duì)重金屬生物有效性的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2007, 27(10): 4173–4181 Lu H L, Yan C L. Exudation of low-molecular-weight-organic acids by Kandelia candel (L) Druce roots and implication on heavy metal bioavailability in mangrove sediments[J]. Acta Ecologica Sinica, 2007, 27(10): 4173–4181

[39] 張福鎖. 根分泌物及其在植物營養(yǎng)中的作用(綜述)[J]. 北京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 1992, 18(4): 353–356 Zhang F S. Root exudates and their role in plant nutrition (a review)[J]. Acta Agriculturae Universitatis Pekinensis, 1992, 18(4): 353–356

[40] Jones D L. Organic acids in the rhizosphere — A critical review[J]. Plant and Soil, 1998, 205(1): 25–44

[41] 孫波, 趙其國, 張?zhí)伊? 等. 土壤質(zhì)量與持續(xù)環(huán)境 Ⅲ. 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的生物學(xué)指標(biāo)[J]. 土壤, 1997, 29(5): 225–234 Sun B, Zhao Q G, Zhang T L, et al. Soil quality and sustainable environment (Ⅲ. The biological indexes for evaluation of soil quality)[J]. Soil, 1997, 29(5): 225–234

[42] 劉純, 黃紅娟, 張朝賢, 等. 假高粱根系分泌物對(duì)土壤細(xì)菌群落多樣性的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2013, 22(7): 1124–1128 Liu C, Huang H J, Zhang C X, et al. The effects of root exudates from Johnsongrass on soil bacteria community diversity[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2013, 22(7): 1124–1128

[43] 葉志毅, 屠振力. 桑樹根的分泌物和根際微生物的研究[J].蠶業(yè)科學(xué), 2005, 31(1): 18–21 Ye Z Y, Tu Z L. Study on the secretion and the rhizospheric microorganisms of mulberry roots[J]. Science of Sericulture, 2005, 31(1): 18–21

[44] 楊陽, 劉守偉, 潘凱, 等. 分蘗洋蔥根系分泌物對(duì)黃瓜幼苗生長及根際土壤微生物的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 24(4): 1109–1117 Yang Y, Liu S W, Pan K, et al. Effects of Chinese onion’s root exudates on cucumber seedlings growth and rhizosphere soil microorganisms[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2013, 24(4): 1109–1117

Effects of faba bean (Vicia faba L.) root exudate on soil available nutrients and microbial population in different purple soils*

YUAN Xiumei, GENG Sainan, ZHENG Mengyuan, XI Xiangyin**, SONG Dali, HUANG Fusen (College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400715, China)

In order to improve the fertility of purple soil and make reasonable use of faba bean, this study collected faba bean root exudates by solution cultivation and obtained the concentrated solution by vacuum rotary evaporator. Then a soil cultivation experiment was carried out with 2 levels (low level of 6 mL and high level of 12 mL) of concentrated solutions of faba bean root exudates added separately to three types of 60 g purple soils (acid purple soil, alkaline purple soil and neutral purple soil) in constant temperature box. The aim of the study was to determine the effects of faba bean root exudates on soil available nutrients and microbial population in different purple soils. The results showed that compared with the control, both alkali-hydrolysable N and pH decreased significantly while available P, K, Zn and Fe along with microbial population increased significantly in the three types of purple soil after adding concentrated solutions of faba bean root exudates to the soil. Moreover, the above trends increased with increasing level of the root extrudates. The decreasing effects of high amount of fababean root exudates on soil alkali-hydrolysable N and pH were most obvious in acid purple soil compared with in alkali and neutral purple soils. However, the most significant increasing effect on soil bacteria and fungi amounts was also observed in acid purple soils. The above four indicators in acid purple soils with high level faba bean root exudates addition were respectively 68.00％, 95.49％, 4.51 times and 10.00 times those of the control. In alkali purple soils, the addition of high amount of concentrated faba bean root exudates showed most significantly increasing effects on soil available P, K, Zn and Fe contents, which were 4.48 times, 2.04 times, 147.00％ and 128.00％ of those of the control, respectively. In conclusion, there were different effects on soil available nutrients and soil microbial activity after faba bean root exudates addition to different types of purple soils. This had a profound effect on the fertility of cultivated purple soils in the study area.

Faba bean; Purple soil; Root exudate; Available nutrient; Microbial population

Jan. 31, 2016; accepted Feb. 29, 2016

Q945.79

A

1671-3990(2016)07-0910-08

10.13930/j.cnki.cjea.160121

* 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40801109)、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(XDJK2011B007)和西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院“光炯”科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2014)資助

** 通訊作者: 習(xí)向銀, 主要從事植物營養(yǎng)與資源利用的研究。E-mail: xixiangyin@126.com

袁秀梅, 主要從事綠肥對(duì)土壤理化性質(zhì)改良的研究。E-mail: xiumeiyuan2013@163.com

2016-01-31 接受日期: 2016-02-29

* The study were supported by the National Natural Science Foundation of China (40801109), the Fundamental Research Funds for the Central Universities (XDJK2011B007) and the Guangjiong Scientific and Technological Innovation Foundation of College of Resources and Environment, Southwest University.

** Corresponding author, E-mail: xixiangyin@126.com