杜雷 陳鋼 王素萍 洪娟 黃翔 張利紅 葉莉霞 張貴友 練志誠
摘要:通過盆栽試驗研究了在4種不同施磷水平下,施用解磷菌劑對生菜(Lactuca sativa var. ramosa Hort.)各生育期根際土壤微生物數(shù)量和酶活性的影響。結(jié)果表明,土壤微生物數(shù)量和酶活性都隨生菜生育期的進行呈規(guī)律性變化,在蓮座期達到最大值,在采收期有所下降,但整體仍高于幼苗期;同一生育期,隨著施磷水平的增加,解磷菌劑對生菜根際土壤細菌、放線菌的數(shù)量和各種酶活性的影響逐漸增強,在施磷量(P2O5)為0.060 g/kg時達到最大值,當施磷量達到0.120 g/kg時,解磷菌劑對土壤微生物數(shù)量和酶活性無促進作用;解磷菌劑對土壤真菌數(shù)量的影響與細菌數(shù)量變化規(guī)律相反。解磷菌劑配合適量磷肥施用,有利于土壤微生物數(shù)量的增加和酶活性的提高,從而為生菜生長創(chuàng)造良好的微生態(tài)環(huán)境。
關(guān)鍵詞:解磷菌劑;根際土壤微生物;酶活性;生菜(Lactuca sativa var. ramosa Hort.)
中圖分類號:S636.2? ? ? ? ?文獻標識碼:A
文章編號:0439-8114(2019)11-0070-05
DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.11.016? ? ? ? ? ?開放科學(資源服務)標識碼(OSID):
Effects of phosphate-solubilizing bacteria on rhizosphere
microorganism and enzyme activities of lettuce
DU Lei,CHEN Gang,WANG Su-ping,HONG Juan,HUANG Xiang,ZHANG Li-hong,
YE Li-xia,ZHANG Gui-you,LIAN Zhi-cheng
(Institute of Environment and Safety,Wuhan Academy of Agricultural Sciences,Wuhan 430345,China)
Abstract: A potting experiment was conducted to evaluate the effects of the phosphate-solubilizing bacteria on rhizosphere soil microorganism and enzyme activities at different growth stages of lettuce(Lactuca sativa var. ramosa Hort.) under four application levels of calcium-superphosphate. The results showed that the microorganism quantity and enzyme activity were regular change with growth periods of lettuce, they were reached a maximum in the rosette stage and declined in the harvest time, the least was the seedling stage. The effects on rhizosphere bacteria and actinomycetes, and enzyme activities increased progressively with application levels of calcium-superphosphate during the same period, which was the best under 0.060 g/kg application levels of calcium-superphosphate. However, it had no stimulative effect when the application level of calcium-superphosphate was 0.120 g/kg. On the contrary, the number of soil fungi had a reverse rule. So the appropriate phosphate and phosphate-solubilizing bacteria application with the lettuce microorganism quantity and enzyme activity were positive effect, and created a good micro-ecolobical environment for the growth of lettuce.
Key words: phosphate-solubilizing bacteria; rhizosphere soil microorganism; enzyme activity; lettuce(Lactuca sativa var. ramosa Hort.)
中國土壤全磷含量較高,但能被植物直接吸收利用的有效磷含量一般不超過全磷量的5%,大部分磷以難溶的無效態(tài)在土壤中積累起來,這不僅耗竭有限的磷礦資源、造成環(huán)境污染,還會給食物安全和人類健康帶來影響[1,2]。解磷菌是土壤中能將難溶性磷轉(zhuǎn)化為植物能夠吸收利用的可溶性磷的一類特殊的微生物功能類群,主要通過分泌各種酶類、有機酸來活化土壤中的難溶態(tài)磷,提高土壤有效磷含量,從而促進植物的生長發(fā)育[3-5]。解磷菌的應用對改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤中磷的利用率、改良鹽堿地和維持農(nóng)林業(yè)生態(tài)平衡等具有極其重要的意義[6]。徐文鳳等[7]通過盆栽試驗發(fā)現(xiàn)1%、2%的溶磷真菌PFK-1與硝基肥復配能增加油菜的鮮重和干重,亦能增加其土壤有效磷含量;何雪香等[8]通過秋茄盆栽接種試驗發(fā)現(xiàn),從紅樹林地區(qū)篩選得到的部分解磷菌和固氮菌對秋茄苗高和生物量有明顯促進作用;邢芳芳等[9]發(fā)現(xiàn)溶磷真菌PSFK具有很強的降解無機磷的能力,且能顯著提高雞毛菜的生物產(chǎn)量和葉片數(shù)。目前,對解磷菌的應用研究主要集中在其對作物的產(chǎn)量、品質(zhì)、生物性狀和土壤有效磷含量的影響上,有關(guān)其對作物根際土壤微生態(tài)環(huán)境和土壤酶活性的影響報道較少[10]。
土壤微生物和酶參與土壤生物化學過程,在土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化、能量代謝、污染物降解及修復等方面起著重要作用[11],可反映土壤質(zhì)量的變化,表征土壤中物質(zhì)代謝的旺盛程度,可作為土壤質(zhì)量評價的重要指標[12]。解磷菌的解磷能力和促生效應受土壤生態(tài)條件的影響,與植物根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和酶活性密切相關(guān),并受植物生長發(fā)育進程的反饋調(diào)節(jié)[13]。研究其相關(guān)因素包括土壤微生物種類和數(shù)量、酶活性、土壤本身的物化性質(zhì)、磷素在土壤中的形態(tài)等對解磷效果的影響,有助于明確解磷微生物的解磷機理及特有解磷微生物的使用范圍和最優(yōu)方案,對土壤的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本試驗研究了在不同施磷水平下,接種解磷菌劑對生菜各生育期根際土壤細菌、真菌、放線菌數(shù)量和土壤過氧化氫酶、脲酶、轉(zhuǎn)化酶、堿性磷酸酶活性的影響,探討了解磷菌劑在土壤不同磷素水平下發(fā)揮最大的解磷效果,并進一步闡明了解磷菌劑在生菜(Lactuca sativa var. ramosa Hort.)不同生育期促生效應的微生物學作用機制,旨在為解磷菌劑的生產(chǎn)應用提供理論依據(jù)。
1? 材料與方法
1.1? 材料與盆栽試驗設(shè)計
試驗在武漢市農(nóng)業(yè)科學院北部園區(qū)玻璃溫室內(nèi)進行。土壤為灰潮土,土壤有機質(zhì)含量為10.5 g/kg,硝態(tài)氮含量為25.23 mg/kg,有效磷含量為9.66 mg/kg,全磷含量為0.72 g/kg,速效鉀含量為110.89 mg/kg,pH 7.86。
試驗采用盆栽設(shè)計,共設(shè)6個處理,分別為不施磷+滅活菌劑(CK)、不施磷+解磷菌劑(T1)、施1/4常規(guī)用量磷+解磷菌劑(T2)、施1/2常規(guī)用量磷+解磷菌劑(T3)、施常規(guī)用量磷+解磷菌劑(T4)和施常規(guī)用量磷+滅活菌劑(T5)。各處理在等氮、鉀養(yǎng)分條件下施肥,每盆裝土15 kg,所用化肥為尿素(含N 46%)、過磷酸鈣(含P2O5 16%)、硫酸鉀(含K2O 51%),尿素、硫酸鉀用量各處理分別為0.326、0.098 g/kg,常規(guī)磷施用量為過磷酸鈣0.750 g/kg(換算為P2O5用量為0.120 g/kg),以上肥料作基肥一次性拌土施入。
所用生菜種子為澳優(yōu)四季生菜,武漢金正現(xiàn)代種業(yè)有限公司生產(chǎn)。所用解磷菌劑為作者實驗室篩選的P1菌株液體擴大培養(yǎng)所制成,活菌含量達2.0×1010 CFU/mL以上,其中滅活菌劑即為P1菌株發(fā)酵液121 ℃滅菌后所得。解磷菌P1是從武漢市長期種植的蔬菜根際土壤中篩選得到的1株高效解磷菌株,經(jīng)鑒定該菌株為苜蓿中華根瘤菌(Sinorhizobium meliloti),目前已將該菌株保藏于中國典型培養(yǎng)物保藏中心,保藏號為CCTCCM2016333。解磷菌劑接種量為每棵50 mL,于生菜移栽后澆灌于根部周圍。每處理10盆,每盆種生菜2棵,重復間隨機排列,管理一致。
1.2? 土壤樣品采集及測定指標
在生菜生長過程中的幼苗期、蓮座期和采收末期,選取3棵長勢均勻的植株將其挖出,抖掉根系外圍土,取緊貼在根表附近的土樣,混合后作為根際土,用無菌塑料袋裝好帶回實驗室,取部分鮮樣用于分析土壤微生物含量;另外部分風干,去雜,過1 mm篩后用于測定土壤酶活性。
1.2.1? 土壤微生物數(shù)量的測定? 采用稀釋平板計數(shù)法測定土壤中微生物數(shù)量。細菌采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基;放線菌采用改良高氏I號培養(yǎng)基;真菌采用馬丁氏培養(yǎng)基;每處理3次重復,結(jié)果以每克干土所含數(shù)量表示。
1.2.2? 土壤酶活性的測定? 過氧化氫酶采用KMnO4滴定法測定,以每克土壤消耗的0.002 mol/L KMnO4的體積表示;脲酶采用苯酚鈉比色法測定,以3 h后每百克土中NH4+-N的體積表示;轉(zhuǎn)化酶采用硫代硫酸鈉滴定法測定,以24 h后每克土中0.1 mol/L硫代硫酸鈉體積表示;堿性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法測定,以24 h后每克土中酚的質(zhì)量表示[14]。
1.3? 數(shù)據(jù)分析
采用Excel 2010和SPSS 17.0軟件處理分析,采用最小顯著法(LSD)進行差異顯著性檢驗。
2? 結(jié)果與分析
2.1? 解磷菌劑對生菜根際土壤細菌數(shù)量的影響
由圖1可以看出,各處理的根際土壤細菌數(shù)量隨著生菜生育期的推進整體呈先上升后下降的趨勢,在蓮座期細菌數(shù)量達到最大值,在采收末期細菌數(shù)量有所下降,但整體仍高于幼苗期。在生菜整個生育期中,各處理細菌數(shù)量變化不一致。在幼苗期,當磷肥用量為零時,T1處理的細菌數(shù)量要顯著高于CK,當磷肥用量為最大值時,T4處理的細菌數(shù)量也顯著高于T5處理,說明幼苗期在施磷量相同的情況下,添加解磷菌劑有利于提高生菜根際土壤細菌數(shù)量。在蓮座期和采收期,在施磷量相同的情況下,T1處理的細菌數(shù)量依然顯著高于CK,但T4處理和T5處理的細菌數(shù)量無顯著差異,說明在蓮座期后,高磷水平處理添加解磷菌劑不能增加根際細菌數(shù)量,但低磷水平處理添加解磷菌劑依然能顯著提高根際細菌數(shù)量。在生菜整個生育期中,添加解磷菌劑的各處理隨著施磷水平的增加,細菌數(shù)量呈先增加后下降趨勢,在T3水平達到最大值,T3處理和T2處理的細菌數(shù)量呈相同水平,都顯著高于其他處理,T4、T5處理較小,都顯著低于其他施磷處理,說明解磷菌劑在缺磷情況下能顯著提高根際細菌數(shù)量,在高磷水平下對根際細菌數(shù)量無促進作用。
2.2? 解磷菌劑對生菜根際土壤真菌數(shù)量的影響
由圖2可以看出,各處理的根際土壤真菌數(shù)量隨著生菜生育期的推進整體也呈先上升后下降的趨勢,但在整個生育期不同處理對其根際真菌數(shù)量的影響不同。在幼苗期,添加解磷菌劑的各處理根際真菌數(shù)量均有所減少,其中T3處理減少幅度最大,T2處理次之,T4和T1處理減少幅度較小,但都與CK和T5處理差異顯著。在蓮座期和采收期,各處理根際真菌數(shù)量變化趨勢相似,各添加解磷菌劑的處理中,低磷水平的T1、T2和T3處理間根際真菌數(shù)量無顯著差異,但都顯著低于T4處理;在高磷水平下,T4處理和T5處理根際真菌數(shù)量無顯著差異,說明高磷水平下施用解磷菌劑對根際真菌數(shù)量也無影響。在生菜整個生育期中,CK的根際真菌數(shù)量都顯著高于其他各處理,這可能與其生長緩慢有關(guān)。
2.3? 解磷菌劑對生菜根際土壤放線菌數(shù)量的影響
由圖3可以看出,各處理根際土壤放線菌數(shù)量變化趨勢與細菌數(shù)量變化趨勢相似,但不同生育期各處理根際放線菌數(shù)量變化不同。在幼苗期,低磷水平下,T1處理的放線菌數(shù)量顯著高于CK;高磷水平下,T4處理與T5處理無顯著差異;各添加解磷菌劑處理間,隨著磷水平的增加,放線菌數(shù)量也隨著增加,在T3水平下達到最大值,顯著高于其他處理,當施磷量達到T4水平時,放線菌數(shù)量降低,具體為T3>T2>T1>T4。在蓮座期,各處理放線菌數(shù)量均有所增加,但整體變化規(guī)律與幼苗期一致。在采收期,各處理放線菌數(shù)量均開始下降,其中T1、T2和T3處理放線菌數(shù)量達相同水平,CK、T4和T5處理放線菌數(shù)量達相同水平,前者顯著高于后者。
2.4? 解磷菌劑對生菜根際土壤過氧化氫酶活性的影響
由圖4可以看出,各處理根際土壤過氧化氫酶活性隨著生菜生育期的推進整體呈微弱的上升趨勢,在生菜整個生育期中,各處理根際土壤過氧化氫酶活性變化不大,CK的土壤過氧化氫酶活性顯著低于其他各添加解磷菌劑處理;T4處理和T5處理間無顯著差異,但都顯著低于T3處理。說明在低磷水平下,添加解磷菌劑能顯著提高土壤過氧化氫酶活性,但在高磷水平下添加解磷菌劑對土壤過氧化氫酶活性無影響。
2.5? 解磷菌劑對生菜根際土壤脲酶活性的影響
土壤脲酶主要來源于植物和微生物,是決定土壤中N轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵酶,其活性高低反映了各種生化過程的方向和強度。由圖5可以看出,各處理的脲酶活性隨著生菜生育期的推進整體呈先上升后下降的趨勢,與土壤細菌數(shù)量變化規(guī)律相似。隨著施磷水平的增加,土壤脲酶活性也逐漸增加,在施磷水平為T3處理時,土壤脲酶活性最高,當施磷水平高達T4處理時,土壤脲酶活性反而受到抑制作用。
2.6? 解磷菌劑對生菜根際土壤轉(zhuǎn)化酶活性的影響
土壤轉(zhuǎn)化酶是參與土壤有機碳循環(huán)的酶,其活性強弱反映了土壤呼吸強度、土壤熟化程度及肥力水平狀況。由圖6可以看出,各處理的根際土壤轉(zhuǎn)化酶活性隨著生菜生育期的推進整體也呈先上升后下降的趨勢,不同生育期各處理根際土壤轉(zhuǎn)化酶活性整體變化趨勢相似,在蓮座期和采收期,不添加解磷菌劑的兩個處理CK和T5之間的根際土壤轉(zhuǎn)化酶活性差異較小;添加解磷菌劑的各處理根際土壤轉(zhuǎn)化酶活性隨著磷水平的增加而增加,在T3水平達最大值,且各處理間差異顯著,當施磷水平為T4時,根際土壤轉(zhuǎn)化酶活性與CK達相同水平,顯著低于其他各解磷菌劑處理。
2.7? 解磷菌劑對生菜根際土壤堿性磷酸酶活性的影響
土壤磷酸酶是催化土壤中磷酸單酯和磷酸二酯水解的酶,它能將有機磷酯水解為無機磷酸。由圖7可以看出,各處理堿性磷酸酶活性隨著生菜生育期的推進整體呈先上升后下降的趨勢。各處理堿性磷酸酶活性也隨施磷水平的增加而逐漸增加,在T3水平達最大值,當施磷水平達T4水平時,土壤堿性磷酸酶活性在一定程度上也受到抑制作用。
3? 小結(jié)與討論
根際是一個很特別的微區(qū)域,由于植物根系的影響,使其周圍的微域在物理、化學和生物特性方面與土體主體不同[15]。已有研究表明不同作物的根際有其特定的微生物群落,即同一作物在不同生育期和營養(yǎng)狀態(tài)下,其根際微生物數(shù)量與酶活性也呈現(xiàn)一定的動態(tài)變化[16]。本研究結(jié)果表明,各處理根際土壤細菌、真菌和放線菌數(shù)量都隨著生菜生育期的推進整體呈先上升后下降的趨勢,在蓮座期達到最大值,在采收期有所下降,但整體仍高于幼苗期;各處理的脲酶活性、轉(zhuǎn)化酶活性和堿性磷酸酶活性與根際土壤微生物數(shù)量變化規(guī)律相似,隨著生菜生育期的推進整體呈先上升后下降的趨勢;各處理過氧化氫酶活性變化差異不大,隨著生菜生育期的推進整體呈微弱上升趨勢。這與前人研究結(jié)果一致,根際微生物數(shù)量和酶活性與植株生長發(fā)育進程具有一定相關(guān)性[17]。生菜從幼苗期到蓮座期生長迅速,新陳代謝逐漸加強,養(yǎng)分需求量加大,根系分泌物(各種酶類)增多,根系周圍區(qū)域微生物活動活躍,從而促進土壤養(yǎng)分的分解,以滿足植株的生長發(fā)育;進入采收末期后,生菜生長減緩,光合作用降低,對養(yǎng)分的需求也逐漸降低,根際各類微生物數(shù)量和土壤酶活性也就相應降低。生菜根系分泌物的差異以及對微生物的作用機制還有待進一步研究。
解磷菌劑對根際微生物數(shù)量及酶活性的影響與施入的磷水平密切相關(guān)。蔣欣梅等[18]在研究解磷微生物對大棚茄子生長中指出,磷素在土壤中存在一個平衡系統(tǒng),當施加磷肥后未被固定的磷素被植物吸收利用,之后會出現(xiàn)磷虧損,此時會有土壤的化學平衡和土壤微生物對大部分難溶磷的礦化和分解來補充磷素營養(yǎng),土壤中解磷微生物與土壤有效磷含量之間存在密切相關(guān)關(guān)系。本試驗共設(shè)4個施磷水平,結(jié)果表明,添加解磷菌劑的各處理隨著施磷量的增加,根際細菌、放線菌數(shù)量和各種酶活性都呈先上升后下降趨勢,在T3水平達到最大值,當施磷水平達T4處理時,根際細菌、放線菌數(shù)量和各種酶活性都無促進作用,反而顯著低于T3處理;各處理真菌數(shù)量變化規(guī)律與其相反,T1、T2和T3處理的真菌數(shù)量都顯著低于T4處理。這與許艷麗等[19]研究一致,施入解磷菌劑后,植株根際細菌和放線菌的數(shù)量同真菌數(shù)量的比值(B/F、A/F)增大,有效改善了根際土壤的微生態(tài)環(huán)境,提高了土壤肥力。生菜的生長需要充足的磷素營養(yǎng),同樣土壤中微生物的正常生長也需要一定水平的磷素營養(yǎng),當土壤有效磷含量低或不施磷時,土壤磷素水平不能滿足這一要求,植株生長發(fā)育小,土壤微生物繁殖慢;但當土壤有效磷含量過高時,植物根系無需外力幫助就可吸收所需的全部磷素,根系分泌物減少,根際微生物活動受到抑制[20]。因此,要充分發(fā)揮解磷菌的有益效應,應適當配合施用磷肥,以保證解磷微生物的正常生長,提高解磷微生物的定殖能力。
土壤微生物和土壤酶既是土壤有機物轉(zhuǎn)化的執(zhí)行者,又是植物營養(yǎng)元素的活性庫。本試驗從土壤微生態(tài)環(huán)境和酶活性方面研究了施用解磷菌劑后對生菜的促生作用,結(jié)果表明,解磷菌劑的施用顯著改善了生菜根際土壤微生物結(jié)構(gòu)和酶活性,解磷菌劑和化肥配合施用效果更好。通過本試驗得出,當P2O5施用量為0.060 g/kg時,解磷菌劑的促生效果最好,磷肥施入量過高或過低都不利于解磷菌劑發(fā)揮溶磷效果。施用解磷菌劑在一定程度上減少了化學磷肥的使用量,降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。如何充分發(fā)揮解磷菌劑的溶磷效果,還有待進一步研究。
參考文獻:
[1] 陳? 哲,吳敏娜,秦紅靈,等.土壤微生物溶磷分子機理研究進展[J].土壤學報,2009,46(5):925-931.
[2] GYANESHWAR P,KUMAR G N,PAREKH L J,et al.Role of soil microorganisms in improving P nutrition of plants[J].Plant soil,2002,245(1):83-93.
[3] 鐘傳青,黃為一.不同種類解磷微生物的溶磷效果及其磷酸酶活性的變化[J].土壤學報,2005,42(2):286-294.
[4] CHEN Y P,REKHA P D,ARUN A B,et al.Phosphate solubilizing bacteria from subtropical soil and their tricalcium phosphate solubilizing abilities[J].Appl Soil Ecol,2006,34(1):33-41.
[5] HENRI F,LAURETTE N N,ANNETTE D,et al.Solubilization of inorganic phosphate and plant growth promotion by strains of Pseudomonas fluoreseens isolated from acidic soils of Cameroon[J].Afr J Microbiol Res,2008,2(7):171-178.
[6] 王光華,趙? 英,周德瑞,等.解磷菌的研究現(xiàn)狀與展望[J].生態(tài)環(huán)境,2003,12(1):96-101.
[7] 徐文鳳,邢芳芳,宋? 濤,等.溶磷真菌PFK-1的解磷能力及其對油菜的促生作用[J].山東農(nóng)業(yè)科學,2014,46(5):85-89.
[8] 何雪香,李? 玫,廖寶文.紅樹林固氮菌和解磷菌的分離及對秋茄苗的促生效果[J].華南農(nóng)業(yè)大學學報,2012,33(1):64-68.
[9] 邢芳芳,徐文鳳,宋? 濤,等.一株高效溶磷真菌的溶磷特性及其促生效果研究[J].華北農(nóng)學報,2013,28(增刊):357-360.
[10] 余? 旋,朱天輝,劉? 旭.不同解磷菌劑對美國山核桃根際微生物和酶活性的影響[J].林業(yè)科學,2012,48(2):117-123.
[11] HENRIKSEN T M,BRELAND T A.Carbon mineralization,fungal and bacterial growth and enzyme activities as affected by contact between crop residues and soil[J].Biology and fertility of soils,2002,35(1):41-48.
[12] 楊青華,韓錦峰.棉田不同覆蓋方式對土壤微生物和酶活性的影響[J].土壤學報,2005,42(2):348-351.
[13] 王光華,趙? 英,周德瑞,等.解磷菌的研究現(xiàn)狀與展望[J].生態(tài)環(huán)境,2003,22(1):96-101.
[14] 李振高,駱永明,騰? 應.土壤與環(huán)境微生物研究法[M].北京:科學出版社,2008.398-413.
[15] 馬冬云,郭天財,宋? 曉,等.尿素施用量對小麥根際土壤微生物數(shù)量及土壤酶活性的影響[J].生態(tài)學報,2007,27(12):5222-5228.
[16] 鐘文輝,蔡祖聰.土壤管理措施及環(huán)境因素對土壤微生物多樣性影響研究進展[J].生物多樣性,2004,12(4):456-465.
[17] 黃繼川,彭智平,于俊紅,等.施用玉米秸稈堆肥對盆栽芥菜土壤酶活性和微生物的影響[J].植物營養(yǎng)與肥料學報,2010, 16(2):348-353.
[18] 蔣欣梅,夏秀華,于錫宏,等.微生物解磷菌肥對大棚茄子生長及土壤有效磷利用的影響[J].浙江大學學報(理學版),2012, 39(6):685-688.
[19] 許艷麗,張紅驥,張勻華,等.施用根腐病生防顆粒劑對大豆田土壤微生物區(qū)系的影響[J].大豆科學,2007,26(2):198-203.
[20] 趙麗莉,滕華容,賀學禮.解磷量和AM真菌對柴胡生長的交互效益[J].中草藥,2006,37(9):1405-1409.