楊曼利 吉慶勛 李志明
摘要 [目的]研究炭吸附聚谷氨酸對土壤環(huán)境及小麥產(chǎn)量的影響。[方法]在小麥地噴施炭吸附聚谷氨酸產(chǎn)品,檢測其對土壤氮含量、pH、總孔隙度、團聚體、細菌及小麥產(chǎn)量的影響。[結(jié)果]炭吸附聚谷氨酸處理土壤,全氮含量增加0.131 g/kg,pH逐步趨向中性,總孔隙度增加5.2%,團聚體(0.05~2.00 mm)增加70.7 g/kg,微生物多樣性提高,類群數(shù)增加,小麥增產(chǎn)6%以上。相關(guān)性分析結(jié)果表明,土壤微生物與小麥產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)(P<0.05),對小麥產(chǎn)量影響很大。 [結(jié)論]炭吸附聚谷氨酸可改善土壤環(huán)境,提高小麥產(chǎn)量,為炭吸附聚谷氨酸的廣泛推廣應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞 炭吸附聚谷氨酸;土壤環(huán)境;小麥產(chǎn)量;相關(guān)性分析
中圖分類號 S14 文獻標識碼 A
文章編號 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
土壤作為不可或缺的自然資源為人類的生命活動提供物質(zhì)基礎(chǔ),人類的生存與發(fā)展離不開土壤,人類在土壤上進行農(nóng)業(yè)活動,從而獲得生活所需的農(nóng)產(chǎn)品,土壤肥力又直接影響植物的生長發(fā)育,是土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)的綜合反映,進而直接影響作物的生長發(fā)育、品質(zhì)和產(chǎn)量[1]。研究表明,長期施肥不僅直接影響土壤的物理化學(xué)性質(zhì),還能引起土壤微生物類群、數(shù)量和活性的變化[2-5]。過量或長期施用化肥會造成土壤pH降低,對土壤、植物和微生物產(chǎn)生脅迫作用[6-9]。土壤微生物作為土壤生態(tài)系統(tǒng)中最為活躍的部分,在土壤有機質(zhì)的分解、養(yǎng)分循環(huán)、生態(tài)安全調(diào)控以及土壤可持續(xù)生產(chǎn)中起著重要作用。長期施用有機肥或有機-無機肥配施可大大提高土壤中細菌、真菌和放線菌的數(shù)量[10-14]。有機肥可以促進土壤中土著微生物的生長,使其成為優(yōu)勢種群[15-19]。Martens等[20]研究發(fā)現(xiàn),有機肥可以增加土壤中酶活性,從而刺激微生物的活性。Chu等[16]、Shahzad等[21]研究發(fā)現(xiàn),泉古菌門中的一類細菌具氨單加氧酶基因催化氨氧化過程獲得能量進行自養(yǎng),對于土壤碳氮循環(huán)可能發(fā)揮重要的作用,長期施用氮肥會造成氨氧化細菌群落結(jié)構(gòu)的變化,且施用有機肥的影響大于化肥。
炭吸附聚谷氨酸是一種水溶性、可生物降解、對人和環(huán)境無毒的生物高分子物質(zhì)[22-23],能增加土壤有機質(zhì)含量,提高土壤有效性營養(yǎng)元素的含量,從而促進植物生長,提高作物產(chǎn)量[24-25]。但有關(guān)炭吸附聚谷氨酸對土壤微生物的影響,以及土壤環(huán)境和小麥產(chǎn)量關(guān)系鮮見報道。筆者在小麥地噴施炭吸附聚谷氨酸,檢測其對土壤中全氮含量、pH、總孔隙度、團聚體、土壤微生物及小麥產(chǎn)量的影響,以期為炭吸附聚谷氨酸的廣泛推廣應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。
1 材料與方法
1.1 試驗地概況
炭吸附聚谷氨酸示范試驗基地,選在河南省禹州市范坡鎮(zhèn)前柴村。土壤類型為褐土,質(zhì)地輕壤,中等肥力水平,土體無明顯障礙因子,地勢平坦,肥力均勻,排灌方便。土壤有機質(zhì)15.4 g/kg,土壤水分25.2%,全氮0.91 g/kg,速效磷10.7 mg/kg,緩效鉀736 mg/kg,速效鉀119 mg/kg,土壤容重1.39 g/cm3,常年小麥-夏玉米輪作。
1.2 試驗設(shè)計
試驗設(shè)置2個處理,每個處理面積約0.67 hm2,小麥品種為周麥28。對照小麥地不使用炭吸附聚谷氨酸產(chǎn)品噴施,示范小麥地在小麥返青期噴施3 750 g/hm2炭吸附聚谷氨酸產(chǎn)品。
收獲期多點采集不同處理耕作層土壤,每個小區(qū)取多點土樣均勻混合,剔除礫石和植物殘根,過2 mm篩,用無菌自封袋包裝,立即帶回實驗室,在-20 ℃條件下保存。
1.3 測定項目與方法
土壤中全氮采用凱氏定氮法測定;全磷采用堿熔法測定;全鉀采用堿熔法[26]測定;pH采用電位法測定;密度、總孔隙度采用環(huán)刀法[26]測定;團聚體采用吸管法測定[26];土壤微生物采用現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)高通量測序的分析方法[27];小麥產(chǎn)量采用實打?qū)嵤盏姆绞绞肇洠⑦M行考種分析。
1.4 數(shù)據(jù)處理
原始數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2007軟件整理后,采用SPSS 19.0軟件進行統(tǒng)計分析,并對土壤氮、pH、總孔隙度、團聚體、土壤微生物及小麥產(chǎn)量進行相關(guān)性分析。
2 結(jié)果與分析
2.1 炭吸附聚谷氨酸對土壤全氮、pH、總孔隙度、團聚體的影響
由表1可知,示范土壤與對照土壤相比,全氮含量增加0.131 g/kg,pH降低0.13,逐步趨向中性,總孔隙度增加5.2%,團聚體(0.05~2.00 mm)增加70.7 g/kg,說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,改善土壤團聚體,有利于作物的生長發(fā)育,使作物高產(chǎn)豐收。
2.2 炭吸附聚谷氨酸對土壤微生物的影響
2.2.1 炭吸附聚谷氨酸對土壤微生物多樣性的影響。
多樣性指數(shù)是土壤微生物群落多樣性的重要指標,包括種類的豐富度和種類的均勻度兩部分。Chao 1和或ACE指數(shù)越大,表明群落的豐富度越高,Simpson多樣性指數(shù)或Shannon多樣性指數(shù)越大,表明群落的豐富度和均勻度越高。 由表2可知,炭吸附聚谷氨酸處理的土壤,其Chao 1指數(shù)、ACE指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)、Shannon多樣性指數(shù)均高于對照,說明炭吸附聚谷氨酸可增加土壤微生物的多樣性。
2.2.2 炭吸附聚谷氨酸對土壤微生物類群的影響。
對測序得到的OTU結(jié)果進行分析,得到不同處理在各分類水平所含有的細菌類群數(shù)量。由圖1可知,示范土壤與對照土壤檢測到細菌門的數(shù)量均為9,綱的數(shù)量分別為16、18,目的數(shù)量分別為46、47,科的數(shù)量分別為68、81,屬的數(shù)量分別為97、113,種的數(shù)量分別為161、204,示范土壤在綱、目、科、屬、種各分類水平的細菌類群數(shù)均增加。由圖2可知,連續(xù)多年使用炭吸附聚谷氨酸產(chǎn)品處理土壤的變形菌門(Proteobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、芽單孢菌門(Gemmatimonadetes)、厚壁菌門(Firmicutes)、泉古菌門(Crenarchaeota)菌群數(shù)增加。說明連續(xù)多年使用炭吸附聚谷氨酸,可增加土壤中某些細菌的類群數(shù),主要包括變形菌門、擬桿菌門、芽單孢菌門、厚壁菌門、泉古菌門。
2.3 炭吸附聚谷氨酸對小麥產(chǎn)量的影響
連續(xù)3年測定對照和示范地小麥產(chǎn)量,結(jié)果見圖3。由圖3可知,2015年示范地小麥產(chǎn)量較對照地小麥增產(chǎn)6.6%;2016年示范地小麥產(chǎn)量較對照地小麥增產(chǎn)7.6%,均達顯著差異水平(P<0.05);2017年示范地小麥產(chǎn)量較對照地小麥增產(chǎn)12.7%,達極顯著差異水平(P<0.01)。說明炭吸附聚谷氨酸能夠增加小麥產(chǎn)量,且連續(xù)多年使用,增產(chǎn)效果顯著。
2.4 土壤微生物、全氮、pH、總孔隙度、團聚體及產(chǎn)量相關(guān)性分析
對土壤微生物、全氮、pH、總孔隙度、團聚體及產(chǎn)量進行相關(guān)性分析,結(jié)果見表3。由表3可知,小麥產(chǎn)量與土壤微生物呈顯著相關(guān)(P<0.05),與其他指標相關(guān)性不顯著(P>0.05),但與pH和總孔隙度的相關(guān)性較高,與全氮和團聚體(0.05~2.00 mm)的相關(guān)度較小,說明土壤微生物對小麥產(chǎn)量影響很大,pH、總孔隙度對小麥產(chǎn)量的影響較大,全氮、團聚體對小麥產(chǎn)量的影響較小。
3 結(jié)論與討論
氮是植物生長發(fā)育過程中必需的大量營養(yǎng)元素,植物養(yǎng)分的來源主要是土壤,土壤中氮含量的高低直接影響植物的生長發(fā)育[28-30]。土壤pH、總孔隙度、團聚體與作物生長發(fā)育
密切相關(guān),進而影響作物產(chǎn)量 [31-33]。許宗奇等[34]研究表明,聚谷氨酸可明顯提高土壤氮的含量。Doran 等[35]研究顯示,γ-PGA 對酸、堿具有較好的緩沖能力,可有效平衡土壤的酸堿值,避免因長期使用化學(xué)肥料造成的土壤酸化和板結(jié)。Tarui等[36]研究顯示,聚谷氨酸與土壤結(jié)合后,可以促進土壤中團聚體的形成,增強土壤通透性,起到對土壤環(huán)境改良的作用。該研究表明,炭吸附聚谷氨酸示范地土壤全氮含量高于對照地0.131 g/kg,推測炭吸附聚谷氨酸可以增加土壤微生物多樣性,而這些新增的土壤微生物中有可以促進作物固氮的細菌,從而增加土壤固氮能力,提高土壤氮含量。示范地土壤pH逐步趨向中性,土壤總孔隙度和團聚體(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質(zhì)量,有利于作物生長,提高作物產(chǎn)量。
土壤微生物是土壤中最活躍的組分,參與有機質(zhì)分解、腐殖質(zhì)合成和生長活性物釋放等多種生物化學(xué)反應(yīng)[37-38],它們在土壤中的數(shù)量、活性及代謝特征對植物生長發(fā)育起重要
作用[39-41]。褚群[42]研究發(fā)現(xiàn),聚谷氨酸不僅具有保水保肥性能,還可以提高基質(zhì)中微生物活性;Perrott等[43]研究發(fā)現(xiàn),聚谷氨酸具有生物降解性,能夠為微生物提供氮源和碳源,提高微生物活性;Xu等[47]研究發(fā)現(xiàn),添加聚谷氨酸能提高土壤微生物量和微生物多樣性。該研究結(jié)果表明,炭吸附聚谷氨酸示范地土壤,綱、目、科、屬、種各分類水平細菌類群數(shù)增加,增加了變形菌門(Proteobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、芽單孢菌門(Gemmatimonadetes)、厚壁菌門(Firmicutes)、泉古菌門(Crenarchaeota)等細菌類群。變形菌門、擬桿菌門和泉古菌門種群數(shù)量的增加,可能是炭吸附聚谷氨酸改善土壤團聚體的重要原因之一。Gittel等[18]、高瑩[19]研究發(fā)現(xiàn)芽單孢菌門和厚壁菌門與土壤全氮含量呈正相關(guān)關(guān)系,炭吸附聚谷氨酸示范地土壤芽單孢菌門和厚壁菌門的菌群數(shù)增加,提高了土壤中全氮含量。
土壤是人類獲得生活所需農(nóng)產(chǎn)品的物質(zhì)基礎(chǔ),改善土壤的最終目的是提高作物產(chǎn)量、改善作物品質(zhì) [1,45-46]。李漢濤等[47]研究表明,施用聚γ-谷氨酸增效復(fù)合肥比習(xí)慣施肥提高油菜產(chǎn)量達5.7%~11.5%,比普通復(fù)合肥提高油菜產(chǎn)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,不但可以提高油菜產(chǎn)量,還可增加土壤可培養(yǎng)微生物的數(shù)量,提高土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。Wang 等[48]研究發(fā)現(xiàn),土壤微生物群體生物量和多樣性與植物生物量之間存在正相關(guān)性。該研究連年小麥試驗表明,炭吸附聚谷氨酸能明顯提高小麥產(chǎn)量,相關(guān)性分析表明,小麥產(chǎn)量與土壤微生物呈顯著相關(guān)(P<0.05),對小麥產(chǎn)量影響很大,與其他指標相關(guān)性不顯著(P>0.05),但與pH和總孔隙度的相關(guān)性較高,與全氮和團聚體(0.05~2.00 mm)的相關(guān)度較小。
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