枯草芽孢桿菌對植煙土壤養(yǎng)分含量與酶活性的影響

胡亞杰，韋建玉，張紀利，盧 健，蔣 南，龔湛武，陳力力，李迪秦

（1廣西中煙工業(yè)有限責任公司，南寧510003；2湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，長沙410128）

土壤是作物生長發(fā)育、賴以生存的物質(zhì)基礎，土壤的可持續(xù)性利用是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定發(fā)展的前提［1，2］。在土壤生態(tài)系統(tǒng)中，土壤酶參與了土壤枯枝落葉的分解、各種有機物質(zhì)分解與合成、養(yǎng)分釋放，以及循環(huán)等生化過程，土壤酶活性高低，直接或間接影響著土壤生態(tài)系統(tǒng)中各種物質(zhì)的轉化與循環(huán)速率［2］。影響土壤酶的因素主要有土壤微生物、土壤理化性狀和養(yǎng)分、種植的作物和施肥措施等［3～5］。土壤微生物和作物根系是土壤酶的主要來源，其活動能力受土壤養(yǎng)分直接影響［6，7］。有機質(zhì)是土壤微生物和酶的有機載體，能夠增強土壤通氣性及孔隙度，其組成和含量會對土壤酶穩(wěn)定性有影響；土壤中氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素存在狀況及含量，與土壤酶活性變化有關。此外，烤煙根系分必物對土壤酶有較強的化感作用，影響著土壤酶活性，土壤酶活性與土壤養(yǎng)分含量有密切聯(lián)系［7～9］。

因長期施用化學肥料，導致土壤板結，有機質(zhì)含量下降，土壤微生物活性降低，物質(zhì)難以轉化及降解，土壤養(yǎng)分失調(diào)，土傳病害加劇等，制約了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定健康可持續(xù)發(fā)展［10］。植煙土壤出現(xiàn)營養(yǎng)失調(diào)、根系分泌物積累、土壤微環(huán)境及微生物區(qū)系變化等［10］。

微生物肥料是近年生產(chǎn)上廣泛應用的一種新型肥料。已有研究表明，微生物菌肥含有微生物菌群、活性酶、有機質(zhì)、多種微量元素等［11，12］，對土壤酶活性有顯著促進作用。它通過微生物活動及相關代謝產(chǎn)物改善農(nóng)作物的生長環(huán)境及營養(yǎng)條件，刺激農(nóng)作物生長發(fā)育，促進土壤養(yǎng)分轉化和改善土壤養(yǎng)分狀況，進而提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和改善品質(zhì)［13，14］。關于烤煙大田生長各個時期，枯草芽孢桿菌對土壤養(yǎng)分含量及酶活性的影響，以及土壤養(yǎng)分含量與酶活性間的灰色關聯(lián)的相關研究鮮有報道。本研究通過分析施用枯草芽孢桿菌后土壤主要養(yǎng)分與土壤酶間的相互影響，探尋微生物菌劑對土壤主要養(yǎng)分含量及酶活性的影響，以期為實現(xiàn)土壤提質(zhì)、生產(chǎn)增效及可持續(xù)性發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地點及材料

試驗于2017年在湖南農(nóng)業(yè)大學科研基地的煙稻輪作田進行。參試烤煙品種K326（中國煙草中南農(nóng)業(yè)試驗站提供）。試驗土壤有機質(zhì)27.6 g/kg、全氮1.25 g/kg、全磷0.71 g/kg、全鉀13.2 g/kg、堿解氮110.4 mg/kg、有效磷64.2 mg/kg、速效鉀182.6 mg/kg、pH 5.75；細菌0.11×107cfu/g、放線菌0.96×106cfu/g、真菌1.60×104cfu/g?？緹熡?月23日移栽，行株距120 cm ×50 cm，施氮量105 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O=1∶0.75∶2.3。試驗用煙草專用肥由湖南金葉眾望科技股份有限公司生產(chǎn)；含芽孢桿菌微菌劑由河北滄州興業(yè)生物有限公司提供，含量≥2×109cfu/g。

1.2 試驗設計與處理

試驗為單因素隨機區(qū)組設計，設4個不同用量芽孢桿菌菌劑處理。T1：15 kg/hm2（0.952 g/株）；T2：30 kg/hm2（1.905 g/株）；T3：45 kg/hm2（2.857 g/株）；T4（CK）：0 kg/hm2。3次重復，小區(qū)面積45 m2，每個小區(qū)之間用高0.5 m、長5 m、厚5 mm的PVC板隔開。含芽孢桿菌菌劑隨基肥在移栽前3 d采用穴施方法施用。栽培管理措施等按長沙優(yōu)質(zhì)煙葉栽培技術措施進行。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤養(yǎng)分測定

分別在烤煙移栽后第30、45、60、75、90天，5點取樣法用采樣器采集兩煙株中間壟體上，深度0～20 cm的耕作層土壤樣品1 kg左右，以小區(qū)為單位混合均勻后，用無菌自封袋裝好，在無陽光直射下自然風干，研磨剔除雜物以及煙株殘根，過篩后進行土壤養(yǎng)分的測定。

有機質(zhì)采用水合熱重鉻酸鉀氧化比色法；堿解氮釆用堿解擴散法，用H3BO3（pH 4.8）指示劑溶液吸收測定；有效磷采用碳酸氫鈉法，在Alpha1506分光光度計下測定；速效鉀采用火焰光度法，在FP640火焰光度計下測定。

1.3.2 土壤酶活性測定

5點法每個處理采集0～20 cm土層，去除雜物和石頭，混合制樣，待樣品自然風干后過1 mm篩備用。

過氧化氫酶（Catalase）活性采用高錳酸鉀滴定法測定，結果以1 g土消耗0.02 mol/L KMnO4的體積（mL）（25℃，20 min）表示［15］；土壤脲酶（Urease）活性采用苯酚—次氯酸鈉比色法測定，結果以24 h后1 g土壤中的質(zhì)量（mg）表示［16］；蔗糖酶（Sucrase）采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定，酶活性以24 h后1 g土壤中葡萄糖的質(zhì)量（mg）表示。

1.3.3 土壤主要養(yǎng)分與土壤微生物間的灰色關聯(lián)分析

按照灰色系統(tǒng)理論，將土壤脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶和土壤主要養(yǎng)分有機質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀視為一個灰色系統(tǒng)，其中：蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶均設參考數(shù)列為X0，有機質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀為比較序列（子序列）Xi，其中：有機質(zhì)為X1、堿解氮為X2、有效磷為X3、速效鉀為X4。由公式（1）計算其參考數(shù)列與子序列間的灰色關聯(lián)系數(shù)。

式中：L0i（k）為在k時刻母序列X0與子序列Xi的關聯(lián)系數(shù)；Δ0i（k）表示k時刻兩比較序列的絕對差值，即Δ0i（k）=|X0（k）-Xi（k）|（1≤i≤m）；Δmax與Δmin分別表示所有比較序列各個時刻絕對差值中的最大與最小值（一般取Δmin=0）；ρ為分辨系數(shù)，取值為0.5。

綜合各點的關聯(lián)系數(shù)，由公式（2）求出子序列與母序列的關聯(lián)度r0i。

按照灰色關聯(lián)分析原則，分析大田期間土壤酶與土壤主要養(yǎng)分之間的灰色關聯(lián)系數(shù)，灰色關聯(lián)系數(shù)大的數(shù)列與參考數(shù)列關系最為密切，灰色關聯(lián)系數(shù)小的數(shù)列與參考數(shù)列關系為疏遠。詳見朱雪志等［17～19］方法。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

利用Excel 2007整理數(shù)據(jù)，利用DPS軟件進行灰色關聯(lián)分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理土壤主要養(yǎng)分含量

從圖1可知，在烤煙移栽后30～90 d：（1）土壤有機質(zhì)含量均表現(xiàn)為T4（CK）＞T1＞T2＞T3，各處理間無顯著差異；各處理有機質(zhì)含量隨著烤煙生育進程的推進都呈現(xiàn)由高到低的變化。（2）土壤堿解氮含量均表現(xiàn)為T3＞T2＞T1＞T4（CK）；在移栽后30、45、60、90 d，T3、T2和T1間無顯著差異，T4（CK）顯著低于T2和T3；移栽后75 d，T4（CK）顯著低于其余處理。（3）土壤有效磷含量均表現(xiàn)為T3＞T2＞T1＞T4（CK），且在移栽后30、60、75、90 d，T4（CK）顯著低于T3和T2，其余處理間無顯著差異；在移栽后45 d，T4（CK）顯著低于其余各處理，T3、T2、T1間無顯著差異。（4）土壤速效鉀含量均表現(xiàn)為T3＞T2＞T1＞T4（CK），且T4（CK）顯著低于T3和T2，T4（CK）與T1間無顯著差異。（5）隨著烤煙生育進程的推進，各處理土壤有效鉀都呈現(xiàn)“中—高—低”的變化規(guī)律，且在移栽后45 d達到最大值。

由此表明，大田期間土壤養(yǎng)分含量變化，與煙株大田生長發(fā)育進程對養(yǎng)分需求規(guī)律基本一致，確保了養(yǎng)分的供應和煙株正常的生長發(fā)育。

2.2 移栽后不同處理大田土壤酶活性變化

從圖2可知，移栽后30～90 d，土壤中的脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶活性，均表現(xiàn)T3＞T2＞T1＞T4（CK）的規(guī)律。（1）T3處理脲酶活性在移栽后30 d顯著高于其余處理，其余處理間無顯著差異，在移栽后60～90 d，T3顯著高于T1和T4（CK）。（2）過氧化氫酶活性在移栽后30 d和60 d，各處理間無顯著差異；在移栽后45 d和90 d，T3處理顯著高于T1和T4（CK），但與T2間無顯著差異；在移栽后75 d，T1～T3間無顯著差異，但顯著高于T4（CK）。（3）蔗糖酶活性在移栽后30～45 d，均表現(xiàn)為T3＞T2顯著＞T1顯著＞T4（CK）；在移栽后60～75 d，均表現(xiàn)為T3顯著＞T2＞T1顯著＞T4（CK）；在移栽后90 d，T3顯著＞T2顯著＞T1顯著＞T4（CK）。且在移栽后30～90 d，T1～T3處理的酶活性中：脲酶活性均出現(xiàn)由低到高的變化規(guī)律，移栽后90 d達到最大值；過氧化氫酶出現(xiàn)“低—高（45 d）—低”的規(guī)律性變化；蔗糖酶活性出現(xiàn)“高—低（60 d）—最高（75 d）—高（低于30 d）”的規(guī)律性變化。

圖1 不同處理烤煙移栽后的土壤養(yǎng)分含量變化Fig.1 Soil nutrients contents after transplanted under different treatments

圖2 不同處理烤煙移栽后土壤酶活性變化Fig.2 Soil enzyme activity changes after transplanted under different treatments

2.3 土壤酶活性與土壤養(yǎng)分含量間的相互關系

通過關聯(lián)性分析，探討各處理土壤酶活性與土壤養(yǎng)分含量間的相互關系。從表1可知：

（1）土壤脲酶活性與有機質(zhì)和堿解氮含量間灰色關聯(lián)系數(shù)呈現(xiàn)“45 d＞60 d＞75 d＞30 d＞90 d”的變化趨勢；與有效磷含量間的灰色關聯(lián)系數(shù)呈現(xiàn)“60 d＞75 d＞45 d＞30 d＞90 d”的變化趨勢；與速效鉀含量間的灰色關聯(lián)系數(shù)呈現(xiàn)“60 d＞45 d＞30 d＞75 d＞90 d”的變化趨勢。由此表明，脲酶活性在移栽后45 d和60 d，對土壤有機質(zhì)和堿解氮以及有效磷和鉀含量影響較大。

（2）土壤過氧化氫酶活性與有機質(zhì)和堿解氮含量間的灰色關聯(lián)系數(shù)呈現(xiàn)“60 d＞45 d＞75 d＞30 d＞90 d”的變化趨勢；與有效磷和速效鉀含量間的灰色關聯(lián)系數(shù)呈現(xiàn)“60 d＞75 d＞45 d＞90 d＞30 d”的變化趨勢。表明過氧化氫酶活性在移栽后60 d，對土壤有機質(zhì)、堿解氮，及有效磷和鉀含量影響最大。

（3）土壤蔗糖酶活性與有機質(zhì)和堿解氮含量間的灰色關聯(lián)系數(shù)呈現(xiàn)“75 d＞60 d＞45 d＞30 d＞90 d”的變化趨勢；與有效磷和速效鉀含量間的灰色關聯(lián)系數(shù)呈現(xiàn)“75 d＞60 d＞45 d＞90 d＞30 d”的變化趨勢。由此表明，蔗糖酶活性在移栽后75 d，對土壤有機質(zhì)和堿解氮及有效磷和鉀的含量影響最大。

表1 烤煙移栽后不同時間土壤養(yǎng)分含量與3種酶活性間的灰色關聯(lián)系數(shù)Table 1 Correlation degree among soil nutrients content&three kinds of enzymes activity after transplanted under different treatments

3 討論與結論

3.1 枯草芽孢桿菌對土壤主要養(yǎng)分的影響

已有研究表明，枯草芽孢桿菌能活化土壤養(yǎng)分，防止土壤板結，抑制土壤殘留的病菌，促進植物種子、幼苗的生長發(fā)育，增強根系活力，用途十分廣泛［20，21］。施用含枯草芽孢桿菌的生物肥比常規(guī)施肥，能提高植煙土壤有機質(zhì)8.38%、有效磷12.59%、速效鉀5.51%和全鉀含量10.59%［22］。也有研究表明，施用含枯草芽孢桿菌的有機肥有利于改良土壤質(zhì)量，明顯提升土壤養(yǎng)分含量，其中氮素提升最為明顯，但對磷素沒有明顯的影響［23］。

本研究表明，含枯草芽孢桿菌有機肥對土壤有機質(zhì)及速效氮磷鉀的提升有一定的效果。與前人研究不一致的是，隨著烤煙生育進程的推進，土壤有機質(zhì)、速效氮磷鉀含量都呈現(xiàn)“低—高—低”的變化規(guī)律。產(chǎn)生這一結果的原因，可能是它加速了土壤中有機質(zhì)的分解及土壤固定的磷、鉀的降解。同時，在烤煙移栽后30～90 d的時間段，土壤有機質(zhì)、堿解氮及速效磷鉀含量呈現(xiàn)出隨著芽孢桿菌施用量的增加而降低，且對照有機質(zhì)含量最高的結果，這與前人相關作物生長發(fā)育進程中土壤養(yǎng)分含量變化不一致。出現(xiàn)這一變化可能的原因：其一，枯草芽孢桿菌和土壤其它微生物自身的繁殖需消耗有機質(zhì)，微生物生物量越大消耗越多；其二，隨著烤煙植株生物量的增大吸收的有效養(yǎng)分越多；其三，烤煙與其它農(nóng)作物不同，大田生長期間，不能通過自身產(chǎn)生的枯枝落葉還田增加土壤有機質(zhì)含量，只能依靠輪作及施肥補充有機質(zhì)的消耗，平衡土壤養(yǎng)分。具體原因仍需進一步深入研究。

3.2 枯草芽孢桿菌對土壤酶的影響

相關研究表明，施用微生物菌肥可以有效提高土壤脲酶、轉化酶、過氧化氫酶活性［11～13］?？莶菅挎邨U菌（Bacillus subtilis）是芽孢桿菌屬的一種，其菌體生長過程中產(chǎn)生高活性分解酵素分解有機質(zhì)，產(chǎn)生的有機酸、酶、生理活性物等代謝生成物易為動植物和微生物吸收［13］。已有研究表明，接種枯草芽孢桿菌Bs-15能提高土壤酶的活性［20～22］。本研究結果進一步驗證了含枯草芽孢桿菌微生物菌肥對提高土壤脲酶、過氧化氫酶和蔗糖酶活性有較好的效果，施用量越大效果越好。

3.3 土壤酶與土壤主要養(yǎng)分含量間的相互關系

前人研究表明，施用微生物肥料，對土壤主要養(yǎng)分含量及三大微生物數(shù)量均有一定的作用。土壤微生物和植物根系是土壤酶的主要來源，他們的活動能力受到土壤養(yǎng)分的直接影響［23，24］。楊超才等［22］研究表明，施用含枯草芽孢桿菌有機肥，可以有效提高土壤養(yǎng)分含量；但枯草芽孢桿菌對烤煙大田期間土壤酶與養(yǎng)分含量間相互影響等相關報道極少。

本研究結果表明，土壤脲酶、過氧化氫酶和蔗糖酶活性對土壤養(yǎng)分有機質(zhì)、堿解氮、速效磷鉀的作用，隨著枯草芽孢桿菌施用量提高而增加；不同酶活性對土壤養(yǎng)分影響的最大時間有差異，對有機質(zhì)和堿解氮的影響最大期，脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶活性分別出現(xiàn)在移栽后45、60、75 d；對有效磷和鉀的影響最大期，脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶活性均出現(xiàn)在移栽后60、60、75 d。產(chǎn)生這一差異的原因，除了枯草芽孢桿菌自身的影響外，還可能與煙草根系自身的活性及產(chǎn)生的根系分泌物密切相關［19］。但為什么土壤酶活性與土壤養(yǎng)分含量間的灰色關聯(lián)系數(shù)呈現(xiàn)不同微生物菌劑施用量及不同生育時期間的差異性，仍需要進一步研究。