蚯蚓糞與根際促生菌配施對城市土壤肥力的影響

楊寧　徐兆豐　蔣秋艷　凡永杰　何星杰　葉子易　肖明

摘? 要： 為探討蚯蚓糞與根際促生菌配施對土壤生物活性與物理性質(zhì)的影響，本課題組在上海市松江區(qū)辰山植物園木樨園內(nèi)布置原位修復(fù)實驗，設(shè)置了單獨施用根際促生菌（AS）、單獨施用蚯蚓糞（AW）、根際促生菌配施蚯蚓糞（SW）、不施用根際促生菌與蚯蚓糞（CK）4個處理組，分析了不同處理下10～25 cm表層土中土壤生物酶活性和土壤微生物的動態(tài)變化過程，以及對土壤pH值與可溶性鹽濃度（EC）值等物理化學(xué)性質(zhì)的影響.實驗結(jié)果表明：1） 與CK相比，其余3種處理均能顯著提高土壤相應(yīng)肥力指標(biāo)，其中SW組對土壤細菌與真菌數(shù)量，土壤脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶、酸性磷酸酶、堿性磷酸酶、中性磷酸酶活性的提升最為顯著;2） 除AS處理可顯著降低土壤pH值外，AW與SW處理均顯著提高了土壤pH值;3） AS組處理前期對堿性磷酸酶活性的提升僅為6.10%，但隨著AS組處理時間的延長，影響逐漸增大為16.50%;4） 土壤微生物數(shù)量與土壤酶活性呈正相關(guān).蚯蚓糞與根際促生菌配施在城市綠地改良中具有良好的應(yīng)用潛力，為今后城市綠地建設(shè)提供了一種可行的方法.

關(guān)鍵詞： 蚯蚓糞; 根際促生菌; 土壤微生物量; 土壤酶活性

中圖分類號： Q 93??? 文獻標(biāo)志碼： A??? 文章編號： 1000-5137（2022）01-0047-09

Effects of the vermicompost combined with rhizosphere growth-promoting bacteria on soil fertility in urban area

In order to investigate the effects of vermicompost combined with rhizosphere growth-promoting bacteria on soil biological activity and its physical properties， the restoration experiment was carried out at Muxi Garden， Chenshan Botanical Garden， Songjiang District， Shanghai. Four treatment groups were set up， including rhizosphere growth-promoting bacteria （AS） （AW）， rhizosphere growth-promoting bacteria plus vermicompost （SW）， and control （CK） without application. The dynamic changes of soil enzyme activities and soil microorganisms in the topsoil of 10-25 cm under different treatments were analyzed， and their effects on the physical properties of soil pH value and EC value were also analyzed. The results showed that： 1） compared with CK group， the other three experimental groups significantly increased the corresponding soil fertility indexes， and SW group had the most significant increase in the number of soil bacteria and fungi， and in the activities of soil urease， sucrase， catalase， acid phosphatase， alkaline phosphatase and neutral phosphatase; 2） Except AS group， AW group and SW group increased soil pH value significantly; 3） The activity of alkaline phosphatase in AS group was only increased by 6.1% in the early stage of treatment， but with the extension of treatment time in AS group， the effect gradually increased to 16.50%; 4） The number of soil microorganisms was positively correlated with soil enzyme activity. These results indicated that the combination application of vermicompost and rhizosphere growth-promoting bacteria had good application potential in urban green space improvement， and provided a feasible method for urban green space construction in the future.

vermicompost; rhizosphere growth-promoting bacteria; soil microbial biomass; soil enzyme activity

0? 引 言

城市化是社會發(fā)展的必要階段，現(xiàn)今中國城鎮(zhèn)化率已達到60%，預(yù)計在2035年城鎮(zhèn)化率將達到75%.而城市土壤作為城市生態(tài)系統(tǒng)的一部分，是城市植物的生命和養(yǎng)分的提供者，受到了人類活動的強烈影響.根據(jù)我國城市規(guī)劃，人均公共綠地面積已從2002年的6.42 m增加到2021年的14.8 m，城市綠地對改善城市生態(tài)環(huán)境的作用愈來愈顯著.但是，“量”的快速增長卻并未帶來“質(zhì)”的提升.據(jù)調(diào)查顯示，我國城市綠地土壤普遍存在生物多樣性降低、養(yǎng)分降低、酸堿性失衡、化學(xué)元素失衡、硬化程度高、重金屬含量超標(biāo)、鹽漬化嚴(yán)重等一系列影響土壤生態(tài)穩(wěn)定的問題.城市綠地土壤質(zhì)量較差已成為限制我國綠化發(fā)展的最主要障礙之一.因此，研究城市土壤肥力和改良城市綠地土壤有著非常重要的現(xiàn)實意義.

城市綠地土壤改良所用方法大致可分為3種，即物理改良、化學(xué)改良和生物改良，其中物理及化學(xué)改良較為常用.物理改良作為最經(jīng)濟的改良方法，其原理是借助大型器械對土地進行平整、抬高等物理操作，來解決土壤結(jié)構(gòu)不良、透水性差等問題.化學(xué)方法則使用化學(xué)改良劑使土壤中有機污染物降解或?qū)⑼寥乐羞^量的重金屬轉(zhuǎn)化為某些難溶物質(zhì)（如氫氧化物等）.常用的改良劑材料有天然礦物、天然高分子提取物等.現(xiàn)今很多國內(nèi)園林改造都是使用化學(xué)改良與物理改良相結(jié)合的方法進行土壤治理，例如上海二環(huán)城市公園、南昌市園林等.土壤的生物改良法與另外兩種方法相比，由于初期效果不太明顯，在我國使用不多，但其可根據(jù)土壤特性造就“微生物類群—微生物改變土壤微環(huán)境—微生物與土壤共同演化”的生態(tài)循環(huán)模式，更有利于形成生態(tài)穩(wěn)定的土壤.

上海市辰山植物園是2005年由上海市人民政府、國家林業(yè)局、中國科學(xué)院聯(lián)合共建的一座融合休閑、光景、科普、科研為一體的國家級綜合性AAAA級旅游景區(qū)，是華東地區(qū)規(guī)模最大的植物園.但辰山植物園由于歷史遺留問題以及改良方式問題，普遍存在綠地土壤肥力較低、板結(jié)嚴(yán)重、滲透性差等問題，嚴(yán)重影響了園區(qū)內(nèi)植物的生長.上海市辰山植物園雖采用化學(xué)改良與物理改良相結(jié)合的方法進行了土壤改良，并在一段時間內(nèi)改良效果顯著，但維持時間較短，需要不斷重新維護.本實驗通過在上海市辰山植物園內(nèi)布置長期的施肥實驗點，設(shè)置了4種不同的施肥方式，探究蚯蚓糞與根際促生菌對綠地土壤的肥力影響，期望為城市綠地提供一條環(huán)境友好的、可持續(xù)發(fā)展的土壤改良途徑.

1? 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 供試菌株

根際促生菌為貝萊斯芽孢桿菌（）S3-1（上海師范大學(xué)微生物學(xué)實驗室分離純化），保存于-80 ℃冰箱內(nèi).

1.1.2 實驗樣地及實驗材料

在上海市辰山植物園木樨園中選取土壤肥力均勻、坡度一致的12個地塊作為實驗樣地.經(jīng)測定知其土壤質(zhì)地為砂質(zhì)壤土，0～20 cm表層土中可培養(yǎng)細菌微生物量為3.25×10 CFU?mL，可培養(yǎng)真菌微生物量為0.58×10 CFU?mL，其余樣地生物活性與物理性質(zhì)見表1.

1.1.3 實驗用蚯蚓糞

蚯蚓糞選自于上海溫興生物工程有限公司，其中有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于等于40%，總養(yǎng)分（N，PO，KO）質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于等于6%，施用量為1 kg?m.其余蚯蚓糞生物活性與物理性質(zhì)見表1.

實驗設(shè)計

設(shè)置有：單獨施用根際促生菌（AS）貝萊斯芽孢桿菌（）S3-1處理、單獨施用蚯蚓糞處理（AW）、蚯蚓糞與根際促生菌共同處理（SW）、不施用根際促生菌與蚯蚓糞的對照組（CK），共4個處理組，每個處理重復(fù)3次，共12塊樣地，每塊面積為1 m，每30 d進行一次加樣、采樣處理，共處理90 d.

在每次采樣前進行施肥處理，AW組單獨施加蚯蚓糞至質(zhì)量濃度為1 kg?m，SW組按照1 kg?m質(zhì)量濃度的蚯蚓糞以及5 L生物量濃度為1.785×10 CFU?mL的S-31稀釋菌液進行處理，AS組單獨施加5 L生物量濃度為1.785×10 CFU?mL的S-31稀釋菌液.

實驗方法與檢測項目

1.3.1 土壤微生物和酶活性

分別在最初、第30天、第60天和第90天進行采樣.采用五點采樣法，分別在每個處理樣地中采集深度為10～25 cm的表層土，混合均勻，一部分置于冰箱中4 ℃冷藏，立即測定土壤可培養(yǎng)微生物量以及土壤酶活性;另一部分置于冰箱中-20 ℃冷凍，用于測定土壤pH值與EC值.采用LB培養(yǎng)基法測定可培養(yǎng)細菌數(shù)量，采用孟加拉紅培養(yǎng)基法測定可培養(yǎng)真菌數(shù)量，采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定土壤脲酶活性，采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定土壤蔗糖酶活性與纖維素酶活性，采用高錳酸鉀滴定法測定過氧化氫酶活性，采用磷酸苯二鈉比色法測定磷酸酶活性.實驗重復(fù)3次.

1.3.2 土壤pH值與EC值測定

每個土壤樣品分別取出4 g，放入三角瓶中，再加入10 mL蒸餾水.放入搖床振蕩30 min，取出后過濾.用pH計分別測定pH值.實驗重復(fù)3次.

每個土壤樣品分別取出8 g，放入三角瓶中，再加入40 mL蒸餾水.放入搖床振蕩30 min，取出后過濾.用電導(dǎo)率儀分別測定EC值.實驗重復(fù)3次.

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用Excel 2021對所測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，利用SPSS軟件進行數(shù)據(jù)對比分析，計算顯著性與差異性.

2? 結(jié)果與分析

蚯蚓糞與根際促生菌配施對土壤微生物量的影響

由圖1（a）可知：各處理均顯著提高了城市綠地土壤中10～25 cm表層土中真菌的數(shù)量.在增幅變化趨勢上，AS和SW處理下，隨時間增加，土壤真菌數(shù)量增幅（與CK相比）逐漸增加，在第90天時，達到最大增幅，分別為22.03%和130.51%;AW處理下，在第30天即得到最大增幅為59.6%，此后增幅逐步減小.由圖1（b）可知：與CK相比，SW，AW，AS處理都可顯著提高10～25 cm表層土中細菌的數(shù)量，隨著時間的增長，其中SW處理后土壤中細菌數(shù)量增幅（與CK相比）逐漸增加，AS組增幅基本持平，AW組的增幅緩慢減小.

蚯蚓糞與根際促生菌配施對土壤酶活性的影響

2.2.1 對土壤脲酶活性的影響

脲酶存在于大多數(shù)細菌、真菌和高等植物中，可以作為尿素專一性酶，其功能僅僅是將土壤中的尿素水解為氨和碳酸，人們常常用土壤脲酶活性表征土壤的氮素狀態(tài).脲酶可專一促進土中尿素水解成氨.由圖2可知：不同配施的土壤調(diào)節(jié)劑對城市綠地土壤中10～25 cm表層土中脲酶活性有著顯著的提升.與CK組相比，3種處理后土壤脲酶活性的增幅都隨著處理時間的增長逐漸升高. SW處理組的增幅最大.

2.2.2 對土壤蔗糖酶活性的影響

土壤中蔗糖酶與土壤有機質(zhì)、氮、磷含量，微生物數(shù)量及土壤呼吸強度都有一定關(guān)系.且土壤蔗糖酶還與土壤中易溶性營養(yǎng)物質(zhì)的含量有重要聯(lián)系.由圖3可知：與CK相比，3種處理組均可顯著提高城市綠地10～25 cm表層土中蔗糖酶活性，其中SW組增幅最大，在處理30，60，90 d后，增幅分別為62.10%，63.33%，95.52%.其次為AW組，在處理30，60，90 d后，增幅為54.81%，52.68%，61.26%.而AS組在前期效果顯著性不高，增幅僅為8.63%與16.63%，在90 d后最為顯著，可達37.12%.這可能是由于前期樣地土壤肥力過于貧瘠且植被過于稀少不利于添加菌劑中S3-1的生存繁殖.樣地中土壤中蔗糖酶的活性提升，可以有效增加土壤中蔗糖的分解效率，生產(chǎn)出更多有利于作物生長的分子或離子.

2.2.3 對土壤過氧化氫酶活性的影響

土壤中過氧化氫酶廣泛存在于土壤中和生物體內(nèi)，促進土壤中過氧化氫的分解，從而防止過氧化氫對生物體的毒害，其含量也與土壤有機質(zhì)含量有關(guān).由圖4所知：3種處理組均對城市綠地10～25 cm表層土中的過氧化氫酶活性有提升效果，其中AW與AS組提升效果較小，增幅（與CK相比）僅僅為2.96%～3.89%，2.15%～1.99%，而SW組提升效果最大，增幅達到了4.56%～6.25%.

2.2.4 對土壤磷酸酶活性的影響

土壤中的植物根系與微生物都可分泌磷酸酶.土壤磷酸酶是一類催化土壤有機磷化合物礦化成無機磷的酶，其活性高低直接影響著土壤中有機磷的分解轉(zhuǎn)化及其生物有效性，是土壤磷素肥力的指標(biāo).由圖5可知：3種處理組均可顯著提高城市綠地10～25 cm表層土中磷酸酶活性.由圖5（a）可知：AS，AW和SW處理均可顯著提高提高土壤酸性磷酸酶活性，增幅（與CK相比）分別為13.70%～15.90%，37.90%～56.20%，69.40%～125.35%.因此，SW處理更有利于土壤酸性磷酸酶活性的提升，其次為AS處理和AW處理.由圖5（b）可知：AS，AW和SW處理均可顯著提高土壤堿性磷酸酶活性，增幅（與CK相比）分別為6.10%～16.50%，12.30%～37.10%，17.80%～49.70%，且隨時間的增長堿性磷酸酶活性增幅越大.而AW處理后堿性磷酸酶活性的增幅要大于AS組.磷酸酶中，中性磷酸酶活性最低，但由圖5（c）可知：AS，AW和SW處理均可顯著提高土壤中性磷酸酶活性，增幅（與CK相比）分別為11.89%～24.90%，28.70%～71.60%，36.20%～115.40%，隨時間的增長中性磷酸酶活性增幅越大，且SW處理更有利于中性磷酸酶活性的提升.

蚯蚓糞與根際促生菌配施對土壤值與值的影響

土壤pH值是影響植物與微生物生長的重要因素，是土壤肥力特征的重要指標(biāo).如圖6與表2可知：在改良期間樣地土壤都呈弱堿性，經(jīng)不同的處理后，其效果隨時間的推移表現(xiàn)出不同的變化趨勢.CK組土壤隨時間增長pH值穩(wěn)定在7.83～7.85之間，AW與SW處理組土壤pH值在第30天有最大增幅（與CK相比），分別為與5.87%與3.32%，之后上升趨勢逐漸平緩.而AS處理組的pH值卻隨著時間的推移逐漸緩慢下降.

土壤EC值是評價植物和微生物在土壤中是否可以正常生活繁殖的重要指標(biāo)，也是檢測土壤肥力的物理指標(biāo)之一.如表3所示，與CK組相比，施加蚯蚓糞的SW與AW組能夠顯著提高土壤EC值，增幅分別為229.54%～338.50%與277.30%～433.90%.而AS組的土壤EC值的提升不明顯，最大增幅僅為2.36%.按照鹽漬化土壤的劃分，當(dāng)土壤EC值小于340 μs?cm時，為非鹽漬化土壤;當(dāng)EC值為340～980 μs?cm時，為輕度鹽漬化土壤.因此，未處理時的樣地（CK）為非鹽漬化土壤，但隨著時間的推移，SW與AW處理組在第60天時就達到了輕度鹽漬化水平，并隨著處理時間的增長鹽漬化程度緩慢加深.

3? 討論

土壤微生物數(shù)量對蚯蚓糞與根際促生菌不同配施措施的反應(yīng)

土壤微生物量作為重要的土壤肥力生物指標(biāo)之一，參與了土壤中的物質(zhì)代謝和能量流通，調(diào)節(jié)了土壤的養(yǎng)分循環(huán)，也是土壤鹽分重要的資源庫，在維持土壤健康、可持續(xù)性和生產(chǎn)力方面發(fā)揮著重要作用.在以往的土壤改良中，常常忽略了土壤微生物量的變化.本實驗以一種具有植物促生作用的貝萊斯芽孢桿菌和綠色肥料蚯蚓糞為主體，發(fā)現(xiàn)兩者聯(lián)合施用比分別等量單獨施用對提高土壤微生物數(shù)量的效果更好，這與HU等發(fā)現(xiàn)蚯蚓糞與益生菌（解淀粉芽孢桿菌和巨大芽孢桿菌）配施處理可顯著提高土壤微生物量，且效果高于化肥與益生菌處理的研究結(jié)果相一致.WANG等在研究中發(fā)現(xiàn)長期使用有機肥可提高土壤中細菌豐度和生物多樣性.SHANG等在研究中也發(fā)現(xiàn)有機肥蚯蚓糞可以顯著提高土壤細菌群落結(jié)構(gòu)，在蚯蚓糞與菌渣共同施用時不僅能有效提高土壤細菌群落的生物多樣性，還提高了速效養(yǎng)分的含量.本實驗對土壤酶活性的研究結(jié)果也側(cè)面印證了蚯蚓糞與根際促生菌共同施用，對提升速效養(yǎng)分有一定幫助.

3.2 土壤酶活性對蚯蚓糞與根際促生菌不同配施措施的反應(yīng)

貝萊斯芽孢桿菌配施蚯蚓糞可以通過改善土壤微環(huán)境，提高土壤各種酶活性，來促進植物生長.本實驗結(jié)果表明：與CK相比，其余3組處理均對土壤中各種酶活性有顯著提升效果，其中SW處理組效果最好.土壤酶是一種專一的生物催化劑，參與土壤中眾多生化過程，其含量與土壤微生物數(shù)量有一定相關(guān)性，其活性可大致反映特定狀況下土壤中特定生物化學(xué)過程的相對強度.因此，土壤酶是土壤肥力的重要指標(biāo)之一.FENG等的研究表明，改良菌肥的施入不但對80 d的使線蟲抑制率達到67.8%，而且可顯著提高土壤脲酶、土壤磷酸酶、土壤過氧化氫酶的活性.這與本研究中單施根際促生菌可顯著提高土壤酶活性結(jié)論一致.HU等的研究表明，蚯蚓糞與巨大芽孢桿菌共同施用可顯著提高土壤酶活性，提升效果顯著高于單獨施巨大芽孢桿菌、單獨施蚯蚓糞或兩者與化肥的聯(lián)合配施效果.這與本研究中蚯蚓糞與根際促生菌配施效果要高于兩者分別等量單獨施用的結(jié)論相一致.蚯蚓糞投入到土壤中后，一方面改變了土壤的孔隙結(jié)構(gòu)與團聚體，為各種酶促反應(yīng)提供了載體，另一方面為微生物生長發(fā)育提供了大量能源. 再者大量的根際促生菌與植物互作，從而對微生物新陳代謝以及根基分泌物的產(chǎn)生起到了正面作用，使得土壤酶活性增高.

土壤理化性質(zhì)對蚯蚓糞與根際促生菌不同配施措施的反應(yīng)

土壤理化性質(zhì)是土壤肥力的另一種表現(xiàn)方式，包括土壤酸堿度、土壤養(yǎng)分狀況、土壤孔隙度等.本實驗結(jié)果表明：蚯蚓糞與貝萊斯芽孢桿菌共同施用，可更好地調(diào)控土壤pH值與EC值.就pH值而言，本研究中AW與SW處理組（與CK組相比）土壤pH值顯著上升，AS處理組（與CK組相比）土壤pH值總體呈現(xiàn)下降趨勢.GUO在研究中指出，蚯蚓糞可以有效調(diào)控土壤pH值，且有一定的酸堿緩沖能力. 這與本研究中SW與AW處理組添加蚯蚓糞對土壤pH值有顯著影響的結(jié)果相一致.

SUN等的研究表明，蚯蚓糞的施入可有效緩解草莓地中次生鹽漬化的現(xiàn)象，這與本研究中SW與AW處理使土壤EC值有明顯的上升趨勢（與CK相比）的結(jié)果不同.這可能是在SUN等的實驗中，草莓地鹽漬化程度較高，外施蚯蚓糞后，一方面蚯蚓糞中的微量元素促進了草莓生長，從而將部分土壤中離子帶走;另一方面蚯蚓糞中大量的微生物與微量元素促進了土壤中鹽分的吸收轉(zhuǎn)換.而在本研究中，土壤中離子含量太低，施蚯蚓糞和根際促生菌后，使得土壤微生物以及植物根際產(chǎn)生利于植物生長發(fā)育的某些離子使其到達植物生長最適EC值.

4? 結(jié) 論

本文將貝萊斯芽孢桿菌與蚯蚓糞共同配施應(yīng)用于城市綠地改造，結(jié)果表明：兩者聯(lián)合施用在整個處理期都可顯著提高相應(yīng)的土壤生物指標(biāo)，且土壤微生物數(shù)量與土壤酶活性呈正相關(guān)關(guān)系.對各種土壤酶活性的影響研究結(jié)果表明：共同配施對脲酶活性提升效果最好.蚯蚓糞與根際促生菌聯(lián)合配施彌補了蚯蚓糞單獨處理在前期影響顯著但后期乏力的缺點，也可以更好地調(diào)控土壤pH值和EC值，使其達到最適合植物生長的水平.今后城市綠地建設(shè)中可選用蚯蚓糞與根際促生菌聯(lián)合配施的方法進行土壤改良.

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（責(zé)任編輯：顧浩然，郁慧）

收稿日期： 2021-09-15

作者簡介： 楊 寧（1966—），女，碩士研究生，主要從事土壤微生物改良等方面研究. E-mail：yangning20210912@163.com

*通信作者： 葉子易（1976—），女，高級工程師，主要從事園林植物與環(huán)境園藝方面研究. E-mail：106106012@qq.com;

肖 明（1961—），男，教授，主要從事環(huán)境微生物、分子生物學(xué)以及微生物與植物相互關(guān)系等方面研究. E-mail：xiaoming88@shnu.edu.cn

引用格式： 楊寧， 徐兆豐， 蔣秋艷， 等. 蚯蚓糞與根際促生菌配施對城市土壤肥力的影響 [J]. 上海師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2022，51（1）：47?55.

?YANG N， XU Z F， JIANG Q Y， et al. Effects of the vermicompost combined with rhizosphere growth-promoting bacteria on soil fertility in urban area [J]. Journal of Shanghai Normal University（Natural Sciences），2022，51（1）：47?55.