李少杰 王红梅 曹云娥

摘要：以甜瓜（Cucumis melo）No.1为试材，采用单因素完全随机设计，设计30、60、90 t/hm2等3个蚯蚓粪梯度，探讨不同蚯蚓粪施入量对土壤酶活性、微生物量及碳源利用率的影响。结果表明，与对照（CK）相比，蚯蚓粪处理有机质含量增加21.93%～31.38%，全氮含量提高35.64%～48.29%;显著提高土壤蔗糖酶、磷酸酶、蛋白酶和过氧化氢酶活性;利于微生物繁殖，增加土壤可培养细菌数量118.24%～274.53%，可培养放线菌数量44.29%～115.89%，显著提高土壤中生理菌群数量，土壤氨化细菌数量增加192.12%～471.52%，亚硝化细菌数量增加34.91%～90.95%，反硝化细菌数量增加33.33%～332.81%;显著提高土壤微生物量碳含量7.64%～44.45%，微生物量氮含量22.46%～58.43%;顯著提高了土壤碳水化合物、多聚类、羧酸类、氨基酸类、胺类及酚类碳源的利用水平。处理间比较可见，施用量越大，效果越好，90 t/hm2处理效果最佳，促进有机质增加，提高土壤微生物生长、繁殖、酶活性，微生物对碳源的利用效果最好。

关键词：蚓粪;微生物活性;土壤酶;生理菌群;碳源的利用

中图分类号： S154.39  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）10-0286-05

随着设施蔬菜生产的区域化、规模化、专业化的发展[1]，蔬菜设施栽培成为现代农业优选项目。然而设施蔬菜栽培中为了追求高效益，过量施用化肥和农药，栽培品种单一且存在多年连作等现象，直接导致土壤质量下降，蔬菜品质、产量及抗性也随之下降，严重威胁着生态环境及制约着设施蔬菜产业可持续发展。施肥是影响土壤质量演化及其可持续利用最为普遍的农业措施之一[2]。施肥能激活休眠细胞参与土壤物质循环[3]，是改善土壤理化性质、提高作物产量、改善设施蔬菜品质的重要环节[4]。研究表明，施用蚯蚓粪可增加有机碳源的多样性，能显著提高土壤微生物生物量及及土壤酶活性[5-6]，促进土壤微生物多样性的恢复[7]，有效抑制连作障碍的发生进程，改善土壤微生态环境[1]。

土壤微生物量是指生活在土壤中的体积小于5×103 μm3 的微生物活体的总量[8]，细菌、真菌、放线菌为主要类群，既是土壤有机质和养分分解、转化、释放及循环的动力，又可作为土壤养分的储备库，同时也是植物生长中有效养分的重要来源[2]，并对土壤环境条件的改变尤为敏感。因此，其对土壤肥力状况及作物养分供应起决定性作用。土壤微生物量碳、氮是土壤碳素、氮素分解、转化、循环的重要参与者，能直观反映土壤微生物和土壤肥力状况[9]。土壤酶活性是土壤生物学活性的总体现，作为衡量土壤质量变化的预警和敏感指标[10]，表征了土壤的综合肥效及其养分分解、转化进程，反映了土壤生化反应的方向与速度，是衡量土壤肥力水平的重要指标。因此，研究不同施用量蚯蚓粪改良设施土壤措施对微生物生物量的影响具有十分重要的意义。

前人研究主要集中在施用化肥或有机肥对土壤理化性质指标或者单一微生物学指标的影响，而系统性研究蚯蚓粪的施用量及方法对土壤微生物生物量、土壤酶活性等多种土壤微生物学指标的影响的报道较少。本研究以宁夏银川市西夏区镇北堡镇多年连作的设施甜瓜为对象，通过施用不同量蚯蚓粪改良土壤，探讨蚯蚓粪对设施土壤酶活性、可培养微生物数量、微生物量碳氮及微生物碳源利用的影响，旨在为寻求合理有效的土壤改良措施提供科学的理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在宁夏银川市西夏区镇北堡镇蔬菜生产基地进行。镇北堡镇（38°37′N、106°03′ E）气候干燥，日照充足，光热资源丰富，日照时数约为3 039.6 h，无霜期约为129 d，年降水量仅为99.7 mm～233.1 mm，而年蒸发量高达1 583.2 mm，属典型中温带干旱气候[11]。

选择的温室为种植了4年的日光温室，供试土壤为粉沙壤土，土壤pH值为8.21，电导率（EC）值为0.25 mS/cm，有机质含量为5.02 g/kg，全氮含量为0.34 g/kg，全磷含量为046 g/kg，全钾含量为0.58 g/kg，有效氮含量为12.58 mg/kg，有效磷含量为19.82 mg/kg，有效钾含量为156.2 mg/kg。

1.2 试验材料

供试甜瓜（Cucumis melo）品种为No.1。蚯蚓粪原材料由牛粪和秸秆堆置而成，经大平2号蚯蚓分解而得，pH值为 8.34，EC为0.23 mS/cm，有效钾含量为0.53 g/kg，有效磷含量为0.71 g/kg，有效氮含量为0.13 g/kg，全钾含量为 6.88 g/kg，全磷含量为2.06 g/kg，全氮含量为9.34 g/kg，有机质含量为196.34 g/kg。

1.3 试验设计

供试温室长88 m，宽7.6 m，没有加温和补光设备。试验于2017年4—7月之间进行，共设4个处理：0、30、60、90 t/hm2 蚯蚓粪，分别记为CK、VC2、VC4、VC6。试验为完全随机区组设计，每个处理3个小区，小区长4.2 m，宽7 m，每小区种植3畦，采用宽窄行方式栽培，大行距为80 cm，小行距为40 cm，株距为40 cm，每畦共种植36株甜瓜苗。

选取长势一致的甜瓜壮苗，于2017年4月18日定植，于2017年7月2日拉秧。灌溉方式采用覆膜滴灌，每畦2条，各处理施肥量以及灌水量均一致，在甜瓜生长期间，各处理每次施尿素、硝酸钾及复合肥总量为150 kg/hm2，全生育期共追施10次，定期整枝打杈，其他栽培管理措施保持一致。

1.4 样品的采集与分析

1.4.1 土壤样品采集 土壤样品在结果盛期于根围（距离植株茎2 cm左右）选取5个不同部位用土钻采样，采集后将样品混合。将土壤样品过2 mm筛并混匀，然后将样品分成2份，1份保存于-20 ℃冰箱冷冻，用于微生物相关指标测定;1份风干后测定。

1.4.2 土壤理化指标的测定 参考鲍士旦的方法[12]测定土壤理化性质。

1.4.3 土壤酶活性的测定 参考关松荫的方法[13]测定土壤酶活性。采用苯酚-次氯酸钠比色法测定土壤脲酶活性，以1 d后1 g土壤中氨态氮（NH3-N）的质量（mg）计;采用磷酸苯二钠比色法测定土壤磷酸酶活性，以1 d后1 g土壤中释放出的酚的质量（mg）计;采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定土壤蔗糖酶活性，以1 d后1 g干土生成的葡萄糖（C6H12O6）的质量（mg）计;采用高锰酸钾滴定法测定土壤过氧化氢酶活性，以1 g土壤在20 min内消耗的0.02 mol/L KMnO4体积（mL）计;采用比色法测定蛋白酶活性，以1 d后1 g土壤中氨基氮（NH2-N）的质量（mg）表示。

1.4.4 土壤微生物指标的测定 土壤微生物数量测定采用稀释平板计数法。采用牛肉膏蛋白胨培养基培养细菌;采用马丁孟加拉红-链霉素选择性培养基培养真菌;采用改良高氏一号培养基培养放线菌[14];采用阿须贝氏培养基培养好氧性自生固氮菌;采用蛋白胨液体培养基培养氨化细菌;采用铵盐培养基培养亚硝化细菌;采用柠檬酸钠培养基培养反硝化细菌[15]。参考吴金水等的方法[16]测定土壤微生物量碳和氮。采用三氯甲烷熏蒸直接提取-重铬酸钾/硫酸消煮-硫酸亚铁滴定法测定微生物量碳;采用茚三酮反应态氮增量法测定微生物量氮。采用Biolog ECO微平板测定微生物碳源利用情况[17]，主要包括碳水化合物、多聚类、羧酸类、氨基酸类、胺类、酚类。具体测定方法为将土样用无菌水稀释成10-3土壤稀释液，于每个ECO微平板孔中添加150 μL土壤悬液并在25 ℃黑暗条件下培养。每隔24 h在590 nm处测定吸光度直至稳定。

1.5 数据处理

采用Excel制图，用SPSS 19.0软件对数据进行统计分析，选用LSD法在α=0.05水平上进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 蚯蚓粪对土壤有机质和全氮含量的影响

土壤有机质含量代表土壤肥力，通过改善土壤团粒结构和增加土壤通透性，可有效缓解作物逆境作用，为地上部植物提供养分，同时也作为土壤微生物的碳源和氮源[18]，重建土壤微生物群落并增强其活性。由图1可知，蚯蚓粪处理显著提高土壤有机质含量，与CK相比，蚯蚓粪处理有机质含量增加了21.93%～31.38%，且随着蚯蚓粪施用量增加表现为递增趋势，其中VC6处理有机质含量最高。

土壤全氮反映了土壤氮素的整体水平，是土壤潜在肥力的表征之一，并与土壤有机质含量具有正相关性[17]，也是土壤肥力的重要指标。由图2可知，施用蚯蚓粪显著提高了土壤全氮含量，与CK相比，增加了35.64%～48.29%。施蚯蚓粪对全氮含量的影响与有机质含量趋势一致，均随着蚯蚓粪施用量的增加而增加。

2.2 蚯蚓粪对土壤酶活性的影响

土壤酶是土壤生物化学过程的主要参与者，其中脲酶促进尿素转化为氨供植物吸收利用，磷酸酶促进土壤中的有机磷转化为无机磷，蔗糖酶促进蔗糖的转化与分解，过氧化氢酶分解土壤中对活细胞有害的过氧化氢，其土壤酶活性与微生物数量与活性、土壤呼吸强度及土壤肥力密切相关。此外，蛋白酶参与土壤中众多有机物的转化，其活性与土壤中的有机质及氮素含量有关。由表1可知，蚯蚓粪显著影响了土壤酶活性，除对脲酶活性的影响没有达到显著水平外，对其他酶活性的影响均达到显著水平。与CK相比，蚯蚓粪处理的蔗糖酶活性提高了21.75%～98.88%，磷酸酶活性提高了4607%～70.79%，蛋白酶活性提高了3.58%～37.83%，过氧化氢酶活性提高了29.94%～77.71%，对磷酸酶活性的影响最明显，可能由于蚯蚓粪激发了土壤磷酸酶活性，从而促进无机磷释放;蚯蚓粪各处理间的蔗糖酶与过氧化氢酶活性差异均达到0.05显著水平，VC4与VC6处理的磷酸酶与蛋白酶活性差异没有达到0.05显著水平。整体来看，土壤酶活性基本随着蚯蚓粪施用量的增加而增加，多数酶活性以VC6处理最大，表明蚯蚓粪能够提高土壤的生物活性和土壤肥力。

2.3 蚯蚓粪对土微生物群落结构的影响

微生物的主要组成成分有细菌、放线菌和真菌，在耕作层中细菌数量居多，同时也是土壤中最活跃的生物因素，其次为放线菌，真菌数量最少，其主要作用是分解土壤中的有机化合物和促进土壤中腐殖质的合成以及推动土壤中各种物质循环[19]。由表2可知，蚯蚓粪处理显著影响土壤可培养细菌和放线菌数量，对真菌数量影响不显著;与CK相比，蚯蚓粪处理土壤的可培养细菌数量增加了118.24%～274.53%，可培养放线菌数量增加了44.29%～115.89%;VC4与VC6处理间的放线菌数量差异不显著;可培养细菌、放线菌数量随蚯蚓粪施用量的增加而增加，VC6处理最大。结果表明，蚯蚓粪可以促进土壤细菌和放线菌的繁殖，从而促进土壤有机质的矿化及作物对水分、养分的吸收利用。

从表2还可以看出，蚯蚓粪同时也显著影响土壤的生理菌群数量。CK处理自生固氮菌数量与VC4、VC6处理相比差异显著（P<0.05），分别是VC4、VC6处理的1.79、2.61倍;与CK相比，蚯蚓粪处理土壤的氨化细菌数量增加了192.12%～471.52%，亚硝化细菌数量增加了34.91%～90.95%，反硝化细菌数量增加了33.33%～332.81%，并且这些生理菌群数量均随蚯蚓粪施用量的增加而增加，VC6处理菌落数量最多。结果说明，蚯蚓粪有利于生理菌群的繁殖，尤其是反硝化细菌。

2.4 蚯蚓粪对土微生物量碳氮的影响

土壤微生物量氮既是土壤有机质及土壤养分转化和循环的动力，也是土壤活性养分库[20]，以无机养分的形式释放并供植物吸收利用。土壤微生物量碳含量变化反映了微生物利用土壤碳源进行自身细胞建成而大量繁殖和微生物细胞解体使有机碳矿化的过程[21]。由图3可以看出，蚯蚓粪处理微生物量碳、微生物氮含量均有不同程度提高，且施用量越大效果越明显。与CK相比，蚯蚓粪处理土壤微生物碳含量增加了764%～44.45%，土壤微生物量氮含量增加了22.46%～5843%，其中VC4和VC6處理与对照差异均达显著水平。表明蚯蚓粪能提高土壤碳氮源含量，促进微生物繁殖。

2.5 蚯蚓粪对土壤微生物碳源利用的影响

碳是微生物的主要食源，不同类群微生物对碳源利用的水平不同。由表3可以看出，蚯蚓粪处理显著影响土壤所有类型碳源利用。与CK相比，施用蚯蚓粪显著提高了土壤碳水化合物、多聚类、羧酸类、氨基酸类、胺类及酚类碳源的利用水平，且随蚯蚓粪施用量增加土壤微生物碳源利用水平逐渐提高，VC6处理达到最大值，分别提高了41.48%、50.35%、39.01%、21.56%、58.86%、60.96%。结果表明，蚯蚓粪处理可提高碳源利用水平，使不同类型微生物活性增强，利于土壤微生态环境的改良。

3 结论与讨论

有机质是评价土壤肥力水平的重要指标之一[22]。本研究结果表明，土壤通过添加蚓粪，显著提高了土壤的有机质含量，对土壤具有很好的培肥作用。与CK相比，蚯蚓粪处理有机质含量增加了21.93%～31.38%，这与郑世英等的研究结果[23]相符。主要由于蚓粪含有丰富的有机质以及腐殖质，且饲养蚯蚓的饵料来源于黄牛粪，使得蚯蚓粪中营养物质的含量高于相同原材料的普通堆肥，进而有机质和腐殖质含量均增加。蚓粪中还含有植物生长激素、各种酶类物质及有益微生物[24]，在微生物作用下，有机质与土壤中钙离子凝聚形成稳定的团粒结构，土壤容重降低[25]，使土壤具备良好的通气性、持水性、排水性和好氧环境，从而促进土壤中营养物质的利用及植物根系的生长[26]。

土壤酶活性是土壤中生物化学过程的总体现，反映土壤生物活性和土壤生化反应强度、土壤性质和肥力水平[27]。本研究结果表明，土壤施用蚯蚓粪，土壤磷酸酶、蔗糖酶、蛋白酶及过氧化氢酶活性显著提高，但对脲酶活性影响不显著，这可能由于土壤磷酸酶、蛋白酶与蔗糖转化酶活性分别与速效磷、碱解氮、溶解性碳含量呈显著正相关[28]，蚯蚓粪、生物碳、秸秆的施用，使得土壤中可利用氮、磷、碳含量迅速增加，而这些元素作为微生物生长的能源物质被吸收利用，刺激土壤微生物的活性，促进各种酶的分泌以及土壤氮、磷、碳素循环，从而增强了土壤酶活性，提高了土壤生产力。

外源蚓粪带入土壤大量微生物以及种微生物生长所需的养分[29]。研究表明，蚯蚓粪的添加显著增加了土壤可培养微生物的量。本研究结果表明，蚓粪处理能显著提高土壤可培养细菌和放线菌数量，这说明蚯蚓粪处理可促进土壤微生物繁殖，一方面由于土壤中多数微生物处于一种低营养状态，蚯蚓粪加入为土壤中微生物提供新的能源，使土壤中微生物数量及类群发生了改变;另一方面由于蚓粪中含有大量有益微生物，施入土壤中促进土壤中优势种群的生长繁殖，对微生物群落组成和多样性具有一定的调控作用，进而增加土壤中细菌、放线菌、真菌数量。有报道表明，施用蚓粪增加了土壤有机物数量，对土壤微生物起促进作用。本研究表明，蚯蚓粪处理有利于土壤生理菌群数量的增加，主要由于蚓粪表面具有结构特殊，具有很好的孔性和很大的表面积，具有很强的吸附特性及对土壤酸碱的缓冲能力，并具有吸收和保持营养物质的能力，可改善土壤理化性质，调控土壤微生物生态等。

微生物碳氮作为土壤-作物二者之间极其重要的纽带，推动着土壤有机质和土壤养分的转化与循环[29-30]。本研究结果表明，蚓粪可显著提高土壤微生物碳氮含量，较CK土壤微生物碳含量增加了7.64%～44.45%，土壤微生物氮含量增加了22.46%～58.43%。蚯蚓粪作为土壤改良剂，能够有效改良土壤结构，提高土壤的通透性，改善土壤微生物的生活环境，为微生物生长提供碳源、氮源和其他养分[31]，加强土壤中微生物生长和繁殖的能力，进而增加了微生物生物碳氮含量，促进微生物碳氮的增加。

蚓粪施入增加了微生物对碳源的利用，但微生物对碳源的利用存在很大差异[32]。土壤微生物群落对碳源的利用表明，蚯蚓粪提高了土壤碳水化合物、多聚类、羧酸类、氨基酸类、胺类及酚类碳源的利用率。可能由于外源有机物料施入，改善了土壤环境，增强了土壤生态系统功能，为微生物生长繁殖提供了良好的环境，增加了微生物数量和微生物多样性[33]，进一步提高了微生物对碳源的利用。

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