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沼渣肥对蓝莓土壤微生物多样性的影响

2017-11-09王丽雪董德武刘宇

湖北农业科学 2017年19期
关键词:沼肥沼渣根际

王丽雪 董德武 刘宇

摘要:采用磷脂脂肪酸(PLFA)生物标记法分析研究了沼渣肥对蓝莓(Vaccinium spp.)根际土壤微生物多样性的影响。结果表明,用沼渣肥和草炭处理蓝莓土壤PLFA标记含量存在差异,其中用沼肥处理的蓝莓土壤的PLFA总量最大;与未做任何处理和用草炭处理的相比,用沼渣肥处理的蓝莓土壤中多两个细菌类群,分别是i15∶0(好氧细菌)和a16∶0(革兰氏阳性细菌);通过对不同处理的蓝莓土壤养分含量进行分析发现,添加了沼渣肥的蓝莓土壤有机质、速效钾、有效磷、全氮的含量最高;通过相关性分析可知,蓝莓土壤中微生物生长需要有效磷、有机质、速效钾,特别是腐生真菌、AM真菌、18∶1ω7(假单胞杆菌)等对蓝莓生长有益的微生物更需要有效磷。

关键词:蓝莓(Vaccinium spp.);根际土壤;沼渣肥;微生物群落;磷脂脂肪酸标记(PLFA)

中图分类号:S141.4;S666 文献標识码:A 文章编号:0439-8114(2017)19-3630-06

DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.19.010

Abstract: The microbial diversity was analyzed in the rhizophere of blueberries(Vaccinium spp.) which treated with biogas residue fertilizer by using phospholipid fatty acid biomarkers(PLFA). The results showed that there were obvious differences in the contents of PLFA in the rhizophere soils treated with biogas residue fertilizer and grass carbon,and the total amount of PLFA in blueberries soil treated with biogas residue fertilizer was the highest. Compared with the soil without any treatment and the soil with grass carbon treatment,the rhizosphere of blueberries soil treated with biogas residue fertilizer has another two bacteria groups:i15∶0(aerobic bacteria) and a16∶0(G+). According to the nutrient content analysis of blueberries soils by different treatments,the study found that the blueberries soil added by biogas residue fertilizer had the highest contents of organic matter,available potassium, available phosphorus and total nitrogen. The results of correlation analysis indicated that microbial growth in blueberries soil required effective phosphorus, organic matter and available potassium,especially saprophytic fungi,AM fungi,18∶1ω7(pseudomonas) and other beneficial spices required more available potassium.

Key words: blueberries(Vaccinium spp.); rhizosphere soil; biogas residue fertilizer; microbial community; phospholipid fatty acid marker (PLFA)

应用厌氧发酵生产沼气的研究已近100年,在中国随着沼气建设事业的蓬勃发展,自20世纪80年代以来,沼肥的再利用已成为人们普遍关注的问题[1]。沼肥是将畜禽废弃物、人畜粪便、有机生活垃圾和作物秸秆等按一定比例混合接种特定微生物经厌氧发酵后产生的沼气利用后的剩余产物。它包括沼渣和沼液两部分,统称为沼气肥料。其中沼液是厌氧发酵产生沼气过程中添加的水分,含有多种植物生长需要的养分,如氮、磷、钾、丰富的氨基酸和活力非常强的纤维素酶、蛋白酶等,占发酵原料总量的 85%~90%,是人们广为熟知的一种速效性与长效性兼备的生物有机肥料;沼渣是沼气发酵装置下层经固液分离脱水干燥后的固态物质,富含有机质、腐殖质、微量营养元素、多种氨基酸、酶类和有益微生物[2]。沼肥的腐熟程度较高,在沼气池中经过完全的厌氧发酵和复杂的生物化学反应可有效杀灭发酵原料中的虫卵和致病菌,最大限度地保留营养成分。因此,沼肥不仅能做底肥、叶面肥,而且还可以取代化肥做追肥。在当前资源短缺、能源紧张、工业合成化肥价格攀高的背景下,在沼气规模发展区推广施用沼肥具有重要意义。有关沼肥在蔬菜和果树上的施用技术和应用效果报道较多[3,4],但在蓝莓(Vaccinium spp.)上的应用研究较少。

蓝莓具有较高的食用价值和药用价值,可以预防多种疾病,如蓝莓果实中的花青素是非常强的抗氧化剂,可以预防动脉内斑块的形成和多种癌症(预防子宫颈癌等),减低患癌的可能[5],但蓝莓根系吸收功能弱、耐旱抗涝能力差。土壤有机质是土壤肥力的主要组成部分之一,沼渣含有的腐殖质等有机质,疏松多孔,能吸持大量水分,提高土壤的保水能力。因此,对于根系功能弱、适应力差的蓝莓,提高土壤有机质含量对于稳定根域土壤的水肥环境、保证植株正常生长有着更为重要的意义。大量研究表明,微生态剂和生物有机肥能够提高土壤肥力和微生物数量及微生物活性[6,7]。因此,沼肥处理对蓝莓土壤中微生物影响的研究具有重要的学术价值和应用价值。而关于蓝莓土壤中微生物的研究,至今国内外文献尚未见到使用沼肥处理的方法。endprint

关于植物土壤微生物的群落,国内外学者有过许多研究。利用平板计数、磷脂脂肪酸(PLFA)生物标记法、高通量测序等。但是平板计数方法只能得到微生物总量的1%[8],微生物的群落信息量很少,不可避免会造成特殊菌种的缺失和改变微生物原有群落结构,不能客观反映微生物多样性[9]。核酸技术能够克服传统培养方法的缺点,但也存在造成大量信息丢失的缺点,如土壤细菌的难以裂解引起DNA提取差异,PCR过程中也容易丢失许多信息[10]。PLFA技术利用活体细胞的细胞膜中含有大量的磷脂脂肪酸,且不同种类的微生物磷脂组成成分有很大的差异,具有很高的生物学特异性和结构多样性,适合作为生物标记物。通过观察总PLFA图谱可以直观地了解细菌、真菌和放线菌组成关系[11],在微生物群落结构研究中较为常用。Schmidt等[12]采用PLFA方法测定土壤施用真菌和细菌杀菌剂对土壤微生物的影响。Lei等[13]用PLFA方法检测堆肥过程中接种微生物和调节pH对微生物群落结构的影响。Marin等[14]用PLFA方法观察Swiss Jura山区草原有机质循环对生物多样性的影响,表明PLFA可以作为生物多样性的指示性标记。本研究主要采用磷脂脂肪酸生物标记法研究沼渣肥对蓝莓根际土壤微生物多样性的影响。

1 材料与方法

1.1 样品的采集与处理

试验地设在安徽省芜湖市南陵县,该地年平均气温15.8 ℃。冬、春两季都在3.5 ℃以下。年平均日照时间1 935.4 h。年平均降水量为1 402.6 mm,主要雨水集中在4-6月,冬季较少。

1.1.1 厌氧发酵产沼气试验样品处理 以100 g水稻秸秆和新鲜蓝藻100 g为底料,污泥1.5 L,加水调节样品初始含水率约为65%,混合均匀后35 ℃堆置预处理7 d后,将材料置入5 L厌氧发酵罐中,用尿素调节发酵材料的碳氮比为27∶1,pH 7,迅速封盖,37 ℃恒温水浴条件下厌氧发酵100 d。

1.1.2 樣品采集 ①取南陵县蓝莓基地的非栽培区土(园土)若干以及1年生杰兔蓝莓苗;②取适量园土自然风干、过100目筛,用于测定土壤理化性质;③取适量的鲜土在4 ℃下保存,用于测定土壤微生物总脂肪酸含量。④取上述以水稻秸秆和蓝藻为主要材料的厌氧发酵罐中发酵100 d的沼渣,测定其理化性质及微生物总脂肪酸含量。⑤将从蓝莓基地取回的蓝莓苗进行栽培,分3种栽培方法,第一种将园土与沼渣以体积比为3∶1的比例混合在一起作为栽培土,第二种将园土与草炭以体积比为2∶1的比例混合在一起作为栽培土,第三种直接以园土作为栽培土,不作任何处理,作为对照组。在栽培3个月后,利用取样器分别取3种不同处理的蓝莓根际10 cm以内的土壤,迅速装入塑料袋内。采集的土样分为2份,一份自然风干、过100目筛,用于测定土壤化学性质,另一份用于测定土壤微生物总脂肪酸含量。

1.2 测定指标及方法

1.2.1 土壤养分含量测定 有效磷含量采用NH4F-HCl法测定;速效钾采用醋酸铵-火焰光度计法测定;有机质含量采用水合热法测定;总氮含量采用凯氏定氮法(B18-DNYII全自动凯氏定氮仪)测定[15]。

1.2.2 土壤微生物总脂肪酸的提取及测定 取10 g样品加入20 mL KOH-甲醇溶液,在37 ℃水浴振荡2 h(振荡频率130次/min),再加入3 mL的1.0 mol/L乙酸。旋转振荡后,加入10 mL正己烷同时加入内标50 μL,37 ℃旋转振荡摇匀30 min后,4 000 r/min 离心后取上清5 mL,置于离心管中水浴氮吹(温度31 ℃,压力在0.01 MPa,15~20 min)吹干。向离心管中加入1 mL体积比1∶1的正己烷-甲基叔丁基醚溶液,充分溶解2 h,转入GC小瓶,用于脂肪酸分析[12,16]。所有使用的试验器材都用色谱级的甲醇45 ℃浸泡过夜,再用去离子水清洗烘干。

C19∶0内标配制:称取0.100 g C19∶0样品溶于1 000 mL的正己烷中,配成0.1 mg/L的溶液。

0.2 mol/L KOH-甲醇溶液:参照GB 601-2008中0.1 mol/L KOH-乙醇标准溶液的配制。

采用岛津GC/MS2010 PLUS测定,分析柱RTX(30.0 m×0.25 mm×0.25 um)。取1 μL待测样进行分析,GC条件:以氦气为载体,柱内流量为2 mL/min,总流量为40.2 mL/min。进样口温度为250 ℃,分流比为30∶1,柱温箱程序升温为40 ℃起始,保持2 min,以15 ℃/min升温至170 ℃,保持2 min,再以1.5 ℃升温至200 ℃,保持3 min后,以2 ℃升温至225 ℃,保留3 min,以1.5 ℃/min升到250 ℃,保留2 min;MS条件:离子原温度250 ℃,溶剂切割时间为6 min,采用Scan扫描方式。

1.2.3 脂肪酸的命名法 脂肪酸常用的命名格式为 X∶YωZ(c/t),其中,X是总碳数,后面跟一个冒号;Y表示双键数;ω表示甲基末端;Z是距离甲基端的距离;c表示顺式,t表示反式。若有支链,反异构在X∶YωZ前加a表示,异构则加i。10 Me表示一个甲基团在距分子末端第10个碳原子上;环丙烷脂肪酸用cy表示[17]。不同的磷脂脂肪酸代表特定微生物[18-27],如表1所示。

1.2.4 统计方法 测定数据的方差分析、数据差异性分析、相关性分析利用SPSS19.0和Excel软件进行。

2 结果与分析

2.1 不同处理的蓝莓土壤的理化性质

由表2可知,不同栽培处理的蓝莓土壤理化指标有所不同,呈现出一定的差异,且速效钾的变化最大。其中添加了沼渣的蓝莓土壤有机质、速效钾、有效磷、全氮的含量最高。土壤理化性质不相同,从而说明不同栽培处理的蓝莓吸收土壤中各成分能力不同。沼渣中含有有机质、速效钾、有效磷、全氮,且含量均比草炭中的含量高。土壤酶是参与许多土壤生物化学过程和物质循环的一类生物活性物质,其活性大小反映了土壤生物活性和土壤肥力[28]。沼肥能显著改善土壤脲酶、多酚氧化酶、蔗糖酶、无机焦磷酸酶和磷酸脂酶的酶活力,提高土壤肥力[29]。本研究中施用沼肥显著提高了蓝莓土壤有机质、速效钾、有效磷、全氮的含量,可能是由于施用沼肥改善了土壤脲酶、多酚氧化酶、蔗糖酶、无机焦磷酸酶和磷酸脂酶的酶活力,从而提高了蓝莓土壤微生物活性和土壤肥力。endprint

2.2 不同栽培处理的蓝莓土壤微生物群落PLFA标记分析

由表3可以看出,不同栽培处理的蓝莓土壤中共检测到20种PLFA,其中,细菌PLFA有14种,分别为13∶0、14∶0、15∶0、a15∶0、i15∶0、16∶1ω9、16∶0、a16∶0、17∶0、i17∶0、18∶1ω7、18∶0、a18∶0;真菌PLFA有3种,分别为16∶1ω5、18∶2ω6,9、18∶1ω9;放线菌PLFA有3种,分别为10Me16∶0、10Me18∶0、10Me19:0。不同栽培处理的蓝莓土壤中微生物物种丰富度有所不同,但种类变化不是特别大,与加草炭和未做任何处理的对照蓝莓土壤相比,加了沼渣的蓝莓土壤中多了i15∶0(好氧菌)和a16∶0(革兰氏阳性细菌)。徐鸿斌等[30]、祁建军等[31]、刘波等[32]在分析红花、地黄和水稻等植物根际土壤微生物多样性时,也检测出了a15∶0、i15∶0、16∶0、18∶2ω6,9、i17∶0,说明这几种类群在植物根际土壤中普遍存在。

土壤微生物可促进土壤和植物健康,土壤微生物群落结构组成的变化可在一定程度上反映土壤质量的高低。本研究中施用沼渣肥的蓝莓土壤中大部分细菌、真菌及微生物总量都有所提高,但是有极个别的菌群含量降低,可能的原因是施入沼渣肥影响了土壤微生物菌群多样性。

由图1所示,除了微生物种类有微弱变化,微生物总量也不同,表现为样品A>B>C>D,样品A与C相比,A的微生物总量以及细菌和真菌总量均比C多,说明加了沼肥的蓝莓土壤微生物丰富度比未做处理的高,即沼肥能改变蓝莓土壤中的微生物群落结构。样品A与B相比,A的微生物总量以及细菌和真菌总量也均比B多,说明加沼渣肥的蓝莓土壤微生物丰富度比加草炭的高。与细菌、真菌相比,放线菌在各个样本中含量相对较少,说明蓝莓土壤微生物群落主要由细菌、真菌构成。蓝莓根际土壤中PLFA含量细菌>真菌>放线菌,刘波等[32]在分析水稻根际土壤微生物多样性时测定的水稻根际土壤中PLFA含量也是细菌>真菌>放线菌,说明多数植物根际土壤中,细菌含量最多,真菌次之,放线菌最少。与非栽培区土壤相比,不同栽培处理的蓝莓土壤中微生物的类型和总量都要高,说明土壤中微生物对蓝莓生长具有重要影响。

从图2可以看出,在3种不同栽培处理的蓝莓土壤中,含量最高的前3个 PLFA生物标记相同,但是含量各不相同,各个成分变化比较明显。在对不同栽培处理的蓝莓土壤微生物分析时发现,除了类群的差别,各类群微生物在各个样本中含量不同,占的比例也有所不同。总体上,样品A的各类群微生物含量比B和C要高,只有极少数个别类群含量比B和C少,说明施用沼肥的蓝莓土壤中微生物相对丰富度高于其他两种。另外A相对B和C来说,蓝莓土壤中多了 i15∶0和a16∶0两个类群,这两个类群都是细菌,在非栽培区土壤中以及B和C中没有发现,可能是由于施用沼肥对土壤微生物数量有影响,能增加土壤细菌、酵母菌、真菌和放线菌的数量,使微生物的多样性指数相对较高。

样品中微生物菌群具有相似性,主要优势群体在不同栽培处理的蓝莓土壤中普遍存在,比较几种不同栽培处理的蓝莓土壤中的微生物类群,有些类群含量发生一些变化,但是优势类群没有明显差异,说明在不同栽培处理的蓝莓土壤中,构成土壤微生物群落的优势菌群具有一定稳定性。在各个样品中16∶0相对丰富度最高,其次是18∶2ω6,9和18∶1ω9,说明这3个类型是构成蓝莓土壤微生物的主要类群。刘波等[32]在分析水稻根际土壤微生物多样性时也测得16∶0是含量最高的PLFA,说明16∶0可能是多数植物根际土壤中普遍存在的微生物类群。

2.3 不同栽培处理的蓝莓土壤中的微生物PLFA含量与养分因子间的相关性分析

土壤养分相关因子与不同栽培处理的蓝莓土壤中的微生物总量、细菌、放线菌和真菌的PLFA的相关系数存在差异,如表4所示。细菌总PLFA与有机质呈显著正相关,与全氮、有效磷、速效钾呈正相关;真菌总PLFA与速效钾呈负相关,与有效磷呈显著正相关,而与全氮相关性较弱;放线菌总PLFA与有机质、全氮呈显著负相关。在分析土壤不同微生物各类群总 PLFA与土壤养分相关因子相互关系时发现,微生物总量与土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾都呈正相关,表明土壤有机质、速效钾、有效磷等含量不同会影响土壤微生物各个类群含量。

3 讨论

土壤微生物是土壤中活的有机体,是最活跃的土壤肥力因子之一。细菌、放线菌、真菌和原生动物作为土壤微生物的4大类群,构成了土壤微生物的主要生物量,其组成和数量变化常能反映出土壤生物活性水平。大量研究表明,微生态剂和生物有机肥能够提高土壤肥力和微生物数量及微生物活性[7-9]。研究表明,微生态制剂的优点是其包含有机磷细菌、蜡样芽胞杆菌、光合菌等多种环境微生物,其中有些菌种来自与蓝莓近缘的同属越橘科植物根系,使用菌剂能显著改善蓝莓的根际环境,提高植株生长活性[33]。假单胞菌(18∶1ω7)能够改善植物营养,促进植物生长,同时假单胞菌还能够对土壤中的有毒物质进行降解[34],可作为一种理想的植物微生态制剂生产菌种进行开发。假单胞菌对植物生长相当重要,通过对其与土壤理化指标的相关性分析,发现其含量与全氮、有效磷、有机质呈正相关,可以通过施加这些相关成分来提高假单胞菌含量,改善蓝莓根际生长环境。

AM真菌不仅能改善植物的营养状况,还可以促进植物生长,提高植物的抗病性[35],与植物共生可以提高植物的抗逆性,促进宿主植物的生长[36];腐生真菌可以分解有机质,具有改善土壤作用,为其他生物提供硫、磷、钾、钙、铁等矿物质营养元素[37,38],降解某些有毒物质,保护环境[39],由此可知,AM真菌和腐生真菌對植物根际有着不可或缺的作用。在分析AM真菌、腐生真菌与土壤理化指标相关性时发现,其与有效磷具有较高的相关性,从而可以通过增加土壤有效磷来改变AM真菌和腐生真菌量,改善蓝莓根系生长环境,提高蓝莓产量。endprint

通过各微生物类群和土壤理化指标分析及其与土壤理化指标相关性分析可知, 蓝莓土壤中微生物生长需要有效磷、有机质、速效钾,特别是腐生真菌、AM、18∶1ω7等对生长有益的微生物更需要有效磷。结合对不同栽培处理的蓝莓土壤的理化性质分析可知,沼渣含有相对比较多的有机质、有效磷、速效钾及全氮,因此可以在蓝莓栽培和种植过程中施加沼肥来改善土壤有益微生物生存环境,从而改善蓝莓生长环境,提高蓝莓产量和质量。

通过对不同栽培处理的蓝莓土壤理化指标分析可知,添加了沼肥的蓝莓土壤有机质、速效钾、有效磷、全氮的含量最高。并且沼渣中含有的有机质、速效钾、有效磷、全氮含量均比草炭中的含量高。说明施用沼肥能显著改善土壤脲酶、多酚氧化酶、蔗糖酶、无机焦磷酸酶和磷酸脂酶的酶活力,提高土壤肥力。在对不同栽培处理的蓝莓土壤微生物群落PLFA标记分析时发现,与样品B、C、D相比,添加了沼渣的蓝莓土壤样品中多了i15∶0和a16∶0两个类群;除了微生物种类有变化外,微生物总量也不同,表现为样品A>B>C>D,说明加了沼肥的蓝莓土壤微生物丰富度比未做处理的高,即沼肥能改变蓝莓土壤中的微生物群落结构。说明施用沼肥对土壤微生物数量有影响,能增加土壤细菌、酵母菌、真菌和放线菌的数量,使微生物的多样性指数相对较高。

以上研究表明,沼渣含有相对比较多的有机质、有效磷、速效钾及全氮,因此可以在蓝莓栽培和种植过程中施加沼肥,用来改善土壤有益微生物生存环境,从而改善蓝莓生长环境,提高蓝莓产量和质量。现代农业正在促使化肥品种结构发生变革,产生质的飞跃,各种新型肥料不断被开发。以沼渣、沼液为主的绿色生物有机肥在中国处于萌芽阶段,还没能形成商品、进入市场,不能被广泛地使用。随着社会的进步,选择有机和绿色食品已成必然,沼肥作为提高作物质量的重要原料,其利用价值将不断提高,它是实现农业工业化、农村城镇化、农业产业化的重要措施,更为重要的是满足了中国农业持续发展和“两高一优”的需要。

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