蚯蚓糞對(duì)海南濱海鹽漬土的改良效果

鄧 曉， 武春媛， 楊桂生， 李 怡， 譚華東， 吳東明， 李勤奮，3

(1.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境與植物保護(hù)研究所，海南?？?571101； 2.國(guó)家農(nóng)業(yè)環(huán)境儋州觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，海南儋州 571737；3.海南省熱帶生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南?？?571101)

海南是我國(guó)耕地面積最小的省份，且近年來(lái)常用耕地面積有減少的趨勢(shì)，作為我國(guó)冬季瓜菜的主要生產(chǎn)基地，耕地資源更顯短缺。濱海土壤作為一種重要的土地資源和農(nóng)業(yè)資源，是拓展沿海地域可耕土地面積的重要來(lái)源。海南濱海土壤大多屬于壤質(zhì)沙土，存在有機(jī)質(zhì)缺乏、養(yǎng)分分布不均和保水保肥性能差等缺陷，這將嚴(yán)重制約海南農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。此外，濱海土壤過(guò)高的含鹽量是制約土地復(fù)墾的關(guān)鍵因素，其不利于作物生長(zhǎng)發(fā)育，導(dǎo)致作物生長(zhǎng)衰退，甚至脫水枯死，使土壤資源難以利用，嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)民生活水平。土壤改良是高效利用鹽漬土資源的重要途徑，現(xiàn)階段的鹽漬土改良措施主要包括工程、化學(xué)、物理和生物等措施。上述措施各有優(yōu)缺點(diǎn)，但趨向于利用有機(jī)肥和工農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物等無(wú)二次污染風(fēng)險(xiǎn)的材料進(jìn)行土壤改良。利用有機(jī)肥來(lái)改良鹽漬化土壤，一方面可以改變土壤物理性狀，改善團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，增加農(nóng)作物的產(chǎn)量；另一方面，有機(jī)肥的施用會(huì)增加土壤中微生物的活性和數(shù)量，促進(jìn)土壤中鹽分的遷移和轉(zhuǎn)化，降低鹽分濃度。蚯蚓糞具有良好的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，富含微生物、生物活性物質(zhì)等，在施入土壤后通過(guò)對(duì)周圍土壤進(jìn)行礦化作用，將土壤中的有效養(yǎng)分釋放出來(lái)，還能增加土壤腐殖質(zhì)的含量，比一般有機(jī)肥更能發(fā)揮改良土壤的作用。故針對(duì)海南濱海鹽漬土理化性質(zhì)差、肥料利用率低和作物長(zhǎng)勢(shì)弱等問(wèn)題，本研究通過(guò)設(shè)置盆栽試驗(yàn)，以種植蕹菜為目標(biāo)，探究不同配比的蚯蚓糞處理對(duì)海南濱海鹽漬土的鹽分、pH值、有機(jī)質(zhì)含量、有效養(yǎng)分、酶活和微生物多樣性的影響。旨在為蚯蚓糞應(yīng)用于海南濱海鹽漬土改良提供科學(xué)的理論依據(jù)，并對(duì)促進(jìn)海南農(nóng)業(yè)高效發(fā)展和生態(tài)安全具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2019年4—5月在中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院?？谠囼?yàn)基地溫室大棚內(nèi)進(jìn)行，供試蕹菜品種為臺(tái)灣竹葉蕹菜。供試蚯蚓糞來(lái)自海南大學(xué)儋州校區(qū)農(nóng)科基地。供試土壤采自海南省文昌市蘭溪村(19°59′24.5″N，110°37′16.6″E)0～20 cm耕作層土壤，風(fēng)干后過(guò)2 mm篩備用，pH值為6.33，鹽分含量3.36 g/kg，有機(jī)質(zhì)含量17.1 g/kg，全氮含量 0.683 g/kg，有效磷含量60.01 mg/kg，速效鉀含量 192.4 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽試驗(yàn)按照蚯蚓糞與濱海鹽漬土體積比的不同設(shè)置5個(gè)處理，分別為0 ∶20、1 ∶20、2 ∶20、3 ∶20 和4 ∶20，每種處理3次重復(fù)。每盆植株栽培條件與管理方式相同，蚯蚓糞與過(guò)2 mm篩的風(fēng)干土混合均勻后直接用于種植蕹菜，澆水1次/d，30 d后記錄蕹菜葉片數(shù)并采收蕹菜同時(shí)采集土壤樣品。整株蕹菜連根拔起將根部沖洗干凈后晾干稱量蕹菜質(zhì)量，土壤樣品分成3份，一份過(guò)2 mm篩后保存于-80 ℃，用于土壤微生物多樣性分析；一份風(fēng)干后過(guò)1 mm篩用于測(cè)定土壤鹽分、pH值及有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀含量；一份風(fēng)干后過(guò)40目篩，用于測(cè)定土壤脲酶、酸性磷酸酶、過(guò)氧化氫酶和酸性轉(zhuǎn)化酶活性。

1.3 測(cè)定方法

土壤pH值及鹽分、有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀含量均參照農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定。各種土壤酶活指標(biāo)均采用試劑盒(蘇州科銘生物技術(shù)有限公司，www.cominbio.com)分析測(cè)定。土壤微生物群落及其多樣性分析采用高通量測(cè)序方法，將每種處理3次重復(fù)試驗(yàn)的土壤樣品分別采用土壤基因組DNA提取試劑盒[天根生化科技(北京)有限公司]提取土壤總DNA，使用紫外分光光度計(jì)測(cè)定DNA的質(zhì)量和濃度；然后采用通用引物338F(5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3′)和806R(5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′)擴(kuò)增細(xì)菌16S rRNA基因V3-V4區(qū)；根據(jù)PCR產(chǎn)物濃度將3次重復(fù)的PCR產(chǎn)物進(jìn)行等量混樣，充分混勻后使用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)PCR擴(kuò)增產(chǎn)物，對(duì)目的條帶使用瓊脂糖凝膠回收試劑盒純化回收產(chǎn)物，文庫(kù)構(gòu)建和測(cè)序委托北京百邁客生物科技有限公司完成。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

使用UCLUST算法確定具有97%序列相似性的系統(tǒng)類型的操作分類單元(OTUs)，應(yīng)用百邁客生物云平臺(tái)(https：//international.biocloud.net) 開展多樣性指數(shù)和物種分類分析。應(yīng)用Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和圖表制作，采用SPSS 19.0 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，用Duncan’s 多重比較法進(jìn)行差異顯著性檢測(cè)。

2 結(jié)果與分析

2.1 蚯蚓糞對(duì)蕹菜生長(zhǎng)的影響

由表1可知，在不施用任何肥料的條件下，與不施蚯蚓糞相比，蚯蚓糞與濱海鹽漬土體積比為 1 ∶20～4 ∶20時(shí)均能促進(jìn)蕹菜的根系生長(zhǎng)，提高蕹菜的葉片數(shù)和單株質(zhì)量。其中平均每株葉片數(shù)增加26.8%～31.0%，單株蕹菜的質(zhì)量提高42.0%～87.5%，平均每株地下部根質(zhì)量提高37.5%～106.3%，均達(dá)顯著水平(<0.05)。

表1 蚯蚓糞對(duì)濱海鹽漬土中蕹菜生長(zhǎng)的影響

2.2 蚯蚓糞對(duì)濱海鹽漬土鹽分和pH值的影響

由表2可知，蚯蚓糞與濱海鹽漬土比例為 1 ∶20～2 ∶20的處理土壤鹽度顯著降低(<0.05)，降低率達(dá)14.0%～19.9%；蚯蚓糞與濱海鹽漬土比例為 3 ∶20～4 ∶20 的處理土壤鹽度略有升高，但未達(dá)顯著水平(>0.05)。蚯蚓糞與濱海鹽漬土比例為1 ∶20和 2 ∶20 處理之間對(duì)土壤鹽度的降低效果無(wú)顯著差異(>0.05)。

未添加蚯蚓糞的土壤種植蕹菜后，仍為酸性土壤(pH值為6.35)；添加蚯蚓糞的4個(gè)處理種植蕹菜后，土壤均變?yōu)橹行酝寥?pH值為6.87～7.22)，pH值提高了0.52～0.87，且均達(dá)顯著水平(<0.05)。說(shuō)明體積比為1 ∶20～4 ∶20的蚯蚓糞能使濱海鹽漬土由酸性改善為中性，更有利于作物的生長(zhǎng)?？紤]經(jīng)濟(jì)成本和實(shí)際效果，以添加1 ∶20～2 ∶20 的蚯蚓糞對(duì)降低土壤鹽度和改善土壤的酸堿度效果較好。

表2 蚯蚓糞對(duì)濱海鹽漬土理化指標(biāo)的影響

2.3 蚯蚓糞對(duì)濱海鹽漬土有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分的影響

由表2可知，濱海鹽漬土的有機(jī)質(zhì)含量在蚯蚓糞與濱海鹽漬土體積比為1 ∶20～4 ∶20時(shí)均得到顯著提高(<0.05)，提高率達(dá)12.1%～45.2%，且土壤有機(jī)質(zhì)含量隨蚯蚓糞添加比例增加而增加。

濱海鹽漬土的養(yǎng)分含量在蚯蚓糞與濱海鹽漬土比例為1 ∶20～4 ∶20時(shí)也得到顯著提高(<0.05)，土壤全氮、有效磷和速效鉀含量分別提高了52.6%～87.2%、38.9%～111.1%和95.3%～313.3%。不同處理對(duì)濱海鹽漬土的全氮、有效磷和速效鉀的促進(jìn)作用均隨蚯蚓糞添加比例的增加而提高。而蚯蚓糞與濱海鹽漬土比例為1 ∶20和 2 ∶20 處理之間的土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷的含量差異均不顯著(>0.05)，但蚯蚓糞與濱海鹽漬土比例為1 ∶20～4 ∶20的4個(gè)處理間土壤速效鉀含量差異均達(dá)顯著水平(<0.05)?？紤]經(jīng)濟(jì)成本和實(shí)際效果，以蚯蚓糞與濱海鹽漬土體積比為1 ∶20～2 ∶20對(duì)提升濱海鹽漬土有機(jī)質(zhì)和有效養(yǎng)分含量的效果較好。

2.4 蚯蚓糞對(duì)濱海鹽漬土酶活性的影響

由表3可知，蚯蚓糞與濱海鹽漬土體積比為 1 ∶20～4 ∶20時(shí)均能提高土壤脲酶、酸性磷酸酶、過(guò)氧化氫酶和酸性轉(zhuǎn)化酶的活性。土壤脲酶和酸性磷酸酶活性在蚯蚓糞與濱海鹽漬土體積比為 2 ∶20～4 ∶20的處理中均得到顯著增強(qiáng)(<0.05)，分別提高了9.6%～15.4% 、18.2%～38.7%；土壤過(guò)氧化氫酶和酸性轉(zhuǎn)化酶活性在蚯蚓糞與濱海鹽漬土體積比為1 ∶20～4 ∶20的處理中均得到顯著增強(qiáng)(<0.05)，分別提高了52.6%～63.4%、29.4%～92.7%。4種酶活性在蚯蚓糞與濱海鹽漬土體積比為2 ∶20和3 ∶20處理之間差異均不顯著(>0.05)。考慮經(jīng)濟(jì)成本和實(shí)際效果，以蚯蚓糞與濱海鹽漬土體積比為2 ∶20～3 ∶20的處理對(duì)增強(qiáng)濱海鹽漬土酶活性的效果較好。

表3 蚯蚓糞對(duì)濱海鹽漬土(干土)酶活性的影響

2.5 蚯蚓糞對(duì)濱海鹽漬土微生物群落及其多樣性的影響

由表4可知，蚯蚓糞與濱海鹽漬土體積比為 1 ∶20～4 ∶20的處理蚯蚓糞種植蕹菜后的細(xì)菌豐富度指數(shù)(Ace指數(shù)和Chao1指數(shù))和多樣性指數(shù)(Shannon指數(shù))均得到明顯提高，ACE指數(shù)和Chao1指數(shù)分別提高了12.4%～19.7%、7.88%～18.4%，Shannon指數(shù)提高了19.8%～23.9%。

表4 蚯蚓糞對(duì)濱海鹽漬土細(xì)菌α多樣性指數(shù)的影響

UPGMA聚類分析結(jié)果表明，添加1 ∶20～4 ∶20 的4個(gè)處理(A12、A22、A32和A42)在收獲蕹菜后土壤細(xì)菌群落聚為一個(gè)分支，未施用蚯蚓糞的處理(CK2)收獲蕹菜后的土壤細(xì)菌群落聚為另一個(gè)分支(圖1)。說(shuō)明添加蚯蚓糞處理的濱海土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯改變。結(jié)果同時(shí)表明，蚯蚓糞與濱海鹽漬土體積比為1 ∶20～2 ∶20的處理種植蕹菜后土壤中亞硝化單胞菌科(Nitrosomonadaceae)、芽單胞菌科(Gemmatimonadaceae)和噬幾丁質(zhì)菌科(Chitinophagaceae)豐度明顯提高(圖2)，比未施用蚯蚓糞的處理分別提高了146%～463%、3.0%～39.8%、124%～192%。表明施用蚯蚓糞可增強(qiáng)濱海土壤的碳氮循環(huán)能力，更有益于作物生長(zhǎng)。

3 討論與結(jié)論

濱海鹽漬土肥力低，尤其缺氮。本研究發(fā)現(xiàn)添加蚯蚓糞能顯著提升濱海鹽漬土的有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀的含量，且隨蚯蚓糞施用量的增加提升效果更明顯。而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施入土壤中的磷肥，除一小部分能被植物吸收利用外，絕大部分被陽(yáng)離子結(jié)合成難溶性磷沉積在土壤中，難以被植物直接吸收利用。蚯蚓糞能有效提升土壤中有效養(yǎng)分的含量是因?yàn)樗旧硎怯袡C(jī)質(zhì)、有益微生物、生長(zhǎng)因子相結(jié)合的多功能肥料，它不僅能提高肥料利用率，而且能活化和分解土壤中積存的氮、磷、鉀，激活土壤中多種生長(zhǎng)因子。同時(shí)，蚯蚓糞中含有豐富的放線菌、細(xì)菌和真菌等微生物，這些微生物能將土壤中的復(fù)雜礦物礦化成易于植物吸收利用的有效物質(zhì)。本研究結(jié)果也與周東興等的報(bào)道基本一致。

土壤酶活性能反映出土壤轉(zhuǎn)化和肥力水平，土壤中所有生物化學(xué)反應(yīng)都是在土壤酶的參與下完成的，土壤酶活性的高低可以反映土壤生物活性和生化反應(yīng)的程度。本研究發(fā)現(xiàn)施用蚯蚓糞能顯著增強(qiáng)濱海鹽漬土的脲酶、酸性磷酸酶、過(guò)氧化氫酶和酸性轉(zhuǎn)化酶活性。這與周東興等的報(bào)道基本相同。土壤酶活性的提高可能是因?yàn)轵球炯S的施加能夠?qū)⒋罅课⑸铩⒚讣案鞣N微生物生長(zhǎng)所需的養(yǎng)分和酶催化的底物帶入土壤所致。脲酶是土壤氮素循環(huán)的關(guān)鍵酶，脲酶的活性可以反映土壤有機(jī)氮向有效態(tài)氮轉(zhuǎn)化和無(wú)機(jī)氮供應(yīng)的能力。蚯蚓糞中含有豐富的膠體物質(zhì)，有機(jī)質(zhì)與土壤的交互作用能夠改善土壤的生態(tài)環(huán)境，提高土壤碳、氮含量，而新的碳源和氮源使土壤微生物區(qū)系組成發(fā)生變化，進(jìn)而提高土壤脲酶活性。蚯蚓糞施入土壤后導(dǎo)致土壤微生物生物量升高，微生物呼吸和代謝能力增強(qiáng)，土壤中動(dòng)、植物殘?bào)w的分解加速，而過(guò)氧化氫酶是土壤中動(dòng)、植物殘?bào)w分解的重要參與者，所以過(guò)氧化氫酶活性會(huì)增強(qiáng)。蚯蚓糞能增強(qiáng)土壤酸性磷酸酶的活性，這可能是因?yàn)轵球炯S能夠促進(jìn)土壤中解磷微生物的生物量，解磷微生物通過(guò)釋放磷酸酶提高土壤中磷的有效性，從而提高土壤酸性磷酸酶的活性。

蚯蚓糞對(duì)水肥的吸附性為微生物的生長(zhǎng)與繁殖創(chuàng)造了良好的環(huán)境。細(xì)菌作為土壤中數(shù)量最多的微生物類群，能夠及時(shí)感知土壤養(yǎng)分、pH 值等外界條件的變化，從而反映土壤質(zhì)量的變化。本研究發(fā)現(xiàn)，施用蚯蚓糞可以引起土壤中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化和提高土壤細(xì)菌群落的多樣性，這與周東興等的研究結(jié)果基本一致。

綜上，蚯蚓糞與海南濱海鹽漬土的體積比為 1 ∶20～4 ∶20能顯著促進(jìn)蕹菜的生長(zhǎng)，明顯改善土壤pH值，顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分含量，并顯著增強(qiáng)土壤酶活性；蚯蚓糞與濱海鹽漬土體積比為1 ∶20～2 ∶20能顯著降低土壤鹽度，同時(shí)提高土壤細(xì)菌群落的豐富度和多樣性并優(yōu)化其群落結(jié)構(gòu)?？紤]經(jīng)濟(jì)成本和實(shí)際效果，以蚯蚓糞與濱海鹽漬土體積比為1 ∶20～2 ∶20對(duì)海南濱海鹽漬土的改良效果較好。