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      有機水溶肥對牡丹脂肪酸含量、土壤碳活性與利用的影響

      2024-01-01 00:00:00周霞李成忠梁大剛
      江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2024年4期

      摘要:采用田間試驗,以牡丹品種紫斑為試驗材料,施用化肥液態(tài)肥(LF)、沼液提取物(T1)、牛糞提取物(T2)、廚余垃圾提取物(T3)、海藻提取物(T4)、病死動物提取物(T5)有機水溶肥,以不施肥為對照(CK),探索不同有機水溶肥對牡丹籽粒脂肪酸組分、土壤有機碳含量及微生物碳利用的影響。結(jié)果表明,在紫斑中共檢測到16種脂肪酸,包含9種飽和脂肪酸、4種單不飽和脂肪酸以及3種多不飽和脂肪酸,其中α-亞麻酸(C18:3n3)與亞油酸(C18:2)含量較高。有機水溶肥處理提高了紫斑脂肪酸、土壤有機碳組分含量及微生物碳利用效率,以T1處理整體較優(yōu)。T1處理下土壤總有機碳(SOC)、活性有機碳組分(MBC、DOC、ROC)、平均顏色變化率、不同碳源利用效率均具有較大值,C18:2、C18:3n3含量較其他處理分別提高0.532~8.040、0.956~8.431百分點。冗余分析(RDA)結(jié)果進一步表明,土壤碳指標(biāo)(SOC、MBC、DOC、ROC)與碳源利用存在密切關(guān)系。綜上,施用沼液提取物有機水溶肥可有效提高土壤活性有機碳含量及微生物碳利用效率,促進脂肪酸累積,是應(yīng)用于紫斑牡丹種植的最佳有機水溶肥處理。

      關(guān)鍵詞:有機水溶肥;紫斑牡丹;脂肪酸組分;活性有機碳;微生物碳利用

      中圖分類號:S685.110.6" 文獻標(biāo)志碼:A

      文章編號:1002-1302(2024)04-0239-06

      收稿日期:2023-08-04

      基金項目:江蘇省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)(花卉)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)項目(編號:JATS[2022]393);江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院科研項目(編號:11710120032)。

      作者簡介:周 霞(1983—),女,江蘇泰州人,碩士,副教授,主要從事植物資源保護與利用研究。

      通信作者:李成忠,博士,教授,主要從事植物資源與利用及栽培研究。E-mail:lichengzhong@126.com。

      牡丹(Paeonia suffruticosa Andr.)為毛茛科(Ranunculaceae)芍藥屬(Paeonia)多年生灌木,具有較高的觀賞、藥用與醫(yī)美等綜合利用價值,現(xiàn)為全球廣泛種植的花卉品種[1]。油用牡丹是牡丹組植物中種籽出油率大于22%的牡丹品種,其與油茶樹、橄欖樹、油桐樹及棕櫚樹等植物被稱為新興木本油料植物[2-3]。木本植物籽油含有人體必需的 α-亞麻酸等不飽和脂肪酸,具有良好的改善心血管、抗菌及抗腫瘤等功效[4]。近年來,油用牡丹已成為我國華南、西南和西北多區(qū)域大面積種植的木本植物油用類型。施肥是人為影響油用牡丹籽粒產(chǎn)量和品質(zhì)的主要措施,然而長期施用化肥,植物養(yǎng)分利用率、產(chǎn)量及品質(zhì)呈遞減趨勢[5]。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織統(tǒng)計,50%以上的化學(xué)氮肥、磷肥和鉀肥無法被植物有效利用而產(chǎn)生流失[6]。降低化肥使用量及尋找化肥替代品已成為未來農(nóng)業(yè)發(fā)展方向之一。

      研究表明,長期使用有機肥料可改善培肥地力、提高肥料利用率、減少作物病害及促進植物生長[7],然而目前關(guān)于有機肥種類的研究主要集中于傳統(tǒng)的固體有機肥料產(chǎn)品,如秸稈和固態(tài)塊狀糞肥。在牡丹的田間生產(chǎn)中,施用有機肥料并非常規(guī)的施肥措施,其主要原因與牡丹養(yǎng)分需求期短而有機肥肥效慢有關(guān)[8]。有機水溶肥通常提取自天然產(chǎn)品,施用稀釋的液體劑量仍表現(xiàn)出較高的養(yǎng)分活性[9]。與傳統(tǒng)的固態(tài)有機肥料相比,提取物的有機水溶肥有機質(zhì)含量更高,養(yǎng)分種類更全面,養(yǎng)分活化更快,同時具有化肥肥效迅速和有機肥養(yǎng)分齊全的共同特點[10-11]。此外,有機水溶肥含有多種功能物質(zhì),如有機酸、腐殖酸和黃腐酸以及其他生物活性物質(zhì),可作為植物的生物刺激劑[12]。周金燕等研究表明,從魚蝦中提取的有機水溶肥可顯著促進杭白菊苗期根系的形態(tài)特征,增強光合作用,調(diào)節(jié)植株的碳氮比從而促進發(fā)育代謝[13]。

      根際是土壤微生物棲息的重要生態(tài)位區(qū)域,是根系與微生物交流的主要微域,被稱為植物的“第二基因組”[14]。土壤的生態(tài)過程表現(xiàn)為植物根系、土壤養(yǎng)分和根際微生物之間復(fù)雜的相互作用。根際土壤微生物活動在養(yǎng)分循環(huán)和土壤保肥保水中發(fā)揮著關(guān)鍵作用,可進一步促進養(yǎng)分活化、養(yǎng)分周轉(zhuǎn)和植物生長發(fā)育[15]。Biolog微孔板是檢測土壤微生物功能多樣性的重要技術(shù),可反映微生物的活性及多樣性[16]。微生物碳利用和碳活化能力對于評估液體有機肥料的養(yǎng)分有效性至關(guān)重要。本研究基于沼液、牛糞、病死動物、海藻以及餐余垃圾的有機提取物,探索了不同有機水溶肥對土壤有機質(zhì)、微生物碳源代謝及牡丹籽粒脂肪酸品質(zhì)的影響。研究結(jié)果可為兼顧環(huán)境效益和農(nóng)藝效益的科學(xué)施肥實踐提供理論依據(jù)。

      1 材料與方法

      1.1 供試地點與材料

      試驗于2021年11月至2022年8月于江蘇省常州市武進區(qū)禮嘉鎮(zhèn)龐家村十車垛(120°01′68″E,31°59′23″N)進行。試驗地屬亞熱帶季風(fēng)氣候,年均降水量1 180 mm,年均日照2 330 h,年均溫28 ℃,全年無霜期226 d。供試田塊土壤為黃褐土,耕作層土壤信息為:酸堿值(pH值) 6.34,有機質(zhì)含量 20.45 g/kg,堿解氮、有效磷及速效鉀含量分別為 49.56、18.37、90.36 mg/kg。

      供試牡丹品種為定植4年的紫斑。供試普通化肥為牡丹液態(tài)肥(N、P2O5、K2O含量分別為15%、1%、10%),購自南京禾稼春生物科技有限公司。沼液提取物有機水溶肥(N、P2O5、K2O含量分別為10%、2%、5%),購自江蘇綠匯宿動實業(yè)有限公司;牛糞提取物有機水溶肥(N、P2O5、K2O含量分別為17%、2%、10%)、海藻提取物有機水溶肥(N、P2O5、K2O含量分別為7%、1%、4%),購自江蘇威博生物科技有限公司;病死動物提取物有機水溶肥(N、P2O5、K2O含量分別為20%、1%、14%),來自江蘇省有機固體廢棄物資源化協(xié)同創(chuàng)新中心;廚余垃圾提取物有機水溶肥(N、P2O5、K2O含量分別為11%、4%、4%),購自湖南浩博有機農(nóng)業(yè)有限公司。

      1.2 試驗設(shè)計

      試驗設(shè)置7個處理(表1),CK:不施肥;LF:施用牡丹化學(xué)液態(tài)肥;T1:沼液提取物有機水溶肥;T2:牛糞提取物有機水溶肥;T3:廚余垃圾提取物有機水溶肥;T4:海藻提取物有機水溶肥;T5:病死動物提取物有機水溶肥。每個處理重復(fù)3次,共21個小區(qū)。栽植密度4.95萬株/hm2,行距×株距為65 cm×30 cm,相應(yīng)施肥處理以牡丹種植343.2 kg/hm2最佳純氮用量[17]為標(biāo)準(zhǔn)進行施用量換算。于2021年11月、2022年1月、2022年3月分3次施入,施用比例為4 ∶4 ∶2。

      1.3 指標(biāo)測定與分析

      1.3.1 籽粒脂肪酸組分含量測定 脂肪酸組含量參照GB 5009.168—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中脂肪酸的測定》測定。稱取樣品2.00 g,并加入1 mL稀硫酸(5%)和2 mL甲醇,在80 ℃恒溫中進行甲酯化反應(yīng)5 min,采用渦旋混勻器(HD-2500,山東歐萊博儀器有限公司)充分溶解45 s;接著加入1.0 mL 1 moL/L 的甲醇溶液,采用渦旋混勻器進行2次混勻溶解45 s,靜置10 min;采用去離子水進行轉(zhuǎn)移。采用氣相質(zhì)譜儀(API5000,美國戴安公司)測定,色譜條件及質(zhì)譜條件參照鄭雅琪等的研究[18]。

      1.3.2 土壤有機碳及其組分含量測定 土壤活性有機碳指標(biāo)的測定參照張文麗等的方法[19]進行??扇苄杂袡C碳(DOC)、微生物生物量碳(MBC)及易氧化有機碳(ROC)分別采用蒸餾水浸提法、三氯甲烷熏蒸法及高錳酸鉀氧化法測定,DOC、MBC、ROC及總有機碳(TOC)皆采用TOC自動分析儀(HTY-DI1000C,浙江泰林生物技術(shù)股份有限公司)測定。

      1.3.3 土壤微生物功能測定 油用牡丹種植土壤微生物功能測定采用Biolog-Eco微孔板法進行。稱取5.00 g根際土壤,加入45 mL無菌85%氯化鈉溶液混合,以500 次/min往復(fù)振蕩30 min、低速(180 r/min)離心5 min,吸取150 μL上清液添加至孔微板孔中,其后續(xù)培養(yǎng)操作參照Yu等的研究[6]。土壤微生物代謝碳源類型分為6種底物來源:胺類化合物、碳水化合物、羧酸化合物、芳香化合物、氨基酸化合物、多聚化合物。微孔板在25 ℃下孵育192 h,每隔12 h記錄微孔液體的吸光度D590 nm。

      1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

      采用SPSS 22.0進行單因素方差分析(One-Way ANOVA),鄧肯法檢驗不同處理間的差異顯著性(α=0.05),所有圖形皆采用Origin 9軟件繪制。

      2 結(jié)果與分析

      2.1 有機水溶肥對油用牡丹籽粒脂肪酸組分含量的影響

      由表2可知,在紫斑牡丹中檢測到16種脂肪酸,其中9種飽和脂肪酸(C10:0、C12:0、C14:0、C16:0、C18:0、C20:0、C21:0、C22:0、C24:0)、4種單不飽和脂肪酸(C14:1、C16:1、C18:1、C20:1)以及3種多不飽和脂肪酸(C18:2、C18:3n3、C20:5n3);且不同有機水溶肥對紫斑牡丹籽粒飽和脂肪酸組分含量產(chǎn)生了一定影響。在9種飽和脂肪酸(SFA)中,以C16:0、C18:0含量最高,分別為5.701%~6.741%、1.214%~1.721%;在C16:0、C18:0中,與不施肥處理(CK)相比,LF均顯著升高;與化學(xué)液態(tài)肥處理(LF)相比,不同有機水溶肥處理(T1~T5)在C16:0、C18:0中變幅分別為-0.453~0.416、-0.308~0.071百分點,且二者含量均以T1、T2處理存在較大值。各處理花生酸(C20:0)含量規(guī)律與C16:0、C18:0規(guī)律基本一致。在癸酸(C10:0)、肉豆蔻酸(C14:0)中則整體以T1~T5含量高于CK、LF處理。在C12:0、C21:0、C22:0、C24:0中,各處理含量差距較小,處理間均無顯著差異。

      在4種單不飽和脂肪酸(MUFA)中,以油酸(C18:1)含量占據(jù)絕對優(yōu)勢,其含量為19.459%~23.337%,且有機水溶肥處理含量皆高于CK、LF,其中以T1處理C18:1含量最高,顯著大于CK、LF。在棕櫚烯酸(C16:1)、二十碳烯酸(C20:1)中,亦以施肥處理(LF、T1~T5)含量高于CK;在肉豆蔻烯酸(C14:1)中,施肥處理含量均小于CK,但各處理差距較小,兩兩處理間均無顯著差異。在3種多不飽和脂肪酸(PUFA)中,組分含量表現(xiàn)為二十碳五烯酸(C20:5n3)<亞油酸(C18:2)<α-亞麻酸(C18:3n3),且在上述PUFA組分中,T1處理下亞油酸(C18:2)、α-亞麻酸(C18:3n3)具有較大值,較其他處理增加0.532~8.040、0.956~8.431百分點。

      2.2 有機水溶肥對土壤有機碳及活性有機碳含量的影響

      由圖1可知,各處理土壤總有機碳(SOC)含量高低順序表現(xiàn)為CK<T4<LF<T3<T5<T1<T2,與CK相比,施肥處理SOC含量提高15.47%~108.02%,其中除T4與CK無顯著差異外,其他施肥處理皆顯著大于CK處理。在活性有機碳組分中,各組分含量表現(xiàn)為易氧化有機碳(ROC)<溶解性有機碳(DOC)<微生物量碳(MBC),且在任一活性有機碳組分中,各處理均呈CK<LF<T1~T5,LF處理均顯著大于CK;與LF相比,有機水溶肥處理(T1~T5)在ROC、DOC、MBC指標(biāo)中分別顯著提高39.68%~68.71%、5.99%~12.36%、12.19%~47.80%,其中以T1、T5整體存在較大值。

      2.3 有機水溶肥對土壤微生物碳源代謝活性的影響

      由圖2可知,在培養(yǎng)的0~48 h內(nèi),牡丹根際土壤的平均顏色變化率(AWCD)較低,之后開始急劇提高;培養(yǎng)48 h后,T1和T2處理具有較高的AWCD,而CK處理表現(xiàn)出最低的AWCD。與CK相比,添加有機水溶肥均明顯提高了AWCD。培養(yǎng)196 h時,有機水溶肥處理下根際土壤AWCD分別是CK處理土壤的2.37、2.27、1.59、1.34、1.79倍。由此可見,添加有機水溶肥改善了紫斑牡丹根際土壤微生物群落的功能。此外,T1、T2最有益于提高AWCD;培養(yǎng)196 h時,T3、T4的AWCD與LF處理相比差異較小。T5在培養(yǎng)初期的AWCD低于LF處理,但在培養(yǎng)結(jié)束時的AWCD明顯高于LF。

      2.4 有機水溶肥對土壤微生物不同碳源類型利用能力的影響

      由圖3可知,土壤微生物不同碳源類型的D590 nm中,各組分表現(xiàn)為碳水化合物gt;羧酸化合物gt;氨基酸化合物gt;多聚化合物gt;胺類化合物gt;芳香化合物,而不同處理影響了土壤微生物對不同碳源的利用能力。T1處理條件下土壤微生物對碳水化合物、胺類化合物、氨基酸化合物的利用能力最強,其他處理較T1分別降低28.08%~59.75%、5.51%~42.91%、16.42%~57.58%,其中T1對碳水化合物、氨基酸化合物的利用能力均顯著大于其他處理。羧酸化合物利用強度中,各處理表現(xiàn)為 CK<T4<LF<T3<T5<T1<T2,與T2相比,其他處理顯著降低21.84%~70.93%。T5對多聚化合物、芳香化合物的利用能力最佳,其多聚化合物利用能力顯著大于CK、LF、T2、T3、T4,芳香化合物利用能力則顯著大于CK、LF、T1處理。

      2.5 土壤碳指標(biāo)與微生物碳源代謝能力的冗余分析

      由圖4可知,軸1(RDA1)為47.47%形成橫軸,軸2(RDA2)占19.55%構(gòu)成縱軸,二者總貢獻率為67.02%,表明不同處理可在67.02%上解釋土壤微生物對碳源底物的利用差異。土壤微生物對芳香化合物(Phen)、多聚化合物(Poly)、碳水化合物(Carh)、

      氨基酸化合物(Amoa)、羧酸化合物(Carx)及胺類化合物(Amin)的利用能力與土壤總有機碳(SOC)、易氧化有機碳(ROC)、溶解性有機碳(DOC)、微生物量碳(MBC)含量均呈密切正相關(guān)關(guān)系??梢姡袡C水溶肥能夠通過影響土壤碳組分從而介導(dǎo)土壤微生物對土壤碳源的利用能力。

      3 討論與結(jié)論

      粗脂肪組成、含量及脂肪酸組分比例是反映籽粒的含油量、經(jīng)濟效益及營養(yǎng)價值的重要體現(xiàn)[5,20]。本研究中,通過比較脂肪酸甲酯標(biāo)準(zhǔn)品在牡丹籽粒中共鑒定出16種脂肪酸,其中包括9種飽和脂肪酸(SFA)、4種單不飽和脂肪酸(MUFA)、3種多不飽和脂肪酸(PUFA),這與鄭雅琪等的研究結(jié)果[18]存在差異:本試驗中未檢測到十七烷酸(C17:0)、十七烯酸(C17:1)、二十二烯酸(C22:1),但檢測到未被報道過的月桂酸(C12:0)、棕櫚烯酸(C16:1)、癸酸(C10:0)等。本研究中,在脂肪酸組分中,以PUFA的亞油酸(C18:2,25.287%~33.327%)、α-亞麻酸(C18:3n3,40.543%~48.974%)含量最高,這與前人研究基本一致:C18:2、C18:3n3是牡丹籽粒含量最高的脂肪酸種類。C18:2、C18:3n3是人體的必需脂肪酸,具有降“三高”、調(diào)節(jié)免疫力等功效[21]。試驗數(shù)據(jù)表明,T1、T5的C18:2、C18:3n3含量較高,均顯著大于CK、LF,表明T1、T5有利于促進亞油酸、α-亞麻酸的合成。

      有機碳庫水平是影響土壤微生物代謝、碳氮周轉(zhuǎn)及生態(tài)碳循環(huán)的重要保證,其中活性有機碳組分含量變化對外部環(huán)境的響應(yīng)較為迅速,是反映瞬時土壤質(zhì)量和養(yǎng)分變化的主要指標(biāo)[22-23]。李瑞等的研究表明,施用沼液可改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu),增加土壤碳氮庫容量,提高土壤氮礦化勢,增強土壤養(yǎng)分供給能力[24]。李虎等的研究表明,玉米秸稈添加牛糞、豬糞皆可顯著提高土壤有機碳(SOC)、微生物生物量碳(MBC)、溶解性有機碳(DOC)、土壤易氧化有機碳(ROC),并提高碳庫活度指數(shù)[25]。本研究中,土壤總有機碳含量中,除T4外,其他有機水溶肥處理均高于CK、LF;而活性有機碳組分(MBC、DOC、ROC)中,有機水溶肥處理均顯著高于CK、LF。

      Biolog-Eco是測定碳底物利用率的重要技術(shù),可檢測土壤環(huán)境及功能微生物多樣性的短期變化情況[16,26]。本研究中,與CK、LF處理相比,施用有機水溶肥使牡丹根際土壤的平均顏色變化率(AWCD)分別提高了34.42%~136.87%和-6.77%~64.29%(圖2),其中T1的碳底物利用率最高,培養(yǎng)結(jié)束時AWCD比其他有機水溶肥處理高4.00%~43.25%。這與熊湖等的結(jié)果基本趨于一致:液態(tài)有機肥可顯著提高馬鈴薯根際土壤酶活性,刺激土壤碳基質(zhì)的利用效率[27]。前人研究表明,施用濃縮有機水溶肥可改善土壤質(zhì)量、提高養(yǎng)分有效性,進而影響土壤微生物功能的多樣性、土壤碳底物利用和植物生長的差異[28]。

      本研究中,有機水溶肥處理下,土壤微生物對6種碳源類型[碳水化合物(Carh)、羧酸化合物(Carx)、氨基酸化合物(Amoa)、多聚化合物(Poly)、胺類化合物(Amin)、芳香化合物(Phen)]的利用能力均高于CK和LF處理;這與前人研究結(jié)論基本一致:有機水溶肥可顯著促進微生物對碳源的利用效率,從而促進微生物繁殖、影響微生物群落構(gòu)成[9,29]。本研究中,T1處理下土壤微生物對Carh、Amin、Amoa的利用能力最強,在Carx、Poly、Phen的利用亦具有較大值。此外,冗余分析(RDA)表明,有機水溶肥處理下土壤微生物對6種碳源類型(Carh、Carx、Amoa、Poly、Amin、Phen))的利用能力與SOC、MBC、DOC、ROC含量均呈正相關(guān)關(guān)系(圖4),說明土壤微生物碳源利用能力與土壤有機碳指標(biāo)間具有協(xié)同關(guān)系。綜上,在油用牡丹種植過程中施用沼液有機水溶肥可有效提高土壤活性有機碳含量,提高土壤微生物對碳的利用能力,提高籽粒脂肪酸組分含量,是應(yīng)用于紫斑牡丹種植的最佳有機水溶肥處理。

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