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蚯蚓粪与土壤复配比例对基质微生物性状及韭菜生长和品质的影响

徐仲楠 王冲 朱逴 刘萌丽 刘林 王新宇 曹佳

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蚯蚓粪与土壤复配比例对基质微生物性状及韭菜生长和品质的影响

    作者简介: 徐仲楠 E-mail:40839854@qq.com;
    通讯作者: 王冲, E-mail:wangchong@cau.edu.cn

Effects of vermicompost and soil proportion on the microbial property of substrate and the growth and quality of leek

    Corresponding author: Chong WANG, E-mail:wangchong@cau.edu.cn ;
  • 摘要: 【目的】蚯蚓粪是蚯蚓消化有机废弃物产生的均匀颗粒,能够提升土壤肥力,改良土壤结构并促进作物生长。本文初探了蚯蚓粪与土壤的不同配比对基质微生物性状及韭菜生长和品质的影响,为蚯蚓粪的开发利用提供依据。 【方法】2015年4—6月在中国农业大学温室内进行盆栽试验,按蚯蚓粪、土壤质量比 (w/w) 设置4个处理,依次为:0/100% (纯土壤不添加蚯蚓粪,CK);20%/80% (T1);60%/40% (T2);100%/0 (T3)。韭菜收获后,测定了基质养分含量、微生物群落变化、韭菜生物量、可溶性蛋白总量、可溶性糖总量和叶绿素含量。 【结果】1) 随着蚯蚓粪添加比例的增加,基质中的全氮、速效钾和有机质的含量均显著提高;2)蚯蚓粪能显著促进韭菜根系生长,并改善韭菜品质。与对照相比,T1、T2和T3处理中韭菜新根比分别提高5.75%、6.39% 和22.23%;韭菜可溶性蛋白总量提升了1.84~5.97倍,可溶性糖总量提升了1.49~1.60倍 (P < 0.05);3)蚯蚓粪能显著提高基质中的细菌和真菌多样性,并显著增加细菌116、118、130、226、297片段 (P < 0.05),但减少了真菌71、91、153、351片段 (P < 0.05)。 【结论】蚯蚓粪改善了基质的微生物群落结构,提高细菌和真菌的多样性,增加养分有效性,进而促进韭菜生长并改善韭菜品质。蚯蚓粪直接用作基质的效果最好,但从经济角度考虑,蚯蚓粪与土壤按质量百分比20%/80%即可基本达到满意的效果。
  • 图 1  不同处理韭菜根系

    Figure 1.  The root growth of leek under different treatments

    图 2  不同蚯蚓粪基质微生物辛普森多样性指数

    Figure 2.  Microbial Simpson diversity index in substrate containing different proportion of vermicompost

    图 3  不同蚯蚓粪含量基质中细菌、真菌的群落组成

    Figure 3.  Community composition of bacteria and fungi in substrate with different proportion of vermicompost

    表 1  不同处理下基质中养分含量

    Table 1.  Nutrient content in substrates under different treatments

    处理
    Treatment
    全氮 (mg/kg)
    Total N
    速效钾 (mg/kg)
    Available K
    有机质 (%)
    Organic matter
    CK124.65 ± 0.76 d264.00 ± 1.86 d1.87 ± 0.04 d
    T1181.59 ± 4.30 c359.44 ± 15.85 c2.88 ± 0.14 c
    T2377.15 ± 13.16 b1130.21 ± 22.07 b6.93 ± 0.12 b
    T31048.78 ± 15.63 a3484.71 ± 43.52 a20.48 ± 0.35 a
    注(Note):同列数据后不同字母表示处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different letters in a column mean significant difference among treatments at the 5% level.
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    表 2  不同处理对韭菜产量和品质的影响

    Table 2.  Effects of different treatments on the yield and quality of leek

    处理
    Treatment
    地上部干重
    Shoot dry weight
    (g/pot, DW)
    地下部干重
    Root dry weight
    (g/pot, DW)
    可溶性蛋白总量
    Soluble protein
    (μg/plant)
    可溶性糖总量
    Soluble sugar
    (μg/plant)
    叶绿素含量
    Chlorophyll
    (mg/g)
    CK0.84 ± 0.07 b11.43 ± 0.97 b20.87 ± 1.77 c347.11 ± 19.95 b0.91 ± 0.04 a
    T11.07 ± 0.03 b12.84 ± 0.40 b38.52 ± 3.59 bc515.98 ± 46.18 ab0.94 ± 0.05 a
    T21.20 ± 0.16 b12.33 ± 0.89 b57.16 ± 10.22 b547.06 ± 97.6 a0.88 ± 0.07 a
    T31.95 ± 0.14 a16.82 ± 1.33 a124.52 ± 12.5 a555.58 ± 41.02 a0.93 ± 0.04 a
    注(Note):蛋白质、可溶性糖总量 = 植株体内蛋白质、可溶性糖含量 × 植株地上部鲜重 Total protein and soluble sugar = Plant protein, soluble sugar content × shoot fresh weight;同列数据后不同字母表示处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different letters in a column mean significant difference among treatments at the 5% level.
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    表 3  T-RFP细菌所属门类片段

    Table 3.  Segments of T-RFP bacterial

    细菌门类
    Bacterial class
    片段大小
    Fragment size
    放线菌门 Actinobacteria95、130、156、163
    酸杆菌门 Acidobacteria151、226
    拟杆菌门 Bacteroidetes95、332
    绿弯菌门 Chloroflexi130
    厚壁菌门 Firmicutes140、150、163、226
    芽单胞菌门 Gemmatimonadetes297
    浮霉菌门 Planctomycetes88
    变形菌门 Proteobacteria122、130、150、151、163
    不可培养 Uncultured51、116、118、327、344
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    表 4  基质细菌、真菌多样性指数与基质肥力的相关性

    Table 4.  Correlation between microbial diversity indices and fertility of substrates

    项目
    Item
    全氮
    Total N
    速效钾
    Available K
    有机质
    OM
    细菌辛普森指数
    Simpson index of bacteria
    0.645**0.642**0.630**
    真菌辛普森指数
    Simpson index of fungi
    0.567* 0.543* 0.550*
    注(Note):* 表示在 0.05 水平 (双侧) 上显著相关 Mean significant correlation at 0.05 level (bilateral);** 表示在 0.01 水平 (双侧) 上显著相关 Mean significant correlation at 0.01 level (bilateral).
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  • 收稿日期:  2018-05-09
  • 刊出日期:  2019-03-01

蚯蚓粪与土壤复配比例对基质微生物性状及韭菜生长和品质的影响

    作者简介:徐仲楠 E-mail:40839854@qq.com
    通讯作者: 王冲, wangchong@cau.edu.cn
  • 1. 中国农业大学资源与环境学院/生物多样性与有机农业北京重点实验室,北京 100193
  • 2. 植物−土壤相互作用教育部重点实验室,北京 100193

摘要: 目的蚯蚓粪是蚯蚓消化有机废弃物产生的均匀颗粒,能够提升土壤肥力,改良土壤结构并促进作物生长。本文初探了蚯蚓粪与土壤的不同配比对基质微生物性状及韭菜生长和品质的影响,为蚯蚓粪的开发利用提供依据。 方法2015年4—6月在中国农业大学温室内进行盆栽试验,按蚯蚓粪、土壤质量比 (w/w) 设置4个处理,依次为:0/100% (纯土壤不添加蚯蚓粪,CK);20%/80% (T1);60%/40% (T2);100%/0 (T3)。韭菜收获后,测定了基质养分含量、微生物群落变化、韭菜生物量、可溶性蛋白总量、可溶性糖总量和叶绿素含量。 结果1) 随着蚯蚓粪添加比例的增加,基质中的全氮、速效钾和有机质的含量均显著提高;2)蚯蚓粪能显著促进韭菜根系生长,并改善韭菜品质。与对照相比,T1、T2和T3处理中韭菜新根比分别提高5.75%、6.39% 和22.23%;韭菜可溶性蛋白总量提升了1.84~5.97倍,可溶性糖总量提升了1.49~1.60倍 (P < 0.05);3)蚯蚓粪能显著提高基质中的细菌和真菌多样性,并显著增加细菌116、118、130、226、297片段 (P < 0.05),但减少了真菌71、91、153、351片段 (P < 0.05)。 结论蚯蚓粪改善了基质的微生物群落结构,提高细菌和真菌的多样性,增加养分有效性,进而促进韭菜生长并改善韭菜品质。蚯蚓粪直接用作基质的效果最好,但从经济角度考虑,蚯蚓粪与土壤按质量百分比20%/80%即可基本达到满意的效果。

English Abstract

  • 蚯蚓粪是蚯蚓转化废弃物后的二次产物,为黑色、均一、有自然泥土味的细碎类物质,具有良好的孔性、通气性、排水性和高的持水性,蚯蚓粪具有很大的表面积,并具有良好的吸收和保持营养物质的能力[1],能够显著地降低土壤容重并增加土壤孔隙度,进而改良土壤结构[2]。蚯蚓粪还能促进种子的萌发生长[3],并促进矮牵牛地上部和地下部的干物质积累,进而增加花朵数量[4]。蚯蚓粪内部含有大量的微生物[5],可分泌生长素、细胞分裂素、赤霉素、吲哚酸等植物激素,促进作物生长,调控作物代谢[67]。蚯蚓粪中的微生物还可以显著提高土壤中氮、磷、钾等养分的生物有效性[8],进而提高土壤生物肥力、促进根系生长[9]、提高产量并改善作物品质[10]。研究表明,蚯蚓粪可以显著提高西瓜产量和品质[11],还可以提高草莓、樱桃萝卜和茼蒿中的糖和维生素C含量[1213],进而提升果蔬的品质。蚯蚓粪还可以促进作物对微量元素的吸收[14],其内部含有的大量的拮抗菌可通过产生挥发性有机化合物来杀灭或抑制植物病原真菌[15]、寄生线虫和其他害虫[1617],从而达到生物防治的效果。综上所述,蚯蚓粪作为一种新型的有机基质,具有非常广泛的应用前景,受到国内外学者的关注。本试验在土壤中添加不同质量比的蚯蚓粪,复配出韭菜的栽培基质并研究其对韭菜生长和品质的影响,同时研究了蚯蚓粪土壤基质中的微生物群落结构,为蚯蚓粪产品的开发提供一定的理论依据和技术支持。

    • 试验于2015年4—6月在中国农业大学温室内进行。本次试验所使用土壤取自中国农业大学校园内;韭菜根和蚯蚓粪均来自深州众翔蚯蚓养殖合作社;韭菜栽培方式为栽培新鲜韭菜根部。

    • 试验按照蚯蚓粪、土壤质量百分比(w/w),共设置4个处理:纯土壤不添加蚯蚓粪 (CK)、20%/80% (T1)、60%/40% (T2)、100%/0 (T3)。试验用盆为上口径25 cm、高15 cm的塑料盆,每盆装入混合基质3 kg。每个处理4次重复,共计16盆随机排列,水分管理方式为见干见湿,在韭菜生长期内不施加任何肥料。

    • 韭菜生长45天后进行取样。贴基质面用剪刀将韭菜分为地上部和地下部,分别洗净后用吸水纸吸干水分后放于纸袋,部分留样测定韭菜品质,部分置于烘箱中先用105℃杀青2 h,再用75℃烘干至恒重后称重;韭菜新根比计算为韭菜新根生物量占韭菜根系总生物量的比例。各盆基质过2 mm筛后充分混匀,部分存放于–80℃,用于分子生物学的测定,剩余的基质风干备用。有机质用浓硫酸−重铬酸钾外加热法[18]测定;全氮用半微量开氏法[18]测定;速效钾用NH4OAc浸提—火焰光度法[18]测定。叶绿素含量采用丙酮比色法[19]测定;可溶性蛋白采用考马斯亮蓝G-250法[19]测定;可溶性糖采用蒽酮比色法[19]测定。

      微生物群落结构采用末端限制片段长度多态性 (T-RFLP) 数据分析,相对峰面积 (Ap) = ni/N × 100 (式中ni为单个T-RF的峰面积,N为图谱中所有峰的面积的总和),计算单个T-RF的相对峰面积 (Ap)。本文Ap计算仅采用片段长度在50~500 bp区间的T-RF数值进行计算,且仅采用Ap值大于1%的T-RF进行统计分析,在统计时将差距 ± 1 bp的T-RF合并为同一片段,基质微生物多样性指数也基于此数据计算。

    • 试验数据采用Excel和SPSS 20.0软件统计分析;相关性分析为皮尔森相关,使用SPSS 20.0软件进行分析。

    • 添加蚯蚓粪显著增加了基质中全氮、速效钾及有机质含量 (P < 0.05),其中T3处理中的全氮、速效钾和有机质含量相较于CK分别显著增加了741.4%、1223.2%和994.6% (P < 0.05,表1)。

      处理
      Treatment
      全氮 (mg/kg)
      Total N
      速效钾 (mg/kg)
      Available K
      有机质 (%)
      Organic matter
      CK124.65 ± 0.76 d264.00 ± 1.86 d1.87 ± 0.04 d
      T1181.59 ± 4.30 c359.44 ± 15.85 c2.88 ± 0.14 c
      T2377.15 ± 13.16 b1130.21 ± 22.07 b6.93 ± 0.12 b
      T31048.78 ± 15.63 a3484.71 ± 43.52 a20.48 ± 0.35 a
      注(Note):同列数据后不同字母表示处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different letters in a column mean significant difference among treatments at the 5% level.

      表 1  不同处理下基质中养分含量

      Table 1.  Nutrient content in substrates under different treatments

    • 蚯蚓粪能够提高韭菜地上部和地下部的生物量 (P < 0.05,表2)。与CK处理相比,蚯蚓粪显著增加韭菜的新根比 (P < 0.05) (图1),并且T2和T3处理显著增加了韭菜的可溶性蛋白 (P < 0.05) 和可溶性糖含量 (P < 0.05,表2)。

      处理
      Treatment
      地上部干重
      Shoot dry weight
      (g/pot, DW)
      地下部干重
      Root dry weight
      (g/pot, DW)
      可溶性蛋白总量
      Soluble protein
      (μg/plant)
      可溶性糖总量
      Soluble sugar
      (μg/plant)
      叶绿素含量
      Chlorophyll
      (mg/g)
      CK0.84 ± 0.07 b11.43 ± 0.97 b20.87 ± 1.77 c347.11 ± 19.95 b0.91 ± 0.04 a
      T11.07 ± 0.03 b12.84 ± 0.40 b38.52 ± 3.59 bc515.98 ± 46.18 ab0.94 ± 0.05 a
      T21.20 ± 0.16 b12.33 ± 0.89 b57.16 ± 10.22 b547.06 ± 97.6 a0.88 ± 0.07 a
      T31.95 ± 0.14 a16.82 ± 1.33 a124.52 ± 12.5 a555.58 ± 41.02 a0.93 ± 0.04 a
      注(Note):蛋白质、可溶性糖总量 = 植株体内蛋白质、可溶性糖含量 × 植株地上部鲜重 Total protein and soluble sugar = Plant protein, soluble sugar content × shoot fresh weight;同列数据后不同字母表示处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different letters in a column mean significant difference among treatments at the 5% level.

      表 2  不同处理对韭菜产量和品质的影响

      Table 2.  Effects of different treatments on the yield and quality of leek

      图  1  不同处理韭菜根系

      Figure 1.  The root growth of leek under different treatments

    • 蚯蚓粪会显著调控基质中的微生物群落多样性和结构。随着蚯蚓粪施用量的增加,细菌、真菌辛普森指数均呈现上升趋势。T2、T3处理显著提升了细菌辛普森多样性指数 (P < 0.05) (图2)。并且随着蚯蚓粪的添加量增加,细菌片段116、118、130、226、297显著增加 (P < 0.05),而88、95、156、163、344片段显著降低 (P < 0.05)。真菌中,71、91、153、351片段显著降低 (P < 0.05),而336片段则显著增加 (P < 0.05) (图3)。通过查阅文献[2021],笔者对部分细菌片段所代表的细菌门类进行了大致的推测 (表3),发现蚯蚓粪增加了酸杆菌门、厚壁菌门及部分不可培养的细菌数量。

      图  2  不同蚯蚓粪基质微生物辛普森多样性指数

      Figure 2.  Microbial Simpson diversity index in substrate containing different proportion of vermicompost

      图  3  不同蚯蚓粪含量基质中细菌、真菌的群落组成

      Figure 3.  Community composition of bacteria and fungi in substrate with different proportion of vermicompost

      细菌门类
      Bacterial class
      片段大小
      Fragment size
      放线菌门 Actinobacteria95、130、156、163
      酸杆菌门 Acidobacteria151、226
      拟杆菌门 Bacteroidetes95、332
      绿弯菌门 Chloroflexi130
      厚壁菌门 Firmicutes140、150、163、226
      芽单胞菌门 Gemmatimonadetes297
      浮霉菌门 Planctomycetes88
      变形菌门 Proteobacteria122、130、150、151、163
      不可培养 Uncultured51、116、118、327、344

      表 3  T-RFP细菌所属门类片段

      Table 3.  Segments of T-RFP bacterial

    • 氮和钾是植物生长主要的营养元素,能够通过参与光合作用和蛋白质形成等生理过程调控植物生长[22]。蚯蚓粪中富含大量植物生长所需的营养物质,例如硝酸盐、磷酸盐、可溶性钾、钙、镁,释放后极易被作物利用[23],因此蚯蚓粪添加到土壤中可以提高养分含量。此外蚯蚓粪还含有大量的有益微生物,能够促进有机质的分解和养分的矿化,是植物营养元素的活性库[24]。本研究的相关性结果表明,基质中真菌和细菌的多样性与基质中全氮、速效钾和有机质的含量具有显著的正相关关系 (表4)。表明蚯蚓粪可能通过提升栽培基质的微生物多样性进而提升基质的养分含量。研究表明,酸杆菌在土壤氮素循环中起着重要作用[25],可以产生聚酮合成酶和非核糖体肽合成酶,这些酶催化铁载体合成,通过改善铁营养来刺激植物生长[26];厚壁菌则被认为是一个主要的共营养微生物群,在肥料降解中起着重要的作用[27]。由此可见,蚯蚓粪能够调节与土壤养分循环相关的微生物,进而提高了基质养分有效性,促进了韭菜的生长。

      项目
      Item
      全氮
      Total N
      速效钾
      Available K
      有机质
      OM
      细菌辛普森指数
      Simpson index of bacteria
      0.645**0.642**0.630**
      真菌辛普森指数
      Simpson index of fungi
      0.567* 0.543* 0.550*
      注(Note):* 表示在 0.05 水平 (双侧) 上显著相关 Mean significant correlation at 0.05 level (bilateral);** 表示在 0.01 水平 (双侧) 上显著相关 Mean significant correlation at 0.01 level (bilateral).

      表 4  基质细菌、真菌多样性指数与基质肥力的相关性

      Table 4.  Correlation between microbial diversity indices and fertility of substrates

    • 蚯蚓粪中含有的腐殖酸对植物的生长和产量具有明显的刺激作用[28],能够显著地增加作物株高、叶表面积及地下部干重[29]。此外,蚯蚓粪中还含有多种有机酸,当其随着蚯蚓粪进入土壤后,能够促进某些不溶矿物的溶解,进而增加土壤中有效养分的含量,促进作物的生长[30]。且蚯蚓粪中的大量细菌、真菌等微生物能够产生赤霉素、细胞分裂素等植物生长调节物质[31],因此本研究中纯蚯蚓粪基质的韭菜产量最高。

    • 蚯蚓粪加入土壤后,增加了微生物多样性,显著增加了基质养分含量,提升了养分的有效性,进而促进作物的生长,有利于韭菜生物量的积累,并改善韭菜品质。蚯蚓粪既可直接用作基质,也可以按照一定比例与土壤配合开发基质,提升韭菜的产量和品质。

参考文献 (31)

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