近年来,工业发展迅猛,我国农业走上高投入高产出发展之路。由此引发了多种环境问题,如土壤肥力下降、水资源污染和大气雾霾渐重等,农业发展面临重大阻碍
[1]。而土壤作为农业的基础,是整个生态系统不可缺少的基本要素,是人类社会经济发展的重要资源。近年来农药化肥的乱用滥用,造成全球土壤板结、重金属污染、沙漠化扩大和酸碱失衡、有益微生物减少等多重问题
[2]。我国的土壤问题尤为严峻,西北地区荒漠化严重,沙土面积逐渐扩大,沙土保水保肥能力差;南方地区降雨多,常年湿热,酸土易形成,土壤缺乏营养元素,植物难以生长;内蒙古地区耕地盐碱化严重,部分土地为重盐碱地,板结严重
[2]。可见我国土壤的生态可持续发展已受到威胁,故采用环境友好型农业技术改良土壤是亟待解决的重大课题
[3-5]。
施用有机改良剂可以改善土壤的理化和生物学性质
[6],农用酵素就是其中之一
[7]。农用酵素是将糖、有机废弃物和水按照1∶3∶10(质量比)的比例在密闭容器中发酵3个月以上经过滤得到的一种棕黄色有酸味的发酵产品
[8-9]。农用酵素以有机废弃物为底物经过微生物发酵形成复杂且稳定的具有多元功能的生态系统,它含有大量作物需要的营养物质,如氨基酸、葡萄糖、维生素与矿物元素,还包括调节作物生长的植物激素、抗菌物质、益生菌及其代谢产物等
[10-12]。有研究表明,农用酵素对土壤中的钾素、磷素、氮素和有机质的提高有一定效果
[13-15]。长期施用还可增加土壤中蚯蚓数量,能有效改善土壤孔隙度等物理性质,从而使土质疏松,土壤结构得到改良
[16-17]。此外,农用酵素能一定程度改善菠菜、辣椒、草莓和水稻等多种作物农艺指标,提高产品品质
[18-21]。上述试验均以常规土壤为对象,而关于农用酵素对问题土壤的改良效果的研究报道匮乏。此外,农用酵素作为微生物发酵产品,施用后对土壤微生物的影响还罕有研究。因此,农用酵素对土壤的改良机制更不明晰。本研究以沙土、酸土和盐碱土为研究对象,通过对土壤理化性质、微生物组成测定评价农用酵素对3种土壤的改良效果,并通过生物信息学技术分析并明确农用酵素对土壤的改良机理,旨在探究农用酵素改良土壤的可行性,并对其在农业上的应用提供科学依据和理论指导。
1 材料与方法
1.1 试验材料
劣质稷山板枣、红糖和水按照1∶3∶10(质量比)装于发酵罐中,混匀30 ℃恒温厌氧发酵3个月,固液分离后取液态部分用于后续土壤改良试验,其理化性质见
表1。
沙土、酸土和盐碱土分别采集于新疆和田塔克拉玛干沙漠、江西南昌和内蒙古沙土苏尼特右旗,分别记做沙土(SS)、酸土(AS)和盐碱土(SaS)。将新鲜土样迅速转移到实验室,所有土样在室温下干燥,每日混匀确保水分散失;干燥后过4 mm筛获得均匀土样,随后置于20 ℃保存。对土样进行理化和生物学性质测定(
表2)。
1.2 试验设计
本试验设置了5个处理,分别为:T1,清水(对照);T2,V(农用酵素)∶V(水)=1∶250;T3,V(农用酵素)∶V(水)=1∶500;T4,V(农用酵素)∶V(水)=1∶750;T5,农用酵素原液,每个处理设7次重复。上述土壤按相同总固体含量(TS)置于盆中(下径58 mm×上径88 mm×盆高133 mm)。盆底铺有报纸,防止土壤流失并保持空气畅通。试验期间每隔2 d称重并及时补充水分保持含水量为60%。每隔5 d施用1次农用酵素,试验期间共处理6次,农用酵素用量共30 mL。试验期间室内平均温度为18~25 ℃。试验结束后土样混匀分为2份,一份风干后用于土壤基本理化性质测定,另一份经液氮处理后立即送样进行高通量测序。
1.3 测定指标
1)理化性质:利用Mettler Toledo(瑞士)的FE-20pH/Mv台式微量pH计(梅特勒,瑞士)按土水质量比1∶5进行测定,土壤水分含量(Wc)测定采用恒温箱烘干法,电导率采用Mettler Toledo(瑞士)的FE-30电导率仪进行测定,全氮(TN)采用凯氏定氮法测定,全磷(TP)采用浓硫酸-钼锑抗比色法测定,全钾(TK)采用浓硫酸-火焰光度法测定,氨氮硝氮采用水杨酸-硫酸比色法,速效磷采用NaHCO
3-钼锑抗比色法,速效钾采用NH
4OAc-火焰光度法测定,总碳(TC)采用重铬酸钾容量法测定。碳氮比(C/N) =TC/TN,有机质质量分数(g/kg)=有机碳×1.724。以上参考Fernández-Delgado等
[6]的方法进行测定。
2)高通量测序:土壤样品经液氮处理后送交上海派森诺生物科技有限公司完成高通量测序。主要包括以下步骤:提取微生物总DNA,目标片段PCR扩增,扩增产物回收纯化,扩增产物荧光定量,测序文库制备,上机测序。细菌通用引物为 338F和806R (ACTCCTACGGGAGGCAGCAG 和 GGACTACHVGGGTWTCTAAT),真菌通用引物为ITS5F和ITS1R(GGAAGTAAAAGTCGTAACAAGG和GCTGCGTTCTTCATCGATGC)。
1.4 数据处理
数据处理和统计分析使用EXCEL、SPSS 20、Canoco for Windows 4.5软件。使用 SPSS 23.0进行单因素方差分析,P<0.05表示差异显著。
2 结果与讨论
2.1 农用酵素对土壤理化性质的影响
2.1.1 农用酵素对土壤基本性质的影响
农用酵素对土壤pH的影响与土壤类型相关(
图1(a))。沙土和盐碱土原始pH均较高,施用未稀释的农用酵素可显著降低其pH(
P<0.05)。但对试验前pH仅有4.65的酸土影响并不显著(
P>0.05)。与CK相比,农用酵素稀释250、500和750倍对3种土壤的pH的影响不显著(
P>0.05),而原液对pH的影响较为明显(
P<0.05)。沙土与盐碱土原始的pH分别为9.63和10.37,经过农用酵素原液为期1个月的短暂改良后pH分别降至6.42和7.77,这与前人的研究结果相似
[22-23]。农用酵素经发酵后体系中含有大量有机酸,pH值在4以下(pH=3.48),表现出强烈的酸性性质,施用于土壤后能与土壤中的碱性成分发生反应,有效降低土壤的pH。由
图1(b)可知,农用酵素对土壤有机质含量的影响与pH规律基本相同。相较于CK,稀释250、500和750倍处理间差异不显著(
P>0.05)。农用酵素原液表现特殊,可显著提高3种土壤的有机质含量(
P<0.05)。原始沙土中有机质质量分数最低,仅为3.05 g/kg,农用酵素将其提高了近8倍,高达21.64 g/kg。这是由于农用酵素以红枣为发酵底物,并添加了适量的红糖,酵素本身有机质含量比较高,直接施用于土壤可使土壤中的碳含量增高,有机质含量也随之增加
[15, 24]。农用酵素对土壤碳氮比的影响与土壤类型相关性不明显(
图1(c))。高浓度农用酵素(原液及250倍稀释液)可提高沙土和盐碱土的碳氮比(C/N)(
P<0.05),但对酸土影响并不显著(
P>0.05)。这可能与沙土中总碳含量较低,盐碱土中高碳低氮的土壤性质有关,农用酵素的使用引入了大量的碳源,从而提升了这2种土壤的碳氮比
[25-26]。而对于碳含量较高的酸土,农用酵素并未展现出可提高其碳氮比的效果(
P>0.05)。土壤电导率是土壤提取液中的阴离子和阳离子的总和,代表了土壤的含盐量
[22]。与CK相比,稀释后的农用酵素不会引起土壤电导率的改变,而原液的施用显著增加了3种土壤的电导率(
P<0.05)。这可能是农用酵素中含大量离子,自身电导率较高的原因(
图1(d))。
2.1.2 农用酵素对土壤养分含量的影响
土壤养分为植物生长提供必须的营养元素,是评价土壤的重要指标
[5]。农用酵素对土壤养分含量的影响见
表3。对沙土而言,与CK相比,仅有农用酵素原液可显著增加土壤TN和TP的含量(
P<0.05),对其他指标(TK、NH
4+-N、NO
3--N、AP和AK)含量的影响不大(
P>0.05),这与前人的研究结果一致
[27]。对酸土而言,农用酵素原液可显著提高TN、TP和TK的含量(
P<0.05)。值得注意的是4种不同稀释倍数的农用酵素对土壤中AP含量具有显著提升作用(
P<0.05)。对于盐碱土,与CK相比,未稀释的农用酵素可提高盐碱土土壤中TP和TK的含量(
P<0.05),高浓度的农用酵素(原液和250倍稀释)对NO
3--N含量有明显提升作用(
P<0.05),但同时会导致NH
4+-N含量的降低
[18]。农用酵素对3种土壤的AK无显著影响(
P>0.05)。
2.1.3 农用酵素对土壤理化性质的主成分分析
不同稀释倍数农用酵素对3种土壤化学性质的综合影响见
图2。3种类型的土壤可以很好的分离聚类,这说明农用酵素对土壤的改良效果与土壤性质相关性较高。但每组中有一个实心样本(农用酵素原液)与其他几个空心样本(稀释后的农用酵素)距离很远,这说明农用酵素对土壤的改良效果较为显著。
2.2 农用酵素对土壤微生物的影响
2.2.1 农用酵素对土壤细菌的影响
为了探究农用酵素对土壤细菌多样性的影响,选取对土壤理化性质影响最为显著的农用酵素原液处理进行高通量测序。沙土、酸土和盐碱土的空白对照和未稀释的农用酵素处理后的土壤样本分别记作SS1、SS2、AS1、AS2、SaS1和SaS2。
Chao1和ACE是评估群落中OTU总数的指标,数值越大代表物种总数越多,丰富度越高
[13]。农用酵素施用后,Chao1和ACE均有所下降,这说明农用酵素会降低土壤丰富度
[28]。Shannon指数越大,表示物种的多样性越高;而Simpson数值范围在0~1之间,Simpson值为0,则表示物种多样性最小。由
表4可知农用酵素处理后Shannon和Simpson均降低,说明物种丰度及均匀度均降低
[12, 29]。
Venn图可反映出样品间共有和特有的OUT数目,可直观的表现出样品间OUT的重叠情况
[13]。如
图3所示,SS1与SS2、AS1与AS2、SaS1与SaS2的OTU重叠数为分别为24、512和311,说明24、512和311个OUT是参与农用酵素改良沙土、酸土和盐碱土过程中主要细菌。此外,农用酵素的施用导致土壤特有的OUT数目降低,这也进一步说明农用酵素会降低土壤中微生物多样性
[29]。
为了进一步探究农用酵素土壤改良过程中细菌的变化,本研究筛选丰度>1%的前20种细菌并对其丰度进行比较(
图4)。SS1和SS2(沙土)中的主要细菌门相同,但酵素改良后,Proteobacteria降低,Fimicutes上升;属水平上,对照组(SS1)中以
Pseudomonas为主,农用酵素改良后则以
Lactobacillus和
Acetobacter为优势菌群。对于酸土,对照组(AS1)在门水平上以Proteobacteria,Chloroflexi,Acidobacter,Fimicutes,Actinobacter为主,但施用酵素后(AS2),物种多样性下降,Proteobacteria和Fimicutes为优势菌群;属水平上,施用农用酵素后
Lactobacillus,
Acetobacter,
Pseudomonas占优势地位。对于盐碱土,主要微生物类群在农用酵素改良前后变化不显著,但Fimicutes有所增加;属水平上,农用酵素施用后
Acetobacter,
Kocuria,
Planococcus,
Alkalibacterium相对丰度较高。
2.2.2 农用酵素对土壤真菌的影响
农用酵素处理对土壤真菌的影响是颠覆性的。
图5是农用酵素处理后微生物的丰度等级曲线,其中折线在横轴上的长度反映了该样本中OTU数的多少,代表了群落的丰富度,折线越长,该样本中的OTU数越多。折线的平缓程度则反映了群落组成的均匀度,折线越平缓,群落组成的均匀度越高;折线越陡峭,则群落中各OTU间的丰度差异越大,均匀度越低。由
图5可知,农用酵素使用后,3种土壤真菌的OUT丰度等级曲线横轴上的投影变少且较为陡峭,这说明酵素的施用对土壤中真菌的群落组成影响较为显著,显著降低了土壤中真菌的丰富度和均匀度。之前的研究发现农用酵素对农业病原真菌确有抑制作用,如灰葡萄孢菌(
Botrytis cinerea)及尖孢镰刀菌(
Fusarium oxysporum)等,这说明农用酵素可对真菌危害较大的土壤进行生物防控
[7, 10]。
2.3 土壤性质和微生物间的冗余(RDA)分析
由
图6可知,对照组(SS1、AS1和SaS1)与处理组(SS2、AS2和SaS2)分布于坐标轴两侧,这说明农用酵素原液的施用对3种土壤(沙土、酸性土和盐碱土)性质的影响显著。其中,pH与对照组呈正相关,TN、TK、TP、AK、AP、NO
3--N、NH
4+-N、OM、C/N、EC与处理组呈正相关,这说明农用酵素的施用降低了土壤pH的同时增加了土壤中养分的含量。农用酵素以有机废弃物为发酵底物,发酵成熟后含有大量的有机酸和氮磷钾等植物所需要的养分,施用于土壤后会导致土壤pH降低和养分含量的提升。土壤酸碱性是影响土壤养分及养分有效性的重要因素之一,大量的研究表明偏中性(pH=6.5~7.0)的土壤中养分有效性最高
[14]。
图6显示pH与土壤养分等理化性质呈负相关关系,这是因为强酸性的农用酵素施用于土壤后可使初始pH较高的土壤的酸碱性有效降低,这会增强土壤养分有效性。此外,土壤养分的结构与微生物的组成息息相关。
图6显示TP对土壤微生物群落结构影响最大,与
Ascomycota,
Firmicutes,
Proteobacteria,
Rozellomycota呈正相关,与
Chloroflexi,
Acidobacteria,
Actinobacteria,
Basidiomycota,
Bacteroidetes,
Gemmatimonadetes,
Saccharibacteria,
Nitrospirae呈负相关。综上,可推测出农用酵素通过降低土壤pH、增加土壤养分含量和定殖酵素有益微生物来达到改良土壤的目的。
3 结论
农用酵素是经过微生物发酵形成的复杂而稳定的具有多元功能的生态系统,pH<4,且含有大量作物需要的营养物质,可作为土壤改良剂应用。本研究共得出以下结论∶1)农用酵素对酸土、沙土和盐碱土有明显改良作用,可平衡土壤酸碱性、提高土壤养分(氮磷钾)及有机质含量,此外,农用酵素中的有益微生物可在土壤中有效定殖。2)在本试验条件下,除施用农用酵素原液外,稀释倍数对土壤改良效果有限,仅个别处理(V(农用酵素)∶V(水)=1∶250)可增加沙土和盐碱土的碳氮比;此外,稀释后的农用酵素会使土壤的电导率降低。3)农用酵素对土壤中的真菌具有强力抑制作用,可用于对土壤病原真菌的生物防控。综上,农用酵素可作为土壤改良剂,针对土壤不同的突出问题进行改良,以提高土壤品质,具有广泛的应用前景。
国家重点研发计划项目(2022YFD1300600)