南京农业大学学报  2018, Vol. 41 Issue (3): 456-464   PDF    
http://dx.doi.org/10.7685/jnau.201709023
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文章信息

吕娜娜, 沈宗专, 王东升, 刘红军, 薛超, 李荣, 沈其荣
LÜ Nana, SHEN Zongzhuan, WANG Dongsheng, LIU Hongjun, XUE Chao, LI Rong, SHEN Qirong
施用氨基酸有机肥对黄瓜产量及土壤生物学性状的影响
Effects of amino acid organic fertilizer on cucumber yield and soil biological characters
南京农业大学学报, 2018, 41(3): 456-464
Journal of Nanjing Agricultural University, 2018, 41(3): 456-464.
http://dx.doi.org/10.7685/jnau.201709023

文章历史

收稿日期: 2017-09-12
施用氨基酸有机肥对黄瓜产量及土壤生物学性状的影响
吕娜娜1 , 沈宗专1 , 王东升1,2 , 刘红军1 , 薛超1 , 李荣1 , 沈其荣1     
1. 南京农业大学资源与环境科学学院/江苏省固体有机废弃物资源化高技术研究重点实验室/江苏省有机固体废弃物资源化协同创新中心/国家有机类肥料工程技术研究中心, 江苏 南京 210095;
2. 南京市蔬菜科学研究所, 江苏 南京 210042
摘要[目的]养殖场病死畜禽的无害化、资源化处理是减少环境污染、保障养殖业良性发展而亟需解决的关键问题之一。高温酸解病死畜禽制成的氨基酸液与普通有机肥复配制成氨基酸有机肥是实现病死畜禽无害化、资源化利用的重要途径之一。本研究旨在评估氨基酸有机肥对黄瓜产量及土壤生物学性质的影响。[方法]采用实时荧光定量PCR等技术手段,研究连续施用氨基酸有机肥对设施黄瓜产量、土壤理化性质、氮素循环微生物数量及土壤酶活性的影响。[结果]田间试验结果表明:与不施肥对照相比,氨基酸有机肥处理、单施化肥、施用鸡粪有机肥处理黄瓜分别增产48.2%、29.5%和30.6%。与不施肥对照相比,氨基酸有机肥处理能显著提高土壤pH值和铵态氮、硝态氮、有效磷的含量,而与其他施肥处理间差异较小。氨基酸有机肥处理土壤的氨氧化细菌数量显著高于不施肥对照,但显著低于其他施肥处理;反硝化nirK基因数量显著高于不施肥对照,而显著低于施用鸡粪有机肥处理;nirS基因数量显著高于不施肥对照及单施化肥处理。氨基酸有机肥处理土壤的过氧化氢酶及磷酸酶活性显著高于其他施肥处理和不施肥对照;脲酶活性显著高于不施肥对照但低于其他施肥处理;蔗糖酶活性显著高于不施肥对照且与其他施肥处理无显著差异。[结论]施用氨基酸有机肥可改善土壤理化性质,增强土壤生物肥力,提高根系可吸收利用的速效养分及游离氨基酸含量,增加黄瓜产量。
关键词氨基酸有机肥   黄瓜   产量   土壤酶活性   土壤养分   氮素循环微生物   
Effects of amino acid organic fertilizer on cucumber yield and soil biological characters
LÜ Nana1, SHEN Zongzhuan1, WANG Dongsheng1,2, LIU Hongjun1, XUE Chao1, LI Rong1 , SHEN Qirong1    
1. College of Resources and Environmental Sciences/Jiangsu Key Laboratory of Solid Organic Waste Utilization/Jiangsu Collaborative Innovation Center for Solid Organic Waste Resource Utilization/National Engineering Research Center for Organic-Based Fertilizers, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China;
2. Nanjing Institute of Vegetable Science, Nanjing 210042, China
Abstract: [Objectives] Amino acid liquid, which is hydrolyzed from animal carcasses by concentrated sulfuric acid under high temperature, compounded with manure compost was used to develop a novel amino acid organic fertilizer. This is one of important ways to achieve the goal of bio-safety disposal and utilization of dead livestock and poultry to ensure the sustainable development of farmed animal industries. This study is designed to evaluate the effects of this amino acid organic fertilizer application on cucumber yield and soil biological properties. [Methods] The effects of continuous application of the novel product on greenhouse cucumber yield, soil physicochemical properties, nitrogen cycling microorganisms and soil enzyme activity were studied by real-time PCR and other technologies. [Results] Field experiment showed that the cucumber yield in amino acid organic fertilizer application treatment(AOF)increased by 48.2%, 29.5% and 30.6% when compared with non-fertilization control(CK), fertilization treatments with application of only chemical fertilizer(CF)and common organic fertilizer(OF), respectively. Compared to CK, application of amino acid organic fertilizer could significantly increase soil pH value and the contents of total carbon, ammonium nitrogen, nitrate nitrogen and available phosphorus, but only display small differences compared to other fertilization treatments(CF and CK). As revealed by real time PCR, the soil sampled from AOF exhibited a significantly higher abundance of ammonia-oxidizing bacteria than that in soil collected from CK while exhibited a significantly lower abundance than that in soil collected from CF and OF. Meanwhile, soil collected from AOF displayed a significantly higher abundance of denitrifying nirK gene compared to soil sampled from CK but exhibited a significantly lower abundance compared to OF. Also, soil collected from AOF showed a significantly higher abundance of nirS gene compared to CK and CF. Amino acid organic fertilizer treated soil showed highest activities of catalase and phosphatase when compared to non-fertilization control and fertilization treatments. Also, amino acid organic fertilizer treated soil showed a significantly higher activity of urease compared to CK but lower activities compared to CF and OF treatments. Moreover, sucrase activity was significantly higher for AOF treatment than that for CK with no significant difference comparing with CF and CK. [Conclusions] All results illustrated that the application of amino acid organic fertilizer could promote the cucumber yield probably through manipulating soil physicochemical properties, enhancing soil enzyme activity and nitrification, and then improving roots utilization of available nutrients and free amino acid in soil.
Key words: amino acid organic fertilizer    cucumber    yield    soil enzyme activity    soil nutrient    nitrogen cycling microorganism   

黄瓜(Cucumis sativus L.)是周年均衡供应中的常见蔬菜, 许多地区均有温室或塑料大棚的设施黄瓜栽培。据世界粮农组织统计数据, 中国是世界上最大的黄瓜生产国, 2014年黄瓜总产量已高达5 700万t[1]。设施黄瓜栽培已成为农民创收的重要途径之一。然而, 目前设施黄瓜栽培生产中因过量施用化肥, 致使土壤出现板结、酸化、连作障碍等问题, 进而导致黄瓜产量减少及品质下降, 严重威胁着设施黄瓜产业的发展[2]。设施黄瓜栽培时减施化肥、增施有机肥已成为保障设施黄瓜产业可持续发展的重要途径之一。

我国规模化养殖厂的畜禽病死率一般为5%~10%, 遇到重大疫情时, 病死率还会更高, 每年产生的病死畜禽量高达数十亿头[3]。病死畜禽携带大量的病原微生物, 不仅污染环境, 而且还严重威胁畜禽养殖业健康发展和人体健康, 亟需进行无害化处理[4]。病死畜禽经高温酸解制成氨基酸肥料是近年来对病死畜禽进行无害化处理并资源化利用的最新工艺技术, 是解决环境污染、实现养殖业良性发展的重要途径之一[5]。目前, 农资市场上氨基酸肥料多以液体氨基酸肥为主, 主要用于叶面喷施、灌根、浸种蘸根。由于施用液体氨基酸肥存在各种不足之处, 所以只能作为土壤施肥的补充[6]

液体氨基酸与有机肥复配而成的氨基酸有机肥具有氨基酸肥料和有机肥的双重优点, 不仅可为作物提供速效氨基酸养分, 而且还可提升土壤有机质含量。同时, 考虑到氨基酸有机肥直接施用于作物根系附近, 还可增加作物对氨基酸的吸收利用效率。然而, 目前氨基酸肥的效应研究多集中于施用液体氨基酸肥对作物产量或品质的影响[7], 仅有少数有关施用氨基酸有机肥对作物产量、品质及土壤性质影响的报道[8-9], 尚无有关利用病死畜禽制成的氨基酸有机肥对设施黄瓜作物产量及土壤性质影响的综合研究。

土壤硝化作用是供给作物生长发育所需氮素的关键过程, 而反硝化作用将硝化作用产生的硝态氮最终还原成N2或N2O的过程, 是氮的损失途径之一, 对农业生产不利[10]。氨氧化作用是硝化作用的第一步反应和限速步骤, 是全球氮素循环的中心环节[11]。农田土壤中不同形态氮源的投入会改变氮素循环氨氧化微生物及反硝化微生物的种群数量及群落结构, 从而影响土壤的硝化及反硝化作用, 最终影响土壤中有效氮的含量[12]。此外, 土壤酶活性也与土壤营养物质的转化密切相关, 土壤酶活性的强弱有助于评判土壤的供肥能力, 是判定土壤质量的重要指标之一[13]。因此, 土壤氮素循环微生物及酶活性的研究将有助于揭示氨基酸有机肥施用后对土壤氮素供应及生态功能的影响。

本文通过田间试验, 研究连续施用高温酸解病死畜禽制成的氨基酸液与鸡粪有机肥复配而成的氨基酸有机肥, 对设施黄瓜产量和土壤生物学性质的影响, 以期为大面积推广应用氨基酸有机肥提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 供试材料

黄瓜品种为南京市蔬菜所提供的‘宁丰春秋’。供试土壤为多年连作黄瓜土壤, 属黄棕壤, 基本理化性质为:pH7.21, 有机质含量14.2 g·kg-1, 总氮含量1.45 g·kg-1, 有效磷含量166.6 mg·kg-1, 有效钾含量318 mg·kg-1。腐熟鸡粪有机肥购自南通惠农生物有机肥有限公司; 氨基酸有机肥由腐熟鸡粪有机肥添加20%水溶性氨基酸液复配而成, 水溶性氨基酸由高温酸解病死畜禽制成, 由江阴市联业生物科技有限公司提供。水溶性氨基酸及各肥料养分含量见表 1

表 1 普通有机肥、水溶性氨基酸及氨基酸有机肥养分含量 Table 1 Nutrient content of organic fertilizer, compound liquid amino acid and amino acid organic fertilizer
肥料种类
Varieties of
fertilizer
总氮含量/%
Total nitrogen
content
全磷(P2O5)含量/%
Total phosphorus
content
全钾(K2O)含量/%
Total potassium
content
游离氨基酸含量/%
Free-amino
acid content
总氨基酸含量/%
Total amino
acid content
pH含水量/%
Water
content
水溶性氨基酸
Liquid amino acid fertilizer
4.650.410.0710.2116.920.72
氨基酸有机肥
Amino acid organic fertilizer
1.782.611.251.944.375.8429.2
鸡粪有机肥
Chicken manure compost
1.242.911.431.068.3428.4
尿素Urea≥46.4
过磷酸钙
Calcium superphosphate
≥16.0
硫酸钾
Potassium sulfate
≥50

土壤基因组DNA强力提取试剂盒PowerSoil DNA Isolation Kits购自MoBio Laboratories Inc.公司, 质粒提取试剂盒购自Qiagen公司, TaqMan Universal PCR Master Mix和Power SYBR Green PCR Master Mix均购自美国ABI公司, dNTP以及PCR Buffer, Taq、Ex聚合酶购自TaKaRa公司。本试验所用引物均由南京金斯瑞生物公司合成, 具体序列见表 2

表 2 荧光定量PCR所用引物 Table 2 Primers for real-time PCR
基因
Gene
引物名称
Primers name
序列(5′→3′)
Sequence
Bacterial-amoAAmoA-1F
amoA-2R
GGGGHTTYTACTGGTGGT
CCCCTCKGSAAAGCCTTCTTC
Archaeal-amoAArch-amoAF
Arch-amoAR
STAATGGTCTGGCTTAGACG
GCGGCCATCCATCTGTATGT
nirScd3aF
R3cd
GTSAACGTSAAGGARACSGG
GASTTCGGRTGSGTCTTGA
nirKnirK1F
nirK5R
GGMATGGTKCCSTGGCA
GCCTCGATCAGRTTRTGG
nosZnosZFb
nosZRb
AACGCCTAYACSACSCTGTTC
TCCATGTGCAGNGCRTGGCAGAA
1.2 试验设计 1.2.1 黄瓜育苗

以60 ℃温水浸泡黄瓜种子, 搅拌至室温后, 取沉淀种子以5%(体积分数)次氯酸钠消毒处理3 min, 再以无菌水清洗3~4次, 并于30 ℃培养箱中遮光催芽至露白后分别埋入育苗基质中, 待幼苗长至2叶1心时移栽。

1.2.2 田间试验

分别于2015年3-6月、2015年9-12月及2016年3-6月在江苏省南京市蔬菜花卉科学研究所科技园大棚开展1~3季田间试验。试验区域属亚热带季风气候, 年平均气温为15.4 ℃, 年平均降雨量为1 106 mm。每季田间试验设置4个施肥处理, 分别为:施用氨基酸有机肥处理(AOF)、施用鸡粪有机肥处理(OF)、单施化肥处理(CF)及不施肥空白对照(CK)。每个处理设置3个小区, 每个小区面积为10 m2(长5 m、宽2 m), 各小区随机区组排列。各处理等养分设置, 其中化肥处理各小区施肥量为尿素0.5 kg、过磷酸钙1.0 kg、硫酸钾0.4 kg, 施用氨基酸有机肥处理及施用鸡粪有机肥处理的有机肥施用量为6 kg, 并用化肥补齐差额养分。有机肥及磷肥用量的全部、氮肥用量的1/2及钾肥用量的2/3作为基肥施入, 施肥7 d后定植黄瓜幼苗并定期监测黄瓜长势。剩余肥料于定植30和45 d后分2次追施。其他田间日常管理交由江苏省南京市蔬菜科学研究所工作人员常规管理。

1.2.3 土壤样品采集

第3季黄瓜最后一次收获后, 用土钻采集0~20 cm的表土, 每个小区采集5个点, 混匀后留取部分土壤样品, 分别于4 ℃和-80 ℃下保存备用。

1.3 测定方法 1.3.1 黄瓜产量的测定

黄瓜定植30 d后定期监测黄瓜长势, 待黄瓜果实成熟后每2 d采摘1次, 直至黄瓜生命周期结束, 记录每个处理的黄瓜总产量, 以kg·m-2表示。

1.3.2 土壤理化性质的测定

土壤理化性质测定参照土壤农化分析。利用玻璃电极酸度计测定土壤pH值; 利用元素分析仪(Vario EL, Germany)通过干烧法测定土壤的总碳(total carbon, TC)、总氮(total nitrogen, TN)含量及碳氮比(C/N); 0.01 mol·L-1氯化钙溶液浸提土壤后用流动分析仪(Auto Analyzer 3, Germany)测定土壤悬液的铵态氮(NH4+-N)含量及硝态氮(NO3--N)含量; 利用醋酸铵浸提土壤并用火焰分光光度计测定土壤有效钾(available K, AK)含量; 利用碳酸氢钠浸提土壤悬液并用钼锑抗比色法测定土壤有效磷(available P, AP)含量。

1.3.3 土壤酶活性的测定

土壤酶活性参照文献[14]的方法测定。其中采用3, 5-二硝基水杨酸比色法测定蔗糖酶活性, 采用苯酚钠-次氯酸钠靛酚比色法测定脲酶活性, 采用高锰酸钾滴定法测定过氧化氢酶活性, 采用磷酸苯二钠比色法测定磷酸酶活性。

1.3.4 土壤DNA的提取及土壤氮素循环功能基因丰度的测定

称取-80 ℃保存的0.25 g土壤样品, 利用土壤强力提取试剂盒提取土壤基因组总DNA。利用表 2中引物扩增土壤DNA, 然后将扩增产物分别连接到pMD19-T载体上, 转入大肠杆菌, 以10倍梯度稀释的标准溶液所含的基因拷贝数的对数为横坐标, 以相对应的CT值为纵坐标作图, 所得曲线即为标准曲线。

按照SYBR标准体系配制荧光定量PCR反应液(20 μL体系):10 μL SYBR® Premix Ex Taq, 0.4 μL上、下游引物, 0.4 μL ROX Reference Dye Ⅱ, 2 μL模板DNA和6.8 μL无菌水。以ddH2O为模板作为阴性对照。采用ABI 7500荧光定量PCR仪的标准程序扩增测定氮素循环功能基因的丰度, PCR扩增程序为:95 ℃预变性30 s; 95 ℃预变性5 s, 60 ℃延伸34 s, 循环40次。根据各样品CT值计算每克土壤所含的拷贝数, 并换算成每克干土的拷贝数。

1.4 统计分析

采用SPSS 20. 0软件对数据进行单因素方差分析及显著性和皮尔逊(Pearson)相关性检验。采用R软件“Vegan”进行产量与土壤酶活性、氮素循环基因及土壤理化性质的蒙特尔卡罗相关性检验(Monte Carlo test)。

2 结果与分析 2.1 不同施肥处理对黄瓜产量的影响

图 1可知:与不施肥对照相比, 单施化肥、施用鸡粪有机肥及施用氨基酸有机肥处理均能显著提高黄瓜产量。第1季各施肥处理间无显著差异; 从第2季开始, 施用氨基酸有机肥处理产量显著高于单施化肥或施用鸡粪有机肥处理; 第3季中, 与不施肥对照相比, 施用氨基酸有机肥对黄瓜的增产效果达48.2%, 而单施化肥和施用鸡粪有机肥的增产效果分别为29.5%和30.6%。

图 1 不同施肥处理的黄瓜产量 Figure 1 The cucumber yields of different fertilization treatments CK:不施肥对照; CF:单施化肥处理; OF:施用鸡粪有机肥处理; AOF:施用氨基酸有机肥处理。不同小写字母表示不同处理在0.05水平显著差异。下同。 CK:No fertilization control; CF:Single application of chemical fertilizer treatment; OF:Application of chicken manure organic fertilizer treatment; AOF:Application of amino acid organic fertilizer treatment. Different lowercase letters indicate significantly different in different treatments at 0.05 level. The same as follows.
2.2 不同施肥处理对土壤理化性质的影响

不同施肥模式下, 黄瓜连作土壤的基本理化性质差异明显(表 3)。尽管各施肥处理及不施肥对照土壤总氮含量、总碳含量、碳氮比及有效钾含量无显著差异, 但各施肥处理土壤有效磷、铵态氮含量显著高于不施肥对照土壤, 而各施肥处理间有效磷及铵态氮含量无显著差异。此外, 施用鸡粪有机肥和施用氨基酸有机肥处理的土壤pH值显著高于施用化肥处理和不施肥对照, 且施用鸡粪有机肥处理的pH值最高。单施化肥处理的土壤硝态氮含量最高, 施用氨基酸有机肥处理的土壤次之, 两者均显著高于施用鸡粪有机肥处理和不施肥对照。

表 3 不同施肥处理的土壤基本理化性质 Table 3 Basic soil physicochemical properties for different fertilization treatments

土壤理化性质Soil physicochemical property
CKCFOFAOF
pH7.12±0.08c7.15±0.03c7.55±0.02a7.35±0.03b
铵态氮含量/(mg·kg-1) NH4+-N content8.09±1.86b11.97±0.50a11.83±1.90a12.08±0.74a
硝态氮含量/(mg·kg-1) NO3--N content12.24±1.19c27.44±1.96a13.11±0.50c17.83±1.89b
总氮含量/(g·kg-1) Total N content1.84±0.04a1.84±0.08a1.81±0.14a1.85±0.08a
总碳含量/(g·kg-1) Total C content14.22±1.71a14.60±1.30a16.15±1.32a16.06±0.72a
碳氮比C/N ratio7.75±1.15a7.93±0.39a8.69±0.04a8.57±0.13a
有效磷含量/(mg·kg-1) Available P content218.46±11.77b253.80±24.17a259.46±10.30a266.29±15.91a
有效钾含量/(mg·kg-1) Available K content318.67±37.53a322.67±14.15a348.67±14.57a348.00±39.84a
2.3 不同施肥处理对土壤中氮素循环微生物数量的影响

在连作黄瓜土壤上连续施用不同肥料对土壤中氨氧化古菌(AOA)和氨氧化细菌(AOB)数量的影响不同(图 2)。与不施肥对照相比, 施肥处理土壤中氨氧化细菌的数量显著升高; 施用氨基酸有机肥处理土壤中氨氧化细菌的数量显著低于单施化肥或施用鸡粪有机肥处理, 而单施化肥及施用鸡粪有机肥处理间无显著差异。

图 2 不同施肥处理土壤中氨氧化古菌(AOA)及氨氧化细菌(AOB)的数量 Figure 2 The amounts of ammonia-oxidizing archaea(AOA) and ammonia-oxidizing bacteria(AOB) in soils from different fertilization treatments

图 3可知:各施肥处理土壤中亚硝酸盐还原酶基因nirK的数量显著高于不施肥对照, 而施用鸡粪有机肥处理的nirK基因的数量最高, 显著高于单施化肥及施用氨基酸有机肥处理。施用鸡粪有机肥及氨基酸有机肥处理土壤中亚硝酸盐还原酶基因nirS的数量显著高于不施肥对照及单施化肥处理。施用鸡粪有机肥处理土壤中一氧化二氮还原酶基因nosZ的数量显著高于不施肥及施用氨基酸有机肥处理, 而单施化肥及施用氨基酸有机肥处理间无显著差异。

图 3 不同施肥处理土壤反硝化过程中功能基因(nirK、nirS、nosZ)的数量 Figure 3 The amounts of denitrification enzyme genes(nirK, nirS, nosZ)in soils from different fertilization treatments
2.4 不同施肥处理对土壤酶活性的影响

图 4所示:与不施肥对照相比, 各施肥处理均能显著提高土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶和磷酸酶的活性。各施肥处理间蔗糖酶活性无显著差异。单施化肥处理的土壤脲酶活性最高而过氧化氢酶活性最低。施用氨基酸有机肥处理土壤过氧化氢酶及磷酸酶活性最高。总的来讲, 施用氨基酸有机肥能够提高土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶和磷酸酶的活性。

图 4 不同施肥处理的土壤酶活性 Figure 4 The activity of soil enzyme in different fertilization treatments
2.5 黄瓜产量与土壤理化性质、酶活性及氮素循环微生物的关系

蒙特尔卡罗测试结果表明, 黄瓜产量与土壤理化性质、土壤酶活性及氮素循环微生物之间均有显著相关性, 相关系数分别为0.520、0.288和0.567。

表 4可知:黄瓜产量与氨氧化细菌数量, 脲酶、蔗糖酶活性, 及土壤铵态氮、有效磷含量呈显著正相关关系, 而与其他因子之间无显著相关性。

表 4 黄瓜产量与氮素循环微生物、土壤酶活性及土壤理化性质之间的皮尔逊相关系数 Table 4 Pearson correlation coefficient between cucumber yield and nitrogen cycle microorganism, enzyme activity and soil physicochemical properties
指标
Index
氮素循环微生物
N cycle microorganism
土壤酶活性
Soil enzyme activity
土壤理化性质
Soil physicochemical properties
氨氧化
古菌
AOA
氨氧化
细菌
AOB
nirKnirSnosZ过氧化
氢酶
Catalase
脲酶
Urease
蔗糖酶
Sucrase
磷酸酶
Phosphatase
pH铵态氮
NH4+-N
硝态氮
NO3--N
总氮
Total N
总碳
Total C
有效磷
AP
有效钾
AK
碳氮比
C/N
产量
Yield
0.220.74**0.560.500.390.550.61*0.86*0.130.530.78**0.450.140.490.80**0.380.47
Note:*P < 0.05;* * P < 0.01. The same as follows.

土壤理化性质、酶活性及氮素循环微生物各指标之间的相关性分析结果(表 5)表明:氨氧化古菌及氨氧化细菌数量均与蔗糖酶活性呈显著正相关关系, 氨氧化细菌还与土壤铵态氮及有效磷呈极显著正相关关系。nirK基因与土壤pH值及总碳含量呈显著正相关关系; 亚硝化还原酶基因nirS数量与土壤pH值、总碳及碳氮比呈显著正相关关系; 一氧化二氮还原酶基因nosZ数量与土壤pH值及铵态氮呈显著正相关关系; nirKnosZ数量均与土壤蔗糖酶显著正相关, 而与磷酸酶显著负相关; nirS数量与土壤过氧化氢酶及脲酶极显著正相关。过氧化氢酶及脲酶活性与土壤pH值呈极显著正相关关系, 而磷酸酶活性与土壤pH值呈显著负相关关系; 蔗糖酶活性与土壤铵态氮及有效磷呈极显著正相关关系。

表 5 土壤理化性质、土壤酶活性及氮素循环微生物各指标之间的皮尔逊相关系数 Table 5 Pearson correlation coefficient among soil physicochemical properties, enzyme activity and nitrogen cycle microorganism
指标
Index
氨氧化
古菌
AOA
氨氧化
细菌
AOB
nirKnirSnosZ过氧化
氢酶
Catalase
脲酶
Urease
蔗糖酶
Sucrase
磷酸酶
Phosphatase
pH铵态氮
NH4+-N
硝态氮
NO3--N
总氮
Total N
总碳
Total C
有效磷
AP
有效钾
AK
氨氧化细菌AOB0.74**
nirK0.510.72**
nirS0.350.380.59*
nosZ0.470.66*0.79**0.18
过氧化氢酶
Catalase
-0.120.120.350.76**0.06
脲酶Urease-0.020.220.450.77**0.160.95**
蔗糖酶Sucrase0.61*0.89**0.66*0.490.63*0.320.37
磷酸酶
Phosphatase
-0.45-0.28-0.66*-0.27-0.63*-0.09-0.19-0.06
pH0.350.540.81**0.70*0.59*0.69**0.78**0.49-0.66*
铵态氮NH4+-N0.270.73**0.500.150.65*0.260.360.77**-0.020.51
硝态氮NO3--N0.210.520.02-0.150.11-0.36-0.380.540.52-0.340.41
总氮Total N-0.080.030.230.040.200.030.150.080.020.180.37-0.05
总碳Total C0.260.410.59*0.69**0.230.450.540.43-0.220.480.21-0.010.45
有效磷AP0.430.74**0.560.470.340.360.510.70**-0.030.59*0.76**0.320.440.54
有效钾AK0.000.230.260.140.190.190.490.18-0.220.59*0.46-0.22-0.07-0.170.47
碳氮比C/N0.330.450.530.74**0.140.140.530.44-0.270.440.030.01-0.050.87**0.36-0.15
3 讨论

氮是植物生长必需的大量营养元素之一。植物不仅可以吸收无机态氮, 还可直接吸收有机态氮[15-16], 而氨基酸就是植物可吸收利用的重要有机氮源之一[17]。将病死畜禽资源化为氨基酸水解液, 进而与有机肥复配制成氨基酸有机肥, 不仅可无害化处理病死畜禽, 还可增加普通有机肥中氨基酸的含量, 为作物提供可快速吸收、利用的有机氮源[5]。本研究施用氨基酸有机肥不仅为黄瓜提供了直接吸收利用的氨基酸, 还改善了土壤理化性质, 增加了土壤酶活性, 加强了土壤硝化作用, 且不过高提升反硝化作用, 提高氮素营养利用率, 从而促进设施黄瓜产量的增加。

不同形态的肥料投入对土壤的养分供应状况有着不同影响。相比于单施化肥处理, 本研究中施用氨基酸有机肥和鸡粪有机肥处理均能显著提高土壤pH值, 表明有机肥的施用能够遏制土壤酸化, 稳定土壤pH值。Sun等[18]报道, 相比于单施化肥处理, 用有机肥替代部分化肥施用的处理能显著降低土壤中硝态氮含量。本研究也发现施用氨基酸有机肥或鸡粪有机肥均能显著降低硝态氮含量, 可能与有机肥施用后土壤中反硝化作用增强有关。

氨氧化古菌和氨氧化细菌作为氨氧化作用的共同参与者, 氨氧化古菌在低氨、贫瘠的环境中占主导地位, 而氨氧化细菌在高氨环境下可快速生长[19]。本研究中, 各施肥处理土壤养分状况良好, 因而氨氧化细菌的数量也普遍高于氨氧化古菌。各处理间氨氧化古菌的数量没有显著差异, 可能是因为土壤中营养物质充足, 尤其是长期施肥导致供试土壤中养分浓度较高, 进而不利于某些氨氧化古菌的生长[20]。此外, 本研究中各施肥处理氨氧化细菌的数量均显著高于不施肥对照, 证实了长期施肥能提高土壤硝化能力及硝化菌群数量[21]。Di等[22]在酸性和碱性土壤上施同样的肥料的研究表明, 在碱性土壤中, 只有氨氧化细菌的群落结构发生了变化。同样, 本研究中也只有氨氧化细菌数量受施肥影响, 可能与施肥后土壤pH值呈碱性有关。本研究中施用氨基酸有机肥处理土壤中氨氧化细菌数量显著低于单施化肥与单施鸡粪有机肥处理, 可能是因为部分氨基酸态氮可不经过氨氧化作用转化而直接被作物吸收, 因而减少了土壤中供应氨氧化细菌利用的底物。

土壤反硝化微生物种群数量及群落结构易受肥料类型及施用量的影响[23]。Chen等[24]报道施用有机肥比单施化肥更容易促进nirK型反硝化细菌丰度的增加。Enwall等[23]研究发现, 长期施用有机肥土壤中反硝化速率及一氧化二氮还原酶基因nosZ的数量高于施用无机肥处理。本研究中单施鸡粪有机肥处理土壤中反硝化功能基因的丰度显著高于其他施肥处理和不施肥对照, 可能是有机肥投入激发了微生物活性, 增加了好氧微生物的呼吸作用从而消耗了土壤中的氧, 造成土壤局部或暂时缺氧[25]

有机肥料投入能提高多种土壤酶的活性, 特别是与土壤养分转化有关的酶活性。贾伟等[26]对褐土微生物和酶活性的研究表明, 长期单独施用大量有机肥可明显提高脲酶和碱性磷酸酶活性。同样, 本研究中, 与不施肥对照相比, 施用氨基酸有机肥能显著提高土壤脲酶、过氧化氢酶及磷酸酶活性, 表明氨基酸有机肥施用可提高土壤氮、磷的活化能力及土壤抗逆能力。王伯仁等[27]研究表明长期施用有机肥可增加红壤旱地土壤的蔗糖酶活性。与之类似, 本研究也发现各施肥处理蔗糖酶的活性均显著增加, 说明氨基酸有机肥施用可增加土壤中小分子糖类的含量, 为作物及微生物提供更多易吸收碳源。因此, 施用氨基酸有机肥提高土壤酶活性的原因可能是:1)改善了土壤的理化性质, 从而有利于作物和土壤生物的生长, 使更多的酶伴随着根系活动和土壤微生物的生命活动而进入土壤; 2)为土壤酶提供更多、更丰富的酶促基质, 发挥底物诱导作用; 3)可以通过离子交换、离子键或共价键等与土壤酶结合, 固定土壤酶[28-29]

土壤理化性质是影响氮素循环微生物及土壤酶活性的重要因素。Sun等[18]报道氨氧化细菌及反硝化功能基因数量(nirKnirSnosZ)与土壤有效磷、总碳等土壤理化因子显著相关。本研究中氨氧化细菌反硝化功能基因与土壤有效磷显著正相关。大量研究表明, 土壤有机质、全氮及有效磷含量是影响酶活性的主要因子, 与土壤酶活性显著相关[30-31]。本研究中, 土壤酶活性与土壤pH及有效磷显著相关。氮素循环微生物数量虽与土壤酶活性之间存在相关性, 但它们之间是否存在相互作用及其作用机制仍不清楚, 需进一步研究。本研究中, 黄瓜产量与氨氧化细菌数量, 土壤脲酶、蔗糖酶活性及铵态氮、有效磷含量呈显著正相关关系, 说明黄瓜产量受土壤理化性质、酶活性及微生物的综合影响。

杨天庆等[9]研究发现, 施用氨基酸配方有机肥能促进胡麻的生长并改善其品质, 如提高了胡麻的出苗率, 增加了胡麻干物质量和籽粒产量并提高了籽粒的含油量。张树生等[8]研究发现, 以菜粕为原料研制的植物源氨基酸有机肥能够促进连作黄瓜的生长, 增加了黄瓜的叶绿素含量、叶面积及干物质量。本研究中, 与不施肥对照、单施化肥和施用鸡粪有机肥处理相比, 连续施用3季氨基酸有机肥后黄瓜产量显著增加。施用氨基酸有机肥促使黄瓜增产的原因:除了改良土壤生物肥力性状外, 还可能是氨基酸可被作物根系直接吸收且不需要经过转化便可直接参与植物体内蛋白质的合成, 从而减少了植物本身的能量消耗, 因而有利于养分的吸收及转化及积累[32]; 也可能是氨基酸被微生物代谢转化为铵态氮、硝态氮进而被根系吸收, 或者转化为其他生理活性成分调节植物生长[33]

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