杜 薇, 朱一波, 張 曉, 耿玉清, 林 平

(北京林業(yè)大學 林學院, 北京100083)

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添加木醋液對沙地土壤微生物生物量和酶活性的影響

杜 薇, 朱一波, 張 曉, 耿玉清, 林 平

(北京林業(yè)大學 林學院, 北京100083)

摘要：[目的] 探討沙地添加木醋液后土壤微生物生物量和酶活性的變化，為沙地土壤生物學質量的改良提供理論依據。[方法] 采用盆栽植草培養(yǎng)法，以添加自來水為對照，對沙地添加不同稀釋倍數(200，150，100，50，20)木醋液后的土壤可溶性有機碳、氮和酚，土壤微生物生物量碳氮以及土壤酶活性進行研究。[結果] 向沙土添加木醋液可以顯著降低土壤pH值，顯著提高土壤易氧化碳、土壤水溶性碳氮、土壤可溶性酚以及無機氮的含量。在添加木醋液稀釋高于50倍范圍內，隨木醋液稀釋倍數降低，土壤微生物生物量碳氮增加以及β-糖苷酶、堿性磷酸酶和脫氫酶活性提高。添加稀釋20倍的木醋液，導致土壤微生物生物量碳氮以及β-糖苷酶、堿性磷酸酶和脫氫酶活性有所降低。在高于20的稀釋倍數范圍內，隨著施用木醋液稀釋倍數的降低，α-糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶、酸性磷酸酶和酚氧化酶的活性有顯著增加的趨勢。[結論] 添加不同稀釋倍數的木醋液會影響沙地土壤微生物生物量和酶活性。

關鍵詞：木醋液; 沙地; 土壤微生物生物量碳; 土壤微生物生物量氮; 土壤酶活性

文獻參數： 杜薇, 朱一波, 張曉, 等.添加木醋液對沙地土壤微生物生物量和酶活性的影響[J].水土保持通報，2016,36(3)：358-362.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.03.061

沙地的存在是導致首都沙塵天氣的主要原因[1]，防沙治沙工作始終是首都北京生態(tài)環(huán)境建設的重要組成部分。盡管從20世紀50年代開始，北京市大力開展了以植樹造林、增加林草植被覆蓋為主要內容的防沙治沙工作，在一定程度上，減弱了永定河和潮白河等風沙危害，但仍有一定量待治理的沙地[2]。種植植被以及植被恢復是治理沙地的重要措施，良好的土壤環(huán)境是植被得以健康生長的保障[3]。而沙地因保水保肥性差，土壤質量難以滿足植物生長的需求，從而給植被恢復帶來巨大的障礙。如何提高沙地土壤質量是林業(yè)生態(tài)工程研究中的熱點。

木醋液是植物材料在干餾過程中所得到的具有熏臭味的有機副產品，其主要成分是有機酸和酚類物質，是一種新型的液體有機肥料，在農業(yè)生產中得到廣泛地應用[4]。大量研究結果表明，施用木醋液可以提高土壤有機質和養(yǎng)分含量，顯著增加土壤微生物數量以及酶活性，促進植物的生長[5-7]。但相關的研究大多是在林地、鹽堿土以及菜地等獲得的。把木醋液施用于沙地的效果如何還鮮有報道。目前土壤質量是評判土壤生產能力的綜合指標，反映土壤質量的指標有物理化學以及生物學性質指標等。而土壤微生物生物量及酶活性在反映土壤生物學質量狀況中具有重要作用，同時也是反映土壤改良效果的敏感指標。本研究的目的是通過向沙土中添加不同稀釋倍數的木醋液，探索不同稀釋倍數的木醋液對草生長以及對土壤微生物生物量和酶活性的影響，以期為沙地土壤生物學性質的改良提供理論依據。

1材料與方法

1.1試驗設計

供試木醋液來自北京林業(yè)大學木工實驗室，pH值為3.45，為棕褐色的液體。供試的土壤取自北京市通州區(qū)。所研究土壤的基本性質為，土壤有機質含量為1.17 g/kg，土壤全氮含量為0.2 g/kg，土壤顆粒組成為砂粒653 g/kg，粉粒125 g/kg，黏粒含量為202 g/kg。將采回的土樣去除植物根系和殘體后，使其通過2 mm篩。然后將5 kg的土裝入盆中，并在盆中撒入來自北京綠冠草業(yè)公司的Justice高羊茅草種。

在向沙土添加木醋液之前，先把木醋液按照體積比分別稀釋200，150，100，50，20倍。本試驗連同空白試驗(用自來水代替)共設計6個處理，分別記為CK，WV200,WV150,WV100,WV50,WV20。待配置好木醋液后，分別向每盆澆灌2 000 ml的木醋液溶液或自來水。在高羊茅草生長期間，按不同的稀釋倍數每隔60 d澆灌1次木醋液或自來水，共澆灌3次。為確保草的正常生長，定期向每盆澆灌等量的水。180 d后采集土壤樣本進行分析。

1.2研究方法

草生長指標的測定方法：高羊茅的生長指標分別選用地上生物量、生長速度和再生速度3個指標。其中草生物量的測定在高羊茅播種30 d后進行第1次修剪，修剪高度6 cm。用信封裝入每盆高羊茅修剪下的全部草屑，用天平測量高羊茅草屑鮮重后，在105 ℃殺青后改為65 ℃條件下烘干測其干重。每隔60 d修剪1次，并測定草的生物量，研究期間共修剪3次，取其平均值作為不同木醋液稀釋倍數條件下草的生物量指標。生長速度的測定方法是，隨機選取10 株草坪草, 用竹簽及紅繩定株測定其垂直高度, 在其生長期間每隔10 d 測1 次, 共計測定5次,計算其平均生長速度(mm/d)。再生速度的測定方法為：在每盆中隨機選取10 株草坪草測定其垂直高度，計算修剪一段時間后的高度與修剪高度之差，除以修剪到測量時期的間隔天數, 得出其再生速度(mm/d)。

土壤微生物生物量的測定采用氯仿熏蒸法，熏蒸與未熏蒸的土壤用硫酸鉀溶液浸提，提取液有機碳和全氮的含量，用碳氮分析儀直接測定。以熏蒸土壤與未熏蒸土壤提取的有機碳、氮的差值分別除以轉換系數來計算土壤微生物量生物量碳和生物量氮[10]。

本研究主要測定與土壤有機碳、氮和磷轉化密切相關的6種水解酶和2種氧化還原酶。測定方法是基于在土壤中添加基質，經酶促反應后用分光光度計測定其生成物含量的方法實現的。其中對α-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶和酸性磷酸酶活性的測定，采用pH值為5的醋酸鈉緩沖液；對測定堿性磷酸酶活性，則采用pH值為9的硼酸鹽溶液。酚氧化酶活性的測定，采用左旋多巴(DOPA)底物和pH值為5的醋酸鈉緩沖液，經培養(yǎng)后的土液混合物經過濾后，在460 nm處用分光光度計測定生成物的含量[11]。土壤脫氫酶的測定采用碘硝基氯化四氮唑藍(INT)為底物，緩沖液采用pH值為7的三羥甲基氨基甲烷緩沖液，酶促反應的產物甲臜(INTF)在464 nm 處用分光光度計測定[12]。在土壤酶活性測定的同時分別做無土空白試驗和無底物對照試驗。

1.3數據處理

用SPSS 19軟件對所獲數據進行分析。其中添加不同稀釋倍數木醋液后草的生長指標、土壤化學性質以及土壤酶活性的影響用ANOVA方法，差異顯著性通過LSD方法進行確定；采用Pearson方法，探討土壤化學性質以及土壤微生物生物量碳氮指標與土壤酶活性的相關性。

2結果與分析

2.1對高羊茅生長的狀況的影響

如表1所示，添加不同稀釋倍數的木醋液對高羊茅的不同生長指標的影響不盡一致。就高羊茅地上干重指標而言，WV100,WV50和WV20處理均與空白有顯著的差異，但隨著木醋液稀釋倍數的提高，WV150和WV200與對照無顯著差異。添加不同稀釋倍數的木醋液對草生長速度的差異不顯著。對再生速度而言，除WV20處理外，木醋液的添加并未顯著改變高羊茅的再生速度。

表1　不同稀釋倍數木醋液處理下高羊茅生長的變化

注：數值為平均值±標準誤,同列不同字母表示差異顯著(p<0.05)； WV200,WV150,WV100,WV50,WV20指木醋液按照體積比分別稀釋200，150，100，50，20倍。下同。

2.2對土壤的微生物生物量的影響

添加不同稀釋倍數木醋液沙土的土壤微生物生物量碳見圖1。從圖1可看出，添加任何稀釋倍數的木醋液均比對照顯著地提高了土壤微生物生物量碳含量。在添加不同稀釋倍數的木醋液處理之間，WV50處理時土壤微生物生物量碳最高為154.55 mg/kg，顯著地高于WV200，WV150和WV100處理的土壤微生物生物量碳。值得關注的是，添加木醋液稀釋倍數最低的WV20處理，其土壤微生物生物量碳顯著地低于WV50，而與WV100沒有顯著差異。

添加木醋液也顯著影響了土壤微生物生物量氮含量(圖2)。不同木醋液稀釋倍數之間對土壤微生物生物量氮的影響與土壤微生物生物量碳有一定的區(qū)別。從圖2可知，WV100,WV50和WV203個處理的土壤微生物生物量氮之間沒有顯著差異，但均顯著高于CK。添加高稀釋倍數的木醋液處理如WV200,WV150與CK并沒有顯著差異。

圖1　　　　添加不同稀釋倍數木醋液對

圖2　添加不同稀釋倍數木醋液對土壤微生物生物量氮的影響

2.3不同稀釋倍數木醋液處理后土壤化學性質的差異

表2　添加不同稀釋倍數木醋液后土壤化學性質的變化

2.4不同稀釋倍數木醋液處理后土壤酶活性的差異

添加木醋液對不同土壤酶種類的影響有所區(qū)別(表3)。雖然α-糖苷酶和β-糖苷酶均參與土壤有機碳的分解，但在土壤中以β-糖苷酶為主。對α-糖苷酶活性而言，低稀釋倍數的木醋液處理WV100,WV50,WV20顯著地促進了酶活性的提高，而WV200,WV150的效果不顯著。與α-糖苷酶不同，木醋液的添加顯著促進了β-糖苷酶活性的提高，但WV20對β-糖苷酶的影響效果，顯著低于WV150,WV100和WV50。隨著添加木醋液稀釋倍數的降低，亮氨酸肽酶有顯著增加的趨勢，其中WV20處理顯著高于其他處理。添加木醋液對酸性磷酸酶和堿性磷酸酶的影響趨勢相反。表現為酸性磷酸酶活性隨添加木醋液稀釋倍數的降低而逐漸增強；而堿性磷酸酶活性則隨添加木醋液稀釋倍數的降低而逐漸減弱。

在所研究的土壤酶種類中，酚氧化酶的變化梯度最為明顯，表現為隨木醋液稀釋倍數的降低而增強，且不同木醋液稀釋倍數之間沙土的酚氧化酶活性均表現為顯著的差異。雖然土壤脫氫酶活性的變化趨勢不明顯，但添加木醋液后的脫氫酶活性均顯著高于對照。在WV150，WV100和WV50處理時，脫氫酶的活性較高，3處理均顯著地高于WV20處理時的脫氫酶活性。但高稀釋倍數的WV200處理的脫氫酶活性與WV20處理無顯著差異。

表3　添加不同木醋液稀釋倍數土壤酶活性的變化

注:α-糖苷酶、β-糖苷酶、亮氨酸肽酶、酸性磷酸酶、堿性磷酸酶活性單位均為mmolpNP/(g·h)； 酚氧化酶活性單位為mmolDOPA/(g·h); 脫氫酶單位為μg INTF/(g·h)。下同。

3討論與結論

3.1影響土壤酶活性的主要因素

中國對土壤理化性質與土壤酶活性關系的研究很多，但由于不同學者國內對酶種類的選擇不同，研究的方法也不盡一致，不同研究的結果難以進行比較[15]。

表4　土壤特征參數與酶活性相關系數

注：—表示相關性不顯著；*表示在p<0.05水平顯著相關； **表示在p<0.01水平極顯著相關。

3.2添加木醋液有利于土壤的微生物生物量和酶活性的提高

土壤的微生物生物量和酶活性是描述土壤質量的重要生物學指標，其中，土壤酶來源于植物根系的分泌和微生物的分泌。胡春花等[16]研究表明，向土壤中添加木醋液可以顯著或極顯著地增加土壤細菌、放線菌、自生固氮菌、纖維分解菌和無機磷細菌數量，減少真菌數量。雖然土壤酶早就廣泛應用于指示土壤管理水平的變化[17]，但就目前而言，施用木醋液對土壤酶活性的研究不多。但對炭醋肥的施用研究表明[18]，施用木醋液與生物碳的混合物，也可顯著增加土壤微生物數量和提高土壤磷酸酶、蔗糖酶、脲酶和蛋白酶的活性。這在一定程度上，支持了本研究的結果。本研究認為，在高于木醋液稀釋50倍的范圍內，隨稀釋倍數的降低對土壤微生物生物量碳和氮的明顯的促進作用，但超過50倍，土壤微生物生物量碳和氮有所降低。對不同土壤酶活性的研究結果表明，除低稀釋倍數的木醋液對β-糖苷酶和堿性磷酸酶以及脫氫酶有一定的抑制作用外，隨著施用木醋液稀釋倍數的降低，α-糖苷酶、β-糖苷酶、亮氨酸肽酶、酸性磷酸酶和酚氧化酶的活性有顯著增加的趨勢。土壤微生物生物量與酶活性的提高，也可以從高羊茅的地上生長量以及再生速度獲得支持。由于本研究的時間僅有180 d，不同木醋液稀釋倍數對草生長指標的影響未達到顯著水平，但由于不同稀釋倍數木醋液對土壤微生物生物量和酶活性的影響是顯著的，如果長時間地向沙土施用木醋液，也可能獲得更顯著的效果。這需要今后進一步開展研究。

[參考文獻]

[1]張鈦仁,張明偉,蔣建瑩.近60 a北京地區(qū)沙塵天氣變化及路徑分析[J].高原氣象,2012,31(2):487-491.

[2]李春雨,李榮桓,褚建民.華北平原沙地治理工程初期的改良土壤效應[J].防護林科技,2014(5):1-4.

[3]左小安,趙學勇,趙哈林,等.沙地退化植被恢復過程中灌木發(fā)育對草本植物和土壤的影響[J].生態(tài)環(huán)境學報,2009,18(2):643-647.

[4]Pangnakorn U, Watansorn S, Kuntha C, et al. Application of wood vinegar to fermented liquid bio-fertilizer for organic agriculture on soybean[J]. Asian Journal of Food and Agro-industry, 2009,2(S):189-196.

[5]張亞蘭,孫金龍,李治宇,等.木醋液對鹽堿土改良效果研究[J].中國農機化學報,2014,35(6):292-295.

[6]胡春花,達布希拉圖.木醋液和炭醋肥對設施蔬菜土壤肥力及蔬菜產量的影響[J].中國農學通報,2011,27(10):218-223.

[7]杜相革,史詠竹.木醋液及主要成份對土壤微生物數量影響的研究[J].中國農學通報,2004,20(2):59-62.

[8]Weil R R, Islam K R, Stine M A, et al. Estimating active carbon for soil quality assessment: A simplified method for laboratory and field use[J]. American Journal of Alternative Agriculture, 2003,18(1):3-17.

[9]DeForest J L, Zak D R, Pregitzer K S, et al. Atmospheric nitrate deposition and enhanced dissolved organic carbon leaching: Test of a potential mechanism[J]. Soil Science Society of America Journal, 2005,69(4):1233-1237.

[10]吳金水,林啟美,黃巧云,等.土壤微生物生物量測定方法及其應用[M].北京:氣象出版社,2006:54-70.

[11]Robertson G P, Coleman D C, Bledsoe C S, et al. Standard soil methods for long-term ecological research[M]. New York: Oxford University Press, 1999:329-338.

[12]Margesin R, Schinner F. Manual for soil analysis monitoring and assessing soil bioremediation[M]. Springer Science & Business Media, 2005:316-318.

[13]Dick W A, Cheng L, Wang P. Soil acid and alkaline phosphatase activity as pH adjustment indicators[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2000,32(13):1915-1919.

[14]李元祥,林紅衛(wèi).闊葉樹皮木醋液與木焦油有機成分的氣相色譜分析[J].分析科學學報,2012,28(1):58-62.

[15]Baldrian P, Trogl J, Frouz J, et al. Enzyme activities and microbial biomass in topsoil layer during spontaneous succession in spoil heaps after brown coal mining[J]. Soil Biology and Biochemisty, 2008,40(9):2107-2115.

[16]胡春花,達布希拉圖,武聞權,等.木醋液及炭醋肥對設施土壤微生物數量及相關性的影響[J].土壤通報,2012,43(4):45-57.

[17]Bandick A K, Dick R P. Field management effect on soil enzyme activity[J]. Soil Biological and Biochemistry, 1999,31(11):1471-1479.

[18]胡妍玢,陳杰,楊學軍,等.不同配比的木醋肥對香樟林土壤性狀的影響[J].土壤,2013,45(3):437-443.

收稿日期：2015-04-01修回日期：2015-07-28

通訊作者：耿玉清(1965—),女(漢族),河北省武強縣人,博士，副教授，主要從事土壤生態(tài)研究。E-mail:gengyuqing@bjfu.edu.cn。

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2016)03-0358-05

中圖分類號：S154.2

Effects of Wood Vinegar on Microbial Biomasses and Enzyme Activity in Sandy Soil

DU Wei, ZHU Yibo, ZHANG Xiao, GENG Yuqing, LIN Ping

(CollegeofForestry,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China)

Abstract：[Objective] To study the effect of the wood vinegar on sandy soil microbial biomass and enzyme activity in order to provide the theoretical basis for improving the sandy soil biological quality. [Methods] Compared with the effect of adding tap water on sandy soil, we added different dilution times(200, 150, 100, 50 and 20) of wood vinegar to the soil using pot planting method. Further, the contents of soil dissolved organic carbon, nitrogen and phenol, soil microbial biomass carbon and nitrogen, as well as soil enzyme activities were determined. [Results] Application of wood vinegar to sand soil could significantly decrease soil pH value, increase the contents of readily soil oxidizable carbon, soil dissolved organic carbon, nitrogen and phenol as well as inorganic nitrogen. When the dilution ratio of wood vinegar was greater than 50-fold, the contents of microbial biomass carbon and nitrogen and the activities of β-glucosidase and alkaline phosphatase and dehydrogenase increased with the decrease of dilution ratio of wood vinegar. Compared with the application of 20-fold dilution of wood winegar, the microbial biomass carbon and nitrogen and the activity of β-glucosidase and alkaline phosphatase and dehydrogenase were decreased with the application of 20-fold dilution of wood vinegar. However, the activity of α-glucosidase, leucine aminopeptidase, acid phosphatase and polyphenol oxidase significantly increased with the decrease of dilution ratio of wood vinegar within a certain range(greater than 20-fold dilution) of wood vinegar. [Conclusion] Different concentrations of wood vinegar will affect sandy soil microbial biomass and soil enzyme activity.

Keywords:wood vinegar; sandy soil; soil microbial biomass carbon; soil microbial biomass nitrogen; soil enzyme activity

資助項目：北京林業(yè)大學國家級大學生創(chuàng)新訓練項目“施用炭醋肥對沙地土壤性質及植物生長的影響”(G201410022001)

第一作者：杜薇(1992—),女(漢族),內蒙古自治區(qū)包頭市人,本科，研究方向為草坪生態(tài)。E-mail:duweiweibjfu@163.com。