任改弟，張 苗，張文越，郭德杰，馬 艷,4*

不同來(lái)源有機(jī)物料對(duì)菜用蠶豆生長(zhǎng)和品質(zhì)及根際土壤性狀的影響①

任改弟1,2,3,4，張 苗1,2，張文越1,2，郭德杰1,2，馬 艷1,2,4*

(1 江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，南京 210014；2 國(guó)家農(nóng)業(yè)環(huán)境六合觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，南京 210014；3 江蘇大學(xué)生命科學(xué)研究院，江蘇鎮(zhèn)江 212013；4 江蘇大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

通過(guò)盆栽試驗(yàn)，分析了不同來(lái)源有機(jī)物料(雞糞、牛糞、菇渣)對(duì)菜用蠶豆生長(zhǎng)和品質(zhì)、根際土化學(xué)和生物學(xué)性狀的影響。結(jié)果表明：①3種有機(jī)物料對(duì)蠶豆分枝數(shù)、莢干重、籽粒干重、大粒重、大粒蠶豆占比、籽粒淀粉含量均有積極作用，其中牛糞和菇渣能顯著(<0.05) 提高大粒蠶豆占比，雞糞能顯著(<0.05) 提高二粒莢和三粒莢的占比，并且對(duì)籽粒淀粉含量的提升效果最為明顯(比對(duì)照增加69.1%)；②3種有機(jī)物料增加了根際土中細(xì)菌、真菌數(shù)量，顯著(<0.05) 提高了根際土中性轉(zhuǎn)化酶、脲酶、酸性磷酸酶、多酚氧化酶活性(除牛糞使中性轉(zhuǎn)化酶活性提高不顯著外)，其中雞糞對(duì)細(xì)菌數(shù)量、中性轉(zhuǎn)化酶活性、脲酶活性的提高程度均最大；③雞糞能顯著(<0.05) 增加根際土有機(jī)碳、全氮、NH4+-N含量，牛糞、雞糞能顯著(<0.05) 提高土壤pH。大粒蠶豆占比與土壤酸性磷酸酶活性、有效磷含量呈顯著正相關(guān)。蠶豆淀粉含量與細(xì)菌數(shù)量、中性轉(zhuǎn)化酶活性、有機(jī)碳、全氮、NH4+-N含量呈顯著正相關(guān)，這說(shuō)明有機(jī)物料的施用可能為細(xì)菌生長(zhǎng)提供了更多的碳源和能源，導(dǎo)致細(xì)菌數(shù)量增加。細(xì)菌是酶的重要產(chǎn)生者，細(xì)菌數(shù)量的增加可能提高了碳氮循環(huán)相關(guān)酶(中性轉(zhuǎn)化酶、脲酶) 的產(chǎn)生量和活性，從而使更多的有機(jī)氮轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)機(jī)氮(NH4+-N)，提高了土壤養(yǎng)分(NH4+-N、全氮) 水平，進(jìn)而提高了蠶豆?fàn)I養(yǎng)品質(zhì)。

有機(jī)物料；蠶豆；作物生長(zhǎng)和品質(zhì)；土壤生物學(xué)性狀；土壤化學(xué)性狀

施肥是提高作物產(chǎn)量、改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的關(guān)鍵因素。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于長(zhǎng)期施用化肥，忽視有機(jī)類肥料的施用，往往造成土壤酸化和板結(jié)[1]、土壤生物活性降低[2]、土壤肥力下降[1]、土壤碳素過(guò)度消耗、有機(jī)質(zhì)含量降低[1]等一系列的土壤退化問(wèn)題，嚴(yán)重影響了作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。隨著土壤生態(tài)環(huán)境的惡化，單施化肥已不利于我國(guó)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，為了調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分平衡，實(shí)現(xiàn)土地的用養(yǎng)結(jié)合，化肥基礎(chǔ)上增施有機(jī)物料成為有效的解決方法[3-5]。

有機(jī)物料種類多樣，主要包括天然草炭、畜禽糞便、秸稈、食用菌生產(chǎn)廢料、動(dòng)物內(nèi)臟、沼氣發(fā)酵殘留物等[6]。有機(jī)物料作為土壤腐殖質(zhì)的重要物質(zhì)來(lái)源，在改善根際土壤性狀及提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)方面的意義深遠(yuǎn)。有機(jī)物料施用在改變土壤理化性狀的同時(shí)，亦可能會(huì)改變土壤的生物學(xué)性狀。這是因?yàn)橛袡C(jī)物料是一種高能量的物質(zhì)，其進(jìn)入土壤可以為土壤微生物提供更多的物質(zhì)和能量來(lái)源，從而增強(qiáng)土壤微生物的活性，提高微生物酶的合成水平，改善土壤的生物學(xué)性狀。土壤理化性狀、生物學(xué)性狀的改變意味著作物的生存環(huán)境發(fā)生了變化，這最終可能會(huì)影響作物的生長(zhǎng)和農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)。張啟明等[5]研究了不同有機(jī)物料(普通商品有機(jī)肥、生物有機(jī)肥、生物質(zhì)炭)與化肥配施對(duì)土壤改良和烤煙產(chǎn)量和質(zhì)量的影響，結(jié)果表明，與常規(guī)施肥 (100% 化肥)相比，有機(jī)物料與化肥配施能夠提高土壤酶活性、微生物多樣性、烤后煙葉含鉀量，促進(jìn)煙葉化學(xué)成分更為協(xié)調(diào)，從而能夠提高煙葉均價(jià)、上等煙比例和經(jīng)濟(jì)效益。趙征宇等[7]研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥配施能降低番茄果實(shí)中的硝酸鹽含量，并且有機(jī)肥配施比例越高，番茄果實(shí)中的硝酸鹽含量下降越大。

蠶豆(Linn.)俗稱佛豆、胡豆、寒豆、南漢豆、利馬豆、川豆等，屬于越年生或一年生豆科野豌豆屬草木植物。蠶豆是聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織支持發(fā)展的作物之一，是世界上重要的豆科作物。因蠶豆具糧食、蔬菜、飼料和綠肥兼用等特點(diǎn)，并具有較高的固氮量，而且可以減少病蟲(chóng)害、增加生態(tài)系統(tǒng)中生物多樣性，蠶豆在世界范圍內(nèi)廣泛種植。據(jù)估計(jì)，世界蠶豆的種植面積高達(dá)260萬(wàn)hm2，我國(guó)的蠶豆種植規(guī)模居世界首位，種植面積占世界種植面積的40%[8]。蠶豆在我國(guó)大多數(shù)省份都有種植，長(zhǎng)江以南地區(qū)以秋播冬種為主，長(zhǎng)江以北以早春播為主。鮮食蠶豆有較高經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)效益，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)前景廣闊，在一些蠶豆生產(chǎn)基礎(chǔ)好的地區(qū)，鮮食蠶豆已成為特色產(chǎn)業(yè)進(jìn)入國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)。菜用蠶豆是指采收青莢剝粒作為蔬菜食用的蠶豆品種。目前，對(duì)于有機(jī)物料施用在改善根際生態(tài)環(huán)境、保證作物生長(zhǎng)、改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)方面主要集中于小麥[9]、玉米[10-11]、煙草[12]、黃瓜[13]、番茄[7, 14]、辣椒[14]等作物，而有機(jī)物料對(duì)菜用蠶豆生長(zhǎng)和品質(zhì)、根際土壤的生物學(xué)和化學(xué)性狀的影響研究鮮見(jiàn)報(bào)道。多數(shù)研究表明，施用有機(jī)物料可提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，改善土壤化學(xué)性狀和生物學(xué)性狀[7, 9, 14]。

蠶豆是江蘇省主要栽培的冷季鮮食豆科作物之一，是江蘇省主要的豆類蔬菜作物之一，為高效設(shè)施農(nóng)業(yè)中的主要作物，在出口創(chuàng)匯蔬菜中占據(jù)重要地位[15]。本研究以菇渣、雞糞、牛糞為不同來(lái)源的供試有機(jī)物料，以江蘇省主要的冷季豆類蔬菜——菜用蠶豆為供試作物，通過(guò)溫室盆栽試驗(yàn)，在常規(guī)施化肥的基礎(chǔ)上施用有機(jī)物料，研究其對(duì)蠶豆生長(zhǎng)和品質(zhì)、蠶豆根際土壤化學(xué)性狀和生物學(xué)性狀的影響，耦合分析蠶豆根際土壤化學(xué)性狀和生物學(xué)性狀與蠶豆生長(zhǎng)和品質(zhì)的關(guān)系，以期為通過(guò)施用有機(jī)物料改善菜用蠶豆根際環(huán)境、保證產(chǎn)量、提高品質(zhì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

菜用蠶豆品種為江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所提供的蘇蠶豆2號(hào)。供試土壤為馬干土，采自江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院六合動(dòng)物科學(xué)基地(118°37′18″E, 32°29′17″N)。采集的土壤為0 ～ 20 cm表層土。土壤基本理化性質(zhì)如下：土壤pH (土:水=1:5) 7.66，有機(jī)質(zhì)10.53 g/kg，全氮1.15 g/kg，全磷0.71 g/kg，全鉀10.52 g/kg，有效磷35.23 mg/kg，速效鉀 202.33 mg/kg，NH4+-N 3.55 mg/kg，NO3–-N 11.98 mg/kg。腐熟的牛糞、雞糞、菇渣來(lái)自江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院六合動(dòng)物科學(xué)基地堆肥廠，這3種有機(jī)物料養(yǎng)分含量見(jiàn)表1。

表1 供試有機(jī)物料養(yǎng)分含量

1.2 蠶豆盆栽試驗(yàn)設(shè)置

盆栽試驗(yàn)在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院展示溫室大棚內(nèi)進(jìn)行。設(shè)置4個(gè)處理：①不加有機(jī)物料的對(duì)照(CK)；②加雞糞處理(Chi)；③加牛糞處理(Cow)；④加菇渣處理(Mus)。每個(gè)處理4個(gè)重復(fù)，共計(jì)16盆。所有處理化肥施入量相同：氮肥用量為N 56 mg/kg土，以尿素形式施加；磷肥用量為P 70 mg/kg土，以過(guò)磷酸鈣形式施加；鉀肥用量為K 60 mg/kg土，以K2SO4形式施加。磷鉀肥全部作為基肥一次性施入，氮肥的55% 以基肥施入，45% 于盛花期追施。對(duì)于添加有機(jī)物料處理，雞糞、牛糞、菇渣的添加量均為10 g/kg土(按照干重計(jì)算)，均作為基肥一次性施入。各個(gè)處理的有機(jī)物料和化肥施用量見(jiàn)表2。

表2 各處理有機(jī)物料和化肥施用量

盆栽所用盆缽直徑為30.5 cm，高度為24 cm，每盆裝土12 kg。蠶豆在種植之前，先用清水浸泡過(guò)夜，倒掉浸泡后的水，用清水沖洗蠶豆2 ～ 3次直到清洗的水變清澈，再繼續(xù)用水浸泡4 ～ 5 h后即可播種。每盆播種3顆種子。本試驗(yàn)蠶豆的播種時(shí)間為2019年9月30日。待蠶豆出苗生長(zhǎng)至株高約10 cm時(shí)，間苗，每盆留1棵苗。當(dāng)?shù)绞⒒ㄆ跁r(shí)，按照N 25 mg/kg土追施尿素。追施方法：將尿素溶解于水中，配成尿素溶液，以根系為中心，在距離根系10 cm處挖一個(gè)環(huán)形追肥溝，將尿素溶液均勻加到追肥溝內(nèi)，待溶液全部滲入土壤后，覆土。整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中，定期供水，使土壤水分達(dá)到田間持水量的60% ～ 70%。

1.3 樣品采集

在蠶豆成熟期采集蠶豆植株樣品和根際土，測(cè)定蠶豆植株生長(zhǎng)指標(biāo)、果粒品質(zhì)指標(biāo)、根際土生物學(xué)指標(biāo)。

把植株地上部中最長(zhǎng)的分枝拉直，用米尺測(cè)量植株基部至該最長(zhǎng)分枝頂部的高度，即為株高。記錄分枝高度大于群體一半的分枝數(shù)。用剪刀將豆莢剪下，烘干后，稱莢重量。將莢皮剝開(kāi)，統(tǒng)計(jì)每個(gè)莢中蠶豆個(gè)數(shù)；分別統(tǒng)計(jì)大粒蠶豆(>0.8 g/粒)、中粒蠶豆(0.6 ～ 0.8 g/粒)和小粒蠶豆(<0.6 g/粒)的個(gè)數(shù)和重量。用刀將地上部與地下部分開(kāi)，將地上部裝入信封中，烘干，測(cè)定地上部干重。將地下部連土倒出盆缽，抖根法采集根際土后，小心收集根系，用去離子水將根系沖洗干凈，裝入信封中，烘干稱重。

1.4 樣品測(cè)定

1.4.1 果粒營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)測(cè)定 果粒中淀粉含量采用蒽酮比色法測(cè)定[16]，具體操作流程按照Solarbio公司的淀粉含量檢測(cè)試劑盒(北京索萊寶科技有限公司)中的步驟進(jìn)行。果粒中蛋白質(zhì)含量采用考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定[17]。

1.4.2 根際土壤酶活性測(cè)定 1) 土壤中性轉(zhuǎn)化酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定[18]，操作流程按照Solarbio提供的土壤中性轉(zhuǎn)化酶(S-NI)活性檢測(cè)試劑盒中的步驟進(jìn)行。單位定義：以37 ℃每g土壤每天產(chǎn)生1 mg還原糖定義為一個(gè)酶活性單位。

2) 土壤脲酶活性采用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定[18]，具體操作按照蘇州科銘生物科技有限公司提供的土壤脲酶(solid-urease, S-UE)測(cè)定試劑盒中的操作步驟進(jìn)行。單位的定義：每天每g土樣中產(chǎn)生1 μg NH3-N定義為1個(gè)酶活力單位。

3) 土壤酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定[18]，具體操作按照蘇州科銘生物科技有限公司提供的土壤酸性磷酸酶活性(soil acid phosphatase, S-ACP)測(cè)定試劑盒中的操作步驟進(jìn)行。活性單位定義：37 ℃土壤中每g土壤每天釋放1 μmol酚為1個(gè)酶活單位。

4) 土壤多酚氧化酶采用鄰苯三酚比色法測(cè)定[19]，具體操作步驟按照蘇州科銘生物科技有限公司提供的土壤多酚氧化酶(solid-polyphenol oxidase, S-PPO)試劑盒測(cè)定。單位定義：每天每g土壤中產(chǎn)生1 mg紫色沒(méi)食子素定義為1個(gè)酶活力單位。

1.4.3 根際土壤DNA提取 采用FastDNA? Spin Kit for Soil(MP Biomedicals公司)試劑盒提取土壤微生物基因組DNA。稱取0.5 g土樣，按照說(shuō)明書(shū)的提取步驟進(jìn)行。將提取得到的土壤微生物總DNA溶解于100 μl無(wú)菌水后，采用微量紫外分光光度計(jì)(NanoDropND-1000)測(cè)定DNA濃度和純度。此外，采用1.2% 的瓊脂糖凝膠電泳分析DNA的完整性。將DNA樣品置于–20 ℃?zhèn)溆谩?/p>

1.4.4 細(xì)菌和真菌熒光定量PCR 采用引物515F (5′-GTGCCAGCMGCCGCGG-3′)和907R (5′-CCGT CAATTCMTTTRAGTTT-3′)用于對(duì)細(xì)菌16S rRNA基因的V4-V5區(qū)進(jìn)行分析。采用引物NS1 (5′-GTA GTCATATGCTTGTCTC-3′) 和Fung (5′-ATTCCCCG TTACCCGTTG-3′)對(duì)真菌的18S rRNA基因進(jìn)行定量[20]。定量PCR標(biāo)線采用含有目標(biāo)基因的克隆進(jìn)行制備。利用特定引物分別擴(kuò)增目的基因，構(gòu)建克隆文庫(kù)后，將含有目標(biāo)基因的重組子在LB培養(yǎng)基中擴(kuò)大培養(yǎng)，利用試劑盒提取質(zhì)粒并測(cè)定質(zhì)粒濃度，然后換算成拷貝數(shù)。降質(zhì)粒進(jìn)行10倍梯度稀釋，獲得目標(biāo)基因的標(biāo)準(zhǔn)曲線。熒光定量PCR反應(yīng)體系如下：10 μl SYBR Premix Ex Taq (TaKaRa)，1.0 μl引物(10 μmol/L)，1.0 μl DNA 模板，加入無(wú)菌水補(bǔ)足至20 μl。每個(gè)樣品設(shè)置3個(gè)技術(shù)重復(fù)。定量PCR時(shí)，以用無(wú)菌水代替模板DNA作為陰性對(duì)照。細(xì)菌和真菌熒光定量PCR的條件如下：94 ℃預(yù)變性30 s；94 ℃變性30 s，55 ℃退火30 s，72 ℃延伸30 s，35個(gè)循環(huán)。

1.4.5 根際土壤化學(xué)性狀測(cè)定 pH使用1︰2.5(︰)土水比電極法測(cè)定[21]，土壤有機(jī)碳采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化–容量法測(cè)定[21]，全氮采用凱氏定氮法測(cè)定[21]，銨態(tài)氮采用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定[21]，硝態(tài)氮采用紫外分光光度法測(cè)定[21]，有效磷采用NaHCO3–鉬銻抗比色法測(cè)定[21]。

2 結(jié)果

2.1 不同有機(jī)物料對(duì)蠶豆植株和豆莢生長(zhǎng)的影響

如表3所示，與不加有機(jī)物料的對(duì)照處理相比，施用牛糞、雞糞、菇渣對(duì)蠶豆株高、分枝數(shù)、地上部和根部生物量沒(méi)有顯著影響，對(duì)莢干重、蠶豆籽粒干重有一定的促進(jìn)作用，但并未達(dá)到顯著水平。盡管如此，牛糞和菇渣處理卻顯著(<0.05)增加了大粒蠶豆的個(gè)數(shù)百分比(圖1A)，使大粒蠶豆的個(gè)數(shù)占比由對(duì)照處理的90.3% 分別增加至98.1% 和99.0%；雞糞增加了大粒蠶豆的個(gè)數(shù)占比，但是未達(dá)到顯著水平。另外，根據(jù)蠶豆莢中含有的豆粒個(gè)數(shù)，將蠶豆莢分為一粒莢、兩粒莢、三粒莢。如圖1B所示，一粒莢的占比最高，達(dá)到58.1% ～ 76.0%；其次為兩粒莢，占比為24.1% ～ 36.0%；三粒莢占比最低，僅為0 ～ 7.14%。雞糞處理能顯著增加(<0.05)兩粒莢和三粒莢的占比，而顯著降低一粒莢的占比，說(shuō)明雞糞處理下，蠶豆更傾向于形成多籽粒莢(兩粒莢或三粒莢)。牛糞也能顯著增加(<0.05)兩粒莢的占比，而顯著降低一粒莢的占比。

2.2 不同有機(jī)物料對(duì)蠶豆籽粒營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響

淀粉是植物中糖的主要儲(chǔ)存形式，是蠶豆籽粒中含量最大的成分，其含量對(duì)于評(píng)價(jià)食品營(yíng)養(yǎng)價(jià)值有重要意義。蛋白質(zhì)作為細(xì)胞中含量最豐富的生物大分子之一，是生物體結(jié)構(gòu)和功能最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是評(píng)價(jià)豆類作物營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的重要指標(biāo)。

本研究發(fā)現(xiàn)，供試有機(jī)物料中，施用雞糞對(duì)蠶豆籽粒淀粉含量提升幅度最大，比對(duì)照增加69.1%(圖2A)，并且達(dá)到顯著水平(<0.05)；施用牛糞、菇渣對(duì)蠶豆籽粒淀粉含量也有提升，但差異不顯著，分別比對(duì)照增加了18.7% 和27.6%(圖2A)。3種有機(jī)物料對(duì)蠶豆籽粒蛋白質(zhì)含量也都有提升，但與對(duì)照相比沒(méi)有顯著差異，分別增加了6.71%、1.09% 和8.45%(圖2B)。

注：Cow，牛糞；Chi，雞糞；Mus，菇渣；CK，對(duì)照；同列小寫字母不同表示處理間差異達(dá)<0.05顯著水平；下同。

圖1 不同有機(jī)物料對(duì)大粒蠶豆和豆莢占比的影響

圖2 不同有機(jī)物料對(duì)蠶豆籽粒中淀粉和蛋白質(zhì)含量影響

2.3 不同有機(jī)物料對(duì)蠶豆根際土壤微生物數(shù)量的影響

微生物是土壤中一切生物化學(xué)過(guò)程的主要參與者。細(xì)菌、真菌是構(gòu)成土壤微生物的主要生物量類群，它們的數(shù)量變化能反映土壤中生命物質(zhì)的旺盛程度，是表征土壤微生物活性的重要參數(shù)之一。如表4所示，與對(duì)照相比，牛糞、雞糞、菇渣處理均有使根際土壤細(xì)菌、真菌數(shù)量增加的趨勢(shì)。其中雞糞處理使細(xì)菌的豐度顯著增加(<0.05)，增加幅度也最大(比對(duì)照增加19.4%)，這說(shuō)明雞糞處理能顯著促進(jìn)根際土中細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖。雞糞、菇渣處理使土壤真菌數(shù)量顯著增加(<0.05)，菇渣增加幅度最大，為101.4%，雞糞增加幅度為57.5%。進(jìn)一步分析了根際土中細(xì)菌/真菌的比值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3種有機(jī)物料對(duì)細(xì)菌/真菌比例影響不顯著。

表4 細(xì)菌和真菌的熒光定量PCR結(jié)果以及細(xì)菌/真菌比值變化

2.4 不同有機(jī)物料對(duì)蠶豆根際土壤酶活性的影響

土壤酶是一類具有一定催化功能的生物活性物質(zhì)，參與了土壤生態(tài)系統(tǒng)的許多重要生態(tài)過(guò)程，其活性常作為衡量土壤質(zhì)量變化的敏感指標(biāo)，表征了土壤的綜合肥力特征以及土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過(guò)程。

2.4.1根際土壤中性轉(zhuǎn)化酶活性 轉(zhuǎn)化酶又稱蔗糖酶，參與土壤中碳水化合物的代謝與循環(huán)，是土壤中重要酶類。如圖3A所示，雞糞、菇渣處理均顯著(<0.05)提高了蠶豆根際土中性轉(zhuǎn)化酶活性，雞糞處理提高程度最大，較對(duì)照提高了76.2%；其次為菇渣，較對(duì)照提高了49.4%；而牛糞處理對(duì)中性轉(zhuǎn)化酶活性的提高作用不顯著。

圖3 不同有機(jī)物料對(duì)根際土壤酶活性的影響

相關(guān)性分析表明，土壤中性轉(zhuǎn)化酶活性與根際細(xì)菌數(shù)量呈顯著正相關(guān)(=0.985，<0.05)，與根際真菌數(shù)量呈正相關(guān)(=0.706)，但相關(guān)性不顯著，這說(shuō)明，有機(jī)物料處理下，土壤細(xì)菌數(shù)量增加可能是土壤中性轉(zhuǎn)化酶活性增加的主要原因。

2.4.2 根際土壤脲酶活性 脲酶是將酰胺態(tài)有機(jī)氮化物水解轉(zhuǎn)化為植物可以直接利用的無(wú)機(jī)氮化物的酶，是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，它能作用于尿素中的C-N鍵，使尿素水解生成CO2和氨。該酶是土壤中最活躍的水解酶類之一，對(duì)于提高土壤氮素利用率和土壤氮素代謝有重要意義。如圖3B所示，牛糞、雞糞、菇渣處理均顯著(<0.05)提高了土壤脲酶活性，其中雞糞對(duì)該酶活性提高幅度最大，較對(duì)照提高了6.45倍；其次為菇渣，較對(duì)照提高了6.16倍；牛糞對(duì)該酶活性的提高幅度最小，較對(duì)照提高了2.27倍。

脲酶活性與土壤細(xì)菌數(shù)量呈顯著正相關(guān)(=0.990，<0.05)，與真菌數(shù)量也存在正相關(guān)關(guān)系，但是相關(guān)性不顯著(=0.885，>0.05)，這說(shuō)明供試有機(jī)物料處理下，根際土細(xì)菌數(shù)量增加可能是根際土壤脲酶活性增加的重要原因。

2.4.3 根際土壤酸性磷酸酶活性 土壤磷酸酶是一類催化磷酸單酯水解生成磷酸根離子和自由羥基的酶的統(tǒng)稱。通常，土壤中有機(jī)磷占總磷的30% ～ 65%[22]。土壤有機(jī)磷在磷酸酶酶促水解作用下，可以轉(zhuǎn)化為植物能利用的形態(tài)。因此，該酶是催化土壤中有機(jī)磷礦化的酶，其活性的高低直接影響著土壤中有機(jī)磷的分解及磷的生物有效性，是評(píng)價(jià)土壤磷素生物轉(zhuǎn)化方向和強(qiáng)度的指標(biāo)。酸性磷酸酶是目前研究較多的酶。如圖3C所示，牛糞、雞糞、菇渣處理均顯著(<0.05)提高了土壤酸性磷酸酶活性，酶活性分別比對(duì)照增加了100.1%、33.7%、65.3%。

2.4.4 根際土壤多酚氧化酶活性 土壤多酚氧化酶是一類以銅、錳為活性中心的氧化還原酶，能把土壤中芳香族化合物氧化成醌，醌與土壤中蛋白質(zhì)、氨基酸、糖類、礦物等物質(zhì)反應(yīng)生成大小分子量不等有機(jī)質(zhì)和色素，完成土壤芳香族化合物循環(huán)，是土壤中重要的氧化還原酶類，可以反映土壤的腐殖化程度。如圖3D所示，供試的3種有機(jī)物料處理均顯著(<0.05)提高了蠶豆根際土壤多酚氧化酶活性，其中牛糞、雞糞對(duì)該酶活性提高程度較大，使酶活分別比對(duì)照增加了4.76倍和3.72倍；菇渣處理對(duì)該酶活性提高程度較小，使酶活比對(duì)照增加了67.4%。

2.5 不同有機(jī)物料對(duì)蠶豆根際土壤化學(xué)性狀的影響

如圖4所示，牛糞、雞糞處理均能顯著(<0.05)提高土壤pH，雞糞有機(jī)物料還能顯著(<0.05)增加土壤有機(jī)碳、全氮、NH4+-N含量，牛糞和菇渣能顯著(<0.05)增加土壤有效磷含量。相關(guān)性分析表明，土壤NH4+-N與土壤脲酶活性、中性轉(zhuǎn)化酶活性均呈顯著正相關(guān)(脲酶：=0.979，中性轉(zhuǎn)化酶：=0.993；<0.05)；土壤有效磷含量與土壤酸性磷酸酶含量呈顯著正相關(guān)(=0.954；<0.05)。這說(shuō)明，有機(jī)物料作用下，土壤中性轉(zhuǎn)化酶、脲酶提高可能是土壤NH4+-N增加的重要驅(qū)動(dòng)力，酸性磷酸酶活性提高是土壤有效磷增加的重要驅(qū)動(dòng)力。

圖4 根際土壤pH及養(yǎng)分含量變化

2.6 根際土壤生物學(xué)性狀和化學(xué)性狀與蠶豆生長(zhǎng)和品質(zhì)之間的相關(guān)性

有機(jī)物料作用下，根際土壤生物學(xué)性狀和化學(xué)性狀的改善可能是蠶豆生長(zhǎng)指標(biāo)提高的重要原因。如表5所示，土壤酸性磷酸酶活性和土壤有效磷含量與蠶豆大粒干重和大粒占比呈顯著正相關(guān)(<0.05)，這說(shuō)明，有機(jī)物料作用下，有效磷含量的增加可能是大粒蠶豆占比增加的重要驅(qū)動(dòng)因素；土壤多酚氧化酶活性與兩粒莢占比呈顯著正相關(guān)，中性轉(zhuǎn)化酶數(shù)量和細(xì)菌數(shù)量與三粒莢占比呈顯著正相關(guān)，這說(shuō)明有機(jī)物料作用下，中性轉(zhuǎn)化酶數(shù)量和細(xì)菌數(shù)量的增加使蠶豆更傾向于形成三粒莢。多個(gè)土壤性狀(細(xì)菌數(shù)量、中性轉(zhuǎn)化酶活性、pH、有機(jī)碳、全氮、NH4+-N)與蠶豆淀粉含量呈顯著正相關(guān)，這說(shuō)明，有機(jī)物料作用下，蠶豆?fàn)I養(yǎng)品質(zhì)的增加可能是由于蠶豆根際土壤生物學(xué)性狀、化學(xué)性狀(養(yǎng)分含量增加、pH提高)得以改善的綜合作用的結(jié)果。

綜合3種有機(jī)物料對(duì)蠶豆生長(zhǎng)指標(biāo)、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)、根際化學(xué)性狀、生物學(xué)性狀影響，雞糞的效果最好，該有機(jī)物料不僅可以顯著提高蠶豆籽粒的淀粉含量(提高幅度為69.1%)，還能使蠶豆傾向于形成二粒莢和三粒莢，并且對(duì)大粒干重和占比均有正向影響，而且該有機(jī)物料對(duì)根際細(xì)菌數(shù)量、中性轉(zhuǎn)化酶活性、脲酶活性的提高幅度也最大，對(duì)根際酸性磷酸酶、多酚氧化酶活性也有顯著的促進(jìn)作用。

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是動(dòng)物來(lái)源的有機(jī)物料(雞糞和牛糞)還是非動(dòng)物來(lái)源的有機(jī)物料(菇渣)對(duì)蠶豆分枝數(shù)、莢干重、籽粒干重、大粒重、大粒蠶豆占比均有積極的作用，其中牛糞和菇渣還能使大粒蠶豆占比顯著增加，雞糞還能顯著增加二粒莢和三粒莢的占比。已有研究表明，有機(jī)物料(雞糞、豬糞、羊糞，或牛糞)對(duì)辣椒[23]、蠶豆[24]、玉米[25]等作物生長(zhǎng)或產(chǎn)量有提升作用。本研究與前人的研究結(jié)果具有一致性。本研究發(fā)現(xiàn)，牛糞、雞糞、菇渣均對(duì)蠶豆籽粒的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)有積極的作用，使籽粒的淀粉含量比對(duì)照增加18.7% ～ 69.1%，使蛋白含量比對(duì)照增加1.09% ～ 8.45%。李鳴雷等[26]研究發(fā)現(xiàn)，以麥草和雞糞為原料制成的有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥使大豆蛋白質(zhì)和脂肪含量比無(wú)機(jī)肥和不施肥處理顯著增加。梁潘潘[27]發(fā)現(xiàn)，50% 的有機(jī)肥氮素替代無(wú)機(jī)化肥時(shí)，可以提高蠶豆中、下部籽粒中可溶性總糖和蛋白含量。因此，本研究與已有研究結(jié)果具有一致性。

表5 蠶豆根際土壤生物學(xué)性狀、化學(xué)性狀與蠶豆生長(zhǎng)指標(biāo)的相關(guān)性

注：*表示相關(guān)性達(dá)<0.05顯著水平。

有機(jī)物料可以為微生物生長(zhǎng)繁殖提供碳源和能源。本研究中雞糞、牛糞、菇渣的處理根際土壤的細(xì)菌數(shù)量顯著提高，這與周超[28]的研究施用有機(jī)肥可以提高果園土壤細(xì)菌數(shù)量一致。由于土壤酶主要來(lái)自微生物細(xì)胞，因此，根際土壤細(xì)菌數(shù)量的變化勢(shì)必導(dǎo)致土壤酶活性的變化。本研究結(jié)果表明，雞糞、牛糞、菇渣均能不同程度地提高土壤中性轉(zhuǎn)化酶、脲酶、酸性磷酸酶、多酚氧化酶的活性，其中雞糞對(duì)中性轉(zhuǎn)化酶、脲酶活性的提高幅度最大(增幅分別為76.2% 和645%)。這些研究結(jié)果與已有學(xué)者得出的施用有機(jī)物料可以不同程度地提高土壤酶活性的結(jié)論具有相似性[28-29]，Nayak等[29]的研究也表明長(zhǎng)期使用有機(jī)肥配施無(wú)機(jī)肥處理能夠提高土壤脲酶活性。中性轉(zhuǎn)化酶和脲酶是參與土壤碳循環(huán)和氮循環(huán)的重要酶類，可以為植物提供簡(jiǎn)單的碳源和氮源[30]。已有研究表明有機(jī)物料處理后碳循環(huán)相關(guān)酶活性的提高主要是由于有機(jī)物料增加了土壤有機(jī)碳含量[31]。本研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)碳含量與土壤中性轉(zhuǎn)化酶活性呈正相關(guān)性(=0.764)，添加雞糞處理時(shí)土壤有機(jī)碳含量最高，中性轉(zhuǎn)化酶活性也最強(qiáng)。另外，有機(jī)物料處理下脲酶活性顯著增加，可能原因是：①細(xì)菌數(shù)量顯著增加，作為酶的生產(chǎn)者之一，細(xì)菌數(shù)量的增加可能會(huì)提高酶的產(chǎn)生量，增強(qiáng)脲酶活性。本研究中，細(xì)菌數(shù)量與脲酶活性呈顯著正相關(guān)的現(xiàn)象支持了這一推斷；②有機(jī)物料的添加增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量，使得土壤酶活性免遭變性或降解，間接增加了脲酶活性[32]。本研究中，土壤有機(jī)碳含量與土壤脲酶活性呈正相關(guān)(=0.549)的結(jié)果也支持了這一推斷。Nayak等[29]也發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)碳含量與土壤脲酶活性呈高度正相關(guān)。

本研究還發(fā)現(xiàn)，蠶豆淀粉含量與根系土壤細(xì)菌數(shù)量、碳氮循環(huán)相關(guān)酶(中性轉(zhuǎn)化酶、脲酶)活性，養(yǎng)分含量(NH4+、全氮)、土壤有機(jī)碳呈顯著正相關(guān)。土壤細(xì)菌數(shù)量與脲酶活性呈正相關(guān)，土壤脲酶活性與土壤NH4+-N含量呈正相關(guān)。植物的碳代謝和氮代謝是互為基礎(chǔ)的。氮是葉綠素的組成成分，環(huán)境中氮素供應(yīng)水平的高低與葉片中葉綠素的含量呈正相關(guān)[33]，葉綠素含量的多少直接影響著光合作用產(chǎn)物的形成。因此，我們推斷，供試有機(jī)物料為微生物生長(zhǎng)繁殖提供了碳源和能源，從而使細(xì)菌數(shù)量明顯增加。由于土壤酶主要來(lái)自微生物細(xì)胞，因此，細(xì)菌數(shù)量增加使得土壤整體脲酶水平增加和活性增強(qiáng)，脲酶活性的增強(qiáng)使得土壤中NH4+-N含量增加，土壤氮素供應(yīng)的增加促進(jìn)了葉片中葉綠素含量的增加，促進(jìn)了光合產(chǎn)物(如淀粉)的積累。

供試牛糞、雞糞、菇渣均能提高蠶豆根際土壤磷酸酶活性和有效磷含量，且大粒蠶豆個(gè)數(shù)占比與土壤中的酸性磷酸酶活性和有效磷含量均呈高度正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)分別高達(dá)0.966和0.985)。多數(shù)研究已經(jīng)表明，磷能加強(qiáng)光合作用和碳水化合物的合成和運(yùn)轉(zhuǎn)，提高作物產(chǎn)量。胡誠(chéng)等[34]研究表明，土壤磷酸酶活性與小麥產(chǎn)量及土壤有效磷含量呈極顯著正相關(guān)(<0.01)。因此，我們推斷，供試有機(jī)物料通過(guò)提高土壤磷酸酶活性而增加了磷的有效性，進(jìn)而提高了大粒蠶豆的生物量及大粒蠶豆的占比。

綜上，有機(jī)物料的施用改善了根際土壤的化學(xué)和生物學(xué)性狀，為根系生長(zhǎng)提供了良好的土壤環(huán)境，利于蠶豆的生長(zhǎng)和品質(zhì)的提高。具體而言，可能是由于有機(jī)物料的施入為微生物生長(zhǎng)繁殖提供了更多的碳源和能源，使土壤細(xì)菌大量生長(zhǎng)繁殖，從而使細(xì)菌數(shù)量大幅度增加。細(xì)菌作為土壤酶的主要產(chǎn)生者之一，細(xì)菌數(shù)量的增加帶來(lái)了中性轉(zhuǎn)化酶和脲酶活性增強(qiáng)，更多的有機(jī)氮轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)機(jī)氮(NH4+-N)，保障了氮的供給，進(jìn)而通過(guò)植株影響到淀粉合成相關(guān)代謝過(guò)程，從而增加淀粉含量，最終改善蠶豆?fàn)I養(yǎng)品質(zhì)。另外，有機(jī)物料作用下，大粒蠶豆的形成可能與有機(jī)物料添加引起的土壤酸性磷酸酶活性增強(qiáng)以及有效磷含量增加有關(guān)。

4 結(jié)論

良好的土壤微環(huán)境(土壤生物學(xué)性狀、化學(xué)性狀)是促進(jìn)蠶豆生長(zhǎng)、提升蠶豆?fàn)I養(yǎng)品質(zhì)的必要條件。大粒蠶豆的形成可能與有機(jī)物料添加引起的土壤酸性磷酸酶活性增強(qiáng)以及有效磷含量增加有關(guān)。有機(jī)物料作用下，細(xì)菌數(shù)量增加、碳氮循環(huán)相關(guān)酶(中性轉(zhuǎn)化酶、脲酶)活性增強(qiáng)、養(yǎng)分(NH4+-N、全氮)含量增加、pH的提高有助于提高蠶豆籽粒的淀粉含量。綜合雞糞、牛糞、菇渣對(duì)蠶豆生長(zhǎng)指標(biāo)、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)、根際生物學(xué)性狀、化學(xué)性狀的提升效果，雞糞的效果最好。

致謝：本研究所用的蠶豆種子為江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所陳新研究員提供，特此致謝。

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Effects of Organic Materials from Different Sources on Growth and Quality of Vegetable Broad Beans and Properties of Rhizosphere Soil

REN Gaidi1,2,3,4, ZHANG Miao1,2, ZHANG Wenyue1,2,GUO Dejie1,2, MA Yan1,2,4*

(1Institute of Agricultural Resources and Environment, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China; 2 National Agricultural Experiment Station for Agricultural Environment, Luhe, Nanjing 210014, China; 3 Institute of Life Sciences,Jiangsu University, Zhenjiang, Jiangsu 212013, China; 4 School of the Environment and Safety Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang, Jiangsu 212013, China)

A pot experiment was conducted to investigate the effects of organic materials from different sources (chicken manure, cow manure, and mushroom residue) on the growth and quality of vegetable broad bean, and the chemical and biological properties of rhizosphere soil. The results showed that: 1) Organic materials had positive effects on the number of branches, pod dry weight, kernel dry weight, large-kernel dry weight, percent of large-kernel and kernel starch content. Cow manure or mushroom residue significantly (<0.05) increased the percentage of large-kernel. Chicken manure significantly (<0.05) increased the percentages of two-kernel pod and three-kernel pod, and also resulted in the largest increase in the starch content of kernel (69.1% higher than that of the control). 2) Organic materials not only increased the quantity of rhizosphere bacteria and fungi, but also significantly (<0.05) increased the activities of neutral invertase, urease, acid phosphatase and polyphenol oxidase in rhizosphere soil (except an insignificant increase of neutral invertase by cattle manure treatment). Chicken manure led to the greatest increase in bacterial quantity, and neutral invertase and urease activities. 3) Chicken manure significantly (<0.05) increased the contents of organic carbon, total nitrogen, and NH4+-N in rhizosphere soil. Cattle manure and chicken manure significantly (<0.05) increased soil pH. The proportion of large kernel was positively correlated with soil acid phosphatase activity and available phosphorus content. Starch content of kernel was positively correlated with the quantity of bacteria, the activity of neutral invertase, and the contents of organic carbon, total nitrogen, and NH4+-N. The above results indicated that organic materials can provide more C and energy for bacteria, and hence lead to an increase in bacterial quantity. Bacteria are important producers of enzymes. The increase of bacterial quantity can increase the production and activities of enzymes (neutral invertase and urease) related with carbon and nitrogen cycles, result in more conversion from organic nitrogen to inorganic nitrogen (NH4+-N), then increase soil nutrient (NH4+-N, total nitrogen) levels, and thus lead to improvement of the nutritional quality of broad bean.

Organic materials; Broad bean; Crop growth and quality; Soil biological properties; Soil chemical properties

S141；S154；S153

A

10.13758/j.cnki.tr.2022.04.011

任改弟, 張苗, 張文越, 等. 不同來(lái)源有機(jī)物料對(duì)菜用蠶豆生長(zhǎng)和品質(zhì)及根際土壤性狀的影響. 土壤, 2022, 54(4): 740–749.

江蘇省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(SBK2020023002)、院基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)項(xiàng)目(重點(diǎn)人才配套)(ZX(2020)3011)、江蘇省第五期“333工程”科研項(xiàng)目(BRA2019313)和江蘇現(xiàn)代農(nóng)業(yè)(蔬菜)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系廢棄資源利用創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(JATS[2019]333)資助。

(myjaas@sina.com)

任改弟(1984—)，女，河南安陽(yáng)人，博士，副研究員，主要從事微生物分子生態(tài)學(xué)研究。E-mail: gaidiren@163.com