楊樹苗根系特性及根際土壤微生物多樣性對施用味精廢漿的響應

陳苗苗， 井大煒， 付修勇， 劉富剛， 袁曉蘭， 昝林生， 賈?；?/p>

(1.德州學院 資源環境與規劃學院, 山東 德州 253023; 2.德州學院 生態與園林建筑學院, 山東 德州 253023)

楊樹苗根系特性及根際土壤微生物多樣性對施用味精廢漿的響應

陳苗苗1， 井大煒1， 付修勇1， 劉富剛1， 袁曉蘭1， 昝林生2， 賈?；?

(1.德州學院資源環境與規劃學院,山東德州253023; 2.德州學院生態與園林建筑學院,山東德州253023)

[目的] 探討味精廢漿有機肥對楊樹根系特性及根際土壤微生物多樣性的作用效果，為楊樹苗的培育和造林以及味精廢漿有機肥的推廣應用提供理論依據和技術指導。 [方法] 以一年生歐美I-107楊樹苗為試材，通過盆栽模擬方式，研究CK(不施肥)、CF(單施化肥)、CM(味精廢漿)和CM+CF(味精廢漿和化肥各提供50%的氮)等處理對楊樹苗根系構建水平、根系吸收面積、根際土壤微生物多樣性指數及地徑、苗高生長的影響。 [結果] 施用味精廢漿顯著促進了楊樹苗根系的生長，尤其增加了毛細根的數量及在根體系中的比例。同CF相比，CM+CF處理顯著增加了根系的總吸收面積和活躍吸收面積，增幅分別為76.39%和121.48%；同時，CM+CF處理的微生物多樣性指數達最高值，并顯著高于其它處理。此外，該處理還明顯促進了楊樹苗地徑、苗高的生長，其中地徑分別較CK，CF和CM處理顯著提高45.30%，22.62%和10.78%，苗高分別顯著提高42.21%，20.65%和11.46%。 [結論] 味精廢漿有機肥與化肥配施有助于改善楊樹苗根系特性，并提高根際土壤微生物多樣性指數，進而促進楊樹苗生長。

歐美I-107楊; 味精廢漿; 根系構建; 根系吸收面積; 微生物多樣性

文獻參數： 陳苗苗， 井大煒， 付修勇， 等.楊樹苗根系特性及根際土壤微生物多樣性對施用味精廢漿的響應[J].水土保持通報，2017,37(4)：74-78.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.013； Chen Miaomiao, Jing Dawei, Fu Xiuyong, et al. Responses of root characteristics and microbial diversity to application of monosodium glutamate wastewater in rhizosphere soil of poplar seedlings[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(4)：74-78.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.013

根系特性對植株的獲取養分、水分能力具有決定性作用，所以根系與產量形成之間的關系一直是眾多學者研究的焦點，作物生產中采取的諸多栽培措施實際上都是通過控制根系來影響個體與群體的發育，進而達到增產的目的[1]。根系構建水平、根系吸收面積與活躍吸收面積等指標反映了作物的根系特性，而這些特征與作物的產量緊密相關[2]。根際是植物與微生物交流很活躍的土壤微域，植物根系可以分泌多種對微生物有益的酶、維生素、氨基酸與植物生長調節劑等物質，促進其正常的生長與發育，進而對根際微生物的數量、種類及分布產生一定影響，植物—土壤—微生物之間的內部關聯維持著土壤生態系統的正常功能[3-4]。大量研究表明[5-7]，有機肥與化肥配施能增加土壤微生物多樣性，有利于土壤肥力的提高和農業的可持續發展。中國是味精生產大國，每年大約產生1.00×108t的味精廢漿，直接排放會嚴重污染環境[8]。目前常用的處理方法由于操作繁瑣且成本較高，很難實現循環再利用。而味精廢漿的濃度大，全氮、有機物含量高，并富含游離氨基酸、蛋白質與一定量的中微量元素[9]。有研究發現[10]，味精廢漿有機肥可以明顯提高西瓜的產量、品質。還有研究認為[7]，味精廢漿與化肥配施可顯著提高土壤的活性有機碳含量，并明顯增強土壤微生物活性。由此可以推測，若將味精廢漿進行高效利用作為農業生產的肥源，則可以變廢為寶，既可大幅度減輕環境的壓力，還能為農業生產提供新肥源，這不僅能提高農作物的種植效益，同時亦能有力地推動味精的生產企業以及農業的可持續發展，可謂一舉兩得[9]?？梢灶A見，味精廢漿有機肥在林業上亦會有廣闊的應用市場。但目前關于味精廢漿在林業上的研究報道還較少，尤其針對林木根系特性與土壤微生物多樣性的研究更是鮮見報道。為此，本研究通過盆栽模擬的方法，探討施用味精廢漿有機肥對楊樹苗根系構建水平、根系吸收面積、根際土壤微生物多樣性及楊樹苗生長的影響，旨在為楊樹苗的培育和造林以及味精廢漿有機肥的推廣應用提供理論依據和技術指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與供試材料

試驗地選擇在山東省林業科學研究院的試驗大棚，供試土壤為潮土，土壤堿解氮26.98 mg/kg，速效磷23.87 mg/kg，速效鉀86.20 mg/kg，有機碳含量13.79 g/kg。有機肥是利用味精行業所產生的廢漿制成顆粒肥料(有機質含量229.63 g/kg，全氮75.11 g/kg，全磷10.82 g/kg，全鉀1.03 g/kg，pH值6.59)；化肥為尿素、過磷酸鈣與硫酸鉀。楊樹扦插苗品種為歐美I-107楊(Populuseuramericana)，挑選出均勻一致的扦插苗，接穗長15～16 cm，莖粗2 cm，重量26～28 g。

1.2 試驗設計

采用盆栽試驗，隨機區組設計，包括4個處理： (1) 不施肥(CK)； (2) 單施化肥(CF)，N，P2O5和K2O的施用量分別為3.60，1.82，2.68 g； (3) 味精廢漿有機肥(CM)； (4) 味精廢漿有機肥提供50%的氮，化肥提供50%的氮(CM+CF)，其中化肥中N，P2O5和K2O的施用量分別為1.80，0.91，1.34 g。每個處理8盆(重復8次)，共計32盆。除CK外，各處理均為等養分量，N，P2O5和K2O含量分別為3.60，1.82和2.68 g，各處理P和K不足部分分別用過磷酸鈣、硫酸鉀補足。試驗用盆為購自市場的塑料盆，盆規格為高20 cm、直徑30 cm。于2016年4月8日盆栽試驗時，將肥料與土壤充分混勻后裝盆，每盆裝土10.8 kg。

1.3 測定項目與方法

2016年10月16日(一年生楊樹苗落葉前)首先分別用游標卡尺、卷尺測定楊樹苗的地徑、苗高，然后采集土壤和根系樣品。在土壤水分含量適中時利用剝落分離法[3]采集根際土，并將所取根際土壤樣品充分混勻后放于-80 ℃的冰箱中保存用于測定土壤微生物多樣性指數。同時，用水沖洗挑選出的根系并分為兩份，一份用游標卡尺將根徑按照<2 mm，2～5 mm，>5 mm的粗度進行分級，然后放入75 ℃的烘箱中烘干至恒重并分別稱其質量；另一份采用甲烯藍吸附法[2]測定根系吸收面積和活躍吸收面積，并結合根系生物量進一步計算出比吸收面積和比活躍吸收面積。土壤微生物群落功能多樣性采用Biolog GN平板分析法測定[11]：稱取過2 mm篩的10 g新鮮土壤置于滅菌的250 ml三角瓶(內裝100 ml 0.5 mol/L磷酸緩沖液)中，振蕩20 min。25 ℃恒溫培養，在24，36，48，60，72，84，96，108，120，132，144，156，168 h后測定各孔在590 nm波長下的光吸收值。然后采用培養48 h的數據計算土壤微生物群落多樣性指數[12]：

香農指數計算公式：H=-∑PilnPi

式中：Pi——第i孔相對吸光值與整個平板相對吸光值總和的比率。

1.4 統計方法

采用SAS軟件對數據進行基本處理，采用單因素方差分析不同處理間的差異，并用多重比較(LSD法，p<0.05)分析不同施肥處理對根系特性(根系構建水平、根系吸收面積)、微生物多樣性指數及地徑與苗高的影響。

2 結果與分析

2.1 根系構建水平

由圖1可見，從根系分級的生物量來看，各施肥處理<2 mm，2～5 mm與>5 mm的根系相比對照均明顯提高，表明施肥對楊樹苗根系的生長具有顯著的促進效應。在3個施肥處理中，施用味精廢漿有機肥的兩個處理對楊樹苗的根系生物量與建造水平產生了明顯的影響。CM+CF處理中<2 mm的根系干重最大，并與CM，CF處理達差異顯著水平，其次是CM處理，也顯著大于CF處理。而2～5 mm和>5 mm的根系，各個施肥處理之間均無顯著性差異。同時，CF，CM與CM+CF處理中<2 mm根系所占比例分別為36.05%，43.54%與50.10%，這說明施加味精廢漿有機肥處理相比單施化肥可更顯著地提高楊樹苗細根的比例，其中CM+CF處理中細根的所占比值最大。從根系總生物量來看，味精廢漿的加入對根系同樣能產生顯著影響。與CF處理相比，CM與CM+CF處理的根系總干重分別顯著增加16.82%與30.44%。由此可見，味精廢漿有機肥的施入有助于楊樹苗根系的生長，特別能促進毛細根數量的增加，這對于增強楊樹苗的供肥性具有重要實際意義。

圖1 味精廢漿有機肥對楊樹苗根系構建水平的影響

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(p<0.05)。下同。

2.2 根系吸收面積

從表1可以看出，不同施肥措施使楊樹苗根系的總吸收面積與活躍吸收面積呈現出一致的變化規律，其大小次序為：CM+CF>CM>CF>CK，且各處理之間均達差異顯著水平，這說明施用味精廢漿有機肥的兩個處理對楊樹苗根系吸收面積的增加幅度明顯大于單施化肥處理，其中CM+CF處理更顯著，其總吸收面積與活躍吸收面積分別相比CF處理顯著增加76.39%與121.48%，分別較CM處理顯著增加29.23%與38.53%?；钴S吸收面積/總吸收面積的百分比、比活躍吸收面積表現出類似的變化趨勢：CM+CF處理最高，并明顯高于其它處理；其次是CM處理，顯著高于CK，CF處理，而CK與CF處理差異不顯著。此外，各處理的比吸收面積變化規律為：CM+CF>CM>CF>CK，并且各處理間均達差異顯著水平。以上分析認為，味精廢漿有機肥與化肥配施可以顯著地擴大楊樹苗的總吸收面積與活躍吸收面積，從而有利于促進根系對養分與水分的吸收。

2.3 微生物多樣性指數

采用Biolog技術研究了楊樹苗根際土壤的微生物多樣性指數(圖2)。由圖2可見，不同處理對楊樹苗根際土壤微生物多樣性指數的影響存在顯著的差異，這說明各處理的楊樹苗根際土壤微生物群落的豐富度不同。CM+CF處理的微生物多樣性指數最高，并顯著高于其它處理；依次是CM處理，其微生物多樣性指數也顯著高于CK與CF處理；而CF處理的微生物多樣性指數明顯低于CK，可能是由于單施化肥使楊樹苗根際的微域生態環境會適合于某一類或幾類微生物的生長，而對其它類群微生物的生存不一定產生影響，即對各類微生物的作用有一定差異。由此可知，施用味精廢漿有機肥較單施化肥能顯著提高楊樹苗根際土壤的微生物多樣性指數，其中味精廢漿與化肥配施的作用效果最顯著。

表1 味精廢漿有機肥對楊樹苗根系吸收面積的影響

注：數據為平均值±標準差，同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(p<0.05)。下同。

圖2 味精廢漿有機肥對楊樹苗根際土壤微生物多樣性指數的影響

2.4 地徑、苗高生長

不同施肥處理對楊樹苗地徑與苗高生長的影響差異顯著(圖3)。由圖3可以看出，地徑、苗高呈現出基本一致的變化規律。與對照相比，各施肥處理均顯著提高了楊樹苗的地徑與苗高。CM+CF處理的地徑與苗高均達最高值，其中地徑分別較CK，CF和CM處理顯著提高45.30%，22.62%和10.78%，苗高分別顯著提高42.21%，20.65%和11.46%；其次是CM處理，其地徑與苗高亦顯著高于CF處理?？梢?，施用味精廢漿有機肥較單施化肥能顯著促進楊樹苗地徑與苗高的生長，其中味精廢漿配施化肥的影響效果最佳。

圖3 味精廢漿有機肥對楊樹苗地徑與苗高生長的影響

3 討 論

3.1 根系特性

林木細根(直徑<2 mm)的生理活性強，且具有巨大的吸收面積，是林木吸收養分與水分的重要渠道，同時對森林生態系統的養分循環起著至關重要的作用[13]。本試驗研究結果表明，施用味精廢漿有機肥對楊樹苗根系的生長與構建產生了很大的影響，其中味精廢漿與化肥配施較單施化肥能顯著提高楊樹苗細根的生物量及所占比例，表明味精廢漿配施化肥有誘導毛細根生長的作用，這與劉方春等[14]對甜櫻桃的研究結果相似。相關研究認為[1-2]，植物根系生理特性和形態特征的協同作用能決定植物對養分的吸收能力與產量的形成。本研究得出，同單施化肥相比，味精廢漿有機肥與化肥配施可明顯增加楊樹苗根系的總吸收面積、活躍吸收面積、比吸收面積與比活躍吸收面積，這表明味精廢漿配施化肥能顯著改善楊樹苗的根系形態，擴大根系的吸收范圍，具有以肥促根的效果。這與孫浩燕等[15]對水稻苗期和井大煒等[6]對西瓜的研究結果基本一致?？赡苁怯捎谖毒珡U漿有機肥提供了充足的有機碳源，同時化肥的施入又可以調節土壤中營養元素的比例，從而有助于改善土壤有機無機復合狀況與腐殖質結合形態，增加了土壤團聚體的數量，為楊樹苗的根系生長創造了優越的生態環境。

3.2 根際土壤微生物多樣性

根際是植物—土壤—微生物相互作用的特殊微環境，植物根系以多種方式向周圍的土壤釋放有機物質，并以其自身活動影響著這部分土壤的生物學與物理化學性狀，特別是影響微生物區系的生長發育[5,14,16]。微生物多樣性指數是衡量生物類型數與均勻度的一個重要指標。通常，一個群落中物種類型數越多，且各類型間分布比例越均勻，則該群落的生物多樣性指數就越高[6,17]。因此，很有必要對土壤微生物多樣性指數開展研究。目前，Biolog技術在土壤微生物方面的研究報道呈不斷增長的趨勢[11]。本研究表明，施用味精廢漿有機肥處理的微生物多樣性指數顯著高于對照與單施化肥處理，這與丁偉等[18]關于定位施肥對植煙土壤的研究結果相一致。分析其原因在于： ① 味精廢漿本身帶入了大量活的微生物，在某種程度上起到了“接種”的作用[9]； ② 施用味精廢漿使楊樹苗根際微域環境對不同類微生物的作用效果存在差異，可能僅適宜某一類或幾類微生物的生長，而對其它類微生物并無明顯作用。本研究還得出，單施化肥處理的微生物多樣性指數明顯低于對照，雷先德等[19]也得出了基本一致的結論。這可能是因為在各施肥處理中，雖然單施化肥與味精廢漿配施化肥處理的養分總用量相等，但前者在土壤中會快速釋放，高濃度的氮、磷與鉀可能對固氮菌、磷細菌與鉀細菌的生長繁殖具有抑制作用，從而導致微生物群落的豐富度下降[19-20]。這進一步驗證了味精廢漿與化肥配施的措施在提高土壤微生物多樣性方面的作用效果顯著優于單施化肥。

楊樹苗的生長發育受到諸多因素的綜合影響。本研究中，味精廢漿與化肥配施使楊樹苗的地徑、苗高顯著高于其他處理，這可能與味精廢漿有機肥能改善楊樹苗的根系特性，提高根際土壤微生物多樣性指數，進而改善根際微域生態環境條件有緊密關聯。

4 結 論

施用味精廢漿有機肥顯著促進了楊樹苗根系的生長，尤其增加了毛細根的數量及在根體系中的比例。與單施化肥相比，味精廢漿與化肥配施處理顯著增加了根系的總吸收面積和活躍吸收面積，增幅分別為76.39%和121.48%；同時，味精廢漿配施化肥處理的微生物多樣性指數達最高值，并顯著高于其他處理。此外，該處理還明顯促進了楊樹苗地徑、苗高的生長，其中地徑分別較對照、單施化肥和單施味精廢漿處理顯著提高45.30%，22.62%和10.78%，苗高分別顯著提高42.21%，20.65%和11.46%。綜合分析認為，味精廢漿有機肥與化肥配施有助于改善楊樹苗根系特性，并提高根際土壤微生物多樣性指數，進而促進楊樹苗生長。

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Responses of Root Characteristics and Microbial Diversity to Application of Monosodium Glutamate Wastewater in Rhizosphere Soil of Poplar Seedlings

CHEN Miaomiao1, JING Dawei1, FU Xiuyong1, LIU Fugang1, YUAN Xiaolan1, ZAN Linsheng2, JIA Haihui2

(1.College of Resources Environment and Planning, Dezhou University, Dezhou, Shandong 253023, China; 2.College of Ecology and Garden Architecture, Dezhou University, Dezhou, Shandong 253023, China)

[Objective] Exploring the effects of monosodium glutamate wastewater on root characteristics and microbial diversity in rhizosphere soil of poplar, to provide theoretical basis and technical guidance for the breeding and forestation of poplar seedlings, and the popularization and application of monosodium glutamate wastewater as well. [Methods] A pot experiment including four treatments, i. e., CK(neither urea nor monosodium glutamate wastewater was applied), CF(100% of nitrogen was provided by urea), CM(100% of nitrogen was provided by monosodium glutamate wastewater) and CM+CF(50% and 50% of nitrogen were provided by monosodium glutamate wastewater and urea, respectively), was performed. The present study was conducted to determine the effects of different treatments on root construction level, root absorption area, microbial diversity index in rhizosphere soil, and the growths of ground diameter and height of poplar seedlings. [Results] The application of monosodium glutamate wastewater significantly promoted the root growth and construction of poplar seedlings, especially the promotions of the fine root weight and the ratio of fine root were obvious. In contrast to CF treatment, the CM+CF treatment significantly increased the total absorption area and active absorption area of roots, and the increments were 76.39% and 121.48%, respectively. At the same time, the maximum value of microbial diversity index was observed by the use of CM+CF, which had significant differences with other treatments. Additionally, this treatment also obviously improved the growths of ground diameter and height of poplar seedlings, indicative of 45.30%, 22.62% and 10.78% increases in ground diameter and 42.21%, 20.65% and 11.46% increases in height over the treatments of CK, CF and CM, respectively. [Conclusion] As a result, monosodium glutamate wastewater combined with inorganic fertilizer was beneficial to improve root characteristics and microbial diversity index in rhizosphere soil, and to promote growth of poplar seedlings.

populus×euramericana;monosodiumglutamatewastewater;rootconstruction;rootabsorptionarea;microbialdiversity

A

： 1000-288X(2017)04-0074-05

： S157.3

2017-03-14

：2017-03-29

國家自然科學基金項目“斷根對楊樹切口處不同根序細根的形態特征、解剖結構及生理代謝的調控機理研究”(31500513)； 德州學院科技人才引進項目(311890)

陳苗苗(1998—),女(漢族),山東省聊城市人,本科生,研究方向為自然地理與資源環境。E-mail:dlxchenmm@163.com。

井大煒(1982—),男(漢族),陜西省綏德縣人,博士,講師,主要從事植物營養機理與調控研究。E-mail:jingdawei009@163.com。