戴華鑫,張艷玲,段衛(wèi)東,陳小龍,蘇新宏,任應(yīng)斌,劉文濤,李 亮,毛家偉,張 翔*
1.中國(guó)煙草總公司鄭州煙草研究院,鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)楓楊街2 號(hào) 450001
2.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司,鄭州市榆林南路16 號(hào) 450000
3.河南省煙草公司三門(mén)峽市公司,河南省三門(mén)峽市崤山路中段 472000
4.鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院,鄭州市科學(xué)大道100 號(hào) 450001
5.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源環(huán)境研究所,鄭州市花園路116 號(hào) 450002
豆?jié){灌根是河南三門(mén)峽煙區(qū)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐形成的一種成熟有效的有機(jī)肥追施技術(shù),常年推廣面積占本地烤煙種植總面積的90%以上。近年來(lái)在洛陽(yáng)、平頂山、南陽(yáng)等煙區(qū)逐步推廣。傳統(tǒng)豆?jié){灌根技術(shù)包括豆?jié){制作和田間施用兩部分,將大豆用水浸泡,待大豆發(fā)脹后用機(jī)器打碎,再密封保存,于太陽(yáng)下暴曬1 周,充分發(fā)酵至發(fā)臭,最后根據(jù)土壤墑情兌水混勻,澆灌于煙株根部[1]。目前,與傳統(tǒng)豆?jié){制作方法相比,通過(guò)工廠自動(dòng)化加工生產(chǎn)的酵解豆粕營(yíng)養(yǎng)豐富、品質(zhì)穩(wěn)定,在提高烤煙品質(zhì)方面取得較好的應(yīng)用效果[2]。
土壤微生物參與土壤的形成發(fā)育、物質(zhì)循環(huán)和肥力演變等過(guò)程,是維持土壤質(zhì)量的重要組成部分[3]。土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的主要參與者,具有土壤C、N、P 和S循環(huán)的“推進(jìn)器”和土壤養(yǎng)分植物有效性的“轉(zhuǎn)換器”等多方面功能,其代謝物是植物體所需的營(yíng)養(yǎng)成分;土壤微生物種群多樣性及優(yōu)勢(shì)菌屬的變化,可在一定程度上反映土壤質(zhì)量的優(yōu)劣[4-5]。前人研究發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)豆?jié){灌根可提高烤煙物理、化學(xué)、外觀和感官品質(zhì)[2],提高煙葉香氣物質(zhì)總量[6],配施其他有機(jī)肥能促進(jìn)烤煙生長(zhǎng)發(fā)育[7],提高烤煙感官品質(zhì)和煙株抗病性[8]。目前,關(guān)于豆?jié){灌根對(duì)烤煙的影響研究多集中于提升烤煙質(zhì)量方面,而豆?jié){灌根對(duì)土壤養(yǎng)分、土壤微生物菌落結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)研究較少,尤其是豆?jié){灌根對(duì)土壤細(xì)菌數(shù)量、群落結(jié)構(gòu)及功能細(xì)菌豐度的影響方面尚未見(jiàn)報(bào)道。因此,通過(guò)盆栽和大田試驗(yàn),檢測(cè)豆?jié){灌根前后土壤養(yǎng)分、煙株農(nóng)藝性狀和根系生長(zhǎng)的變化,明確豆?jié){灌根對(duì)土壤細(xì)菌數(shù)量、群落結(jié)構(gòu)及功能細(xì)菌的影響,以揭示其促進(jìn)烤煙生長(zhǎng)和提高煙葉品質(zhì)的機(jī)理,為豆?jié){灌根這一土壤保育措施的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。
1.1.1 大田試驗(yàn)
于2017 年在河南省三門(mén)峽市盧氏縣杜關(guān)鎮(zhèn)選擇土壤肥力中等水平的平整地塊,以當(dāng)?shù)刂髟云贩N云煙87 為材料,開(kāi)展豆?jié){灌根田間試驗(yàn)。傳統(tǒng)豆?jié){與酵解豆粕的營(yíng)養(yǎng)成分見(jiàn)表1。煙苗5 月2 日移栽,種植密度及田間管理按照當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行,試驗(yàn)小區(qū)的栽培條件一致。煙苗移栽28 d 后進(jìn)行豆?jié){灌根,設(shè)置3 個(gè)處理:分別為清水對(duì)照(CK)、傳統(tǒng)豆?jié){(T1)和酵解豆粕(T2);傳統(tǒng)豆?jié){和酵解豆粕的灌根用量均為5 kg/667m2,具體施用方法參考文獻(xiàn)[1]。豆?jié){灌根后0、5、20、35、55、75 和95 d 采集大田土壤樣品。采用多點(diǎn)混合取樣法采集煙株間壟體0~15 cm 處的土壤,采集10 棵煙株根圍土壤混合成1 個(gè)樣品,每處理采集3 個(gè)混合樣品。將采集的土壤樣品分為兩部分,一部分立即用無(wú)菌封口袋包扎密封,置于干冰中帶回至實(shí)驗(yàn)室于-80℃冰箱中保存,用于土壤DNA 的提??;另一部分裝入布袋,室內(nèi)自然風(fēng)干,過(guò)2 mm 篩后用于土壤有機(jī)質(zhì)、速效氮、有效磷、速效鉀、有效鐵、交換性鈣、交換性鎂、活性有機(jī)碳及土壤蛋白等養(yǎng)分指標(biāo)的測(cè)定。煙株打頂前測(cè)定株高、節(jié)距、莖圍、留葉數(shù)、最大葉長(zhǎng)和葉寬等農(nóng)藝性狀指標(biāo),每處理15 次重復(fù)。
1.1.2 盆栽試驗(yàn)
采集河南省三門(mén)峽市盧氏縣大田試驗(yàn)用的煙田土壤,充分混勻過(guò)篩后去除石塊等雜質(zhì),裝入40 L 塑料盆中。選取六葉一心生長(zhǎng)期的云煙87 煙苗,于5 月2 日前移栽,每處理10 盆,每盆3 株,移栽28 d 后進(jìn)行間苗處理,保留1 株,處理設(shè)置同大田試驗(yàn)。豆?jié){灌根處理40 d 后,用自來(lái)水沖洗煙株根系,待根系上土壤全部被沖掉后,置于WinRHIZO PRO 根系掃描系統(tǒng)(加拿大Regent 公司)中測(cè)定根系生長(zhǎng)指標(biāo),最后放入55 ℃烘箱中烘干稱(chēng)量。
表1 傳統(tǒng)豆?jié){與酵解豆粕的營(yíng)養(yǎng)成分比較Tab.1 Nutrient compositions of traditional soymilk and fermented soymeal (g/kg)
1.2.1 土壤養(yǎng)分含量的測(cè)定
采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定土壤堿解氮含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))[9];采用NaHCO3浸提—鉬藍(lán)比色法測(cè)定有效磷含量[9];采用NH4OAc 浸提—火焰光度法測(cè)定速效鉀含量[9];采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量[9];采用二乙三胺五乙酸浸提—原子吸收分光光度法測(cè)定有效態(tài)鐵、交換性鈣和鎂含量[9]。參照康奈爾土壤健康評(píng)價(jià)中的試驗(yàn)方法測(cè)定土壤蛋白和活性有機(jī)碳含量[9]。
1.2.2 土壤細(xì)菌多樣性與數(shù)量檢測(cè)
采用土壤DNA 專(zhuān)用提取試劑盒(PowerSoil DNA Isolation Kit,美國(guó)MO BIO Laboratories 公司)提取土壤微生物基因組DNA,將獲得的DNA 樣品置于-20℃冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>
PCR反應(yīng)引物515F(5′-GTGCCAGCMGCCGCG GTAA-3′)和926R(5′-CCGTCAATTCMTTTGAGTT T-3′)。利用膠回收試劑盒(美國(guó)Axygen 公司)回收PCR 產(chǎn)物,獲得PCR 擴(kuò)增目的片段,并連接pMD18-T 載體(日本Takara 公司),轉(zhuǎn)化感受態(tài)細(xì)胞,進(jìn)行PCR 菌落鑒定,對(duì)陽(yáng)性克隆進(jìn)行測(cè)序。根據(jù)測(cè)序結(jié)果,利用質(zhì)粒提取試劑盒(美國(guó)Axygen公司)提取含有目的片段的質(zhì)粒作為標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)粒,利用Qubit 3.0(美國(guó)Invitrogen 公司)測(cè)定質(zhì)粒DNA溶液濃度,并計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)粒的拷貝數(shù)。通過(guò)熒光定量PCR 構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)曲線。采用FTC-3000TM Real-Time qPCR 系統(tǒng)(上海Funglyn Biotech 公司)定量PCR 儀,SRBR Premix Ex TaqTM(2×)(日本Takara 公司)進(jìn)行定量分析,結(jié)果以目標(biāo)微生物拷貝數(shù)表示。
1.2.3 細(xì)菌16S rDNA 序列擴(kuò)增和MiSeq 測(cè)序
選取16S rDNA 的V4~V5 區(qū)序列進(jìn)行高通量測(cè)序分析,采用兩步PCR 擴(kuò)增方法進(jìn)行文庫(kù)構(gòu)建,MiSeq 測(cè)序及序列優(yōu)化具體步驟參照文獻(xiàn)[10]。
采用97%相似性進(jìn)行OTU(operational taxonomic unit)聚 類(lèi)(UPARSE software),OTU 代表序列與SILVA 128 數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)進(jìn)行物種信息注釋?;诜诸?lèi)學(xué)信息,在門(mén)、綱、目、科、屬分類(lèi)水平上進(jìn)行群落結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)分析。利用mothur(Version 1.33.3)進(jìn)行Chao 物種豐富度和Shannon物種多樣性分析。利用SPSS 19.0 軟件進(jìn)行單因素方差分析,采用Duncan's 新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。
由表2 可知,豆?jié){(傳統(tǒng)豆?jié){和酵解豆粕)灌根前,不同處理間各營(yíng)養(yǎng)元素含量無(wú)顯著差異。豆?jié){灌根初期(5 d),清水處理后的活性有機(jī)碳、土壤蛋白含量低于豆?jié){灌根處理。灌根后20 d,酵解豆粕處理的土壤速效氮、有效磷、速效鉀含量顯著高于對(duì)照和傳統(tǒng)豆?jié){處理,交換性鈣和交換性鎂含量顯著高于對(duì)照;豆?jié){灌根后55、75 和95 d,土壤中的速效氮和有效磷含量顯著高于對(duì)照;豆?jié){灌根后75 d 和95 d,土壤速效鉀含量顯著高于對(duì)照。而豆?jié){灌根對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和有效鐵含量無(wú)顯著影響。與對(duì)照相比,土壤蛋白和活性有機(jī)碳含量在豆?jié){灌根后5 d 和20 d 均顯著升高;在傳統(tǒng)豆?jié){灌根后35 d 土壤蛋白仍保持較高含量,35 d之后處理間含量無(wú)明顯差異。
由表3 可知,豆?jié){灌根對(duì)大田烤煙株高、節(jié)距、莖圍、留葉數(shù)、中部葉最大葉寬、上部葉最大葉長(zhǎng)等生長(zhǎng)指標(biāo)的影響不大,但傳統(tǒng)豆?jié){和酵解豆粕處理后中部葉最大葉長(zhǎng)分別顯著高于對(duì)照1.9 cm和2.1 cm,上部葉最大葉寬顯著高于對(duì)照1.6 cm和1.7 cm。因此,豆?jié){灌根能促進(jìn)大田烤煙葉片的生長(zhǎng)。
由表4 可知,與對(duì)照相比,豆?jié){灌根后的盆栽煙株總根長(zhǎng)、根表面積、根直徑、單位體積根長(zhǎng)、根體積、根干質(zhì)量等指標(biāo)均顯著提高。與對(duì)照相比,傳統(tǒng)豆?jié){和酵解豆粕處理后總根長(zhǎng)分別提高16.6%和12.8%,根表面積分別提高21.1%和25.1%,根直徑分別提高15.0%和17.4%,單位體積根長(zhǎng)分別提高16.8%和13.1%,根體積分別提高27.7%和29.5%,根干質(zhì)量分別提高16.6%和17.6%。
表2 豆?jié){灌根對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響①Tab.2 Effects of root irrigation with soymilk on soil nutrient contents (mg/kg)
表3 豆?jié){灌根對(duì)大田烤煙農(nóng)藝性狀的影響Tab.3 Effects of root irrigation with soymilk on agronomic traits of flue-cured tobacco in fields
表4 豆?jié){灌根對(duì)盆栽烤煙根系生長(zhǎng)的影響Tab.4 Effects of root irrigation with soymilk on root growth of potted flue-cured tobacco
由表5 可知,與對(duì)照相比,豆?jié){灌根后盆栽煙株的株高和莖圍無(wú)明顯變化,煙株留葉數(shù)顯著增加;傳統(tǒng)豆?jié){和酵解豆粕處理后,煙株中部葉及上部葉葉長(zhǎng)和葉寬均顯著增加,其中,中部葉最大葉長(zhǎng)分別增加2.9 cm 和2.6 cm,葉寬分別增加1.8cm和1.5cm;上部葉最大葉長(zhǎng)分別增加2.9 cm 和3.0 cm,葉寬分別增加1.6 cm 和2.1 cm。綜合來(lái)看,豆?jié){灌根能顯著促進(jìn)烤煙根系及地上部葉片的生長(zhǎng)發(fā)育。
表5 豆?jié){灌根對(duì)盆栽烤煙地上部生長(zhǎng)的影響Tab.5 Effects of root irrigation with soymilk on aerial parts of potted flue-cured tobacco
由圖1 可知,豆?jié){灌根前土壤中細(xì)菌數(shù)量差異不大;傳統(tǒng)豆?jié){處理后5 d 和20 d 細(xì)菌數(shù)量呈上升趨勢(shì),分別為5.59×108cfu·g-1和11.61×108cfu·g-1。酵解豆粕處理后5 d 土壤中細(xì)菌數(shù)量達(dá)到最大值,為9.34×108cfu·g-1,是對(duì)照的7.7 倍;豆?jié){灌根處理后35 d 至95 d 土壤細(xì)菌數(shù)量呈波動(dòng)變化,但顯著低于灌根初期;清水對(duì)照處理的細(xì)菌數(shù)量變化不大。
圖1 豆?jié){灌根對(duì)土壤細(xì)菌數(shù)量的影響Fig.1 Effects of root irrigation with soymilk on number of soil bacteria
由表6 看出,各樣品OTU 數(shù)目分布在1 107~2 132 之間,序列覆蓋率均達(dá)到0.98 以上,說(shuō)明各樣品文庫(kù)中包含了細(xì)菌群落的絕大多數(shù)細(xì)菌類(lèi)群,基本能反映群落結(jié)構(gòu)組成。傳統(tǒng)豆?jié){和酵解豆粕處理后5 d 和20 d,細(xì)菌OTU 數(shù)量顯著下降,表明豆?jié){(尤其是酵解豆粕)處理短時(shí)間內(nèi)能明顯改變土壤的微生態(tài)環(huán)境。豆?jié){灌根后35 d 和55 d,酵解豆粕細(xì)菌OTU 數(shù)量低于對(duì)照;豆?jié){灌根后75 d細(xì)菌OTU 數(shù)量顯著高于對(duì)照;豆?jié){灌根后95 d,3個(gè)處理間細(xì)菌OTU 數(shù)量無(wú)顯著差異。
由圖2 可知,豆?jié){灌根后5 d,酵解豆粕處理的Chao 和Shannon 數(shù)值顯著低于對(duì)照和傳統(tǒng)豆?jié){。豆?jié){灌根后35 d 和95 d,3 種處理間土壤細(xì)菌Chao 和Shannon 指數(shù)無(wú)顯著變化。酵解豆粕處理后35 d 和95 d,Chao 和Shannon 指數(shù)無(wú)顯著變化。
豆?jié){灌根不同時(shí)間點(diǎn)土壤細(xì)菌門(mén)水平的相對(duì)豐度見(jiàn)圖3。樣品中含量大于1%的細(xì)菌類(lèi)群共有13 個(gè),分別為變形菌門(mén)(Proteobacteria)、放線菌門(mén)(Actinobacteria)、擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)、酸桿菌門(mén)(Acidobacteria)、綠彎菌門(mén)(Chloroflexi)、芽單胞菌 門(mén) (Gemmatimonadetes) 、浮 霉 菌 門(mén)(Planctomycetes)、厚壁菌門(mén)(Firmicutes)、硝化螺旋菌門(mén)(Nitrospirae)、藍(lán)細(xì)菌(Cyanobacteria)、棲熱菌 門(mén)(Deinococcus-Thermus)、疣 微 菌 門(mén)(Verrucomicrobia)、裝甲菌門(mén)(Armatimonadetes)。
表6 豆?jié){灌根對(duì)土壤細(xì)菌OTUs 的影響Tab.6 Effects of root irrigation with soymilk on soil bacteria OTUs
豆?jié){灌根初期(5 d),不同處理間土壤優(yōu)勢(shì)菌門(mén)豐度差異明顯。豆?jié){灌根初期,土壤變形菌門(mén)和擬桿菌門(mén)相對(duì)豐度上升明顯,放線菌門(mén)、酸桿菌門(mén)、綠彎菌門(mén)、浮霉菌門(mén)和硝化螺旋菌門(mén)所占比例下降顯著,表明豆?jié){灌根短期內(nèi)可明顯改變土壤的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu);傳統(tǒng)豆?jié){和酵解豆粕處理對(duì)土壤細(xì)菌群落的影響也有差異,與對(duì)照相比,傳統(tǒng)豆?jié){施用后放線菌門(mén)所占比例顯著下降,酵解豆粕施用后的芽單胞菌門(mén)和裝甲菌門(mén)所占比例下降明顯,而厚壁菌門(mén)所占比例有所上升,這可能是由于傳統(tǒng)豆?jié){與酵解豆粕自身性質(zhì)不同造成的。豆?jié){灌根后中后期(35 d 和95 d),不同處理間主要的13 種細(xì)菌門(mén)類(lèi)的相對(duì)豐度無(wú)顯著差異。
圖2 豆?jié){灌根后5 d(A、D)、35 d(B、E)和95 d(C、F)土壤細(xì)菌Chao 和Shannon 指數(shù)比較Fig.2 Comparison of Chao and Shannon indices of soil bacteria on the 5th(A,D),35th(B,E)and 95th(C,F)days after root irrigation with soymilk
圖3 豆?jié){灌根后5 d(A)、35 d(B)和95 d(C)土壤細(xì)菌門(mén)水平群落分布相對(duì)豐度比較Fig.3 Abundances of bacterial communities at phylum level in tobacco-planting soil on the 5th(A),35th(B)and 95th(C)days after root irrigation with soymilk
由表7 看出,土壤中不同細(xì)菌屬在豆?jié){灌根前后表現(xiàn)差異較大,如鏈霉菌屬和克雷白氏桿菌屬在酵解豆粕處理后的豐度分別為6.23%和3.53%,顯著高于傳統(tǒng)豆?jié){處理(1.59%和0.04%)和對(duì)照(2.78%和0.01%);鞘脂單胞菌屬在傳統(tǒng)豆?jié){處理后的豐度(1.39%)顯著高于酵解豆粕處理(0.33%)和對(duì)照(0.20%);產(chǎn)黃桿菌屬、Massilia、噬幾丁質(zhì)菌屬、鞘氨醇桿菌屬等在豆?jié){灌根后的豐度均顯著增加;除硝化細(xì)菌屬和芽單胞菌屬外,其他參與養(yǎng)分循環(huán)的細(xì)菌屬豐度均低于傳統(tǒng)豆?jié){或酵解豆粕處理。芽孢桿菌屬、假單胞菌屬、Pseudoduganella 和藤黃色桿菌屬等4 種細(xì)菌為植物 根 際 促 生 菌(Plant growth promoting rhizobacteria,PGPR 菌),其主要功能是分泌植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑而促進(jìn)植物生長(zhǎng)。與對(duì)照相比,4 種細(xì)菌屬在對(duì)照中的豐度均顯著低于傳統(tǒng)豆?jié){和酵解豆粕處理。豆?jié){灌根后,溶桿菌屬、假黃單胞菌屬、分枝桿菌屬和蛭弧菌屬等拮抗微生物的豐度均高于對(duì)照,可通過(guò)溶菌作用或產(chǎn)生抗生素類(lèi)物質(zhì)等方式對(duì)土傳病原菌產(chǎn)生拮抗作用。豆?jié){灌根處理后致病菌Aquicella 的相對(duì)豐度下降50%。
表7 豆?jié){灌根初期土壤中功能細(xì)菌的豐度變化Tab.7 Changes in abundances of soil bacteria at early stage of root irrigation with soymilk (%)
細(xì)菌是土壤中的主要微生物類(lèi)群,在土壤的物質(zhì)循環(huán)轉(zhuǎn)化中發(fā)揮著重要作用。土壤細(xì)菌的數(shù)量、多樣性和群落結(jié)構(gòu)與植物生長(zhǎng)及病害防治密切相關(guān)[11-12]。研究發(fā)現(xiàn),施用芝麻餅肥可明顯改善烤煙根際微生物區(qū)系,顯著提高各類(lèi)微生物數(shù)量[13]。秸稈還田和腐熟有機(jī)肥對(duì)提高土壤微生物數(shù)量有明顯作用,對(duì)植煙土壤細(xì)菌群落多樣性無(wú)顯著影響[14],與本試驗(yàn)中豆?jié){灌根后土壤細(xì)菌數(shù)量大幅度提高,灌根中后期細(xì)菌多樣性指數(shù)與對(duì)照相比無(wú)顯著差異的研究結(jié)果一致。這可能是由于傳統(tǒng)豆?jié){和酵解豆粕施入土壤后,增加了土壤活性有機(jī)碳和土壤蛋白含量,為細(xì)菌快速繁殖提供了新的能源和營(yíng)養(yǎng)源,而未改變土壤細(xì)菌的多樣性指數(shù)。本研究中各處理土壤的優(yōu)勢(shì)菌群均為變形菌門(mén)、放線菌門(mén)、擬桿菌門(mén)等13 個(gè)優(yōu)勢(shì)菌群,但其所占比例有較大差異,這與前人的研究結(jié)果一致[15]。變形菌門(mén)被認(rèn)為是土壤中最常見(jiàn)的菌門(mén)[16],與土壤中碳的利用有關(guān)[17];酸桿菌在土壤中分布廣泛,多存活于貧瘠的土壤環(huán)境中[18-19],其豐富度與碳可用性呈負(fù)相關(guān)[17]。因此,變形菌門(mén)和酸桿菌門(mén)可用作土壤養(yǎng)分狀況的指示菌[20]。放線菌是產(chǎn)生抗生素的主要細(xì)菌,土壤中放線菌數(shù)量及拮抗放線菌的比例,對(duì)調(diào)整土壤微生物生態(tài)平衡有至關(guān)重要作用[21]。本研究中豆?jié){灌根后,土壤中變形菌門(mén)相對(duì)豐度提高明顯,酸桿菌門(mén)所占比例下降顯著,表明豆?jié){灌根處理可能提高了土壤碳源的可利用性,這也與檢測(cè)到的土壤活性有機(jī)碳含量增加的試驗(yàn)結(jié)果一致;其次,傳統(tǒng)豆?jié){灌根后放線菌門(mén)所占比例顯著下降,可能是因?yàn)閭鹘y(tǒng)豆?jié){中存在有抑制放線菌門(mén)的抗菌物質(zhì)所致。
土壤微生物可對(duì)土壤的微小變化作出敏感反應(yīng),其群落結(jié)構(gòu)在很大程度上決定了土壤的生物活性,因此被認(rèn)為是土壤生態(tài)系統(tǒng)變化的預(yù)警指標(biāo)[22-23]。土壤特異微生物主要包括生理類(lèi)群微生物、拮抗微生物、病原微生物等[24];對(duì)植物的積極作用主要有參與養(yǎng)分循環(huán)、抑制病原菌以及分泌植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑等,消極作用主要是產(chǎn)生病害[25-26]。微生物生理類(lèi)群在土壤生態(tài)中發(fā)揮重要作用,如硝化螺菌屬、固氮菌、鞘脂單胞菌屬、假單胞菌屬、鞘氨醇桿菌屬等在物質(zhì)轉(zhuǎn)化中具有特定的功能,其分布特征和數(shù)量通常與土壤碳氮循環(huán)密切相關(guān),直接影響土壤肥力[27]。本試驗(yàn)中豆?jié){灌根初期,除硝化螺菌屬和芽單胞菌屬在對(duì)照中的豐度高于傳統(tǒng)豆?jié){和酵解豆粕處理外,多種細(xì)菌如鏈霉菌屬、產(chǎn)黃桿菌屬、水恒桿菌屬、克雷白氏桿菌、鞘脂單胞菌屬、鏈霉菌屬、Massilia、鞘氨醇桿菌屬、噬胞菌屬、纖維弧菌屬等在土壤中的相對(duì)豐度均有顯著提高,這些功能細(xì)菌在根際周?chē)l(fā)揮了固氮、解磷、解鉀、礦化復(fù)雜有機(jī)物、降解有機(jī)物以及分泌生長(zhǎng)激素促進(jìn)根系生長(zhǎng)的作用,說(shuō)明豆?jié){灌根能促進(jìn)植煙土壤中有益生理類(lèi)群微生物的繁殖,進(jìn)而影響土壤肥力[28-29]。
植物根際促生菌對(duì)土壤有害病原微生物與非寄生性根際有害微生物都有生防作用,可促進(jìn)植物對(duì)礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的吸收和利用,并可產(chǎn)生有益于植物生長(zhǎng)的代謝產(chǎn)物(如生長(zhǎng)素),進(jìn)而促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育[30]。有報(bào)道認(rèn)為,芽孢桿菌屬和假單胞菌屬是土壤中分布較多的根際促生菌之一[31],Pseudoduganella 是健康土壤中的標(biāo)志細(xì)菌之一[32],藤黃色桿菌屬能促進(jìn)植物根系生長(zhǎng)[33]。本研究中發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)豆?jié){及酵解豆粕施用后,芽孢桿菌、假單胞菌屬豐度顯著提高,說(shuō)明豆?jié){灌根有利于煙株根系吸收礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)。
溶桿菌屬、假黃單胞菌屬、分枝桿菌和蛭弧菌屬等作為生防細(xì)菌,具有溶菌作用,可拮抗多種植物病害[34],Aquicella 是連作土壤中的土傳病原菌之一[20]。豆?jié){灌根后4 種生防細(xì)菌屬的豐度均高于對(duì)照,而致病菌Aquicella 豐度低于對(duì)照,說(shuō)明豆?jié){灌根能提高根際土壤拮抗微生物的豐度,降低致病菌含量,有利于土壤根際周?chē)纬山】滴⑸锶郝浣Y(jié)構(gòu),促進(jìn)烤煙根系生長(zhǎng)發(fā)育。
大田土壤中的氮素及中微量微量元素可通過(guò)施肥補(bǔ)充,一旦補(bǔ)充量不足或補(bǔ)充時(shí)間錯(cuò)位,土壤養(yǎng)分易出現(xiàn)虧損,致使農(nóng)作物生長(zhǎng)不良,嚴(yán)重時(shí)甚至造成大幅減產(chǎn)[35]。傳統(tǒng)豆?jié){和酵解豆粕中有機(jī)質(zhì)含量高,且含有一定量的氮、磷、鉀及中微量元素。在烤煙由團(tuán)棵期轉(zhuǎn)至旺長(zhǎng)期的關(guān)鍵階段,豆?jié){灌根在補(bǔ)充土壤水分的同時(shí),可作為土壤養(yǎng)分元素的重要補(bǔ)充途徑。有研究表明,秸稈還田和腐熟有機(jī)肥可提高植煙土壤的速效鉀、有機(jī)碳、有效鎂等養(yǎng)分含量[14];復(fù)方有機(jī)菌肥可顯著提高土壤堿解氮含量,與化肥和芝麻餅肥配施可明顯提高土壤肥力水平[36]。生物有機(jī)肥不僅能顯著提高土壤有機(jī)碳、速效磷和速效鉀含量,同時(shí)可提高土壤微生物的功能多樣性[37]。混合有機(jī)肥、汽爆玉米秸稈和草炭等有機(jī)物料可明顯提高土壤活性有機(jī)碳含量和碳庫(kù)活度,改善煙株根際土壤環(huán)境[38-39]。本試驗(yàn)中傳統(tǒng)豆?jié){和酵解豆粕處理后,土壤活性有機(jī)碳和土壤蛋白在豆?jié){灌根初期上升明顯?;钚杂袡C(jī)碳和土壤蛋白作為土壤中微生物的主要碳源和氮源,可促進(jìn)煙株根系周?chē)纬筛咏】档耐寥牢⑸鷳B(tài)環(huán)境,促進(jìn)煙草根系生長(zhǎng)發(fā)育,這可能是豆?jié){灌根促進(jìn)烤煙根系生長(zhǎng)的主要原因之一。總體來(lái)看,豆?jié){灌根初期參與土壤養(yǎng)分循環(huán)、抑制病原菌、分泌植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑及抑制病原菌等功能細(xì)菌的豐度顯著提高,伴隨土壤活性有機(jī)碳和土壤蛋白含量顯著升高,煙株根系生長(zhǎng)健壯;豆?jié){灌根中后期土壤速效氮、有效磷、速效鉀等養(yǎng)分含量保持較高水平,并一直持續(xù)到烤煙成熟期,這可能是煙株中上部葉片長(zhǎng)寬增加的主要原因。
豆?jié){灌根初期土壤蛋白和活性有機(jī)碳含量顯著提高,中后期土壤堿解氮、有效磷和速效鉀等養(yǎng)分保持較高含量水平。豆?jié){灌根可促進(jìn)烤煙根系和地上部煙葉生長(zhǎng),豆?jié){灌根初期土壤中多個(gè)優(yōu)勢(shì)菌門(mén)豐度差異明顯,參與養(yǎng)分循環(huán)、分泌植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑、抑制病原菌等功能細(xì)菌豐度明顯升高。因此,豆?jié){灌根可提高土壤養(yǎng)分含量,提升功能細(xì)菌的相對(duì)豐度,改善土壤微生態(tài)環(huán)境,促進(jìn)烤煙根系和葉片生長(zhǎng)發(fā)育。