全 文 ：第 26 卷第 4期
2006 年 4月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 26, No. 4
Apr. , 2006
不同分子量壳聚糖对土壤碳、氮及呼吸的影响
张文清1, * , 吕伟娇1 , 陈 强2 , 李辉信3
( 11 华东理工大学化学系, 21 华东理工大学化工学院,上海 200237; 31 南京农业大学资环学院,南京 210095)
基金项目:上海市科技兴农重点攻关资助项目(农科攻字( 2002)第 4-3-2号)
收稿日期: 2004-11-15;修订日期: 2005-12-10
作者简介:张文清( 1969~ ) ,女,山东淄博人,博士,副教授,主要从事天然产物的研究与开发. E-mail: zhwqing@ ecust. edu. cn
Foundation item: The project was supported by Shanghai key project of reinvigorate agriculture through science and technology( No. ( 2002) 4_3_2)
Received date: 2004-11-15; Accepted date: 2005-12-10
Biography: ZHANG Wen-Qing, Ph. D, Associate professor, engaged in concerns the R & D of the natural products. E-mail: zhwqing@ ecust. edu. cncom
摘要:考察了不同分子量壳聚糖对土壤微生物量 C、N、土壤呼吸及矿质N 的影响。研究发现:不同分子量的壳聚糖施入土壤后,
土壤的微生物量 C、N、呼吸及矿质N 均明显提高。微生物量 C、N 及土壤呼吸有相似的变化趋势: 随壳聚糖用量的增加而增大。
低分子量壳聚糖施入土壤后,微生物量 C、N及土壤呼吸均先快速增加 ,然后下降; 中等及高分子量壳聚糖施入土壤后则是开始
时变化较小, 第 14 天开始快速增加, 34d 后下降。研究还发现, NO-3-N 与 NH+4-N 变化趋势不完全相同, NO-3-N 开始时变化较
小,第 14 天开始快速增加, 34d 后快速下降;低分子量壳聚糖处理时, NH+4-N 开始时快速增加, 之后缓慢下降; 中等分子量壳聚
糖处理时,因加入量不同而不同; 高分子量壳聚糖处理时则是从第 24 天开始变化显著。
关键词:壳聚糖; 土壤微生物量碳、氮; 土壤呼吸
文章编号: 1000-0933(2006) 04-1280-05 中图分类号: Q538 文献标识码: A
The effect of molecular weight of chitosan on soil . s carbon, nitrogen and soil
respiration
ZHANG Wen-Qing
1, *
, LBWe-i Jiao
1
, CHEN Qiang
2
, LIHu-i Xin
3 ( 11Department of Chemistry , 21School of Chemical Engineering , East
China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China; 31School of Resources and Environmental Sciences, Nanj ing Agriculture University, Nanj ing
210095, China) . Acta Ecologica Sinica , 2006, 26( 4) : 1280~ 1284.
Abstract: The molecular weight ( MW) of chitosan added to the soil ecosystem has an apparent influence on themicrobial biomass
carbon and nitrogen (MBCN) from soil, soil respirat ion rate ( SRR) and the mineral nitrogen e. g. NO3-N and NH4-N in soil, all
of which increase with the amount of chitosan used. In the case of chitosan with lower MW, the MBCN, SRR and the NH4-N
increase rapidly first, and then gradually decrease. When chitosan with either medium or high MW was applied, no apparent
change was observed on theMBCN and SRR at the initial period, starting from the 14th day they increase rapidly, followed by the
decrease after 34 days. The changes of NO3-N follow the same trend as that the MBCN and SRR exhibited. This is in contrast to
the NH4-N. The latter increases significantly at the beginning of the addition of chitosan with lower molecular weight to the soil,
and then slows down. When chitoson with medium MW was applied, the changes of NH4-N were directly associated with the
concentration of chitoson. After chitoson with high MW was added to the soil, one cannot observe the considerable changes of
NH4-N until the 24
th day.
Key words: chitosan;microbial biomass carbons and nitrogens; soil respiration
壳聚糖( Chitosan)为甲壳素( Chit in)脱乙酰化产物, 学名为 B-1, 4-2-氨基-2-脱氧-D-葡聚糖, 是天然糖中唯
一大量存在的碱性多糖。它在医学、食品、化工、环保等方面用途十分广泛 [ 1, 2]。在农业方面被用作植物生长
调节剂、植物病害抑制剂、果蔬保鲜剂,可以促进植物生长,提高产品品质,诱导植物的抗病性[ 3,4]。在自然界
中,壳聚糖的降解主要依赖于微生物的作用。土壤微生物是土壤中物质循环的调节者,在有机质的矿化、腐殖
质的形成和分解、植物营养的转化等诸多过程中起着不可替代的作用 [5]。目前壳聚糖与微生物之间关系的报
道主要集中在壳聚糖对动、植物致病菌的抑制方面,但将壳聚糖直接施入土壤, 并研究其与土壤微生物之间的
作用方面未见报道。由于不同分子量的壳聚糖其结构及 CPN不同, 对微生物影响也不同,因而本文研究了不
同分子量壳聚糖对土壤微生物量 C、N、土壤呼吸及土壤矿质氮的影响,并对其作用机理进行了探讨,为壳聚糖
在农业上的应用提供参考。
1 材料与方法
111 试验材料
供试土壤为江苏省南京市雨花台区板桥镇长江冲积性潮土, 耕层土壤。土壤基本性状:土壤有机 C为
8130g#kg- 1 ,全N为 0172g#kg- 1 ,矿质 N为 52155Lg#g- 1 , 速效 P 为 27155Lg#g- 1 ,速效 K 为 49150Lg#g- 1 , 砂粒
( > 0105mm)含量为 5715% ,粘粒( < 01002mm)含量为 1519%, pH 为 5188。土壤采集后挑去石块、根系,风干后
磨细。试验开始前 5d,将土壤复湿,调整其水分含量至最大田间持水量的 65%, 室温下培养,并在培养期间不
断加水保持这一水分含量。
供试壳聚糖 C-1, C-2, C-3由上海伟康生物制品有限公司提供。壳聚糖 C-1, C-2, C-3的分子量分别为: 3 @
10
3
, 1185 @ 104 , 9161 @ 105。
112 试验处理
本试验共设 6个处理, 处理 2、4和 6加入相同比例但不同分子量的壳聚糖,处理 3、4和 5加入不同比例、
同一分子量的壳聚糖,每个数据取 3次重复:
( 1) 对照, 即不加壳聚糖;
( 2) 加入壳聚糖 C-1(壳聚糖P鲜土= 1P100) ;
( 3) 加入壳聚糖 C-2(壳聚糖P鲜土= 012P100) ;
( 4) 加入壳聚糖 C-2(壳聚糖P鲜土= 1P100) ;
( 5) 加入壳聚糖 C-2(壳聚糖P鲜土= 2P100) ;
( 6) 加入壳聚糖 C-3(壳聚糖P鲜土= 1P100)。
113 培养采样与分析方法
按照试验处理中的比例, 将壳聚糖与鲜土均匀混合,按 3kgP钵土装盆。将试验在第 1、3、7、14、24、34、44、
54天采样, 共采样8次,每次均在不同钵中采土 250g。
土壤微生物量 C、N用氯仿熏蒸K2SO4直接浸提法测定 [6]。浸提液中微生物量碳的测定用重铬酸钾-混酸
(硫酸B磷酸= 2B1)消煮,硫酸亚铁铵滴定法。微生物量N的测定采用凯氏定氮法。
土壤呼吸采用NaOH 吸收,标准酸滴定法[ 6] :称取20g 鲜土于 250ml塑料瓶中,小心放入盛有 5ml NaOH的
10ml小玻璃瓶,塑料瓶加盖密封, 于28 e 恒温培养 24h, 取出小玻璃瓶,将 NaOH 溶液倒入 100ml三角瓶中,加
入 BaCl2溶液 2ml,酚酞指示剂 2滴,用标准HCl滴定至红色消失。另设不加土壤的空白对照。以每小时所放
出CO2 的量表示土壤的呼吸强度。
土壤NO-3-N,NH+4-N采用 2mol#L- 1 KCl溶液浸提, AutoAnalyzer3流动分析仪(美国 BRAN+ LVEBBE公司)
测定。
2 结果与讨论
211 不同分子量壳聚糖对土壤微生物量 C、N的影响
土壤微生物量的多少反映了土壤同化和矿化能力的大小,是土壤活性大小的标志 [7]。壳聚糖施入土壤
后,在土壤微生物的作用下开始降解。微生物利用碳源及氮源物质进行大量繁殖, 将壳聚糖中的碳、氮同化。
从图 1、2可知, 微生物量 C、N在整个培养过程中有相似的变化趋势,这一过程反映了随着壳聚糖的降解,土
壤微生物利用有机碳、氮过程中的生物量的动态变化。处理 2因壳聚糖分子量较小,土壤中一些能够利用小
12814期 张文清 等:不同分子量壳聚糖对土壤碳、氮及呼吸的影响
分子有机物的微生物首先进行分解和同化作用,微生物数量快速增加,第 3天微生物量 C就达到最大值;随着
壳聚糖的降解, 壳聚糖数量的减少, 微生物量 C也随着下降。处理 4、5、6微生物量 C、N刚开始变化不大,说
明此时能够分解和利用大分子壳聚糖的微生物较少,随着大分子壳聚糖的逐渐降解, 微生物量C、N也随之增
加,之后随壳聚糖量的减少,微生物量C、N减少。处理 3(添加壳聚糖的比例为 1P500)的微生物量 C、N与处理
1(空白对照)变化趋势基本相似, 却显著低于壳聚糖以 1P100比例加入的其它处理,说明按 1P500比例加入壳
聚糖对土壤微生物量 C、N影响较小。比较处理 3、4、5可以发现, 随壳聚糖用量的增加, 微生物量 C、N增加,
说明壳聚糖用量增加,微生物可利用的 C、N源增加, 微生物数量增加。
图 1 不同分子量壳聚糖对土壤微生物量 C(MBC)的影响
Fig. 1 Effect of different molecular weight chitosan on soil MBC
1:CK, 2: C-1 ( 1% ) , 3: C-2 ( 012% ) , 4: C-2 ( 1% ) , 5: C-2 ( 2% ) , 6: C-3
( 1% )
图 2 不同分子量壳聚糖对土壤微生物量 N( MBN)的影响
Fig. 2 Effect of different molecular weight chitosan onsoil MBC
1:CK, 2: C-1( 1% ) , 3: C-2 ( 012% ) , 4: C-2 ( 1% ) , 5: C-2( 2% ) , 6: C-3
( 1% )
212 不同分子量壳聚糖对土壤呼吸的影响
土壤的呼吸作用是指土壤微生物活动中释放 CO2的过程,可用来衡量土壤微生物的总活性,能反映土壤
中有机质的分解,以及土壤有效养分的状况[ 6, 8,9] 。土壤呼吸与微生物量 C 具有相似的变化趋势(图 3) , 加入
壳聚糖的土壤, 土壤呼吸均比空白强烈,部分处理甚至达到极显著水平( p < 0101)。处理 2因壳聚糖分子量小
极易被微生物分解利用, 其呼吸强度迅速增加,之后由于壳聚糖量减少, 微生物数量随之减少, 呼吸强度逐渐
减弱。处理 3、4、5的呼吸强度数据显示, 随壳聚糖用量的增加, 除壳聚糖分子量小的处理 2在前期土壤呼吸
强度大外,其它时间土壤呼吸强度随壳聚糖分子量的增加而增大。上述土壤呼吸的变化趋势与土壤微生物量
C的趋势基本一致。
213 不同分子量壳聚糖对土壤矿质氮的影响
土壤N素的释放是通过微生物对土壤有机物质的矿化进行的,微生物将有机态氮矿化为矿质氮(硝态氮
与铵态氮之和) ,而伴随着矿化土壤微生物本身也对土壤N 素进行生物固持作用, 同时它们所固定的 N 素随
着微生物的死亡又会释放到土壤中,供作物吸收利用[ 10]。由图 4可以清楚地看出, 各处理土壤矿质氮先增加
图 3 不同分子量壳聚糖对土壤呼吸的影响
Fig. 3 Effect of different molecular weight chitosanon soil respiration
1:CK, 2: C-1( 1% ) , 3: C-2 ( 012% ) , 4: C-2 ( 1% ) , 5: C-2( 2% ) , 6: C-3
( 1% )
图 4 不同分子量壳聚糖对土壤矿质氮的影响
Fig. 4 Effect of different molecular w eight chitosanon soil mineral nitrogen
1:CK, 2: C-1 ( 1% ) , 3: C-2 ( 012% ) , 4: C-2 ( 1% ) , 5: C-2 ( 2% ) , 6: C-3
( 1% )
1282 生 态 学 报 26卷
后减少,且不同处理间差异显著( p < 0105) ,这与不同分子量壳聚糖的降解机理不同有关。不同分子量壳聚糖
对土壤NO-3-N、NH+4-N的影响见图 5、6。处理 2前 4次采样NH+4-N的变化明显高于NO-3-N, 主要是由于壳聚
糖分子量小,微生物大量繁殖矿化作用强烈, 产生大量的NH+4-N, 又因为土壤微生物常明显表现出对 NH+4-N
的偏爱,因而增加的 NH+4-N大部分为微生物所固持, 微生物量 N 含量增高(图 2) , 而 NO-3-N 因没有更多的
NH
+
4-N提供氮源,含量变化较小。处理 5、6NH+4-N在第 34天达到最大值,此时NO-3-N、微生物量N也达到最
大值,这一结果反映了从开始培养到第 34天期间,大量繁殖的微生物导致了土壤中NH+4-N 的增加, 而 NH+4-
N的增加又促进了土壤有机氮的转化,即使氨化作用受到/催化0,从而生成更多的NH+4-N, 增加的 NH+4-N又
为硝化作用和微生物的繁殖提供了更多的氮源,使 NO -3-N和微生物量N增加 [ 11]。处理 3、4 NH+4-N变化不若
处理 5、6明显可能是因为生成的NH+4-N大部分被微生物所固持及为硝化作用提供了氮源。随土壤中壳聚糖
量的减少,微生物量减少,NH+4-N逐渐下降。而NO-3-N第 34天后快速下降可能是由于反硝化作用强烈的缘
故。
图 5 不同分子量壳聚糖对土壤 NO-3 -N的影响
Fig. 5 Effect of different molecular w eight chitosan on soil NO-3 -N
1:CK, 2: C-1 ( 1% ) , 3: C-2 ( 012% ) , 4: C-2 ( 1% ) , 5: C-2 ( 2% ) , 6: C-3
(1% )
图 6 不同分子量壳聚糖对土壤NH+4 -N的影响
Fig. 6 Effect of different molecular weight chitosan on soil NH+4 -N
1:CK, 2: C-1( 1% ) , 3: C-2 ( 012% ) , 4: C-2 ( 1% ) , 5: C-2( 2% ) , 6: C-3
( 1% )
3 结论
( 1)不同分子量壳聚糖施入土壤后,能促进土壤微生物的快速繁殖, 使微生物量 C、N、土壤呼吸及土壤矿
质氮大量增加。通过微生物的生命活动可加快土壤中有机物的矿化速度, 从而增加土壤养分的有效性。在壳
聚糖的降解过程中, 随着微生物群落的更替, 微生物量 C、N、土壤呼吸及土壤矿质氮呈现出不同的变化。
( 2)不同壳聚糖由于分子量和 CPN的差异,降解速率不同,对微生物活动所产生的影响亦不同,从而引起
微生物量 C、N及土壤呼吸的差异。微生物量 C、N及土壤呼吸均随壳聚糖用量的增加而增大。微生物量C及
土壤呼吸随分子量递增, 微生物量N则不同。
( 3)土壤 NO-3-N与NH+4-N的变化不完全相同。NO -3-N开始时变化较小,然后快速增加,之后快速下降。
NH
+
4-N低分子量壳聚糖开始时快速增加,之后缓慢下降;中等分子量壳聚糖,因壳聚糖加入量不同而不同;高
分子量壳聚糖则是从第 24天开始变化才显著。NO-3-N、NH+4-N及微生物量N,三者变化密切相关。
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