微生物肥料替代部分化學肥料對玉米生長及品質的影響

陳　龍，姚　拓，柴　強，康文娟，安雅君，榮良燕

(1.甘肅農業大學草業學院/草業生態系統教育部重點實驗室/甘肅省草業工程實驗室/中-美草地

畜牧業可持續發展研究中心，甘肅 蘭州　730070； 2.甘肅農業大學 農學院,甘肅 蘭州　730070；

3.甘肅省草原技術推廣總站，甘肅 蘭州　730046)

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微生物肥料替代部分化學肥料對玉米生長及品質的影響

陳龍1，姚拓1，柴強2，康文娟1，安雅君1，榮良燕3

(1.甘肅農業大學草業學院/草業生態系統教育部重點實驗室/甘肅省草業工程實驗室/中-美草地

畜牧業可持續發展研究中心，甘肅 蘭州730070； 2.甘肅農業大學 農學院,甘肅 蘭州730070；

3.甘肅省草原技術推廣總站，甘肅 蘭州730046)

摘要：試驗在甘肅河西綠洲灌區，利用微生物肥料替代部分化學肥料，研究其對玉米生長及品質的影響。結果表明，與不施肥料處理(E)相比，85%化學肥料+菌肥處理顯著提高了玉米在收獲期的農藝性狀和產量構成，使株高、地上生物量、百粒質量、穗重分別達到358.32 cm、1019.63 g、39.68 g、369.50 g；使玉米的經濟產量和干草產量顯著上升，分別增加了21.6%和27.6%；使玉米的粗蛋白含量(7.63%)和可溶性糖含量(2.43%)達到最高，分別增加了10.2%和73.5%。經濟產量、干草產量和粗蛋白含量與全量化學肥料(A)處理相比分別增加了1.5%，1.5%和2.8%；可溶性糖含量與全量化學肥料處理(A)和減量化學肥料15%處理(B1)差異顯著，分別增加41.2%和3.2%。酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維的含量與不施肥處理(E)相比顯著下降。微生物肥料替代15%化學肥料對玉米的生長及品質影響與當地最佳施肥水平無顯著差異，即利用微生物肥料替代15%化學肥料是可行的，同時可以提高玉米產量，改善營養品質。

關鍵詞：玉米；促生菌(PGPR)；化學肥料；營養品質

大量施用化學肥料或者肥料養分配比不當不僅會導致大量養分資源浪費，而且還會導致農產品品質下降、破壞了土壤結構及微生物區系及多樣性[1]、對生態環境造成嚴重威脅，也與當前人們的有關低碳農業和循環農業的期望相違背[2-3]。研究者為了提高化學肥料的使用效率，降低化學肥料施用量，提出了很多改進措施，如改進化學肥料劑型、改進施肥方法等。近年來，隨著人們生態保護意識的增強以及對無公害農作物生產的日益重視，探尋新的肥料來源(尤其是生物肥料)以替代工業化學肥料的研究倍受關注[4，5]。一些學者探索微生物肥料替代部分化學肥料的可行性。利用分離篩選出的優良PGPR菌株制成菌肥，通過測定菌肥替代20%～30%化學肥料對玉米生長的影響[6]，結果表明，菌肥替代部分化學肥料對玉米的株高、地上植物量、穗長和經濟產量均有改善作用，且化學肥料減量和促進增產的直接經濟效益為2 291.4元/hm2。李菊梅等[7]、孟琳等[8]通過大田試驗表明，有機肥無機肥配施可提高水稻單產13.6%，氮素利用率達到35.3%～38.6%。

使用菌肥替代部分化學肥料對燕麥的品質進行測定[9]，顯著提高了植株粗蛋白的含量；李玉奇等[10]在黃瓜研究中獲得類似的結果，即優良促生菌研制的菌肥可以改善作物品質，但菌肥對玉米品質影響的研究較少。試驗擬通過微生物肥料替代部分化學肥料，研究其對玉米生長及品質的影響，探索生物菌肥與化學肥料之間的最佳配施方式，為增加玉米產量、提高品質及減少化學肥料用量提供理論依據和技術支撐。

1材料與方法

1.1研究區概況

試驗地設在甘肅省武威市涼州區黃羊鎮農墾農場甘肅農業大學教試驗站，地處甘肅河西走廊東端，N 37°52′20″,E 102°50′50″，屬典型內陸荒漠氣候區，海拔1 581 m；全年平均無霜期156 d，年均降水量164.4 mm，年均蒸發量1 919 mm，年均氣溫7.8 ℃；年太陽輻射總量504～630 kJ/cm2，麥收后≥10 ℃有效積溫1 350 ℃，屬于典型兩季不足，一季有余農業生產區。土壤耕層有機質為15.71 g/kg、全氮0.87 g/kg、全磷1.02 g/kg、速效磷為13.38 mg/kg、速效鉀248.63 mg/kg，pH 8.2。

1.2供試材料

玉米品種為先玉335，化學肥料(試驗區市售化學肥料)，磷酸二銨，總養分≥64%(N∶P2O5∶K2O=18∶46∶0)；尿素，總氮含量≥46.4%。

地膜寬度1.4 m，灌溉采用滴灌，滴灌帶規格為滴頭間距0.30 m，每卷長度2 200 m，流量1.4 L/h。

菌肥先將7株PGPR菌株(菌株P4-12、P4-15、P4-17為溶磷菌，菌株2N2、4N4為固氮菌，菌株P2-1、P4-4能分泌生長素)分別接種于LB液體培養基中，28 ℃，150 r/min培養72 h。待菌株充分生長后，利用分光光度計測定各菌株懸浮液A660值，用無菌水調其A660≥0.5(即菌株懸浮液108cell/mL)，并將調好的各菌株懸浮液100 mL混合后備用；稱取菌肥載體(菌糠、木炭及花土，按照不同質量比配比成混合載體配方，即20%木炭+40%菌糠+40%花土)250 g，置于滅菌鍋121 ℃，25 min連續滅菌2次。將滅菌后的載體置于無菌操作臺上冷卻后，倒入食品專用袋；無菌條件下，將無菌水與載體材料充分混勻，使得載體材料濕潤、松散而不粘結，混合均勻后補加上述備用的混合菌液約80～100 mL，繼續混合攪拌均勻，用自動封口機封口。將制作好的菌肥置于28 ℃的培養箱中培養7～10 d，備用。經測定養分含量全氮為5.59 g/kg，全磷0.87 g/kg，有效磷43.73 mg/kg，全鉀20.21 g/kg，有效鉀5.61 g/kg。

1.3試驗設計

試驗設7個處理，A.全量化學肥料(100%化學肥料，當地高產栽培方式最佳施肥量，氮肥450 kg/hm2，磷素(P2O5)225 kg/hm2，當地土壤是富鉀土壤，故不施鉀肥)；B.85%化學肥料+菌肥；C.70%化學肥料+菌肥；D.菌肥(不施化學肥料)；E.不施肥；B185%化學肥料；C170%化學肥料，每處理3個重復，小區面積為5 m×10 m，壟寬0.5 m。行株距為40 cm×30 cm，密度為333.33 株/hm2；采用覆膜帶狀種植，玉米4月中旬播種，小區采取隨機區組設計。

播種前用菌肥將種子拌種，置于陰涼處0.5 h(期間隨時攪拌)，待菌肥充分附著在種子表面即可播種。菌肥用量為7.5 kg/hm2。化學肥料對照(全量化學肥料)用量為尿素 890 kg/hm2和磷二銨489 kg/hm2，其余各處理分別按百分比減少化學肥料施用量以菌肥代之。

1.4測定指標與方法

每小區隨機摘取10～15株成熟期玉米，用常規法測定玉米株高、莖粗、葉片數、穗位高和地上生物量。

每小區隨機摘取10～15個成熟期玉米穗測量穗長、穗粗和禿尖長(果穗頂端不結實部分的長度)、計數穗行數(果穗中部的籽粒行數)和行粒數(穗數一中等長度行的粒數)并且稱出穗重，計算平均值；每小區摘取一半面積的玉米穗進行計數，單位換算為公頃穗數。

成熟期考種，測定籽粒產量每小區隨機取樣10～15個玉米穗計數其穗粒數，待玉米穗完全風干至恒重后，取每個玉米穗上200個玉米粒稱重，計算百粒質量及平均值；經濟產量測定方法為割測法。每小區摘取1/2面積的玉米穗，待其風干至籽實含水量降至12%～14%，按小區脫粒進行測產，撥離籽粒稱重，計算平均值，單位換算為每公頃籽實產量；干草產量。每小區隨機取樣割取10～15株帶果穗植株，自然條件下風干進行稱重并單位換算為每公頃干草產量。

成熟期每小區隨機取3株玉米進行烘干，并將玉米全株干物質用錘式粉碎機粉碎，粉碎機篩孔直徑為0.6 mm。粗蛋白(CP)采用凱氏定氮法測定。中性洗滌纖維(NDF)和酸性洗滌纖維(ADF)分別采用Van Soest法和Roberston法測定。可溶性糖采用蒽酮比色法測定[11]。

1.5數據處理

數據分析和繪圖采用Microsoft Excel 2007軟件處理，使用SPSS19軟件中的Duncan氏新復極差法對所有數據進行單因素分析。

2結果與分析

2.1不同處理對玉米收獲期農藝性狀的影響

不同處理對玉米株高與穗位較高影響表現為處理A>B>C>B1>C1>D>E，處理A、B、C、B1和C1之間差異不顯著，但與處理E、D差異顯著(P<0.05)。對莖粗表現為處理A與B，處理B與C，B1和C1差異不顯著，其他處理之間均差異顯著。地上生物量A、B、C和B1差異不顯著，但顯著高于D、E，分別較D高17.73%、19.89%、10.75%、9.07%，較E高33.75%、36.18%、25.82%、23.91%。葉片數之間不存在顯著性差異。與施全量化學肥料相比，施用菌肥時，減少30%化學肥料不會對株高、莖粗、葉片數、穗位高和生物量產生影響；施用菌肥，減少30%化學肥料與不施用菌肥單純減量減少30%化學肥料相比，各個指標都有提高(表1)。

表1　不同處理下成熟期玉米農藝性狀

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同

2.2不同處理對玉米收獲期產量構成的影響

處理B的穗重和穗粒重效果最佳，在減少15%化學肥料、代之以菌肥的條件下，產量構成有所增加。不同處理穗長之間差異不顯著。處理A的穗粗與其他處理之間均表現出顯著性差異。百粒重處理A與處理B差異不顯著。由此說明施用菌肥時，減少15%化學肥料不會對產量構成指標造成影響，穗重、穗粒重有增加；而施用菌肥時，減少30%化學肥料減低產量構成指標(表2)。

2.3不同處理對玉米成熟期產量的影響

不同處理經濟產量表現為B>A>C>B1>C1>D>E，A、B、C與D、E存在顯著性差異；B1、C1與D、E也存在顯著性差異；處理B較E(不施肥對照)增產21.6%，比全量化學肥料處理A分別增產1.5%；干草產量A、B、C處理之間差異不顯著，B1、C1之間差異也不顯著，但顯著高于D和E處理，處理B較E增產26.1%，比全量化學肥料處理A均增產1.5%(表3)；表明施用菌肥時，減少15%化學肥料用量不但不會降低玉米的經濟產量和地上物量，同時略有提升，這對于用玉米制作青貯飼料有很大益處；減少30%化學肥料用量對玉米的經濟產量及干草產量均有不利影響，但差異不顯著，在生產過程中根據玉米不同用途可以采取不同梯度減量。但是單純減少15%化學肥料用量會降低玉米的經濟產量和地上物量。

表2　不同處理下成熟期玉米產量構成

表3　不同處理下玉米產量

2.3不同處理對玉米營養品質的影響

2.3.1對植株粗蛋白影響粗蛋白可反映植物的營養價值。不同施肥處理對玉米粗蛋白的影響表現為處理B(7.63 %) > C(7.46%) > A(7.42%) > B1(7.39%)>C1(7.31%) > D(7.02%) > E(6.92%)，以菌肥 + 85%化學肥料處理(B)含量最高，分別較全量化學肥料處理(A)與不施肥處理(E)顯著提高2.8%和10.2%(P<0.05)，比單純減少化學肥料15%處理(B1)提高了3.2%，菌肥+70%化學肥料處理(C)較處理A粗蛋白含量也提高了0.5%，但差異不顯著，全量菌肥處理(D)與處理E之間也差異不顯著，處理D較處理E粗蛋白含量增加1.4%(圖1)。

圖1　不同施肥處理下玉米粗蛋白含量Fig.1　Effect of different treatments on crude protein content　　注：A：全量化學肥料；B：85%化學肥料+菌肥；C：70%化學肥料+菌肥；B1：85%化學肥料；C1：70%化化學肥料；D：全量菌肥；E：不施肥。

2.3.2對植株中性洗滌纖維(NDF)、酸性洗滌纖維(ADF)及可溶性糖含量的影響各施肥處理對玉米中性洗滌纖維含量影響顯著(P<0.05)(表4)，處理B與E、A之間差異顯著(P<0.05)，處理B較E與A中性洗滌纖維含量分別顯著下降7.63%和3.95%。處理B與B1之間差異不顯著，處理E的NDF含量最高。

玉米的酸性洗滌纖維含量因處理不同而存在明顯差異(表4)。各處理中，處理D的ADF含量較處理E無明顯差異，其余各處理ADF含量均低于處理E，其中，處理B較處理E降低幅度最大為1.86%。處理E的ADF含量最高。

不同施肥處理下，玉米的可溶性糖的含量以處理B最高，較處理A增加了41.2%，且差異顯著。增施微生物菌肥后可提高可溶性糖含量，較單一處理B1增加13.02%。處理D與處理E之間差異不顯著。

表4　不同施肥處理下玉米中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維及可溶性糖含量

3討論與結論

3.1微生物肥料替代部分化學肥料對玉米的生長

玉米增產是由多個性狀共同作用的結果，要獲得高產不能單獨強調某一性狀的影響，必須優化各主要性狀的組配來提高玉米產量。試驗結果表明，微生物肥料與化學肥料配施能使玉米產量構成因素在比較高的水平上達到協調統一，從而提高玉米產量。當化學肥料減量15%時，配施微生物肥料可實現玉米的穩產，微生物肥料+85%化學肥料相比全量化學肥料增產幅度在1.5%，這與姚拓等[12]和李宜偉等[13]研究結果一致。但化肥減量超過30%時產量呈明顯下降趨勢，賈豪語等[14]同樣發現當化肥減量30%和40%時，對春茬花椰菜的經濟產量和干草產量顯著降低；王國基等[15]研究發現微生物肥料替代化學肥料在15%～30%之間存在一個最佳替代量，既可以減少化學肥料投入，也不造成減產。由此表明微生物肥料只能部分代替化學肥料，減少化學肥料的使用量，但是還起不到完全代替化學肥料的效果，完全使用微生物肥料不能給作物生長提供充足養分。因此，如何能使微生物肥料的田間促生效果達到最佳，尚需要深入研究。

3.2微生物肥料替代部分化學肥料對玉米品質的影響

研究表明，微生物復合菌肥可以有效促進作物生長使其增產[16]，而且在改善玉米品質方面也具有很大作用[17]。通過研究促生菌復合菌肥對玉米的施用效果發現，85%化學肥料+菌肥的處理使玉米中粗蛋白的含量和可溶性糖的含量較不施肥處理有所增加，且使酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維的含量下降。這可能由于玉米根際促生菌的生長繁殖而間接影響作物的品質。出現這樣的結果與復合菌肥的溶磷作用及產生IAA有關，或是因為菌肥中微生物協同作用的結果。菌肥中的有益微生物可分解釋放土壤中被固定的養分供作物吸收利用，如解磷微生物分泌出的有機酸可以降低土壤pH，提高P、Ca、Fe、Mn等礦物元素的有效利用率[18-19]。研究發現，降低植物體內乙烯的合成，可以促進作物生長[20]。復合接種劑的使用對于提高作物營養品質具有明顯優勢。類似的結論在促生菌復合菌肥應用于三葉草的研究當中也得到了證實[21]。此外，適宜比例的化學肥料與微生物菌肥相結合的施用方式有助于提高土壤微生物種群密度，可以改善土壤微生態環境，提高土壤速效氮、磷、鉀的含量，最終顯著提高植物的肥料利用率[22]。

利用微生物肥料替代部分化學肥料應用于玉米，試驗結果表明：85%化學肥料+菌肥處理不僅使玉米的產量較對照(不施肥)增加21.6%，而且使玉米的粗蛋白含量有所增加，較對照(不施肥)增加10.2%；其可溶性糖含量最高且顯著高于100%常規施肥處理，說明增施生物菌肥能提高植株的品質；其酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維的含量下降。單純的減量化學肥料對玉米的產量和品質都有很大的影響。微生物肥料替代15%化學肥料對玉米的生長及土壤影響與當地最佳施肥水平(100%化學肥料)無顯著差異，所以利用微生物肥料替代15%部分化學肥料是可行的。

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Effect of chemical fertilizer partly replaced by micro-bial fertilizer on maize growth and quality

CHEN Long1,YAO Tuo1,CHAI Qiang2,KANG Wen-juan1,AN Ya-jun1,RONG Liang-yan3

(1.CollegeofPrataculturalScience/MinistryofEducationKeyLaboratoryofGrasslandEcosystem/PrataculturalEngineeringLaboratoryofGansuProvince/Sino-U.S.CenterforGrazingLandEcosystemSustainability,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China； 2.CollegeofAgronomy，GansuAgriculturalUniversity，Lanzhou730070,China； 3.GrasslandTechnicalExtensionStationofGansuProvince，Lanzhou730070，China)

Abstract：Effects of chemical fertilizer partly replaced by microbial fertilizer on the growth and quality of maize were studied by conducting a field experiment in the oasis irrigation area in Hexi of Gansu province，and the agronomic traits，yield component，yield and nutritive quality were determined. Result showed that significantly enhanced agronomic traits，yield component，economic and biological yield，and the highest content of crude protein(7.63%)and soluble sugar(2.43%)were achieved in the treatment of 85% chemical fertilizer + microbial fertilizer. The height，aboveground biomass，hundred-grain weight and panicle weight of maize in the harvest stage were 358.32cm，1019.63g，39.68g and 369.50g respectively. In the treatment of 85% chemical fertilizer + microbial fertilizer，economic yield，biological yield，content of crude protein and soluble sugar were 1.5%，1.5%，2.8% and 41.2% higher than that in no fertilization treatment (E)，and were 21.6%，27.6%，10.2% and 73.5% higher than that in complete fertilization treatment (A)，respectively；Also，soluble sugar

content in this treatment had a significant increase (3.2% ) compared to that in 15% chemical fertilizer + microbial fertilizer treatment (B1). While the content of acid detergent fiber and neutral detergent fiber had a significant decrease. There is no significant difference between the effect of microbial fertilizer replacing 15% of chemical fertilizer and that of local best fertilization level (100% chemical fertilizer) on maize growth and quality. It is feasible to replace 15% of chemical fertilizer with microbial fertilizer which can improve maize yield and nutritive quality as well.

Key words：maize;PGPR;chemical fertilizer;nutritive quality

中圖分類號：S 143.93；S 144

文獻標識碼：A

文章編號：1009-5500(2016)01-0020-06

作者簡介：陳龍(1988-)，男，山東膠州人，在讀碩士。

基金項目：國家科技支撐計劃 (2012BADl4810)，甘肅省農牧廳生物技術專項(GNSW-2014-28)資助

收稿日期：2015-11-05； 修回日期：2015-11-23

E-mail：361213623@qq.com

姚拓為通訊作者。