添加微生物菌劑對小麥產(chǎn)量及土壤生物學性狀的影響

耿麗平+李小磊 +趙全利 劉文菊

摘要：在玉米秸稈還田的基礎上，于冬小麥季通過田間小區(qū)試驗研究添加微生物菌劑對土壤速效鉀含量、土壤微生物量碳氮含量、土壤纖維素酶活性及產(chǎn)量動態(tài)變化特征的影響。結果表明，添加微生物菌劑在一定程度上提高了小麥產(chǎn)量、土壤速效鉀含量、土壤微生物量碳氮含量和土壤纖維素酶活性，且表層土壤微生物量碳、氮含量明顯高于下層。與對照相比，添加微生物菌劑后，土壤速效鉀含量、土壤微生物量碳含量、土壤微生物量氮含量、土壤纖維素酶活性分別提高14.40%～21.80%、20.89%～25.52%、24.92%～32.02%、21.85%～25.87%；在小麥收獲期，添加M1（硅酸鹽細菌）和M1+M2（硅酸鹽細菌+根際促生菌）處理的土壤速效鉀含量關鍵詞：小麥；生育期；微生物菌劑；產(chǎn)量；土壤；速效鉀；微生物量；纖維素酶

中圖分類號：S512.106 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2017）05-0050-05

從高產(chǎn)、優(yōu)質、環(huán)保的目標出發(fā)，為進一步加強土壤改良、提高土壤肥力，加強土壤肥料新技術的研發(fā)及推廣，從而提高農田的綜合生產(chǎn)力，為農業(yè)的可持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展提供積極作用[1]。近年來，化學肥料的過量使用導致土壤肥力降低，環(huán)境污染嚴重，土壤中有益微生物量減少，土壤酶活性也顯著降低，不僅影響了土壤養(yǎng)分的轉化和作物吸收，而且導致作物品質和產(chǎn)量也不斷降低，因此迫使人們積極尋找新的肥源[2]。隨著綠色農業(yè)的興起和發(fā)展，微生物肥料的研究與應用日益受到人們的重視。硅酸鹽細菌（silicate bacteria）由于其生命活動作用可將含鉀礦物中的難溶性鉀溶解出來供作物利用，對作物生長、產(chǎn)量提高及品質改善有良好作用[3]。配施微生物菌劑，不僅可使土壤中無效營養(yǎng)有效化，而且可以預防和控制農作物病害，減少農藥和化肥的使用，被普遍認為是一種環(huán)境友好、經(jīng)濟有效提高作物產(chǎn)量的方法。土壤微生物量碳氮是土壤有機碳組成成分之一，為土壤有機碳的分解和氮礦化提供動力，而土壤作為“類生命體”，幾乎所有的生物化學反應都是由酶來驅動的，土壤酶活性隨著生育期在土壤中進行動態(tài)變化，在土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán)和能量轉化中起著非常重要的作用[4]。其中土壤纖維素酶是土壤碳素循環(huán)中的一個重要的酶系，可以水解纖維素生成纖維二糖，進而可水解成葡萄糖，直接影響土壤腐殖質的形成和碳素養(yǎng)分的釋放[5]。因此，土壤微生物量碳氮與土壤纖維素酶活性之間有較高的相關性，土壤纖維素酶活性可以作為土壤對農業(yè)管理措施響應的敏感性指標，對土壤質量狀況具有指示作用[6]。

近年來，許多學者大多利用活菌及其發(fā)酵液進行試驗，對硅酸鹽細菌和根際促生菌在蔬菜抗病性、增產(chǎn)、提高品質等方面具有顯著效果[7]。筆者所在課題小組前期的研究表明，玉米秸稈還田旋耕和深耕2種耕作方式對土壤速效鉀和微生物量碳氮含量的影響差異不顯著。因此，本試驗在秸稈還田的基礎上，研究了添加硅酸鹽細菌和根際促生菌對華北地區(qū)大田作物小麥產(chǎn)量、土壤速效鉀含量、土壤微生物量碳氮含量以及土壤纖維素酶活性的影響，探討相關變化機制，以期為本地小麥土壤的高效利用及減少化肥的使用提供科學依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗條件概述

試驗于2013年10月至2014年6月在河北農業(yè)大學試驗站進行，該試驗點位于河北省辛集市馬莊（37°58′N，115°13′E），該地區(qū)屬東部季風區(qū)溫暖帶半濕潤大陸性氣候，該市全年平均氣溫12.5 ℃，年均降水量484 mm，年均濕度67%，年無霜期209 d，年日照時數(shù)2 629 h，十分利于實行小麥玉米一年兩熟的種植制度。該地區(qū)的冬小麥和夏玉米輪作過程中秸稈均全量還田，本試驗主要針對冬小麥季還田的土壤，研究添加微生物菌劑對土壤生物學性狀的影響。該試驗點地勢平坦，土層深厚，地下水充足，土壤類型為壤質潮土，供試土壤基本理化性狀見

深度3～4 cm。

1.2試驗方案

在玉米秸稈還田的基礎上，設置CK（對照）、M1（硅酸鹽細菌）、M2（根際促生菌）、M1+M2 4種處理。采用的菌劑由河北巨微生物工程有限公司提供，M1施用量為18 kg/hm2（有效活菌數(shù)≥2億CFU/mL），M2施用量為20 kg/hm2（有效活菌數(shù)≥2億CFU/mL），M1+M2處理各個菌劑施用量均為10 kg/hm2。采用裂區(qū)設計，共計4個處理，每個處理設3次重復，小區(qū)面積5 m×3 m=15 m2，留出邊行1.5 m，共12個小區(qū)，每個小區(qū)隨機排列。冬小麥季田間水肥管理為：純氮270 kg/hm2，P2O5 150 kg/hm2，K2O 110 kg/hm2，澆春水3次，各80 mm，基肥施60%的氮肥、全部鉀肥，拔節(jié)期追施40%的氮肥；全生育期灌溉：起身水、挑旗-開花水和灌漿水。

1.3樣品采集

分別于冬小麥返青期、拔節(jié)期、揚花期、灌漿期和收獲期5個時期采集土壤樣品。在小麥行間以20 cm為間隔采集 0～40 cm土壤樣品，4 ℃冷藏，并測定其土壤微生物量碳、氮含量，部分樣品風干后過2 mm篩測定土壤酶活性、過1 mm篩測定土壤速效鉀含量。小麥成熟時，去掉保護行后按1 m2收割測小麥穗粒質量，待風干脫粒后稱質量，計算產(chǎn)量。

1.4測定項目及方法

1.4.1測定項目采集2層土壤（0～20、20～40 cm）測定各生育期土壤微生物量碳、氮含量；0～20 cm土層的土壤還須測定玉米各生育期土壤纖維素酶活性、土壤速效鉀含量；小麥成熟后測定產(chǎn)量。

1.4.2測定方法微生物量碳、氮含量的測定方法均采用三氯甲烷熏蒸浸提法[8]；土壤纖維素酶活性采用硝基水楊酸比色法[8]測定；土壤速效鉀含量采用常規(guī)方法[9]測定。

1.5試驗數(shù)據(jù)與統(tǒng)計分析方法

所得數(shù)據(jù)用Excel 2007進行整理，數(shù)據(jù)分析采用SPSS 17.0統(tǒng)計分析軟件和Excel方差分析。

2結果與分析

2.1添加微生物菌劑對小麥產(chǎn)量的影響

在玉米秸稈還田的基礎上，施用不同的微生物菌劑對2個土層的土壤微生物量碳含量有顯著影響（圖2，P<0.05）。0～20 cm土層，由于F=28.47>Fα=2.84，所以添加微生物菌劑對土壤微生物量碳含量的影響顯著（P<0.05）。在小麥整個生育期，添加微生物菌劑M1、M2、M1+M2處理的土壤微生物量碳含量分別比CK平均顯著增加20.89%、22.39%、25.52%（P<0.05）。同時由于F=7.52>Fα=2.00，所以添加微生物菌劑和不同生育時期交互作用對土壤微生物量碳含量的影響顯著（P<0.05）。0～20 cm土層，在玉米秸稈還田的基礎上，小麥季的每個生育時期添加微生物菌劑處理的土壤微生物量碳含量都高于CK，在小麥季揚花期添加微生物菌劑M1、M2和M1+M2處理土壤微生物量碳含量分別比CK增加3289%、52.63%和67.76%，M1、M2處理與CK相比差異顯著（P<0.05），M1+M2處理與CK相比差異顯著（P<005）。20～40 cm土層，在玉米秸稈還田的基礎上，由于F=4.93>Fα=2.90，所以添加微生物菌劑對土壤微生物量碳的影響顯著（P<0.05）。在小麥整個生育期，添加微生物菌劑M1、M2、M1+M2處理20～40 cm土層的土壤微生物量碳含量分別比CK平均顯著增加11.66%、17.37%和5.97%（P<005）。20～40 cm 土層，在小麥揚花期添加微生物菌劑M2、M1+M2處理的土壤微生物量碳分別比CK顯著增加2667%和28.57%（P<0.05）；而在小麥收獲期，添加微生物菌劑M1+M2處理的土壤微生物量碳低于CK。因此，在玉米秸稈還田的基礎上，添加微生物菌劑可以提高土壤微生物量碳含量。

2.4添加微生物菌劑對土壤微生物量氮含量的影響

由圖3可知，各處理土壤微生物量氮含量在0～20 cm土層中的動態(tài)變化趨勢大體是一致的，即0～20 cm土層的土壤微生物量氮含量范圍變化為18.20～73.73 mg/kg，20～40 cm土層的土壤微生物氮含量范圍變化為11.20～42.93 mg/kg，表層明顯高于下層。0～20 cm土層，在玉米秸稈還田的基礎上，由于F=143.51>Fα=2.61，所以小麥不同生育期對土壤微生物量氮含量的影響差異顯著（P<0.05）。0～20 cm土層，在玉米秸稈還田的基礎上，各處理土壤微生物量氮含量呈增—減—增趨勢，即從小麥返青期到拔節(jié)期顯著上升，并且在拔節(jié)期達到最大，其平均水平為66.27 mg/kg，從拔節(jié)期到灌漿期顯著下降（P<0.05），在灌漿期達到最小之后隨著小麥成[CM（25]熟而緩慢上升。20～40[KG*3]cm土層，在玉米秸稈還田的基礎

[FL（2K2]上，由于F=30.64>Fα=2.90，所以小麥不同生育期對土壤微生物量氮的影響差異顯著（P<0.05）。各處理20～40 cm土層的土壤微生物量氮隨生育期的變化趨勢與表層相似。

在玉米秸稈還田的基礎上，施用不同的微生物菌劑對2個土層的土壤微生物量氮含量有顯著影響（圖3，P<0.05）。0～20 cm土層，由于F=13.90>Fα=2.84，所以添加微生物菌劑對土壤微生物量氮含量的影響顯著（P<0.05）。在小麥整個生育期，添加微生物菌劑M1、M2、M1+M2處理的土壤微生物量氮含量分別比CK平均增加26.97%、24.92%、3202%。同時由于F=5.86>Fα=2.00，所以添加微生物菌劑和不同生育時期交互作用對土壤微生物量氮含量的影響顯著（P<0.05）。0～20 cm土層，在玉米秸稈還田的基礎上，小麥季的各個生育時期，添加微生物菌劑處理的土壤微生物量氮含量都高于CK；在小麥季返青期添加微生物菌劑M1、M1+M2處理土壤微生物量氮含量分別比CK增加60.64%、9506%，M1處理與CK相比差異顯著（P<0.05）。20～40 cm 土層，在玉米秸稈還田的基礎上，由于F=2.450.05）。可見，在玉米秸稈還田的基礎上，添加微生物菌劑可以提高土壤微生物量氮含量。

2.5添加微生物菌劑對土壤速效鉀含量的影響

在玉米秸稈還田的基礎上，由于F=59.43>Fα=2.61，所以小麥季不同生育期之間土壤速效鉀含量存在顯著差異（P<0.05）。在玉米秸稈還田的基礎上，隨小麥生育時期的延長（圖4），添加微生物菌劑CK、M2、M1+M2處理，在小麥返青期土壤速效鉀含量最高，分別為96.25、114.86、125.80 mg/kg，返青期與拔節(jié)期差異不顯著（P>0.05），拔節(jié)期至灌漿期明顯降低，在灌漿期達到最低值，之后隨著小麥成熟度的增加，土壤速效鉀含量又呈上升的趨勢；而添加微生物菌劑M1處理，土壤速效鉀含量從返青期到拔節(jié)期開始升高，拔節(jié)期至灌漿期明顯降低，灌漿期達到最低值，在收獲期土壤速效鉀含量最高，為117.05 mg/kg，與其他4個生育時期相比差異顯著（P<0.05）。

在玉米秸稈的還田的基礎上，由于F=25.32>Fα=2.84，所以添加微生物菌劑對土壤速效鉀差異顯著（P<0.05）。在小麥整個生育期，添加微生物菌劑M1、M2、M1+M2處理的土壤速效鉀含量分別比CK平均顯著增加 15.04%、14.40%、21.80%（P<0.05）。同時由于F=7.69>Fα=2.00，[CM（21*5]所以添加微生物菌劑和不同生育時期交互作用對

土壤速效鉀含量的影響顯著（P<0.05）。在小麥返青期和拔節(jié)期，添加微生物菌劑M1+M2處理的土壤速效鉀含量分別比CK顯著增加30.70%和33.35%（P<0.05）；在小麥揚花期和灌漿期，添加微生物菌劑處理的土壤速效鉀含量與CK相比差異不顯著（P>0.05）；在小麥收獲期，添加微生物菌劑M1、M1+M2處理的土壤速效鉀含量分別比CK顯著增加4082%、38.84%（P<0.05）。因此，在玉米秸稈還田的基礎上，添加微生物菌劑可以提高土壤速效鉀含量。

2.6土壤纖維素酶與土壤微生量碳、氮含量的相關性分析

自然界中存在大量纖維素，是植物秸稈的主要組成部分，土壤中植物殘體主要靠微生物來分解，纖維素酶能將纖維素降解，有助于腐殖質的形成和碳素、氮素養(yǎng)分的釋放。本研究測定了土壤纖維素酶活性并分析與土壤微生量碳、氮含量的相關性，以確定土壤纖維素酶活性能否影響土壤微生量碳、氮含量。

在玉米秸稈還田配施微生物菌劑試驗的數(shù)據(jù)分析表明，土壤纖維素酶活性與土壤微生物量碳呈極顯著的正相關關系，r=0.946*[KG-*3]*（n=12，P<0.01）；土壤纖維素酶活性與土壤微生物量氮含量呈極顯著的正相關關系，r=0.910*[KG-*3]*（n=12，P<0.01）。因此，土壤纖維素酶活性與土壤微生量碳、氮含量都呈極顯著正相關關系。土壤酶活性的高低可以反映土壤養(yǎng)分轉化的強弱，揭示出土壤纖維素酶活性可以用來作為評價土壤肥力水平的綜合指標。

3討論

在玉米秸稈還田的基礎上，添加微生物菌劑在一定程度上提高了小麥產(chǎn)量、土壤速效鉀含量、土壤微生物量碳氮含量和土壤纖維素酶活性。可能是因為在玉米秸稈還田的基礎上添加微生物菌劑后，豐富的土壤有機質含量促使細菌和真菌大量繁殖，提高了土壤中有益微生物的數(shù)量[10]，同時抑制病原菌的生長[11]；另一方面，土壤酶主要來源于土壤中的微生物及作物，微生物的大量繁殖，增加了土壤中酶的種類和活性[12]，這些酶能夠有效促進土壤中營養(yǎng)元素的轉化，有利于小麥的吸收，促進小麥生長。

隨著小麥生育期的延長，土壤微生物量碳含量呈“增—減”的趨勢，土壤微生物量氮呈“增—減—增”趨勢；土壤微生物量碳、氮含量分別在小麥揚花期和拔節(jié)期各出現(xiàn)1個峰值。這可能是由于小麥的揚花期是生長旺盛期，植物殘體和根分泌物數(shù)量很多，導致進入土壤的新鮮有機物質顯著增加，刺激土壤微生物的生長和繁殖，土壤微生物量碳含量的增加反過來又有利于促進碳的轉化和循環(huán)，進而滿足植物生長的需要，同時土壤微生物量碳、氮在作物大量需要養(yǎng)分的生育旺盛期減少，而在冬小麥生長最旺盛的階段之前，土壤微生物量碳含量迅速升高，這為小麥提供充足的養(yǎng)分，這是由作物的需求與土壤自身的調節(jié)功能決定的[13-15]。

從小麥的生育時期來看，添加微生物菌劑CK、M2、M1+M2處理，在小麥返青期土壤速效鉀含量最高，返青期與拔節(jié)期差異不顯著，而添加微生物菌劑M1處理，土壤速效鉀含量從返青期到拔節(jié)期開始升高，從拔節(jié)期至灌漿期都明顯降低，在灌漿期都達到最低值，之后隨著小麥成熟度的增加，土壤速效鉀含量又呈上升的趨勢。這是由于返青期到灌漿期，植物生長旺盛吸收大量鉀素，氣候濕熱，肥料中的鉀素較易釋放，速效鉀含量在土壤中迅速降低，而冬小麥生育后期，根系衰老，吸收功能逐漸喪失，對鉀素的吸收減少，土壤速效鉀含量回升[16]。在小麥收獲期，添加M1（硅酸鹽細菌）、M1+M2（硅酸鹽鹽細菌+根際促生菌）處理的土壤速效鉀含量分別比CK顯著增加40.82%、38.84%（P<0.05）。李友強等報道施用沼液對小麥土壤速效鉀含量比對照增加16.2%[17]，吳克俠等報道，施用EM菌處理的土壤速效鉀含量比CK增加35.96%[18]。與前人的研究相比，本研究在秸稈還田的基礎上添加硅酸鹽菌劑土壤中速效鉀含量高于前人的研究結果，這是由于硅酸鹽細菌具有解鉀作用，其生命活動作用可將土壤中含鉀礦物中的難溶性鉀溶解出來供作物利用。因此，在玉米秸稈還田的基礎上，配施硅酸鹽細菌可以提高土壤的供鉀能力，降低化肥的投入量，減少環(huán)境污染。

綜上所述，添加微生物菌劑可以提高小麥產(chǎn)量以及土壤速效鉀、土壤微生物量碳氮的含量和土壤纖維素酶活性，但在對其解鉀機理及復合菌劑的最佳使用量等方面仍須進一步研究和明確。

4結論

玉米秸稈還田配施微生物菌劑在一定程度上提高了土壤速效鉀、土壤微生物量碳氮的含量和土壤纖維素酶活性，且土壤微生物量碳、氮含量表層明顯高于下層。與對照相比，秸稈還田配施微生物菌劑后，土壤速效鉀含量、土壤微生物量碳含量、土壤微生物量氮含量、土壤纖維素酶活性分別提高1440%～21.80%、20.89%～25.52%、24.92%～32.02%、21.85%～25.87%。

在添加微生物菌劑M1、M2、M1+M2處理分別比CK處理增產(chǎn)1 681、1 264 、1 387 kg/hm2，增產(chǎn)率分別達24.23%、18.22%、20.00%，其中M1處理與CK相比差異極顯著（P<0.01）；在小麥收獲期，添加微生物菌劑M1、M1+M2處理的土壤速效鉀含量分別比CK顯著增加40.82%、38.84%（P<0.05）。

土壤纖維素酶活性與土壤微生量碳、氮含量呈極顯著正相關關系（r=0.946*[KG-*3]*，r=0.910*[KG-*3]*，n=12）。

參考文獻：

[1]劉淑琮，馮炘，于潔. 植物根際促生菌的研究進展及其環(huán)境作用[J]. 湖北農業(yè)科學，2009，48（11）：2882-2887.

[2]錢海燕，楊濱娟，黃國勤，等. 秸稈還田配施化肥及微生物菌劑對水田土壤酶活性和微生物數(shù)量的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學報，2012，21（3）：440-445.

[3]趙艷，張曉波，郭偉. 不同土壤膠質芽孢桿菌生理生化特征及其解鉀活性[J]. 生態(tài)環(huán)境學報，2009，18（6）：2283-2286.

[4]操慶，曹海生，魏曉蘭，等. 鹽脅迫對設施土壤微生物量碳氮和酶活性的影響[J]. 水土保持學報，2015，29（4）：300-304.

[5]武曉森，周曉琳，曹鳳明，等. 不同施肥處理對玉米產(chǎn)量及土壤酶活性的影響[J]. 中國土壤與肥料，2005（1）：44-49.

[6]李玉潔，王慧，趙建寧，等. 耕作方式對農田土壤理化因子和生物學特性的影響[J]. 應用生態(tài)學報，2015，26（3）：939-948.

[7]任麗麗，李玉璽，陳陽. 硅酸鹽細菌解鉀作用研究進展[J]. 實驗科學與技術，2015，13（2）：209-211.

[8]耿麗平，薛培英，劉會玲，等. 促腐菌劑對還田小麥秸稈腐解及土壤生物學性狀的影響[J]. 水土保持學報，2015，29（4）：305-310.

[9]鮑士旦. 土壤農化分析[M]. 北京：中國農業(yè)出版社，2000：103-107.[ZK）]

[10]倪國榮，涂國全，魏賽金，等. 稻草還田配施催腐菌劑對晚稻根際土壤微生物與酶活性及產(chǎn)量的影響[J]. 農業(yè)環(huán)境科學學報，2012，31（1）：149-154.

[11]季立聲，賈君永，張圣武，等. 秸稈直接還田的土壤生物學效應[J]. 山東農業(yè)大學學報，1992，23（4）：375-379.

[12]Govaerts B，Mezzalama M，Sayre K D，et al. Long-term consequences of tillage，residue management，and crop rotation on selected soil micro-flora groups in the subtropical highlands[J]. Appl Soil Eco，2008，38（3）：197-210.

[13]蔡立群，牛怡，羅珠珠，等. 秸稈促腐菌還田土壤養(yǎng)分及微生物量的動態(tài)變化[J]. 中國生態(tài)農業(yè)學報，2014，22（9）：1047-1056.

[14]隋躍宇，焦曉光，張興義. 不同施肥制度對小麥生育期土壤微生物量的影響[J]. 中國土壤與肥料，2006（3）：48-50.

[15]胡誠，曹志平，羅艷蕊，等. 長期施用生物有機肥對土壤肥力及微生物生物量碳的影響[J]. 中國生態(tài)農業(yè)學報，2007，15（3）：48-51.

[16]葉靈. 河北山前平原小麥—玉米高產(chǎn)田土壤肥力動態(tài)研究[D]. 保定：河北農業(yè)大學，2010.

[17]李友強，盛康，彭四姣，等. 沼液施用量對小麥產(chǎn)量及土壤理化性質的影響[J]. 中國農學通報，2014，30（12）：181-186.

[18]吳克俠，耿麗平，趙全利，等. 微生物菌劑與耕作方式對冬小麥土壤化學性狀的影響[J]. 中國農學通報，2015，31（15）：193-201.