多功能促生菌劑對砂質潮土玉米生產的影響

劉曉丹，朱學強，張林利，劉 曄，姜 瑛(河南農業大學 資源與環境學院，河南 鄭州 450002)

土壤是農業生產的基礎，化肥是維持土壤肥力、促進農業可持續發展的保障。處理好土壤與化肥之間的關系，是保障我國糧食安全的重要任務。但在農業生產中，長期不合理的化肥施用導致土壤肥力下降、作物產量降低、生態環境破壞等諸多問題[1-4]。充分發揮化肥肥效、提高肥料利用率是我國農業生產發展提升的關鍵問題之一。

土壤微生物是土壤生命力的重要組成，是評價土壤健康狀況的關鍵指標，它們參與土壤有機質的分解、腐殖質的合成，對提高土壤養分有效性發揮著重要作用，其合成的代謝產物具有固氮、溶磷、解鉀和刺激生長等作用，是提高作物產量、改善作物品質的重要保證[5-7]。前人研究表明，施用微生物菌劑不僅可以增加土壤有機質含量，提高土壤肥力，改善作物生長環境，而且能夠改變根際土壤微生物的數量與活性，進而提高礦質營養元素含量[8-11]。施用膠質類芽孢桿菌能夠有效提高花生田塊土壤酶活性，增加花生產量[12]；施用地衣芽孢桿菌制劑能夠提高作物根系生長和作物抗逆性[13]；微生物菌肥還能顯著提高土壤中微生物多樣性指數[14]，有效改善土壤基礎理化性質，提高土壤酶活性[15]。

華北地區砂質潮土供肥保水性能差、施肥見效快，但在作物生長后期易脫肥早衰。玉米是我國的三大糧食作物之一。當今，玉米產量提高主要依賴化肥施用，有關微生物菌劑促進其生長的報道較少。本試驗從砂質潮土中篩選出具有解磷能力和分泌吲哚乙酸(IAA)功能的促生菌，借助骨粉為載體，制成單一微生物菌劑和復合微生物菌劑[16]，研究其施入土壤后對土壤基礎理化性狀、IAA和玉米植株養分含量及產量的影響，旨在為保護華北地區土壤環境、提高玉米產量等提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2015年6月初至2015年10月進行，地點為河南省新鄭市航空港管理區華北小麥-玉米輪作營養與施肥科學觀測試驗站(113.89410°E，34.50572°N)，土壤類型是砂質潮土。研究區地處半濕潤、半干旱的暖溫帶季風氣候區，年均降水量675 mm，降水主要集中在7—9月，年均氣溫14.5 ℃。供試土樣(采樣深度0～20 cm)基本理化性狀：土壤有機質3.29 g·kg-1，全氮0.29 g·kg-1，礦質氮25.46 mg·kg-1，全磷0.80 g·kg-1，速效磷9.77 mg·kg-1，全鉀19.56 g·kg-1，速效鉀80.17 mg·kg-1，pH值7.27。

1.2 處理設計

本試驗共設置7個處理：T1，不施任何菌劑和骨粉；T2，單施骨粉；T3，施用以骨粉為載體的壁芽孢桿菌(Bacillusmuralis，登錄號KP743121)菌劑；T4，施用以骨粉為載體的特基拉芽孢桿菌(Bacillustequilensis，登錄號KP743123)菌劑；T5，施用以骨粉為載體的枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis，登錄號KP743130)菌劑；T6，施用以骨粉為載體的短小芽孢桿菌(Bacilluspumilus，登錄號KP743131)菌劑；T7，施用以骨粉為載體的壁芽孢桿菌、特基拉芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌、短小芽孢桿菌等比例混合菌劑。

供試細菌均從供試土壤中篩選，并保存在實驗室4 ℃冰箱中，制成以骨粉為載體的菌劑。菌劑中有效活菌數為1011cfu·g-1。每個處理3次重復，隨機區組排列，小區尺寸3 m×3 m。所有處理均施用N 15%、P2O515%、K2O 15%的復合肥作基肥，施用量650 kg·hm-2。除T1外，各處理配施骨粉或含等量骨粉制成的微生物菌劑50 kg·hm-2。在玉米拔節期追施尿素120 kg·hm-2。供試玉米品種為鄭單958，播種量為每公頃7.5萬粒，生育期間其他管理措施按照當地高產玉米管理規程進行。

1.3 土樣采集

分別在玉米拔節期(7月18日)、抽雄期(8月10日)、成熟期(9月20日)采集土樣。采用5點取樣法在玉米行間采集土壤樣品，表層采樣深度為0～20 cm，然后將采集的土樣混合均勻并作好編號，作為待測樣品進行保存。

1.4 土樣及植株的測定指標及方法

1.4.1 土樣理化性質、IAA和pH的測定

土壤速效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用1 mol·L-1中性乙酸銨浸提，火焰光度計法測定；土壤有機質采用重鉻酸鉀氧化法測定。土壤IAA采用高效液相色譜法測定：稱取土壤樣品10 g到100 mL離心管，加入80%(體積分數)丙酮水溶液50 mL，超聲提取30 min，上清液減壓濃縮(40 ℃)，將丙酮蒸發完全，再用乙酸乙酯萃取3次，然后合并有機相，減壓濃縮(40 ℃)蒸干，用5 mL色譜純甲醇溶解，過0.45 μm有機相濾膜，濾液保存于棕色小瓶中，用高效液相色譜(HPLC)測定。土水質量體積比1∶5浸提，水采用去二氧化碳蒸餾水，酸度計測定[13]。

1.4.2 植株氮、磷、鉀含量測定

植株全氮測定采用H2SO4-H2O2消煮-開氏定氮法；植株全磷測定采用H2SO4-H2O2消煮-鉬黃比色法；植株全鉀測定采用H2SO4-H2O2消煮-火焰光度計法。

1.4.3 考種及計產

在玉米成熟期采取1 m雙行的全部玉米植株進行考種(株高、棒粒數、千粒重)，計算理論產量。每小區收獲9 m2，全部脫粒，計算實際產量。

1.5 數據分析

所得數據用Excel 2016進行整理后，在SPSS 23平臺上進行方差分析，在Origin 8.5平臺上制圖。

2 結果與分析

2.1 對土壤肥力的影響

2.1.1 土壤速效磷含量

由圖1可知，土壤速效磷含量在玉米抽雄期最高、成熟期最低。在玉米拔節期，T1處理的土壤速效磷顯著(P<0.05)低于其他處理，而其他處理間土壤速效磷含量差異不顯著；在玉米抽雄期，T2與T1處理的土壤速效磷含量差異不顯著，施用了菌劑的T3～T7處理土壤速效磷含量均顯著高于T1和T2處理；在玉米成熟期，T4～T7處理的土壤速效磷含量顯著高于T1和T2處理，T5、T6、T7處理的土壤速效磷含量最高，顯著高于其他處理?？傮w來看，T6處理的土壤速效磷含量在玉米整個生育期中均保持在較高水平。

同一時期各處理上無相同小寫字母的表示差異顯著(P< 0.05)。圖2同圖1 施用促生菌劑對土壤速效磷、速效鉀、IAA含量的影響

2.1.2 土壤速效鉀含量

由圖1可知，玉米拔節期和抽雄期土壤中的速效鉀含量高于成熟期。在各生育時期，T3～T7處理與T2處理的土壤速效鉀含量無顯著差異。

2.1.3 土壤IAA含量

由圖1可知，玉米各生育期，T2、T1處理的土壤IAA含量均無顯著差異，而添加菌劑的各處理IAA含量均顯著高于T2。在玉米拔節期和抽雄期，T6、T7處理的土壤IAA含量顯著高于T3、T4處理；在玉米成熟期，T6、T7處理的土壤IAA含量顯著高于T2、T3處理，而T4、T5、T6處理的土壤IAA含量差異不顯著。

2.2 對玉米植株氮、磷、鉀積累的影響

2.2.1 氮積累量

由圖2可知，隨著生育期的延長，玉米植株氮積累量呈增高趨勢。在玉米拔節期，T3～T7處理的玉米植株氮積累量顯著高于T1和T2處理，而T3～T7處理間差異不顯著；在玉米抽雄期，T5、T6、T7處理的玉米植株氮積累量顯著高于T1和T2處理，而T3～T7處理間差異不顯著；在玉米成熟期，T3～T7處理的玉米植株氮積累量顯著高于T1和T2處理，T5、T6處理顯著高于T3、T4?？傮w來看，各時期T5、T6處理的植株氮積累量均較高。

2.2.2 磷積累量

由圖2可知，與植株氮積累量類似，玉米植株磷積累量亦隨生育進程呈增高趨勢。在玉米拔節期，添加菌劑的各處理植株磷積累量顯著高于T1處理，但各處理間差異不顯著，T5、T6、T7處理的植株磷積累量顯著高于T2處理；在玉米抽雄期，添加菌劑的各處理植株磷積累量顯著高于T1和T2處理，但各處理間差異不顯著，且T2處理顯著高于T1處理；在玉米成熟期，添加菌劑的各處理植株磷積累量顯著高于T1處理，但各處理間差異不顯著，T5、T6處理的植株磷積累量顯著高于T2處理?？傮w來看，施用促生菌劑的各處理植株磷素積累量均較高。

圖2 施用促生菌劑對玉米植株氮、磷、鉀積累量的影響

2.2.3 鉀積累量

由圖2可知，玉米各生育期內，除抽雄期的T2與T6處理外，添加骨粉的各處理無論是否添加菌劑，植株鉀積累量均無顯著差異。

2.3 對玉米產量的影響

由表1可知，施用菌劑的各處理與T2處理相比，玉米千粒重、產量均顯著提高，且T6、T7處理的穗粒數也顯著高于T2處理。在施用菌劑的處理間，T6、T7處理的整體表現較優，穗粒數顯著高于T3處理，千粒重顯著高于T3～T5處理，產量顯著高于T3、T4處理。整體來看，短小芽孢桿菌菌劑在砂質潮土上對玉米的增產效果最佳，較T1處理增產15.9%。

表1 施用促生菌劑對玉米產量的影響

注：同列數據后無相同小寫字母的表示差異顯著(P<0.05)。

3 討論

土壤是農業生產的基地，是人類賴以生存的物質基礎，因此，開發利用好土壤是維護人類生存、保障農業可持續發展的基礎。土壤基礎理化性狀作為評價土壤質量和健康狀況的重要指標[17-18]，對保持生物多樣性、維持土壤肥力、提高作物產量及品質有著不可替代的作用。土壤速效磷是作物生長發育的必需營養元素[19]，對作物高產、保持品種優良、提高作物品質有明顯作用，并在一定程度上能表征土壤肥力特性[20]。本研究結果表明，施入促生菌劑后土壤中速效磷含量提高，特別是T5、T6、T7處理在玉米各生育期的效果均較好，但菌劑對土壤速效鉀含量無顯著影響。這說明供試促生菌劑具有較好的解磷功能，從而得以提高土壤速效磷含量，但在砂質潮土中未能發揮解鉀性能。

土壤中的IAA對作物生長發育起著至關重要的作用。研究表明，IAA能夠刺激植物根系伸長，改善根際養分緩沖能力，為作物生長提供良好環境，進而增加作物的養分吸收量、提高作物的產量[14]。本研究結果表明，施用促生菌劑后，T7處理的土壤中IAA含量最高，T6處理次之，證明菌劑能明顯提高砂質潮土中IAA含量，為植物根系生長提供良好環境。

作物植株的全量養分含量不僅能衡量土壤的有效養分供應狀況和作物的養分吸收特性，而且與作物的產量和品質密切相關。提高并均衡植株全量養分含量是穩產和高產的重要舉措。不同處理的玉米植株氮積累量差異明顯，特別是T5、T6、T7處理顯著提高了植株的氮積累量。

在我國，提升作物產量的主要措施是施用化肥，這也產生了許多負面影響，如土壤板結、養分含量不平衡、生態環境破壞、化肥利用率低等[21]，特別是在華北地區，化肥施用量過大的現象尤為普遍。目前，有關在華北平原利用微生物菌劑來提高作物產量的研究較少，并且多數微生物菌肥篩選的雜菌較多，不同菌肥的差異較大，施于土壤后易對作物產生不可預測的影響，因此，微生物菌肥并沒有得到很好的應用。本試驗所用的促生菌劑是從砂質潮土中篩選、提純后制得的，成分較為明確。研究結果表明，施用促生菌劑提高了土壤速效磷、IAA含量，及植株的氮、磷積累量，提高了玉米產量，在華北平原砂質潮土玉米生產上具有一定的推廣應用潛力。但關于試驗用各促生菌劑在其他土壤類型及作物上的效果仍有待進一步的試驗明確。

參考文獻：

[1] 朱兆良, 金繼運. 保障我國糧食安全的肥料問題[J]. 植物營養與肥料學報, 2013, 19(2):259-273.

[2] 汪翔, 張鋒. 中國農業化肥投入現狀與地區差異性分析[J]. 江西農業學報, 2011, 23(12):169-173.

[3] 張榮輝, 武云霞. 土壤退化狀況與土壤污染現狀調查之必要性[J]. 能源研究與管理, 2007(4):120-122.

[4] STEEGE M W T, STULEN I, WIERSEMA P K, et al. Efficiency of nitrate uptake in spinach: impact of external nitrate concentration and relative growth rate on nitrate influx and efflux[J]. Plant & Soil, 1999, 208(1):125-134.

[5] 方華舟, 左雪枝. 稻田固氮解磷解鉀菌篩選及其復合菌劑對土壤培肥作用[J]. 中國土壤與肥料, 2014(2):82-87.

[6] 劉鵬, 劉訓理. 中國微生物肥料的研究現狀及前景展望[J]. 農學學報, 2013, 3(3):26-31.

[7] NDAYEGAMIYE A, COTE D. Effect of long-term pig slurry and solid cattle manure application on soil chemical and biological properties[J]. Canadian Journal of Soil Science, 1989, 69(1):39-47.

[8] 陶磊, 褚貴新, 劉濤,等. 有機肥替代部分化肥對長期連作棉田產量、土壤微生物數量及酶活性的影響[J]. 生態學報, 2014, 34(21):6137-6146.

[9] 張麗榮, 陳杭, 康萍芝,等. 不同微生物菌劑對番茄產量及土壤微生物數量的影響[J]. 湖北農業科學, 2013, 52(22):5452-5454.

[10] DIACONO M, MONTEMURRO F. Long-term effects of organic amendments on soil fertility: a review[J]. Agronomy for Sustainable Development, 2010, 30(2):401-422.

[11] ABBOTT L K, MURPHY D V. Soil Biological Fertility[M]. Netherlands: Springer, 2007.

[12] 常文智, 馬鳴超, 李力,等. 施用膠質類芽孢桿菌對土壤生物活性和花生產量的影響[J]. 中國土壤與肥料, 2014(1):84-89.

[13] 李玉奇, 辛世杰, 奧巖松. 微生物菌肥對溫室黃瓜生長、產量及品質的影響[J]. 中國農學通報, 2012, 28(1):259-263.

[14] 丁愛華, 王維江. 微生物肥料處理水稻種子效果初報[J]. 北方水稻, 2003(4):42-43.

[15] 雷先德, 李金文, 徐秀玲,等. 微生物菌劑對菠菜生長特性及土壤微生物多樣性的影響[J]. 中國生態農業學報, 2012, 20(4):488-494.

[16] 文婭, 趙國柱, 周傳斌,等. 生態工程領域微生物菌劑研究進展[J]. 生態學報, 2011, 31(20):6287-6294.

[17] 郝國輝, 邵勁松. 土壤有機質含量測定方法的改進研究[J]. 農業資源與環境學報, 2014, 31(2):202-204.

[18] SHI Y, MENG F, GUO F, et al. Residues of organic chlorinated pesticides in agricultural soils of Beijing, China[J]. Archives of Environmental Contamination & Toxicology, 2005, 49(1):37.

[19] 孫運杰, 馬海林, 劉方春,等. 植物根際促生菌對藍莓根際土壤養分與微生物數量的影響[J]. 山東農業科學, 2014, 46(1):66-69.

[20] 謝林花, 呂家瓏, 張一平,等. 長期施肥對石灰性土壤磷素肥力的影響Ⅰ.有機質、全磷和速效磷[J]. 應用生態學報, 2004, 15(5):787-789.

[21] 孫建利. 對過量使用化肥危害的思考[J]. 現代農業科技, 2010 (16): 278-279.