秸稈還田土壤改良培肥基質和復合菌劑配施對土壤生態的影響

宋時麗,吳 昊,黃鵬偉,孫 凱,張振華,張 勇,戴傳超,*

1 南京師范大學生命科學學院,江蘇省微生物資源產業化工程技術研究中心,江蘇省微生物與功能基因組學重點實驗室,南京 210023 2 江蘇省農業科學院資源與環境研究所,南京 210014 3 江蘇省句容藍天碧水生物科技有限公司,句容 212402

據統計,2018年我國農作物種植面積達1.17億hm2[1],作物秸稈總量超過9億t,秸稈利用多以肥料化、飼料化和燃料化為主[2]。但由于技術普及的困難,大多數地方還是采用秸稈粉碎后全量直接還田的方式。秸稈主要由纖維素、半纖維和木質素組成,結構復雜,再加上其較高的C/N比,自然狀態下降解緩慢,還田一季后田間還有大量殘留,導致秸稈中的養分無法及時還田,長此以往,田間秸稈堆積,極易造成秸稈中的蟲卵孵化,加重作物蟲害[3],降低作物產量[4]。因此研究快速降解直接還田秸稈的方法是重中之重。

目前,多數研究集中于利用微生物降解還田秸稈上。顏建東[5]等人證明,向田間施加市購秸稈腐熟劑可以使還田麥秸快速腐解,但市購秸稈腐熟劑中所含微生物菌種不詳,難以適用于所有作物,盲目施用會取得相反結果[6]；錢海燕[7]等人將市購微生物菌劑(主要為腐解菌)與化肥配施,緩解了秸桿的高C/N比,發現能夠加快秸稈腐解；然而該類微生物菌劑中的菌種多為單一菌種,腐解效率有待提高且是否對作物有負面影響尚不清楚。一些研究人員轉而篩選高效降解纖維素、半纖維、木質素相關細菌、真菌、放線菌[8- 10],制作成復合菌劑,證明其能夠進一步加快田間還田秸稈的降解,同時對于土壤肥力、土壤微生物和作物產量都有積極影響[11]。然而這些復合菌劑的效果受到施肥方式、氣候、土壤類型、農作物類型的影響,因此,復合菌劑的成分不是一層不變的,需要因地制宜。

黃河故道沿線受水流沖刷影響,土壤呈堿性砂質狀態,該地土壤肥力低下、生物功能弱和微生物多樣性低,導致農作物生長受限,產量較低。黃河故道地區土壤培肥,對于提高糧食產量有重要意義。本課題選擇江蘇省鹽城市濱海縣黃河故道地區作為試驗點,開展上述研究。因此本文根據試驗區作物秸稈全量直接還田及土壤性質特點,一方面施加復合菌劑促進秸稈快速還田,增加土壤有機質含量、培育土壤微生物多樣性和生物功能。該復合菌劑含特色菌種 —一株植物內生真菌Phomopsisliquidambaris,其分離自重陽木莖內皮,被命名為B3。前期研究表明該菌分泌漆酶的活性很高[12],能有效降解木質素并在田間實驗中證明可促進水稻生長[13],是一種有益促生菌。除此之外,本復合菌劑還含枯草芽孢桿菌[14]、蜂房芽孢桿菌[15]和黑曲霉[16],它們均具有較好的纖維素和半纖維降解能力。本文已證明用于加速還田秸稈降解且有植物內生真菌B3參與的復合菌劑不僅能夠較好地降解盆栽玉米秸稈,還有助于改善土壤理化性質、增加作物產量[17]；但該種復合菌劑能否在試驗區田間發揮作用還需要進一步研究。另一方面,通過集中腐熟且富含有機質的土壤改良培肥基質的施加,對該砂質堿性土進行培肥,提高土壤有機質,改善耕地質量。通過上述兩個方面,進行不同的施肥處理,旨在短期內消減中低產農田土壤障礙、培育土壤生物功能、提升耕地質量和生產力,并選出能夠快速土壤培肥和土壤生物功能培育的最優培肥方式進行推廣。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017年11月22日至2018年6月15日在江蘇省鹽城市濱海縣界牌鎮黃河灣科技公司試驗基地(34°06′08″N, 119°51′16″E)進行。該地區年平均氣溫為14 ℃,年平均降雨量為942.6 mm,最大為1371.9 mm,最少535.8 mm,年平均降雨日數為100 d左右,多集中在夏季。試驗地距離黃河故道7.2 km,土壤為砂質堿性土。該地區的冬小麥和夏水稻秸稈均全部還田；本文主要針對第一季稻茬小麥在上季水稻秸稈全部還田條件下經過處理后土壤的理化性質、生物學性質和土壤微生物多樣性變化情況進行研究。

1.2 菌種及菌劑制作

1.2.1菌種

試驗中使用的有機物料腐熟劑是用實驗室保藏菌種復配形成的復合菌劑,包括植物內生真菌楓香擬莖點霉(Phomopsisliquidambaris),編號為B3、黑曲霉(Aspergillusniger)、枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)、蜂房芽孢桿菌(Bacillusalvei),它們均為能夠降解秸稈并對作物有促生功能的有益菌種；通過平板對峙實驗表明這四種菌兩兩之間沒有拮抗作用,說明它們可以一起復配制作成復合菌劑。真菌用4 ℃保藏的斜面進行PDA轉接,挑取單菌落真菌菌絲用PDA液體培養基擴繁,28 ℃,180 rpm搖床3 d獲得種子液；用-80 ℃甘油保藏的兩種細菌進行平板劃線法復壯,LB固體培養基培養后挑取單菌落于LB液體培養基中進擴繁,37 ℃,180 rpm搖床2 d獲得種子液；取各菌株種子液按接種量5%轉移到相應的液體培養基中進行放大培養,培養條件同種子液發酵條件,獲得發酵液。接著測定菌液中菌體數目,細菌用稀釋涂布平板法計數,其中枯草芽孢桿菌為6.15×109菌落數/mL,蜂房芽孢桿菌為6.25×109菌落數/mL；真菌用搖勻烘干稱重法,其中B3為3.52×10-2g/mL,黑曲霉為4.1×10-3g/mL。

1.2.2菌劑制作

實驗中所用菌劑劑型均為固體菌劑。按照麩皮：鋸木屑：稻殼=6：3：1,將其混勻后每400 g裝滅菌袋,并向袋中加200 mL水,拌勻后進行121 ℃,20 min滅菌處理,待其冷卻后接入50 mL菌種發酵液單獨發酵,整個過程均在超凈工作臺完成。接種完成后真菌放在28 ℃培養箱培養,待真菌菌絲長滿整個發酵袋視為發酵完成；細菌則放在37 ℃培養箱培養,待有機物料質地粘稠視為發酵完成。最后將發酵好的四種菌等量混勻,按照60 kg/ hm2標準均勻撒入田間。

1.3 試驗設計

該試驗地長期進行水稻-小麥輪作,試驗地共分成五個大區,每個大區長30 m,寬45 m,大區之間1.5 m間隔,每個大區面積為1334 m2,整個實驗地塊面積共6670 m2,各個大區內人為分成三塊,作為三個重復,由于地塊較大,實驗重復不便隨機分布,但取樣是隨機的,每個處理取三組重復。在前季作物水稻秸稈全量還田的條件下,實驗以土壤改良培肥基質(Modified organic substrate,MOS,茅峰牌,Q/321183 BLT 001—2017)、復合微生物菌劑(Compound microbial agent,CMA)和化肥(chemical fertilizer,CF)為要素,設計了以下五個處理：①土壤改良培肥基質+有機物料腐熟復合菌劑+常規化肥聯合處理,MOS+CMA+CF；②單獨有機物料腐熟復合菌劑+常規化肥,CMA+CF；③單獨的土壤改良培肥基質+常規化肥,MOS+CF；④常規化肥處理對照,CF；⑤不施肥空白對照,CK。土壤改良培肥基質從公司購得,主要是由畜禽糞便、藥渣、蘑菇渣和秸稈等腐熟有機物料發酵制成,每克含有效菌落數(cfu)≥ 2億個,總養分(N、P、K)≤ 3%,pH為6.5—8.5。其中土壤改良培肥基質施加7500 kg/ hm2、復合微生物菌劑施加60 kg/ hm2、化肥用量則參照當地習慣常規施加,即施加復合肥(江蘇中東化肥股份有限公司,綠聚能,N+P205+ K20 ≥ 40%)750 kg/ hm2作為基肥,小麥返青期追氮肥(尿素)105 kg/ hm2,拔節孕穗期追氮肥(尿素)254 kg/ hm2。小麥為機器播種,播種密度為 375 kg/ hm2；小麥生長期間沒有進行補苗、間苗工作。考慮到試驗區面積較大,劃分的小區無法隨機分布,為了避免各小區處理前土壤的不均勻,分別測定了劃分后各小區處理前土壤的基本理化性質,并與小麥不同生長時期的土壤進行比較分析。

1.4 土壤樣品采集與測定

1.4.1土壤樣品采集

試驗區小區劃分后,用取土鉆通過五點取樣法采取土壤深度為5—20 cm的處理前土壤(S0)、小麥返青期土壤(S1)、小麥拔節孕穗期土壤(S2)、小麥成熟期土壤(S3),每個處理取三次重復。土壤采集后,一部分土壤風干后過1 mm篩進行土壤基本理化性質的測定,其中用于土壤有機質、全氮和全磷測定的土壤需過100目篩。一部分土壤置于4 ℃冰箱進行土壤酶活和土壤微生物量碳/氮測定,另一部分放于-80 ℃冰箱用于土壤總DNA的提取。原始土壤(S0)的基本理化性質如表1所示,且表中數據總體上相對均勻。

表1 處理前土壤(S0)基本理化性質

1.4.2土壤樣品理化性質的測定

土壤有機質用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定[18],總氮用堿性過硫酸鉀法測定[19],總磷用硫酸-過氧化氫消煮鉬銻抗比色法測定,速效氮用堿解擴散法測定[20],速效磷用鉬銻抗比色法測定[21],速效鉀用乙酸銨浸提火焰光度計(WFX- 200)法測定[22],土壤pH用pH計測定(土水比1∶2.5,體積分數),容重用環刀法測定,土壤陽離子交換量用乙酸鈉-火焰光度計法測定[23]。

1.4.3土壤樣品生物學性質的測定

土壤酶活性的測定主要參照關松蔭的相關方法[24]。土壤纖維素酶活性用DNS法測定,脲酶活性用靚酚藍比色法測定,堿性磷酸酶用苯磷酸二鈉比色法測定,分別用mg glucose 10 g-172 h-1,mg NH4-N g-124 h-1,μg phenol g-124 h-1表示；土壤微生物量碳和土壤微生物量氮均用氯仿熏蒸浸提法測定[25-26]。

1.4.4土壤樣品總DNA提取

土壤總DNA用試劑盒提取(FastDNA Spin Kit),PCR體系為50 μL,其中真菌進行18SrRNA擴增,引物為NS1：5′-GTAGTCATATGCTTGTCTC- 3′,GCFung 5′-CGCCCGCCGCGCCCCGCGCCCGGCCC/GCCGCCCCCGCCC CATTCCCCGTTACCCGTTG- 3′,擴增條件為94 ℃變性4 min；94 ℃30 s, 55.5 ℃退火30 s, 72 ℃延伸1 min,35個循環,最終再72℃延伸10 min；細菌進行16SrRNA擴增,引物為517R:5′-ATTACCGCGGCTGCTGG- 3′, 357f-GC:5′-CGCCCGCCGCGCGCGGCGGGCGGGGC/GGGGGCACGGGGGGCCTACGGGAGGCAGCAG- 3′, 擴增條件為94 ℃變性4 min； 94 ℃1 min, 65 ℃退火1 min, 20個循環,72℃延伸1 min。擴增好的PCR樣品進行DGGE,其中真菌DGGE使用濃度為20%—50%的變性膠,在60 ℃下電泳10 h,然后剝膠進行EB染色,最后掃膠成像進行后續分析；細菌DGGE使用濃度為35%—65%的變性膠,操作同真菌。

1.4 小麥產量測定

2018年6月15日小麥成熟時,沿各處理小區對角線取1 m2樣方,每個處理取三組重復,一共15個樣方(5處理×3重復)。實時分數每個樣方中小麥總穗數,隨后從每個樣方中隨機抽取30株小麥進行穗粒數統計,通過加權平均值確定不同處理的小麥穗粒數。千粒重則是將樣方中所有小麥脫粒后帶回實驗室,數小麥千粒于55 ℃烘箱進行72 h烘干稱重所得。

1.5 統計分析

本實驗的所有數據均采用SPSS 16.0進行統計分析,柱狀圖用origin 8.6軟件制作,DGGE聚類用GelCompar II軟件制作。文中數據通過單因素方差(one-way)分析,Turkey法檢驗數據差異顯著性,其中P< 0.05。

2 結果

2.1 不同處理土壤化學特性的變化情況

本試驗區土壤有機質含量整體偏低(低于10 g/kg)。S1時期,MOS+CMA+CF和MOS+CF處理的土壤有機質含量顯著高于其他處理,CMA+CF處理的有機質含量最低,僅有4.85 g/kg； S2時期,整體上各處理有機質含量均有所提高,其中僅MOS+CF處理顯著高于CF和CMA+CF； S3時期,CMA+CF處理的有機質含量仍然最低,MOS+CMA+CF、MOS+CF、CF和CK均顯著高于該處理,分別高出1.44倍、1.34倍、1.22倍和1.28倍。與S0相比,S3時期的MOS+CMA+CF和MOS+CF處理的有機質含量基本保持不變,而CMA+CF和CF處理分別降低了29.41%和11.70%。相同小麥生長期內,各處理之間的TN含量無顯著差異；但不同小麥生長期之間,S2時期各處理的TN含量顯著高于其他生長期。S1時期,CMA+CF和MOS+CF處理的TP含量顯著高于其他處理；S2和S3時期,MOS+CMA+CF和CMA+CF處理的TP含量顯著高于其他處理,MOS+CF僅在S1時期提高后便保持較低水平。隨著小麥生長期的不同,整體上各處理土壤中AN含量顯著提高。S1和S2時期,MOS+CMA+CF和MOS+CF處理的AN含量顯著高于其他處理,CF處理最低；S3時期,MOS+CMA+CF處理的AN含量顯著高于其他處理；但與S1相比,CMA+CF的AN含量提高了2倍,而MOS+CMA+CF和MOS+CF處理則分別提高了1.44和1.38倍,CF處理的AN含量仍然是最低的。不同小麥生長期中,MOS+CMA+CF、CMA+CF和MOS+CF處理的AP含量均顯著高于其他處理,其中聯合處理的AP含量最高。此外,MOS+CMA+CF處理的AK含量在不同小麥生長期內也是較高的(表2)。 pH顯著下降,緩解了田間土壤堿性環境,與CF相比,MOS+CMA+CF和CMA+CF這兩個處理的pH值已接近中性。

表2 不同處理土壤基本化學性質

2.2 不同處理土壤物理特性變化情況

表3結果顯示,相同小麥生長期內,各處理土壤容重無顯著差異；但一個小麥生長季之后, MOS+CMA+CF、CMA+CF、MOS+CF均表現出容重下降的趨勢。該結果與土壤孔隙度結果相對應,即處理組的土壤空隙度到S3時期顯著提高,而表中只有CF處理的孔隙度發生下降。在小麥的三個時期中, CMA+CF和CF處理的CEC數值較小, MOS+CMA+CF和MOS+CF的CEC均顯著高于CMA+CF。

表3 不同處理土壤物理特性(平均值±標準誤)

2.3 不同處理土壤生物學特性的變化情況

2.3.1土壤纖維素酶活

圖1中,隨著小麥生長,土壤纖維素酶活整體呈上升趨勢；與未處理前土壤比,S3時期各處理土壤纖維素酶活均顯著提高。S1時期,CMA+CF處理的土壤纖維素酶活最低,CF處理的土壤纖維素酶活顯著高于CMA+CF,其他處理之間無顯著差異； S2時期,CMA+CF和CK兩個處理的土壤纖維素酶活較低,MOS+CF處理的土壤纖維素酶活顯著高于CMA+CF和CK；S3時期,CMA+CF處理的土壤纖維素酶活最高并顯著高于CK。

圖1 不同處理土壤纖維素酶酶活Fig.1 Soil cellulase activity of the different treatmentsMOS+CMA+CF：土壤改良培肥基質+有機物料腐熟劑+常規化肥,CMA+CF:有機物料腐熟劑+常規化肥,MOS+CF：土壤改良培肥基質+常規化肥,CF：常規化肥,CK：不施肥空白對照。完全不同的大寫字母表示同一處理不同時期間差異顯著,完全不同的小寫字母表示同一時期不同處理間差異顯著(P < 0.05),圖中數據為平均值±標準誤(n=3);S0: 處理前土壤; S1:小麥返青期土壤;S2: 小麥拔節孕穗期土壤;S3: 小麥成熟期土壤

2.3.2土壤脲酶酶活

圖2中,S1和S2時期(即小麥生長前期)土壤脲酶活性較低,且與S0相比無顯著差異。與其他時期相比,S3時期,除CK之外,其他處理的脲酶活性均顯著提高；而與CK相比,MOS+CMA+CF提高了56.87%、CMA+CF提高了37.29%、MOS+CF提高了29.15%。CF和CK處理的脲酶活性大小相似。雖然單獨施加土壤改良培肥基質和單獨施加菌劑都能提高土壤脲酶活性,但二者聯合施加的效果更加顯著。

圖2 不同處理土壤脲酶酶活Fig.2 Soil urease activity of the different treatments

2.3.3土壤堿性磷酸酶酶活

圖3顯示,在小麥的整個生長時期中,土壤堿性磷酸酶活性呈先提高后下降的趨勢,且各處理之間無顯著差異。其中S1和S2時期,CK處理的土壤堿性磷酸酶活性較高,其次為MOS+CMA+CF和MOS+CF處理；S3時期,CMA+CF處理的土壤堿性磷酸酶活性較高,其次為MOS+CMA+CF處理。

圖3 不同處理土壤堿性磷酸酶酶活Fig.3 Soil alkaline phosphatase activity of the different treatments

2.3.4土壤微生物量碳和微生物量氮

土壤微生物量碳在不同小麥生長時期呈先下降后上升的趨勢(圖4)。S0時期各處理微生物量碳無顯著差異；S1時期,MOS+CF處理的微生物量碳含量顯著高于CK和CF處理,但與MOS+CMA+CF和CMA+CF之間無顯著差異；S2時期,與S1時期相比,整體上所有處理的土壤微生物量碳都出現下降；但MOS+CMA+CF、CMA+CF和MOS+CF處理均顯著高于CK和CF,其中MOS+CMA+CF > CMA+CF > MOS+CF；S3時期,與CK和CF相比,MOS+CMA+CF、 CMA+CF和MOS+CF處理的微生物量碳均顯著提高,其中CMA+CF處理的微生物量碳含量最高。CF和CK處理的土壤微生物量碳在整個小麥生長時期的土壤微生物量碳含量均較低。

微生物量氮在不同小麥生長時期中呈上升趨勢(圖4)；S3時期,不同處理的土壤微生物量氮含量與S0相比均顯著提高,僅CK無顯著變化。S2和S3時期,不同處理的MBN含量均有如下順序：MOS+CMA+CF > CMA+CF > MOS+CF > CF > CK；與CK相比,S3時期的MOS+CMA+CF、CMA+CF和MOS+CF處理分別提高了3.14倍、2.72倍和2.15倍。

2.3.5不同處理土壤微生物多樣性的變化情況

DGGE圖譜中(圖5)可以清晰地看出土壤中的細菌豐度顯著高于真菌。根據細菌和真菌條帶數目的統計分析顯示(圖8)：S1和S2時期,MOS+CMA+CF和MOS+CF處理的細菌條帶數目顯著高于CF和CK,但這兩個處理之間無顯著差異；S2和S3時期,CMA+CF處理的條帶數顯著低于S1時期；并且S3時期,各處理的細菌條帶數無顯著差異；此外,在整個小麥生長期間,CK處理土壤細菌DGGE條帶和深淺無顯著變化。S1時期,CMA+CF的真菌條帶數顯著高于CK,其他處理的真菌條帶數無顯著差異；S2時期,CMA+CF和CF處理的真菌條帶數顯著低于其他處理；S3時期,CMA+CF處理的真菌條帶數最少,MOS+CMA+CF和CF的真菌條帶數較多。總之,MOS+CMA+CF和CK處理的真菌條帶數在整個小麥生長期無顯著變化,CMA+CF和MOS+CF處理的真菌條帶數在小麥生長后期顯著下降。

圖5 不同處理土壤細菌和真菌DGGE圖譜Fig.5 DGGE map of soil bacteria and fungi of the different treatments由于處理較多,時期較多,土壤樣品也較多,一張圖上無法放滿所有重復,為了方便比較分析,將5個處理和3個時期(S1小麥返青期、S2小麥拔節孕穗期、S3小麥成熟期)放在一塊膠上,做三塊膠,每個樣三次生物學重復,選擇其中一張作為代表進行分析

接著對細菌和真菌的DGGE圖譜進行相似性聚類分析(圖6和圖7)。真菌(圖6)聚類圖顯示,相同小麥生長期,不同處理之間的真菌相似性較差；而相同處理,不同小麥生長期中的真菌相似性較大,表明導致土壤真菌多樣性發生變化的主要原因在于處理不同,不同小麥的生長期對其影響不大。細菌聚類結果與真菌相似的是(圖7),相同小麥生長期,不同處理之間的細菌分別屬于三個不同分支,而相同處理不同小麥生長期表現為聚集現象,表明不同處理時對土壤細菌多樣性變化的影響較大。此外,MOS+CMA+CF和CF處理中土壤細菌組成相似,CMA+CF和MOS+CF處理的土壤細菌組成相似,CK的土壤細菌組成與其他處理均不相似。

圖6 真菌DGGE圖譜聚類分析Fig.6 DGGE cluster of soil fungi in the test area

圖7 細菌DGGE圖譜聚類分析Fig.7 DGGE cluster of soil bacteria in the test area

圖8 不同小麥生長期各處理真菌、細菌條帶數Fig.8 Number of fungi and bacterial bands of all treatments in different wheat growing stages

2.4 不同處理小麥成熟期農藝性狀及產量情況

表3顯示MOS+CMA+CF和CMA+CF單位面積平均小麥棵數較其他處理顯著增加；MOS+CMA+CF 的小麥平均株高也高于其他處理；與CK和CF相比,MOS+CMA+CF和CMA+CF處理的小麥平均穗粒數顯著提高。試驗區各處理小麥產量順序為：MOS+CMA+CF > CMA+CF > MOS+CF > CF > CK；與CK相比,MOS+CMA+CF、CMA+CF、MOS+CF和CF 的小麥產量分別提高了149.29%、131.75%、105.58%和87.14%；而與CF相比,CK的產量下降了46.56%,MOS+CMA+CF、CMA+CF和MOS+CF的產量分別提高33.21%、23.84%和9.85%。

表4 不同處理小麥農藝性狀及產量

3 討論

3.1 不同處理對土壤理化性質的影響

良好的土壤理化狀況是土壤肥力提升的重要基礎。不同的施肥措施帶來的培肥效果也有所差異。王芳[27]等人發現在渭北旱塬耕地上,秸稈中高量還田配施化肥對土壤培肥效果不如秸稈堆肥配施化肥,說明在常規化肥處理下,僅直接進行秸稈還田對于地力提升、提高產量是不夠的。在秸稈全量還田的條件下,本文利用能高效降解還田秸稈的復合菌劑與化肥配施,結果表明到小麥成熟期,該處理顯著提高了土壤總氮和速效養分含量,這與之前的盆栽研究結果相一致[17],可能由于秸稈中豐富的碳源刺激了土壤微生物活性,加強了土壤微生物對養分的轉化[28]；但在小麥生長前期,復合菌劑中含豐富的微生物,為了滿足自身的生長繁殖,大量消耗了土壤中的即用養分[29],導致小麥生長前期土壤中的養分含量持續偏低。與復合菌劑加速還田秸稈降解不同,土壤改良培肥基質(MOS)中為集中腐熟的混合有機物料,本身有機質含量較高(55%),還含有促進養分轉化的有益微生物菌種。與直接還田的秸稈相比,土壤微生物更傾向于優先降解腐熟的有機物料,因此,整個小麥生長期間,MOS+CMA+CF和MOS+CF處理中土壤有機質含量較高。土壤有機質是表征土壤肥力的重要指標,也是土壤培肥的關鍵[30]。土壤改良培肥基質與復合菌劑聯合配施,其土壤速效含量和有機質含量顯著高于其他處理,表明該處理能在短期內有效提高土壤有機質含量,能更好地為作物提供速效養分。MOS和CMA中均含豐富的活性微生物,但這兩者菌群的主要功能有別：MOS中的微生物主要為固氮、解磷和解鉀菌；CMA中的微生物主要是有機物料降解菌。在配施化肥的情況下,復合菌劑優先降解腐熟的有機物料,釋放養分的同時通過刺激有機質分解菌群和促進有機質分解酶活性,出現了激發效應[31],因此能夠在小麥生長期間有效提高土壤有機質、總磷和速效養分[32]。土壤物理性質的改善對于土壤肥力的提升大有裨益。MOS+CMA+CF、CMA+CF和MOS+CF處理土壤容重均表現出下降趨勢,表明土壤開始變得松軟。這一結果與土壤孔隙度結果相對應,即CF之外的其他處理土壤空隙度到小麥成熟期均顯著提高,只有單獨化肥處理的空隙度發生下降,表明長期施用化肥導致土壤板結,這與王娟的研究結果相一致[33]。

3.2 不同處理對土壤酶活和微生物區系的影響

土壤酶主要是由土壤微生物分泌,在催化土壤多種生化反應中扮演重要角色。錢海燕[7]等人研究發現土壤微生物種類和豐度對土壤酶活影響較大,其中細菌豐度主要影響土壤脲酶活性。MOS+CMA+CF處理的土壤脲酶活性顯著提高,并且高于其他處理,這可能與該處理中較高的細菌多樣性和豐度有關。DGGE圖譜顯示,CMA+CF處理的真菌條帶數在小麥返青期顯著高于CK,但在小麥生長后期,該處理土壤中的真菌豐度顯著降低,可能是因為復合菌劑中的微生物主要在作物生長早期發揮作用,這與于建光[34]等人的研究結果相一致。小麥生長后期,CMA+CF處理土壤纖維素酶活顯著提高,并且土壤微生物量碳含量高于其他處理,表明添加的復合菌劑在前期的生長適應和培育后,在還田秸稈的刺激下能有效降解秸稈并提高土壤微生物活性,增加土壤碳庫,具有提高土壤有機碳的潛力[35]。由于MOS和CMA兩種產品的功能微生物群存在差異,MOS+CMA+CF處理使整個小麥生長過程中土壤纖維素酶活較低,有研究發現有機肥處理降低了主要秸稈降解細菌門的豐度如厚壁菌門和酸桿菌門[36],這可能是導致聯合處理纖維素酶活低于其他處理的原因；而MOS+CMA+CF處理的土壤脲酶活性和土壤微生物量氮含量都是最高的,表明聯合處理土壤的養分循環較為活躍。土壤堿性磷酸酶活在各處理之間無顯著差異,僅隨小麥生長時期變化,這與馬曉霞[37]等人的研究結果一致。提高土壤微生物多樣性和豐度對于提高土壤肥力至關重要[38]。有研究表明長期化肥處理降低了土壤微生物多樣性[39],有機肥通過改變土壤條件而影響細菌群落[32]；說明土壤微生物發生改變與不同的施肥措施密切相關,這與本研究的研究結果相一致。由于本文目前僅完成了一季處理,MOS+CMA+CF、CMA+CF和MOS+CF對土壤微生物的改變主要體現在微生物豐度和群落組成的差異上,至于土壤微生物多樣性的提高還需要繼續進行相同處理再研究。有趣的是,CMA+CF在小麥成熟期的真菌條帶數顯著低于其他處理,對不同處理小麥赤霉病發病率和嘔吐毒素(DON)含量測定結果顯示(文中未提供數據),CMA+CF處理的小麥籽粒中嘔吐毒素濃度顯著低于CK和CF處理,而真菌種類減少可能有利于減輕作物土傳病害的發生[40]。

3.3 不同處理對小麥產量影響

有研究表明在施加化肥的基礎上增施有機肥或秸稈還田可以提高小麥產量[41],小麥理論產量結果顯示,與CF處理相比,MOS+CMA+CF產量提高了33.21%；CMA+CF緊跟其后,提高了23.84%。這可能是由于MOS+CMA+CF處理速效養分高,土壤脲酶活性強,土壤N素的生物轉化過程強,環境土壤物理環境提高,土壤微生物豐度提高綜合作用的結果[42]。CMA+CF處理的小麥產量僅次于聯合處理,由于兩種處理均有復合菌劑的添加,表明田間施加復合菌劑,能夠通過改善土壤理化狀況,提高土壤微生物活性,進而提高了作物產量,這與他人的的研究結果一致[43-44]。MOS+CF處理的小麥產量沒有顯著高于CF處理的原因可能是MOS中的養分釋放需要時間,若長期施用,會有較好的結果[45-46]。

4 結論

總之,從本季田間處理結果來看,土壤改良培肥基質和復合菌劑聯合配施對試驗區土壤的培肥效果最好。但長期來看,進行技術推廣,必要考慮經濟效益,此時聯合配施的成本太高,收益較低,不利于推廣。反觀CMA+CF處理,其對試驗區土壤的培肥效果在土壤纖維素酶活、土壤微生物量碳以及細菌多樣性中優于聯合配施,小麥產量與聯合配施相比也無顯著差異,且復合菌劑用量較少,價格實惠。綜上所述,秸稈還田條件下,添加復合菌劑是最優培肥措施,在中低產農田中具有較高的推廣價值。