微生物菌肥與土壤改良基質對連作馬鈴薯土壤性質及微生物群落的影響

決 超

(商丘職業技術學院，河南商丘 476000)

馬鈴薯是我國重要的糧食與蔬菜作物，因營養豐富、產量高、適應性強等特點被人們所喜愛[1-3]。近年來隨著人們對馬鈴薯產品需求量的增加，馬鈴薯種植面積逐年遞增，不少地區受自然因素及耕地面積的限制，常年連作種植馬鈴薯，造成馬鈴薯產量下降、品質降低、病蟲害頻發、土壤根際微生物環境發生改變等諸多連作障礙問題[4-7]。為此，不少種植戶選擇大量施用化肥，而亂施、濫施化肥不僅會使化肥利用率降低[8]，增產報酬率顯著下降[9]，還會導致土壤結構退化[10]、有機質含量下降以及土壤肥力降低等問題[11]。而宋震震等的研究表明，合理的施肥措施不僅能夠提高作物產量，還能夠有效改善土壤生物學以及微生物活性，提高土壤物理與化學性質[12-14]。

微生物菌肥是添加有效微生物菌用于改善土壤微生態環境的功能性肥料[15]。研究表明，微生物菌肥具有保護土壤結構、增加土壤肥力、增強作物抗逆性作用，長期施用同時具有培肥地力、提高肥料利用率的效果[16-17]。土壤改良基質是通過集中腐熟且富含有機質的功能性肥料，不僅能夠提高土壤的透氣性，增強土壤蓄水能力，還能夠提高土壤有機質含量以及生物學特性[18]。目前，微生物菌肥廣泛應用于黃瓜[19]、番茄[20]、白菜[21]等設施蔬菜，在馬鈴薯方面的應用并不多，且微生物菌肥的施用受環境限制較大，在不同土壤類型、肥力及微生物區系下的效果差異較大[22]。因此，本研究針對黃淮海地區馬鈴薯連作障礙問題，開展微生物菌肥配施化肥和土壤改良基質對土壤物理、化學、生物學性質以及微生物變化影響的研究，找到合理的施肥模式，旨在為黃淮海地區馬鈴薯連作地塊施肥的合理選擇提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2020—2021年在河南省商丘職業技術學院試驗示范基地附近農戶(116°15′E，39°28′N，海拔53 m)進行。該地區屬暖溫帶半濕潤季風氣候區，年平均氣溫14.2 ℃，年降水量650 mm，降雨主要集中在6—9月，全年平均日照時長2 200 h，無霜期為212 d。前茬作物為馬鈴薯，供試土壤為二合土，基礎土壤理化性狀(0～30 cm土層)：堿解氮含量49.65 mg/kg、速效磷含量57.21 mg/kg、有機質含量8.42 g/kg、速效鉀含量109.37 mg/kg、pH值8.09。試驗地塊前3年均種植馬鈴薯。

1.2 供試材料

供試馬鈴薯：中薯5號脫毒種薯。

供試肥料：復合肥(N、P2O5、K2O含量分別為5%、10%、15%)、微生物菌肥(有效活菌數≥1.0億CFU/g，N含量12.26%、P2O5含量4.39%、K2O含量8.26%、有機質含量25.32%)、土壤改良基質(由牛糞、蘑菇料和秸稈腐熟而成，N含量2.35%、P2O5含量1.46%、K2O含量2.31%、有機質含量22.19%)。

1.3 試驗設計

試驗設計6個處理，分別為單施化肥(CK)、單施微生物菌肥(T1)、化肥+土壤改良基質(T2)、微生物菌肥+土壤改良基質(T3)、50%化肥+50%微生物菌肥(T4)、50%化肥+50%微生物菌肥+土壤改良基質(T5)，每個處理3次重復。按照隨機區組方法排列布置，小區面積40 m2。單施化肥用量 750 kg/hm2，單施微生物菌肥用量1 500 kg/hm2，土壤改良基質15 000 kg/hm2，在整地前均作為基肥一次性施入。馬鈴薯1年2季，生育期分別為4月1日至6月10日、9月1日至11月10日，連續種植4季作物。田間施藥、灌水等管理措施均與當地農民習慣一致。

1.4 樣品采集

分別于2020年和2021年秋季馬鈴薯收獲前1周進行土壤樣品采集。利用“S”形土鉆采用5點取樣法分別采集0～30 cm土樣。帶回實驗室后，剔除土樣中的碎石、根系等雜物，過2 mm孔徑篩，一部分自然風干，用于土壤化學指標的測定，一部分保存在-20 ℃冰箱，用于土壤酶活性和微生物生物量測定。另外每小區采集3個環刀土壤樣品，用于土壤容重及孔隙度的測定。

1.5 測試項目與方法

土壤容重、孔隙度采用環刀法[23]測定；土壤理化性狀參照鮑士旦的方法[24]測定，其中土壤堿解氮含量采用堿解擴散法測定，速效磷含量采用 0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定，速效鉀含量采用 NH4OAc浸提-火焰光度法測定，有機質含量采用K2Cr2O7-外加熱法測定，pH值采用水土比(1 ∶5)法測定。

土壤酶活性參照關松蔭的方法[25]測定。其中，土壤脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定，堿性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法測定，過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法測定，蔗糖酶采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定。

土壤微生物群落結構采用磷脂脂肪酸法[26]測定。按照陳坤等的提取步驟[27]，將待測液通過MIDI公司MIS系統鑒定，分析結果中14：0、15：0、16：0 iso、16：1ω7c、17：0 iso、17：1 iso ω9c、16：1ω9c、17：0 cycle ω7c、17：1ω8c、18：1ω7c、19：0 cycle ω7c通常用來表征細菌生物量，16：1 ω5c、18：1、18：2、18：3用來表征真菌生物量，16：0、17：0、17：1、18：0用來表征放線菌生物量。

1.6 數據處理

采用WPS Excel軟件進行數據整理與計算，采用SPSS 17.0軟件進行方差分析與相關性比較，采用canoco 5.0軟件進行多元分析。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對土壤容重及孔隙度的影響

由圖1可知，不同施肥條件下土壤容重及孔隙度表現出不同的變化。2020年CK的土壤容重最大，較T1、T3、T5處理分別顯著提高9.45%、14.88%、11.20%(P<0.05)，與T2、T4處理差異均不顯著；T3處理土壤容重最小，顯著低于CK、T2、T4處理，但與T1、T5處理差異均不顯著。而連續2年不同施肥處理后，2021年時，除CK的土壤容重較2020年提高2.88%外，其他施肥處理土壤容重均有不同程度的下降。其中，T1、T3、T5處理顯著低于T2、T4處理，而T1、T3、T5處理間的土壤容重差異均不顯著。

2020年，T3、T5處理的土壤孔隙度相同，均為最大值，較CK、T2、T4處理分別顯著提高19.30%、9.68%、11.48%，與T1處理差異不顯著。連續2年不同施肥處理后，2021年時，除CK的土壤孔隙度較2020年降低5.26%外，其他施肥處理的土壤孔隙度均不同程度地上升或持平。其中，CK的土壤孔隙度顯著低于其他處理，而T3處理的土壤孔隙度最大，較T4處理顯著提高9.52%，與T1、T2、T5處理間差異均不顯著(圖1)。

2.2 不同施肥處理對土壤理化性狀的影響

由表1可知，不同施肥處理條件下土壤養分含量變化較大。2020年，T5處理的土壤堿解氮、速效磷、速效鉀、有機質的含量均最高，其中堿解氮含量較T1處理顯著提高9.23%，與其他處理均差異不顯著；T5處理的速效磷含量較CK、T1、T3處理分別顯著提高4.72%、9.04%、5.23%，與T2、T4處理差異均不顯著；T5處理的速效鉀含量較其他處理顯著提高4.58%～18.74%；T5處理有機質含量較其他處理提高0.46%～6.46%，除與T4處理無顯著性差異外，較其他處理均顯著提高。CK的pH值最大，較T1、T5處理顯著提高0.50%、0.37%，與其他處理差異均不顯著，T1至T5處理間pH值差異也均不顯著。

連續2年不同施肥處理后，2021年土壤各養分含量及pH值較2020年均有不同程度的變化。其中，T5處理的土壤堿解氮、速效磷、速效鉀、有機質的含量仍然最高，堿解氮含量較其他處理顯著提高3.19%～9.28%；T5處理的速效磷、速效鉀、有機質的含量較其他處理分別提高2.68%～14.76%、2.25%～17.81%、1.02%～9.04%，顯著高于除T4處理外的其他處理。CK的pH值最高，較最低的T1處理顯著提高0.74%，其他處理間差異均不顯著(表1)。

表1 不同施肥處理土壤理化性狀的變化

2.3 不同施肥處理對土壤生物學特性的影響

由表2可知，不同施肥措施對土壤生物學特性表現出不同的影響。2020年，T5處理脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶、蔗糖酶的活性均最高，其中脲酶活性較CK顯著提高17.54%，與其他處理相比差異均不顯著，其他處理間也差異均不顯著；T5處理的堿性磷酸酶活性較其他處理提高7.35%～78.05%，顯著高于除T4處理外的其他處理；過氧化氫酶活性較其他處理提高7.69%～50.00%，顯著高于CK、T1、T2處理；T5處理的蔗糖酶活性較其他處理提高15.07%～61.54%，顯著高于CK、T2處理。CK的脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶、蔗糖酶的活性均最低。

表2 不同施肥處理土壤酶活性的變化

2021年，T5處理的脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶、蔗糖酶活性變化趨勢與2020年相同，均為所有施肥處理的最高值，較其他處理分別提高8.77%～37.78%、9.88%～161.76%、20.83%～81.25%、9.30%～118.60%。CK的脲酶、 堿性磷酸酶、過氧化氫酶活性均為最低值，而T1處理的蔗糖酶活性最低，顯著低于T2、T3、T4、T5處理，但與CK相比無顯著性差異(表2)。

2.4 不同施肥處理對土壤微生物群落結構的影響

由表3可知，2020年，T5處理的細菌、革蘭氏陰性菌生物量均最高，其中細菌生物量較其他處理提高6.35%～40.57%，顯著高于除T3處理外的其他處理；T5處理的革蘭氏陽性菌生物量顯著高于CK、T2、T4處理，革蘭氏陰性菌生物量顯著高于CK、T1、T2處理，而T1處理的革蘭氏陽性菌生物量/陰性菌生物量最高，較其他處理顯著提高5.97%～31.78%。CK的真菌生物量最高，顯著高于其他施肥處理，T5處理的真菌生物量最低。T5處理的細菌生物量/真菌生物量最高，較其他處理分別提高11.58%～90.99%，顯著高于除T3處理外的其他施肥處理。T3處理的放線菌生物量最高，較CK顯著提高22.71%，與其他處理相比差異均不顯著。

2021年土壤微生物群落結構與2020年相比有所不同，其中T2處理革蘭氏陽性菌生物量/陰性菌生物量最高，較CK顯著提高59.62%，與其他處理相比差異均不顯著。而不同施肥處理的細菌、真菌、放線菌生物量及細菌生物量/真菌生物量變化趨勢均與2020年相似。總的來看，T5處理能夠提高土壤細菌、革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌生物量，降低真菌生物量(表3)。

表3 不同施肥處理土壤微生物群落的變化

2.5 土壤生物學特性與土壤環境因子的相關性分析

2021年，土壤酶活性與土壤理化因子的相關性分析(表4)表明，脲酶活性與孔隙度、速效鉀含量呈顯著正相關，與堿解氮含量、速效磷含量、有機質含量呈極顯著正相關(P<0.01)；堿性磷酸酶活性與速效磷含量呈顯著正相關，與堿解氮含量、速效鉀含量、有機質含量呈極顯著正相關，與容重呈顯著負相關；過氧化氫酶活性與堿解氮含量、速效磷含量、速效鉀含量、有機質含量呈顯著正相關，與容重呈顯著負相關；蔗糖酶活性與堿解氮含量、速效磷含量、速效鉀含量、有機質含量呈顯著正相關。由此可知，不同施肥措施條件下土壤酶活性的變化與土壤理化性質有緊密相關的聯系。

表4 2021年土壤酶活性與土壤理化因子的相關性

2.6 土壤微生物群落結構與土壤環境因子、生物學特性的多元分析

為進一步分析不同施肥措施條件下土壤微生物群落與土壤環境因子及生物學特性的相關性，2021年進行土壤微生物群落結構與土壤理化因子、酶活性的RDA分析，結果(圖2)表明，排序軸1、2能夠分別在累積變量89.16%、60.29%上解釋不同施肥措施條件下土壤微生物群落變化與土壤理化因子、酶活性的相關性。圖2中各處理點較為分散，說明不同處理土壤微生物對土壤理化因子、酶活性產生不同的響應。細菌、放線菌、革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌的生物量與孔隙度、堿解氮含量、速效磷含量、速效鉀含量、有機質含量呈正相關，與容重、pH值呈負相關；真菌的生物量正好相反，土壤容重(63.4%)是其主要驅動因子。而細菌、放線菌、革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌的生物量與脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶、蔗糖酶的活性均呈正相關，真菌的生物量與脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶、蔗糖酶的活性均呈負相關，其中堿性磷酸酶活性(54.3%)是其主要驅動因子。由此可見，不同施肥措施能夠通過改變土壤理化因子、酶活性而改變土壤微生物群落結構。

3 討論與結論

土壤結構是土壤功能的基礎，而土壤容重、孔隙度對土壤結構及養分的供應起至關重要的作用[28-29]。有研究表明，增施有機物料能夠降低土壤容重，增加土壤孔隙度，改善土壤結構[30]。本研究表明，與單施化肥處理相比，增施微生物菌肥或土壤改良基質處理能夠降低土壤容重，提高土壤孔隙度。分析認為，微生物菌肥與土壤改良基質在發揮肥效的過程中，由于其疏松多孔的結構特性以及較大的比表面積使其具有較強的吸附能力，能夠促進團聚體形成，降低土壤容重，提高土壤孔隙度，改善土壤結構[31]，這與韋建玉等的研究結果[32]較為一致。

微生物菌肥與化肥及土壤改良基質配施能夠提高土壤各養分含量，2021年時，堿解氮、速效磷、速效鉀、有機質的含量均顯著高于單施化肥、微生物菌肥以及配施土壤改良基質處理，而與微生物菌肥配施化肥處理相比，除堿解氮含量顯著提高外，其他養分含量均差異不顯著。分析認為，微生物菌肥配施化肥既能夠彌補單施微生物菌肥在作物前期養分釋放緩慢的缺點，又能夠保障作物在生長后期對養分的吸收利用，能夠提高養分利用效率，避免養分淋失浪費，土壤改良基質有機質含量較多，其他氮磷鉀含量較低，不能滿足作物對養分的吸收利用。但土壤改良基質與微生物菌肥及化肥配施，能夠改善土壤容重及透氣性，提高養分利用效率。這與大多數人的研究結果[33-34]較為一致。但也有研究表明，微生物菌肥對土壤有機質、速效磷含量影響顯著，但對土壤速效氮、速效鉀的含量影響不顯著，這可能跟土壤類型及基礎土壤養分水平有關[35]。

土壤酶是由動植物殘體、微生物釋放的一類具有生物催化作用的活性物質，能夠用于表征土壤養分狀況和土壤質量好壞[36]。土壤微生物磷脂脂肪酸含量變化能夠反映土壤微生物群落結構的變化[37]。本研究表明，與單施化肥、微生物菌肥以及配施土壤改良基質處理相比，微生物菌肥與化肥及土壤改良基質配施能夠提高土壤生物學特性，改善土壤微生物群落結構。微生物菌肥及土壤改良基質含有豐富的碳源可供土壤微生物利用，施入土壤中能夠提高土壤微生物代謝水平，促進某類適宜生存菌類快速繁殖，改變土壤微生物群落構成，其中微生物菌肥與化肥及土壤改良基質配施能夠明顯提高細菌比例，降低真菌比例，使土壤類型由有害的真菌型向有益的細菌型轉變。結合土壤養分含量變化，土壤微生物代謝水平的提高，對土壤生物學特性以及養分轉化水平的提高有明顯的促進作用，從而減緩或改善因連作造成的土壤質量惡化。由此可知，微生物菌肥與化肥及土壤改良基質配施對馬鈴薯連作土壤環境的改善具有良好的持續效應，能夠提高土壤生態系統的穩定性。而土壤酶活性與土壤環境因子的相關性分析，以及酶活性、環境因子與土壤微生物的多元分析表明，土壤各因子水平聯系緊密，土壤微生物群落、酶活性受外源養分因素的影響較大。由此可知，50%化肥+50%微生物菌肥+土壤改良基質配施能夠有效緩解馬鈴薯連作障礙，有效改善土壤結構及微生態環境，提高土壤養分及酶活性水平。