添加微生物菌剂对小麦产量及土壤生物学性状的影响

耿丽平+李小磊 +赵全利 刘文菊

摘要：在玉米秸秆还田的基础上，于冬小麦季通过田间小区试验研究添加微生物菌剂对土壤速效钾含量、土壤微生物量碳氮含量、土壤纤维素酶活性及产量动态变化特征的影响。结果表明，添加微生物菌剂在一定程度上提高了小麦产量、土壤速效钾含量、土壤微生物量碳氮含量和土壤纤维素酶活性，且表层土壤微生物量碳、氮含量明显高于下层。与对照相比，添加微生物菌剂后，土壤速效钾含量、土壤微生物量碳含量、土壤微生物量氮含量、土壤纤维素酶活性分别提高14.40%～21.80%、20.89%～25.52%、24.92%～32.02%、21.85%～25.87%；在小麦收获期，添加M1（硅酸盐细菌）和M1+M2（硅酸盐细菌+根际促生菌）处理的土壤速效钾含量关键词：小麦；生育期；微生物菌剂；产量；土壤；速效钾；微生物量；纤维素酶

中图分类号：S512.106 文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2017）05-0050-05

从高产、优质、环保的目标出发，为进一步加强土壤改良、提高土壤肥力，加强土壤肥料新技术的研发及推广，从而提高农田的综合生产力，为农业的可持续稳定发展提供积极作用[1]。近年来，化学肥料的过量使用导致土壤肥力降低，環境污染严重，土壤中有益微生物量减少，土壤酶活性也显著降低，不仅影响了土壤养分的转化和作物吸收，而且导致作物品质和产量也不断降低，因此迫使人们积极寻找新的肥源[2]。随着绿色农业的兴起和发展，微生物肥料的研究与应用日益受到人们的重视。硅酸盐细菌（silicate bacteria）由于其生命活动作用可将含钾矿物中的难溶性钾溶解出来供作物利用，对作物生长、产量提高及品质改善有良好作用[3]。配施微生物菌剂，不仅可使土壤中无效营养有效化，而且可以预防和控制农作物病害，减少农药和化肥的使用，被普遍认为是一种环境友好、经济有效提高作物产量的方法。土壤微生物量碳氮是土壤有机碳组成成分之一，为土壤有机碳的分解和氮矿化提供动力，而土壤作为“类生命体”，几乎所有的生物化学反应都是由酶来驱动的，土壤酶活性随着生育期在土壤中进行动态变化，在土壤生态系统的物质循环和能量转化中起着非常重要的作用[4]。其中土壤纤维素酶是土壤碳素循环中的一个重要的酶系，可以水解纤维素生成纤维二糖，进而可水解成葡萄糖，直接影响土壤腐殖质的形成和碳素养分的释放[5]。因此，土壤微生物量碳氮与土壤纤维素酶活性之间有较高的相关性，土壤纤维素酶活性可以作为土壤对农业管理措施响应的敏感性指标，对土壤质量状况具有指示作用[6]。

近年来，许多学者大多利用活菌及其发酵液进行试验，对硅酸盐细菌和根际促生菌在蔬菜抗病性、增产、提高品质等方面具有显著效果[7]。笔者所在课题小组前期的研究表明，玉米秸秆还田旋耕和深耕2种耕作方式对土壤速效钾和微生物量碳氮含量的影响差异不显著。因此，本试验在秸秆还田的基础上，研究了添加硅酸盐细菌和根际促生菌对华北地区大田作物小麦产量、土壤速效钾含量、土壤微生物量碳氮含量以及土壤纤维素酶活性的影响，探讨相关变化机制，以期为本地小麦土壤的高效利用及减少化肥的使用提供科学依据。

1材料与方法

1.1试验条件概述

试验于2013年10月至2014年6月在河北农业大学试验站进行，该试验点位于河北省辛集市马庄（37°58′N，115°13′E），该地区属东部季风区温暖带半湿润大陆性气候，该市全年平均气温12.5 ℃，年均降水量484 mm，年均湿度67%，年无霜期209 d，年日照时数2 629 h，十分利于实行小麦玉米一年两熟的种植制度。该地区的冬小麦和夏玉米轮作过程中秸秆均全量还田，本试验主要针对冬小麦季还田的土壤，研究添加微生物菌剂对土壤生物学性状的影响。该试验点地势平坦，土层深厚，地下水充足，土壤类型为壤质潮土，供试土壤基本理化性状见

深度3～4 cm。

1.2试验方案

在玉米秸秆还田的基础上，设置CK（对照）、M1（硅酸盐细菌）、M2（根际促生菌）、M1+M2 4种处理。采用的菌剂由河北巨微生物工程有限公司提供，M1施用量为18 kg/hm2（有效活菌数≥2亿CFU/mL），M2施用量为20 kg/hm2（有效活菌数≥2亿CFU/mL），M1+M2处理各个菌剂施用量均为10 kg/hm2。采用裂区设计，共计4个处理，每个处理设3次重复，小区面积5 m×3 m=15 m2，留出边行1.5 m，共12个小区，每个小区随机排列。冬小麦季田间水肥管理为：纯氮270 kg/hm2，P2O5 150 kg/hm2，K2O 110 kg/hm2，浇春水3次，各80 mm，基肥施60%的氮肥、全部钾肥，拔节期追施40%的氮肥；全生育期灌溉：起身水、挑旗-开花水和灌浆水。

1.3样品采集

分别于冬小麦返青期、拔节期、扬花期、灌浆期和收获期5个时期采集土壤样品。在小麦行间以20 cm为间隔采集 0～40 cm土壤样品，4 ℃冷藏，并测定其土壤微生物量碳、氮含量，部分样品风干后过2 mm筛测定土壤酶活性、过1 mm筛测定土壤速效钾含量。小麦成熟时，去掉保护行后按1 m2收割测小麦穗粒质量，待风干脱粒后称质量，计算产量。

1.4测定项目及方法

1.4.1测定项目采集2层土壤（0～20、20～40 cm）测定各生育期土壤微生物量碳、氮含量；0～20 cm土层的土壤还须测定玉米各生育期土壤纤维素酶活性、土壤速效钾含量；小麦成熟后测定产量。

1.4.2测定方法微生物量碳、氮含量的测定方法均采用三氯甲烷熏蒸浸提法[8]；土壤纤维素酶活性采用硝基水杨酸比色法[8]测定；土壤速效钾含量采用常规方法[9]测定。

1.5试验数据与统计分析方法

所得数据用Excel 2007进行整理，数据分析采用SPSS 17.0统计分析软件和Excel方差分析。

2结果与分析

2.1添加微生物菌剂对小麦产量的影响

在玉米秸秆还田的基础上，施用不同的微生物菌剂对2个土层的土壤微生物量碳含量有显著影响（图2，P<0.05）。0～20 cm土层，由于F=28.47>Fα=2.84，所以添加微生物菌剂对土壤微生物量碳含量的影响显著（P<0.05）。在小麦整个生育期，添加微生物菌剂M1、M2、M1+M2处理的土壤微生物量碳含量分别比CK平均显著增加20.89%、22.39%、25.52%（P<0.05）。同时由于F=7.52>Fα=2.00，所以添加微生物菌剂和不同生育时期交互作用对土壤微生物量碳含量的影响显著（P<0.05）。0～20 cm土层，在玉米秸秆还田的基础上，小麦季的每个生育时期添加微生物菌剂处理的土壤微生物量碳含量都高于CK，在小麦季扬花期添加微生物菌剂M1、M2和M1+M2处理土壤微生物量碳含量分别比CK增加3289%、52.63%和67.76%，M1、M2处理与CK相比差异显著（P<0.05），M1+M2处理与CK相比差异显著（P<005）。20～40 cm土层，在玉米秸秆还田的基础上，由于F=4.93>Fα=2.90，所以添加微生物菌剂对土壤微生物量碳的影响显著（P<0.05）。在小麦整个生育期，添加微生物菌劑M1、M2、M1+M2处理20～40 cm土层的土壤微生物量碳含量分别比CK平均显著增加11.66%、17.37%和5.97%（P<005）。20～40 cm 土层，在小麦扬花期添加微生物菌剂M2、M1+M2处理的土壤微生物量碳分别比CK显著增加2667%和28.57%（P<0.05）；而在小麦收获期，添加微生物菌剂M1+M2处理的土壤微生物量碳低于CK。因此，在玉米秸秆还田的基础上，添加微生物菌剂可以提高土壤微生物量碳含量。

2.4添加微生物菌剂对土壤微生物量氮含量的影响

由图3可知，各处理土壤微生物量氮含量在0～20 cm土层中的动态变化趋势大体是一致的，即0～20 cm土层的土壤微生物量氮含量范围变化为18.20～73.73 mg/kg，20～40 cm土层的土壤微生物氮含量范围变化为11.20～42.93 mg/kg，表层明显高于下层。0～20 cm土层，在玉米秸秆还田的基础上，由于F=143.51>Fα=2.61，所以小麦不同生育期对土壤微生物量氮含量的影响差异显著（P<0.05）。0～20 cm土层，在玉米秸秆还田的基础上，各处理土壤微生物量氮含量呈增—减—增趋势，即从小麦返青期到拔节期显著上升，并且在拔节期达到最大，其平均水平为66.27 mg/kg，从拔节期到灌浆期显著下降（P<0.05），在灌浆期达到最小之后随着小麦成[CM（25]熟而缓慢上升。20～40[KG*3]cm土层，在玉米秸秆还田的基础

[FL（2K2]上，由于F=30.64>Fα=2.90，所以小麦不同生育期对土壤微生物量氮的影响差异显著（P<0.05）。各处理20～40 cm土层的土壤微生物量氮随生育期的变化趋势与表层相似。

在玉米秸秆还田的基础上，施用不同的微生物菌剂对2个土层的土壤微生物量氮含量有显著影响（图3，P<0.05）。0～20 cm土层，由于F=13.90>Fα=2.84，所以添加微生物菌剂对土壤微生物量氮含量的影响显著（P<0.05）。在小麦整个生育期，添加微生物菌剂M1、M2、M1+M2处理的土壤微生物量氮含量分别比CK平均增加26.97%、24.92%、3202%。同时由于F=5.86>Fα=2.00，所以添加微生物菌剂和不同生育时期交互作用对土壤微生物量氮含量的影响显著（P<0.05）。0～20 cm土层，在玉米秸秆还田的基础上，小麦季的各个生育时期，添加微生物菌剂处理的土壤微生物量氮含量都高于CK；在小麦季返青期添加微生物菌剂M1、M1+M2处理土壤微生物量氮含量分别比CK增加60.64%、9506%，M1处理与CK相比差异显著（P<0.05）。20～40 cm 土层，在玉米秸秆还田的基础上，由于F=2.450.05）。可见，在玉米秸秆还田的基础上，添加微生物菌剂可以提高土壤微生物量氮含量。

2.5添加微生物菌剂对土壤速效钾含量的影响

在玉米秸秆还田的基础上，由于F=59.43>Fα=2.61，所以小麦季不同生育期之间土壤速效钾含量存在显著差异（P<0.05）。在玉米秸秆还田的基础上，随小麦生育时期的延长（图4），添加微生物菌剂CK、M2、M1+M2处理，在小麦返青期土壤速效钾含量最高，分别为96.25、114.86、125.80 mg/kg，返青期与拔节期差异不显著（P>0.05），拔节期至灌浆期明显降低，在灌浆期达到最低值，之后随着小麦成熟度的增加，土壤速效钾含量又呈上升的趋势；而添加微生物菌剂M1处理，土壤速效钾含量从返青期到拔节期开始升高，拔节期至灌浆期明显降低，灌浆期达到最低值，在收获期土壤速效钾含量最高，为117.05 mg/kg，与其他4个生育时期相比差异显著（P<0.05）。

在玉米秸秆的还田的基础上，由于F=25.32>Fα=2.84，所以添加微生物菌剂对土壤速效钾差异显著（P<0.05）。在小麦整个生育期，添加微生物菌剂M1、M2、M1+M2处理的土壤速效钾含量分别比CK平均显著增加 15.04%、14.40%、21.80%（P<0.05）。同时由于F=7.69>Fα=2.00，[CM（21*5]所以添加微生物菌剂和不同生育时期交互作用对

土壤速效钾含量的影响显著（P<0.05）。在小麦返青期和拔节期，添加微生物菌剂M1+M2处理的土壤速效钾含量分别比CK显著增加30.70%和33.35%（P<0.05）；在小麦扬花期和灌浆期，添加微生物菌剂处理的土壤速效钾含量与CK相比差异不显著（P>0.05）；在小麦收获期，添加微生物菌剂M1、M1+M2处理的土壤速效钾含量分别比CK显著增加4082%、38.84%（P<0.05）。因此，在玉米秸秆还田的基础上，添加微生物菌剂可以提高土壤速效钾含量。

2.6土壤纤维素酶与土壤微生量碳、氮含量的相关性分析

自然界中存在大量纤维素，是植物秸秆的主要组成部分，土壤中植物残体主要靠微生物来分解，纤维素酶能将纤维素降解，有助于腐殖质的形成和碳素、氮素养分的释放。本研究测定了土壤纖维素酶活性并分析与土壤微生量碳、氮含量的相关性，以确定土壤纤维素酶活性能否影响土壤微生量碳、氮含量。

在玉米秸秆还田配施微生物菌剂试验的数据分析表明，土壤纤维素酶活性与土壤微生物量碳呈极显著的正相关关系，r=0.946*[KG-*3]*（n=12，P<0.01）；土壤纤维素酶活性与土壤微生物量氮含量呈极显著的正相关关系，r=0.910*[KG-*3]*（n=12，P<0.01）。因此，土壤纤维素酶活性与土壤微生量碳、氮含量都呈极显著正相关关系。土壤酶活性的高低可以反映土壤养分转化的强弱，揭示出土壤纤维素酶活性可以用来作为评价土壤肥力水平的综合指标。

3讨论

在玉米秸秆还田的基础上，添加微生物菌剂在一定程度上提高了小麦产量、土壤速效钾含量、土壤微生物量碳氮含量和土壤纤维素酶活性。可能是因为在玉米秸秆还田的基础上添加微生物菌剂后，丰富的土壤有机质含量促使细菌和真菌大量繁殖，提高了土壤中有益微生物的数量[10]，同时抑制病原菌的生长[11]；另一方面，土壤酶主要来源于土壤中的微生物及作物，微生物的大量繁殖，增加了土壤中酶的种类和活性[12]，这些酶能够有效促进土壤中营养元素的转化，有利于小麦的吸收，促进小麦生长。

随着小麦生育期的延长，土壤微生物量碳含量呈“增—减”的趋势，土壤微生物量氮呈“增—减—增”趋势；土壤微生物量碳、氮含量分别在小麦扬花期和拔节期各出现1个峰值。这可能是由于小麦的扬花期是生长旺盛期，植物残体和根分泌物数量很多，导致进入土壤的新鲜有机物质显著增加，刺激土壤微生物的生长和繁殖，土壤微生物量碳含量的增加反过来又有利于促进碳的转化和循环，进而满足植物生长的需要，同时土壤微生物量碳、氮在作物大量需要养分的生育旺盛期减少，而在冬小麦生长最旺盛的阶段之前，土壤微生物量碳含量迅速升高，这为小麦提供充足的养分，这是由作物的需求与土壤自身的调节功能决定的[13-15]。

从小麦的生育时期来看，添加微生物菌剂CK、M2、M1+M2处理，在小麦返青期土壤速效钾含量最高，返青期与拔节期差异不显著，而添加微生物菌剂M1处理，土壤速效钾含量从返青期到拔节期开始升高，从拔节期至灌浆期都明显降低，在灌浆期都达到最低值，之后随着小麦成熟度的增加，土壤速效钾含量又呈上升的趋势。这是由于返青期到灌浆期，植物生长旺盛吸收大量钾素，气候湿热，肥料中的钾素较易释放，速效钾含量在土壤中迅速降低，而冬小麦生育后期，根系衰老，吸收功能逐渐丧失，对钾素的吸收减少，土壤速效钾含量回升[16]。在小麦收获期，添加M1（硅酸盐细菌）、M1+M2（硅酸盐盐细菌+根际促生菌）处理的土壤速效钾含量分别比CK显著增加40.82%、38.84%（P<0.05）。李友强等报道施用沼液对小麦土壤速效钾含量比对照增加16.2%[17]，吴克侠等报道，施用EM菌处理的土壤速效钾含量比CK增加35.96%[18]。与前人的研究相比，本研究在秸秆还田的基础上添加硅酸盐菌剂土壤中速效钾含量高于前人的研究结果，这是由于硅酸盐细菌具有解钾作用，其生命活动作用可将土壤中含钾矿物中的难溶性钾溶解出来供作物利用。因此，在玉米秸秆还田的基础上，配施硅酸盐细菌可以提高土壤的供钾能力，降低化肥的投入量，减少环境污染。

综上所述，添加微生物菌剂可以提高小麦产量以及土壤速效钾、土壤微生物量碳氮的含量和土壤纤维素酶活性，但在对其解钾机理及复合菌剂的最佳使用量等方面仍须进一步研究和明确。

4结论

玉米秸秆还田配施微生物菌剂在一定程度上提高了土壤速效钾、土壤微生物量碳氮的含量和土壤纤维素酶活性，且土壤微生物量碳、氮含量表层明显高于下层。与对照相比，秸秆还田配施微生物菌剂后，土壤速效钾含量、土壤微生物量碳含量、土壤微生物量氮含量、土壤纤维素酶活性分别提高1440%～21.80%、20.89%～25.52%、24.92%～32.02%、21.85%～25.87%。

在添加微生物菌剂M1、M2、M1+M2处理分别比CK处理增产1 681、1 264 、1 387 kg/hm2，增产率分别达24.23%、18.22%、20.00%，其中M1处理与CK相比差异极显著（P<0.01）；在小麦收获期，添加微生物菌剂M1、M1+M2处理的土壤速效钾含量分别比CK显著增加40.82%、38.84%（P<0.05）。

土壤纤维素酶活性与土壤微生量碳、氮含量呈极显著正相关关系（r=0.946*[KG-*3]*，r=0.910*[KG-*3]*，n=12）。

参考文献：

[1]刘淑琮，冯炘，于洁. 植物根际促生菌的研究进展及其环境作用[J]. 湖北农业科学，2009，48（11）：2882-2887.

[2]钱海燕，杨滨娟，黄国勤，等. 秸秆还田配施化肥及微生物菌剂对水田土壤酶活性和微生物数量的影响[J]. 生态环境学报，2012，21（3）：440-445.

[3]赵艳，张晓波，郭伟. 不同土壤胶质芽孢杆菌生理生化特征及其解钾活性[J]. 生态环境学报，2009，18（6）：2283-2286.

[4]操庆，曹海生，魏晓兰，等. 盐胁迫对设施土壤微生物量碳氮和酶活性的影响[J]. 水土保持学报，2015，29（4）：300-304.

[5]武晓森，周晓琳，曹凤明，等. 不同施肥处理对玉米产量及土壤酶活性的影响[J]. 中国土壤与肥料，2005（1）：44-49.

[6]李玉洁，王慧，赵建宁，等. 耕作方式对农田土壤理化因子和生物学特性的影响[J]. 应用生态学报，2015，26（3）：939-948.

[7]任丽丽，李玉玺，陈阳. 硅酸盐细菌解钾作用研究进展[J]. 实验科学与技术，2015，13（2）：209-211.

[8]耿麗平，薛培英，刘会玲，等. 促腐菌剂对还田小麦秸秆腐解及土壤生物学性状的影响[J]. 水土保持学报，2015，29（4）：305-310.

[9]鲍士旦. 土壤农化分析[M]. 北京：中国农业出版社，2000：103-107.[ZK）]

[10]倪国荣，涂国全，魏赛金，等. 稻草还田配施催腐菌剂对晚稻根际土壤微生物与酶活性及产量的影响[J]. 农业环境科学学报，2012，31（1）：149-154.

[11]季立声，贾君永，张圣武，等. 秸秆直接还田的土壤生物学效应[J]. 山东农业大学学报，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，罗珠珠，等. 秸秆促腐菌还田土壤养分及微生物量的动态变化[J]. 中国生态农业学报，2014，22（9）：1047-1056.

[14]隋跃宇，焦晓光，张兴义. 不同施肥制度对小麦生育期土壤微生物量的影响[J]. 中国土壤与肥料，2006（3）：48-50.

[15]胡诚，曹志平，罗艳蕊，等. 长期施用生物有机肥对土壤肥力及微生物生物量碳的影响[J]. 中国生态农业学报，2007，15（3）：48-51.

[16]叶灵. 河北山前平原小麦—玉米高产田土壤肥力动态研究[D]. 保定：河北农业大学，2010.

[17]李友强，盛康，彭四姣，等. 沼液施用量对小麦产量及土壤理化性质的影响[J]. 中国农学通报，2014，30（12）：181-186.

[18]吴克侠，耿丽平，赵全利，等. 微生物菌剂与耕作方式对冬小麦土壤化学性状的影响[J]. 中国农学通报，2015，31（15）：193-201.