绿洲区玉米专用菌肥对土壤理化性质及酶活性的调理作用

高亚敏，姚 拓，陈 龙，李海云，罗慧琴，张建贵

(甘肃农业大学 草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州 730070)

我国绿洲区较大的可耕地中普遍存在营养元素缺乏的现象，特别是氮磷素养分的匮乏，致使农作物自然状态下可吸收营养有限，严重制约我国农产品产量和品质。因此，我国每年使用化肥量达4 000万t，是欧美发达国家的数倍[1]，且氮磷肥利用率低[2]。我国耕地普遍存在过量使用化肥，造成了土壤退化、水源污染、农作物抗性下降和病虫害加剧[3-4]。近年来国家对农业污染特别是过量施用化肥的现象越来越重视，出台了一系列政策来制约。许多学者做了大量研究发现微生物菌肥是解决这一问题的有效途径之一，施用微生物肥料并配施70%化肥后，能够使青梗花椰菜株高、茎粗、叶片数、地上鲜重、地上干重、地下鲜重、地下干重提高6.82%、11.53%、11.76%、9.68%、33.33%、62.5%、33.33%[5]；研究发现,70%～85%的化肥+菌肥配施能够使河西玉米不减产，且提高了玉米对氮肥的利用率(31.79%～32.20%)和磷肥利用率(22.07%～22.31%)[5-7]。土壤理化性质是土壤肥力的物质基础，氮磷素能促进作物的生长发育、提高作物产量、并参与和促进作物籽粒的形成[8]。土壤酶是陆地生态系统的中间产物，参与到土壤物质循环和能量流动；酶活性能反映土壤中生化反应的相对强度，其活性大小反映土壤营养物质的储量[9]。土壤微生物是土壤肥力形成和持续发展的动力，其参与到土壤矿化[10]。土壤微生物量可以表征土壤微生物的群落状态和功能变化[11]，能够反映土壤肥力和土壤健康状况[12]。土壤呼吸即土壤土著的呼吸作用，采用二氧化碳的排放量表征，其排放速率能够准确评价陆地生态系统碳循环对气候变化的影响[13-14]。通过探究不同施肥处理下对土壤理化、土壤酶活性、土壤微生物特性(微生物数量、土壤微生物量碳氮、土壤呼吸)的影响，探究化肥配施微生物肥料对土壤微环境作用效果，为西北绿洲区玉米地合理施肥方式提供数据支撑和理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验设在甘肃省武威市凉州区黄羊镇农垦甘肃农业大学试验站，地理位置N 37°52′20″，E 102°50′50″，位于甘肃河西走廊东段，为典型内陆荒漠气候区，海拔1 581 m；全年平均无霜期156 d，年均降水量164.4 mm，年均蒸发量1 919 mm，年均气温7.8℃。供试土壤为灌漠土，耕层有机质15.71 g/kg、全氮0.87 g/kg、全磷1.02 g/kg、速效磷13.38 mg/kg、速效钾248.63 mg/kg，土壤pH为8.2左右。

1.2 试验材料

1.2.1 菌株来源 供试菌株由课题组前期试验提供，筛选具有固氮、溶磷、分泌IAA、抗病、适应性强、生长快和利用碳源谱广的菌株，菌株编号Jm170、Jm92、Lx191、G、P2-1、P4-4、4N4(表1)。

表1 供试菌株特性

注：*表示待鉴定，“-”表示无，“+ + +”表示生长速度快(菌落在24 h内出现)

1.2.2 菌肥来源和供试品种 由课题组前期根据表1研制而成；玉米品种为先玉335。

1.3 试验设计

试验共设7个处理，每处理3个重复(表2)。采取随机区组设计，小区面积5 m×10 m，垄宽0.5 m，行株距40 cm×30 cm，密度75 000株/hm2；采用覆膜带状种植，玉米4月中下旬播种。

表2 试验处理

注：100%化肥，即当地高产栽培方式最佳施肥量：氮肥890 kg/hm2，磷二铵489 kg/hm2，当地土壤是富钾土壤，故不施钾肥

1.3.1 土壤样品采集 在玉米不同生育期采用3点法采集植物根际土壤，将相同处理小区土样均匀混合后，装入无菌自封袋，4℃低温保藏，并带回实验室，待测。

1.3.2 土壤理化性质测定 成熟期土壤养分测定采用常规方法测定[15]，土壤有机质(SOM)用重铬酸钾滴定法测定；全氮(TN)用半微量凯氏定氮法测定；全磷(TP)用氢氧化钠熔融法测定；有效磷用碳酸氢钠浸提法测定。

1.3.3 土壤酶活性测定 土壤酶活性测定参照文献[16-17]的方法测定。过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法测定；脲酶采用苯酚钠—次氯酸钠比色法测定；、碱性磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法测定；蔗糖酶采用3,5-二硝基水杨酸比色法；用UV-2880紫外可见光分光光度计测定吸光度值。

1.3.4 土壤3大类微生物数量测定 成熟期用平板涂布法测定[18]，细菌、真菌、放线菌数量分别用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基、马丁-孟加拉红培养基、改良高氏一号培养基。

菌数(cfu/g) =(菌落平均数×稀释倍数)/干土%

1.3.5 土壤微生物生物量测定 在玉米成熟期采用氯仿熏蒸法测定土壤微生物量碳(SMBC)和土壤微生物量氮(SMBN)并计算[19-20]：

SMBC(mg/kg)=(Ec-Ec0)/kEc

SMBN(mg/kg)=(En-En0)/kEn

式中：Ec、En为熏蒸土壤提取液中有机碳、全氮，Ec0、En0未熏蒸土壤提取液中有机碳、全氮，kEc、kEn为校正系数，分别是0.38、0.54。

1.3.6 土壤呼吸测定 在玉米不同生育期选择早晨(10∶00)天气状况良好时用Li-8100开路式土壤碳通量测定系统测定[20]。

1.4 数据处理

采用SPSS 19.0 软件对数据进行One-Way ANOVA 分析，采用Duncan法进行方差分析和显著性检查并用Excel作图。

2 结果与分析

2.1 菌肥对土壤理化性质的影响

在玉米成熟期，85%B+C (85%化肥+菌肥)处理的土壤全氮、全磷、有效磷、有机质含量都显著高于其他处理，且差异显著(P<0.05)。土壤全氮、全磷、有效磷、有机质含量处理85%B+C与处理A(不施肥)相比，分别增加18.58%，6.85%，9.24%和52.92%；与85%B(85%化肥)相比，分别增加5.39%、4.65%、1.4%和23.35%；与B(全量化肥)处理相比，分别增加2.29%、1.88%、0.82%和1.58%。且均表现为85%化肥+菌肥>全量化学>70%化肥+菌肥>85%化肥>70%化肥≥菌肥>不施肥(表3)。

2.2 菌肥对玉米根际土壤酶活性影响

土壤过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶和碱性磷酸酶在玉米生长过程中活性变化呈倒“V”字趋势，除碱性磷酸酶在拔节期达最大值外，其他3种酶活性在开花期出现峰值(图1)。不同施肥处理后，蔗糖酶、脲酶和碱性磷酸酶活性均表现出85%B+C处理酶活性最高，70%B+C处理次之，其他施肥处理均大于处理A(不施肥)；4种土壤酶均表现出处理85%B+C活性最高，且大于其他处理的趋势。其中，处理85%B+C比处理B的过氧化氢酶活性在苗期、拔节期、开花期、成熟期分别提高6.6%、12.8%，7.7%、16.6%，2.5%、4.3%，和0.7%、10%；处理85%B+C比处理B的土壤脲酶活性在苗期、拔节期、开花期分别提高6.6%、12.8%，3.8%，比处理A提高21.2%，3.9%和18.8%。碱性磷酸酶活性在拔节期处理85%B+C比处理B、A分别提高17.6%、49.1%；蔗糖酶在开花期处理85%B+C比B和A提高21.5% 和86.5%。

表3 不同处理土壤理化特性

注：表中同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05),下同

2.3 菌肥对土壤微生物特性的影响

2.3.1 菌肥对土壤3大类微生物数量的影响 施肥处理后与未施肥处理土壤微生物数量均有显著变化(P<0.05)，均表现出细菌>放线菌>真菌，微生物总数表现为：85%B+C>70%B+C>B>85%B>70%B>C>A，增加了94.79%～380%的微生物总数量；施肥对土壤中细菌数量的影响最大，变化趋势与微生物总数相似，施肥处理是未施肥处理的1.97至5.01倍，且差异显著(P<0.05)；细菌数量以处理85%B+C最高、处理A最低，真菌数量处理A显著高于其他各施肥处理、处理85%B+C最低(3.3×102cfu/g)，减少了53.53%。施肥后放线菌数目显著增加(P<0.05)，增加量在67.30%～173.00%，其中处理B数量最多。85%B+C与70%B+C微生物数量表现最优，且都优于单纯的减量化肥处理(处理85%B和70%B)(图2)。

图1 玉米不同生育期根际的土壤酶活性Fig.1 Changes of soil enzyme activities in rhizosphere soil of maize at different growth stages

图2 不同施肥处理下玉米土壤微生物数量Fig.2 Effects of different treatment on quantity of microorganism (cfu/g)

2.3.2 菌肥对土壤微生物生物量影响 成熟期玉米地土壤在不同施肥处理下，微生物量碳氮均表现出处理85%B+C含量显著高于其他处理(P<0.05)，85%B+C>B>70%B+C>C>A>85%B>70%B。其中处理85%B+C微生物量碳达到了210.97 mg/kg，与处理B(全量化肥)和A(不施肥)相比，分别提高2.7%和40.0%；85%B处理比处理B的SMBC含量降低9.6%。在不同施肥处理中，土壤微生物生物量碳、氮的变化趋势基本一致，85%B+C(85%化肥+菌肥)效果最明显，其SMBN含量达到68.63 mg/kg，较处理B提高7.1%，较处理A提高18.5%；SMBC和SMBN均表现出处理85%B+C(85%化肥+菌肥)含量最高，与单纯减量化肥(处理85%B和70%B)相比，减量化肥配施菌肥能够有效提高土壤中微生物量碳氮的含量(图3)。

2.3.3 菌肥对土壤呼吸的影响 在玉米生育期，土壤呼吸速率呈先增大后减小的趋势，抽雄吐丝期出现峰值，当玉米进入生殖生长期(灌浆期和成熟期)时，土壤呼吸速率逐渐减小，即抽雄吐丝期>拔节期>灌浆期>成熟期。在玉米整个生育期，土壤呼吸均表现出处理85%B+C>B>70%B+C>85%B>70%B>C>A的趋势，但各施肥处理间差异不显著(P<0.05)。

图3 玉米不同施肥处理微生物量碳氮的变化Fig.3 Changes of microbial biomass carbon and nitrogen under different fertilization treatments in maize

处理85%B+C土壤呼吸速率最大。生育期处理85%B+C的土壤呼吸速率是处理B的2.29～2.30倍，是处理A的1.01倍(图4)。

图4 不同玉米生育时期土壤呼吸速率Fig.4 Soil respiration rate during different maize growth periods (CO2/(μmol·mol-1))

3 讨论

西北绿洲区是典型的生态脆弱区，同时也是我国玉米的主要产区之一[21]，随着人口增加，农作物产量和品质越来越受到全世界关注，土壤的生产能力及其可持续利用能力是农业发展的重点。研究表明，菌肥配施减量化肥(85%B+C和70%B+C)的土壤有机质、全氮、磷的含量都高于其他处理。其原因：(1) 施用的本课题组提供的玉米专用菌肥基质中含有有机质氮磷等元素；(2) 加入菌肥的几种菌株具有联合固氮和生物溶磷能力(表1)，促进土壤中有机质的分解；(3) 菌肥中的微生物可以分泌荚膜多糖、肽聚糖等胞外多糖类物质，与植物根系分泌物、土壤胶体等共同作用改善耕作地土壤团粒结构[22]；(4)菌肥中的菌株参与腐殖质的形成改善土壤理化性质。梁运江等[23]、韩光等[24]、祝英等[25]研究发现，施用微生物肥料(PGPR接种剂)能够增加土壤肥力，明显提高土壤中速效养分的含量，与此次研究结果类似。土壤养分的动态平衡能够直接反映土壤质量和耕作地的健康状况，直接影响作物产量；孙运杰等[26]也得到相同结果，发现以纺锤芽孢杆菌为主的微生物肥料可不同程度的提高蓝莓根际土壤的生物活性和土壤肥力。

土壤酶活性能够综合评价土壤质量变化和土壤中微生物群落变化[9]。土壤中过氧化氢酶和水解酶(碱性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶)能够分解毒物质和水解各种形态的氮素使其转化为可吸收的营养元素氮[16]。研究表明施用该酶能够显著增加土壤酶活性，特别是85%B+C(85%化肥+菌肥)处理为最优；过氧化氢酶、蔗糖酶和脲酶在玉米的开花期达到最大值，碱性磷酸酶在拔节期达到最大值。这是玉米在不同生育期其代谢活动不同导致酶活性出现差异，同时施用菌肥并配施化肥(处理85%B+C和70%B+C)后，PGPR促进植物根系生长，加强其新陈代谢，使分泌物增加。井大炜等[26]在白蜡树根际接种PGPR后，微生物数量、微生物量碳、氮含量和脲酶、多酚氧化酶、过氧化氢酶、蔗糖酶活性均呈上升趋势；门倩等[27]、李敏等[28]研究表明减量化肥并且配施有机肥后，作物根际土壤酶(过氧化氢酶、蔗糖酶)活性显著增加，与此次研究所得结果相似。有研究表明土壤蔗糖酶直接参与土壤有机质的代谢过程，研究报道土壤有机质含量越高，蔗糖酶活性越强[29]，这与前期研究结果相印证。土壤微生物是生态系统中最活跃的部分，在其中担任分解者的角色，加速陆地生态系统中能量和物质循环[30].土壤微生物的活动与土壤微生物种类、土壤微生物量和土壤呼吸密切相关。试验发现，成熟期不同施肥处理玉米地中，施肥对土壤中细菌数量的影响最大，是未施肥处理的1.97～5.01倍，土壤真菌数量均表现出处理A(不施肥)显著高于其他各个处理；微生物生物量碳氮以85%B+C处理最优且显著优于其余的处理；此外，减量化肥并配施菌肥可以增加土壤呼吸速率。造成这一现象的原因是施用微生物菌肥后，增加了耕地土壤中有益细菌的数量，同时促进了植物生长，使根系的分泌物增加从而提高土壤微生物生物量[11,30-31]；另配施菌肥改变了土壤微生物的种类及分布，提高微生物群落的多样性，优化调控土壤微生物群落结构；此外，较优的微生物菌落结构和较多的数量还能够有效的促进土壤的呼吸作用。研究发现在当归中添加外源微生物菌剂后能够显著改变根际土壤的细菌、真菌、放线菌、氨化细菌和固氮菌等微生物的类群数量，还可以影响有机质、有效钾和有效磷在根际土的积累和转化利用，这与本文前期研究相同。试验还发现在玉米生育期中，土壤呼吸表现出随着玉米的生长而增大，到抽雄吐丝期达到最大，然后随玉米的成熟而下降的趋势，这与刘合明等[32]的研究结论相似。也是和玉米代谢规律相关，植株根系代谢活动也是土壤代谢的一部分，随植株生长，玉米的同化产物增多时土壤呼吸也协同进行；同时，施用菌肥后能有效增加土壤中微生物的数量，促进植物根系的呼吸作用。

4 结论

(1) 处理85%B+C能够显著增加土壤全氮、全磷、有效磷、有机质含量，在玉米各生育期85%B+C处理土壤呼吸最强；微生物量碳氮在成熟期均表现出处理85%B+C含量显著高于其他处理。

(2) 土壤过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶和碱性磷酸酶在玉米生长过程中活性变化呈倒“V”字趋势，除碱性磷酸酶在拔节期达最大值外，其他3种酶活性在开花期出现峰值。处理85%B+C的4种酶活性均最高，处理70%B+C次之。

(3) 施肥处理后较未施肥处理土壤微生物数量均有显著变化，表现出细菌>放线菌>真菌，微生物总数表现为：85%B+C>70%B+C>B>85%B>70%B> C > A的趋势。

(4) 在西北绿洲区，85%化肥和菌肥混施是减少绿洲区玉米化肥施用量的有效途径。