生物有机肥对马铃薯根际土壤生物活性及根系活力的影响

邱晓丽，周洋子，董 莉，张春红，李志龙，王友玲，邱慧珍

(甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃省干旱生境作物学重点实验室，甘肃 兰州 730070)

甘肃省以其独特的土壤和气候特点成为全国重要的马铃薯种薯和商品薯生产基地及淀粉加工基地，近十年甘肃省马铃薯种植面积稳居全国前三，总产保持全国前两名[1-2]。随着马铃薯主粮化战略的实施，马铃薯生产在带动甘肃省农业和农村经济发展、保障粮食安全和解决“三农”问题上的作用日益突出[3-4]。化肥施用在马铃薯生产中一直发挥着举足轻重的作用[5]，然而，长期大量施用化肥也造成了诸如土壤理化性质恶化[6]、土壤病害加剧[7]、生物活性降低[8]等一系列问题。这些问题不仅降低了马铃薯块茎的产量和品质[9]，也造成了严重的环境污染[10]，威胁人体健康，且不利于马铃薯产业的可持续发展。

土壤的生物活性主要包括土壤酶活性、土壤微生物数量、土壤微生物生物量等，是土壤肥力的本质特征和土壤健康的重要标志[11-12]。有研究发现，施用生物有机肥对土壤生物活性的维持与提升具有重要作用[13]。与单施化肥相比，施用生物有机肥可以增加土壤中可培养微生物的数量，改善土壤微生物区系[14]；可以增加土壤微生物量碳和微生物量氮[15]；提高土壤脲酶、蔗糖酶和磷酸酶活性[16]等。然而目前国内通过生物有机肥改善土壤生物活性方面的研究大多局限在西瓜[14,17]、油菜[18]、棉花[19]等经济作物上，鲜见有关马铃薯的研究报道。本研究将本课题组筛选、鉴定、保存的5株根际益生菌(plant growth promoting rhizobacteria，PGPR )制成生物有机肥，通过盆栽试验，研究不同肥料对马铃薯根际土壤生物活性及马铃薯根系活力的影响，为改善马铃薯根际土壤的生物活性，促进马铃薯生长提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 供试肥料 有机肥料：由鑫昊生物科技有限公司提供。有机质含量46.50%，全氮含量(N)1.51%，有效磷含量(P2O5)3.16%，速效钾含量(K2O)0.72%。生物有机肥料：为本课题组小试产品，是以有机肥料为载体，将功能菌加入进行二次固体发酵制成的产物，功能菌总量为5.6×107cfu·g-1。

1.1.2 供试土壤 土样采自定西市安定区香泉镇的定位试验点，基本农化性状为：有机质含量5.33 g·kg-1，全氮含量1.01 g·kg-1，速效磷含量3.16 mg·kg-1，速效钾含量113.32 mg·kg-1，pH 7.72。

1.1.3 供试品种 马铃薯品种“陇薯10号”，由定西市农科院提供。

1.1.4 供试菌株 由本实验室提供，菌株的鉴定结果和生物功能见表1。

表1 5株PGPR的鉴定结果及生物功能

1.2 试验设计与方法

1.2.1 试验设计 盆栽试验于2017年5月在甘肃农业大学网室进行，试验共设8个处理：对照，不施肥(CK)；单施化肥(CF)；施普通有机肥(OF)；施菌株QHZ-1制成的生物有机肥(BOF1)；施菌株QHZ-2制成的生物有机肥(BOF2)；施菌株QHZ-3制成的生物有机肥(BOF3)；施菌株QHZ-4制成的生物有机肥(BOF4)；施菌株QHZ-5制成的生物有机肥(BOF5)。各处理采用等养分(氮、磷、钾)的设计。有机肥和生物有机肥的用量均为15 g·kg-1，每处理18次重复，共计144盆，每盆装土6.8 kg。播种前先将每盆土壤用等量水浇透，隔夜播种，并将播种后的不同施肥处理覆以相同量的干土。每盆种8株，待植株出苗后选取生长旺盛且均一的6株定殖，前期每3d浇一次水，后期每隔4d浇一次，每次每处理浇水量及浇水时间相同。

1.2.2 样品的采集 分别于马铃薯生长的苗期(6月19日)，块茎形成期(7月9日)，块茎膨大期(8月8日)，淀粉积累期(9月1日)和成熟期(10月3日)选择大小均一的3盆采集植株样品和土壤样品。土壤样品的采集采用抖土法[20]。

1.2.3 测定指标及方法[21-22]土壤脲酶活性采用靛酚蓝比色法，磷酸酶活性采用磷酸苯二钠法，蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法，微生物量碳、氮采用土壤熏蒸-硫酸钾提取法，根系活力采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法；土壤可培养细菌、真菌和放线菌数量的测定采用平板计数法。

1.3 数据分析

采用SPSS 21.0对试验数据进行分析，Excel 2010绘制图表。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对马铃薯土壤中可培养微生物数量的影响

2.1.1 不同施肥处理土壤中细菌数量的比较 图1结果显示，生物有机肥处理可显著增加土壤中可培养细菌的数量(P<0.05 )。随着马铃薯生育进程的推进和土壤中细菌数量的增加，5种生物有机肥之间的差异随之加大，至成熟期达到最大，且以菌株QHZ-2和QHZ-3制成的生物有机肥(BOF2和 BOF3)处理的效果最为显著，分别高出以菌株QHZ-5制成的生物有机肥(BOF5 )处理4.6%和7.0%。

在马铃薯生长的苗期，所有处理与对照(CK)相比，菌株QHZ-3制成的生物有机肥(BOF3)处理显著增加了可培养细菌的数量(P<0.05 )，除CK之外的其它处理间无差异；随着马铃薯生育进程的推进，细菌的数量随之增加，生物有机肥处理与化肥(CF)处理、与普通有机肥(OF)处理之间的差异显著，在成熟期，5种生物有机肥平均比CF高出52%，比OF高出37%。

土壤是生物有机肥中的PGPR及其它有益微生物菌群生存的介质，且在马铃薯的生长过程中，根系分泌物中含有可以被土壤中本身存在的微生物和生物有机肥中的微生物特别是PGPR识别的信号分子，可以诱导PGPR等趋向马铃薯的根际并大量繁殖，从而增加土壤中可培养细菌的数量[23]。BOF3和BOF2效果优于其它生物有机肥处理可能的原因有：(1)菌株QHZ-3在马铃薯根系分泌物的作用下，趋向于马铃薯根际的数量较其它菌株多，QHZ-2次之；(2)菌株QHZ-3和QHZ-2的繁殖能力优于其它菌株。

注:同一时期不同字母表示处理间差异达5%显著水平,下同。Note: Different letters in the same growth stage indicate that the difference between treatments is 5% signiifcant, the same below.图1 不同施肥处理土壤细菌数量的比较Fig.1 Comparison of number of bacteria in soil of different fertilization treatments

2.1.2 不同施肥处理土壤真菌数量的比较 图2结果显示，不同施肥处理对土壤中真菌数量的影响与细菌完全不同。生物有机肥处理可显著降低土壤中真菌的数量(P<0.05)，随着马铃薯生育进程的推进和真菌数量的减少，生物有机肥处理之间差异不显著。

在马铃薯生长的苗期，不同施肥处理的真菌数量无显著差异，随着马铃薯生育进程的推进，CK、CF和OF的真菌数量不断增加，而生物有机肥处理的真菌数量逐渐减少，至淀粉积累期，生物有机肥处理与CF处理、与OF处理之间的差异最显著，5种生物有机肥的平均真菌数量较CK、CF和OF的降幅为44%～68%。可能是因为有机肥为根际益生菌(PGPR)提供养分和繁殖场所，使得PGPR在马铃薯根际迅速繁殖到一定的数量，成为马铃薯根际的优势种群，从而降低土壤可培养真菌的数量。

2.1.3 不同施肥处理土壤放线菌数量的比较 图3结果显示，不同施肥处理对土壤中放线菌数量的影响趋势与细菌基本一致。

2.2 不同施肥处理对马铃薯土壤微生物量碳和微生物量氮的影响

2.2.1 微生物量碳 土壤微生物量碳，指土壤中活的微生物体内含有的总碳。表2结果显示，在马铃薯生长的苗期，所有的处理与CK相比，显著提高了土壤的微生物量碳(P<0.05)，说明施肥可以促进土壤微生物的繁殖，并且随着马铃薯生育进程的推进和微生物量碳的增加，生物有机肥处理的微生物量碳增速加大，CF和OF次之，至成熟期，生物有机肥处理较CF和OF处理微生物量碳平均增加了30%。

随着马铃薯生育进程的推进，5种生物有机肥处理的微生物量碳差异逐渐变大，至成熟期达到最大，BOF2和BOF3处理效果最显著，分别比BOF5处理增加了11%和7%。这主要是因为BOF3和BOF2对土壤可培养微生物数量的促进效果优于其它生物有机肥处理。

图2 不同施肥处理土壤真菌数量的比较Fig.2 Comparison of number of fungi in soil of different fertilization treatments

图3 不同施肥处理土壤放线菌数量的比较Fig.3 Comparison of number of actinomyocete in soil of different fertilization treatments

2.2.2 微生物量氮 与土壤微生物量碳相比，微生物量氮仅占土壤微生物量的很小比例。表3结果显示，不同施肥处理的微生物量氮的变化趋势与微生物量碳的变化趋势一致。

2.3 不同施肥处理对马铃薯根际土壤酶活性的影响

土壤酶主要来自植物根系分泌和土壤中微生物的活动，和土壤微生物数量密切相关[21]。

2.3.1 脲酶活性 土壤脲酶的作用是将土壤中的尿素催化水解成氨[24]；图4结果显示，在马铃薯生长的苗期，所有处理与CK相比，显著增加了土壤的脲酶活性(P<0.05 )，说明施肥有助于土壤脲酶活性的增加。随着马铃薯生育进程的推进和土壤脲酶活性的升高，5种生物有机肥处理显著增加了土壤的脲酶活性(P<0.05 )，并且5种生物有机肥的差异随之加大，至块茎形成期，BOF2和BOF3的效果最为显著，分别高出BOF5处理27%和30%。这主要是因为BOF3和BOF2的可培养细菌和放线菌数量高于其它生物有机肥处理。

随着马铃薯生育进程的推进，各处理的土壤脲酶活性的变化趋势基本一致，至块茎形成期，生物有机肥处理的增幅最大，5种生物有机肥的平均脲酶活性比CF和OF都增加了36%。

2.3.2 蔗糖酶活性 土壤有机碳的循环与土壤蔗糖酶的活性密切相关，一般来说，土壤中有机质含量高，土壤蔗糖酶活性也较高，土壤中易溶性营养物质含量也相应升高[25]。图5结果显示，生物有机肥处理均可显著提高蔗糖酶活性(P<0.05 )，随着马铃薯生育进程的推进和土壤蔗糖酶活性的提高，5种生物有机肥处理与CF和OF之间的蔗糖酶活性在成熟期差异达到最大，5种生物有机肥的平均蔗糖酶活性比CF增加了114%，比OF增加了11%。这主要是因为施用生物有机肥较其它处理增加了土壤有机碳的含量。

2.3.3 磷酸酶活性 土壤有机磷的分解转化是在土壤磷酸酶的作用下进行的，其生物有效性和土壤磷酸酶活性的大小息息相关[21]；图6结果显示，在马铃薯的苗期，所有处理与CK相比，均显著提高了土壤的磷酸酶活性(P<0.05 )，说明施肥有助于土壤磷酸酶活性的提高。

随着马铃薯生育进程的推进和土壤磷酸酶活性的提高，至块茎膨大期，生物有机肥处理与CF和OF处理之间的差异最大，5种生物有机肥的平均磷酸酶活性比CF增加了74%，比OF增加了25%。这主要是因为施用生物有机肥，增加了土壤可培养细菌和放线菌的数量。

表2 不同施肥处理对土壤微生物量碳的影响/(mg·kg-1)Table 2 Effect of different fertilization treatments on microbial biomass carbon in soil

表3 不同施肥处理对土壤微生物量氮的影响/(mg·kg-1)Table 3 Effect of different fertilization treatments on microbial biomass nitrogen in soil

图4 不同施肥处理对土壤脲酶活性的影响Fig.4 Effect of different fertilization treatments on activity of urease in soil

图5 不同施肥处理对土壤蔗糖酶活性的影响Fig.5 Effect of different fertilization treatments on activity of sucrase in soil

图6 不同施肥处理对土壤磷酸酶活性的影响Fig.6 Effect of different fertilization treatments on activity of phosphatase in soil

2.4 不同施肥处理对马铃薯根系活力和块茎产量的影响

根系活力可以客观反映根系的生命活动，表征其新陈代谢的强弱[26]，有研究发现，作物的高产与根系活力密切相关[27]。

表4结果显示，生物有机肥处理可显著增加马铃薯的根系活力(P<0.05 )。随着马铃薯生育进程的推进，不同施肥处理之间的差异逐渐增大，至淀粉积累期达到最大，与CF和OF相比，5种生物有机肥处理的根系活力平均比CF、OF分别高出265%、224%，5种生物有机肥之间，以BOF3的处理效果最为显著，比 BOF5处理高出166%。

表4 不同施肥处理对马铃薯根系活力和块茎产量的影响

表4结果还可以看出，所有处理与CK相比较，均显著增加了马铃薯的块茎产量，但是生物有机肥处理的增幅更加明显，CF处理次之，说明施用生物有机肥更有利于马铃薯块茎产量的提高。5种生物有机肥处理与CF处理相比较，块茎产量平均增加了16%；与OF处理相比较，块茎产量平均增加了21%。5种生物有机肥处理之间，以BOF3处理的增产效果最为显著，比其它生物有机肥处理块茎产量提高了5% ～ 9%。

生物有机肥本身的养分含量较化肥齐全，并且含有大量的活性物质，加之生物有机肥中的PGPR可以活化土壤中一些难溶性养分，这些养分被植物根系所利用，可提高马铃薯根系活力，促进马铃薯的生长，最终提高其产量。

BOF3效果优于其它生物有机肥可能的原因有：(1)菌株QHZ-3在马铃薯种植土壤中存活并繁殖达到的数量高于其它菌株；(2)BOF3的土壤酶活性等较其它生物有机肥高，为马铃薯的根系生长提供了更适宜的生态环境。

3 讨 论

马铃薯施肥方式和数量是马铃薯管理的关键，目前，马铃薯施肥主要以化肥为主，长期大量化肥的施用，降低了土壤的生物活性和马铃薯的块茎产量[8-9]。土壤中微生物的数量、酶活性、微生物量碳和微生物量氮是评价土壤生物活性的重要指标[28]。土壤微生物量碳和微生物量氮代表土壤养分的活性部分，与土壤微生物数量呈正相关[29]，钟书堂等[30]研究发现，施用生物有机肥在增加土壤可培养细菌和放线菌数量的同时增加了土壤微生物量碳和微生物量氮。土壤酶来自植物根系分泌物和微生物，和土壤微生物数量密切相关[21]，与微生物一起推动着土壤的代谢过程[31]，范淼珍等[32]发现，施用有机肥可增加土壤磷酸酶的活性。张静等[33]也发现，生物有机肥较普通有机肥更能增加土壤酶活性。本研究发现，施用生物有机肥可以增加土壤可培养细菌、放线菌的数量，增加土壤微生物量碳和微生物量氮，提高土壤脲酶、蔗糖酶和磷酸酶的活性。

根系作为植株地下部的活跃代谢中心，与整个植物体的生命活动密不可分，而根系活力为根系的吸收、合成和氧化还原能力的综合体现，可以客观反映根系的生命活动[26,34-35]。李艳平等[36]在烤烟上的研究发现，增施有机肥可以通过改善土壤酶活性而提高烤烟根系活力。宋以玲等[37]在油菜上的研究也发现，生物有机肥的施用在增加土壤蔗糖酶、磷酸酶的活性的同时提高其根系活力。本研究结果表明，施用生物有机肥可以增加土壤可培养细菌和放线菌的数量，提高土壤酶活性，从而为马铃薯的根系生长创造良好的根际环境，提高马铃薯的根系活力。另外，有研究发现，5株PGPR可产生IAA、铁载体，并且均具有解磷能力，可直接或间接地促进马铃薯的生长，提高其根系活力。但是5株PGPR的生物功能存在差异，它们对土壤生物活性和马铃薯根系活力及块茎产量的影响亦存在差异[38-40]。

4 结 论

生物有机肥可显著提高土壤的可培养细菌、放线菌数量，土壤微生物量碳，土壤微生物量氮，土壤酶活性等土壤生物活性，为马铃薯的生长创造了良好的根际环境，从而促进了马铃薯的根系生长，提高了马铃薯的根系活力，进而增加了马铃薯的块茎产量。