化肥减量配施菌草固氮菌肥对巨菌草生长、营养品质及土壤养分的影响

贾雨雷 ，廖真 ，汪丽芳 ，卜建超 ，林标声 ，3，林辉 ，苏德伟 ，鲁国东 ，林占熺 *

（1. 福建农林大学生命科学学院，福建 福州 350002；2. 国家菌草工程技术研究中心，福建 福州 350002；3. 龙岩学院生命科学学院，福建 龙岩364012）

巨菌草（Pennisetum giganteum）隶属于被子植物门，单子叶植物纲，禾本科，狼尾草属，多年生草本，是典型的C4植物，适宜在热带、亚热带和温带生长［1］。巨菌草根系发达，分蘖能力强，抗逆性强，产草量高，粗蛋白含量高［2］。目前已经在我国福建、浙江、宁夏、新疆、广西、海南等省，以及巴布亚新几内亚、卢旺达、莱索托等国家种植［3］。巨菌草营养价值高，适口性好，用途广泛，既可代替木屑栽培食药用菌，解决菌林矛盾，又可作为动物饲料，在生态治理方面也具有广泛的应用［4-5］。在巨菌草种植中，为了提高其产量，往往会施用化肥。但是化肥的过度不合理施用不仅会造成资源浪费，还会导致土壤板结、土壤酸化［6-7］，水体富营养化［8］，污染农业生态环境等，妨碍农业的可持续发展。

内生固氮菌不仅能够为宿主提供氮素，还能通过分泌生长素、溶磷、增强植株抗逆性等促进植物的生长［9］。林标声等［10］从巨菌草成熟期根部分离得到固氮菌Klebsiella variicolaGN02，研究发现该菌株在巨菌草不同生长时期根茎叶中均具有一定的固氮能力，其在成熟期固氮率达到15.00%～27.27%。叶文雨等［11］从巨菌草根中分离得到固氮菌Klebsiella variicolafjg102，研究发现该菌株对稻瘟病菌具有抑制作用。此外，接种该菌株能够明显促进大麦（Hordeum vulgare）的生长，使其叶长、根长、根重、鲜重和干重分别增加37.26%、9.40%、66.16%、96.40%和80.00%。有关巨菌草内生固氮菌的研究除本课题组有报道外，目前国内外尚未见报道。本研究旨在利用前期从巨菌草中筛选的优良内生固氮菌株制备菌草固氮菌肥，并测定其对巨菌草生长、产量、营养品质及土壤理化性质的影响，为菌草固氮菌肥的应用和推广提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验样地设在福州福建农林大学旗山校区国家菌草工程技术研究中心基地（25°50′30″N，118°56′45″E），海拔700 m，年均降水量1674 mm，年均气温19.5 ℃，试验地土壤全氮含量4.97 g·kg-1，有机质含量58.3 g·kg-1，碱解氮含量 142.8 mg·kg-1，速效磷含量 75.7 mg·kg-1，速效钾含量 191 mg·kg-1。

1.2 试验设计

试验为随机完全区组设计，设5 个处理，分别为不施肥（空白对照，CK0），灭菌的菌草固氮菌肥（基质对照，CK1），菌草固氮菌肥（T1），菌草固氮菌肥+75%化肥（T2），全量化肥（FHF）。每处理重复3 次，共15 小区。小区面积为 5 m×10 m=50 m2，化肥为复合肥（N∶P2O5∶K2O=18∶6∶6），用量为 525 kg·hm-2，菌草固氮菌肥用量为750 kg·hm-2，施肥方法采用放射性沟施，深度25～35 cm，先施入化肥，覆土后再施菌草固氮菌肥，菌肥施完后立即覆土。菌草固氮菌肥是固氮菌和溶磷菌、解钾菌的混合物，菌种是由福建农林大学国家菌草工程技术研究中心提供的优良菌株。产酸克雷伯氏菌（Klebsiella oxytoca）：分离自巨菌草根部且经过筛选的优良固氮菌株；胶质芽孢杆菌（Bacillus mucilaginosus）：分离自巨菌草根际且经过筛选的高效溶磷、解钾菌株。将活化后的以上两种菌株按1∶1 比例的混合菌液分别接种到LB 液体培养基（酵母提取物5 g，蛋白胨10 g，氯化钠10 g，加蒸馏水至1 L）中，于 30 ℃、150～180 r·min-1下振荡培养至对数生长期。分别取 150～200 mL 菌液和650～750 g 巨菌草、250～350 g 菌草食（药）用菌菌糟、100～150 mL 营养液混合装入带呼吸阀的聚乙烯薄膜发酵袋中，在25～32 ℃下发酵5～10 d［12］。菌株及菌肥均来自本课题组。

1.3 测定指标

试验于2019 年5-11 月开展。巨菌草刈割当天，每个小区随机挑选10 株用于株高、叶片数、分蘖数的测定。分别在每个小区中随机选择3 个2 m×2 m 样方，将样方内所有巨菌草齐地刈割，测定鲜草产量。将巨菌草用粉碎机研磨成草粉，105 ℃杀青30 min，65 ℃烘干至恒重，混匀后采用四分法取样测定各营养成分。采集各处理0～20 cm 的耕层土壤，每个试验小区采用“S”法随机取5 点采集巨菌草根际土样充分混匀作为1 个土样，每个处理重复3 次，将新鲜土样带回实验室室内风干用于土壤理化性质的测定。

按照 GB/T 6433-2006 测定粗脂肪［13］；按照 GB/T 6432-2018 测定粗蛋白［14］；按照 GB/T 6434-2006 测定粗纤维［15］；按照 NY/T 1459-2007 测定酸性洗涤纤维［16］；按照 GB/T 20806-2006 测定中性洗涤纤维［17］；按照 GB/T 20805-2006 测定木质素［18］；按照 GB/T 6438-2007 测定粗灰分［19］；按照 NY/T 1121.24-2012 测定土壤全氮［20］；按照 LY/T 1228-2015 测定土壤碱解氮［21］；按照 HJ 704-2014 测定土壤有效磷［22］；按照 NY/T 889-2004 测定土壤速效钾［23］；按照 NY/T 1121.6-2006 测定土壤有机质［24］。

1.4 数据处理

采用Excel 2016 和Grafhpad Prism 软件进行数据分析和作图（P＜0.05 为显著性水平）。

2 结果与分析

2.1 菌草固氮菌肥对巨菌草生长的影响

不同施肥处理下巨菌草株高（图1A）的表现为T2＞FHF＞CK1＞T1＞CK0，除CK0外，其余各处理间均无显著差异。与CK0相比，其余各处理使巨菌草株高增加38.0%～48.0%。其中T2处理效果最显著。T2与FHF 处理相比无显著差异。

图1 不同处理对巨菌草株高、叶片数、分蘖数的影响Fig. 1 Effects of different treatments on plant height，leaf number and tiller number of P. giganteum

不同施肥处理下巨菌草叶片数（图 1B）的表现为 T2＞CK1＞T1＞FHF=CK0，CK0、CK1、FHF 和 T1处理之间差异不显著，CK1、T1和T2处理之间差异不显著，T2处理与CK0、FHF 处理相比差异显著。其中T2处理叶片数较CK0增加14.06%。与FHF 处理相比，T2处理能够显著增加巨菌草的叶片数。

不同施肥处理下巨菌草分蘖数（图1C）的表现为T2＞T1＞CK1＞FHF＞CK0，其中T2处理效果最显著，且T2和T1处理间无显著差异，T2与CK0、CK1、FHF 处理间均存在显著差异。与FHF 处理相比，T2处理能够显著增加巨菌草的分蘖数。

2.2 菌草固氮菌肥对巨菌草产量的影响

不同施肥处理下巨菌草产量（表1）的表现为T2＞FHF＞T1＞CK1＞CK0，各施肥处理均显著高于 CK0处理。CK1、FHF 和 T1处理之间无显著差异，FHF、T1和T2处理之间无显著差异，其中T2处理效果最显著。T2处理产量较FHF 处理增加7.8%。

2.3 菌草固氮菌肥对巨菌草品质的影响

从表2 可以看出，不同施肥处理下巨菌草粗脂肪、粗蛋白、粗纤维、酸性洗涤纤维、中性洗涤纤维、木质素和粗灰分含量之间存在着显著差异。其中T2处理效果最显著，与FHF 处理相比，粗脂肪和中性洗涤纤维含量无显著差异，但是粗蛋白、粗纤维、酸性洗涤纤维、木质素和粗灰分含量与FHF 处理相比差异显著，分别增加了21.64%、3.92%、4.80%、18.05%、10.13%。

表1 不同处理对巨菌草产量的影响Table 1 Effects of different treatments on the yield of P. gi⁃ganteum（mean±SD）（kg·hm-2）

表2 不同处理对巨菌草营养品质的影响Table 2 Effects of different treatments on nutrient quality of P.giganteum（mean±SD）

2.4 菌草固氮菌肥对土壤养分的影响

从表 3 可以看出，不同施肥处理下土壤碱解氮含量的表现为 T2＞FHF＞T1＞CK1＞CK0，FHF 和 T2，CK1和CK0，CK1和T1处理之间无显著差异，其中T2处理效果最显著。

不同施肥处理下土壤速效磷含量的表现为T2＞FHF＞T1＞CK1＞CK0，CK0和CK1，FHF 和T2处理之间无显著差异，其中T2处理效果最显著。

不同施肥处理下土壤速效钾含量的表现为 FHF＞T2＞T1＞CK1＞CK0，CK1、FHF、T1和 T2处理之间无显著差异。

不同施肥处理下土壤有机质含量的表现为T2＞T1＞FHF＞CK1＞CK0，FHF、T1和T2处理之间无显著差异，CK1、FHF 和T1处理之间无显著差异，其中T2处理效果最显著。

表3 不同处理对土壤理化性质的影响Table 3 Effects of different treatments on soil physical and chemical properties of P.giganteum（mean±SD）

3 讨论

本研究发现，各施肥处理均能在一定程度上促进巨菌草的生长，提高其产量。其中菌草固氮菌肥和75%化肥配施效果最显著，能够明显提高巨菌草的株高、叶片数、分蘖数和产量。Peng 等［25］研究发现水稻（Oryza sativa）在接种联合固氮菌后可使其叶片的光合速率提高12%，产量增加16%；Govindarajan 等［26］将BurkholderiaMG43接种于甘蔗（Saccharum officinarum），发现其可代替一半氮肥，节省70 kg·hm-2氮肥。已有研究表明，菌肥中的有益微生物可分解释放土壤中被固定的养分供作物吸收利用，如联合固氮菌除了能为宿主提供氮素以外，还同时具有分泌生长素、溶磷、增强植株抗病性、抗逆境等多方面的促进植物生长的作用［27-30］。如溶磷微生物分泌出的有机酸可以降低土壤pH，提高P、Ca 等矿物元素的有效利用率［31］。其他研究也证实适宜比例的化学肥料与微生物接种剂结合施用有助于提高土壤微生物种群密度，改善土壤微生态环境，提高土壤速效氮、磷、钾的含量，最终显著提高植物的肥料利用率［32］。

此外，各施肥处理均能在不同程度上改善巨菌草的营养品质，其中菌草固氮菌肥+75%化肥配施效果最好，与对照组相比，能够显著提高巨菌草粗蛋白、粗脂肪、粗纤维、木质素和粗灰分含量，同时降低中性洗涤纤维含量。韩文星等［33］和许永胜等［34］研究表明，微生物菌肥拌种与减量化肥配施后，燕麦（Avena sativa）粗蛋白、粗脂肪含量较对照有所提高，酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维含量显著降低，相对饲用价值有所提高，本研究结果与此一致。与此同时，菌草固氮菌肥+75%化肥处理下，巨菌草粗蛋白、粗纤维、木质素、粗灰分含量均显著高于单施化肥处理。已有研究表明，微生物菌肥中的有益菌可以分泌产生大量类似作物生长调节素的物质以及一些激素物质，能够很好地调节作物的生长发育，促进生产与产量的提升，增强作物中蛋白质、氨基酸、纤维素等多种营养成分的含量，明显改善作物的品质［35-36］。

本研究还发现，菌草固氮菌肥和75%化肥配施，土壤碱解氮、速效磷、速效钾和有机质含量分别较不施肥处理显著增加。韩光等［37］研究表明，根瘤菌和PGPR 菌肥处理使土壤有机质、全氮、全磷、全钾、有效磷和速效钾的含量比只种植苜蓿（Medicago sativa）分别提高了42.2%、58.8%、8.0%、12.6%、37.2%和40.2%。逄焕成等［38］研究表明，施用微生物菌剂后，土壤有机质、速效N、P、K 含量均明显高于无添加菌剂对照处理，本研究结果与此一致。施肥能够改变土壤的肥力情况，养分含量变化如土壤有机碳［39-40］、总氮［41-42］等直接驱动了土壤微生物群落转变，增加或降低了微生物群落多样性；也有研究认为，施肥通过改变土壤性质间接作用于土壤微生物［43］。土壤微生物能分泌生长活性物质，如生长素、细胞分裂素、玉米素等，促进植物生长［44］。因此施肥条件下土壤理化性质与微生物两者相互作用，相互影响，共同促进植物的生长，进而提高植物的产量。

陶伟等［45］研究发现，在芥菜（Brassica juncea）栽培中，85%化肥+复合微生物菌肥配施能够提高产量、改善品质及改良土壤环境。王庆玲等［46］在探究化肥减量配施生物有机肥对蒜苗（Allium sativum）生理特性、产量及品质的影响，发现化肥减量20%配施生物有机肥时效果最好。因此，适当的复合固氮菌肥与化肥配施，能提高土壤养分的有效性，促进植物的生长和农产品品质的改善［47］。微生物菌肥不仅能够改良土壤结构，促进植物生长发育［48-50］，提高农产品的品质，提高作物的抗逆能力［51-52］，还能减轻使用化肥对农业生态环境带来的污染。

4 结论

综上所述，各施肥处理均能够在一定程度上促进巨菌草的生长，提高产量，改善其营养品质和土壤理化性质，其中，菌草固氮菌肥和75%化肥配施效果最佳。目前国内外对于生物固氮菌肥在田间的应用效果已有较多研究，但是应用效果方面却存在着较大的差异，可能与菌株的来源、菌株的组合与比例、土壤类型和利用方式、菌肥的施用量等因素有关。因此，有关其他因素对生物固氮菌肥应用效果的影响，还需进一步的研究探讨。