不同肥力方式对玉米生育期微生物群落的影响

游 萍， 薛晓辉， 肖群英， 李春梅， 刘 唱

(1.贵州工程应用技术学院生态工程学院， 贵州 毕节 551700；2.贵州省普通高等学校生物资源开发与生态修复特色重点实验室， 贵州 毕节 551700)

土壤微生物是土壤中一切看不见或看不清的微小生物的总称，严格意义上包括细菌、古菌、真菌、病毒、原生动物和显微藻类。土壤营养状况、pH、质地、温度、水分、通气性、环境变更或管理异常等，均会影响土壤微生物多样性[1]。土壤微生物可以改变土壤的理化性质，进行物质转化，可以改变土壤的肥力，同时生活在根际附近的土壤微生物还能改善植物的营养，促进植物的生长，抑制土著性病原菌的侵染[2]。土壤富含营养物质，为微生物的生长提供必要的条件，同时植物在生长代谢过程中产生的分泌物也会释放一部分到环境中去，从而对微生物的生长产生一定的影响[3]。武晓生等[4]研究发现，不同施肥处理土壤微生物种类及数量存在差异，说明不同施肥处理对土壤微生物组成有一定影响。因此，比较分析不同生育期不同施肥处理对土壤中主要微生物的影响，在作物栽培、提高肥料利用效率以及土壤资源可持续开发利用方面具有一定的理论和现实意义。

作为土壤微生物的重要组成部分，细菌数量是最多的，占土壤微生物的70%～90%，其次是放线菌，再次是真菌[3]。土壤微生物的群落结构主要是指土壤中主要微生物类群(包括细菌、真菌、放线菌等)在土壤中的数量以及各类群所占的比率，其结构和功能的变化与土壤的理化性质变化有关[5]。土壤微生物群落结构会因人类对土壤的管理而发生变化，肥料种类、施用方式、土壤类型及利用方式等复杂因素的干扰而不同[1,6]。魏兰芳等[7]在研究小麦蚕豆间作条件下不同施氮量对作物根际微生物数量的影响时发现，施用氮肥时，间作蚕豆根际细菌低于单作的。李桂花[8]在研究不同施肥对土壤微生物活性、群落结构和生物量的影响中提到，单施氮肥降低了土壤中细菌的数量。李晓慧等[9]研究发现，肥料的施用均促进了大豆、小麦和玉米根际细菌数量的增加，且在玉米和小麦种细菌数量的增加与ck相比，其差异均达到了极显著水平。苗果园等[10]研究表明，不同作物施肥较不施肥一般明显有助于微生物的繁衍。陶梦慧等[11]研究表明，与ck相比，无论单施化肥、生物有机肥 (或有机肥)还是生物有机肥(或有机肥)与化肥混合施用，均不同幅度增加了土壤中细菌的数量，但施用生物有机肥土壤中细菌数量比施用化肥和有机肥处理均高。

贵州喀斯特地貌面积占本地区土地面积的一半以上[12]，因此土壤薄弱，肥力相对较差。玉米是禾本科玉蜀黍属一年生草本植物，是重要的粮食作物和饲料作物，是贵州省的主要农产品之一。为改善玉米的品质和提高产量，都会在不同时期施用一定的化学肥料。化学肥料的施用改变了土壤的理化性质，影响土壤中微生物的生长和发育。不同植物或同一植物不同生育期，其根系分泌物、外渗物和脱落细胞会发生一定的变化，从而影响生活在其附近土壤中的微生物，而不同的微生物由于其生理和代谢的不同，对土壤肥力和植物的营养也会产生一定的影响。本研究通过监测不同施肥处理对玉米生育期土壤微生物数量和群落结构的影响，为合理施肥提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地点为贵州工程应用技术学院东区(105.31637°E,27.293525°N，海拔2 380 m)，位于贵州省毕节市七星关区，地处贵州省西北部，川滇黔三省交汇处，为滇东高原向黔中山原丘陵过渡的斜坡地带，属于亚热带季风性湿润气候，年平均气温12.8 ℃，多年平均降雨量为812～1 440 mm，多集中在4—6月，占年降雨量的71%，形成了季节性干旱。主要农作物有玉米、小麦、水稻、马铃薯、烤烟、油菜等。土壤类型为黄壤。

1.2 供试材料

毕节地区是贵州省的玉米主产区，其播种面积占全省的三分之一左右[13]，供试品种选用“毕单15号”，是毕节地区农科所2000年用自选玉米自交系杂交组配而成的杂交玉米品种。

1.3 试验设计

试验开始于2018年4月，播种日期是4月4日，采收日期为9月24日，试验田进行统一管理。该基地共有24块，每块的面积为6 m×3 m。

试验设置了对照(ck)、氮肥(N)、磷肥(P)、钾肥(K)、氮肥+磷肥(NP)、氮肥+钾肥(NK)、磷肥+钾肥(PK)和氮肥+磷肥+钾肥(NPK)一共8种施肥处理，其中ck为空白对照，不施肥。每个处理3次重复，共24个小区，试验田采用完全随机区组设计，用于长期定位试验；N肥选用尿素(CO(NH2)2)(含N 46%，300 kg·hm-2)、P肥选用过磷酸钙(含P2O512%,60 kg·hm-2)、K肥选用氯化钾(含K2O 60%，90 kg·hm-2)，其中氯化钾和过磷酸钙全部用作底肥，尿素分2次施用，分别在出苗期、大喇叭口期。播种密度60 000株·hm-2。

1.4 土壤样品采集与处理

于2018年4月—2018年9月，分别在玉米的播种期、出苗期、拔节期、大喇叭口期、抽雄期和成熟期这6个时期在玉米根系附近进行土壤样品采集(见表2)。播种期采样点的采土深度和玉米种植深度相同，后期则按照玉米不同生育期的主要根系分布情况决定，一般在1～30 cm。每个种植区域按照梅花布点法土转采集5个点土样混合，剔除石砾或植物植被残根等杂物，混匀后置4 ℃冰箱备用。

表1 田间试验肥料用量

表2 土样采集时间及温湿度

1.5 指标的检测

样品采集后立即进行细菌、放线菌和真菌数量的测定。微生物数量的测定采用梯度稀释平板菌落计数法。

1.6 数据处理

数据处理采用Excel软件和 IBM SPSS Statistics 21软件。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理玉米生育期微生物总数的变化

由图1可知，不同施肥处理下拔节期微生物总数整体较高，其次为抽雄期；出苗期PK和NPK处理微生物总数为ck的1.83倍和2.09倍，N、P、NP、NK处理低于ck；拔节期N、NP、NK处理总数为ck的3.31、2.65、2.11倍，P和PK处理低于ck；大喇叭口期各处理差异不明显；抽雄期N处理微生物为ck的1.98倍，P、NK、K处理低于ck；NPK处理微生物最大值在出苗期，ck、N、P、NP、NK、PK、PK处理微生物总数最大值在拔节期，K处理微生物总数最大值在抽雄期(图1)。除P外，其他处理微生物总数的变化幅度都大于ck，其中N变化幅度最大，其最高值是最低值的6.57倍，其次为NP(图1)。

图1 不同施肥处理各生育期微生物总数

2.2 不同施肥对玉米生育期土壤细菌的影响

由表3可知，所有处理播种期和成熟期土壤中的细菌数量无显著差异，出苗期PK和NPK处理细菌数量均极显著地高于ck，分别为ck的2.24倍和2.63倍；拔节期N、NP和NK处理细菌的数量极显著地高于ck，分别为ck的3.62、3.00倍和2.31倍；大喇叭口期NK处理细菌数极显著低于ck，ck与N、P、K、NP、PK、NPK间无显著差异；抽雄期N处理下的细菌数量极显著地高于ck，为ck的2.41倍，ck与K、P、NP、NK、PK、NPK极显著差异。K处理细菌最大值在抽雄期，NPK处理细菌数量最大值在出苗期，其他处理细菌数量最大值在拔节期；NPK处理各生育期细菌数量均大于ck(表3)。

表3 不同施肥对玉米生育期土壤细菌数量的影响 单位：×104cfu·g-1

2.3 不同施肥对玉米生育期土壤放线菌的影响

由表4可知，所有处理播种期放线菌数量无显著差异，出苗期和成熟期的放线菌数量都高于播种期；出苗期K、NK处理放线菌数量显著高于ck，为ck的1.58倍和1.63倍，ck与P、NP、PK和NPK，NK无显著差异；拔节期N处理放线菌数量极显著高于ck，为ck的1.92倍，ck与P、K、PK、NP、NPK无显著差异；大喇叭口期K、NP、NK处理放线菌数量及显著高于ck，为ck的1.62、1.64倍和2.09倍，ck与N、P、PK和NPK无显著差异；抽雄期ck处理放线菌数量极显著的高于P、K、NP、NK、NPK，与N无显著差异；成熟期NP处理放线菌的数量极显著地高于ck，为ck的1.34倍，ck与NK、PK和NPK无显著差异，而极显著高于N、P、K的处理。

表4 不同施肥对玉米生育期土壤放线菌数量的影响 单位：×104cfu·g-1

2.4 不同施肥对玉米生育期土壤真菌的影响

由表5可知，所有处理播种期和出苗期真菌数量无显著差异；拔节期PK处理真菌数量极显著地高于ck，为ck的1.51倍，ck处理极显著高于P、NK，分别为P和NK的2.34倍和1.88倍；大喇叭口期NK处理真菌数量显著高于ck，为ck的1.53倍，ck处理极显著高于P、K、PK，为P、K和PK的2.84、3.16倍和2.45倍，ck与N、NP和NPK无显著差异；抽雄期ck与N和P无显著差异，ck极显著高于K、NP、NK、PK和NPK，为它们的4.39、2.14、1.55、3.80、2.25倍；成熟期NP处理真菌数量极显著地高于ck，为ck的1.56倍，ck显著高于NPK处理，为NPK的1.85倍，ck与N、P、K、NK、PK、NPK无显著差异。不同处理(除P和K)玉米生育期前期的真菌数量小于后期，且玉米成熟期的真菌数量均高于播种期；K处理出苗期之后各生育期真菌数量均小于对照(表5)。

表5 不同施肥对玉米生育期土壤真菌数量的影响 单位：×104cfu·g-1

2.5 不同施肥处理玉米生育期主要微生物的组成

由表6可知，NP处理细菌的百分组成最高值(拔节期93.38%)是最低值(成熟期31.29%)的2.98倍，高于ck处理(成熟期60.7%，16.83)的2.18倍，其余处理方式均低于ck处理；P处理放线菌的百分组成最高值(成熟期43.21%)是最低值(拔节期24.29%)的1.89倍，低于ck处理(成熟期60.7%，拔节期16.83%)的3.61倍，其余均高于ck处理，最高为NP处理(成熟期66.75%，拔节期6.44%)的10.36倍；真菌的所有处理方式，百分组成的最高值与最低值的倍数均高于ck处理(成熟期1.37，拔节期0.61%)的2.25倍，其中最大的是NK处理(大喇叭口期2.57，拔节期0.15%)的17.13倍。

表6 不同处理下玉米生育期主要微生物的组成 单位：%

3 结论和讨论

本研究通过统计分析不同施肥处理玉米生育期土壤中主要微生物的数量变化，表明不同施肥处理对三大微生物群落结构的影响存在差异，与不施肥相比，N的施用在拔节期和抽雄期极显著地提高了细菌和放线菌的数量，而对真菌没有影响，PK的混合施用也在出苗期极显著提高了微生物总数、细菌数量以及拔节期真菌的数量，且施肥处理后三大微生物的百分占比与ck相比均存在差异。

土壤微生物数量与玉米生长发育阶段、施肥处理以及二者相互作用有关，这与马晓霞[14]、胡元森等[15]、张亚平等[16]的研究结果一致。试验中发现，根系附近土壤微生物的数量变化与玉米生长发育呈一定相关性。在玉米生育期中，拔节期微生物数量相对是最多的，这与植物新陈代谢旺盛有一定的关系。ck处理随着玉米的播种期到成熟期，根系不断生长，微生物的数量在前期：播种期-出苗期-拔节期相应增加，而大喇叭口期降低，抽雄期增加，成熟期微生物数量降至播种期水平。

通过对不同施肥处理玉米生育期土壤主要类群微生物的培养发现，在相应生长时期，P处理的情况下，并没有促进细菌和放线菌的生长，其生育期的数量低于对照，说明P可能抑制了细菌和放线菌的生长，而对真菌来说其生育后期(抽雄期和成熟期)数量反而高于ck，而相应施肥后的生长期数量没有变化。有研究显示，低P处理，会促进土壤中细菌和放线菌的数量的增加，但随着P量的增加，细菌的数量反而降低[17-18]，唐宏亮等[19]研究认为,短期磷添加能够显著增加土壤微生物对碳源的利用，在一定幅度上能够提高土壤微生物群落功能多样性，这与本文的研究结果不完全一致，有待进一步的研究。K的处理，在相应生长期促进了放线菌的生长，对真菌影响不大，而对细菌的数量在生长的后期(抽雄期和成熟期)高于ck，但也没有明显差异。混合施用PK作为底肥后，能够显著地提高相应生育期土壤中细菌数量，但并不能促进放线菌和真菌的生长。

N施用，第一次与同时期的ck相比极显著地提高了细菌(拔节期N是ck的3.31倍)和放线菌的数量，但对真菌没有影响，第二次施用时，与同时期的ck相比极显著地提高了细菌(抽雄期N是ck的1.98倍)的数量，但其增加的数量低于第一次N的施用，对放线菌和真菌都无促进作用。一般细菌对C/N的需求比较低，而N肥的施用，进一步降低了土壤中的C/N比，从而促进细菌的生长。Bardgett 等[18]研究认为，氮肥的施用可能会改变土壤养分有效性，从而促进细菌的生长，而施瑶等[20]也认为，N肥的施用有助于提高土壤中细菌的数量，这与本文的研究结果一致。第一次和第二次细菌数量的变化差异较大，是否因为间隔期较短，导致土壤中N的含量过高引起细菌的生长受到抑制而导致的，有待进一步的研究。但是赵超等[21]的研究发现，长期施用氮肥不仅不能提高土壤中细菌的数量，反而会导致细菌数量的降低。因此对于长期施用 N 肥对土壤微生物群落影响并没有得到一致的结果。梁楚涛等[22]认为，不同地区土壤类型不同以及施肥种类和方式的多样性也能导致单施氮肥结果的差异。且NPK处理的情况下，相应生长时期(拔节期和抽雄期)的细菌和放线菌数量并没有显著高于ck，这可能因为生长期不同，植物分泌物与N、P、K三者间共同作用导致的，其关系有待进一步的探究。

植物不同生育期，会对土壤中的主要微生物群落构成产生明显的影响，而化学肥料的施用在一定幅度上加剧了土壤三大微生物群落结构的变化幅度。玉米生育期土壤微生物群落中细菌占优势，其次是放线菌，真菌含量最少，这与单娜娜等[23]、焦晓光等[24]的研究结果相同。和ck相比，NP处理增加细菌生育期内的百分组成的变化幅度，其余处理方式均降低细菌的百分组成的变化，除P处理外，其余处理方式均增加生育期内放线菌的百分组变化幅度，最高为NP处理(成熟期66.75%，拔节期6.44%)的10.36倍，所有处理方式都增加了真菌百分组成的变化幅度，其中最大的是NK处理(大喇叭口期2.57，拔节期0.15%)的17.13倍。徐瑞富等[25]研究发现，小麦根际微生物细菌的数量在拔节期到灌浆期的过程中，其数量逐渐增多，到灌浆期最大；Chiarini L等[26]研究认为，玉米根际微生物群落会随生育期的不同发生变化，在苗生长初期微生物群落结构发生明显变化，后期相对稳定。所有处理下，玉米成熟期细菌的含量几乎都低于播种期的细菌含量，放线菌和真菌的含量却都在成熟期有所增加，放线菌增加的幅度较大。

综上所述，N的施用在拔节期和抽雄期极显著地提高了微生物总数、细菌和放线菌的数量，而对真菌没有影响，但第一次施用的效果明显高于第二次；P处理可能抑制了相应生育期细菌和放线菌的生长，而促进生育后期真菌的生长，K施用促进相应生育期放线菌的生长，PK共同施用促进相应生长期细菌数量；与ck相比，NP增加细菌百分占比的变化幅度，N、K、NP、PK、NK、NPK增加了生育期内放线菌百分占比的变化幅度，所有处理均增加了生育期内真菌百分占比的变化幅度。但是土壤所处的环境复杂，无机肥施用并不能完全解释土壤微生物的群落变化，需要结合土壤的基本理化性质、作物生长状况、土壤管理措施等进一步分析研究。