化肥减施配施微生物菌肥对盐碱地土壤质量及玉米产量和品质的影响

朱望帅，韩震，胡一涵，祝德玉，陈化榜，赵茂林，王建林

(1.青岛农业大学农学院/山东省旱作农业技术重点实验室，山东 青岛 266109；2.中国科学院遗传与发育生物学研究所/中国科学院种子创新研究院，北京 100101)

玉米是黄河三角洲垦殖区重要的饲料作物和粮食作物，但受该地区土壤盐碱障碍影响，产量常低而不稳，使得玉米种植业发展严重受阻[1]。研究表明，施肥是提升盐碱地作物生产力的重要措施[2]，根据土壤供肥能力、玉米生长特性以及当地生产水平建立相应的施肥模式，是提高盐碱地玉米产值的关键。但该地区普遍存在化肥施用过量、以肥料的高投入追求作物高产出的问题，施用量已远超经济意义上的最优施用量，在增加投入成本的同时加剧了土壤盐碱程度，使经济和生态效益下降[3，4]。因此，亟需一种既可保障玉米产量稳定，又可减少化肥施用量的科学合理施肥模式。

微生物菌肥是一种通过添加活性有益菌群来改善土壤环境使作物得到特定肥效的有机肥料[5]，它通过改变根际土壤微生物分布，制造和协助作物吸收养分，进而提高作物产量[6，7]。研究表明，微生物菌肥在盐碱田中表现出较好的效果，在修复盐碱土壤、培肥地力及提高作物抗病和耐盐碱能力等方面有不可替代的作用[8－10]。前人对玉米施肥研究主要集中在施肥量、施肥方式及水肥效应等方面[11－14]，尚缺乏化肥减施与微生物菌肥在滨海盐碱地施用效果的系统研究。本研究针对黄河三角洲地区土壤盐碱和化肥施用过量的现状，探讨化肥减施及配施微生物菌肥对盐碱地土壤养分、生物学性状及玉米产量、品质、经济效益等的影响，以期获得一套盐碱地养地增产、化肥减量增效的施肥模式，为该地区农业生产提供技术借鉴。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2021年5—10月在中国科学院中科东营分子设计育种研究中心(北纬37°71′，东经118°90′)进行。种植期间平均气温为24℃，累计降水量为869 mm(图1)。试验地土壤为滨海盐化潮土，耕层(0～20 cm)土质为黏土，基础理化性质为pH值8.39，含盐量2.42 g·kg－1，有机质含量10.63 g·kg－1、碱解氮42.75 mg·kg－1、速效磷10.01mg·kg－1、速效钾211.46 mg·kg－1。

图1 玉米生长期的平均气温与降水量

1.2 试验设计与田间管理

试验设5个处理，分别为不施肥(对照，CK)、单施化肥(CF)；减施20%化肥＋微生物菌肥(CF1)；减施30%化肥＋微生物菌肥(CF2)；减施50%化肥＋微生物菌肥(CF3)，详见表1。随机区组排列，重复3次，小区面积为6.8 m×5.0 m＝34.0 m2。

表1 试验处理施肥方案 (kg·hm－2)

供试玉米品种为鲍玉3号，5月1日播种，播种密度6.75万株·hm－2，9月下旬收获。供试肥料:化肥为磷酸二铵(N 15%，P2O542%)，微生物菌肥(山东德州阳光科技有限公司生产，富含解淀粉芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、侧孢短芽孢杆菌等有益菌群，有效活菌数≥2.0亿·g－1)。所有肥料作为基肥一次性施入，整个生育期不浇水、不追肥，水分供应均来源于自然降雨。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤理化性质 玉米收获期各处理取0～20 cm混合土样，风干过筛，分装于灭菌密封袋中备用。土壤pH值、含盐量和养分含量参照鲍士旦[15]的方法测定。

1.3.2土壤生物学性状 取部分混合土样于4℃冰箱中保存，土壤微生物量和微生物量氮碳含量分别采用稀释涂布平板法、氯仿熏蒸—硫酸钾浸提法测定；参照徐双等[16]的分析方法测定土壤酶活性。

1.3.3 产量及品质 玉米成熟期实收测产，用谷物水分测定仪(PM－8188－A)测定籽粒含水量，按14%的含水率折算成经济产量。利用近红外谷物分析仪(InfratectTM1241，丹麦福斯公司)测定籽粒品质。

1.3.4 经济效益 经济效益定义为产值与生产投入的差值，生产投入主要包括种子、化肥成本及耕种、收获时的投入，产值为玉米籽粒产量收益。1.3.5 肥料养分利用指标 肥料农学利用效率(AE，kg·kg－1)＝[施肥区产量(kg·hm－2)－不施肥区产量(kg·hm－2)]/施肥纯量(kg·hm－2)。肥料偏生产力(PFP，kg·kg－1)＝作物经济产量(kg·hm－2)/施肥量(kg·hm－2)。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 20.0软件进行数据整理、作图和统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对土壤理化性质的影响

由表2可知，化肥减施＋微生物菌肥处理均降低了土壤pH值和含盐量，而单施化肥增加了两者的值。与CK相比，CF1、CF2、CF3处理的pH值分别降低4.73%、5.46%、6.19%；与CF相比，CF1、CF2、CF3处理分别降低5.42%、6.14%、6.87%，其中CF3处理的pH值与CK、CF差异均达显著水平。含盐量以CF3处理最低，为1.64g·kg－1，较CK和CF处理分别降低15.90%和20.77%。CF1、CF2、CF3处理的土壤有机质含量分别较CK提升38.94%、42.33%和36.06%，差异均达显著水平；较CF分别提升22.03%、25.00%、19.49%，其中CF1、CF2与CF差异达显著水平。与CK相比，各施肥处理均能提高碱解氮和速效磷含量，各处理间速效钾含量无显著变化。其中，碱解氮和速效磷含量均为CF处理最高，分别为63.12、18.27 mg·kg－1，CF、CF1和CF2处理的碱解氮含量较CK增幅分别为27.77%、25.10%和24.43%，差异均达显著水平，CF、CF1、CF2、CF3处理的土壤速效磷含量较CK分别显著提高62.54%、46.17%、59.61%、33.90%。

表2 不同处理土壤理化性质

2.2 不同施肥处理对土壤微生物的影响

由表3看出，不同施肥处理对土壤细菌、真菌、放线菌数量有明显影响，各处理土壤微生物均以细菌为主，约占微生物总量的98%以上。CF1、CF2、CF3处理明显增加土壤细菌、放线菌数量和微生物总量，降低真菌数量。其中以CF3处理效果最显著，细菌、放线菌数量及微生物总量较CK分别增加84.62%、73.91%、84.52%；与CF相比分别增加90.61%、85.83%、90.83%。而CF处理真菌数量较CK增加10.49%，细菌、放线菌数量较CK降低3.15%、6.16%。

表3 不同处理土壤微生物数量 (cfu/g)

由图2看出，施肥能明显提高土壤微生物量碳含量，以CF3处理效果最好，为112.03 mg·kg－1，相比CK、CF处理显著增加86.47%、44.24%。不同处理间微生物量氮含量表现为CF1＞CF2＞CF＞CF3＞CK，CF1处理比CK显著增加64.86%。

图2 不同施肥处理对土壤微生物量碳、氮含量的影响

2.3 不同施肥处理对土壤酶活性的影响

图3显示，化肥减施＋微生物菌肥各处理能明显提高土壤过氧化氢酶、脲酶、碱性磷酸酶活性，且处理间土壤酶活性无显著性差异。CF1、CF2、CF3处理与CF相比，过氧化氢酶活性分别提高47.62%、41.27%、42.86%，以CF1处理效果最好。各处理间脲酶和碱性磷酸酶的变化趋势相一致，表现为CF3＞CF1＞CF2＞CF＞CK，与CK相比，不同施肥处理的脲酶、碱性磷酸酶活性变化范围分别在4.42%～37.17%、10.11%～35.58%；CF3处理的脲酶、碱性磷酸酶活性较CF分别提高31.36%、23.13%。

图3 不同施肥处理对土壤酶活性的影响

2.4 不同施肥处理对玉米籽粒品质的影响

图4显示，玉米淀粉含量随着化肥用量减少，呈现先增加后降低的趋势，即CF1＞CF2＞CF＞CF3＞CK，各处理淀粉含量在52.43%～65.01%，其中CF1处理较CK显著提高24.00%。粗蛋白含量在9.37%～10.15%，其中CF2处理最高，较CK增加8.32%，且处理间差异不显著。各处理的粗脂肪含量变化趋势与淀粉含量较一致，CF1处理最高，为5.67%，与CK相比，显著提高10.31%。

图4 不同施肥处理对玉米籽粒品质的影响

2.5 不同施肥处理对玉米产量和经济效益的影响

由表4看出，施肥处理均能显著提高玉米产量，各处理对玉米增产优劣顺序为CF2＞CF＞CF1＞CF3＞CK，CF2、CF、CF1、CF3较CK分别显著增产38.08%、34.36%、31.88%、25.22%，且CF、CF1、CF2处理间差异不显著，但均显著高于CK和CF3处理。施肥处理均能显著提高玉米产值和经济效益，每公顷经济效益表现为CF2＞CF＞CF1＞CF3＞CK，CF2、CF、CF1、CF3较CK分别增加2 716.2、2 674.1、1 476.0、1 244.8元，增幅分别为20.83%、20.51%、11.32%、9.55%。

2.6 不同施肥处理对肥料养分利用效率的影响

由表5看出，氮肥农学利用效率和偏生产力要高于磷肥，化肥减施＋微生物菌肥能显著提高肥料、氮肥、磷肥偏生产力。其中CF2处理的肥料、氮肥、磷肥农学利用效率最高，较CF分别提高58.35%、58.21%、58.46%，除与CF3处理差异不显著外，均显著高于其它处理。各处理的肥料、氮肥、磷肥偏生产力变化趋势一致，均随着微生物肥添加比例的增加而提高，以CF3处理效果最好，且显著高于其它处理，其肥料偏生产力较CF、CF1、CF2分 别 显 著 增 加86.28%、51.86%、26.93%；其次是CF2处理，PFP较CF处理显著提高46.75%。

表5 不同施肥处理对玉米肥料养分利用的影响 (kg·kg－1)

3 讨论与结论

盐碱田的共性是土壤肥力低，理化性状和保肥能力差，易导致作物缺苗断垄[17]。因此，在种植作物时首要考虑改善土壤理化环境和补充土壤养分。本试验结果显示，化肥减施＋微生物菌肥能够明显降低盐碱地土壤pH值和含盐量，显著提高土壤有机质、碱解氮、速效磷含量，土壤环境与营养状况得到显著改善。说明微生物菌肥可抑制土壤积盐，对土壤盐碱性具有缓冲作用，同时使土壤有机质和养分得到补充。这与王启尧等[18]的研究结果一致，其在对滨海盐渍农田的研究中也证明施用微生物菌肥可起到明显的降盐效果。

土壤微生物和土壤酶活性对盐碱胁迫反应敏感，是指示土壤理化性状变化和反映土壤质量的重要指标[19]。盐碱地土壤微生物和土壤酶活性的提升归于土壤环境的改善和肥力的提高[20]。本试验结果显示，化肥减施＋微生物菌肥处理会显著增加细菌、放线菌及微生物总体数量，降低真菌数量，而单施化肥会增加真菌数量，降低细菌与放线菌数量，同时化肥减施＋微生物菌肥处理对土壤微生物量碳氮含量的提升效果表现更优。原因在于，微生物菌肥中大量活性有益菌群的施入改善了玉米根际土壤微生态结构，使细菌数量得以显著增加，同时抑制了因施过量化肥导致的真菌增长，促进了土壤向高肥效的“细菌型”转化[21]。这与方成等[22]的研究结果相一致。土壤微生物的生长繁殖促进了土壤养分的固持和转化，外加施肥对土壤酶促基质的补充，使土壤酶活性也得以显著提升[23]。

提高作物产量和品质是农业高质量发展的核心。本研究中，施肥可以明显提高盐碱田玉米产量和籽粒淀粉、粗蛋白、粗脂肪含量，且减施30%化肥＋微生物菌肥施肥模式(CF2)表现效果最优，与其它处理相比，增产2.77%～38.08%，粗蛋白含量提高2.94%～8.32%。这与刘全凤[24]、王东升[25]等的研究结果相似。经济效益分析表明，其整体变化趋势与产量一致，均在CF2处理获得最高产值和经济效益，分别为21 595.8、15 755.8元/hm2，经济效益较对照提高20.83%。

本试验结果显示，化肥减施＋微生物菌肥的施肥模式对提高肥料农学利用率和肥料偏生产力具有积极效应，其中减施30%化肥＋微生物菌肥处理较单施化肥肥料农学利用效率和肥料偏生产力显著提高58.35%和46.75%。由此可见，减施化肥＋微生物菌肥的施肥模式可实现盐碱地玉米产量、品质、经济效益及肥料养分利用效率的协同提高，对稳定土壤肥力和发展循环农业发挥积极作用。

综上所述，化肥减施＋微生物菌剂的施肥模式可实现盐碱地养地增产与化肥减量增效的目标，以化肥减施30%配施微生物菌肥综合效果最佳。后续研究工作可结合水肥一体化和测土配方施肥等技术，为指导盐碱地农业生产提供理论依据。