化肥减量配施微生物肥料对垂穗披碱草生长的影响

撖冬荣，姚拓，李海云，陈敏豪，高亚敏，李昌宁，白洁，苏明

（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 兰州 730070）

垂穗披碱草（Elymus nutans）属于禾本科小麦族披碱草属［1］，其营养价值与种植面积虽不及“牧草之王”紫花苜蓿（Medicago sativa），但其具有根系发达，抗寒抗旱性强，适应性广的特性，是恶劣环境中的主要牧草和优势种，被广泛用于生态修复［2］。目前，就如何提高垂穗披碱草产量、品质以及适应性等方面，较多的是从育种、播种方式以及贮存手段等方面进行探究，而通过微生物肥料来提高产量、营养品质等的研究较少。

化肥（chemical fertilizer，CF）是重要的农业生产资料，在提高作物产量、品质中发挥着重要作用［3］。农作物增产的50%依赖于化肥［4］，而化肥利用率却不足30%［5］，据中国统计年鉴显示，从1980-2015年，中国化肥施用量由1300万t增加到6000万t［6］，其增加幅度远超耕地面积。长期过量施肥不仅造成资源的极大浪费，还导致土壤质量恶化、生态环境破坏、农产品品质降低等一系列问题［7］。因此，从生态农业发展等方面综合考虑，微生物肥料替代部分化肥是解决上述问题的有效途径［8］。微生物肥料（microbial fertilizer，MF）作为一种新型环保型肥料，具有促进植物对养分的吸收、抑制病原菌、提高肥料利用率、改良土壤质量等优点，已广泛应用于禾谷类、油料类等作物，且增产与土壤改良效果明显［9］。研究发现，将类芽孢杆菌（Paenibacillus）S6和1-18、枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）56接种于小麦（Triticum aestivum）上，其产量分别提高6.9%、8.8%和10.4%［10］；菌肥用量0.9 kg·m-2时番茄（Solanum lycopersicum）坐果数和总重最大，分别高于常规施肥处理的42.86%和36.36%［11］，且绝大部分微生物肥料对作物的增产幅度为10%～20%［12］。但是，微生物肥料的研究与应用主要集中于经济作物，草地畜牧业中研究较少，而牧草既是草地畜牧业发展的基础也是生态系统中的生产者，与人类生产生活关系极为密切，同时，我国不断推动着种植结构由传统的二元结构向粮食作物-经济作物-饲料作物的三元结构转变，草地畜牧业在农业总产值中的比重越来越大［13］。因此，微生物肥料替代部分化肥在畜牧业中的研究逐渐成为人们关注的热点。

鉴于此，以垂穗披碱草为研究对象，设置化肥减量20%和40%分别配施不同剂量微生物肥料，通过分析农艺性状、根系、营养品质，实现降低化肥施用量，减少环境污染和石化能源的消耗，筛选出微生物肥料与化肥最佳配比，为垂穗披碱草制定最优施肥方案。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1供试菌株 普罗威登斯菌（Providencia rettgeri，菌株P2），克什米尔小陌生菌（Advenella kashmirensis，菌株P4），醋酸钙不动杆菌（Acinetobacter calcoaceticus，菌株P19），腐败沙雷菌（Serratia plymuthica，菌株P35），由本课题组提供［14］。

1.1.2供试植株 垂穗披碱草（E.nutans），由甘肃农业大学草业学院提供。

1.1.3微生物肥料 将菌株P2、P4、P19、P35分别单接种于无菌LB液体培养基，置于摇床培养2～3 d（180 r·min-1，28℃），各菌液含菌量达108cfu·mL-1时，将菌液按等比例混合，备用。以草炭、木炭和粉碎的玉米秸秆3种载体等比例混合后作为菌肥载体，间隔12 h灭菌（121℃，26 min）两次，将灭菌完的载体放入超净工作台降至室温后取1 kg装入聚乙烯袋中，加适量无菌水再加混合菌液80 mL，封口并用无菌针扎小孔，以便透气［15］，并置于28℃培养箱培养7～10 d。

1.1.4化学肥料 复合型化肥产自湖北新洋丰肥业股份有限公司，养分含量≥45%［m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）=14∶16∶15］。

1.2 试验设计

试验于2019年7月在智能生长室进行，生长条件模拟室外生长条件，白天：光照16 h，湿度45%，温度23℃；夜晚：黑暗8 h，湿度45%，温度19℃。用上述微生物肥料与化肥拌种，将种子（20粒·盆-1）均匀种植于盛有1 kg土壤的花盆（上口径15 cm、底径11 cm、高度13.3 cm）中，出苗后间苗（每盆留15株长势均一的植株），分别于盛花期收获第1茬和第2茬植株，测定各指标。试验共设11个处理（4次重复），具体设置如下：CK：100%CF（300 kg·hm-2CF）；B1：MF（60）+80%CF；B2：MF（90）+80%CF；B3：MF（120）+80%CF；B4：MF（150）+80%CF；B5：MF（180）+80%CF；C1：MF（60）+60%CF；C2：MF（90）+60%CF；C3：MF（120）+60%CF；C4：MF（150）+60%CF；C5：MF（180）+60%CF。

1.3 测定方法

1.3.1农艺性状测定 每个花盆随机选取10株进行农艺性状测定，采用直尺法［16］测定株高（自然高度），采用游标卡尺法［16］测定茎粗（相同位置），采用烘干法［16］测定生物量。

1.3.2根系形态 采用LA 2400 scanner型根系扫描仪（Epson Expression 1000 XL，中国）测定总根长、总根表面积和总根体积［17］。

1.3.3营养品质测定 采用凯氏定氮法［18］测定粗蛋白（crude protein，CP）含量；采用粗脂肪测定仪（SZF-06A，中国河北）测定粗脂肪（ether extract，EE）含量［18］；采用Van Soets法测定酸性洗涤纤维（acid detergent fiber，ADF）和中性洗涤纤维（neutral detergent fiber，NDF）含量［18］：分别称取1.0 g烘干研磨的过筛（1 mm）草样于烘干恒重的聚酯纤维滤网带中，放入配制好的洗涤液中进行测定。

式中：m为试样质量；m1为滤网袋质量；m2为ADF或NDF和滤网袋质量。

1.4 数据处理

采用SPSS 22.0进行主成分分析和差异显著性检验，采用Excel 2010作图。

2 结果与分析

2.1 微生物肥料与化肥减量配施对垂穗披碱草农艺性状的影响

化肥减量20%和40%与不同剂量微生物肥料配施，第1茬植株茎粗和干草产量均高于第2茬（表1）。MF（90）+80%CF（B2）配施，第1茬和第2茬株高、茎粗、干草产量均最大，其中，第1茬株高、茎粗、干草产量较CK分别提高34.86%、44.83%、3.08%；第2茬株高、茎粗、干草产量较CK分别提高80.43%、66.34%、13.08%，差异显著（P＜0.05）。

表1 垂穗披碱草农艺性状特征变化Table 1 Changes in agr onomic characteristics of E.nutans

2.2 微生物肥料与化肥减量配施对垂穗披碱草根系的影响

各处理水平下，植株总根长均高于CK，且差异显著（P＜0.05），其中，MF（60）+80%CF（B1）和MF（90）+80%CF（B2）处理，植株总根长较CK分别提高34.77%和34.61%（图1）；B2植株总根表面积较CK提高8.66%；植株总根体积呈先增高后降低再逐渐升高的变化趋势，MF（120）+80%CF（B3）处理总根体积最大，较CK增加45.54%；地下鲜重与地下干重均呈先升高后降低再缓慢升高的变化趋势，植株地下鲜重和地下干重较CK分别提高19.39%和51.04%。

图1 垂穗披碱草根系的变化特征Fig.1 Root morphological characteristics of E.nutans

2.3 微生物肥料与化肥减量配施对垂穗披碱草营养品质的影响

80%CF和60%CF与不同剂量微生物肥料配施，第1茬植株各指标均优于第2茬（图2）。MF（150）+80%CF（B4）处理，第1茬CP含量最高，较CK增加36.09%。MF（120）+80%CF（B3）处理，第2茬CP含量最高，较CK增加25.30%；第1茬和第2茬EE含量均最高，分别较CK增加22.97%和14.61%；第1茬ADF含量较CK降低6.59%。MF（180）+80%CF（B5）处理，第2茬ADF含量较CK降低8.13%。MF（90）+80%CF（B2）处理，第1茬NDF含量最低，较CK降低15.64%。B5处理第2茬NDF含量最低，较CK降低8.88%。

图2 垂穗披碱草营养品质变化特征Fig.2 Var iation of nutritional quality of E.nutans

2.4 主成分分析

2.4.1垂穗披碱草第1茬指标间的相关性 为比较化肥减量配施微生物肥料对垂穗披碱草生长的影响，将粗蛋白、粗脂肪、酸性洗涤纤维、中性洗涤纤维、株高、茎粗和干草产量作为因子分析的变量，采用主成分分析综合评价。TS与NDF呈显著（P＜0.05）负相关（表2），ADF与NDF呈极显著（P＜0.01）正相关。第1主成分方差贡献率为40.85%，2个主成分累计贡献率为67.65%（表3）。通过主成分分析计算不同处理的综合得分（表4）为：B2＞B3＞CK＞B1＞B4＞C4＞B5＞C1＞C2＞C5＞C3，分析结果表明，MF（90）+80%CF（B2）处理对植株生长最佳。

表2 第1茬各指标之间的相关系数矩阵Table 2 Correlation coefficient matrix of the indices in the first harvest

表3 第1茬主成分分析的特征值与方差贡献率Table 3 The eigenvalue and variance contribution rate of principal component analysis in the first harvest

表4 第1茬中不同处理各主成分综合得分及排名Table 4 Compr ehensive scores and r ankings of the pr incipal components of differ ent tr eatments in the fir st har vest

2.4.2垂穗披碱草第2茬指标间的相关性 将粗蛋白、粗脂肪、酸性洗涤纤维、中性洗涤纤维含量和株高、茎粗、干草产量及总根长、总根表面积、总根体积、地下鲜重、地下干重共12个指标进行主成分分析。12个指标因子相关系数矩阵（表5）表明，NDF与ADF、PH与TS、PH与UDW和UFW、TRL与TRS呈显著正相关（P＜0.05），ADF与UDW和UFW呈显著负相关（P＜0.05），UDW与UFW呈极显著正相关（P＜0.01）。第1主成分方差贡献率为38.75%，4个主成分累计贡献率达76.52%（表6）。通过主成分分析综合得分评价，化肥减量配施不同微生物肥料对植株生长增效顺序为：B2＞B1＞B3＞C3＞B5＞C2＞B4＞C5＞C1＞C4＞CK，表明微生物肥料替代部分化肥可促进植株生长，且MF（90）+80%CF（B2）处理对垂穗披碱草生长促进效果最好（表7）。

表5 第2茬各指标之间的相关系数矩阵Table 5 Cor relation coefficient matrix of the indices in the second har vest

表6 第2茬主成分分析的特征值与方差贡献率Table 6 The eigenvalue and variance contribution rate of principal component analysis in the second har vest

表7 第2茬中不同处理各主成分综合得分及排名Table 7 Compr ehensive scor es and r ankings of the pr incipal components of different tr eatments in the second har vest

3 讨论

3.1 微生物肥料与化肥减量配施对垂穗披碱草农艺性状的影响

株高、茎粗和生物量是评价植株生长状况的重要表观现象［19］。本研究通过化肥减量配施不同剂量微生 物 肥 料 发 现，80%CF（240 kg·hm-2）配 施90 kg·hm-2MF可明显增加株高、茎粗、干草产量，其中，第1茬株高、茎粗和干草产量较CK分别提高34.86%、44.83%和3.08%，第2茬株高、茎粗和干草产量较CK分别提高80.43%、66.34%、13.08%，且第2茬比第1茬提高幅度大，可能原因是受促生菌在根际定殖位置、定殖时长及作用机理的影响，因为部分促生菌并不是直接对植物起作用，而是通过自身产生的次级代谢产物起间接性作用或将土壤养分转化为中间产物，植物再通过其他途径吸收利用养分。刘庆丰等［20］研究发现，枯草芽孢杆菌XF-1在白菜（Brassica pekinensis）根部定殖量呈先降低后上升再降低的变化趋势，当促生菌与宿主植物相互适应时此变化才趋于稳定，同时Chen等［21］发现芽孢杆菌（Bacillus）JM-1128在棉花（Gossypium）上7 d内定殖量显著下降，而7～21 d内定殖量下降缓慢。因此，促生菌定殖过程十分复杂，受根系分泌物、植物生长状况、细菌趋化性［22］、细菌营养型［23］、土壤水分、透气性及酸碱度等生物和非生物因素影响，这些因素可影响微生物肥料促生效果。

3.2 微生物肥料与化肥减量配施对垂穗披碱草根系的影响

根际是微生物肥料发挥作用的场所，其中最主要的部分是植物根系，它是养分循环利用的主要通道，起固定植物的关键作用［24］。本研究发现，化肥减量20%和40%配施微生物肥料，垂穗披碱草总根长、总根表面积、总根体积及根系生物量较CK高，80%CF（240 kg·hm-2）配施90 kg·hm-2MF，其总根长、总根表面积较CK提高了34.61%和8.66%；80%CF（240 kg·hm-2）配施120 kg·hm-2MF，其总根体积、根系鲜重和根系干重分别较CK提高了45.54%、19.39%和51.04%。陈香碧等［25］研究发现，在干湿交替的稻田土壤中，化肥减量使水稻（Oryza sativa）根长密度、根重密度、根表面积、根活性吸收面积和根系氧化能力比全化肥处理大幅度增加（约40%），有利于水稻良好根系形态的形成。本研究还发现，随微生物肥料剂量增大，根系各指标降低，原因可能是大剂量微生物肥料与化肥配施或施用肥料过量会对植物根系产生毒害作用，因此，施肥量超出适宜范围不仅未起到促进根系生长的作用，甚至会抑制根系正常生长发育；另外，促生菌会大量定殖在根系表面且快速繁殖，生长到一定程度形成一层菌膜包裹在根系表面，进而影响根系透气性，抑制根系呼吸作用，同时一些促生菌生长繁殖过程中会与根系争夺营养物质，这些原因可能会导致根系生长受限。

3.3 微生物肥料与化肥减量配施对垂穗披碱草营养品质的影响

粗蛋白、粗脂肪、酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维均是牧草重要的营养指标［26］。本研究发现，微生物肥料对垂穗披碱草营养物质积累具有促进作用，在其第1茬生长过程中发现，化肥减量配施微生物肥料后，植株CP和EE含量随微生物肥料剂量增加呈先上升后下降的变化趋势，ADF和NDF含量随微生物肥料剂量增加呈下降趋势。Yanni等［27］从水稻根际分离出联合固氮细菌（Rhizobium leguminosarumbv.trifolii）并接种于水稻，发现显著增加了水稻CP含量收获指数。韩华雯等［28］研究发现，单施固氮菌肥或施用固氮（或溶磷）菌肥+半量化肥，能使燕麦（Avena sativa）各生育期CP和EE含量显著提高，菌肥+半量化肥使燕麦NDF和ADF含量降低。同时本研究发现，80%CF配施90和120 kg·hm-2MF后，牧草生育期可提前7 d左右，根据李菲菲等［29］研究发现，牧草营养品质随生育期呈先上升后降低趋势，本研究结果与其一致，因此，微生物肥料可缩短垂穗披碱草生育期这一发现对解决高寒地区因气候条件而不能满足作物正常生长发育这一问题有较为重要的研究价值和实际意义，后续需进行深入研究。研究还发现垂穗披碱草第2茬营养品质显著低于第1茬，原因可能是本试验采用盆栽方式进行，可供牧草生长的空间和所含养分有限，牧草生长到第2茬时养分缺失。

4 结论

1）化肥减量配施微生物肥料对垂穗披碱草的生长促进效果显著，且第1茬促生效果优于第2茬。2）通过主成分分析综合评价结果表明，80%化肥（240 kg·hm-2）配施微生物肥料（90 kg·hm-2）对促进垂穗披碱草生长和营养品质的积累效果最显著，是最佳肥料量配比。