肥料配施对小麦根系、根际土壤微生物及秸秆养分积累的影响

葛君 孟自力 张志标 任德超 胡新 赵敬领 朱培培

摘要：为了探索促进小麦根系生长和秸秆养分吸收的肥料配施方式，通过设置5个处理，即不施肥（CK）、100%化肥（F）、70%化肥+有机肥（F）、100%化肥+EM菌剂（F）、70%化肥+有机肥+EM菌剂（F），以商麦178为材料，研究不同处理对小麦与根际微生物的影响。结果表明，从整体来看，根系活力和根条数从大到小排序为F>F>F>F>CK。其中F处理在苗期、拔节期、开花期、灌浆期、成熟期根系活力分别比对照增长83.78%、43.15%、68.63%、107.63%、102.14%，根条数分别达到14.9、26.3、46.1、57.3、37.3条。在根际微生物方面，F、F和F处理的小麦根际土壤细菌及真菌数量均高于F，且差异达显著水平（P<0.05）。F处理细菌数量在先后5个时期分别比对照增加80.04%、87.35%、96.97%、97.03%和160.33%，真菌数量比对照分别增加44.29%、92.88%、104.40%、117.27%和68.77%。细菌和真菌的数量呈现先增加后降低再增加的趋势，分别在开花期和孕穗期出现转折点。在秸秆养分积累方面，在成熟期时，小麦秸秆氮、磷、钾含量F处理显著升高，分别比CK高120.00%、100.00%、119.35%，F、F、F的氮、磷、钾含量也略有提高。小麦秸秆的氮磷钾积累量与氮磷钾含量变化趋势基本一致。其中F处理和F处理的小麦秸秆氮含量和氮的积累量差异不显著，说明单独在化肥基础上做有机肥部分替代效果不明显，而在此基础上增加微生物菌剂效果最为显著。F>F、F>F，说明在施用相同量的化肥或者化肥与有机肥配施时，添加微生物菌肥能够提高小麦秸秆养分。因此，F处理在促进小麦根系生长、根际土壤微生物增加及小麦植株养分吸收积累效果最为显著，这为小麦减少化肥使用和增加肥效提供了一条有效路径。

关键词：化肥;有机肥;EM菌剂;小麦;根系;微生物;秸秆;氮磷钾

中图分类号：S512.110.6 文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2022）11-0214-05

收稿日期：2021-01-16

基金项目：国家重点研发计划（编号：2017YFD0201700）;国家现代农业产业技术体系建设专项（编号：CARS-03-31）。

作者简介：葛 君（1981—），女，河南商丘人，助理研究员，主要从事小麦栽培技术研究。E-mail：2381105980@qq.com。

通信作者：张志标，农艺师，主要从事小麦土壤肥料管控技术研究。E-mail：596389355@qq.com。

长期施用化肥会使耕地土壤板结、养分利用低效、土壤肥力不足，从而导致作物总产量低、作物品质低劣以及环境污染等系列问题，破坏了农业可持续发展战略。目前国内外研究得出最合理利用资源的施肥方式是有机无机肥配施，其原因是化肥能直接作用于作物生长发育、提升养分利用速度，配施后能保证作物稳产、高產、优产，有机肥中有维生素、氨基酸、酶以及有益微生物，可以改土培肥、改良土壤。但有机肥存在肥效慢、养分含量低的缺点，所以在加大有机肥的投入时，可以合理地利用益生菌菌剂。益生菌简称EM，是对植物的生长发育能够起到辅助作用的一类微生物的总称，主要有光合细菌、乳酸菌等多种有益活菌制剂，是生物界与有机、无机物界主要的使者，其对于土壤环境的改善和植物的生长呈现直接性和间接性的作用，益生菌的使用对激活土壤肥力和促进植物养分吸收均具有很重要的意义。因此，本研究将采用大田试验的方法，通过EM菌剂与不同肥料的配比处理，比较不同处理的小麦秸秆的养分、土壤氮磷钾积累量及小麦根系生长情况，得出EM菌剂配施促进小麦养分吸收、根系生长和培肥地力的有力数据支撑，为小麦化肥减量增效技术提供一定的理论依据，为生产管理提供一项技术保障。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2020年10月7日至2021年6月6日在商丘市示范区保卫村高产创建基地（115°46′～116°29′E，33°32′～34°42′N）进行，属于黄淮平原典型冬麦区腹地，该地区年平均气温为13.9℃，年平均降水量为700 mm。前茬作物为玉米，供试土壤为两合土，其基本理化性质为有机质含量8.33 mg/kg、碱解氮含量60.12 mg/kg、速效钾含量116.28 mg/kg、速效磷含量35.74 mg/kg，pH值7.96。

1.2 试验设计

供试小麦品种为商麦178，属中筋、半冬性小麦品种，播种量为225 kg/hm。供试肥料：有机肥，其有机质含量≥40%，河南省中农嘉吉化工有限公司生产;EM复合功能菌剂，活菌≥200亿/g，河南诺普信生物科技有限公司生产。试验设5个处理（表1），分别为不施肥（CK）、100%化肥（F）、70%化肥+有机肥（F）、100%化肥+EM菌剂（F）、70%化肥+有机肥+EM菌剂（F），小区长9.0 m、宽1.5 m，每个处理3次重复，随机区组排列。有机肥、EM菌肥、磷肥和钾肥全部底施，其中EM菌肥拌土撒施，氮肥70%底施、30%返青期追施。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 根系活力和根条数的测定 每隔7 d分别在苗期4次、拔节期4次、开花期2次、灌浆期4次、成熟期1次取样。首先刨出耕层（0～20 cm），然后清洗根系，采用TTC法测量记录根系活力。根条数也为5个阶段测定，测定次数同上。

1.3.2 小麦根际微生物测定 分别于2021年1月6日、3月17日、4月26日、5月11日和5月31日取样，每个小区采集10个距小麦单株根系 0.5 cm 以内土样混匀过筛（1 mm），用于土壤细菌和真菌的测定。采用稀释平板计数法测定细菌（葡萄糖牛肉膏蛋白胨培养基）和真菌（马丁氏培养基）数量，单位为CFU/g（干土）。1 g样品的菌数=同一个稀释度几次重复的菌落平均数×5×稀释倍数。

1.3.3 植株样品养分含量测定 于成熟期在各小区分别取3株小麦植株，分为茎和穗，于105℃下杀青30 min后70℃烘干称质量，粉碎过筛后备用。分别采用钼锑抗比色法、全自动凯氏定氮法和火焰光度法测定植株全磷、全氮和全钾含量。

1.4 数据统计分析

主要采用DPS 9.01、Excel 2007进行数据处理、方差分析、作图等。

2 结果与分析

2.1 化肥与有机肥及EM菌剂配施对小麦根系生长的影响

2.1.1 化肥与有机肥及EM菌剂配施对根系活力的影响

如表2所示，从整体来看，化肥与有机肥及EM菌剂配施各处理间在不同生育期的根系活力差异均显著。小麦各个生育期的不同处理根系活力均表现为F>F>F>F>CK，F在苗期、拔节期、开花期、灌浆期和成熟期根系活力分别比对照（不施肥）增长83.78%、43.15%、68.63%、107.63%和102.14%，从苗期到开花期之间的营养生长阶段保持较高的根系活力，为植株养分的累积创造了优越的条件，在小麦生育中后期（灌浆到成熟期）F处理的根系活力相对较高，较CK增长幅度均超过100%，为后期植株养分的吸收转移、籽粒养分的累积及产量的形成奠定了良好的基础;从不同生育期角度来看，从苗期到拔节期小麦根系活力提高近2倍，达到最大值，然后开花期下降到苗期的水平，之后到灌浆期和成熟期根系活力递减。

2.1.2 化肥与有机肥及EM菌剂配施对根条数的影响

如表3所示，从整体来看，与不施肥相比，化肥与有机肥及EM菌剂配施各处理在不同生育期的根条数差异均达到显著水平（P<0.05）。各处理的根条数由高到低排序为F>F>F>F>CK，可见，F处理下各生育期的根条数是所有处理中最高的，分别为14.9、26.3、46.1、57.3、37.3条，均比其他处理增长显著。苗期之后各处理根条数呈现不断增长的趋势，至灌浆期达到最大值，成熟期出现下降趋势;其中F和F EM菌剂处理过的小麦植株在苗期至灌浆期的根条数为最高，说明有益菌有利于根系的生长发育，在成熟期的根条数仍然保持较高水平，F比对应的F和F没有菌剂处理的根条数分别增长13.12%和10.03%，说明菌剂能够维持后期根系所需的微环境，为灌浆和产量的形成提供良好的条件。

2.2 化肥与有机肥及EM菌剂配施对小麦根际土壤微生物的影响

2.2.1 化肥与有机肥及EM菌剂配施对小麦根际土壤细菌数量的影响

由图1可知，各处理在不同时期小麦根际土壤细菌数量均显著高于CK。在每个特定时期，各处理的细菌数量均表现出F>F>F>F>CK，这表明配施有机肥或者菌肥较单独施用化肥更有利于细菌数量的增加;所有处理中以F一直保持最高值状态，在苗期、拔节期、开花期、灌浆期和成熟期细菌数量比对照分别增加80.04%、87.35%、96.97%、97.03%和160.33%，說明菌肥、有机肥与化肥配施更有利于细菌繁殖。图中各处理细菌的数量在整个生育期均呈现先增加而后降低再增加的趋势。拔节期到孕穗期（在小麦生长最快的阶段）细菌数量达到全生育期的最高值;开花期细菌数量是孕穗后下降的最低点和开花后再次上升的一个转折点，此时，可能与小麦自身有利于细菌生长的代谢产物也出现减少有关;小麦生长过程中细菌会呈现动态增长，说明细菌的增长速度与小麦的生长呈正相关。

2.2.2 化肥与有机肥及EM菌剂配施对小麦根际土壤真菌数量的影响

由图2可知，各处理在不同时期小麦根际土壤真菌数量均显著高于CK。在每个特定时期，各处理真菌数量均表现出F>F>F>F>CK，所有处理中以F处理一直保持最高值状态，分别比对照高44.29%、92.88%、104.40%、117.27%和68.77%;CK最低是因为在没有肥料的情况下小麦根际的真菌和其他的微生物会造成资源争夺，使小麦根际的真菌被消灭一些。图2中各处理小麦根际微生物的数量在整个生育期均呈现先增长后降低再逐渐升高到某种高度的趋势，孕穗期是一个转折点，拔节期和成熟期真菌数量出现峰值，成熟期达到最大值。

2.3 化肥与有机肥及EM菌剂配施对小麦秸秆养分含量及积累量的影响

2.3.1 化肥与有机肥及EM菌剂配施对秸秆氮含量及其累积量的影响

由图3可见，商麦178在成熟期时，所有施肥处理与不施肥处理（CK）秸秆氮含量和积累量均达到显著差异，秸秆氮含量在F处理时显著升高，比CK高120.00%，也比其他施肥处理增加显著;F、F、F处理的氮含量也有所提高，升高幅度分别达到103.33%、83.33%、86.67%。与CK相比，小麦秸秆的氮积累量在F处理显著升高，F、F、F处理的积累量也显著升高，升高幅度分别达到184.62%、152.75%、154.95%。F和F处理的小麦秸秆氮含量和氮积累量差异不显著，说明单独在化肥基础上做有机肥部分替代效果不明显，而在此基础上增加微生物菌剂效果最为显著。

2.3.2 化肥与有机肥及EM菌剂配施对秸秆磷含量及其累积量的影响

由图4可知，与CK相比，F处理小麦秸秆磷含量有很大的提高，提高幅度为100.00%。磷的积累量也是F处理最高，且最为显著，与CK相比升高幅度为162.78%。可以看出，菌肥、有机肥和化肥配施可以显著提高小麦秸秆磷含量和磷的积累量。不同施肥处理对麦秸秆的磷含量和积累量的影响从大到小依次为F>F>F>F>CK;此时，F>F、F>F，说明添加微生物菌肥能够提高小麦秸秆养分。

2.3.3 化肥与有机肥及EM菌剂配施对秸秆钾含量及其累积量的影响

由图5可知，与CK相比，各施肥处理的小麦秸秆钾含量及其积累量显著升高，F处理（施用化肥、有机肥与EM菌肥）最为显著，较F（单施化肥）处理分别增加28.30%、27.11%。根据F与F、F和F的对比可以看出，在相同肥源不同菌肥处理的情况下，菌肥处理对小麦全钾含量及其积累量的促进效果差异显著。

3 讨论与结论

前人研究指出，根系是小麦植株吸收土壤水分和养分的主要器官，也是合成營养的器官;小麦的根系活力和根条数是反映根系对肥料利用效率的重要指标。本研究结果表明，与不施氮相比，各个肥料处理根系活力和根条数均较高，其中F处理小麦营养生长阶段保持最高的根系活力和根条数，在小麦生育中后期（灌浆到成熟期）F处理的根系活力和根条数仍然保持较高水平，为后期植株养分的吸收转移和籽粒养分的累积奠定了良好的基础。石祖梁研究认为，根系吸收的氮素通过转运、同化与碳代谢相协调，影响小麦地上部秸秆干物质的积累。本试验研究发现，秸秆养分积累方面与根系发育变化呈正相关，与上述观点一致。在秸秆养分积累方面，成熟期时，小麦秸秆氮、磷、钾含量F处理显著升高，分别比CK高120.00%、100.00%、119.35%，F、F、F处理的氮、磷、钾含量也略有提高。小麦秸秆的氮、磷、钾积累量与氮、磷、钾含量变化趋势基本一致。本研究还发现，F和F处理的小麦秸秆氮含量和氮的积累量差异不显著，说明单独在化肥基础上做有机肥部分替代对氮素吸收效果并不明显，而在此基础上增加微生物菌剂效果最为显著。F>F、F>F，说明在施用相同量的化肥或者化肥与有机肥配施时，添加微生物菌肥能够提高小麦秸秆养分，这与王秀娟等运用微生物菌肥研究设施番茄养分吸收的结论一致。

微生物是植物根际不可或缺的一类物质，在植物的生长期间，不断地将很多有机物转化为植物所需要物质，二者呈现相辅相成的关系。目前研究表明，施用益生菌可以改善植物根际微生物的生长数量，从而间接地改变植物的生长。前人研究发现，益生菌可以有效地提高土壤细菌、真菌数量，在相对一样的管理水平下，对细菌生长繁殖具有明显作用，其次为真菌。施入益生菌的各组处理中微生物数量远远高于对照组，这是由于益生菌肥料本身就是多种微生物的集成体系。本试验研究发现，在小麦各个生育时期，施肥处理小麦根际土壤细菌和真菌数量均显著高于对照处理，从大到小依次为F>F>F>F>CK，这表明微生物菌剂和有机肥配施较低单独施用化肥更有利于小麦根际土壤细菌和真菌数量的增加;所有处理中以F处理一直保持最高值状态，分别在苗期、拔节期、开花期、灌浆期和成熟期细菌数量分别比对照增加80.04%、87.35%、96.97%、97.03%和160.33%，真菌数量分别比对照增加44.29%、92.88%、104.40%、117.27%和68.77%;说明菌肥、有机肥与化肥配施更有利于细菌和真菌繁殖。总体而言一定浓度益生菌的施入能够进一步提高土壤微生物数量。另外，本试验还发现，各处理细菌和真菌的数量会呈现先增加后降低再增加的趋势。拔节期到孕穗期（在小麦生长最快的阶段）细菌数量达到全生育期的最高值，开花期是下降后再次上升的一个转折点;真菌数量在孕穗期是一个转折点，小麦生长到拔节期的时候其真菌数量会达到第1个最高值，成熟期达到最大值。经查阅相关资料证实，在植物根际的微生物种群及数量也会随着植物的生长周期不断变化，这可以说是生物界的普遍适应和调节过程。对于植物来说，根际的微生物也会随着某些植物根部的腐烂或者死亡呈现变化，而且与根际的土质也会有很大的关系，这将还有待于进一步的研究和论证。

参考文献：

[1]刘 睿，王正银，朱洪霞. 中国有机肥料研究进展[J]. 中国农学通报，2007，23（1）：310-313.

[2]李 博. 豬粪和秸秆施用对成都平原稻麦轮作土壤氮素矿化特征的影响[D]. 雅安：四川农业大学，2016：58-63.

[3]王立刚，李维炯，邱建军，等. 生物有机肥对作物生长、土壤肥力及产量的效应研究[J]. 土壤肥料，2004（5）：12-16.

[4]文启孝. 我国土壤有机质和有机肥料研究现状[J]. 土壤学报，1989，26（3）：255-261.

[5]黄鸿翔，李书田，李向林，等. 我国有机肥的现状与发展前景分析[J]. 土壤肥料，2006（1）：3-8.

[6]王书锦，胡江春，张宪武. 新世纪中国土壤微生物学的展望[J]. 微生物学杂志，2002，22（1）：36-39.

[7]王小彬，蔡典雄，刘小秧，等. 液膜覆盖对旱地小麦种植体系土壤微生物区系的影响[J]. 土壤学报，2005，42（4）：692-695.

[8]王兴龙，朱 敏，杨 帆，等. 配施有机肥减氮对川中丘区土壤微生物量与酶活性的影响[J]. 水土保持学报，2017，31（3）：271-276.

[9]高 翔. 硝态氮供应条件下不同基因型小麦根系形态的变化特征[D]. 北京：中国农业科学院，2010：62-69.

[10]鲍士旦. 土壤农化分析[M]. 3版. 北京：中国农业出版社，2000：265-271.

[11]李双双. 施氮量对春小麦根系、子粒产量及品质的调控研究[D]. 哈尔滨：东北农业大学，2012.

[12]张 均，王贺正，申培林，等. 不同磷钾肥配施对冬小麦根系形态特征和生理活性的影响[J]. 湖北农业科学，2015，54（6）：1312-1316，1319.

[13]石祖梁. 土壤-小麦植株系统氮素运移及高效利用的生态基础[D]. 南京：南京农业大学，2011：138-146.

[14]王秀娟，韩瑛祚，何志刚，等. 微生物菌肥对设施番茄养分吸收与土壤氮磷累积的影响[J]. 北方园艺，2021（19）：100-106.

[15]袁仁文，刘 琳，张 蕊，等. 植物根际分泌物与土壤微生物互作关系的机制研究进展[J]. 中国农学通报，2020，36（2）：26-35.

[16]刘京伟，李香真，姚敏杰. 植物根际微生物群落构建的研究进展[J]. 微生物学报，2021，61（2）：231-248.

[17]禹 坷，王孝林，张学斌，等. 植物根系与益生菌相互作用的研究进展[J]. 植物生理学报，2020，56（11）：2275-2287.

[18]林吉恒，王睿之，马风兰，等. 植物益生菌对植物的益生效应及其应用[J]. 中国生物防治，2010，26（S1）：100-105.

[19]郑国华，王金昌，王小红. 植物根际细菌的促生机制[J]. 江西科学，2012，30（4）：454-458.

[20]马迎新. 根际细菌Serratia plymuthica HRO-C48生防活性及其群体感应调控[D]. 泰安：山东农业大学，2007.