微生物菌肥与土壤改良基质对连作马铃薯土壤性质及微生物群落的影响

决 超

(商丘职业技术学院，河南商丘 476000)

马铃薯是我国重要的粮食与蔬菜作物，因营养丰富、产量高、适应性强等特点被人们所喜爱[1-3]。近年来随着人们对马铃薯产品需求量的增加，马铃薯种植面积逐年递增，不少地区受自然因素及耕地面积的限制，常年连作种植马铃薯，造成马铃薯产量下降、品质降低、病虫害频发、土壤根际微生物环境发生改变等诸多连作障碍问题[4-7]。为此，不少种植户选择大量施用化肥，而乱施、滥施化肥不仅会使化肥利用率降低[8]，增产报酬率显著下降[9]，还会导致土壤结构退化[10]、有机质含量下降以及土壤肥力降低等问题[11]。而宋震震等的研究表明，合理的施肥措施不仅能够提高作物产量，还能够有效改善土壤生物学以及微生物活性，提高土壤物理与化学性质[12-14]。

微生物菌肥是添加有效微生物菌用于改善土壤微生态环境的功能性肥料[15]。研究表明，微生物菌肥具有保护土壤结构、增加土壤肥力、增强作物抗逆性作用，长期施用同时具有培肥地力、提高肥料利用率的效果[16-17]。土壤改良基质是通过集中腐熟且富含有机质的功能性肥料，不仅能够提高土壤的透气性，增强土壤蓄水能力，还能够提高土壤有机质含量以及生物学特性[18]。目前，微生物菌肥广泛应用于黄瓜[19]、番茄[20]、白菜[21]等设施蔬菜，在马铃薯方面的应用并不多，且微生物菌肥的施用受环境限制较大，在不同土壤类型、肥力及微生物区系下的效果差异较大[22]。因此，本研究针对黄淮海地区马铃薯连作障碍问题，开展微生物菌肥配施化肥和土壤改良基质对土壤物理、化学、生物学性质以及微生物变化影响的研究，找到合理的施肥模式，旨在为黄淮海地区马铃薯连作地块施肥的合理选择提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2020—2021年在河南省商丘职业技术学院试验示范基地附近农户(116°15′E，39°28′N，海拔53 m)进行。该地区属暖温带半湿润季风气候区，年平均气温14.2 ℃，年降水量650 mm，降雨主要集中在6—9月，全年平均日照时长2 200 h，无霜期为212 d。前茬作物为马铃薯，供试土壤为二合土，基础土壤理化性状(0～30 cm土层)：碱解氮含量49.65 mg/kg、速效磷含量57.21 mg/kg、有机质含量8.42 g/kg、速效钾含量109.37 mg/kg、pH值8.09。试验地块前3年均种植马铃薯。

1.2 供试材料

供试马铃薯：中薯5号脱毒种薯。

供试肥料：复合肥(N、P2O5、K2O含量分别为5%、10%、15%)、微生物菌肥(有效活菌数≥1.0亿CFU/g，N含量12.26%、P2O5含量4.39%、K2O含量8.26%、有机质含量25.32%)、土壤改良基质(由牛粪、蘑菇料和秸秆腐熟而成，N含量2.35%、P2O5含量1.46%、K2O含量2.31%、有机质含量22.19%)。

1.3 试验设计

试验设计6个处理，分别为单施化肥(CK)、单施微生物菌肥(T1)、化肥+土壤改良基质(T2)、微生物菌肥+土壤改良基质(T3)、50%化肥+50%微生物菌肥(T4)、50%化肥+50%微生物菌肥+土壤改良基质(T5)，每个处理3次重复。按照随机区组方法排列布置，小区面积40 m2。单施化肥用量 750 kg/hm2，单施微生物菌肥用量1 500 kg/hm2，土壤改良基质15 000 kg/hm2，在整地前均作为基肥一次性施入。马铃薯1年2季，生育期分别为4月1日至6月10日、9月1日至11月10日，连续种植4季作物。田间施药、灌水等管理措施均与当地农民习惯一致。

1.4 样品采集

分别于2020年和2021年秋季马铃薯收获前1周进行土壤样品采集。利用“S”形土钻采用5点取样法分别采集0～30 cm土样。带回实验室后，剔除土样中的碎石、根系等杂物，过2 mm孔径筛，一部分自然风干，用于土壤化学指标的测定，一部分保存在-20 ℃冰箱，用于土壤酶活性和微生物生物量测定。另外每小区采集3个环刀土壤样品，用于土壤容重及孔隙度的测定。

1.5 测试项目与方法

土壤容重、孔隙度采用环刀法[23]测定；土壤理化性状参照鲍士旦的方法[24]测定，其中土壤碱解氮含量采用碱解扩散法测定，速效磷含量采用 0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定，速效钾含量采用 NH4OAc浸提-火焰光度法测定，有机质含量采用K2Cr2O7-外加热法测定，pH值采用水土比(1 ∶5)法测定。

土壤酶活性参照关松荫的方法[25]测定。其中，土壤脲酶活性采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定，碱性磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法测定，过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法测定，蔗糖酶采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定。

土壤微生物群落结构采用磷脂脂肪酸法[26]测定。按照陈坤等的提取步骤[27]，将待测液通过MIDI公司MIS系统鉴定，分析结果中14：0、15：0、16：0 iso、16：1ω7c、17：0 iso、17：1 iso ω9c、16：1ω9c、17：0 cycle ω7c、17：1ω8c、18：1ω7c、19：0 cycle ω7c通常用来表征细菌生物量，16：1 ω5c、18：1、18：2、18：3用来表征真菌生物量，16：0、17：0、17：1、18：0用来表征放线菌生物量。

1.6 数据处理

采用WPS Excel软件进行数据整理与计算，采用SPSS 17.0软件进行方差分析与相关性比较，采用canoco 5.0软件进行多元分析。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对土壤容重及孔隙度的影响

由图1可知，不同施肥条件下土壤容重及孔隙度表现出不同的变化。2020年CK的土壤容重最大，较T1、T3、T5处理分别显著提高9.45%、14.88%、11.20%(P<0.05)，与T2、T4处理差异均不显著；T3处理土壤容重最小，显著低于CK、T2、T4处理，但与T1、T5处理差异均不显著。而连续2年不同施肥处理后，2021年时，除CK的土壤容重较2020年提高2.88%外，其他施肥处理土壤容重均有不同程度的下降。其中，T1、T3、T5处理显著低于T2、T4处理，而T1、T3、T5处理间的土壤容重差异均不显著。

2020年，T3、T5处理的土壤孔隙度相同，均为最大值，较CK、T2、T4处理分别显著提高19.30%、9.68%、11.48%，与T1处理差异不显著。连续2年不同施肥处理后，2021年时，除CK的土壤孔隙度较2020年降低5.26%外，其他施肥处理的土壤孔隙度均不同程度地上升或持平。其中，CK的土壤孔隙度显著低于其他处理，而T3处理的土壤孔隙度最大，较T4处理显著提高9.52%，与T1、T2、T5处理间差异均不显著(图1)。

2.2 不同施肥处理对土壤理化性状的影响

由表1可知，不同施肥处理条件下土壤养分含量变化较大。2020年，T5处理的土壤碱解氮、速效磷、速效钾、有机质的含量均最高，其中碱解氮含量较T1处理显著提高9.23%，与其他处理均差异不显著；T5处理的速效磷含量较CK、T1、T3处理分别显著提高4.72%、9.04%、5.23%，与T2、T4处理差异均不显著；T5处理的速效钾含量较其他处理显著提高4.58%～18.74%；T5处理有机质含量较其他处理提高0.46%～6.46%，除与T4处理无显著性差异外，较其他处理均显著提高。CK的pH值最大，较T1、T5处理显著提高0.50%、0.37%，与其他处理差异均不显著，T1至T5处理间pH值差异也均不显著。

连续2年不同施肥处理后，2021年土壤各养分含量及pH值较2020年均有不同程度的变化。其中，T5处理的土壤碱解氮、速效磷、速效钾、有机质的含量仍然最高，碱解氮含量较其他处理显著提高3.19%～9.28%；T5处理的速效磷、速效钾、有机质的含量较其他处理分别提高2.68%～14.76%、2.25%～17.81%、1.02%～9.04%，显著高于除T4处理外的其他处理。CK的pH值最高，较最低的T1处理显著提高0.74%，其他处理间差异均不显著(表1)。

表1 不同施肥处理土壤理化性状的变化

2.3 不同施肥处理对土壤生物学特性的影响

由表2可知，不同施肥措施对土壤生物学特性表现出不同的影响。2020年，T5处理脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶、蔗糖酶的活性均最高，其中脲酶活性较CK显著提高17.54%，与其他处理相比差异均不显著，其他处理间也差异均不显著；T5处理的碱性磷酸酶活性较其他处理提高7.35%～78.05%，显著高于除T4处理外的其他处理；过氧化氢酶活性较其他处理提高7.69%～50.00%，显著高于CK、T1、T2处理；T5处理的蔗糖酶活性较其他处理提高15.07%～61.54%，显著高于CK、T2处理。CK的脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶、蔗糖酶的活性均最低。

表2 不同施肥处理土壤酶活性的变化

2021年，T5处理的脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶、蔗糖酶活性变化趋势与2020年相同，均为所有施肥处理的最高值，较其他处理分别提高8.77%～37.78%、9.88%～161.76%、20.83%～81.25%、9.30%～118.60%。CK的脲酶、 碱性磷酸酶、过氧化氢酶活性均为最低值，而T1处理的蔗糖酶活性最低，显著低于T2、T3、T4、T5处理，但与CK相比无显著性差异(表2)。

2.4 不同施肥处理对土壤微生物群落结构的影响

由表3可知，2020年，T5处理的细菌、革兰氏阴性菌生物量均最高，其中细菌生物量较其他处理提高6.35%～40.57%，显著高于除T3处理外的其他处理；T5处理的革兰氏阳性菌生物量显著高于CK、T2、T4处理，革兰氏阴性菌生物量显著高于CK、T1、T2处理，而T1处理的革兰氏阳性菌生物量/阴性菌生物量最高，较其他处理显著提高5.97%～31.78%。CK的真菌生物量最高，显著高于其他施肥处理，T5处理的真菌生物量最低。T5处理的细菌生物量/真菌生物量最高，较其他处理分别提高11.58%～90.99%，显著高于除T3处理外的其他施肥处理。T3处理的放线菌生物量最高，较CK显著提高22.71%，与其他处理相比差异均不显著。

2021年土壤微生物群落结构与2020年相比有所不同，其中T2处理革兰氏阳性菌生物量/阴性菌生物量最高，较CK显著提高59.62%，与其他处理相比差异均不显著。而不同施肥处理的细菌、真菌、放线菌生物量及细菌生物量/真菌生物量变化趋势均与2020年相似。总的来看，T5处理能够提高土壤细菌、革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌生物量，降低真菌生物量(表3)。

表3 不同施肥处理土壤微生物群落的变化

2.5 土壤生物学特性与土壤环境因子的相关性分析

2021年，土壤酶活性与土壤理化因子的相关性分析(表4)表明，脲酶活性与孔隙度、速效钾含量呈显著正相关，与碱解氮含量、速效磷含量、有机质含量呈极显著正相关(P<0.01)；碱性磷酸酶活性与速效磷含量呈显著正相关，与碱解氮含量、速效钾含量、有机质含量呈极显著正相关，与容重呈显著负相关；过氧化氢酶活性与碱解氮含量、速效磷含量、速效钾含量、有机质含量呈显著正相关，与容重呈显著负相关；蔗糖酶活性与碱解氮含量、速效磷含量、速效钾含量、有机质含量呈显著正相关。由此可知，不同施肥措施条件下土壤酶活性的变化与土壤理化性质有紧密相关的联系。

表4 2021年土壤酶活性与土壤理化因子的相关性

2.6 土壤微生物群落结构与土壤环境因子、生物学特性的多元分析

为进一步分析不同施肥措施条件下土壤微生物群落与土壤环境因子及生物学特性的相关性，2021年进行土壤微生物群落结构与土壤理化因子、酶活性的RDA分析，结果(图2)表明，排序轴1、2能够分别在累积变量89.16%、60.29%上解释不同施肥措施条件下土壤微生物群落变化与土壤理化因子、酶活性的相关性。图2中各处理点较为分散，说明不同处理土壤微生物对土壤理化因子、酶活性产生不同的响应。细菌、放线菌、革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌的生物量与孔隙度、碱解氮含量、速效磷含量、速效钾含量、有机质含量呈正相关，与容重、pH值呈负相关；真菌的生物量正好相反，土壤容重(63.4%)是其主要驱动因子。而细菌、放线菌、革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌的生物量与脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶、蔗糖酶的活性均呈正相关，真菌的生物量与脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶、蔗糖酶的活性均呈负相关，其中碱性磷酸酶活性(54.3%)是其主要驱动因子。由此可见，不同施肥措施能够通过改变土壤理化因子、酶活性而改变土壤微生物群落结构。

3 讨论与结论

土壤结构是土壤功能的基础，而土壤容重、孔隙度对土壤结构及养分的供应起至关重要的作用[28-29]。有研究表明，增施有机物料能够降低土壤容重，增加土壤孔隙度，改善土壤结构[30]。本研究表明，与单施化肥处理相比，增施微生物菌肥或土壤改良基质处理能够降低土壤容重，提高土壤孔隙度。分析认为，微生物菌肥与土壤改良基质在发挥肥效的过程中，由于其疏松多孔的结构特性以及较大的比表面积使其具有较强的吸附能力，能够促进团聚体形成，降低土壤容重，提高土壤孔隙度，改善土壤结构[31]，这与韦建玉等的研究结果[32]较为一致。

微生物菌肥与化肥及土壤改良基质配施能够提高土壤各养分含量，2021年时，碱解氮、速效磷、速效钾、有机质的含量均显著高于单施化肥、微生物菌肥以及配施土壤改良基质处理，而与微生物菌肥配施化肥处理相比，除碱解氮含量显著提高外，其他养分含量均差异不显著。分析认为，微生物菌肥配施化肥既能够弥补单施微生物菌肥在作物前期养分释放缓慢的缺点，又能够保障作物在生长后期对养分的吸收利用，能够提高养分利用效率，避免养分淋失浪费，土壤改良基质有机质含量较多，其他氮磷钾含量较低，不能满足作物对养分的吸收利用。但土壤改良基质与微生物菌肥及化肥配施，能够改善土壤容重及透气性，提高养分利用效率。这与大多数人的研究结果[33-34]较为一致。但也有研究表明，微生物菌肥对土壤有机质、速效磷含量影响显著，但对土壤速效氮、速效钾的含量影响不显著，这可能跟土壤类型及基础土壤养分水平有关[35]。

土壤酶是由动植物残体、微生物释放的一类具有生物催化作用的活性物质，能够用于表征土壤养分状况和土壤质量好坏[36]。土壤微生物磷脂脂肪酸含量变化能够反映土壤微生物群落结构的变化[37]。本研究表明，与单施化肥、微生物菌肥以及配施土壤改良基质处理相比，微生物菌肥与化肥及土壤改良基质配施能够提高土壤生物学特性，改善土壤微生物群落结构。微生物菌肥及土壤改良基质含有丰富的碳源可供土壤微生物利用，施入土壤中能够提高土壤微生物代谢水平，促进某类适宜生存菌类快速繁殖，改变土壤微生物群落构成，其中微生物菌肥与化肥及土壤改良基质配施能够明显提高细菌比例，降低真菌比例，使土壤类型由有害的真菌型向有益的细菌型转变。结合土壤养分含量变化，土壤微生物代谢水平的提高，对土壤生物学特性以及养分转化水平的提高有明显的促进作用，从而减缓或改善因连作造成的土壤质量恶化。由此可知，微生物菌肥与化肥及土壤改良基质配施对马铃薯连作土壤环境的改善具有良好的持续效应，能够提高土壤生态系统的稳定性。而土壤酶活性与土壤环境因子的相关性分析，以及酶活性、环境因子与土壤微生物的多元分析表明，土壤各因子水平联系紧密，土壤微生物群落、酶活性受外源养分因素的影响较大。由此可知，50%化肥+50%微生物菌肥+土壤改良基质配施能够有效缓解马铃薯连作障碍，有效改善土壤结构及微生态环境，提高土壤养分及酶活性水平。