高亞敏，姚 拓，陳 龍，李海云，羅慧琴，張建貴

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室/甘肅省草業(yè)工程實驗室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

我國綠洲區(qū)較大的可耕地中普遍存在營養(yǎng)元素缺乏的現(xiàn)象，特別是氮磷素養(yǎng)分的匱乏，致使農(nóng)作物自然狀態(tài)下可吸收營養(yǎng)有限，嚴重制約我國農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)。因此，我國每年使用化肥量達4 000萬t，是歐美發(fā)達國家的數(shù)倍[1]，且氮磷肥利用率低[2]。我國耕地普遍存在過量使用化肥，造成了土壤退化、水源污染、農(nóng)作物抗性下降和病蟲害加劇[3-4]。近年來國家對農(nóng)業(yè)污染特別是過量施用化肥的現(xiàn)象越來越重視，出臺了一系列政策來制約。許多學(xué)者做了大量研究發(fā)現(xiàn)微生物菌肥是解決這一問題的有效途徑之一，施用微生物肥料并配施70%化肥后，能夠使青?；ㄒ酥旮?、莖粗、葉片數(shù)、地上鮮重、地上干重、地下鮮重、地下干重提高6.82%、11.53%、11.76%、9.68%、33.33%、62.5%、33.33%[5]；研究發(fā)現(xiàn),70%～85%的化肥+菌肥配施能夠使河西玉米不減產(chǎn)，且提高了玉米對氮肥的利用率(31.79%～32.20%)和磷肥利用率(22.07%～22.31%)[5-7]。土壤理化性質(zhì)是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)，氮磷素能促進作物的生長發(fā)育、提高作物產(chǎn)量、并參與和促進作物籽粒的形成[8]。土壤酶是陸地生態(tài)系統(tǒng)的中間產(chǎn)物，參與到土壤物質(zhì)循環(huán)和能量流動；酶活性能反映土壤中生化反應(yīng)的相對強度，其活性大小反映土壤營養(yǎng)物質(zhì)的儲量[9]。土壤微生物是土壤肥力形成和持續(xù)發(fā)展的動力，其參與到土壤礦化[10]。土壤微生物量可以表征土壤微生物的群落狀態(tài)和功能變化[11]，能夠反映土壤肥力和土壤健康狀況[12]。土壤呼吸即土壤土著的呼吸作用，采用二氧化碳的排放量表征，其排放速率能夠準確評價陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)對氣候變化的影響[13-14]。通過探究不同施肥處理下對土壤理化、土壤酶活性、土壤微生物特性(微生物數(shù)量、土壤微生物量碳氮、土壤呼吸)的影響，探究化肥配施微生物肥料對土壤微環(huán)境作用效果，為西北綠洲區(qū)玉米地合理施肥方式提供數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗設(shè)在甘肅省武威市涼州區(qū)黃羊鎮(zhèn)農(nóng)墾甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗站，地理位置N 37°52′20″，E 102°50′50″，位于甘肅河西走廊東段，為典型內(nèi)陸荒漠氣候區(qū)，海拔1 581 m；全年平均無霜期156 d，年均降水量164.4 mm，年均蒸發(fā)量1 919 mm，年均氣溫7.8℃。供試土壤為灌漠土，耕層有機質(zhì)15.71 g/kg、全氮0.87 g/kg、全磷1.02 g/kg、速效磷13.38 mg/kg、速效鉀248.63 mg/kg，土壤pH為8.2左右。

1.2 試驗材料

1.2.1 菌株來源 供試菌株由課題組前期試驗提供，篩選具有固氮、溶磷、分泌IAA、抗病、適應(yīng)性強、生長快和利用碳源譜廣的菌株，菌株編號Jm170、Jm92、Lx191、G、P2-1、P4-4、4N4(表1)。

表1 供試菌株特性

注：*表示待鑒定，“-”表示無，“+ + +”表示生長速度快(菌落在24 h內(nèi)出現(xiàn))

1.2.2 菌肥來源和供試品種 由課題組前期根據(jù)表1研制而成；玉米品種為先玉335。

1.3 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)7個處理，每處理3個重復(fù)(表2)。采取隨機區(qū)組設(shè)計，小區(qū)面積5 m×10 m，壟寬0.5 m，行株距40 cm×30 cm，密度75 000株/hm2；采用覆膜帶狀種植，玉米4月中下旬播種。

表2 試驗處理

注：100%化肥，即當?shù)馗弋a(chǎn)栽培方式最佳施肥量：氮肥890 kg/hm2，磷二銨489 kg/hm2，當?shù)赝寥朗歉烩浲寥?，故不施鉀?/p>

1.3.1 土壤樣品采集 在玉米不同生育期采用3點法采集植物根際土壤，將相同處理小區(qū)土樣均勻混合后，裝入無菌自封袋，4℃低溫保藏，并帶回實驗室，待測。

1.3.2 土壤理化性質(zhì)測定 成熟期土壤養(yǎng)分測定采用常規(guī)方法測定[15]，土壤有機質(zhì)(SOM)用重鉻酸鉀滴定法測定；全氮(TN)用半微量凱氏定氮法測定；全磷(TP)用氫氧化鈉熔融法測定；有效磷用碳酸氫鈉浸提法測定。

1.3.3 土壤酶活性測定 土壤酶活性測定參照文獻[16-17]的方法測定。過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法測定；脲酶采用苯酚鈉—次氯酸鈉比色法測定；、堿性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法測定；蔗糖酶采用3,5-二硝基水楊酸比色法；用UV-2880紫外可見光分光光度計測定吸光度值。

1.3.4 土壤3大類微生物數(shù)量測定 成熟期用平板涂布法測定[18]，細菌、真菌、放線菌數(shù)量分別用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基、馬丁-孟加拉紅培養(yǎng)基、改良高氏一號培養(yǎng)基。

菌數(shù)(cfu/g) =(菌落平均數(shù)×稀釋倍數(shù))/干土%

1.3.5 土壤微生物生物量測定 在玉米成熟期采用氯仿熏蒸法測定土壤微生物量碳(SMBC)和土壤微生物量氮(SMBN)并計算[19-20]：

SMBC(mg/kg)=(Ec-Ec0)/kEc

SMBN(mg/kg)=(En-En0)/kEn

式中：Ec、En為熏蒸土壤提取液中有機碳、全氮，Ec0、En0未熏蒸土壤提取液中有機碳、全氮，kEc、kEn為校正系數(shù)，分別是0.38、0.54。

1.3.6 土壤呼吸測定 在玉米不同生育期選擇早晨(10∶00)天氣狀況良好時用Li-8100開路式土壤碳通量測定系統(tǒng)測定[20]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0 軟件對數(shù)據(jù)進行One-Way ANOVA 分析，采用Duncan法進行方差分析和顯著性檢查并用Excel作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 菌肥對土壤理化性質(zhì)的影響

在玉米成熟期，85%B+C (85%化肥+菌肥)處理的土壤全氮、全磷、有效磷、有機質(zhì)含量都顯著高于其他處理，且差異顯著(P<0.05)。土壤全氮、全磷、有效磷、有機質(zhì)含量處理85%B+C與處理A(不施肥)相比，分別增加18.58%，6.85%，9.24%和52.92%；與85%B(85%化肥)相比，分別增加5.39%、4.65%、1.4%和23.35%；與B(全量化肥)處理相比，分別增加2.29%、1.88%、0.82%和1.58%。且均表現(xiàn)為85%化肥+菌肥>全量化學(xué)>70%化肥+菌肥>85%化肥>70%化肥≥菌肥>不施肥(表3)。

2.2 菌肥對玉米根際土壤酶活性影響

土壤過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶和堿性磷酸酶在玉米生長過程中活性變化呈倒“V”字趨勢，除堿性磷酸酶在拔節(jié)期達最大值外，其他3種酶活性在開花期出現(xiàn)峰值(圖1)。不同施肥處理后，蔗糖酶、脲酶和堿性磷酸酶活性均表現(xiàn)出85%B+C處理酶活性最高，70%B+C處理次之，其他施肥處理均大于處理A(不施肥)；4種土壤酶均表現(xiàn)出處理85%B+C活性最高，且大于其他處理的趨勢。其中，處理85%B+C比處理B的過氧化氫酶活性在苗期、拔節(jié)期、開花期、成熟期分別提高6.6%、12.8%，7.7%、16.6%，2.5%、4.3%，和0.7%、10%；處理85%B+C比處理B的土壤脲酶活性在苗期、拔節(jié)期、開花期分別提高6.6%、12.8%，3.8%，比處理A提高21.2%，3.9%和18.8%。堿性磷酸酶活性在拔節(jié)期處理85%B+C比處理B、A分別提高17.6%、49.1%；蔗糖酶在開花期處理85%B+C比B和A提高21.5% 和86.5%。

表3 不同處理土壤理化特性

注：表中同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05),下同

2.3 菌肥對土壤微生物特性的影響

2.3.1 菌肥對土壤3大類微生物數(shù)量的影響 施肥處理后與未施肥處理土壤微生物數(shù)量均有顯著變化(P<0.05)，均表現(xiàn)出細菌>放線菌>真菌，微生物總數(shù)表現(xiàn)為：85%B+C>70%B+C>B>85%B>70%B>C>A，增加了94.79%～380%的微生物總數(shù)量；施肥對土壤中細菌數(shù)量的影響最大，變化趨勢與微生物總數(shù)相似，施肥處理是未施肥處理的1.97至5.01倍，且差異顯著(P<0.05)；細菌數(shù)量以處理85%B+C最高、處理A最低，真菌數(shù)量處理A顯著高于其他各施肥處理、處理85%B+C最低(3.3×102cfu/g)，減少了53.53%。施肥后放線菌數(shù)目顯著增加(P<0.05)，增加量在67.30%～173.00%，其中處理B數(shù)量最多。85%B+C與70%B+C微生物數(shù)量表現(xiàn)最優(yōu)，且都優(yōu)于單純的減量化肥處理(處理85%B和70%B)(圖2)。

圖1 玉米不同生育期根際的土壤酶活性Fig.1 Changes of soil enzyme activities in rhizosphere soil of maize at different growth stages

圖2 不同施肥處理下玉米土壤微生物數(shù)量Fig.2 Effects of different treatment on quantity of microorganism (cfu/g)

2.3.2 菌肥對土壤微生物生物量影響 成熟期玉米地土壤在不同施肥處理下，微生物量碳氮均表現(xiàn)出處理85%B+C含量顯著高于其他處理(P<0.05)，85%B+C>B>70%B+C>C>A>85%B>70%B。其中處理85%B+C微生物量碳達到了210.97 mg/kg，與處理B(全量化肥)和A(不施肥)相比，分別提高2.7%和40.0%；85%B處理比處理B的SMBC含量降低9.6%。在不同施肥處理中，土壤微生物生物量碳、氮的變化趨勢基本一致，85%B+C(85%化肥+菌肥)效果最明顯，其SMBN含量達到68.63 mg/kg，較處理B提高7.1%，較處理A提高18.5%；SMBC和SMBN均表現(xiàn)出處理85%B+C(85%化肥+菌肥)含量最高，與單純減量化肥(處理85%B和70%B)相比，減量化肥配施菌肥能夠有效提高土壤中微生物量碳氮的含量(圖3)。

2.3.3 菌肥對土壤呼吸的影響 在玉米生育期，土壤呼吸速率呈先增大后減小的趨勢，抽雄吐絲期出現(xiàn)峰值，當玉米進入生殖生長期(灌漿期和成熟期)時，土壤呼吸速率逐漸減小，即抽雄吐絲期>拔節(jié)期>灌漿期>成熟期。在玉米整個生育期，土壤呼吸均表現(xiàn)出處理85%B+C>B>70%B+C>85%B>70%B>C>A的趨勢，但各施肥處理間差異不顯著(P<0.05)。

圖3 玉米不同施肥處理微生物量碳氮的變化Fig.3 Changes of microbial biomass carbon and nitrogen under different fertilization treatments in maize

處理85%B+C土壤呼吸速率最大。生育期處理85%B+C的土壤呼吸速率是處理B的2.29～2.30倍，是處理A的1.01倍(圖4)。

圖4 不同玉米生育時期土壤呼吸速率Fig.4 Soil respiration rate during different maize growth periods (CO2/(μmol·mol-1))

3 討論

西北綠洲區(qū)是典型的生態(tài)脆弱區(qū)，同時也是我國玉米的主要產(chǎn)區(qū)之一[21]，隨著人口增加，農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)越來越受到全世界關(guān)注，土壤的生產(chǎn)能力及其可持續(xù)利用能力是農(nóng)業(yè)發(fā)展的重點。研究表明，菌肥配施減量化肥(85%B+C和70%B+C)的土壤有機質(zhì)、全氮、磷的含量都高于其他處理。其原因：(1) 施用的本課題組提供的玉米專用菌肥基質(zhì)中含有有機質(zhì)氮磷等元素；(2) 加入菌肥的幾種菌株具有聯(lián)合固氮和生物溶磷能力(表1)，促進土壤中有機質(zhì)的分解；(3) 菌肥中的微生物可以分泌莢膜多糖、肽聚糖等胞外多糖類物質(zhì)，與植物根系分泌物、土壤膠體等共同作用改善耕作地土壤團粒結(jié)構(gòu)[22]；(4)菌肥中的菌株參與腐殖質(zhì)的形成改善土壤理化性質(zhì)。梁運江等[23]、韓光等[24]、祝英等[25]研究發(fā)現(xiàn)，施用微生物肥料(PGPR接種劑)能夠增加土壤肥力，明顯提高土壤中速效養(yǎng)分的含量，與此次研究結(jié)果類似。土壤養(yǎng)分的動態(tài)平衡能夠直接反映土壤質(zhì)量和耕作地的健康狀況，直接影響作物產(chǎn)量；孫運杰等[26]也得到相同結(jié)果，發(fā)現(xiàn)以紡錘芽孢桿菌為主的微生物肥料可不同程度的提高藍莓根際土壤的生物活性和土壤肥力。

土壤酶活性能夠綜合評價土壤質(zhì)量變化和土壤中微生物群落變化[9]。土壤中過氧化氫酶和水解酶(堿性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶)能夠分解毒物質(zhì)和水解各種形態(tài)的氮素使其轉(zhuǎn)化為可吸收的營養(yǎng)元素氮[16]。研究表明施用該酶能夠顯著增加土壤酶活性，特別是85%B+C(85%化肥+菌肥)處理為最優(yōu)；過氧化氫酶、蔗糖酶和脲酶在玉米的開花期達到最大值，堿性磷酸酶在拔節(jié)期達到最大值。這是玉米在不同生育期其代謝活動不同導(dǎo)致酶活性出現(xiàn)差異，同時施用菌肥并配施化肥(處理85%B+C和70%B+C)后，PGPR促進植物根系生長，加強其新陳代謝，使分泌物增加。井大煒等[26]在白蠟樹根際接種PGPR后，微生物數(shù)量、微生物量碳、氮含量和脲酶、多酚氧化酶、過氧化氫酶、蔗糖酶活性均呈上升趨勢；門倩等[27]、李敏等[28]研究表明減量化肥并且配施有機肥后，作物根際土壤酶(過氧化氫酶、蔗糖酶)活性顯著增加，與此次研究所得結(jié)果相似。有研究表明土壤蔗糖酶直接參與土壤有機質(zhì)的代謝過程，研究報道土壤有機質(zhì)含量越高，蔗糖酶活性越強[29]，這與前期研究結(jié)果相印證。土壤微生物是生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的部分，在其中擔任分解者的角色，加速陸地生態(tài)系統(tǒng)中能量和物質(zhì)循環(huán)[30].土壤微生物的活動與土壤微生物種類、土壤微生物量和土壤呼吸密切相關(guān)。試驗發(fā)現(xiàn)，成熟期不同施肥處理玉米地中，施肥對土壤中細菌數(shù)量的影響最大，是未施肥處理的1.97～5.01倍，土壤真菌數(shù)量均表現(xiàn)出處理A(不施肥)顯著高于其他各個處理；微生物生物量碳氮以85%B+C處理最優(yōu)且顯著優(yōu)于其余的處理；此外，減量化肥并配施菌肥可以增加土壤呼吸速率。造成這一現(xiàn)象的原因是施用微生物菌肥后，增加了耕地土壤中有益細菌的數(shù)量，同時促進了植物生長，使根系的分泌物增加從而提高土壤微生物生物量[11,30-31]；另配施菌肥改變了土壤微生物的種類及分布，提高微生物群落的多樣性，優(yōu)化調(diào)控土壤微生物群落結(jié)構(gòu)；此外，較優(yōu)的微生物菌落結(jié)構(gòu)和較多的數(shù)量還能夠有效的促進土壤的呼吸作用。研究發(fā)現(xiàn)在當歸中添加外源微生物菌劑后能夠顯著改變根際土壤的細菌、真菌、放線菌、氨化細菌和固氮菌等微生物的類群數(shù)量，還可以影響有機質(zhì)、有效鉀和有效磷在根際土的積累和轉(zhuǎn)化利用，這與本文前期研究相同。試驗還發(fā)現(xiàn)在玉米生育期中，土壤呼吸表現(xiàn)出隨著玉米的生長而增大，到抽雄吐絲期達到最大，然后隨玉米的成熟而下降的趨勢，這與劉合明等[32]的研究結(jié)論相似。也是和玉米代謝規(guī)律相關(guān)，植株根系代謝活動也是土壤代謝的一部分，隨植株生長，玉米的同化產(chǎn)物增多時土壤呼吸也協(xié)同進行；同時，施用菌肥后能有效增加土壤中微生物的數(shù)量，促進植物根系的呼吸作用。

4 結(jié)論

(1) 處理85%B+C能夠顯著增加土壤全氮、全磷、有效磷、有機質(zhì)含量，在玉米各生育期85%B+C處理土壤呼吸最強；微生物量碳氮在成熟期均表現(xiàn)出處理85%B+C含量顯著高于其他處理。

(2) 土壤過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶和堿性磷酸酶在玉米生長過程中活性變化呈倒“V”字趨勢，除堿性磷酸酶在拔節(jié)期達最大值外，其他3種酶活性在開花期出現(xiàn)峰值。處理85%B+C的4種酶活性均最高，處理70%B+C次之。

(3) 施肥處理后較未施肥處理土壤微生物數(shù)量均有顯著變化，表現(xiàn)出細菌>放線菌>真菌，微生物總數(shù)表現(xiàn)為：85%B+C>70%B+C>B>85%B>70%B> C > A的趨勢。

(4) 在西北綠洲區(qū)，85%化肥和菌肥混施是減少綠洲區(qū)玉米化肥施用量的有效途徑。