決 超

(商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南商丘 476000)

馬鈴薯是我國重要的糧食與蔬菜作物，因營養(yǎng)豐富、產(chǎn)量高、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)被人們所喜愛[1-3]。近年來隨著人們對(duì)馬鈴薯產(chǎn)品需求量的增加，馬鈴薯種植面積逐年遞增，不少地區(qū)受自然因素及耕地面積的限制，常年連作種植馬鈴薯，造成馬鈴薯產(chǎn)量下降、品質(zhì)降低、病蟲害頻發(fā)、土壤根際微生物環(huán)境發(fā)生改變等諸多連作障礙問題[4-7]。為此，不少種植戶選擇大量施用化肥，而亂施、濫施化肥不僅會(huì)使化肥利用率降低[8]，增產(chǎn)報(bào)酬率顯著下降[9]，還會(huì)導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)退化[10]、有機(jī)質(zhì)含量下降以及土壤肥力降低等問題[11]。而宋震震等的研究表明，合理的施肥措施不僅能夠提高作物產(chǎn)量，還能夠有效改善土壤生物學(xué)以及微生物活性，提高土壤物理與化學(xué)性質(zhì)[12-14]。

微生物菌肥是添加有效微生物菌用于改善土壤微生態(tài)環(huán)境的功能性肥料[15]。研究表明，微生物菌肥具有保護(hù)土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤肥力、增強(qiáng)作物抗逆性作用，長(zhǎng)期施用同時(shí)具有培肥地力、提高肥料利用率的效果[16-17]。土壤改良基質(zhì)是通過集中腐熟且富含有機(jī)質(zhì)的功能性肥料，不僅能夠提高土壤的透氣性，增強(qiáng)土壤蓄水能力，還能夠提高土壤有機(jī)質(zhì)含量以及生物學(xué)特性[18]。目前，微生物菌肥廣泛應(yīng)用于黃瓜[19]、番茄[20]、白菜[21]等設(shè)施蔬菜，在馬鈴薯方面的應(yīng)用并不多，且微生物菌肥的施用受環(huán)境限制較大，在不同土壤類型、肥力及微生物區(qū)系下的效果差異較大[22]。因此，本研究針對(duì)黃淮海地區(qū)馬鈴薯連作障礙問題，開展微生物菌肥配施化肥和土壤改良基質(zhì)對(duì)土壤物理、化學(xué)、生物學(xué)性質(zhì)以及微生物變化影響的研究，找到合理的施肥模式，旨在為黃淮海地區(qū)馬鈴薯連作地塊施肥的合理選擇提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2020—2021年在河南省商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院試驗(yàn)示范基地附近農(nóng)戶(116°15′E，39°28′N，海拔53 m)進(jìn)行。該地區(qū)屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫14.2 ℃，年降水量650 mm，降雨主要集中在6—9月，全年平均日照時(shí)長(zhǎng)2 200 h，無霜期為212 d。前茬作物為馬鈴薯，供試土壤為二合土，基礎(chǔ)土壤理化性狀(0～30 cm土層)：堿解氮含量49.65 mg/kg、速效磷含量57.21 mg/kg、有機(jī)質(zhì)含量8.42 g/kg、速效鉀含量109.37 mg/kg、pH值8.09。試驗(yàn)地塊前3年均種植馬鈴薯。

1.2 供試材料

供試馬鈴薯：中薯5號(hào)脫毒種薯。

供試肥料：復(fù)合肥(N、P2O5、K2O含量分別為5%、10%、15%)、微生物菌肥(有效活菌數(shù)≥1.0億CFU/g，N含量12.26%、P2O5含量4.39%、K2O含量8.26%、有機(jī)質(zhì)含量25.32%)、土壤改良基質(zhì)(由牛糞、蘑菇料和秸稈腐熟而成，N含量2.35%、P2O5含量1.46%、K2O含量2.31%、有機(jī)質(zhì)含量22.19%)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)6個(gè)處理，分別為單施化肥(CK)、單施微生物菌肥(T1)、化肥+土壤改良基質(zhì)(T2)、微生物菌肥+土壤改良基質(zhì)(T3)、50%化肥+50%微生物菌肥(T4)、50%化肥+50%微生物菌肥+土壤改良基質(zhì)(T5)，每個(gè)處理3次重復(fù)。按照隨機(jī)區(qū)組方法排列布置，小區(qū)面積40 m2。單施化肥用量 750 kg/hm2，單施微生物菌肥用量1 500 kg/hm2，土壤改良基質(zhì)15 000 kg/hm2，在整地前均作為基肥一次性施入。馬鈴薯1年2季，生育期分別為4月1日至6月10日、9月1日至11月10日，連續(xù)種植4季作物。田間施藥、灌水等管理措施均與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣一致。

1.4 樣品采集

分別于2020年和2021年秋季馬鈴薯收獲前1周進(jìn)行土壤樣品采集。利用“S”形土鉆采用5點(diǎn)取樣法分別采集0～30 cm土樣。帶回實(shí)驗(yàn)室后，剔除土樣中的碎石、根系等雜物，過2 mm孔徑篩，一部分自然風(fēng)干，用于土壤化學(xué)指標(biāo)的測(cè)定，一部分保存在-20 ℃冰箱，用于土壤酶活性和微生物生物量測(cè)定。另外每小區(qū)采集3個(gè)環(huán)刀土壤樣品，用于土壤容重及孔隙度的測(cè)定。

1.5 測(cè)試項(xiàng)目與方法

土壤容重、孔隙度采用環(huán)刀法[23]測(cè)定；土壤理化性狀參照鮑士旦的方法[24]測(cè)定，其中土壤堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定，速效磷含量采用 0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定，速效鉀含量采用 NH4OAc浸提-火焰光度法測(cè)定，有機(jī)質(zhì)含量采用K2Cr2O7-外加熱法測(cè)定，pH值采用水土比(1 ∶5)法測(cè)定。

土壤酶活性參照關(guān)松蔭的方法[25]測(cè)定。其中，土壤脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測(cè)定，堿性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定，過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法測(cè)定，蔗糖酶采用3，5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定。

土壤微生物群落結(jié)構(gòu)采用磷脂脂肪酸法[26]測(cè)定。按照陳坤等的提取步驟[27]，將待測(cè)液通過MIDI公司MIS系統(tǒng)鑒定，分析結(jié)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通常用來表征細(xì)菌生物量，16：1 ω5c、18：1、18：2、18：3用來表征真菌生物量，16：0、17：0、17：1、18：0用來表征放線菌生物量。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用WPS Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與計(jì)算，采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行方差分析與相關(guān)性比較，采用canoco 5.0軟件進(jìn)行多元分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對(duì)土壤容重及孔隙度的影響

由圖1可知，不同施肥條件下土壤容重及孔隙度表現(xiàn)出不同的變化。2020年CK的土壤容重最大，較T1、T3、T5處理分別顯著提高9.45%、14.88%、11.20%(P<0.05)，與T2、T4處理差異均不顯著；T3處理土壤容重最小，顯著低于CK、T2、T4處理，但與T1、T5處理差異均不顯著。而連續(xù)2年不同施肥處理后，2021年時(shí)，除CK的土壤容重較2020年提高2.88%外，其他施肥處理土壤容重均有不同程度的下降。其中，T1、T3、T5處理顯著低于T2、T4處理，而T1、T3、T5處理間的土壤容重差異均不顯著。

2020年，T3、T5處理的土壤孔隙度相同，均為最大值，較CK、T2、T4處理分別顯著提高19.30%、9.68%、11.48%，與T1處理差異不顯著。連續(xù)2年不同施肥處理后，2021年時(shí)，除CK的土壤孔隙度較2020年降低5.26%外，其他施肥處理的土壤孔隙度均不同程度地上升或持平。其中，CK的土壤孔隙度顯著低于其他處理，而T3處理的土壤孔隙度最大，較T4處理顯著提高9.52%，與T1、T2、T5處理間差異均不顯著(圖1)。

2.2 不同施肥處理對(duì)土壤理化性狀的影響

由表1可知，不同施肥處理?xiàng)l件下土壤養(yǎng)分含量變化較大。2020年，T5處理的土壤堿解氮、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)的含量均最高，其中堿解氮含量較T1處理顯著提高9.23%，與其他處理均差異不顯著；T5處理的速效磷含量較CK、T1、T3處理分別顯著提高4.72%、9.04%、5.23%，與T2、T4處理差異均不顯著；T5處理的速效鉀含量較其他處理顯著提高4.58%～18.74%；T5處理有機(jī)質(zhì)含量較其他處理提高0.46%～6.46%，除與T4處理無顯著性差異外，較其他處理均顯著提高。CK的pH值最大，較T1、T5處理顯著提高0.50%、0.37%，與其他處理差異均不顯著，T1至T5處理間pH值差異也均不顯著。

連續(xù)2年不同施肥處理后，2021年土壤各養(yǎng)分含量及pH值較2020年均有不同程度的變化。其中，T5處理的土壤堿解氮、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)的含量仍然最高，堿解氮含量較其他處理顯著提高3.19%～9.28%；T5處理的速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)的含量較其他處理分別提高2.68%～14.76%、2.25%～17.81%、1.02%～9.04%，顯著高于除T4處理外的其他處理。CK的pH值最高，較最低的T1處理顯著提高0.74%，其他處理間差異均不顯著(表1)。

表1 不同施肥處理土壤理化性狀的變化

2.3 不同施肥處理對(duì)土壤生物學(xué)特性的影響

由表2可知，不同施肥措施對(duì)土壤生物學(xué)特性表現(xiàn)出不同的影響。2020年，T5處理脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶、蔗糖酶的活性均最高，其中脲酶活性較CK顯著提高17.54%，與其他處理相比差異均不顯著，其他處理間也差異均不顯著；T5處理的堿性磷酸酶活性較其他處理提高7.35%～78.05%，顯著高于除T4處理外的其他處理；過氧化氫酶活性較其他處理提高7.69%～50.00%，顯著高于CK、T1、T2處理；T5處理的蔗糖酶活性較其他處理提高15.07%～61.54%，顯著高于CK、T2處理。CK的脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶、蔗糖酶的活性均最低。

表2 不同施肥處理土壤酶活性的變化

2021年，T5處理的脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶、蔗糖酶活性變化趨勢(shì)與2020年相同，均為所有施肥處理的最高值，較其他處理分別提高8.77%～37.78%、9.88%～161.76%、20.83%～81.25%、9.30%～118.60%。CK的脲酶、 堿性磷酸酶、過氧化氫酶活性均為最低值，而T1處理的蔗糖酶活性最低，顯著低于T2、T3、T4、T5處理，但與CK相比無顯著性差異(表2)。

2.4 不同施肥處理對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

由表3可知，2020年，T5處理的細(xì)菌、革蘭氏陰性菌生物量均最高，其中細(xì)菌生物量較其他處理提高6.35%～40.57%，顯著高于除T3處理外的其他處理；T5處理的革蘭氏陽性菌生物量顯著高于CK、T2、T4處理，革蘭氏陰性菌生物量顯著高于CK、T1、T2處理，而T1處理的革蘭氏陽性菌生物量/陰性菌生物量最高，較其他處理顯著提高5.97%～31.78%。CK的真菌生物量最高，顯著高于其他施肥處理，T5處理的真菌生物量最低。T5處理的細(xì)菌生物量/真菌生物量最高，較其他處理分別提高11.58%～90.99%，顯著高于除T3處理外的其他施肥處理。T3處理的放線菌生物量最高，較CK顯著提高22.71%，與其他處理相比差異均不顯著。

2021年土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與2020年相比有所不同，其中T2處理革蘭氏陽性菌生物量/陰性菌生物量最高，較CK顯著提高59.62%，與其他處理相比差異均不顯著。而不同施肥處理的細(xì)菌、真菌、放線菌生物量及細(xì)菌生物量/真菌生物量變化趨勢(shì)均與2020年相似?？偟膩砜?，T5處理能夠提高土壤細(xì)菌、革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌生物量，降低真菌生物量(表3)。

表3 不同施肥處理土壤微生物群落的變化

2.5 土壤生物學(xué)特性與土壤環(huán)境因子的相關(guān)性分析

2021年，土壤酶活性與土壤理化因子的相關(guān)性分析(表4)表明，脲酶活性與孔隙度、速效鉀含量呈顯著正相關(guān)，與堿解氮含量、速效磷含量、有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；堿性磷酸酶活性與速效磷含量呈顯著正相關(guān)，與堿解氮含量、速效鉀含量、有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)，與容重呈顯著負(fù)相關(guān)；過氧化氫酶活性與堿解氮含量、速效磷含量、速效鉀含量、有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)，與容重呈顯著負(fù)相關(guān)；蔗糖酶活性與堿解氮含量、速效磷含量、速效鉀含量、有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)。由此可知，不同施肥措施條件下土壤酶活性的變化與土壤理化性質(zhì)有緊密相關(guān)的聯(lián)系。

表4 2021年土壤酶活性與土壤理化因子的相關(guān)性

2.6 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與土壤環(huán)境因子、生物學(xué)特性的多元分析

為進(jìn)一步分析不同施肥措施條件下土壤微生物群落與土壤環(huán)境因子及生物學(xué)特性的相關(guān)性，2021年進(jìn)行土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與土壤理化因子、酶活性的RDA分析，結(jié)果(圖2)表明，排序軸1、2能夠分別在累積變量89.16%、60.29%上解釋不同施肥措施條件下土壤微生物群落變化與土壤理化因子、酶活性的相關(guān)性。圖2中各處理點(diǎn)較為分散，說明不同處理土壤微生物對(duì)土壤理化因子、酶活性產(chǎn)生不同的響應(yīng)。細(xì)菌、放線菌、革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌的生物量與孔隙度、堿解氮含量、速效磷含量、速效鉀含量、有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān)，與容重、pH值呈負(fù)相關(guān)；真菌的生物量正好相反，土壤容重(63.4%)是其主要驅(qū)動(dòng)因子。而細(xì)菌、放線菌、革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌的生物量與脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶、蔗糖酶的活性均呈正相關(guān)，真菌的生物量與脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶、蔗糖酶的活性均呈負(fù)相關(guān)，其中堿性磷酸酶活性(54.3%)是其主要驅(qū)動(dòng)因子。由此可見，不同施肥措施能夠通過改變土壤理化因子、酶活性而改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。

3 討論與結(jié)論

土壤結(jié)構(gòu)是土壤功能的基礎(chǔ)，而土壤容重、孔隙度對(duì)土壤結(jié)構(gòu)及養(yǎng)分的供應(yīng)起至關(guān)重要的作用[28-29]。有研究表明，增施有機(jī)物料能夠降低土壤容重，增加土壤孔隙度，改善土壤結(jié)構(gòu)[30]。本研究表明，與單施化肥處理相比，增施微生物菌肥或土壤改良基質(zhì)處理能夠降低土壤容重，提高土壤孔隙度。分析認(rèn)為，微生物菌肥與土壤改良基質(zhì)在發(fā)揮肥效的過程中，由于其疏松多孔的結(jié)構(gòu)特性以及較大的比表面積使其具有較強(qiáng)的吸附能力，能夠促進(jìn)團(tuán)聚體形成，降低土壤容重，提高土壤孔隙度，改善土壤結(jié)構(gòu)[31]，這與韋建玉等的研究結(jié)果[32]較為一致。

微生物菌肥與化肥及土壤改良基質(zhì)配施能夠提高土壤各養(yǎng)分含量，2021年時(shí)，堿解氮、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)的含量均顯著高于單施化肥、微生物菌肥以及配施土壤改良基質(zhì)處理，而與微生物菌肥配施化肥處理相比，除堿解氮含量顯著提高外，其他養(yǎng)分含量均差異不顯著。分析認(rèn)為，微生物菌肥配施化肥既能夠彌補(bǔ)單施微生物菌肥在作物前期養(yǎng)分釋放緩慢的缺點(diǎn)，又能夠保障作物在生長(zhǎng)后期對(duì)養(yǎng)分的吸收利用，能夠提高養(yǎng)分利用效率，避免養(yǎng)分淋失浪費(fèi)，土壤改良基質(zhì)有機(jī)質(zhì)含量較多，其他氮磷鉀含量較低，不能滿足作物對(duì)養(yǎng)分的吸收利用。但土壤改良基質(zhì)與微生物菌肥及化肥配施，能夠改善土壤容重及透氣性，提高養(yǎng)分利用效率。這與大多數(shù)人的研究結(jié)果[33-34]較為一致。但也有研究表明，微生物菌肥對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、速效磷含量影響顯著，但對(duì)土壤速效氮、速效鉀的含量影響不顯著，這可能跟土壤類型及基礎(chǔ)土壤養(yǎng)分水平有關(guān)[35]。

土壤酶是由動(dòng)植物殘?bào)w、微生物釋放的一類具有生物催化作用的活性物質(zhì)，能夠用于表征土壤養(yǎng)分狀況和土壤質(zhì)量好壞[36]。土壤微生物磷脂脂肪酸含量變化能夠反映土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的變化[37]。本研究表明，與單施化肥、微生物菌肥以及配施土壤改良基質(zhì)處理相比，微生物菌肥與化肥及土壤改良基質(zhì)配施能夠提高土壤生物學(xué)特性，改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。微生物菌肥及土壤改良基質(zhì)含有豐富的碳源可供土壤微生物利用，施入土壤中能夠提高土壤微生物代謝水平，促進(jìn)某類適宜生存菌類快速繁殖，改變土壤微生物群落構(gòu)成，其中微生物菌肥與化肥及土壤改良基質(zhì)配施能夠明顯提高細(xì)菌比例，降低真菌比例，使土壤類型由有害的真菌型向有益的細(xì)菌型轉(zhuǎn)變。結(jié)合土壤養(yǎng)分含量變化，土壤微生物代謝水平的提高，對(duì)土壤生物學(xué)特性以及養(yǎng)分轉(zhuǎn)化水平的提高有明顯的促進(jìn)作用，從而減緩或改善因連作造成的土壤質(zhì)量惡化。由此可知，微生物菌肥與化肥及土壤改良基質(zhì)配施對(duì)馬鈴薯連作土壤環(huán)境的改善具有良好的持續(xù)效應(yīng)，能夠提高土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。而土壤酶活性與土壤環(huán)境因子的相關(guān)性分析，以及酶活性、環(huán)境因子與土壤微生物的多元分析表明，土壤各因子水平聯(lián)系緊密，土壤微生物群落、酶活性受外源養(yǎng)分因素的影響較大。由此可知，50%化肥+50%微生物菌肥+土壤改良基質(zhì)配施能夠有效緩解馬鈴薯連作障礙，有效改善土壤結(jié)構(gòu)及微生態(tài)環(huán)境，提高土壤養(yǎng)分及酶活性水平。