黃腐酸菌肥與常規(guī)肥料配比對西北旱作區(qū)馬鈴薯根系形態(tài)及土壤酶活性的影響

李亞杰，羅 磊，姚彥紅，王 娟，李豐先，李城德，邊彩燕，董愛云，劉惠霞，馬 瑞，李德明

(1.定西市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，甘肅 定西 743000；2.甘肅省馬鈴薯工程技術(shù)研究中心，甘肅 定西 743000； 3.甘肅省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站，甘肅 蘭州 730020)

0 引 言

馬鈴薯為西北干旱與半干旱地區(qū)的主要種植作物，對土壤肥力要求較高，其生長主要靠初生根和匍匐根系進(jìn)行營養(yǎng)物質(zhì)的吸收與運(yùn)輸，根系生長的健康狀況直接影響馬鈴薯的產(chǎn)量，但是由于區(qū)域環(huán)境氣候特點(diǎn)，西北部干旱少雨，長年連作和化肥的使用導(dǎo)致地力衰竭，土壤板結(jié)，有機(jī)質(zhì)含量降低，病蟲害增多，所以提高土壤肥力，減少化肥施用量，增施綠色有機(jī)肥料，增強(qiáng)馬鈴薯根系吸收活力是應(yīng)對土壤干旱、土壤肥力降低及提高馬鈴薯產(chǎn)量的主要措施之一。

黃腐酸(Fulvic acid，F(xiàn)A)是從天然腐殖質(zhì)中提取的一種能溶于酸、堿和水的植物生長調(diào)節(jié)劑，分子量小，容易被植物所吸收。黃腐酸微生物菌劑是富含功能性微生物和黃腐酸的活菌制劑，由有益微生物發(fā)酵而成，生物活性較強(qiáng)，能促進(jìn)植株形態(tài)發(fā)育，提高多種合成酶活性和葉綠素含量，增加光合作用和效率，增強(qiáng)土壤微生物活性，對農(nóng)作物具有增產(chǎn)、提質(zhì)及增強(qiáng)抗逆性的作用[1-2]，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在多種作物種植上[3-6]。根系是支撐植物地上部生長發(fā)育的重要組成部分，也是植物地下部活躍的代謝中心，連接植物地上部與土壤水分和養(yǎng)分的橋梁。根系除了可以從土壤中吸收水分和無機(jī)養(yǎng)分，并通過根的微管組織運(yùn)輸和轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部之外，還可以將地上部合成的光合產(chǎn)物等有機(jī)物輸送到根的各部位，其生長發(fā)育是一個(gè)非常復(fù)雜的過程。如果根系受到了逆境脅迫，則必然會(huì)影響植株地上部分的生長[7-8]。

有關(guān)試驗(yàn)已經(jīng)證明噴施黃腐酸可降低植株葉片的蒸騰速率，促進(jìn)根系發(fā)育，增強(qiáng)根系活力，從而提高其抗旱能力[9]。在馬鈴薯生產(chǎn)上，施用的黃腐酸類型較多，黃腐酸顆粒與水溶液的使用較為廣泛，對于黃腐酸微生物菌肥來說，目前使用較少。在貴州省畢節(jié)市有關(guān)黃腐酸微生物菌劑對馬鈴薯原原種生產(chǎn)的實(shí)際測產(chǎn)數(shù)據(jù)分析表明[10]，在常規(guī)施肥作對照的條件下，增施嘉有生命源黃腐酸微生物菌劑的試驗(yàn)田相比常規(guī)施肥田增產(chǎn)效果明顯，而且還可提高馬鈴薯種薯的商品性。本試驗(yàn)旨在探索隴中旱作區(qū)環(huán)保型肥料黃腐酸微生物菌肥作為底肥對馬鈴薯根系及土壤酶活性的影響，減少馬鈴薯種植戶對肥料選擇的盲目性和過度施肥，為實(shí)現(xiàn)地區(qū)馬鈴薯綠色、穩(wěn)產(chǎn)、增效提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

參試品種為“隴薯6號(hào)”，種薯級別為原種。在甘肅省中部地區(qū)大面積種植，具有產(chǎn)量高、抗晚疫病、穩(wěn)定性好及綜合性狀表現(xiàn)突出等特點(diǎn)。

供試黃腐酸肥料為嘉有黃腐酸微生物菌劑(黃腐酸≥20%，有機(jī)質(zhì)≥45%，巨大芽孢桿菌+膠凍樣類芽孢桿菌≥1億·g-1)，來源于山東泉林嘉有肥料有限責(zé)任公司。

常規(guī)肥料為撒可富復(fù)合肥(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15，50 kg)。

1.2 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于甘肅省定西市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究育種基地內(nèi)(34°45′N,103°55?E)，海拔1 920 m，年均輻射592.9 kJ·cm-2，年均氣溫6.4 ℃，≥10 ℃積溫2 239.1 ℃，年降雨量415.2 mm，年蒸發(fā)量1 530 mm，土壤類型為黃綿土，土壤有機(jī)質(zhì)20.90 g·kg-1，速效氮20.4 mg·kg-1，速效磷36.5 mg·kg-1，速效鉀115.3 mg·kg-1，前茬作物為馬鈴薯，肥力中等。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2016年4月23日播種，10月9日收獲；2017年4月16日播種，10月5日收獲，采用露地平作，出苗后起壟播種方式，生育期內(nèi)平均溫度與降雨量如圖1所示。2016-2017年均在同一塊試驗(yàn)田種植。

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組排列，5個(gè)處理，3次重復(fù)，種植行長5.6 m，行距0.7 m，每行20株，株距0.28 m，每小區(qū)5行種植馬鈴薯100株，小區(qū)面積(3.5×5.6)20 m2。

試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)施肥處理，即常規(guī)復(fù)合肥1 200 kg·hm-2(T1)，T1+420 kg·hm-2黃腐酸菌肥(T2)，70%T1+420 kg·hm-2黃腐酸菌肥(T3)，70%T1+300 kg·hm-2黃腐酸菌肥(T4)和 不施肥(CK)。

圖1 2016-2017年馬鈴薯生育期內(nèi)降雨量與溫度情況Fig.1 Local precipitation and average temperature during potato growth stage in 2016-2017

1.4 調(diào)查記載

根系形態(tài)指標(biāo)用加拿大產(chǎn)Win RHIZOTM2009根系掃描與分析系統(tǒng)測定；根系活力測定用氯化三苯基四氮唑(TTC)法[11]。

在馬鈴薯苗期、塊莖形成期、塊莖膨大期、成熟期及收獲期采集植株樣品，每小區(qū)5株，選好植株后，在離植株30 cm處用鐵鍬挖100 cm深的剖面，然后用水沖洗出整株植株，用剪刀將根系剪下并沖洗干凈，將地上和地下部分別裝入冰盒帶回實(shí)驗(yàn)室用于根系形態(tài)指標(biāo)和根系活力的測定。成熟期對各小區(qū)塊莖產(chǎn)量進(jìn)行實(shí)測計(jì)產(chǎn)。

產(chǎn)量：收獲全部馬鈴薯薯塊進(jìn)行稱重。

干物質(zhì)：恒溫烘干法，馬鈴薯收獲期采集植株樣品進(jìn)行考種，將植株用清水洗干凈后稱量植株的鮮重，然后放在105 ℃下烘2 h后，在85 ℃溫度下烘12 h至恒重時(shí)稱重。

土壤樣品采集在2016-2017年馬鈴薯收獲時(shí)進(jìn)行，采用五點(diǎn)取樣法，在靠近植株根系處進(jìn)行，采樣深度0～20 cm。新鮮土樣置于4 ℃冰箱中，測定土壤生化性質(zhì)。

土壤蔗糖酶、脲酶活性采用風(fēng)干土樣測定，脫氫酶活性采用新鮮土樣測定，測定結(jié)果全部以干基計(jì)算。土壤酶活性測定參考李振高等[12]的方法。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2010對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，采用新復(fù)極差法對各處理馬鈴薯試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多重比較。用OriginPro 9.0和Graphpad prism 6.0作圖。

2 結(jié)果分析

2.1 不同施肥處理對馬鈴薯根系形態(tài)及根系活力的影響

圖2反映了不同施肥處理對馬鈴薯根系形態(tài)及根系活力的不同影響。在2016-2017年中，5個(gè)施肥處理對馬鈴薯根系長度的作用效果大小為T3>T2>T4>T1>CK(圖2)。

在2016-2017年間，在馬鈴薯根系長度變化中可觀察到馬鈴薯生育期達(dá)到50 d之后根系長度增長加快，T1處理下馬鈴薯根系長度未出現(xiàn)快速增長現(xiàn)象。T3處理根系增長幅度相對其它處理最顯著，在110 d中比T1處理分別增長45.2%和57.0%，比對照CK處理分別增長81.8%和92.2%；T2與T4處理馬鈴薯根系長度增長幅度差異不大，但相比T1處理有較快增長；T2處理比T1處理分別增長30.3%和44.0%，T4處理比T1處理分別增長13.3%和20.7%，而且比對照CK處理具有較快增長。

根系體積的大小為T3>T2>T4>T1>CK，在2016-2017兩年間，T3處理下的根系體積在不同生育期相對其它處理增長顯著，在110 d，相對T1處理分別增長52.1%和52.8%，比對照CK分別增長121%和131%。

根系數(shù)量決定作物吸收水分的能力，馬鈴薯根系越多從土壤周圍吸收水分的能力越強(qiáng)，蒸騰拉力增強(qiáng)，從而提高植株的光合作用，有利于光合產(chǎn)物的運(yùn)輸積累。配施菌肥處理相比單施復(fù)合肥(T1)和不施肥處理(CK)增長幅度顯著，與對照CK相比，所有施肥處理均能增加根系數(shù)量，T3與T2處理下的根系數(shù)量顯著高于其他處理(圖2)。在110 d，2016年和2017年T3處理相比T1處理分別增長54.6%和72.7%，T2處理相比T1處理分別增長28.4%和49.4%；與對照CK相比，T3與T2處理的根系數(shù)量兩年分別增長100%和119%及66.4%和89.1%。2017年，T1與T4處理下的根系數(shù)量相比上一年的根系數(shù)量出現(xiàn)不同程度下降。

根系活力作為反映根系吸收運(yùn)輸能力的主要指標(biāo)，其大小關(guān)系到植株地上部與地下部的長勢。各處理在30～70 d之間的根系活力增長幅度較大，其中，T3處理下根系活力保持較高值，在90 d之后，根系活力增長逐漸平緩(圖2)。T2處理的根系活力高于其它處理，但低于T3處理，T4處理下的根系活力高于T1與CK處理。在70 d左右，2016年和2017年T3與T2處理下的根系活力比T1處理分別增長22.9%和27.3%，20.6%和21.5%，比對照CK處理分別增長26.3%和38.9%，20.5%和36.3%。在90 d，T3與T2處理下根系活力增長比較平緩，T1與T4處理出現(xiàn)下降趨勢。2016年和2017年T3與T2處理下的根系活力比T1處理分別增長19.7%和23.0%，13.5%和15.7%，比對照CK處理分別增長25.3%和35.1%，18.8%和25.6%。

2.2 不同施肥處理對馬鈴薯干物質(zhì)積累的影響

在2016-2017年中，馬鈴薯地上部干物質(zhì)在30～90 d之間大幅度增長，其中T3處理地上部干物質(zhì)比T1處理及CK處理增加幅度最大，90 d之后，隨著馬鈴薯的生育期逐漸達(dá)到成熟期，T3與T2處理下的地上部干物質(zhì)繼續(xù)增加，T1與T4處理下的地上部干物質(zhì)出現(xiàn)下降(圖3)。

2016-2017年，地下部干物質(zhì)在各處理下均有增長，同其它處理相比，T3與T2處理在70 d后增加幅度較大，其中，在110 d，T3處理下的地下部干物質(zhì)比T1處理分別增加77.2%和96.7%，比CK處理分別增加220%和273%。

2.3 不同施肥處理對馬鈴薯產(chǎn)量的影響

不同肥料組合對馬鈴薯的產(chǎn)量會(huì)產(chǎn)生一定影響，在2016-2017年中，馬鈴薯產(chǎn)量大小為T3>T2> T4>T1>CK(圖4)。

2016年，T3、T2和T4處理馬鈴薯產(chǎn)量比T1處理分別增加8 054 kg·hm-2、7 563 kg·hm2和3 059 kg·hm2，增產(chǎn)幅度為11.1%～29.1%，T3處理相對T1處理增長幅度最高。T1、T2、T3和T4處理馬鈴薯產(chǎn)量與對照CK相比，極顯著增加了43.3%～84.9%(P<0.01)，其中T3處理的馬鈴薯產(chǎn)量為35 719 kg·hm-2，與對照CK相比極顯著增加84.9%(P<0.01)，T2與T3處理差異不顯著。

在2017年，T3、T2和T4處理的馬鈴薯產(chǎn)量相比T1處理分別增加13 267 kg·hm-2、11 168 kg·hm-2、4 776 kg·hm-2，增產(chǎn)幅度為19.6%～54.5%。在2017年，各施肥處理與對照CK相比增長幅度達(dá)到40.6%～117%，且各處理馬鈴薯產(chǎn)量均極顯著高于對照CK(P<0.01)。與2016年產(chǎn)量相比，T3與T2處理產(chǎn)量均有小幅度增長。

2.4 不同施肥處理對土壤酶活性的影響

在2016-2017年，脲酶活性、蔗糖酶活性和脫氫酶活性在T3處理下保持較高的穩(wěn)定性(圖5)。2016年，T3處理下脲酶活性極顯著高于其它處理(P<0.01)。2017年T3與T2處理下的脲酶活性高于2016年，連續(xù)種植第2年土壤酶活性仍然保持較高值，微生物菌劑對土壤酶活性具有促進(jìn)作用，T1、T4和CK處理下的脲酶活性低于2017年測定值。

注：不同小寫字母表示處理間差異在0.05水平上顯著，不同大寫字母表示處理間差異在0.01水平上顯著。Note:Different small letters indicate significant differences between treatments at 0.05 level,and different capital letters indicate significant differences between treatments at 0.01 level.圖4 不同施肥處理對馬鈴薯產(chǎn)量影響Fig.4 Effects of different fertilization treatments on potato yields in 2016 and 2017

2016年T3與T2處理下的蔗糖酶活性差異不顯著，但與T1、T4、CK處理差異達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，且T3與T2處理下的蔗糖酶活性低于2017年的蔗糖酶活性。2016年，T1、T4和CK處理下的蔗糖酶活性值分別為254 mg(glucose)g-1·h-1、321 mg(glucose)g-1·h-1和203 mg(glucose)g-1·h-1，2017年，T1、T4和CK處理下的蔗糖酶酶活性值分別為221 mg(glucose)g-1·h-1、313 mg(glucose)g-1·h-1、169 mg(glucose)g-1·h-1，與2016年相比分別下降13.3%、2.4%和17.0%。

2017年T3處理下的脫氫酶活性與T2、T4處理下差異不顯著，與T1、CK差異達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。T2、T3和T4處理下的脫氫酶活性值分別為0.193 g (TPF)g-1·h-1、0.207 g(TPF)g-1·h-1和0.187 g(TPF)g-1·h-1，其中，T3處理下脫氫酶活性值最高，與2016年相比，分別增加了4.3%、5.6%和3.3%。

圖5 不同施肥處理對土壤酶活性的影響Fig.5 Effects of different fertilization treatments on soil enzyme activities in potato field

3 結(jié)果與討論

在2016-2017年的試驗(yàn)中，通過各指標(biāo)的測定結(jié)果顯示，黃腐酸菌肥與常規(guī)肥料配比對馬鈴薯的根系形態(tài)、干物質(zhì)、產(chǎn)量及土壤酶活性均產(chǎn)生不同影響。黃腐酸菌肥與馬鈴薯復(fù)合肥的結(jié)合施用相比單施復(fù)合肥及不施肥料能夠顯著改善馬鈴薯的根系生長狀況，提高根系活力及土壤酶活性，增加馬鈴薯的產(chǎn)量，降低化肥的使用量。

黃腐酸屬于一種能溶于酸、堿和水的植物生長調(diào)節(jié)劑，最大特點(diǎn)是屬于環(huán)保型無污染肥料，能夠改善土壤結(jié)構(gòu)，維持土壤的基本功能，黃腐酸有機(jī)肥在修復(fù)保護(hù)土壤方面效果優(yōu)于馬鈴薯專用復(fù)合肥[13]。黃腐酸微生物菌肥中含有大量枯草芽孢桿菌，接種土壤可迅速繁殖，維持根系活力，使病原菌喪失生存空間和條件，有效防治土壤中病害的傳播。本試驗(yàn)的根系活力在生育期90 d之后，可觀察到T3與T2處理下根系活力平緩增長，而T1與T4處理下的根系活力值出現(xiàn)下降，結(jié)果表明，黃腐酸菌肥與復(fù)合肥的合理配施能夠維持根系活力，保證根系的營養(yǎng)吸收。

王官茂[14]等應(yīng)用嘉有黃腐酸生物有機(jī)肥及黃腐酸水溶肥料在馬鈴薯基地5個(gè)不同種植圈進(jìn)行田間試驗(yàn)，以常規(guī)肥料為對照，研究結(jié)果表明，馬鈴薯產(chǎn)量較對照增加15.6%～22.8%，商品薯率較對照增加11.0%左右，施用黃腐酸可以增加馬鈴薯產(chǎn)量并提高商品薯率。本研究結(jié)果與前人研究結(jié)果一致，常規(guī)復(fù)合肥與菌肥的配施相比常規(guī)肥料能夠顯著增加馬鈴薯產(chǎn)量，其中，T3處理增長幅度最大，與其它處理差異達(dá)到極顯著水平。

土壤中有多種酶，其中，脲酶活性作用于線型酰胺的C-N鍵的水解酶，能酶促土中尿素水解成氨(植物氮源之一)[15]。蔗糖酶能酶促土中蔗糖水解成葡萄糖和果糖，它對增加土壤中易溶性營養(yǎng)物質(zhì)起著重要作用[16]。土壤脫氫酶屬于氧化還原酶系，反映土壤微生物新陳代謝的整體活性，可作為微生物氧化還原能力的指標(biāo)[16]。王夢雅[17]研究發(fā)現(xiàn)配施菌肥不僅能顯著提高土壤有機(jī)碳和速效養(yǎng)分含量，還能夠增加土壤微生物功能多樣性以及酶活性，從而提高土壤肥力。本研究取得了相似的結(jié)果。T3處理明顯增加了土壤脲酶活性、蔗糖酶活性和脫氫酶活性，由于黃腐酸菌肥中枯草芽孢桿菌的施入，在土壤中形成優(yōu)勢菌群，控制作物根際營養(yǎng)，維持土壤活性，促進(jìn)土壤中碳氮的轉(zhuǎn)化和土壤代謝，增強(qiáng)土壤微生物的活性，提高根系活力，促進(jìn)根系發(fā)育，增加根系數(shù)量，促進(jìn)干物質(zhì)積累。

馬鈴薯連作障礙問題日益凸顯，長年連作增加土壤的土傳病害，導(dǎo)致產(chǎn)量和品質(zhì)大幅下降[18]，嚴(yán)重阻礙了馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的健康、高效和可持續(xù)發(fā)展[10]。有關(guān)研究[19-20]證明，黃腐酸特有的調(diào)節(jié)成分能夠作為一種土壤改良修復(fù)劑，改善多年連作給土壤帶來的危害?；卣颀圼19]等研究了黃腐酸水溶肥料對連作馬鈴薯幼苗生長發(fā)育、塊莖營養(yǎng)和抗性生理的影響。結(jié)果表明，黃腐酸處理減輕了連作所造成的生理障礙，從而提高了馬鈴薯幼苗對連作障礙的抗性，促進(jìn)了連作馬鈴薯的生長發(fā)育，改善了馬鈴薯塊莖營養(yǎng)。在馬鈴薯原原種生產(chǎn)上[21]，黃腐酸微生物菌劑與常規(guī)施肥配合施用作底肥，可促進(jìn)馬鈴薯根系的生長發(fā)育，莖稈粗壯，植株長勢旺盛，提高了馬鈴薯原原種的單株大薯粒數(shù)、總粒數(shù)和大薯率。施用嘉有黃腐酸肥料可促進(jìn)小麥[22]根系生長，提高分蘗能力，增加產(chǎn)量，提升耕地質(zhì)量，改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)民增收。生物黃腐酸肥料可顯著提高夏玉米[23]的行粒數(shù)、穗粒數(shù)，進(jìn)而提高其畝產(chǎn)量，在常規(guī)化肥減量20%～30% 的情況下，可實(shí)現(xiàn)玉米的增產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)。在本試驗(yàn)中主要探討了黃腐酸菌肥與常規(guī)復(fù)合肥結(jié)合對馬鈴薯根系、干物質(zhì)、產(chǎn)量及土壤酶活性的影響，在對提高馬鈴薯抗逆性的方面的研究報(bào)道較少，在后續(xù)的研究過程中，會(huì)設(shè)置定位試驗(yàn)來探討黃腐酸菌肥對提高馬鈴薯抗逆性的影響機(jī)制，如調(diào)節(jié)ABA含量，控制馬鈴薯葉片氣孔開放度，改變蒸騰速率，增強(qiáng)抗旱力，為提高馬鈴薯的抗逆性提供一定科學(xué)依據(jù)。