功能菌對土壤與堆肥原料養(yǎng)分釋放的影響

林 薇，楊官凱，馬 慧，鄭文德，馬嘉偉，張凱歌，張雪艷

(寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，銀川 750021)

近年來中國設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅猛，是世界設(shè)施園藝面積最大的國家，尤其設(shè)施蔬菜面積和產(chǎn)量均占據(jù)世界首位，2017年設(shè)施蔬菜種植占蔬菜種植面積的32.3%[1-3]。設(shè)施蔬菜連作種植普遍，栽培方式固定單一，使病原菌種群數(shù)量激增、土壤鹽分積累及微生物區(qū)系失衡及多樣性降低等，造成不同程度連作障礙現(xiàn)象，制約了中國設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[4-6]。

通過以菌治菌的生物防治, 探索從源頭進(jìn)行病蟲害防治、減輕農(nóng)藥殘留和化肥用量是提高設(shè)施蔬菜產(chǎn)量和質(zhì)量的有效途徑[7]。添加功能菌對作物生長和土壤改良有明顯的調(diào)控作用，可增進(jìn)土壤肥力、制造和協(xié)助農(nóng)作物吸收營養(yǎng)、活化土壤中難溶的化合物，促進(jìn)作物吸收利用, 產(chǎn)生多種活性物質(zhì)和抗、抑病物質(zhì)，改善土壤微生態(tài)平衡[8-9]。國內(nèi)外已有眾多學(xué)者關(guān)于施用生物菌劑對土壤環(huán)境及作物生長和品質(zhì)影響進(jìn)行研究，Sahoo等[10]發(fā)現(xiàn)固氮菌株通過固氮和植物生長促進(jìn)活動顯著提高水稻的生長和產(chǎn)量。張鴻雁等[11]施用放線菌制劑Act12提高人參的根系活力、增加產(chǎn)量并改善品質(zhì)以及土壤微生物區(qū)系。Zhang等[12]研究表明,接種外源功能微生物能夠促進(jìn)農(nóng)業(yè)廢棄物堆肥過程,增加肥力, 并提高有機(jī)肥的附加值。龐天德等[13]施用經(jīng)生物菌劑發(fā)酵處理的牛糞生物有機(jī)肥較施用未經(jīng)發(fā)酵的普通牛糞有機(jī)肥，蔬菜各形態(tài)指標(biāo)和品質(zhì)指標(biāo)均有不同程度的提高。張雪艷等[14]采用生物有機(jī)肥顯著促進(jìn)穴盤黃瓜幼苗生長和維持基質(zhì)質(zhì)量。地衣芽孢桿菌、側(cè)孢芽孢桿菌、解磷解鉀菌、膠凍樣芽孢桿菌等被廣泛應(yīng)用于作物促生以及土壤改良中，酵母菌作為一種天然發(fā)酵劑，含有豐富的氨基酸、維生素、酶等營養(yǎng)物質(zhì)[15]，光合細(xì)菌具有固氮、固碳、解磷等功能[16]，均有益于植株生長以及土壤改良，但針對連作土壤和堆肥原料系統(tǒng)探究功能菌株對其釋磷、釋鉀，固氮的研究鮮有報道。

黃瓜是寧夏設(shè)施主栽作物，其連作障礙嚴(yán)重，因此針對功能菌株的釋磷、釋鉀、固氮效果，以寧夏產(chǎn)生嚴(yán)重連作障礙的土壤和堆肥原料為材料，分別添加6種不同功能的菌株處理1個月后，這個過程主要用來進(jìn)行土壤和堆肥原料養(yǎng)分的釋放后播種黃瓜，探究不同菌株處理后黃瓜幼苗生長和基質(zhì)養(yǎng)分釋放特性，為篩選促進(jìn)土壤和堆肥原料有效釋放養(yǎng)分的菌株，為蔬菜作物低肥料投入高效栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗于2018-10-11至2018-12-18，在寧夏大學(xué)實訓(xùn)溫棚內(nèi)進(jìn)行。試驗采用盆栽，以黃瓜為研究對象，以連作障礙嚴(yán)重的土壤和堆肥原料(秸稈復(fù)配牛糞)為材料，以不添加菌劑為對照(CK)，設(shè)添加地衣芽孢桿菌(L1)、側(cè)孢芽孢桿菌(L2)、解磷解鉀菌(L3)、膠凍樣芽孢桿菌(L4)、酵母菌(L5)、光合細(xì)菌(L6)共7個處理，每個處理重復(fù)5盆，盆栽盆為50 cm ×20 cm×14 cm，樣品體積均為 1 L，3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。菌株由滄州生物技術(shù)有限公司提供的商品菌株，堆肥原料由寧夏有機(jī)肥廠提供，連作障礙土為取自寧夏銀川永寧鎮(zhèn)政權(quán)村生理障礙嚴(yán)重的田園土，其基本理化性質(zhì)見表1。10月12日進(jìn)行土壤和堆肥原料菌劑處理，菌劑濃度均為每克2億活芽孢，使用菌劑處理30 d，保持50%～60%含水量；菌劑處理30 d后，11月15日至12月18日將處理土壤和堆肥原料進(jìn)行穴盤育苗，播種黃瓜種子，每個處理5株，3次重復(fù)，所有處理統(tǒng)一水肥管理。

表1 連作土壤和堆肥原料基礎(chǔ)養(yǎng)分特性Table 1 The basic nutrient characteristics of continuous cropping soil and compost raw materials

1.2 樣品采集與分析

1.2.1 樣品采集 播種7 d后，記錄出苗率；播種32 d后，每個處理選取10株測定株高和葉面積、植株干鮮質(zhì)量；菌株處理前和處理后每個處理隨機(jī)選取3盆采集原始連作土壤和堆肥原料樣品，風(fēng)干后過1 mm篩，用于測定土壤化學(xué)指標(biāo)。

1.2.2 指標(biāo)分析 采用卷尺測定株高，以從子葉到根基部的高度為基準(zhǔn)；采用卷尺測定葉長與葉寬，計算葉面積；采用稱重法測定植株干鮮質(zhì)量；采用土水比1∶10(質(zhì)量比體積)土壤懸液電位計法測定pH；電導(dǎo)率值采用電導(dǎo)法測定；采用半微量凱氏定氮法測定土壤速效氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)[17]；速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定[18]；采用1mol/L NH4AC浸提-火焰光度法測定土壤速效鉀[19]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)每個處理測定3個平行樣本，測定結(jié)果取其平均值，釆用 Origin 2018和 SPSS 20.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，利用LSD方法在P<0.05水平進(jìn)行單因素顯著性分析，利用主成分分析進(jìn)行綜合評定。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同菌劑處理對連作土壤和堆肥原料pH和電導(dǎo)率的影響

由圖1可知，各菌劑處理下連作土壤和堆肥原料pH相似， L5處理下連作土壤pH最高 (7.92)，其與CK無顯著差異，但顯著高于其他處理，堆肥原料各菌株處理間無顯著差異。各菌劑處理下堆肥原料電導(dǎo)率均顯高于連作土壤處理(除L4處理)，L4處理下連作土壤電導(dǎo)率顯著高于其他處理，較CK顯著增加311.94%，其他處理間無顯著差異； L3處理下，堆肥原料電導(dǎo)率顯著低于CK和L4處理，其他處理與CK間無顯著差異。

2.2 不同處理對連作土壤和堆肥原料速效養(yǎng)分的影響

如表2所示，堆肥原料各處理氮素與連作土壤相似，速效磷和鉀顯著高于連作土壤。CK與其他處理(除L1)連作土壤速效氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)無顯著差異， L1處理下連作土壤速效氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高為36.40 mg/kg，顯著高于CK 79.31%； L5處理下堆肥原料速效氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于L3和L6 111.48%、62.80%，且與其他處理無顯著性差異。L5處理下連作土壤速效磷、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于其他處理，較CK分別顯著提高91.61%、298.72%；各菌劑處理下堆肥原料速效磷、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對于CK無顯著性差異，且各處理間無顯著差異(除L5處理)，L5處理下堆肥原料速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于其他處理，且L5顯著高CK 59.76%。

不同小寫字母表示差異顯著 Different lowercase letters show significant difference

土壤樣品Soil sample處理Treatment速效氮Available nitrogen速效磷 Available phosphorus速效鉀Available potassium連作土壤Continuous cropping soilCK20.30±4.28 bc338.65±8.90 c26.48±2.47 bL136.40±6.75 a337.22±15.93 c31.43±2.47 b L231.50±5.66 ab 353.90±12.39 c 33.90±2.47 bL331.73±0.23 ab 351.51±0.95 c 28.96±0.00 bL414.70±1.46 c 451.12±25.53 b 33.90±2.47 bL514.93±1.63 c 648.89±16.51 a 105.58±2.47 a L621.70±6.35 bc 358.19±11.97 c33.90±2.47 b堆肥原料Compost raw materialsCK30.57±2.47 ab 607.91±48.72 a 231.64±6.54 b L134.07±7.26 ab639.36±12.33 a248.94±27.52 b L232.43±5.12 ab 713.71±53.77 a 266.25±15.44 bL320.30±3.21 b 613.15±34.26 a 256.36±15.04 b L428.23±1.63 ab 680.82±27.96 a 276.13±6.54 bL542.93±7.71 a 677.96±27.06 a 370.06±11.33 aL626.37±2.37 b 767.56±92.46 a 293.43±34.34 b

注：不同小寫字母表示處理間差異達(dá)到5%顯著水平。下同。

Note:Different lowercase letters indicate the difference between treatments significant differences at 0.05 level.The same below.

2.3 不同處理對連作土壤和堆肥原料黃瓜種子萌發(fā)及生長的影響

如表3所示，總體而言，各菌劑處理較CK對連作土壤黃瓜種子萌發(fā)以及生長沒有促進(jìn)作用，但各處理間差異顯著，其中L5處理較其他菌劑處理有利于連作土壤黃瓜種子的萌發(fā)以及幼苗的生長，出苗率、株高、葉面積、平均鮮質(zhì)量比其他處理下抑制效果最低。L3處理下有利于堆肥原料黃瓜種子的萌發(fā)，出苗率為80%； L5處理下堆肥原料黃瓜幼苗的株高、葉面積、平均鮮質(zhì)量與其他處理差異顯著，株高、葉面積、平均鮮質(zhì)量比CK分別提高62.25%、93.54%、58.42%；相比于CK， L6處理下堆肥原料株高、葉面積、平均鮮質(zhì)量分別提高了11.66%、2.82%、7.43%。

表3 不同處理下連作土壤和堆肥原料黃瓜種子萌發(fā)及幼苗生長狀況Table 3 Seeding germination and seedling growth of continuous cropping soil and compost raw materials under different treatments

2.4 不同菌種對連作土壤和堆肥原料理化指標(biāo)及黃瓜幼苗生長影響的綜合評價

以6個不同菌劑處理下連作土壤和堆肥原料理化指標(biāo)及黃瓜幼苗生長指標(biāo)為評價對象，對其所測指標(biāo)進(jìn)行主成分分析。由表4可知，6個不同菌劑處理下連作土壤分析表明：主成分1的特征值為5.55，貢獻(xiàn)率為61.63%，主成分2的特征值為1.79，貢獻(xiàn)率為19.93%，主成分3的特征值為1.27，貢獻(xiàn)率為14.15%，前3個主成分特征值之和為8.61，累計貢獻(xiàn)率達(dá)95.70%，表明前3個主成分可解釋差異產(chǎn)生的95.70%。6個不同菌劑處理下堆肥原料分析表明：主成分1的特征值為5.12，貢獻(xiàn)率為56.88%，主成分2的特征值為2.10，貢獻(xiàn)率為23.35%，前2個主成分特征值之和為7.22，累計貢獻(xiàn)率達(dá)80.23%，表明前2個主成分可解釋差異產(chǎn)生的80.23%。

由表5可以看出，各處理下連作土壤綜合得分為L5>L1>L4>L3>L6>L2，L5處理得分最高，即酵母菌處理效果最優(yōu)。各處理下堆肥原料綜合得分為L5>L6>L2>L4>L1>L3。L5得分最高，即酵母菌處理效果最優(yōu)，光合細(xì)菌 次之。

由圖2可知，L1、L3和L4處理下對連作土壤的促進(jìn)效果明顯優(yōu)于堆肥原料，但L2及L6處理對堆肥原料影響效果顯著，總體而言，L5處理對連作土壤、堆肥原料的整體效果影響最顯著。

3 討論與結(jié)論

土壤是植物生長發(fā)育的基礎(chǔ), 土壤物理性質(zhì)的改變使土壤在水、肥、氣、熱方面存在差異, 進(jìn)而影響植物的生長[20]。連作障礙土壤表現(xiàn)出土壤養(yǎng)分不均衡性變化，土壤的次生鹽漬化嚴(yán)重，使作物根部無法吸收足夠的養(yǎng)分[21-22]，本研究與該結(jié)論一致，因此, 設(shè)施連作土壤改良修復(fù)以及提前防控對設(shè)施蔬菜可持續(xù)生產(chǎn)具有重要意義。

土壤微生物的改變是產(chǎn)生作物連作障礙的主要因素[23]。土壤微生物作為土壤生態(tài)系統(tǒng)中最重要和最活躍的組分，在促進(jìn)土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化循環(huán)、促進(jìn)作物生長以及可持續(xù)利用中占主導(dǎo)地位[24]。本研究表明，功能菌劑的添加可以加快連作土壤養(yǎng)分的活化和循環(huán)，但不同功能菌存在差異，各菌劑處理較CK的電導(dǎo)率均有所提高，不同功能菌劑下對連作土壤速效養(yǎng)分有顯著影響， L5處理下速效磷、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于其他處理，較CK分別顯著提高91.61%、298.72%。這與張立恒等[25]的研究結(jié)果一致，木霉菌劑顯著提高連作土壤中速效磷和速效鉀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。樊琳等[26]研究也表明添加菌劑土壤中速效磷和速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)都有較大程度增加, 尤其是土壤速效磷。楊頌[27]研究表明不同菌劑對參后地土壤養(yǎng)分含量的影響不同，可以不同程度的改善土壤質(zhì)量。

表4 主成分的特征值與方差貢獻(xiàn)率Table 4 Eigenvalues and variance contributions of principal components

表5 不同處理主成分值、隸屬函數(shù)值、綜合評價值及排序Table 5 The principal component value, membership function value, comprehensive evaluation value and ranking ofdifferent treatments

圖2 不同菌劑處理下連作土壤和堆肥原料綜合分?jǐn)?shù)的變化Fig.2 Changes of the composite fraction of continuous cropping soil and compost raw materials in different treatments

有機(jī)肥是改善連作障礙的重要措施，傳統(tǒng)的有機(jī)肥已不能滿足土壤環(huán)境改變的需要，大量研究表明，通過有機(jī)肥中添加微生物能夠提高效率、促進(jìn)代謝、去除有害物質(zhì)[28-29]。齊連芬等[30]研究表明，微生物菌劑的添加不僅可以促進(jìn)番茄產(chǎn)量的增加、品質(zhì)的提升、而且可以減少肥料使用。本試驗研究發(fā)現(xiàn)，L4處理顯著提高堆肥原料的電導(dǎo)率，L5處理下堆肥原料速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于其他處理。L5、L6處理下的堆肥原料對黃瓜幼苗生長有明顯的促進(jìn)作用。這與黃炎[31]研究結(jié)果一致，新型生物有機(jī)肥比普通腐熟雞糞堆肥對茄子植株促生效果更顯著。

綜上所述，通過運用主成分對不同功能菌對2種土壤理化指標(biāo)以及黃瓜幼苗生長的影響綜合評價表明，連作土壤綜合得分為L5>L1>L4>L3>L6>L2；堆肥原料綜合得分為L5>L6> L2>L4>L1>L3。綜合土壤質(zhì)量綜合分?jǐn)?shù)可以看出酵母菌不管是改善連作土壤還是有機(jī)發(fā)酵料理化性質(zhì)以及黃瓜幼苗生長方面效果最佳。