枯草芽孢桿菌菌劑對鹽脅迫下冬小麥生長與土壤水氮分布的影響

楊璐，周蓓蓓，侯亞玲，王全九，陳曉鵬

(西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048)

土壤鹽漬化與次生鹽漬化的問題嚴(yán)重阻礙了中國干旱與半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展.全球鹽堿地分布總面積已達(dá)9.5億hm2，中國鹽堿地面積更是位居世界第3，如何開發(fā)利用鹽堿地是農(nóng)業(yè)發(fā)展中的重要問題.中國鹽堿地治理開始于20世紀(jì)50年代，截至目前，主要有水利工程改良、化學(xué)改良和生物改良等方法.其中，水利工程改良需要有大量的資金和淡水的支撐，在干旱、半干旱地區(qū)難以推廣；化學(xué)措施見效快，但其成本高且會(huì)對土壤帶來其他形式的二次污染[1]；生物改良措施主要依靠種植棉花、水稻等耐鹽性作物，但由于水資源狀況和部分鹽生作物經(jīng)濟(jì)價(jià)值較低，使得該方法在旱區(qū)的應(yīng)用受限.近年來，微生物技術(shù)由于其成本低、污染小、可持續(xù)等優(yōu)點(diǎn)，在鹽堿土開發(fā)利用方面得到重視.

研究發(fā)現(xiàn)，植物根際促生菌可提高作物產(chǎn)量以及作物抗旱抗鹽堿抗病等逆境生存能力.枯草芽孢桿菌作為一種自然界廣泛存在的植物根際促生菌，能促進(jìn)作物生長，改善作物根際環(huán)境，防治病蟲害，可有效緩解逆境脅迫，逐漸被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[2].眾多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)在鹽堿土中，枯草芽孢桿菌可顯著促進(jìn)西紅柿、黃瓜、油菜及生菜等經(jīng)濟(jì)作物的生長[3]；SUMITHRA等[4]接種枯草芽孢桿菌組合菌可促進(jìn)莧菜的生長，提高莧菜的生物量；康少輝等[5]研究得出施用枯草芽孢桿菌在一定程度上能夠提高黃瓜秧苗的長勢和質(zhì)量；尹漢文等[6]發(fā)現(xiàn)添加枯草芽孢桿菌比未添加該菌的處理增產(chǎn)18%，且一定程度地提高了果實(shí)的品質(zhì).

現(xiàn)階段氮肥在肥料使用中依舊占據(jù)著主導(dǎo)地位，不恰當(dāng)?shù)霓r(nóng)田管理方式影響了土壤物理性狀和微生物活性，進(jìn)而改變土壤氮素轉(zhuǎn)化，影響土壤氮素保持與供應(yīng)[7]，造成氮肥利用率低、對環(huán)境污染嚴(yán)重等問題.在改善土壤養(yǎng)分方面，枯草芽孢桿菌也有良好的表現(xiàn)，徐洪宇等[8]配施枯草芽孢桿菌有機(jī)肥，與常規(guī)施肥方法相比，土壤有機(jī)質(zhì)、速效磷、速效鉀和全鉀含量分別提高8.38%，12.59%，5.51%和10.59%；楊超才等[9]發(fā)現(xiàn)施用枯草芽孢桿菌能有效改善土壤養(yǎng)分.

但目前大量的研究工作仍集中在微觀角度探索枯草芽孢桿菌的生理活性、防治植物的病害以及提升作物的產(chǎn)量及品質(zhì)等方面，而對作物生理生化特征研究得較少，其中將枯草芽孢桿菌應(yīng)用于旱區(qū)鹽堿地水氮分布方面的研究成果更少.因此，文中主要研究枯草芽孢桿菌菌劑對冬小麥在鹽脅迫下生長特征和水氮分布的影響，為解決旱區(qū)鹽脅迫下作物生長及水氮高效利用等問題，提高土地利用效率和冬小麥經(jīng)濟(jì)效益，以及對鹽堿地作物生長，提供理論依據(jù)與方法.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

冬小麥盆栽試驗(yàn)研究于2017年11月至2018年6月在西安理工大學(xué)作物種植培育試驗(yàn)場(108°59′E，34°15′N)進(jìn)行，試驗(yàn)土樣取自新疆昌吉市農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站表層耕作層土壤，容重采用環(huán)刀法測定，初始含水率采用烘干法測定，粒徑組成采用英國馬爾文Mastersizer2000激光粒度分析儀進(jìn)行測定.根據(jù)國際制土壤質(zhì)地分級標(biāo)準(zhǔn)，該試驗(yàn)土樣為粉砂質(zhì)壤土，其理化性質(zhì)：黏粒(粒徑d≤0.002 mm)、粉粒(0.0020.050 mm)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為6.46%，59.27%，34.27%；土壤含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.7%，土壤容重為1.47 g/cm3；土壤鹽分、有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷的質(zhì)量比分別為1.80，14.30，44.57，15.89 g/kg.試驗(yàn)中所采用的10億活芽孢/克枯草芽孢桿菌可濕性粉劑由保定市科綠豐生化科技有限公司生產(chǎn)提供；冬小麥品種采用西北農(nóng)林科技大學(xué)小麥育種研究室培育的西農(nóng)979.

1.2 試驗(yàn)處理

試驗(yàn)裝置如圖1所示，由圓柱形PVC材料組成；裝置底部均勻打孔并鋪設(shè)土工膜，保證通氣良好，放置于光照通風(fēng)較好的地方.

圖1 試驗(yàn)裝置

冬小麥種植試驗(yàn)開始前，將供試土壤碾碎，除去其中的碎石、枯草及根系殘留物等雜質(zhì)，過5 mm篩.土柱裝填高度為50 cm.在土壤中添加NaCl試劑(體積分?jǐn)?shù)≥99.5%，分析純AR)，充分混和并調(diào)配到8 g/kg的鹽分水平，以代表旱區(qū)土壤重度鹽堿程度.冬小麥種植肥料采用尿素、五氧化二磷和氧化鉀，其施用量分別為200，115，78 kg/hm2(施肥量與大田推薦施用量相同).肥料施加前，與枯草芽孢桿菌可濕性粉劑均勻混合，加入枯草芽孢桿菌，菌劑量質(zhì)量比的配比梯度分別為0，1，3，5，7 g/kg，即5組處理CK，G1，G3，G5和G7；不同菌劑施加量的處理做4組重復(fù)，共計(jì)20組試驗(yàn)土柱.將混合均勻后的土樣每5 cm分層均勻填裝入土柱內(nèi)并進(jìn)行標(biāo)號.裝土完成后，在每個(gè)土柱內(nèi)種植7顆經(jīng)過消毒與催芽的小麥種子.待冬小麥株高生長至10 cm時(shí)，為了減少表面蒸發(fā)而在土柱頂部鋪設(shè)3 cm的蛭石.試驗(yàn)期間，光照、溫度、灌水量等外部因素均保持一致，冬小麥生育期需水通過人為控制灌水，且無自然降雨補(bǔ)給，灌溉時(shí)間與灌水量：4個(gè)灌水時(shí)間2017-12-16，2018-03-15，2018-04-03，2018-05-10分別灌水2 000，1 000，1 000，500 mL.

1.3 測定指標(biāo)及方法

1) 小麥生理指標(biāo)測定.各處理選取并標(biāo)記3株長勢均勻的小麥，分別在返青期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期對小麥株高、葉面積等生長指標(biāo)進(jìn)行定株測量.收割不同生育期小麥，在105 ℃下殺青30 min，然后在75 ℃下烘干24 h，稱重記錄其生物量.

2) 土樣采集與測定.分別在小麥返青期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期取土，對土壤進(jìn)行分層取樣，每5 cm分1層.分袋裝好所取土樣后，對土壤指標(biāo)進(jìn)行測定.試驗(yàn)采用烘干法(105 ℃，8 h)對土壤含水量進(jìn)行測定[10]；土壤硝態(tài)氮采用紫外分光光度計(jì)測量[11].

3) 小麥耗水量采用水量平衡法計(jì)算[12]，即

ETa=Pr+I+ΔW-R-D+K，

(1)

式中：ETa為作物實(shí)際耗水量；Pr為生育期降雨量；I為灌水量；ΔW為土層土壤儲水量的變化量；R為地表徑流；D為滲漏量；K為地下水補(bǔ)給量.所有量的單位均為mm；試驗(yàn)中R，D和K可忽略不計(jì).

水分利用效率計(jì)算公式為

(2)

式中：WUE為水分利用效率，kg/(hm2·mm)；Y為冬小麥籽粒產(chǎn)量，kg/hm2.

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪圖，統(tǒng)計(jì)分析用SPSS 10.0軟件進(jìn)行，應(yīng)用LSD法進(jìn)行多重比較.

2 結(jié)果與分析

2.1 枯草芽孢桿菌菌劑對冬小麥生長特征的影響

表1反映了冬小麥各生育期內(nèi)株高H、葉面積的變化情況，表中LAI為葉面積指數(shù).由表可知，冬小麥株高在各生育期內(nèi)一直呈現(xiàn)上升的趨勢，其中返青期株高為40.50～45.83 cm，拔節(jié)期株高增加到49.50～59.50 cm，抽穗期與灌漿期內(nèi)株高基本穩(wěn)定.在枯草芽孢桿菌菌劑不同施加量處理中，灌漿期內(nèi)施加菌劑處理的株高均大于CK，分別增加了10.40%，17.20%，15.40%和2.67%，而各生育期內(nèi)，冬小麥株高在處理G3中取得最大值，均高于其他菌劑施加量梯度處理.

表1 枯草芽孢桿菌處理下不同生育期冬小麥的株高、葉面積

冬小麥葉面積指數(shù)隨生育期延伸呈先升高后降低的趨勢，從返青期到抽穗期逐漸升高，抽穗期到達(dá)了峰值，灌漿期開始下降.在灌漿期內(nèi)，相對于處理CK，施加菌劑處理的冬小麥葉面積指數(shù)均有所增大，增加幅度分別為9.10%，34.80%，17.10%和30.60%，其中在不同生育期內(nèi)處理G3的葉面積指數(shù)高于其他各加菌劑處理，說明枯草芽孢桿菌菌劑施量為3 g/kg時(shí)，對冬小麥葉面積增長有顯著影響.

由以上研究結(jié)果可以看出，枯草芽孢桿菌菌劑對冬小麥的生長有一定的促進(jìn)作用，冬小麥株高、葉面積指數(shù)較對照處理相比都在增加.KHEDHER等[13]研究發(fā)現(xiàn)，枯草芽孢桿菌對馬鈴薯生長具有明顯的促進(jìn)作用.金京京等[14]發(fā)現(xiàn)采用枯草芽孢桿菌拌種后，冬小麥株高、分蘗數(shù)分別比空白對照提高了8%和12%，這也為枯草芽孢桿菌促進(jìn)鹽堿地冬小麥的生長提供了理論支撐.造成這種結(jié)果的原因可能是菌劑提高了植株可溶性糖和蛋白的含量，降低了脯氨酸含量[15]，同時(shí)通過調(diào)節(jié)根際中脲酶、磷酸酶的活性大小，進(jìn)而調(diào)控氮肥和磷肥的轉(zhuǎn)化，增加植物對氮磷的吸收[16].枯草芽孢桿菌通過刺激功能性酶的產(chǎn)生，緩解鹽脅迫造成的傷害，提高冬小麥耐鹽性，促進(jìn)冬小麥生長.

枯草芽孢桿菌菌劑對冬小麥生物量的累積有積極的促進(jìn)作用.表2為不同處理不同生育期冬小麥生物量W的變化情況，表中R/S為根冠比.隨著枯草芽孢桿菌菌劑添加量增加，各生育期內(nèi)冬小麥地上生物量、地下生物量都呈先增加后降低的趨勢.灌漿期添加菌劑處理的地上生物量與對照相比分別增加了1.65%，15.09%，17.78%，1.71%；地下生物量增加27.80%～60.20%；冬小麥根冠比為0.557～0.669，增加了15.90%～39.20%.

表2 枯草芽孢桿菌處理下不同生育期的冬小麥生物量

分析表明在一定范圍內(nèi)，枯草芽孢桿菌菌劑施量增加有利于冬小麥生物量增加，超過這個(gè)范圍，則菌劑施量增加會(huì)降低冬小麥的生物量.此外還發(fā)現(xiàn)添加菌促使根冠比增加，說明添加枯草芽孢桿菌菌劑對地下部分生物量的促進(jìn)作用大于地上部分.根據(jù)劉瑞青[15]的研究成果，施加不同濃度的枯草芽孢桿菌QM3菌液，能夠顯著緩解NaCl脅迫冬小麥生物量抑制.其可能原因有2個(gè)方面：枯草芽孢桿菌菌劑對作物的影響和對土壤的影響.IDRISS等[17]發(fā)現(xiàn)枯草芽孢桿菌可以產(chǎn)生10-10～10-8mol/L的植物激素(生長素)，這可能促進(jìn)冬小麥根系生長，增加根系對水分和養(yǎng)分吸收，減少環(huán)境脅迫對植物生長的影響.另一方面，侯亞玲等[18]發(fā)現(xiàn)枯草芽孢桿菌能改善鹽堿地土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤的保水性能，可改善冬小麥根系的生長環(huán)境.

2.2 枯草芽孢桿菌對冬小麥土壤水氮分布的影響

圖2為冬小麥各生育期內(nèi)，枯草芽孢桿菌菌劑對土壤體積含水率φ的影響，圖中h為土層深度.由圖可知，土壤含水率隨土壤深度增加呈先增加后減小的趨勢，在25～40 cm土層處出現(xiàn)峰值，主要是因?yàn)楸韺诱羯⒘枯^大、土柱底層留有通氣孔，從而造成了土壤水分散失.從各處理土壤剖面的水分分布可以看出，隨著枯草芽孢桿菌菌劑施量增加，土壤剖面平均含水率先增加后減少.當(dāng)枯草芽孢桿菌菌劑的質(zhì)量比為3 g/kg時(shí)，剖面平均含水率達(dá)到最大值.相比于處理CK，各生育期內(nèi)加菌劑處理的剖面平均含水率分別增大了11.51%，28.01%，20.50%，7.59%，表明枯草芽孢桿菌菌劑能提高土壤剖面含水率，有一定的保水效果.ZHENG等[19]發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)枯草芽孢桿菌可能產(chǎn)生胞外聚合物(EPS)，EPS會(huì)對土壤水力性質(zhì)和蒸發(fā)產(chǎn)生影響，延緩作物應(yīng)對土壤干旱脅迫的時(shí)間.即添加枯草芽孢桿菌菌劑增加了土壤的保水性能，緩解了旱區(qū)作物生長的水分虧缺.

圖2 不同生育期土壤含水率的垂向分布

圖3為各處理對土壤剖面中硝態(tài)氮分布的影響，圖中ρNO3-N為硝態(tài)氮質(zhì)量比.

圖3 不同生育期土壤硝態(tài)氮的垂向分布

由圖3可知土壤剖面硝態(tài)氮含量隨土壤深度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，這主要由于硝態(tài)氮離子呈負(fù)電荷與土壤膠體相斥，不易被土壤顆粒吸附，容易隨水分遷移而向下淋溶[20].在冬小麥整個(gè)生育期內(nèi)，初始施加的尿素(主要分析指標(biāo)為硝態(tài)氮)不斷被消耗.當(dāng)冬小麥?zhǔn)斋@時(shí)，處理CK，G1，G3，G5和G7的土壤剖面硝態(tài)氮分別累積減少了53.90%，30.40%，21.70%，29.60%和29.30%.隨著枯草芽孢桿菌菌劑施加量增加，土壤剖面中硝態(tài)氮增加，說明土壤剖面施加枯草芽孢桿菌菌劑后，可以促進(jìn)土壤對硝態(tài)氮的固留能力，尤其在高度鹽脅迫環(huán)境下，土壤施加枯草芽孢桿菌菌劑對于土壤養(yǎng)分持留可產(chǎn)生積極影響，為作物根系營養(yǎng)吸收提供更多的養(yǎng)分來源.胡亞杰等[21]研究表明枯草芽孢桿菌有機(jī)肥對土壤有機(jī)質(zhì)及速效氮磷鉀提升有一定的效果；閆志宇等[22]也有相似的研究結(jié)論.這與本研究結(jié)果有一定的聯(lián)系，可能是枯草芽孢桿菌對土壤微生物的活動(dòng)與土壤孔隙結(jié)構(gòu)的影響，使氮素釋放緩慢且相對穩(wěn)定，但具體原因仍需進(jìn)一步探索.

2.3 枯草芽孢桿菌對冬小麥產(chǎn)量及耗水的影響

產(chǎn)量與水分利用效率是干旱區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要指標(biāo).表3為各處理的冬小麥產(chǎn)量與水分利用效率，表中I，W，Y，WUE分別為灌水量、耗水量、產(chǎn)量、水分利用效率.由表可以得出，枯草芽孢桿菌菌劑施加量增加，冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率均先增加后減少，處理G1—G7的冬小麥產(chǎn)量與CK相比分別增加了7.49%，15.35%，8.41%和4.57%.施加枯草芽孢桿菌菌劑下，水分利用效率為26.94～31.06 kg/(hm2·mm)，與CK相比增幅為9.00%～25.67%(平均為16.16%).

表3 各處理冬小麥產(chǎn)量與水分利用效率

枯草芽孢桿菌菌劑在鹽脅迫條件下有增產(chǎn)和提高水分利用效率的效果.這一結(jié)果與金京京等[14]枯草芽孢桿菌菌劑對冬小麥產(chǎn)量的研究結(jié)論相似.已有研究[23]表明作物產(chǎn)量與土壤中微生物之間存在著一定的聯(lián)系，徐洪宇等[8]發(fā)現(xiàn)枯草芽孢桿菌可以增加土壤中細(xì)菌放線菌數(shù)量、降低真菌數(shù)量.這表明了該菌劑使土壤向高肥效的土壤類型發(fā)展，可改善土壤肥力條件，促進(jìn)植物生長，減少植物病害，達(dá)到增產(chǎn)的效果.枯草芽孢桿菌菌劑能促進(jìn)冬小麥根部生長以及改善土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤的持水性，有利于冬小麥根系對水分的吸收，提高水分利用效率.

3 結(jié) 論

以盆栽冬小麥種植為試驗(yàn)手段，設(shè)置5種枯草芽孢桿菌菌劑施加量梯度，分析了在鹽脅迫條件下，施加枯草芽孢桿菌菌劑對冬小麥生長特征和水氮分布的影響.得到主要結(jié)論：

1) 重度鹽脅迫土壤環(huán)境中，施加枯草芽孢桿菌菌劑可明顯促進(jìn)冬小麥株高、葉面積以及根系生長，且添加菌劑對冬小麥地下部分生物量的促進(jìn)作用明顯高于地上部分.

2) 施加枯草芽孢桿菌菌劑能增強(qiáng)土壤對硝態(tài)氮持留，且加菌處理中水分散失較少，表明土壤中施加枯草芽孢桿菌菌劑具有固氮保水的作用.

3) 對于冬小麥的生長過程，施加枯草芽孢桿菌菌劑提高了冬小麥的水分利用效率，且提高了冬小麥的最終產(chǎn)量，對于鹽堿地區(qū)域冬小麥的增收具有積極的作用.

4) 綜合考慮枯草芽孢桿菌菌劑對冬小麥生長指標(biāo)、產(chǎn)量與水分利用效率的影響，在鹽脅迫條件下種植冬小麥時(shí)，枯草芽孢桿菌菌劑的最佳施用量為3 g/kg.