化肥減量配施微生物肥料對(duì)垂穗披堿草生長(zhǎng)的影響

撖冬榮，姚拓，李海云，陳敏豪，高亞敏，李昌寧，白潔，蘇明

（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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070）

垂穗披堿草（Elymus nutans）屬于禾本科小麥族披堿草屬［1］，其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值與種植面積雖不及“牧草之王”紫花苜蓿（Medicago sativa），但其具有根系發(fā)達(dá)，抗寒抗旱性強(qiáng)，適應(yīng)性廣的特性，是惡劣環(huán)境中的主要牧草和優(yōu)勢(shì)種，被廣泛用于生態(tài)修復(fù)［2］。目前，就如何提高垂穗披堿草產(chǎn)量、品質(zhì)以及適應(yīng)性等方面，較多的是從育種、播種方式以及貯存手段等方面進(jìn)行探究，而通過(guò)微生物肥料來(lái)提高產(chǎn)量、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)等的研究較少。

化肥（chemical fertilizer，CF）是重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，在提高作物產(chǎn)量、品質(zhì)中發(fā)揮著重要作用［3］。農(nóng)作物增產(chǎn)的50%依賴(lài)于化肥［4］，而化肥利用率卻不足30%［5］，據(jù)中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒顯示，從1980-2015年，中國(guó)化肥施用量由1300萬(wàn)t增加到6000萬(wàn)t［6］，其增加幅度遠(yuǎn)超耕地面積。長(zhǎng)期過(guò)量施肥不僅造成資源的極大浪費(fèi)，還導(dǎo)致土壤質(zhì)量惡化、生態(tài)環(huán)境破壞、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)降低等一系列問(wèn)題［7］。因此，從生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展等方面綜合考慮，微生物肥料替代部分化肥是解決上述問(wèn)題的有效途徑［8］。微生物肥料（microbial fertilizer，MF）作為一種新型環(huán)保型肥料，具有促進(jìn)植物對(duì)養(yǎng)分的吸收、抑制病原菌、提高肥料利用率、改良土壤質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于禾谷類(lèi)、油料類(lèi)等作物，且增產(chǎn)與土壤改良效果明顯［9］。研究發(fā)現(xiàn)，將類(lèi)芽孢桿菌（Paenibacillus）S6和1-18、枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）56接種于小麥（Triticum aestivum）上，其產(chǎn)量分別提高6.9%、8.8%和10.4%［10］；菌肥用量0.9 kg·m-2時(shí)番茄（Solanum lycopersicum）坐果數(shù)和總重最大，分別高于常規(guī)施肥處理的42.86%和36.36%［11］，且絕大部分微生物肥料對(duì)作物的增產(chǎn)幅度為10%～20%［12］。但是，微生物肥料的研究與應(yīng)用主要集中于經(jīng)濟(jì)作物，草地畜牧業(yè)中研究較少，而牧草既是草地畜牧業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)也是生態(tài)系統(tǒng)中的生產(chǎn)者，與人類(lèi)生產(chǎn)生活關(guān)系極為密切，同時(shí)，我國(guó)不斷推動(dòng)著種植結(jié)構(gòu)由傳統(tǒng)的二元結(jié)構(gòu)向糧食作物-經(jīng)濟(jì)作物-飼料作物的三元結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，草地畜牧業(yè)在農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值中的比重越來(lái)越大［13］。因此，微生物肥料替代部分化肥在畜牧業(yè)中的研究逐漸成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。

鑒于此，以垂穗披堿草為研究對(duì)象，設(shè)置化肥減量20%和40%分別配施不同劑量微生物肥料，通過(guò)分析農(nóng)藝性狀、根系、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)降低化肥施用量，減少環(huán)境污染和石化能源的消耗，篩選出微生物肥料與化肥最佳配比，為垂穗披堿草制定最優(yōu)施肥方案。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1供試菌株 普羅威登斯菌（Providencia rettgeri，菌株P(guān)2），克什米爾小陌生菌（Advenella kashmirensis，菌株P(guān)4），醋酸鈣不動(dòng)桿菌（Acinetobacter calcoaceticus，菌株P(guān)19），腐敗沙雷菌（Serratia plymuthica，菌株P(guān)35），由本課題組提供［14］。

1.1.2供試植株 垂穗披堿草（E.nutans），由甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院提供。

1.1.3微生物肥料 將菌株P(guān)2、P4、P19、P35分別單接種于無(wú)菌LB液體培養(yǎng)基，置于搖床培養(yǎng)2～3 d（180 r·min-1，28℃），各菌液含菌量達(dá)108cfu·mL-1時(shí)，將菌液按等比例混合，備用。以草炭、木炭和粉碎的玉米秸稈3種載體等比例混合后作為菌肥載體，間隔12 h滅菌（121℃，26 min）兩次，將滅菌完的載體放入超凈工作臺(tái)降至室溫后取1 kg裝入聚乙烯袋中，加適量無(wú)菌水再加混合菌液80 mL，封口并用無(wú)菌針扎小孔，以便透氣［15］，并置于28℃培養(yǎng)箱培養(yǎng)7～10 d。

1.1.4化學(xué)肥料 復(fù)合型化肥產(chǎn)自湖北新洋豐肥業(yè)股份有限公司，養(yǎng)分含量≥45%［m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）=14∶16∶15］。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2019年7月在智能生長(zhǎng)室進(jìn)行，生長(zhǎng)條件模擬室外生長(zhǎng)條件，白天：光照16 h，濕度45%，溫度23℃；夜晚：黑暗8 h，濕度45%，溫度19℃。用上述微生物肥料與化肥拌種，將種子（20?！づ?1）均勻種植于盛有1 kg土壤的花盆（上口徑15 cm、底徑11 cm、高度13.3 cm）中，出苗后間苗（每盆留15株長(zhǎng)勢(shì)均一的植株），分別于盛花期收獲第1茬和第2茬植株，測(cè)定各指標(biāo)。試驗(yàn)共設(shè)11個(gè)處理（4次重復(fù)），具體設(shè)置如下：CK：100%CF（300 kg·hm-2CF）；B1：MF（60）+80%CF；B2：MF（90）+80%CF；B3：MF（120）+80%CF；B4：MF（150）+80%CF；B5：MF（180）+80%CF；C1：MF（60）+60%CF；C2：MF（90）+60%CF；C3：MF（120）+60%CF；C4：MF（150）+60%CF；C5：MF（180）+60%CF。

1.3 測(cè)定方法

1.3.1農(nóng)藝性狀測(cè)定 每個(gè)花盆隨機(jī)選取10株進(jìn)行農(nóng)藝性狀測(cè)定，采用直尺法［16］測(cè)定株高（自然高度），采用游標(biāo)卡尺法［16］測(cè)定莖粗（相同位置），采用烘干法［16］測(cè)定生物量。

1.3.2根系形態(tài) 采用LA 2400 scanner型根系掃描儀（Epson Expression 1000 XL，中國(guó)）測(cè)定總根長(zhǎng)、總根表面積和總根體積［17］。

1.3.3營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)測(cè)定 采用凱氏定氮法［18］測(cè)定粗蛋白（crude protein，CP）含量；采用粗脂肪測(cè)定儀（SZF-06A，中國(guó)河北）測(cè)定粗脂肪（ether extract，EE）含量［18］；采用Van Soets法測(cè)定酸性洗滌纖維（acid detergent fiber，ADF）和中性洗滌纖維（neutral detergent fiber，NDF）含量［18］：分別稱(chēng)取1.0 g烘干研磨的過(guò)篩（1 mm）草樣于烘干恒重的聚酯纖維濾網(wǎng)帶中，放入配制好的洗滌液中進(jìn)行測(cè)定。

式中：m為試樣質(zhì)量；m1為濾網(wǎng)袋質(zhì)量；m2為ADF或NDF和濾網(wǎng)袋質(zhì)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 22.0進(jìn)行主成分分析和差異顯著性檢驗(yàn)，采用Excel 2010作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 微生物肥料與化肥減量配施對(duì)垂穗披堿草農(nóng)藝性狀的影響

化肥減量20%和40%與不同劑量微生物肥料配施，第1茬植株莖粗和干草產(chǎn)量均高于第2茬（表1）。MF（90）+80%CF（B2）配施，第1茬和第2茬株高、莖粗、干草產(chǎn)量均最大，其中，第1茬株高、莖粗、干草產(chǎn)量較CK分別提高34.86%、44.83%、3.08%；第2茬株高、莖粗、干草產(chǎn)量較CK分別提高80.43%、66.34%、13.08%，差異顯著（P＜0.05）。

表1 垂穗披堿草農(nóng)藝性狀特征變化Table 1 Changes in agr onomic characteristics of E.nutans

2.2 微生物肥料與化肥減量配施對(duì)垂穗披堿草根系的影響

各處理水平下，植株總根長(zhǎng)均高于CK，且差異顯著（P＜0.05），其中，MF（60）+80%CF（B1）和MF（90）+80%CF（B2）處理，植株總根長(zhǎng)較CK分別提高34.77%和34.61%（圖1）；B2植株總根表面積較CK提高8.66%；植株總根體積呈先增高后降低再逐漸升高的變化趨勢(shì)，MF（120）+80%CF（B3）處理總根體積最大，較CK增加45.54%；地下鮮重與地下干重均呈先升高后降低再緩慢升高的變化趨勢(shì)，植株地下鮮重和地下干重較CK分別提高19.39%和51.04%。

圖1 垂穗披堿草根系的變化特征Fig.1 Root morphological characteristics of E.nutans

2.3 微生物肥料與化肥減量配施對(duì)垂穗披堿草營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響

80%CF和60%CF與不同劑量微生物肥料配施，第1茬植株各指標(biāo)均優(yōu)于第2茬（圖2）。MF（150）+80%CF（B4）處理，第1茬CP含量最高，較CK增加36.09%。MF（120）+80%CF（B3）處理，第2茬CP含量最高，較CK增加25.30%；第1茬和第2茬EE含量均最高，分別較CK增加22.97%和14.61%；第1茬ADF含量較CK降低6.59%。MF（180）+80%CF（B5）處理，第2茬ADF含量較CK降低8.13%。MF（90）+80%CF（B2）處理，第1茬NDF含量最低，較CK降低15.64%。B5處理第2茬NDF含量最低，較CK降低8.88%。

圖2 垂穗披堿草營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)變化特征Fig.2 Var iation of nutritional quality of E.nutans

2.4 主成分分析

2.4.1垂穗披堿草第1茬指標(biāo)間的相關(guān)性 為比較化肥減量配施微生物肥料對(duì)垂穗披堿草生長(zhǎng)的影響，將粗蛋白、粗脂肪、酸性洗滌纖維、中性洗滌纖維、株高、莖粗和干草產(chǎn)量作為因子分析的變量，采用主成分分析綜合評(píng)價(jià)。TS與NDF呈顯著（P＜0.05）負(fù)相關(guān)（表2），ADF與NDF呈極顯著（P＜0.01）正相關(guān)。第1主成分方差貢獻(xiàn)率為40.85%，2個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率為67.65%（表3）。通過(guò)主成分分析計(jì)算不同處理的綜合得分（表4）為：B2＞B3＞CK＞B1＞B4＞C4＞B5＞C1＞C2＞C5＞C3，分析結(jié)果表明，MF（90）+80%CF（B2）處理對(duì)植株生長(zhǎng)最佳。

表2 第1茬各指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)矩陣Table 2 Correlation coefficient matrix of the indices in the first harvest

表3 第1茬主成分分析的特征值與方差貢獻(xiàn)率Table 3 The eigenvalue and variance contribution rate of principal component analysis in the first harvest

表4 第1茬中不同處理各主成分綜合得分及排名Table 4 Compr ehensive scores and r ankings of the pr incipal components of differ ent tr eatments in the fir st har vest

2.4.2垂穗披堿草第2茬指標(biāo)間的相關(guān)性 將粗蛋白、粗脂肪、酸性洗滌纖維、中性洗滌纖維含量和株高、莖粗、干草產(chǎn)量及總根長(zhǎng)、總根表面積、總根體積、地下鮮重、地下干重共12個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析。12個(gè)指標(biāo)因子相關(guān)系數(shù)矩陣（表5）表明，NDF與ADF、PH與TS、PH與UDW和UFW、TRL與TRS呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），ADF與UDW和UFW呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），UDW與UFW呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。第1主成分方差貢獻(xiàn)率為38.75%，4個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)76.52%（表6）。通過(guò)主成分分析綜合得分評(píng)價(jià)，化肥減量配施不同微生物肥料對(duì)植株生長(zhǎng)增效順序?yàn)椋築2＞B1＞B3＞C3＞B5＞C2＞B4＞C5＞C1＞C4＞CK，表明微生物肥料替代部分化肥可促進(jìn)植株生長(zhǎng)，且MF（90）+80%CF（B2）處理對(duì)垂穗披堿草生長(zhǎng)促進(jìn)效果最好（表7）。

表5 第2茬各指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)矩陣Table 5 Cor relation coefficient matrix of the indices in the second har vest

表6 第2茬主成分分析的特征值與方差貢獻(xiàn)率Table 6 The eigenvalue and variance contribution rate of principal component analysis in the second har vest

表7 第2茬中不同處理各主成分綜合得分及排名Table 7 Compr ehensive scor es and r ankings of the pr incipal components of different tr eatments in the second har vest

3 討論

3.1 微生物肥料與化肥減量配施對(duì)垂穗披堿草農(nóng)藝性狀的影響

株高、莖粗和生物量是評(píng)價(jià)植株生長(zhǎng)狀況的重要表觀現(xiàn)象［19］。本研究通過(guò)化肥減量配施不同劑量微生 物 肥 料 發(fā) 現(xiàn)，80%CF（240 kg·hm-2）配 施90 kg·hm-2MF可明顯增加株高、莖粗、干草產(chǎn)量，其中，第1茬株高、莖粗和干草產(chǎn)量較CK分別提高34.86%、44.83%和3.08%，第2茬株高、莖粗和干草產(chǎn)量較CK分別提高80.43%、66.34%、13.08%，且第2茬比第1茬提高幅度大，可能原因是受促生菌在根際定殖位置、定殖時(shí)長(zhǎng)及作用機(jī)理的影響，因?yàn)椴糠执偕⒉皇侵苯訉?duì)植物起作用，而是通過(guò)自身產(chǎn)生的次級(jí)代謝產(chǎn)物起間接性作用或?qū)⑼寥鲤B(yǎng)分轉(zhuǎn)化為中間產(chǎn)物，植物再通過(guò)其他途徑吸收利用養(yǎng)分。劉慶豐等［20］研究發(fā)現(xiàn)，枯草芽孢桿菌XF-1在白菜（Brassica pekinensis）根部定殖量呈先降低后上升再降低的變化趨勢(shì)，當(dāng)促生菌與宿主植物相互適應(yīng)時(shí)此變化才趨于穩(wěn)定，同時(shí)Chen等［21］發(fā)現(xiàn)芽孢桿菌（Bacillus）JM-1128在棉花（Gossypium）上7 d內(nèi)定殖量顯著下降，而7～21 d內(nèi)定殖量下降緩慢。因此，促生菌定殖過(guò)程十分復(fù)雜，受根系分泌物、植物生長(zhǎng)狀況、細(xì)菌趨化性［22］、細(xì)菌營(yíng)養(yǎng)型［23］、土壤水分、透氣性及酸堿度等生物和非生物因素影響，這些因素可影響微生物肥料促生效果。

3.2 微生物肥料與化肥減量配施對(duì)垂穗披堿草根系的影響

根際是微生物肥料發(fā)揮作用的場(chǎng)所，其中最主要的部分是植物根系，它是養(yǎng)分循環(huán)利用的主要通道，起固定植物的關(guān)鍵作用［24］。本研究發(fā)現(xiàn)，化肥減量20%和40%配施微生物肥料，垂穗披堿草總根長(zhǎng)、總根表面積、總根體積及根系生物量較CK高，80%CF（240 kg·hm-2）配施90 kg·hm-2MF，其總根長(zhǎng)、總根表面積較CK提高了34.61%和8.66%；80%CF（240 kg·hm-2）配施120 kg·hm-2MF，其總根體積、根系鮮重和根系干重分別較CK提高了45.54%、19.39%和51.04%。陳香碧等［25］研究發(fā)現(xiàn)，在干濕交替的稻田土壤中，化肥減量使水稻（Oryza sativa）根長(zhǎng)密度、根重密度、根表面積、根活性吸收面積和根系氧化能力比全化肥處理大幅度增加（約40%），有利于水稻良好根系形態(tài)的形成。本研究還發(fā)現(xiàn)，隨微生物肥料劑量增大，根系各指標(biāo)降低，原因可能是大劑量微生物肥料與化肥配施或施用肥料過(guò)量會(huì)對(duì)植物根系產(chǎn)生毒害作用，因此，施肥量超出適宜范圍不僅未起到促進(jìn)根系生長(zhǎng)的作用，甚至?xí)种聘嫡ＩL(zhǎng)發(fā)育；另外，促生菌會(huì)大量定殖在根系表面且快速繁殖，生長(zhǎng)到一定程度形成一層菌膜包裹在根系表面，進(jìn)而影響根系透氣性，抑制根系呼吸作用，同時(shí)一些促生菌生長(zhǎng)繁殖過(guò)程中會(huì)與根系爭(zhēng)奪營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，這些原因可能會(huì)導(dǎo)致根系生長(zhǎng)受限。

3.3 微生物肥料與化肥減量配施對(duì)垂穗披堿草營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響

粗蛋白、粗脂肪、酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維均是牧草重要的營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)［26］。本研究發(fā)現(xiàn)，微生物肥料對(duì)垂穗披堿草營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)積累具有促進(jìn)作用，在其第1茬生長(zhǎng)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，化肥減量配施微生物肥料后，植株CP和EE含量隨微生物肥料劑量增加呈先上升后下降的變化趨勢(shì)，ADF和NDF含量隨微生物肥料劑量增加呈下降趨勢(shì)。Yanni等［27］從水稻根際分離出聯(lián)合固氮細(xì)菌（Rhizobium leguminosarumbv.trifolii）并接種于水稻，發(fā)現(xiàn)顯著增加了水稻CP含量收獲指數(shù)。韓華雯等［28］研究發(fā)現(xiàn)，單施固氮菌肥或施用固氮（或溶磷）菌肥+半量化肥，能使燕麥（Avena sativa）各生育期CP和EE含量顯著提高，菌肥+半量化肥使燕麥NDF和ADF含量降低。同時(shí)本研究發(fā)現(xiàn)，80%CF配施90和120 kg·hm-2MF后，牧草生育期可提前7 d左右，根據(jù)李菲菲等［29］研究發(fā)現(xiàn)，牧草營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)隨生育期呈先上升后降低趨勢(shì)，本研究結(jié)果與其一致，因此，微生物肥料可縮短垂穗披堿草生育期這一發(fā)現(xiàn)對(duì)解決高寒地區(qū)因氣候條件而不能滿(mǎn)足作物正常生長(zhǎng)發(fā)育這一問(wèn)題有較為重要的研究?jī)r(jià)值和實(shí)際意義，后續(xù)需進(jìn)行深入研究。研究還發(fā)現(xiàn)垂穗披堿草第2茬營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)顯著低于第1茬，原因可能是本試驗(yàn)采用盆栽方式進(jìn)行，可供牧草生長(zhǎng)的空間和所含養(yǎng)分有限，牧草生長(zhǎng)到第2茬時(shí)養(yǎng)分缺失。

4 結(jié)論

1）化肥減量配施微生物肥料對(duì)垂穗披堿草的生長(zhǎng)促進(jìn)效果顯著，且第1茬促生效果優(yōu)于第2茬。2）通過(guò)主成分分析綜合評(píng)價(jià)結(jié)果表明，80%化肥（240 kg·hm-2）配施微生物肥料（90 kg·hm-2）對(duì)促進(jìn)垂穗披堿草生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的積累效果最顯著，是最佳肥料量配比。