微生物菌肥對不同連作土壤及煙株生長的影響

崔欣格 王瑞 趙昊 趙銀龍 王穎斌 代曉燕 徐淑霞

摘要：為研究施加微生物菌肥對不同連作年限植煙土壤的影響，選擇連作2 年和連作4 年的植煙土壤，以常規(guī)施肥為對照，分析微生物菌肥對不同連作年限土壤理化性質、土壤酶活、土壤細菌群落結構及煙草農藝性狀的作用。結果表明，不同連作年限植煙土壤中施加微生物菌肥，與常規(guī)施肥相比，菌肥顯著提高了土壤的pH值及有機質、堿解氮和速效磷含量；顯著提升了土壤脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性；顯著提升了土壤細菌群落豐富度與多樣性；顯著改善了煙草根長、莖長、葉長等農藝性狀，且均為高劑量組的提升效果顯著優(yōu)于低劑量組。綜上，不同連作年限植煙土壤在土壤酶活性、土壤細菌群落結構及煙草農藝性狀方面存在顯著差異，施加微生物菌肥能夠顯著提升土壤理化性質、土壤酶活性、土壤細菌群落結構及煙草農藝性狀；高劑量菌肥組提升效應優(yōu)于低劑量組；菌肥對連作4年植煙土壤的改善效果整體優(yōu)于對連作2年植煙土壤的改善效果。

關鍵詞：微生物菌肥；煙草連作；土壤酶活性；煙草農藝性狀；土壤細菌群落

中圖分類號：S572.06? 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2023）13-0240-06

作為世界上最大的煙草生產國，我國有著悠久的煙草種植歷史［1］。河南地處中原，是重要的濃香型煙葉產區(qū)［2］，2018年煙草種植面積約4.7萬hm2［3］。煙草業(yè)的發(fā)展對農業(yè)經濟產生了積極影響，作為重要的經濟作物，煙草產量高低和品質好壞與經濟效益密切相關［4］。土壤是作物生長的基礎介質，土壤肥力及施肥方式是影響煙葉產量和品質的重要因素之一［5］?，F(xiàn)代化農業(yè)由于常年連續(xù)施用化學肥料，導致土壤酸化板結以及鹽基離子嚴重流失，進而使得土壤貧瘠，影響作物生長［6］。同時由于土地資源相對不足及對經濟效益的追求，實際煙草種植往往會出現(xiàn)不同程度的連年耕作現(xiàn)象［7］。煙草作為一種忌連作作物［8］，長期連作會導致煙株生長速度緩慢、煙株矮小、煙葉成熟度差和煙葉質量下降［9］，同時會破壞土壤養(yǎng)分［10］、降低土壤酶活性及改變土壤微生物群落結構等［11-12］。針對煙草生產栽培中出現(xiàn)的問題，對肥料進行改良具有重要意義［4］。

微生物菌肥具有提高土壤肥力、增加土壤有益菌群、促進作物生長和提升作物產量等功能［13］。大量研究表明，施加微生物菌肥能夠在維持產量的基礎上顯著提升土壤肥力及農產品的品質［14-17］?，F(xiàn)階段對于微生物菌肥的研究主要集中在對作物的促生作用上，而對于不同連作年限的土壤理化性質、土壤酶活性及對土壤微生物群落的影響鮮有報道。鑒于此，本研究選擇不同連作年限的植煙土壤為研究對象，通過施加微生物菌肥，探究菌肥對植煙土壤肥力和煙株生長的作用，旨在為豫中煙區(qū)土壤改良、緩解煙草連作障礙及促進煙草種植業(yè)健康發(fā)展提供有效參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況和試驗材料

試驗于2021年3—9月在河南省洛陽市宜陽縣某煙草產區(qū)（34°63′ N，112°11′ E，海拔380 m）進行。選擇連作2 年和連作4 年的試驗田，土壤種類均為黃土。供試煙草品種為秦煙96，由河南省宜陽縣煙草局提供。試驗所用基肥購自洛陽市啟禾生態(tài)農業(yè)科技有限公司，其氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）總含量為5%，有機質含量為45%。試驗所用微生物菌肥主要成分為枯草芽孢桿菌、膠凍樣芽孢桿菌和地衣芽孢桿菌等，有效活菌數(shù)≥2.0×108 CFU/g，由北京中航華夏本農農業(yè)科技發(fā)展有限公司提供。

1.2 大田試驗設置

試驗田共0.8 hm2，其中連作2年土壤 0.4 hm2、連作4年土壤0.4 hm2。試驗田采用隨機區(qū)組設計試驗，小區(qū)邊設2行保護行，共設置6個處理（表1）。其中，2021年3月24日采用條施法施加基肥、穴施法施加微生物菌肥，基肥 3 000 kg/hm2，低劑量菌肥600 kg/hm2，高劑量菌肥1 200 kg/hm2；2021年5月7日移栽秦煙96煙苗（行距120 cm、株距60 cm）；2021年6月17日團棵期取樣；2021年7月2日旺長期取樣；2021年7月17日現(xiàn)蕾期取樣；2021年8月1日圓頂期取樣；2021年8月16日采收中部煙葉。其他田間管理措施同洛陽優(yōu)質煙葉栽培標準生產相一致。

1.3 土壤樣品預處理

每個處理采集20 株煙株，用抖根法收集煙株根際表面土壤，將采集到的土樣混勻，放入冰盒中快速運送到實驗室待測。實驗室內將土壤樣品過 2 mm 篩后，分成2 份，一份風干后保存，用于測定土壤的理化性質；另一份于4? ℃條件低溫密封保存，用于測定土壤酶活性。

1.4 測定方法

1.4.1 土壤理化性質指標測定 土壤理化性質參照相關標準方法［18］測定。

1.4.2 土壤酶活性測定 土壤過氧化氫酶（CAT）活性采用高錳酸鉀滴定法測定，土壤脲酶（UE）活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定，土壤酸性磷酸酶（ACP）活性采用磷酸苯二鈉比色法測定，土壤蔗糖酶（SC）活性采用硝基水楊酸比色法［19］測定。

1.4.3 土壤細菌群落結構測定 采用Omega試劑盒提取土壤總DNA，提取產物送至北京擎科生物科技股份有限公司檢測。通過Illumina NovaSeq平臺測序，分析土壤細菌群落豐富度及多樣性。

1.4.4 煙草農藝性狀指標測定 按照YC/T 142—2010《煙草農藝性狀調查測量方法》測定煙株根長（cm）、莖長（cm）、葉長（cm）和有效葉片數(shù)（張），用天平稱量總鮮質量（g）及總干質量（g）。

1.4.5 數(shù)據(jù)分析 使用 Excel 2019、SPSS 25.0、Origin 2019和Adobe illustrator進行數(shù)據(jù)處理與制圖。

2 結果與分析

2.1 微生物菌肥對不同連作年限下土壤理化性質的影響

由表2可知，與CK1相比，微生物菌肥顯著提升了連作2 年植煙土壤的pH值及有機質、堿解氮和速效磷含量；高劑量組T2的提升效應較低劑量組T1更顯著，其中T2處理的土壤pH值及有機質、堿解氮、速效磷含量較CK1分別提高15.44%、22.53%、11.84%、11.31%。與CK2相比，微生物菌肥顯著提升了連作4 年植煙土壤的pH值及有機質、堿解氮、速效磷和腐殖酸的含量；高劑量組T4的提升效應較低劑量組T3更顯著，其中T4處理的土壤pH值及有機質、堿解氮、速效磷、腐殖酸含量較CK2分別提高18.97%、25.64%、17.08%、2.84%、7.41%。以上結果表明，不同劑量微生物菌肥對不同連作年限植煙土壤理化性質均影響顯著，高劑量組顯著優(yōu)于低劑量組；菌肥對連作4 年植煙土壤理化性質的提升效果優(yōu)于對連作2 年植煙土壤的提升效果。

2.2 微生物菌肥對不同連作年限下土壤酶活性的影響

土壤脲酶（圖1-A）活性隨著煙草生長階段發(fā)生變化，在現(xiàn)蕾期達到最高值，各時期CK2的脲酶活性均顯著高于CK1。不同連作年限植煙土壤中施加微生物菌肥均能顯著提升脲酶活性，連作2 年植煙土壤中高劑量T2較低劑量T1提升效果顯著，連作4 年植煙土壤中低劑量T3較高劑量T4提升效果顯著，微生物菌肥對連作4 年植煙土壤脲酶活性的提升效果整體顯著優(yōu)于對連作2 年植煙土壤脲酶活性的提升效果。土壤蔗糖酶（圖1-B）活性和土壤過氧化氫酶（圖1-C）活性隨著煙草生長周期的延長而增加。不同連作年限植煙土壤中，蔗糖酶活性均隨著菌肥添加量的增加而提高。成熟期T1和T2處理的蔗糖酶活性較CK1顯著提升29.22%和37.11%；T3和T4處理較CK2顯著提升29.59%和36.76%。過氧化氫酶活性在不同劑量微生物菌肥處理下均無顯著變化。土壤酸性磷酸酶（圖1-D）活性在煙草生長的現(xiàn)蕾期達到最低值，微生物菌肥的加入顯著提高了土壤酸性磷酸酶活性，成熟期T1和T2處理的酸性磷酸酶活性較CK1提升44.60%和58.11%，T3和T4處理較CK2提升44.05%和57.14%。以上結果表明，微生物菌肥能夠顯著提升土壤脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性。

2.3 微生物菌肥對不同連作年限下土壤細菌群落的影響

由表3可知，CK1的豐富度指數(shù)Chao1指數(shù)較CK2由507.59提升至549.32，顯著增加8.22%；CK1的多樣性指數(shù)Shannon指數(shù)較CK2由3.4提升至4.18，顯著增加22.94%。不同連作年限植煙土壤中施加微生物菌肥均能顯著提升土壤細菌群落豐富度與多樣性，其中T2處理的Chao1指數(shù)、Shannon指數(shù)較CK1分別顯著提升5.10%、22.01%；T4處理的Chao1指數(shù)、Shannon指數(shù)較CK2分別顯著提升8.79%、45.00%。以上結果表明，連作2 年植煙土壤的細菌群落豐富度與多樣性顯著高于連作4 年植煙土壤，施加微生物菌肥可以顯著提升植煙土壤中細菌群落豐富度與多樣性，其中菌肥對連作4 年植煙土壤細菌群落豐富度與多樣性的提升效果顯著優(yōu)于對連作2年植煙土壤細菌群落豐富度與多樣性的提升效果。

由圖2可知，6個處理中相對豐度最高的細菌門為疣微菌門（Verrucomicrobia）、厚壁菌門（Firmicutes）、變形菌門（Proteobacteria）和擬桿菌門（Bacteroidetes）。T1、T2處理與CK1相比，厚壁菌門相對豐度分別增長123.48%和159.24%；T3、T4處理與CK2相比，厚壁菌門相對豐度分別增長6.78%和24.21%。T2處理顯著降低了疣微菌門的相對豐度，與CK1相比降低79.72%。這表明施加微生物菌肥顯著改變了植煙土壤的優(yōu)勢菌門的相對豐度。

2.4 微生物菌肥對不同連作年限下煙草采烤期農藝性狀的影響

由表4可知，CK1較CK2在煙草莖長、葉長、有效葉片數(shù)、總干質量和總鮮質量方面分別顯著提高22.23%、4.21%、22.64%、25.78%和12.20%。不同連作年限土壤中施加不同劑量微生物菌肥對煙草農藝性狀影響顯著，其中T2處理較CK1根長、莖長、葉長、總鮮質量和總干質量分別顯著提升21.82%、4.49%、8.03%、28.70%和24.03%；T4處理較CK2根長、莖長、葉長、有效葉片、總鮮質量和總干質量分別顯著提升29.10%、19.75%、5.91%、20.71%、25.23%和26.61%。以上結果表明，不同連作年限煙草農藝性狀存在顯著差異，施加微生物菌肥能夠顯著改善煙株農藝性狀，高劑量組較低劑量改善效果更顯著；微生物菌肥對連作4 年植煙土壤的煙草農藝性狀的提升效果優(yōu)于對連作2年植煙土壤的煙草農藝性狀的提升效果。

3 討論

煙草屬茄科旱地栽培作物，長年連作會阻礙煙草正常生長［20］。長期連作使得土壤中植株生長必需元素長期處于匱乏狀態(tài)，進而導致土壤理化性質惡劣、土壤酶活性改變，造成作物的生長發(fā)育障礙［21］。張翔等研究認為，連作造成土壤的堿解氮、速效磷、速效鉀含量以及土壤的pH值發(fā)生改變［22］；孫冰玉等的研究表明某地區(qū)長期連續(xù)種植烤煙會造成土壤的有效養(yǎng)分出現(xiàn)不同程度的降低或升高，導致養(yǎng)分比例失調［23］。本研究表明，不同連作年限植煙土壤的土壤酶活性及土壤細菌群落結構存在顯著差異，連作2 年植煙土壤與連作4 年植煙土壤相比，土壤脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性顯著提高，土壤微生物群落豐富度與多樣性顯著提升，這也表明連作會顯著改變土壤酶活性與土壤細菌微生物群落結構，連作年限越長抑制效應越明顯。

土壤微生物在土壤有機質的降解、土壤主要養(yǎng)分（C、N、P、S）的循環(huán)中扮演重要角色，對作物的健康生長至關重要［24］。微生物能夠分解或者代謝土壤中的有機質及腐殖酸，提高土壤養(yǎng)分的有效性［25-26］；微生物能夠改善根部有益菌群數(shù)量同時刺激植物生長［27］；微生物能夠產生糖類等次生代謝產物，與土壤結合在一起形成團聚體，減少土壤有機質的損失，增加土壤保水保肥的能力［28］。本研究表明，不同連作年限植煙土壤中施加微生物菌肥均能顯著提升土壤微生物群落豐富度與多樣性，提升效應隨著劑量的增加而顯著增加，微生物菌肥對連作4 年植煙土壤的提升效果優(yōu)于對連作2年植煙土壤的提升效果。

陳玉國等的研究表明施加沃益多菌肥能顯著改善煙株的農藝性狀，提高煙葉的質量和產值［29］；韓相龍等的研究表明施用解淀粉芽孢桿菌顯著改善土壤理化性質的同時增加了土壤速效養(yǎng)分含量［30］；葉樹強等的研究表明施加森度微生物菌肥能顯著促進煙草的生長及提升煙葉產量［31］；舒照鶴等的研究表明施用恩格蘭微生物菌肥能有效促進煙苗早發(fā)［32］；徐宗昌等的研究表明枯草芽孢桿菌、側孢芽孢桿菌、放線菌、擬康氏木霉菌、蘇云金桿菌等復合菌群能有效促進煙草的生長發(fā)育［33］。本研究表明，不同連作年限植煙土壤中施加微生物菌肥均能顯著改善煙草根長、莖長、葉長、有效葉片、總鮮質量和總干質量等農藝性狀，改善效應隨劑量增加而顯著增加。本研究為豫中煙區(qū)土壤改良及緩解煙草連作障礙做出了有益探索，但關于微生物菌肥施加后對土壤肥力的改良機制仍需進一步深入探討。

4 結論

在連作2 年和連作4 年的植煙土壤中施加不同劑量的微生物菌肥，研究結果表明不同連作年限植煙土壤在土壤酶活性及細菌群落結構方面存在顯著差異，施加微生物菌肥能夠顯著提升土壤理化性質、土壤酶活性及細菌群落豐富度與多樣性，高劑量菌肥提升效應顯著優(yōu)于低劑量菌肥組，微生物菌肥對連作4 年植煙土壤的改良效果整體優(yōu)于對連作2年植煙土壤的改良效果。

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