黄腐酸菌肥与常规肥料配比对西北旱作区马铃薯根系形态及土壤酶活性的影响

李亚杰，罗 磊，姚彦红，王 娟，李丰先，李城德，边彩燕，董爱云，刘惠霞，马 瑞，李德明

(1.定西市农业科学研究院，甘肃 定西 743000；2.甘肃省马铃薯工程技术研究中心，甘肃 定西 743000； 3.甘肃省农业技术推广总站，甘肃 兰州 730020)

0 引 言

马铃薯为西北干旱与半干旱地区的主要种植作物，对土壤肥力要求较高，其生长主要靠初生根和匍匐根系进行营养物质的吸收与运输，根系生长的健康状况直接影响马铃薯的产量，但是由于区域环境气候特点，西北部干旱少雨，长年连作和化肥的使用导致地力衰竭，土壤板结，有机质含量降低，病虫害增多，所以提高土壤肥力，减少化肥施用量，增施绿色有机肥料，增强马铃薯根系吸收活力是应对土壤干旱、土壤肥力降低及提高马铃薯产量的主要措施之一。

黄腐酸(Fulvic acid，FA)是从天然腐殖质中提取的一种能溶于酸、碱和水的植物生长调节剂，分子量小，容易被植物所吸收。黄腐酸微生物菌剂是富含功能性微生物和黄腐酸的活菌制剂，由有益微生物发酵而成，生物活性较强，能促进植株形态发育，提高多种合成酶活性和叶绿素含量，增加光合作用和效率，增强土壤微生物活性，对农作物具有增产、提质及增强抗逆性的作用[1-2]，已经广泛应用在多种作物种植上[3-6]。根系是支撑植物地上部生长发育的重要组成部分，也是植物地下部活跃的代谢中心，连接植物地上部与土壤水分和养分的桥梁。根系除了可以从土壤中吸收水分和无机养分，并通过根的微管组织运输和转运到地上部之外，还可以将地上部合成的光合产物等有机物输送到根的各部位，其生长发育是一个非常复杂的过程。如果根系受到了逆境胁迫，则必然会影响植株地上部分的生长[7-8]。

有关试验已经证明喷施黄腐酸可降低植株叶片的蒸腾速率，促进根系发育，增强根系活力，从而提高其抗旱能力[9]。在马铃薯生产上，施用的黄腐酸类型较多，黄腐酸颗粒与水溶液的使用较为广泛，对于黄腐酸微生物菌肥来说，目前使用较少。在贵州省毕节市有关黄腐酸微生物菌剂对马铃薯原原种生产的实际测产数据分析表明[10]，在常规施肥作对照的条件下，增施嘉有生命源黄腐酸微生物菌剂的试验田相比常规施肥田增产效果明显，而且还可提高马铃薯种薯的商品性。本试验旨在探索陇中旱作区环保型肥料黄腐酸微生物菌肥作为底肥对马铃薯根系及土壤酶活性的影响，减少马铃薯种植户对肥料选择的盲目性和过度施肥，为实现地区马铃薯绿色、稳产、增效提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

参试品种为“陇薯6号”，种薯级别为原种。在甘肃省中部地区大面积种植，具有产量高、抗晚疫病、稳定性好及综合性状表现突出等特点。

供试黄腐酸肥料为嘉有黄腐酸微生物菌剂(黄腐酸≥20%，有机质≥45%，巨大芽孢杆菌+胶冻样类芽孢杆菌≥1亿·g-1)，来源于山东泉林嘉有肥料有限责任公司。

常规肥料为撒可富复合肥(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15，50 kg)。

1.2 试验地概况

试验地位于甘肃省定西市农业科学研究育种基地内(34°45′N,103°55‴E)，海拔1 920 m，年均辐射592.9 kJ·cm-2，年均气温6.4 ℃，≥10 ℃积温2 239.1 ℃，年降雨量415.2 mm，年蒸发量1 530 mm，土壤类型为黄绵土，土壤有机质20.90 g·kg-1，速效氮20.4 mg·kg-1，速效磷36.5 mg·kg-1，速效钾115.3 mg·kg-1，前茬作物为马铃薯，肥力中等。

1.3 试验设计

2016年4月23日播种，10月9日收获；2017年4月16日播种，10月5日收获，采用露地平作，出苗后起垄播种方式，生育期内平均温度与降雨量如图1所示。2016-2017年均在同一块试验田种植。

试验采用随机区组排列，5个处理，3次重复，种植行长5.6 m，行距0.7 m，每行20株，株距0.28 m，每小区5行种植马铃薯100株，小区面积(3.5×5.6)20 m2。

试验共设5个施肥处理，即常规复合肥1 200 kg·hm-2(T1)，T1+420 kg·hm-2黄腐酸菌肥(T2)，70%T1+420 kg·hm-2黄腐酸菌肥(T3)，70%T1+300 kg·hm-2黄腐酸菌肥(T4)和 不施肥(CK)。

图1 2016-2017年马铃薯生育期内降雨量与温度情况Fig.1 Local precipitation and average temperature during potato growth stage in 2016-2017

1.4 调查记载

根系形态指标用加拿大产Win RHIZOTM2009根系扫描与分析系统测定；根系活力测定用氯化三苯基四氮唑(TTC)法[11]。

在马铃薯苗期、块茎形成期、块茎膨大期、成熟期及收获期采集植株样品，每小区5株，选好植株后，在离植株30 cm处用铁锹挖100 cm深的剖面，然后用水冲洗出整株植株，用剪刀将根系剪下并冲洗干净，将地上和地下部分别装入冰盒带回实验室用于根系形态指标和根系活力的测定。成熟期对各小区块茎产量进行实测计产。

产量：收获全部马铃薯薯块进行称重。

干物质：恒温烘干法，马铃薯收获期采集植株样品进行考种，将植株用清水洗干净后称量植株的鲜重，然后放在105 ℃下烘2 h后，在85 ℃温度下烘12 h至恒重时称重。

土壤样品采集在2016-2017年马铃薯收获时进行，采用五点取样法，在靠近植株根系处进行，采样深度0～20 cm。新鲜土样置于4 ℃冰箱中，测定土壤生化性质。

土壤蔗糖酶、脲酶活性采用风干土样测定，脱氢酶活性采用新鲜土样测定，测定结果全部以干基计算。土壤酶活性测定参考李振高等[12]的方法。

1.5 数据分析

采用Microsoft Excel 2010对数据进行整理，采用新复极差法对各处理马铃薯试验数据进行多重比较。用OriginPro 9.0和Graphpad prism 6.0作图。

2 结果分析

2.1 不同施肥处理对马铃薯根系形态及根系活力的影响

图2反映了不同施肥处理对马铃薯根系形态及根系活力的不同影响。在2016-2017年中，5个施肥处理对马铃薯根系长度的作用效果大小为T3>T2>T4>T1>CK(图2)。

在2016-2017年间，在马铃薯根系长度变化中可观察到马铃薯生育期达到50 d之后根系长度增长加快，T1处理下马铃薯根系长度未出现快速增长现象。T3处理根系增长幅度相对其它处理最显著，在110 d中比T1处理分别增长45.2%和57.0%，比对照CK处理分别增长81.8%和92.2%；T2与T4处理马铃薯根系长度增长幅度差异不大，但相比T1处理有较快增长；T2处理比T1处理分别增长30.3%和44.0%，T4处理比T1处理分别增长13.3%和20.7%，而且比对照CK处理具有较快增长。

根系体积的大小为T3>T2>T4>T1>CK，在2016-2017两年间，T3处理下的根系体积在不同生育期相对其它处理增长显著，在110 d，相对T1处理分别增长52.1%和52.8%，比对照CK分别增长121%和131%。

根系数量决定作物吸收水分的能力，马铃薯根系越多从土壤周围吸收水分的能力越强，蒸腾拉力增强，从而提高植株的光合作用，有利于光合产物的运输积累。配施菌肥处理相比单施复合肥(T1)和不施肥处理(CK)增长幅度显著，与对照CK相比，所有施肥处理均能增加根系数量，T3与T2处理下的根系数量显著高于其他处理(图2)。在110 d，2016年和2017年T3处理相比T1处理分别增长54.6%和72.7%，T2处理相比T1处理分别增长28.4%和49.4%；与对照CK相比，T3与T2处理的根系数量两年分别增长100%和119%及66.4%和89.1%。2017年，T1与T4处理下的根系数量相比上一年的根系数量出现不同程度下降。

根系活力作为反映根系吸收运输能力的主要指标，其大小关系到植株地上部与地下部的长势。各处理在30～70 d之间的根系活力增长幅度较大，其中，T3处理下根系活力保持较高值，在90 d之后，根系活力增长逐渐平缓(图2)。T2处理的根系活力高于其它处理，但低于T3处理，T4处理下的根系活力高于T1与CK处理。在70 d左右，2016年和2017年T3与T2处理下的根系活力比T1处理分别增长22.9%和27.3%，20.6%和21.5%，比对照CK处理分别增长26.3%和38.9%，20.5%和36.3%。在90 d，T3与T2处理下根系活力增长比较平缓，T1与T4处理出现下降趋势。2016年和2017年T3与T2处理下的根系活力比T1处理分别增长19.7%和23.0%，13.5%和15.7%，比对照CK处理分别增长25.3%和35.1%，18.8%和25.6%。

2.2 不同施肥处理对马铃薯干物质积累的影响

在2016-2017年中，马铃薯地上部干物质在30～90 d之间大幅度增长，其中T3处理地上部干物质比T1处理及CK处理增加幅度最大，90 d之后，随着马铃薯的生育期逐渐达到成熟期，T3与T2处理下的地上部干物质继续增加，T1与T4处理下的地上部干物质出现下降(图3)。

2016-2017年，地下部干物质在各处理下均有增长，同其它处理相比，T3与T2处理在70 d后增加幅度较大，其中，在110 d，T3处理下的地下部干物质比T1处理分别增加77.2%和96.7%，比CK处理分别增加220%和273%。

2.3 不同施肥处理对马铃薯产量的影响

不同肥料组合对马铃薯的产量会产生一定影响，在2016-2017年中，马铃薯产量大小为T3>T2> T4>T1>CK(图4)。

2016年，T3、T2和T4处理马铃薯产量比T1处理分别增加8 054 kg·hm-2、7 563 kg·hm2和3 059 kg·hm2，增产幅度为11.1%～29.1%，T3处理相对T1处理增长幅度最高。T1、T2、T3和T4处理马铃薯产量与对照CK相比，极显著增加了43.3%～84.9%(P<0.01)，其中T3处理的马铃薯产量为35 719 kg·hm-2，与对照CK相比极显著增加84.9%(P<0.01)，T2与T3处理差异不显著。

在2017年，T3、T2和T4处理的马铃薯产量相比T1处理分别增加13 267 kg·hm-2、11 168 kg·hm-2、4 776 kg·hm-2，增产幅度为19.6%～54.5%。在2017年，各施肥处理与对照CK相比增长幅度达到40.6%～117%，且各处理马铃薯产量均极显著高于对照CK(P<0.01)。与2016年产量相比，T3与T2处理产量均有小幅度增长。

2.4 不同施肥处理对土壤酶活性的影响

在2016-2017年，脲酶活性、蔗糖酶活性和脱氢酶活性在T3处理下保持较高的稳定性(图5)。2016年，T3处理下脲酶活性极显著高于其它处理(P<0.01)。2017年T3与T2处理下的脲酶活性高于2016年，连续种植第2年土壤酶活性仍然保持较高值，微生物菌剂对土壤酶活性具有促进作用，T1、T4和CK处理下的脲酶活性低于2017年测定值。

注：不同小写字母表示处理间差异在0.05水平上显著，不同大写字母表示处理间差异在0.01水平上显著。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.图4 不同施肥处理对马铃薯产量影响Fig.4 Effects of different fertilization treatments on potato yields in 2016 and 2017

2016年T3与T2处理下的蔗糖酶活性差异不显著，但与T1、T4、CK处理差异达到极显著水平(P<0.01)，且T3与T2处理下的蔗糖酶活性低于2017年的蔗糖酶活性。2016年，T1、T4和CK处理下的蔗糖酶活性值分别为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处理下的蔗糖酶酶活性值分别为221 mg(glucose)g-1·h-1、313 mg(glucose)g-1·h-1、169 mg(glucose)g-1·h-1，与2016年相比分别下降13.3%、2.4%和17.0%。

2017年T3处理下的脱氢酶活性与T2、T4处理下差异不显著，与T1、CK差异达到极显著水平(P<0.01)。T2、T3和T4处理下的脱氢酶活性值分别为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处理下脱氢酶活性值最高，与2016年相比，分别增加了4.3%、5.6%和3.3%。

图5 不同施肥处理对土壤酶活性的影响Fig.5 Effects of different fertilization treatments on soil enzyme activities in potato field

3 结果与讨论

在2016-2017年的试验中，通过各指标的测定结果显示，黄腐酸菌肥与常规肥料配比对马铃薯的根系形态、干物质、产量及土壤酶活性均产生不同影响。黄腐酸菌肥与马铃薯复合肥的结合施用相比单施复合肥及不施肥料能够显著改善马铃薯的根系生长状况，提高根系活力及土壤酶活性，增加马铃薯的产量，降低化肥的使用量。

黄腐酸属于一种能溶于酸、碱和水的植物生长调节剂，最大特点是属于环保型无污染肥料，能够改善土壤结构，维持土壤的基本功能，黄腐酸有机肥在修复保护土壤方面效果优于马铃薯专用复合肥[13]。黄腐酸微生物菌肥中含有大量枯草芽孢杆菌，接种土壤可迅速繁殖，维持根系活力，使病原菌丧失生存空间和条件，有效防治土壤中病害的传播。本试验的根系活力在生育期90 d之后，可观察到T3与T2处理下根系活力平缓增长，而T1与T4处理下的根系活力值出现下降，结果表明，黄腐酸菌肥与复合肥的合理配施能够维持根系活力，保证根系的营养吸收。

王官茂[14]等应用嘉有黄腐酸生物有机肥及黄腐酸水溶肥料在马铃薯基地5个不同种植圈进行田间试验，以常规肥料为对照，研究结果表明，马铃薯产量较对照增加15.6%～22.8%，商品薯率较对照增加11.0%左右，施用黄腐酸可以增加马铃薯产量并提高商品薯率。本研究结果与前人研究结果一致，常规复合肥与菌肥的配施相比常规肥料能够显著增加马铃薯产量，其中，T3处理增长幅度最大，与其它处理差异达到极显著水平。

土壤中有多种酶，其中，脲酶活性作用于线型酰胺的C-N键的水解酶，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，它对增加土壤中易溶性营养物质起着重要作用[16]。土壤脱氢酶属于氧化还原酶系，反映土壤微生物新陈代谢的整体活性，可作为微生物氧化还原能力的指标[16]。王梦雅[17]研究发现配施菌肥不仅能显著提高土壤有机碳和速效养分含量，还能够增加土壤微生物功能多样性以及酶活性，从而提高土壤肥力。本研究取得了相似的结果。T3处理明显增加了土壤脲酶活性、蔗糖酶活性和脱氢酶活性，由于黄腐酸菌肥中枯草芽孢杆菌的施入，在土壤中形成优势菌群，控制作物根际营养，维持土壤活性，促进土壤中碳氮的转化和土壤代谢，增强土壤微生物的活性，提高根系活力，促进根系发育，增加根系数量，促进干物质积累。

马铃薯连作障碍问题日益凸显，长年连作增加土壤的土传病害，导致产量和品质大幅下降[18]，严重阻碍了马铃薯产业的健康、高效和可持续发展[10]。有关研究[19-20]证明，黄腐酸特有的调节成分能够作为一种土壤改良修复剂，改善多年连作给土壤带来的危害。回振龙[19]等研究了黄腐酸水溶肥料对连作马铃薯幼苗生长发育、块茎营养和抗性生理的影响。结果表明，黄腐酸处理减轻了连作所造成的生理障碍，从而提高了马铃薯幼苗对连作障碍的抗性，促进了连作马铃薯的生长发育，改善了马铃薯块茎营养。在马铃薯原原种生产上[21]，黄腐酸微生物菌剂与常规施肥配合施用作底肥，可促进马铃薯根系的生长发育，茎秆粗壮，植株长势旺盛，提高了马铃薯原原种的单株大薯粒数、总粒数和大薯率。施用嘉有黄腐酸肥料可促进小麦[22]根系生长，提高分蘖能力，增加产量，提升耕地质量，改善农产品品质，实现农民增收。生物黄腐酸肥料可显著提高夏玉米[23]的行粒数、穗粒数，进而提高其亩产量，在常规化肥减量20%～30% 的情况下，可实现玉米的增产、稳产。在本试验中主要探讨了黄腐酸菌肥与常规复合肥结合对马铃薯根系、干物质、产量及土壤酶活性的影响，在对提高马铃薯抗逆性的方面的研究报道较少，在后续的研究过程中，会设置定位试验来探讨黄腐酸菌肥对提高马铃薯抗逆性的影响机制，如调节ABA含量，控制马铃薯叶片气孔开放度，改变蒸腾速率，增强抗旱力，为提高马铃薯的抗逆性提供一定科学依据。