微生物菌剂对新疆棉花连作障碍的消减研究

李 国，易 强，许世武，焦天奇，孙 彪，陈志荣，赵孝卫

（沃达农业科技股份有限公司/微生物生态肥料及应用技术实验室，新疆 石河子 832000）

棉花是新疆第一大经济作物，至2018年，新疆棉花种植面积达到246.7万hm2［1］，占全国棉花种植面积的80%左右，在我国棉花产业发展中具有重要的地位。近年来，新疆棉花种植模式表现单一、连作现象严重，导致连作障碍发生，对棉田生态环境造成一定负面影响。

研究表明长期连作使棉花根际土壤微生物群落多样性降低，导致土壤微生物区系失衡，土壤病原菌数量增加并长期存活，造成枯萎病、黄萎病等主要土传病害混合发生，并呈逐年加重趋势［2-3］。连作导致作物根系对离子的选择性吸收使特定养分富集或亏缺，是作物产生连作障碍的一个重要因素［4］。新疆棉区棉花长期连作导致土壤pH值升高、土壤含盐量增加，土壤次生盐渍化加重、土壤有效磷和速效钾含量下降，并且导致土壤过氧化氢酶、蔗糖酶、蛋白酶和磷酸酶等土壤酶活降低［5］。棉花长期连作还会导致自毒作用发生。研究发现棉花自身分泌的对羟基苯甲酸、阿魏酸、没食子酸等酚类化感物质对棉花生长有一定的抑制作用。有研究表明，棉花秸秆水浸提液对棉花种子发芽率、胚根长、苗高和侧根数有较强的抑制作用，并能降低棉花根系活力和根系SOD、POD活性，使MDA含量增加［6-11］。研究表明，连作1～5年的籽棉产量基本不减产，连作10年以上的棉田籽棉产量可减少27.8% ～ 46.8%［5］。

棉花连作障碍消除是一个世界性难题，新疆由于土壤性质和耕作模式的特殊性更为复杂，研究者对此提出采用轮作、抗病品种、化学防治、土壤高温灭菌等主要措施。轮作倒茬简便易行，但在现有的种植模式、耕作制度及棉花经济效益影响下，难以推广实施。化学手段易引发环境污染及农药残留问题；因此，通过微生物的方式消减棉花连作障碍是目前简便易行，效果可靠的方式。开发实际有效的微生物功能性产品已迫在眉睫。

本研究通过在土壤中添加功能微生物菌剂以及大量元素肥，旨在为作物提供有效养分的同时通过微生物活动活化土壤中被固定的养分以供作物吸收，分解作物分泌的酚酸类物质，减轻作物的自毒作用，并能够有效防治棉花土传病害，促进作物生长，有效消减新疆棉花种植的连作障碍，达到增产增收的目的。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本研究试验地位于新疆石河子市天业试验场，该地区年平均降水量约215.6 mm，年平均蒸发量1 674.2 mm，无霜期170 d，年日照时数为2 861.2 h，该试验地已连作棉花15年，土传黄萎病害严重。该地土壤类型为灌溉灰漠土，质地为重壤。耕层土壤基础指标如下：有机质10.14 g·kg-1，pH值8.04， 碱 解 氮66.14 mg·kg-1， 有 效 磷11.28 mg·kg-1，速效钾 13.42 mg·kg-1。

1.2 供试材料

供试微生物菌剂：沃达BM微生物菌剂（有效活菌数≥2亿/g，有机质≥20%，菌种为枯草芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌），研究涉及菌种由山东某生物公司提供。

BM菌剂灭活处理方法：将一定量菌剂分布在深度为5 cm的圆形托盘上，置于烘箱（100℃、24 h）干热灭菌，对灭菌完毕的菌剂取样进行活菌检测，结果显示为无菌即可。

供试棉花品种：新陆早48号。

1.3 试验设计

研究采用田间小区试验，设置3个处理：对照（CK）不施微生物菌剂+大量元素肥、微生物菌剂+大量元素肥、灭活微生物菌剂+大量元素肥，分别用CK、BM、BI表示。微生物菌剂处理设置3个水平：15、45、75 kg·hm-2，分别用C1、C2、C3表示。试验共7个处理，每个处理重复3次。共21个试验小区，随机排列。本试验中大量元素肥包括氮肥、磷肥和钾肥，其中氮肥（N）施用量为300 kg·hm-2，钾肥（K2O）施用量为90 kg·hm-2，磷肥（P2O5）施用量为75 kg·hm-2，根据棉花生长不同时期需肥规律在棉花生长期间分11次随水滴施。

棉花采用覆膜栽培，1膜6行，行距配置为60 cm，株距为10 cm。灌溉方式为膜下滴灌，1膜3管，毛管间距为20 cm。棉花于4月9日播种，全生育期共灌水11次，从出苗前开始至吐絮前结束。田间管理措施各处理除施用菌剂外均相同。

表1 不同处理菌剂及施肥量

1.4 调查指标及方法

1.4.1 不同处理对棉花发病情况影响

每个处理小区选取3个固定调查点，每点面积6.7 m2。于6月15日（蕾期）、7月15日（花铃期）两次发病高峰期进行棉花发病情况的田间调查。通过统计棉花发病株数、病级统计，计算发病率、病指和防病效果。病情分级标准按5级分级标准［12］。

1.4.2 不同处理对土壤理化性质及棉花根系特征的影响

在棉花盛花期（7月20日），每个处理随机选取20株棉花采集土壤及根系，用水冲刷大部分土壤后，将每株棉花根系分别收集，放于容器中用去离子水（4℃）小心清洗，将冲洗干净的根样放入液氮中速冻后保存于-80℃冰箱，并在48 h内完成根系生理指标测定。同时采集相应的土样（10～30 cm），各处理土样分别混合均匀后装入无菌袋，立即带回实验室，剔除植物残体。一部分置于4℃冰箱保存，并在48 h内进行土壤酶活性测定；另一部分土样置于荫凉处，摊开晾干，研磨过筛，用于土壤理化性质测定。

取各处理小于2 mm的细根用于棉花根系生理活性测定。采用TTC法测定根系活力；丙二醛（MDA）采用硫代巴比妥酸（TBA）反应测定［13］。

土壤全钾测定采用火焰光度法；碱解氮测定采用扩散法；有效磷测定采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法；速效钾测定采用醋酸铵溶液浸提-火焰光度法；土壤pH值采用酸度计测定［14］。

土壤脲酶用萘氏比色法，酶活性用24 h内10 g土壤中NH3-N的毫克数表示，单位为NH3-N mg·10 g-1土·24 h-1；碱性磷酸酶用磷酸苯二钠法，酶的活性用24 h内10 g土壤中酚的毫克数表示，单位为mg酚·10 g-1土·24 h-1。蔗糖酶用3，5-二硝基水杨酸比色法，酶活性用1 g土壤培养24 h后生成的葡萄糖的微克数表示［13］。

1.4.3 不同处理对棉花产量的影响

棉花成熟期每个处理选取6.7 m2测产，并收集实收产量数据。

1.5 数据处理与分析

试验数据采用Excel 2010作图，用SPSS 17.0统计软件进行相关统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对棉花发病情况影响

由图1可知，在蕾期时，与对照相比，微生物菌剂处理（C1、C2、C3）黄萎病发病率下降35%～74.4%，病情指数降低4～12.3，防病效果可达20%～56.7%；而施用灭活微生物菌剂（B1、B2、B3）对棉花黄萎病未表现出明显防治作用；试验中各处理防治效果依次为 C3＞C2＞C1＞B1＞B2＞B3。在花铃期，各处理对棉花黄萎病的防治效果与蕾期表现一致，但B2、B3两个处理在花铃期对黄萎病防治效果表现出负向作用，可能是灭活的微生物菌剂中含有一定量的有机物，在没有功能微生物的参与下有机物为病原菌提供了一定的繁殖环境，导致病害较CK稍重。在两个发病时期，各处理中C3处理防治效果最显著（P＜0.05），在两次发病高峰期防治效果持续稳定在53.3%左右；C2处理也能达到45.7%的防治效果。说明施用不同量未灭活微生物菌剂在不同发病高峰期可不同程度降低棉花黄萎病的发病率和病情指数。

图1 不同处理对棉花黄萎病的防治效果

2.2 不同处理对棉花连作土壤养分的影响

表2显示了7种处理下棉花连作土壤养分的变化。与CK相比，施用未灭活微生物菌剂分别显著提高了连作土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量15.4%、36.8%、19.8%，可降低土壤pH值，与对照相比，C2处理更加显著（P＜0.05）；而施用灭活的微生物菌剂对连作土壤除降低了速效钾的含量外，对其它养分和pH值均无显著影响（P＞0.05）。

2.3 不同处理对棉花连作土壤酶活的影响

施用未灭活微生物菌剂（C1、C2、C3）的连作棉田土壤中，土壤脲酶活性随菌剂施用量的增多呈上升趋势（图2A），且显著高于CK，分别较CK高3.7%、5.1%、5.8%，各处理脲酶活性大小为 C3＞C2＞C1＞B3＞B2＞B1＞CK，除脲酶外，C2 处理的磷酸酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性最高（图2B、C、D），土壤磷酸酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性 C2＞C3＞C1＞CK。施用灭活微生物菌剂（B1、B2、B3）土壤4种酶活性较CK相比差异不显著。说明施用活的微生物菌剂能够显著提高土壤4种酶活性。

表2 不同处理对棉花连作土壤养分的影响

图2 不同处理对连作棉田土壤酶活的影响

2.4 不同处理对棉花根系特征的影响

与对照相比，未灭活微生物菌剂（C1、C2、C3）的施用分别显著提高了棉花根系活力18.7%、68.8%、25%。而施用灭活微生物菌剂（B1、B2、B3）对根系活力的影响均不显著（图3A）。且C1、C2、C3处理均显著降低了棉花根系MDA含量，其中C2处理降低最多，可达到40.9%（图3B）；B1、B2、B3处理对棉花根系MDA含量无显著影响。

图3 不同处理对棉花根系生理特征的影响

2.5 不同处理对连作棉田棉花产量的影响

测产结果（表3）显示，与CK相比，C1、C2、C3处理棉花单株结铃数显著增加（P＜0.05），平均增加0.66～1个，C2处理最显著，且C2单铃重相比CK增加3.6%，C1、C3无显著影响；不同施用量的未灭活微生物菌剂对籽棉产量均显著增加，增加量为338.4～482.4 kg·hm-2，可达到9.64%～26.21%的增产幅度。灭活微生物菌剂对棉籽产量也有一定的贡献率，对棉花单株结铃数平均增加0.26～0.33个，但幅度较小，且在单铃重方面未表现增加效果；籽棉产量增加138.2～192.6 kg·hm-2，增产率在 3.87%～5.39%。

3 讨论与结论

新疆地区棉花连作障碍形成原因复杂。研究发现，根际微生态失衡、土壤生物活性及理化性质改变、微生物多样性降低、活性减弱均是导致棉花连作障碍形成的主要因子。在土壤中施用微生物菌剂在棉花连作障碍消减过程中，可以显著改良土壤微环境状态，能够作为有效的连作障碍消减措施［15］。耿士均［16］研究发现，微生物菌肥处理后番茄连作农田土壤碱解氮、有效磷、有效钾含量均显著高于对照土壤。

土壤酶活性是反映土壤生物化学过程的重要指标，土壤中养分转化、累积和分解几乎都是通过酶的作用来完成的。因此，土壤酶活性作为评价土壤生态环境质量的重要指标。季立声等［17］研究表明蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性，与碱解氮和速效磷含量的提高相吻合，呈显著或极显著水平的正相关。

Phillips等［18］研究发现施用菌剂后作物可产生显著的根基效应，刺激微生物的活性，促进土壤养分的转化，尤其提高土壤磷素的有效性。刘红杰［19］研究发现微生物菌剂处理能够明显提高连作土壤有机质含量和氮磷钾有效养分的含量。本研究发现施用未灭活的微生物菌剂后显著增高了连作土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量，分别可提高15.4%、36.8%、19.8%。季立声等［17］研究发现土壤酶活升高与养分变化呈现正相关，本研究施用未灭活微生物菌剂土壤脲酶、磷酸酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性显著高于CK，且随施用量的升高有上升趋势，施用微生物菌剂后土壤酶活升高与养分变化呈现正相关，与季立声等的研究结果一致。试验对比结果说明土壤中施入微生物菌剂，能够通过酶活等代谢活动降低土壤pH值，增加土壤中磷钾的有效性并减少土壤对新施用磷钾肥的固定。

长期连作棉田导致土壤微环境恶化、养分失衡以及自毒物质积累等会限制根系生长并减弱对养分的吸收能力，使之处于胁迫环境中［20］。植物生理生化反应是其对土壤逆境的响应结果，可以间接反映植物生长状况及受伤害的程度。本研究中未施用菌剂（CK）和施用灭活菌剂的区域棉花根系MDA含量呈现较高水平，而施用未灭活微生物菌剂的处理中，棉花根系MDA含量显著降低，从而减轻连作对棉花的自毒作用。

根系活力是反映植物根系生命活动的一个重要的生理指标，与呼吸作用相关联［21］。本研究中施用微生物菌剂显著提高了根系活力，说明微生物菌剂处理后的棉花根系能量代谢旺盛、养分的利用率提高。

罗静静等［22］试验表明，施用微生物菌剂对连作棉田棉花枯萎病、黄萎病的发病率和病情指数均有不同程度的降低，各菌剂防治效果可达12.2%～38.8%。蔡燕飞等［23］研究发现，在青枯病发生严重的番茄连作地里施用具有调节土壤微生物种类和数量作用的生物有机肥后，连作地番茄青枯病的发生显著降低，土壤微生物群落结构也得到了改善，促进了有益微生物的生长。本研究通过田间小区试验，施用菌剂对连作棉田棉花黄萎病有明显的抑制作用，能够有效地降低发病指数和发病率的同时减弱病情，防治效果可达50%左右，效果优于罗静静等［22］的试验结果，而且可以增加棉花产量。产量可达到9.64%～26.21%的增产幅度。

本研究分析施用微生物菌剂对土壤生物活性及理化性质、病害发生和棉花产量的影响，发现施用菌剂能通过活化土壤养分，提升土壤酶活和速效养分质量分数。施用菌剂对棉花连作障碍消除及产量构成的影响优于未施菌剂的连作棉田。其原因可能是菌剂中的有效功能活菌在土壤中形成优势菌群，通过代谢等作用改变根际土壤微生物菌群结构，从而加快土壤有机质分解和速效养分转化速率，抑制病原菌的生长，有效减轻棉花黄萎病等病害发生。从而促进棉花生长，使产量显著增加，有效缓解棉花连作障碍。