微生物菌剂与有机无机肥配施对重茬土壤改良和大蒜生长的影响

李晶，陈宪信，陈亮，刘振富，殷碧秋，徐保民

（1.济宁市土壤肥料工作站，山东 济宁 272000；2.嘉祥县农业局土壤肥料站，山东 嘉祥 272400；3.曲阜市土壤肥料工作站，山东 曲阜 273100；4.金乡县土壤肥料工作站，山东 金乡 272200）

山东省是我国大蒜生产及出口的重要基地之一，大蒜种植面积、产量以及出口和加工能力均居全国首位[1]。大蒜种植区域性强，配套高产高效生产技术研发相对滞后。以金乡县为代表的老蒜区因耕地面积有限，常年连作导致土壤质量下降和大蒜重茬障碍等问题逐年加重[1，2]，造成化肥用量不断增加而土壤质量却不断下降的恶性循环，单纯依靠增加化肥投入量已不能实现大蒜高产稳产。通过优化施肥技术措施，在减少肥料资源投入量的前提下提升单位面积耕地的大蒜产出能力，已成为大蒜产业能否实现绿色可持续发展的重大科技问题。目前有关大蒜重茬障碍机制及其缓解措施的相关研究已经广泛开展。大蒜常年轮作会导致根际土壤细菌数量和微生物总量减少，真菌数量增加，微生物结构失调，土壤酶活性下降，以根腐病为代表的真菌性病害逐年加重[3～5]。研究表明，在其他连作作物上施用有机肥和微生物菌肥后均对重茬障碍表现出明显的缓解效果，可有效提高土壤有效养分含量，改善土壤理化性状和微生物学性状[6～11]。在等量养分条件下，通过对比研究不同种类肥料与化肥配施对重茬大蒜根际土壤养分含量、微生物数量和土壤酶活性以及大蒜病情指数和生物学性状的影响，以期优化重茬大蒜养分管理技术，为通过合理施肥有效缓解大蒜重茬障碍提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在山东省金乡县马庙镇马庙村进行。试验地土壤为潮土，排灌条件较好，大蒜已连作10 a，有明显的重茬障碍，在当地具有代表性。

1.2 试验材料

试验大蒜品种为金乡白皮蒜。所用化肥为尿素（N含量46%）、过磷酸钙（P2O5含量18%）和硫酸钾（K2O含量50%）；有机肥为堆制过的猪厩肥（N、P2O5、K2O含量分别为0.50%、0.34%、0.19%）；微生物菌剂主要成分为哈茨木霉、淡紫拟青霉和复合芽孢杆菌，有效菌含量100亿个/g。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计 本试验是在等量养分条件下进行的，N、P2O5、K2O施用总量分别为450、240和360 kg/hm2，为目前金乡县大蒜生产的推荐施肥量[4，5]，其中氮肥和钾肥均2/3底施、1/3追施，磷肥全部底施。有机肥与化肥配施处理以氮肥施用量为计算标准，补足磷、钾肥，确保各处理的氮、磷、钾肥施用量一致。试验设不施肥（CK）、100%化肥N（处理Ⅰ）、80%化肥N＋20%有机肥N（处理Ⅱ）、100%化肥N＋微生物菌剂300 kg/hm2（处理Ⅲ）、80%化肥N＋20%有机肥N＋微生物菌剂300 kg/hm2（处理Ⅳ） 5个处理。小区面积30 m2，随机区组排列，单灌单排，小区之间筑坝覆膜以防串水，3次重复。2018年10月10日整地并施用基肥；10月12日种植大蒜，行距0.19 m，株距0.13m；10月14日覆膜。其他管理措施同大田常规。

1.3.2 测定项目与方法

1.3.2.1 大蒜指标。（1）病情指数。在大蒜鳞茎膨大期（2019年4月7日） 进行田间病害调查。分别按照大蒜叶枯病分级标准[12，13]、大蒜根腐病根部分级标准[14]和大蒜菌核病分级标准[15]，统计病害发生的级别。计算病情指数和防效。（2）生物学性状。2019年5月15日，每小区均对角线5点取样，每点重复取样10株大蒜，用卷尺测量株高，用游标卡尺测量茎粗，统计长度＞1 cm的新鲜根系数量。收获期，全小区收获蒜头，风干后称量干重，折算单产。

1.3.2.2 土壤指标。2019年5月15日取大蒜植株根际土壤，用无菌塑料袋装好后迅速带回实验室，进行指标测定。（1）养分含量[16]。有机质含量测定采用重铬酸钾容量法-外加热法；碱解氮含量测定采用1 mol/L NaOH扩散法；有效磷含量测定采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法；速效钾含量测定采用火焰光度计法。（2）微生物数量与群落组成比例[17]。采用稀释平板计数法，测定土壤中细菌、真菌、放线菌的数量[6]。其中，细菌数量测定采用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基；真菌数量测定采用马丁-孟加拉红培养基；放线菌数量测定采用改良高氏一号培养基。微生物计数基本单位为cfu/g（干土）。计算细菌数量与真菌数量的比值（B/F），以及放线菌数量与真菌数量的比值（A/F）。（3） 酶活性[18]。脲酶活性测定采用苯酚钠-次氯酸钠比色法；过氧化氢酶活性测定采用高锰酸钾滴定法；蔗糖酶活性测定采用3，5-二硝基水杨酸比色法；磷酸酶活性测定采用磷酸苯二钠比色法[7]。

1.3.3 数据统计分析 利用Excel 2007软件进行数据处理，采用SPSS Statistics 24数据处理系统单因素试验统计分析方法进行显著性分析，采用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 微生物菌剂与有机无机肥配施对重茬土壤改良效果的影响

2.1.1 土壤养分含量 施肥处理的土壤有机质和碱解氮含量均＞CK，增幅分别为0.41%～6.96%和3.71%～19.69%，除处理Ⅰ的有机质含量与CK差异不显著外，其他指标与CK差异均达到了显著水平；不同施肥处理的土壤有机质和碱解氮含量顺序均为处理Ⅳ＞处理Ⅱ＞处理Ⅲ＞处理Ⅰ，其中处理Ⅳ的指标值均极显著高于其他处理，处理Ⅱ与处理Ⅲ和Ⅰ的差异也均达到了显著水平，而处理Ⅲ与处理Ⅰ指标值差异均不显著（表1）。表明施肥可以提高土壤有机质和碱解氮含量，其中处理Ⅳ效果最好，该处理下土壤有机质和碱解氮含量均极显著高于其他施肥处理；处理Ⅱ效果次之，该处理下土壤有机质和碱解氮含量也均显著高于未施用有机质的其他2个施肥处理。

表1 不同施肥处理对土壤养分含量的影响Table 1 Effects of different fertilization treatments on soil nutrition content

施肥处理的土壤有效磷和速效钾含量均＞CK，增幅分别为4.02%～29.88%和10.27%～20.53%，除处理Ⅰ的有效磷含量与CK差异不显著外，其他指标与CK差异均达到了极显著水平；不同施肥处理的土壤有效磷和速效钾含量顺序均为处理Ⅳ＞处理Ⅲ＞处理Ⅱ＞处理Ⅰ，其中处理Ⅳ的指标值均极显著高于其他处理，处理Ⅰ与处理Ⅱ的有效磷含量差异不显著但二者均与处理Ⅲ差异达到了极显著水平，而处理Ⅱ与处理Ⅲ的速效钾含量差异不显著但二者均与处理Ⅰ差异达到了极显著水平。表明施肥可以提高土壤有效磷和速效钾含量，其中处理Ⅳ效果最好，该处理下土壤有效磷和速效钾均极显著高于其他施肥处理；处理Ⅲ对提高土壤有效磷含量的效果极显著优于未施用微生物菌剂的2个施肥，处理Ⅲ和Ⅱ对提高土壤速效钾含量的效果极显著优于仅施用化肥（处理Ⅰ）。

综上分析可以看出，不同的施肥处理均可以提高土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量，其中有机与无机肥配施且同时施用微生物菌剂（处理Ⅳ）时土壤各养分含量均为最高且均极显著高于其他施肥处理，提高土壤养分含量的效果最好。

2.1.2 土壤生物学特性

2.1.2.1 微生物数量。土壤微生物量是土壤养分转化的活性库或源，可在一定程度上反映土壤微生物的活动和养分转化速率，是土壤生物质量变化的灵敏指标[19]。土壤中细菌数量最多、真菌数量最少，放线菌数量介于细菌和真菌之间；但不同处理间各微生物数量以及3种微生物的总数量均存在显著差异，指标值顺序均为处理Ⅳ＞处理Ⅲ＞处理Ⅱ＞处理Ⅰ，其中处理Ⅳ的指标值均极显著高于其他处理（表2）。处理Ⅳ的微生物总量最多、处理Ⅲ次之，二者差异极显著，且均与其他处理差异也达到了极显著水平；处理Ⅰ和Ⅱ指标值与CK差异均不显著。表明施肥时增施微生物菌剂可以极显著地增加土壤微生物的数量，其中处理Ⅳ效果最好、处理Ⅲ次之。

不同施肥处理的B/F顺序为处理Ⅳ＞处理Ⅲ＞处理Ⅱ＞处理Ⅰ，差异均达到了极显著水平，且除处理Ⅰ略＜CK外其他处理均极显著＞CK；A/F均＞CK，指标值顺序为处理Ⅳ＞处理Ⅲ＞（处理Ⅱ＝处理Ⅰ），其中处理Ⅳ与处理Ⅲ差异极显著，且二者均与其他2个未施用微生物菌剂处理的差异也达到了极显著水平，而处理Ⅰ与处理Ⅱ差异不显著。表明施肥时增施微生物菌剂可以快速改变土壤微生物菌落结构比例，其中处理Ⅳ效果最好、处理Ⅲ次之。

2.1.2.2 酶活性。土壤酶是由微生物和植物根系等共同产生，参与土壤许多重要的生物化学过程和物质循环，与土壤微生物一起推动了土壤的代谢过程[20]，其活性代表了土壤微生物的新陈代谢能力，是土壤质量的重要指标之一[21，22]。不同处理的土壤脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶和磷酸酶活性变化规律均与土壤微生物总量顺序一致，指标值顺序均为处理Ⅳ＞处理Ⅲ＞处理Ⅱ＞CK＞处理Ⅰ，其中处理Ⅳ与处理Ⅲ差异极显著且二者均与其他处理差异也达到了极显著水平，而其他3个处理之间指标值差异均不显著（表3）。表明施肥时增施微生物菌剂可以极显著地提高土壤脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶和磷酸酶的活性，其中处理Ⅳ效果最好、处理Ⅲ次之。不施用微生物菌剂时，与CK相比，单独施用化肥（处理Ⅰ，100%化肥N）对4种土壤酶的活性均略有抑制，无机肥与有机肥配施对提高土壤酶活性效果不显著。处理Ⅳ的脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶、磷酸酶活性分别较处理Ⅲ提高了23.27%、26.95%、30.46%和28.13%，处理Ⅲ较处理Ⅰ指标值分别提高了21.37%、13.71%、13.97%和45.45%。

表2 不同施肥处理对土壤微生物数量和群落组成比例的影响Table 2 Effects of different fertilization treatments on soil microbial population and community composition ratio

表3 不同施肥处理对土壤酶活性的影响Table 3 Effects of different fertilization treatments on soil enzyme activity

2.2 微生物菌剂与有机无机肥配施对大蒜生长和产量的影响

2.2.1 大蒜病情指数 不同处理的大蒜菌核病、叶枯病、根腐病病情指数顺序均为处理Ⅳ＜处理Ⅲ＜处理Ⅱ＜CK＜处理Ⅰ，其中处理Ⅳ的指标值与处理Ⅲ均差异极显著，且二者均与其他处理差异也达到了极显著水平；其他2个施肥处理中，除处理Ⅰ的叶枯病病情指数显著＞CK、处理Ⅱ的菌核病病情指数显著＜CK外，其他指标与CK差异不显著（表4）。表明施肥时增施微生物菌剂可以极显著地降低大蒜的发病程度，其中处理Ⅳ效果最好、处理Ⅲ次之。不施用微生物菌剂时，与CK相比，单独施用化肥（处理Ⅰ，100%化肥N）的大蒜菌核病、叶枯病和根腐病病情指数均略有加重趋势，无机肥与有机肥配施降低大蒜发病程度的效果不显著。处理Ⅳ对菌核病、叶枯病、根腐病的防效分别为53.63%、66.50%和67.66%，分别较处理Ⅲ提高了7.17个百分点、18.3个百分点和23.53个百分点。

表4 不同施肥处理对大蒜病情指数的影响Table 4 Effects of different fertilization treatments on disease index of garlic

2.2.2 大蒜生物学性状 施肥处理的大蒜株高和茎粗均极显著＞CK，指标值顺序均为处理Ⅳ＞处理Ⅲ＞处理Ⅱ＞处理Ⅰ，其中处理Ⅳ与处理Ⅲ差异均不显著；且相同施肥条件下，增施微生物菌剂处理的指标值均显著＞未施用微生物菌剂处理（表5）。表明施肥可以极显著促进大蒜株高生长和茎粗增大，相同施肥条件下增施微生物菌剂处理较未施用微生物菌剂处理效果更加明显，其中处理Ⅳ效果最好、处理Ⅲ次之。

施肥处理的大蒜根系数量除处理Ⅰ略＜CK外，其他处理均极显著＞CK，其中处理Ⅳ极显著＞处理Ⅲ且二者均与其他处理差异达到了显著水平；且相同施肥条件下，增施微生物菌剂处理的指标值均显著＞未施用微生物菌剂处理。表明单独施用化肥（处理Ⅰ）会对大蒜根系生长略有抑制，施用微生物菌剂或有机肥可以极显著促进大蒜根系生长，且相同施肥条件下增施微生物菌剂处理较未施用微生物菌剂处理效果更加明显，其中处理Ⅳ效果最好、处理Ⅲ次之。

2.2.3 大蒜产量 施肥处理的蒜头产量均极显著＞CK，指标值顺序为处理Ⅳ＞处理Ⅲ＞＞处理Ⅱ＞处理Ⅰ，其中处理Ⅳ与处理Ⅲ差异极显著且二者均与其他处理差异也达到了极显著水平，而处理Ⅰ与处理Ⅱ差异不显著；且相同施肥条件下，增施微生物菌剂处理的指标值均极显著＞未施用微生物菌剂处理。表明施肥可以极显著提高蒜头产量，其中处理Ⅳ效果最好、处理Ⅲ次之。与处理Ⅲ相比，处理Ⅳ的根系数量显著增多，最终蒜头产量极显著提高。处理Ⅳ较CK增产幅度高达90.91%，分别较处理Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ增产17.49%、36.71%和45.92%；处理Ⅱ较处理Ⅰ增产6.74%，但差异未达到显著水平。

表5 不同施肥处理对大蒜生物学性状和产量的影响Table 5 Effects of different fertilization treatments on biological characteristics and yield of garlic

3 结论与讨论

本试验结果表明，在等量养分条件下，单施化肥处理会对土壤微生物数量产生显著的抑制作用，降低土壤微生物代谢和酶活性，加重重茬大蒜的重茬障碍。有机肥中含有大量的碳水化合物和矿质元素，能够为微生物大量繁殖提供充足的碳源、氮源、无机盐等营养物质[23～26]，与化肥配施后可有效缓解高浓度氮肥引起的抑制作用[27，28]，较单施化肥处理更能促进土壤微生物的生长和繁育，但对土壤微生物类群的组成比例影响较小，对以根腐病为代表的大蒜真菌性病害和重茬障碍的缓解效果有限。

施用复合微生物菌剂后，以芽孢杆菌为代表的微生物快速繁殖，脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶等大量合成，可有效促进尿素形态的转化[29]和土壤有机物质的代谢[30]，将无机氮肥转化为大量的聚氨基酸、蛋白质等含氮有机质，能有效减少氮肥的挥发，提高土壤中氮肥的有效性[31，32]；芽孢杆菌等功能菌大量繁殖，还可显著提高土壤磷酸酶活性，促进土壤中不溶性磷肥、钾肥转化为有效磷和速效钾[33～35]，提高土壤中磷钾肥的有效性。对以根腐病为代表的大蒜重茬性病害有效缓解是由于引入的微生物菌剂中各种有益菌种大量繁殖，可快速改变土壤微生物类群的组成比例，促进重茬土壤由“真菌型”向“细菌型”转变[36]；同时芽孢杆菌等微生物合成分泌大量的多糖和聚氨基酸等黏性物质，混同无机颗粒和残存的有机颗粒形成土壤的团粒结构，可有效提高土壤孔隙度，改变土壤中的厌氧环境[37]，限制镰刀菌等重茬性病害等厌氧性真菌的生存与繁殖。同时，本次试验引入的哈茨木霉等大量繁殖，还可通过寄生、竞争、溶菌以及分泌抗生素类的小分子物质和分子量较大的抗菌肽等有效抑制病原菌的生长[38]。加上引入的有益菌大量繁殖，与重茬大蒜土壤中的致病菌争夺营养物质和各种生存条件，对病原菌繁殖产生竞争作用，占据病原体容易侵染的位置，有效抑制根腐病等大蒜重茬性病害的发生。

有机肥和微生物菌剂同时与化肥配施处理，较其他施肥处理对重茬大蒜根际土壤改良及重茬障碍缓解的效果最佳。推测是由于鲁西南蒜区土壤有机质含量普遍偏低[39]，土壤中缺乏足够的有机营养，引入的芽孢杆菌等有益微生物菌群难以长期稳定繁殖，而施入有机肥做载体，会对土壤微生物的生长繁殖产生协同作用，对土壤理化性状和微生态环境的改良效果较其他处理更为显著，不仅有效减轻大蒜根腐病、菌核病等重茬病害，还可以直接改善连作根系状况，提高大蒜发根数量，促进大蒜株高生长和茎粗增大，有效缓解大蒜重茬障碍，提高大蒜产量。

由于有机肥物料来源、微生物菌剂类型以及化肥与有机肥和微生物菌剂配比等均会影响到土壤改良效果，因此，仍需针对等量养分条件下不同种类微生物菌剂和有机肥、化肥的最佳施用比例等进行深入研究，探讨三者协同效应对大蒜重茬障碍的改良效果及影响机制。