枯草芽孢杆菌菌剂对盐胁迫下冬小麦生长与土壤水氮分布的影响
2021-05-24杨璐周蓓蓓侯亚玲王全九陈晓鹏
杨璐，周蓓蓓，侯亚玲，王全九，陈晓鹏
(西安理工大学西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西 西安 710048)
土壤盐渍化与次生盐渍化的问题严重阻碍了中国干旱与半干旱地区农业可持续发展.全球盐碱地分布总面积已达9.5亿hm2，中国盐碱地面积更是位居世界第3，如何开发利用盐碱地是农业发展中的重要问题.中国盐碱地治理开始于20世纪50年代，截至目前，主要有水利工程改良、化学改良和生物改良等方法.其中，水利工程改良需要有大量的资金和淡水的支撑，在干旱、半干旱地区难以推广；化学措施见效快，但其成本高且会对土壤带来其他形式的二次污染[1]；生物改良措施主要依靠种植棉花、水稻等耐盐性作物，但由于水资源状况和部分盐生作物经济价值较低，使得该方法在旱区的应用受限.近年来，微生物技术由于其成本低、污染小、可持续等优点，在盐碱土开发利用方面得到重视.
研究发现，植物根际促生菌可提高作物产量以及作物抗旱抗盐碱抗病等逆境生存能力.枯草芽孢杆菌作为一种自然界广泛存在的植物根际促生菌，能促进作物生长，改善作物根际环境，防治病虫害，可有效缓解逆境胁迫，逐渐被应用于农业生产[2].众多学者研究发现在盐碱土中，枯草芽孢杆菌可显著促进西红柿、黄瓜、油菜及生菜等经济作物的生长[3]；SUMITHRA等[4]接种枯草芽孢杆菌组合菌可促进苋菜的生长，提高苋菜的生物量；康少辉等[5]研究得出施用枯草芽孢杆菌在一定程度上能够提高黄瓜秧苗的长势和质量；尹汉文等[6]发现添加枯草芽孢杆菌比未添加该菌的处理增产18%，且一定程度地提高了果实的品质.
现阶段氮肥在肥料使用中依旧占据着主导地位，不恰当的农田管理方式影响了土壤物理性状和微生物活性，进而改变土壤氮素转化，影响土壤氮素保持与供应[7]，造成氮肥利用率低、对环境污染严重等问题.在改善土壤养分方面，枯草芽孢杆菌也有良好的表现，徐洪宇等[8]配施枯草芽孢杆菌有机肥，与常规施肥方法相比，土壤有机质、速效磷、速效钾和全钾含量分别提高8.38%，12.59%，5.51%和10.59%；杨超才等[9]发现施用枯草芽孢杆菌能有效改善土壤养分.
但目前大量的研究工作仍集中在微观角度探索枯草芽孢杆菌的生理活性、防治植物的病害以及提升作物的产量及品质等方面，而对作物生理生化特征研究得较少，其中将枯草芽孢杆菌应用于旱区盐碱地水氮分布方面的研究成果更少.因此，文中主要研究枯草芽孢杆菌菌剂对冬小麦在盐胁迫下生长特征和水氮分布的影响，为解决旱区盐胁迫下作物生长及水氮高效利用等问题，提高土地利用效率和冬小麦经济效益，以及对盐碱地作物生长，提供理论依据与方法.
1 材料与方法
1.1 试验材料
冬小麦盆栽试验研究于2017年11月至2018年6月在西安理工大学作物种植培育试验场(108°59′E，34°15′N)进行，试验土样取自新疆昌吉市农业生态试验站表层耕作层土壤，容重采用环刀法测定，初始含水率采用烘干法测定，粒径组成采用英国马尔文Mastersizer2000激光粒度分析仪进行测定.根据国际制土壤质地分级标准，该试验土样为粉砂质壤土，其理化性质：黏粒(粒径d≤0.002 mm)、粉粒(0.002
1.2 试验处理
试验装置如图1所示，由圆柱形PVC材料组成；装置底部均匀打孔并铺设土工膜，保证通气良好，放置于光照通风较好的地方.
图1 试验装置
冬小麦种植试验开始前，将供试土壤碾碎，除去其中的碎石、枯草及根系残留物等杂质，过5 mm筛.土柱装填高度为50 cm.在土壤中添加NaCl试剂(体积分数≥99.5%，分析纯AR)，充分混和并调配到8 g/kg的盐分水平，以代表旱区土壤重度盐碱程度.冬小麦种植肥料采用尿素、五氧化二磷和氧化钾，其施用量分别为200，115，78 kg/hm2(施肥量与大田推荐施用量相同).肥料施加前，与枯草芽孢杆菌可湿性粉剂均匀混合，加入枯草芽孢杆菌，菌剂量质量比的配比梯度分别为0，1，3，5，7 g/kg，即5组处理CK，G1，G3，G5和G7；不同菌剂施加量的处理做4组重复，共计20组试验土柱.将混合均匀后的土样每5 cm分层均匀填装入土柱内并进行标号.装土完成后，在每个土柱内种植7颗经过消毒与催芽的小麦种子.待冬小麦株高生长至10 cm时，为了减少表面蒸发而在土柱顶部铺设3 cm的蛭石.试验期间，光照、温度、灌水量等外部因素均保持一致，冬小麦生育期需水通过人为控制灌水，且无自然降雨补给，灌溉时间与灌水量：4个灌水时间2017-12-16，2018-03-15，2018-04-03，2018-05-10分别灌水2 000，1 000，1 000，500 mL.
1.3 测定指标及方法
1) 小麦生理指标测定.各处理选取并标记3株长势均匀的小麦，分别在返青期、拔节期、抽穗期、灌浆期对小麦株高、叶面积等生长指标进行定株测量.收割不同生育期小麦，在105 ℃下杀青30 min，然后在75 ℃下烘干24 h，称重记录其生物量.
2) 土样采集与测定.分别在小麦返青期、拔节期、抽穗期、灌浆期取土，对土壤进行分层取样，每5 cm分1层.分袋装好所取土样后，对土壤指标进行测定.试验采用烘干法(105 ℃，8 h)对土壤含水量进行测定[10]；土壤硝态氮采用紫外分光光度计测量[11].
3) 小麦耗水量采用水量平衡法计算[12]，即
ETa=Pr+I+ΔW-R-D+K，
(1)
式中：ETa为作物实际耗水量；Pr为生育期降雨量；I为灌水量；ΔW为土层土壤储水量的变化量；R为地表径流；D为渗漏量；K为地下水补给量.所有量的单位均为mm；试验中R，D和K可忽略不计.
水分利用效率计算公式为
(2)
式中：WUE为水分利用效率，kg/(hm2·mm)；Y为冬小麦籽粒产量，kg/hm2.
1.4 数据处理
采用Excel进行数据处理和绘图，统计分析用SPSS 10.0软件进行，应用LSD法进行多重比较.
2 结果与分析
2.1 枯草芽孢杆菌菌剂对冬小麦生长特征的影响
表1反映了冬小麦各生育期内株高H、叶面积的变化情况，表中LAI为叶面积指数.由表可知，冬小麦株高在各生育期内一直呈现上升的趋势，其中返青期株高为40.50～45.83 cm，拔节期株高增加到49.50～59.50 cm，抽穗期与灌浆期内株高基本稳定.在枯草芽孢杆菌菌剂不同施加量处理中，灌浆期内施加菌剂处理的株高均大于CK，分别增加了10.40%，17.20%，15.40%和2.67%，而各生育期内，冬小麦株高在处理G3中取得最大值，均高于其他菌剂施加量梯度处理.
表1 枯草芽孢杆菌处理下不同生育期冬小麦的株高、叶面积
冬小麦叶面积指数随生育期延伸呈先升高后降低的趋势，从返青期到抽穗期逐渐升高，抽穗期到达了峰值，灌浆期开始下降.在灌浆期内，相对于处理CK，施加菌剂处理的冬小麦叶面积指数均有所增大，增加幅度分别为9.10%，34.80%，17.10%和30.60%，其中在不同生育期内处理G3的叶面积指数高于其他各加菌剂处理，说明枯草芽孢杆菌菌剂施量为3 g/kg时，对冬小麦叶面积增长有显著影响.
由以上研究结果可以看出，枯草芽孢杆菌菌剂对冬小麦的生长有一定的促进作用，冬小麦株高、叶面积指数较对照处理相比都在增加.KHEDHER等[13]研究发现，枯草芽孢杆菌对马铃薯生长具有明显的促进作用.金京京等[14]发现采用枯草芽孢杆菌拌种后，冬小麦株高、分蘖数分别比空白对照提高了8%和12%，这也为枯草芽孢杆菌促进盐碱地冬小麦的生长提供了理论支撑.造成这种结果的原因可能是菌剂提高了植株可溶性糖和蛋白的含量，降低了脯氨酸含量[15]，同时通过调节根际中脲酶、磷酸酶的活性大小，进而调控氮肥和磷肥的转化，增加植物对氮磷的吸收[16].枯草芽孢杆菌通过刺激功能性酶的产生，缓解盐胁迫造成的伤害，提高冬小麦耐盐性，促进冬小麦生长.
枯草芽孢杆菌菌剂对冬小麦生物量的累积有积极的促进作用.表2为不同处理不同生育期冬小麦生物量W的变化情况，表中R/S为根冠比.随着枯草芽孢杆菌菌剂添加量增加，各生育期内冬小麦地上生物量、地下生物量都呈先增加后降低的趋势.灌浆期添加菌剂处理的地上生物量与对照相比分别增加了1.65%，15.09%，17.78%，1.71%；地下生物量增加27.80%～60.20%；冬小麦根冠比为0.557～0.669，增加了15.90%～39.20%.
表2 枯草芽孢杆菌处理下不同生育期的冬小麦生物量
分析表明在一定范围内，枯草芽孢杆菌菌剂施量增加有利于冬小麦生物量增加，超过这个范围，则菌剂施量增加会降低冬小麦的生物量.此外还发现添加菌促使根冠比增加，说明添加枯草芽孢杆菌菌剂对地下部分生物量的促进作用大于地上部分.根据刘瑞青[15]的研究成果，施加不同浓度的枯草芽孢杆菌QM3菌液，能够显著缓解NaCl胁迫冬小麦生物量抑制.其可能原因有2个方面：枯草芽孢杆菌菌剂对作物的影响和对土壤的影响.IDRISS等[17]发现枯草芽孢杆菌可以产生10-10～10-8mol/L的植物激素(生长素)，这可能促进冬小麦根系生长，增加根系对水分和养分吸收，减少环境胁迫对植物生长的影响.另一方面，侯亚玲等[18]发现枯草芽孢杆菌能改善盐碱地土壤的团粒结构，增强土壤的保水性能，可改善冬小麦根系的生长环境.
2.2 枯草芽孢杆菌对冬小麦土壤水氮分布的影响
图2为冬小麦各生育期内，枯草芽孢杆菌菌剂对土壤体积含水率φ的影响，图中h为土层深度.由图可知，土壤含水率随土壤深度增加呈先增加后减小的趋势，在25～40 cm土层处出现峰值，主要是因为表层蒸散量较大、土柱底层留有通气孔，从而造成了土壤水分散失.从各处理土壤剖面的水分分布可以看出，随着枯草芽孢杆菌菌剂施量增加，土壤剖面平均含水率先增加后减少.当枯草芽孢杆菌菌剂的质量比为3 g/kg时，剖面平均含水率达到最大值.相比于处理CK，各生育期内加菌剂处理的剖面平均含水率分别增大了11.51%，28.01%，20.50%，7.59%，表明枯草芽孢杆菌菌剂能提高土壤剖面含水率，有一定的保水效果.ZHENG等[19]发现培养枯草芽孢杆菌可能产生胞外聚合物(EPS)，EPS会对土壤水力性质和蒸发产生影响，延缓作物应对土壤干旱胁迫的时间.即添加枯草芽孢杆菌菌剂增加了土壤的保水性能，缓解了旱区作物生长的水分亏缺.
图2 不同生育期土壤含水率的垂向分布
图3为各处理对土壤剖面中硝态氮分布的影响，图中ρNO3-N为硝态氮质量比.
图3 不同生育期土壤硝态氮的垂向分布
由图3可知土壤剖面硝态氮含量随土壤深度呈现逐渐增加的趋势，这主要由于硝态氮离子呈负电荷与土壤胶体相斥，不易被土壤颗粒吸附，容易随水分迁移而向下淋溶[20].在冬小麦整个生育期内，初始施加的尿素(主要分析指标为硝态氮)不断被消耗.当冬小麦收获时，处理CK，G1，G3，G5和G7的土壤剖面硝态氮分别累积减少了53.90%，30.40%，21.70%，29.60%和29.30%.随着枯草芽孢杆菌菌剂施加量增加，土壤剖面中硝态氮增加，说明土壤剖面施加枯草芽孢杆菌菌剂后，可以促进土壤对硝态氮的固留能力，尤其在高度盐胁迫环境下，土壤施加枯草芽孢杆菌菌剂对于土壤养分持留可产生积极影响，为作物根系营养吸收提供更多的养分来源.胡亚杰等[21]研究表明枯草芽孢杆菌有机肥对土壤有机质及速效氮磷钾提升有一定的效果；闫志宇等[22]也有相似的研究结论.这与本研究结果有一定的联系，可能是枯草芽孢杆菌对土壤微生物的活动与土壤孔隙结构的影响，使氮素释放缓慢且相对稳定，但具体原因仍需进一步探索.
2.3 枯草芽孢杆菌对冬小麦产量及耗水的影响
产量与水分利用效率是干旱区农业发展的重要指标.表3为各处理的冬小麦产量与水分利用效率，表中I，W，Y，WUE分别为灌水量、耗水量、产量、水分利用效率.由表可以得出，枯草芽孢杆菌菌剂施加量增加，冬小麦产量和水分利用效率均先增加后减少，处理G1—G7的冬小麦产量与CK相比分别增加了7.49%，15.35%，8.41%和4.57%.施加枯草芽孢杆菌菌剂下，水分利用效率为26.94～31.06 kg/(hm2·mm)，与CK相比增幅为9.00%～25.67%(平均为16.16%).
表3 各处理冬小麦产量与水分利用效率
枯草芽孢杆菌菌剂在盐胁迫条件下有增产和提高水分利用效率的效果.这一结果与金京京等[14]枯草芽孢杆菌菌剂对冬小麦产量的研究结论相似.已有研究[23]表明作物产量与土壤中微生物之间存在着一定的联系，徐洪宇等[8]发现枯草芽孢杆菌可以增加土壤中细菌放线菌数量、降低真菌数量.这表明了该菌剂使土壤向高肥效的土壤类型发展，可改善土壤肥力条件，促进植物生长，减少植物病害，达到增产的效果.枯草芽孢杆菌菌剂能促进冬小麦根部生长以及改善土壤结构，增强土壤的持水性，有利于冬小麦根系对水分的吸收，提高水分利用效率.
3 结 论
以盆栽冬小麦种植为试验手段，设置5种枯草芽孢杆菌菌剂施加量梯度，分析了在盐胁迫条件下，施加枯草芽孢杆菌菌剂对冬小麦生长特征和水氮分布的影响.得到主要结论：
1) 重度盐胁迫土壤环境中，施加枯草芽孢杆菌菌剂可明显促进冬小麦株高、叶面积以及根系生长，且添加菌剂对冬小麦地下部分生物量的促进作用明显高于地上部分.
2) 施加枯草芽孢杆菌菌剂能增强土壤对硝态氮持留，且加菌处理中水分散失较少，表明土壤中施加枯草芽孢杆菌菌剂具有固氮保水的作用.
3) 对于冬小麦的生长过程，施加枯草芽孢杆菌菌剂提高了冬小麦的水分利用效率，且提高了冬小麦的最终产量，对于盐碱地区域冬小麦的增收具有积极的作用.
4) 综合考虑枯草芽孢杆菌菌剂对冬小麦生长指标、产量与水分利用效率的影响，在盐胁迫条件下种植冬小麦时，枯草芽孢杆菌菌剂的最佳施用量为3 g/kg.
