配施复合微生物肥对石漠化地区火龙果园土壤养分含量及生物学特征的影响

2022-09-30张德楠张燕钊滕秋梅何成新孙英杰张中峰徐广平

西南农业学报 2022年7期

张德楠，张燕钊，滕秋梅，何成新，孙英杰，张中峰，徐广平

(1.广西壮族自治区中国科学院广西植物研究所/广西喀斯特植物保育与恢复生态学重点实验室，广西桂林 541006；2.桂林德智外国语学校(三中)，广西桂林 541001)

【研究意义】火龙果(Hylocereuspolyrhizus)于2001年引种至桂西南石漠化岩溶峰丛洼地生态重建示范区(广西平果市果化镇)，现已成功培育为该示范区重要经济来源及生态支柱产业[1]。但岩溶石漠化地区由于其独特的气候和地理条件，高温湿润，土壤浅薄、蓄水能力弱等特征[2]，外加人类长期掠夺式开垦、无节制大量施用高浓缩氮磷钾肥和农药、少量施用或不施用有机肥和农家肥，土壤长期裸露，经风化和雨水冲刷已引起大量养分从表层土壤流失，导致土壤肥力、土壤生态结构功能衰退[3]。桂西南岩溶峰丛洼地石漠化地区火龙果园也面临上述问题。我国的现代农业正逐渐向绿色农业、生态农业发展，人们对火龙果的消费也提出了更高的安全性要求。因此，减少化学品在火龙果生产中的用量，改善因大量施用化肥带来的火龙果园土壤理化性质劣化问题，推广应用新型、高效安全的肥料，对提高火龙果品质和安全性及促进火龙果产业的可持续发展具有重要意义。【前人研究进展】经常性、单一过量施用化肥不仅增加生产成本，也容易引起土壤酸化[4]、有机质含量降低和微量元素衰减、土壤侵蚀与板结[5]，而氮(N)、磷(P)、钾(K)等矿质元素的大量流失易引起环境污染，对农作物生长造成严重影响[6]。寻求一种有利于农业可持续发展的绿色种植方式是目前亟需解决的问题，其中施用复合微生物肥是普遍可接受的绿色种植方法之一。林立等[5]研究表明，增加复合微生物肥与无机复合肥的混合施用量，能增加圣女果生长所需的无机元素含量，促进圣女果生长。复合微生物肥是一种复合性肥料和制剂[7]，因含有大量特定微生物并具备一定增肥能力，其中的有益微生物与土壤原有微生物通过拮抗、竞争和共生关系形成有利于作物生长的土壤微生物群落结构，进而在维持和提高土壤肥力、改善土壤结构、提升抗病害能力等方面发挥重要作用[8]。利用复合微生物肥自身有益微生物产生的次生代谢物(如激素类物质等)可增加植物营养元素的供应，增强植物根系活力和根系的吸收面积，提高土壤中的有机质和速效养分含量，刺激叶片生长，促进植物对营养元素的吸收利用，改善植物体内营养状况从而促进植株生长发育[4-5，9]。陶伟等[10]、肖娴等[11]研究发现，复合微生物肥不仅能活化被土壤固定的P和K元素促进被植物吸收利用，还能拮抗某些病原微生物从而抑制病害发生，有效防控土传病害。陈亮等[12]研究指出，复合微生物肥能提高番茄产量和品质。Chen等[13]、Yang等[14]研究表明，运用微生物有机肥可有效防控黄瓜枯萎病。凌宁等[15]研究证实，微生物有机肥能有效降低西瓜枯萎病的发病率。Cotxarrera等[16]使用污泥堆肥和拮抗菌能显著抑制番茄枯萎病。此外，复合微生物肥还具有无毒害、无污染、肥效长、活性高等优点[6]。【本研究切入点】目前，前人对微生物菌肥在蔬菜、瓜果上应用的研究较多，对其在喀斯特地区火龙果园土壤质量影响方面的研究较少，而针对复合微生物肥在石漠化地区火龙果园土壤改良中作用的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】以石漠化地区火龙果园(广西平果市果化镇)土壤为研究对象，研究配施不同用量复合微生物肥和农家肥后土壤理化性质、生物学(微生物数量和土壤酶活性)的变化特征，探究复合微生物肥对石漠化地区土壤养分含量的提升效果，为指导石漠化地区果农合理配施复合微生物肥及促进石漠化地区火龙果产业的可持续发展提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018年10月至2019年8月在广西百色市平果县果化镇布尧村龙何屯火龙果园进行，该区域地理位置为东经107°23′30″，北纬23°23′32″，海拔282 m，属典型的岩溶石漠化峰丛洼地地貌。供试火龙果园土壤为砖红壤，理化性质为pH 6.82、有机质(SOM)14.66 g/kg、全氮(TN)1.98 g/kg、全磷(TP)1.01 g/kg、全钾(TK)3.08 g/kg、速效氮(AN)143.98 mg/kg、速效磷(AP)2.39 mg/kg和速效钾(AK)33.83 mg/kg。

1.2 试验材料

供试火龙果品种为红肉“大红”，2015年4月种植，长势良好。火龙果园配施的常用农家肥为腐熟牛羊粪圈肥，主要成分为：SOM 150.86 g/kg、TN 11.58 g/kg、TP 4.86 g/kg、TK 6.12 g/kg；复合微生物肥(天津生物科技发展有限公司)主要成分为：N 40.0 g/kg、P(P2O5) 30.0 g/kg、K(K2O) 10.0 g/kg、有机质≥200.0 g/kg、腐殖酸≥250.0 g/kg、有效菌≥200.0亿个/kg。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计采用大田试验，随机区组设计，3次重复，株行距2.0 m×3.0 m，行长20.0 m，3个小区，每小区60 m2，各9个处理，每处理栽种9株独立的通过立柱式种植长势相近的火龙果；采用环施法施肥，各处理具体施肥量见表1。其中，T1处理为单施农家肥，T2～T5处理为单施复合微生物肥，T6～T9处理为配施复合微生物肥和农家肥，以不施农家肥和不施复合微生物肥为对照(CK)。

表1 火龙果园田间施肥试验处理

2018年10月在试验区域内以五点采样法随机采集15个点0～20 cm土层的土壤混合作为土壤初始样品，测定其本底值，随后对试验区域火龙果进行施肥处理；2019年8月在试验小区环施沟内采用上述方法采集土壤样品，每个试验小区随机采集15个点0～20 cm土层的土壤样品，装进密封袋，放入冰盒中带回实验室。其中，一部分鲜土置于低温冰箱用于土壤微生物及酶活性分析，另一部分自然风干后过1.0 mm筛，用于测定土壤SOM、TN、TP、TK、AN、AP和AK含量。

1.3.2 N、P、K含量测定参考鲍士旦[17]的方法采用重铬酸钾氧化法测定土壤SOM含量，通过Vario ELIII元素分析仪(德国)分析TN含量，以钼锑抗比色法(Agilent8453紫外—可见分光光度计，美国)测定TP含量，以火焰光度法测定TK含量，以碱解扩散法测定AN含量，以钼锑抗比色法测定AP含量，采用火焰光度法测定AK含量。

1.3.3 微生物数量测定参考许光辉和郑洪元[18]的方法测定土壤微生物数量，通过稀释平板计数法统计细菌、放线菌、真菌、固氮菌和酵母菌数量；培养基分别为牛肉膏蛋白胨培养基、改良高氏1号(苯酚500 mg/L)培养基、马丁(Martin)孟加拉红—链霉素(链霉素30 mg/L)培养基、阿须贝无氮培养基和YPD培养基[19]。

1.3.4 土壤酶活性测定参考刘业萍等[20]的方法，采用苯酚钠比色法测定土壤脲酶活性，以37 ℃脲酶作用48 h内土壤中NH3-N的量表示(mg/g)；采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定土壤蔗糖酶活性，以37 ℃蔗糖酶作用下24 h内土壤中葡萄糖的量表示(mg/g)；采用高锰酸钾滴定法测定土壤过氧化氢酶活性，以过氧化氢酶作用下土壤24 h所消耗0.1 mol/L KMnO4的体积表示(mL/g)；多酚氧化酶活性采用碘量滴定法测定，以在多酚氧化酶作用下土中消耗0.01 mol/L I2的体积表示(mL/g)；采用磷酸苯二钠比色法测定土壤酸性磷酸酶活性，以37 ℃磷酸酶作用下24 h内土壤中酚的量表示(mg/g)。

1.4 统计分析

试验数据采用Excel 2007进行统计，以SPSS 19.0进行差异显著性分析和相关分析。

2 结果与分析

2.1 复合微生物肥对火龙果园土壤养分含量的影响

从表2可看出，各施肥处理对火龙果园土壤pH均无显著影响(P>0.05，下同)；随着复合微生物肥施用量的增加，土壤SOM、TN、TP、TK、AN、AP和AK含量均有所增加；与CK相比，单施农家肥(T1处理)可显著提高土壤的SOM、TN和AN含量(P<0.05，下同)，而土壤TP、TK、AP和AK含量无显著变化。在单施复合微生物肥的各处理(T2～T5处理)中，土壤SOM含量随着复合微生物肥施用量的增加呈先增加后减少的变化趋势；TN、TP和AK含量总体上呈逐渐增加趋势，其中，T5处理均显著高于T2～T4处理和CK，而T2～T4处理间及其与CK间均无显著差异；TK和AP含量呈逐渐增加趋势，其中，T2处理与CK无显著差异，但二者均显著低于T3～T5处理，而T3～T5间差异不显著；AN含量呈逐渐增加趋势，各处理间差异不显著，但均显著高于CK。可见，单施用农家肥和单施复合微生物肥均可不同程度提高火龙果园的土壤养分含量，其中施用复合微生物肥3.00 kg/株的效果较佳。

表2 复合微生物肥+农家肥不同施用量对火龙果园土壤养分含量的影响

配施复合微生物肥+农家肥处理(T6～T9处理)的土壤SOM、TN、TP、TK、AN、AP和AK含量均随着复合微生物肥施用量的增加而增加，且T6处理与T2处理、T7处理与T3处理、T8处理与T4处理及T9处理与T5处理相比，其土壤SOM、TN、TP、TK、AN、AP和AK含量总体上均较高。说明复合微生物肥与农家肥配施对火龙果园土壤SOM、TN、TP、TK、AN、AP和AK含量的增加作用较单施复合微生物肥更佳。

在所有施肥处理中，T9处理的SOM、TN、TP、TK、AN、AP和AK含量均最高，与CK相比，分别显著提高65%、31%、83%、37%、62%、47%和31%，说明施用2.50 kg/株农家肥+3.00 kg/株复合微生物肥对火龙果园土壤养分含量的改善作用效果最佳。

2.2 复合微生物肥对火龙果园土壤微生物数量的影响

由表3可知，与CK相比，T1～T9处理火龙果园的土壤细菌、放线菌、固氮菌和酵母菌数量均高于CK，真菌数量显著低于CK。其中，T1～T8处理间的土壤细菌数量无显著差异，T9处理的土壤细菌数量显著高于其他施肥处理和CK；T1～T9处理的放线菌、真菌和酵母菌数量均显著高于CK；T4、T5、T7、T8和T9处理的固氮菌数量显著高于CK。说明单施农家肥(T1处理)或单施复合微生物肥(T5处理)对土壤细菌数量无明显影响，但复合微生物肥与农家肥配施对土壤放线菌、固氮菌(T6处理除外)和酵母菌数量的增加具有显著促进作用，对真菌数量表现出显著抑制作用。

表3 复合微生物肥不同施用量对火龙果园土壤微生物数量的影响

各处理中，T9处理的细菌、放线菌、固氮菌及酵母菌数量均最高，且分别较CK提高22%、86%、63%和84%，真菌数量最低，较CK降低49%。说明施用2.50 kg/株农家肥+3.00 kg/株复合微生物肥对火龙果园土壤细菌、放线菌、固氮菌和酵母菌数量提高及抑制真菌数量增加的作用最佳。

2.3 复合微生物肥对火龙果园土壤酶活性的影响

由表4可知，与CK相比，T1～T9处理的土壤脲酶、蔗糖酶、多酚氧化酶和酸性磷酸酶活性均高于CK，T2～T5处理及T6～T9处理的土壤脲酶、蔗糖酶、多酚氧化酶和酸性磷酸酶活性均随着肥料施用量的增加而增强，过氧化氢酶活性随着肥料施用量的增加无明显变化规律，但总体上趋于增强。其中，T1～T3处理的土壤脲酶活性与CK均无显著差异，T4～T9处理的土壤脲酶活性均显著高于CK；T5、T8和T9处理的蔗糖酶活性与CK均存在显著差异；T2～T5处理、T8～T9处理的多酚氧化酶活性与CK均存在显著差异；T1～T9处理的酸性磷酸酶活性均显著高于CK。说明单独施用农家肥(T1处理)对土壤酶、蔗糖酶、过氧化氢酶和多酚氧化酶活性无显著影响，而复合微生物肥不同配施量对火龙果园土壤酶活性具有不同程度的影响，添加复合微生物肥后对增强过氧化氢酶、多酚氧化酶和酸性磷酸酶活性均具有促进作用。

表4 复合微生物肥不同施用量对火龙果园土壤酶活性的影响

T9处理的脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶和酸性磷酸酶活性均高于CK及其他处理，其中发布较CK提高51%、60%、162%、55%和83%，说明施用2.50 kg/株农家肥+3.00 kg/株复合微生物肥对增强火龙果园土壤酶活性的作用最佳。

2.4 土壤养分含量与土壤微生物数量的相关分析

由表5可知，TN含量与土壤细菌、放线菌、真菌、固氮菌和酵母菌数量均无显著相关；土壤细菌数量与土壤SOM和TP含量呈显著正相关，与TK、AN、AP和AK含量呈极显著正相关(P<0.01，下同)；放线菌数量与SOM、TP和AP含量呈极显著正相关，与TK、AN和AK含量呈显著正相关；真菌数量与SOM、TN、TP和AP含量呈不显著负相关，与TK、AN和AK含量呈极显著负相关；固氮菌数量与SOM、TP、TK、AN、AP和AK含量呈极显著正相关；酵母菌数量与SOM含量呈显著正相关，与TP、TK、AN、AP和AK含量呈极显著正相关。说明SOM、TN、TP、AP、TK、AN和AK含量对土壤真菌增加具有一定抑制作用，土壤SOM、TP、TK、AP和AK含量对土壤细菌、放线菌、固氮菌和酵母菌数量增加具有促进作用。

表5 复合微生物肥不同施用量条件下火龙果园土壤养分含量与土壤微生物数量的相关分析

2.5 土壤养分含量与土壤酶活性的相关分析

由表6可知，TN含量与土壤脲酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶和酸性磷酸酶活性无显著相关性；脲酶活性与土壤SOM含量呈显著正相关，与TP、TK、AN、AP和AK含量呈极显著正相关；蔗糖酶活性与SOM和TN含量呈显著正相关，与TP、TK、AN、AP和AK含量呈极显著正相关；过氧化氢酶活性与TP含量呈极显著正相关，与AN和AK含量呈显著正相关；多酚氧化酶和酸性磷酸酶活性与TK和AK含量呈极显著正相关，与AN含量呈显著正相关。说明土壤养分含量与土壤酶活性关系密切，火龙果园施用复合微生物肥后，土壤酶活性可作为评价土壤养分含量的重要指标。

表6 复合微生物肥不同施用量条件下火龙果园土壤养分含量与土壤酶活性的相关分析

2.6 土壤微生物数量与土壤酶活性的相关分析

由表7可知，放线菌数量与过氧化氢酶、多酚氧化酶和酸性磷酸酶活性无显著相关；脲酶活性与放线菌数量呈显著正相关，与真菌数量呈显著负相关，与细菌、固氮菌和酵母菌数量呈极显著正相关；蔗糖酶活性与放线菌数量呈显著正相关，与真菌数量呈极显著负相关，与细菌、固氮菌和酵母菌数量呈极显著正相关；过氧化氢酶活性与细菌、放线菌和真菌数量无显著相关，与固氮菌和酵母菌数量呈显著正相关；多酚氧化酶活性和酸性磷酸酶活性与固氮菌数量均呈显著正相关，与真菌数量均呈极显著负相关，与细菌和酵母菌数量均呈极显著正相关。说明在复合微生物肥不同施用量条件下，火龙果园土壤微生物数量对土壤酶活性的影响存在明显差异。

表7 复合微生物肥不同施用量条件下火龙果园土壤微生物数量与土壤酶活性的相关分析

3 讨论

微生物菌剂是一种新型生物肥料，由单个或多种有益微生物发酵而成，同时也含有多种腐殖质和微量元素，可有效改良土壤环境，是理想肥料种类之一[21-22]。研究显示，施用微生物肥可促进有机质合成及N、P、K有效成分含量提高[23-24]。本研究结果表明，单施农家肥、单施复合微生物肥及配施复合微生物肥与农家肥均能提高火龙果园土壤的碳(C)、N、P和K全量和有效养分含量，改善土壤地力条件，与周爽等[25]、张丽珍等[26]、汤春纯等[27]、周喜荣等[28]的研究结果一致。其中，配施复合微生物肥与农家肥对提升土壤肥力的效果最佳，究其原因，复合微生物肥配施农家肥后，其自身含有的大量有益微生物借助农家肥高含量的有机质可抑制土壤的积盐作用，从而活化被土壤固定的N、P、K等矿物营养，促使土壤养分含量和土壤微环境发生变化，增强土壤肥力，进而促进火龙果园土壤中N、P、K养分的均衡供给，进一步证实李怡博等[29]报道的微生物肥可改善烟草土壤肥力及单玉梅等[30]报道的复合微生物肥可提升科尔沁草场土壤理化性质的研究结果，这可为微生物肥在改善石漠化区域果园土壤养分条件及拓展其施用范围方面提供科学依据。

土壤养分含量直接影响土壤微生物数量[31]，土壤微生物数量在土壤物质循环和能量转化中发挥着重要作用[32-34]。已有研究表明，以微生物肥代替化肥的施肥方式可有效减少化肥施用量，提高土壤养分和SOM含量，改善土壤结构，增加细菌和放线菌数量[35]，提高作物抗性，有利于作物生长[36]。本研究中，复合微生物肥与农家肥配施可显著增加火龙果园土壤的有益微生物(细菌、放线菌、固氮菌和酵母菌)数量，抑制真菌数量增长，有利于防治石漠化区域火龙果园土壤因长期种植火龙果而可能产生的连作障碍，与张鹏鹏等[37]、康亚龙等[38]研究获得微生物复合肥能有效防止土壤由“细菌型”向“真菌型”转化的结果相似。

土壤酶是土壤SOM分解、土壤养分转化和循环的驱动因子[39]。土壤酶活性强能促进土壤生态系统能量流动的维系、物质循环及土壤肥力提高[40]，其中的脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶和过氧化氢酶活性能有效表征土壤养分元素循环[34]。本研究结果表明，不同用量复合微生物肥与农家肥配施均能明显提升火龙果园土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶和酸性磷酸酶活性，与其他学者的研究结果一致[41-44]。

微生物菌肥作为新型肥料已在玉米、香蕉、甘蓝和魔芋等作为上广泛应用，促进作物生长和提高品质效果良好[45-48]。段曾平等[48]研究发现，微生物菌剂可有效改善魔芋土壤肥力，提高微生物数量和土壤酶活性。本研究结果表明，广西平果市石漠化农田的土壤质量和养分含量受其理化特性、土壤酶活性与微生物数量综合影响而富含有益微生物和土壤酶，有利于提高土壤养分含量和促进土壤质量提高，复合微生物肥与农家肥配施有利于改善其土壤质量，保障有足够的养分供给火龙果生长，更好地发挥复合微生物肥的促长作用。