生物有機肥對馬鈴薯根際土壤生物活性及根系活力的影響

邱曉麗，周洋子，董 莉，張春紅，李志龍，王友玲，邱慧珍

(甘肅農業大學資源與環境學院，甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，甘肅 蘭州 730070)

甘肅省以其獨特的土壤和氣候特點成為全國重要的馬鈴薯種薯和商品薯生產基地及淀粉加工基地，近十年甘肅省馬鈴薯種植面積穩居全國前三，總產保持全國前兩名[1-2]。隨著馬鈴薯主糧化戰略的實施，馬鈴薯生產在帶動甘肅省農業和農村經濟發展、保障糧食安全和解決“三農”問題上的作用日益突出[3-4]。化肥施用在馬鈴薯生產中一直發揮著舉足輕重的作用[5]，然而，長期大量施用化肥也造成了諸如土壤理化性質惡化[6]、土壤病害加劇[7]、生物活性降低[8]等一系列問題。這些問題不僅降低了馬鈴薯塊莖的產量和品質[9]，也造成了嚴重的環境污染[10]，威脅人體健康，且不利于馬鈴薯產業的可持續發展。

土壤的生物活性主要包括土壤酶活性、土壤微生物數量、土壤微生物生物量等，是土壤肥力的本質特征和土壤健康的重要標志[11-12]。有研究發現，施用生物有機肥對土壤生物活性的維持與提升具有重要作用[13]。與單施化肥相比，施用生物有機肥可以增加土壤中可培養微生物的數量，改善土壤微生物區系[14]；可以增加土壤微生物量碳和微生物量氮[15]；提高土壤脲酶、蔗糖酶和磷酸酶活性[16]等。然而目前國內通過生物有機肥改善土壤生物活性方面的研究大多局限在西瓜[14,17]、油菜[18]、棉花[19]等經濟作物上，鮮見有關馬鈴薯的研究報道。本研究將本課題組篩選、鑒定、保存的5株根際益生菌(plant growth promoting rhizobacteria，PGPR )制成生物有機肥，通過盆栽試驗，研究不同肥料對馬鈴薯根際土壤生物活性及馬鈴薯根系活力的影響，為改善馬鈴薯根際土壤的生物活性，促進馬鈴薯生長提供理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 供試肥料 有機肥料：由鑫昊生物科技有限公司提供。有機質含量46.50%，全氮含量(N)1.51%，有效磷含量(P2O5)3.16%，速效鉀含量(K2O)0.72%。生物有機肥料：為本課題組小試產品，是以有機肥料為載體，將功能菌加入進行二次固體發酵制成的產物，功能菌總量為5.6×107cfu·g-1。

1.1.2 供試土壤 土樣采自定西市安定區香泉鎮的定位試驗點，基本農化性狀為：有機質含量5.33 g·kg-1，全氮含量1.01 g·kg-1，速效磷含量3.16 mg·kg-1，速效鉀含量113.32 mg·kg-1，pH 7.72。

1.1.3 供試品種 馬鈴薯品種“隴薯10號”，由定西市農科院提供。

1.1.4 供試菌株 由本實驗室提供，菌株的鑒定結果和生物功能見表1。

表1 5株PGPR的鑒定結果及生物功能

1.2 試驗設計與方法

1.2.1 試驗設計 盆栽試驗于2017年5月在甘肅農業大學網室進行，試驗共設8個處理：對照，不施肥(CK)；單施化肥(CF)；施普通有機肥(OF)；施菌株QHZ-1制成的生物有機肥(BOF1)；施菌株QHZ-2制成的生物有機肥(BOF2)；施菌株QHZ-3制成的生物有機肥(BOF3)；施菌株QHZ-4制成的生物有機肥(BOF4)；施菌株QHZ-5制成的生物有機肥(BOF5)。各處理采用等養分(氮、磷、鉀)的設計。有機肥和生物有機肥的用量均為15 g·kg-1，每處理18次重復，共計144盆，每盆裝土6.8 kg。播種前先將每盆土壤用等量水澆透，隔夜播種，并將播種后的不同施肥處理覆以相同量的干土。每盆種8株，待植株出苗后選取生長旺盛且均一的6株定殖，前期每3d澆一次水，后期每隔4d澆一次，每次每處理澆水量及澆水時間相同。

1.2.2 樣品的采集 分別于馬鈴薯生長的苗期(6月19日)，塊莖形成期(7月9日)，塊莖膨大期(8月8日)，淀粉積累期(9月1日)和成熟期(10月3日)選擇大小均一的3盆采集植株樣品和土壤樣品。土壤樣品的采集采用抖土法[20]。

1.2.3 測定指標及方法[21-22]土壤脲酶活性采用靛酚藍比色法，磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉法，蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法，微生物量碳、氮采用土壤熏蒸-硫酸鉀提取法，根系活力采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法；土壤可培養細菌、真菌和放線菌數量的測定采用平板計數法。

1.3 數據分析

采用SPSS 21.0對試驗數據進行分析，Excel 2010繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對馬鈴薯土壤中可培養微生物數量的影響

2.1.1 不同施肥處理土壤中細菌數量的比較 圖1結果顯示，生物有機肥處理可顯著增加土壤中可培養細菌的數量(P<0.05 )。隨著馬鈴薯生育進程的推進和土壤中細菌數量的增加，5種生物有機肥之間的差異隨之加大，至成熟期達到最大，且以菌株QHZ-2和QHZ-3制成的生物有機肥(BOF2和 BOF3)處理的效果最為顯著，分別高出以菌株QHZ-5制成的生物有機肥(BOF5 )處理4.6%和7.0%。

在馬鈴薯生長的苗期，所有處理與對照(CK)相比，菌株QHZ-3制成的生物有機肥(BOF3)處理顯著增加了可培養細菌的數量(P<0.05 )，除CK之外的其它處理間無差異；隨著馬鈴薯生育進程的推進，細菌的數量隨之增加，生物有機肥處理與化肥(CF)處理、與普通有機肥(OF)處理之間的差異顯著，在成熟期，5種生物有機肥平均比CF高出52%，比OF高出37%。

土壤是生物有機肥中的PGPR及其它有益微生物菌群生存的介質，且在馬鈴薯的生長過程中，根系分泌物中含有可以被土壤中本身存在的微生物和生物有機肥中的微生物特別是PGPR識別的信號分子，可以誘導PGPR等趨向馬鈴薯的根際并大量繁殖，從而增加土壤中可培養細菌的數量[23]。BOF3和BOF2效果優于其它生物有機肥處理可能的原因有：(1)菌株QHZ-3在馬鈴薯根系分泌物的作用下，趨向于馬鈴薯根際的數量較其它菌株多，QHZ-2次之；(2)菌株QHZ-3和QHZ-2的繁殖能力優于其它菌株。

注:同一時期不同字母表示處理間差異達5%顯著水平,下同。Note: Different letters in the same growth stage indicate that the difference between treatments is 5% signiifcant, the same below.圖1 不同施肥處理土壤細菌數量的比較Fig.1 Comparison of number of bacteria in soil of different fertilization treatments

2.1.2 不同施肥處理土壤真菌數量的比較 圖2結果顯示，不同施肥處理對土壤中真菌數量的影響與細菌完全不同。生物有機肥處理可顯著降低土壤中真菌的數量(P<0.05)，隨著馬鈴薯生育進程的推進和真菌數量的減少，生物有機肥處理之間差異不顯著。

在馬鈴薯生長的苗期，不同施肥處理的真菌數量無顯著差異，隨著馬鈴薯生育進程的推進，CK、CF和OF的真菌數量不斷增加，而生物有機肥處理的真菌數量逐漸減少，至淀粉積累期，生物有機肥處理與CF處理、與OF處理之間的差異最顯著，5種生物有機肥的平均真菌數量較CK、CF和OF的降幅為44%～68%。可能是因為有機肥為根際益生菌(PGPR)提供養分和繁殖場所，使得PGPR在馬鈴薯根際迅速繁殖到一定的數量，成為馬鈴薯根際的優勢種群，從而降低土壤可培養真菌的數量。

2.1.3 不同施肥處理土壤放線菌數量的比較 圖3結果顯示，不同施肥處理對土壤中放線菌數量的影響趨勢與細菌基本一致。

2.2 不同施肥處理對馬鈴薯土壤微生物量碳和微生物量氮的影響

2.2.1 微生物量碳 土壤微生物量碳，指土壤中活的微生物體內含有的總碳。表2結果顯示，在馬鈴薯生長的苗期，所有的處理與CK相比，顯著提高了土壤的微生物量碳(P<0.05)，說明施肥可以促進土壤微生物的繁殖，并且隨著馬鈴薯生育進程的推進和微生物量碳的增加，生物有機肥處理的微生物量碳增速加大，CF和OF次之，至成熟期，生物有機肥處理較CF和OF處理微生物量碳平均增加了30%。

隨著馬鈴薯生育進程的推進，5種生物有機肥處理的微生物量碳差異逐漸變大，至成熟期達到最大，BOF2和BOF3處理效果最顯著，分別比BOF5處理增加了11%和7%。這主要是因為BOF3和BOF2對土壤可培養微生物數量的促進效果優于其它生物有機肥處理。

圖2 不同施肥處理土壤真菌數量的比較Fig.2 Comparison of number of fungi in soil of different fertilization treatments

圖3 不同施肥處理土壤放線菌數量的比較Fig.3 Comparison of number of actinomyocete in soil of different fertilization treatments

2.2.2 微生物量氮 與土壤微生物量碳相比，微生物量氮僅占土壤微生物量的很小比例。表3結果顯示，不同施肥處理的微生物量氮的變化趨勢與微生物量碳的變化趨勢一致。

2.3 不同施肥處理對馬鈴薯根際土壤酶活性的影響

土壤酶主要來自植物根系分泌和土壤中微生物的活動，和土壤微生物數量密切相關[21]。

2.3.1 脲酶活性 土壤脲酶的作用是將土壤中的尿素催化水解成氨[24]；圖4結果顯示，在馬鈴薯生長的苗期，所有處理與CK相比，顯著增加了土壤的脲酶活性(P<0.05 )，說明施肥有助于土壤脲酶活性的增加。隨著馬鈴薯生育進程的推進和土壤脲酶活性的升高，5種生物有機肥處理顯著增加了土壤的脲酶活性(P<0.05 )，并且5種生物有機肥的差異隨之加大，至塊莖形成期，BOF2和BOF3的效果最為顯著，分別高出BOF5處理27%和30%。這主要是因為BOF3和BOF2的可培養細菌和放線菌數量高于其它生物有機肥處理。

隨著馬鈴薯生育進程的推進，各處理的土壤脲酶活性的變化趨勢基本一致，至塊莖形成期，生物有機肥處理的增幅最大，5種生物有機肥的平均脲酶活性比CF和OF都增加了36%。

2.3.2 蔗糖酶活性 土壤有機碳的循環與土壤蔗糖酶的活性密切相關，一般來說，土壤中有機質含量高，土壤蔗糖酶活性也較高，土壤中易溶性營養物質含量也相應升高[25]。圖5結果顯示，生物有機肥處理均可顯著提高蔗糖酶活性(P<0.05 )，隨著馬鈴薯生育進程的推進和土壤蔗糖酶活性的提高，5種生物有機肥處理與CF和OF之間的蔗糖酶活性在成熟期差異達到最大，5種生物有機肥的平均蔗糖酶活性比CF增加了114%，比OF增加了11%。這主要是因為施用生物有機肥較其它處理增加了土壤有機碳的含量。

2.3.3 磷酸酶活性 土壤有機磷的分解轉化是在土壤磷酸酶的作用下進行的，其生物有效性和土壤磷酸酶活性的大小息息相關[21]；圖6結果顯示，在馬鈴薯的苗期，所有處理與CK相比，均顯著提高了土壤的磷酸酶活性(P<0.05 )，說明施肥有助于土壤磷酸酶活性的提高。

隨著馬鈴薯生育進程的推進和土壤磷酸酶活性的提高，至塊莖膨大期，生物有機肥處理與CF和OF處理之間的差異最大，5種生物有機肥的平均磷酸酶活性比CF增加了74%，比OF增加了25%。這主要是因為施用生物有機肥，增加了土壤可培養細菌和放線菌的數量。

表2 不同施肥處理對土壤微生物量碳的影響/(mg·kg-1)Table 2 Effect of different fertilization treatments on microbial biomass carbon in soil

表3 不同施肥處理對土壤微生物量氮的影響/(mg·kg-1)Table 3 Effect of different fertilization treatments on microbial biomass nitrogen in soil

圖4 不同施肥處理對土壤脲酶活性的影響Fig.4 Effect of different fertilization treatments on activity of urease in soil

圖5 不同施肥處理對土壤蔗糖酶活性的影響Fig.5 Effect of different fertilization treatments on activity of sucrase in soil

圖6 不同施肥處理對土壤磷酸酶活性的影響Fig.6 Effect of different fertilization treatments on activity of phosphatase in soil

2.4 不同施肥處理對馬鈴薯根系活力和塊莖產量的影響

根系活力可以客觀反映根系的生命活動，表征其新陳代謝的強弱[26]，有研究發現，作物的高產與根系活力密切相關[27]。

表4結果顯示，生物有機肥處理可顯著增加馬鈴薯的根系活力(P<0.05 )。隨著馬鈴薯生育進程的推進，不同施肥處理之間的差異逐漸增大，至淀粉積累期達到最大，與CF和OF相比，5種生物有機肥處理的根系活力平均比CF、OF分別高出265%、224%，5種生物有機肥之間，以BOF3的處理效果最為顯著，比 BOF5處理高出166%。

表4 不同施肥處理對馬鈴薯根系活力和塊莖產量的影響

表4結果還可以看出，所有處理與CK相比較，均顯著增加了馬鈴薯的塊莖產量，但是生物有機肥處理的增幅更加明顯，CF處理次之，說明施用生物有機肥更有利于馬鈴薯塊莖產量的提高。5種生物有機肥處理與CF處理相比較，塊莖產量平均增加了16%；與OF處理相比較，塊莖產量平均增加了21%。5種生物有機肥處理之間，以BOF3處理的增產效果最為顯著，比其它生物有機肥處理塊莖產量提高了5% ～ 9%。

生物有機肥本身的養分含量較化肥齊全，并且含有大量的活性物質，加之生物有機肥中的PGPR可以活化土壤中一些難溶性養分，這些養分被植物根系所利用，可提高馬鈴薯根系活力，促進馬鈴薯的生長，最終提高其產量。

BOF3效果優于其它生物有機肥可能的原因有：(1)菌株QHZ-3在馬鈴薯種植土壤中存活并繁殖達到的數量高于其它菌株；(2)BOF3的土壤酶活性等較其它生物有機肥高，為馬鈴薯的根系生長提供了更適宜的生態環境。

3 討 論

馬鈴薯施肥方式和數量是馬鈴薯管理的關鍵，目前，馬鈴薯施肥主要以化肥為主，長期大量化肥的施用，降低了土壤的生物活性和馬鈴薯的塊莖產量[8-9]。土壤中微生物的數量、酶活性、微生物量碳和微生物量氮是評價土壤生物活性的重要指標[28]。土壤微生物量碳和微生物量氮代表土壤養分的活性部分，與土壤微生物數量呈正相關[29]，鐘書堂等[30]研究發現，施用生物有機肥在增加土壤可培養細菌和放線菌數量的同時增加了土壤微生物量碳和微生物量氮。土壤酶來自植物根系分泌物和微生物，和土壤微生物數量密切相關[21]，與微生物一起推動著土壤的代謝過程[31]，范淼珍等[32]發現，施用有機肥可增加土壤磷酸酶的活性。張靜等[33]也發現，生物有機肥較普通有機肥更能增加土壤酶活性。本研究發現，施用生物有機肥可以增加土壤可培養細菌、放線菌的數量，增加土壤微生物量碳和微生物量氮，提高土壤脲酶、蔗糖酶和磷酸酶的活性。

根系作為植株地下部的活躍代謝中心，與整個植物體的生命活動密不可分，而根系活力為根系的吸收、合成和氧化還原能力的綜合體現，可以客觀反映根系的生命活動[26,34-35]。李艷平等[36]在烤煙上的研究發現，增施有機肥可以通過改善土壤酶活性而提高烤煙根系活力。宋以玲等[37]在油菜上的研究也發現，生物有機肥的施用在增加土壤蔗糖酶、磷酸酶的活性的同時提高其根系活力。本研究結果表明，施用生物有機肥可以增加土壤可培養細菌和放線菌的數量，提高土壤酶活性，從而為馬鈴薯的根系生長創造良好的根際環境，提高馬鈴薯的根系活力。另外，有研究發現，5株PGPR可產生IAA、鐵載體，并且均具有解磷能力，可直接或間接地促進馬鈴薯的生長，提高其根系活力。但是5株PGPR的生物功能存在差異，它們對土壤生物活性和馬鈴薯根系活力及塊莖產量的影響亦存在差異[38-40]。

4 結 論

生物有機肥可顯著提高土壤的可培養細菌、放線菌數量，土壤微生物量碳，土壤微生物量氮，土壤酶活性等土壤生物活性，為馬鈴薯的生長創造了良好的根際環境，從而促進了馬鈴薯的根系生長，提高了馬鈴薯的根系活力，進而增加了馬鈴薯的塊莖產量。