功能性微生物菌劑對小麥生長和根際土壤生態的影響

高 雁，張永強，張志東，唐琦勇，楚 敏，歐提庫爾·瑪合木提，詹發強，朱 靜，宋素琴，顧美英

(1.新疆農業科學院微生物應用研究所/新疆特殊環境微生物實驗室，烏魯木齊 830091；2. 新疆農業科學院糧食作物研究所，烏魯木齊 830091))

0 引 言

【研究意義】小麥是新疆的主要糧食作物，約占全省主要糧食作物種植面積的40%～60%，種植面積在134.13×104hm2左右[1-2]。在小麥生產過程中，播種量偏大、長期大量使用化肥、幾乎不施用有機肥等問題容易導致土地板結、肥力下降、小麥根系扎根淺，生長速度減慢，病蟲害增加，易出現早衰、倒伏等現象，抗寒抗旱抗干熱風等抗逆能力降低，導致小麥產量和品質的下降[3-6]。結合新疆小麥種植區的氣候條件、土壤情況等因素，篩選優質品種、合理調節種植密度、規范小麥種植技術、科學合理施肥等是提高小麥質量、促進小麥高產的有效措施[7-9]?！厩叭搜芯窟M展】在小麥種植過程中，科學合理施肥對小麥產量和品質提高起著非常重要的作用。過量化肥施用帶來的土壤地力下降，等問題也制約著農業的可持續發展。大力發展能改善土壤理化性質、促進作物生長和提高品質，符合環保、健康、環境友好的新型微生物菌劑、菌肥已成為國內外研究熱點，未來5～10年仍將以超過10%的增速發展[10-12]。微生物菌劑含有包括固氮、解磷、解鉀、抗病、驅蟲、防衰等特定功能的有益微生物菌群，通過自身生命活動來改善土壤結構、增加土壤肥力、提高土壤中生物多樣性、增強宿主植物對養分的吸收、促進其生長發育、提高抗病能力等，減少化肥和農藥用量，改善土壤環境，提高作物的產量和品質[13-15]。微生物菌劑在促進植物生長和病害防控等方面取得了較好效果，在蔬菜、果樹、煙草、中草藥等經濟作物種植中得到廣泛應用[16-19]?！颈狙芯壳腥朦c】在面對環境污染壓力，國家減施化肥的需求下，選用功能微生物菌劑應用于小麥生產[20-22]。研究不同功能微生物菌劑對小麥生長和土壤質量等方面的作用?！緮M解決的關鍵問題】基于微生物菌劑在促進植物生長、改良土壤和防控病蟲害等方面的良好效果，研究以3種分別具有抗倒伏、促早熟和防病促生功能的微生物菌劑為材料，分析3種微生物菌劑對小麥生長、根際土壤理化性質和微生物多樣性的影響，為生產選用微生物菌劑提供參考，為微生物菌劑合理施用、提高生產效率和推廣應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2018～2019年在新疆喀什地區澤普縣(77°18′25′′E，38°14′17′′N，海拔1 290 m)進行，該地區位于塔克拉瑪干沙漠邊緣，光照充足、氣候干燥、風沙多、無霜期長、氣溫高、日變化大，年平均氣溫11.4℃，極端最高氣溫39.5℃，極端最低氣溫-22.7℃，屬大陸性溫帶干旱氣候[23]。該地區對小麥生長影響較大的自然災害主要有干旱、熱干風、大風、冰雹等。熱干風常造成小麥造成灌漿不足、小麥倒伏、授粉不良、不正常的早熟，空殼多，顆粒不飽滿，干粒重降低，品質差，嚴重減產，甚至還會造成冬小麥的枯萎死亡。冰雹具有明顯的季節特征和局地性特征，通常發生于每年的5～9月，尤其集中在6～9月。發生冰雹災害時，一般都伴有強降水大風天氣。冰雹災害會造成大片麥田的倒伏，農作物會因此大面積減產，嚴重時甚至會出現絕收[24]。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

試驗采用拌種處理，拌種劑1.25 kg加水5 kg，拌小麥種50 kg。施肥方式：基肥，磷酸二銨25 kg/mu。設置4個處理：(1)CK處理：清水對照；(2)A處理：抗倒伏菌劑，由湖北省生物農藥工程研究中心提供；(3)B處理：促早熟菌劑，由湖北省生物農藥工程研究中心提供；(4)C處理：防病促生菌劑(解淀粉芽孢桿菌)，該菌由新疆農業科學院微生物應用研究所新疆微生物資源保藏管理中心提供。

1.2.2 樣品采集

研究于2019年4月采集冬小麥根際土壤樣品。每個處理隨機取5個樣點，每樣點隨機選取10株麥苗，挖出根系，用抖根法采集附著在根際表面土壤，混勻后為該處理的根際土壤樣品[25]。將采集的不同處理根際土壤樣品分成2份，1份放入無菌自封袋中，4℃冷藏，供分析土壤微生物；另一部分風干，測定土壤理化性質。

1.2.3 測定指標

1.2.3.1 小麥生長

將小麥每一處理隨機選取10株樣品，測定其莖稈鮮重(g)；量取莖稈基部至該莖頂端的距離，即為株高(cm)；取基部第2節間，剝除葉鞘，量取其莖稈粗度，即為第2莖節莖粗(cm)[26]。

1.2.3.2 土壤理化性質

采集的土壤樣品，自然風干后，按照常規方法進行土壤pH值、總鹽、有機質、全氮、速效氮、速效磷、速效鉀的測定[27]。pH值測定采用電位法，總鹽測定采用殘渣法，有機質測定采用重鉻酸鉀容量法，全氮測定采用高錳酸鉀法，速效氮測定采用堿解擴散法，速效磷測定采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀測定采用醋酸銨浸提-火焰光度法。

1.2.3.3 土壤微生物功能多樣性

土壤微生物群落碳源代謝利用測定采用Biolog-Eco微平板法[28]進行。稱取10 g鮮土加入100 mL滅菌的生理鹽水( 0.85%) 中，搖勻，靜止片刻，然后將土壤樣品稀釋至10-3，取150 μL菌懸液接種到生態板的每一個孔中，25℃恒溫培養，每隔24 h分別在590 nm波長下讀數，連續培養7 d。取144 h的平均光密度值進行多樣性分析。

1.3 數據處理

微平板孔中溶液吸光值平均顏色變化率(average well color development, AWCD)用于描述土壤微生物代謝活性，計算公式如下：

式中：pi為第i孔的相對吸光值與所有整個微平板的相對吸光值總和的比值(Ci-Ri)/Σ(Ci-Ri)；ni為第i孔的相對吸光值(Ci-Ri)；N為相對吸光值的總和。

數據采用DPS v9.50 版軟件進行方差分析、平均吸光值(AWCD)、多樣性指數和主成分分析等分析工作。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)、最小顯著差數法(LSD)進行多重比較差異顯著性檢驗(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 微生物菌劑對小麥生長的影響

研究表明，不同功能微生物菌劑對小麥生長的影響不同。與CK處理相比，莖稈鮮重以抗倒伏菌劑(A處理)最高，增幅為6.47%，其余2個處理均降低。促早熟菌劑(B處理)株高呈顯著增加趨勢，增幅為4.78%，其余2個處理均降低。第2莖節莖粗，以抗倒伏菌劑(A處理)增加最顯著，增幅為15.07%，其次是防病促生菌劑(C處理)，但增幅僅2.74%，促早熟菌劑(B處理)則沒有差異。圖1

2.2 微生物菌劑對小麥根際土壤養分含量和pH的影響

研究表明，與CK處理相比，除抗倒伏菌劑(A處理)略有升高外，其余2個處理均降低，但差異不顯著。土壤總鹽含量3種菌劑均呈顯著增高趨勢。

施用不同功能微生物菌劑對土壤養分含量有一定促進作用，可以顯著提高土壤中有機質和全氮含量，其中有機質含量A、B、C處理比CK處理分別顯著提高了8.64%、6.46%和12.69%，全氮含量分別顯著提高了13.54%、8.30%和25.16%。速效氮含量，B和C處理分別顯著提高了34.21%和36.84%，A處理略有降低，但差異不顯著。速效磷含量，A和C處理分別顯著提高了21.30%和28.99%，B處理則降低。速效鉀處理C處理提高了8.13%。表1

表1 不同功能微生物菌劑處理下小麥根際土壤養分含量和pH變化Table 1 Effects of different functional microbial agents treatments on soil nutrients content and pH of wheat rhizosphere soil

2.3 微生物菌劑對小麥根際土壤微生物群落多樣性的影響

2.3.1 微生物菌劑施用對土壤微生物群落碳源代謝的影響

研究表明，各處理根際土壤微生物碳源利用率隨時間呈動態變化。在培養初期的24 h內，微生物活性處于遲緩期，各處理土壤AWCD值差異不明顯；隨著培養時間的延長AWCD值逐漸上升，進入對數生長期，在48～120 h內顯著升高，120 h后趨于平緩，進入穩定期。在整個培養過程中，不同處理的AWCD值有差異，但由于上升速度不同，這種差異隨時間的延長表現不同，在48～96 h內AWCD值表現為C處理﹥A處理﹥CK處理﹥B處理。而96 h后，CK處理微生物活性降低，微生物生長進入穩定期，而3個功能微生物菌劑依然保持較高活性，在120 h后才開始進入穩定期，AWCD值表現為C處理﹥A處理﹥B處理﹥CK處理。施用微生物功能菌劑提高了土壤微生物的碳源代謝活性。

2.3.2 微生物菌劑施用對土壤微生物代謝功能多樣性指數的影響

研究表明，與CK處理相比，不同菌劑處理土壤微生物的AWCD值均呈增加趨勢，分別增加了15.10%、1.88%和13.95%；Simpson優勢度指數和McIntosh均勻度指數差異不顯著，Shannon豐富度指數呈增加趨勢，不同菌劑處理分別增加了2.13%、0.97%和1.80%。施用不同功能微生物菌劑能夠提高土壤微生物對底物碳源的利用能力，提高了土壤中微生物種群豐富度。表2

表2 不同功能微生物菌劑處理下小麥根際土壤微生物多樣性指數變化Table 2 Effects of different functional microbial agents treatmentson functional diversity indices of soil microbial community of wheat rhizosphere soil

2.3.3 不同功能微生物菌劑施用下土壤微生物對不同種類碳源的利用

研究表明，在6類碳源中，小麥根際土壤微生物對多聚物類碳源的利用能力最高，其次是糖類，胺類的碳源利用能力最低。與CK處理相比，A處理對除氨基酸類碳源以外的5類碳源均有較好利用能力，B處理對氨基酸類、羧酸類、多聚物類碳源的利用能力較高，C處理對糖類、羧酸類、酚酸類、多聚物類和胺類碳源的利用能力較高。不同功能微生物菌劑改變了土壤微生物對碳源的利用，增強了土壤微生物對不同碳源的利用能力。圖3

2.3.4 不同功能微生物菌劑施用下土壤微生物利用碳源的主成分

研究表明，前2個主成分PC1和PC2可以解釋總變異的76.64%，主成分1(PC1)、主成分2(PC2)分別解釋AWCD的40.78%、35.87%的變異(特征根分別為12.640和11.119)。在PC1、PC2上，不同處理產生明顯分異，其中CK處理分布在第二象限，A處理分布在第一象限，B處理分布在第三象限，C處理分布在第四象限。3種功能微生物菌劑均對土壤微生物群落碳源代謝能力產生了顯著的改變。圖4

3 討 論

微生物菌劑中的有益微生物能與土壤和作物根系相互作用，產生次級代謝產物和營養物質，進而改善土壤理化性質和增強土壤微生物多樣性，同時具有調節作物生理代謝、促進作物生長、降低病蟲害發生率、增加作物產量、改善品質等作用[29]。研究施用的3種微生物菌劑由于具有不同的功能，對小麥植株生長、土壤養分和微生物多樣性的影響也不同。

倒伏是影響小麥生產和產量的主要原因之一。小麥莖稈基部彎曲和變粗、變短提高了莖稈的局部穩定性，從而增強了小麥的整體穩定性即抗倒伏能力[30]。提高小麥抗倒伏能力的方法多采用化學肥料、農藥和植物生長調節劑，這可能造成潛在的環境污染，而微生物制劑不僅可以消除對環境的污染，同時兼有肥料、農藥和化控等多項功能。研究表明，EM菌[31]、枯草芽孢桿菌[32]、膠凍樣芽孢桿菌[33]、粘紅酵母[34]、嗜麥芽寡養單胞菌[35]、皮氏勞爾氏菌[35]等都具有抗倒伏功能。由于莖倒伏多發生在基部1～2節間，研究通過測量第二莖節莖粗和株高表明，3種功能微生物菌劑均有一定抗倒伏的潛力作用，其中A處理的作用效果最好，株高最矮，莖最粗，具有較好的抗倒伏能力。

早熟或熟期適當是小麥高產、穩產的重要條件，能避免或減輕某些自然災害，如灌漿成熟期間能夠躲過干熱風和高溫病害等產生的負效應；緩解春季用水、縮短生育期、促進農業結構的優化調整。研究表明，在硅酸鹽菌劑基礎上，輔以適量微量元素研制而成的瓜菜專用復合型微生物肥料，具有促進生長、促早熟、增加產量、改善西紅柿品質等作用[36]。將光合細菌噴施于蔬菜上，光合細菌可以利用小分子有機物合成作物所需的養分，并產生促生長因子，激活植物細胞的活性，提高光合作用的能力，促早熟和增加產量[37]。此外，以光合細菌、乳酸菌、酵母菌和放線菌為主的10個屬80余種微生物復合培養而成的新型活菌制劑-EM微生物菌肥和解磷解鉀細菌等均具有促作物早熟的作用[38]。研究表明，B處理能促進小麥生長，具有促早熟的潛在價值。

赤霉病、白粉病、條銹病、紋枯病、黑穗病、根腐病等是幾種典型的小麥病害，對小麥的生長過程和產量形成都產生了不利的影響。利用一些拮抗菌如木霉Trichodermaspp.[39]、枯草芽孢桿菌Bacillussubtilis[40]、假單胞菌Pseudomonas[41]，拮抗放線菌[42]等來控制病原菌的危害，促進小麥生長。解淀粉芽孢桿菌是一種具有廣譜抗病作用的生防菌，具有菌含量高、活性高、穩定性強等特點，施用后抗病增產效果顯著，還具有抗逆防衰，促進生長；改良土壤，增進肥力；降低農殘，優質增產的作用[43]。目前市場上主要用來生產的微生物菌劑應用在農業上，用以預防植物病害，活化土壤養分，降解農藥、化肥殘留。研究表明，C處理同A處理一樣，與CK處理相比，株高較矮，莖較粗，也具有較好的抗倒伏能力。

添加功能菌劑可影響土壤生態系統的功能發揮和結構穩定性，對土壤微生態有明顯的調控作用，可增加土壤肥力、活化土壤中難溶的化合物，促進作物吸收利用；同時顯著增加了土壤微生物多樣性，產生多種活性物質和抗、抑病物質[44]。研究表明，3種功能微生物菌劑對土壤養分含量總體呈促進作用，能顯著提高土壤中有機質和全氮含量，但速效氮磷鉀的含量各有不同，C處理對養分含量的增加作用最好；不同菌劑處理對小麥根際土壤微生物群落功能多樣性產生了顯著的改變，碳源利用的AWCD值和Shannon豐富度指數均呈增加趨勢，促進了土壤微生物活性；但不同菌劑處理對不同類型碳源的利用程度存在顯著差異。主成分分析表明，不同功能菌劑處理小麥根際土壤微生物功能多樣性存在顯著差異。這3種功能微生物菌劑對土壤肥力和微生物多樣性的提高均有一定的促進作用，能改善土壤微生態環境，這與目前微生物菌劑對土壤質量提升的研究結果相似。

研究表明，這3種微生物功能菌劑對地下部分生物量和葉寬的增加效果不理想，這3種微生物菌劑具有不同的功能特征，對小麥的影響也不同，需要將其進行組合及與其它微生物功能菌配合使用，優勢互補，才能達到發揮其各自優勢的作用。下一步需要利用微生物組技術，根據新疆土壤特征、小麥品種及耕作條件，將這3種微生物功能菌劑產品和新疆特殊環境微生物資源庫中篩選出的適合新疆荒漠綠洲生態區、具有較好促生長功能的微生物菌株進行科學配伍、復配和改進，以研發適宜新疆荒漠綠洲生態區特點的小麥抗倒伏、促早熟、促豐產的微生物菌劑新技術和新產品，使其達到高效小麥抗倒伏、促早熟、促豐產的效果。

4 結 論

由于具有不同的功能特征，添加不同功能微生物菌劑對小麥生長和土壤微生態的影響不同，其中抗倒伏菌劑可增加小麥莖稈鮮重和莖粗，增幅分別為6.47%和15.07%；促早熟菌劑株高呈增加趨勢，增幅為4.78%；防病促生菌劑莖粗增幅為2.74%。施用不同功能微生物菌劑對土壤養分含量總體呈促進作用，顯著提高土壤中有機質和全氮含量，其中有機質含量抗倒伏菌劑、促早熟菌劑和防病促生菌劑處理分別比CK處理顯著提高了8.64%、6.46%和12.69%，全氮含量分別顯著提高了13.54%、8.30%和25.16%。Biolog結果顯示，3種不同功能微生物菌劑處理對不同類型碳源的利用程度存在顯著差異，改變了小麥根際土壤微生物功能多樣性。土壤微生物的AWCD值均呈增加趨勢，抗倒伏菌劑、促早熟菌劑和防病促生菌劑處理分別增加了15.10%、1.88%和13.95%；Shannon豐富度指數分別增加了2.13%、0.97%和1.80%。