兩種生物肥料配施對再植花椒生長及光合特性的影響

張樹衡，丁德東，何 靜，王旭紅，馬大衛，鄧 怡，張小彥

(甘肅農業大學 林學院，蘭州 730070)

花椒(Zanthoxylumbungeanum)是蕓香科(Rutaceae)花椒屬(Zanthoxylum)的落葉小喬木或灌木，具有收益早、用途廣、價值高及適應性強等特點，是中國一些地方的主要經濟樹種、抗旱樹種及水土保持樹種，常用于食品加工的香料佐物，有消炎、止痛、抗癌等作用[1-3]。但由于部分地區經營管理不當和常年連作，導致花椒出現產量、質量的下降，重栽后幼苗成活率低等一系列連作問題，嚴重地制約著花椒產業的發展。

連作障礙也被稱為再植障礙，是指在某區域內連續數年種植同種作物的情況下，使作物出現土傳病害嚴重、植物生長勢差、生產力低下等對作物產生不良影響的現象[4-5]。近年來，由于農林產業集約化和商業化的快速發展，使得作物單一化種植的現象日趨廣泛，長此以往，導致作物養分失衡、抗逆性下降、化感自毒物質積累，進一步導致了連作障礙的大面積發生。目前，大多數農作物、溫室蔬菜水果、中草藥和經濟林等都面臨著這一問題，且呈日漸嚴重的趨勢[6-7]。因此，如何有效緩解土地連作障礙已成為亟待解決的產業問題之一。生物有機肥是一種富含有機、無機養分，由有益微生物菌群和有機肥結合而成的微生物-有機肥料，含有大量的有機質成分，其中的有機肥能跟微生物良好結合，二者交互效果明顯[8]；微生物菌肥中富含假單孢桿菌、假芽孢桿菌、根瘤菌、吲哚乙酸等，其中的孢桿類菌能促進土壤中難溶性P、K等元素的轉化和吸收[9]。因此，二者混合將可能更好地發揮有機質和有益微生物菌的增效作用，從而緩解連作問題。

由于生物修復劑的諸多優點，已有大量學者對此開展了許多研究，譬如生物炭因其豐富的有機碳含量、良好的肥料緩釋載體而被大量應用于環境修復、土壤改良等方面[10]；生物有機肥因其肥效高、成效快、性價比高等特點已廣泛應用于小麥和玉米[11]、向日葵[12]、黃瓜[13]、蘋果[14]、柑橘[15]等作物及果樹中；微生物菌肥因其大量的有益微生物，主要用于植物、土壤病害的生物防治，能有效緩解黃瓜[16]、棉花[17]、平邑甜茶[18]、蘋果[19]等作物因連作出現的土傳病害等問題。可見，合理的施用有機肥料和菌肥均能不同程度地緩解作物連作問題。

目前，花椒的研究主要集中在對其化學成分分析及醫學價值探索[20-21]、不同花椒品種的光合特性研究[22-23]、不同施肥方式對花椒生理特性的影響研究[24-25]、花椒化感作用[26-27]及土壤化學性質[28-29]等方面，而對其連作障礙的混肥修復研究鮮有報道。因此，本研究以生物有機肥和微生物菌肥為供試生物肥料，設置其不同混合配比進行盆栽試驗，探究生物有機肥和微生物菌肥混施對再植花椒生長及其光合特性的影響，旨在為老椒園的施肥管理及緩解連作障礙提供參考借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2019年6月至2020年7月在甘肅農業大學林學院經濟林教研實踐基地進行。地理位置在北緯36°03′，東經103°40′，為典型的溫帶大陸性氣候，年平均氣溫為10.3 ℃，年平均降水量為327mm，年平均日照時間為2 446 h。

1.2 試驗材料

供試植株：長勢良好、健康的1 a生‘大紅袍’花椒幼苗。

試驗用土：取自天水市秦安縣連作25 a的老花椒園，土壤肥力水平較低，基本肥力指標見 表1。

表1 花椒連作土壤基本理化性質

供試生物肥料：生物有機肥由山東瑞普生物科技有限公司生產，有效成分為：有機質≥30%，N+P2O5+K2O≥6%(質量分數)，海藻酸≥15%，粗蛋白≥9%(質量分數)，螯合態微量元素等，活性生物菌≥2億/g；供試微生物菌肥由甘肅大行農業科技開發有限公司生產，主要成分為：枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌、根瘤菌、腐植酸、微量元素、吲哚丁酸鉀、萘乙酸鈉，有效活菌數≥ 2億/g，N+P2O5+K2O≥8%(質量分數)。

1.3 試驗設計

1.3.1 苗木培養 2019年6月初，將供試25 a連作土壤裝入內徑32 cm的塑料花盆中，每盆裝15 kg。選擇長勢均一的1 a生花椒幼苗移植入盆，首次澆水澆透，每盆1株，對照不施肥，其他處理以50 g/L的生物有機肥為基肥，栽培前期做好防曬、防凍和防雨等措施。為提高幼苗存活率，平衡30 d后以追肥的形式在土壤中施入生物有機肥，施用前將生物有機肥固體碾成粉末，按需求稱量后融入水配成液體，施肥方式為噴施，每30 d施1次，每次追肥濃度分別為50 g/L、80 g/L、100 g/L，施入量為500 mL每株，到10月(落葉期)初截止，最后將幼苗移至室內保證安全過冬。

1.3.2 苗木處理 待幼苗過冬后于次年6月初進行1次追肥，噴施在無風、無雨的清晨或傍晚進行，試驗共設8個處理：T0(無施肥對照組)、T1(微生物菌肥)、T2(生物有機肥)、T3(V微生物菌肥∶V生物有機肥=1∶2)、T4(V微生物菌肥∶V生物有機肥= 1∶4)、T5(V微生物菌肥∶V生物有機肥=1∶1)、T6(V微生物菌肥∶V生物有機肥=2∶1)、T7(V微生物菌肥∶V生物有機肥=4∶1)；每處理6個重復，混配時，混合液以T1、T2處理的濃度按體積比進行配制，施肥后正常管理，每次每株施肥、澆水體積為500 mL，定期翻土、除草。

1.4 測定指標及方法

1.4.1 生長特性 于2020年7月初，即施肥 30 d后測定株高、莖粗，分別使用卷尺和數顯游標卡尺測定；生物量使用烘干法測定，待所有室外指標測定完成后當天完成采集，先用鐵鏟去除土壤表層土壤，在不傷根的情況下小心挖出整個植株，輕拍植株莖干，待根際土壤完全撒落后采集植物根、莖并帶回實驗室，用清水沖洗干凈后剪成小段裝入信封中，于85 ℃烘箱下烘至恒量，測其干質量。

1.4.2 氣體交換參數 氣體交換參數使用便攜式Li-6400XT光合儀(美國LI-COR產)，在株高、莖粗測量完成后，隨即于晴天上午9:00—11:00，選取每株健康、無病害的葉片進行測定，每株3個葉片，每片測定5次，最后求平均值。

1.4.3 葉綠素熒光參數 葉綠素含量采用丙酮法提取、測定[30]。花椒葉片葉綠素熒光參數使用便攜式葉綠素熒光儀PAM-2500(德國產)測定，測定前先將葉片進行暗處理20 min，最后測得的葉片初始熒光(Fs)、最大熒光產量(Fm)、穩態熒光(Fs)、最大熒光值(Fm′)、最小熒光(Fo′)，求出可變熒光Fv=Fm-Fo。并通過上述指標計算出PSⅡ潛在光化學效率=Fv/Fm，非光化學猝滅系數NPQ=(Fm/Fm′)-1，光化學猝滅系數qP=(Fm′-F)/(Fm′-Fo′)，實際光化學效率ΦPSⅡ=(Fm′-F)/Fm′[31]，F為任意時間實際熒光產量。

1.5 數據分析

采用Microsoft excel 2010對所有數據進行統計整理，應用SPSS 22.0進行分析和顯著性檢驗，使用LSD最小新復極差法和Duncan’s法進行多重比較和顯著性分析，Origin 2018進行作圖，所有數據均表示為“平均值±標準誤”。

2 結果與分析

2.1 兩種生物肥料混配對再植花椒生長特性的影響

由表2可知，各處理下的株高較T0有顯著性差異(P<0.05)，以T5為最高，是對照的1.86倍，其中T5、T6之間差異不顯著(P>0.05)，但T5、T6處理均顯著高于對照和單施肥處理(P<0.05)，表明微生物菌肥和生物有機肥混施能有效促進花椒幼苗的伸長生長。

表2 兩種生物肥料混配下再植花椒生長特性

施肥處理對再植花椒的莖粗也有明顯增加，除T5與T0差異不顯著(P>0.05)外，其他各處理均顯著高于T0(P<0.05)，以T4處理提高最為明顯，是對照的1.58倍，但與T1、T3、T6、T7處理之間差異不顯著(P>0.05)。T5處理中的莖粗僅為8.76 mm，而株高卻達到89.52 cm，這表明施入1∶1的微生物菌肥和生物有機肥能促進花椒幼苗快速生長，但對生物量無顯著影響，而T4處理的莖粗達到11.61 mm，株高為70.6 cm，說明施入1∶4的微生物菌肥和生物有機肥能促使花椒幼苗橫向生長。

同時，不同處理對再植花椒的生物量也有明顯提高。就莖干生物量而言，除T2外，其他處理較T0差異顯著(P<0.05)，以T6處理增加最為明顯，是對照的3.02倍。此外，除T2處理外，其他處理對根生物量的增加顯著(P<0.05)，以T6處理增加最為明顯，是對照的3.19倍，但與T5、T4、T7、T3處理之間差異不顯著(P> 0.05)，說明混施情況下，有機肥的增多能有效促進花椒根的生長。總生物量的變化類似于根生物量的變化，較T0，各處理下的總生物量的增加顯著，其中以T6處理增加最為顯著(P< 0.05)，是對照的3.1倍。

綜上，生物有機肥和微生物菌肥均能不同程度地提高花椒生長特性指標，混施時，較高比例的微生物菌肥能促進花椒橫向生長及生物量的累積。

2.2 兩種生物肥料混配對再植花椒氣體交換參數的影響

由圖1-A可知，不同處理下的花椒葉片的凈光合速率與T0差異顯著(P< 0.05)，以T6處理提高最為顯著，是對照的9.25倍，且與其他處理均表現為顯著性差異(P< 0.05)，同時，混施處理下的凈光合速率相較于單肥T1、T2處理均有不同程度的提高，表明微生物菌肥與生物有機肥結合下促生作用更明顯，有效提高花椒凈光合 速率。

由圖1-B可知，不同處理對再植花椒葉片的氣孔導度有明顯提高，并較于對照T0差異顯著(P<0.05)，以T6處理提高最為顯著(P< 0.05)，是對照的5.5倍，同時，T6處理與單肥T1、T2處理差異顯著(P<0.05)，但其與T5、T7之間差異不顯著(P>0.05)；表明微生物菌肥與生物有機肥配比為2∶1時，幼苗體內水分平衡，營養傳輸能力強。

由圖1-C可知，不同處理對再植花椒葉片的胞間CO2濃度有明顯降低，其中以T7處理降低最明顯，是對照的0.64倍；其中，T1、T2、T3與T0相比，差異不顯著(P>0.05)，T4、T5、T6、T7較對照降低顯著(P<0.05)，但四者之間差異不顯著(P>0.05)；表明混施能有效降低花椒葉片的胞間CO2濃度，促進光合作用的進行。

由圖1-D可知，不同處理對再植花椒葉片的蒸騰速率較T0有明顯降低，以T6處理提高最為顯著，是對照的1.84倍，其中，T6與T4、T5之間差異不顯著(P>0.05)，與其他處理均為顯著性差異(P<0.05)，這表明混施下植株代謝能力強，體內水分平衡。

綜合以上結果，混施條件下，以微生物菌肥與生物有機肥體積比為2∶1(T6處理)時，能顯著提高再植花椒氣體交換參數，表明微生物菌肥與生物有機肥具有良好的交互作用，能有效促進花椒光合作用的進行及幼苗生產力的提高，植株體內水分傳輸和氣體交換效率高，有機物能快速合成并積累。

2.3 兩種生物肥料混配對再植花椒葉綠素含量的影響

由表3可知，不同施肥處理下的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量及葉綠體色素含量均有明顯提高。其中，葉綠素a含量較T0增加顯著(P<0.05)，以T6處理最為明顯，是對照的2.71倍，但各施肥處理之間差異不顯著(P>0.05)。葉綠素b的含量較T0也有明顯提高，除T1處理外，其他處理均顯著高于對照(P<0.05)，但各處理之間差異不顯著(P>0.05)，其中以T6處理增加最為明顯，是對照的1.86倍。

表3 兩種生物肥料混配下再植花椒葉綠素含量

同時，各施肥處理下的葉綠素總量、葉綠體色素含量都較T0增加顯著(P<0.05)，均以T6處理增加最為明顯，且均為對照的2.43倍，也顯著高于其他處理(P<0.05)。

由此可見，無論是單肥還是混肥，對葉綠素含量均有較好的提高，其中以混肥T6處理：微生物菌肥與生物有機肥體積比為2∶1時，能顯著提高再植花椒葉綠素含量，說明該處理下的光能捕獲力和光能利用率較高，能量交換頻繁，光合作用進行較充分。

2.4 兩種生物肥料混配對再植花椒葉綠素熒光特性的影響

由圖2-A可知，除T3處理外，其他施肥處理下的潛在光化學效率較T0增加顯著(P< 0.05)，以T6處理增加最為顯著(P<0.05)，是對照的4.24倍，但T6、T7處理之間差異不顯著(P>0.05)，說明施肥處理提高了PSⅡ反應中心的內稟光能轉換效率。由圖2-B可知，各施肥處理下的光化學猝滅系數提高均顯著高于T0(P<0.05)，以T6處理增加最為明顯，是對照的4.26倍，也顯著高于兩種單肥處理(P<0.05)，說明施肥提高PSⅡ反應中心的開放程度，促進色素對光能的吸收能力。由圖2-C可知，各施肥處理下的非光化學猝滅效率均有所降低，以T6降低最為明顯，是對照的0.39倍，但T1、T2、T5、T6、T7處理之間差異不顯著(P>0.05)；說明T0處理下植物處于“非正常”狀態，植物自身保護機制被激活，對光合系統起到了一定的保護作用。由圖2-D可知，除T3、T4處理與T0相比差異不顯著外(P>0.05)，其他處理均顯著高于T0(P<0.05)，以T6處理增加最為明顯，是對照的 3.94倍，說明施肥能提高PSⅡ初始光能捕獲 效率。

可見，施肥均能不同程度地提高再植花椒的葉綠素熒光參數，但以微生物菌肥與生物有機肥體積比為2∶1(T6處理)時，能更有效地促進 PSⅡ反應中心色素對光的捕獲能力，用于光合作用的光能利用率高、耗散少，從而提高光合作用的進行，植株生產力進一步加強，一定程度上緩解了連作障礙。

3 討 論

3.1 兩種生物肥料混配對再植花椒生長特性的 影響

在連作土壤下，植物處于“脅迫”狀態，該狀態下，植株生長發育所需的養分不足，體內營養物質積累困難，生長緩慢，生長勢弱。本研究中，相較于施肥處理而言，T0在生長后期出現生長滯緩，幼苗新生枝葉明顯少于處理組，總體看，施肥處理下再植花椒株高、莖粗、莖干生物量、根生物量和總生物量均有明顯提高，其中以T6處理：微生物菌肥與生物有機肥體積比為2∶1時，各指標提高最為顯著。說明生物有機肥和微生物菌肥交互性較好，能為植物生長提供充足而全面的營養需求，可能是生物有機肥含有豐富的有機質和一些微量元素，微生物菌肥中含有大量的芽孢桿菌等有益微生物，二者通過互補所需，改善了連作土壤的微生物群落結構，從而促進植物根系發展，為植物生長提供全面的養分。Zhang等[32]的研究表明，生物有機肥料能顯著降低生姜根莖腐爛病的發病率，并能促進生姜生長；Yari等[33]的結果表明生物有機肥能提高玉米的生物量；本研究也得到相似的結果。本試驗中，較高比例的微生物菌肥可更好的促進再植花椒的生長，分析是生物肥料中的微生物刺激了連作土壤中的原始假單胞菌種群，增強了植物抗病害能力，從而提高植株生長勢[34]；同時，生物有機肥也會提高土壤酶活性及有機質含量，從而促進可溶性有機質的利用率[35-36]，這也是生物有機肥和微生物菌肥混施能有效促進植株生長發育的主要緣由，因此，二者混施對再植花椒的伸長生長和生物量的累積有良好的正面效果，對花椒因連作出現的生長勢差等問題有良好的改善作用。

3.2 兩種生物肥料混配對再植花椒氣體交換參數的影響

光合作用是植物生長發育的重要進程之一，植物通過光合作用產生能量，并將無機物轉化為有機物，對植物生長至關重要，可通過探究光合特性的變化特點，反映出植物實時生長狀況。本研究結果中，施肥可顯著提升再植花椒的凈光合速率，這與李茂等[37]對杉木光合特性的研究、張永杰等[38]對大豆光合特性的研究結果相似。氣孔導度和蒸騰速率可反映植物水分平衡情況和對環境適應性的重要指標[39]，從結果看，氣孔導度、蒸騰速率有明顯提高，胞間CO2濃度降低顯著，說明施肥有效地提高再植花椒的水分平衡，加強其對環境的適應性，這與孫玉良等[40]、鄭劍超等[41]的研究結果基本一致。混肥處理T3、T4、T5、T7下，花椒氣體交換參數的提高量均不能達到T6處理，可能是T3、T4處理中過量的生物有機肥使得連作土壤中有機物含量積累過量，植株不能充分吸收，對幼苗產生一定抑制作用；T5處理下可能由于有益微生物含量較少，無法有效改善連作土的微生物群落結構，T7處理可能是幼苗無法利用過量的有益微生物，使幼苗對肥力的吸收能力下降、水分運輸效率降低，從而導致光合生產力的下降。

Li等[42]研究發現，連作情況下穿心蓮根際微細菌數量增加，真菌數量減少，本試驗中，生物有機肥和微生物菌肥交互作用下，以T6處理：微生物菌肥與生物有機肥體積比為2∶1時，對植株凈光合速率提高最為顯著；一方面微生物菌肥可補充土壤中大量的有益微生物菌群，從而改善土壤微生物結構，降低土傳病害的發生率；另一方面生物有機肥可補充微生物菌肥中的有機質含量，從而能有效改善植物養分循環，促進植株代謝能力。

3.3 兩種生物肥料混配對再植花椒葉綠素熒光參數的影響

葉綠體是植物進行光合作用的主要場所，葉綠素含量的高低一般受多種因素的影響，如微量元素及植物的生長狀況等[43]，而葉綠素含量可反映植物光合作用的能力及體內干物質的合成能力[44]，同時，葉綠素含量跟葉綠素熒光動力學聯系緊密，楊程等[45]的研究顯示，葉綠素熒光動力學是估算正常生長狀態下的植物葉綠素含量的較好方法；本研究也表明，施肥處理下葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量、葉綠體色素含量均有提高，光合能力也有不同程度的提高。

葉綠素熒光參數也是研究植物光合作用的快速、無損傷探針，反映植物在光合作用下PSⅡ系統對光能的捕獲、電子傳遞、光能吸收及耗散能力[31,46]。本研究中，施肥處理明顯提高了潛在光化學效率Fv/Fm，光化學猝滅系數qP和實際光化學效率ΦPSⅡ，降低了非光化學猝滅系數NPQ，結果與尹承苗等[47]通過有機物料發酵液對連作蘋果的研究結果基本一致。但在T4處理下，Fv/Fm、qP、ΦPSⅡ均低于單肥處理，NPQ均高于單肥，與T0差異不明顯，可能是由于該處理下豐富的有機肥造成了土壤中N、P等有機物積累負荷，對幼苗產生一定傷害[48]，從而抑制了PSⅡ的反應程度。總體而言，以T6處理：微生物菌肥與生物有機肥體積比為2∶1時，Fv/Fm、qP、ΦPSⅡ、NPQ的變化最為顯著，說明該處理下，植株體內PSⅡ反應中心較開放，電子傳遞效率高、PSⅡ原初電子受體QA的氧化量較大，光能利用率高，耗散少，PSⅡ系統捕獲的光能可充分用于植物光合作用。可能是由于該處理下生物有機肥和微生物菌肥均能發揮最佳效果，二者相互促進，提高了土壤肥力，激發了PSⅡ系統活力，降低非輻射能量的耗散，從而提高植物光合速率[49]。

4 結 論

連作障礙是普遍存在于生產實踐中的農、林業問題，長期連作更是會對一些作物的生長及生產力造成嚴重威脅。本研究顯示，生物有機肥和微生物菌肥的施入能顯著提高‘大紅袍’花椒的株高、莖粗、生物量等生長指標，幼苗生長勢較對照有大幅提高，其中，在二者在混施時，較高比例的微生物菌肥對幼苗生長的促進作用更為明顯，提高了花椒幼苗的伸長生長及干物質的積累。

同時，在二者交互作用：微生物菌肥與生物有機肥體積比為2∶1時對光合作用增效最為顯著，有效提高了光合系統PSⅡ的光能捕獲力及利用率，光合生產力大大提高，幼苗適應性更強。因此，推薦使用微生物菌肥與生物有機肥體積比為2∶1的復配比例能更好地緩解花椒再植問題。