解磷菌與秸稈配施對低磷脅迫下苦蕎幼苗生長發育的影響

郝亞妮,裴紅賓,2,高振峰,王 莉

(1.山西師范大學 生命科學學院,山西臨汾 041004;2.山西師范大學 現代文理學院,山西臨汾 041004;3.山西農業大學(山西省農科院)農產品貯藏保鮮研究所,太原 030031)

磷作為農作物必需的營養元素參與多種生物學過程,而土壤作為植物磷營養的重要來源[1-2],磷在其中的溶解度、流動性和含量高低等因素均對作物生長發育、產量和品質形成具有重要影響[3]。然而近年來隨著植物養分利用研究的不斷深入,越來越多的證據表明土壤中存在很多植物無法有效利用的難溶性磷,且生產中的磷肥投入量和作物利用率(當季利用率僅有10%～25%[4])之間存在明顯不對等關系,不僅浪費大量磷資源,而且還造成一系列環境污染。因此,活化土壤中的難溶性磷和提高作物當季磷利用率對減少磷肥投入、磷資源可持續利用以及環境保護具有重要意義。

解磷細菌作為一類溶磷微生物[5],不僅可通過分泌胞外磷酸酶和有機酸等生物途徑將土壤中的難溶性磷轉化為可溶性磷,而且部分菌株還兼有明顯的促生作用[6]。此外秸稈作為一種農業副產物含有大量有機質、氮、磷、鉀和微量元素等養分,其還田后不僅能避免資源浪費造成環境污染,而且還能在土壤中分解,提高土壤有機質含量和肥料利用率[7],且已有研究表明秸稈還田在土壤磷解吸[8]、秸稈改性材料亦可活化沙質土壤中的難溶性磷[9]、增加土壤有效磷含量[10-11]和提高作物對磷的利用率等方面具有明顯作用[12-13]。因此解磷細菌和秸稈的開發利用對活化土壤難溶性磷、減少磷肥投入和提高作物磷肥利用率具有重要意義。然而目前有關解磷菌的研究仍主要集中在高效解磷菌的篩選、解磷效果影響因素和植物根際定殖規律[14-16]等方面;有關秸稈磷的研究主要集中在秸稈增磷特性、材料改性[7]和難溶性磷活化[17]等方面;而有關解磷菌和秸稈配施后的磷肥替代效果研究方面還較為薄弱,且同作物磷利用率、吸收特性和耐低磷特性等研究的深度和廣度相比仍存在較大差距,相關研究有待進一步加強和深入。

苦蕎(Fagopyrum tataricumL.)蓼科蕎麥屬植物,不僅具有生育期短,耐冷涼瘠薄特點,在高寒和高原地區具有明顯的區位優勢和生產優勢[18],而且具有豐富的營養、醫用和經濟價值[19],是黃土高原重要的雜糧作物之一。然而因其屬喜磷作物,其栽培過程中的磷肥投入量對其產量和品質具有重要影響,且隨著國家減肥政策的提出,如何減少苦蕎栽培過程中磷肥投入對其產業健康和可持續發展具有重要意義。因此基于上述背景,本試驗以苦蕎作為研究對象,通過盆栽試驗探討低磷脅迫下以秸稈作為有機肥與實驗室前期篩選出的對有機磷具有良好解磷效果的花域芽孢桿菌gz4-1配施對苦蕎幼苗期生長發育的影響,旨在為苦蕎低磷脅迫下高效利用土壤中的磷提供理論依據,并且為該菌株后期田間應用奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試苦蕎品種為‘迪慶’,種子由山西省農業科學院高寒作物研究所提供。供試土壤為石灰性褐土下層,p H為7.5,理化性質為有機質2.35 g·kg-1,全磷0.48 g·kg-1,全氮0.05 g·kg-1。供試解磷菌菌株為花域芽孢桿菌gz4-1,由山西師范大學黃土高原雜糧作物逆境生理生態研究課題組通過室內平板篩選、分離、保存所得。供試秸稈為小麥秸稈,全磷量為0.70 g·kg-1。供試肥料為尿素(含N 46%)、氯化鉀(含K2O 52%)和過磷酸鈣(含P2O515%)。

1.2 試驗設計

試驗于2019年4月-5月在山西師范大學試驗基地的防雨棚中進行。采用二因素完全隨機區組設計,設秸稈和菌液2個因素,秸稈處理設置J0(不施秸稈)和J1(施用秸稈)2個水平(Jm),菌液因素設置0(P0)、104(P1)、106(P2)、108(P3)、1010(P4)cfu·m L-15個水平(Pn),以正常施肥(即正常施用氮、磷、鉀肥)為對照(CK),共11個處理,每個處理重復3次(表1)。

表1 花域芽孢桿菌gz4-1與秸稈配施不同處理組合Table1 Different treatment combinations of Bacillus Floridans gz4-1 and straw application

試驗采用盆栽土培法,培養缽規格為15 cm×13 cm×10 cm(口徑×底徑×高),每盆裝土2 kg,每盆施尿素0.44 g、氯化鉀0.46 g。CK每盆施過磷酸鈣0.4 g,J1試驗組每盆施秸稈粉末8 g。選取大小均一、顆粒飽滿且無病蟲害的‘迪慶’苦蕎種子,用75%的乙醇浸泡30 s進行表面消毒,再用1%的次氯酸鈉溶液浸泡10 min,用蒸餾水反復沖洗,室溫浸種24 h。采用穴播法,每盆播種15粒(4月8日)。播種后所有盆土正常供應等量水分確保種子順利出苗(每2 d澆水1次,澆水量均為200 m L)。待真葉完全展開后(4月25日)間苗,每盆留苗5株。使用花域芽孢桿菌gz4-1菌液對J0、J1組進行灌根處理(4月26日),按處理每盆灌入200 m L相應濃度的菌液,每隔7 d灌根1次,兩次灌根期間澆水1次,共進行3次(CK組使用蒸餾水200 m L代替菌液灌根),完成第3次灌根后(5月9日)繼續生長7 d對苦蕎幼苗各項形態指標與生理指標進行測定。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 形態指標 每個處理均選取苦蕎幼苗3株,分為地上部和地下部,用電子天平直接稱量鮮物質質量;于105℃殺青30 min,75℃烘干至恒量后稱取干物質質量;株高、主根長用直尺測量,莖粗使用游標卡尺測量,根系采用全自動根系掃描儀進行掃描,用Delta-T SCAN根系分析系統測定根系表面積。

1.3.2 生理指標 將植株取樣后立即放入液氮內冷凍保存,根系活力采用TTC還原法[20]測定,根系磷含量采用干灰化法[21]測定,根系酸性磷酸酶采用對硝基苯磷酸二鈉法[22]測定。

1.4 數據處理

用SPSS 17.0軟件在0.05水平下進行Duncan’s進行多重比較,使用SigmaPlot 10.0作圖。

2 結果與分析

2.1 花域芽孢桿菌gz4-1與秸稈配施對低磷脅迫下苦蕎幼苗形態指標的影響

2.1.1 對苦蕎幼苗根系生長的影響 由表2可知,對照組(CK)的根系鮮質量與干質量均達到最高,表明正常供應氮、磷、鉀肥有利于苦蕎根系的生長。在不施秸稈(J0)條件下,苦蕎根系鮮質量及干質量均表現出先增加后減小的趨勢,且在J0P2處理下最高,雖然苦蕎幼苗根系長勢未達到對照組(CK)處理下苦蕎幼苗根系的長勢,但相比其余處理組合,J0P2處理顯著提高苦蕎根系鮮質量及干質量(P＜0.05),說明施加花域芽孢桿菌gz4-1菌液仍有補償磷肥的作用;施加秸稈(J1)后,J1P2處理的苦蕎根系鮮質量和干質量增加效果顯著(P＜0.05),與對照組(CK)相比差異不顯著,說明P2菌液濃度配施秸稈處理條件下能有效替代P肥作用。由表2可以看出,無論是否施加秸稈處理,苦蕎幼苗根系的主根長在P2菌液處理下達到最長,分別比對照組(CK)增加12.1%和5.6%,且在不施加秸稈的條件下與CK相比差異顯著,分析說明在P2條件下菌液對苦蕎根系生長有促進作用,解磷細菌對磷肥的補償作用在P2條件下達到最佳。在J0條件下,苦蕎根系表面積隨著菌液濃度的變化呈先上升后下降的趨勢,苦蕎根系表面積在P2濃度時達到最大,較CK顯 著 提 高15.1%(P＜0.05),在J1條 件下,菌液濃度在P1和P2時根系表面積長勢均良好,較CK分別顯著提高77.4%和36.5%(P＜0.05),說明菌液濃度會對苦蕎根系生長產生低濃度促進、高濃度抑制作用;苦蕎幼苗根系表面積和根冠比在J1P1處理下達到峰值,與CK相比分別顯著提高115.6%和103.3%。綜上分析可知,低磷脅迫配施秸稈在P2濃度花域芽孢桿菌gz4-1菌液(J1P2)處理下能有效促進苦蕎幼苗根系鮮質量、干質量,主根長達到最佳生長條件,說明配施秸稈能夠促進苦蕎對磷的吸收,適宜的菌液濃度有利于苦蕎根系生長。

表2 花域芽孢桿菌gz4-1與秸稈配施在低磷脅迫下苦蕎幼苗根系形態指標的變化Table2 Changes of root morphological indexes of tartary buckwheat seedlings with combined application of Bacillus Floridans gz4-1 and straw under low phosphorus stress

2.1.2 對苦蕎幼苗地上部分的影響 由表3可知,在J0條件下,苦蕎幼苗莖粗呈先增后降的趨勢,在P2濃度達到峰值,其余條件下(P1、P3、P4)均顯著低于對照(P＜0.05),說明施加解磷菌液對缺磷條件下苦蕎幼苗莖粗生長有補償效應;在J1條件下,苦蕎幼苗莖粗長勢相比J0較好,在P2濃度下與CK相比差異不顯著,能有效替代磷肥作用。在J1P2條件下,苦蕎幼苗莖葉鮮質量和干質量均顯著高于其余各處理,與對照相比差異不顯著(P＞0.05),其余處理均顯著低于CK,綜合莖葉鮮質量、干質量指標下的J0和J1各處理,J1P2表現最優。施加秸稈對株高有顯著影響(P＜0.05),在J0和J1條件下,隨著菌液濃度的升高,苦蕎幼苗株高呈現出先增加后減少的趨勢。在J0條件下,株高在P2達到最高值,相比CK差異不顯著(P＞0.05)。在J1條件下,幼苗株高和節數在P3達到峰值,較CK分別顯著提高43.6%和33.3%。與CK相比,施加秸稈和菌液對苦蕎幼苗莖節數的影響差異不顯著,苦蕎幼苗莖節數在J1P3下達到峰值,說明菌液能對缺磷條件下苦蕎莖節生長起到有效補償作用。綜上可知,P2、P3濃度菌液對低磷脅迫下苦蕎幼苗莖葉生長有良好的磷肥補償效應,J1P2能顯著提高苦蕎幼苗莖葉的莖粗、鮮質量和干質量的生長,J1P3對促進苦蕎幼苗株高增長及增加苦蕎幼苗莖節數有顯著性作用。

表3 花域芽孢桿菌gz4-1與秸稈配施在低磷脅迫下苦蕎幼苗地上部分形態指標的變化Table3 Changes of morphological indexes of aboveground parts of tartary buckwheat seedlings with combined application of Bacillus Floridans gz4-1 and straw under low phosphorus stress

2.2 花域芽孢桿菌gz4-1與秸稈配施對低磷脅迫下苦蕎幼苗根系活力的影響

植物的根和地上部的生長相互依賴,根系負責從土壤中吸收水分、礦物質、有機質以及細胞分裂素等供地上部所用。根系的生長情況與根系活力水平直接影響著植物個體的生長情況、營養狀況以及產量水平。由圖1可知,J0條件下,隨著菌液濃度的升高,苦蕎幼苗根系活力呈現先升后降的變化規律,P2菌液處理的苦蕎幼苗根系活力呈現最大值,與CK相比差異顯著,P0、P3、P4處理下的根系活力較對照組(CK)分別降低12.20%、7.32%、34.15%,顯著低于P1、P2濃度下苦蕎幼苗根系活力,且P1、P2相比CK分別增加了14.63%、24.39%;J1條件下苦蕎根系活力普遍高于J0條件下的,且在J1P2達到峰值,比CK顯著提高114.60%。隨著菌液濃度的增大,苦蕎幼苗根系活力降低,說明高濃度的菌液會抑制苦蕎幼苗的根系活力,低濃度菌液處理的苦蕎根系活力大幅增加,根系活力的升高促進根系吸收水分和養分的能力,使得秸稈釋放出有機磷,供給苦蕎植株吸收利用促進生長,表現出低磷脅迫下施加秸稈的補償效應。

2.3 花域芽孢桿菌gz4-1與秸稈配施對低磷脅迫下苦蕎幼苗根系磷含量的影響

通過對苦蕎根系磷含量進行測定,圖2結果表明,隨著菌液濃度的升高,在J0和J1條件下,苦蕎幼苗根系磷含量表現均呈先升高后降低的趨勢。在低磷條件下與CK相比,J0P2根系磷含量呈現峰值,較CK顯著增加20.53%,苦蕎根系磷含量增加從而吸收利用;在J1條件下,P2菌液處理根系磷含量達到最大值,與其余處理組合相比有顯著性差異,隨著菌液濃度的增大,根系磷含量先增后減,與CK相比差異顯著,由此可推測,該濃度下的菌液會分解秸稈有機磷,植物吸收后磷含量增加,植株對逆境的抵抗能力有所增強。

2.4 花域芽孢桿菌gz4-1與秸稈配施對低磷脅迫下苦蕎幼苗根系酸性磷酸酶活性的影響

酸性磷酸酶是植物和土壤中重要的水解酶,它也是一種誘導酶,誘導并分泌酸性磷酸酶是植物應對低磷環境的重要適應性反應之一。植物根系酸性磷酸酶的增加能夠水解釋放土壤中的有機磷化合物供植物生長。由圖3可知,在低磷條件下,J0P0根系酸性磷酸酶活性較高,隨著菌液濃度增大,苦蕎幼苗根系酸性磷酸酶活性降低,且與其余處理組合相比差異顯著;在J1條件下,隨著菌液濃度的升高,酸性磷酸酶活性先升高后降低,在P2濃度下酸性磷酸酶活性達到最大,說明P2濃度的菌懸液對苦蕎根系酸性磷酸酶活性有促進作用,與CK相比差異不顯著,J0與J1條件相比,J1的酸性磷酸酶活性水平整體較J0高,說明施用秸稈能顯著提高苦蕎根系的酸性磷酸酶活性。

3 討論

在低磷脅迫條件下,根系最先能感受到脅迫的變化,是植物生長的重要組成部分[23],根質量是反映根系生長的重要指標。本研究發現在低磷環境下苦蕎苗期根系發育、生理指標以及地上部農藝性狀受到明顯抑制,低磷條件下,苦蕎幼苗根系干質量、鮮質量、主根長、表面積比CK分別顯著降低63.2%、82.1%、45.8%、62.3%,地 上 部農藝性狀均下降((莖粗、株高、地上部干質量、鮮質量分別降低45.1%、9.4%、77.7%、81.7%),研究結果與楊春婷等[24]的研究結果大致一致(低磷脅迫下,苦蕎苗期株高、莖粗、地上部干質量、根系干質量、根系表面積等指標均有所下降),說明低磷條件抑制苦蕎幼苗根系生長以及地上部農藝性狀發育,但低磷環境下苦蕎幼苗根系的主根長較正常施磷條件下根長減小,與楊春婷等[24]的結果存在差異(低磷條件下,苦蕎幼苗主根伸長),造成此差異的原因可能是由于環境等外界因子所致的試驗誤差。另外相關結果還與玉米[23]和大麥[25]中的研究結果存在較大差異(在玉米中,低磷脅迫會顯著增加根系長度以應對低磷環境;而在大麥XZ99中根系生長和干物質量為了應對低磷脅迫而增加),造成差異的原因可能與試驗對象不同有關。對根冠比進行測定后還發現低磷條件下較CK有所增大但差異不顯著,說明苦蕎幼苗通過提高根冠比來實現對低磷脅迫的適應,該結果與沈宏等[26]研究結果一致(低磷生境下,作物根冠比增加是作物對逆境的主動適應反應機制),說明低磷條件下根系形態的改變可能是苦蕎對低磷逆境的形態適應。楊春婷等[24]研究發現苦蕎在低磷脅迫下,耐低磷苦蕎品種的根系活力平均降低11.77%,不耐低磷苦蕎品種的根系活力平均下降21.36%。本研究中低磷脅迫使苦蕎幼苗根系活力降低12.2%,說明根系活力對低磷環境較為敏感,且根系磷含量同CK相比降低了39.0%,由此推測出根系活力的降低導致難溶性磷不能轉化為可吸收利用的磷。本研究在低磷條件下植株根系的酸性磷酸酶活性降低,研究結果與楊春婷[28]、Gaume等[27]的研究結果不一致(在低磷條件下酸性磷酸酶活性升高是作物應對低磷脅迫的生理反應以適應其生長環境),低磷條件下酸性磷酸酶活性升高從而可以活化出根際中難溶解的磷以增加根際有效磷含量,造成差異的原因可能是由于環境因素而致的試驗誤差。

在秸稈還田條件下,根系干質量、根系表面積均比低磷環境下長勢較好(較低磷環境分別增長了28.0%、42.3%),但低磷條件下施加秸稈并未達到正常施肥條件下苦蕎幼苗根系的生長力(秸稈還田較對照根系干質量、根系表面積分別降低53.0%、46.3%),該結果與王明達[29]在玉米中的研究結果一致(單施秸稈處理較正常施肥的玉米各形態指標均降低)。說明秸稈作為有機肥雖可補償低磷環境中磷肥的作用,促進苦蕎幼苗根系生長,但無法使苦蕎根系形態恢復至正常供磷水平。何艷等[30]研究結果表明秸稈還田對根系生長的影響表現為前抑后促,抑制分蘗期根系的生長,本研究僅對苗期進行測定相關指標,苗期根系形態指標與CK相比,長勢較弱可能是由于施加秸稈后苗期抑制了根系生長。在根系活性方面,本研究發現施加秸稈可顯著提高根系活力,研究結果與徐國偉等[31]在水稻中的研究結果一致,秸稈還田后有利于根系分泌有機酸,根系分泌物中有機酸總量的增加從而促進根系活力增長。因此本研究推斷根系活力的增強可能與苦蕎幼苗根系分泌有機酸有關。另外,本研究施加秸稈后根系磷含量與酸性磷酸酶活性顯著降低,施加秸稈能提高植株中全磷含量,酸性磷酸酶活性由于磷的增加而降低,分解能力下降,故根系磷含量降低。而戰厚強等[10]對水稻進行秸稈還田后發現秸稈還田提升了土壤酸性磷酸酶活性和土壤速效磷含量,結果不同的原因可能是因為本試驗在低磷環境下進行秸稈還田,試驗中條件不一致造成結果不同。

解磷菌作為可活化土壤難溶性磷以及減少磷肥用量和提高磷肥利用率具有重要意義的一類有益微生物,近年來被人們廣泛關注。本研究對具有解有機磷特性的花域芽孢桿菌gz4-1在苦蕎栽培過程中的減少磷肥用量效果進行測定后發現,一定濃度菌液對苦蕎幼苗生長具有明顯促進作用,且綜合因素考慮P2濃度解磷菌液配施秸稈會使苦蕎幼苗根系的鮮質量、干質量、主根長以及苦蕎幼苗的莖粗、鮮質量、干質量和葉面積達到正常施肥下苦蕎的生長能力,說明苦蕎可以通過合理施加解磷細菌配施秸稈來增加根系根長和根系表面積、調整苦蕎根系構型由此擴大根系吸收營養物質的能力。該試驗結果與朱培淼等[32]在玉米上的研究結果一致(在低磷條件下,單接解磷細菌就可以促進植物的生長,接種解磷細菌后,玉米的莖粗、株高和鮮質量較低磷對照組顯著增加),說明添加解磷細菌對苦蕎幼苗莖葉生長有補償作用。整體而言,中等濃度的花域芽孢桿菌gz4-1的菌液配施秸稈更能增加土壤中有效磷含量,促進植物對磷更好的吸收利用。另外,本研究還發現添加P2解磷菌菌液配施秸稈時苦蕎幼苗根系活力顯著提高,較CK顯著增加114.5%,解磷菌菌液的施加增強了根系活力,同時解磷細菌會分解秸稈中有機磷來增加土壤中磷含量,苦蕎抵御逆境的能力增加,但低磷量和高磷量也會對根系活力產生抑制作用,這與徐鳳花等[33]研究結果相似,說明通過作物秸桿還田可為土壤微生物提供大量新鮮的能源物質,激發解磷菌的活性,且P2水平下花域芽孢桿菌gz4-1的解磷能力更有利于苦蕎幼苗生長,有效補償磷肥的對苦蕎幼苗生長的作用,根系活力的提高可以為吸收磷素提供能量供應。有相關研究證明了這一結論,王法威[34]通過研究表明配施解磷細菌后植物的根系活力隨著磷水平的增加而增加;蔣欣梅等[35]施加解磷細菌肥處理可以顯著提高茄子的根系活力,其中每667 m2施加1 kg解磷細菌肥時茄子的根系活力的增幅最大為35.9%。由此說明解磷細菌可以補償磷肥的缺失作用,增強植株幼苗根系活力,符合植物對逆境反應的典型特征。

4 結論

花域芽孢桿菌gz4-1與秸稈配施對低磷脅迫下苦蕎幼苗生長發育及抗逆性具有重要影響。施加秸稈并用花域芽孢桿菌gz4-1菌液灌根在苦蕎栽培過程中具有替代磷肥的作用,低磷條件下,添加P2濃度的花域芽孢桿菌gz4-1菌液可以促進苦蕎幼苗生長;在施加秸稈后,最佳菌液施用濃度在106cfu·m L-1對苦蕎促生效果最明顯。低磷脅迫下,適宜濃度解磷細菌液(P2)通過改變根系的構型、增大根系的面積提高吸收磷素的能力,從而改善苦蕎幼苗生長狀況,促進苦蕎根系和地上部生長。采用配施秸稈的方式能夠減少磷肥的施用,提高磷素的利用率,本研究中按照每千克土配施4 g秸稈并添加106cfu·m L-1濃度的花域芽孢桿菌gz4-1菌液更有利于苦蕎的生長,是培肥地力提高產量的有效措施之一。

本研究結果可為苦蕎低磷脅迫下提高土壤中磷的利用率提供理論參考,旨在通過開發高效解磷微生物肥料以減少化學肥料的使用來提高土壤中有效磷的含量,使得解磷微生物肥料能在農業生產中推廣應用,促進農業的可持續發展,關于秸稈的用量及秸稈還田條件下的該菌株應用效果還需進一步研究。