化肥減量配施微生物肥料對垂穗披堿草生長的影響

撖冬榮，姚拓，李海云，陳敏豪，高亞敏，李昌寧，白潔，蘇明

（甘肅農業大學草業學院，草業生態系統教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730070）

垂穗披堿草（Elymus nutans）屬于禾本科小麥族披堿草屬［1］，其營養價值與種植面積雖不及“牧草之王”紫花苜蓿（Medicago sativa），但其具有根系發達，抗寒抗旱性強，適應性廣的特性，是惡劣環境中的主要牧草和優勢種，被廣泛用于生態修復［2］。目前，就如何提高垂穗披堿草產量、品質以及適應性等方面，較多的是從育種、播種方式以及貯存手段等方面進行探究，而通過微生物肥料來提高產量、營養品質等的研究較少。

化肥（chemical fertilizer，CF）是重要的農業生產資料，在提高作物產量、品質中發揮著重要作用［3］。農作物增產的50%依賴于化肥［4］，而化肥利用率卻不足30%［5］，據中國統計年鑒顯示，從1980-2015年，中國化肥施用量由1300萬t增加到6000萬t［6］，其增加幅度遠超耕地面積。長期過量施肥不僅造成資源的極大浪費，還導致土壤質量惡化、生態環境破壞、農產品品質降低等一系列問題［7］。因此，從生態農業發展等方面綜合考慮，微生物肥料替代部分化肥是解決上述問題的有效途徑［8］。微生物肥料（microbial fertilizer，MF）作為一種新型環保型肥料，具有促進植物對養分的吸收、抑制病原菌、提高肥料利用率、改良土壤質量等優點，已廣泛應用于禾谷類、油料類等作物，且增產與土壤改良效果明顯［9］。研究發現，將類芽孢桿菌（Paenibacillus）S6和1-18、枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）56接種于小麥（Triticum aestivum）上，其產量分別提高6.9%、8.8%和10.4%［10］；菌肥用量0.9 kg·m-2時番茄（Solanum lycopersicum）坐果數和總重最大，分別高于常規施肥處理的42.86%和36.36%［11］，且絕大部分微生物肥料對作物的增產幅度為10%～20%［12］。但是，微生物肥料的研究與應用主要集中于經濟作物，草地畜牧業中研究較少，而牧草既是草地畜牧業發展的基礎也是生態系統中的生產者，與人類生產生活關系極為密切，同時，我國不斷推動著種植結構由傳統的二元結構向糧食作物-經濟作物-飼料作物的三元結構轉變，草地畜牧業在農業總產值中的比重越來越大［13］。因此，微生物肥料替代部分化肥在畜牧業中的研究逐漸成為人們關注的熱點。

鑒于此，以垂穗披堿草為研究對象，設置化肥減量20%和40%分別配施不同劑量微生物肥料，通過分析農藝性狀、根系、營養品質，實現降低化肥施用量，減少環境污染和石化能源的消耗，篩選出微生物肥料與化肥最佳配比，為垂穗披堿草制定最優施肥方案。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1供試菌株 普羅威登斯菌（Providencia rettgeri，菌株P2），克什米爾小陌生菌（Advenella kashmirensis，菌株P4），醋酸鈣不動桿菌（Acinetobacter calcoaceticus，菌株P19），腐敗沙雷菌（Serratia plymuthica，菌株P35），由本課題組提供［14］。

1.1.2供試植株 垂穗披堿草（E.nutans），由甘肅農業大學草業學院提供。

1.1.3微生物肥料 將菌株P2、P4、P19、P35分別單接種于無菌LB液體培養基，置于搖床培養2～3 d（180 r·min-1，28℃），各菌液含菌量達108cfu·mL-1時，將菌液按等比例混合，備用。以草炭、木炭和粉碎的玉米秸稈3種載體等比例混合后作為菌肥載體，間隔12 h滅菌（121℃，26 min）兩次，將滅菌完的載體放入超凈工作臺降至室溫后取1 kg裝入聚乙烯袋中，加適量無菌水再加混合菌液80 mL，封口并用無菌針扎小孔，以便透氣［15］，并置于28℃培養箱培養7～10 d。

1.1.4化學肥料 復合型化肥產自湖北新洋豐肥業股份有限公司，養分含量≥45%［m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）=14∶16∶15］。

1.2 試驗設計

試驗于2019年7月在智能生長室進行，生長條件模擬室外生長條件，白天：光照16 h，濕度45%，溫度23℃；夜晚：黑暗8 h，濕度45%，溫度19℃。用上述微生物肥料與化肥拌種，將種子（20粒·盆-1）均勻種植于盛有1 kg土壤的花盆（上口徑15 cm、底徑11 cm、高度13.3 cm）中，出苗后間苗（每盆留15株長勢均一的植株），分別于盛花期收獲第1茬和第2茬植株，測定各指標。試驗共設11個處理（4次重復），具體設置如下：CK：100%CF（300 kg·hm-2CF）；B1：MF（60）+80%CF；B2：MF（90）+80%CF；B3：MF（120）+80%CF；B4：MF（150）+80%CF；B5：MF（180）+80%CF；C1：MF（60）+60%CF；C2：MF（90）+60%CF；C3：MF（120）+60%CF；C4：MF（150）+60%CF；C5：MF（180）+60%CF。

1.3 測定方法

1.3.1農藝性狀測定 每個花盆隨機選取10株進行農藝性狀測定，采用直尺法［16］測定株高（自然高度），采用游標卡尺法［16］測定莖粗（相同位置），采用烘干法［16］測定生物量。

1.3.2根系形態 采用LA 2400 scanner型根系掃描儀（Epson Expression 1000 XL，中國）測定總根長、總根表面積和總根體積［17］。

1.3.3營養品質測定 采用凱氏定氮法［18］測定粗蛋白（crude protein，CP）含量；采用粗脂肪測定儀（SZF-06A，中國河北）測定粗脂肪（ether extract，EE）含量［18］；采用Van Soets法測定酸性洗滌纖維（acid detergent fiber，ADF）和中性洗滌纖維（neutral detergent fiber，NDF）含量［18］：分別稱取1.0 g烘干研磨的過篩（1 mm）草樣于烘干恒重的聚酯纖維濾網帶中，放入配制好的洗滌液中進行測定。

式中：m為試樣質量；m1為濾網袋質量；m2為ADF或NDF和濾網袋質量。

1.4 數據處理

采用SPSS 22.0進行主成分分析和差異顯著性檢驗，采用Excel 2010作圖。

2 結果與分析

2.1 微生物肥料與化肥減量配施對垂穗披堿草農藝性狀的影響

化肥減量20%和40%與不同劑量微生物肥料配施，第1茬植株莖粗和干草產量均高于第2茬（表1）。MF（90）+80%CF（B2）配施，第1茬和第2茬株高、莖粗、干草產量均最大，其中，第1茬株高、莖粗、干草產量較CK分別提高34.86%、44.83%、3.08%；第2茬株高、莖粗、干草產量較CK分別提高80.43%、66.34%、13.08%，差異顯著（P＜0.05）。

表1 垂穗披堿草農藝性狀特征變化Table 1 Changes in agr onomic characteristics of E.nutans

2.2 微生物肥料與化肥減量配施對垂穗披堿草根系的影響

各處理水平下，植株總根長均高于CK，且差異顯著（P＜0.05），其中，MF（60）+80%CF（B1）和MF（90）+80%CF（B2）處理，植株總根長較CK分別提高34.77%和34.61%（圖1）；B2植株總根表面積較CK提高8.66%；植株總根體積呈先增高后降低再逐漸升高的變化趨勢，MF（120）+80%CF（B3）處理總根體積最大，較CK增加45.54%；地下鮮重與地下干重均呈先升高后降低再緩慢升高的變化趨勢，植株地下鮮重和地下干重較CK分別提高19.39%和51.04%。

圖1 垂穗披堿草根系的變化特征Fig.1 Root morphological characteristics of E.nutans

2.3 微生物肥料與化肥減量配施對垂穗披堿草營養品質的影響

80%CF和60%CF與不同劑量微生物肥料配施，第1茬植株各指標均優于第2茬（圖2）。MF（150）+80%CF（B4）處理，第1茬CP含量最高，較CK增加36.09%。MF（120）+80%CF（B3）處理，第2茬CP含量最高，較CK增加25.30%；第1茬和第2茬EE含量均最高，分別較CK增加22.97%和14.61%；第1茬ADF含量較CK降低6.59%。MF（180）+80%CF（B5）處理，第2茬ADF含量較CK降低8.13%。MF（90）+80%CF（B2）處理，第1茬NDF含量最低，較CK降低15.64%。B5處理第2茬NDF含量最低，較CK降低8.88%。

圖2 垂穗披堿草營養品質變化特征Fig.2 Var iation of nutritional quality of E.nutans

2.4 主成分分析

2.4.1垂穗披堿草第1茬指標間的相關性 為比較化肥減量配施微生物肥料對垂穗披堿草生長的影響，將粗蛋白、粗脂肪、酸性洗滌纖維、中性洗滌纖維、株高、莖粗和干草產量作為因子分析的變量，采用主成分分析綜合評價。TS與NDF呈顯著（P＜0.05）負相關（表2），ADF與NDF呈極顯著（P＜0.01）正相關。第1主成分方差貢獻率為40.85%，2個主成分累計貢獻率為67.65%（表3）。通過主成分分析計算不同處理的綜合得分（表4）為：B2＞B3＞CK＞B1＞B4＞C4＞B5＞C1＞C2＞C5＞C3，分析結果表明，MF（90）+80%CF（B2）處理對植株生長最佳。

表2 第1茬各指標之間的相關系數矩陣Table 2 Correlation coefficient matrix of the indices in the first harvest

表3 第1茬主成分分析的特征值與方差貢獻率Table 3 The eigenvalue and variance contribution rate of principal component analysis in the first harvest

表4 第1茬中不同處理各主成分綜合得分及排名Table 4 Compr ehensive scores and r ankings of the pr incipal components of differ ent tr eatments in the fir st har vest

2.4.2垂穗披堿草第2茬指標間的相關性 將粗蛋白、粗脂肪、酸性洗滌纖維、中性洗滌纖維含量和株高、莖粗、干草產量及總根長、總根表面積、總根體積、地下鮮重、地下干重共12個指標進行主成分分析。12個指標因子相關系數矩陣（表5）表明，NDF與ADF、PH與TS、PH與UDW和UFW、TRL與TRS呈顯著正相關（P＜0.05），ADF與UDW和UFW呈顯著負相關（P＜0.05），UDW與UFW呈極顯著正相關（P＜0.01）。第1主成分方差貢獻率為38.75%，4個主成分累計貢獻率達76.52%（表6）。通過主成分分析綜合得分評價，化肥減量配施不同微生物肥料對植株生長增效順序為：B2＞B1＞B3＞C3＞B5＞C2＞B4＞C5＞C1＞C4＞CK，表明微生物肥料替代部分化肥可促進植株生長，且MF（90）+80%CF（B2）處理對垂穗披堿草生長促進效果最好（表7）。

表5 第2茬各指標之間的相關系數矩陣Table 5 Cor relation coefficient matrix of the indices in the second har vest

表6 第2茬主成分分析的特征值與方差貢獻率Table 6 The eigenvalue and variance contribution rate of principal component analysis in the second har vest

表7 第2茬中不同處理各主成分綜合得分及排名Table 7 Compr ehensive scor es and r ankings of the pr incipal components of different tr eatments in the second har vest

3 討論

3.1 微生物肥料與化肥減量配施對垂穗披堿草農藝性狀的影響

株高、莖粗和生物量是評價植株生長狀況的重要表觀現象［19］。本研究通過化肥減量配施不同劑量微生 物 肥 料 發 現，80%CF（240 kg·hm-2）配 施90 kg·hm-2MF可明顯增加株高、莖粗、干草產量，其中，第1茬株高、莖粗和干草產量較CK分別提高34.86%、44.83%和3.08%，第2茬株高、莖粗和干草產量較CK分別提高80.43%、66.34%、13.08%，且第2茬比第1茬提高幅度大，可能原因是受促生菌在根際定殖位置、定殖時長及作用機理的影響，因為部分促生菌并不是直接對植物起作用，而是通過自身產生的次級代謝產物起間接性作用或將土壤養分轉化為中間產物，植物再通過其他途徑吸收利用養分。劉慶豐等［20］研究發現，枯草芽孢桿菌XF-1在白菜（Brassica pekinensis）根部定殖量呈先降低后上升再降低的變化趨勢，當促生菌與宿主植物相互適應時此變化才趨于穩定，同時Chen等［21］發現芽孢桿菌（Bacillus）JM-1128在棉花（Gossypium）上7 d內定殖量顯著下降，而7～21 d內定殖量下降緩慢。因此，促生菌定殖過程十分復雜，受根系分泌物、植物生長狀況、細菌趨化性［22］、細菌營養型［23］、土壤水分、透氣性及酸堿度等生物和非生物因素影響，這些因素可影響微生物肥料促生效果。

3.2 微生物肥料與化肥減量配施對垂穗披堿草根系的影響

根際是微生物肥料發揮作用的場所，其中最主要的部分是植物根系，它是養分循環利用的主要通道，起固定植物的關鍵作用［24］。本研究發現，化肥減量20%和40%配施微生物肥料，垂穗披堿草總根長、總根表面積、總根體積及根系生物量較CK高，80%CF（240 kg·hm-2）配施90 kg·hm-2MF，其總根長、總根表面積較CK提高了34.61%和8.66%；80%CF（240 kg·hm-2）配施120 kg·hm-2MF，其總根體積、根系鮮重和根系干重分別較CK提高了45.54%、19.39%和51.04%。陳香碧等［25］研究發現，在干濕交替的稻田土壤中，化肥減量使水稻（Oryza sativa）根長密度、根重密度、根表面積、根活性吸收面積和根系氧化能力比全化肥處理大幅度增加（約40%），有利于水稻良好根系形態的形成。本研究還發現，隨微生物肥料劑量增大，根系各指標降低，原因可能是大劑量微生物肥料與化肥配施或施用肥料過量會對植物根系產生毒害作用，因此，施肥量超出適宜范圍不僅未起到促進根系生長的作用，甚至會抑制根系正常生長發育；另外，促生菌會大量定殖在根系表面且快速繁殖，生長到一定程度形成一層菌膜包裹在根系表面，進而影響根系透氣性，抑制根系呼吸作用，同時一些促生菌生長繁殖過程中會與根系爭奪營養物質，這些原因可能會導致根系生長受限。

3.3 微生物肥料與化肥減量配施對垂穗披堿草營養品質的影響

粗蛋白、粗脂肪、酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維均是牧草重要的營養指標［26］。本研究發現，微生物肥料對垂穗披堿草營養物質積累具有促進作用，在其第1茬生長過程中發現，化肥減量配施微生物肥料后，植株CP和EE含量隨微生物肥料劑量增加呈先上升后下降的變化趨勢，ADF和NDF含量隨微生物肥料劑量增加呈下降趨勢。Yanni等［27］從水稻根際分離出聯合固氮細菌（Rhizobium leguminosarumbv.trifolii）并接種于水稻，發現顯著增加了水稻CP含量收獲指數。韓華雯等［28］研究發現，單施固氮菌肥或施用固氮（或溶磷）菌肥+半量化肥，能使燕麥（Avena sativa）各生育期CP和EE含量顯著提高，菌肥+半量化肥使燕麥NDF和ADF含量降低。同時本研究發現，80%CF配施90和120 kg·hm-2MF后，牧草生育期可提前7 d左右，根據李菲菲等［29］研究發現，牧草營養品質隨生育期呈先上升后降低趨勢，本研究結果與其一致，因此，微生物肥料可縮短垂穗披堿草生育期這一發現對解決高寒地區因氣候條件而不能滿足作物正常生長發育這一問題有較為重要的研究價值和實際意義，后續需進行深入研究。研究還發現垂穗披堿草第2茬營養品質顯著低于第1茬，原因可能是本試驗采用盆栽方式進行，可供牧草生長的空間和所含養分有限，牧草生長到第2茬時養分缺失。

4 結論

1）化肥減量配施微生物肥料對垂穗披堿草的生長促進效果顯著，且第1茬促生效果優于第2茬。2）通過主成分分析綜合評價結果表明，80%化肥（240 kg·hm-2）配施微生物肥料（90 kg·hm-2）對促進垂穗披堿草生長和營養品質的積累效果最顯著，是最佳肥料量配比。