微滴灌生物菌肥對荒漠沙中棉花生長的影響

吳江利，羅學(xué)剛，李寶強，張 倩，楊 圣(.西南科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，四川綿陽6200;2.生物質(zhì)材料教育部工程研究中心，四川綿陽6200;.新疆慧爾農(nóng)業(yè)科技股份有限公司，新疆昌吉800)

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，高產(chǎn)，優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全已成為一條重要的農(nóng)業(yè)發(fā)展道路［1］。人類開發(fā)和利用的土地資源也不僅僅局限于傳統(tǒng)的耕地。以色列為代表的沙漠農(nóng)業(yè)取得舉世矚目的成績，在世界范圍內(nèi)引起廣泛的關(guān)注。微滴灌技術(shù)不僅能夠減少水的使用量，而且能大幅提高水的利用率。這對于缺水的沙漠地區(qū)來講無疑是一種可以推廣使用的技術(shù)［2－3］。沙漠的改良與利用不但可以改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，而且可以增加耕地面積［4－6］。肥料是農(nóng)業(yè)豐產(chǎn)增收的保證。在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中，農(nóng)作物的產(chǎn)量往往與肥料的使用量呈一定的正比關(guān)系。但是，大量化學(xué)肥料的使用易產(chǎn)生土壤板結(jié)、養(yǎng)分流失等問題［7］。

據(jù)相關(guān)報道，微生物肥料的使用可以很好地緩解上述問題［8－9］。在內(nèi)陸地區(qū)，很多地方已經(jīng)推廣使用生物有機肥，并且取得良好的使用效果。在我國西北荒漠地區(qū)的棉田，微滴灌微生物菌肥也開始使用，但有關(guān)其使用效果以及對棉花生長的影響報道較少。植物的光合生理參數(shù)是衡量植物正常生長的重要生理指標［10］，而植物光合生理過程參數(shù)的變化可以靈敏地反映植物體對干旱、高溫、鹽堿等逆境脅迫的適應(yīng)能力［11－13］。在沙漠土壤中，采用微滴灌技術(shù)，施加不同種類和不同稀釋倍數(shù)的微生物肥料，并且在沙土中種植棉花，統(tǒng)計棉花發(fā)芽率;在開花期通過光合氣體交換參數(shù)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)，研究不同處理對棉花光合生理的影響，以期為微滴灌微生物菌肥對新疆棉區(qū)棉花生長的影響研究提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 供試植物與土壤 試驗植物為錦葵科棉屬植物棉花(Gossypium hirsutum L.)，購自河北渤海種業(yè)有限公司(國審冀668)。精選飽滿、無破損、無霉爛的種子做試驗材料。

試驗土壤采自新疆維吾爾自治區(qū)塔克拉瑪干沙漠，以不同程度的荒漠化和鹽堿化土壤為代表性采樣點，隨機垂直取0～50 cm深的土壤，混合后裝袋，備用。土壤理化性質(zhì)為:pH(土水比 1.0∶2.5)7.7，有機質(zhì) 1.45 g/kg，全磷 0.419 g/kg，全鉀 17.2 g/kg，全氮 0.062 g/kg，有效磷 4.5 mg/kg，速效鉀 0.27 g/kg，堿解氮1.75 mg/kg，陽離子交換量12.7 cmol(+)/kg。

1.2 試驗設(shè)計 在2014年3月，分別將枯草芽孢桿菌G、沼澤紅假單胞菌R、膠質(zhì)芽孢桿菌K、復(fù)合菌肥C(前3種的等比例混合液)發(fā)酵液按0、25%、50%、75%、100%進行稀釋，其中0即為對照組(CK))，然后使用微滴灌設(shè)備，分別等量處理盛裝在花盆中的荒漠沙。7 d后混勻土壤，播種棉花，統(tǒng)計種子發(fā)芽率，發(fā)芽14 d后定苗，每盆保留長勢良好、均勻的植株2株。后期管理采用微滴灌設(shè)備定時、定量給水，保持含水量在飽和含水量的60% ～70%。在棉花開花期進行棉花的光合氣體交換參數(shù)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定［14－15］。

1.3 測試方法

1.3.1 種子發(fā)芽率的測定。播種后，每隔12 h觀察種子發(fā)芽情況，以種子露白長出土壤表面為準，統(tǒng)計種子發(fā)芽個數(shù)，同時計算棉花種子的發(fā)芽率［16］。

種子發(fā)芽率=發(fā)芽種子數(shù)/試驗棉花種子總數(shù)×100%

1.3.2 光合氣體交換參數(shù)的測定。用LI-6400XT便攜式光合儀(美國LI-COR公司產(chǎn))，測定棉花的光合氣體交換參數(shù)。選上午9:00～11:00為測試時間，光強的參數(shù)設(shè)置為800 μmol/(m2·s)，選由上向下數(shù)第4片葉子為測試葉片進行測定［14］。

1.3.3 葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定。葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定采用德國Walz公司產(chǎn)Dual-PAM-100熒光儀。測定前，先將植物置于暗環(huán)境中適應(yīng)30 min，測量葉片與“1.3.2”相同。參數(shù)設(shè)定為:光強 12 μmol/(m2·s)，飽和脈沖光強10 000 μmol/(m2·s)，持續(xù)時間600 ms。熒光淬滅分析作用的光強為 128 μmol/(m2·s)，飽和脈沖間隔時間為 20 s［14－15］。

1.4 數(shù)據(jù)處理 各試驗組設(shè)置3次平行，取平均值進行研究。所得數(shù)據(jù)使用Excel、Origin8.5等軟件進行統(tǒng)計和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度微滴灌肥處理下棉花發(fā)芽率變化 微生物肥料能夠改善土壤的微環(huán)境，調(diào)節(jié)土壤pH，有利于種子的萌發(fā)［17］。從圖1可以看出，施加菌肥的處理棉花種子的發(fā)芽時間相對于對照提前了12～24 h，發(fā)芽率相對于對照提高了1.59% ～27.70%。由于菌種的不同，各滴灌肥對棉花種子發(fā)芽率的促進作用不盡相同?？莶菅挎邨U菌G作用下的發(fā)芽率在 56.23% ～72.50%，比對照高出 8.56% ～24.83%，發(fā)芽率最高時的發(fā)酵液濃度為75%;沼澤紅假單胞菌R作用下棉花的發(fā)芽率在50.10% ～70.32%，比對照高出2.43% ～22.65%，最大促進作用出現(xiàn)在發(fā)酵液濃度為50%時;膠質(zhì)芽孢桿菌K作用下的棉花發(fā)芽率為49.21% ～64.29%，比對照高1.54% ～16.62%，最大促進作用出現(xiàn)在發(fā)酵液濃度為75%時;復(fù)合肥 C作用下的棉花發(fā)芽率為50.10% ～75.32%，比對照高2.43% ～27.65%，最大促進作用出現(xiàn)在發(fā)酵液濃度為50%時。

由此可知，不同濃度的不同菌肥發(fā)酵液對棉花種子的萌發(fā)具有一定的促進作用，并且這種促進作用與發(fā)酵液的濃度有關(guān)。在低濃度時，隨著濃度的升高，發(fā)芽率不斷升高，當(dāng)高于某一濃度時，發(fā)芽率又開始下降，最大促進作用出現(xiàn)在復(fù)合菌肥處理。段錦波等［17－18］研究了不同肥料在滴灌棉花上的應(yīng)用效果，結(jié)果表明滴灌肥具有促進種子發(fā)芽、較好的增產(chǎn)效果和提高肥料利用率的作用，并且發(fā)現(xiàn)微生肥料進行復(fù)配的效果明顯優(yōu)于單一的微生物肥料。試驗中，3種單一菌種的使用均促進種子的發(fā)芽，提高種子的發(fā)芽率，但是總體上沒有3種單一菌肥等量混合的復(fù)合肥C的促進作用明顯。

2.2 不同微滴灌菌肥作用下棉花的光合生理變化 研究植物的光合生理變化，通常使用光合系統(tǒng)Ⅰ(PSⅠ)的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間 CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)以及光合系統(tǒng)Ⅱ的初始熒光(Fo)、最大熒光產(chǎn)量(Fm)與最大光化學(xué)強度(Fv/Fm)等指標［14］。

從表2可以看出，在不同濃度菌肥的處理下，棉花的光合系統(tǒng)Ⅰ的4個指標有不同的變化。在Pn方面，枯草芽孢桿菌G發(fā)酵液濃度在25%和100%時分別比對照高10.51%和1.64%，在50%和75%時均低于對照;沼澤紅假單胞菌R在75%時比對照低5.74%，在其他濃度時高于對照3.28% ～13.49%;膠質(zhì)芽孢桿菌K在各濃度下均比對照高，在6.11%～19.37%之間;復(fù)合肥C除25%時比對照組高1.49%外，其他濃度下均低于對照組。在Gs方面，枯草芽孢桿菌G和膠質(zhì)芽孢桿菌K比對照低0.59% ～12.64%，其他兩組均比對照高1.95% ～20.14%。在Ci方面，各菌肥比對照的變化為－12.72% ～29.5%。在Tr方面，沼澤紅假單胞菌R各濃度條件下比對照低33.80% ～41.13%，其他菌肥處理組相對于對照提高了0.51% ～38.64%。

在棉花光的合系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)中，75%的枯草芽孢桿菌G、75%的膠質(zhì)芽孢桿菌K及100%的復(fù)合菌處理下的棉花Fo均比對照低，降幅在1.93% ～3.26%之間，其他濃度的菌肥比對照高0.97% ～15.32%;枯草芽孢桿菌G和濃度75%、100%的沼澤紅假單胞菌R及100%的膠質(zhì)芽孢桿菌K作用下的棉花Fm比對照低0.35% ～9.23%;棉花 Fv/Fm變化不大，比對照升高 1.35% ～23.70%或降低 1.25% ～5.11%。

表2 不同濃度菌肥作用下棉花的光合生理響應(yīng)指數(shù)(BI)

2.3 不同微滴灌菌肥作用下棉花光合參數(shù)的差異分析 對棉花光合作用參數(shù)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的方差分析結(jié)果表明，在不同微滴灌液體菌肥的作用下，棉花的各光合參數(shù)差異呈0.01水平顯著。從表3可以看出，在復(fù)合肥C的作用下Pn和Fv/Fm指數(shù)最高，說明復(fù)合肥C能夠降低荒漠沙環(huán)境對棉花的光合系統(tǒng)Ⅰ和光合系統(tǒng)Ⅱ的脅迫或影響;枯草芽孢桿菌G作用下的Pn和Fv/Fm指數(shù)次之，膠質(zhì)芽孢桿菌K作用下的Pn和Fv/Fm指數(shù)最小，說明膠質(zhì)芽孢桿菌K在棉花生長過程中抵抗荒漠沙環(huán)境脅迫的作用最小，或者說這種能力最弱。根據(jù)Fv與Fm的關(guān)系(Fv=Fm－Fo)，可知Fm的降低或Fo的升高都會導(dǎo)致Fv和Fv/Fm的下降。

在Gs、Ci、Tr等方面，膠質(zhì)芽孢桿菌K作用下的棉花光合指數(shù)也最小，說明該菌對棉花的生長促進作用有限。而枯草芽孢桿菌G和沼澤紅假單胞菌R作用下的棉花光合作用參數(shù)和熒光參數(shù)相對于膠質(zhì)芽孢桿菌K較高，而復(fù)合肥C的各指數(shù)相對最高，更能體現(xiàn)出微生物菌肥對棉花生長的促進作用［14－15］。

表3 不同菌肥對棉花光合作用參數(shù)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

3 討論

種子發(fā)芽的條件除了種子本身發(fā)育完全的內(nèi)在條件外，還需要有適當(dāng)?shù)沫h(huán)境條件配合才能進行。環(huán)境中的溫度、水分含量和酸堿度等因素都是影響種子發(fā)芽的重要因素［18－19］。據(jù)相關(guān)文獻報道，微生物肥料的加入可以加快種子的萌發(fā)，具有提高種子的發(fā)芽率、增加棉花產(chǎn)量的作用［17］。研究中，在加入不同濃度的微滴灌菌肥稀釋液后，枯草芽孢桿菌G在發(fā)酵液濃度為75%時達到最高(72.50%)，沼澤紅假單胞菌R在發(fā)酵液濃度為50%時達到最高(70.32%)，膠質(zhì)芽孢桿菌K在發(fā)酵液濃度為75%時達到最高(64.29%)，復(fù)合肥 C發(fā)酵液濃度為50%時達到最高(75.32%)，均高于對照的47.62%。微生物肥料對棉花種子發(fā)芽率的影響可能是由于微生物的次生代謝產(chǎn)物改變了土壤微環(huán)境中的pH。外界酸堿度的變化能夠影響種子有關(guān)酶的活性，促進種子的萌發(fā)。微生物代謝產(chǎn)生的有機質(zhì)使得土壤中的微生物活性不斷提高，也對棉花根部營養(yǎng)的吸收和植株的生長具有促進作用［20－21］。

研究表明，在4種不同濃度的微滴灌菌肥發(fā)酵液處理的土壤中，棉花葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)參數(shù)和氣體交換參數(shù)都有一定的影響。Farquhar等［22］認為，在光合反應(yīng)系統(tǒng)Ⅰ(PSⅠ)中，當(dāng)Pn下降時，若Ci和Gs同時下降，則說明氣孔限制是導(dǎo)致光合作用能力下降的因素，與之相反，若Ci上升，則是由非氣孔因素所致。試驗中，在不同菌肥的處理下，在Pn上升的同時，Gs和Ci也上升，說明棉花的光合作用能力增強，是由氣孔因素所致。試驗結(jié)果顯示，蒸騰速率勢與氣孔導(dǎo)度的變化趨勢相似。這是由于氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率呈現(xiàn)正相關(guān)。氣孔導(dǎo)度反映植物氣孔的開合程度。氣孔開合程度越大，那么蒸騰速率越大，反之則?。?3－24］。

在光合系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)中，F(xiàn)o為初始熒光，又稱基礎(chǔ)熒光，是PSⅡ反應(yīng)中心處完全開放時的熒光產(chǎn)量。Fo上升，表明脅迫使PSⅡ反應(yīng)中心發(fā)生光破壞，而且這種破壞是不可逆的［25］。Fm為最大熒光產(chǎn)量，是PSⅡ反應(yīng)中心處于完全關(guān)閉時的熒光產(chǎn)量，反映PSⅡ的電子傳遞情況。Fv/Fm為PSⅡ最大光化學(xué)強度，反映PSⅡ反應(yīng)中心的光能轉(zhuǎn)換效率。Fv/Fm降低，表明植物受到光抑制［26］。研究表明，各菌肥處理棉花的最大光化學(xué)強度(Fv/Fm)比對照升高了 －5.11% ～23.70%，說明在菌肥的作用下，棉花并沒有表現(xiàn)出對荒漠沙環(huán)境的脅迫，或者說菌肥能夠降低荒漠沙環(huán)境對棉花的脅迫作用，增強棉花對環(huán)境的適應(yīng)能力［27－28］。

研究還表明，滴灌菌肥枯草芽孢桿菌G、沼澤紅假單胞菌R、膠質(zhì)芽孢桿菌K、復(fù)合菌肥C的發(fā)酵稀釋液能夠促使棉花種子提前發(fā)芽12～24 h，發(fā)芽率提高1.59% ～27.70%，并且因菌種的不同而異，復(fù)合肥的促進作用明顯高于單一菌種;在菌肥作用下，棉花植株葉片的蒸騰速率加快，并且隨著菌肥加入量的增加而加快，說明菌肥能夠促進棉花的蒸騰作用，促進植物的生長;在光合反應(yīng)系統(tǒng)Ⅱ中，菌肥處理棉花最大光化學(xué)強度比對照高，說明菌肥能夠減弱環(huán)境對棉花的脅迫，增強棉花對荒漠沙環(huán)境的適應(yīng)性。

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