微生物菌劑對(duì)新疆棉花連作障礙的消減研究

李 國，易 強(qiáng)，許世武，焦天奇，孫 彪，陳志榮，趙孝衛(wèi)

（沃達(dá)農(nóng)業(yè)科技股份有限公司/微生物生態(tài)肥料及應(yīng)用技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832000）

棉花是新疆第一大經(jīng)濟(jì)作物，至2018年，新疆棉花種植面積達(dá)到246.7萬hm2［1］，占全國棉花種植面積的80%左右，在我國棉花產(chǎn)業(yè)發(fā)展中具有重要的地位。近年來，新疆棉花種植模式表現(xiàn)單一、連作現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致連作障礙發(fā)生，對(duì)棉田生態(tài)環(huán)境造成一定負(fù)面影響。

研究表明長期連作使棉花根際土壤微生物群落多樣性降低，導(dǎo)致土壤微生物區(qū)系失衡，土壤病原菌數(shù)量增加并長期存活，造成枯萎病、黃萎病等主要土傳病害混合發(fā)生，并呈逐年加重趨勢［2-3］。連作導(dǎo)致作物根系對(duì)離子的選擇性吸收使特定養(yǎng)分富集或虧缺，是作物產(chǎn)生連作障礙的一個(gè)重要因素［4］。新疆棉區(qū)棉花長期連作導(dǎo)致土壤pH值升高、土壤含鹽量增加，土壤次生鹽漬化加重、土壤有效磷和速效鉀含量下降，并且導(dǎo)致土壤過氧化氫酶、蔗糖酶、蛋白酶和磷酸酶等土壤酶活降低［5］。棉花長期連作還會(huì)導(dǎo)致自毒作用發(fā)生。研究發(fā)現(xiàn)棉花自身分泌的對(duì)羥基苯甲酸、阿魏酸、沒食子酸等酚類化感物質(zhì)對(duì)棉花生長有一定的抑制作用。有研究表明，棉花秸稈水浸提液對(duì)棉花種子發(fā)芽率、胚根長、苗高和側(cè)根數(shù)有較強(qiáng)的抑制作用，并能降低棉花根系活力和根系SOD、POD活性，使MDA含量增加［6-11］。研究表明，連作1～5年的籽棉產(chǎn)量基本不減產(chǎn)，連作10年以上的棉田籽棉產(chǎn)量可減少27.8% ～ 46.8%［5］。

棉花連作障礙消除是一個(gè)世界性難題，新疆由于土壤性質(zhì)和耕作模式的特殊性更為復(fù)雜，研究者對(duì)此提出采用輪作、抗病品種、化學(xué)防治、土壤高溫滅菌等主要措施。輪作倒茬簡便易行，但在現(xiàn)有的種植模式、耕作制度及棉花經(jīng)濟(jì)效益影響下，難以推廣實(shí)施?；瘜W(xué)手段易引發(fā)環(huán)境污染及農(nóng)藥殘留問題；因此，通過微生物的方式消減棉花連作障礙是目前簡便易行，效果可靠的方式。開發(fā)實(shí)際有效的微生物功能性產(chǎn)品已迫在眉睫。

本研究通過在土壤中添加功能微生物菌劑以及大量元素肥，旨在為作物提供有效養(yǎng)分的同時(shí)通過微生物活動(dòng)活化土壤中被固定的養(yǎng)分以供作物吸收，分解作物分泌的酚酸類物質(zhì)，減輕作物的自毒作用，并能夠有效防治棉花土傳病害，促進(jìn)作物生長，有效消減新疆棉花種植的連作障礙，達(dá)到增產(chǎn)增收的目的。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本研究試驗(yàn)地位于新疆石河子市天業(yè)試驗(yàn)場，該地區(qū)年平均降水量約215.6 mm，年平均蒸發(fā)量1 674.2 mm，無霜期170 d，年日照時(shí)數(shù)為2 861.2 h，該試驗(yàn)地已連作棉花15年，土傳黃萎病害嚴(yán)重。該地土壤類型為灌溉灰漠土，質(zhì)地為重壤。耕層土壤基礎(chǔ)指標(biāo)如下：有機(jī)質(zhì)10.14 g·kg-1，pH值8.04， 堿 解 氮66.14 mg·kg-1， 有 效 磷11.28 mg·kg-1，速效鉀 13.42 mg·kg-1。

1.2 供試材料

供試微生物菌劑：沃達(dá)BM微生物菌劑（有效活菌數(shù)≥2億/g，有機(jī)質(zhì)≥20%，菌種為枯草芽孢桿菌、解淀粉芽孢桿菌），研究涉及菌種由山東某生物公司提供。

BM菌劑滅活處理方法：將一定量菌劑分布在深度為5 cm的圓形托盤上，置于烘箱（100℃、24 h）干熱滅菌，對(duì)滅菌完畢的菌劑取樣進(jìn)行活菌檢測，結(jié)果顯示為無菌即可。

供試棉花品種：新陸早48號(hào)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究采用田間小區(qū)試驗(yàn)，設(shè)置3個(gè)處理：對(duì)照（CK）不施微生物菌劑+大量元素肥、微生物菌劑+大量元素肥、滅活微生物菌劑+大量元素肥，分別用CK、BM、BI表示。微生物菌劑處理設(shè)置3個(gè)水平：15、45、75 kg·hm-2，分別用C1、C2、C3表示。試驗(yàn)共7個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次。共21個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，隨機(jī)排列。本試驗(yàn)中大量元素肥包括氮肥、磷肥和鉀肥，其中氮肥（N）施用量為300 kg·hm-2，鉀肥（K2O）施用量為90 kg·hm-2，磷肥（P2O5）施用量為75 kg·hm-2，根據(jù)棉花生長不同時(shí)期需肥規(guī)律在棉花生長期間分11次隨水滴施。

棉花采用覆膜栽培，1膜6行，行距配置為60 cm，株距為10 cm。灌溉方式為膜下滴灌，1膜3管，毛管間距為20 cm。棉花于4月9日播種，全生育期共灌水11次，從出苗前開始至吐絮前結(jié)束。田間管理措施各處理除施用菌劑外均相同。

表1 不同處理菌劑及施肥量

1.4 調(diào)查指標(biāo)及方法

1.4.1 不同處理對(duì)棉花發(fā)病情況影響

每個(gè)處理小區(qū)選取3個(gè)固定調(diào)查點(diǎn)，每點(diǎn)面積6.7 m2。于6月15日（蕾期）、7月15日（花鈴期）兩次發(fā)病高峰期進(jìn)行棉花發(fā)病情況的田間調(diào)查。通過統(tǒng)計(jì)棉花發(fā)病株數(shù)、病級(jí)統(tǒng)計(jì)，計(jì)算發(fā)病率、病指和防病效果。病情分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)按5級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［12］。

1.4.2 不同處理對(duì)土壤理化性質(zhì)及棉花根系特征的影響

在棉花盛花期（7月20日），每個(gè)處理隨機(jī)選取20株棉花采集土壤及根系，用水沖刷大部分土壤后，將每株棉花根系分別收集，放于容器中用去離子水（4℃）小心清洗，將沖洗干凈的根樣放入液氮中速凍后保存于-80℃冰箱，并在48 h內(nèi)完成根系生理指標(biāo)測定。同時(shí)采集相應(yīng)的土樣（10～30 cm），各處理土樣分別混合均勻后裝入無菌袋，立即帶回實(shí)驗(yàn)室，剔除植物殘?bào)w。一部分置于4℃冰箱保存，并在48 h內(nèi)進(jìn)行土壤酶活性測定；另一部分土樣置于蔭涼處，攤開晾干，研磨過篩，用于土壤理化性質(zhì)測定。

取各處理小于2 mm的細(xì)根用于棉花根系生理活性測定。采用TTC法測定根系活力；丙二醛（MDA）采用硫代巴比妥酸（TBA）反應(yīng)測定［13］。

土壤全鉀測定采用火焰光度法；堿解氮測定采用擴(kuò)散法；有效磷測定采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法；速效鉀測定采用醋酸銨溶液浸提-火焰光度法；土壤pH值采用酸度計(jì)測定［14］。

土壤脲酶用萘氏比色法，酶活性用24 h內(nèi)10 g土壤中NH3-N的毫克數(shù)表示，單位為NH3-N mg·10 g-1土·24 h-1；堿性磷酸酶用磷酸苯二鈉法，酶的活性用24 h內(nèi)10 g土壤中酚的毫克數(shù)表示，單位為mg酚·10 g-1土·24 h-1。蔗糖酶用3，5-二硝基水楊酸比色法，酶活性用1 g土壤培養(yǎng)24 h后生成的葡萄糖的微克數(shù)表示［13］。

1.4.3 不同處理對(duì)棉花產(chǎn)量的影響

棉花成熟期每個(gè)處理選取6.7 m2測產(chǎn)，并收集實(shí)收產(chǎn)量數(shù)據(jù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010作圖，用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)棉花發(fā)病情況影響

由圖1可知，在蕾期時(shí)，與對(duì)照相比，微生物菌劑處理（C1、C2、C3）黃萎病發(fā)病率下降35%～74.4%，病情指數(shù)降低4～12.3，防病效果可達(dá)20%～56.7%；而施用滅活微生物菌劑（B1、B2、B3）對(duì)棉花黃萎病未表現(xiàn)出明顯防治作用；試驗(yàn)中各處理防治效果依次為 C3＞C2＞C1＞B1＞B2＞B3。在花鈴期，各處理對(duì)棉花黃萎病的防治效果與蕾期表現(xiàn)一致，但B2、B3兩個(gè)處理在花鈴期對(duì)黃萎病防治效果表現(xiàn)出負(fù)向作用，可能是滅活的微生物菌劑中含有一定量的有機(jī)物，在沒有功能微生物的參與下有機(jī)物為病原菌提供了一定的繁殖環(huán)境，導(dǎo)致病害較CK稍重。在兩個(gè)發(fā)病時(shí)期，各處理中C3處理防治效果最顯著（P＜0.05），在兩次發(fā)病高峰期防治效果持續(xù)穩(wěn)定在53.3%左右；C2處理也能達(dá)到45.7%的防治效果。說明施用不同量未滅活微生物菌劑在不同發(fā)病高峰期可不同程度降低棉花黃萎病的發(fā)病率和病情指數(shù)。

圖1 不同處理對(duì)棉花黃萎病的防治效果

2.2 不同處理對(duì)棉花連作土壤養(yǎng)分的影響

表2顯示了7種處理下棉花連作土壤養(yǎng)分的變化。與CK相比，施用未滅活微生物菌劑分別顯著提高了連作土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量15.4%、36.8%、19.8%，可降低土壤pH值，與對(duì)照相比，C2處理更加顯著（P＜0.05）；而施用滅活的微生物菌劑對(duì)連作土壤除降低了速效鉀的含量外，對(duì)其它養(yǎng)分和pH值均無顯著影響（P＞0.05）。

2.3 不同處理對(duì)棉花連作土壤酶活的影響

施用未滅活微生物菌劑（C1、C2、C3）的連作棉田土壤中，土壤脲酶活性隨菌劑施用量的增多呈上升趨勢（圖2A），且顯著高于CK，分別較CK高3.7%、5.1%、5.8%，各處理脲酶活性大小為 C3＞C2＞C1＞B3＞B2＞B1＞CK，除脲酶外，C2 處理的磷酸酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性最高（圖2B、C、D），土壤磷酸酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性 C2＞C3＞C1＞CK。施用滅活微生物菌劑（B1、B2、B3）土壤4種酶活性較CK相比差異不顯著。說明施用活的微生物菌劑能夠顯著提高土壤4種酶活性。

表2 不同處理對(duì)棉花連作土壤養(yǎng)分的影響

圖2 不同處理對(duì)連作棉田土壤酶活的影響

2.4 不同處理對(duì)棉花根系特征的影響

與對(duì)照相比，未滅活微生物菌劑（C1、C2、C3）的施用分別顯著提高了棉花根系活力18.7%、68.8%、25%。而施用滅活微生物菌劑（B1、B2、B3）對(duì)根系活力的影響均不顯著（圖3A）。且C1、C2、C3處理均顯著降低了棉花根系MDA含量，其中C2處理降低最多，可達(dá)到40.9%（圖3B）；B1、B2、B3處理對(duì)棉花根系MDA含量無顯著影響。

圖3 不同處理對(duì)棉花根系生理特征的影響

2.5 不同處理對(duì)連作棉田棉花產(chǎn)量的影響

測產(chǎn)結(jié)果（表3）顯示，與CK相比，C1、C2、C3處理棉花單株結(jié)鈴數(shù)顯著增加（P＜0.05），平均增加0.66～1個(gè)，C2處理最顯著，且C2單鈴重相比CK增加3.6%，C1、C3無顯著影響；不同施用量的未滅活微生物菌劑對(duì)籽棉產(chǎn)量均顯著增加，增加量為338.4～482.4 kg·hm-2，可達(dá)到9.64%～26.21%的增產(chǎn)幅度。滅活微生物菌劑對(duì)棉籽產(chǎn)量也有一定的貢獻(xiàn)率，對(duì)棉花單株結(jié)鈴數(shù)平均增加0.26～0.33個(gè)，但幅度較小，且在單鈴重方面未表現(xiàn)增加效果；籽棉產(chǎn)量增加138.2～192.6 kg·hm-2，增產(chǎn)率在 3.87%～5.39%。

3 討論與結(jié)論

新疆地區(qū)棉花連作障礙形成原因復(fù)雜。研究發(fā)現(xiàn)，根際微生態(tài)失衡、土壤生物活性及理化性質(zhì)改變、微生物多樣性降低、活性減弱均是導(dǎo)致棉花連作障礙形成的主要因子。在土壤中施用微生物菌劑在棉花連作障礙消減過程中，可以顯著改良土壤微環(huán)境狀態(tài)，能夠作為有效的連作障礙消減措施［15］。耿士均［16］研究發(fā)現(xiàn)，微生物菌肥處理后番茄連作農(nóng)田土壤堿解氮、有效磷、有效鉀含量均顯著高于對(duì)照土壤。

土壤酶活性是反映土壤生物化學(xué)過程的重要指標(biāo)，土壤中養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、累積和分解幾乎都是通過酶的作用來完成的。因此，土壤酶活性作為評(píng)價(jià)土壤生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)。季立聲等［17］研究表明蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性，與堿解氮和速效磷含量的提高相吻合，呈顯著或極顯著水平的正相關(guān)。

Phillips等［18］研究發(fā)現(xiàn)施用菌劑后作物可產(chǎn)生顯著的根基效應(yīng)，刺激微生物的活性，促進(jìn)土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化，尤其提高土壤磷素的有效性。劉紅杰［19］研究發(fā)現(xiàn)微生物菌劑處理能夠明顯提高連作土壤有機(jī)質(zhì)含量和氮磷鉀有效養(yǎng)分的含量。本研究發(fā)現(xiàn)施用未滅活的微生物菌劑后顯著增高了連作土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量，分別可提高15.4%、36.8%、19.8%。季立聲等［17］研究發(fā)現(xiàn)土壤酶活升高與養(yǎng)分變化呈現(xiàn)正相關(guān)，本研究施用未滅活微生物菌劑土壤脲酶、磷酸酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性顯著高于CK，且隨施用量的升高有上升趨勢，施用微生物菌劑后土壤酶活升高與養(yǎng)分變化呈現(xiàn)正相關(guān)，與季立聲等的研究結(jié)果一致。試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果說明土壤中施入微生物菌劑，能夠通過酶活等代謝活動(dòng)降低土壤pH值，增加土壤中磷鉀的有效性并減少土壤對(duì)新施用磷鉀肥的固定。

長期連作棉田導(dǎo)致土壤微環(huán)境惡化、養(yǎng)分失衡以及自毒物質(zhì)積累等會(huì)限制根系生長并減弱對(duì)養(yǎng)分的吸收能力，使之處于脅迫環(huán)境中［20］。植物生理生化反應(yīng)是其對(duì)土壤逆境的響應(yīng)結(jié)果，可以間接反映植物生長狀況及受傷害的程度。本研究中未施用菌劑（CK）和施用滅活菌劑的區(qū)域棉花根系MDA含量呈現(xiàn)較高水平，而施用未滅活微生物菌劑的處理中，棉花根系MDA含量顯著降低，從而減輕連作對(duì)棉花的自毒作用。

根系活力是反映植物根系生命活動(dòng)的一個(gè)重要的生理指標(biāo)，與呼吸作用相關(guān)聯(lián)［21］。本研究中施用微生物菌劑顯著提高了根系活力，說明微生物菌劑處理后的棉花根系能量代謝旺盛、養(yǎng)分的利用率提高。

羅靜靜等［22］試驗(yàn)表明，施用微生物菌劑對(duì)連作棉田棉花枯萎病、黃萎病的發(fā)病率和病情指數(shù)均有不同程度的降低，各菌劑防治效果可達(dá)12.2%～38.8%。蔡燕飛等［23］研究發(fā)現(xiàn)，在青枯病發(fā)生嚴(yán)重的番茄連作地里施用具有調(diào)節(jié)土壤微生物種類和數(shù)量作用的生物有機(jī)肥后，連作地番茄青枯病的發(fā)生顯著降低，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)也得到了改善，促進(jìn)了有益微生物的生長。本研究通過田間小區(qū)試驗(yàn)，施用菌劑對(duì)連作棉田棉花黃萎病有明顯的抑制作用，能夠有效地降低發(fā)病指數(shù)和發(fā)病率的同時(shí)減弱病情，防治效果可達(dá)50%左右，效果優(yōu)于羅靜靜等［22］的試驗(yàn)結(jié)果，而且可以增加棉花產(chǎn)量。產(chǎn)量可達(dá)到9.64%～26.21%的增產(chǎn)幅度。

本研究分析施用微生物菌劑對(duì)土壤生物活性及理化性質(zhì)、病害發(fā)生和棉花產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)施用菌劑能通過活化土壤養(yǎng)分，提升土壤酶活和速效養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。施用菌劑對(duì)棉花連作障礙消除及產(chǎn)量構(gòu)成的影響優(yōu)于未施菌劑的連作棉田。其原因可能是菌劑中的有效功能活菌在土壤中形成優(yōu)勢菌群，通過代謝等作用改變根際土壤微生物菌群結(jié)構(gòu)，從而加快土壤有機(jī)質(zhì)分解和速效養(yǎng)分轉(zhuǎn)化速率，抑制病原菌的生長，有效減輕棉花黃萎病等病害發(fā)生。從而促進(jìn)棉花生長，使產(chǎn)量顯著增加，有效緩解棉花連作障礙。