化肥減施配施微生物菌劑對鮮食玉米生長和土壤肥力的影響①

方 成，岳明燦，王東升，李偉明，徐 莉，陳小云，焦加國*

(1 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/江蘇省有機(jī)固體廢棄物資源化協(xié)同同化中心，南京 210095；2 南京市蔬菜科學(xué)研究所，南京 210042)

玉米是我國重要糧食作物，種植范圍廣、用途多、產(chǎn)量高，不僅可以作為食物食用，在工業(yè)上還可以用于生產(chǎn)酒精、肥料等。隨著國內(nèi)和國際對玉米需求量的增加，施肥就起到了不可或缺的作用。施肥能提高土壤肥力以及作物對氮磷鉀的吸收利用，進(jìn)而使作物達(dá)到增產(chǎn)的效果。但是大量研究表明，目前中國化肥施用量已經(jīng)超過了其經(jīng)濟(jì)意義上的最優(yōu)施用量，糧食作物的過量施肥程度較高，其中玉米的過量施肥程度達(dá)到了32.76%[1-2]。

當(dāng)前我國玉米的種植模式是肥料資源高投入追求玉米高產(chǎn)出，然而肥料養(yǎng)分損失嚴(yán)重，增產(chǎn)效果不明顯，同時養(yǎng)分因得不到充分利用而進(jìn)入土壤之中，不可避免地對土壤環(huán)境產(chǎn)生影響[3-4]。為提高我國玉米競爭力和保護(hù)生態(tài)環(huán)境，減肥增效的研究具有重大意義。減施化肥可有效提高肥料利用率，改善土壤理化性質(zhì)，減少化肥對環(huán)境的污染，有機(jī)肥在提高土壤養(yǎng)分的同時也能改善土壤理化性質(zhì)、平衡養(yǎng)分、培肥土壤[5-6]，故在我國化肥減施配施有機(jī)肥的研究諸多。而前人在研究中發(fā)現(xiàn)微生物肥料的研究和推廣可提高化肥利用率，減少化肥用量，減輕化肥對環(huán)境造成的嚴(yán)重污染的局勢，并增加我國經(jīng)濟(jì)作物在國際市場的競爭能力[7]，所以微生物肥料產(chǎn)品非常廣闊的市場前景促使我們對微生物菌肥的應(yīng)用進(jìn)行深入的研究。

微生物菌肥中含有大量微生物菌群、微量元素、有機(jī)質(zhì)和活性酶，能對作物生長產(chǎn)生調(diào)控作用，提高植物對水分和肥料的吸收利用率，降低或抑制土壤中有害微生物的生長和繁殖，改善土壤結(jié)構(gòu)[8]。土壤肥力的高低直接由土壤中有效養(yǎng)分含量決定，而微生物菌肥中的解磷菌能夠分解土壤中固定的有機(jī)、無機(jī)態(tài)磷，這些被固定的磷含量占土壤磷素總量的95%，同時也能夠阻止有效磷的轉(zhuǎn)化固定[9-11]。微生物菌肥的施用能夠提升蔬菜的維生素C 含量、可溶性糖、可溶性固形物含量、干物質(zhì)量[12]，可溶性蛋白以及游離氨基酸含量等[13]。尉輝[14]研究表明，EM (effective microorganism) 菌劑能夠提高大蒜產(chǎn)量、提高葉片葉綠素含量、促進(jìn)植株干物質(zhì)積累。EM 是有效微生物群的英文簡稱，由光合細(xì)菌、放線菌、乳酸菌、酵母菌和絲狀菌等10 個屬80 多種有益微生物構(gòu)成[15]。因此，微生物菌肥不僅能夠改善土壤結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)土壤肥力[16]，而且有助于保持土壤微生態(tài)系統(tǒng)的平衡。

目前在微生物菌肥的應(yīng)用研究中，多集中于對水稻、番茄、烤煙等的研究，而在玉米的應(yīng)用研究相對較少。在玉米研究中，大多主要關(guān)注微生物菌肥對土壤理化性質(zhì)和玉米生長發(fā)育的影響，對玉米品質(zhì)產(chǎn)量，特別是鮮食玉米、土壤生物性狀的研究較少。因此，本試驗研究在適量減施化肥條件下配施微生物菌肥，探究微生物菌劑對鮮食玉米的生長狀況、品質(zhì)產(chǎn)量以及土壤性質(zhì)的影響，以期為微生物菌劑替代部分化肥的田間施用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗在南京市蔬菜花卉科學(xué)研究所設(shè)施大棚內(nèi)進(jìn)行，位于南京市江寧區(qū)橫溪街道(31°43′14.03″N，118°46′12.28″E)，年平均氣溫15.4 ℃，年均降水量1 106 mm。土壤類型為黃棕壤，土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)為有機(jī)質(zhì)17.27 g/kg，全氮0.94 g/kg，全磷0.44 g/kg，堿解氮84.12 mg/kg，有效磷46.13 mg/kg，速效鉀129.25 mg/kg，pH 4.94。

供試作物為鮮食玉米晶甜7 號。供試菌劑為EM微生物菌劑，是一種由光合細(xì)菌、乳酸菌群和革蘭氏陽性放線菌群等10 個屬80 多種微生物構(gòu)成的復(fù)合菌群制劑。供試有機(jī)肥由南通惠農(nóng)生物有機(jī)肥有限公司提供，總養(yǎng)分≥5%，有機(jī)質(zhì)≥45%；復(fù)合肥由安徽省司爾特肥業(yè)股份有限公司生產(chǎn)，N+P2O5+K2O≥45%，3 種養(yǎng)分等量。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，每個處理3 次重復(fù)，共設(shè)5 個處理：CK(不施用任何肥料和菌劑)，CF(全量化肥，依據(jù)當(dāng)?shù)鼗适┯昧?.75 t/hm2)，RCF(減施40% 化肥，化肥施用量0.45 t/hm2)，RCF+EM(減施40% 化肥，灌施加噴施EM 菌劑液體肥，化肥施用量0.45 t/hm2，EM 菌劑500 ml/株)，RCF+W(減施40%化肥，灌施加噴施清水，化肥施用量0.45 t/hm2，清水500 ml/株)。其中除CK 外，其他各處理施加有機(jī)肥7.5 t/hm2。復(fù)合肥、有機(jī)肥深施；所用菌劑為保鮮菌劑，按照菌劑施用說明進(jìn)行施用。鮮食玉米于2017年2 月25 日育苗，3 月25 日定植。在陰天或者下午4 點以后進(jìn)行噴施，灌施、噴施處理為定植后每10 d進(jìn)行一次，噴施即用清水稀釋一定比例后進(jìn)行葉面噴施，灌施即用清水稀釋一定比例后在根系周圍進(jìn)行灌施，從定植至采收期間，共施用6 次。田間管理采用常規(guī)管理模式。栽培方式為傳統(tǒng)的畦栽，每個小區(qū)2 m × 5 m，小區(qū)間溝寬40 cm，種植密度40 cm ×40 cm，每小區(qū)48 株作物。

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品采集 果實樣品：在鮮食玉米成熟期采集成熟度一致、大小均勻的果實3 穗，然后用勻漿機(jī)進(jìn)行勻漿，保存于 -20 ℃ 冰箱待測。土壤樣品：在玉米收獲期采集0 ～ 20 cm 土壤。

1.3.2 指標(biāo)測定 植物長勢：于拔節(jié)期測定各小區(qū)玉米的莖粗(莖部第一節(jié)下部)、株高(自根部第一節(jié)至植株生長點高度)、SPAD(自上而下第三片葉片中部，葉綠素儀測定)。果實品質(zhì)：維生素C(2.6-二氯酚靛酚滴定法)、可溶性糖(蒽酮比色法)、可溶性蛋白(考馬斯亮藍(lán)G-250 法)。產(chǎn)量：自收獲期收獲成熟果實(一棒)，未成熟的等成熟后全部采集(二棒)，兩次總和為最終產(chǎn)量。單果重：每小區(qū)采集3 穗長勢均勻的果實，計算其平均值。土壤理化性質(zhì)測定參考《土壤農(nóng)化分析》[17]。微生物生物量碳采用K2Cr2O7氧化法測定，微生物生物量氮采用凱氏定氮法測定[18-19]。土壤三大菌數(shù)量測定采用平板計數(shù)法：細(xì)菌采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基、真菌采用馬丁氏培養(yǎng)基、放線菌采用高氏一號培養(yǎng)基。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Microsoft Excel 2016 軟件處理數(shù)據(jù)，并運用SPSS 20.0 對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，對其顯著性差異用LSD 和Duncan’s 檢驗法進(jìn)行多重比較(P＜0.05)。

2 結(jié)果與討論

2.1 化肥配施微生物菌劑對鮮食玉米植株長勢和產(chǎn)量的影響

作物長勢與產(chǎn)量是衡量施肥效果及土壤肥力的重要參數(shù)，其大小隨著外界條件的變化而變化[20]。由表1 可知，與CK 處理相比，其他各處理除SPAD外，莖粗、株高、單果重和產(chǎn)量都顯著增加。葉綠素(SPAD)含量CF 處理和RCF+EM 處理顯著高于CK。

表1 不同處理對鮮食玉米長勢和產(chǎn)量的影響Table 1 Effects of different treatments on growth and yield of fresh corn

除CK 外的各處理間，莖粗值差異不顯著，可能是由于前期玉米植株生長發(fā)育對營養(yǎng)元素需求不高，對養(yǎng)分的吸收利用也相對較少，各處理的施肥量足夠支持玉米植株初期生長[21]。在各處理中，施加EM 菌肥處理的株高大于其他處理，增幅范圍為1.6% ～51.0%，這表明EM 菌肥對玉米的株高有促進(jìn)作用，類似研究表明適量施用生物菌肥可提高不結(jié)球白菜的株高[22]。與CK 相比，RCF+EM 處理顯著提高葉綠素水平，可能是由于EM 菌劑中含有大量光和細(xì)菌、乳酸菌群和革蘭氏陽性放線菌群等80 多種微生物，這些有益微生物群，在土壤中能夠形成有利于植物生長的微生物優(yōu)勢群體，在繁殖的過程中提高土壤微生物活性，分泌合成促進(jìn)植株生長的維生素和激素等，增強(qiáng)了植株代謝功能，提高作物葉片的葉綠素含量和表觀光合速率[23]。同時李立[24]和任大明等[25]的研究表明，EM 菌劑可顯著提高玉米葉片的葉綠素，促進(jìn)植株生長。

從表1 得，與CK 相比，各處理的單果重顯著增加，這說明施肥能有效提高鮮食玉米的單果重。溫麗樂和王平[26]研究表明，在一定施肥水平范圍內(nèi)玉米產(chǎn)量明顯提高。RCF+EM處理中單果重顯著高于RCF處理，增幅為6.47%，說明在減施化肥的情況下施加EM 菌劑可以促進(jìn)作物單果重。CF 處理與RCF 處理相比，單果重未達(dá)到顯著差異，表明減施化肥處理對單果重影響不大。RCF+EM 處理的玉米產(chǎn)量與CF 處理基本相當(dāng)，并顯著高于其他處理，增產(chǎn)范圍為11.98% ～ 36.40%。有研究表明，微生物菌劑的施用能夠提升玉米植株對土壤養(yǎng)分的吸收，并促進(jìn)植株中營養(yǎng)元素向籽粒中的轉(zhuǎn)移，從而提高玉米單果重與產(chǎn)量[27]。綜合來看，本試驗中EM 菌劑確實能在化肥減施的條件下，促進(jìn)玉米產(chǎn)量的增加，達(dá)到和全量化肥施用相同的效果。

2.2 化肥配施微生物菌劑對鮮食玉米品質(zhì)的影響

可溶性糖和可溶性蛋白是鮮食玉米的營養(yǎng)品質(zhì)，維生素C(Vc)是鮮食玉米的保健品質(zhì)，其含量的高低直接影響著蔬菜的口味和營養(yǎng)價值[28]。如圖1 所示，各施肥處理均能提高玉米品質(zhì)，果實品質(zhì)總體以RCF+EM 處理最好。與CF 處理相比，RCF+EM 處理的果實可溶性糖無顯著差異，但顯著高于RCF 處理和RCF+W 處理，增幅分別為27.77%、33.38%；RCF+EM 處理的可溶性蛋白含量顯著高于CF 處理，增幅達(dá)11.79%；維生素C 含量，CF 與RCF+EM 處理相近，未達(dá)到顯著水平。

圖1 不同處理對鮮食玉米品質(zhì)的影響(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，n = 3)Fig. 1 Effects of different treatments on fruit quality of fresh corn

趙貞等[29]和韋翔華等[30]的研究結(jié)果表明，配施微生物菌肥對黃瓜、玉米的產(chǎn)量，果實的Vc 含量、可溶性糖均有明顯的促進(jìn)作用。王冰清等[31]研究表明化肥減施配施有機(jī)肥對黃瓜、苦瓜和甘藍(lán)產(chǎn)量無顯著影響，但能明顯提高其可溶性糖、Vc 等果實品質(zhì)。本研究中，EM 菌劑中含有大量的光合菌群，能夠充分利用植株根部的分泌物，并將其轉(zhuǎn)化為糖類、氨基酸和多種維生素等生理活性物質(zhì)，刺激和調(diào)節(jié)作物的生長發(fā)育[32]，或者植物直接吸收，從而提升果實品質(zhì)，促進(jìn)作物增產(chǎn)。綜合來看，本試驗中施肥處理能提高玉米品質(zhì)，減施化肥條件下施加EM 菌劑的處理，玉米品質(zhì)基本達(dá)到常規(guī)全量化肥施用效果，部分玉米品質(zhì)特征如可溶性蛋白含量，超過常規(guī)全量化肥施用效果，達(dá)到最好。

2.3 化肥配施微生物菌劑對土壤理化性質(zhì)的影響

由表2 可知，施用EM 菌劑能夠緩解土壤酸化，提高土壤速效養(yǎng)分含量，并且能夠促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)含量的提升，但對全氮、全磷含量影響不明顯。

表2 不同處理對鮮食玉米土壤理化性質(zhì)的影響Table 2 Effects of different treatments on soil physiochemical properties of fresh corn

有研究發(fā)現(xiàn)，化肥的大量長期施用，特別是氮肥的高量投入能夠顯著降低土壤pH，加劇土壤酸化程度[33]。本試驗中CF 處理土壤pH 低于其他處理，與前人研究結(jié)果一致；同時，減施化肥配施EM 菌劑與其他各處理相比能夠顯著提高土壤pH，與CF 處理相比，增幅達(dá)到20.08%，表明EM 菌劑能提升土壤pH。

土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加不僅對土壤酸堿緩沖能力具有積極作用，還能反映土壤肥力水平的高低。與CK 相比，其他各處理均能提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，但各處理間差異不顯著。

土壤堿解氮和有效磷在CF 處理與RCF+W 處理間無顯著差異，在CF 處理與RCF+EM 處理間無顯著差異，但RCF+EM 處理顯著高于RCF+W 處理，增幅為23.04% 和38.86%，可能是EM 菌劑中的有益微生物能夠礦化釋放土壤中被固持的礦質(zhì)態(tài)氮與難溶性磷素[34-35]，使RCF+EM 處理與CF 處理間堿解氮和有效磷達(dá)到相同水平。RCF+EM 處理的速效鉀含量顯著高于CF 處理，增幅達(dá)15.82%，減施化肥的3 個處理間差異不顯著。鉀是品質(zhì)元素，玉米地土壤全量化肥處理速效鉀含量較低，可能被植株吸收轉(zhuǎn)移至果實中促進(jìn)其品質(zhì)提升。

2.4 化肥配施微生物菌劑對土壤微生物的影響

2.4.1 化肥配施微生物菌劑對土壤微生物生物量碳氮的影響 作為土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，土壤微生物生物量的變化是評價土壤肥力高低的重要依據(jù)[36]。由圖2 可知，土壤微生物生物量碳氮含量均在配施EM 菌劑處理達(dá)到最高，表明菌劑中微生物的繁殖發(fā)育能夠促進(jìn)土壤養(yǎng)分的固持與轉(zhuǎn)化，共同維持良好的土壤質(zhì)量。與其他各處理相比，RCF+EM處理微生物生物量氮含量顯著提高，其他各處理間沒有顯著差異。常會慶等[37]研究發(fā)現(xiàn)，菌肥、有機(jī)肥、尿素的配施對土壤微生物生物量碳氮有明顯的提高作用，且配施的效果要明顯地優(yōu)于其單因素或雙因素的施用，其中又以菌肥和有機(jī)肥的作用最大。RCF處理的微生物生物量碳氮高于CF 處理，可能是由于其pH 高于CF 處理，導(dǎo)致其含量較高。

圖2 不同處理對鮮食玉米土壤微生物生物量碳氮的影響Fig. 2 Effects of different treatments on soil microbial biomass C and N of fresh corn

2.4.2 化肥配施微生物菌劑對鮮食玉米土壤三大菌數(shù)量的影響 土壤細(xì)菌、真菌及放線菌共同構(gòu)成土壤微生物群落。由表3 可知，不同施肥條件，土壤細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量變化并不一致。整體來看，配施EM 菌劑能夠提高土壤中微生物數(shù)量。較CF 處理，RCF+EM 處理顯著增加了土壤中細(xì)菌和放線菌數(shù)量，增幅分別達(dá)到153.42% 和124.17%。

土壤微生物數(shù)量的增加可能是微生物菌劑的施用提升了土壤pH 及有機(jī)質(zhì)含量，酸度的改善更適于微生物的繁殖生長，同時增加了土壤中活性有機(jī)碳源的數(shù)量，為土壤中微生物提供了充足的能源[38-39]。RCF 與RCF+W 處理間土壤微生物總數(shù)未達(dá)到顯著差異，真菌數(shù)量CF、RCF 和RCF+W 處理都顯著高于RCF+EM 處理，說明配施EM 菌劑能間接抑制因化肥施用過多而產(chǎn)生的真菌生長，這與段雪嬌[40]研究中得出的細(xì)菌及放線菌的大量繁殖在一定程度上抑制了土壤中真菌的生長結(jié)論相符合。

表3 不同處理對鮮食玉米土壤微生物數(shù)量的影響Table 3 Effects of different treatments on soil microbial population of fresh corn

3 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，減施化肥配施EM 菌劑能提高鮮食玉米產(chǎn)量，并達(dá)到施用全量化肥的效果，同時果實品質(zhì)可溶性糖和維生素C 的含量也能達(dá)到全肥的效果，可溶性蛋白與全肥處理相比顯著增加。配施EM 菌劑處理能改善土壤理化性質(zhì)，緩解土壤酸堿度，顯著提高土壤pH，并且能夠促進(jìn)土壤速效養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)含量的提升，土壤微生物生物量碳氮含量達(dá)到最高，其中微生物生物量氮含量與其他各處理相比差異達(dá)到顯著水平，細(xì)菌、放線菌數(shù)量顯著高于其他各處理。