试验地位于榆中县定远镇蒋家营村, 年平均气温7.5 ℃, 年降水量400 mm, 全年无霜期159 d, 年日照时数2 576.9 h, 平均海拔1 700 m左右。试验地肥力基本状况见表1。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 试验地基本肥力状况 Table 1 Soil characteristics in experimental field prior to experiment 指标Parameter 土层Soil depth/cm 0-20 20-40 土壤有机质 Organic matter/g· kg-1 14.83 7.86 全 氮Total N/g· kg-1 1.18 0.62 全 磷Total P/g· kg-1 4.46 2.39 全钾Total K/g· kg-1 31.10 14.83 碱解氮Available N/mg· kg-1 29.46 13.10 速效磷Available P/mg· kg-1 48.73 12.92 速效钾Available K/mg· kg-1 158.53 80.47 土壤微生物量SMBC/mg· kg-1 146.52 65.02 土壤微生物量氮SMBN/mg· kg-1 62.44 35.78 土壤微生物量磷SMBP/mg· kg-1 28.93 17.90 细菌数量Bacteria/ × 105 cfu· g-1(干土dry soil) 16.28 12.50 真菌数量Fungi/ × 102 cfu· g-1(干土dry soil) 2.74 1.06 放线菌数量Actinomycetes/ × 104 cfu· g-1(干土dry soil) 5.78 3.28

表1 试验地基本肥力状况 Table 1 Soil characteristics in experimental field prior to experiment

供试蔬菜选用青梗花椰菜, 品种为台花。供试微生物肥料由甘肃农业大学草业学院微生物实验室提供, 活菌数大于10⁹个· g^-1, 供试化肥为尿素(含N 46.4%)、磷酸二铵[64%(N 18∶ P₂O₅ 46)])、硫酸钾(含K₂O 52%)、碳酸氢铵(含N 17.7%)均为市售。

采用随机区组方法, 共设4个处理, 每处理3次重复, 共计12个小区, 每个小区40 m², 各小区间设置1 m隔离行。试验处理分别为A(不施肥)即CK、B(施微生物肥料)、C(70%化肥+微生物肥料)、D(100%化肥)。预试验中发现70%化肥+微生物肥料最适宜当地青梗花椰菜生长, 故本研究没有选择其它梯度化肥+微生物肥料。

2015年3月10日穴盘育苗, 5月1日整地移栽, 采用一垄双沟覆膜栽培方式^[9](垄宽1.1 m, 垄高20 cm, 沟宽30 cm, 株距60 cm), 田间管理同当地一样。在移栽时进行穴施微生物肥料, 其用量1.0 kg· hm^-2。化肥施用量, 1)基肥:尿素(50.36 kg· hm^-2)、磷酸二铵(352.63 kg· hm^-2)、硫酸钾(89.7 kg· hm^-2)进行撒施; 2)追肥:碳酸氢铵(100.29 kg· hm^-2)、磷酸氢二钾(67.94 kg· hm^-2)采用沟施覆土方式^[9]。化学肥料施用量按各处理所需分别按百分比减少施用量^[11], 用微生物肥料代之。

1.4.1 样品采集 在青梗花椰菜结球期, 每个小区随机选取3株植株测定生物量, 并取植株根际0-20、20-40 cm土层深度的土壤, 将其装入无菌自封袋中, 低温运输至实验室进行测定。

1.4.2 青梗花椰菜生物学指标的测定方法

1)株高:每个小区随机选取10株, 用钢卷尺分别测定自然高度。

2)茎粗:每个小区随机选取3株, 用游标卡尺测量第1片叶子下1 cm处直径。

3)叶片数:每个小区随机选取3株, 数取植株上纵茎大于1 cm的叶片数。

4)生物量:每个小区随机选取3株, 用电子天平(精度为0.01 g)称重, 测量单株地上部的鲜重。

1.4.3 土壤微生物数量测定 具体方法参考《土壤微生物分析方法手册》^[12]。

1.4.4 土壤微生物量测定 土壤微生物量碳、氮和磷测定采用氯仿熏蒸培养法^{[13, 14, 15]}。

(1)土壤微生物量碳(SMBC, mg· kg^-1):采用总有机碳分析仪(multi N· C 2 100)测定。计算公式:

SMBC=(Ec-Ec₀)· k_Ec

(2)土壤微生物量氮(SMBN, mg· kg^-1):采用凯氏定氮法测定。计算公式为:

SMBN=(En-En₀)· k_En

(3)土壤微生物量磷(SMBP, mg· kg^-1):采用钼蓝比色法测定。计算公式为:

SMBP=(Ep-Ep₀)· k_Ep

式中:Ec、En和Ep为熏蒸土壤提取液中有机碳、全氮和磷含量, Ec₀、En₀和Ep₀未熏蒸土壤提取液中有机碳、全氮和磷含量, k_Ec、 k_En和k_Ep为校正系数, 分别是0.38、0.54和0.40。

采用SPSS 19.0和Origin 8.5软件进行数据分析和作图(数据均以平均值或平均值± 标准误表示), 通过One-Way ANOVA和LSD检验进行显著性检验, 微生物数量测定结果先将科学记数数据转化为常规记数进行分析, 土壤微生物量与土壤微生物数量间的相关性采用Pearson分析。

不同施肥处理对青梗花椰菜株高、茎粗、叶片数及生物量的影响结果表明(表2), 各施肥处理间生物量均显著高于A(CK)(P< 0.05); 除处理B的株高外, 各施肥处理间的青梗花椰菜株高、茎粗及叶片数均显著高于A(CK)。处理B和D之间株高、叶片数及地下生物量干重差异不显著(P> 0.05)。其中, 处理C各指标均最高, 与处理B和D相比, 株高分别提高了12.5%和6.82%, 茎粗分别提高了20.5%和11.53%, 叶片数分别提高了18.75%和11.76%, 地上生物量鲜重分别增加了29.77%和9.68%, 地下生物量鲜重分别增加了116.67%和62.5%, 地上生物量干重分别增加了50%和33.33%, 地下生物量干重分别增加了100%和33.33%。说明处理C能显著促进青梗花椰菜的生长。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 不同施肥处理对青梗花椰菜株高、茎粗、叶片数及生物量的影响 Table 2 Effects of fertilizer treatments on plant height, ptem diameter, number of leaves, and biomass in broccoli 处理 Treatment 株高 Plant height/cm 茎粗 Stem diameter/mm 叶片数 Number of leaves 鲜重Fresh weight/kg· plant-1 干重Dry weight/kg· plant-1 地上 Aboveground 地下 Underground 地上 Aboveground 地下 Underground A(CK) 52.08± 0.52c 35.60± 0.52d 13± 0.58c 0.76± 0.04d 0.04± 0.00d 0.05± 0.00d 0.01± 0.00c B 54.46± 1.48bc 38.68± 0.75c 16± 0.58b 1.31± 0.05c 0.06± 0.00c 0.08± 0.00c 0.02± 0.00b C 61.27± 1.23a 46.61± 0.35a 19± 0.58a 1.70± 0.02a 0.13± 0.01a 0.12± 0.00a 0.04± 0.00a D 57.36± 1.49b 41.79± 0.18b 17± 0.58b 1.55± 0.04b 0.08± 0.00b 0.09± 0.00b 0.03± 0.00b Note: A, control; B, microbial fertilizer; C, 70% chemical fertilizer + microbial fertilizer; D, 100% chemical fertilizer, similarly for the folowing figures and tables. Different lowercase letters within the same column indicate significant difference among different treatments at the 0.05 level. 注:A, 不施肥; B, 微生物肥料; C, 70%化肥+微生物肥料; D, 100%化肥, 下同。同一列不同小写字母表示不同处理间差异显著(P< 0.05)。

表2 不同施肥处理对青梗花椰菜株高、茎粗、叶片数及生物量的影响 Table 2 Effects of fertilizer treatments on plant height, ptem diameter, number of leaves, and biomass in broccoli

不同施肥处理下, 青梗花椰菜土壤中三大微生物数量表现为细菌最多、放线菌次之、真菌最少, 且随土层加深, 三大微生物数量逐渐减少(表3)。0-20 cm, 除B处理真菌数量和放线菌数量与CK差异不显著(P> 0.05)外, 其余施肥处理微生物数量和微生物总数均显著高CK(P< 0.05); 处理B和处理C之间真菌数量差异不显著。20-40 cm各施肥处理对微生物数量和微生物总数影响不及0-20 cm。其中, 处理C相较于处理B和D, 细菌分别增加了69.47%~136.84%和34.04%~37.61%, 放线菌分别增加了18.39%~43.14%和8.42%~15.87%, 微生物总数分别增加了63.46%~130.76%和32.53%~33.86%; 真菌数量以处理D最多, 处理B和D与其相比分别减少了40.11%~41.85%和26.23%~32.89%。说明处理C能显著增加土壤中细菌和放线菌数量。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 不同施肥处理对青梗花椰菜土壤中微生物数量的影响 Table 3 Populations of soil microbes of broccoli under fertilizer treatments 土层 Soil depth/ cm 处理 Treatment 细菌 Bacteria/× 106 cfu· g-1 真菌 Fungus/× 102 cfu· g-1 放线菌 Actinomycetes/ × 105 cfu· g-1 微生物总数 Total/× 106 cfu· g-1 0-20 A 0.83± 0.07d 4.33± 0.39c 0.83± 0.68c 0.91± 0.07d B 1.33± 0.10c 5.48± 0.39bc 1.02± 0.39c 1.43± 0.10c C 3.15± 0.17a 6.75± 0.65b 1.46± 0.65a 3.30± 0.18a D 2.35± 0.2b 9.15± 0.66a 1.26± 0.66b 2.49± 0.29b 20-40 A 0.59± 0.07c 2.76± 0.39b 0.59± 0.07b 0.65± 0.07c B 0.95± 0.07b 3.96± 0.39b 0.87± 0.04a 1.04± 0.07b C 1.61± 0.13a 4.57± 0.66b 1.03± 0.07a 1.70± 0.12a D 1.17± 0.12b 6.81± 0.66a 0.95± 0.04a 1.27± 0.10b Note: Different lowercase letters within the same column for the same soil depth indicate significant difference among different treatments at the 0.05 level. 注:同列同一土层不同小写字母表示不同处理间差异显著(P< 0.05)。

表3 不同施肥处理对青梗花椰菜土壤中微生物数量的影响 Table 3 Populations of soil microbes of broccoli under fertilizer treatments

不同施肥处理下青梗花椰菜土壤微生物生物量总体表现为0-20 cm> 20-40 cm(图1)。0-20 cm, 与CK相比, 各施肥处理能显著增加土壤微生物量(P< 0.05); 除处理B和D之间土壤微生物生物量氮(SMBN)差异不显著外(P> 0.05), 其余处理间土壤微生物生物量均有显著差异。20-40 cm, 各施肥处理对土壤微生物生物量的影响不及0-20 cm明显。其中, 以处理C最高, 与处理B和D相比, 土壤微生物生物量碳(SMBC)分别增加了47.63%~61.75%和13.56%~18.6%, SMBN分别增加了17.63%~22.67%和3.99%, 土壤微生物生物量氮(SMBP)分别增加37.07%~41.53%和12.81%~17.99%。总体来说, 处理C能显著增加土壤微生物生物量。

图1

不同施肥处理对青梗花椰菜土壤微生物生物量的影响

Soil microbial biomass of broccoli under fertilizer treatments

注:不同小写字母表示不同处理间差异显著(P< 0.05)。

Note: Different lowercase letters indicate significant difference among different treatments at the 0.05 level.

在CK下, SMBN与细菌数量、SMBP与真菌数量及SMBC与放线菌数量之间呈显著正相关关系(P< 0.05)(表4); 在处理B下, SMBP与细菌数量、SMBN与真菌数量和放线菌数量之间显著正相关(P< 0.05), SMBC与细菌数量间呈极显著正相关(P< 0.01); 在处理C下, SMBN与细菌数量和放线菌数量、SMBC与真菌数量及SMBP与真菌数量和放线菌数量之间均呈显著正相关关系, SMBC和SMBP与细菌数量呈极显著正相关; 在处理D下, SMBP与细菌数量和放线菌数量均呈显著正相关关系, SMBC和SMBN与细菌数量呈极显著正相关关系。

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 不同施肥处理下土壤微生物量与土壤微生物数量的相关关系 Table 4 Relationships between soil microbial biomass and microbial population 处理 Treatment 指标 Index 土壤微生物量碳 SMBC 土壤微生物量氮 SMBN 土壤微生物量磷 SMBP A(CK) 细菌数量bacteria 0.720 0.851* 0.716 真菌数量fungus 0.810 0.671 0.863* 放线菌数量actinomycetes 0.819* 0.744 0.762 B 细菌数量bacteria 0.925* * 0.770 0.872* 真菌数量fungus 0.681 0.884* 0.759 放线菌数量actinomycete 0.666 0.877* 0.746 C 细菌数量bacteria 0.885* * 0.889* 0.947* * 真菌数量fungus 0.839* 0.698 0.820* 放线菌数量actinomycetes 0.757 0.843* 0.914* D 细菌数量bacteria 0.920* * 0.949* * 0.907* 真菌数量fungus 0.722 0.729 0.624 放线菌数量actinomycetes 0.895* 0.916* 0.889* Note:* , significant correlation at the 0.05 level; * * , highly significant correlation at the 0.01 level. 注:* , 显著相关(P< 0.05); * * , 极显著相关(P< 0.01).

表4 不同施肥处理下土壤微生物量与土壤微生物数量的相关关系 Table 4 Relationships between soil microbial biomass and microbial population

通过研究微生物肥料对青梗花椰菜生长的影响, 结果发现, 各施肥处理均不同程度地促进青梗花椰菜生长, 总体表现为处理C> 处理D> 处理B> 处理A。其中, 以处理C效果最优, 可以显著增加青梗花椰菜株高、茎粗、叶片数、地上(地下)生物量干鲜重(P< 0.05), 究其原因可能是微生物肥料施入土壤中, 微生物的活动改善了土壤的通气状况^[16], 加之本身所含优良促生菌株(PGPR)在该研究环境中定殖效果良好, PGPR在青梗花椰菜根际生长繁殖过程中供给青梗花椰菜生长的营养元素或溶解土壤中难溶性营养元素供其吸收利用, 且产生生长素(IAA)、赤霉素(GA)、脱落酸(ABA)等代谢产物调节其健康生长^[17], 这一结论与黄瓜(Cucumis sativus)^[18]、玉米(Zea mays)^[11]研究一致。处理D效果不及处理C, 这可能是长期施用化肥使土壤板结, 透气性差, 土壤肥力下降, 影响植物生长^[3]。处理B能改善青梗花椰菜生长, 但效果不及处理C和处理D, 单施微生物肥料不能满足植物生长所需全部的养分^[11]。综合本研究结果, 说明70%化肥+微生物肥料对作物生长的促进效果优于单纯使用化肥。

本研究结果表明, 在青梗花椰菜结球期, 同一施肥处理下, 土壤三大微生物数量、微生物生物量总体呈0-20 cm> 20-40 cm; 土壤中微生物数量总体表现为细菌> 放线菌> 真菌, 处理C与处理D相比, 增加了土壤中细菌、放线菌数量, 减少真菌数量, 说明长期施用化学肥料抑制微生物的生长、繁殖, 施入微生物肥料后抑制作用将会减弱^[19], 从而改变土壤微生物种群结构及分布, 提高微生物群落的多样性, 这一结果与段淇斌等^[20]研究生物菌肥能增加玉米根际土壤细菌和放线菌数量, 减少真菌数量相符合, 但其他学者^[8]发现, 化肥配施生物肥会提高真菌的含量, 其原因可能与微生物肥料的种类和施肥方式有关, 特别是其含有功能菌对土著病原真菌生长有抑制作用。因此, 微生物肥料的作用不仅仅是为植物提供营养, 它能优化调控土壤微生物群落结构, 提高肥力, 进而提高作物品质和产量。不同处理同一土层, 0-20 cm各处理影响明显, 其中处理C可以显著增加土壤微生物生物量, 可能是因为化肥配施微生物肥料使作物生长加快, 地下生物量、根系分泌物增加, 促进微生物的生长, 提高土壤微生物生物量^[21]; 20-40 cm, 各处理与CK相比可以不同程度增加土壤微生物生物量, 但其含量低于0-20 cm, 这可能是微生物肥料穴施深度(5-10 cm)的影响, 主要与菌株在根圈的定殖能力有关, 随着土层深度增加, 定殖数量越低^[22], 这与邹莉等^[23]和赵娜等^[24]研究不同林型和内蒙古锡林郭勒典型的草地土壤微生物生物量随土层变化的趋势一致。

相关性结果表明, 不同施肥处理下土壤微生物生物量碳、氮、磷与土壤中细菌、真菌、放线菌呈不同程度的正相关关系, 这表明微生物数量是决定土壤微生物生物量最主要的因素^[25]。其中, 处理C对青梗花椰菜生长及土壤微生物特性最优, SMBN与细菌数量、SMBC与真菌数量及SMBP与放线菌数量呈显著正相关, SMBC和SMBP与细菌数量极显著相关, 这证实了细菌在土壤氮转化过程中起着重要作用, 真菌在土壤碳和能源循环过程中作用巨大, 放线菌在土壤磷转化过程中具有重要的作用^[26]。土壤质量通常与土壤微生物有关, 土壤营养物质的循环与转化在一定程度上依赖于微生物的活动, 而高肥力水平的健康土壤可以促进微生物的大量生长、繁殖。因此, 微生物肥料可以提高土壤肥力状况, 解决该地区由于长期使用化学肥料而引起的土壤污染, 从而为生产高产、优质、绿色的青梗花椰菜提供依据。