微生物菌劑對新疆棉花連作障礙的消減研究

李 國，易 強，許世武，焦天奇，孫 彪，陳志榮，趙孝衛

（沃達農業科技股份有限公司/微生物生態肥料及應用技術實驗室，新疆 石河子 832000）

棉花是新疆第一大經濟作物，至2018年，新疆棉花種植面積達到246.7萬hm2［1］，占全國棉花種植面積的80%左右，在我國棉花產業發展中具有重要的地位。近年來，新疆棉花種植模式表現單一、連作現象嚴重，導致連作障礙發生，對棉田生態環境造成一定負面影響。

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，導致土壤微生物區系失衡，土壤病原菌數量增加并長期存活，造成枯萎病、黃萎病等主要土傳病害混合發生，并呈逐年加重趨勢［2-3］。連作導致作物根系對離子的選擇性吸收使特定養分富集或虧缺，是作物產生連作障礙的一個重要因素［4］。新疆棉區棉花長期連作導致土壤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］。棉花長期連作還會導致自毒作用發生。研究發現棉花自身分泌的對羥基苯甲酸、阿魏酸、沒食子酸等酚類化感物質對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棉花種子發芽率、胚根長、苗高和側根數有較強的抑制作用，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年的籽棉產量基本不減產，連作10年以上的棉田籽棉產量可減少27.8% ～ 46.8%［5］。

棉花連作障礙消除是一個世界性難題，新疆由于土壤性質和耕作模式的特殊性更為復雜，研究者對此提出采用輪作、抗病品種、化學防治、土壤高溫滅菌等主要措施。輪作倒茬簡便易行，但在現有的種植模式、耕作制度及棉花經濟效益影響下，難以推廣實施?；瘜W手段易引發環境污染及農藥殘留問題；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。開發實際有效的微生物功能性產品已迫在眉睫。

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分的同時通過微生物活動活化土壤中被固定的養分以供作物吸收，分解作物分泌的酚酸類物質，減輕作物的自毒作用，并能夠有效防治棉花土傳病害，促進作物生長，有效消減新疆棉花種植的連作障礙，達到增產增收的目的。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本研究試驗地位于新疆石河子市天業試驗場，該地區年平均降水量約215.6 mm，年平均蒸發量1 674.2 mm，無霜期170 d，年日照時數為2 861.2 h，該試驗地已連作棉花15年，土傳黃萎病害嚴重。該地土壤類型為灌溉灰漠土，質地為重壤。耕層土壤基礎指標如下：有機質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BM微生物菌劑（有效活菌數≥2億/g，有機質≥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，對滅菌完畢的菌劑取樣進行活菌檢測，結果顯示為無菌即可。

供試棉花品種：新陸早48號。

1.3 試驗設計

研究采用田間小區試驗，設置3個處理：對照（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。微生物菌劑處理設置3個水平：15、45、75 kg·hm-2，分別用C1、C2、C3表示。試驗共7個處理，每個處理重復3次。共21個試驗小區，隨機排列。本試驗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，根據棉花生長不同時期需肥規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 調查指標及方法

1.4.1 不同處理對棉花發病情況影響

每個處理小區選取3個固定調查點，每點面積6.7 m2。于6月15日（蕾期）、7月15日（花鈴期）兩次發病高峰期進行棉花發病情況的田間調查。通過統計棉花發病株數、病級統計，計算發病率、病指和防病效果。病情分級標準按5級分級標準［12］。

1.4.2 不同處理對土壤理化性質及棉花根系特征的影響

在棉花盛花期（7月20日），每個處理隨機選取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內完成根系生理指標測定。同時采集相應的土樣（10～30 cm），各處理土樣分別混合均勻后裝入無菌袋，立即帶回實驗室，剔除植物殘體。一部分置于4℃冰箱保存，并在48 h內進行土壤酶活性測定；另一部分土樣置于蔭涼處，攤開晾干，研磨過篩，用于土壤理化性質測定。

取各處理小于2 mm的細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）反應測定［13］。

土壤全鉀測定采用火焰光度法；堿解氮測定采用擴散法；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值采用酸度計測定［14］。

土壤脲酶用萘氏比色法，酶活性用24 h內10 g土壤中NH3-N的毫克數表示，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10 g土壤中酚的毫克數表示，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24 h后生成的葡萄糖的微克數表示［13］。

1.4.3 不同處理對棉花產量的影響

棉花成熟期每個處理選取6.7 m2測產，并收集實收產量數據。

1.5 數據處理與分析

試驗數據采用Excel 2010作圖，用SPSS 17.0統計軟件進行相關統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理對棉花發病情況影響

由圖1可知，在蕾期時，與對照相比，微生物菌劑處理（C1、C2、C3）黃萎病發病率下降35%～74.4%，病情指數降低4～12.3，防病效果可達20%～56.7%；而施用滅活微生物菌劑（B1、B2、B3）對棉花黃萎病未表現出明顯防治作用；試驗中各處理防治效果依次為 C3＞C2＞C1＞B1＞B2＞B3。在花鈴期，各處理對棉花黃萎病的防治效果與蕾期表現一致，但B2、B3兩個處理在花鈴期對黃萎病防治效果表現出負向作用，可能是滅活的微生物菌劑中含有一定量的有機物，在沒有功能微生物的參與下有機物為病原菌提供了一定的繁殖環境，導致病害較CK稍重。在兩個發病時期，各處理中C3處理防治效果最顯著（P＜0.05），在兩次發病高峰期防治效果持續穩定在53.3%左右；C2處理也能達到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病高峰期可不同程度降低棉花黃萎病的發病率和病情指數。

圖1 不同處理對棉花黃萎病的防治效果

2.2 不同處理對棉花連作土壤養分的影響

表2顯示了7種處理下棉花連作土壤養分的變化。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連作土壤除降低了速效鉀的含量外，對其它養分和pH值均無顯著影響（P＞0.05）。

2.3 不同處理對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 不同處理對棉花連作土壤養分的影響

圖2 不同處理對連作棉田土壤酶活的影響

2.4 不同處理對棉花根系特征的影響

與對照相比，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，可達到40.9%（圖3B）；B1、B2、B3處理對棉花根系MDA含量無顯著影響。

圖3 不同處理對棉花根系生理特征的影響

2.5 不同處理對連作棉田棉花產量的影響

測產結果（表3）顯示，與CK相比，C1、C2、C3處理棉花單株結鈴數顯著增加（P＜0.05），平均增加0.66～1個，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籽棉產量均顯著增加，增加量為338.4～482.4 kg·hm-2，可達到9.64%～26.21%的增產幅度。滅活微生物菌劑對棉籽產量也有一定的貢獻率，對棉花單株結鈴數平均增加0.26～0.33個，但幅度較小，且在單鈴重方面未表現增加效果；籽棉產量增加138.2～192.6 kg·hm-2，增產率在 3.87%～5.39%。

3 討論與結論

新疆地區棉花連作障礙形成原因復雜。研究發現，根際微生態失衡、土壤生物活性及理化性質改變、微生物多樣性降低、活性減弱均是導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境狀態，能夠作為有效的連作障礙消減措施［15］。耿士均［16］研究發現，微生物菌肥處理后番茄連作農田土壤堿解氮、有效磷、有效鉀含量均顯著高于對照土壤。

土壤酶活性是反映土壤生物化學過程的重要指標，土壤中養分轉化、累積和分解幾乎都是通過酶的作用來完成的。因此，土壤酶活性作為評價土壤生態環境質量的重要指標。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。

Phillips等［18］研究發現施用菌劑后作物可產生顯著的根基效應，刺激微生物的活性，促進土壤養分的轉化，尤其提高土壤磷素的有效性。劉紅杰［19］研究發現微生物菌劑處理能夠明顯提高連作土壤有機質含量和氮磷鉀有效養分的含量。本研究發現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］研究發現土壤酶活升高與養分變化呈現正相關，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分變化呈現正相關，與季立聲等的研究結果一致。試驗對比結果說明土壤中施入微生物菌劑，能夠通過酶活等代謝活動降低土壤pH值，增加土壤中磷鉀的有效性并減少土壤對新施用磷鉀肥的固定。

長期連作棉田導致土壤微環境惡化、養分失衡以及自毒物質積累等會限制根系生長并減弱對養分的吸收能力，使之處于脅迫環境中［20］。植物生理生化反應是其對土壤逆境的響應結果，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域棉花根系MDA含量呈現較高水平，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，從而減輕連作對棉花的自毒作用。

根系活力是反映植物根系生命活動的一個重要的生理指標，與呼吸作用相關聯［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、養分的利用率提高。

羅靜靜等［22］試驗表明，施用微生物菌劑對連作棉田棉花枯萎病、黃萎病的發病率和病情指數均有不同程度的降低，各菌劑防治效果可達12.2%～38.8%。蔡燕飛等［23］研究發現，在青枯病發生嚴重的番茄連作地里施用具有調節土壤微生物種類和數量作用的生物有機肥后，連作地番茄青枯病的發生顯著降低，土壤微生物群落結構也得到了改善，促進了有益微生物的生長。本研究通過田間小區試驗，施用菌劑對連作棉田棉花黃萎病有明顯的抑制作用，能夠有效地降低發病指數和發病率的同時減弱病情，防治效果可達50%左右，效果優于羅靜靜等［22］的試驗結果，而且可以增加棉花產量。產量可達到9.64%～26.21%的增產幅度。

本研究分析施用微生物菌劑對土壤生物活性及理化性質、病害發生和棉花產量的影響，發現施用菌劑能通過活化土壤養分，提升土壤酶活和速效養分質量分數。施用菌劑對棉花連作障礙消除及產量構成的影響優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勢菌群，通過代謝等作用改變根際土壤微生物菌群結構，從而加快土壤有機質分解和速效養分轉化速率，抑制病原菌的生長，有效減輕棉花黃萎病等病害發生。從而促進棉花生長，使產量顯著增加，有效緩解棉花連作障礙。