微生物菌劑與有機無機肥配施對重茬土壤改良和大蒜生長的影響

李晶，陳憲信，陳亮，劉振富，殷碧秋，徐保民

（1.濟寧市土壤肥料工作站，山東 濟寧 272000；2.嘉祥縣農業局土壤肥料站，山東 嘉祥 272400；3.曲阜市土壤肥料工作站，山東 曲阜 273100；4.金鄉縣土壤肥料工作站，山東 金鄉 272200）

山東省是我國大蒜生產及出口的重要基地之一，大蒜種植面積、產量以及出口和加工能力均居全國首位[1]。大蒜種植區域性強，配套高產高效生產技術研發相對滯后。以金鄉縣為代表的老蒜區因耕地面積有限，常年連作導致土壤質量下降和大蒜重茬障礙等問題逐年加重[1，2]，造成化肥用量不斷增加而土壤質量卻不斷下降的惡性循環，單純依靠增加化肥投入量已不能實現大蒜高產穩產。通過優化施肥技術措施，在減少肥料資源投入量的前提下提升單位面積耕地的大蒜產出能力，已成為大蒜產業能否實現綠色可持續發展的重大科技問題。目前有關大蒜重茬障礙機制及其緩解措施的相關研究已經廣泛開展。大蒜常年輪作會導致根際土壤細菌數量和微生物總量減少，真菌數量增加，微生物結構失調，土壤酶活性下降，以根腐病為代表的真菌性病害逐年加重[3～5]。研究表明，在其他連作作物上施用有機肥和微生物菌肥后均對重茬障礙表現出明顯的緩解效果，可有效提高土壤有效養分含量，改善土壤理化性狀和微生物學性狀[6～11]。在等量養分條件下，通過對比研究不同種類肥料與化肥配施對重茬大蒜根際土壤養分含量、微生物數量和土壤酶活性以及大蒜病情指數和生物學性狀的影響，以期優化重茬大蒜養分管理技術，為通過合理施肥有效緩解大蒜重茬障礙提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在山東省金鄉縣馬廟鎮馬廟村進行。試驗地土壤為潮土，排灌條件較好，大蒜已連作10 a，有明顯的重茬障礙，在當地具有代表性。

1.2 試驗材料

試驗大蒜品種為金鄉白皮蒜。所用化肥為尿素（N含量46%）、過磷酸鈣（P2O5含量18%）和硫酸鉀（K2O含量50%）；有機肥為堆制過的豬廄肥（N、P2O5、K2O含量分別為0.50%、0.34%、0.19%）；微生物菌劑主要成分為哈茨木霉、淡紫擬青霉和復合芽孢桿菌，有效菌含量100億個/g。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設計 本試驗是在等量養分條件下進行的，N、P2O5、K2O施用總量分別為450、240和360 kg/hm2，為目前金鄉縣大蒜生產的推薦施肥量[4，5]，其中氮肥和鉀肥均2/3底施、1/3追施，磷肥全部底施。有機肥與化肥配施處理以氮肥施用量為計算標準，補足磷、鉀肥，確保各處理的氮、磷、鉀肥施用量一致。試驗設不施肥（CK）、100%化肥N（處理Ⅰ）、80%化肥N＋20%有機肥N（處理Ⅱ）、100%化肥N＋微生物菌劑300 kg/hm2（處理Ⅲ）、80%化肥N＋20%有機肥N＋微生物菌劑300 kg/hm2（處理Ⅳ） 5個處理。小區面積30 m2，隨機區組排列，單灌單排，小區之間筑壩覆膜以防串水，3次重復。2018年10月10日整地并施用基肥；10月12日種植大蒜，行距0.19 m，株距0.13m；10月14日覆膜。其他管理措施同大田常規。

1.3.2 測定項目與方法

1.3.2.1 大蒜指標。（1）病情指數。在大蒜鱗莖膨大期（2019年4月7日） 進行田間病害調查。分別按照大蒜葉枯病分級標準[12，13]、大蒜根腐病根部分級標準[14]和大蒜菌核病分級標準[15]，統計病害發生的級別。計算病情指數和防效。（2）生物學性狀。2019年5月15日，每小區均對角線5點取樣，每點重復取樣10株大蒜，用卷尺測量株高，用游標卡尺測量莖粗，統計長度＞1 cm的新鮮根系數量。收獲期，全小區收獲蒜頭，風干后稱量干重，折算單產。

1.3.2.2 土壤指標。2019年5月15日取大蒜植株根際土壤，用無菌塑料袋裝好后迅速帶回實驗室，進行指標測定。（1）養分含量[16]。有機質含量測定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法；堿解氮含量測定采用1 mol/L NaOH擴散法；有效磷含量測定采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法；速效鉀含量測定采用火焰光度計法。（2）微生物數量與群落組成比例[17]。采用稀釋平板計數法，測定土壤中細菌、真菌、放線菌的數量[6]。其中，細菌數量測定采用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養基；真菌數量測定采用馬丁-孟加拉紅培養基；放線菌數量測定采用改良高氏一號培養基。微生物計數基本單位為cfu/g（干土）。計算細菌數量與真菌數量的比值（B/F），以及放線菌數量與真菌數量的比值（A/F）。（3） 酶活性[18]。脲酶活性測定采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法；過氧化氫酶活性測定采用高錳酸鉀滴定法；蔗糖酶活性測定采用3，5-二硝基水楊酸比色法；磷酸酶活性測定采用磷酸苯二鈉比色法[7]。

1.3.3 數據統計分析 利用Excel 2007軟件進行數據處理，采用SPSS Statistics 24數據處理系統單因素試驗統計分析方法進行顯著性分析，采用LSD法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 微生物菌劑與有機無機肥配施對重茬土壤改良效果的影響

2.1.1 土壤養分含量 施肥處理的土壤有機質和堿解氮含量均＞CK，增幅分別為0.41%～6.96%和3.71%～19.69%，除處理Ⅰ的有機質含量與CK差異不顯著外，其他指標與CK差異均達到了顯著水平；不同施肥處理的土壤有機質和堿解氮含量順序均為處理Ⅳ＞處理Ⅱ＞處理Ⅲ＞處理Ⅰ，其中處理Ⅳ的指標值均極顯著高于其他處理，處理Ⅱ與處理Ⅲ和Ⅰ的差異也均達到了顯著水平，而處理Ⅲ與處理Ⅰ指標值差異均不顯著（表1）。表明施肥可以提高土壤有機質和堿解氮含量，其中處理Ⅳ效果最好，該處理下土壤有機質和堿解氮含量均極顯著高于其他施肥處理；處理Ⅱ效果次之，該處理下土壤有機質和堿解氮含量也均顯著高于未施用有機質的其他2個施肥處理。

表1 不同施肥處理對土壤養分含量的影響Table 1 Effects of different fertilization treatments on soil nutrition content

施肥處理的土壤有效磷和速效鉀含量均＞CK，增幅分別為4.02%～29.88%和10.27%～20.53%，除處理Ⅰ的有效磷含量與CK差異不顯著外，其他指標與CK差異均達到了極顯著水平；不同施肥處理的土壤有效磷和速效鉀含量順序均為處理Ⅳ＞處理Ⅲ＞處理Ⅱ＞處理Ⅰ，其中處理Ⅳ的指標值均極顯著高于其他處理，處理Ⅰ與處理Ⅱ的有效磷含量差異不顯著但二者均與處理Ⅲ差異達到了極顯著水平，而處理Ⅱ與處理Ⅲ的速效鉀含量差異不顯著但二者均與處理Ⅰ差異達到了極顯著水平。表明施肥可以提高土壤有效磷和速效鉀含量，其中處理Ⅳ效果最好，該處理下土壤有效磷和速效鉀均極顯著高于其他施肥處理；處理Ⅲ對提高土壤有效磷含量的效果極顯著優于未施用微生物菌劑的2個施肥，處理Ⅲ和Ⅱ對提高土壤速效鉀含量的效果極顯著優于僅施用化肥（處理Ⅰ）。

綜上分析可以看出，不同的施肥處理均可以提高土壤有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀含量，其中有機與無機肥配施且同時施用微生物菌劑（處理Ⅳ）時土壤各養分含量均為最高且均極顯著高于其他施肥處理，提高土壤養分含量的效果最好。

2.1.2 土壤生物學特性

2.1.2.1 微生物數量。土壤微生物量是土壤養分轉化的活性庫或源，可在一定程度上反映土壤微生物的活動和養分轉化速率，是土壤生物質量變化的靈敏指標[19]。土壤中細菌數量最多、真菌數量最少，放線菌數量介于細菌和真菌之間；但不同處理間各微生物數量以及3種微生物的總數量均存在顯著差異，指標值順序均為處理Ⅳ＞處理Ⅲ＞處理Ⅱ＞處理Ⅰ，其中處理Ⅳ的指標值均極顯著高于其他處理（表2）。處理Ⅳ的微生物總量最多、處理Ⅲ次之，二者差異極顯著，且均與其他處理差異也達到了極顯著水平；處理Ⅰ和Ⅱ指標值與CK差異均不顯著。表明施肥時增施微生物菌劑可以極顯著地增加土壤微生物的數量，其中處理Ⅳ效果最好、處理Ⅲ次之。

不同施肥處理的B/F順序為處理Ⅳ＞處理Ⅲ＞處理Ⅱ＞處理Ⅰ，差異均達到了極顯著水平，且除處理Ⅰ略＜CK外其他處理均極顯著＞CK；A/F均＞CK，指標值順序為處理Ⅳ＞處理Ⅲ＞（處理Ⅱ＝處理Ⅰ），其中處理Ⅳ與處理Ⅲ差異極顯著，且二者均與其他2個未施用微生物菌劑處理的差異也達到了極顯著水平，而處理Ⅰ與處理Ⅱ差異不顯著。表明施肥時增施微生物菌劑可以快速改變土壤微生物菌落結構比例，其中處理Ⅳ效果最好、處理Ⅲ次之。

2.1.2.2 酶活性。土壤酶是由微生物和植物根系等共同產生，參與土壤許多重要的生物化學過程和物質循環，與土壤微生物一起推動了土壤的代謝過程[20]，其活性代表了土壤微生物的新陳代謝能力，是土壤質量的重要指標之一[21，22]。不同處理的土壤脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶和磷酸酶活性變化規律均與土壤微生物總量順序一致，指標值順序均為處理Ⅳ＞處理Ⅲ＞處理Ⅱ＞CK＞處理Ⅰ，其中處理Ⅳ與處理Ⅲ差異極顯著且二者均與其他處理差異也達到了極顯著水平，而其他3個處理之間指標值差異均不顯著（表3）。表明施肥時增施微生物菌劑可以極顯著地提高土壤脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶和磷酸酶的活性，其中處理Ⅳ效果最好、處理Ⅲ次之。不施用微生物菌劑時，與CK相比，單獨施用化肥（處理Ⅰ，100%化肥N）對4種土壤酶的活性均略有抑制，無機肥與有機肥配施對提高土壤酶活性效果不顯著。處理Ⅳ的脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶、磷酸酶活性分別較處理Ⅲ提高了23.27%、26.95%、30.46%和28.13%，處理Ⅲ較處理Ⅰ指標值分別提高了21.37%、13.71%、13.97%和45.45%。

表2 不同施肥處理對土壤微生物數量和群落組成比例的影響Table 2 Effects of different fertilization treatments on soil microbial population and community composition ratio

表3 不同施肥處理對土壤酶活性的影響Table 3 Effects of different fertilization treatments on soil enzyme activity

2.2 微生物菌劑與有機無機肥配施對大蒜生長和產量的影響

2.2.1 大蒜病情指數 不同處理的大蒜菌核病、葉枯病、根腐病病情指數順序均為處理Ⅳ＜處理Ⅲ＜處理Ⅱ＜CK＜處理Ⅰ，其中處理Ⅳ的指標值與處理Ⅲ均差異極顯著，且二者均與其他處理差異也達到了極顯著水平；其他2個施肥處理中，除處理Ⅰ的葉枯病病情指數顯著＞CK、處理Ⅱ的菌核病病情指數顯著＜CK外，其他指標與CK差異不顯著（表4）。表明施肥時增施微生物菌劑可以極顯著地降低大蒜的發病程度，其中處理Ⅳ效果最好、處理Ⅲ次之。不施用微生物菌劑時，與CK相比，單獨施用化肥（處理Ⅰ，100%化肥N）的大蒜菌核病、葉枯病和根腐病病情指數均略有加重趨勢，無機肥與有機肥配施降低大蒜發病程度的效果不顯著。處理Ⅳ對菌核病、葉枯病、根腐病的防效分別為53.63%、66.50%和67.66%，分別較處理Ⅲ提高了7.17個百分點、18.3個百分點和23.53個百分點。

表4 不同施肥處理對大蒜病情指數的影響Table 4 Effects of different fertilization treatments on disease index of garlic

2.2.2 大蒜生物學性狀 施肥處理的大蒜株高和莖粗均極顯著＞CK，指標值順序均為處理Ⅳ＞處理Ⅲ＞處理Ⅱ＞處理Ⅰ，其中處理Ⅳ與處理Ⅲ差異均不顯著；且相同施肥條件下，增施微生物菌劑處理的指標值均顯著＞未施用微生物菌劑處理（表5）。表明施肥可以極顯著促進大蒜株高生長和莖粗增大，相同施肥條件下增施微生物菌劑處理較未施用微生物菌劑處理效果更加明顯，其中處理Ⅳ效果最好、處理Ⅲ次之。

施肥處理的大蒜根系數量除處理Ⅰ略＜CK外，其他處理均極顯著＞CK，其中處理Ⅳ極顯著＞處理Ⅲ且二者均與其他處理差異達到了顯著水平；且相同施肥條件下，增施微生物菌劑處理的指標值均顯著＞未施用微生物菌劑處理。表明單獨施用化肥（處理Ⅰ）會對大蒜根系生長略有抑制，施用微生物菌劑或有機肥可以極顯著促進大蒜根系生長，且相同施肥條件下增施微生物菌劑處理較未施用微生物菌劑處理效果更加明顯，其中處理Ⅳ效果最好、處理Ⅲ次之。

2.2.3 大蒜產量 施肥處理的蒜頭產量均極顯著＞CK，指標值順序為處理Ⅳ＞處理Ⅲ＞＞處理Ⅱ＞處理Ⅰ，其中處理Ⅳ與處理Ⅲ差異極顯著且二者均與其他處理差異也達到了極顯著水平，而處理Ⅰ與處理Ⅱ差異不顯著；且相同施肥條件下，增施微生物菌劑處理的指標值均極顯著＞未施用微生物菌劑處理。表明施肥可以極顯著提高蒜頭產量，其中處理Ⅳ效果最好、處理Ⅲ次之。與處理Ⅲ相比，處理Ⅳ的根系數量顯著增多，最終蒜頭產量極顯著提高。處理Ⅳ較CK增產幅度高達90.91%，分別較處理Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ增產17.49%、36.71%和45.92%；處理Ⅱ較處理Ⅰ增產6.74%，但差異未達到顯著水平。

表5 不同施肥處理對大蒜生物學性狀和產量的影響Table 5 Effects of different fertilization treatments on biological characteristics and yield of garlic

3 結論與討論

本試驗結果表明，在等量養分條件下，單施化肥處理會對土壤微生物數量產生顯著的抑制作用，降低土壤微生物代謝和酶活性，加重重茬大蒜的重茬障礙。有機肥中含有大量的碳水化合物和礦質元素，能夠為微生物大量繁殖提供充足的碳源、氮源、無機鹽等營養物質[23～26]，與化肥配施后可有效緩解高濃度氮肥引起的抑制作用[27，28]，較單施化肥處理更能促進土壤微生物的生長和繁育，但對土壤微生物類群的組成比例影響較小，對以根腐病為代表的大蒜真菌性病害和重茬障礙的緩解效果有限。

施用復合微生物菌劑后，以芽孢桿菌為代表的微生物快速繁殖，脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶等大量合成，可有效促進尿素形態的轉化[29]和土壤有機物質的代謝[30]，將無機氮肥轉化為大量的聚氨基酸、蛋白質等含氮有機質，能有效減少氮肥的揮發，提高土壤中氮肥的有效性[31，32]；芽孢桿菌等功能菌大量繁殖，還可顯著提高土壤磷酸酶活性，促進土壤中不溶性磷肥、鉀肥轉化為有效磷和速效鉀[33～35]，提高土壤中磷鉀肥的有效性。對以根腐病為代表的大蒜重茬性病害有效緩解是由于引入的微生物菌劑中各種有益菌種大量繁殖，可快速改變土壤微生物類群的組成比例，促進重茬土壤由“真菌型”向“細菌型”轉變[36]；同時芽孢桿菌等微生物合成分泌大量的多糖和聚氨基酸等黏性物質，混同無機顆粒和殘存的有機顆粒形成土壤的團粒結構，可有效提高土壤孔隙度，改變土壤中的厭氧環境[37]，限制鐮刀菌等重茬性病害等厭氧性真菌的生存與繁殖。同時，本次試驗引入的哈茨木霉等大量繁殖，還可通過寄生、競爭、溶菌以及分泌抗生素類的小分子物質和分子量較大的抗菌肽等有效抑制病原菌的生長[38]。加上引入的有益菌大量繁殖，與重茬大蒜土壤中的致病菌爭奪營養物質和各種生存條件，對病原菌繁殖產生競爭作用，占據病原體容易侵染的位置，有效抑制根腐病等大蒜重茬性病害的發生。

有機肥和微生物菌劑同時與化肥配施處理，較其他施肥處理對重茬大蒜根際土壤改良及重茬障礙緩解的效果最佳。推測是由于魯西南蒜區土壤有機質含量普遍偏低[39]，土壤中缺乏足夠的有機營養，引入的芽孢桿菌等有益微生物菌群難以長期穩定繁殖，而施入有機肥做載體，會對土壤微生物的生長繁殖產生協同作用，對土壤理化性狀和微生態環境的改良效果較其他處理更為顯著，不僅有效減輕大蒜根腐病、菌核病等重茬病害，還可以直接改善連作根系狀況，提高大蒜發根數量，促進大蒜株高生長和莖粗增大，有效緩解大蒜重茬障礙，提高大蒜產量。

由于有機肥物料來源、微生物菌劑類型以及化肥與有機肥和微生物菌劑配比等均會影響到土壤改良效果，因此，仍需針對等量養分條件下不同種類微生物菌劑和有機肥、化肥的最佳施用比例等進行深入研究，探討三者協同效應對大蒜重茬障礙的改良效果及影響機制。