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  农业资源与环境学报  2014, Vol. 31 Issue (5): 425-431

文章信息

千淋兆, 龚明波, 顾金刚, 李世贵, 汪强
QIAN Lin-zhao, GONG Ming-bo, GU Jin-gang, LI Shi-gui, WANG Qiang
溶磷微生物菌剂对土壤营养元素及玉米生长的影响
Effects of Phosphate-solubilizing Microbial Inoculums on Soil Nutrients and Corn Growth
农业资源与环境学报, 2014, 31(5): 425-431
Journal of Agricultural Resources and Environment, 2014, 31(6): 513-520
http://dx.doi.org/10.13254/j.jare.2014.0158

文章历史

收稿日期:2014-06-17
溶磷微生物菌剂对土壤营养元素及玉米生长的影响
千淋兆1,2, 龚明波1 , 顾金刚1, 李世贵1, 汪强2    
1. 农业部农业微生物资源收集与保藏重点实验室/中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,北京 100081;
2. 河南农业大学资源与环境学院,河南 郑州 450002
摘要:为比较不同溶磷菌剂在田间应用效果,通过田间小区试验,研究3种菌剂草酸青霉I1(I1)、黑曲霉H1(H1)和巨大芽孢杆菌BM(BM)对土壤营养元素动态变化以及玉米产量的影响。结果表明:施用3种菌剂,土壤有效磷含量显著提高,在不同磷水平下,土壤有效磷含量比对照提高6.47%-37.13%。在P2O592 kg·hm-2水平下,在玉米生长前期,施用3种菌剂,土壤pH值显著降低,土壤交换性Ca、Mg和有效性Fe、Cu、Zn含量以及玉米叶片SOD、POD和CAT酶活性显著增加,而有效Mn的含量降低;总体上,各处理间提高土壤交换性钙、镁和有效锌的能力为H1>I1>BM,提高土壤有效铁能力为H1≥BM>I1,提高土壤有效铜能力为BM>H1>I1。不同磷水平下,施用3种菌剂后,玉米产量显著提高,在P2O592 kg·hm-2水平下,施用微生物菌剂玉米产量比CK增加8.2%-12.1%,总体上,增产效果为I1>H1>BM。
关键词微生物菌剂     溶磷     土壤营养元素     玉米    
Effects of Phosphate-solubilizing Microbial Inoculums on Soil Nutrients and Corn Growth
QIAN Lin-zhao1,2, GONG Ming-bo1 , GU Jin-gang1, LI Shi-gui1, WANG Qiang2    
1. Key Laboratory of Microbial Resources,Ministry of Agriculture/Institute of Agricultural Resources and Regional Planning,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing 100081,China;
2. College of Resources and Environment,Henan Agricultural University,Zhengzhou 450002,China
Abstract:Phosphate-solubilizing microorganisms(PSMs), which are commonly found in soil, can solubilize insoluble phosphate(P), reduce phosphorus fertilizer fixation, increase the utilization ratio of P fertilizers, and promote crop growth. In order to analyse the effects of different phosphate-solubilizing microbial inoculums in field, the experiment was conducted to study the effects of soil nutrients and output of corn af-ter three phosphate-solubilizing microbial inoculums in plot experiment. The results showed that available phosphate in soil was increased remarkably after Penicillium oxalate I1(I1), Aspergillus niger H1(H1)and Bacillus Megaterium(BM)were inoculated. When the concer-tration of P2O5 were 0, 46, 75 kg·hm -2 and 92 kg·hm -2, the content of soil available phosphate was increased 6.47%-37.13%. At prophase of corn growth, when P2O5 was 92 kg·hm -2, the soil pH was decreased, and the soil exchangeable Ca, Mg and available Fe, Cu and Zn were in-creased significantly, and the activity of SOD, POD and CAT enzyme was also increased. However, at the same condition, the content of available Mn was decreased higher than CK. As a whole, the ability of increasing exchangeable Ca, Mg and available Zn was H1>I1>BM, the ability of increasing available Fe was H1>BM>I1, and the ability of increasing available Cu was BM>H1>I1. The output of corn increased remarkable after three inoculums were inoculated, and the output were increased 8.2%-12.1% higher than CK at 92 kg·hm -2 of P2O5.
Key words: microbial inoculants     phosphate-solubilizing     soil nutrient elements     corn    

磷是植物生长所必需三大营养元素之一,施用磷肥一直是保证农业生产增产的重要手段,粮食主产区的磷肥投入量达到1 350 kg·hm-2,但磷肥当季利用率不足20%[1, 2]。中国土壤中全磷含量为0.2~2.0 g·kg-1,平均为0.5 g·kg-1,但土壤溶液中的浓度一般只有10mg·kg-1左右。土壤磷丰富,但大多以植物难以利用的无机态和有机态存在,占土壤总磷的95%。溶磷微生物在转化土壤自身难溶磷和阻止有效磷的固定方面发挥的重要作用尤为引人关注,研究证明溶磷菌在转化土壤难溶磷、提高磷肥利用率和促进作物生长等方面都具有显著的作用[3, 4, 5]。土壤微生物在土壤有机质和土壤养分转化方面发挥重要的作用[6],对作物根际土壤的营养环境和化学环境起着重要的调理作用[7]。研究证明一些微生物菌剂能够增加土壤微生物菌落数,促进土壤中营养元素的转化与循环,减少部分化学肥料施用,从而促进作物的生长[8, 9, 10, 11]。本研究采用的草酸青霉I1、黑曲霉H1 和巨大芽孢杆菌具有很好的溶磷效果,分别能够产生草酸、乳酸和葡萄糖酸溶解土壤难溶磷,对作物生长具有一定的促进作用[12, 13, 14, 15]。本文以3 株菌株为出发菌株,采用田间小区试验,研究其对玉米生长及土壤营养元素的动态影响,为溶磷菌株的田间应用提供理论依据。 1 材料与方法 1.1 试验区概况

试验于2013 年6 月—2013 年10 月在河南农业大学华北小麦玉米轮作营养与施肥科学观测试验站(河南省郑州市航空港区三官庙镇,北纬34°30′3.56″,东经113°53′40.48″)进行。试验区海拔92 m,年平均气温14.3℃,≥15 益积温3 990℃,年平均日照时数2 175.1 h,无霜期218 d,年平均降雨量780 mm,属暖温带季风气候。土壤为砂质潮土。0~20 cm土壤样品基础值:有机质(OM)13.82 g·kg-1,全氮(N)0.94 g·kg-1,pH8.25,有效磷(P)9.02 mg·kg-1,交换性钙、镁为9.78、3.26 cmol·kg-1,有效性铁、锰、铜、锌为2.76、5.25、0.52、1.26 mg·kg-11.2 供试材料

供试品种:玉米(郑单958)(河南省农业科学院)。溶磷微生物制剂:草酸青霉I1(Penicillium oxalicum I1)、黑曲霉H1(Aspergillus niger H1)和巨大芽孢杆菌BM(Bacillus megaterium),菌株在50 L发酵罐中发酵40 L。真菌发酵培养基(g·L-1):玉米粉5g,黄豆饼粉10g,葡萄糖4 g,酵母膏4 g,(NH42SO4 3 g,MgSO4·7H2O 0.1 g,CaCO3 0.5 g,K2HPO4 0.2 g,28℃、200 r·min-1 培养48 h,收集40 L菌液中的菌丝体,混入20 kg 干热灭菌草炭中,培养4 d,使菌丝形成孢子,草酸青霉菌剂(I1)和黑曲霉菌剂(H1)的孢子含量分别为1.4×108cfu·g-1和2.1×107 cfu·g-1;BM 发酵培养基:玉米粉20早,黄豆粉10 早,K2HPO4 1.5 g,MgSO4·7H2O 1.5 g,CaCO31.5,H2O 1000 mL,pH 7.0,菌株32 ℃培养36 h,收集40 L菌液,将菌液离心后混入灭菌的20 kg 草炭中,巨大芽孢杆菌菌剂(BM)菌数为3.5×109cfu·g-11.3 试验设计

试验常规施肥量为N260 kg·hm-2(60%基施,40%拔节期追施),P2O5 92 kg·hm-2,K2O 81 kg·hm-2。试验设4 个磷水平,0 水平(P0)为不施磷肥,1水平(P1)为50%常规施磷量,2 水平(P2)为75%常规施磷量,3 水平(P3)为100%常规施磷量;每个磷水平分别施加微生物菌剂I1、H1、BM,施用量为20 kg·hm-2,菌剂与底肥混合一起施入,设置空白CK处理。试验共16个处理,3次重复,小区面积3m×12m。 1.4 取样与测定

在播种后10、17、24 d(苗期)、31、45 d(拔节期)、71 d(灌浆期)、110 d(收获期)用土钻在每个小区取0~20 cm 土样5 个,四分法混匀制备为待测土样。分别在苗期、拔节期、灌浆期取P3 水平处理的玉米同部位新鲜叶片,用液氮保鲜,24 h内测定酶活性。

土壤pH 值(1:2.5):电位法测定;土壤有效磷测定:碳酸氢钠提取-钼锑抗比色法(olsen 法);土壤交换性Ca、Mg 测定:1 mol·L-1 乙酸铵交换-原子吸收分光光度法[16];土壤有效性Cu、Zn、Fe 和Mn:DTPA 溶液浸提-原子吸收光谱法[17];SOD 活性测定:NBT 法;POD 活性测定:愈创木酚法;CAT活性测定:紫外吸收法[18]。数据使用Excel 2007 和DPS 7.05进行分析。 2 结果与分析 2.1 不同菌剂对土壤有效磷影响

将3 种菌剂施用田间后在玉米生长不同时期取样,测定土壤有效磷含量变化,从表 1 可以看出,土壤有效磷含量随着种植时间的延长,含量逐渐降低,田间施用菌剂I1、H1和BM 后,土壤有效P的含量总体上比CK 增加。在P0 水平下,施用菌剂处理后有效磷的含量在第24~45 d比CK 显著增加,其他时间土壤有效磷含量增加但不显著,总体溶磷效果为H1>I1>BM,在收获时,施用菌剂I1、H1 和BM 后,土壤有效磷含量比CK 分别增加6.47%、11.41%和12.27%;在P1 水平下,在10~24 d,施用菌剂处理后有效磷的含量比CK 显著增加,总体上溶磷效果为BM>I1>H1,在收获时,施用菌剂I1、H1 和BM 后,土壤有效磷含量比CK 分别增加13.35%、8.61%和10.68%;在P2 水平下,整个生长期,施用菌剂处理土壤有效磷含量显著高于对照,溶磷效果为BM>H1>I1,在收获时,施用菌剂I1、H1 和BM 后土壤有效磷含量比CK 分别增加10.58%、37.13%和23.15%;在P3 水平下,使用BM 菌剂处理后土壤有效磷含量较CK 显著增加,而I1 和H1 处理与CK 间没有显著差异,总体上溶磷效果BM>H1>I1,在收获时,施用菌剂I1、H1 和BM 后,土壤有效磷含量比CK 分别增加5.32%、11.85%和10.33%。

表 1 不同P水平处理下菌剂对土壤有效P 的影响(mg·kg-1 Table 1 Effect of inoculums inoculation on soil available P at different P levels(mg·kg-1
2.2 P3水平下,不同菌剂对土壤pH值的影响

将3 种菌剂施用田间后在玉米生长不同时期检测土壤pH值变化,表 2 中可看出,菌剂对土壤pH 值有显著影响,施用菌剂前31 d,各菌剂对土壤pH 影响差异显著,土壤pH 值较CK 处理下降,第31 d时,I1、H1和BM处理后土壤pH值分别比对照下降0.09、0.18 和0.12,第45 d后,各菌剂处理间没有显著差异,3 株菌溶磷的主要作用机制是分泌有机酸,随着菌株的生长,分泌有机酸从而降低土壤pH 值,在第45 d后,菌株在土壤中存活数量大量减少,不同处理的土壤pH值之间差异不显著。

表 2 P3水平下施用不同菌剂土壤pH 值变化 Table 2 The change of soil pH value after inoculums inoculation at P3 level
2.3 P3 水平下,不同菌剂对土壤交换性钙镁的影响

表 3 可以看出,随着玉米的生长,土壤交换性Ca、Mg 含量逐渐降低,不同处理的土壤交换性Ca、Mg的变化趋势与土壤pH值变化趋势一致。施入3种不同的菌剂处理,整个生长周期,土壤交换性Ca、Mg 的含量比CK 高,但差异不显著。施用菌剂I1、H1 和BM后,在第24 d时,土壤交换性Ca含量比CK分别增加3.23%、4.76%和1.79%,土壤交换性Mg 含量比CK 分别增加6.96%、7.91%和6.95%。

表 3 P3水平下施用菌剂对土壤交换性钙、镁的影响(cmol·kg-1 Table 3 Effect of inoculums inoculation on soil exchangeable Ca and Mg at P3 level(cmol·kg-1
2.4 P3水平下,不同菌剂对土壤有效Fe、Mn、Cu、Zn的影响

土壤有效Fe、Cu、Zn 含量在玉米整个生长周期中总体趋势是逐渐增加(表 4),施用菌剂后,土壤有效Fe、Cu、Zn 含量比CK 高,而土壤有效Mn 含量在玉米整个生长周期中变化不明显,施入真菌菌剂后,其含量比CK 低。施用菌剂I1、H1 和BM 后,在收获时,土壤有效Fe 含量比CK 分别增加2.84%、7.46%和3.23%,土壤有效Cu 含量比CK 分别增加3.80%、5.85%和15.51%。土壤有效Zn 含量比CK 分别增加7.74%、11.64%和6.94%,土壤有效Mn 的含量比CK分别降低了7.60%、4.56%和1.89%。玉米在生长过程中所需要的Fe、Mn、Cu、Zn 含量较少,土壤施入菌剂后,能够释放部分Fe、Cu、Zn,从而使其含量处于一直增加的趋势。

表 4 P3 水平下施用菌剂对土壤铁、锰、铜锌有效性的影响(mg·kg-1 Table 4 The changes of soil available Fe,Mn,Cu and Zn after inoculums inoculation at P3 level(mg·kg-1
2.5 P3水平下,不同菌剂对玉米叶内保护性酶的影响

超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(POD)、过氧化物酶(CAT)是植物生长过程中比较重要的3 种保护性酶。SOD 能够清除植物代谢中产生的有氧自由基,防止活性氧在植物体内积累过多损伤膜脂;POD 能降解植物组织内的IAA,对于控制植物体内IAA 含量、维系植物组织中源-库平衡起关键作用;CAT 在清除和维持植物体内活性氧及光呼吸中起作用。总体上,施用菌剂后,在苗期第24 d,拔节期第45d 和孕穗期第71 d,SOD、POD 和CAT 酶活性显著高于CK,SOD 和POD 在拔节期增加最多,CAT 酶活性在苗期增加最多(图 1)。

图 1 P3水平下不同菌剂对各生育时期玉米叶内保护性酶影响 Figure 1 Effect of inocula inoculation on the leaf protective enzyme in different growing periods of corn at P3 level
2.6 施用不同菌剂对玉米产量的影响

玉米收获后,晾干,称重,测量含水率,最后换算成14%含水量时的干重。从表 5 可以看出,不同磷水平下,玉米产量与CK 差异显著,磷肥施入越多,产量越高。施用菌剂后,玉米产量显著提高,不同菌剂施用对玉米产量有影响,但差异不显著,总体上,增产效果为I1>H1>BM。在P0 水平下,各菌剂处理与CK 相比,玉米产量增加最高,施用菌剂I1、H1 和BM 后,产量比CK 分别增加15.7%、15.9%和12.8%,在缺磷时,微生物能够释放土壤部分难溶磷,提高土壤有效磷含量,从而提高玉米产量。在P3 水平下,玉米产量最高,施用菌剂I1、H1 和BM 后,产量比CK 分别增加12.1%、9.2%和8.2%。

表 5 不同磷水平下各处理玉米产量(kg·hm-2 Table 5 The corn yield at different phosphorus levels(kg·hm-2
3 讨论

本试验菌株草酸青霉菌、黑曲霉和巨大芽孢杆菌都是具有高效溶磷且能增产的菌株。草酸青霉菌和黑曲霉在PDB培养液中培养18 h可分别产生大量的草酸和乳酸,将溶液pH值从7.0 降低到2.0 以下[13, 14, 15];巨大芽孢杆菌培养中分泌葡萄糖酸。有机酸的分泌是溶磷微生物溶磷的主要机制,微生物在土壤繁殖过程中分泌有机酸,致使土壤中H+增多,降低土壤pH 值,能与铁、铝、钙等离子螯合,从而使难溶磷转化为有效磷[19],同时,土壤中钙、镁、铁、铜、锌等营养元素在土壤中H+增多的同时也会被活化,从而提高这些营养元素在土壤中的有效性;同时,微生物分泌其他与植物抗逆直接相关的氨基酸类物质能够提高植物的抗逆性[20, 21]。3 种菌剂草酸青霉I1、黑曲霉H1和巨大芽孢杆菌BM 使用后,总体上效果提高土壤交换性钙、镁和有效锌的能力为H1>I1>BM,土壤有效铁为H1逸BM>I1,土壤有效铜为BM>H1>I1,而提高产量的效果为I1>H1>BM,3 个菌株增产效果不仅仅是释放土壤营养元素,还有其他方面的作用效果。土壤H+增多,而有效锰含量降低,可能与这两种菌对锰具有吸附或吸收作用有关,有待进一步研究考证[22, 23]

微生物菌剂在作物种植过程中发挥促生作用以微生物在土壤中前期定殖为主,微生物在土壤中定殖时间一般能够达到40 d,随着时间的延长,菌株迅速在土壤中消亡[15]。本研究施用3 种菌剂后,土壤pH值、交换性钙镁、有效锰、铜和锌在前31 d,与对照之间差异显著,这与菌株生长特性一致。土壤pH 值与难溶磷的溶解有高度相关性[24],有机酸过度分泌也会会造成土壤酸化[25],土壤酸度过低会不利于作物根系的生长。土壤酸化具有一定的接受范围,土壤pH 值小于6.5 后,土壤pH值就可能影响作物的正常生长,长期使用溶磷微生物是否会导致土壤酸化需要进一步的试验。 4 结论

菌剂草酸青霉菌、黑曲霉和巨大芽孢杆菌在田间试验条件下能够通过提高土壤有效磷含量,适当降低土壤pH 值,增加土壤交换性Ca、Mg 和有效性Fe、Cu、Zn含量以及玉米保护性酶活性,从而起到促生的作用。在常规施磷肥的情况下,玉米产量较CK 增加8.2%~12.1%,这3 株菌可以替代部分无机磷肥的使用,具备作为微生物肥料而被开发利用的潜力。

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