微生物菌剂对土壤酶活性及高粱生长的影响

范娜, 彭之东, 白文斌, 赵建武

(山西农业大学高粱研究所, 山西 晋中 030600)

土壤酶作为研究土壤生物活性及土壤肥力的重要组成部分，在土壤物质循环和能量转化过程中起着重要的催化作用，其活性高低可以反映土壤中各种生物化学反应的强度和方向，对土壤肥力的演化具有重要影响。

微生物菌肥有益微生物数量多、含有多种微量元素、有机质及活性酶含量高，能降低或抑制土壤中有害微生物的存活与繁殖[1]，对作物生长、改善土壤环境及提高土壤水分和肥料的利用率有较大促进作用，最终提高作物产量、改善作物品质。微生物肥料根据功能可分为固氮菌肥、有机磷菌肥、无机磷菌肥、解钾菌肥和抗生菌肥等。芽孢杆菌具有良好的促生能力，将其制成微生物菌肥可以促进作物生长。近年来，许多学者开展了有关微生物菌肥提高作物生长状况及品质研究。庞强强等[2]研究发现，微生物菌肥可显著提高白菜的生长速度，提高白菜的叶长、叶宽、株高、单株鲜重和叶绿素含量，降低白菜叶片的硝酸盐含量，提高可溶性糖和 Vc 含量，增强土壤蔗糖酶、脲酶和多酚氧化酶的活性；李倩等[3]研究表明，与不施微生物制剂相比，增施微生物制剂烤烟连作土壤脱氢酶、脲酶和蔗糖酶活性显著升高，提高了土壤微生物量碳和微生物量，土壤呼吸强度增强，土壤微生物数量(细菌、真菌和放线菌)、自生固氮菌、解磷细菌和解钾细菌数量增加；以促生芽孢杆菌为主要成分的微生态制剂对烤烟的产质量及防病效果最好。

粉煤灰是火力发电厂产业的废弃物[4]；醋糟是生产食醋后得到的固态部分, 山西省醋糟产量56万t·a-1，营养利用价值高，营养元素多，满足作物生长发育的各种营养需求[5]；菌糠为食用菌栽培的废弃物，木质纤维素含量高,因此将有机废弃物粉煤灰、醋糟和菌糠进行科学的再利用具有十分重要的意义[6]。

高粱作为农业生态系统中重要的作物，具有抗逆性强，光合效率高等显著特性，是干旱、盐碱和瘠薄等边际农田生长的先锋作物、相对高产作物。目前,利用醋糟、粉煤灰和菌糠配合微生物菌剂应用于高粱生产的研究少见报道。本课题组研究了微生物菌剂对高粱不同生育期土壤蔗糖酶、磷酸酶活性的变化及对高粱生长的影响，揭示了微生物菌肥施用对盐碱地改良效果，将有机废弃物资源有效再利用，对耐盐微生物菌株的筛选活化，为改良盐碱地提供行之有效的方法。

1 材料与方法

1.1 试验基本概况

实验于2018年4—10月在山西农业大学高粱研究所修文试验基地旱棚内进行。土壤质地为褐土， 土壤理化性状为：pH 8.13、 EC值4.18 ms·cm-1、碱解氮48.76 mg·kg-1、速效磷18.92 mg·kg-1、速效钾122.8 mg·kg-1，有机质10.31 g·kg-1，硝态氮31.78 mg·kg-1，铵态氮12.81 mg·kg-1，阳离子交换量14.27 cmol·kg-1。

1.1.1试验材料 高粱品种为晋杂41号，由山西省农业科学院(现山西农业大学)高粱研究所自主研发。

粉煤灰由山西省晋中市榆次电厂提供；醋糟由山西省东湖醋厂提供；菌糠为腐熟的杏鲍菇菌糠，由当地种植户提供；芽孢杆菌由山西农业大学农学院实验室提供。材料基本理化性状见表1。

1.1.2试验设计 试验在旱棚内进行，采用盆栽试验，用30 cm×25 cm的聚乙烯塑料盆，每盆装风干盐碱土5 kg。醋糟、粉煤灰和菌糠采用1∶1∶1配比, 菌剂按照1∶10 000的比例添加,进行腐熟发酵，然后用塑料薄膜覆盖就地进行生物发酵，腐熟约7 d，微生物菌剂的有效活菌数≥0.5×108CFU·g-1，具体试验处理情况见表2。

表2 试验微生物菌剂处理Table 2 List of microbial agent treatments

1.1.3菌种的活化 将 4 ℃下保藏在平皿中的菌株分别接种至 PDA(土豆200 g、葡萄糖20 g、琼脂20 g、水1 L)固体培养基中，活化24 h，在RTOP人工气候培养箱(浙江托普仪器有限公司)中培养，湿度为 60%，光照/黑暗时间为 12 h/12 h。培养温度37 ℃，加入链霉素进行抗性锻炼培养7 d后放在冰箱内保存备用。

1.2 土壤理化性状测定

土样采集0—20 cm土层，取回后风干，土与水按 1∶5配置成浸提液，利用雷诺DOS-307A电导仪测定电导值，利用雷诺PHs-3E酸度计测定pH[7]。土壤有机质测定采用重铬酸钾容量法，土壤全氮采用半微量凯氏定氮法，土壤有效磷采用碳酸氢钠浸提钼锑抗显色分光光度法，土壤速效钾采用醋酸铵提取火焰光度法测定[4]。

1.3 土壤酶活性测定

分别于苗期(2018年6月1日)、拔节期(2018年8月5日)、抽穗期(2018年8月25日)、灌浆期(2018年9月10日)和成熟期(2018年10月1日)取植株根部的土样，进行多点取样，分别混合，混匀后过1 mm 筛[7]，采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定土壤蔗糖酶[7]，采用磷酸苯二钠法测定土壤磷酸酶[8]。

1.4 植株叶片酶活性指标测定

高粱间苗后开始每隔10 d取植株样本，分3次取样。剪取擦拭干净叶3～5片，经液氮处理放入超低湿冰箱中保存，用于测定高粱超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、丙二醛(MDA)含量。

其中，SOD和POD采用邻苯二酚比色法测定，MDA采用硫代巴比妥酸比色法测定。

1.5 高粱株高测定

分别于高粱苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期用直尺测定植株高度。

1.6 分析软件和分析方法

采用 Excel 2012 及 DPS统计软件对各处理下不同酶活性值进行单因素方差分析，检验不同微生物菌剂处理之间的差异显著性(P<0.05) 。

2 结果与分析

2.1 不同处理对高粱株高的影响

从表3可以看出，微生物菌剂T5高粱株高苗期长势最好，T6在该时期长势不如T5，但是到了后期长势高于T5，这种优势一直持续到成熟期，T6株高(成熟期)分别比其他处理高15.08%、13.93%、3.59%、2.87%、1.44%、23%；T6比CK株高(苗期)、株高(拔节期)、株高(抽穗期)、株高(灌浆期)、株高(成熟期)分别提高了31.82%、16.32%、14.58%、14.28%、23.0%，说明XM2菌剂稀释100倍效果较好。

2.2 不同处理对高粱酶活性的影响

2.2.1对MDA的影响 逆境胁迫环境条件下，植物为了减少外界环境对其造成的伤害，在体内会发生一系列的生理生化反应。有研究表明[9-10]，植物体内积累一定的脯氨酸可以调节植物自身适应逆境条件。

高粱间苗后开始每隔10 d取植株样本,由图1可知，盐胁迫下MDA的含量会有不同程度的增加，微生物菌剂处理含量增加的幅度较小。T5、T6的MDA含量(2018-06-01)分别为18.43 μmol·g-1FW、17.28 μmol·g-1FW、MDA含量(2018-06-10)分别为22.07 μmol·g-1FW、21.85 μmol·g-1FW，MDA含量(2018-06-20)分别为22μmol·g-1FW、24.73 μmol·g-1FW，MDA含量(2018-06-30)分别为30.12 μmol·g-1FW、 28.56 μmol·g-1FW，其中以XM2菌剂效果最好。

2.2.2对SOD和POD的影响 高粱间苗后开始每隔10 d取植株样本,由表4可知，SOD、POD活性均呈先上升后下降的变化趋势。活性增强的原因是盐胁迫下植物体内的 SOD、POD活性在逆境胁迫条件下，含量呈现上升趋势，从而有利于清除氧自由基，降低自由基至较低水平，使细胞膜免于自由基的破坏，保护了细胞的完整和稳定，进而提高植物对逆境的抗性[11]。

表3 不同微生物菌剂处理下高粱株高Table 3 Height of sorghum plant under different microbial agent treatments (cm)

注：图中不同小写字母表示处理间差异在P<0.05水平具有显著性。Note：Different small letters in the figure indicate significant difference at P<0.05 level.图1 不同处理MDA含量变化Fig.1 Change of MDA content in dif ferent microbial agent treatment

表4 盐分胁迫下不同微生物菌剂处理POD、SOD含量的变化Table 4 Changes in POD and SOD contents of different microbial agent treatment under salt stress(U·g-1FW·min-1)

微生物菌剂可以提高植株体内SOD 、POD活性，从而表现出较好的生长能力。其中菌剂ZSY(稀释100倍)的SOD、POD活性高与其他处理之间差异显著。

2.3 对土壤酶活性的影响

土壤磷酸酶与土壤中磷的转化呈正比关系。

2.3.1对土壤蔗糖酶的影响 由图 2 可见，增施微生物菌剂的各处理土壤蔗糖酶活性均高于CK，T5、T6土壤蔗糖酶含量最高，在高粱生长苗期、拔节期、抽穗期和成熟期土壤中的蔗糖酶活性均为最高，分别为 1.441、1.495、1.407和 1.379 mg·g-1·d-1，与其他各处理相比差异显著，高粱拔节期各处理对土壤蔗糖酶的影响为T5>T6>T1>T4>T2>T3>CK; 各处理对不同时期蔗糖酶活性的影响大小为拔节期>抽穗期>苗期>成熟期。这说明筛选出的微生物菌剂提高了土壤蔗糖酶的活性，改善了土壤的肥力状况，提高了作物对土壤中氮素的吸收[12]。

2.3.2对土壤磷酸酶的影响 随着生育期的推进，土壤磷酸酶活性呈现先降低后升高的趋势，其中高粱生长苗期土壤磷酸酶含量最高。T5各生育期土壤磷酸酶活性最高，T6次之，明显高于其他处理。T5对土壤磷酸酶活性的影响在苗期表现最明显，分别比其他处理提高了49.25%、63.31%、58.67%、64.38%和68.79%。

注：图中不同小写字母表示处理间差异在P<0.05水平具有显著性。Note：Different small letters in the figure indicate significant difference at P<0.05 level.图2 不同微生物菌剂处理土壤蔗糖酶变化Fig.2 Changes of sucrase in soil treated with different microbial agent treatments

注：图中不同小写字母表示处理间差异在P<0.05水平具有显著性。Note：Different small letters in the figure indicate significant difference at P<0.05 level.图3 不同处理土壤磷酸糖酶变化Fig.3 Changes of phosphoglycans in soil treated with different treatments

2.4 盐碱地条件下不同处理干物质动态积累

由表5可知，T5叶片干重最高。高粱苗期是盐分敏感期，处理之间差异显著；拔节期处理之间差异性减弱。T1、T2和T3、T4之间差异不显著，T5、T6与其他处理之间差异显著，叶片干重比其他处理增幅10%～12.5%之间，叶片茎杆干重比其他处理增幅8.67%～10.3%之间。到成熟期时，穗部性状(表6)不同材料间有所差异，T3处理穗轴干重和籽粒千粒均表现最高，分别为26.12 和49.01 g，与其他处理差异显著。

从表5、表6可以看出，增施微生物菌剂的各处理植株干物质量均高于对照，这可能是微生物菌剂提高了土壤肥力，土壤蔗糖酶与磷酸酶的活性提高促进了高粱对土壤养分的吸收，高粱表现出较高的生长能力，提高了干物质的含量。

表5 不同处理干物质动态积累Table 5 Dynamic accumulation of dry matter under different treatments

表6 不同处理高粱穗轴干重和千粒重Table 6 1 000-grain weight of sorghum and Cob dry weight under different treatments

3 讨论

醋糟营养物质含量高，醋糟施入土壤后可进一步腐熟发酵成为腐殖质, 进而增加土壤有机质的含量, 另外醋糟本身特有的物理特性可以提高土壤保水、保肥和透气性[13]。土壤酶活性反映土壤肥力的高低，对保持土壤肥力具有重要意义,反映土壤有机养分转化情况[14]，微生物菌肥施入土壤，改善土壤理化性状，增加了土壤C/N、提高了有机质含量和提高了酶活性，土壤酶活性高低反映了土壤养分转化的情况，是土壤中活跃的有机成分，反映土壤活性高低和微生物数量，维持土壤C、N平衡，提供植物生长所需养分[15]。土壤蔗糖酶反映土壤碳素营养状况[16]。研究结果表明，施用各种微生物菌肥提高了土壤蔗糖酶与磷酸酶的活性，以微生物菌剂T5和微生物菌剂T6对蔗糖酶的影响最大，在高粱生长苗期、拔节期、抽穗期和成熟期土壤中的蔗糖酶活性均为最高，分别为 1.441、1.495、1.407和 1.379 mg·g-1·d-1，明显高于其他各处理，各处理对高粱拔节期土壤蔗糖酶的影响大小为 T5>T6>T1>T4>T2>T3>CK; 各处理对蔗糖酶活性在高粱各生育期的影响大小为拔节期>抽穗期>苗期>成熟期。这说明适宜微生物菌剂可以显著提高土壤蔗糖酶活性，有效改善土壤的肥力状况，从而提高作物对土壤中氮素的利用；随着生育期的推进，土壤磷酸酶活性呈现先降后升趋势，具体表现为苗期最高。T5各生育时期各土层的土壤磷酸酶活性均显著高于其他各处理，且酶活性均为最高，T6次之。T5对土壤磷酸酶活性的影响在苗期表现最明显。这一研究结果与前人的研究结果相一致[17]；试验结果还表明，T6叶干重最高。高粱苗期是盐分敏感期，处理之间差异显著；拔节期处理之间差异性减弱。T1、T2和T3、T4之间差异不显著，T5、T6与其他处理之间差异显著，叶片干重比其他处理增幅10%～12.5%之间，叶片茎杆干重比其他处理增幅8.67%～10.3%之间；到成熟期时，籽粒千粒重不同材料间有所差异。这一研究结果与符冠富等[18]和吕军等[19]的研究结果相一致。