腐植酸与阿氏芽孢杆菌配施对新疆盐碱土改良效果研究

Improvement Effect of Combined Application of Humic Acid and Bacillus aryabhattai on Saline Alkali Soil in Xinjiang

摘要

为了改善新疆巴州地区土壤盐碱化问题，探究合适的调控方法，研究分析腐植酸与微生物菌剂对盐碱地的改良效果,试验设置4个施肥处理，即常规用肥（15-15-15复合肥750 kg/hm²，CK）、常规用肥+微生物菌肥（15-15-15复合肥750 kg/hm²+微生物菌肥75 kg/hm²，T1）、常规用肥+腐植酸（15-15-15复合肥750 kg/hm²+腐植酸150 kg/hm²，T2）、常规用肥+微生物菌肥+腐植酸（15-15-15复合肥750 kg/hm²+微生物菌肥75 kg/hm²+腐植酸150 kg/hm²，T3），测定不同土层的理化性质、土壤酶活性及微生物数量。结果表明，常规用肥+微生物菌肥+腐植酸（T3）处理对土壤的改良效果最为显著，与CK相比，该处理下0~20 cm土层中全氮含量、有效磷含量、速效钾含量、有机质含量、蔗糖酶活性、脲酶活性、过氧化氢酶活性、碱性磷酸酶活性以及微生物总量分别提高了15.9%、42.6%、45.1%、79.0%、37.6%、43.9%、118.3%、74.4%、136.7%；pH、EC、容重分别降低了11.7%、14.2%、10.9%；20~40 cm土层与0~20 cm土层各指标相比，土壤肥力、土壤酶活性、微生物量以及土壤物理性质改良效果略低。相关性分析结果表明，土壤肥力各指标与土壤微生物量、酶活性呈正相关，与土壤pH值、EC值、容重呈负相关。综上，腐植酸和微生物菌肥配施对0~20 cm与20~40 cm 土壤改善效果较佳，是改良盐碱土壤的有效手段之一。

Abstract

To improve the soil salinization and alkalization problem in the Bayingolin Mongol Autonomous Prefecture of Xinjiang, and to explore appropriate control methods, in this study, the improvement effects of humic acid and microbial agents on saline-alkali soil were studied and analyzed. Four fertilization treatments were set up: conventional fertilizer(CK, 15-15-15 compound fertilizer 750 kg/ha), conventional fertilizer+microbial fertilizer(T1, 15-15-15 compound fertilizer 750 kg/ha+microbial fertilizer 75 kg/ha), conventional fertilizer+humic acid(T2, 15-15-15 compound fertilizer 750 kg/ha+humic acid 150 kg/ha), and conventional fertilizer+microbial fertilizer+humic acid(T3, 15-15-15 compound fertilizer 750 kg/ha+microbial fertilizer 75 kg/ha+humic acid 150 kg/ha). The physical and chemical properties, soil enzyme activity, and microbial count of different soil layers were determined. The results showed that the treatment of conventional fertilizer+microbial fertilizer+humic acid(T3) had the most significant improvement effect on soil. Compared with CK, the nitrogen content, available phosphorus content, available potassium content, organic matter content, the activity of sucrase, urease, catalase and alkaline phosphatase, and total microbial quantity in the 0-20 cm soil layer increased by 15.9%, 42.6%, 45.1%, 79.0%, 37.6%, 43.9%, 118.3%, 74.4%, and 136.7% respectively. pH, EC, and bulk density decreased by 11.7%, 14.2%, and 10.9% respectively. Compared with the indexes in the 0-20 cm soil layer, the improvement effects of soil fertility, soil enzyme activity, microbial biomass, and soil physical properties in the 20-40 cm soil layer were slightly lower. Correlation analysis showed that each index of soil fertility was positively correlated with soil microbial biomass and enzyme activity, and negatively correlated with soil pH value, EC value and bulk density.In conclusion, the combined application of humic acid and microbial fertilizer had the best improvement effect on the 0-20 cm and 20-40 cm soil, and it was one of the effective means to improve saline-alkali soil.

Graphical abstract

关键词

盐碱地 / 土壤改良 / 土壤肥力 / 腐植酸 / 微生物菌剂

Key words

saline alkali land / soil improvement / soil fertility / humic acid / microbial inoculum

土壤盐碱化已成为影响全球农业和粮食安全的一个重大问题，它会降低土壤的理化性质和生物性质，减少作物产量，影响粮食安全^[1]。据报道，全球有超过8亿hm²土地受到盐碱化影响，占世界陆地总面积的6%，对农业生产构成巨大挑战^[2]。土壤溶液中盐浓度过高，促使钠离子分离和黏土颗粒膨胀，导致土壤结构恶化以及渗透系数和孔隙度下降^[3]。分散的土壤颗粒阻碍了土壤中水和空气的流动，填充了土壤的孔洞和裂缝，上层土壤膨胀吸水，从而使土壤结构分解、土壤养分流失^[4]。此外，土壤盐碱化会对微生物群落结构产生不利影响，降低土壤酶活性，导致植物对土壤营养的吸收能力降低，最终影响植物的生长发育^[5-7]。因此，合理开发、改善与利用盐碱地资源，对保持耕地资源平衡、保障粮食安全具有重要意义。

近年来，腐植酸作为改善土壤质量和维持作物生产力的潜在方法，受到越来越多的关注。腐植酸是腐殖质的主要成分，主要来源于微生物对植物和动物残留物的降解^[8-9]。NASIR等^[10]研究发现，腐植酸作为一种天然的有机物质，在一定程度能提高土壤结构的稳定性。聂朝阳^[11]研究表明，腐植酸拥有较为稳定的碳形态，不仅对土壤微生物量具有重要调节作用，而且可以提高土壤的酶活性。通过土样筛选和序列分析，阿氏芽孢杆菌MB35-5具有较强的解硅能力，繁殖能力强，可以增加土壤中有效硅含量，改善土壤理化性质^[12]，增强作物对逆境的抵抗能力^[13]。目前，不同种类菌肥和腐植酸配施对土壤改良研究已有报道，但针对解硅性菌肥与腐植酸配施对新疆荒漠化盐碱地的研究较少。

本试验在前人研究基础上，探究阿氏芽孢杆菌MB35-5复配腐植酸对盐碱土壤理化性质、微生物总量以及土壤酶活性的影响，探索该地区微生物菌剂复配腐植酸的施用效果，以期为该地区盐碱土的改良提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试作物为玉米（郑单958），从当地市场购买。复合肥（15-15-15）由史丹利农业集团股份有限公司生产。腐植酸悬浮液（有机质≥120 g/L，腐植酸≥150 g/L，黄腐酸≥20 g/L）、微生物菌肥（阿氏芽孢杆菌有效活菌数≥2.0 亿个/g，含国家专利（ZL201910161378.2、ZL202110320433.5））均由河北萌帮生物科技有限公司研发部提供。

1.2 试验方法

试验于新疆巴音郭愣蒙古自治州轮台县（42°06′N，84°16′E）进行。0~20 cm土壤全氮、有效磷、速效钾、有机质含量分别为477.54、62.78、176.34 mg/kg和7.54 g/kg，pH值为8.55，EC值为2.79 mS/cm。试验共设置4个处理（表1），即常规用肥（CK）、常规用肥+微生物菌肥（T1）、常规用肥+腐植酸（T2）、常规用肥+微生物菌肥+腐植酸（T3）。小区面积20 m²（10 m×2 m），每个处理设置3次重复。玉米播种前，将各处理复合肥和微生物菌肥施入土壤中，深翻混合均匀。玉米播种后，腐植酸悬浮液随水施入土壤。其他田间管理按照当地管理措施统一进行。

1.3 土壤样品采集及测定

玉米成熟期，采用5点取样法，使用取土器和环刀分别采集0~20、20~40 cm深的根际土壤，取部分鲜土保存于-4 ℃冰箱中，用来检测土壤微生物群落结构；其余土风干后研磨过1.10 mm筛，测定土壤酶活性及土壤理化性质。土壤全氮、有效磷、速效钾、有机质含量均采用常规方法测定^[14]。土壤pH值采用pH计法测定，土壤EC值采用电导仪法测定。土壤容重、孔隙度均采用环刀法测定^[15]。土壤脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶活性分别采用苯酚钠-次氯酸钠比色法、高锰酸钾容量法、3，5-二硝基水杨酸比色法和磷酸二钠比色法测定^[16]。土壤真菌、细菌和放线菌测定采用平板计数法^[17]。

1.4 数据分析

采用Excel 2020进行数据整理和IBM SPSS Statistics 20.0进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 增施腐植酸、微生物菌肥对土壤肥力的影响

从表2可以看出，不同施肥条件下，与CK相比，各处理均提高了土壤中的养分含量。0~20 cm土层中，T1处理对全氮、有效磷以及有机质含量影响不显著，T2、T3处理中全氮含量分别较CK显著提高了8.9%、16.0%（P<0.05），有效磷含量分别较CK显著提高了9.8%、27.8%（P<0.05），有机质含量分别较CK显著提高了47.4%、79.1%（P<0.05）。与CK相比，20~40 cm土层中，T1、T2、T3处理中全氮含量分别显著提高了3.2%、7.5%、10.1%（P<0.05），有效磷含量分别显著提高了8.8%、9.8%和27.8%（P<0.05），T2、T3处理的速效钾含量分别显著提高了32.1%、43.2%（P<0.05），有机质含量分别显著提高了47.2%、70.2%（P<0.05）。

2.2 增施腐植酸、微生物菌肥对土壤物理性质的影响

从图1可以看出，与CK相比，各处理均可降低土壤pH值，而T3处理的土壤pH值明显降低，0~20 cm土层中降低了1个单位，20~40 cm土层中降低了0.75个单位。各处理中土壤的EC值均呈下降趋势，T3处理2种土层EC值下降幅度最大，分别下降了12.4%、8.7%。T1、T2、T3处理均可以降低土壤容重，提高土壤孔隙度。0~20 cm土层中，T3处理的土壤容重最小，较CK下降10.9%，土壤孔隙度较CK增加23.1%；20~40 cm土层中，与CK相比，T3处理的土壤容重、孔隙度改善效果最为明显，容重显著降低9.2%（P<0.05），土壤孔隙度增加了16.6%（P<0.05）。

2.3 增施腐植酸、微生物菌肥对土壤酶活性的影响

由图2可知，不同施肥条件下，相较于CK，各处理均提高了土壤酶活性。0~20 cm土层中，与CK相比，T1、T2、T3处理的蔗糖酶活性分别显著提高了10.6%、32.1%、37.6%（P<0.05），脲酶活性分别显著提高了16.1%、18.3%、43.95%（P<0.05），磷酸酶活性分别显著提高了22.4%、51.1%、74.4%（P<0.05），T1处理对提高过氧化氢酶活性差异不显著，T2、T3处理的过氧化氢酶活性分别显著提高了80.1%、118.3%（P<0.05）。20~40 cm土层中，与CK相比，T1、T2、T3处理的蔗糖酶活性分别显著提高了10.6%、21.9%、33.2%（P<0.05），脲酶活性分别显著提高了12.2%、17.2%、25.1%（P<0.05），磷酸酶活性分别显著提高了12.9%、16.5%、26.4%（P<0.05），T1处理对提高过氧化氢酶活性差异不显著，T2、T3处理的过氧化氢酶活性分别显著提高了41.4%、60.5%（P<0.05）。

2.4 增施腐植酸、微生物菌肥对土壤微生物的影响

从图3可以看出，不同施肥条件下细菌、真菌、放线菌以及微生物总量呈上升趋势，与CK相比，0~20 cm土层中细菌、真菌、放线菌及微生物总量分别提高了69.8%、137.7%、41.7%、136.7%；20~40 cm土层的细菌、真菌、放线菌及微生物总量分别提高了83.3%、51.6%、66.7%、52.5%。其中，T3处理对真菌、细菌、放线菌以及微生物总量影响最大，由此可见，腐植酸、微生物菌肥以及复合肥的混施给微生物群落的繁殖创造了良好的条件，从而使数量趋于增加。

2.5 不同施肥条件下土壤物理性质、土壤肥力、酶活性和微生物总量之间相关性分析

不同施肥条件下土壤物理性质、土壤肥力、土壤酶活性以及土壤微生物之间相关性分析结果如表3所示。

从表3可以看出，全氮含量、有效磷含量、速效钾含量以及有机质含量四者之间呈显著正相关（P<0.05）。全氮含量与脲酶、碱性磷酸酶活性之间呈显著正相关（P<0.05）；有效磷含量与过氧化氢酶、碱性磷酸酶活性呈显著正相关（P<0.05）；速效钾含量与碱性磷酸酶活性、过氧化氢酶活性、微生物总量呈显著正相关（P<0.05）；有机质含量与碱性磷酸酶、过氧化氢酶活性呈显著正相关（P<0.05）。pH值与全氮含量、速效钾含量、微生物总量呈显著负相关（P<0.05），与孔隙度与脲酶活性呈显著负相关（P<0.05）；EC与全氮含量、有效磷含量、速效钾含量、孔隙度、脲酶活性、微生物总量呈显著负相关（P<0.05）；容重与全氮含量、有效磷含量、速效钾含量、微生物总量、孔隙度、脲酶活性、碱性磷酸酶含量、微生物总量呈显著负相关（P<0.05）。

3 结论与讨论

随着化肥的长期施用，土壤板结、环境污染等一系列问题加剧，化肥减施、肥料利用率提高已成为当前重要的研究方向^[18]。大量研究表明，生物炭和微生物菌肥混合使用，可以降低养分的损失，提高土壤的供肥能力^[19]；腐植酸复合微生物菌肥可以提高土壤中有机质和各种营养元素含量，促进中微量元素的吸收利用^[20]。李鹏程等^[19]研究发现，与单施相比，腐植酸和复合微生物菌剂联合施用，可显著改善土壤理化性质，降低土壤pH值，提高土壤养分含量。因此，肥料配施可降低土壤盐含量、提高养分利用率，消除单施的不利影响，对改善盐碱沙化土壤理化性质起到互补提升作用^[21-22]。

本研究中，不同施肥条件下，土壤容重和土壤孔隙度差异明显，其中腐植酸、微生物菌剂处理，对0~20 cm土层的容重和孔隙度改善最为明显，同时，增施腐植酸和微生物菌肥后土壤中大量元素和有机质含量显著增加。国内外学者^[23-25]研究发现，腐植酸可以促进团粒体的形成，从而改善土壤结构，降低土壤容重，同时降低氮释放速度，提高氮肥利用率；将固定在土壤中的磷转化为磷酸铵和磷酸，活化磷酸盐；增强钾素营养，减少养分损失。而生物菌肥兼具微生物肥料和有机肥的双重效应，阿氏芽孢杆菌MB35-5具有较强的解硅能力，硅元素能够与土壤中的铝、铁等离子结合，形成硅铝酸盐等稳定化合物，并且减少土壤黏性和胶结性，提高土壤的透气、保水性，有利于培肥土壤，提高土壤酶活性，改善土壤微生物群落结构^[26]。由此可见，腐植酸与微生物菌肥配合使用可以改善土壤结构，抑制土壤中的盐分向表层迁移，降低土壤的EC和pH值^[27]，同时，增强作物吸水吸肥能力，缓解因土壤盐碱化而造成土壤养分流失，促进增产和增效作用。

土壤各级微生物承载着土壤养分分解与释放转化器的重要角色，也是土壤物质交流和能量交流的主要受体，但土壤盐碱化会影响微生物的正常分解与合成，抑制微生物繁殖^[28-29]。施用生物有机肥作为改良土壤的有效措施已得到普遍认可。有研究表明，生物菌肥可以提高有机物料的腐熟分解转化效率，增加土壤微生物生物量和酶活性^[30]。腐植酸淋洗可以提高微生物菌群丰度，改善微生物群落结构^[31]，提高土壤固氮菌、磷细菌和脲酶的活性，促进土壤生物活性和养分吸收^[32]。本试验中，腐植酸及微生物菌剂配施，可以显著增加0~20 cm土层真菌、细菌、放线菌、微生物总量以及土壤蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶、碱性磷酸酶的活性。腐植酸与微生物菌肥配合使用，土壤中微生物菌落多样性和丰富度趋于增加，同时促进土壤酶的分解与转化。此结果与王相平等^[33]、张蕾等^[34]研究效果一致。

本研究通过对新疆巴州地区荒漠化盐碱地增施微生物菌剂、腐植酸，检测不同土层的理化性质、土壤酶活性、土壤肥力、微生物数量以及各指标相关性分析表明，与单施相比，腐植酸和微生物菌肥的联合施用，可以改善盐碱地土壤理化性质及微生物群落结构，对土壤中有机质、有效磷和速效钾有较好的提升作用，调节土壤养分和电导率，起到互补提升作用。综上所述，腐植酸和阿氏芽孢杆菌配施可作为减轻土壤盐碱化的最有效途径之一，但同时也存在生物有机肥施肥量相对较大、耗费人工成本多等问题，因此，合理安排施用量、优化配施比例与施用方法仍有待深入研究。

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基金资助

石家庄市厅市会商专项(225490590595A)