我国有1亿hm2左右盐土,是我国主要的后备土地资源,随着其自然脱盐碱和人为改良速度的加快,盐土的农业利用成为我国农业科技和生产中的重要组成部分[1-2]。江苏沿海滩涂盐土总面积为68.73万hm2,约占全国滩涂总面积的1/4,且每年净增面积约1 100 hm2。虽然江苏沿海滩涂围垦开发历史悠久,已取得巨大社会经济效益,但目前,盐渍化依然是制约苏北海涂土壤开发利用的主要障碍因子之一,其土壤盐分重、保水保肥性差、结构不稳定,不经改良作物很难适应生长[3]。目前,江苏滩涂种植的作物出苗率低,产量仅为一般耕地的50%左右[4]。
因此,前人尝试通过化学、物理、生物和工程等多种技术手段,对滨海盐土进行改良[5-6]。Liu等[7]用化学改良剂石膏改善盐土的物理和化学性质。此外,施加牛粪、生物质炭、有机肥和木醋液等也一定程度上改良了盐渍土[8]。有研究[2]表明有机肥是改良土壤性状的优良材料,不仅能疏松板结的土壤,提高土壤养分含量、微生物活性,而且成本低廉、质量稳定。吕丽媛等[9]将菌肥和农家肥应用于滨海盐土,研究其对蓖麻生长的影响,结果表明有机肥能很好地调控盐胁迫下蓖麻苗的生理适应性,有利于用滨海盐土培育蓖麻。刘彩霞和黄为一[10]将有机物料和耐盐碱细菌混合施用于滨海盐土,显著促进了滨海盐土团聚体的形成。王福友等[11]研究表明,添加蚯蚓粪或菌肥能够调控土壤生物性状以发挥土壤自身生物潜力改良滨海盐土质量。因此,利用微生物有机肥改良滨海盐土也是行之有效的方法。
木霉菌是一类具有农业开发应用前景的有益真菌。研究发现,木霉菌不仅对植物病原菌有拮抗作用,还可促进多种植物生长。在盐胁迫条件下,某些木霉菌可诱导植物产生系统抗性,降低盐胁迫对植物的不良影响,从而缓解植物在盐胁迫条件下的生长抑制[12-14]。Brotman等[15]也发现,拟棘孢木霉(Trichoderma asperelloides)可通过ACC-脱氨酶降解乙烯的前体以提高木霉菌自身和寄主植物对盐胁迫的耐受度,暗示了利用木霉菌作为盐土作物栽培促生因子的可行性。本实验室先前的工作也发现,减施25%的化肥同时配施功能木霉菌T. guizhouense NJAU 4742制成的生物有机肥,可通过调控土壤养分有效性和土壤酶活性来改善盐土的可耕种性,但该研究并未对生物有机肥与化肥的配施比例进行优化[16];Jiang等[3]的研究表明,生物有机肥能够显著改变盐土作物的细菌区系,但过多的肥料施入,特别是化肥,反而会抑制微生物菌群活性。因此,很有必要对盐土中施入肥料的形式与数量,比如生物有机肥与化肥的配比等开展研究。
本研究采用自主研发的含滩涂土著木霉菌株T. arenarium 1A131生物有机肥和已报道的具有显著生防促生功能的木霉菌株T. guizhouense NJAU 4742生物有机肥,探究(1)木霉生物有机肥与化肥应用于滨海盐土的最优配施比例;(2)木霉生物有机肥的作用机制;(3)土著滩涂木霉与非土著木霉在盐土农业中的作用是否有显著差异,旨在为木霉功能菌株的应用和木霉生物有机肥的推广提供基础数据和参考案例。
1 材料与方法 1.1 供试菌株和植株品种贵州木霉Trichoderma guizhouense NJAU 4742(CGMCC 3308)和瑞氏木霉T. reesei 917(QM6a)由南京农业大学江苏省固体有机废弃物资源化高技术研究重点实验室提供。滩涂木霉T. arenarium 1A131(CGMCC 19611)菌株由本实验室筛选并保存[17]。甘蓝品种为“绿宝石”,购于武汉市九头鸟种菌有限公司。
1.2 菌株的耐盐性鉴定将实验室保存的木霉T. guizhouense NJAU 4742、木霉T. arenarium 1A131和木霉T. reesei 917活化后,接种至不同NaCl浓度的马铃薯葡萄糖固体培养基(PDA,BD Difco,Becton,美国)上(15 mL),25℃培养4 d,NaCl浓度设置为3个梯度,即0 mmol·L–1、500 mmol·L–1、750 mmol·L–1,每个浓度3个重复,于24 h、48 h、60 h、72 h、96 h分别测量3种木霉菌的菌落直径,观察测试菌株的生长情况。
1.3 木霉生物有机肥的制备木霉T. guizhouense NJAU 4742和木霉T. arenarium 1A131孢子悬液的制备参见文献[18],化肥包括尿素、过磷酸钙和硫酸钾(N、P、K质量分数分别为46%、12%、51%),牛粪有机肥由江苏峻德生态农业科技有限公司提供,pH 7.42,含盐量25.39 g·kg–1,有机质457.5 g·kg–1,总氮、总磷、总钾含量分别为13.25 g·kg–1、17.78 g·kg–1、24.34 g·kg–1。生物有机肥由木霉T. guizhouense NJAU 4742或T. arenarium 1A131与牛粪有机肥二次发酵制成,具体过程如下:将PDA培养获得的木霉孢子悬液接种至牛粪有机肥中,二次发酵7 d,其最终活菌数达到106 cfu·g–1以上。
1.4 盆栽试验设计盆栽试验于南京农业大学智能气候室进行,温度控制在20~25℃之间,光照时间12 h。试验共设置8个处理,分别为:不施肥对照(CON),100%化肥(CF),70%化肥+30%木霉T. guizhouense NJAU 4742生物有机肥(30%BFG),40%化肥+60%木霉T. guizhouense NJAU 4742生物有机肥(60%BFG),100%木霉T. guizhouense NJAU 4742生物有机肥(100%BFG),70%化肥+30%木霉T. arenarium 1A131生物有机肥(30%BFA),40%化肥+60%木霉T. arenarium 1A131生物有机肥(60%BFA),100%木霉T. arenarium 1A131生物有机肥(100%BFA)。每盆装0.5~1 mm沙子1 kg,盆钵直径12 cm,底部不开孔(以防止盐分流失),每盆种植甘蓝苗1株,每个处理设置10个重复。其中100%BFG和100%BFA处理每盆分别施入10 g木霉生物有机肥(沙子干物质量的1%)。其他施肥处理以此为标准,不足养分用化肥补齐,施肥处理间总氮、总磷和总钾养分均等。移苗一周后每盆浇100 mL 0.5%盐水(仅含NaCl)和10%MS营养液(含硝酸钾、硝酸铵、氯化钙、硫酸镁、磷酸二氢钾等基础盐类),以KOH调节pH至8.0,以此模拟滨海盐土土壤环境,每隔3~5天补充5 mL的10%MS营养液,保证植株养分供应。
1.5 田间试验设计田间试验在江苏省大丰市剑丰农场滩涂围垦的大棚内进行,供试土壤为滨海盐土,土壤基本理化性状如下:pH 8.57,电导率(EC)1.21 mS·cm–1,含盐量4.45 g·kg–1,有机质4.54 g·kg–1,全氮0.14 g·kg–1,全磷0.69 g·kg–1,全钾6.13 g·kg–1,硝态氮15.26 mg·kg–1,铵态氮9.22 mg·kg–1,有效磷12.13 mg·kg–1,速效钾249.7 mg·kg–1。试验共设置8个处理,与盆栽试验相同。其中100%化肥处理的每小区尿素、过磷酸钙、硫酸钾的施用量分别为173 g、889 g、287 g,100%生物肥处理的每小区生物肥施用量为6 kg。施肥处理间总氮、总磷和总钾养分设置均等。每个处理设置4个小区,随机区组排列,每个小区面积8 m2,行间距30 cm,株间距10 cm,每小区种植甘蓝100棵,播种前每个小区撒施相应的肥料,再将表层0~20 cm土壤与肥料充分混匀。
1.6 盆栽样品采集和养分测定待甘蓝生长周期满4周,测量植株株高和叶绿素含量(SPAD),每盆采集1棵植株和土体土,分别测定地上部和地下部鲜物质量,并将新鲜根系进行根系扫描,根系发育参数采用LA1600+根系扫描成像系统和WinRHizo 2003b分析软件获得,包括根尖数、根长、根体积和根表面积。植株杀青后测定干物质量。植株样品粉碎后用于测定植株中的氮、磷、钾含量。收集的土样自然风干后过孔径为20目筛,用于测定土壤理化性质。采用流动分析仪(AUTOAnalyzer3,BRAN+LUEBBE,德国)测定土壤铵态氮、硝态氮、植株全氮和全磷含量[19],采用火焰光度计法测定土壤速效钾和植株全钾含量[19];采用0.5 mol·L–1 NaHCO3浸提-钼蓝比色法测定土壤有效磷含量,参照文献[20];分别采用玻璃电极酸度计和电导率仪测定土壤pH和EC;采用重铬酸钾氧化-分光光度法测定土壤有机质含量[21]。
1.7 田间试验样品采集和产量分析在甘蓝的苗期和结球期分别采集植株和土壤样品:每个小区随机采取植株样品2颗(即每处理8颗),并收集土体土样。对植株样进行根系扫描和养分测定,具体方法同1.6所述。在甘蓝结球期采摘各处理结球,每个小区随机选取10棵,统计各处理的平均单球物质量。
1.8 甘蓝品质的测定采用斐林试剂比色法[22]测定甘蓝叶球还原糖含量,采用硝基水杨酸比色法[21]测定甘蓝叶球硝酸盐含量,采用滴定法[22]测定甘蓝叶球维生素C含量。
1.9 数据统计与分析试验数据采用Excel 2016和SPSS 22.0软件进行统计,并进行单因素方差分析(One-way ANOVA,P < 0.05)。
2 结果 2.1 三种木霉菌耐盐能力差异由图 1可以看出,3种木霉菌在3种盐浓度的9 cm PDA培养基上的生长抑制率均随着盐浓度的增加而增加。无盐处理下,3种木霉均在48 h时菌丝布满整个平板,且无显著差异;500 mmol·L–1盐浓度下,24 h~96 h菌落平均直径均表现为木霉T. arenarium 1A131显著高于T. guizhouense NJAU 4742,T. guizhouense NJAU 4742显著高于T. reesei 917;750 mmol·L–1盐浓度下,木霉T. guizhouense NJAU 4742和木霉T. arenarium 1A131生长速度显著高于T. reesei 917,但NJAU 4742和1A131菌株间差异不显著。因此,木霉T. guizhouense NJAU 4742和木霉T. arenarium 1A131具有良好的耐盐能力,将木霉T. guizhouense NJAU 4742和木霉T. arenarium 1A131分别与有机肥发酵制成生物有机肥用于后续的盆栽和田间试验。
由表 1可见,所有施用生物有机肥处理的植株地上部鲜物质量和氮含量均显著高于CON和CF处理,其中60%BFA处理效果最佳。根系扫描结果如下:60%BFG、100%BFG、100%BFA处理根长和根尖数最高,三者无显著差异;其次是60%BFA处理,而CON和CF处理平均根围显著高于其他处理。施肥可提高植株SPAD值和氮、磷、钾含量。60%BFG处理SPAD值显著高于其他处理,100%BFG处理次之,其余处理差异不显著。CF、30%BFG、60%BFG、30%BFA处理植株磷含量均显著高于其他处理,且上述四个处理间无显著差异;100%BFA处理显著高于100%BFG处理。100%BFA和100%BFG处理植株钾含量显著高于其他处理,其次是30%BFG、60%BFG、30%BFA处理。
由表 2可知,CON处理的土壤pH显著高于其他施肥处理,说明施肥可显著降低土壤pH;60%BFA和60%BFG处理的土壤pH显著低于其他处理,且两者之间差异不显著。土壤盐分在60%生物肥+40%化肥处理中含量最高,其中60%BFG处理显著高于其他处理,30%BFG处理次之,CON处理最低,其余处理间无显著差异,说明施肥本身会增加土壤含盐量。施用木霉生物有机肥大于30%时土壤有机质含量增加显著。生物肥配施化肥处理的土壤硝态氮含量均显著高于CON和CF处理,其中60%BFG和60%BFA处理显著高于其他比例生物肥配施化肥处理,两者之间无显著差异;土壤铵态氮含量则表现出相反趋势,即60%BFG和60%BFA处理铵态氮含量最低,CON和30%BFG处理含量最高。施肥可提高土壤有效磷含量,且木霉T. arenarium 1A131生物有机肥效果显著优于木霉T. guizhouense NJAU 4742。土壤速效钾分别在CF处理和CON处理含量最高和最低,其余处理间无明显规律。
由图 2可见,在甘蓝品质方面,生物肥配施化肥显著提高甘蓝叶球维生素C含量,降低硝酸盐含量。60%BFA处理甘蓝还原糖含量显著高于其他处理,其次是60%BFG处理和CF处理。甘蓝维生素C含量在60%BFG处理最高,显著高于其他处理。60%BFA和100%BFA处理的甘蓝硝酸盐含量明显低于CON和CF。在甘蓝产量方面,60%BFG和60%BFA处理甘蓝平均单球物质量显著高于其他处理,CON处理甘蓝平均单球物质量显著低于其他处理,其余处理之间无显著差异。
从表 3可知,在田间试验中,60%BFA和100%BFA处理的土壤pH显著高于其他处理,60%BFA和100%BFA处理两者无显著差异;100%BFG和30%BFA处理次之,且两者无显著差异;CON、CF、30%BFG、60%BFG处理最低,处理间无显著差异。土壤含盐量在30%BFA处理最高,100%BFA处理最低,60%BFA和60%BFG处理较低,其他处理间无显著差异。在添加木霉T. arenarium 1A131生物有机肥的处理中,随着生物肥添加比例增加,土壤含盐量降低,有机质含量逐渐升高;添加木霉T. guizhouense NJAU 4742生物有机肥的处理中,土壤含盐量在60%BFG处理最低。与盆栽试验相同,施肥可增加土壤有机质含量,所有施肥处理土壤有机质含量显著高于不施肥对照CON处理,其中100%BFG处理最高,其他处理间无显著差异。CF处理的土壤铵态氮含量显著高于除30%BFG处理外的其他处理,铵态氮含量在100%BFG处理最低,其余处理无显著差异。100%BFA、60%BFG、100%BFG处理硝态氮含量明显低于其他处理,其中100%BFA处理最低。此外,相比于CON,施肥处理均显著提高了土壤有效磷和速效钾含量。其中,土壤有效磷含量在30%BFA处理最高,显著高于其他处理,其次是100%BFA处理,其余处理间无显著差异;土壤速效钾含量最高的处理为30%BFG。
图 3结果表明,所有施加生物有机肥处理甘蓝的根体积显著高于CON和CF处理,在木霉生物有机肥配施化肥的处理中,甘蓝的根体积、根尖数、根长在60%生物肥+40%化肥处理均最高。其中甘蓝根体积在60%BFG处理最高,其次为100%BFG、60%BFA、100%BFA处理,四个处理间无显著差异,且60%BFG处理显著高于30%BFG处理,30%BFG处理显著高于30%BFA处理。60%BFA处理甘蓝根尖数、根长显著高于其他处理。所有施肥处理的根系鲜物质量显著高于CON处理,同时,60%BFA和60%BFG处理根系鲜物质量显著高于其他处理,两者无显著差异。
为了探究田间土壤环境因素中影响甘蓝植株在盐土生长的主要因子,对上文得出的最优生物肥与化肥配比处理及对照处理的土壤理化性质数据和植株生长指标数据分别进行了主成分因子分析(PCA)(图 4)。由图 4a可以看出,在植株生长的各项指标中,第一个主成分(PC1)可显著地将CON和CF与60%BFG和60%BFA分开,其解释了56.7%的差异;第二个主成分(PC2)解释了12.5%的差异,这表明60%生物有机肥+40%化肥处理与CON、CF处理相比显著促进植株生长。图 4b则表明,60%BFG和60%BFA与CON、CF处理样本间聚类不分化,表明各处理间土壤理化指标的差异并不显著影响其生物效应。
在本实验室先前的研究中,从滨海盐土芦苇根际筛选出的滩涂木霉T. arenarium 1A131被证实在高盐浓度下(0.75%含盐量)仍能较好地促进番茄幼苗生长[17]。本研究中,将木霉T. arenarium 1A131与本实验室已实行商业化使用的生防促生菌株T. guizhouense NJAU 4742及工业模式菌株瑞氏木霉T. reesei 917进行耐盐能力比较,发现木霉T. arenarium 1A131、T. guizhouense NJAU 4742具有良好的耐盐能力(图 1)。基于该结果,本研究将木霉T. arenarium 1A131与木霉T. guizhouense NJAU 4742分别制成生物有机肥并与化肥按照不同比例配施,通过盆栽和田间试验进一步探究2株木霉菌在滨海盐土种植体系下对甘蓝的产量、结球品质、根系发育和土壤养分的作用效果。
3.2 不同比例木霉生物有机肥施用对盆栽甘蓝生长的影响盆栽试验表明,相比不施肥CON对照处理,木霉生物有机肥配施化肥处理均显著提高了甘蓝植株氮、磷、钾含量(表 1);这符合Cai等[18]对番茄的报道,其指出减施25%的化肥而配施以一定量的木霉生物有机肥可显著提高番茄苗期植株氮、磷的积累量。牛振明等[23]的研究显示,配施生物肥与单纯施用化肥相比,既可能增加也可能降低甘蓝叶球和功能叶钾的吸收量。此外,盆栽试验中,60%木霉生物有机肥配施40%化肥处理可显著提高甘蓝的地上部鲜物质量、SPAD值(表 1)。文平兰和黄敏[24]在小白菜上的研究结果也证明,生物有机肥可使叶菜叶绿素含量增高,提高叶菜的单株鲜物质量,进而提高产量。与CON、CF处理相比,60%木霉生物有机肥配施40%化肥处理显著增加了甘蓝的根长和根尖数(表 1)。徐子恒等[25]的研究结果也证明,施用生物菌肥可明显改善不同栽培条件下青钱柳根系构型和根系形态(包括根长、根尖数、根体积等),从而提高植株对土壤养分和水分的吸收能力。根系的生长发育情况直接决定根系吸收养分的效率和对逆境的适应能力[26]。因此,推测本研究中60%木霉生物有机肥处理可促进植株根系生长发育,对植物在盐土中抵抗盐胁迫起到至关重要的作用。田间试验中,根系结果与盆栽试验一致(图 3)。
3.3 不同比例木霉生物有机肥施用对田间甘蓝生长的影响田间试验中,60%的木霉生物有机肥配施40%的化肥处理,显著增强甘蓝植株的根系生长和养分吸收,从而获得较高的产量(图 2)。田家明等[27]证实,施用适量生物有机肥能够使盐碱地花生单株产量提高17.25%。本试验中,60%BFG和60%BFA处理相比不施肥CON对照处理,甘蓝的单株产量分别提高了376%、422%。而且,在田间试验中,一定范围内施用生物有机肥,可显著提高甘蓝的品质(图 2)。有研究[28-31]报道,生物有机肥不仅能够将土壤中难以被作物吸收的无效养分分解转化为易吸收的形态,提高养分供应速率,而且其本身具有长效、抗病、改良土壤和抗板结的多重作用,因而可有效提高农作物产量、改善产品品质。因此,本研究的盆栽和田间试验结果均有效验证了施加木霉生物有机肥在滨海盐土上的生物效应,其中60%生物有机肥配施40%化肥为最适配比。
3.4 土壤养分投入与甘蓝植株生长的关系土壤pH是反映土壤盐碱性的重要指标,pH的改变也会对土壤养分的释放、矿物质转化和土壤生物学性质产生很大的影响[8]。盆栽试验结果表明,60%生物肥配施40%化肥处理显著降低了土壤pH(表 2);田间试验结果也显示,土壤pH在60%BFG处理最低(表 3)。所有施肥处理土壤含盐量相对于不施肥对照均不同程度地增加了,其中,盆栽土壤含盐量最高的是60%BFG处理,其次为30%BFG处理(表 2)。这可能与60%的生物有机肥与40%的化肥配施有关,因为土壤盐分的来源除了土壤本身,则主要来自施入的生物有机肥和化肥,虽然各施肥处理的主要养分(氮、磷、钾)相等,但60%的生物有机肥与40%的化肥在一定程度上引入的盐分最多;而不同菌株在同一比例配施处理下土壤盐分的差异则可能与菌株自身的生理生态功能有关,本地筛选的耐盐菌株T. arenarium 1A131或许对盐分有一定转运作用,但这有待进一步研究。因此,在土壤含盐量方面,在不影响作物正常生长的情况下,应尽量减少盐土中肥料的施入,并因地调整生物有机肥和化肥配比。
崔士友和张蛟蛟[32]的报道表明,即使是小量的有机质含量增加也可对盐土的结构、通气性、透水保水性以及微生物及其酶活性产生重要而积极的影响。另有研究[33]表明,土壤有机质的增加可以增加土壤团聚体的数量。本研究中,盆栽和田间试验结果均表明,随着木霉生物有机肥添加比例的增加,土壤有机质含量明显增加(表 2,表 3),说明可通过提高生物有机肥比例提高土壤有机质含量,从而对盐土理化性质改良产生积极影响。然而,本研究盆栽结果显示有机质产生的积极效应并不呈线性规律,盐土中有效态氮的含量(主要包括铵态氮和硝态氮)不随有机肥施入量的增加而递增[34-35],这与土壤通气性质、微生物菌群组成及活性等诸多因素有关;盐土中有机物对铵-硝态氮转化的作用机制有待进一步研究。而由田间试验结果可知,30%BFA和30%BFG处理分别显著增加了土壤有效磷和速效钾含量(表 3)。因此,在土壤养分方面,30%或60%生物肥配施化肥处理对于滨海盐土土壤养分的活化作用最佳。结合上文对有机质组分的探讨,本研究认为60%生物有机肥的施入量最佳。
通过上述结果发现,与不施肥相比,生物有机肥与化肥配施增加了滨海盐土土壤养分,促进了植株生长;与等养分的100%化肥相比,同样是生物有机肥配施化肥改良盐土理化性质和促进甘蓝生长效果更好,说明养分并不是影响滨海盐土植株生长发育的唯一因素;而在不同比例的生物肥配施化肥处理中,60%生物肥配施40%化肥改良、促生效果最佳,其关键体现在该比例配施条件下根系生长发育最佳,这一比例的生物有机肥与化肥协同作用,对植株在滨海盐土中的立地扎根作用最显著。结合图 4的主成分分析结果,本研究认为,在滨海盐土种植体系中,相较于养分施入,功能菌木霉在生物有机肥的生物效应中发挥更为重要的作用。王福有等[11]也认为菌肥中的功能菌通过发挥自身生物潜力来改良滨海盐土质量的作用可以较养分载体本身更直接。
4 结论相对于单施化肥和不施肥对照处理及其他比例生物有机肥与化肥配施处理,60%的木霉生物有机肥与40%化肥配施为最优配比,该施肥模式可显著改善滨海盐土种植体系中甘蓝的立地条件,促进根系充分发育,从而提高甘蓝产量,改善品质;与肥料施入的养分相比,功能菌木霉在该生物效应中或许发挥更为重要的作用。
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