唐曉斐,李 偉,李玉成,李永慧

(1.安徽大學資源與環(huán)境工程學院,合肥 230601;2.中國科學院合肥智慧農業(yè)協(xié)同創(chuàng)新研究院,合肥 230601)

【研究意義】設施栽培逐漸成為我國番茄的主要種植模式,但因溫室大棚冬季低溫弱光、夏季高溫強光、連作障礙等問題,番茄栽培難度大[1]。達到增產提質的目的,除培育高質量品種外,改進設施栽培條件也是關鍵技術之一。芽孢桿菌屬(Bacillus)是一類應用廣泛的植物病害生防細菌[2],其中巨大芽孢桿菌(Bacillusmegaterium)是一種具有促進植物生長、解磷、抑菌和抗逆等多種功能的有益菌[3],是微生物肥料中常用的菌種之一?？莶菅挎邨U菌通常存在于土壤、腐敗物中,能夠分泌枯草菌素、蛋白酶、制霉菌素、纖維素酶等多種酶類和活性物質[4],這些物質在植物生長過程中,一方面能夠誘導產生有利于提高植物免疫力的抗病因子,對致病菌或內源性感染的條件致病菌均有顯著的抑制作用,另一方面對增加土壤養(yǎng)分含量、調節(jié)和促進植物生長發(fā)育具有一定的影響[5-7]。固氮菌除了利用固氮酶進行生物固氮,還具有促生功能,可分泌有機酸提高土壤養(yǎng)分的有效性;可產生植物激素促進植物根系發(fā)育,提高根系對養(yǎng)分的吸收利用;可產生拮抗病原菌,提高作物抗病能力等[8-9]?！厩叭搜芯窟M展】在作物促生防病研究中,在土壤中添加外源菌已經成為一種常見且有效的方法。Ji等[10]報道巨大芽孢桿菌L2粗提物對番茄青枯雷爾氏菌(Ralstoniasolanacearum)有抑制作用;趙英男[11]研究表明巨大芽孢桿菌在黃瓜生長過程中可產生促生物質直接促進黃瓜生長并能有效調控黃瓜根系內源植物激素水平。吉婕莉等[12]研究發(fā)現(xiàn)接種枯草芽孢桿有助于沼渣礦化、腐殖化及提高腐熟程度;武菊平等[13]明確了生物炭負載枯草芽孢桿菌對開花期的辣椒有明顯的促生作用,同時能夠改善根際土壤微生態(tài)環(huán)境,有效緩解辣椒連作的土壤障礙。張瑞楠[14]通過固氮菌和氮肥配施,發(fā)現(xiàn)接種固氮菌能夠有效提高甘蔗光合效率、產量和品質;楊振宇等[15]在黃芪播種前拌入固氮菌劑,發(fā)現(xiàn)菌劑拌種不僅能促進黃芪生長和藥效成分含量累積,還能改善土壤養(yǎng)分和土壤酶活性。【本研究切入點】近年來已有大量關于單一菌劑或混合菌劑對作物產量、品質影響的研究,但對枯草芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌和固氮菌的混合研究報道較少。【擬解決的關鍵問題】選取3個不同菌種(枯草芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌、固氮菌)及其混合菌,探討單一菌種和混合菌配合基質配方對提高番茄、圣女果產量和品質的影響,以期為提高設施農業(yè)番茄產量、品質及防治土傳病害生物提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

“皖雜20”番茄和“金瑩”圣女果由安徽省農科院提供,泥炭土、椰糠購于合肥蕓林生態(tài)農業(yè)科技有限公司,蚯蚓糞、稻殼、菜籽餅均購于合肥誠匯生態(tài)農業(yè)有限公司。供試菌劑為北海業(yè)盛旺生物科技有限公司的巨大芽孢桿菌,山東秀邦生物科技有限公司的枯草芽孢桿菌,南京賽爾特生物技術有限公司的圓褐固氮菌。

1.2 試驗方法

試驗在安徽省合肥市長豐縣中科智慧農業(yè)協(xié)同創(chuàng)新研究院(117°27′ E,31°96′ N)進行。試驗前期按v(羊糞)∶v(稻殼)∶v(菜籽餅)=20∶13∶7進行好氧堆肥,分成4堆,每堆分別加入同堆體質量1%的枯草芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌、固氮菌、混合菌。保持堆體含水率60%,pH 7～8,堆肥時間40～50 d,堆置期間每天16:00測定堆體溫度,觀察腐熟程度。

腐熟完成后,根據基質的保水性能、透氣性能、養(yǎng)分含量和生物活性等特性,將有機肥混合泥炭土、椰糠、蚯蚓糞等材料制備成番茄種植基質,試驗設置2個配方(S和F配方),每個配方各4個處理組(S1～S4、F1～F4),共8個基質處理組(表1),由于試驗空間限制,根據基質營養(yǎng)情況擇優(yōu)挑選S1、S4、F1、F4組進行種植試驗,空白對照組為有機肥不加菌劑配成的2種基質,即CK1(S配方對照組)、CK2(F配方對照組)?；|pH范圍在6～7,EC為0.8～1.1 mS/m。種植時選用基質專用長形塑料袋,裝入基質后封口,每個處理組置于1行高架上,每行各有1/2數量的基質袋種植番茄,1/2種植圣女果,每袋基質栽3株,株距為25 cm。種植期間使用邁普潤的微、中量元素水溶肥和有機水溶肥,統(tǒng)一進行常規(guī)水肥管理,植株生長期觀察和記錄番茄、圣女果生長狀況以及病蟲害情況。另外,在番茄、圣女果生長期噴施葉面硒肥3次,每次間隔1周,以此來提高番茄和圣女果的營養(yǎng)價值。

表1 不同基質(體積比)配比處理

1.3 測定項目與方法

1.3.1 基質理化性質測定 采用凱氏自動定氮儀測定全氮;采用堿解擴散法測定水解性氮(堿解氮);采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定有機質;采用鉬銻抗比色法測定有效磷;采用乙酸銨浸提法測定速效鉀;采用硝酸煮沸法測定緩效鉀;采用原子吸收分光光度法測定有效態(tài)銅、鋅、鐵和錳;利用極譜儀測定有效鉬;采用甲亞胺-H比色法測定有效硼。

1.3.2 基質酶活性測定 過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法測定;脲酶采用靛酚藍比色法測定。

1.3.3 死苗率及病蟲害統(tǒng)計 調查番茄、圣女果定植后死亡株數,計算死苗率;統(tǒng)計果實發(fā)病情況,計算發(fā)病率。

死苗率=死苗數/定植總數×100%

發(fā)病率=(發(fā)病果實數×平均單果重量)/平均總產量×100%

式中,圣女果單果重量為10～50 g,取其平均值30 g進行計算。

1.3.4 果實產量和品質測定 果實成熟后采收成熟度一致的番茄、圣女果,每隔2～3 d采收1次,每次采收測定產量;選取盛果期果實進行品質測定,番茄紅素采用高效液相色譜法測定;維生素C含量采用2,6-二氯靛酚滴定法測定;葉黃素采用GB 5009.248—2016法測定;β-胡蘿卜素采用GB 5009.83—2016法測定;可溶性糖用Atago PAL-2便攜式折射儀測定;可滴定酸采用氫氧化鈉滴定法測定;硒含量根據HNO3-HClO4消解后用ICP-MS測定。

1.3.5 數據處理與分析 試驗數據采用Excel 2016進行處理,利用SPSS 25.0比較差異顯著性,并進行主成分分析,建立綜合評價關系式,利用Origin 2022進行圖形繪制。

2 結果與分析

2.1 不同處理對堆肥溫度、養(yǎng)分的影響

2.1.1 不同處理對堆肥溫度的影響 由圖1可知,在整個堆肥過程中,各處理堆體溫度變化趨勢基本一致,呈先上升后下降。所有堆體在堆肥第2天快速升溫至65 ℃以上,達到峰值后大幅度降溫,這是隨著環(huán)境溫度變化的結果,堆肥第8天環(huán)境溫度和堆肥溫度達到最低值,環(huán)境溫度大約為7 ℃,堆體溫度在20～25 ℃;在堆肥第12～15天分別達到另一個峰值,其中枯草芽孢桿菌添加組溫度最高(65.6 ℃),巨大芽孢桿菌組(46.3 ℃)較其他組最低。

圖1 不同菌劑堆肥溫度變化Fig.1 Temperature changes in composting with different bacterial agents

2.1.2 不同處理組對基質養(yǎng)分的影響 由圖2-a可知,S1組的全氮含量最高,且S組整體高于F組;S1、S2、F3、F4組有機質含量較高,且S1>S2>F3>F4,與其它各組均具有顯著差異(P<0.05)。如圖2-b所示,除S4組外,S組中有效磷含量遠高于F組,8個處理組有效磷含量分別相對于CK1、CK2均有不同程度的提高,S1、S2、S3和S4組相對于CK1分別提高136.11%、122.27%、121.39%、7.33%,F1、F2、F3、F4組相對于CK2分別提高55.64%、60.43%、35.96%和60.00%,F3組的水解性氮含量最高,且顯著高于其它處理組(P<0.05)。如圖2-c所示,F1、F2、F4組速效鉀含量顯著高于其它組,其中F2>F1>F4,且3組之間具有顯著差異;相比于速效鉀,S組的緩效鉀含量高于F組,其中S1、S3組遠高于其它組,有利于農作物生長發(fā)育過程中鉀元素的供給。如圖2-d所示,F組銅、鋅含量更高,整體高于S組,但組內差異不顯著。S3、F1、F2和F4組中微量元素鐵、錳含量在8個處理組中較低,與其余4個處理組差異顯著,其中F2組含量最低,與CK2無顯著差異。硼元素中S2組含量高于其它組,S3、S4組之間差異不顯著,F1、F2組硼元素含量最低,F2組與其空白對照組CK2無顯著差異。

不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05),下同。Different lowercase letters indicate significant differences between different treatments (P<0.05). The same as below.

2.1.3 不同處理對基質酶活性的影響 由圖3可知,各處理組過氧化氫酶在4.0～5.2 mL/g,S1、F4組活性較高,與其他兩組具有顯著差異(P<0.05)。S1、S4組較CK1分別提高23.13%和13.38%,F1、F4組較CK2分別提高10.42%和25.19%,F4組過氧化氫酶活性增加幅度更大,其次為S1組。F4組的脲酶活性最高,其次為F1組,整體排序為F4>F1>S4>S1,S4、F1、F4組之間無顯著差異,S1、S4、F1和F4組與CK1、CK2相比,酶活性均有不同程度的提高。

圖3 種植試驗處理組土壤酶活性Fig.3 Soil enzyme activity in the planting experiment treatment group

2.2 不同處理對番茄、圣女果病害的影響

2.2.1 不同處理對番茄青枯病的影響 青枯病多發(fā)生在番茄植株中,第一株發(fā)病時間在6月4日,發(fā)病表現(xiàn)為維管束變褐腐爛,莖、葉因缺乏水分的正常供應而產生萎蔫,由于青枯病具有傳染性,發(fā)現(xiàn)S1組中的第1株病株后及時清理,然而相鄰植株在后續(xù)成為第2株病株,發(fā)病時間有先后。整個試驗定植數共159株,死苗數5株,平均死苗率為3.14%,S組死苗率略高于F組。

2.2.2 不同處理對圣女果臍腐病的影響 臍腐病發(fā)生于圣女果果實居多,S、F組兩配方均有發(fā)現(xiàn)臍腐病,且發(fā)病較為嚴重,每株皆有發(fā)病果實,特別是在6月初,發(fā)病率急劇增加。由表2可知,F組發(fā)病果實顯著高于S組,各處理組均有顯著差異(P<0.05)。其中,F1組圣女果發(fā)病果實最多,S1組發(fā)病果實最少。F配方發(fā)病率整體均高于S配方,其中F1組發(fā)病率較S1、S4組分別增加15.94%、11.61%,F4組發(fā)病率較S1、S4組分別增加12.63%、8.30%。S組處理中,S4組(混合菌)發(fā)病率較高,S1組(枯草芽孢桿菌)最低。可見,在兩配方中,S組配方能有效降低臍腐病的發(fā)病率,其中枯草芽孢桿菌效果最佳。

表2 不同處理番茄青枯病、圣女果臍腐病的發(fā)病率

2.3 不同處理對番茄、圣女果產量和品質的影響

2.3.1 不同處理對產量的影響 番茄單果重量在0.10～0.25 kg,圣女果單果重量為0.01～0.05 kg。S組的西紅柿產量達63.11 kg,F組達60.92 kg,S組西紅柿產量較F組增加3.47%。S4處理組番茄產量為所有處理組中最高,較S1產量大幅度提升,顯著增加44.98%(P<0.05)。表明S4更適合番茄種植和生長。

F組圣女果產量高于S組,兩者具有顯著性差異(P<0.05),S組圣女果產量為34.62 kg,F組為41.72 kg,F組較S組產量增加17.02%,兩配方組間差異不顯著。試驗表明,F配方能有效提高番茄和圣女果的產量,但單一菌和混合菌效果不顯著(圖4)。

圖4 不同處理對番茄、圣女果產量的影響Fig.4 Effect of different treatment on the yield of tomato and cherry tomato

2.3.2 不同處理對品質的影響 由表3可知,作物營養(yǎng)品質指標含量的高低與基質中含有不同菌劑有關。S4和F4組的番茄紅素含量較高,F1組遠低于其它3組,S1、S4、F4組比F1組分別高51.05%、60.69%、57.46%,各組均差異顯著(P<0.05,下同),因而混合菌更適合番茄紅素的積累。番茄和圣女果維生素C、總硒含量屬F4組最高,其次為S1組,最低為S2組。混合菌組總硒含量較高,并與其他各組具有顯著差異。各處理組中番茄葉黃素含量均具有顯著差異,而圣女果中S4、F4組差異不顯著。S4組番茄中胡蘿卜素含量最高,整體優(yōu)于F組,但在圣女果中截然相反,F1、F4組高于S組且與S組具有顯著差異;同時,F組的番茄可溶性糖含量更高,整體優(yōu)于S組,而S組的圣女果可溶性糖含量整體優(yōu)于F組。F4的番茄可滴定酸含量較高,與其它3組有顯著差異,但3組間差異不顯著。

表3 不同處理組中番茄、圣女果品質指標情況

2.3.3 果實品質主成分分析 為消除由于量綱不同可能引起的影響,對原始數據進行標準化處理,繼而進行主成分分析[16-18]。按照特征值大于1的原則,從7項品質指標中提取出2個番茄主成分和3個圣女果主成分,由表4可知,主成分1、2、3、4、5的方差貢獻率分別為56.496%、30.488%、49.172%、33.221%、17.607%,累計方差貢獻率分別為86.984%和100%,因此選擇主成分1、2作為番茄的品質綜合評價指標,主成分3、4、5為圣女果的品質綜合評價指標。

表4 果實品質指標主成分的特征值、方差貢獻累率和累計貢獻率

2.3.4 基于主成分分析的果實品質綜合評價 為了更加清晰直觀地表達出各主成分與其相關性品質指標的關系,利用相關性較高的品質指標建立品質評價的線性關系式,其中F1、F2、F3、F4和F5表示5個主成分的得分值,F值越大,則果實品質越好。

F1=0.243X1+0.485X2+0.051X3+0.219X4+0.497X5+0.436X6+0.467X7

(1)

F2=0.597X1-0.062X2+0.657X3+0.320X4-0.092X5-0.297X6-0.093X7

(2)

F3=-0.570X1+0.570X2+0.500X3+0.114X4+0.040X5+0.291X6

(3)

F4=0.133X1-0.142X2+0.008X3+0.691X4+0.676X5+0.163X6

(4)

F5=-0.059X1-0.037X2-0.497X3+0.093X4-0.280X5+0.812X6

(5)

將得分值與方差貢獻率的加權平均值做內積,得到函數表達式F番=0.649F1+0.351F2,F圣=0.492F3+0.332F4+0.176F5。根據各式計算結果得到綜合得分值和排序(表5)。結果表明混合菌組(S4、F4)得分排序均為第1,果實品質更優(yōu)。

表5 標準化后主成分綜合得分

3 討 論

3.1 不同菌劑對堆肥溫度、養(yǎng)分的影響

溫度是堆肥過程中一項重要的檢測指標,較高的溫度利于堆肥原料腐熟。在堆肥初期各處理組均快速升溫,混合菌溫度稍高于其他組,而后隨環(huán)境溫度變化溫度大幅度下降,之后由于環(huán)境溫度上升以及進行一次翻堆后堆肥溫度再達到第2個高峰,此時枯草芽孢桿菌組溫度最高,混合菌較低,有可能因為多種菌種存在拮抗作用,導致效果低于單一菌種。S1、F4組全氮、有機質、有效磷含量較CK1、CK2組均有大幅度的提升,F組整體速效鉀含量大于S組,且F1>F4,說明F配方中能被作物直接吸收利用的鉀含量更高,枯草芽孢桿菌相對混合菌來說,效果更佳;而緩效鉀含量則S組整體大于F組,說明S配方中基質供鉀潛力更強,能在作物生長過程中實現(xiàn)長期緩慢供給鉀元素,加入相同菌劑,基質配比不同,也會由于基質的性能產生不同影響。已有許多研究表明[19-21],枯草芽孢桿菌具有促進木質素降解的功能,且與其它芽孢桿菌混合也具有明顯的組合優(yōu)勢[22]。聶文翰等[23]研究表明,施用復合菌劑堆肥能顯著提高土壤養(yǎng)分含量,活躍土壤酶活和改善微生物群落結構。

3.2 不同菌劑對基質酶活性的影響

過氧化氫酶是表示基質腐殖化強度的指標,反映土壤中氧化還原反應的強弱,參與土壤N素與P素循環(huán),而脲酶能反映基質氮素供應強度,直接參與基質中氮素的轉化,使有機氮快速轉化為有效氮[24]。本研究結果得出2個優(yōu)勢組合(S4、F4),其中F4組過氧化氫酶活性提高率略大于S4組,則腐殖化程度略高,但二者無顯著性差異;S4、F4組的脲酶活性顯著高于其余各組(除F1組外),氮素供應能力更強。有機菌肥因其本身含有效菌,混合配成基質后在適宜的環(huán)境條件下,有效菌進行繁殖,改變了基質的微生物數量及活性,對基質養(yǎng)分、酶活都會產生一定的影響[25]。本研究發(fā)現(xiàn),加入不同的菌種,酶活性變化程度也不同,復合菌劑提高酶活效果要優(yōu)于單一菌種。

3.3 不同處理對番茄、圣女果病害的影響

番茄青枯病多由青枯勞爾氏菌引起,其對番茄破壞性高,會導致植株大面積枯萎死亡[26]。芽孢桿菌具有極強的抵抗外界有害因子的能力[27-29],李廣等[30]研究表明,枯草芽孢桿菌具有抑制辣椒軟腐病病原菌生長的能力;鐘澤翔等[31]篩選出26株芽孢桿菌菌株,其中有5株枯草芽孢桿菌,對黃瓜抑菌率大于70%;崔杰等[32]從番茄根際土壤中分離出貝萊斯芽孢桿菌,對番茄果實灰霉病病原菌具有顯著的拮抗作用。本研究發(fā)現(xiàn),混合菌組發(fā)病率略低于枯草芽孢桿菌組,混合菌中有枯草芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌和固氮菌,表明這3種菌混合的抗病能力大于單一菌種。

圣女果臍腐病是植株生長發(fā)育過程中得不到足夠的鈣,導致臍部周圍細胞生理紊亂而引起的[33],土壤干旱、空氣濕度低或者不穩(wěn)定、施肥不妥善也可能是臍腐病發(fā)病的原因[34]。根據試驗結果來看,兩配方組內發(fā)病果實數相差不大,枯草芽孢桿菌和混合菌對臍腐病的防治效果不大,但S組較F組發(fā)病果實少,可能是基質配方中的泥炭土具有透氣保水的功能,S配方中的泥炭土比例更高,更有利于圣女果健康生長,減少了臍腐病的發(fā)生。

3.4 不同處理對番茄、圣女果產量和品質的影響

S組產量較F組增加3.47%,差異不大,其中S4(混合菌)處理組番茄產量為所有處理組中最高,較S1組(枯草芽孢桿菌)產量顯著增加44.98%,說明S配方中添加混合菌對番茄有顯著的增產作用,大于菌劑的單一作用。圣女果產量F配方高于S配方,增幅為17.02%,F配方中用蚯蚓糞取代部分泥炭土和椰糠,而蚯蚓糞具有養(yǎng)分吸持能力強,給植物生長提供所需的營養(yǎng)物質和大量有機質等作用,同時改良土壤微生物環(huán)境[35]。蔣洪麗等[36]研究也表明蚯蚓糞有機肥袋料栽培能夠提高番茄產量、改善果實品質。

番茄品質是衡量果實營養(yǎng)價值和商品性狀的綜合標準,也是直接影響消費者對果實整體感官及購買力的因素,其中可溶性糖含量是影響果實口感品質的重要指標。由本研究結果可知,混合菌有利于番茄紅素累積,提高維生素C和可溶性糖含量,提高果實外觀和口感,這與秦立金等[37]研究相符;胡開明等[38]研究表明,種植番茄時增施微生物菌劑具有促進番茄生長和改善品質的作用。綜上所述,無論是番茄還是圣女果,混合菌組主成分綜合評價最高,表明混合菌較于枯草芽孢桿菌更適合番茄和圣女果生長發(fā)育,有利于改善果實品質。

4 結 論

F配方中混合菌組[v(泥炭土)∶v(蚯蚓糞)∶v(椰糠)∶v(有機肥)=4∶3∶1∶2]更適合番茄種植,S配方混合菌組[v(泥炭土)∶v(椰糠)∶v(有機肥)=6∶2∶2]更適合圣女果種植。混合菌肥含有多種微生物,有助于提高基質促生抗病能力,有助于改善基質微生物環(huán)境,提高基質中養(yǎng)分含量進而提高番茄的產量和品質。