有機廢棄物對辣椒、番茄幼苗生長及根際微生物群落的影響

王 燦，解志強，孫 媛，趙強彪，朱德顏，毛振坤，彭翠仙*

（1.文山州農業科學院，云南文山 663000；2.文山州植保植檢站，云南文山 663000）

蔬菜是云南高原特色農業重點產業。其中辣椒（Capsicum annuumL.）、番茄（Lycopersicon esculentumMill.）已成為云南省主要的外銷亞熱帶果蔬作物之一。隨著產業化、機械化、規?；?、自動化程度的不斷提高，對育苗基質的需求量也急劇上升［1］。目前市場上普遍使用的育苗基質主要成分是草炭，但其資源有限、短期內不可再生，大量開發會導致生態環境惡化，且國內草炭品質參差不齊，影響育苗效果。為此，利用一些農業有機廢棄物，通過發酵腐熟、炭化、添加外源物等方式［2］，開發價格低廉的新型有機復合育苗基質代替草炭已成為當務之急和研發的熱點，具有重要的經濟和生態意義。農業生產過程中產生的有機廢棄物富含有機質、N、P、K 等營養元素［3］，通過堆肥發酵、炭化處理、添加外源物料等方式制成育苗基質，一方面育苗效果顯著，提高了農業廢棄物利用率，另一方面保護了生態環境。Yousry 等［4］研究發現，葡萄果實廢棄物堆肥發酵后與泥炭或蛭石1∶1 混合作為黃瓜育苗基質，可顯著提高種子萌發、幼苗成活率及質量，同時降低育苗成本，可用于園藝苗圃的商業化生產。Perez-Murcia 等［5］利用城市污泥替代草炭作為基質觀察對西蘭花生長的影響，結果表明城市污泥用量為30%時西蘭花生長最快。

辣椒、番茄主要采用育苗盤方式進行育苗，育苗基質是影響幼苗質量的主要因素，不僅為幼苗生長提供水分與養分，同時也起到對外界環境不利因素刺激的緩沖作用［6］。有研究表明,基質的理化性狀會影響微生物類群、數量、養分釋放量，進而影響植物對養分的利用情況［7-9］。王闖等［9］研究表明，椰糠+菇渣+珍珠巖制成育苗基質明顯促進番茄植株生長，其產量、光合特性、根呼吸和微生物含量都顯著高于對照（草炭）。宋佳澤［10］通過將不同處理的秸稈用于黃瓜種植，結果發現各處理均在一定程度上促進了根際土壤中酶活性和芽單胞菌科、鞘脂單胞菌科等土壤微生物生長繁殖，進而提高土壤養分，促進黃瓜生長發育。張凱歌等［11］發現，檸條堆肥結合適度深翻有效促進了土壤細菌群落的多樣性，提高功能基因豐度與6 大碳源利用水平。

大量研究表明，有機廢棄物基質對植物幼苗生長有顯著促進作用，但對辣椒、番茄幼苗根際微生物群落結構的影響鮮有報道。因此，本研究采用16S/ITS rDNA 對成苗期的辣椒、番茄根際微生物進行擴增子測序，旨在探究有機廢棄物基質對辣椒、番茄幼苗根際微生物群落結構的影響，為利用有機廢棄物作為育苗基質提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 供試材料

辣椒品種為‘京滇皺皮椒’，購買于云南京滇種業有限公司。番茄品種為‘305’，由云南農業大學滇臺特色農業產業化工程研究中心提供。

有機廢棄物育苗基質主要材料包括稻殼生物炭、發酵茶渣等，為上一階段試驗篩選得出的最佳配比［12］。商品育苗基質為‘綠成豐’牌，由連云港恒奧達肥料科技有限公司生產，主要成分為草炭土、蘑菇渣、珍珠巖、礦石、豆粕渣?；|理化性狀由試驗前期完成測定（表1、表2）。

表1 基質物理性狀

表2 基質化學性狀

1.2 方法

試驗于2021 年4 月—2021 年12 月在文山州農業科學院進行，共設2 個處理，A 處理為有機廢棄物育苗基質，CK 處理為商品育苗基質。

將發芽整齊一致的辣椒、番茄種子播種于每盤36 孔的育苗盤中，每盤為一次重復，每個處理各3 次重復。苗齡65 d 時，采用5 點取樣法選取整齊一致的植株整株，拔出并抖落附著的土壤基質，用無菌刷刷取粘附在根表面的土壤基質混合于50 mL 無菌離心管中，迅速置于干冰中保存運輸，后置于-80 ℃冰箱保存備用，同時收集抖落土壤用于檢測理化性質；將植株保存于4 ℃用于生化檢測。

植株干重用分析天平測量，株高和莖粗用刻度尺、游標卡尺測量。葉綠素采用紫外分光光度法測定［12］，根系活力采用TTC 法測定［13］，可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定［14］，蛋白質含量采用考馬斯亮藍G-520 染色法測定［15］。

生長函數（mg/d）=全株干重/苗齡

壯苗指數=（地下部分干重/地上部分干重＋莖粗/株高）×全株干重

秧苗根際微生物DNA 提取均使用HiPure Soil DNA Kit 核酸提取試劑盒，使用Qubit? dsDNA HS Assay Kit 檢測DNA 濃度。由GENEWIZ，Inc（South Plainfield, NJ）公司完成二代測序文庫構建和測序。16S rDNA 上V3 及V4 區 引物 系列 如下：F：5’-CCTACGGRRBGCASCAGKVRVGAAT-3’；R：5’-GGACTACNVGGGTWTCTAATCC-3’。ITS rDNA 上的ITS2 可變區 引物如下：F：5’-GTGAATCATCGARTC-3’；R：5’- TCCTCCGCTTATTGAT-3’。通過Illumina MiSeq 進行雙端測序。

1.3 數據統計與處理

數據差異顯著性分析使用DPS 7.05（Duncan新復極差法，P＜0.05）。測序數據質量優化使用Cutadapt 1.9.1、Vsearch 1.9.6、Qiime 1.9.1。

2 結果與分析

2.1 對幼苗生長代謝的影響

不同處理下辣椒、番茄的株高、莖粗無顯著差異（表3），在干重、生長函數、壯苗指數方面，A 處理顯著高于CK。在生化指標上（表4），辣椒中A處理葉綠素含量、根系活力顯著高于CK，可溶性蛋白和可溶性糖含量則無顯著差異；番茄中A 處理葉綠素、可溶性蛋白、可溶性糖含量、根系活力均顯著高于CK。

表3 不同處理對幼苗生長的影響

表4 不同處理對幼苗生化指標的影響

2.2 根際微生物群落組成

試驗共收集4 個樣本，質控后依據97 %相似性聚類獲得269 個細菌OTUs、142 個真菌OTUs（不同樣本取并集所得）。A 處理下辣椒、番茄根際土壤 細 菌OTU 個 數 分 別 為186、219，CK 則 分 別 為247、227（圖1a）。A 處理辣椒、番茄根際土壤真菌OTU 個數分別為71、77，CK 則分別為97、126（圖1b）。A 處理作物根際土壤細菌和真菌OTU 數均低于CK。

圖1 根際微生物OTU花瓣圖

土壤細菌門水平組成如圖2a 所示，4 個土壤樣本共得到9 個類群，相對豐度從大到小依次為變形菌門（Proteobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）、放線菌門（Actinobacteria）、藍細菌門（Cyanobacteria）、Patescibacteria、酸桿菌門（Acidobacteria）、厚壁菌門（Firmicutes）、芽單胞菌門（Gemmatimonadetes）、綠彎菌門（Chloroflexi）。A 處理辣椒和番茄根際土壤中酸桿菌門占比分別是5.97%和8.27%，低于CK（10.48%、21.92%），芽單胞菌門、綠彎菌門、Patescibacteria、藍細菌門占比也均低于CK。但A 處理下辣椒、番茄根際土壤中厚壁菌門分 別 為 2.21% 和 3.93% ，高 于 CK（1.24% 和0.59%）。土壤細菌屬水平下（Top15），黃桿菌屬（Flavobacterium）、假單胞菌屬（Pseudomonas）、Devosia為主要細菌屬，且A 處理以上細菌屬相對豐度均高于CK（圖2b）。真菌門水平下，除A 處理辣椒樣本外，其余樣本物種數目均為4，主要菌群為子囊菌門（Ascomycota）和擔子菌門（Basidiomycota）。A 處理辣椒、番茄根際土壤中擔子菌門相對豐度分別為26.43%和20.52%，高于CK（1.67%和1.61%，圖2c）。屬 水 平 下（Top15），毛 孢 子 菌（Trichosporon）、Aspergillus、Graphium為主要菌屬，且A 處理以上真菌屬相對豐度均高于CK（圖2d）。

圖2 根際土壤細菌、真菌門水平與屬水平群落組成

2.3 根際微生物群落多樣性分析

根據表5 可知，辣椒A 處理根際土壤細菌豐富度指數Ace 和Chaol（200.66 和197.04）顯著低于CK（254.26 和253.38），多 樣 性 指 數Shannon 和Simpson（5.03 和0.98）同 樣 顯 著 低 于CK（6.83 和1.10）；真菌情況與細菌相似，A 處理根際土壤真菌豐富度指數和多樣性指數均顯著低于CK 處理。A 處理番茄根際土壤細菌豐富度指數和多樣性指數均低于CK，但兩者間無顯著差異；真菌豐富度指數和多樣性指數則顯著低于CK。表明A處理顯著降低了辣椒根際土壤細菌、真菌群落的豐富度和多樣性，對番茄根際細菌群落多樣性無顯著影響，但顯著影響真菌群落多樣性。

主坐標分析中，樣本點距離的遠近代表了樣本中微生物群落的相似性，距離越近，相似度越高；聚集在一起的樣本由相似的微生物群落構成。如圖3a，在細菌中第一主坐標揭示了樣本間72.26%的差異并將A 處理和CK 處理區分開，第二主坐標揭示了樣本18.12 %的差異。真菌中（圖3b）第一主坐標揭示了樣本間61.5%的差異并將A處理和CK 處理區分開，第二主坐標揭示了樣本35.33%的差異。

圖3 根際微生物PCoA分析

2.4 微生物群落與基質性狀相關性分析

冗余分析中選擇基質土壤相關理化性狀與屬水平下豐度前10 的微生物進行分析。根據圖4a，持水孔隙度、通氣孔隙度、速效P、速效K、pH 及腐殖質均對A 處理辣椒、番茄的根際細菌群落結構產生顯著影響，是導致細菌群落組成改變的影響因子。而速效P、速效K、pH 及有機質對A 處理真菌群落結構組成有顯著影響（圖4b）。

圖4 細菌（a）、真菌（b）與土壤理化性質的冗余分析

土壤細菌群落與理化性質的Spearman 分析中（圖5a），A 處理優勢菌厚壁菌門相對豐度與pH值、有機質、速效K 含量顯著正相關，與速效N 含量顯著負相關（P＜0.05）。而CK 處理中的優勢菌酸桿菌門、芽單胞菌門、綠彎菌門則正好相反。酸桿菌門相對豐度與pH 值、有機質、速效K 含量顯著負相關；芽單胞菌門相對豐度與pH 值、有機質、通氣孔隙度顯著負相關，與速效N 含量顯著正相關；綠彎菌門豐度與pH 值、有機質顯著負相關，與EC 值、速效N 顯著正相關（P＜0.05）。在土壤真菌與理化性質的相關性分析中（圖5b），A 處理的優勢菌擔子菌門相對豐度與pH 值、通氣孔隙度、有機質、速效K 含量顯著正相關，與EC 值、速效N 含量顯著負相關（P＜0.05）。

圖5 細菌（a）、真菌（b）與土壤理化性質的Spearman分析

3 討論

本試驗發現，與傳統的商業育苗基質相比，有機廢棄物基質處理并未降低辣椒和番茄的生長質量，反而提高了葉綠素含量、根系活力等指標。表明有機廢棄物基質具有與商品基質同樣育苗效果的潛力，這與前人研究結果一致［16］。通過16S/ITS rDNA 擴增子測序進一步對兩者間根際微生物群落結構進行分析，發現A 處理辣椒、番茄根際土壤細菌和真菌的OTU 數均低于CK，表明A 處理降低了根際微生物的OTU 個數。在A 處理下辣椒和番茄根際土壤中酸桿菌門、芽單胞菌門、綠彎菌門、Patescibacteria 和藍細菌門的相對豐度均低于CK，但厚壁菌門的相對豐度則高于CK。真菌中主要菌群為子囊菌門和擔子菌門，且A 處理辣椒、番茄根際土壤中擔子菌門相對豐度顯著高于CK。表明有機廢棄物基質處理改變了根際微生物群落結構，使辣椒和番茄根際中厚壁菌門、黃桿菌屬、假單胞菌屬和Devosia、毛孢子菌、Aspergillus、Graphium等顯著富集。這可能是廢棄物基質中添加有生物炭，而研究表明生物炭可直接（提供易分解的有機碳和營養元素）或間接（改變土壤基質物理性質增加孔隙度等）影響微生物群落［17-18］，同時基質中的茶渣含有豐富的有機質和腐殖質，也為微生物的繁殖提供了營養物質。厚壁菌門中的許多成員都是植物益生菌，具有固氮和纖維素降解作用，能夠分解相關營養物質供作物生長利用，從而促進作物生長［20］。

α 多樣性指數中，Ace 和Chao1 反映菌群豐富度，數值越小表明豐富度越低，Shannon、Simpson反映菌群多樣性，其數值越小表明群落多樣性越低。A 處理顯著降低了辣椒根際細菌、真菌多樣性與豐富度，顯著降低番茄根際真菌群落多樣性，對番茄根際細菌豐富度無顯著影響。廢棄物基質中添加了適量殼聚糖，研究表明殼聚糖可顯著降低環境中微生物群落豐富度及多樣性［19］。董春娟等［19］分析認為，殼聚糖可促進某些可分解利用殼聚糖的微生物繁衍，抑制其它微生物生長，導致相關微生物富集。主坐標分析表明，不同處理下的辣椒、番茄根際微生物群落結構差異較大，A 處理下辣椒和番茄幼苗間根際細菌、真菌群落結構差異較小，CK 處理下辣椒、番茄細菌、真菌群落結構差異均較大。表明農業廢棄物基質定向改變了辣椒、番茄根際土壤細菌、真菌群落結構。

冗余分析和Spearman 分析表明有機質含量、孔隙度等是改變微生物群落豐度的主要因素。土壤基質不僅為幼苗生長提供水分與養分，同時也為微生物生長與繁殖提供適宜的環境，其物理化學性質影響了基質中微生物群落組成［21］。進一步說明了農業廢棄物有機質含量、孔隙度等對根際微生物群落結構有一定影響。向羽等［22］研究表明，向種植土壤中添加腐熟菜籽餅肥可顯著促進煙株生長，提高烤煙根際土壤微生物對氨基酸、聚類化合物碳源的利用能力，其根際微生物代謝功能及多樣性指數顯著高于對照。農業有機廢棄物中含有豐富的營養物質，如有機酸，氨基酸、糖類等其它的大分子有機化合物，對土壤微生物群落組成、功能和碳源利用效率均有顯著影響［23-25］，同時有機廢棄物增加了土壤孔隙度，為好氧微生物提高了良好生存環境。Dombrowski等［26］研究多年生黃花亭薺在自然和控制條件下根際細菌群落組成，發現土壤性質能夠解釋根內細菌15%的群落變異性，而環境條件和植物基因型最多解釋了11%的群落變異性，且土壤類型對根內細菌門分類水平上的影響更加顯著。因此，可以通過調控作物根際生長環境，定向改變其根際微生物群落，抑制某些有害微生物，讓相關有益微生物富集，從而促進作物生長。

4 結論

本研究結果表明，在相同基質土壤環境中，同科不同屬（辣椒屬、番茄屬）的作物幼苗根際微生物群落結構存在一定差異，但有機廢棄物基質可通過改變環境因子如增加適量有機質含量和孔隙度等來調控它們之間的差異，達到定向改變微生物群落，促進有益微生物富集，進而協助作物生長或抑制相關病原微生物。這為有機廢棄物作為育苗基質的應用提供了新的見解。