微生物菌肥對茄子生長發育及土壤環境的影響

宋嘉欣，石文昕，劉世輝，王夢怡

（天津農學院 園藝園林學院，天津 300392）

茄子（Solanum melongenaL.），為茄科茄屬植物，原產于亞熱帶地區，在全世界均有分布，我國栽培歷史悠久，一般被認為是茄子的第二起源地。茄子具有適應性強、易于種植、生長周期長、高產等特點，成為我國夏秋季的主要蔬菜之一[1]。由于茄子種植管理較粗放，化肥使用量較多，易造成土壤理化性狀下降，肥料利用率降低，土壤有益微生物種群減少且活性降低，土傳性病害增加，嚴重影響了其產量和品質。

微生物菌肥作為一種新型的生物肥料，可以提高土壤中有益微生物的數量及活性，并利用微生物的新陳代謝作用為農作物供給營養，具有提高土壤肥力，改善土壤理化性狀，增強作物抗病能力，促進作物生長，提高產量，改善和還原農產品品質等功能[2]。

大量研究表明，微生物菌肥對作物的生長發育及土壤環境產生積極的影響。閻世江等[3]研究發現，菌肥通過微生物的生命活動分解有機質并釋放生長素等激素，改善了土壤環境，進而提高了茄子的品質，以及茄子的耐低溫弱光能力和抗病性。陳建生等[4]發現施用生物菌肥與適當施用普通肥料能明顯地提高花生葉綠素含量、光合速率和干物量的累積及產量。周進[5]研究結果顯示，使用生物菌肥可以提高辣椒的光合作用，增加產量，明顯改善品質。劉紅波等[6]通過對結球甘藍的試驗發現，采用不同的微生物菌劑可以增加其凈菜率和VC 的含量。王君杰等[7]試驗結果顯示，施用微生物肥料能明顯改善谷子長勢和產量。南京市蔬菜科學研究所甘小虎等[8]在茄子栽培中對施用有機生物菌肥與施用普通無機復合肥（對照）進行比較，發現施用含少量鉀化肥的有機生物菌肥能明顯促進茄子的營養生長，茄子增產18.93%～20.17%，增值6 101.1～6 491.3 元/hm2，茄子的含糖量、VC 含量增加16.3%和9.1%，品質得到改善。

良好的土壤環境是維持農作物正常生長發育的重要條件。土壤微生物是土壤生態系統中的重要組成部分[9]，其結構組成和功能多樣性對維持土壤系統健康發揮著十分重要的作用[10-11]，土壤中所有物質的轉化基本上都是在微生物的參與下進行的，因此微生物對土壤的生態功能具有重要的影響[12]。李戌清等[13]認為分析茄子連作與輪作土壤中微生物群落結構可了解土壤中細菌和真菌的構成比例，以及微生物多樣性和優勢度狀況。通常把微生物的數量和活性看作土壤肥力的指標，微生物菌肥的施用可以增加有益微生物的數量。

茄子生長周期相對較長，對營養需求較大，僅施用復合肥往往不能滿足其生長需要，配施微生物肥料，對茄子的產量、品質、生理生化指標以及土壤微生物群落結構多樣性都會產生很大影響[14]。植物的生理生化指標可以反映出植物的抗病、抗逆能力及健康程度和干物質積累程度等，可直接影響到作物最終的產量、品質及適應環境的能力。土壤類型、施肥種類、施肥量、施肥方法直接或間接地影響土壤微生物的繁殖、種類以及多樣性[15]。

為了較為準確地揭示土壤基質中微生物的群落結構、數量、多樣性和物種分布情況，采用高通量測序技術對土壤微生物群落的結構變化進行系統分析。高通量測序技術相對于傳統的測序技術，具有通量高、操作簡便、準確率高、成本較低等優勢，是獲取大量土壤微生物信息的良好工具[16]，并且能對土壤微生物的多樣性進行更加準確的分析，更加全面的反應土壤微生物環境。

本試驗以茄子為研究對象，采用復合肥與微生物菌肥折算質量不同比例混合施用，通過茄子生理指標、產量以及對微生物群落多樣性進行高通量測序，篩選出最佳的肥料配比，為茄子等茄科類作物的肥料施用提供科學依據[17]。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗以‘黑鈽莉’品種茄子苗為試驗材料。復合肥為史丹利農業集團股份有限公司研發的史丹利通用型復合肥（氮（N）≥15%，磷（P2O5）≥15%，鉀（K2O）≥15%，總養分≥45%），微生物菌肥為山東施美特農業科技有限公司研發的枯草芽孢桿菌（有效活菌數≥200 億/克）。

1.2 試驗方法

試驗在天津市西青區天津農學院日光溫室進行基質盆栽，基質體積比為泥炭∶珍珠巖∶蛭石＝6∶2∶2，采用隨機區組設計，設置4 個處理，每個處理3 次重復，每個重復6 株，共72 株。

按照肥料單位面積土地建議施用量折算每盆用量，復合肥建議施用量為2 g/盆，微生物菌肥建議施用量為1 g/盆。

處理1（T0）：單施復合肥，每盆施用復合肥2.0 g；處理2（T1）：混施復合肥和微生物菌肥，配施比例3∶1，即復合肥每盆2.0×3/4＝1.5 g，微生物菌肥每盆1.0×1/4＝0.25 g；處理3（T2）：混施復合肥和微生物菌肥，配施比例1∶1，即復合肥每盆2.0×1/2＝1 g，微生物菌肥每盆1.0×1/2＝0.5 g；處理4（T3）：混施復合肥和微生物菌肥，配施比例1∶3，即復合肥每盆2.0×1/4＝0.5 g，微生物菌肥每盆1.0×3/4＝0.75 g。

定植前在基質中按照處理添加復合肥和微生物菌肥，在田間管理期間，定期澆水，去腋芽，去除老葉和有病蟲害的葉片，通過粘蟲板減少病蟲害，用支架防止茄子倒伏，并在茄子生長旺盛期按照處理再追加一次施肥。

在茄子生長過程中，分別在茄子的各個生長發育時期（苗期、開花結果盛期及生長后期）測量茄子植株的形態指標（株高、莖粗、最大葉面積）和葉片相對葉綠素含量（SPAD 值）以及茄子開花結果盛期基質中微生物群落多樣性，待收獲后，測定茄子產量。

植株形態測量：株高采用鋼卷尺測量；莖粗采用游標卡尺測量；最大葉面積采用鋼卷尺測量，測量最大葉長、寬，求面積（最大葉面積＝葉長×葉寬）。

相對葉綠素：茄子葉片相對葉綠素含量采用SPAD-502 plus 葉綠素測定儀測定，每株茄子隨機測定3 次，并求其平均值。

微生物群落多樣性的高通量測序：在茄子開花結果盛期采集T0 和T3 處理茄子根系附近的基質，將采集到的基質除去植物殘體等雜物后，裝入自封袋并放于-80 ℃的超低溫冰箱中保存，利用高通量測序技術對基質微生物進行測定。提取基質樣品總DNA，進行PCR 擴增并對其產物進行純化、定量和均一化形成測序文庫，建好的文庫先進行文庫質檢，質檢合格的文庫用Illumina Novaseq 6000 進行測序。對測序得到的Raw Reads進行過濾質控得到不包含引物序列的Clean Reads，通過overlap 對每個樣品的Clean Reads 進行拼接，然后根據不同區域的長度范圍對拼接后數據進行長度過濾；最后去除嵌合體，得到最終有效數據。進一步進行多樣性分析、顯著物種差異分析、相關性分析、功能預測分析等。

1.3 數據處理

用SPSS 軟件對所記錄的不同處理植株的生理指標進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對茄子形態、葉片相對葉綠素含量以及產量的影響

由表1 看出，隨著微生物菌肥配施比例的提高，茄子形態隨之發生了明顯變化，茄子的株高、莖粗、最大葉面積均有增加。但微生物菌肥配施比例不同對茄子苗期、開花結果盛期和生長后期的形態影響不同，在苗期、開花結果盛期時處理間不存在顯著差異，而在生長后期T3 處理的茄子形態指標則均顯著高于T0、T1、T2?？梢?，復合肥與生物菌肥比例為1∶3時能夠顯著提高茄子的株高、莖粗、最大葉面積等生長指標，有利于茄子生長。

表1 不同微生物菌肥添加量對茄子形態的影響

從表2 中看出，隨著生長時間的增加茄子葉片相對葉綠素含量在降低。

表2 不同微生物菌肥添加量對茄子葉片相對葉綠素含量的影響

4 個處理中茄子葉片的相對葉綠素含量都是T3 顯著高于T0，T1 與T2 兩處理的值也總是高于T0，表明微生物菌肥對葉綠素的產生有促進效果，其中微生物菌肥占比最高的T3 處理效果最好。

由表3 看出，T1、T2、T3 與T0 相比分別增產了10%、65%、72%，表明添加微生物菌肥均提高了茄子產量，T2、T3 處理產量明顯高于T0、T1，證明微生物菌肥在提高茄子產量方面有重要的作用。

表3 不同微生物菌肥添加量的茄子總產量 g/盆

2.2 不同施肥處理對茄子生長基質中微生物的影響

2.2.1 不同施肥處理對茄子生長基質中微生物群落多樣性的影響

Chao1 指數可反映群落物種豐富度，Shannon指數可反映群落物種多樣性。從表4 中可知，Chao1指數在T0 中的平均值為1 719.36、在T3 中的平均值為1 728.86，Shannon 指數在T0 中的平均值為8.94、在T3 中的平均值為9.20，增施微生物菌肥后基質中微生物多樣性和群落的豐富度均有所提高。對T0 和T3 的茄子生長基質進行PCoA 分析（圖1），PC1 的貢獻率為43.76%，PC2 的貢獻率為20.35%，主成分的累計貢獻率為64.11%，T0樣本與T3 樣本明顯分離。NMDS 分析圖（圖2）中的脅強系數（Stress）＝0.029 8＜0.2，6 組樣品明顯分離，表明樣品間的相似性低，對PCoA 分析法進行補充說明。

圖1 PCoA 分析圖

圖2 NMDS 分析圖

表4 α 多樣性指數統計

2.2.2 不同施肥處理對生長基質微生物群落組成及豐度的影響

在97%的相似度水平上，從6 組樣品中共獲得477 847 條有效序列，共測到1 747 個OUTs。通過預測的16S 拷貝數對OTU 進行歸一化。如各樣品特征個數分布圖（圖3）所示，OTU 指數在T0中的平均值為1 694，在T3中的平均值為1 706，T3 的值高于T0。

圖3 樣本特征個數分布圖

物種豐度聚類熱圖（圖4）表明，T3 顏色最深，說明在T3 中物種豐度最高，T0 整體顏色較淺，說明在T0 中物種豐度最低。同時T3 與T0之間的枝長相對較長，二者的相似性較小。

圖4 物種豐度聚類熱圖

本研究從6 個基質樣品中，共計檢測到28 個細菌門，從物種分布柱狀圖（圖5）中能看到平均相對豐度較高的前 10 個門分別為變形菌門（Proteobacteria）、綠彎菌門（Chloroflexi）、擬桿菌門（Bacteriaoidetes）、酸桿菌門（Acidobacteria）、芽單胞菌門（Gemmatimonadetes）、放線菌門（Actinobacteria）、厚壁菌門（Firmicutes）、浮霉菌門（Planctomycetes）、髕骨菌門（Patescibacteria）、異常球菌門（Deinococcus）。其中門水平上的優勢真菌類群為變形菌門（Proteobacteria）、綠彎菌門（Chloroflexi）且占比最高，其次是擬桿菌門（Bacteriaoidetes）、酸桿菌門（Acidobacteria）。此外，T3 中的優勢真菌類群的含量高于T0，這說明相對豐度較高的10 個細菌門在T3 中的豐度較大。

圖5 物種分布圖

通過Wilcoxon 秩和檢驗（圖6）顯示樣本在屬水平上P值小的前20 個物種，T3 中的Devosia（德沃斯氏菌）、Ramlibacter（沙壤土桿菌）、Rhizobacter（根瘤桿菌屬）等物種相對豐度均顯著高于T0；屬水平組間ANOVA 方差分析柱狀圖（圖 7）中顯示在屬水平上 T3 處理中Rhizobacter（根瘤桿菌屬）、Blastocatella（芽枝霉屬）、Hyphomicrobium（生絲微菌屬）等相對豐度明顯上升，顯著高于T0，Thermopetrobacter（熱油桿菌屬）、Rhodobacter（紅細菌屬）等相對豐度T3 則低于T0，表明T0 和T3 處理之間物種相對豐度具有顯著差異。

圖6 秩和檢驗分析柱狀圖

圖7 ANOVA 方差分析柱狀圖

3 討論

高通量測序技術在分子生物學各個領域已經得到較為廣泛的應用[18]，根據測序結果可以了解土壤微生物活性以及土壤微生物間的調控作用，同時可以快速分析出土壤中微生物群落的種類、數量和分布情況[19]。

本試驗根據高通量測序結果，繪制出特征物種分布圖、物種豐度聚類熱圖等，能清晰地看到施用微生物菌肥后群落結構的數量以及分布的變化。復合肥與微生物菌肥配施后茄子的各項生長指標以及相對葉綠素含量都優于單施復合肥，說明配施生物菌肥能促進茄子生長，且復合肥與微生物菌肥配施比例為1∶3 的T3 處理表現最好。

施用微生物菌肥后，土壤細菌群落結構在門和屬水平上發生了明顯改變，優勢菌群的數量增加，微生物群落多樣性提高。例如，Blastocatella菌屬于酸桿菌門，具有提高土壤中全氮、有機磷以及有機質等元素含量的作用，酸桿菌門相對豐度的上升可能是緩解土壤理化性質變差等問題的原因之一[20]。李海云等[21]研究發現，東祁連山不同退化程度高寒草地土壤中細菌優勢種群為酸桿菌門，表明酸桿菌門可能是不同生態系統中常見的土壤細菌優勢門類。根瘤桿菌屬具有固氮作用，其可能為茄子的生長發育提供氮素營養，促進了茄子的生長發育，有利于土壤健康發展[22]。此外，符菁等[23]研究表明在水稻分蘗期施用復合微生物菌肥，能夠令土壤中有益微生物數量增加。王夢雅等[24]研究表明配施不同菌肥顯著增加了土壤有機碳和速效養分的含量。葉綠素通過吸收光能，將二氧化碳和水分子合成有機化合物，為植物其他活動提供了重要的生命基礎[25]。加入微生物菌肥后葉綠素含量均有不同程度的增加，表明微生物菌肥能有效地提高葉片中的葉綠素含量。這與高喜葉等[26]配施生物菌肥后發現胡蘿卜葉片葉綠素含量有顯著提高的結果相似。

GEISSELER 等[27]研究結果表明，大量施用復合肥后，通常會導致土壤微生物多樣性減少，而豐富的微生物多樣性以及豐度是衡量土壤是否健康的標志之一。微生物菌肥能增加有益微生物的數量，提高土壤中微生物的數量和活性，從而顯著提高土壤肥力。兩者混施，菌肥對作物吸收養分的條件進行改良，使土壤的保水保肥能力增加，提高復合肥利用率，減少復合肥的使用。微生物肥料中含有微量氮、磷、鉀，但當土壤中氮、磷、鉀含量不足，且對養分的需求量較大的情況下，微生物肥料無法提供足夠的養分，所以必要時要適當添加一定量的復合肥料[28]。兩者共同給作物創造良好穩定的生長條件，保證設施農業可持續性發展，所以研究施用復合肥與微生物菌肥的最佳配比是提高茄子各項生長指標和產量的關鍵。

4 結論

施加不同比例的微生物菌肥均能提高茄子的株高、莖粗、最大葉面積、葉片相對葉綠素含量，促進茄子生長，提高茄子產量。復合肥與生物菌肥配施比例為1∶3 是本次試驗中最佳肥料配比，此處理中茄子產量明顯高于其他處理，且茄子的株高、莖粗、最大葉面積也是最高的，相對葉綠素含量也達到了顯著水平?；|中微生物菌肥與復合肥配施后在屬水平的優勢菌群是根瘤桿菌屬、芽枝霉屬等。微生物菌肥的施用增加了茄子生長基質中微生物群落的多樣性，提高了物種的相對豐度并增加了優勢菌群的種類。本研究為設施茄子微生物菌肥施肥技術提供理論基礎，復合肥∶微生物菌肥＝1∶3 的折算質量施肥配比可以在茄子種植中推廣應用。