甲基营养型芽孢杆菌对基质培黄瓜生长及根际环境的影响

王 菁,马 飞,王君正,2,曹冠西,胡晓辉,2

(1.西北农林科技大学 园艺学院,陕西杨凌 712100;2.农业农村部西北设施园艺工程重点实验室,陕西杨凌 712100)

随着中国蔬菜产业的不断发展,设施蔬菜生产规模不断扩大,土壤连作障碍、土传病害、土壤盐渍化等问题也日益突出[1-3],严重影响了设施蔬菜产量和品质,制约了设施农业的发展进程。基质栽培较传统土壤栽培能够改善根际环境,调节水、气、肥供应的矛盾关系,且具有恢复地力、改善土壤结构的优点,成为设施蔬菜增产提质和转型升级的有效手段。

目前,关于基质栽培的研究主要基于通过水/肥调控、基质配方和品种比较等栽培管理方式的优化,达到提质增效的作用[4-5],但生产过程依然难以降低对传统化学肥料的依赖。植物根际促生菌能通过自身的代谢活动和代谢产物积累发挥抑制根际病源微生物、促进植物吸收养分与生长、改善根际环境等作用[6-8],进而基于功能菌株的微生物制剂应运而生。微生物菌剂是人工培植的有益微生物菌群经加工制成的微生物活菌制剂,能在土壤或基质中有效定殖,形成有利于植物生长的微生物优势菌群[9],提高土壤肥力和活性[10],促进植物营养吸收,调节植物生长,或使植物产生抗逆和(或)抗病性[11],施用生物菌剂是科学改良土壤、提升作物产量和品质水平的有效方式[12]。甲基营养型芽孢杆菌(Bacillusmethylotrophicus)为生防型革兰氏阳性菌,具有抗逆性强、抗菌谱广、环境友好且不易产生耐药性等特点[13-14],对西瓜枯萎病[15]、黄瓜炭疽病[16]有良好的抑制效果,部分菌株具有固氮和分泌吲哚乙酸(3-Indoleacetic acid,IAA)、氨基环丙烷羧酸脱氢酶(I-aminocyclopropane-I-carboxylic acid,ACC)、乙烯及铁载体等功能[17]。但目前关于甲基营养型芽孢杆菌对作物生长、产量、品质和根际环境的影响鲜有研究,且缺少该菌剂在基质培黄瓜生产中施用方案的相关研究报导。因此,本试验通过比较不同剂量甲基营养型芽孢杆菌对基质培黄瓜生长、产量、品质和根际环境等指标的影响,研究甲基营养型芽孢杆菌的促生增产提质效果,筛选出最优的菌剂用量,并结合光合参数和基质理化性质,阐释其作用机理,为挖掘功能型微生物制剂及指导设施基质培黄瓜优质高效生产提供理论依据和生产指导方案。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试黄瓜品种为‘博耐526’,供试微生物菌剂为‘VL-10’型甲基营养型芽孢杆菌(粉剂,山东蔚蓝生物有限公司生产,有效活菌数5×1010CFU/g)。试验用基质为牛粪及菇渣的腐熟物,其理化性质为:速效氮含量1.4 g/kg、速效磷含量0.8 g/kg、速效钾含量5.5 g/kg、全氮含量 19.4 g/kg、全磷含量8.4 g/kg、全钾含量20.3 g/kg、pH为6.94、电导率为2.3 mS/cm、有机质含量为483 g/kg。试验采用袋式基质栽培方式,基质袋规格为70 cm×20 cm×16 cm,基质填充量为18 L/袋,每袋种植2株。采用水肥一体化滴灌系统进行水肥供应,灌溉和营养液供应流速为1 L/h。

1.2 试验设计

试验于2020年3—7月在陕西杨凌(北纬 34°28′,东经108°7′)揉谷设施农业基地非对称大跨度塑料温室内进行。甲基营养型芽孢杆菌菌剂用量共设置0、1、2、4、6 g/株(分别记为CK、T1、T2、T3、T4)共5个处理。于3月25日选取3叶1心、长势一致、生长健壮的黄瓜幼苗定植于基质袋内,各处理种植28株,3次重复,定植密度为 3 419株/667m2。在缓苗后(4月12日)将不同处理所需单株菌剂用量称取后分别一次性溶于250 mL清水中,搅拌均匀后,对每株植株进行灌根,CK处理浇灌同体积清水。采用水肥一体化滴灌系统进行水肥供应,营养液选用山崎黄瓜专用营养液,开花坐果期和盛果期分别按照每株500 mL/d和1 L/d供应(除阴雨天外)。采用单蔓整枝方式,其余田间管理操作按常规设施无土栽培管理方式进行。7月1日结束试验,采收期65 d。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 形态指标测定 于定植后当天每个处理随机选取5株长势一致的植株进行挂牌标记,在黄瓜植株营养生长最快、各处理间差异最明显的4月12日至5月1日测定其株高、茎粗、最大叶面积等形态指标。于处理后第0 天开始,每5 d测定1次,共测4次。株高为茎基部至生长点的高度,茎粗为茎基部直径,叶面积选取最大叶面积,按如下公式[18]计算:

A=0.743bl

式中:A为最大叶面积,b为最大叶宽,l为最大叶长。

1.3.2 光合指标测定 于处理后第30天(即果实逐渐膨大,光合代谢旺盛的盛果初期),各处理随机选取5株长势一致的植株,采用便携式光合测定系统(Li-6800,Li-CorInc,Ltd,USA)测定黄瓜第4叶位(自上到下)的净光合速率、胞间CO2浓度、蒸腾速率和气孔导度等光合参数。采用乙醇丙酮混合浸提法测定相应叶片叶绿素含量[19]。

1.3.3 产量测定 各处理随机选取6株长势一致的植株记录果实单果质量和单株产量,667 m2产量由小区产量折算得出。

1.3.4 果实品质指标测定 于处理后第40 天,即果实品质最有代表性的盛果期,各处理随机选相同叶位的5根长势一致的黄瓜果实测定其果实品质。其中,有机酸含量采用氢氧化钠滴定法测定[20],游离氨基酸含量用水合茚三酮法测定,可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250染色法测定,还原糖含量用3,5-二硝基水杨酸法测定,可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定,维生素C含量采用钼蓝比色法测定[21]。

1.3.5 基质酶活性测定 于处理后第50 天(即黄瓜植株生长末期),各处理随机选取5株长势一致的植株根系基质取样,基质经去除植物组织,自然风干、混匀,研磨过筛后测定基质酶活性。基质脲酶活性采用苯酚钠-次氯酸钠靛酚比色法测定,酶活性以脲酶作用下 37 ℃恒温培养24 h后1 g基质生成NH3-N的质量表示;蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定,酶活性以蔗糖酶作用下37 ℃恒温培养24 h后1 g基质生成葡萄糖的质量表示;磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定,酶活性以磷酸酶作用下37 ℃恒温培养24 h后1 g基质所释放的酚的质量表示[22]。

1.4 数据统计与分析

采用Microsoft Excel 2010软件进行数据记录、整理及图表制作,SPSS 26.0软件进行单因素方差分析,Duncan’s方法显著性检验,数据以“平均值±标准误”表示,用Pearson相关性分析黄瓜其他指标与产量品质之间的相关性。

2 结果与分析

2.1 不同菌剂用量对黄瓜形态指标的影响

2.1.1 对黄瓜株高和茎粗的影响 由图1-A可知,处理后第0天至第20 天,不同处理间黄瓜株高的差异逐渐增大,且均以T2处理效果最优,T3或T4处理次之,T1处理效果最弱。处理后第20天,T2处理的黄瓜株高显著高于其他处理,且较CK处理显著提高55.29%;T4处理次之,较CK处理显著提高26.94%;T1和T3处理虽分别较CK处理提高17.76%和19.01%,但与CK处理无显著差异。由图1-B可知,黄瓜茎粗在处理后第10天和第15 天分别以T3和T2处理有最大值,显著高于CK处理,增幅分别为17.30%和20.32%;在处理后第20 天,施用菌剂的处理黄瓜茎粗均显著高于CK处理,但不同剂量处理间无显著差异,表明不同菌剂剂量对黄瓜茎粗无显著影响,以T3处理增幅最大,为21.79%。结果表明施加甲基营养型芽孢杆菌可以有效提高设施内有机基质培黄瓜的株高和茎粗,促进茎的生长,随处理后时间延长,作用效果逐渐增加,以T2和T3处理的作用效果最佳。

误差线为标准误,柱上不同字母表示处理后第20天时不同处理间在0.05水平差异显著Error bars are standard error,and different letters above the bars indicate significant differences at 0.05 level after treatment on the 20th day图1 不同菌剂施用量有机基质培黄瓜株高和茎粗Fig.1 Plant height and stem diameter of cucumber cultured in organic substrate under different dosages of bacteria

2.1.2 对黄瓜叶面积的影响 由图2可知,处理后第0 天,各处理间黄瓜叶面积无显著性差异。处理后第10天至第20天,T2、T3和T4处理的叶面积均显著高于CK处理且三者间无显著差异,而T1处理与CK处理无显著差异。至处理后第20 天,T2、T3和T4处理的叶面积分别较CK处理显著增加21.78%、22.06%和27.26%。表明施加甲基营养型芽孢杆菌可以有效促进设施内有机基质培黄瓜叶片生长,中高菌剂用量下对黄瓜叶面积的促进效果更优。

误差线为标准误,图柱上不同字母表示同一时期不同处理间在0.05水平差异显著,下同Error bars are standard error,and different letters above the bars indicate significant differences among treatments in the same period at the 0.05 level ,the same below图2 不同菌剂施用量有机基质培黄瓜叶面积Fig.2 Leaf area of cucumber cultured in organic substrate under different dosages of bacteria

2.2 不同菌剂用量对黄瓜光合参数的影响

2.2.1 对叶绿素含量的影响 由表1可知,随菌剂用量的增加,黄瓜叶片中叶绿素a、叶绿素b和总量均呈先升后降的变化趋势,在T3处理中值最大,显著高于CK和T1处理,该处理的叶绿素a、b和总含量分别较CK处理显著提高 49.59%、42.11%和48.45%,T2处理次之,较CK处理分别显著提高27.64%、26.32%和 27.95%,而T1处理的叶绿素总量较CK增幅仅为 10.56%。

表1 不同菌剂施用量有机基质培黄瓜叶绿素含量Table 1 Chlorophyll content of cucumber cultured in organic substrate under different dosages of bacteria

2.2.2 对黄瓜光合参数的影响 由表2可知,T3和T4处理的蒸腾速率(Tr)、净光合速率(Pn)、胞间二氧化碳浓度(Ci)和气孔导度(Gs)与CK处理相比均有提高,其中,Tr、Ci和Gs均以T4处理值最大,分别较CK处理显著提高 69.44%、6.12%和115.52%,而T3处理次之,分别较CK处理显著提高29.17%、2.85%和 87.93%。Pn以T3处理有最大值,与T2处理无显著差异,分别较CK处理显著提高51.09%和46.62%,T4处理的Pn也较CK显著提高 33.94%。T2处理还较CK处理显著提高叶片Gs,增幅为77.59%,而T1处理的光合参数与CK相比均无显著差异。

表2 不同菌剂施用量有机基质培黄瓜光合参数Table 2 Photosynthetic indexes of cucumber cultured in organic substrate under different dosages of bacteria

2.3 不同菌剂用量对黄瓜产量的影响

由图3可知,菌剂处理均可提高黄瓜产量,且黄瓜产量随菌剂用量增加呈先升后降的变化趋势,以T3处理值最高,较CK处理显著提高 39.17%;T2和T4处理次之,分别较CK处理显著提高28.32%和26.51%。T1处理与CK处理无显著差异。

图3 不同菌剂施用量有机基质培黄瓜产量Fig.3 Yield of cucumber cultured in organic substrate under different dosages of bacteria

2.4 不同菌剂用量对黄瓜品质的影响

由表3可知,黄瓜果实品质指标的最优值出现在T3或T4处理中。T3处理的果实游离氨基酸、有机酸和还原糖含量最高,分别较CK处理显著提高26.88%、30.67%和16.36%;T4处理次之,分别较CK处理显著提高14.88%、18.40%和11.80%。T4处理的果实可溶性蛋白、可溶性总糖和维生素C含量最高,分别较CK处理显著提高19.93%、23.82%和22.35%。T1处理的可溶性蛋白含量和T2处理的有机酸含量、可溶性总糖含量和维生素C含量较CK处理显著提高,增幅分别为12.55%、8.59%、20.94%和 16.47%。T1处理的还原糖含量和T2处理的游离氨基酸含量显著低于CK处理。其余指标与CK处理无显著差异。

表3 不同菌剂施用量有机基质培黄瓜品质指标Table 3 Qualities of cucumber cultured in organic substrate under different dosages of bacteria

2.5 不同菌剂用量对基质酶活性的影响

由表4可知,处理后第50 天,施用菌剂显著提高基质的脲酶活性,但不同用量间无显著性差异,以T4处理增幅最大;基质蔗糖酶活性以T1处理有最高值,较CK处理显著提高90.08%,T2和T3处理间差异不显著,但均显著高于CK处理,而T4处理显著低于CK处理。处理后第50天基质碱性磷酸酶活性以T3处理有最大值,较CK处理显著提高18.27%,T1处理次之,T2和T4处理与CK处理的差异不显著。

表4 不同菌剂施用量有机基质培黄瓜基质酶活性Table 4 Substrate enzymatic activity of cucumber cultured in organic substrate under different dosages of bacteria

2.6 不同菌剂用量对基质速效养分含量的影响

由表5可知,基质中的硝态氮含量在不同时期均以T2处理值最高,在处理后第15天、第30天和第50天时分别较CK处理提高77.14%、8.50%和 37.63%。处理后第15天时,T3与T4处理基质中的硝态氮含量也显著高于CK处理。CK、T1和T4处理的基质铵态氮含量随生长期的延长逐渐降低,而T2处理在处理后第15天时高于0 d,且显著高于同时期其他处理,较CK处理增幅为61.17%;T3处理在处理后第30天时高于0 d,且在处理后第30天和第50天时均高于其他处理。处理后第15天和第50天,菌剂处理的基质速效磷含量与CK处理相比无显著差异;在处理后第30天,随着菌剂用量的增加速效磷含量呈先减后增的变化趋势,以T2处理最低,较CK处理显著减少 25.00%。

表5 不同菌剂施用量有机基质培黄瓜基质速效养分含量Table 5 Available nutrients content in substrate of cucumber cultured in organic substrate under different dosages of bacteria

2.7 黄瓜其他指标与产量、品质的相关性分析

由表6可知,处理后15 d黄瓜的株高与可溶性总糖和维生素C含量呈显著正相关性(P< 0.05);叶面积与有机酸、还原糖和可溶性总糖含量呈显著正相关,与维生素C含量呈极显著正相关(P<0.01);叶绿素总量与还原糖含量呈显著正相关(P<0.05),与产量、游离氨基酸、有机酸和维生素C含量呈极显著正相关(P<0.01);蒸腾速率与有机酸和维生素C含量呈显著正相关(P<0.05),与游离氨基酸、可溶性蛋白和还原糖含量呈极显著正相关(P<0.01);净光合速率与产量、游离氨基酸和还原糖含量呈显著正相关 (P<0.05),与有机酸和维生素C含量呈极显著正相关(P<0.01);胞间二氧化碳浓度与还原糖和可溶性总糖含量呈显著正相关(P<0.05),与维生素C含量呈极显著正相关(P<0.01);气孔导度与游离氨基酸和可溶性总糖含量呈显著正相关(P<0.05),与有机酸、还原糖和维生素C含量呈极显著正相关(P<0.01)。处理后50 d基质的脲酶含量仅与产量呈极显著正相关(P< 0.01);蔗糖酶含量与黄瓜可溶性总糖含量呈显著负相关(P<0.05);碱性磷酸酶活性与黄瓜有机酸和还原糖含量呈显著正相关(P<0.05),与黄瓜游离氨基酸含量呈极显著正相关(P<0.01);处理后15 d基质的硝态氮含量与黄瓜产量和有机酸含量呈显著正相关(P<0.05),与黄瓜的可溶性总糖和维生素C含量呈极显著正相关(P<0.01);基质的速效磷含量黄瓜可溶性总糖含量呈显著正相关(P<0.05)。结果显示黄瓜的光合指标与黄瓜果实产量和品质指标间相关性较强,表明甲基营养型芽孢杆菌通过促进黄瓜的光合作用从而起到提高产量品质的作用。

表6 黄瓜其他指标与产量、品质的相关性Table 6 Correlation between yield and quality of cucumber and other index

3 讨论与结论

植物根际微生物可通过诱导效应、拮抗作用、竞争作用、产生有益代谢物等促进植物生长[24]。而基质外施微生物菌剂可通过生物固氮、解磷、解钾和分解土壤有机养分等途径,促进养分释放及植物对营养元素的吸收,同时微生物还能分泌植物激素等物质促进植物生长,直接或间接影响作物产量和品质[20]。但不同的微生物菌剂其功能、作用方式与最佳用量间存在差异。施用到根系环境中的植物促生菌首先需要成功在根际定殖,而后才能发挥其促生作用。已有研究表明,甲基营养型芽孢杆菌可以在香蕉、水稻的根际土壤中良好定殖,并起到抗菌防病或促进植物生长的作用[25-26]。而作为甲基营养型芽孢杆菌的近源菌种,在黄瓜根际筛选得到的解淀粉芽孢杆菌SQR9能够显著促进黄瓜生长,且影响其定殖的部分信号分子机制已被阐明[27-28]。但甲基营养型芽孢杆菌在基质培黄瓜根际中的定殖情况及影响因素仍需进一步研究。植物中约90%的干物质由光合作用产生,高等植物绿叶光合作用中光反应与C素和N素同化紧密联系,直接影响着植物的产量与品质[29]。有研究表明,经甲基营养型芽孢杆菌接种的莴苣其类胡萝卜素和叶绿素a含量显著提高[30]。本试验中,随着菌剂用量的增加,黄瓜叶片叶绿素a和叶绿素b含量呈先升后降的变化趋势,T3处理的叶绿素a、b和总含量最高,分别较CK处理显著提高49.59%、42.11%和48.45%。T3和T4处理的蒸腾速率、净光合速率、胞间CO2浓度和气孔导度与CK处理相比也有显著提高。与光合参数变化趋势类似,T3和T4处理也较CK处理显著提高了黄瓜的茎粗和叶面积,中高菌剂用量对黄瓜植株营养生长和光合作用整体的影响效果优于低菌剂用量。结果表明施用甲基营养型芽孢杆菌可通过提高叶绿素含量、促进光合作用以加速同化产物积累与分配,进而加快黄瓜植株的生长速度,其作用效果与用量和植株生长时期有关,存在最适用量和最佳作用时期,这与在裸燕麦[31]和红小豆[32]中的研究结果一致,可能是由于植物在不同的生长阶段会通过分泌不同的糖类、脂质、有机酸等代谢物质来选择性富集促生优势菌群。且本试验中发现,中高剂量菌剂可以均衡地起到促进植株光合和营养生长的作用。

前人研究表明,施用甲基营养型芽孢杆菌可显著提高黄瓜产量,灌根施用甲基营养型芽孢杆菌和植物乳杆菌可显著提高黄瓜果实游离氨基酸、有机酸和可溶性糖含量等品质指标[33],海洋侧孢短芽孢杆菌菌剂与有机肥的合理混施,可显著增加维生素C、可溶性蛋白和游离氨基酸[34]。本试验结果表明,黄瓜的产量变化趋势与形态指标及光合参数的变化趋势基本一致,施用菌剂处理较CK处理增产14.96%～39.17%,在T3处理中有最大增幅。较高菌剂用量的T3和T4处理可显著提高黄瓜果实品质,而低菌剂用量的T1和T2处理对品质指标的影响较低甚至降低部分指标数值。

土壤酶在土壤物质循环和能量转化过程中起着重要的催化作用,它催化有机质中的养分向速效养分转化,反映了土壤中各种生物化学过程的强度和方向[35],是评价土壤肥力的重要指标之一。土壤肥力直接影响到微生物定殖、代谢和扩繁状况,间接影响到微生物分泌的酶活性,且速效养分作为酶反应底物,也影响了基质酶活性。基质中的微生物数量和作用时间影响着基质酶活性,在植株不同生长阶段影响效果不同。已有研究表明施用某些微生物可提高土壤中脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性,如黄瓜根际中分离出的CSY-F1菌株[36]。除提高土壤酶活性外,微生物菌肥还能为植物提供充分且易于吸收的营养元素和活性物质,并将有效养分运输至根部,改善根系的生长环境,从而提高植株吸收养分的能力,使根系更发达,生长更健壮[37]。本试验中,施用甲基营养型芽孢杆菌增加了基质中的速效氮和速效磷含量,其作用强度与用量及作用时间有关,T2和T3处理对提高基质中的速效氮含量有更好的作用效果。不同用量的菌剂在生长中期时均会降低基质中的速效磷含量,其原因可能是菌株具有固氮和解磷能力,而中等剂量菌剂处理下对促进植物生长和营养吸收的效果更好,土壤中的硝态氮和速效磷较多地被植物吸收,随生长时期的延长,含量逐渐降低。处理后第50天时T3处理能较CK处理显著提高基质中的脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶活性,而低用量的菌剂对酶活性有一定的抑制作用,这与黄伟等[38]的研究结果一致。微生物黏附在有机质表面,通过代谢活动转化有机质,而有机质刺激微生物的活动,增加土壤酶活性[39]。施用菌剂最多的T4处理在作用初期时有效而快速地提高了基质生物活性、土壤肥力等,促进了植物的营养吸收和利用,但在作用后期,T4处理下基质的有机质分解较多,植物吸收剩余的小分子营养物质也有所减少,微生物进行生命活动所必需的养分相对匮乏,繁殖系数降低。同时,酶反应底物在前期分解较快,中后期缺乏,都造成了酶活性的降低,尤其是可以在一定程度上反映微生物数量和土壤有机质含量的蔗糖酶活性[40]。结合不同菌剂用量条件下基质酶活性和速效养分含量的变化趋势推测,低剂量菌剂对基质中养分的分解能力较弱,而中高剂量菌剂提高基质酶活性的效果好、对养分的分解能力强,有利于植株吸收基质中的氮素和矿质元素,因此黄瓜植株生长迅速,产量更高,果实品质指标物质含量较高。由相关性分析可知,黄瓜的叶绿素含量和光合指标与果实产量和品质间的相关性较强,这表明施用甲基营养型芽孢杆菌可能更多地通过影响植株的光合代谢而起到提升黄瓜产量品质的作用。说明甲基营养型芽孢杆菌可以通过促进养分分解和植株对养分的吸收进而促进黄瓜的光合作用,加速植株生成可以利用的有机态养分,促进植物营养生长与生殖生长,起到提高产量和品质的作用,且其促生增产提质作用存在剂量效应,在中高剂量下作用效果更优。综合来看,以T3处理在不同时期均衡地提高基质酶活性和速效养分含量的作用效果最优。

甲基营养型芽孢杆菌可以通过提高基质酶活性与速效养分含量促进黄瓜光合作用,加速植株对养分的吸收、转运、同化和积累,进而促进有机基质培黄瓜的生长,提高果实品质与产量,其作用效果与菌剂用量及作用时期有关。综合来看,施用4 g/株甲基营养型芽孢杆菌的处理效果最优。