生物有机肥对基质肥力、酶活性及番茄生长和品质的影响

李 蒙,朱思远,袁童瑶,冯世杰,张莹丽,申 君

(信阳农林学院园艺学院/信阳市大别山区园艺植物遗传改良重点实验室,河南 信阳 464000)

【研究意义】无土栽培是指不使用传统土壤栽培,而以草炭、珍珠岩等基质代替传统土壤栽培作物的方法。其能使植物根系更好深入基质并吸收其养分,具有土传病虫害发生率低、减少连作障碍、养分散失少及利用率高等诸多优点,是我国园艺作物栽培中广泛应用的一种方法[1-2]。优质栽培基质的透气及持水能力较强,且含有大量有益于作物生长的微量元素,因此基质栽培在园艺作物生长发育过程中起着重要作用,也是果蔬生产过程向现代化产业转化的重要环节[3]。近年来,随着人们对园艺产品品质要求的提升,培育抗病强、产量高、品质好的园艺作物尤为重要。生物有机肥是在普通肥料中加入细菌、真菌等有益菌群从而提高基质肥力及基质腐熟度而制成的一种新型肥料[4]。生物有机肥相比传统肥料加了多种功能性有益微生物、菌群,可以为园艺作物提供养分,疏松土壤、改善作物根际微生物环境、增强作物根系抗病性,有效改善基质理化性质[5-6]。生物有机肥中的菌群不仅可以提高植株的品质和产量,还能抑制土传病虫害的发生[7-8]。因此,有必要探究栽培基质中添加生物有机肥对提高番茄产量及品质的影响。【前人研究进展】王成等[9]研究发现,常规化肥配施3600 kg/hm2的生物有机肥能够显著降低韭菜叶片硝酸盐含量,提高维生素C、可溶性糖含量,提高韭菜干物质积累。陈雪梅等[6]研究发现施用多种生物有机肥均可以使土壤肥沃、肥力增加,还能有效改善园艺作物的品质、产量及促进作物生长。杨天杰等[4]研究发现,含有芽孢杆菌的生物有机肥是一种新型的有机肥,在基质中施用可减少青枯病发生,且对该病害的防除效果最好,也可显著改善基质有机质及硝态氮含量。孙婷等[10]研究发现,生物有机肥与传统化肥配施对作物根际微生物影响较大,可改善盐化潮土中食细菌微型动物的相对丰度,有利于冬小麦生长。【本研究切入点】番茄(LycopersiconesculentumMill.)是无土栽培规模化生产的主要经济作物,具有抗逆性强、品质好等特点[11]。前人研究多集中在大田施用肥料栽培作物,而无土栽培条件下,探讨生物有机肥对基质肥力、相关酶活性以及番茄生理生长指标的影响却鲜有报道。【拟解决的关键问题】采用桶式基质培的方式,将生物有机肥与栽培基质按照不同比例进行混配,研究其对基质理化性质、营养元素积累、基质酶活性和番茄生长、产量及品质的影响,以期筛选出适宜番茄栽培的生物有机肥用量,为提高基质肥力、增加番茄产量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为‘粉都金冠王’番茄种子,购自河南豫艺种业有限公司;供试生物有机肥为‘土膳坊’(N+P2O5+K2O总养分≥5.5%,有机质≥45%,水分≤30%,有效活菌数2.52×108个/g,其中细菌1.82×108个/g,真菌4.33×107个/g,其他菌种2.11×107个/g),购于河南博龙生物科技有限公司;栽培基质为草炭、珍珠岩、蛭石,均购于信阳上天梯恒源矿业有限公司。

1.2 试验设计

试验于2021年4—11月在信阳农林学院智慧园艺实验基地物联网温室内进行。将生物有机肥与栽培基质[v(草炭)∶v(蛭石)∶v(珍珠岩)=1∶1∶1]按照不同比例进行混配,每桶总基质量为12 kg,设置0%、6%、12%、18%、24%生物有机肥添加量共5个处理(依次为CK、T1、T2、T3、T4),每个处理重复3次。使用栽培基质培育番茄幼苗,穴盘清洗干净并消毒,将基质按配比混匀后,装入50孔育苗穴盘中,种子需先进行温汤浸种,压穴后播种,每穴1粒种子,浇透水并覆盖薄膜。待幼苗三叶一心时,挑选生长健壮、长势相对一致且无机械损伤的番茄植株移栽至生物有机肥与栽培基质混配的栽培桶(上口径33.5 cm,下口径22 cm,高26 cm)中,每桶移栽1株。试验共5组处理,每个处理放置1行,每行放置10个栽培桶,共移栽50株。定植成活后,需根据植株的健壮程度定时定量浇灌Hoagland营养液,在开花结果期适当增加其用量,保证植株的日常营养需要,病虫害防治等需按常规管理标准进行。番茄出现第六花絮后打顶,果实完全成熟后采收测定果实横径、纵径、单果重、单株产量及果实品质等指标。

1.3 试验方法

1.3.1 基质理化性质测定 分别对栽培前、后的基质进行取样并风干,参照郭世荣[12]的方法测定基质的理化性质;使用pH测定仪测定基质pH;将基质和纯水按1∶5的比例混合均匀,过滤后使用电导仪测定基质EC值。

1.3.2 基质微生物数量测定 参照丁玥琪[13]的方法对番茄基质取样并测定微生物数量。每组称取需测定的基质样品10 g与90 mL无菌水混合放在锥形瓶中,并放入无菌玻璃珠,摇匀备用。分别使用牛肉膏蛋白胨培养基、PDA培养基及高氏Ⅰ号培养基用于分离培养细菌、真菌及放线菌,细菌使用10-4、10-5、10-6稀释度的菌悬液,真菌及放线菌使用10-3、10-4、10-5稀释度的菌悬液,各重复3次。

1.3.3 基质酶活性测定 参照关松萌[14]的方法采用靛酚蓝比色法测定番茄基质脲酶活性;采用高锰酸钾滴定法测定基质过氧化氢酶活性;采用3, 5-二硝基水杨酸比色法测定蔗糖酶活性;采用磷酸苯二钠比色法测定基质磷酸酶活性。

1.3.4 基质碱解氮、速效钾、速效磷、有机质含量测定 使用SYS-ZSE型土壤肥料养分检测仪测定基质碱解氮、速效钾、速效磷、有机质,取土壤联合浸提粉剂1袋,倒入蒸馏水制备基质浸提剂;取风干基质或新鲜基质1 g放入基质浸提瓶,吸取20 mL基质浸提剂于浸提瓶,取约0.3 g土壤脱色剂加入浸提瓶,剧烈震荡后过滤,即为基质速效养分待测液;用吸管分别吸取一定量的基质浸提液、基质浸提液+土壤养分混合标准储备液、基质速效养分待测液于3个小试管中,依次加入专用剂测定基质营养元素含量;取1袋土壤有机质浸提剂与蒸馏水混合制备基质有机质浸提剂,称取风干基质4 g,加入20 mL基质有机质浸提剂,摇匀过滤,测定基质有机质含量。

1.3.5 生长指标测定 在番茄成熟时,随机采样并把根系清洗干净,用吸水纸擦干,使用直尺测量番茄株高、上下胚轴长及根长;使用数显游标卡尺测量植株茎粗;使用叶面积扫描仪测出植株生长点下第3片叶的叶面积;使用万分之一天平称量植株全株干、鲜重;根体积测定使用排水法;根系活力测定使用TTC法,重复3次;根据以上所测数据,按公式求得根冠比、壮苗指数。

1.3.6 叶绿素、类胡萝卜素含量测定 采用叶绿素定量测定法测定番茄叶绿素、类胡萝卜素含量[15]。取植株盛花期各处理生长点下第3片叶,剪碎后取0.2 g与20 mL的混合浸提液混合放入25 mL的容量瓶中,置于黑暗处,叶片发白时可放在光照环境,用混合浸提液定容至25 mL,摇匀后备用,用紫外分光光度计分别测量在663、646、470 nm下的吸光值。

1.3.7 光合气体交换参数测定 取番茄盛花期各处理生长点下第3片叶,采用光合测定系统(Li-6400,USA)于9:00—11:00测定光合气体交换指标,包括净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)等指标,每个处理测定6株。

1.3.8 番茄产量测定 待番茄果实成熟时采样,每个处理取3株,使用电子天平测量单果重及单株重量;使用直尺测量果实横径、纵径,果形指数=果实纵径/果实横径;使用果实硬度机垂直压入番茄果实,待压到探头刻度线为止,待数值稳定时读数;当果形指数≤0.70时为扁平形,0.70<果形指数≤0.86时为扁圆形,0.86<果形指数≤1.00时为圆形,1.00<果形指数≤1.50时为高圆形[16]。

1.3.9 可溶性蛋白及硝酸盐含量测定 可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝法测定[17];硝酸盐含量参照任琴[18]的方法测定。

1.3.10 番茄果实品质测定 待番茄果实成熟时采样,每个处理取3株,采用蒽酮-浓H2SO4比色法测定可溶性糖含量;采用GB12295-90折射仪法测定可溶性固形物含量;采用甲醇水比色法测定总黄酮含量;采用2, 6-二氯靛酚滴定法[19]测定维生素C含量;采用丙酮-石油醚混合溶液比色法测定番茄红素含量。

1.4 数据处理

使用SPSS 26.0和Excel 2019进行数据分析处理。

2 结果与分析

2.1 不同生物有机肥添加量对基质理化性质的影响

由表1可知,栽培前各处理基质容重在0.20～0.28 g/cm3,其中T4处理最大,显著高于CK、T2、T3处理,T3处理最小;随着生物有机肥添加量的增多,EC值随之升高,其中T4处理最高,为1.22 mS/cm;总孔隙度、气水比、pH均呈先升后降趋势,其中T3处理的总孔隙度最大,相比CK提高28.26%;pH介于5.82～6.53,T3处理最大,适宜番茄生长。

表1 栽培前后基质理化性质

栽培后各处理的基质容重在0.18～0.22 g/cm3,其中T4处理最大,显著高于CK,T1处理最小;T3处理的基质总孔隙度、pH最大,相比CK分别提高3.13%、15.48%,T2处理的基质气水比最大(0.62);pH与EC值相较栽培前整体减小。

2.2 不同生物有机肥添加量对基质微生物数量的影响

由表2可知,基质微生物数量均随着生物有机肥添加量的增加而增加,以细菌数量最多;细菌、放射菌、真菌数量均为T4处理最优,相较CK分别提高27.34%、12.22%、63.52%;基质细菌、放射菌、真菌数量各处理间存在显著差异。综上所述,基质微生物数量与生物有机肥添加量有明显对应关系,添加一定量的生物有机肥,可使番茄根际微生物数量增加。

表2 不同生物有机肥添加量对基质微生物数量的影响

2.3 不同生物有机肥添加量对基质酶活性的影响

由图1可知,基质中脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶、磷酸酶活性均呈先升后降趋势,均为T3处理显著高于其他处理,相比CK分别提高23.10%、10.58%、20.98%、16.91%;其中脲酶活性在T1处理最小[3.55 mg/(g·24 h)],且与T4处理无显著差异;过氧化氢酶活性在T4处理最小[3.81 mL/(g·h)];蔗糖酶活性在T1处理最小,且与T4处理无显著差异;磷酸酶活性在T4处理最小[3.58 mg/(g·24 h)]。综上所述,添加一定量的生物有机肥可以增加基质酶活性,其中T3处理下,基质脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶、磷酸酶活性最高。

不同小写字母间表示差异显著(P<0.05)。下同。Different lowercase letters indicate significant differences(P<0.05). The same as below.图1 不同生物有机肥添加量对基质酶活性的影响Fig.1 Effects of different amounts of bio-organic fertilizers on the activity of matrix enzymes

2.4 不同生物有机肥添加量对基质碱解氮、速效钾、速效磷、有机质含量的影响

由图2可知,基质碱解氮、速效钾、速效磷、有机质均呈先升后降趋势,均为T3处理最大,相比CK分别提高58.69%、8.71%、29.36%、26.02%;碱解氮含量在T4处理最小,为108.98 mg/kg;速效钾含量在T4处理最小,且与CK无显著差异;速效磷含量在T4处理最小,为100.91 mg/kg,且与CK无显著差异;有机质含量在T2和T4处理间无显著差异,相比CK分别提高15.50%、13.65%。综上所述,添加一定量的生物有机肥,基质碱解氮、速效钾、速效磷、有机质均有所提高,其中T3处理的基质营养元素含量增加最显著。

图2 不同生物有机肥添加量对基质碱解氮、速效钾、速效磷、有机质含量的影响Fig.2 Effects of different bio-organic fertilizer additions on alkali-hydrolyzed nitrogen, available potassium, available phosphorus and organic matter contents in matrix

2.5 不同生物有机肥添加量对番茄生长的影响

由表3可知,各处理中番茄的生长指标大多呈先升后降趋势,其中株高、茎粗、根长、全株鲜重、全株干重均为T3处理最大,叶面积在T2处理时达到最大值;但各处理根体积呈下降趋势,在T1处理时达到最大,相比CK提高25.22%,T4处理最小;与CK相比,各生长指标在T1～T4处理均有不同程度的提升,且T4处理时均下降。综上所述,添加一定量的生物有机肥能促进番茄的株高、茎粗、根长等生长指标的增加,尤以T3处理效果最佳,T3处理全株鲜重、干重最大,干物质积累量多。

表3 不同生物有机肥添加量对番茄生长的影响

由图3可知,根系活力、壮苗指数及根冠比均呈先升后降趋势,均在T3处理时达到最大值,相比CK分别提高19.99%、41.03%、13.93%,其中根系活力在T1、T4处理无显著差异;壮苗指数在T3、T4处理无显著差异,相比CK分别提高41.03%、30.77%;根冠比在T1～T3处理无显著差异。综上所述,添加一定量的生物有机肥能促进番茄根系活力、壮苗指数及根冠比的增加,其中T3处理的根系活力及壮苗指数优于其他处理。

图3 不同生物有机肥添加量对番茄根系活力、壮苗指数及根冠比的影响Fig.3 Effects of different bio-organic fertilizer additions on tomato root vigor, vigorous seedling index and root-shoot ratio

2.6 不同生物有机肥添加量对番茄叶片光合色素含量的影响

由图4可知,光合色素是作物生长健壮的关键指标,叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素及叶绿素总含量呈先升后降趋势,均为T3处理最大;叶绿素a含量在T1处理最小,且与CK、T4处理无显著差异;叶绿素b含量在CK、T1、T2、T4处理无显著差异;类胡萝卜素含量在T4处理最小,且与CK、T1处理无显著差异;叶绿素总含量在T1处理最小(17.19 mg/g),且与CK、T4处理无显著差异。综上所述,添加一定量的生物有机肥有利于番茄叶片光合色素的积累,其中T3处理番茄叶片的光合色素含量优于其他处理,光合作用能力最强。

图4 不同生物有机肥添加量对番茄叶片光合色素含量的影响Fig.4 Effects of different bio-organic fertilizer additions on the content of photosynthetic pigments in tomato leaves

2.7 不同生物有机肥添加量对番茄叶片光合参数的影响

由图5可知,番茄叶片的Pn、Gs及Tr呈先升后降趋势,均在T3处理时达到最大值,相比CK分别提高31.33%、34.48%、26.45%,而叶片的Ci呈先降后升趋势,在T3处理最小,相比CK降低25.03%;与CK相比,除Gs在T1处理外,Pn、Gs及Tr在T1～T4处理均显著提高,但Ci在各处理显著降低。综上所述,添加一定量的生物有机肥可促进番茄叶片Pn、Gs及Tr增加,其中T3处理的Pn、Gs及Tr高于其他处理,Gi低于其他处理。

图5 不同生物有机肥添加量对番茄叶片光合参数的影响Fig.5 Effects of different amounts of bio-organic fertilizers on photosynthetic parameters of tomato leaves

2.8 不同生物有机肥添加量对番茄果实产量的影响

由表4可知,番茄果实的果实硬度、果形指数呈先降后升趋势,在T3处理时最小,而单果重、单株产量呈先升后降趋势,在T3处理时显著高于其他处理,相比CK分别提高21.35%、19.78%;与对照相比,番茄果实的单果重、单株产量在T1～T4处理均有不同程度的提高,且各处理差异较大,但果实硬度、果形指数均有不同程度的降低;T2、T4处理单果重、单株产量无显著差异;单果重在T1处理最小,相比CK提高6.25%。综上所述,生物有机肥的添加可使番茄果实的果形指数与果实硬度显著降低,而单果重、单株产量显著提高,其中T3处理显著优于其他处理。

表4 不同生物有机肥添加量对番茄果实产量的影响

2.9 不同生物有机肥添加量对番茄可溶性蛋白和硝酸盐含量的影响

由图6可知,可溶性蛋白含量呈先升后降趋势,而硝酸盐含量呈先降后升趋势,其中可溶性蛋白含量在T3处理最多(1.49 mg/g),相比CK提高65.56%,T1处理最少;硝酸盐含量在T3处理最少(0.91 mg/g),相比CK降低11.65%,T1处理最多。综上所述,添加一定量的生物有机肥对番茄的可溶性蛋白及硝酸盐影响较大。

图6 不同生物有机肥添加量对番茄可溶性蛋白和硝酸盐含量的影响Fig.6 Effects of different bio-organic fertilizer additions on soluble protein and nitrate content in tomato

2.10 不同生物有机肥添加量对番茄果实品质的影响

由表5可知,番茄果实的可滴定酸呈先降后升趋势,T3处理最小,而可溶性糖、可溶性固形物、维生素C、番茄红素均呈先升后降趋势,其中可溶性糖、番茄红素在T3处理时均显著高于其他处理,相比CK分别提高24.67%、56.25%、36.17%;与对照相比,番茄果实品质指标在T1～T4处理均有不同程度的提高,且各处理差异较大;T2、T4处理的可溶性糖无显著差异;番茄红素在T1处理最小。综上所述,生物有机肥的添加可使番茄果实的可滴定酸、可溶性糖、可溶性固形物、总黄酮含量、维生素C、番茄红素显著提高,其中T3处理显著优于其他处理,有效改善果实品质。

表5 不同生物有机肥添加量对番茄果实品质的影响

2.11 番茄生长评价指标与基质特性指标的相关性分析

由表6可知,株高、茎粗受基质理化性质影响较大,株高与基质速效钾含量呈极显著正相关,茎粗与基质速效钾、有机质含量、脲酶活性、蔗糖酶活性呈极显著正相关;全株干重与基质pH、过氧化氢酶活性、速效钾、有机质含量呈极显著正相关。表明干重受基质理化性质影响较大,基质pH增加可能促进番茄体内干物质量积累。番茄可溶性蛋白含量与根系活力受基质pH影响较大,其中可溶性蛋白与基质营养元素呈极显著正相关;番茄硝酸盐含量与基质pH、酶活性、速效钾、速效磷、有机质含量呈极显著负相关,说明番茄体内不应含有过多的硝酸盐。单果重与较多基质特性呈正相关,其中与基质pH、过氧化氢酶活性、速效磷含量、有机质含量、细菌数量呈极显著正相关。

表6 番茄生长评价指标与基质特性指标的相关性分析

3 讨 论

3.1 不同生物有机肥添加量对基质理化性质的影响

基质的理化性质不仅会影响基质中水分与养分的运输,还会影响植株的生长发育。本试验发现,栽培后基质容重整体较栽培前减小,总孔隙度较栽培前有小幅度上升,可能是因为装盘时基质较紧实,在栽培过程中变疏松,有利于根系生长,但固定基质作用效果低。基质在pH 6.0～7.0时番茄生长最佳,尤其以pH 6.5的基质栽培番茄效果最好,而EC值能反映基质中水溶性盐含量,过多会阻碍番茄生长,从而影响番茄品质及产量[20-21]。本试验中pH在T3处理时接近6.5,番茄生长最佳,EC值栽培后较栽培前有大幅度下降。

3.2 不同生物有机肥添加量对基质特性的影响

基质微生物数量与酶活性不仅影响基质中营养元素含量[14],还影响番茄品质和产量。赵佳等[22]研究表明,研制的新型生物有机肥可使基质微生物多样性增加,有利于基质营养元素增加。本试验中添加一定量的生物有机肥,不仅细菌、真菌、放射菌数量均增加,尤其是细菌数量,而且T3处理对酶活性的促进作用均优于其他处理,证明T3处理下机制特性最好,这与郑雪芳等[23]研究发现研制的微生物制剂运用IMA处理方法可使番茄根际真菌及细菌数量增加一致。

3.3 不同生物有机肥添加量对基质碱解氮、速效钾、速效磷、有机质含量的影响

基质碱解氮易受到基质酶活性影响。速效钾、速效磷均易被番茄吸收。有机质包含基质动植物残体及其分泌物。本研究中,T3处理下碱解氮、速效钾、速效磷、有机质均达到峰值,证明T3处理可供番茄吸收的养分最多,利于植株生长。这与杨利等[24]研究发现施用生物有机肥对小麦基质碱解氮、速效钾、速效磷、有机质含量有促进作用,刘慧[25]研究发现氨基酸水溶肥与传统复合肥配施可使辣椒土壤速效养分含量显著提高,张迎春[26]研究发现配施生物有机肥可显著提高碱解氮、速效钾、速效磷、有机质含量一致。

3.4 不同生物有机肥添加量对番茄生长及光合特性的影响

番茄的生长与品质密切相关。叶片内含有叶绿素,叶面积变化影响着番茄光合作用速率,从而影响植株光合色素含量。作物的根系是植株合成、分泌、储存、运输营养物质及代谢的重要器官[27]。壮苗指数是番茄品质的判定标准。干鲜重则反映体内干物质与水分的关系[28]。大部分园艺作物需进行光合作用,适当的光合作用可以增加番茄体内有机物的生成,改善番茄品质[29-30]。本试验中,T3处理的番茄生长指标株高、茎粗、根长、全株鲜重、全株干重优于其他处理,但在T4处理下降,表明添加生物有机肥不宜过量;添加一定量的生物有机肥有利于改善番茄品质,且促进番茄叶绿素a、b及类胡萝卜素的形成,其中T3处理的叶绿素a、b及类胡萝卜素优于其他处理,Pn、Gs、Tr达到最大,Ci最小,此时番茄的光合作用最强,有利于光合色素的生成,以满足自身需要,加速番茄体内的代谢过程。

3.5 不同生物有机肥添加量对番茄果实品质的影响

可溶性蛋白能够显著提高细胞的保水能力[31]。番茄积累过多的硝酸盐,对植株生长产生不利影响。可溶性糖的形成与含量不仅影响果实中的甜度,还可通过糖酸比判断果实的风味及口感;可溶性固形物包含糖类、维生素、矿物质等[32];总黄酮含量会促进作物的生长[19];番茄红素对作物起到抗氧化性作用,并对人体大有裨益。本研究中,生物有机肥对番茄的可溶性蛋白及硝酸盐含量作用较小,其中T3处理下可溶性蛋白含量最高,硝酸盐含量最低,可能是因为生物有机肥能够抑制番茄体内硝酸盐含量的生成;添加一定量的生物有机肥可使番茄果实中的可溶性酸、总黄酮含量下降,而可溶性糖、可溶性固形物、维生素C、番茄红素提高;番茄红素显著提高可能是因为生物有机肥中含有大量的有益微生物及营养元素,能够增加肥力、改善基质结构,从而改善果实品质。

4 结 论

添加生物有机肥可以改善基质理化性质、增加基质营养元素含量、促进番茄生长、叶片光合色素含量和可溶性蛋白增加,其中T3处理下,即每桶生物有机肥添加量为18%时,不论是基质pH、EC值、酶活性、微生物数量等特性指标,还是番茄叶面积、茎粗、根长、干重等生长指标都显著优于其他处理,可作为番茄栽培最适生物有机肥添加量,进一步推广使用。