PGPR对灰枣土壤养分及微生物数量影响的主成分分析

秦韵婷，李建贵，郭艺鹏，王先奎，韩 超 ，刘隋赟昊

（1.新疆农业大学 林业研究所，新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆红枣工程技术研究中心，新疆 乌鲁木齐 830000）

PGPR对灰枣土壤养分及微生物数量影响的主成分分析

秦韵婷1,2，李建贵1,2，郭艺鹏1,2，王先奎1，韩 超1，刘隋赟昊1,2

（1.新疆农业大学 林业研究所，新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆红枣工程技术研究中心，新疆 乌鲁木齐 830000）

为了得到有益于灰枣生长发育的优势菌种，通过田间试验，研究了灰枣根际促生复合菌株P13K7、P13K24和单一功能菌株P13、P15、K7、K24以及对照（CK）7个处理对灰枣根际土壤养分和微生物数量的影响。应用主成分分析法，将8个指标（pH值、有机质含量、碱解氮含量、速效磷含量、速效钾含量、细菌数量、放线菌数量和真菌数量）简化成2个主成分，2个主成分所提供的信息量占全部信息量的90.78%。结果表明：与对照相比，施用PGPR能够改善灰枣土壤养分和提高微生物总量。经过土壤指标的综合分析得出，复合菌株P13K24的应用效果最好。

植物根际促生细菌；灰枣；土壤养分；微生物数量；主成分分析

植物根际促生细菌（plant growth-promoting rhizobacteria，PGPR）是生活在植物根际集群系统中，可以促进植物生长，抑制病害细菌的有益菌类[1-2]。目前，大量关于PGPR筛选及应用的研究证明，PGPR可以改变土壤中某些无效元素的形态，使之有效化而且利于植物吸收（如固氮、解磷、解钾等）[3]，产生促进植物生长发育的物质（如生长激素等），减轻某些植物病害的不良影响[4-5]。但有关新疆灰枣土壤PGPR的研究报道较少[6]。

灰枣Ziaiphus jujubacv. Huizao，最早起源于河南新郑，2 700年前就已有种植，为中果型良种，属鲜食和制干兼用的品种[7]。灰枣抗旱，耐瘠薄，耐盐碱，同时也能抗风和抗病虫害，种植后丰产稳产，适合新疆南疆各地州引种栽植[8]。由于果树在其较长的生长周期中与其土壤养分、微生物之间的关系密切，因此有必要对果树土壤养分和微生物生长环境进行合理优化。施用PGPR，能够改善土壤养分含量，提高果实品质，通常被视为一种减少污染、经济有效的措施[9]。本研究中施用的原始菌株为灰枣根际土壤中分离筛选出的解磷菌、解钾菌，笔者结合田间试验，分析评价各菌株对灰枣土壤养分含量和微生物数量的影响，比较出有益于灰枣生长发育的优势菌株，旨在为灰枣PGPR生物菌剂的开发研究提供理论依据。

1 试验地概况

库尔勒市北倚天山支脉库鲁克山和霍拉山，南临塔克拉玛干沙漠，地理位置为85°12′～86°27′E，41°14′～ 42°14′N，气候干燥，年降水量稀少，光照充足，昼夜温差较大，属暖温带大陆性干旱气候，适合喜温植物的生长。

2014年4月中旬至10月，试验在新疆库尔市灰枣示范园中进行。园区土壤为沙壤土，碱解氮含量为32.62 mg/kg，速效磷含量为32.62 mg/kg，速效钾含量为77.79 mg/kg，有机质含量为12.49 g/kg，pH值为7.83。

2 材料与方法

2.1 试验材料

供试材料为7年生灰枣，4株PGPR（P13、P15、K7和K24）是从灰枣根际土壤中分离筛选获得，把各菌株接入到相应的培养基中，在37 ℃、180 r/min条件下的摇床里培养2～3 d。然后，接种到液体培养基里，培养12 h（条件同上），采用平板计数法测定出菌株的活性，将液体菌液稀释到统一浓度（OD＝0.50）。最后，配备每种菌液20 mL按照组合处理混合备用。

2.2 试验设计

试验设7个处理，分别为：复合菌剂P13K7（C1）、P13K24（C2），和单一功能菌剂 P13、P15、K7、K24以及空白对照（CK）。试验采用完全随机设计，重复3次，在不同处理间设置2行保护行。

2014年4月20日，将以上处理菌液稀释至5 L，采用南北两侧平均沟施，对照浇施等量水，各处理常规化学剂料正常施用，全园统一管理。

2.3 样品采集与测定方法

2014年6～9月，共采集4次土壤样品。每个处理随机抽取树龄相同的4棵枣树，用土钻取0～40 cm土层样品，充分混匀。土壤样品分成2份，一份带回实验室自然晾干，用于测定土壤养分含量，另一份土样用于菌数的测定。微生物的菌数计算采用平板稀释涂布法；细菌测定采用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基；真菌测定采用马丁-孟加拉红琼脂培养基；放线菌测定采用高氏1号琼脂培养基。

土壤养分测定方法：碱解氮含量测定采用碱解扩散法；有机质含量测定采用用重铬酸钾-外加热法；速效磷含量测定采用碳酸氢钠-钼兰比色法；土壤速效钾在乙酸铵浸提后，用火焰光度计测定其含量；pH值使用酸度计测定[10]。

2.4 数据处理

数据整理采用Excel2007软件，所有数据均为3次重复试验的平均值。采用主成分分析法（PCA）进行综合评价。

3 结果与分析

3.1 不同处理对灰枣土壤养分含量的影响

土壤养分可以供给植物生长发育需要的营养元素，同时也是测定土壤肥力的有效指标[11-12]。对试验地土壤养分含量进行测定分析，结果见表1。由表1可知：土壤pH值，处理C1比CK降低了2.68%，C2比CK降低了3.07%，CK与其它施肥处理差异显著，说明施用菌液可降低土壤pH值。6个施肥处理与CK比较，土壤有机质含量分别提高了50.40%、60.40%、31.51%、39.84%、21.11%、35.95%，说明菌液的施入能够促进有机质含量的积累[13]。处理C2与CK相比，土壤碱解氮含量增加了22.58%，其它5个施肥处理碱解氮含量均高于对照，但差异不显著。不同处理的土壤速效磷含量均高于CK，其中以处理C2最为明显，达到20.66 mg/kg。与CK相比，处理C1、C2、K7、K24的速效钾含量分别增加了36.17%、61.711%、41.71%、68.78%，差异显著，说明处理C2和K24能够显著提高土壤速效钾的含量，而处理P13和P15的速效钾含量增加不明显。综合来看，复合菌株C1、C2对土壤养分指标具有较大的影响。

3.2 不同处理对灰枣土壤微生物数量的影响

稀释平板涂布法计算所采集土样的微生物菌数，虽然能够获得活菌的数量，但试验受多种因素限制，使计数结果不能准确地反映出微生物的实际数量，为减少测定误差，样品每次的稀释液必须充分振摇混匀[14]。不同处理对灰枣土壤微生物数量的影响见表2，表2中测得的土壤微生物菌数是灰枣1个生长周期的平均值。处理C1、C2的细菌数量明显高于CK，P13、P15与CK相比较，细菌数也有一定的增加，K7、K24与CK之间的差异不显著。施入PGPR菌株，不同程度地提高了灰枣根际土壤放线菌的数量，但处理间差异未达显著水平。试验测得真菌数量明显小于细菌和放线菌的数量，处理C1、C2的真菌数量大幅减少，与CK对比分别减少了23.46%和28.4%。按照微生物总量由高到低排列，各处理依次为C2、C1、P15、P13、K7、K24、CK。

表1 不同处理对土壤养分含量的影响†Table 1 Effect of different treatments on soil nutrient contents

表2 不同处理对土壤微生物数量的影响Table 2 Effect of different treatments on soil microbial quantity

3.3 土壤养分的主成分分析

主成分分析方法可把给定的土壤养分相关变量通过线性变换变换成少数几个彼此不相关的综合指标，这些指标能够解释原始变量的大部分信息[15]。本研究中选定土壤养分含量（碱解氮、速效磷、速效钾、有机质、pH值）和微生物（细菌、放线菌、真菌）数量8个有效因子（依次用X1，X2，X3，…，X8表示），进行各指标的相关性分析，再用因子分析法得出综合指标的贡献率，通过公式计算综合得分，所有分析过程用SPSS17.0软件完成[16]。

3.3.1 指标间相关性分析

进行主成分分析，首先要求各指标间存在一定的相关性。因此，在进行主成分分析前，要先对指标间进行相关性检验[17]。各指标间的相关系数见表3。由表3可知，8个指标之间存在显著或极显著的相关性，说明所得的统计数据有一部分发生重叠，有必要用主成分分析法对这些相关的因子进行降维。土壤微生物的数量与土壤的养分含量有关[18]。其中，微生物细菌数量与各养分指标呈极显著正相关，真菌数量与各土壤养分指标呈显著或极显著负相关，放线菌则与各土壤养分指标没有显著的相关性。

3.3.2 特征根与方差贡献率

由于特征值≥1，提取了主成分PC1、PC2。其中，由碱解氮含量、速效磷含量、有机质含量、pH值组成的速效因子为第1主成分PC1；由细菌数量、放线菌数量、真菌数量组成的微生物菌数因子为第2主成分PC2。各主成分的特征值和方差贡献率见表4。由表4可知，PC1的方差贡献率为77.61%，PC2的方差贡献率为13.17%，2个成分的累积方差贡献率为90.78%，且≥80%，可以取PC1、PC2作为反映土壤养分状况的评价指标[19]，并且PC1对土壤养分的影响大于PC2。

表3 各指标间的相关系数†Table 3 Correlation coefficients between the indexes

表4 特征值与方差贡献率Table 4 Eigenvalues and variance contribution rates

3.3.3 各主成分得分和综合得分

对所提取的2个主成分进行载荷值旋转计算，可得成分得分系数矩阵（见表5）。由此可分别计算出PC1、PC2的函数表达式S1和S2。

S1＝0.159X1+0.215X2+0.202X3＋0.185X4＋0.171X5－0.024X6－0.216X7－0.156X8；

S2＝0.013X1－0.162X2－0.117X3－0.051X4－0.008X5＋0.439X6＋0.792X7－0.014X8。

表5 成分得分系数矩阵Table 5 Coefficient matrix of each component scores

将标准化的数据代入与其相对应的函数表达式中，得到7个处理分别在2个主成分上的分布（见图1）。由图1可知，在PC1的水平轴上，各处理按照土壤养分水平由高到低排列，依次为C2、C1、K24、P15、P13、K7、CK；在 PC2的水平轴上，各处理按照土壤养分水平由高到低排列，依次为K7、P15、C2、C1、K24、P13、CK。

图1 不同处理在PC1和PC2的水平分布Fig. 1 Horizontal distribution of different treatments on PC1 and PC2

根据综合主成分函数模型F＝ΣbjZj＝b1Z1＋b2Z2＋…＋bmZm（b为方差贡献率）[20]，得出F＝0.776 1Z1+0. 131 7Z2，从而计算综合得分并进行排序（见图2），以便对各处理的作用效果进行评价。由图2可知，复合菌株C2的综合得分最高，其它菌株的综合得分由高到低依次为C1、K24、P15、P13、K7、CK。

由以上分析可知，施入植物根际促生菌可以增加土壤的养分含量，尤其是复合菌株的施用对土壤养分含量的提高影响十分显著，说明复合菌株的施用，可以改善灰枣根际土壤的微环境，且复合菌株P13K24比P13K7的施用效果更强。

4 讨论与结论

图2 不同处理土壤在PC1和PC2上的综合得分Fig. 2 Comprehensive scores of soils in different treatments on PC1 and PC2

土壤微生物是生态系统中的分解者，它们分解有机质，释放养分，促进植物利用，抑制病毒，成为植物病原菌的拮抗体[21-22]。微生物菌株的施用，可以改善土壤养分供给和土壤微生物数量等，促使土壤微生物区系修复到健康的状态，调控土壤微生态系统平衡发展[23]。本试验的结果表明，施用微生物菌株的处理在灰枣的1个生长周期内使枣树根际土壤中碱解氮、速效磷、速效钾以及有机质的含量分别比只施用常规化肥的对照增加了15.07%、133.37%、35.11%和36.34%；土壤中细菌数量和微生物总量也有显著提高，但这并不排除试验时施入微生物菌株产生的影响；在本试验所设计的7个处理中，复合菌株P13K24的效果最好。虽然仅进行了1 a的试验测定，但根据王彦荣等[24]连续9 a的试验，其土壤有益微生物试验区的土壤改良效果一直保持良好，推断本研究结果可以深入推广应用。

综上所述，首先，施用PGPR后可以将土壤中难溶性的磷、钾转化成易溶性的磷、钾化合物，并且释放出无效形态的磷、钾元素，这也是中低肥力的土壤促进植物生长发育的重要机制之一[25]。其次，与单一功能菌株比较，复合菌株对土壤增加肥力的效应更明显，进一步证明了施用PGPR可以改良根际土壤，促进植物对土壤营养成分的吸收利用。已有大量研究成果证明PGPR在农业上有良好的应用前景，尤其是这类微生物菌剂可以单独施用，也可以把不同功能的菌株进行复合后再施用，以充分发挥其应用效果，专用复合型菌剂的研制与开发已逐渐成为一个热门的发展新方向。

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Principal component analysis of effects of PGPR on nutrients and microbial quantity in rhizosphere soil ofZiaiphus jujubacv. Huizao orchard

QIN Yun-ting1,2, LI Jian-gui1,2, GUO Yi-peng1,2, WANG Xian-kui1, HAN Chao1, LIU Sui-yun-hao1,2
(1. Institute of Forestry, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830000, Xinjiang, China; 2. Xinjiang Jujube Engineering Technology Research Center, Urumqi 830000, Xinjiang, China)

In order to obtain superiority strains good for gray jujube growth and development, through a field test, the effects of combination bacteria (P13K7and P13K24), single function bacteria (P13, P15, K7, K24) and the control (CK) on nutrients and microbial quantity inZiaiphus jujubacv. Huizao rhizosphere soil were researched. Eight indexes were simplified into two principal components using the method of principal component analysis, including soil pH value,organic matter content, alkali-hydrolyzable nitrogen content, rapid available phosphorus content, rapid available potassium content, bacteria quantity, actinomycetes quantity and fungi quantity. Information amount contained in the two principal components accounted for 90.78% of total information amount. The results showed that: compared with the control, application of PGPR could improve soil nutrients and microbial quantity. The combination bacteria P13K24had the best application effect according to the comprehensive evaluation results of the soil indexes.

PGPR;Ziaiphus jujubacv. Huizao; soil nutrient; microbial quantity; principal component analysis

10.14067/j.cnki.1003-8981.2015.03.007 http: //qks.csuft.edu.cn

2015-01-22

新疆科技支撑计划项目（201431106）；国家林业公益性行业项目（201304701）；国家自然科学基金课题（31360194）；新疆森林培育重点学科。

秦韵婷，硕士研究生。

李建贵，教授，博士研究生导师。E-mail：lijiangui1971@163.com

秦韵婷,李建贵,郭艺鹏,等. PGPR对灰枣土壤养分及微生物数量影响的主成分分析[J].经济林研究,2015,33(3):39－43.

S665.1；S606+.1

A

1003—8981(2015)03—0039—05

[本文编校：闻 丽]