混合微生物菌剂对连作土壤中黄瓜幼苗生长的影响

黄书超，侯栋,，颉建明，孔维萍，岳宏忠，张东琴，李亚莉

(1.甘肃农业大学园艺学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省农业科学院蔬菜研究所，甘肃 兰州 730070)

随着设施园艺的迅速发展，设施农业面积的逐年扩大，设施农业已经成为促进农业发展、农民脱贫致富以及增强农业综合生产能力的重要支柱产业.但是，由于设施栽培作物种类单一，连作障碍问题日渐突出，尤其是产业发展过程中形成的“一村一品”生产优势区，连作障碍表现更为突出[1].设施黄瓜[2]、辣椒、甜瓜[3]等生产区，超过10 a重茬现象较为普遍，连作导致病菌大量繁殖，生态条件恶化，土传病害严重和土壤营养元素平衡被破坏，最终造成作物产量下降、品质降低，严重阻碍了设施农业可持续发展的步伐[4].因此，探究利用农艺技术克服连作障碍的机理具有十分重要的意义.

黄瓜(CucumissativusL.)因其口感清脆多汁，成为人们喜爱的蔬菜之一，也是设施蔬菜主栽作物之一[5]，甘肃省年播种面积约1万hm2，形成了凉州四坝、靖远北湾、武山北顺等设施黄瓜专业生产基地，连作障碍已经成为制约当地产业优质高效发展的突出问题[6].微生物菌剂是一种或数种有益微生物、微生物载体等经过特殊工艺制成的含有一定活菌数并用于植物的间接性肥料，具有固氮、溶磷、促生长、生防等功能，能够提高植物对养分的吸收、增强作物的抗病能力[7].近年来，通过向植物根际施用有益微生物，平衡土壤微生物菌群结构、改良土壤环境和防止土传病害，从而克服连作障碍已成为研究热点.前人已进行过大量研究，但是，多数学者仅研究单一微生物菌剂对作物的生长影响，于会丽等[8]研究发现微生物菌剂能够改善连作西瓜根部土壤微环境、降低连作障碍发病率，提高产量与果实品质；谢宏鑫等[9]发现AMF微生物菌剂可提高西瓜土壤蔗糖酶活性；谢东峰等[10]研究发现微生物菌肥在一定程度上能够诱导黄瓜的系统抗病性.但是，对混合微生物菌剂消减黄瓜连作障碍方面的研究鲜有报道.本试验运用盆栽法，研究连作土壤中施加不同剂量的混合微生物菌剂对黄瓜幼苗生长的影响，试图找出缓解连作障碍最佳的混合微生物菌剂添加量，为微生物菌剂的应用及黄瓜连作障碍的缓解提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试品种：黄瓜品种为甘丰春玉，甘肃省农业科学院蔬菜研究所生产.试验所用土壤(连作10 a)取自甘肃省农业科学院蔬菜研究所基地大棚.2019年12月6日分别在塑料大棚内5点取样法采取0～20 cm耕层土样，用编织袋装好并带回温室风干、过筛备用.混合微生物菌剂由菌株P2：普罗威登斯菌(Providenciarettgeri)、P4：克什米尔小陌生菌(Advenellakashmirensis)、P19：醋酸钙不动杆(Acinetobactercalcoaceticus)、P35：腐败沙雷菌(Serratiaplymuthica)等比例混合而成，4种菌株彼此兼容[11].微生物菌剂由甘肃农业大学草业学院微生物实验室提供，4种菌都具有固氮和溶解有机和无机磷功能，P2、P4具有分泌IAA功能，P35具有生防功能，4种菌的活菌数量均≥2×108/mL.

1.2 试验设计

试验于2019年12月～2020年1月在甘肃省农业科学院蔬菜研究所培养箱进行，人工气候箱(RXZ-160D,宁波江南仪器厂)光照强度为250 μmol/(m2·s)，光周期和温度分别为16 h/8 h(昼/夜)和30 ℃/18 ℃(昼/夜)，湿度为90%/80%(昼/夜).试验共设4个处理：CK为清水对照不添加微生物菌剂；A、B、C处理依次添加2.5、5.0、7.5 mL/盆的混合微生物菌剂.采用栽培盆(上口径14 cm，盆底直径10 cm，高 12 cm)进行栽培，常规管理.2019年12月进行播种，每盆装土1 kg，选取颗粒饱满、大小一致的种子催芽后播于花盆中并浇灌不同量(每盆浇灌30 mL水，其中A、B、C各处理含有菌剂2.5、5.0、7.5 mL，对照CK浇灌清水)的混合微生物菌剂于种子周围，菌剂只添加一次，各处理间管理水平一致.每个处理3次重复，每盆5株.待黄瓜长至一叶一心时，每隔3 d浇透水，平衡其蒸发量[12].

1.3 测定项目与方法

苗龄30 d时，各处理随机取9株标记后测定各项指标，采用卷尺测定株高(茎基部到植株生长最高处)，游标卡尺测定茎粗[13](茎基部的粗度).叶片的数目为展开的叶片数.丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸显色法进行测定，相对电导率采用电导法，叶绿素含量采用95%乙醇萃取比色法测定，根系活力用TTC法测定[14].

1.4 数据处理

用Microsoft Excel 2016进行数据整理和作图，用SPSS 16.0进行Duncan方差分析，采用模糊数学隶属函数法对各指标进行综合评价.

采用模糊数学隶属函数法对各指标进行分析，隶属函数的计算公式[15]：

隶属函数值：

U(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(1)

反隶属函数值：

U(Xi)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

式中：Xi为指标测定值，Xmin、Xmax为某一指标的最小值和最大值，如果Xi-Xmin为负值，则采用(2)式.

2 结果与分析

2.1 连作土壤施加不同剂量的混合微生物菌剂对黄瓜幼苗生长势的影响

生长势代表植物生长发育的旺盛程度，能够直观体现出植物对逆境胁迫的反应.由表1可以看出，与对照相比，施入一定量的混合微生物菌剂可以不同程度地提高黄瓜幼苗的株高、茎粗、叶片数.其中添加5 mL/盆的微生物菌剂处理效果较明显，与对照差异显著，幼苗株高、茎粗、叶片数分别比对照提高了18.1%、26.8%、25.9%.说明一定剂量范围内(2.5～7.5 mL/盆)的混合微生物菌剂能够减小连作障碍给黄瓜幼苗带来的胁迫，促进连作障碍条件下黄瓜幼苗的生长.

表1 连作土壤施加不同剂量的混合微生物菌剂对黄瓜幼苗生长势的影响

2.2 连作土壤施加不同剂量的混合微生物菌剂对叶绿素a、叶绿素b及叶绿素含量(a+b)的影响

叶绿素是植物进行光合作用的主要色素，是植物进行光合作用的主要物质基础.由图2可知，施加不同剂量的混合微生物菌剂后均提高了黄瓜幼苗叶片的叶绿素a、叶绿素b和叶绿素含量.其中以施加混合微生物菌剂5 mL/盆与对照相比，差异显著.施加混合微生物菌剂2.5、5、7.5 mL/盆的黄瓜幼苗叶片的叶绿素a含量分别比对照增加了30.81%、42.72%和13.43%；叶绿素b含量分别比对照增加了30.96%、41.11%和15.34%；叶绿素(a+b)含量分别比对照增加了30.97%、42.39%和14.01%.说明适宜添加量的混合微生物菌剂(5 mL/盆)能够显著促进黄瓜幼苗叶绿素合成，混合微生物菌剂添加量达到7.5 mL/盆及以上时可能会出现叶片黄化、脱落现象，幼苗的光合面积减小，生长受到抑制.

图1 混合微生物菌剂处理对黄瓜幼苗叶绿素a、叶绿素b和叶绿素含量(a+b)的影响Figure 1 Effect of mixed microorganism on chlorophyll a,Chlorophyll b and chlorophyll content (a+b) of cucumber seedlings

2.3 连作土壤施加不同剂量的混合微生物菌剂对黄瓜幼苗根系活力的影响

植物根系是活跃的吸收和合成器官，是植物重要的器官之一，其活力水平直接与植物地上部分能否健康生长密切相关.由图3可知，与对照相比添加微生物菌剂2.5、5、7.5 mL/盆各处理对黄瓜根系活力均有促进作用，除7.5 mL/盆处理外其他处理与对照差异显著；随着混合微生物菌剂添加量增多，黄瓜幼苗根系活力均有不同程度的增加，各处理后的根系活力分别是对照的3.34、6.10和2.30倍.说明混合微生物菌剂能够减小黄瓜连作障碍土对黄瓜幼苗的胁迫，促进了黄瓜幼苗根系的生长，其中混合微生物菌剂添加量为5 mL/盆的效果最明显.

图2 连作土壤施加不同剂量的混合微生物菌剂对黄瓜幼苗根系活力的影响Figure 2 Effects of different doses of mixed microbial agents on root activity of cucumber seedlings in continuous cropping soil

2.4 连作土壤施加不同剂量的混合微生物菌剂对黄瓜幼苗叶片丙二醛含量(MDA)的影响

丙二醛(MDA)是细胞膜脂过氧化作用的产物之一，它的产生还能加剧膜的损伤.因此，丙二醛产生数量的多少能够代表膜脂过氧化的程度，也可间接反应植物组织抗氧化能力的强弱.由图4可知，3种处理与对照相比，黄瓜叶片MDA含量差异显著，微生物菌剂处理的均低于对照.随着混合微生物菌剂的增加连作障碍条件下的黄瓜幼苗受伤害程度减少.添加微生物菌剂2.5、5、7.5 mL/盆各处理下MDA含量分别比对照降低了51.3%、82.8%、54.6%，差异均达显著水平.说明加入混合微生物菌剂能够增强植物抗氧化能力，减少膜的损伤，从而缓解连作障碍给黄瓜幼苗带来的伤害，其中添加微生物菌剂5 mL/盆处理效果最佳.

图3 连作土壤施加不同剂量的混合微生物菌剂对丙二醛(MDA)含量的影响Figure 3 Effects of different doses of mixed microbial agents on malondialdehyde (MDA) content in continuous cropping soil

2.5 连作土壤中施加不同剂量的混合微生物菌剂对黄瓜幼苗叶片相对电导率的影响

如图5所示，与对照相比，不同剂量混合微生物菌剂的处理下叶片电导率均有所降低，且添加微生物菌剂5 mL/盆与对照相比差异显著，比对照降低了14.43%，添加微生物菌剂2.5 mL/盆比对照降低了7.44%，7.5 mL/盆比对照降低了6.96%.处理后的相对电导率均降低，对膜损伤程度较轻，说明微生物菌剂对连作土壤有缓解作用，其中以添加微生物菌剂5 mL/盆效果最好.

不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05).Different lowercase letters showed significant difference between treatments (P<0.05).图4 连作土壤施加不同剂量的混合微生物菌剂对黄瓜幼苗叶片相对电导率的影响Figure 4 Effects of different doses of mixed microbial agents on the relative electrical conductivity of cucumber seedling leaves in continuous cropping soil

2.6 连作障碍条件下添加混合微生物菌剂后黄瓜幼苗各指标的综合评价

连作土壤中施加混合微生物菌剂，单个指标不能全面反映各处理的实际缓解连作障碍能力的大小，而隶属函数分析提供了在多指标测定基础上，对其进行综合评价的方法，能够有效的克服单个指标的片面性[16].故本试验采用隶属函数分析法对连作障碍条件下添加混合微生物菌剂时黄瓜幼苗叶绿素含量、相对电导率、MDA、根系活力、株高、茎粗、叶片数、叶绿素a和叶绿素b进行了综合评价.由表1可知，各处理的隶属函数值均大于CK的隶属函数值.不同剂量的混合微生物菌剂对缓解黄瓜连作障碍的效果从高到低顺序为5、2.5、7.5 mL/盆.由此可知，5 mL/盆的混合微生物菌剂对连作障碍的消减作用最佳.

表2 不同剂量混合微生物菌剂对黄瓜幼苗各指标的隶属函数及排序

3 讨论

目前，关于微生物菌剂缓解植物连作障碍的研究已有大量报道，包括微生物菌剂对辣椒生长、产量及品质均有一定的提高及改善作用[17]，适宜浓度的黄腐酸微生物菌剂能够显著提高叶绿素含量和净光合速率，改善平邑甜茶幼苗叶片的能量分配，减轻连作障碍对平邑甜茶幼苗叶片光系统II的破坏，促进幼苗生长[18]，以及施用菌剂对连作棉田棉花黄萎病有明显的抑制作用等[19].研究发现，土壤微生态环境改变[20]、土传病原菌的积累[21]、土壤盐渍化[22]和植物的化感效应[23]等是引起黄瓜连作障碍的主要原因.同样，长期连作也会导致土壤养分不平衡、微生物区系改变以及植物自身自毒物质累积等都会使植物处于胁迫环境中[24].

本研究发现，未施用混合微生物菌剂的黄瓜幼苗生长明显弱小、叶片枯黄，其株高、茎粗、叶片数、根系活力及叶绿素等指标均低于施用了混合微生物菌剂的处理.根系活力是反映植物根系生命活动的一个重要的生理指标，与呼吸作用相关联[25].叶绿素是反应光合能力的一个重要生理指标，叶绿素含量越高，植物摄取阳光进行光合作用的能力越强，光合产物积累越多，作物的产量和品质也越好[26].本研究中，与未施用微生物菌剂相比，施用不同剂量混合微生物菌剂黄瓜株高、茎粗、叶片数、根系活力及叶绿素均有显著的促进作用，可能因为连作土壤中积累了大量的病原菌以及其他有害物质，从而抑制了黄瓜幼苗的生长，而混合微生物菌剂具有溶磷、固氮、促生长及生防功能，混合微生物菌剂处理后，改善了土壤理化性质，平衡了微生物菌群结构、促进黄瓜幼苗根系代谢和提高养分的利用率，进一步促进黄瓜幼苗健康生长.这与李国等[26]的研究结果基本一致.丙二醛是由于植物器官衰老或在逆境条件下受到伤害，其组织或器官膜脂发生过氧化反应而产生的，它与植物衰老和逆境伤害有密切的关系，在一定程度上反应植物在遭受逆境胁迫时受到伤害的程度[27].植物叶片电导率在一定程度上反映了幼苗叶片细胞膜系统的完整程度[28].本研究中，混合微生物处理后丙二醛(MDA)和叶片电导率均低于对照，说明混合微生物菌剂能够消减连作障碍对黄瓜幼苗所造成的伤害，增强植物的抗氧化能力，减少氧自由基的累积，在一定程度上提高了黄瓜幼苗的抗性.这一结果与梁伟等[29]的研究结果基本一致.

4 结论

根据隶属函数值进行排序，本试验中添加微生物菌剂缓解连作障碍由强到弱的顺序为：5 mL/盆>2.5 mL/盆>7.5 mL/盆>0 mL/盆.不同添加量的混合微生物菌剂对连作障碍的缓解效果不同，存在最适添加量，当超过最适剂量后，会抑制黄瓜幼苗生长，影响混合微生物菌剂对连作障碍的消减效果.这与郑雪芳等[30]的研究结果一致.猜测其可能是因为混合微生物菌剂的有效功能菌在黄瓜连作土壤中形成优势菌群，与病原菌形成竞争关系，抑制了有害菌的生长，提高了植物对养分的吸收，从而促进黄瓜幼苗生长，有效缓解黄瓜连作障碍.但是，混合微生物菌剂含有丰富的有机物，在为功能菌提供良好繁殖环境的同时，也为连作土壤中的有害微生物提供了适宜的生存环境.本研究中5 mL/盆的混合微生物菌剂对连作障碍的消减作用最佳.