根围促生细菌配施生物质炭对辣椒生长和土壤理化性质的影响

代玉荣，李云红，穆立蔷，吴 进

（1. 黑龙江农业工程职业学院，黑龙江 哈尔滨 150088；2. 黑龙江省生态研究所，黑龙江 哈尔滨 150081；3. 东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150006；4. 江西农业大学 农学院，江西 南昌 330045）

大量元素的长期不合理供应和过量施用，造成土壤有机物质利用率低、土壤物理结构失衡、土壤盐碱板结严重、地力有效性下降、作物产量低等问题，威胁粮食安全和人体健康[1-4]。因此，减少化肥使用量、改善土壤结构、提高农作物产量成为农业领域亟待解决的问题。植物根围促生细菌（Plant growth-promoting rhizobacteria，PGPR）是附着于植物根际周围的一类有益微生物，具有溶磷固氮、合成植物生长激素、促进氮磷钾等大量元素吸收、增强植物光合作用、防治土传病虫害的作用[5-8]。研究表明，施用PGPR 菌剂能有效促进辣椒（Capsicum annuum）植株生长，增加辣椒单株产量及挂果数；土壤微生物细菌数量呈显著增加趋势，真菌数量明显降低，具有溶磷、解钾及固氮等功能的菌群数量总体上表现为上升趋势[9]。梁建根等[10]的研究发现，PGPR 对黄瓜（Cucumis sativus）种子萌发、植株生长和根系伸长均有促进作用，可促进果实中叶绿素、蛋白质、可溶性糖和维生素含量的增加。另有研究表明，PGPR 处理能够显著提高土壤有机质、全氮、全磷、全钾、有效磷和速效钾含量，同时提高紫花苜蓿（Medicago sativa）株高、地下部鲜质量、地上部鲜质量以及植株全氮含量[11]。生物质炭作为多功能的土壤改良剂，具有存碳量大、孔隙结构疏松、含氧活性基团数量多等特点，且能提供丰富的营养物质，防止土壤板结，为微生物活动提供有益的繁殖和生存条件[12-14]。研究表明，温室盆栽试验下小白菜（Brassica campestris）在添加不同比例的生物质炭后产量显著提高，且生物质炭添加量与产量呈显著正相关关系；生物质炭对小白菜植株地上部和地下部的影响不一致；显著增加了土壤中总氮含量[15]。张功臣等[16]也发现，施用生物质炭可提高土壤肥力，速效氮、速效磷、速效钾及有机质含量显著高于对照；显著增加黄瓜叶片叶面积、茎秆粗度、地上部生物量和产量。

研究发现，枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）和生物质炭配施可增加水稻地上部株高及叶片数量，促进根系的伸长及侧根的分化，效果显著优于单一处理[17]。可见，PGPR 和生物质炭二者之间可能存在协同改善根系状况、增强植物生理功能的作用。单独添加生物质炭或者接种PGPR 对植物生长、土壤理化性质和微生物群落影响的研究较多，而关于二者配施对植物生长以及土壤微生物环境等影响的研究较少。鉴于此，以辣椒为研究对象，探究不同生物质炭添加量下接种PGPR 对辣椒生长、土壤理化性质以及微生物群落组成等的影响，揭示生物质炭和PGPR 的协同效应，为今后应用微生物协同技术促进植物生长、改善土壤条件提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

辣椒种子购自四川省川椒种业科技有限责任公司。PGPR 细菌为贝莱斯芽孢杆菌（Bacillus velezensis），由中国科学院微生物研究所提供，将菌株转移到牛肉膏蛋白胨液体培养基和无机盐培养基培养备用。生物质炭为花生炭壳（购自江苏华丰农业生物工程有限公司，炭化温度为300～500 ℃）。供试土样为121 ℃高温灭菌2 h 后的壤土。土壤基本理化性质：pH 值6.94、有机质含量23.5 g/kg、全氮含量12.6 g/kg、速效磷含量107.8 mg/kg、速效钾含量63.4 mg/kg。

1.2 试验方法

在0、1%、3%、9%生物质炭添加量下，分别设置接种贝莱斯芽孢杆菌处理（PGPR）及不接种对照（NM），共8个处理：0+PGPR、1%+PGPR、3%+PGPR、9%+PGPR、0+NM、1%+NM、3%+NM、9%+NM，随机排列，重复3 次。不同添加量生物质炭处理以花生壳炭的形式添加到土壤中。

将辣椒种子用30 ℃温水浸种8 h 后，置于恒温培养箱中出芽。然后选取长势一致的幼苗移栽至花盆中（上盆口直径20 cm、下盆口直径15 cm，高13 cm），每盆移栽3 棵。待辣椒幼苗长至二叶一心时，将20 mL PGPR 悬浮液（1×108cfu/mL）分别加入相应处理，不接种对照则接种等量无菌水。试验于日光温室中[白天/夜间温度为（25～30）℃/（15～18）℃，相对湿度为70%]进行，后期根据土壤肥力水平和植株生长需要补充30%的Hoagland 营养液，于70 d后观测供试植株的各项指标。

1.3 指标测定

株高和干质量等的测定：用直尺测定辣椒株高；采用霍尔德YMJ-B 植物叶面积测定仪测定叶面积；将植株地上部烘干（105 ℃、0.5 h）至恒质量记作干质量；采用GXY-A根系分析扫描仪测定根系构型。

土壤微生物数量的测定：采用稀释平板法[18]测定土壤中微生物数量。称取10 g 辣椒根围土壤于90 mL 的无菌水中，摇匀并用玻璃棒不断搅拌稀释，吸取10 μL 液体于营养琼脂培养基中，用玻璃棒涂抹均匀，于28 ℃培养箱中培养3 d 后计算微生物数量。

土壤养分含量测定：利用凯氏定氮仪测定土壤全氮含量；采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定速效磷含量；采用中性乙酸铵溶液浸提、火焰光度计法测定速效钾含量；采用水合热重铬酸钾氧化比色法测定有机质含量[19]。

土壤微生物生物量碳、氮测定：采用熏蒸浸提法测定土壤微生物生物量碳和土壤微生物生物量氮[19]。

土壤酶活性测定：采用紫外吸收法测定过氧化氢酶活性；采用邻苯三酚比色法测定多酚氧化酶活性；采用磷酸苯二钠比色法测定磷酸酶活性；采用2，3，5-氯化三苯基四氮唑（TTC）比色法测定脱氢酶活性[19]。

1.4 数据处理

采用Excel 2003 软件对数据进行处理和绘图，采用DPS 9.0 和SPSS 11.0 软件对数据进行单因素、双因素方差分析以及差异显著性检验（LSD法，α=0.05）。

2 结果与分析

2.1 PGPR配施生物质炭对辣椒生长的影响

不同生物质炭添加量下，PGPR 均能够在辣椒根系稳定定殖，产生促生效应。在较低的生物质炭添加量下，随生物质炭添加量的增加，辣椒株高、叶面积和地上干质量增加，至9%生物质炭添加量时又有所下降（表1）。在3%生物质炭添加量下，接种PGPR 处理的辣椒株高最高，为23.1 cm；叶面积最大，为736.3 mm2；地上干质量最大，为1.41 g。与3%+NM 相比，3%+PGPR 处理辣椒株高、叶面积、地上干质量分别提高24.2%、77.3%、19.5%。

表1 PGPR配施生物质炭处理下辣椒生长情况Tab.1 Growth of C.annuum under PGPR combined with biomass carbon

2.2 PGPR配施生物质炭对辣椒根系构型的影响

同一生物质炭添加量下，PGPR 能够增加辣椒根系根尖数、根分叉数、根系总体积以及根系总投影面积，且不同处理间差异显著（P＜0.05）。对于PGPR 处理或者不接种处理，在较低的生物质炭添加量下，随生物质炭添加量的增加，辣椒根系根尖数、分叉数、总体积以及总投影面积增加，至9%生物质炭添加量时又有所下降（表2）。与3%+NM 相比，3%+PGPR 处理辣椒根尖数、分叉数、总体积、总投影面积分别提高28.5%、13.2%、16.9%、8.8%。

表2 PGPR配施生物质炭处理下辣椒根系构型Tab.2 Root architecture of C.annuum under PGPR combined with biomass carbon

2.3 PGPR配施生物质炭对辣椒根系土壤酶活性的影响

同一生物质炭添加量下，PGPR 能够增加辣椒根系土壤中脱氢酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶活性，且不同处理间差异显著（P＜0.05）。对于PGPR 处理或者不接种处理，在较低的生物质炭添加量下，随生物质炭添加量的增加，脱氢酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶活性增加，至9%生物质炭添加量下稍下降（表3）。生物质炭添加量3%下，接种PGPR 处理的辣椒根系土壤中脱氢酶活性最大，为1.333 mg/g；酸性磷酸酶活性最大，为60.70 mg/g；过氧化氢酶活性最大，为2.59 mL/g；多酚氧化酶活性最大，为0.240 mg/g。与3%+NM 相比，3%+PGPR 处理辣椒根系土壤中脱氢酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶活性分别增加了16.2%、4.5%、28.2%、28.3%。

表3 PGPR配施生物质炭处理下辣椒根系土壤酶活性Tab.3 Soil enzyme activities of C.annuum under PGPR combined with biomass carbon

2.4 PGPR配施生物质炭对辣椒根系土壤养分含量的影响

同一生物质炭添加量下，接种PGPR 处理能够增加辣椒根系土壤中全氮含量，而降低土壤速效磷、速效钾和有机质含量，各处理间差异显著（P＜0.05）。对于PGPR 处理或者不接种处理，在较低的生物质炭添加量下，随生物质炭添加量的增加，土壤全氮、速效磷、速效钾和有机质含量呈先上升后下降的趋势（表4），生物质炭添加量为3%时接种PGPR 处理土壤全氮含量最高，达到19.8 g/kg。3%+NM 处理的土壤速效钾、速效磷、有机质含量均为最大，分别为113.1、140.1、33.9 mg/kg。

表4 PGPR配施生物质炭处理下辣椒根系土壤养分含量Tab.4 Soil nutrient contents of C.annuum under PGPR combined with biomass carbon

2.5 PGPR配施生物质炭对辣椒根系微生物群落组成的影响

同一生物质炭添加量下，接种PGPR 处理显著增加辣椒根系土壤中细菌、放线菌数量，降低真菌数量，各处理间差异显著（P＜0.05）。不接种PGPR的处理，随生物质炭添加量的增加，土壤真菌数量显著下降，细菌和放线菌的数量随之增加，至9%生物质炭添加量下数量又有波动（表5）。3%+PGPR处理的细菌与放线菌数量均为最大，分别为5.37×105、2.83×105cfu/g。

表5 PGPR配施生物质炭处理下辣椒根系土壤微生物群落组成Tab.5 Soil microbe number of C.annuum under PGPR combined with biomass carbon

2.6 PGPR配施生物质炭对辣椒根系土壤微生物生物量碳、氮的影响

同一生物质炭添加量下，接种PGPR 处理显著增加辣椒根系土壤中微生物生物量碳、氮含量，各处理间差异显著（P＜0.05）。PGPR 处理或者不接种处理下，随生物质炭添加量的增加，微生物生物量碳、氮含量增加，至9%生物质炭添加量下稍下降（图1）。3%+PGPR 处理的微生物生物量碳、氮含量达到最大，分别为133.7、18.7 mg/kg，分别是3%+NM处理的1.6、1.2倍。

图1 PGPR配施生物质炭处理下辣椒根系土壤微生物生物量碳、氮含量Fig.1 Soil microbial biomass carbon and nitrogen content of C.annuum under PGPR combined with biomass carbon

2.7 PGPR配施生物质炭处理下辣椒各指标方差分析

方差分析结果表明，不同生物质炭添加量对辣椒株高、干质量、叶面积、根系总投影面积、根分叉数、根尖数、根系总体积、真菌数量、细菌数量、放线菌数量、有机质含量、全氮含量、速效磷含量、速效钾含量、多酚氧化酶活性、酸性磷酸酶活性、脱氢酶活性、过氧化氢酶活性、微生物生物量氮含量、微生物生物量碳含量均有显著影响。接种PGPR 与否仅对土壤真菌数量影响不显著，对其余各指标影响均显著（表6）。不同生物质炭添加量与接种PGPR 处理的交互作用对辣椒地上干质量、真菌数量影响极显著，对微生物生物量碳影响显著，对其余指标无显著影响。

表6 PGPR配施生物质炭处理下各指标方差分析（F值）Tab.6 Two-way ANOVA of all the indexes under PGPR combined with biomass carbon（F value）

3 结论与讨论

PGPR 作为一种土壤有益细菌，具有拮抗植物病原菌、促进植物生长发育的作用。研究发现，PGPR 与寄主植物共生时，可刺激寄主作物的生长并代谢多种有益成分，如氨基酸、蛋白质、糖类等[20]。如接种同温层芽孢杆菌（Bacillus stratosphericus）、蜡样芽孢杆菌（Bacillus cereus）、枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）对苦草（Vallisneria natans）株高、根系长度、总生物量具有促进作用[21]。此外，土壤中丰富的有机物质和无机物质协同微生物种群在参与土壤根圈系统中生物化学循环时发挥重要作用，而二者又影响土壤养分（氮、磷、钾）含量、土壤结构、微生物数量、碳汇储量、水分利用率以及土壤通气情况等[22-23]。有研究发现，生物质炭能促进土壤微生物发育定殖，其主要作用是介导土壤养分转化，进而影响土壤物理结构性质以及有机营养物质循环，直接或间接对植物生长造成影响[24-25]。

本研究表明，施用生物质炭或者接种PGPR 均可促进辣椒生长，改善植物根系情况。这可能是PGPR 定殖土壤后，产生生长素、细胞分裂素和赤霉素等植物激素，溶解土壤中矿物质并合成铁载体来促进植物生长。PGPR 配施生物质炭已被证明可以改善植物生长条件，包括烤烟[26]、樱桃[27]等，这与本研究结果一致。本研究也证实，接种PGPR 并配施生物质炭能够增加辣椒根系总投影面积、总体积、根尖数和根尖分叉数。这可能是PGPR 促进了根系表皮细胞壁木质化，使得植物细胞增厚，促进了辣椒根系的发育和分支，从而改变了辣椒根系形态。PGPR 配施生物质炭不仅可以提高植物生长和产量[28-29]，还可以促进植物养分吸收，从而提高肥料利用效率。本研究条件下，PGPR 和生物质炭处理后的土壤养分状况得到显著改善，这可能与所施用的生物质炭原料有关，生物质炭原材为花生壳，含有有机质和营养物质，经土壤中微生物作用后大大提高土壤养分含量，加之生物质碳具有高孔隙、高面积和高吸附化合物、细菌的能力，能够进一步改善土壤团粒结构，为PGPR 在土壤中定殖提供了良好的生态位。

土壤微生物是土壤生态系统中维持物质循环和能量流动的重要部分，其种类和数量随土壤环境、土层厚度、施肥措施等的不同而变化，主要参与土壤硝化、固氮等过程。土壤酶活性的变化既与土壤微生物数量、植物种类有关，又与土壤养分循环有关。研究发现，以束村氏菌属（Tsukamurella）、伯克霍尔德氏菌属（Burkholderia）的细菌以及两者混合菌液作为接种物对花生作用后，花生根际土壤中影响土壤氮循环功能的菌群数量提高，细菌总数、固氮菌和溶磷菌数也显著增加；土壤蔗糖酶、脲酶及过氧化氢酶活性均高于对照；土壤碱解氮及速效钾含量也显著提高，进而证实PGPR 通过活化土壤微生物来提高植株的有效营养元素含量，促进生长[30]。本研究发现，不同生物质炭处理辣椒根系土壤中真菌呈现减少的趋势，而细菌、放线菌数量增加；接种PGPR 后土壤细菌、放线菌数量也显著高于对照；生物质炭单独处理或与PGPR 配合使用，均显著增加土壤中各种酶活性。另有研究发现，生物质炭处理在烟草生长期间显著提高土壤微生物生物量碳含量，平均提高60.0%，土壤微生物生物量氮含量是对照的2.3 倍，证实生物质炭可以有效地提高烟草土壤中土壤微生物生物量碳、微生物生物量氮及土壤中氮素生物活性[31]。本研究表明，接种PGPR 后辣椒根系土壤中微生物生物量碳、氮含量都显著增加，其平衡态势受土壤营养状况、水分状态等综合影响，具体原因还需进一步研究。

综上可知，PGPR 能够促进辣椒生长和有机营养物质的积累，改善辣椒根系构型，增加根系总投影面积、总体积、根尖数和根尖分叉数。此外，PGPR 能够促进土壤微生物生物量碳、氮的积累，提高土壤中蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶和多酚氧化酶等活性，进而增加土壤中细菌、放线菌数量，降低真菌数量。以PGPR 配施3%生物质炭时促进辣椒生长、改善土壤微环境的效果为最佳。