微生物菌肥对茄子生长发育及土壤环境的影响

宋嘉欣，石文昕，刘世辉，王梦怡

（天津农学院 园艺园林学院，天津 300392）

茄子（Solanum melongenaL.），为茄科茄属植物，原产于亚热带地区，在全世界均有分布，我国栽培历史悠久，一般被认为是茄子的第二起源地。茄子具有适应性强、易于种植、生长周期长、高产等特点，成为我国夏秋季的主要蔬菜之一[1]。由于茄子种植管理较粗放，化肥使用量较多，易造成土壤理化性状下降，肥料利用率降低，土壤有益微生物种群减少且活性降低，土传性病害增加，严重影响了其产量和品质。

微生物菌肥作为一种新型的生物肥料，可以提高土壤中有益微生物的数量及活性，并利用微生物的新陈代谢作用为农作物供给营养，具有提高土壤肥力，改善土壤理化性状，增强作物抗病能力，促进作物生长，提高产量，改善和还原农产品品质等功能[2]。

大量研究表明，微生物菌肥对作物的生长发育及土壤环境产生积极的影响。阎世江等[3]研究发现，菌肥通过微生物的生命活动分解有机质并释放生长素等激素，改善了土壤环境，进而提高了茄子的品质，以及茄子的耐低温弱光能力和抗病性。陈建生等[4]发现施用生物菌肥与适当施用普通肥料能明显地提高花生叶绿素含量、光合速率和干物量的累积及产量。周进[5]研究结果显示，使用生物菌肥可以提高辣椒的光合作用，增加产量，明显改善品质。刘红波等[6]通过对结球甘蓝的试验发现，采用不同的微生物菌剂可以增加其净菜率和VC 的含量。王君杰等[7]试验结果显示，施用微生物肥料能明显改善谷子长势和产量。南京市蔬菜科学研究所甘小虎等[8]在茄子栽培中对施用有机生物菌肥与施用普通无机复合肥（对照）进行比较，发现施用含少量钾化肥的有机生物菌肥能明显促进茄子的营养生长，茄子增产18.93%～20.17%，增值6 101.1～6 491.3 元/hm2，茄子的含糖量、VC 含量增加16.3%和9.1%，品质得到改善。

良好的土壤环境是维持农作物正常生长发育的重要条件。土壤微生物是土壤生态系统中的重要组成部分[9]，其结构组成和功能多样性对维持土壤系统健康发挥着十分重要的作用[10-11]，土壤中所有物质的转化基本上都是在微生物的参与下进行的，因此微生物对土壤的生态功能具有重要的影响[12]。李戌清等[13]认为分析茄子连作与轮作土壤中微生物群落结构可了解土壤中细菌和真菌的构成比例，以及微生物多样性和优势度状况。通常把微生物的数量和活性看作土壤肥力的指标，微生物菌肥的施用可以增加有益微生物的数量。

茄子生长周期相对较长，对营养需求较大，仅施用复合肥往往不能满足其生长需要，配施微生物肥料，对茄子的产量、品质、生理生化指标以及土壤微生物群落结构多样性都会产生很大影响[14]。植物的生理生化指标可以反映出植物的抗病、抗逆能力及健康程度和干物质积累程度等，可直接影响到作物最终的产量、品质及适应环境的能力。土壤类型、施肥种类、施肥量、施肥方法直接或间接地影响土壤微生物的繁殖、种类以及多样性[15]。

为了较为准确地揭示土壤基质中微生物的群落结构、数量、多样性和物种分布情况，采用高通量测序技术对土壤微生物群落的结构变化进行系统分析。高通量测序技术相对于传统的测序技术，具有通量高、操作简便、准确率高、成本较低等优势，是获取大量土壤微生物信息的良好工具[16]，并且能对土壤微生物的多样性进行更加准确的分析，更加全面的反应土壤微生物环境。

本试验以茄子为研究对象，采用复合肥与微生物菌肥折算质量不同比例混合施用，通过茄子生理指标、产量以及对微生物群落多样性进行高通量测序，筛选出最佳的肥料配比，为茄子等茄科类作物的肥料施用提供科学依据[17]。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验以‘黑钸莉’品种茄子苗为试验材料。复合肥为史丹利农业集团股份有限公司研发的史丹利通用型复合肥（氮（N）≥15%，磷（P2O5）≥15%，钾（K2O）≥15%，总养分≥45%），微生物菌肥为山东施美特农业科技有限公司研发的枯草芽孢杆菌（有效活菌数≥200 亿/克）。

1.2 试验方法

试验在天津市西青区天津农学院日光温室进行基质盆栽，基质体积比为泥炭∶珍珠岩∶蛭石＝6∶2∶2，采用随机区组设计，设置4 个处理，每个处理3 次重复，每个重复6 株，共72 株。

按照肥料单位面积土地建议施用量折算每盆用量，复合肥建议施用量为2 g/盆，微生物菌肥建议施用量为1 g/盆。

处理1（T0）：单施复合肥，每盆施用复合肥2.0 g；处理2（T1）：混施复合肥和微生物菌肥，配施比例3∶1，即复合肥每盆2.0×3/4＝1.5 g，微生物菌肥每盆1.0×1/4＝0.25 g；处理3（T2）：混施复合肥和微生物菌肥，配施比例1∶1，即复合肥每盆2.0×1/2＝1 g，微生物菌肥每盆1.0×1/2＝0.5 g；处理4（T3）：混施复合肥和微生物菌肥，配施比例1∶3，即复合肥每盆2.0×1/4＝0.5 g，微生物菌肥每盆1.0×3/4＝0.75 g。

定植前在基质中按照处理添加复合肥和微生物菌肥，在田间管理期间，定期浇水，去腋芽，去除老叶和有病虫害的叶片，通过粘虫板减少病虫害，用支架防止茄子倒伏，并在茄子生长旺盛期按照处理再追加一次施肥。

在茄子生长过程中，分别在茄子的各个生长发育时期（苗期、开花结果盛期及生长后期）测量茄子植株的形态指标（株高、茎粗、最大叶面积）和叶片相对叶绿素含量（SPAD 值）以及茄子开花结果盛期基质中微生物群落多样性，待收获后，测定茄子产量。

植株形态测量：株高采用钢卷尺测量；茎粗采用游标卡尺测量；最大叶面积采用钢卷尺测量，测量最大叶长、宽，求面积（最大叶面积＝叶长×叶宽）。

相对叶绿素：茄子叶片相对叶绿素含量采用SPAD-502 plus 叶绿素测定仪测定，每株茄子随机测定3 次，并求其平均值。

微生物群落多样性的高通量测序：在茄子开花结果盛期采集T0 和T3 处理茄子根系附近的基质，将采集到的基质除去植物残体等杂物后，装入自封袋并放于-80 ℃的超低温冰箱中保存，利用高通量测序技术对基质微生物进行测定。提取基质样品总DNA，进行PCR 扩增并对其产物进行纯化、定量和均一化形成测序文库，建好的文库先进行文库质检，质检合格的文库用Illumina Novaseq 6000 进行测序。对测序得到的Raw Reads进行过滤质控得到不包含引物序列的Clean Reads，通过overlap 对每个样品的Clean Reads 进行拼接，然后根据不同区域的长度范围对拼接后数据进行长度过滤；最后去除嵌合体，得到最终有效数据。进一步进行多样性分析、显著物种差异分析、相关性分析、功能预测分析等。

1.3 数据处理

用SPSS 软件对所记录的不同处理植株的生理指标进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对茄子形态、叶片相对叶绿素含量以及产量的影响

由表1 看出，随着微生物菌肥配施比例的提高，茄子形态随之发生了明显变化，茄子的株高、茎粗、最大叶面积均有增加。但微生物菌肥配施比例不同对茄子苗期、开花结果盛期和生长后期的形态影响不同，在苗期、开花结果盛期时处理间不存在显著差异，而在生长后期T3 处理的茄子形态指标则均显著高于T0、T1、T2。可见，复合肥与生物菌肥比例为1∶3时能够显著提高茄子的株高、茎粗、最大叶面积等生长指标，有利于茄子生长。

表1 不同微生物菌肥添加量对茄子形态的影响

从表2 中看出，随着生长时间的增加茄子叶片相对叶绿素含量在降低。

表2 不同微生物菌肥添加量对茄子叶片相对叶绿素含量的影响

4 个处理中茄子叶片的相对叶绿素含量都是T3 显著高于T0，T1 与T2 两处理的值也总是高于T0，表明微生物菌肥对叶绿素的产生有促进效果，其中微生物菌肥占比最高的T3 处理效果最好。

由表3 看出，T1、T2、T3 与T0 相比分别增产了10%、65%、72%，表明添加微生物菌肥均提高了茄子产量，T2、T3 处理产量明显高于T0、T1，证明微生物菌肥在提高茄子产量方面有重要的作用。

表3 不同微生物菌肥添加量的茄子总产量 g/盆

2.2 不同施肥处理对茄子生长基质中微生物的影响

2.2.1 不同施肥处理对茄子生长基质中微生物群落多样性的影响

Chao1 指数可反映群落物种丰富度，Shannon指数可反映群落物种多样性。从表4 中可知，Chao1指数在T0 中的平均值为1 719.36、在T3 中的平均值为1 728.86，Shannon 指数在T0 中的平均值为8.94、在T3 中的平均值为9.20，增施微生物菌肥后基质中微生物多样性和群落的丰富度均有所提高。对T0 和T3 的茄子生长基质进行PCoA 分析（图1），PC1 的贡献率为43.76%，PC2 的贡献率为20.35%，主成分的累计贡献率为64.11%，T0样本与T3 样本明显分离。NMDS 分析图（图2）中的胁强系数（Stress）＝0.029 8＜0.2，6 组样品明显分离，表明样品间的相似性低，对PCoA 分析法进行补充说明。

图1 PCoA 分析图

图2 NMDS 分析图

表4 α 多样性指数统计

2.2.2 不同施肥处理对生长基质微生物群落组成及丰度的影响

在97%的相似度水平上，从6 组样品中共获得477 847 条有效序列，共测到1 747 个OUTs。通过预测的16S 拷贝数对OTU 进行归一化。如各样品特征个数分布图（图3）所示，OTU 指数在T0中的平均值为1 694，在T3中的平均值为1 706，T3 的值高于T0。

图3 样本特征个数分布图

物种丰度聚类热图（图4）表明，T3 颜色最深，说明在T3 中物种丰度最高，T0 整体颜色较浅，说明在T0 中物种丰度最低。同时T3 与T0之间的枝长相对较长，二者的相似性较小。

图4 物种丰度聚类热图

本研究从6 个基质样品中，共计检测到28 个细菌门，从物种分布柱状图（图5）中能看到平均相对丰度较高的前 10 个门分别为变形菌门（Proteobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）、拟杆菌门（Bacteriaoidetes）、酸杆菌门（Acidobacteria）、芽单胞菌门（Gemmatimonadetes）、放线菌门（Actinobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）、浮霉菌门（Planctomycetes）、髌骨菌门（Patescibacteria）、异常球菌门（Deinococcus）。其中门水平上的优势真菌类群为变形菌门（Proteobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）且占比最高，其次是拟杆菌门（Bacteriaoidetes）、酸杆菌门（Acidobacteria）。此外，T3 中的优势真菌类群的含量高于T0，这说明相对丰度较高的10 个细菌门在T3 中的丰度较大。

图5 物种分布图

通过Wilcoxon 秩和检验（图6）显示样本在属水平上P值小的前20 个物种，T3 中的Devosia（德沃斯氏菌）、Ramlibacter（沙壤土杆菌）、Rhizobacter（根瘤杆菌属）等物种相对丰度均显著高于T0；属水平组间ANOVA 方差分析柱状图（图 7）中显示在属水平上 T3 处理中Rhizobacter（根瘤杆菌属）、Blastocatella（芽枝霉属）、Hyphomicrobium（生丝微菌属）等相对丰度明显上升，显著高于T0，Thermopetrobacter（热油杆菌属）、Rhodobacter（红细菌属）等相对丰度T3 则低于T0，表明T0 和T3 处理之间物种相对丰度具有显著差异。

图6 秩和检验分析柱状图

图7 ANOVA 方差分析柱状图

3 讨论

高通量测序技术在分子生物学各个领域已经得到较为广泛的应用[18]，根据测序结果可以了解土壤微生物活性以及土壤微生物间的调控作用，同时可以快速分析出土壤中微生物群落的种类、数量和分布情况[19]。

本试验根据高通量测序结果，绘制出特征物种分布图、物种丰度聚类热图等，能清晰地看到施用微生物菌肥后群落结构的数量以及分布的变化。复合肥与微生物菌肥配施后茄子的各项生长指标以及相对叶绿素含量都优于单施复合肥，说明配施生物菌肥能促进茄子生长，且复合肥与微生物菌肥配施比例为1∶3 的T3 处理表现最好。

施用微生物菌肥后，土壤细菌群落结构在门和属水平上发生了明显改变，优势菌群的数量增加，微生物群落多样性提高。例如，Blastocatella菌属于酸杆菌门，具有提高土壤中全氮、有机磷以及有机质等元素含量的作用，酸杆菌门相对丰度的上升可能是缓解土壤理化性质变差等问题的原因之一[20]。李海云等[21]研究发现，东祁连山不同退化程度高寒草地土壤中细菌优势种群为酸杆菌门，表明酸杆菌门可能是不同生态系统中常见的土壤细菌优势门类。根瘤杆菌属具有固氮作用，其可能为茄子的生长发育提供氮素营养，促进了茄子的生长发育，有利于土壤健康发展[22]。此外，符菁等[23]研究表明在水稻分蘖期施用复合微生物菌肥，能够令土壤中有益微生物数量增加。王梦雅等[24]研究表明配施不同菌肥显著增加了土壤有机碳和速效养分的含量。叶绿素通过吸收光能，将二氧化碳和水分子合成有机化合物，为植物其他活动提供了重要的生命基础[25]。加入微生物菌肥后叶绿素含量均有不同程度的增加，表明微生物菌肥能有效地提高叶片中的叶绿素含量。这与高喜叶等[26]配施生物菌肥后发现胡萝卜叶片叶绿素含量有显著提高的结果相似。

GEISSELER 等[27]研究结果表明，大量施用复合肥后，通常会导致土壤微生物多样性减少，而丰富的微生物多样性以及丰度是衡量土壤是否健康的标志之一。微生物菌肥能增加有益微生物的数量，提高土壤中微生物的数量和活性，从而显著提高土壤肥力。两者混施，菌肥对作物吸收养分的条件进行改良，使土壤的保水保肥能力增加，提高复合肥利用率，减少复合肥的使用。微生物肥料中含有微量氮、磷、钾，但当土壤中氮、磷、钾含量不足，且对养分的需求量较大的情况下，微生物肥料无法提供足够的养分，所以必要时要适当添加一定量的复合肥料[28]。两者共同给作物创造良好稳定的生长条件，保证设施农业可持续性发展，所以研究施用复合肥与微生物菌肥的最佳配比是提高茄子各项生长指标和产量的关键。

4 结论

施加不同比例的微生物菌肥均能提高茄子的株高、茎粗、最大叶面积、叶片相对叶绿素含量，促进茄子生长，提高茄子产量。复合肥与生物菌肥配施比例为1∶3 是本次试验中最佳肥料配比，此处理中茄子产量明显高于其他处理，且茄子的株高、茎粗、最大叶面积也是最高的，相对叶绿素含量也达到了显著水平。基质中微生物菌肥与复合肥配施后在属水平的优势菌群是根瘤杆菌属、芽枝霉属等。微生物菌肥的施用增加了茄子生长基质中微生物群落的多样性，提高了物种的相对丰度并增加了优势菌群的种类。本研究为设施茄子微生物菌肥施肥技术提供理论基础，复合肥∶微生物菌肥＝1∶3 的折算质量施肥配比可以在茄子种植中推广应用。