不同有机菌肥对番茄、圣女果产量和品质的影响

唐晓斐,李 伟,李玉成,李永慧

(1.安徽大学资源与环境工程学院,合肥 230601;2.中国科学院合肥智慧农业协同创新研究院,合肥 230601)

【研究意义】设施栽培逐渐成为我国番茄的主要种植模式,但因温室大棚冬季低温弱光、夏季高温强光、连作障碍等问题,番茄栽培难度大[1]。达到增产提质的目的,除培育高质量品种外,改进设施栽培条件也是关键技术之一。芽孢杆菌属(Bacillus)是一类应用广泛的植物病害生防细菌[2],其中巨大芽孢杆菌(Bacillusmegaterium)是一种具有促进植物生长、解磷、抑菌和抗逆等多种功能的有益菌[3],是微生物肥料中常用的菌种之一。枯草芽孢杆菌通常存在于土壤、腐败物中,能够分泌枯草菌素、蛋白酶、制霉菌素、纤维素酶等多种酶类和活性物质[4],这些物质在植物生长过程中,一方面能够诱导产生有利于提高植物免疫力的抗病因子,对致病菌或内源性感染的条件致病菌均有显著的抑制作用,另一方面对增加土壤养分含量、调节和促进植物生长发育具有一定的影响[5-7]。固氮菌除了利用固氮酶进行生物固氮,还具有促生功能,可分泌有机酸提高土壤养分的有效性;可产生植物激素促进植物根系发育,提高根系对养分的吸收利用;可产生拮抗病原菌,提高作物抗病能力等[8-9]。【前人研究进展】在作物促生防病研究中,在土壤中添加外源菌已经成为一种常见且有效的方法。Ji等[10]报道巨大芽孢杆菌L2粗提物对番茄青枯雷尔氏菌(Ralstoniasolanacearum)有抑制作用;赵英男[11]研究表明巨大芽孢杆菌在黄瓜生长过程中可产生促生物质直接促进黄瓜生长并能有效调控黄瓜根系内源植物激素水平。吉婕莉等[12]研究发现接种枯草芽孢杆有助于沼渣矿化、腐殖化及提高腐熟程度;武菊平等[13]明确了生物炭负载枯草芽孢杆菌对开花期的辣椒有明显的促生作用,同时能够改善根际土壤微生态环境,有效缓解辣椒连作的土壤障碍。张瑞楠[14]通过固氮菌和氮肥配施,发现接种固氮菌能够有效提高甘蔗光合效率、产量和品质;杨振宇等[15]在黄芪播种前拌入固氮菌剂,发现菌剂拌种不仅能促进黄芪生长和药效成分含量累积,还能改善土壤养分和土壤酶活性。【本研究切入点】近年来已有大量关于单一菌剂或混合菌剂对作物产量、品质影响的研究,但对枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌和固氮菌的混合研究报道较少。【拟解决的关键问题】选取3个不同菌种(枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、固氮菌)及其混合菌,探讨单一菌种和混合菌配合基质配方对提高番茄、圣女果产量和品质的影响,以期为提高设施农业番茄产量、品质及防治土传病害生物提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

“皖杂20”番茄和“金莹”圣女果由安徽省农科院提供,泥炭土、椰糠购于合肥芸林生态农业科技有限公司,蚯蚓粪、稻壳、菜籽饼均购于合肥诚汇生态农业有限公司。供试菌剂为北海业盛旺生物科技有限公司的巨大芽孢杆菌,山东秀邦生物科技有限公司的枯草芽孢杆菌,南京赛尔特生物技术有限公司的圆褐固氮菌。

1.2 试验方法

试验在安徽省合肥市长丰县中科智慧农业协同创新研究院(117°27′ E,31°96′ N)进行。试验前期按v(羊粪)∶v(稻壳)∶v(菜籽饼)=20∶13∶7进行好氧堆肥,分成4堆,每堆分别加入同堆体质量1%的枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、固氮菌、混合菌。保持堆体含水率60%,pH 7～8,堆肥时间40～50 d,堆置期间每天16:00测定堆体温度,观察腐熟程度。

腐熟完成后,根据基质的保水性能、透气性能、养分含量和生物活性等特性,将有机肥混合泥炭土、椰糠、蚯蚓粪等材料制备成番茄种植基质,试验设置2个配方(S和F配方),每个配方各4个处理组(S1～S4、F1～F4),共8个基质处理组(表1),由于试验空间限制,根据基质营养情况择优挑选S1、S4、F1、F4组进行种植试验,空白对照组为有机肥不加菌剂配成的2种基质,即CK1(S配方对照组)、CK2(F配方对照组)。基质pH范围在6～7,EC为0.8～1.1 mS/m。种植时选用基质专用长形塑料袋,装入基质后封口,每个处理组置于1行高架上,每行各有1/2数量的基质袋种植番茄,1/2种植圣女果,每袋基质栽3株,株距为25 cm。种植期间使用迈普润的微、中量元素水溶肥和有机水溶肥,统一进行常规水肥管理,植株生长期观察和记录番茄、圣女果生长状况以及病虫害情况。另外,在番茄、圣女果生长期喷施叶面硒肥3次,每次间隔1周,以此来提高番茄和圣女果的营养价值。

表1 不同基质(体积比)配比处理

1.3 测定项目与方法

1.3.1 基质理化性质测定 采用凯氏自动定氮仪测定全氮;采用碱解扩散法测定水解性氮(碱解氮);采用重铬酸钾氧化-外加热法测定有机质;采用钼锑抗比色法测定有效磷;采用乙酸铵浸提法测定速效钾;采用硝酸煮沸法测定缓效钾;采用原子吸收分光光度法测定有效态铜、锌、铁和锰;利用极谱仪测定有效钼;采用甲亚胺-H比色法测定有效硼。

1.3.2 基质酶活性测定 过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法测定;脲酶采用靛酚蓝比色法测定。

1.3.3 死苗率及病虫害统计 调查番茄、圣女果定植后死亡株数,计算死苗率;统计果实发病情况,计算发病率。

死苗率=死苗数/定植总数×100%

发病率=(发病果实数×平均单果重量)/平均总产量×100%

式中,圣女果单果重量为10～50 g,取其平均值30 g进行计算。

1.3.4 果实产量和品质测定 果实成熟后采收成熟度一致的番茄、圣女果,每隔2～3 d采收1次,每次采收测定产量;选取盛果期果实进行品质测定,番茄红素采用高效液相色谱法测定;维生素C含量采用2,6-二氯靛酚滴定法测定;叶黄素采用GB 5009.248—2016法测定;β-胡萝卜素采用GB 5009.83—2016法测定;可溶性糖用Atago PAL-2便携式折射仪测定;可滴定酸采用氢氧化钠滴定法测定;硒含量根据HNO3-HClO4消解后用ICP-MS测定。

1.3.5 数据处理与分析 试验数据采用Excel 2016进行处理,利用SPSS 25.0比较差异显著性,并进行主成分分析,建立综合评价关系式,利用Origin 2022进行图形绘制。

2 结果与分析

2.1 不同处理对堆肥温度、养分的影响

2.1.1 不同处理对堆肥温度的影响 由图1可知,在整个堆肥过程中,各处理堆体温度变化趋势基本一致,呈先上升后下降。所有堆体在堆肥第2天快速升温至65 ℃以上,达到峰值后大幅度降温,这是随着环境温度变化的结果,堆肥第8天环境温度和堆肥温度达到最低值,环境温度大约为7 ℃,堆体温度在20～25 ℃;在堆肥第12～15天分别达到另一个峰值,其中枯草芽孢杆菌添加组温度最高(65.6 ℃),巨大芽孢杆菌组(46.3 ℃)较其他组最低。

图1 不同菌剂堆肥温度变化Fig.1 Temperature changes in composting with different bacterial agents

2.1.2 不同处理组对基质养分的影响 由图2-a可知,S1组的全氮含量最高,且S组整体高于F组;S1、S2、F3、F4组有机质含量较高,且S1>S2>F3>F4,与其它各组均具有显著差异(P<0.05)。如图2-b所示,除S4组外,S组中有效磷含量远高于F组,8个处理组有效磷含量分别相对于CK1、CK2均有不同程度的提高,S1、S2、S3和S4组相对于CK1分别提高136.11%、122.27%、121.39%、7.33%,F1、F2、F3、F4组相对于CK2分别提高55.64%、60.43%、35.96%和60.00%,F3组的水解性氮含量最高,且显著高于其它处理组(P<0.05)。如图2-c所示,F1、F2、F4组速效钾含量显著高于其它组,其中F2>F1>F4,且3组之间具有显著差异;相比于速效钾,S组的缓效钾含量高于F组,其中S1、S3组远高于其它组,有利于农作物生长发育过程中钾元素的供给。如图2-d所示,F组铜、锌含量更高,整体高于S组,但组内差异不显著。S3、F1、F2和F4组中微量元素铁、锰含量在8个处理组中较低,与其余4个处理组差异显著,其中F2组含量最低,与CK2无显著差异。硼元素中S2组含量高于其它组,S3、S4组之间差异不显著,F1、F2组硼元素含量最低,F2组与其空白对照组CK2无显著差异。

不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05),下同。Different lowercase letters indicate significant differences between different treatments (P<0.05). The same as below.

2.1.3 不同处理对基质酶活性的影响 由图3可知,各处理组过氧化氢酶在4.0～5.2 mL/g,S1、F4组活性较高,与其他两组具有显著差异(P<0.05)。S1、S4组较CK1分别提高23.13%和13.38%,F1、F4组较CK2分别提高10.42%和25.19%,F4组过氧化氢酶活性增加幅度更大,其次为S1组。F4组的脲酶活性最高,其次为F1组,整体排序为F4>F1>S4>S1,S4、F1、F4组之间无显著差异,S1、S4、F1和F4组与CK1、CK2相比,酶活性均有不同程度的提高。

图3 种植试验处理组土壤酶活性Fig.3 Soil enzyme activity in the planting experiment treatment group

2.2 不同处理对番茄、圣女果病害的影响

2.2.1 不同处理对番茄青枯病的影响 青枯病多发生在番茄植株中,第一株发病时间在6月4日,发病表现为维管束变褐腐烂,茎、叶因缺乏水分的正常供应而产生萎蔫,由于青枯病具有传染性,发现S1组中的第1株病株后及时清理,然而相邻植株在后续成为第2株病株,发病时间有先后。整个试验定植数共159株,死苗数5株,平均死苗率为3.14%,S组死苗率略高于F组。

2.2.2 不同处理对圣女果脐腐病的影响 脐腐病发生于圣女果果实居多,S、F组两配方均有发现脐腐病,且发病较为严重,每株皆有发病果实,特别是在6月初,发病率急剧增加。由表2可知,F组发病果实显著高于S组,各处理组均有显著差异(P<0.05)。其中,F1组圣女果发病果实最多,S1组发病果实最少。F配方发病率整体均高于S配方,其中F1组发病率较S1、S4组分别增加15.94%、11.61%,F4组发病率较S1、S4组分别增加12.63%、8.30%。S组处理中,S4组(混合菌)发病率较高,S1组(枯草芽孢杆菌)最低。可见,在两配方中,S组配方能有效降低脐腐病的发病率,其中枯草芽孢杆菌效果最佳。

表2 不同处理番茄青枯病、圣女果脐腐病的发病率

2.3 不同处理对番茄、圣女果产量和品质的影响

2.3.1 不同处理对产量的影响 番茄单果重量在0.10～0.25 kg,圣女果单果重量为0.01～0.05 kg。S组的西红柿产量达63.11 kg,F组达60.92 kg,S组西红柿产量较F组增加3.47%。S4处理组番茄产量为所有处理组中最高,较S1产量大幅度提升,显著增加44.98%(P<0.05)。表明S4更适合番茄种植和生长。

F组圣女果产量高于S组,两者具有显著性差异(P<0.05),S组圣女果产量为34.62 kg,F组为41.72 kg,F组较S组产量增加17.02%,两配方组间差异不显著。试验表明,F配方能有效提高番茄和圣女果的产量,但单一菌和混合菌效果不显著(图4)。

图4 不同处理对番茄、圣女果产量的影响Fig.4 Effect of different treatment on the yield of tomato and cherry tomato

2.3.2 不同处理对品质的影响 由表3可知,作物营养品质指标含量的高低与基质中含有不同菌剂有关。S4和F4组的番茄红素含量较高,F1组远低于其它3组,S1、S4、F4组比F1组分别高51.05%、60.69%、57.46%,各组均差异显著(P<0.05,下同),因而混合菌更适合番茄红素的积累。番茄和圣女果维生素C、总硒含量属F4组最高,其次为S1组,最低为S2组。混合菌组总硒含量较高,并与其他各组具有显著差异。各处理组中番茄叶黄素含量均具有显著差异,而圣女果中S4、F4组差异不显著。S4组番茄中胡萝卜素含量最高,整体优于F组,但在圣女果中截然相反,F1、F4组高于S组且与S组具有显著差异;同时,F组的番茄可溶性糖含量更高,整体优于S组,而S组的圣女果可溶性糖含量整体优于F组。F4的番茄可滴定酸含量较高,与其它3组有显著差异,但3组间差异不显著。

表3 不同处理组中番茄、圣女果品质指标情况

2.3.3 果实品质主成分分析 为消除由于量纲不同可能引起的影响,对原始数据进行标准化处理,继而进行主成分分析[16-18]。按照特征值大于1的原则,从7项品质指标中提取出2个番茄主成分和3个圣女果主成分,由表4可知,主成分1、2、3、4、5的方差贡献率分别为56.496%、30.488%、49.172%、33.221%、17.607%,累计方差贡献率分别为86.984%和100%,因此选择主成分1、2作为番茄的品质综合评价指标,主成分3、4、5为圣女果的品质综合评价指标。

表4 果实品质指标主成分的特征值、方差贡献累率和累计贡献率

2.3.4 基于主成分分析的果实品质综合评价 为了更加清晰直观地表达出各主成分与其相关性品质指标的关系,利用相关性较高的品质指标建立品质评价的线性关系式,其中F1、F2、F3、F4和F5表示5个主成分的得分值,F值越大,则果实品质越好。

F1=0.243X1+0.485X2+0.051X3+0.219X4+0.497X5+0.436X6+0.467X7

(1)

F2=0.597X1-0.062X2+0.657X3+0.320X4-0.092X5-0.297X6-0.093X7

(2)

F3=-0.570X1+0.570X2+0.500X3+0.114X4+0.040X5+0.291X6

(3)

F4=0.133X1-0.142X2+0.008X3+0.691X4+0.676X5+0.163X6

(4)

F5=-0.059X1-0.037X2-0.497X3+0.093X4-0.280X5+0.812X6

(5)

将得分值与方差贡献率的加权平均值做内积,得到函数表达式F番=0.649F1+0.351F2,F圣=0.492F3+0.332F4+0.176F5。根据各式计算结果得到综合得分值和排序(表5)。结果表明混合菌组(S4、F4)得分排序均为第1,果实品质更优。

表5 标准化后主成分综合得分

3 讨 论

3.1 不同菌剂对堆肥温度、养分的影响

温度是堆肥过程中一项重要的检测指标,较高的温度利于堆肥原料腐熟。在堆肥初期各处理组均快速升温,混合菌温度稍高于其他组,而后随环境温度变化温度大幅度下降,之后由于环境温度上升以及进行一次翻堆后堆肥温度再达到第2个高峰,此时枯草芽孢杆菌组温度最高,混合菌较低,有可能因为多种菌种存在拮抗作用,导致效果低于单一菌种。S1、F4组全氮、有机质、有效磷含量较CK1、CK2组均有大幅度的提升,F组整体速效钾含量大于S组,且F1>F4,说明F配方中能被作物直接吸收利用的钾含量更高,枯草芽孢杆菌相对混合菌来说,效果更佳;而缓效钾含量则S组整体大于F组,说明S配方中基质供钾潜力更强,能在作物生长过程中实现长期缓慢供给钾元素,加入相同菌剂,基质配比不同,也会由于基质的性能产生不同影响。已有许多研究表明[19-21],枯草芽孢杆菌具有促进木质素降解的功能,且与其它芽孢杆菌混合也具有明显的组合优势[22]。聂文翰等[23]研究表明,施用复合菌剂堆肥能显著提高土壤养分含量,活跃土壤酶活和改善微生物群落结构。

3.2 不同菌剂对基质酶活性的影响

过氧化氢酶是表示基质腐殖化强度的指标,反映土壤中氧化还原反应的强弱,参与土壤N素与P素循环,而脲酶能反映基质氮素供应强度,直接参与基质中氮素的转化,使有机氮快速转化为有效氮[24]。本研究结果得出2个优势组合(S4、F4),其中F4组过氧化氢酶活性提高率略大于S4组,则腐殖化程度略高,但二者无显著性差异;S4、F4组的脲酶活性显著高于其余各组(除F1组外),氮素供应能力更强。有机菌肥因其本身含有效菌,混合配成基质后在适宜的环境条件下,有效菌进行繁殖,改变了基质的微生物数量及活性,对基质养分、酶活都会产生一定的影响[25]。本研究发现,加入不同的菌种,酶活性变化程度也不同,复合菌剂提高酶活效果要优于单一菌种。

3.3 不同处理对番茄、圣女果病害的影响

番茄青枯病多由青枯劳尔氏菌引起,其对番茄破坏性高,会导致植株大面积枯萎死亡[26]。芽孢杆菌具有极强的抵抗外界有害因子的能力[27-29],李广等[30]研究表明,枯草芽孢杆菌具有抑制辣椒软腐病病原菌生长的能力;钟泽翔等[31]筛选出26株芽孢杆菌菌株,其中有5株枯草芽孢杆菌,对黄瓜抑菌率大于70%;崔杰等[32]从番茄根际土壤中分离出贝莱斯芽孢杆菌,对番茄果实灰霉病病原菌具有显著的拮抗作用。本研究发现,混合菌组发病率略低于枯草芽孢杆菌组,混合菌中有枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌和固氮菌,表明这3种菌混合的抗病能力大于单一菌种。

圣女果脐腐病是植株生长发育过程中得不到足够的钙,导致脐部周围细胞生理紊乱而引起的[33],土壤干旱、空气湿度低或者不稳定、施肥不妥善也可能是脐腐病发病的原因[34]。根据试验结果来看,两配方组内发病果实数相差不大,枯草芽孢杆菌和混合菌对脐腐病的防治效果不大,但S组较F组发病果实少,可能是基质配方中的泥炭土具有透气保水的功能,S配方中的泥炭土比例更高,更有利于圣女果健康生长,减少了脐腐病的发生。

3.4 不同处理对番茄、圣女果产量和品质的影响

S组产量较F组增加3.47%,差异不大,其中S4(混合菌)处理组番茄产量为所有处理组中最高,较S1组(枯草芽孢杆菌)产量显著增加44.98%,说明S配方中添加混合菌对番茄有显著的增产作用,大于菌剂的单一作用。圣女果产量F配方高于S配方,增幅为17.02%,F配方中用蚯蚓粪取代部分泥炭土和椰糠,而蚯蚓粪具有养分吸持能力强,给植物生长提供所需的营养物质和大量有机质等作用,同时改良土壤微生物环境[35]。蒋洪丽等[36]研究也表明蚯蚓粪有机肥袋料栽培能够提高番茄产量、改善果实品质。

番茄品质是衡量果实营养价值和商品性状的综合标准,也是直接影响消费者对果实整体感官及购买力的因素,其中可溶性糖含量是影响果实口感品质的重要指标。由本研究结果可知,混合菌有利于番茄红素累积,提高维生素C和可溶性糖含量,提高果实外观和口感,这与秦立金等[37]研究相符;胡开明等[38]研究表明,种植番茄时增施微生物菌剂具有促进番茄生长和改善品质的作用。综上所述,无论是番茄还是圣女果,混合菌组主成分综合评价最高,表明混合菌较于枯草芽孢杆菌更适合番茄和圣女果生长发育,有利于改善果实品质。

4 结 论

F配方中混合菌组[v(泥炭土)∶v(蚯蚓粪)∶v(椰糠)∶v(有机肥)=4∶3∶1∶2]更适合番茄种植,S配方混合菌组[v(泥炭土)∶v(椰糠)∶v(有机肥)=6∶2∶2]更适合圣女果种植。混合菌肥含有多种微生物,有助于提高基质促生抗病能力,有助于改善基质微生物环境,提高基质中养分含量进而提高番茄的产量和品质。