文章信息
- 夏可心, 于亚楠, 张建, 姜斯琪, 沈其荣, 周园园, 陈巍, 蔡枫
- XIA Kexin, YU Ya'nan, ZHANG Jian, JIANG Siqi, SHEN Qirong, ZHOU Yuanyuan, CHEN Wei, CAI Feng
- 2种木霉生物有机肥对蕹菜产量和品质的影响
- Effect of two Trichoderma-enriched bio-organic fertilizers on yield and quality of water spinach(Ipomoea aquatica Forsk)
- 南京农业大学学报, 2020, 43(2): 284-291
- Journal of Nanjing Agricultural University, 2020, 43(2): 284-291.
- http://dx.doi.org/10.7685/jnau.201904020
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文章历史
- 收稿日期: 2019-04-11
2. 南京农业大学昆山蔬菜产业研究院/昆山市城区农副产品实业有限公司, 江苏 昆山 215300
2. Kunshan Vegetable Industry Research Institute/Kunshan City Agricultural and Sideline Products Industrial Co. Ltd., Nanjing Agricultural University, Kunshan 215300, China
农业是支撑国民经济建设与发展的基础产业。化肥在农业产业中被广泛使用, 它确保了我国农作物的供给, 然而, 随着施用量的增加, 化肥的施用带来诸多食品安全和环境问题。长期施肥定位试验表明, 单一施用化肥会增加土壤的容重、固孔比, 降低田间持水量[1-3]; 其中大量的化肥未发挥应有的肥效, 以不同形式散失于大气或固定于土壤中[4-5]。
微生物菌肥是由一种或数种活性有益微生物、培养基质及其添加物(载体)配制而成的生物肥料, 具有以微生物生命活动来改善作物营养条件和生长环境、刺激作物生长发育、抵抗病虫危害的作用, 进而达到挖掘土壤潜在肥力、提高农产品的产量和品质的功效[6-7]。施用生物有机肥可以改善土壤肥力状况, 提高其生物活性与营养供应容量, 并且适宜的生物有机肥与化肥配施能够促进肥料的养分利用率, 并显著提高作物产量。魏晓兰等[8]研究减量化肥施用条件下生物有机肥对土壤养分供应及小白菜吸收的影响, 发现生物有机肥不仅对土壤氮、磷、钾具有活化作用, 还能稳定氮、磷、钾养分的供应。赵政等[9]也发现, 木霉微生物有机肥与减量化肥配施可显著提升土壤肥力, 进而对番茄产量、品质和土壤微生物数量产生显著影响。因此, 微生物肥料作为一种新型肥料, 是发展绿色农业与生态农业的基础。
木霉是一种土壤习居菌, 也是重要的植物促生和生物防治菌种, 部分木霉菌株可在植物根部定殖, 促进植物快速生长并诱导植物产生系统抗病性[7]。木霉的促生作用包括木霉与根际微生物相互作用、活化被固定养分和木霉分泌的一些代谢活性产物的促生作用, 且菌株间存在一定差异[10-12]。因此, 本研究通过研究不同比例化肥与2种木霉生物有机肥配施对蕹菜产量、品质及土壤理化性质和微生物数量的影响, 探究木霉生物有机肥与化肥的最佳配施比及不同木霉功能菌株间的生物效应差异, 为化肥减施计划和微生物有机肥的推广实施提供参考依据。
1 材料与方法 1.1 供试材料 1.1.1 供试菌株和蕹菜品种木霉NJAU 4742菌株(Trichoderma guizhouense NJAU 4742)和木霉T1菌株(T. harzianum T1)由本实验室保存。所用菌株均具有活化被固定的磷、铁、锰等微量元素养分的能力。蕹菜品种为‘靓竹’, 购于福州高达种业公司。
1.1.2 木霉生物有机肥的制备木霉NJAU 4742和木霉T1孢子悬液的制备参见文献[13], 腐熟鸡粪由南通惠农生物有机肥有限公司提供。木霉生物有机肥是木霉秸秆固体菌种和腐熟鸡粪混合制成, 制备过程如下:将培养获得的木霉孢子悬液接种到灭菌处理的水稻秸秆中, 28 ℃培养5 d, 统计孢子数量(达108 CFU·g-1), 将发酵完成的木霉秸秆与鸡粪以质量比1:20的比例混合, 即得到木霉生物有机肥。
1.2 试验设计 1.2.1 田间试验于南京农业大学昆山蔬菜产业研究院蔬菜大棚内进行田间试验, 试验共设8个处理:不施肥对照(CK), 100%化肥(CF), 75%化肥+25%木霉NJAU 4742生物有机肥(X1), 25%化肥+75%木霉NJAU 4742生物有机肥(X2), 100%木霉NJAU 4742生物有机肥(X3), 75%化肥+25%木霉T1生物有机肥(Y1), 25%化肥+75%木霉T1生物有机肥(Y2), 100%木霉T1生物有机肥(Y3)。其中, 100%化肥处理的每小区尿素、过磷酸钙、氯化钾的施用量分别为106.85、349.75和83.75 g, 100%生物肥的施用量为每小区3 000 g, 施肥处理间总氮、总磷和总钾养分均等。每个处理设置3个小区, 随机区组排列。每个小区为4 m2, 播种方式为条播, 每个小区播种蕹菜种子150 g, 行间距30 cm。播种前每个小区撒施相应的肥料, 再将土壤与肥料充分混匀。供试地块的土壤pH值为7.5, 有机质含量为7.86 g·kg-1, 全氮含量0.44 g·kg-1, 全磷含量1.30 g·kg-1, 全钾含量7.67 g·kg-1。
1.2.2 盆栽试验共设置8个处理, 与田间试验相同。每盆装土8 kg, 每盆播种蕹菜种子6粒, 每个处理设置6个盆钵。其中, 100%化肥处理的每盆尿素、过磷酸钙、氯化钾的施用量分别为4.27、14.00和3.35 g, 100%生物肥的施用量为每盆120 g。供试盆栽土取自田间试验大棚表层土壤(0~20 cm)。
1.3 样品采集与分析 1.3.1 样品采集待蕹菜生长周期满35 d, 每个小区(或每盆)随机采取植株样品3棵, 分别测定植株地上部和地下部鲜质量, 杀青后测定植株干质量。盆栽植株样品粉碎后过0.5 mm筛, 测定植株中的氮、磷、钾含量; 另取一部分植株鲜样, 进行蕹菜品质的测定。将蕹菜植株整株小心取出, 参照Hervás等[14]的方法收集根际土。收集的土样, 部分自然风干后过孔径为830 μm筛, 用于测定土壤理化性质; 另一部分储存于-80 ℃, 用于提取总DNA, 分析微生物数量。
1.3.2 蕹菜品质的测定采用考马斯亮蓝G-250比色法[15]测定蕹菜蛋白质含量, 采用硝基水杨酸比色法[16]测定蕹菜硝酸盐含量, 采用红菲啰啉比色法[16]测定维生素C含量。
1.3.3 土壤和植株养分的测定采用流动分析仪(德国BRAN+LUEBBE, AutoAnalyzer3)测定土壤铵态氮、硝态氮、植株全氮和全磷含量[17], 采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提-钼蓝比色法测定土壤有效磷含量[18], 采用火焰光度计法测定土壤速效钾和植株全钾含量[17], 采用重铬酸钾氧化-分光光度法测定土壤有机质含量[19]。
1.3.4 蕹菜根际土微生物数量的测定土壤总细菌和总真菌数量的测定采用实时荧光定量PCR(real-time qPCR)。细菌引物为337F(5′-GACTCCTACGGGAGGCWGCAG-3′)和518R(5′-GTATTACCGCGGCTGCTGG-3′); 真菌引物ITS(5′-TCCGTAGGTGAACCTGCGG-3′)和5.8S(5′-CGCTGCGTTCTTCATCG-3′)[20]。PCR体系:10 μL SYBRⓇ Premix Ex Taq(TaKaRa), 0.2 μL引物, 0.4 μL ROX Reference Dye Ⅱ, 2 μL模板DNA, 用超纯水补齐至20 μL。PCR扩增程序:95 ℃ 30 s; 95 ℃ 5 s, 60 ℃ 34 s, 循环40次。根际土中木霉定殖数量采用Taqman探针qPCR测定, 引物为ITS1F(5′-TACAACTCCCAAACCCAATGTGA-3′)和ITS2R(5′-CCGTTGTTGAAAGTTTTGATTCATTT-3′)[10, 17], Taqman探针为ITS1 TM-037 Fam(5′-AACTCTTTTTGTATACCCCCTCGCGGGT-3′)。扩增条件为:10 μL Premix Ex Taq, 0.8 μL Taqman Probe, 0.2 μL引物, 0.2 μL ROX Reference Dye Ⅱ, 2 μL模板DNA, 用超纯水补齐至20 μL。PCR程序为:95 ℃ 30 s; 95 ℃ 3 s, 60 ℃ 40 s, 循环40次。试验结果以每纳克DNA样品中特定扩增子的拷贝数的对数[lg(copies·ng-1)]表示。
1.4 数据统计与分析试验数据采用Excel 2007和SPSS 22.0软件进行统计和ANOVA分析。
2 结果与分析 2.1 不同的施肥处理对田间蕹菜产量和品质的影响由表 1可知:X1、X2、Y1、Y2处理的蕹菜产量(即地上部鲜质量)均显著高于其他处理, 且4个处理间差异不显著。除Y1处理与CF无显著差异, X1、X2、Y2处理的蕹菜的根系鲜质量和株高也均高于其他处理。在蕹菜品质方面, 所有处理的蕹菜维生素C含量均显著高于不施肥对照(CK)(P < 0.05)。X2、Y1、Y2、Y3、X3和X1处理的蕹菜蛋白质含量显著高于CF处理和CK, 且相对于CK, CF处理蕹菜蛋白质含量显著降低; 相对于CF处理, X1、X2、X3、Y1、Y2、Y3处理蕹菜蛋白质含量分别提高了26.0%、45.6%、29.8%、44.1%、43.0%、46.4%。Y2处理蕹菜硝酸盐含量最高, 其次为X1处理, 其他处理之间无明显差异。
| 处理 Treatment |
产量/g Yield |
根系鲜质量/g Root fresh weight |
株高/cm Shoot height |
维生素C含量/(mg·kg-1) Vitamin C content |
蛋白质含量/(mg·kg-1) Protein content |
硝酸盐含量/(mg·g-1) Nitrate content |
| CK | 3.98±0.21d | 1.63±0.35e | 16.43±1.10d | 27.66±0.84c | 3.88±0.60c | 1.53±0.27c |
| CF | 7.00±0.37c | 2.30±0.09cd | 29.98±0.21b | 38.83±3.96ab | 2.96±0.21d | 1.36±0.26c |
| X1 | 8.35±0.61a | 3.14±0.15a | 31.48±1.19ab | 38.52±5.05ab | 4.89±0.12b | 1.79±0.11b |
| X2 | 8.48±0.79a | 2.67±0.33b | 32.23±1.46ab | 33.53±0.52b | 5.65±0.46a | 1.53±0.34c |
| X3 | 7.82±0.06b | 2.28±0.09cd | 25.25±1.01c | 36.95±1.06ab | 5.04±0.05b | 1.29±0.04c |
| Y1 | 8.64±0.29a | 2.52±0.15bc | 33.28±3.04a | 39.31±4.93ab | 5.59±0.01a | 1.34±0.04c |
| Y2 | 8.65±0.22a | 3.09±0.32a | 30.00±1.74b | 38.05±1.44ab | 5.55±0.11a | 2.03±0.12a |
| Y3 | 7.20±0.26c | 2.12±0.12d | 26.65±2.43c | 40.01±4.61a | 5.68±0.14a | 1.47±0.07c |
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注:1)CK:不施肥Non-fertilizer application; CF:100%化肥100% chemical fertilizer; X1:75%化肥+25%的NJAU 4742生物有机肥75% chemical fertilizer+25% NJAU 4742 bio-organic fertilizer; X2:25%化肥+75%的NJAU 4742生物有机肥25% chemical fertilizer+75% NJAU 4742 bio-organic fertilizer; X3:100%的NJAU 4742生物有机肥100% NJAU 4742 bio-organic fertilizer; Y1:75%化肥+25%的T1生物有机肥75% chemical fertilizer+25% T1 bio-organic fertilizer; Y2:25%化肥+75%的T1生物有机肥25% chemical fertilizer+75% T1 bio-organic fertilizer; X3:100%的T1生物有机肥100% T1 bio-organic fertilizer. 2)不同小写字母表示在0.05水平差异显著。The different letters indicate significant difference at 0.05 level.下同。The same as follows. |
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由表 2可知:X2、X3、Y2、Y3处理及CK的土壤pH值均显著高于CF和X1。生物肥处理(X2、Y1、Y2、Y3)的有机质含量均显著高于CK和CF处理; 且同一菌株生物肥处理间(除X1和X2外)差异不显著。X1处理的土壤硝态氮和铵态氮含量最高, 且其余施肥处理均显著高于不施肥对照CK。另外, 相比于CK, 施肥处理均显著提高了土壤有效磷和速效钾含量, 其中有效磷含量最高的是X1处理; 速效钾含量最高的是Y2处理, 其他施肥处理之间无明显差异。
| 处理 Treatment |
pH值 pH value |
有机质含量/(mg·kg-1) Organic matter content |
铵态氮含量/(mg·kg-1) Ammonium N content |
硝态氮含量/(mg·kg-1) Nitrate N content |
有效磷含量/(mg·kg-1) Available P content |
速效钾含量/(mg·kg-1) Available K content |
| CK | 7.48±0.10a | 12.77±1.09c | 1.56±0.07e | 4.64±0.11d | 172.92±28.02c | 276.33±6.66c |
| CF | 6.82±0.58b | 12.37±0.81c | 2.94±0.06ab | 11.20±1.24c | 234.74±12.02ab | 415.33±24.38b |
| X1 | 6.75±0.40b | 13.80±1.33c | 3.12±0.44a | 14.53±1.53a | 264.53±16.46a | 420.67±14.57b |
| X2 | 7.73±0.22a | 15.11±0.27ab | 2.38±0.28cd | 14.16±0.37ab | 220.92±18.93b | 408.00±44.98b |
| X3 | 7.49±0.16a | 14.14±2.10bc | 1.99±0.20de | 13.18±1.23abc | 210.22±21.75b | 456.67±27.02b |
| Y1 | 7.25±0.30ab | 16.06±1.58ab | 2.17±0.20cd | 13.13±4.16abc | 213.76±6.65b | 432.67±36.47b |
| Y2 | 7.47±0.09a | 15.31±1.39ab | 2.54±0.42bc | 11.37±0.24c | 225.83±23.51b | 540.67±18.50a |
| Y3 | 7.58±0.32a | 17.05±1.28a | 2.12±0.20cd | 11.98±0.78bc | 216.77±34.19b | 414.00±12.29b |
从图 1可知, 蕹菜地上部鲜质量和株高均随着生物有机肥的施用量增加呈先增后减的趋势, 其中以生物有机肥施用量75%时效果最佳:X1、X2、Y1、Y2处理的蕹菜地上部鲜质量显著高于CK和CF处理, Y3处理的蕹菜鲜质量与CK、CF处理无显著差异(P < 0.05)。在盆栽条件下, 木霉T1生物有机肥处理的肥效(地上部生物量和株高)均略优于NJAU 4742生物有机肥。除X2处理蕹菜根系鲜质量显著高于其他处理, 其他处理之间差异不显著。CF和X1和Y1处理蕹菜叶片的SPAD值显著高于其他施肥处理和CK。
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图 1 不同施肥处理对盆栽蕹菜生物量和叶片SPAD值的影响 Fig. 1 Effect of different fertilizations on growth and SPAD value ofwater spinach in the pot experiment |
由图 2可知:施肥可以提高蕹菜中维生素C含量, X2、X3、Y2和Y3处理维生素C含量显著高于CK和CF处理, 且维生素C含量随生物有机肥施用比例的增加呈逐渐增加的趋势。Y1和Y2处理蕹菜蛋白质含量较高, 与其他处理差异显著。此外, 木霉T1生物有机肥处理的蛋白质含量均高于木霉NJAU 4742生物有机肥处理。Y1和X2处理的蕹菜硝酸盐含量显著高于其他处理。单施生物有机肥处理(X3和Y3)相对于化肥处理, 显著降低蕹菜中硝酸盐含量, 提高维生素C含量。CF和X1处理蕹菜氮含量较高, 其次是CK和Y1处理, 含量较低的处理是X3和Y3, 且植株氮含量随生物有机肥施用比例的增加而显著减少。不同处理蕹菜中磷含量无明显差异。蕹菜中钾含量较高的是X1和Y1处理, X1、X2、Y1和Y2处理显著高于CK和CF处理。
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图 2 不同施肥处理对盆栽蕹菜品质和植株养分的影响 Fig. 2 Effect of different fertilizations on quality and nutrition ofwater spinach in the pot experiment |
从图 3可知:无论是田间还是盆栽试验, 各施肥处理中木霉NJAU 4742在根际的定殖数量均显著高于木霉T1的数量(200%~300%)。田间条件下, 提高生物肥施用比例可提高土壤中木霉NJAU 4742和T1的数量; 盆栽试验中, 提高生物肥施用比例可提高T1的定殖数量, 但对NJAU 4742的数量影响不显著。田间试验土壤中X2处理与CK处理细菌数量差异显著, 而其他处理间差异不显著; 盆栽试验结果与之类似。田间土壤中各处理间真菌数量差异不显著; 盆栽土壤中相对不施肥对照CK, X2、Y2和Y3处理真菌的数量显著降低, 其余处理间无显著差异。
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图 3 不同施肥处理对田间(A、C、E)和盆栽(B、D、F)土壤微生物数量的影响 Fig. 3 Effect of different fertilizations on microbial population of soil in the field(A, C, E)and pot experiments(B, D, F) |
本试验研究2种木霉菌制成的生物有机肥与化肥按照不同比例配施, 在田间和盆栽条件下, 对蕹菜的产量(生物量)、品质、植株养分、土壤养分以及根际微生物数量的影响。田间和盆栽条件下, 相对于100%化肥处理(CF)和100%生物肥处理(X3或Y3), 木霉生物有机肥替代25%或75%的化肥, 均可显著提高蕹菜产量、株高和根系生物量。这与李先兵等[21]在小白菜上的研究结果一致, 即生物有机肥可以提高叶菜的株高和单株鲜质量, 进而提高产量。同时, 施用生物有机肥在一定范围内, 可显著提高蕹菜的品质。本试验中, 盆栽试验生物有机肥处理蕹菜的维生素C含量相对于CK和CF处理都有显著提高, 且维生素C含量随生物有机肥施用比例的增加而增加; X2、Y1处理的硝酸盐含量明显高于其他处理, 但仍低于国家标准; 当T1制成的生物有机肥施用比例在25%和75%时, 蕹菜的蛋白质含量显著高于其他处理。郭春铭等[22]也发现, 有机无机肥配施可以提高蕹菜可溶性糖和维生素C的含量。以上结果也与李瑞霞等[20]的研究结果一致。Oliveira等[23]认为, 生物有机肥可供给植物生长发育所需的各种养分, 改善土壤环境, 保证植物生长旺盛; 生物有机肥相对于化肥所提供的养分形式更多, 其不同的营养元素可以影响蛋白质、维生素C等成分的合成, 且相对硝态氮投入较少。施入大量功能菌增加了菌体与植物的互作, 同时, 施入的有机质也会促进土壤微生物和原生动物繁殖, 增加其与植物根系的互作, 从而导致植物应激反应, 如植保素等次生代谢物的合成与积累[8, 13]。
植物体内的氮主要以蛋白质、氨基酸或酰胺等有机态存在, 以及数量不等的硝态氮。柳开楼等[24]研究结果表明, 长期有机无机肥配施可以显著增加植株氮、磷、钾的积累量。本试验中, 25%生物有机肥(X1和Y1)处理的蕹菜植株氮含量与化肥处理(CF)的差异不显著, 但随着生物有机肥施用比例的增加(即化肥施用比例的减少), 植株氮含量显著降低, 说明蕹菜植株对氮素的吸收主要由化肥供应; 各处理间植株磷含量差异不显著; 植株钾含量的变化随着生物有机肥的施用比例增加呈先增加后减少的趋势, 即在施用比例为25%和75%(X1、X2、Y1和Y2处理)时, 植株的钾含量显著高于对照和其他施肥处理。这与牛振明等[25]对甘蓝的研究结果一致。且与Cai等[13]对番茄的报道相一致, 其指出减施25%的化肥而配施以一定量的木霉生物有机肥可显著提高番茄苗期植株氮、磷、钾的积累量。
有机肥中的有机碳能改善土壤的物理、化学和生物特性, 在养分循环中起着重要作用[26]。化肥可在短时间内迅速补充植物生长所需养分, 而有机肥则肥效时间较长。田间试验中, 25%或75%的生物有机肥与化肥配施, 土壤中的速效养分的含量与化肥处理(CF)相比, 硝态氮含量明显增加, 有效磷和速效钾的含量无明显差异, 土壤有机质含量显著提高, 说明施用一定比例的生物有机肥不仅可以提高土壤的有机质含量, 而且在一定程度上, 其速效养分供应优于单纯的化肥处理。这与李瑞霞等[20]在番茄上的研究结果一致, 减施25%的化肥而配施生物有机肥可以提高土壤中硝态氮、有效磷和一些微量元素的有效性。
生物肥中所含有的木霉菌在适宜的土壤环境中迅速繁殖, 增加了外源微生物数量, 活化了土壤中的养分, 加速土壤养分的分解转化和释放, 使土壤中的营养元素更好地向植株中转移积累, 为植株的生长提供了养分保障[27]。Li等[28]的研究也证实木霉菌自身可以活化土壤中的养分, 如木霉可通过分泌大量的植酸酶活化土壤中以植酸形式被固定的磷素, 同时可分泌一些嗜铁素螯合铁素。施用木霉促生菌, 除菌体本身可直接活化土壤中的一些养分外, 还可通过调节根际微生物生态的方式, 间接影响土壤中养分运转的水平。本试验中, 田间和盆栽条件下, 木霉NJAU 4742在根际土壤中的定殖数量达到1×105~1×106 copies·ng-1, 而T1菌株的定殖数量则在1×102~1×103 copies·ng-1, 说明木霉NJAU 4742在蕹菜根际的定殖能力显著优于T1菌株。Cai等[13]报道的在番茄根际中NJAU 4742的定殖数量比本研究的定殖数高1个数量级, 这可能与不同作物有关, 木霉菌对宿主植物种类有一定偏好性。但是, 功能菌株木霉在根际的定殖数量与其生物效应并不相对应, 木霉T1菌株的根际定殖能力显著低于NJAU 4742菌株, 但T1制成的生物有机肥肥效(如对蕹菜产量和品质的影响)略优于NJAU 4742菌株, 说明功能菌株的根际定殖量与其生物效应不成正比。本试验中生物有机肥对土壤土著微生物群落的影响并不显著, 这可能与供试土壤本身底肥比较充分有关, 也可能是因为试验时间较短, 相应肥料处理对土壤微生物的影响不显著。近年来, 国内外在生物有机肥与化肥配施对土壤养分和作物生长的影响方面进行了大量研究[9, 13, 24]。相应结果均表明, 适量的生物有机肥与化肥配合施用不但可以增加作物产量, 提高土壤有机质含量, 改善土壤结构和养分平衡, 还可改变土壤微生物区系, 提高土壤酶活性; 但是过量施用生物有机肥也会造成土壤重金属污染等问题, 同时导致作物减产。因此, 结合本文研究结果, 我们认为, 如何精确配施生物有机肥值得深入研究, 相关研究应针对不同作物、不同功能微生物及不同土壤背景的特性进行配比研究, 以获得最佳配施比例和施肥方案。
综上所述, 相对于单施化肥(CF)和单施生物有机肥(X3和Y3)处理, 25%或75%的生物有机肥与一定量的化肥配施为最优配比, 该施肥模式下, 尤其是75%的化肥与25%的木霉生物有机肥配施, 可显著提高蕹菜产量和品质, 同时提升土壤有机质和硝态氮含量。
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