混合微生物菌劑對連作土壤中黃瓜幼苗生長的影響

黃書超，侯棟,，頡建明，孔維萍，岳宏忠，張東琴，李亞莉

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學園藝學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學院蔬菜研究所，甘肅 蘭州 730070)

隨著設(shè)施園藝的迅速發(fā)展，設(shè)施農(nóng)業(yè)面積的逐年擴大，設(shè)施農(nóng)業(yè)已經(jīng)成為促進農(nóng)業(yè)發(fā)展、農(nóng)民脫貧致富以及增強農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力的重要支柱產(chǎn)業(yè).但是，由于設(shè)施栽培作物種類單一，連作障礙問題日漸突出，尤其是產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中形成的“一村一品”生產(chǎn)優(yōu)勢區(qū)，連作障礙表現(xiàn)更為突出[1].設(shè)施黃瓜[2]、辣椒、甜瓜[3]等生產(chǎn)區(qū)，超過10 a重茬現(xiàn)象較為普遍，連作導致病菌大量繁殖，生態(tài)條件惡化，土傳病害嚴重和土壤營養(yǎng)元素平衡被破壞，最終造成作物產(chǎn)量下降、品質(zhì)降低，嚴重阻礙了設(shè)施農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的步伐[4].因此，探究利用農(nóng)藝技術(shù)克服連作障礙的機理具有十分重要的意義.

黃瓜(CucumissativusL.)因其口感清脆多汁，成為人們喜愛的蔬菜之一，也是設(shè)施蔬菜主栽作物之一[5]，甘肅省年播種面積約1萬hm2，形成了涼州四壩、靖遠北灣、武山北順等設(shè)施黃瓜專業(yè)生產(chǎn)基地，連作障礙已經(jīng)成為制約當?shù)禺a(chǎn)業(yè)優(yōu)質(zhì)高效發(fā)展的突出問題[6].微生物菌劑是一種或數(shù)種有益微生物、微生物載體等經(jīng)過特殊工藝制成的含有一定活菌數(shù)并用于植物的間接性肥料，具有固氮、溶磷、促生長、生防等功能，能夠提高植物對養(yǎng)分的吸收、增強作物的抗病能力[7].近年來，通過向植物根際施用有益微生物，平衡土壤微生物菌群結(jié)構(gòu)、改良土壤環(huán)境和防止土傳病害，從而克服連作障礙已成為研究熱點.前人已進行過大量研究，但是，多數(shù)學者僅研究單一微生物菌劑對作物的生長影響，于會麗等[8]研究發(fā)現(xiàn)微生物菌劑能夠改善連作西瓜根部土壤微環(huán)境、降低連作障礙發(fā)病率，提高產(chǎn)量與果實品質(zhì)；謝宏鑫等[9]發(fā)現(xiàn)AMF微生物菌劑可提高西瓜土壤蔗糖酶活性；謝東峰等[10]研究發(fā)現(xiàn)微生物菌肥在一定程度上能夠誘導黃瓜的系統(tǒng)抗病性.但是，對混合微生物菌劑消減黃瓜連作障礙方面的研究鮮有報道.本試驗運用盆栽法，研究連作土壤中施加不同劑量的混合微生物菌劑對黃瓜幼苗生長的影響，試圖找出緩解連作障礙最佳的混合微生物菌劑添加量，為微生物菌劑的應用及黃瓜連作障礙的緩解提供科學依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試品種：黃瓜品種為甘豐春玉，甘肅省農(nóng)業(yè)科學院蔬菜研究所生產(chǎn).試驗所用土壤(連作10 a)取自甘肅省農(nóng)業(yè)科學院蔬菜研究所基地大棚.2019年12月6日分別在塑料大棚內(nèi)5點取樣法采取0～20 cm耕層土樣，用編織袋裝好并帶回溫室風干、過篩備用.混合微生物菌劑由菌株P(guān)2：普羅威登斯菌(Providenciarettgeri)、P4：克什米爾小陌生菌(Advenellakashmirensis)、P19：醋酸鈣不動桿(Acinetobactercalcoaceticus)、P35：腐敗沙雷菌(Serratiaplymuthica)等比例混合而成，4種菌株彼此兼容[11].微生物菌劑由甘肅農(nóng)業(yè)大學草業(yè)學院微生物實驗室提供，4種菌都具有固氮和溶解有機和無機磷功能，P2、P4具有分泌IAA功能，P35具有生防功能，4種菌的活菌數(shù)量均≥2×108/mL.

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2019年12月～2020年1月在甘肅省農(nóng)業(yè)科學院蔬菜研究所培養(yǎng)箱進行，人工氣候箱(RXZ-160D,寧波江南儀器廠)光照強度為250 μmol/(m2·s)，光周期和溫度分別為16 h/8 h(晝/夜)和30 ℃/18 ℃(晝/夜)，濕度為90%/80%(晝/夜).試驗共設(shè)4個處理：CK為清水對照不添加微生物菌劑；A、B、C處理依次添加2.5、5.0、7.5 mL/盆的混合微生物菌劑.采用栽培盆(上口徑14 cm，盆底直徑10 cm，高 12 cm)進行栽培，常規(guī)管理.2019年12月進行播種，每盆裝土1 kg，選取顆粒飽滿、大小一致的種子催芽后播于花盆中并澆灌不同量(每盆澆灌30 mL水，其中A、B、C各處理含有菌劑2.5、5.0、7.5 mL，對照CK澆灌清水)的混合微生物菌劑于種子周圍，菌劑只添加一次，各處理間管理水平一致.每個處理3次重復，每盆5株.待黃瓜長至一葉一心時，每隔3 d澆透水，平衡其蒸發(fā)量[12].

1.3 測定項目與方法

苗齡30 d時，各處理隨機取9株標記后測定各項指標，采用卷尺測定株高(莖基部到植株生長最高處)，游標卡尺測定莖粗[13](莖基部的粗度).葉片的數(shù)目為展開的葉片數(shù).丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸顯色法進行測定，相對電導率采用電導法，葉綠素含量采用95%乙醇萃取比色法測定，根系活力用TTC法測定[14].

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel 2016進行數(shù)據(jù)整理和作圖，用SPSS 16.0進行Duncan方差分析，采用模糊數(shù)學隸屬函數(shù)法對各指標進行綜合評價.

采用模糊數(shù)學隸屬函數(shù)法對各指標進行分析，隸屬函數(shù)的計算公式[15]：

隸屬函數(shù)值：

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

(1)

反隸屬函數(shù)值：

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

(2)

式中：Xi為指標測定值，Xmin、Xmax為某一指標的最小值和最大值，如果Xi-Xmin為負值，則采用(2)式.

2 結(jié)果與分析

2.1 連作土壤施加不同劑量的混合微生物菌劑對黃瓜幼苗生長勢的影響

生長勢代表植物生長發(fā)育的旺盛程度，能夠直觀體現(xiàn)出植物對逆境脅迫的反應.由表1可以看出，與對照相比，施入一定量的混合微生物菌劑可以不同程度地提高黃瓜幼苗的株高、莖粗、葉片數(shù).其中添加5 mL/盆的微生物菌劑處理效果較明顯，與對照差異顯著，幼苗株高、莖粗、葉片數(shù)分別比對照提高了18.1%、26.8%、25.9%.說明一定劑量范圍內(nèi)(2.5～7.5 mL/盆)的混合微生物菌劑能夠減小連作障礙給黃瓜幼苗帶來的脅迫，促進連作障礙條件下黃瓜幼苗的生長.

表1 連作土壤施加不同劑量的混合微生物菌劑對黃瓜幼苗生長勢的影響

2.2 連作土壤施加不同劑量的混合微生物菌劑對葉綠素a、葉綠素b及葉綠素含量(a+b)的影響

葉綠素是植物進行光合作用的主要色素，是植物進行光合作用的主要物質(zhì)基礎(chǔ).由圖2可知，施加不同劑量的混合微生物菌劑后均提高了黃瓜幼苗葉片的葉綠素a、葉綠素b和葉綠素含量.其中以施加混合微生物菌劑5 mL/盆與對照相比，差異顯著.施加混合微生物菌劑2.5、5、7.5 mL/盆的黃瓜幼苗葉片的葉綠素a含量分別比對照增加了30.81%、42.72%和13.43%；葉綠素b含量分別比對照增加了30.96%、41.11%和15.34%；葉綠素(a+b)含量分別比對照增加了30.97%、42.39%和14.01%.說明適宜添加量的混合微生物菌劑(5 mL/盆)能夠顯著促進黃瓜幼苗葉綠素合成，混合微生物菌劑添加量達到7.5 mL/盆及以上時可能會出現(xiàn)葉片黃化、脫落現(xiàn)象，幼苗的光合面積減小，生長受到抑制.

圖1 混合微生物菌劑處理對黃瓜幼苗葉綠素a、葉綠素b和葉綠素含量(a+b)的影響Figure 1 Effect of mixed microorganism on chlorophyll a,Chlorophyll b and chlorophyll content (a+b) of cucumber seedlings

2.3 連作土壤施加不同劑量的混合微生物菌劑對黃瓜幼苗根系活力的影響

植物根系是活躍的吸收和合成器官，是植物重要的器官之一，其活力水平直接與植物地上部分能否健康生長密切相關(guān).由圖3可知，與對照相比添加微生物菌劑2.5、5、7.5 mL/盆各處理對黃瓜根系活力均有促進作用，除7.5 mL/盆處理外其他處理與對照差異顯著；隨著混合微生物菌劑添加量增多，黃瓜幼苗根系活力均有不同程度的增加，各處理后的根系活力分別是對照的3.34、6.10和2.30倍.說明混合微生物菌劑能夠減小黃瓜連作障礙土對黃瓜幼苗的脅迫，促進了黃瓜幼苗根系的生長，其中混合微生物菌劑添加量為5 mL/盆的效果最明顯.

圖2 連作土壤施加不同劑量的混合微生物菌劑對黃瓜幼苗根系活力的影響Figure 2 Effects of different doses of mixed microbial agents on root activity of cucumber seedlings in continuous cropping soil

2.4 連作土壤施加不同劑量的混合微生物菌劑對黃瓜幼苗葉片丙二醛含量(MDA)的影響

丙二醛(MDA)是細胞膜脂過氧化作用的產(chǎn)物之一，它的產(chǎn)生還能加劇膜的損傷.因此，丙二醛產(chǎn)生數(shù)量的多少能夠代表膜脂過氧化的程度，也可間接反應植物組織抗氧化能力的強弱.由圖4可知，3種處理與對照相比，黃瓜葉片MDA含量差異顯著，微生物菌劑處理的均低于對照.隨著混合微生物菌劑的增加連作障礙條件下的黃瓜幼苗受傷害程度減少.添加微生物菌劑2.5、5、7.5 mL/盆各處理下MDA含量分別比對照降低了51.3%、82.8%、54.6%，差異均達顯著水平.說明加入混合微生物菌劑能夠增強植物抗氧化能力，減少膜的損傷，從而緩解連作障礙給黃瓜幼苗帶來的傷害，其中添加微生物菌劑5 mL/盆處理效果最佳.

圖3 連作土壤施加不同劑量的混合微生物菌劑對丙二醛(MDA)含量的影響Figure 3 Effects of different doses of mixed microbial agents on malondialdehyde (MDA) content in continuous cropping soil

2.5 連作土壤中施加不同劑量的混合微生物菌劑對黃瓜幼苗葉片相對電導率的影響

如圖5所示，與對照相比，不同劑量混合微生物菌劑的處理下葉片電導率均有所降低，且添加微生物菌劑5 mL/盆與對照相比差異顯著，比對照降低了14.43%，添加微生物菌劑2.5 mL/盆比對照降低了7.44%，7.5 mL/盆比對照降低了6.96%.處理后的相對電導率均降低，對膜損傷程度較輕，說明微生物菌劑對連作土壤有緩解作用，其中以添加微生物菌劑5 mL/盆效果最好.

不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05).Different lowercase letters showed significant difference between treatments (P<0.05).圖4 連作土壤施加不同劑量的混合微生物菌劑對黃瓜幼苗葉片相對電導率的影響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 連作障礙條件下添加混合微生物菌劑后黃瓜幼苗各指標的綜合評價

連作土壤中施加混合微生物菌劑，單個指標不能全面反映各處理的實際緩解連作障礙能力的大小，而隸屬函數(shù)分析提供了在多指標測定基礎(chǔ)上，對其進行綜合評價的方法，能夠有效的克服單個指標的片面性[16].故本試驗采用隸屬函數(shù)分析法對連作障礙條件下添加混合微生物菌劑時黃瓜幼苗葉綠素含量、相對電導率、MDA、根系活力、株高、莖粗、葉片數(shù)、葉綠素a和葉綠素b進行了綜合評價.由表1可知，各處理的隸屬函數(shù)值均大于CK的隸屬函數(shù)值.不同劑量的混合微生物菌劑對緩解黃瓜連作障礙的效果從高到低順序為5、2.5、7.5 mL/盆.由此可知，5 mL/盆的混合微生物菌劑對連作障礙的消減作用最佳.

表2 不同劑量混合微生物菌劑對黃瓜幼苗各指標的隸屬函數(shù)及排序

3 討論

目前，關(guān)于微生物菌劑緩解植物連作障礙的研究已有大量報道，包括微生物菌劑對辣椒生長、產(chǎn)量及品質(zhì)均有一定的提高及改善作用[17]，適宜濃度的黃腐酸微生物菌劑能夠顯著提高葉綠素含量和凈光合速率，改善平邑甜茶幼苗葉片的能量分配，減輕連作障礙對平邑甜茶幼苗葉片光系統(tǒng)II的破壞，促進幼苗生長[18]，以及施用菌劑對連作棉田棉花黃萎病有明顯的抑制作用等[19].研究發(fā)現(xiàn)，土壤微生態(tài)環(huán)境改變[20]、土傳病原菌的積累[21]、土壤鹽漬化[22]和植物的化感效應[23]等是引起黃瓜連作障礙的主要原因.同樣，長期連作也會導致土壤養(yǎng)分不平衡、微生物區(qū)系改變以及植物自身自毒物質(zhì)累積等都會使植物處于脅迫環(huán)境中[24].

本研究發(fā)現(xiàn)，未施用混合微生物菌劑的黃瓜幼苗生長明顯弱小、葉片枯黃，其株高、莖粗、葉片數(shù)、根系活力及葉綠素等指標均低于施用了混合微生物菌劑的處理.根系活力是反映植物根系生命活動的一個重要的生理指標，與呼吸作用相關(guān)聯(lián)[25].葉綠素是反應光合能力的一個重要生理指標，葉綠素含量越高，植物攝取陽光進行光合作用的能力越強，光合產(chǎn)物積累越多，作物的產(chǎn)量和品質(zhì)也越好[26].本研究中，與未施用微生物菌劑相比，施用不同劑量混合微生物菌劑黃瓜株高、莖粗、葉片數(shù)、根系活力及葉綠素均有顯著的促進作用，可能因為連作土壤中積累了大量的病原菌以及其他有害物質(zhì)，從而抑制了黃瓜幼苗的生長，而混合微生物菌劑具有溶磷、固氮、促生長及生防功能，混合微生物菌劑處理后，改善了土壤理化性質(zhì)，平衡了微生物菌群結(jié)構(gòu)、促進黃瓜幼苗根系代謝和提高養(yǎng)分的利用率，進一步促進黃瓜幼苗健康生長.這與李國等[26]的研究結(jié)果基本一致.丙二醛是由于植物器官衰老或在逆境條件下受到傷害，其組織或器官膜脂發(fā)生過氧化反應而產(chǎn)生的，它與植物衰老和逆境傷害有密切的關(guān)系，在一定程度上反應植物在遭受逆境脅迫時受到傷害的程度[27].植物葉片電導率在一定程度上反映了幼苗葉片細胞膜系統(tǒng)的完整程度[28].本研究中，混合微生物處理后丙二醛(MDA)和葉片電導率均低于對照，說明混合微生物菌劑能夠消減連作障礙對黃瓜幼苗所造成的傷害，增強植物的抗氧化能力，減少氧自由基的累積，在一定程度上提高了黃瓜幼苗的抗性.這一結(jié)果與梁偉等[29]的研究結(jié)果基本一致.

4 結(jié)論

根據(jù)隸屬函數(shù)值進行排序，本試驗中添加微生物菌劑緩解連作障礙由強到弱的順序為：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劑對連作障礙的緩解效果不同，存在最適添加量，當超過最適劑量后，會抑制黃瓜幼苗生長，影響混合微生物菌劑對連作障礙的消減效果.這與鄭雪芳等[30]的研究結(jié)果一致.猜測其可能是因為混合微生物菌劑的有效功能菌在黃瓜連作土壤中形成優(yōu)勢菌群，與病原菌形成競爭關(guān)系，抑制了有害菌的生長，提高了植物對養(yǎng)分的吸收，從而促進黃瓜幼苗生長，有效緩解黃瓜連作障礙.但是，混合微生物菌劑含有豐富的有機物，在為功能菌提供良好繁殖環(huán)境的同時，也為連作土壤中的有害微生物提供了適宜的生存環(huán)境.本研究中5 mL/盆的混合微生物菌劑對連作障礙的消減作用最佳.