沼液施用對基質栽培辣椒生長發(fā)育環(huán)境的影響

辛懌如， 胡 凌， 樊津池， 陳曉峰

（中國農(nóng)業(yè)大學煙臺研究院，山東 煙臺 264670）

0 引言

辣椒屬茄科、結辣味漿果的一年生草本植物[1]。其味辛香，性溫熱，有刺激性，是食品烹飪加工中不可少的調味佳品，還有很高營養(yǎng)價值和保健功能[2]。因此，辣椒在我國十分受人歡迎，種植面積和產(chǎn)量均居世界首位，是我國蔬菜生產(chǎn)重要的組成部分。辣椒生育期需肥量較大，故合理施肥可提高辣椒產(chǎn)量、品質、養(yǎng)分吸收等性狀[3-5]。無土栽培是一種現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，我國的無土栽培大多采用基質栽培方式，基質能為植物提供穩(wěn)定協(xié)調的水、氣、肥結構，使養(yǎng)分水分得以中轉，因而這種形式在陽臺種菜及工廠化生產(chǎn)方面都有廣泛的應用[6]?；|栽培中作物所需養(yǎng)分一般依靠營養(yǎng)液供給，故肥料對于辣椒生產(chǎn)有重要影響[7]。生物有機肥能夠改善土壤環(huán)境，提高蔬菜品質，因而在設施栽培中被廣泛使用。作為生物有機肥的一種，沼液是糞便發(fā)酵后的殘留物，含有蔬菜生長發(fā)育所需的氮、磷、鉀和多種對蔬菜生長有促進和調節(jié)作用的微量元素，以及氨基酸、腐殖酸等生物活性成分[8]。隨著人們對綠色食品認識的提高，生物有機肥已得到廣泛的應用。研究表明，沼液對蔬菜作物有明顯增產(chǎn)作用，能提高作物維生素C 含量，降低硝酸鹽含量，提高作物品質，提高土壤有機質含量，調控土壤微生物群落結構、提高土壤肥力等[9-13]。但對于沼液施用在辣椒基質栽培方面影響、辣椒生長發(fā)育及辣椒根際土壤理化性狀方面影響的研究報道較少。本研究針對辣椒基質和土壤栽培，通過對不同處理下辣椒的性狀和土壤基質的理化性質進行觀察與測量，驗證沼液對其生長及土壤理化性狀的影響機制，明確沼液在辣椒種植中尤其是在基質栽培中的實際應用效果。通過對比試驗，分別研究自然土壤栽培與無土基質栽培狀況下，豬糞沼液和營養(yǎng)液對辣椒產(chǎn)量、品質、土壤理化性狀和辣椒根際微生物群落的影響，探索沼液施肥技術在辣椒基質栽培生產(chǎn)中的實際應用條件，為基質栽培中沼液的合理利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2022 年3—8 月在中國農(nóng)業(yè)大學煙臺研究院日光溫室內(nèi)進行（37°25′48″N ，121°31′12″E）。

1.2 試驗材料

采用辣椒品種為“丹鳳朝陽”（朝天椒）。栽培基質為草炭∶蛭石∶珍珠巖按4∶1∶1 比例配置而成，栽培土壤為日光溫室內(nèi)土壤，基質和土壤基本理化性狀如表1 所示。

表1 定植前基質和土壤基本理化性狀Tab.1 Basic physio-chemical properties of substrates and soil before transplanting

試驗所用沼肥是以豬糞為發(fā)酵基料且產(chǎn)氣3 個月以上的沼液，沼液的基本理化性質如表2 所示。試驗所用的營養(yǎng)液為霍格蘭配方蔬菜瓜果通用AB 營養(yǎng)液，其主要成分如表3 所示。

表2 沼液的基本化學性質Tab.2 Basic physiochemical properties of biogas slurry

表3 營養(yǎng)液主要成分Tab.3 Main ingredient of nutrient solution

1.3 試驗設計

2022 年3 月5 日將辣椒（四片真葉期）定植，2022 年7 月中旬開始采收，2022 年8 月采收結束。辣椒栽培于泡沫箱中，泡沫箱規(guī)格（長×寬×高）為50 cm×40 cm×40 cm，栽培株行距為7 cm×10 cm。

試驗采用單因素變量法分析，除栽培方式不同外，其他管理方式一致。試驗共設5 組處理，CK 組為不施用沼液且不施用營養(yǎng)液的土壤栽培，T1組為施用沼液的土壤栽培，T2組為施用營養(yǎng)液的土壤栽培，T3組為施用沼液的基質栽培，T4組為施用營養(yǎng)液的基質栽培。

泡沫箱中每15 d 施水500 mL、稀釋霍格蘭配方蔬菜瓜果通用AB 營養(yǎng)液（1∶500）500 mL 或稀釋100 倍的沼液500 mL，施用周期相同。

1.4 項目測定

1.4.1 不同處理間土壤和基質基本理化性狀測定

緩苗結束后，自2022 年3 月20 日開始，每15 d進行1 次測量，于6: 00 測定土壤和基質溫度，直至2022 年6 月。2022 年8 月辣椒采收后用環(huán)刀法取0～20 cm 土樣或基質樣品，每個泡沫箱中5 點隨機取樣，取樣后充分混合并用四分法舍棄多余的部分。每泡沫箱中保留500 g 左右的樣品，于實驗室條件下去除直徑>2 mm 的石礫、殘留的根系和有機體，將土壤樣品風干、磨細和過篩后對其進行土壤理化性質的測定。土壤和基質理化性狀測定方法如表4 所示。

表4 土壤理化性狀測定方法Tab.4 Determination methods of soil physiochemical properties

1.4.2 辣椒生長發(fā)育狀況及產(chǎn)量和品質測定

2022 年3 月辣椒定植后，每15 d 進行1 次測量，測定辣椒生長發(fā)育狀況（株高、莖粗、開花坐果期和結果期）變化趨勢，至2022 年8 月采收后對辣椒果實進行營養(yǎng)品質（維生素C、可溶性糖）測定。將每小區(qū)隨機標記的5 枚辣椒果實用蒸餾水洗凈后，濾紙吸干表面水分，測定果實單果質量，并計算平均單果質量和產(chǎn)量[14]。測定完畢后，取部分新鮮辣椒果實組織樣品，采用2,6-二氯酚靛酚法測定辣椒維生素C 含量，用硫酸-蒽酮法測定可溶性糖含量[15-16]。

1.4.3 辣椒根際土壤微生物數(shù)量測定

2022 年8 月辣椒采收后采集根際土壤樣品，取樣采用5 點采樣混合法，清除表面雜質后，以抖落法采集根際0～20 cm 深度土壤樣品和基質樣品，將土樣充分混合后置于干冰盒內(nèi)運輸回實驗室，放在冰箱中儲存待測。

采用分子生物學特性方法測定土壤微生物數(shù)量（古菌、細菌和真菌）。利用OMBSA 試劑盒E.Z.N.A?Mag-Bind Soil DNA Kit 進行土壤DNA 的提取，利用Qubit3.0 DNA 檢測試劑盒對基因組DNA 精確定量，PCR所用的引物如表5 所示。第1 輪擴增完成后，引入Illumina 橋式PCR 兼容引物進行第2 輪擴增。擴增后的產(chǎn)物由2%瓊脂糖凝膠電泳檢測文庫大小，使用Qubit3.0 熒光定量儀進行文庫濃度測定，后交由生工生物工程（上海）股份有限公司進行高通量測序。

表5 用于PCR 檢測的特異引物Tab.5 Specific primers for PCR detection

1.5 數(shù)據(jù)分析

（1）差異顯著性分析。使用PEAR0.9.8、cutadapt1.18和PRINSEQ0.20.4 軟件優(yōu)化微生物序列后，利用Usearch11.0.667 軟件按照97%相似性對序列進行OUT聚類，通過單樣品的多樣性分析（Alpha 多樣性）測定微生物群落的豐度和多樣性。使用軟件R3.6.0 和統(tǒng)計學分析方法，觀測樣本在不同分類水平上的群落結構。

（2）數(shù)據(jù)分析與處理。采用Excel 2019 和SPSS26.0對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理對辣椒品質的影響

參考中國土壤學會農(nóng)業(yè)化學專業(yè)委員會《土壤農(nóng)業(yè)化學常規(guī)分析方法》中的指標，將不同組分辣椒的品質列入表6[17]。從5 組數(shù)據(jù)中可以看出，施沼液而不施營養(yǎng)液的基質栽培組T3辣椒各方面品質提升最大，而既不施營養(yǎng)液也不施沼液的土壤栽培對照組CK 辣椒品質最差，其他幾組差異較小。具體體現(xiàn)在T3平均株高較CK 顯著提高，增幅為15.5%，平均莖粗更粗，增幅為17.4%，辣椒生長勢良好；整體盛花期、結果期較早，分別提前了4 和14 d；可溶性糖較CK 顯著增加，增幅為16.8%，維生素C 含量較CK 顯著提高，增幅為53.4%，辣椒質量更好。基質栽培的T3組、T4組品質明顯高于土壤栽培的T1組、T2組，施用沼液的T1組、T3組品質分別高于施用營養(yǎng)液的T2組、T4組。

表6 不同處理對辣椒品質的影響Tab.6 Effects of different treatments on quality of pepper

2.2 不同處理對日光溫室內(nèi)基質理化性狀的影響

4 組處理下土壤和基質理化性質如表7 所示，T3組對提高基質有機質含量、基質速效氮含量、速效磷含量、速效鉀含量、基質電導率和基質孔隙度的影響最大，具體體現(xiàn)在CK 組的土壤有機質含量較低，為23.93 g/kg，與定植前的數(shù)據(jù)相比，增幅為28.2%，而T3組的基質有機質含量較高，為131.81 g/kg，與定植前的數(shù)據(jù)相比，增幅為140.5%；與定植前基質原始數(shù)據(jù)相比，T3組的速效氮含量增加47.7%，CK 組的速效氮含量增加36.0%；T3組的速效磷含量增加6.7%，CK組的速效磷含量增加2.8%；T3組的速效鉀含量增加151.3%，CK 組的速效鉀含量增加4.7%；T3組的電導率增加9.0%，CK 組的電導率增加70.0%；T3組的土壤孔隙度增加1.6%，CK 組的土壤孔隙度減少12.7%。對CK 組和T3組處理的結果進行獨立樣本t檢驗，兩組處理數(shù)據(jù)間有顯著性差異，說明T3組施沼液處理對于基質理化性狀的提高有顯著的影響。而CK 組、T1組和T2組之間無明顯差異，對照組CK 組即不施用沼液與營養(yǎng)液的土壤理化性質明顯遜色于其他組，基質栽培的T3組、T4組基質的理化性狀明顯高于土壤栽培的T1組、T2組土壤的理化性狀，施用沼液的T1組、T3組土壤與基質的理化性狀分別高于施用營養(yǎng)液的T2組、T4組的土壤與基質的理化性狀。

表7 不同處理對土壤和基質理化性狀的影響Tab.7 Effects of different treatments on soil and matrix physicochemical traits

2.3 不同處理對日光溫室內(nèi)辣椒根際微生物的影響

2.3.1 古菌群落組成與群落結構

由圖1 可知，土壤的主要古菌門種類有廣古菌門（Euryarchaeota）、佩斯古菌門（Pacearchaeota）、奇古菌門（Thaumarchaeota）、烏斯古菌門（Woesearchaeota）和未分類古菌（Unclassified-Archaea）。其中，將相對豐度>1%的古菌門定義為優(yōu)勢古菌門。T1組的優(yōu)勢古菌門及其相對豐度為佩斯古菌門（4%）、奇古菌門（75%）、烏斯古菌門（6%）和未分類古菌（14%）；T2組的優(yōu)勢古菌門及其相對豐度為佩斯古菌門（89%）、烏斯古菌門（5%）和未分類古菌（4%）。將T1組（沼液）與T2組（營養(yǎng)液）對比，可發(fā)現(xiàn)施用沼液相較于施用營養(yǎng)液，使奇古菌門的相對豐度降低了14%，使佩斯古菌門的相對豐度增加了4 倍?；|的主要古菌門種類與土壤相似，主要有廣古菌門、佩斯古菌門、奇古菌門、烏斯古菌門和未分類古菌等。其中T3組的優(yōu)勢古菌門及其相對豐度為佩斯古菌門（3%）、奇古菌門（76%）、烏斯古菌門（4%）和未分類古菌（12%）；T4組的優(yōu)勢古菌門及其相對豐度為奇古菌門（91%）、烏斯古菌門（4%）和未分類古菌（2%）?；|栽培的T3組（沼液）與T4組（營養(yǎng)液）相對比，與土壤栽培類似。另外，施用營養(yǎng)液的情況下，基質中最大優(yōu)勢古菌占比更大更集中。作為對照的CK 組的優(yōu)勢古菌門及其相對豐度為佩斯古菌門（2%）、奇古菌門（89%）、烏斯古菌門（5%）和未分類古菌（3%），由此可以看出，營養(yǎng)液對辣椒根際土壤古菌群落造成的影響不大；相比于營養(yǎng)液，沼液對辣椒根際土壤古菌群落造成的影響更大，明顯降低了奇古菌門的相對豐度，基質對沼液和營養(yǎng)液的吸收效果更顯著。

圖1 辣椒根際土壤及基質古菌的群落結構Fig.1 Community structure of archaea in rhizosphere soil and substrates of pepper

2.3.2 細菌群落組成與群落結構

由圖2 可以看出，土壤主要菌群均為變形菌門（Proteobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）、酸桿菌門（Acidobacteria）、浮霉菌門（Planctomycetes）、放線菌門（Actinobacteria）、疣微菌門（Verrucomicrobia）、芽單胞菌門（Gemmatimonadetes）、綠彎菌門（Chloroflexi）和厚壁菌門（Firmicutes）等。CK 組的優(yōu)勢菌群及其相對豐度為變形菌門（50%）、放線菌門（2%）、擬桿菌門（12%）、髕骨細菌門（Patescibacteria）（1%）、綠彎菌門（1%）、厚壁菌門（1%）、芽單胞菌門（3%）、酸桿菌門（9%）、藍藻菌門（Cyanobacteria）（3%）、疣微菌門（1%）、浮霉菌門（4%） 和 未 分 類 細 菌（Unclassified-bacteria）（11%）。T1組的優(yōu)勢菌群及其相對豐度為變形菌門（50%）、放線菌門（5%）、擬桿菌門（10%）、髕骨細菌門（1%）、綠彎菌門（1%）、厚壁菌門（1%）、芽單胞菌門（4%）、酸桿菌門（9%）、藍藻菌門（1%）、疣微菌門（2%）、浮霉菌門（4%）和未分類細菌（3%）。T2組的優(yōu)勢菌群及其相對豐度為變形菌門（46%）、放線菌門（2%）、擬桿菌門（8%）、髕骨細菌門（1%）、綠彎菌門（1%）、厚壁菌門（3%）、芽單胞菌門（2%）、酸桿菌門（11%）、藍藻菌門（1%）、疣微菌門（3%）、浮霉菌門（5%）和未分類細菌（12%）。3 組處理在門分類水平上相對豐度有一定的差異：對照CK 組，T1組的放線菌門細菌總量明顯較高，T2組的疣微菌門的細菌總量明顯較高。

圖2 辣椒根際土壤及基質細菌的群落結構Fig.2 Community structure of bacteria in rhizosphere soil and substrates of pepper

基質主要菌群均為變形菌門、放線菌門、擬桿菌門、髕骨細菌門、綠彎菌門和藍藻菌門等。T3組的優(yōu)勢細菌門及相對豐度為變形菌門（44%）、放線菌門（15%）、擬桿菌門（8%）、髕骨細菌門（12%）、綠彎菌門（4%）、厚壁菌門（2%）、芽單胞菌門（4%）、酸桿菌門（5%）、藍藻菌門（1%）和疣微菌門（1%）。T4組優(yōu)勢真菌門及其相對豐度為變形菌門（47%）、放線菌門（9%）、擬桿菌門（8%）、髕骨細菌門（12%）、綠彎菌門（4%）、厚壁菌門（2%）、芽單胞菌門（3%）、酸桿菌門（6%）、藍藻菌門（1%）和疣微菌門（3%）。可以看出營養(yǎng)液與沼液對辣椒根際土壤細菌菌群都造成較大影響。另外，與土壤相比，基質中沼液與營養(yǎng)液對放線菌豐度的增加效果更明顯，沼液效果尤為顯著，放線菌豐度為CK對照組的7.5 倍，是土壤施用沼液T1組的3 倍。

2.3.3 真菌群落組成與群落結構

如圖3 所示，土壤栽培處理T1、T2兩組的主要真菌門分別為子囊菌門（Ascomycota）、被孢霉門（Mortierellomycota）、羅茲菌門（Rozellomycota）、油壺菌門（Olpidiomycota）、擔子菌門（Basidifiomycota） 、 壺 菌 門（Chytridiomycota） 、 捕 蟲 霉 門（Zoopagomycota）和未分類真菌（Unclassified-Fungi）等。其中，T1組的優(yōu)勢真菌門及相對豐度為子囊菌門（70%）、被孢霉門（21%）、羅茲菌門（7%）、油壺菌門（1%）和未分類真菌（1%）；T2組的優(yōu)勢真菌門及相對豐度為子囊菌門（42%）、被孢霉門（52%）、羅茲菌門（4%）和擔子菌門（1%）?？煽闯稣右簡为毷┯脤α_茲菌門相對豐度的增加作用效果是極其顯著的?；|栽培處理T3、T4兩組的主要真菌門分別為子囊菌門、被孢霉門、羅茲菌門、油壺菌門、擔子菌門、壺菌門和未分類真菌等。其中，T3組的優(yōu)勢真菌門及相對豐度為子囊菌門（75%）、未分類真菌（2%）、被孢霉門（12%）、油壺菌門（8%）和羅茲菌門（1%）；T4組的優(yōu)勢真菌門及相對豐度為子囊菌門（60%）、被孢霉門（25%）、未分類真菌（11%）和擔子菌門（2%）?？煽闯鰻I養(yǎng)液較沼液能更有效地減少基質中真菌種類，另外，與土壤相比，基質中真菌種類更少，沼液與營養(yǎng)液效果更顯著。

圖3 辣椒根際土壤及基質真菌的群落結構Fig.3 Community structure of fungi in rhizosphere soil and substrates of pepper

由圖1、圖2 和圖3 可知，與CK 組相比，施用沼液能提高辣椒根際土壤中細菌群落的多樣性，降低古菌、真菌群落的多樣性，促進土壤由真菌型向細菌型轉化，降低土壤的真菌/細菌比率。根際微生物能為作物提供營養(yǎng)元素，保護作物的生長環(huán)境，與作物共同生長[18]。但其中的病原微生物也能引起土傳病害或產(chǎn)生對作物有害的物質[19]。以細菌群落為主的根際微生物群落，養(yǎng)分分解和供應都較快，土傳病害相對較少[20]。另外，T1組和T3組的古菌、真菌和細菌的群落豐度分別顯著低于施用營養(yǎng)液的T2組和T4組，可以看出沼液、營養(yǎng)液對根際微生物群落的影響在基質中表現(xiàn)得更為明顯。

3 結論與討論

3.1 沼液施用對辣椒品質的影響

辣椒的品質是衡量肥料肥效的直接指標。本實驗辣椒品質的鑒定通過測量莖粗、株高、盛花期、結果期、可溶性糖含量和維生素C 含量6 項數(shù)據(jù)橫向對比顯示。沼液的施用提高植物株高較未施用沼液組的增幅為15.5%，對植物莖粗的增幅為17.4%，該現(xiàn)象與翟玉瑩等[21]利用沼液在辣椒栽培上進行的試驗研究的研究結果一致。沼液施用還促進了盛花期與結果期的提前，分別提前了4 和14 d。維生素C 含量和可溶性糖含量是衡量辣椒品質的重要因素。本研究表明，施用沼液的基質栽培處理組辣椒維生素C 含量和可溶性糖含量增幅分別為53.4%和16.8%，施用沼液的土壤栽培處理組增幅分別為38.50%和9.28%，顯著提高辣椒的品質。主要是因為沼液中含有豐富的腐殖酸、有機質、生長激素等營養(yǎng)物質，施入后促進了根系的生長發(fā)育，增強根系活力，有效提高了植株的養(yǎng)分供給水平，進而提高作物品質[22]。除了施用沼液的試驗組外，其他處理結果均與對照無顯著差異。只有在綜合考慮蔬菜種類及種植土壤或基質特性等因素的前提下，合理施用沼液才能充分發(fā)揮沼液的肥效。

3.2 沼液施用對基質理化性狀的影響

基質的有機質、氮磷鉀元素含量、孔隙度和pH 值等指標為衡量基質理化性狀的重要參數(shù)。在土壤有機質方面，本研究呈明顯的增加趨勢，這可能是因為沼液本身含有豐富的有機質，其次還有纖維素、木質素等，在微生物作用下分解，從而提高土壤有機質累積速率，增加土壤有機質含量。沼液對于速效鉀和速效磷含量也有提高，原因可能是由于速效鉀屬于離子態(tài)，沼液的施用能夠提高基質的保水性能，從而降低速效鉀在降水和追肥澆水等農(nóng)事活動中的淋洗和損失[23]?；|中大多的磷元素以難溶性化合物的形態(tài)存在，沼液中的微生物將不能被作物直接利用的難溶性養(yǎng)分轉化為有效性養(yǎng)分，提高有效磷含量[24]。沼液中微生物的生命活動也對基質孔隙度的增加和pH 值更趨近6.0有影響，從而提高有效含量、大量元素的有效量[25]。同時根據(jù)數(shù)據(jù)橫向對比，注意到基質對所有養(yǎng)分的利用都略高于土壤，原因可能是基質的速效養(yǎng)分含量占比較土壤更高。

3.3 沼液施用對辣椒根際微生物群落結構的影響

施用沼液對微生物多樣性影響較大，促進土壤由真菌型向細菌型轉化，降低土壤的真菌/細菌比率，但是沼液在增加真菌豐度和均勻度上不如營養(yǎng)液，該結果與郝燕等[26]在關于沼液對葡萄根際土壤微生物豐度的研究相似，可能是由于沼液使土壤和基質中更多的養(yǎng)分被辣椒所吸收，導致土壤和基質微生物的生長受到抑制，豐度減少。

奇古菌能夠參與土壤硝化作用，參與土壤氮循環(huán)[27]。奇古菌相對豐度較高的土壤和基質中硝態(tài)氮所占的比例較高，4 組處理的優(yōu)勢古菌均為奇古菌，并且與之對應，堿解氮含量都有所提升，這與王寧等[28]在稻田的研究結果相同，表明沼液與營養(yǎng)液的施用能增加奇古菌的相對豐度，促進氨氧化作用，增強土壤和基質的供氮能力。放線菌具有促使動植物殘體腐爛、增強土壤肥力、預防土傳病害等作用[29]。放線菌豐度的增加有利于改良土壤環(huán)境，提高辣椒的品質，沼液施用組放線菌相對豐度比對照組和營養(yǎng)液施用組高，這與王禮偉等[30]、李美霖[31]試驗結果一致，表明沼液施用能增加放線菌門的相對豐度。本研究表明，施用沼液使子囊菌門的相對豐度顯著增加，由于子囊菌門是土壤中豐度值最大的真菌，在真菌門中占主導地位，具有促進作物根系吸收養(yǎng)分、提高土壤中養(yǎng)分的含量、促進有機物分解等作用，因而對辣椒整個生長過程具有重要作用[32]。另外，基質中微生物菌群與土壤相似而有少量差異，基質中細菌種類更豐富，與湯圓強[33]研究結果一致，可見基質中施用沼液與營養(yǎng)液在增加細菌多樣性方面較土壤效果更為顯著。

沼液作為一種養(yǎng)分含量豐富的速效液態(tài)肥料，使得辣椒栽培土壤和基質的理化性狀得到顯著的改善，能改變根際微生物的群落組成與結構，能顯著提高辣椒根際細菌群落的多樣性，顯著降低古菌和真菌的多樣性，使真菌/細菌比率降低，降低發(fā)生土傳病害的幾率，進而補充辣椒生長所需的養(yǎng)分物質，提高辣椒的品質。