Bacillus pumilus菌劑與化肥配施對油麥菜生長和品質(zhì)的影響

陳敏潔，滿梅蓮，宋雁飛，戚興來，王 曉，孫 堆，牛 磊，鄭春麗，2

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院/白云鄂博礦多金屬資源綜合利用省部共建國家重點實驗室，內(nèi)蒙古 包頭 014010 ）

近年來，隨著農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施，單施化肥給生態(tài)環(huán)境造成了危害，農(nóng)作物品質(zhì)也受到影響。因此保證無公害綠色食品安全無污染生產(chǎn)，成為社會的焦點［1］。多年大量施用化學(xué)肥料，不僅造成化肥的利用率低，還造成了土壤板結(jié)、肥力下降從而導(dǎo)致微生態(tài)失衡，使土地生產(chǎn)能力下降［2］，甚至對水體和空氣造成污染［3］，蔬菜的可食用安全性降低。劉偉等［4］研究表明，增施氮素使菠菜中硝酸鹽含量上升，硝酸鹽在人體內(nèi)會轉(zhuǎn)變成亞硝酸鹽，影響人們的身體健康。微生物肥料是利用活性微生物的生命活動使植物得到養(yǎng)分的一種新型肥料生物制品，由于具有增加土壤多樣性、改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的特性，其研究和開發(fā)得到了高度重視［5-9］。微生物菌肥無害無毒、肥效顯著且工藝簡單，但單施微生物菌劑有一定缺陷，而微生物菌劑與化肥配施處理，對油麥菜促生效果顯著，單株生產(chǎn)力提高明顯［10-11］。微生物菌劑與化肥配施，使植物對營養(yǎng)元素的吸收能力增強，且植物中維生素C和可溶性糖含量也顯著提高［12-13］。趙慶雷等［14］通過長期定位試驗發(fā)現(xiàn)，微生物菌劑配施下，土壤磷元素的累積解吸率比只施化肥大幅度提高，提高達72.2 %。

由于包頭地處河套平原，土壤偏堿性，因此我們采用包頭本地尾礦庫篩選的Bacillus pumilus菌株進行配施試驗。B.pumilus隸屬于芽孢桿菌屬，對動、植物無致病性［15-17］，其大量存在于土壤和植物根系中，能促進植物生長、增加作物抗逆性［18-19］。由于尾礦庫環(huán)境惡劣，在該區(qū)域篩選的菌生命力頑強，能較好地適應(yīng)包頭本地的鹽堿化土壤［20］，對于促進包頭化肥合理施用具有非常重要的意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤取自包頭麻池鎮(zhèn)農(nóng)用地，其含水率為4%，pH值 7.71，有機質(zhì)含量為3.72%，速效磷1.36 mg/kg，速效鉀166.36 mg/kg，速效氮29.53 mg/kg，蔗糖酶酶活26.74 mg/g·d；供試作物為油麥菜苗，由包頭市萬開生物有限責(zé)任公司提供；供試菌種Bacillus pumilus由本白云鄂博礦多金屬資源綜合利用省部共建國家重點實驗室從包鋼集團尾礦庫土壤中篩選保存；供試化肥原料為過磷酸鈣、尿素、硫酸鉀。

1.2 試驗方法

試驗選用直徑12 cm的盆缽，加入土與蛭石重量比為2 : 1，土樣室溫烘干，過0.178 mm篩，混勻，每盆栽種4棵油麥菜苗，菌劑按100 mL/盆（菌數(shù)量≈1×1010個）噴灑到盆內(nèi)，對照加入100 mL/盆去離子水，倒入300 mL蒸餾水溶解的肥料，進行Bacillus pumilus菌劑與化肥配施處理。試驗設(shè)8個處理（表1），每個處理3次重復(fù)，每個重復(fù)2盆。每隔2 d澆水1次，每次300 mL，30℃，24 h光照，種植29 d。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 油麥菜株高、鮮重、干物質(zhì)含量測定油麥菜苗盆栽定植后29 d取樣，株高用直尺測定，鮮重用天平測定。干物質(zhì)測定：取稱量皿，開蓋放入烘箱，115℃烘30 min，取出，在干燥器中冷卻至室溫后稱重，繼續(xù)烘干至“恒重”；將粉碎、混勻的油麥菜和根平鋪稱量皿中，盡快稱量后置于已預(yù)熱至115℃的烘箱中，烘干3 h，取出，蓋上稱量蓋，移入干燥器中冷卻后稱重。

1.3.2 油麥菜食用品質(zhì)及微量元素測定 油麥菜中維生素C含量測定采用2, 6 -二氯靛酚滴定法［21］，蛋白質(zhì)含量測定采用凱式定氮法［22］，總糖含量測定采用苯酚-硫酸法［23］，微量元素含量的測定采用原子吸收分光光度法［24］。

表1 Bacillus pumilus菌劑與化肥配施方案

1.3.3Bacillus pumilus菌株解磷功能的驗證 將Bacillus pumilus菌株分別接種于無機磷培養(yǎng)基（C6H12O6：10 g/L；（NH4）2SO4：0.5g/L；MgSO4·7H2O：0.3 g/L；NaCl：0.3 g/L；KCl：0.3 g/L；FeSO4·7H2O：0.03 g/L；MnSO4·4H2O：0.03 g/L；Ca（PO4）2：10 g/L；瓊脂粉：20 g/L［25］）和有機磷培養(yǎng)基（C6H12O6：10 g/L；（NH4）2SO4：0.5 g/L；NaCl：0.3 g/L；MgSO4·7H2O：0.3 g/L；Ca（PO4）2：10 g/L；MnSO4·4H2O：0.03 g/L；FeSO4：0.03 g/L；卵磷脂：0.2 g/L；瓊脂粉：20 g/L［26］）中，30℃培養(yǎng)3～5 d，觀察透明圈的生成。

2 結(jié)果與分析

2.1 油麥菜生理指標(biāo)測定

對化肥處理、化肥與菌劑配施處理油麥菜地上部分即株高、鮮重、干物質(zhì)和地下部分即根長、根重、根干物質(zhì)進行測量，結(jié)果見圖1和圖2。由圖1可知，在B.pumilus菌劑與化肥配施的情況下，油麥菜的株高、鮮重以及干物質(zhì)量有不同程度的增加。與不添加化肥和菌劑的對照相比，氮磷肥與菌劑配施處理的油麥菜株高和鮮重分別增加26.54%和353.95%，磷肥與菌劑的配施使干物質(zhì)量增加303.83%；磷肥與微生物菌肥配施的增產(chǎn)效果好于與氮肥和鉀肥配施。與單施微生物菌肥對照相比，菌劑與磷肥配施處理的油麥菜株高、鮮重和干物質(zhì)含量分別增加15.23%、98.7%和98.12%。由此可見，B.pumilus菌劑與化肥配施，能很好地促進油麥菜根上部分的生長，尤其是對鮮重和干物質(zhì)的增加效果顯著，這可能是B.pumilus菌劑能與油麥菜發(fā)生相互作用，促進了營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和轉(zhuǎn)化。

圖1 化肥及菌劑配施處理油麥菜地上部分生長指標(biāo)測定結(jié)果

圖2 化肥及菌劑配施處理油麥菜地下部分生長指標(biāo)測定結(jié)果

由圖2可知，在B.pumilus菌劑與化肥配施的情況下，與不添加化肥和菌劑的對照相比，油麥菜的根長、根鮮重、根的干物質(zhì)量分別增加210.18%、163.89%和328.30%。菌劑與氮肥、磷肥配施處理，油麥菜根長比單施用菌劑對照分別增加34.77%和82.61%，而鉀肥與菌劑配施在一定程度上抑制了根的生長；菌劑與磷肥配施，根鮮重比單施菌劑增加50.79%；B.pumilus菌劑與氮肥、磷肥、氮磷鉀肥配施，根的干物質(zhì)量分別比單施氮肥、磷肥、氮磷鉀肥增加128.3%、55.17%及31.4%，比單施用菌劑分別增加66.0%、112.3%及26.4%。由此可見，B.pumilus菌劑與化肥配施的效果好于單施化肥，其中與磷肥配施的效果最好。其原因可能是B.pumilus菌株的胞外分泌物對植物起到類似于吲哚-3-乙酸（IAA）、赤霉素和細胞分裂素等促進植物生長的作用［27］。

2.2 油麥菜營養(yǎng)品質(zhì)測定

油麥菜中的維生素C可幫助人體內(nèi)鐵的吸收，預(yù)防壞血病［28］，而蛋白質(zhì)是構(gòu)成和修復(fù)人的神經(jīng)、肌肉、內(nèi)臟、血液、骨骼等組織細胞的材料。另外糖類物質(zhì)則對人體的細胞和組織具有一定的保護作用［29］。B.pumilus菌劑與化學(xué)的配施對油麥菜中VC、總蛋白和總糖含量的影響見圖3。B.pumilus菌劑與化肥配施處理下，油麥菜的VC、蛋白質(zhì)及總糖含量均有一定程度的提高。由圖3A可知，B.pumilus菌劑的添加，總體使油麥菜VC含量增加，其中菌劑與氮鉀肥的配施使得VC含量增加100%，比單施菌劑增加50%；由圖3B可知，不同化肥處理下，油麥菜的蛋白質(zhì)含量差異較大，氮肥的施用可以增加總蛋白含量，較磷肥、鉀肥和空白對照分別高29.7%、171.4%和119.4%，而配施菌劑，對于蛋白質(zhì)的含量變化有較大的影響，其中菌劑與氮磷鉀肥共施可使油麥菜總蛋白含量增加64.8%；由圖3C可知，氮肥的施加不僅可以增加油麥菜中蛋白質(zhì)的含量，還對總糖的增加有明顯的效果，較不施用任何肥料的對照增加283.50%，而菌劑的施加總體使油麥菜總糖含量明顯增加。單施磷肥較不施肥，油麥菜總糖含量增加117.1%，而菌劑與磷肥配施使油麥菜中總糖含量增加115.5%。由此可見，菌劑的配施對于油麥菜營養(yǎng)品質(zhì)的提升有明顯的效果。這可能是由于菌劑與化肥配施處理后改良了土壤環(huán)境，從而有利于油麥菜中營養(yǎng)物質(zhì)的積累［30］。

圖3 化肥及菌劑配施處理油麥菜營養(yǎng)成分測定結(jié)果

2.3 油麥菜微量元素測定

鉀、鎂、鈉是植物所需的微量元素，其中鉀元素能促進植物生長，提高作物的抗病性；鎂元素是葉綠素的重要組成成分之一，在植物合成葉綠素過程中是必不可少的；鈉元素可以提高細胞原生質(zhì)的親水性，提高了細胞的保水潛力，在一定程度上可以降低植物的蒸騰作用。因此， 鉀、鎂、鈉元素的含量在一定程度上能夠體現(xiàn)植株的生長能力及健康性。

從圖4A可以看出，B.pumilus菌劑的添加能夠總體提高油麥菜中鉀的含量，其中與氮磷鉀肥配施處理使鉀含量達到最高，比空白對照高116.2%；而菌劑與磷肥配施，油麥菜鉀含量比單施磷肥高159.4%。由此可見，鉀肥可以明顯提高植物體內(nèi)鉀元素的含量，在鉀肥的基礎(chǔ)上施加氮肥和磷肥，鉀元素的含量有升高的趨勢。由圖4B可知，只有B.pumilus菌劑與氮肥的配施能提高油麥菜的鎂含量，比對照增加35.73%，菌劑的添加及化肥的添加對鎂元素含量影響不大。對鎂元素含量略有影響的是氮肥、鉀肥，分別比空白組增加了32.38%、26.89%。從圖4C可以看出，B.pumilus菌劑的施用對油麥菜體內(nèi)鈉元素的積累有一定負作用，而單施化肥的配施處理增加了鈉元素含量，氮肥與磷肥的配施下鈉元素的含量比空白試驗增加28.11%。由此可見，B.pumilus菌劑對油麥菜中微量元素的含量會產(chǎn)生影響，但變化趨勢不顯著，當(dāng)菌劑與鉀肥和氮磷鉀肥配施時，油麥菜中鉀元素的含量較高，油麥菜中鎂元素受菌劑的影響較小，但鈉元素總的趨勢是呈下降狀態(tài)，其原因至今尚不明確，還需要進一步探索。

圖4 化肥及菌劑配施處理的油麥菜微量元素含量

2.4 Bacillus pumilus解磷功能的驗證

B.pumilus菌劑不僅對油麥菜有一定的促生作用，通過解磷實驗，驗證其是否具有解無機磷和有機磷的作用，達到促生效果，其解磷效果見圖5。圖5A的溶磷圈為B.pumilus菌株利用低溶解性的磷酸鹽為唯一磷源生長產(chǎn)生的，表明該菌株具有溶解無機磷的能力；圖5B為B.pumilus菌株在卵磷脂培養(yǎng)基生長所產(chǎn)生的溶磷圈，說明該菌株具解有機磷的能力，由此推測B.pumilus菌株可能通過自身的生理功能向外分泌并釋放出酸性分泌物，這類酸性物質(zhì)的擴散，使得難溶性的磷在酸性分泌物的作用下溶解，形成溶磷圈。也有報道證明，出現(xiàn)溶磷圈可能是一些其他的分泌物，如螯合性或絡(luò)合物等造成［31-32］。經(jīng)B.pumilus菌株處理后油麥菜中的各項生理指標(biāo)和品質(zhì)指標(biāo)與對照相比都有提高，說明B.pumilus菌株可能對植物的營養(yǎng)生理代謝產(chǎn)生影響，促進植株生長以及植物對氮、磷等營養(yǎng)元素的吸收［33-34］。

圖5 B.pumilus菌劑解磷實驗結(jié)果

3 結(jié)論

芽胞桿菌屬是一類應(yīng)用較廣泛的植物根際促生細菌，具有促進植物生長和誘導(dǎo)植物抗病性的作用［35］。研究表明，B.pumilus對擬南芥、煙草、大豆和辣椒等植物的生長具有明顯的促進作用［36］。本研究通過包頭本地尾礦庫篩選的B.pumilus菌株進行配施研究，得到以下結(jié)論：Bacillus pumilus菌劑對油麥菜根的生長及幼苗的株高和株重具有促進作用，單施菌劑對油麥菜增產(chǎn)效果較與化肥的配施處理的效果顯著差，菌劑與磷的配施處理能夠明顯提高油麥菜盆產(chǎn)量；Bacillus pumilus菌劑對于改善油麥菜的品質(zhì)也有一定的功能，維生素C和植物總糖的含量都在不同的程度范圍內(nèi)有一定的改善和提高，蛋白質(zhì)的含量受微生物菌劑的影響較小，與施用氮肥等不同的配施處理有關(guān)，氮肥與菌劑的配施能夠提高油麥菜對氮素的吸收和利用；菌劑對油麥菜中微量元素也產(chǎn)生一定的影響，但變化趨勢不顯著，當(dāng)菌劑與鉀肥和氮磷鉀肥配施時，油麥菜中鉀元素的含量較高，油麥菜中鎂元素受菌劑的影響較小，但是與前兩種元素變化趨勢不一樣的是鈉元素，它的總的趨勢是呈下降狀態(tài)，其原因尚不明確，還需要進一步探索。B.pumilus菌株具有一定分解無機磷和有機磷的能力，有助于將土壤中不可利用的磷元素轉(zhuǎn)化為可被油麥菜吸收的磷肥，從而加快油麥菜的長勢。