木霉微生物肥與減量化肥配施對番*茄產(chǎn)量、品質(zhì)及土壤肥力的影響

趙 政 陳 巍 王 歡 夏可心 高仁維 姜斯琪 龐 冠 蔡 楓

（江蘇省固體有機(jī)廢棄物資源化高技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省有機(jī)固體廢棄物資源化協(xié)同創(chuàng)新中心，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，南京 210095）

化肥的施用是集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可或缺的部分。然而，長期大量施用化肥會導(dǎo)致諸如土壤肥力下降、養(yǎng)分失衡、作物減產(chǎn)和品質(zhì)降低等一系列問題［1］，且其中大量的化肥未發(fā)揮出應(yīng)有的肥效，以不同形式散失于大氣或固定于土壤中［2-3］。另一方面，過量化肥的施用，也是現(xiàn)今食品安全問題的源頭之一。例如，一些葉菜類農(nóng)產(chǎn)品的高硝酸鹽積累問題被證明與盲目施用化肥有關(guān)［4］。因此，目前，緩解農(nóng)業(yè)—生態(tài)矛盾行之有效的方法之一是對養(yǎng)分進(jìn)行綜合管理，如利用一些具有特定功能的生物菌肥提高化肥的利用效率，以部分替代化肥肥效，從而降低化肥的使用量［5］。近年來，以植物促生菌（Plant growth-promoting microbe，PGPM）制成的微生物肥料由于其具有活化養(yǎng)分［6］、促進(jìn)作物生長［7］、防治土傳病害［8-9］、環(huán)境友好等特性，而在養(yǎng)分綜合管理措施中被廣泛使用［1，10］。眾多植物促生菌中，木霉菌的促生作用和生防功效已被大量研究證實(shí)，其作用機(jī)制多而復(fù)雜，可有效促進(jìn)番茄、黃瓜、小麥、辣椒等多種作物的生長［11-13］。

木霉NJAU 4742菌株是由本實(shí)驗(yàn)室篩選并成功實(shí)現(xiàn)商品化應(yīng)用的農(nóng)用促生菌/生防菌［7，14］，其主要的促生機(jī)制包括分泌類植物激素丁烯羥酸內(nèi)酯（Harzianolide）以刺激作物根系伸長［13］和活化土壤中的難溶養(yǎng)分磷、鐵等元素［15］。雖然，有關(guān)木霉菌促生作用及其機(jī)制的研究已取得一定進(jìn)展，但相關(guān)研究主要集中于其對作物產(chǎn)量的貢獻(xiàn)，有關(guān)木霉菌對作物品質(zhì)的影響研究較少，且結(jié)論不一：Molla等［10］發(fā)現(xiàn)施用木霉微生物肥可顯著提升番茄果實(shí)的總可溶性固形物、糖分、維生素C及其他品質(zhì)指標(biāo)；而Nzanza等［16］則認(rèn)為木霉菌對番茄維生素C的影響不顯著。此外，蔬菜中硝酸鹽的含量與人體健康息息相關(guān)，其含量受肥料種類、施肥方式與施肥時(shí)間的顯著影響［17］。因此，開展有關(guān)木霉菌及其微生物肥料產(chǎn)品對經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)量和品質(zhì)影響的研究意義重大。

近年來，微生物有機(jī)肥因結(jié)合了功能微生物和有機(jī)肥兩大特性而受到重視，國內(nèi)外關(guān)于微生物有機(jī)肥影響土壤性狀和作物生長的研究也逐漸深入［1,9,10,14］，但這一領(lǐng)域仍有大量工作需要開展，相關(guān)作用機(jī)制尚未完全明析；且多數(shù)研究僅停留于1～2季的當(dāng)季肥效，涉及微生物有機(jī)肥部分替代化肥長期施用的報(bào)道較少［1］，其長期肥效值得深入的跟蹤研究。本研究擬通過連續(xù)盆栽的方式，跟蹤分析木霉微生物有機(jī)肥長期施用對連作番茄產(chǎn)量、品質(zhì)及土壤肥力的影響，并結(jié)合田間試驗(yàn)探討木霉微生物有機(jī)肥部分替代化肥的可行性，為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試番茄品種為“蘇紅2003”（Lycopersicon esculentum cv. Suhong 2003），由上海市長征良種實(shí)驗(yàn)場選育。供試有機(jī)肥料由氨基酸有機(jī)肥和豬糞堆肥按1:1的比例混合而成，稱為普通有機(jī)肥。供試菌種為木霉NJAU 4742菌株（Trichoderma guizhouense NJAU 4742），由江蘇省固體有機(jī)廢棄物資源化高技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供，并用于與普通有機(jī)肥進(jìn)行二次發(fā)酵生產(chǎn)木霉微生物有機(jī)肥，其木霉有效活菌數(shù)達(dá)106cfu·g-1以上。木霉微生物有機(jī)肥的發(fā)酵工藝及普通有機(jī)肥和木霉微生物有機(jī)肥的理化性質(zhì)參見文獻(xiàn)［1］。供試化肥為雅冉苗樂復(fù)合肥（15-15-15）和硝酸鈣肥，由挪威雅冉公司生產(chǎn)。

1.2 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)選在江蘇省南京市麒麟鎮(zhèn)蔬菜種植基地（118°57′E，32°03′N）分兩季進(jìn)行。試驗(yàn)設(shè)計(jì)3個(gè)處理：（1）CF，100%化肥處理（600 kg·hm-2復(fù)合肥+300 kg·hm-2硝酸鈣肥）；（2）BF，木霉微生物肥（1 800 kg·hm-2）+75%的化肥（含450 kg·hm-2復(fù)合肥+225 kg·hm-2硝酸鈣肥）；（3）OF，普通有機(jī)肥（1 800 kg·hm-2）+75%的化肥（含450 kg·hm-2復(fù)合肥+225 kg·hm-2硝酸鈣肥）。其中，復(fù)合肥、普通有機(jī)肥及微生物有機(jī)肥以條施的形式作基肥，硝酸鈣肥分3次追施。小區(qū)面積9.6 m2（1.6 m×6.0 m），各小區(qū)栽種番茄苗60株。每個(gè)處理設(shè)置5個(gè)重復(fù)，共計(jì)15個(gè)小區(qū)，隨機(jī)區(qū)組排列。供試田塊有機(jī)質(zhì)含量27.6 g·kg-1，pH 6.1，銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有效磷、速效鉀含量分別為21.9 mg·kg-1、22.7 mg·kg-1、131.3 mg·kg-1、218.7 mg·kg-1。

1.3 盆栽試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽分4季于江蘇宜興國家有機(jī)類肥料工程技術(shù)研究中心溫室內(nèi)重復(fù)進(jìn)行，每季盆栽生育期長100 d。試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理：（1）CF，100%化肥處理（每盆5.33 g復(fù)合肥+2.67 g硝酸鈣肥）；（2）BF，木霉微生物肥（每株50 g）+75%的化肥（每盆4 g復(fù)合肥+2 g硝酸鈣肥）；（3）OF，普通有機(jī)肥（每株50 g）+75%的化肥（每盆4 g復(fù)合肥+2 g硝酸鈣肥）；（4）SS，木霉孢子懸液灌根處理（106cfu·g-1土）+75%的化肥（每盆4 g復(fù)合肥+2 g硝酸鈣肥）。其中，復(fù)合肥、普通有機(jī)肥及微生物有機(jī)肥與盆栽土混勻后作基肥，硝酸鈣肥于移苗30 d后一次追施。盆缽直徑35 cm，每盆裝土10 kg，栽種番茄2株。每個(gè)處理設(shè)置6個(gè)重復(fù)（盆），每季重復(fù)施肥，常規(guī)管理。供試土壤為淋溶土，有機(jī)質(zhì)含量19.2 g·kg-1，pH7.3，銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有效磷、速效鉀含量分別為29.3 mg·kg-1、0.8 mg·kg-1、99.2 mg·kg-1、150.5 mg·kg-1。

1.4 產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)與品質(zhì)測定

待100 d生育期滿，分3次采摘并統(tǒng)計(jì)各小區(qū)番茄果實(shí)產(chǎn)量，并隨機(jī)選取3～5個(gè)番茄作品質(zhì)分析測定。番茄維生素C和硝酸鹽含量采用高效液相色譜（HPLC）法（Agilent 1200，美國）測定，方法參照顧小龍等［1］的研究；總可溶性糖的測定采用比色法，具體參見文獻(xiàn)［18］。

1.5 樣品收集與測定方法

根際土壤樣品均采自番茄盆栽試驗(yàn)，采集方法如下［19］：將番茄植株整株小心取出，去除大部分土壤，將仍附于根系的土壤抖落，收集于自封袋中，即為當(dāng)季番茄根際土，每個(gè)處理隨機(jī)取樣3份。土壤樣品分別采用稀釋涂布法測定根際可培養(yǎng)微生物數(shù)量和木霉菌數(shù)量［1，20］，其中，木霉菌選擇性培養(yǎng)基配制方法如下：每升含MgSO4?7H2O 0.2 g，K2HPO40.9 g，NH4NO31 g，KCl 0.15 g，葡萄糖3 g，1/300孟加拉紅10 mL，氯霉素0.25 g，鏈霉素0.05 g，五氯硝基苯0.15 g，曲拉通1 mL，霜霉威1.2 mL，瓊脂20 g。土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮采用流動分析儀（BRAN+LUEBBE Auto Analyzer3，德國）測定［21］，有效磷、速效鉀測定方法參照文獻(xiàn)［1］。土壤全碳（有機(jī)質(zhì)）、全氮采用元素分析儀（Vario EL elemental analyzer，德國）測定，全磷和全鉀的含量采用等離子體原子發(fā)射光譜儀（Agilent 710 ICP-OES，美國）測定［22］。

1.6 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 13.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并進(jìn)行單因素方差分析（One-way ANOVA，P＜ 0.05）和皮爾森（Pearson）相關(guān)性分析。圖表由Excel 2013和SigmaPlot 11.0制作而成。

2 結(jié) 果

2.1 不同施肥處理對番茄產(chǎn)量的影響

由表1可見，田間試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了研究假設(shè)，即與全量化肥處理（CF）相比，減量化肥與木霉微生物有機(jī)肥配施（BF處理）對番茄產(chǎn)量無顯著影響，而減量化肥與普通有機(jī)肥配施（OF）則顯著降低番茄產(chǎn)量（15%）。在盆栽試驗(yàn)中，雖然第一季產(chǎn)量處理間差異不顯著，但隨著種植季數(shù)的增加，處理間產(chǎn)量差異顯著。盆栽試驗(yàn)中，與CF處理相比，OF和SS處理使得番茄產(chǎn)量分別下降6%～38%和9%～35%，且差異在第2季后開始顯著（P＜ 0.05）。

表1 不同施肥處理下番茄產(chǎn)量Table 1 Effect of different treatments on tomato yield in pot experiments and field trials /(kg·plot-1)

2.2 不同施肥處理對番茄果實(shí)品質(zhì)的影響

由圖1可知，盆栽條件下，不同施肥處理對番茄果實(shí)品質(zhì)影響顯著。BF、OF、SS處理與CF相比，減少25%化肥的施入，可使果實(shí)中硝酸鹽的積累量下降32%～46%。減量施用化肥的處理BF、OF及SS，相對于CF處理，果實(shí)中總可溶性糖含量增加35%～54%；且上述兩個(gè)指標(biāo)的結(jié)果在田間試驗(yàn)條件下得到進(jìn)一步驗(yàn)證。處理間維生素C的含量在田間試驗(yàn)條件下差異不顯著，但在盆栽試驗(yàn)條件下，添加有機(jī)質(zhì)的BF和OF處理中維生素C的含量顯著高于CF和SS處理。

2.3 不同施肥處理對土壤養(yǎng)分的影響

由圖2可知，在盆栽試驗(yàn)中，BF和OF處理的硝態(tài)氮、有效磷和速效鉀含量顯著高于CF和SS處理，且多數(shù)情況下，BF處理的有效磷和速效鉀含量高于OF處理；而CF處理的銨態(tài)氮含量顯著高于其他3個(gè)處理（P＜ 0.05）。BF和OF處理中有機(jī)質(zhì)和全氮含量顯著高于未添加有機(jī)質(zhì)的CF和SS處理，且隨著種植季數(shù)的增加，兩組處理（BF、OF與CF、SS）間的差異更加顯著（P＜ 0.05）。此外，各處理土壤全磷和全鉀含量均隨著種植季數(shù)的增加呈逐漸增加的趨勢，但處理間差異不顯著（P＞ 0.05）。

圖1 不同施肥處理下的番茄品質(zhì)Fig. 1 Effects of different treatments on tomato fruit quality in the open field and in the greenhouse

2.4 不同施肥處理對根際可培養(yǎng)微生物數(shù)量的影響

由圖3土壤細(xì)菌、真菌及放線菌數(shù)量變化可知，不同施肥處理對土壤微生物影響不同，且差異顯著。BF和OF處理中細(xì)菌數(shù)量顯著高于CF和SS處理，而SS和BF處理中真菌的數(shù)量在第3季后顯著高于CF和OF處理，但在第4季后差異又不顯著。BF處理中放線菌的數(shù)量顯著高于其他3處理（P＜0.05）。此外，由圖3可知，BF處理根際木霉菌的定殖數(shù)量顯著高于SS處理，且顯著高于不施木霉菌的處理CF和OF。

2.5 土壤養(yǎng)分、微生物數(shù)量與番茄產(chǎn)量和品質(zhì)間的相關(guān)性

由皮爾森相關(guān)性分析結(jié)果（表2）可知，本試驗(yàn)中，根際細(xì)菌數(shù)量與土壤全氮、有機(jī)質(zhì)、硝態(tài)氮、有效磷及速效鉀含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，而與土壤銨態(tài)氮含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜ 0.01）；根際真菌數(shù)量也與銨態(tài)氮含量顯著負(fù)相關(guān)，而與土壤全氮和有機(jī)磷含量正相關(guān)（P＜0.05）；根際放線菌數(shù)量則與土壤全磷、有機(jī)質(zhì)及硝態(tài)氮含量顯著正相關(guān)（P＜ 0.05）。其中，土壤各理化指標(biāo)中，土壤全氮、硝態(tài)氮、有效磷及速效鉀含量均與有機(jī)質(zhì)含量正相關(guān)，且番茄果實(shí)的維生素C和總可溶性糖含量也與有機(jī)質(zhì)含量正相關(guān)，而硝酸鹽含量則與之負(fù)相關(guān)。此外，果實(shí)中總可溶性糖含量除與有機(jī)質(zhì)顯著相關(guān)外，還與土壤中全氮、全磷、全鉀、有效磷、速效鉀及微生物數(shù)量等多項(xiàng)指標(biāo)呈顯著正相關(guān)關(guān)系。在本實(shí)驗(yàn)條件下，未發(fā)現(xiàn)番茄產(chǎn)量與所測指標(biāo)間存在顯著相關(guān)關(guān)系。

3 討 論

圖2 不同施肥處理下的土壤養(yǎng)分Fig. 2 Effects of different treatments on soil nutrients relative to cropping season in the greenhouse

本研究表明，在現(xiàn)有施肥基礎(chǔ)上，減施25%的化肥并配施以一定量木霉菌制成的微生物有機(jī)肥可維持田間番茄穩(wěn)產(chǎn)（表1），與100%化肥處理產(chǎn)量相當(dāng)，盆栽試驗(yàn)結(jié)果也支持這一論點(diǎn)；而減施化肥配以普通有機(jī)肥或木霉菌體則不能有效維持番茄產(chǎn)量，連續(xù)施用4季后，產(chǎn)量均下降35%以上。這與先前在黃瓜種植施肥體系中的結(jié)果類似［1］，也與Adesemoye等［23］在番茄種植上的結(jié)果相似，即減施25%化肥并配施由PGPM制成的微生物肥可有效保證番茄植株生長和穩(wěn)產(chǎn)。

圖3 不同施肥處理下土壤可培養(yǎng)微生物數(shù)量Fig. 3 Effects of different treatments on population of culturable soil microbes relative to cropping season in the greenhouse

一般情況下，生長期末的養(yǎng)分有效性反映了當(dāng)季土壤養(yǎng)分的供應(yīng)能力。在盆栽試驗(yàn)中，高硝態(tài)氮、有效磷和速效鉀含量更多見于BF處理的土壤中，而低有效養(yǎng)分含量則更多見于SS處理中，OF處理的養(yǎng)分狀態(tài)處于兩者之間，說明SS處理的養(yǎng)分投入不足造成減產(chǎn)，而BF處理中引入的有機(jī)質(zhì)和促生菌木霉可有效緩解化肥減施產(chǎn)生的問題。雖然OF處理的土壤肥力與BF處理的相當(dāng)甚至高于BF處理（如土壤全磷和全鉀），但在養(yǎng)分有效性方面OF不及BF處理（圖2）。究其原因有二：其一，BF中的木霉菌具有溶解一些難溶和微溶養(yǎng)分的能力，如定殖在黃瓜根際的棘孢木霉（T.asperellum）可提高根際磷和鐵的有效性［12］；供試菌株NJAU 4742可通過分泌植酸酶、嗜鐵素、金屬還原酶等活化土壤中的磷、鐵、鋅等養(yǎng)分供植物吸收［15］；其二，本研究中，鉀有效性的提高非木霉菌NJAU 4742直接作用而成，因?yàn)橐阎狽JAU 4742菌株在實(shí)驗(yàn)室條件下不具有活化含鉀礦物的能力。因此，除木霉菌直接的養(yǎng)分活化作用外，還有其他因素引起了BF處理的土壤養(yǎng)分有效性提高，推測這是由于BF處理中木霉菌的引入引起了土壤土著微生物區(qū)系的變化造成的。

土壤微生物是土壤中最活躍和最易變化的部分，也是土壤有效養(yǎng)分的活性中心［24］。如圖3所示，4個(gè)處理中，BF處理的總細(xì)菌、總真菌和總放線菌數(shù)量均顯著高于其他3個(gè)處理，而CF處理的各微生物數(shù)量均較低，這可能與化肥在連作體系中會導(dǎo)致微生物區(qū)系多樣性和豐富度下降的原因有關(guān)［9，25］。因此，結(jié)合前人研究成果［13，23，26］，上述結(jié)果可有如下解釋：已知木霉菌NJAU 4742具有產(chǎn)生類植物激素丁烯羥酸內(nèi)酯（Harzianolide）的功能，其可有效促進(jìn)根系伸長和根尖分化［13］，而更大的根系生物量產(chǎn)生更豐富的根系分泌物，吸引更多的微生物在根際定殖（圖3），致使根際微生物活動更加活躍而養(yǎng)分得到活化（圖2）。上述論點(diǎn)，在皮爾森相關(guān)性分析中得到論證，即土壤養(yǎng)分有效性與土壤微生物豐度顯著相關(guān)（表2），如：土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有效磷、速效鉀的含量與細(xì)菌數(shù)量均顯著相關(guān)，土壤銨態(tài)氮和有效磷與真菌相關(guān)，硝態(tài)氮與放線菌數(shù)量相關(guān)；且表中木霉菌的數(shù)量與土壤總真菌和放線菌的數(shù)量密切相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.660和0.568（P＜ 0.05）。說明微生物

肥中的功能菌木霉可通過改變植物根系生長，間接或直接引起土壤微生物區(qū)系的變化，以調(diào)節(jié)根際養(yǎng)分有效性，使之向更有利于作物生長的方向發(fā)展，并最終反映在作物產(chǎn)量上。類似地，有研究［27］報(bào)道，微生物肥在不同土壤和種植體系中，可替代23%～52%的化肥施用量，而不致使作物減產(chǎn)，這被證明與PGPM具有活化土壤養(yǎng)分和調(diào)節(jié)根際微生物區(qū)系的能力有關(guān)。

表2 土壤養(yǎng)分、微生物數(shù)量與番茄產(chǎn)量和品質(zhì)指標(biāo)間的相關(guān)性Table 2 Pearson correlations of soil nutrients andpopulationof soil microbe with yieldand qualityof tomato

我國化肥平均用量達(dá)460 kg·hm-2，而目前化肥的利用率僅30%～35%［4，24］。大量的化肥施用后未被作物吸收，造成土壤總體養(yǎng)分過剩而養(yǎng)分利用率偏低等問題。但同時(shí)，農(nóng)戶并未停止增加化肥施用量，而為追求高產(chǎn)更加盲目地投入化肥，使得施肥成為影響蔬菜中硝酸鹽積累最嚴(yán)重的原因之一［1，28］。本研究中，在田間和盆栽試驗(yàn)條件下，減施25%化肥的BF、OF及SS處理番茄果實(shí)中硝酸鹽含量均顯著低于100%化肥處理的CF，且隨著施用次數(shù)的增加硝酸鹽積累差異越明顯（圖1）。而且，BF和OF處理的番茄果實(shí)中維生素C和可溶性糖的含量較CF分別高2%～23%和35%～54%，說明施用一定量的有機(jī)物料可有效提高果實(shí)品質(zhì)。皮爾森相關(guān)性分析結(jié)果（表2）進(jìn)一步證實(shí)了上述論點(diǎn)，因?yàn)?，本研究中果?shí)維生素C的含量與土壤有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.525），而硝酸鹽含量則與之呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（r=-0.543）。Oliveria等［29］的研究認(rèn)為，在有機(jī)種植體系中，番茄植株由于在有效性相對較低的養(yǎng)分環(huán)境中生長，生長速度相對較慢，有利于其可溶性固形物如糖分、維生素C及酚酸類等物質(zhì)的積累；而在非有機(jī)種植體系中，高硝酸鹽積累常與低維生素C含量相伴［30］，與本試驗(yàn)結(jié)果一致。因此，減量化肥與微生物有機(jī)肥配施，通過向土壤中輸入養(yǎng)分、有機(jī)物和功能微生物，可有效活化土壤中的養(yǎng)分和增加微生物群落多樣性，提高養(yǎng)分利用效率，降低化肥用量，應(yīng)作為重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施推廣實(shí)施。

4 結(jié) 論

減施部分化肥而配施以功能菌（如木霉菌）制成的微生物有機(jī)肥，不僅能保證番茄穩(wěn)產(chǎn)，還能顯著提升番茄果實(shí)品質(zhì)，說明微生物肥料中的功能菌可顯著活化土壤養(yǎng)分，改變土壤微生物結(jié)構(gòu)，從而直接或間接地調(diào)節(jié)根際養(yǎng)分的有效性和供應(yīng)能力，改善土壤肥力狀況。