夏季黄瓜穴盘育苗施用甲基营养型芽孢杆菌的效果分析

胡晓辉 王君正 彭铁梨 袁路乔

(1.西北农林科技大学园艺学院， 陕西杨凌 712100； 2.农业农村部西北设施园艺工程重点实验室， 陕西杨凌 712100)

0 引言

工厂化育苗是指在温室等设施内，以穴盘作为育苗容器，将蛭石、珍珠岩及草炭等不同基质按比例复配作为育苗基质，在适宜的环境下培育出生长旺盛、质量良好的秧苗，最终达到一次性成苗的现代化、工厂化、规模化的育苗体系[1]，是我国现代育苗的主要方式[2]。目前，我国西北地区育苗设施结构较为简单，环境控制能力弱，夏季生产常遭遇高温胁迫[3]。研究表明，高温胁迫造成秧苗根系生长受到抑制、植株生长缓慢[4-5]、生物量降低、成苗质量下降[6-7]，而成苗质量最终会影响作物产量和品质[8]。在高温环境下，不仅通过影响作物的光合作用、呼吸作用、细胞分裂和伸长等过程抑制其生长发育及产量形成[9-11]，而且还会降低作物栽培介质中脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶等酶活性[12]。而基质酶是评价根际环境质量与肥力水平的重要生物学指标之一，在基质元素转化过程中发挥着重要作用。

微生物是反映栽培介质活性和营养转化能力的指标之一，不仅可以分解有机质、转化土壤元素形态，进而利于植物吸收，如固氮、解磷等[13-14]，还可定殖于植株根际或其周围形成优势菌群[15]，直接合成IAA、GA等对植物生长发育有直接作用的调节物质，促进植物生长[16-17]，或直接分泌代谢产物，防止通过土传病虫害[18-19]等途径参与和影响作物的生产过程。基于有益微生物的特殊功能及环境友好的特点，人工培植的微生物菌群经加工制成的微生物活菌制剂应运而生。甲基营养型芽孢杆菌(B.methylotrophicus)是MUNUSAMY等[20]于2010年从水稻根际土壤中分离获得并确认其为芽孢杆菌属的一个新种。目前国内外关于甲基营养型芽孢杆菌的研究主要集中于对黄瓜炭疽病、枯萎病、葡萄霜霉病等病害的防治及作用机理研究[21-22]，其对作物生长及对根际环境的影响却鲜见报道。

同时，关于缓解和解除高温胁迫的研究多集中于对设施条件的改造和管理技术的提升[23-24]以及精胺、亚精胺、水杨酸等外源物质的应用[25-26]方面。关于利用微生物制剂促进作物生长、提高产量和品质的研究多在作物适生环境条件下进行[13-17]，而关于甲基营养型芽孢杆菌对促生壮苗及利用微生物菌剂等生物制剂缓解高温对秧苗胁迫伤害的研究却鲜有报道。本研究基于黄瓜穴盘育苗试验，采用拌基质方式将甲基营养型芽孢杆菌微生物菌剂应用于夏季黄瓜育苗中，将甲基营养型芽孢杆菌与促生壮苗、元素形态转化和缓解高温胁迫相结合，通过测定秧苗形态和生理指标、根系生长指标、壮苗指数、生长函数和基质酶活性等，探究甲基营养型芽孢杆菌对夏季高温期黄瓜穴盘育苗效果和基质酶活性的影响，以期缓解或降低西北旱区设施高温环境对秧苗造成的胁迫伤害，为提高黄瓜产量和品质、降低生产成本提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以津优1号、博耐526和西蔬-131 3个品种黄瓜和VL-10型甲基营养型芽孢杆菌(粉剂，山东蔚蓝生物科技有限公司生产，有效活菌数为5×1010CFU/g)为试验材料。育苗基质选用以菇渣和牛粪为主要成分的腐熟农业废弃物，其容重为0.36 g/cm3、pH值为6.65、电导率为1 537 μS/cm、硝态氮质量比634 mg/kg、铵态氮质量比75.5 mg/kg、速效磷质量比712 mg/kg、速效钾质量比4 389 mg/kg、有机质质量分数41.7%。采用50孔穴盘育苗。

1.2 试验设计

试验于2019年6—7月在陕西杨凌(北纬34°28′，东经108°7′)揉谷设施农业基地非对称大跨度塑料温室内进行。试验期间的日平均空气温度变化范围为29.6～35.4℃，昼温22.2～55.3℃，夜温17.0～30.2℃；日平均相对湿度变化范围为50.3%～87.3%(由北京金洋万达科技有限公司生产的WD-PDKI型温湿度光照记录仪测得)。

每个黄瓜品种均设置基质内添加0、0.25、0.50、0.75 g/株VL-10型甲基营养型芽孢杆菌4个菌剂用量处理，分别记为CK、T1、T2和T3，各处理3次重复，每个穴盘为1个重复。黄瓜种子经温汤浸种、催芽露白后，分别播种于含不同用量菌剂的基质内，并置于塑料温室内育苗，苗期管理按常规育苗方法。

1.3 测定指标及方法

1.3.1形态和生理指标测定

于各处理植株第1片真叶展平时(定植后第12天)，每5 d测量1次幼苗的株高和茎粗，每个处理随机选取5株标记、测定，共测4次，其中株高用直尺测量植株茎基部到最高处长度，茎粗用游标卡尺测量茎基部直径；于植株第2片真叶展平时(定植后第17天开始)每5 d用游标卡尺分别测量标记植株第2片真叶的叶长和叶宽，共测3次，最大叶面积计算公式为[27]

A=0.743bl

(1)

式中A——最大叶面积

b——最大叶宽l——最大叶长

生理指标包括叶绿素含量和根系活力，于幼苗长至三叶一心时取样测定。其中幼苗根系活力采用TTC法[28]测定，叶绿素含量的测定均选取幼苗第2片真叶，采用乙醇丙酮混合浸提法[28]测定。

1.3.2生物量测定

于成苗(三叶一心)时，每个处理随机取样5株，将植株冲洗干净，用纱布擦干后从根基分开，分别测定幼苗地上部和地下部鲜质量，再将其置于105℃烘箱中杀青30 min，于70℃干燥至质量恒定后，测定地上部和地下部的干质量。

1.3.3壮苗指数和生长函数计算

根据生物量测定结果计算成苗时黄瓜幼苗的壮苗指数和生长函数，计算公式为[27]

S=MD/H

(2)

G=M/d

(3)

式中S——壮苗指数G——生长函数，g/d

D——茎粗H——株高

M——全株干质量d——育苗时间

1.3.4根系生长指标的测定

于成苗时各处理随机选取3株幼苗利用Epson Perfection V700 Photo型根系扫描仪分析根系总长度、表面积、根体积、平均直径及根尖数。

1.3.5基质酶活性和硝铵态氮测定

1.4 数据统计与分析

采用Excel 2010软件进行数据整理及作图，用SPSS 17.0软件中的Duncan’s方法进行数据差异性分析，数据以“平均值±标准差”表示，用Pearson相关性分析基质酶活性与秧苗生理、形态、生物量、根系生长等指标的相关性。

2 结果与分析

2.1 不同菌剂用量对黄瓜秧苗形态指标的影响

2.1.1对黄瓜秧苗株高和茎粗的影响

由图1可以看出(图中同一品种、同一参数上的小写字母不同表示差异显著，下同)，随着菌剂用量的增加，3个品种秧苗的株高和茎粗均表现出先增加后降低的趋势，基质中添加甲基营养型芽孢杆菌均显著提升了黄瓜秧苗的生长速度。在T2处理下效果最优，该处理下博耐526、津优1号和西蔬-131的株高较CK处理分别提高了40.4%、55.8%和36.5%，茎粗分别提高了56.8%、48.3%和46.3%，T3处理对株高和茎粗的影响效果次之，该处理下株高比CK处理分别提高了31.6%、50.5%和32.6%，增幅较T2处理降低了3.9%～8.8%，茎粗分别提高了41.9%、36.1%和41.4%，增幅较T2处理降低了4.9%～14.9%。3个品种在T1处理下株高和茎粗均显著低于T3处理，但显著高于CK处理。表明在基质中添加甲基营养型芽孢杆菌后可促进茎的生长，其作用强度受菌剂用量的影响，并因品种不同而稍有差异，但不同菌用量间的作用趋势一致。

图1 不同菌剂用量对黄瓜秧苗株高和茎粗的影响Fig.1 Effect of different inoculants dosages on plant height and stem diameter of cucumber seedlings

2.1.2对黄瓜幼苗叶面积的影响

由图2可知，基质中添加甲基营养型芽孢杆菌菌剂后，T1、T2和T3处理的叶面积均显著高于CK处理，以T2处理下秧苗叶面积最大，与CK处理相比，该处理下博耐526、津优1号和西蔬-131的幼苗叶面积分别提高了90.9%、85.4%和119.2%，T3处理次之，该处理下除西蔬-131的叶面积显著低于T2处理外，其他2个品种的秧苗叶面积均与T2处理无显著差异，而T2和T3处理均显著大于T1处理，T1处理的叶面积分别较CK处理提高了70.0%、58.7%和80.6%。结果表明甲基营养型

芽孢杆菌对秧苗叶片生长有明显促进作用，以中等菌剂用量下促生效果更优。

2.2 不同菌剂用量对黄瓜幼苗叶绿素含量的影响

在本试验条件下，秧苗叶片中叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总含量均表现出随菌剂用量的增加而增加的趋势(表1)，T3处理最高，T2处理次之。与CK相比，T3处理下博耐526、津优1号和西蔬-131的叶绿素a含量分别提高了51.0%、32.0%和72.7%，叶绿素b含量分别提高了40.9%、40.0%和83.3%；叶绿素总含量分别提高了47.9%、32.4%和77.1%。T2处理下同样较CK显著提高了叶绿素a、b含量和总含量，但均显著低于T3处理，T1处理的叶绿素a、b含量和总含量同样高于CK处理，但在津优1号秧苗中，均与CK处理无显著差异。表明夏季高温条件下黄瓜育苗过程中，在基质中添加甲基营养型芽孢杆菌不仅可以提高秧苗叶面积，还可提升黄瓜秧苗叶绿素含量，有利于提高叶片光合速率，加速秧苗生长发育。

2.3 不同菌剂用量对黄瓜秧苗生物量的影响

由表2可以看出，甲基营养型芽孢杆菌可促进夏季高温环境中黄瓜秧苗生物量的积累，显著提高壮苗指数和生长函数。在T2处理下，3个品种的秧苗根系和地上部分鲜干质量、壮苗指数和G均显著高于其他处理，与CK相比，T2处理的根系干质量提高了112.5%～204.2%，地上部分干质量提高了146.3%～185.8%，壮苗指数分别提高了77.8%(博耐526)、108.3%(津优1号)和63.6%(西蔬-131)，G分别提高了183.3%、177.8%和133.3%(品种顺序同上)。T1和T3处理的秧苗壮苗指数均无显著差异，但在T3处理下根系和地上部分干质量均高于T1处理。由此分析，在夏季高温条件下，甲基营养型芽孢杆菌通过提高秧苗叶面积和光合色素含量，提高了光能利用率，进而使黄瓜秧苗净光合产物积累量、生长函数和壮苗指数均显著提高。

表2 不同菌剂用量对黄瓜幼苗生物量的影响Tab.2 Effects of different inoculants dosages on biomass of cucumber seedlings

2.4 不同菌剂用量对秧苗根系生长和根系活力的影响

由表3可知，不同甲基营养型芽孢杆菌菌剂用量均显著提高了黄瓜秧苗的根系生长指标和根系活力。对于根长、根表面积和根尖数，3个品种均以T2处理效果最优，与CK相比，T2处理下博耐526的根长、根表面积和根尖数分别提高了105.6%、174.9%和108.9%，津优1号分别提高了72.4%、111.4%和58.6%，西蔬-131分别提高了75.5%、122.2%和64.6%。而3个品种秧苗的根直径均随着菌剂用量的增加呈逐渐增加的趋势，以T3处理下效果最优，较CK处理提高了23.3%～48.2%。博耐526和津优1号秧苗在T2处理下根体积分别显著大于T3处理，而西蔬-131的T2处理根体积低于T3处理，但二者差异不显著。说明该菌剂对黄瓜根系生长的影响受剂量影响，超过一定剂量后可能会抑制根系生长，但同时也与品种有关。对于根系活力，表现出随菌剂用量的增加呈先增加后降低的趋势，品种不同稍有变化。博耐526和津优1号黄瓜根系活力均以T2处理最高，较CK处理分别提高了138.5%和94.4%，而西蔬-131品种以T3处理下根系活力最高，较CK处理提高了77.8%，但该品种T2和T3处理之间的根系活力无显著差异。从相同的菌剂用量来看，与CK处理相比，T1、T2和T3处理对秧苗根系活力的提高范围分别为38.9%～92.3%、72.2%～138.5%和72.2%～107.7%。

表3 不同菌剂用量对黄瓜幼苗根系生长的影响Tab.3 Effects of different inoculants dosages on root growth of cucumber seedlings

2.5 不同菌剂用量对育苗基质酶活性的影响

如表4所示，在本试验条件下，随着菌剂用量的增加，基质中脲酶活性、蔗糖酶活性和过氧化氢酶活性呈逐渐增加的趋势，而碱性磷酸酶活性随着菌剂用量的增加逐渐降低。与CK相比，T2处理下3个品种根际基质中脲酶活性提高范围在14.1%～29.9%之间，蔗糖酶活性提高了140.4%～324.3%，过氧化氢酶活性提高了11.3%～26.3%；而T2和T3处理间除津优1号的蔗糖酶活性和西蔬-131的过氧化氢酶活性无显著差异外，T3处理的3种基质酶活性均显著高于T2处理，与对照相比，T3处理下博耐526、津优1号和西蔬-131根际基质中脲酶活性分别提高了27.8%、45.9%和39.1%，蔗糖酶活性分别提高了289.5%、155.9%和469.4%，过氧化氢酶活性分别提高23.2%、46.2%和27.3%。而添加菌剂后，基质中的碱性磷酸酶活性在3个品种内均表现出随着菌剂用量的增加逐渐降低的趋势，3个品种在T1处理下均显著高于各自对照处理，而在T3处理下，仅博耐526根际基质的碱性磷酸酶未显著低于T1处理，其他2个品种中均显著低于T1处理，津优1号根际基质的碱性磷酸酶活性甚至显著低于CK处理。

表4 不同菌剂用量对黄瓜幼苗根际基质酶活性的影响Tab.4 Effects of different inoculants dosages on rhizosphere medium enzyme activities of cucumber seedlings

2.6 不同菌剂用量对育苗基质有效态氮和含量的影响

图3 不同菌剂用量对育苗基质有效态氮含量的影响Fig.3 Effect of different inoculants dosages on available nitrogen content in seedling medium

2.7 基质酶活性与秧苗生理、生长指标的相关性

由表5可以看出，脲酶活性与叶绿素含量呈极显著正相关(P<0.01)，而与其他指标间无相关性(P<0.05)；除与壮苗指数无相关性外，蔗糖酶活性与叶绿素含量、根系活力、根干质量呈极显著正相关(P<0.01)，与G、地上干质量、根长、根表面积、根体积、根直径和根尖数均呈显著正相关(P<0.05)；过氧化氢同样与叶绿素含量呈极显著正相关(P<0.01)，与根系干质量、根表面积、根体积和根直径呈显著正相关(P<0.05)，而碱性磷酸酶活性与秧苗指标间均未表现出相关性。

表5 基质酶活性与秧苗生理、生长指标的相关性Tab.5 Correlation between medium enzyme activity and seedling physiology and growth index

3 讨论

根际促生细菌可以通过诱导植株合成生长素和细胞分裂素等生长调控物质来调节植株的生长发育[16-17]，或改变土壤营养元素的形态，使之有效化而利于植物吸收以促进植株生长[14]，还有研究表明部分真菌可以通过分泌蛋白，增强在根系的定植能力，改变根际菌群和植物根系结构，促进植株生长发育[31-32]。但不同根际微生物种类、作用方式及其浓度存在作用差异，枯草芽孢杆菌在5×105～1×106CFU/mL范围内均可促进黄瓜生长，提高其壮苗指数和生长函数[33]，链霉菌菌液对植株生长的促进作用随菌液浓度增加呈现先增加后降低的趋势[34]。本试验发现，黄瓜秧苗的形态指标、壮苗指数和生长函数随着甲基营养型芽孢杆菌菌剂用量的增加呈先增后降的趋势，在0.5 g/株菌剂用量下有最大值，且在该用量下，秧苗根长、根表面积和根尖数均高于其他处理，整体来看根系生长状况与秧苗长势一致，说明该菌剂通过提高根系长度、增加根系数量和根系表面积，从而扩大了营养吸收面积，以加速对基质元素的吸收，进而促进幼苗地上部分的生长，提高植株地上、地下部分的干/鲜物质积累量，这与孙中华等[35]研究的枯草芽孢杆菌B67对黄瓜幼苗生长的影响和柳艳艳等[36]研究的巨大芽孢杆菌对油菜生长的影响结果相同，即随着菌剂用量(浓度)的增加，对植株形态发育和根系生长的促进作用呈现先增加后降低的趋势。综合秧苗形态、根系生长、生物量等指标的变化趋势，说明甲基营养型芽孢杆菌对黄瓜秧苗生长发育的促进作用存在剂量效应，促生效果直接受菌剂用量影响，同时也因品种不同，稍有变化，最适浓度出现在0.50 g/株或0.50～0.75 g/株之间(有效活菌数为5×1010CFU/g)，超过最适用量范围后，其促生效果减弱，其原因可能是因为在根际环境中，微生物与植株间存在相互作用的关系，微生物在发挥作用的同时，自身也需吸收养分来维持自身生长和繁殖的需要，当营养底物含量一定时，随着活菌数量的增加，与植物之间的营养竞争同时增加，所以造成在高浓度下植株对营养元素的吸收量减少，生长速度降低[37]。

光合作用是植物对高温最敏感的生理过程之一，植物在高温条件下光合作用受到抑制，进而引起生长缓慢，秧苗质量降低已被许多作物所证实[38]，已有研究表明，高温通过破坏叶绿体结构和降低叶绿素含量[39]、降低Rubisco酶活性[40]、引起叶片过量失水导致气孔导度降低[41]、通过非气孔因子降低净光合速率[42]等途径降低光合速率。本研究结果表明，在高温条件下，对照处理的黄瓜秧苗叶绿素含量、壮苗指数和生长函数等指标均处于较低水平，成苗质量严重下降，但在育苗基质中添加甲基营养型芽孢杆菌菌剂后，秧苗叶面积显著增大，随着菌剂用量的增加，叶绿素含量逐渐增加，以0.75 g/株处理下叶绿素含量最高，叶绿素总量较对照提高了32.4%～77.1%，同时，3种黄瓜秧苗的叶面积和叶绿素含量变化趋势较一致，说明甲基营养型芽孢杆菌可通过提高秧苗叶面积和光合色素含量，有效补偿高温胁迫对秧苗叶片中叶绿体造成的伤害，进而提高黄瓜秧苗的光能利用率和净光合产物积累量，加速秧苗生长，该结果与李伟等[43]的研究结果相一致。

土壤酶活性可影响作物生长，并进一步影响作物产量和品质形成[46]。试验结果表明，基质酶活性与秧苗生理、壮苗指数、根系生长及生物量指标间表现出一定的相关性。除壮苗指数外，蔗糖酶活性与秧苗叶绿素含量和根系活力呈极显著正相关，与G、根系生长指标、生物量之间均呈显著正相关，过氧化氢酶与根系生长指标(根表面积、根体积、根直径)、根干质量间呈显著正相关，与叶绿素含量呈极显著正相关，而脲酶活性仅与叶绿素含量呈显著正相关，碱性磷酸酶活性与上述指标间无相关性。可见过氧化氢酶和蔗糖酶活性与秧苗根系生长指标间相关性较强，同时，脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性均与叶绿素含量呈极显著正相关，可能与微生物缓解高温胁迫对光合作用造成的抑制有一定关系。但本试验仅初步分析了基质酶活性与黄瓜秧苗生长和生理指标的相关性，未涉及深入影响机制，因此需做进一步研究。

4 结论

(1)甲基营养型芽孢杆菌(5×1010CFU/g)对夏季黄瓜秧苗生长具有促进作用，具体表现为：促进黄瓜秧苗形态和根系发育，缩短育苗周期，提高秧苗地上和根系鲜/干质量、壮苗指数和生长函数，但其促生作用存在剂量效应，且无明显品种效应。

(2)甲基营养型芽孢杆菌可通过刺激根系生长和提高根系活力以加速植株对元素的吸收、提高秧苗叶片中叶绿素含量以改善其光合效率、提高基质酶活性以加速基质有机养分向速效养分的转化等途径发挥作用。

(3)基质酶活性与黄瓜秧苗生长、生理等指标间存在相关性，其中蔗糖酶活性整体相关性最强，除壮苗指数外，与秧苗叶绿素含量、根系活力、根干质量呈极显著正相关，与G、根系生长指标、生物量之间均呈显著正相关；过氧化氢酶与根系生长指标(根长和根尖数除外)、根干质量间呈显著正相关，与叶绿素含量呈极显著正相关；而脲酶仅与叶绿素含量呈显著正相关。

(4)在夏季高温期黄瓜穴盘育苗生产中，基质按0.5 g/株用量添加甲基营养型芽孢杆菌菌剂效果最优。