基质栽培与土壤栽培对奶白菜生长及栽培介质中微生物区系的影响

张苗 陈伟 徐丽萍 刘新红 郭德杰 马艳 严少华 罗佳

摘要：基質栽培方式有别于传统的土壤栽培方式，是未来农业发展的主要趋势之一。用有机栽培基质和普通菜园土进行奶白菜的盆栽试验，旨在揭示奶白菜在不同栽培介质下的生长状况及栽培介质中微生物区系的差异。结果表明，当总氮、总磷、总钾养分一致时，种植30 d后土壤栽培方式下的奶白菜株高、叶片SPAD值、地上部鲜质量均显著高于基质栽培方式（P<0.05），株高、地上部鲜质量分别比用基质栽培的奶白菜高14.55%、42.19%，但是不同处理间的植株地上部干质量无显著差异。高通量数据分析结果显示，种植30 d后，2种栽培介质中的微生物丰度指数均显著升高（P<0.05），并且种植30 d后基质中的微生物多样性指数显著提高（P<0.05）。在不同栽培方式下，种植奶白菜前后的土壤、基质中均主要有10个细菌门，但是部分门类的相对丰度有明显差异，种植奶白菜前后土壤中各门类的相对丰度几乎无变化，而种植奶白菜后，基质中拟杆菌门（Bacteroidetes）的相对丰度（19.43%）显著低于种植前基质中的相对丰度（42.87%），且疣微菌门（Verrucomicrobia）、酸杆菌门（Acidobacteria）、芽单胞菌门（Gemmatimonadetes）的相对丰度较种植前基质中的相对丰度有所升高。相对丰度排名前20的细菌属也由于2种栽培介质本身性质的差异而有不同的变化趋势，并且与环境指标的相关性也存在一定差异，其中在基质栽培方式下，分别有14个、14个、13个属与pH值、电导率（EC）、碳氮比（C/N）存在显著、极显著正相关或负相关关系（P<0.05或P<0.01），而在土壤栽培方式下，分别只有7个、3个、2个属与pH值、EC、C/N存在显著、极显著正相关或负相关关系（P<0.05或P<0.01），可见基质栽培方式下的微生物区系受环境影响较大。综上可知，土壤栽培体系的微生物区系稳定性高于基质栽培体系，外在环境条件的改变不易造成微生物区系的变化;基质栽培体系的微生物区系稳定性比土壤栽培体系低，更宜采用人工调控使其向有利于植物生长的方向改变。

关键词：基质栽培;土壤栽培;奶白菜;微生物区系;环境因子

中图分类号：S634.301文献标识码：A文章编号：1000-4440（2020）05-1265-09

Abstract：Substrate cultivation mode is a main trend of future agricultural developments which is different from traditional soil cultivation modes. This research aims to reveal the difference of the growth of milk Chinese cabbage and the difference of microflora under different cultivation media， using organic cultivation substrate and soil from common vegetable gardens to carry out pot experiments of milk Chinese cabbages. The results show that， under the circumstance of equal total nitrogen， total phosphorus and total potassium nutrients， the plant height， SPAD value of leaves， above-ground fresh weight of milk Chinese cabbage under soil cultivation mode were all significantly higher than that under substrate cultivation mode（P<0.05）， the plant height， above-ground fresh weight was respectively 14.55%， 42.19% higher than that using substrate cultivation 30 d after planting， but the above-ground dry weight of plants between two treatments showed no significant difference. The results of high-throughput data analysis showed that the microbial abundance indices of two cultivation media increased significantly （P<0.05） 30 d after planting， and the microbial diversity indices in the substrate increased significantly （P<0.05） after planting. There were mainly ten phyla in soil and substrate before and after planting milk Chinese cabbage under different cultivation modes， but there were obvious differences of relative abundance at the phylum level， while the relative abundance in soil showed nearly no change before and after planting milk Chinese cabbage. Relative abundance of Bacteroidetes in the substrate （19.43%） after planting milk Chinese cabbage was significantly lower than that before planting （42.87%）， and the relative abundance of Verrucomicrobia， Acidobacteria， Gemmatimonadetes in the substrate after planting also rised compared with that before planting. The top 20 microbial genera ranked by relative abundance also showed different changes due to different properties of the two cultivation media， and there were also some differences in their correlation with the environmental indices. Under the mode of substrate cultivation， there were 14， 14， 13 genera showed significant， extreme significant positive or negative correlation（P<0.05 or P<0.01） with pH value， electrical conductivity （EC）， ratio of carbon to nitrogen （C/N）， respectively. While under the mode of soil cultivation， only seven， three， two genera showed significant， extreme significant positive or negative correlation （P<0.05 or P<0.01） with pH value， EC， C/N， respectively. It can be seen that microflora was greatly affected by the environment under substrate cultivation mode. In conclusion， the microflora stability of the soil cultivation system is higher than that of the substrate cultivation system， changes in external environmental conditions are not likely to cause changes in the microflora. The stability of the microflora in the substrate cultivation system is lower than that in the soil cultivation system， and it is preferable to use artificial control to make it improve toward the direction beneficial to plant growth.

Key words：substrate cultivation;soil cultivation;milk Chinese cabbage;microflora;environmental factors

近年来，无土栽培由于具有能有效避免连作障碍、节水节肥及生产可控性高等优势而得到迅速发展，有机基质栽培作为其中一种形式，在蔬菜育苗和生产中的应用已经得到人们的认可。土壤栽培作为传统的栽培方式，在种植规模等方面依然存在很大优势，此外，作为农业生产的基础，土壤也具有不可替代的地位。无土栽培与土壤栽培这2种栽培方式都是根据作物生长发育所必需的环境条件，给作物提供充足的养分、适宜的根际温度、供氧状况及酸碱度等，通过人为栽培来获得人们所必需的产品，但是由于这2种栽培介质在物理化学性质等方面都存在较大差异，因而对于作物生长及微生物区系的变迁也有着不同影响。

土壤微生物是栖居在土壤中的细菌、放线菌、真菌等微小的生物，是土壤生态中的重要组成部分，在不同类型的土壤中生活着各种各样结构各异的微生物类群，这些微生物在肥力、植物营养循环和生态平衡等方面起着极其重要的作用[1]，并且其结构的稳定性对于作物的健康生长至关重要，因此很有必要研究微生物对外界环境条件改变作出的响应，尤其是在环境问题日益突出的当下，已有越来越多的研究集中于土壤微生物与土壤生态系统功能稳定性之间的关系。然而，微生物区系的结构和优势功能类群也会受到各种外界环境如植被种类、环境酸碱度、盐分含量、有机质和温度等因素的直接或间接影响而不断演变[2-6]。

本研究利用土壤、有机基质作为栽培介质，通过比较在这2种栽培介质条件下奶白菜生长的差异及栽培前后介质环境中微生物区系的变化，以期了解在这2种栽培方式下种植前后微生物区系的演变规律，从而为在基质栽培和土壤栽培过程中通过构建健康微生态来实现优质生产提供基础。

1材料与方法

1.1供试材料

供试奶白菜品种为火箭小黄白，购自昆明九华农业发展有限公司。供试基质由江苏省农业科学院六合动物科学基地堆肥厂生产，且未经使用，基质的基本理化性状如下：pH值6.47，电导率（EC）1.54 mS/cm，容质量0.20 g/cm3，总孔隙度87.95%，通气孔隙度10.11%，有机质含量45.23%，总氮含量0.76%，总磷含量0.34%，总钾含量1.22%，速效磷含量1.75 g/kg，速效钾含量4.10 g/kg。供试土壤采自江苏省农业科学院六合动物科学基地普通大棚，种植过其他蔬菜但未种植过奶白菜，其基本理化性状如下：pH值6.98，EC 0.44 mS/cm，容质量1.07 g/cm3，总孔隙度62.91%，通气孔隙度5.76%，有机质含量1.98%，总氮含量0.13%，总磷含量0.09%，总钾含量0.65%，速效磷含量0.14 g/kg，速效钾含量4.71 g/kg。

1.2试验设计

栽培试验在江苏省农业科学院六合动物科学基地栽培大棚内进行。盆栽试验设基质栽培（J）、土壤栽培（T）2个处理。分别将相同体积的栽培介质加入盆钵中，并以氮、磷、钾高养分值为准补齐养分，以保持处理间的氮、磷、钾总养分含量一致。每个处理重复20次，随机排列，于奶白菜三叶一心期移栽，并分别于移栽后0 d、15 d、30 d测定奶白菜的株高、叶片SPAD值、地上部鲜质量、地上部干质量等指标。

采集土壤及基质的初始样品（TQ表示种植奶白菜前的土壤，JQ表示种植奶白菜前的基质）后，将一部分样品于-80 ℃保存，用于细菌的高通量测序分析;将另一部分樣品于阴凉处自然风干、过筛，用于测定pH值、EC、总养分含量等理化性质。奶白菜移栽后，分别于移栽后15 d、30 d随机选取3盆，将土壤、基质样品（TH表示种植奶白菜后的土壤，JH表示种植奶白菜后的基质）过干净的10目筛，以除去非土壤、基质组成部分，如植株根部残体、石块等，将过筛的新鲜土壤和基质样品也分成2份进行保存或处理，其中一份于阴凉处自然风干、过筛，用于测定pH值、EC、总养分含量等理化性质，另一份保存于-80 ℃冰箱中，用于细菌高通量测序分析。

1.3土壤、基质样品理化性质的测定

pH值、EC的测定：将样品与去离子水按1∶5的质量比混合后，在水平摇床上以180 r/min的转速振荡40 min，静置后测定pH值、EC值。化学指标的测定采用常规方法[7]：将基质经H2SO4-H2O2消煮后分别测定其全氮含量、全磷含量、全钾含量;将土壤经H2SO4-混合催化剂消煮后测定其全氮含量，将土壤经HNO3-HClO4-HF消煮后分别测定其全磷含量、全钾含量。全氮含量采用凯氏定氮仪测定，全磷含量采用钼锑抗比色法测定，全钾含量使用火焰光度计测定;基质中的有机质含量采用烧失法测定，土壤中的有机质含量采用重铬酸钾氧化法测定。

1.4微生物区系测定分析

采用MP FastDNA SPIN Kit for Soil提取土壤和基质中的总DNA，之后进行细菌16S rRNA V4区扩增，扩增采用的引物序列如下：515F，5′-GTGCCAGCMGCCGCGGTAA-3′;806R，5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′，采用Illumina MiSeq平台进行高通量测序。所有PCR扩增、文库准备与检测及上机测序分析均由上海天昊生物科技有限公司完成。

1.5数据分析

用Excel 2013和SPSS 18.0软件进行数据统计与分析，使用最小显著性差异法（Least significant difference，LSD）进行多重比较。

2结果与分析

2.1不同栽培介质对奶白菜生长的影响

由图1可以看出，在移栽起始阶段（0 d），奶白菜的株高、叶片SPAD值、地上部干质量、地上部鲜质量等各指标在基质栽培、土壤栽培2种栽培方式间的差异均不显著;移栽15 d，土壤栽培的奶白菜株高、地上部干质量、地上部鲜质量分别比基质栽培奶白菜的相应数值高15.06%、8.51%、24.70%，并且2种栽培方式间的差异均显著（P<0.05），而植株叶片SPAD值在2种栽培方式间无显著差异;移栽30 d，土壤栽培的奶白菜株高、叶片SPAD值、地上部鲜质量均显著高于基质栽培奶白菜的相应数值，其中土壤栽培的奶白菜株高、地上部鲜质量分别达到23.94 cm、252.30 g，分别比基质栽培的奶白菜株高、地上部鲜质量高14.55%、42.19%，而奶白菜地上部干质量在2种栽培方式间无显著差异，可能是因为土壤栽培奶白菜的含水量（94.28%）高于基质栽培奶白菜的含水量（92.34%），由此造成2种栽培方式下奶白菜植株的干质量差异不显著，具体可能与基质栽培方式比土壤栽培方式对水分管理的要求更精细相关。

2.2种植奶白菜前后土壤及基质中微生物群落和结构的差异

如表1所示，种植奶白菜后基质和土壤中的可操作分类单元数（OTU）均较种植奶白菜前有所增加，其中种植奶白菜后基质中的OTU达到了4 145.00个，相较于种植奶白菜前增加了52.43%;在土壤栽培方式下，种植奶白菜后土壤中的OTU达到了3 473.67个，相较于种植奶白菜前只增加了5.65%，可见种植奶白菜后基质栽培方式下的OTU增幅明显高于土壤栽培方式下的OTU增幅。此外，由表1中的微生物丰度指数（Chao1指数、Ace指数）看出，种植奶白菜后土壤、基质中的微生物丰度与种植奶白菜前相比均显著提高，种植奶白菜前土壤中的微生物丰度显著高于基质，但是种植结束后基质中的微生物丰度显著提升并且显著高于土壤中的微生物丰度;由微生物多样性指数（Shannon指数、InvSimpson指数）看出，种植奶白菜前土壤的微生物多样性显著高于基质，种植结束后基质的Shannon指数则显著高于土壤的Shannon指数，而种植结束后土壤、基质的InvSimpson指数间差异不显著。综上可见，在土壤栽培方式下，种植奶白菜前后的微生物多样性指数没有发生显著变化，而在基质栽培方式下，微生物多样性指数在种植奶白菜后则较种植奶白菜前有显著提升。

如图2所示，在不同栽培方式下，种植奶白菜前后土壤和基质中的细菌门组成大致相似，仅部分门类的相对丰度有明显差异，土壤栽培方式下的各门类相对丰度在种植奶白菜前后变化较小，而基质栽培方式下的各门类相对丰度在种植奶白菜前后变化较大。在所有门类中，变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、放线菌门（Actinobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）是细菌相对丰度较高的4个门，这4个门类的序列数共占细菌总序列数的70%以上。在用基质种植奶白菜前（JQ），基质中拟杆菌门的相对丰度（42.87%）显著高于种植奶白菜后基质（JH）中的相对丰度（19.43%），在用基质种植奶白菜结束后，基质中疣微菌门（Verrucomicrobia）、酸杆菌门（Acidobacteria）、芽单胞菌门（Gemmatimonadetes）等的相对丰度均较种植奶白菜前有所提高;在用土壤种植奶白菜后，土壤中芽单胞菌门的相对丰度较种植奶白菜前明显降低，且与基质中芽单胞菌门相对丰度的变化趋势相反，而土壤中疣微菌门、酸杆菌门的相对丰度在种植奶白菜后较种植奶白菜前表现出一定程度的升高趋势。

图3为各栽培方式下栽培介质中相对丰度最高的20个属，可以看出，在基质栽培方式下，芽单胞菌属（Gemmatimonas）、 德沃斯氏菌属（Devosia）、Ohtaekwangia、鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）、伪壶担菌属（Pseudolabays）、Subdivision3_genera_incertae_sedis、Aridibacter、丰祐菌属（Opitutus）、酸杆菌Gp6属（Gp6）、Saccharibacteria_genera_incertae_sedis、小梨形菌属（Pirellula）、亚硝化球菌属（Nitrosophaera）和降解类固醇杆菌属（Steroidobacter）在种植奶白菜后的相對丰度均表现出较种植奶白菜前升高的趋势，而产黄杆菌属（Rhodanobacter）、黄杆菌属（Flavobacterium）、链霉菌属（Streptomyces）、假单胞菌属（Pseudomonas）、地杆菌属（Pedobacter）、噬几丁质菌属（Chitinophaga）、芽孢杆菌属（Bacillus）和降解类固醇杆菌属（Steroidobacter）的相对丰度在种植奶白菜后则表现出较种植奶白菜前降低的趋势，其中噬几丁质菌属的下降幅度达到90%以上。

在土壤栽培方式下，种植奶白菜前后各属的相对丰度变化有一定差异，其中产黄杆菌属、德沃斯氏菌属、黄杆菌属、Aridibacter、丰祐菌属、假单胞菌属、地杆菌属、Saccharibacteria_genera_incertae_sedis、小梨形菌属和Nitrosophaera在种植奶白菜后的相对丰度较种植奶白菜前有所升高，芽单胞菌属、链霉菌属、Ohtaekwangia、鞘氨醇单胞菌属、伪壶担菌属、Subdivision3_genera_incertae_sedis、酸杆菌Gp6属、噬几丁质菌属、芽孢杆菌属和降解类固醇杆菌属在种植奶白菜后的相对丰度与种植奶白菜前相比呈下降趋势。

基于OTU组成的主成分分析结果表明，基质和土壤中的细菌群落结构差异明显，第1主成分和第2主成分共能解释细菌群落结构88.24%的变化，其中第1主成分能够解释77.25%的变化，第2主成分能够解释10.99%的变化，种植奶白菜前基质中的微生物群落在第1主成分（PC1）明显区分于种植奶白菜后的基质及种植奶白菜前后的土壤，种植奶白菜后基质中的微生物群落在第2主成分（PC2）明显区分于种植奶白菜前、种植奶白菜后的土壤，而种植奶白菜前、种植奶白菜后土壤中的微生物群落在第1主成分与第2主成分间无显著区别（图4）。

2.3不同栽培介质化学计量特征的差异及对微生物区系的影响

由表2可以看出，种植奶白菜后，土壤和基质的pH值均较种植前有所提升，基质的pH值从种植奶白菜前的6.47上升到种植奶白菜后的7.68，升幅达到18.70%，土壤的pH值则从种植奶白菜前的6.98上升至种植奶白菜后的7.36。基质、土壤中的EC在种植奶白菜前后也表现出一定的变化，与种植奶白菜前相比，在种植奶白菜后，基质的EC显著降低，而土壤的EC在种植奶白菜前后则无显著变化。碳、氮、磷是植物生长发育过程中重要的营养元素，也是微生物生存的物质基础，由表2还可以看出，土壤的碳/磷和氮/磷在种植奶白菜前后均无显著变化，而C/N在种植奶白菜后与种植奶白菜前相比显著降低;基质的C/N、碳/磷在种植奶白菜后与种植奶白菜前相比显著升高，其中C/N从种植奶白菜前的34.46升高至种植奶白菜后的40.35，碳/磷从种植奶白菜前的76.66升高至种植奶白菜后的89.26，氮/磷在种植奶白菜前后无显著变化。

4结论

在总氮、总磷、总钾养分一致的情况下，移栽30 d后，用土壤栽培的奶白菜的生物性状（地上部鲜质量、株高、SPAD值）显著优于用基质栽培的奶白菜，但在2种栽培方式间奶白菜的干物质积累量无显著差异。在土壤栽培、基质栽培2种栽培模式下，环境中优势微生物种群也表现出不同的变化趋势，但是用土壤栽培奶白菜前后土壤环境微生物区系的相似性较高，区系组成变化很小，基质栽培处理则相反，表明土壤栽培体系的微生物区系稳定性高于基质栽培体系，外在环境条件的改变不易造成微生物区系的较大变化，而在基质栽培方式下，微生物区系的稳定性比土壤栽培方式下低，更易通过人工调控来使其朝着有利于植物生长的方向改变，后续可从此方面入手开展进一步研究。

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（责任编辑：徐艳）