微生物菌剂对番茄全有机营养栽培养分转化及产量品质的影响

王归鹏，马乐乐，范兵华，任瑞丹，李建明

(西北农林科技大学 园艺学院/农业部西北设施园艺工程重点实验室，陕西 杨凌 712100)

番茄是栽培面积最广泛的设施蔬菜种类之一，既菜又果，风味独特，深受人们喜爱[1]。随着农业产业结构的不断调整，园艺产业的可持续发展将以提质增效为战略目标[2]，而有机农业对园艺产业提质增效具有决定性意义[3-4]。有机生产秉承可持续生产理念[5]，是一种安全优质的天然生产模式。有机基质加有机营养液的全有机栽培模式是实现番茄安全优质生产最行之有效的途径之一[6-7]。但有机基质养分的释放是一个缓慢过程[8]，在栽培后期会出现肥效缓慢等现象。有机质的分解主要靠微生物，养分的释放量受控于微生物的生物量[9]，因此通过改善有机基质的微生物生物量，研究有机基质和有机营养液养分的活化和转运显得尤为重要。

微生物菌剂是一种活菌制剂[10]，能在土壤或基质中繁殖，形成有利于植物生长的微生物优势菌群；且其在繁殖代谢过程中能够产生活性物质，改善土壤微生态平衡、养分状况和理化性质，提高植物根际微生物数量和酶活性，进而促进植物生长,提高产量和品质[11-12]。促生细菌是分布在植物根际的一类有益微生物，其在与植物的有益共生过程中能够产生相关激素和信号分子，调控植物的生长发育，在微生物菌剂中具有广阔的应用前景。芽孢杆菌作为植物根际典型的促生菌[13]，其主要特征是促进植物生长、提高产量。目前关于微生物菌剂的研究多集中于土壤栽培[14]、生态治理[15]和发酵应用[16]等领域，尚无有机基质和无土栽培等方面的研究报道。因此，本研究在有机栽培中应用微生物菌剂以期解决有机肥“缓、慢”的问题。本试验采用有机基质加有机营养液的番茄全有机栽培模式，研究施用微生物菌剂对基质养分、番茄植株光合特性以及产量和品质的影响，揭示微生物菌剂促进基质养分释放以满足番茄生长需求的机理，筛选出最佳的微生物菌剂种类，为优化设施番茄的全有机栽培提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2019年1-7月在西北农林科技大学北校区园艺场内进行。供试大棚为大跨度非对称水控酿热保温大棚(国家专利号CN202890064U)，供试番茄品种为巴宝莉。试验采用水肥一体化栽培模式，设备为荷兰Ridder公司生产的灌溉施肥装置。

试验所用基质是由腐熟牛粪、菇渣和珍珠岩以体积比3∶3∶4混配而成[17]，其理化性质为：体积质量0.37 g/cm3，持水孔隙45.1%，通气孔隙23.4%，总孔隙度68.5%，pH 6.77，EC 2 430 μS/cm，速效氮1 683.06 mg/kg，速效磷397.63 mg/kg，速效钾2 312.01 mg/kg，有机质210.54 mg/kg。试验所用微生物菌剂为5种芽孢杆菌母剂、1种复合菌剂(枯草芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌和胶冻样芽孢杆菌的复合菌剂)和EM微生物菌剂，各微生物菌剂及其有效活菌数分别由青岛蔚蓝生物公司、北京阿姆斯生物公司和郑州农富康生物科技有限公司提供，具体微生物菌剂信息见表1。试验所用有机营养液是将烘干后的腐熟粪肥和水按质量比1∶10混合后搅拌，在有氧条件下浸提72 h后过滤得到猪粪、牛粪、羊粪浸提液，再将浸提液按比例混合后以山崎配方的氮元素含量为基准稀释[18]。其理化性质为：速效氮107.00 mg/L，速效磷20.45 mg/L，速效钾289.03 mg/L。

表1 不同微生物菌剂处理信息Table 1 Experimental treatments with different microbial agents

1.2 试验设计

试验共设置8个处理(表1)，分别为穴施7种微生物菌剂(T1～T7)和清水对照(CK)处理，小区长4.5 m，宽1.2 m，每处理15株番茄，采用基质盆栽，盆直径为30 cm，每盆装6 L基质。每处理3次重复，随机区组排列。2019年1月30日育苗，3月12日待番茄幼苗长至5叶1心时，选取长势一致的壮苗定植，每盆定植1株，株距50 cm，行距30 cm，单杆整枝，花盆上覆盖锡箔纸以减少水分散失，缓苗7 d。从开花坐果期(4月12日)开始施用有机营养液，施肥量为1 L/株，施肥周期为每7天1次，共施肥11次。基质相对湿度小于60%时进行灌水。6穗果时摘心，6月30日拉秧。其他按照常规田间管理方法进行。

微生物菌剂处理前先用纯净水稀释至相同有效活菌数(1×109CFU/mL)，分2次穴施，500 mL/株，第1次为4月2日，植株即将进入开花期，有机营养液开始施用前10 d穴施(为微生物菌剂施入基质后微生物的存活繁殖提供时间)；第2次为4月30日，第1穗果膨大后穴施。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 有机基质养分和果实元素含量 分别于2019年4月21日(定植后40 d，第1穗果膨大后)、5月22日(定植后70 d，第3穗果膨大后)、6月20日(定植后100 d，第5穗果膨大后)各选取5株长势一致的番茄植株，取第1，3，5穗果用于全氮、全磷、全钾含量的测定。具体方法[19]为：在105 ℃下杀青30 min，65 ℃烘干至恒质量，样品磨碎后过0.35 mm筛，采用H2SO4+H2O2消煮法进行消煮，全氮、全磷含量用AA3型高分辨自动化学分析仪(德国SEAL公司)测定，全钾含量用Flame photometer 410型火焰光度计(英国Sherwood公司)测定。番茄植株对应的基质取适量风干后用于碱解氮、速效磷、速效钾含量的测定。其中采用碱解扩散法[20]测定基质中碱解氮含量，采用0.5 mol/L NaHCO3浸提、钼锑抗比色法测定速效磷含量，采用1 mol/L CH3COONH4浸提、用火焰光度计测定速效钾含量。

1.3.2 有机基质酶活性 2019年5月23日取适量基质样自然风干，参照关松荫[21]的方法采用苯酚钠比色法测定脲酶活性(以24 h后1 g基质中NH3-N 的毫克数表示)，采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定土壤蔗糖酶活性(以24 h后1 g基质中葡萄糖的毫克数表示)。

1.3.3 蕃茄叶片光合指标 2019年5月10日，每处理选取5株长势一致的番茄壮苗，选取顶部生长点以下第4片完全展开的功能叶，利用LI-6800型便携式光合测定仪(美国LI-COR 公司)测定叶片的净光合速率、蒸腾速率、胞间CO2浓度和气孔导度，相同部位叶绿素含量采用酒精-丙酮浸提法[22]测定，取样后放置冰盒带回实验室避光条件下测定，测定时间为09:00-11:00。

1.3.4 蕃茄果实产量和品质 番茄留6穗花后打顶，每次采摘时测定小区产量和单果质量，最后累积计算产量。成熟期取第3穗大小色泽均匀一致的果实进行品质测定，果实横、纵径用游标卡尺测量，果形指数为纵径与横径的比值；可溶性固形物用数显糖酸仪TD-45(浙江拓普云农科)测定；番茄红素含量采用分光光度计(Thermo fisher,USA)法[23]测定；可溶性蛋白含量用考马斯G-250染色法测定；维生素C含量用钼蓝比色法测定；还原糖含量用3,5-二硝基水杨酸法[22]测定。

1.4 数据处理

采用Excel 2019进行数据处理并作图；采用SPSS 22.0进行单因素方差分析，P<0.05表示差异显著；采用DPS 7.05软件对番茄产量和品质指标进行主成分分析。

2 结果与分析

2.1 微生物菌剂对有机基质养分含量的影响

不同微生物菌剂处理下有机基质中碱解氮、速效磷和速效钾含量如表2所示。由表2可知，随着番茄生育期的推进，各处理基质中碱解氮和速效钾含量均呈下降趋势。定植40 d，番茄果实进入膨大期，与对照处理(CK)相比，微生物菌剂处理后基质中碱解氮含量显著增加(除T3处理外)，增幅为10.2%～80.9%；T3、T6和T7处理基质中速效钾含量分别显著增加30.1%，8.8%，18.0%，其余处理与CK差异不显著；T1、T3、T4、T6和T7处理基质中速效磷含量显著降低，降幅为7.7%～19.0%。

由表2还可知，定植70 d，番茄果实进入转色期，与对照处理(CK)相比，T3、T4、T5和T6处理基质中碱解氮含量显著增加，增幅为54.1%～201.4%；微生物菌剂处理(除T6处理较CK降低21.9%外)基质中速效钾含量均显著增加，增幅为17.2%～111.4%；T3、T5、T6和T7处理基质中速效磷含量显著降低，降幅为5.0%～12.2%，其余处理与CK差异不显著。定植100 d，番茄果实进入成熟期，与对照处理(CK)相比，微生物菌剂处理(除T2处理外)基质中碱解氮含量显著增加，增幅为46.8%～115.6%；T1、T3、T5、T6和T7处理基质中速效钾含量显著增加，增幅为14.6%～107.1%；微生物菌剂处理(除T3处理外)基质中速效磷含量显著降低，降幅为2.08%～25.1%。上述结果表明，施用微生物菌剂处理后明显增加了有机基质中碱解氮和番茄生育中期(定植70 d)、后期(定植100 d)速效钾含量。

表2 微生物菌剂对有机基质养分含量的影响Table 2 Effect of microbial agents on nutrient contents of organic mediums

2.2 微生物菌剂对番茄果实元素含量的影响

不同微生物菌剂处理下番茄果实全氮、全磷、全钾含量如表3所示。

表3 微生物菌剂对番茄果实元素含量的影响Table 3 Effects of microbial agents on content of elements in tomato fruit

由表3可知，定植40 d，T6处理番茄果实全氮、全磷、全钾含量显著高于CK和其他微生物菌剂处理，其全氮、全磷、全钾含量分别较CK增加了2.4%，7.4%，6.2%。定植70 d, T1、T2、T4、T6和T7处理番茄果实全氮含量显著高于CK，增幅为10.8%～40.0%；T5、T6处理番茄果实全钾含量显著高于CK和其他微生物菌剂处理，较CK分别增加了33.0%和34.2%；T1和T4处理番茄果实全磷含量显著高于CK和其他微生物菌剂处理，较CK分别增加了36.3%，40.0%。定植100 d，T3和T6处理番茄果实全氮、全钾含量显著高于CK和其他微生物菌剂处理，T4和T6处理番茄果实全磷含量显著高于CK和其他微生物菌剂处理，其中T3处理番茄果实全氮、全钾含量较CK分别增加了41.1%，13.0%，T6处理番茄果实全氮、全磷、全钾含量较CK分别增加了38.1%，34.2%和11.4%。这表明复合微生物菌剂处理后番茄果实的全氮、全磷、全钾含量显著高于其他处理。

2.3 微生物菌剂对有机基质酶活性的影响

脲酶活性能够反映基质的供氮能力，蔗糖酶活性能够反映基质碳元素的转化能力[11]。由图1可知，不同微生物菌剂对有机基质酶活性的影响差异明显。与CK相比，微生物菌剂处理显著增加了有机基质脲酶活性，增幅为16.4%～67.7%，各处理基质脲酶活性依次为T4>T5>T6>T7>T2>T1>T3>CK；T1、T4、T5、T6和T7处理基质蔗糖酶活性显著增加，增幅为10.2%～61.7%，差异表现为T6>T1>T4>T5>T7，T2处理基质蔗糖酶活性与CK差异不显著，T3处理蔗糖酶活性显著下降。说明添加微生物菌剂处理显著提高了有机基质中脲酶和蔗糖酶活性(T3处理蔗糖酶活性除外)，其中胶冻样芽孢杆菌(T4)处理基质脲酶活性最高，复合微生物菌剂(T6)处理基质蔗糖酶活性最高。

图柱上标不同小写字母表示不同处理差异显著(P<0.05)。下同 Different lowercase letters indicate significant differences among treatments (P<0.05).The same below.图1 微生物菌剂对有机基质酶活性的影响Fig.1 Effect of microbial agents on matrix enzyme activity

2.4 微生物菌剂对番茄叶片光合特性的影响

不同微生物菌剂处理对番茄叶片光合特性的影响见图2。由图2可知，与CK相比，施入微生物菌剂后番茄叶片的净光合速率显著增加，增幅为8.0%～19.9%，其中T6处理叶片净光合速率达到20.06 μmol/(m2·s)；各处理番茄叶片净光合速率依次为T6>T5>T4>T3>T2>T1>T7>CK。与CK相比，T2、T4、T5、T6、T7处理叶片叶绿素含量显著增加，增幅为9.9%～27.3%，且T4和T6处理叶片叶绿素含量显著高于其他微生物菌剂处理，分别达到3.49 和3.61 mg/g。

由图2还可知，施入微生物菌剂后番茄叶片的蒸腾速率、胞间CO2浓度和气孔导度的变化趋势基本一致。与CK相比，微生物菌剂处理(除T2处理外)显著增加了番茄叶片的蒸腾速率、胞间CO2浓度和气孔导度，其中T6处理叶片的蒸腾速率、气孔导度显著高于其他微生物菌剂处理。T6处理叶片的胞间CO2浓度显著大于T2和T5处理，其余各微生物菌剂处理间差异不显著。这表明微生物菌剂处理显著提高了番茄叶片的净光合速率、叶绿素含量(T1、T3处理除外)、蒸腾速率(T2处理除外)、胞间CO2浓度(T2处理除外)和气孔导度(T2处理除外)。

图2 微生物菌剂对番茄叶片光合特性的影响Fig.2 Effects of microbial agents on photosynthetic characteristics of tomato leaves

2.5 微生物菌剂对番茄产量和品质的影响

由表4可知，不同微生物菌剂处理下番茄产量和果实品质差异显著。与CK相比，微生物菌剂处理番茄产量和果实单果质量(T1除外)显著增加，其中产量增幅为7.3%～26.2%，T4、T6处理增产达到20%以上，各处理产量依次为T6>T4>T7>T3>T5>T1>T2>CK；果实单果质量增幅为2.7%～22.7%，且T3和T5处理单果质量较其他微生物菌剂处理显著增加，分别达到142.31和142.65 g。说明微生物菌剂处理后番茄产量较对照显著增加，其中复合微生物菌剂(T6)处理番茄产量最高。

表4 微生物菌剂对番茄产量和果实品质的影响Table 4 Effects of microbial agents on tomato yield and fruit quality

由表4还可知，与CK相比，微生物菌剂处理番茄果实的果形指数、可溶性固形物(T5处理除外)和还原糖含量显著增加，其中可溶性固形物含量较CK增幅为8.4%～22.6%(T5处理与CK差异不显著)，T6处理显著高于CK和其他微生物菌剂处理，达到5.43%；还原糖含量较CK增幅为23.6%～62.8%， T2处理最高，达到77.34 mg/g。与CK相比，T1、T4和T7处理果实番茄红素显著增加了34.7%，18.2%，和20.7%，其中T1处理最高，达到123.31 ug/g；T4、T5、T6和T7处理果实维生素C含量显著增加了11.9%，10.9%，57.5%和46.0%，其中T6处理最高，达到57.58 mg/g；微生物菌剂处理番茄果实可溶性蛋白含量显著降低(T6处理除外)。

2.6 微生物菌剂对番茄果实产量和品质影响的综合评价

为综合评价不同微生物菌剂对番茄产量和品质的影响，选取产量(X1)、单果质量(X2)、果形指数(X3)、可溶性固形物含量(X4)、番茄红素含量(X5)、维生素C含量(X6)、可溶性蛋白含量(X7)、还原糖含量(X8)共8个单项指标，利用DPS数据分析软件进行主成分分析，得到相关矩阵的特征值及特征向量累积贡献率如表5所示。由表5可知，前3个主成分的累积贡献率达到80.489%，满足大于80%的条件，说明前3个主成分可以解释番茄产量和品质的主要信息。

为进一步确定主成分与产量和品质因子之间的关系，分析主成分载荷矩阵，可得3个主成分的表达式为：

第1主成分：F1=0.409 5X1+0.469 2X2+0.528 6X3+0.108 3X4-0.132 5X5+0.181 6X6-0.660 0X7+0.369 5X8；

第2主成分：F2=0.449 6X1-0.000 3X2-0.048 1X3+0.304 5X4+0.375 7X5+0.570 3X6+0.415 2X7-0.252 9X8；

第3主成分：F3=0.017 8X1-0.344 1X2-0.112 7X3+0.687 5X4+0.231 8X5-0.261 9X6-0.071 2X7+0.518 2X8。

综合评价得分计算公式为:F=(λ1F1+λ2F2+λ3F3)/(λ1+λ2+λ3)。

式中：λ1、λ2和λ3分别是前3个主成分的特征值。

表5 微生物菌剂对番茄果实产量和品质影响的主成分分析结果Table 5 Principal component analysis on influence of microbial agents on tomato yield and quality

计算得到不同处理的综合评价得分如表6所示。由表6可知，不同微生物菌剂对番茄产量和品质影响的综合评价排序依次为T6>T7>T3>T4>T5>T2>T1>CK，表明不同微生物菌剂处理后番茄产量和品质均有不同程度提升，且T6处理的效果最好。

表6 微生物菌剂对番茄产量和品质影响的综合评价结果Table 6 Comprehensive evaluation on effects of microbial agents on tomato yield and quality

3 讨 论

有机基质富含有机物质及植物生长所需的各种养分，养分含量是衡量基质化学性状的重要特性，且其自身养分的释放受控于基质中微生物的生物量[24-25]。在有机基质中添加微生物菌剂，一方面会促进植物根际养分的转化和根系养分的吸收；另一方面，作为生物农药微生物菌剂具有很好的生物防治作用[26-27]。

3.1 微生物菌剂对基质养分含量和果实元素含量的影响

基质中的速效元素能够反映基质供植物吸收的养分水平。研究发现微生物菌剂处理后基质中的速效元素含量得到显著改善[28-30]。本研究结果表明，施入微生物菌剂后，有机基质中碱解氮和番茄生育中(定植70 d)、后(定植100 d)期速效钾含量显著增加，且复合微生物菌剂处理后番茄果实的全氮、全磷、全钾含量显著高于对照处理，这可能是微生物改变了番茄植株的根系生理和根际环境，直接促进植物吸收营养元素；也可能是微生物在参与养分生物固定和矿化分解时改变了养分的有效性，从而间接地影响植株的养分吸收[31]。本试验中胶冻样芽孢杆菌(T4)处理基质碱解氮含量显著高于其他处理，但在果实元素含量上表现不明显，可能是较高的元素含量造成根系渗透逆境，阻碍了植株根系的养分吸收。因此适宜的养分释放速度是微生物菌剂选用的重要依据。

3.2 微生物菌剂对有机基质酶活性的影响

酶活性能够反映基质催化物质的转化能力，是评价基质肥力水平的生物活性指标。研究发现添加微生物菌剂后有机基质中脲酶和蔗糖酶活性显著增加[11]。在烤烟试验中也发现微生物菌剂能够提高土壤脲酶和过氧化氢酶活性[32]。本研究结果表明，添加微生物菌剂后，基质中脲酶和蔗糖酶活性显著提高，其中胶冻样芽孢杆菌(T4)处理基质脲酶活性最高，复合微生物菌剂(T6)处理基质蔗糖酶活性最高。这可能是微生物促进了有机物质分解，增加了酶促反应底物，进而影响了酶的活性[14]；也可能是微生物促进基质中有效态养分释放，而酶活性与养分含量存在密切的相关关系[33]。同时基质中的酶是微生物生长代谢产物，酶活性增加也是添加微生物菌剂后基质中微生物数量增加的结果。

3.3 微生物菌剂对番茄叶片光合特性的影响

光合作用是植物生物产量的基础，有利于植物干物质积累和光合产物转运分配[34]。在辣椒育苗试验中发现，在基质中添加微生物菌剂可调节叶片气孔开放，提高叶片净光合速率，促进辣椒生长发育，进而提高产量[35]。对烤烟的研究也发现，微生物菌剂能够增加烤烟叶片的光合色素含量和光合性能[36]。本研究结果表明，有机基质中添加微生物菌剂后番茄叶片的净光合速率和叶绿素含量显著增加，且复合微生物菌剂(T6)处理番茄叶片的光合性能明显优于其他微生物菌剂处理和对照处理，可能是有机基质中的营养与微生物分泌的活性物质共同作用促进了叶绿素合成前体物质的积累，叶绿素含量的增加提高了番茄叶片对光能的捕获能力，同时在与植物的共生过程中微生物会产生相关激素和信号分子，影响叶片气孔开闭、光合电子传递及其他代谢途径，进而影响叶片的净光合速率[37-39]。本研究还发现，微生物菌剂处理番茄叶片的气孔导度和胞间CO2浓度较对照有不同程度的提高，这与王其传等[35]在辣椒上的研究结果一致。

3.4 微生物菌剂对番茄产量和品质的影响

产量和品质是衡量番茄经济效益的重要指标[40]，研究发现有机基质增施微生物菌剂能够提高番茄的产量和品质[41]。一方面添加微生物菌剂丰富了基质中微生物的多样性，促进了营养元素的转化；同时微生物释放的有机酸可以溶解释放基质中被吸附的养分，增加了养分有效性和持续性，最终实现产量的提升[33,42-43]。另一方面微生物菌剂通过增强光合来促进植株的同化作用，有利于同化物积累，在“库源”关系上形成强库，促进了植株养分的转运分配，最终表现为产量的提升[44]。本试验表明，有机基质中添加微生物菌剂番茄的产量较对照显著增加，且复合微生物菌剂(T6)处理产量最高，增产效果达到20%以上。这与试验中番茄植株光合特性的变化趋势一致，进一步证明了复合微生物菌剂促生增产的显著作用。本研究结果还表明，微生物菌剂处理后番茄果实的果形指数、可溶性固形物和还原糖含量显著增加；枯草芽孢杆菌(T1)、胶冻样芽孢杆菌(T4)和EM微生物菌剂(T7)处理果实番茄红素含量增加；胶冻样芽孢杆菌(T4)、甲基营养型芽孢杆菌(T5)、复合微生物菌剂(T6)和EM微生物菌剂(T7)处理果实维生素C含量显著增加。有研究发现，施入微生物菌剂可以提高番茄果实和莴笋的维生素C含量[45]；微生物菌剂能够提高西瓜的可溶性固形物和维生素C含量，并且通过碳源的利用特征推测西瓜的品质提升可能与根际土壤多酚类、羧酸类碳源的利用强度相关[46]。果实品质的提升可能是基于微生物群落较复杂的综合响应结果，也可能是微生物改变了一些代谢合成途径的前体物质进而改变了果实的品质，因此对添加微生物菌剂促进果实品质提升的机理还有待进一步探索。

由于单一指标无法满足番茄产量和品质的综合评价，因此本研究采用主成分分析法，在不损失原有信息的情况下将产量和品质指标进行降维分析，再得出综合得分。结果表明复合微生物菌剂对全有机番茄的丰产增质效果明显优于其他微生物菌剂。总之，微生物菌剂通过改善基质养分和理化性质，增加了植物的养分吸收，从而提高产量和品质。

4 结 论

添加微生物菌剂能够促进有机基质中碱解氮和番茄中后期速效钾含量的增加，提高基质中脲酶和蔗糖酶活性，进而促进番茄的生长发育。微生物菌剂处理后番茄果实的果形指数、可溶性固形物和还原糖含量显著增加，番茄叶片叶绿素含量和光合性能提高，最终表现为产量和品质的提升，其中胶冻样芽孢杆菌和复合微生物菌剂的增产效果达到20%以上，可应用于番茄的高产优质栽培。