木霉微生物肥與減量化肥配施對番*茄產量、品質及土壤肥力的影響

趙 政 陳 巍 王 歡 夏可心 高仁維 姜斯琪 龐 冠 蔡 楓

（江蘇省固體有機廢棄物資源化高技術研究重點實驗室，江蘇省有機固體廢棄物資源化協同創新中心，南京農業大學，南京 210095）

化肥的施用是集約化農業生產不可或缺的部分。然而，長期大量施用化肥會導致諸如土壤肥力下降、養分失衡、作物減產和品質降低等一系列問題［1］，且其中大量的化肥未發揮出應有的肥效，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，也是現今食品安全問題的源頭之一。例如，一些葉菜類農產品的高硝酸鹽積累問題被證明與盲目施用化肥有關［4］。因此，目前，緩解農業—生態矛盾行之有效的方法之一是對養分進行綜合管理，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分［6］、促進作物生長［7］、防治土傳病害［8-9］、環境友好等特性，而在養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，其作用機制多而復雜，可有效促進番茄、黃瓜、小麥、辣椒等多種作物的生長［11-13］。

木霉NJAU 4742菌株是由本實驗室篩選并成功實現商品化應用的農用促生菌/生防菌［7，14］，其主要的促生機制包括分泌類植物激素丁烯羥酸內酯（Harzianolide）以刺激作物根系伸長［13］和活化土壤中的難溶養分磷、鐵等元素［15］。雖然，有關木霉菌促生作用及其機制的研究已取得一定進展，但相關研究主要集中于其對作物產量的貢獻，有關木霉菌對作物品質的影響研究較少，且結論不一：Molla等［10］發現施用木霉微生物肥可顯著提升番茄果實的總可溶性固形物、糖分、維生素C及其他品質指標；而Nzanza等［16］則認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，其含量受肥料種類、施肥方式與施肥時間的顯著影響［17］。因此，開展有關木霉菌及其微生物肥料產品對經濟作物產量和品質影響的研究意義重大。

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

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驗場選育。供試有機肥料由氨基酸有機肥和豬糞堆肥按1:1的比例混合而成，稱為普通有機肥。供試菌種為木霉NJAU 4742菌株（Trichoderma guizhouense NJAU 4742），由江蘇省固體有機廢棄物資源化高技術研究重點實驗室提供，并用于與普通有機肥進行二次發酵生產木霉微生物有機肥，其木霉有效活菌數達106cfu·g-1以上。木霉微生物有機肥的發酵工藝及普通有機肥和木霉微生物有機肥的理化性質參見文獻［1］。供試化肥為雅冉苗樂復合肥（15-15-15）和硝酸鈣肥，由挪威雅冉公司生產。

1.2 田間試驗設計

田間試驗選在江蘇省南京市麒麟鎮蔬菜種植基地（118°57′E，32°03′N）分兩季進行。試驗設計3個處理：（1）CF，100%化肥處理（600 kg·hm-2復合肥+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復合肥+225 kg·hm-2硝酸鈣肥）；（3）OF，普通有機肥（1 800 kg·hm-2）+75%的化肥（含450 kg·hm-2復合肥+225 kg·hm-2硝酸鈣肥）。其中，復合肥、普通有機肥及微生物有機肥以條施的形式作基肥，硝酸鈣肥分3次追施。小區面積9.6 m2（1.6 m×6.0 m），各小區栽種番茄苗60株。每個處理設置5個重復，共計15個小區，隨機區組排列。供試田塊有機質含量27.6 g·kg-1，pH 6.1，銨態氮、硝態氮、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 盆栽試驗設計

盆栽分4季于江蘇宜興國家有機類肥料工程技術研究中心溫室內重復進行，每季盆栽生育期長100 d。試驗設4個處理：（1）CF，100%化肥處理（每盆5.33 g復合肥+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復合肥+2 g硝酸鈣肥）；（3）OF，普通有機肥（每株50 g）+75%的化肥（每盆4 g復合肥+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復合肥+2 g硝酸鈣肥）。其中，復合肥、普通有機肥及微生物有機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。每個處理設置6個重復（盆），每季重復施肥，常規管理。供試土壤為淋溶土，有機質含量19.2 g·kg-1，pH7.3，銨態氮、硝態氮、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 產量統計與品質測定

待100 d生育期滿，分3次采摘并統計各小區番茄果實產量，并隨機選取3～5個番茄作品質分析測定。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［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，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，即為當季番茄根際土，每個處理隨機取樣3份。土壤樣品分別采用稀釋涂布法測定根際可培養微生物數量和木霉菌數量［1，20］，其中，木霉菌選擇性培養基配制方法如下：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。土壤銨態氮、硝態氮采用流動分析儀（BRAN+LUEBBE Auto Analyzer3，德國）測定［21］，有效磷、速效鉀測定方法參照文獻［1］。土壤全碳（有機質）、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射光譜儀（Agilent 710 ICP-OES，美國）測定［22］。

1.6 數據處理

試驗數據采用SPSS 13.0進行統計，并進行單因素方差分析（One-way ANOVA，P＜ 0.05）和皮爾森（Pearson）相關性分析。圖表由Excel 2013和SigmaPlot 11.0制作而成。

2 結 果

2.1 不同施肥處理對番茄產量的影響

由表1可見，田間試驗結果驗證了研究假設，即與全量化肥處理（CF）相比，減量化肥與木霉微生物有機肥配施（BF處理）對番茄產量無顯著影響，而減量化肥與普通有機肥配施（OF）則顯著降低番茄產量（15%）。在盆栽試驗中，雖然第一季產量處理間差異不顯著，但隨著種植季數的增加，處理間產量差異顯著。盆栽試驗中，與CF處理相比，OF和SS處理使得番茄產量分別下降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品質的影響

由圖1可知，盆栽條件下，不同施肥處理對番茄果實品質影響顯著。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，果實中總可溶性糖含量增加35%～54%；且上述兩個指標的結果在田間試驗條件下得到進一步驗證。處理間維生素C的含量在田間試驗條件下差異不顯著，但在盆栽試驗條件下，添加有機質的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分的影響

由圖2可知，在盆栽試驗中，BF和OF處理的硝態氮、有效磷和速效鉀含量顯著高于CF和SS處理，且多數情況下，BF處理的有效磷和速效鉀含量高于OF處理；而CF處理的銨態氮含量顯著高于其他3個處理（P＜ 0.05）。BF和OF處理中有機質和全氮含量顯著高于未添加有機質的CF和SS處理，且隨著種植季數的增加，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微生物數量的影響

由圖3土壤細菌、真菌及放線菌數量變化可知，不同施肥處理對土壤微生物影響不同，且差異顯著。BF和OF處理中細菌數量顯著高于CF和SS處理，而SS和BF處理中真菌的數量在第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 土壤養分、微生物數量與番茄產量和品質間的相關性

由皮爾森相關性分析結果（表2）可知，本試驗中，根際細菌數量與土壤全氮、有機質、硝態氮、有效磷及速效鉀含量呈極顯著正相關關系，而與土壤銨態氮含量呈極顯著負相關關系（P＜ 0.01）；根際真菌數量也與銨態氮含量顯著負相關，而與土壤全氮和有機磷含量正相關（P＜0.05）；根際放線菌數量則與土壤全磷、有機質及硝態氮含量顯著正相關（P＜ 0.05）。其中，土壤各理化指標中，土壤全氮、硝態氮、有效磷及速效鉀含量均與有機質含量正相關，且番茄果實的維生素C和總可溶性糖含量也與有機質含量正相關，而硝酸鹽含量則與之負相關。此外，果實中總可溶性糖含量除與有機質顯著相關外，還與土壤中全氮、全磷、全鉀、有效磷、速效鉀及微生物數量等多項指標呈顯著正相關關系。在本實驗條件下，未發現番茄產量與所測指標間存在顯著相關關系。

3 討 論

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

本研究表明，在現有施肥基礎上，減施25%的化肥并配施以一定量木霉菌制成的微生物有機肥可維持田間番茄穩產（表1），與100%化肥處理產量相當，盆栽試驗結果也支持這一論點；而減施化肥配以普通有機肥或木霉菌體則不能有效維持番茄產量，連續施用4季后，產量均下降35%以上。這與先前在黃瓜種植施肥體系中的結果類似［1］，也與Adesemoye等［23］在番茄種植上的結果相似，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產。

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

一般情況下，生長期末的養分有效性反映了當季土壤養分的供應能力。在盆栽試驗中，高硝態氮、有效磷和速效鉀含量更多見于BF處理的土壤中，而低有效養分含量則更多見于SS處理中，OF處理的養分狀態處于兩者之間，說明SS處理的養分投入不足造成減產，而BF處理中引入的有機質和促生菌木霉可有效緩解化肥減施產生的問題。雖然OF處理的土壤肥力與BF處理的相當甚至高于BF處理（如土壤全磷和全鉀），但在養分有效性方面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，因為已知NJAU 4742菌株在實驗室條件下不具有活化含鉀礦物的能力。因此，除木霉菌直接的養分活化作用外，還有其他因素引起了BF處理的土壤養分有效性提高，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，也是土壤有效養分的活性中心［24］。如圖3所示，4個處理中，BF處理的總細菌、總真菌和總放線菌數量均顯著高于其他3個處理，而CF處理的各微生物數量均較低，這可能與化肥在連作體系中會導致微生物區系多樣性和豐富度下降的原因有關［9，25］。因此，結合前人研究成果［13，23，26］，上述結果可有如下解釋：已知木霉菌NJAU 4742具有產生類植物激素丁烯羥酸內酯（Harzianolide）的功能，其可有效促進根系伸長和根尖分化［13］，而更大的根系生物量產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分得到活化（圖2）。上述論點，在皮爾森相關性分析中得到論證，即土壤養分有效性與土壤微生物豐度顯著相關（表2），如：土壤銨態氮、硝態氮、有效磷、速效鉀的含量與細菌數量均顯著相關，土壤銨態氮和有效磷與真菌相關，硝態氮與放線菌數量相關；且表中木霉菌的數量與土壤總真菌和放線菌的數量密切相關，相關系數分別為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系的變化，以調節根際養分有效性，使之向更有利于作物生長的方向發展，并最終反映在作物產量上。類似地，有研究［27］報道，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，這被證明與PGPM具有活化土壤養分和調節根際微生物區系的能力有關。

表2 土壤養分、微生物數量與番茄產量和品質指標間的相關性Table 2 Pearson correlations of soil nutrients andpopulationof soil microbe with yieldand qualityof tomato

我國化肥平均用量達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，造成土壤總體養分過剩而養分利用率偏低等問題。但同時，農戶并未停止增加化肥施用量，而為追求高產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重的原因之一［1，28］。本研究中，在田間和盆栽試驗條件下，減施25%化肥的BF、OF及SS處理番茄果實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物料可有效提高果實品質。皮爾森相關性分析結果（表2）進一步證實了上述論點，因為，本研究中果實維生素C的含量與土壤有機質呈顯著正相關關系（r=0.525），而硝酸鹽含量則與之呈顯著負相關關系（r=-0.543）。Oliveria等［29］的研究認為，在有機種植體系中，番茄植株由于在有效性相對較低的養分環境中生長，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及酚酸類等物質的積累；而在非有機種植體系中，高硝酸鹽積累常與低維生素C含量相伴［30］，與本試驗結果一致。因此，減量化肥與微生物有機肥配施，通過向土壤中輸入養分、有機物和功能微生物，可有效活化土壤中的養分和增加微生物群落多樣性，提高養分利用效率，降低化肥用量，應作為重要的農業生產措施推廣實施。

4 結 論

減施部分化肥而配施以功能菌（如木霉菌）制成的微生物有機肥，不僅能保證番茄穩產，還能顯著提升番茄果實品質，說明微生物肥料中的功能菌可顯著活化土壤養分，改變土壤微生物結構，從而直接或間接地調節根際養分的有效性和供應能力，改善土壤肥力狀況。