基質栽培與土壤栽培對奶白菜生長及栽培介質中微生物區系的影響

張苗 陳偉 徐麗萍 劉新紅 郭德杰 馬艷 嚴少華 羅佳

摘要：基質栽培方式有別于傳統的土壤栽培方式，是未來農業發展的主要趨勢之一。用有機栽培基質和普通菜園土進行奶白菜的盆栽試驗，旨在揭示奶白菜在不同栽培介質下的生長狀況及栽培介質中微生物區系的差異。結果表明，當總氮、總磷、總鉀養分一致時，種植30 d后土壤栽培方式下的奶白菜株高、葉片SPAD值、地上部鮮質量均顯著高于基質栽培方式（P<0.05），株高、地上部鮮質量分別比用基質栽培的奶白菜高14.55%、42.19%，但是不同處理間的植株地上部干質量無顯著差異。高通量數據分析結果顯示，種植30 d后，2種栽培介質中的微生物豐度指數均顯著升高（P<0.05），并且種植30 d后基質中的微生物多樣性指數顯著提高（P<0.05）。在不同栽培方式下，種植奶白菜前后的土壤、基質中均主要有10個細菌門，但是部分門類的相對豐度有明顯差異，種植奶白菜前后土壤中各門類的相對豐度幾乎無變化，而種植奶白菜后，基質中擬桿菌門（Bacteroidetes）的相對豐度（19.43%）顯著低于種植前基質中的相對豐度（42.87%），且疣微菌門（Verrucomicrobia）、酸桿菌門（Acidobacteria）、芽單胞菌門（Gemmatimonadetes）的相對豐度較種植前基質中的相對豐度有所升高。相對豐度排名前20的細菌屬也由于2種栽培介質本身性質的差異而有不同的變化趨勢，并且與環境指標的相關性也存在一定差異，其中在基質栽培方式下，分別有14個、14個、13個屬與pH值、電導率（EC）、碳氮比（C/N）存在顯著、極顯著正相關或負相關關系（P<0.05或P<0.01），而在土壤栽培方式下，分別只有7個、3個、2個屬與pH值、EC、C/N存在顯著、極顯著正相關或負相關關系（P<0.05或P<0.01），可見基質栽培方式下的微生物區系受環境影響較大。綜上可知，土壤栽培體系的微生物區系穩定性高于基質栽培體系，外在環境條件的改變不易造成微生物區系的變化;基質栽培體系的微生物區系穩定性比土壤栽培體系低，更宜采用人工調控使其向有利于植物生長的方向改變。

關鍵詞：基質栽培;土壤栽培;奶白菜;微生物區系;環境因子

中圖分類號：S634.301文獻標識碼：A文章編號：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

近年來，無土栽培由于具有能有效避免連作障礙、節水節肥及生產可控性高等優勢而得到迅速發展，有機基質栽培作為其中一種形式，在蔬菜育苗和生產中的應用已經得到人們的認可。土壤栽培作為傳統的栽培方式，在種植規模等方面依然存在很大優勢，此外，作為農業生產的基礎，土壤也具有不可替代的地位。無土栽培與土壤栽培這2種栽培方式都是根據作物生長發育所必需的環境條件，給作物提供充足的養分、適宜的根際溫度、供氧狀況及酸堿度等，通過人為栽培來獲得人們所必需的產品，但是由于這2種栽培介質在物理化學性質等方面都存在較大差異，因而對于作物生長及微生物區系的變遷也有著不同影響。

土壤微生物是棲居在土壤中的細菌、放線菌、真菌等微小的生物，是土壤生態中的重要組成部分，在不同類型的土壤中生活著各種各樣結構各異的微生物類群，這些微生物在肥力、植物營養循環和生態平衡等方面起著極其重要的作用[1]，并且其結構的穩定性對于作物的健康生長至關重要，因此很有必要研究微生物對外界環境條件改變作出的響應，尤其是在環境問題日益突出的當下，已有越來越多的研究集中于土壤微生物與土壤生態系統功能穩定性之間的關系。然而，微生物區系的結構和優勢功能類群也會受到各種外界環境如植被種類、環境酸堿度、鹽分含量、有機質和溫度等因素的直接或間接影響而不斷演變[2-6]。

本研究利用土壤、有機基質作為栽培介質，通過比較在這2種栽培介質條件下奶白菜生長的差異及栽培前后介質環境中微生物區系的變化，以期了解在這2種栽培方式下種植前后微生物區系的演變規律，從而為在基質栽培和土壤栽培過程中通過構建健康微生態來實現優質生產提供基礎。

1材料與方法

1.1供試材料

供試奶白菜品種為火箭小黃白，購自昆明九華農業發展有限公司。供試基質由江蘇省農業科學院六合動物科學基地堆肥廠生產，且未經使用，基質的基本理化性狀如下：pH值6.47，電導率（EC）1.54 mS/cm，容質量0.20 g/cm3，總孔隙度87.95%，通氣孔隙度10.11%，有機質含量45.23%，總氮含量0.76%，總磷含量0.34%，總鉀含量1.22%，速效磷含量1.75 g/kg，速效鉀含量4.10 g/kg。供試土壤采自江蘇省農業科學院六合動物科學基地普通大棚，種植過其他蔬菜但未種植過奶白菜，其基本理化性狀如下：pH值6.98，EC 0.44 mS/cm，容質量1.07 g/cm3，總孔隙度62.91%，通氣孔隙度5.76%，有機質含量1.98%，總氮含量0.13%，總磷含量0.09%，總鉀含量0.65%，速效磷含量0.14 g/kg，速效鉀含量4.71 g/kg。

1.2試驗設計

栽培試驗在江蘇省農業科學院六合動物科學基地栽培大棚內進行。盆栽試驗設基質栽培（J）、土壤栽培（T）2個處理。分別將相同體積的栽培介質加入盆缽中，并以氮、磷、鉀高養分值為準補齊養分，以保持處理間的氮、磷、鉀總養分含量一致。每個處理重復20次，隨機排列，于奶白菜三葉一心期移栽，并分別于移栽后0 d、15 d、30 d測定奶白菜的株高、葉片SPAD值、地上部鮮質量、地上部干質量等指標。

采集土壤及基質的初始樣品（TQ表示種植奶白菜前的土壤，JQ表示種植奶白菜前的基質）后，將一部分樣品于-80 ℃保存，用于細菌的高通量測序分析;將另一部分樣品于陰涼處自然風干、過篩，用于測定pH值、EC、總養分含量等理化性質。奶白菜移栽后，分別于移栽后15 d、30 d隨機選取3盆，將土壤、基質樣品（TH表示種植奶白菜后的土壤，JH表示種植奶白菜后的基質）過干凈的10目篩，以除去非土壤、基質組成部分，如植株根部殘體、石塊等，將過篩的新鮮土壤和基質樣品也分成2份進行保存或處理，其中一份于陰涼處自然風干、過篩，用于測定pH值、EC、總養分含量等理化性質，另一份保存于-80 ℃冰箱中，用于細菌高通量測序分析。

1.3土壤、基質樣品理化性質的測定

pH值、EC的測定：將樣品與去離子水按1∶5的質量比混合后，在水平搖床上以180 r/min的轉速振蕩40 min，靜置后測定pH值、EC值。化學指標的測定采用常規方法[7]：將基質經H2SO4-H2O2消煮后分別測定其全氮含量、全磷含量、全鉀含量;將土壤經H2SO4-混合催化劑消煮后測定其全氮含量，將土壤經HNO3-HClO4-HF消煮后分別測定其全磷含量、全鉀含量。全氮含量采用凱氏定氮儀測定，全磷含量采用鉬銻抗比色法測定，全鉀含量使用火焰光度計測定;基質中的有機質含量采用燒失法測定，土壤中的有機質含量采用重鉻酸鉀氧化法測定。

1.4微生物區系測定分析

采用MP FastDNA SPIN Kit for Soil提取土壤和基質中的總DNA，之后進行細菌16S rRNA V4區擴增，擴增采用的引物序列如下：515F，5′-GTGCCAGCMGCCGCGGTAA-3′;806R，5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′，采用Illumina MiSeq平臺進行高通量測序。所有PCR擴增、文庫準備與檢測及上機測序分析均由上海天昊生物科技有限公司完成。

1.5數據分析

用Excel 2013和SPSS 18.0軟件進行數據統計與分析，使用最小顯著性差異法（Least significant difference，LSD）進行多重比較。

2結果與分析

2.1不同栽培介質對奶白菜生長的影響

由圖1可以看出，在移栽起始階段（0 d），奶白菜的株高、葉片SPAD值、地上部干質量、地上部鮮質量等各指標在基質栽培、土壤栽培2種栽培方式間的差異均不顯著;移栽15 d，土壤栽培的奶白菜株高、地上部干質量、地上部鮮質量分別比基質栽培奶白菜的相應數值高15.06%、8.51%、24.70%，并且2種栽培方式間的差異均顯著（P<0.05），而植株葉片SPAD值在2種栽培方式間無顯著差異;移栽30 d，土壤栽培的奶白菜株高、葉片SPAD值、地上部鮮質量均顯著高于基質栽培奶白菜的相應數值，其中土壤栽培的奶白菜株高、地上部鮮質量分別達到23.94 cm、252.30 g，分別比基質栽培的奶白菜株高、地上部鮮質量高14.55%、42.19%，而奶白菜地上部干質量在2種栽培方式間無顯著差異，可能是因為土壤栽培奶白菜的含水量（94.28%）高于基質栽培奶白菜的含水量（92.34%），由此造成2種栽培方式下奶白菜植株的干質量差異不顯著，具體可能與基質栽培方式比土壤栽培方式對水分管理的要求更精細相關。

2.2種植奶白菜前后土壤及基質中微生物群落和結構的差異

如表1所示，種植奶白菜后基質和土壤中的可操作分類單元數（OTU）均較種植奶白菜前有所增加，其中種植奶白菜后基質中的OTU達到了4 145.00個，相較于種植奶白菜前增加了52.43%;在土壤栽培方式下，種植奶白菜后土壤中的OTU達到了3 473.67個，相較于種植奶白菜前只增加了5.65%，可見種植奶白菜后基質栽培方式下的OTU增幅明顯高于土壤栽培方式下的OTU增幅。此外，由表1中的微生物豐度指數（Chao1指數、Ace指數）看出，種植奶白菜后土壤、基質中的微生物豐度與種植奶白菜前相比均顯著提高，種植奶白菜前土壤中的微生物豐度顯著高于基質，但是種植結束后基質中的微生物豐度顯著提升并且顯著高于土壤中的微生物豐度;由微生物多樣性指數（Shannon指數、InvSimpson指數）看出，種植奶白菜前土壤的微生物多樣性顯著高于基質，種植結束后基質的Shannon指數則顯著高于土壤的Shannon指數，而種植結束后土壤、基質的InvSimpson指數間差異不顯著。綜上可見，在土壤栽培方式下，種植奶白菜前后的微生物多樣性指數沒有發生顯著變化，而在基質栽培方式下，微生物多樣性指數在種植奶白菜后則較種植奶白菜前有顯著提升。

如圖2所示，在不同栽培方式下，種植奶白菜前后土壤和基質中的細菌門組成大致相似，僅部分門類的相對豐度有明顯差異，土壤栽培方式下的各門類相對豐度在種植奶白菜前后變化較小，而基質栽培方式下的各門類相對豐度在種植奶白菜前后變化較大。在所有門類中，變形菌門（Proteobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）、放線菌門（Actinobacteria）、綠彎菌門（Chloroflexi）是細菌相對豐度較高的4個門，這4個門類的序列數共占細菌總序列數的70%以上。在用基質種植奶白菜前（JQ），基質中擬桿菌門的相對豐度（42.87%）顯著高于種植奶白菜后基質（JH）中的相對豐度（19.43%），在用基質種植奶白菜結束后，基質中疣微菌門（Verrucomicrobia）、酸桿菌門（Acidobacteria）、芽單胞菌門（Gemmatimonadetes）等的相對豐度均較種植奶白菜前有所提高;在用土壤種植奶白菜后，土壤中芽單胞菌門的相對豐度較種植奶白菜前明顯降低，且與基質中芽單胞菌門相對豐度的變化趨勢相反，而土壤中疣微菌門、酸桿菌門的相對豐度在種植奶白菜后較種植奶白菜前表現出一定程度的升高趨勢。

圖3為各栽培方式下栽培介質中相對豐度最高的20個屬，可以看出，在基質栽培方式下，芽單胞菌屬（Gemmatimonas）、 德沃斯氏菌屬（Devosia）、Ohtaekwangia、鞘氨醇單胞菌屬（Sphingomonas）、偽壺擔菌屬（Pseudolabays）、Subdivision3_genera_incertae_sedis、Aridibacter、豐祐菌屬（Opitutus）、酸桿菌Gp6屬（Gp6）、Saccharibacteria_genera_incertae_sedis、小梨形菌屬（Pirellula）、亞硝化球菌屬（Nitrosophaera）和降解類固醇桿菌屬（Steroidobacter）在種植奶白菜后的相對豐度均表現出較種植奶白菜前升高的趨勢，而產黃桿菌屬（Rhodanobacter）、黃桿菌屬（Flavobacterium）、鏈霉菌屬（Streptomyces）、假單胞菌屬（Pseudomonas）、地桿菌屬（Pedobacter）、噬幾丁質菌屬（Chitinophaga）、芽孢桿菌屬（Bacillus）和降解類固醇桿菌屬（Steroidobacter）的相對豐度在種植奶白菜后則表現出較種植奶白菜前降低的趨勢，其中噬幾丁質菌屬的下降幅度達到90%以上。

在土壤栽培方式下，種植奶白菜前后各屬的相對豐度變化有一定差異，其中產黃桿菌屬、德沃斯氏菌屬、黃桿菌屬、Aridibacter、豐祐菌屬、假單胞菌屬、地桿菌屬、Saccharibacteria_genera_incertae_sedis、小梨形菌屬和Nitrosophaera在種植奶白菜后的相對豐度較種植奶白菜前有所升高，芽單胞菌屬、鏈霉菌屬、Ohtaekwangia、鞘氨醇單胞菌屬、偽壺擔菌屬、Subdivision3_genera_incertae_sedis、酸桿菌Gp6屬、噬幾丁質菌屬、芽孢桿菌屬和降解類固醇桿菌屬在種植奶白菜后的相對豐度與種植奶白菜前相比呈下降趨勢。

基于OTU組成的主成分分析結果表明，基質和土壤中的細菌群落結構差異明顯，第1主成分和第2主成分共能解釋細菌群落結構88.24%的變化，其中第1主成分能夠解釋77.25%的變化，第2主成分能夠解釋10.99%的變化，種植奶白菜前基質中的微生物群落在第1主成分（PC1）明顯區分于種植奶白菜后的基質及種植奶白菜前后的土壤，種植奶白菜后基質中的微生物群落在第2主成分（PC2）明顯區分于種植奶白菜前、種植奶白菜后的土壤，而種植奶白菜前、種植奶白菜后土壤中的微生物群落在第1主成分與第2主成分間無顯著區別（圖4）。

2.3不同栽培介質化學計量特征的差異及對微生物區系的影響

由表2可以看出，種植奶白菜后，土壤和基質的pH值均較種植前有所提升，基質的pH值從種植奶白菜前的6.47上升到種植奶白菜后的7.68，升幅達到18.70%，土壤的pH值則從種植奶白菜前的6.98上升至種植奶白菜后的7.36。基質、土壤中的EC在種植奶白菜前后也表現出一定的變化，與種植奶白菜前相比，在種植奶白菜后，基質的EC顯著降低，而土壤的EC在種植奶白菜前后則無顯著變化。碳、氮、磷是植物生長發育過程中重要的營養元素，也是微生物生存的物質基礎，由表2還可以看出，土壤的碳/磷和氮/磷在種植奶白菜前后均無顯著變化，而C/N在種植奶白菜后與種植奶白菜前相比顯著降低;基質的C/N、碳/磷在種植奶白菜后與種植奶白菜前相比顯著升高，其中C/N從種植奶白菜前的34.46升高至種植奶白菜后的40.35，碳/磷從種植奶白菜前的76.66升高至種植奶白菜后的89.26，氮/磷在種植奶白菜前后無顯著變化。

4結論

在總氮、總磷、總鉀養分一致的情況下，移栽30 d后，用土壤栽培的奶白菜的生物性狀（地上部鮮質量、株高、SPAD值）顯著優于用基質栽培的奶白菜，但在2種栽培方式間奶白菜的干物質積累量無顯著差異。在土壤栽培、基質栽培2種栽培模式下，環境中優勢微生物種群也表現出不同的變化趨勢，但是用土壤栽培奶白菜前后土壤環境微生物區系的相似性較高，區系組成變化很小，基質栽培處理則相反，表明土壤栽培體系的微生物區系穩定性高于基質栽培體系，外在環境條件的改變不易造成微生物區系的較大變化，而在基質栽培方式下，微生物區系的穩定性比土壤栽培方式下低，更易通過人工調控來使其朝著有利于植物生長的方向改變，后續可從此方面入手開展進一步研究。

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（責任編輯：徐艷）