微生物菌劑對紅樹莓生長、果實品質及土壤磷鉀的影響

郭娟娟， 王珊， 欒好安， 李寒， 郭素萍， 齊國輝， 張雪梅

（河北農業大學林學院，河北 保定 071000）

樹莓（Rubus idaeusL.）是薔薇科懸鉤子屬的多年生落葉半灌木，因具有多種功能性成分如抗癌物質鞣花酸、抗衰老物質超氧化物歧化酶和維生素C 等，被聯合國糧農組織列為“天然綠色食品”和“健康食品”[1-2]。隨著人民生活水平的提高，對其需求也日益增加。至2015 年，全球紅樹莓產量達到42.52萬t，而90%來自歐洲、美洲[3]。中國樹莓栽培面積約為13 465.7 hm2，產量達10.8 萬t[4]。盡管如此，世界樹莓市場的缺口仍然巨大[3]。為了追求產量，長期施用化肥易造成土壤板結[5]，并通過改變土壤理化性質影響土壤微生物群落結構和功能細菌的數量[6]，不利于作物的正常生長和土地的長效利用。而微生物菌劑能促進土壤養分的吸收[7]，利于植物生長，能提高植物品質和增加其營養價值，因此配施微生物菌劑，可有效緩解化肥過量施用的現狀；如添加高效微生物溶磷菌可在一定程度上活化土壤磷含量，促進植物生長[8-10]。施用微生物菌劑可促進玉米生長、提高飼料玉米營養成分[11]；還可提高黃瓜的產量與品質，降低其硝酸鹽含量[12]。微生物菌劑的有效菌株巨大芽孢桿菌（Bacillus megaterium）和膠質芽孢桿菌（Bacillus mucilaginosusKrassilnikov）具有溶磷解鉀的作用，有益于植物生長、發育[13-14]。

目前，微生物菌劑的應用主要集中在玉米、花生等農作物和蔬菜上，在經濟林樹種上的應用研究鮮見報道。因此，在經過連續3 年施用有機肥改良土壤后的紅樹莓園，于紅樹莓不同發育時期施用微生物菌劑，探究其對紅樹莓樹體生長、果實品質以及土壤理化性質的影響，分析不同時期施用微生物菌劑的效果，明確最佳施用微生物菌劑時期與用量，為紅樹莓生產中精確、高效施用微生物菌劑提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在河北省保定市易縣富崗鄉雙合莊村進行，位于保定市西北部、太行山北端東麓（39°02'—39°35'N、114°51'—115°37'E）。該地屬溫帶干旱半干旱大陸性季風氣候。年平均氣溫12.6 ℃，最高溫度40.7 ℃，最低溫度-20.4 ℃，年降水量520.3 mm，無霜期175~190 d。土層厚度10~25 cm，土壤類型以淋溶性褐土為主，少部分黃土，土壤呈堿性，pH 8.35。該地2016—2018 年連續3年秋季已在原有貧瘠土壤中施入30 t·hm-2的有機肥（純羊糞發酵肥，有機質含量183.99 g·kg-1，全氮含量6.60 g·kg-1，全磷含量5.95 g·kg-1，全鉀含量16.09 g·kg-1）進行土壤改良。現今土壤基本養分狀 況 為：有 機 質 含 量10.62 g·kg-1，全 氮 含 量1.00 g·kg-1，堿解氮含量47.60 mg·kg-1，全磷含量0.75 g·kg-1，有效磷含量18.97 mg·kg-1，全鉀含量14.78 g·kg-1，有效鉀含量63.93 mg·kg-1。

1.2 試驗材料

供試材料為3 年生秋果型紅樹莓品種‘海爾特茲’，由河北子水農業科技股份有限公司提供；供試菌劑為河北閏沃生物技術有限公司根果旺微生物菌劑，其有效菌種為巨大芽孢桿菌和膠質芽孢桿菌，有效活菌數≥2.0億CFU·g-1）。

1.3 試驗設計

于2019 年6 月至2020 年在河北省保定市易縣紅樹莓基地開展試驗，栽植方式為雙行帶狀栽植，帶寬1.0 m，株距0.2 m，行距2.8 m。每處理選擇100 株，3 次重復，于栽植行兩側開深寬均20 cm 的溝施入微生物菌劑。分別于紅樹莓現蕾期（6 月25 日）至二次盛果期分5 次施入（T5）、初花期至二次盛果期分4 次施入（T4）、初果期至二次盛果期分3 次施入（T3）、一次盛果期至二次盛果期分2 次施入（T2）、二次盛果期1 次施入（T1），每個處理每次施用根果旺微生物菌劑原液200 L·hm-2（含量20%），對照（CK）施用1 L清水。本研究施菌劑水平在前期預研究基礎上得出，具體菌劑施用時期和原液施用量見表1。

表1 不同處理施菌劑情況Table 1 Fertilization of different treatments

1.4 樣品采集及指標測定方法

試驗分別于7月15日（初花期）、8月11日（初果期）、9 月15 日（一次盛果期）、10 月10 日（二次盛果期）和11 月11 日（終果期）采果實及葉片，并用液氮速凍，置于超低溫冰箱-80 ℃保存備用。并于11 月11 日（終果期）于用土鉆取0—10 和10—20 cm土層的土壤，土壤放在通風處陰干。

1.4.1 生長指標的測定 每處理選擇5 株有代表性的植株，卷尺測量株高，游標卡尺測量地徑，取平均值。

1.4.2 果實產量測定 單果重及縱橫測量：每處理每植株采集20 個達到商品成熟度的樹莓果實，對每個果實依次進行稱重，最后計算平均值即為樹莓果實單果重。用游標卡尺測量上述20 個樣品果的縱橫經，根據公式（1）計算果形指數。

產量測定：盛果期果實成熟為采摘期。由初果期至終果期，每個處理隨機選擇10 株有代表性的植株，統計單株結果數，并用精確度為0.01 g 的天平對整株果實依次進行稱重。根據公式（2）計算增產效益。

1.4.3 生理指標測定 采用WYT 手持測糖儀測定果實可溶性固形物含量；用氮藍四唑（nitroblue tetrazolium，NBT）光還原法測定超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）活性[15]；用愈創木酚法測定過氧化物酶（peroxidase，POD）活性[15]；用過氧化氫法測定過氧化氫酶（catalase，CAT）活性[15]；土壤有機質測定采用重鉻酸鉀法[15]；土壤pH測定采用電位測定法；土壤水解性氮測定采用堿解擴散法；有效磷測定采用鉬銻抗比色[15]；速效鉀測定采用原子吸收分光光度法[15]。

1.5 數據分析

用Microsoft Office Excel 2019 作圖，用DPS 軟件的單因素Duncan 新復極差法進行顯著性檢驗和相關性分析，P<0.05 時為差異顯著,用Rx64.4.0.4進行主成分分析。

2 結果與分析

2.1 微生物菌劑對不同時期紅樹莓樹體生長的影響

微生物菌劑對紅樹莓株高和地徑的影響如圖1 所示，9 月15 日（一次盛果期）以前各處理的株高、地徑呈迅速上升趨勢，隨著果實的成熟株高、地徑的增加趨于平緩直至終果期。T5、T4 處理的株高和地徑明顯高于CK，但二者間差別不明顯，表明初花期和初果期施用微生物菌劑可有效增加紅樹莓株高和地徑。

圖1 在微生物菌劑下不同時期紅樹莓樹體生長情況Fig. 1 Growth of red raspberry tree in different periods under microbial inoculum

2.2 微生物菌劑對不同時期紅樹莓果實可溶性固形物含量的影響

微生物菌劑對不同時期紅樹莓果實可溶性固形物含量的影響見圖2，隨著紅樹莓生長發育進程的推進，其果實可溶性固形物含量呈先上升后下降的趨勢。可溶性固形物含量在二次盛果期（10 月10日）最高，其中T5、T4、T3處理的可溶性固形物含量分別較CK高30.43%、25.00%和12.40%，且三者間無顯著差異，說明二次盛果期及以前施用3次微生物菌劑可提高果實的可溶性固形物含量。

圖2 在微生物菌劑下不同時期紅樹莓可溶性固形物含量Fig. 2 Soluble solids content of red raspberry in different periods under microbial inoculum

2.3 微生物菌劑對不同時期紅樹莓果形指數的影響

微生物菌劑對不同時期紅樹莓果形指數的影響如圖3所示，不同處理與CK 變化趨勢較相近且在二次盛果期（10 月10 日）達到最高。在二次盛果期，T5、T4、T3 處理的果形指數分別為0.85、0.83、0.81，均呈圓形或近圓形，與CK 無顯著差異。終果期所有施菌劑的處理（T1 除外）均高于CK，說明微生物菌劑對紅樹莓果形指數影響明顯。

圖3 在微生物菌劑下不同時期的果實果形指數Fig. 3 Fruit shape index in different periods under microbial inoculum

2.4 微生物菌劑對紅樹莓盛果期產量的影響

微生物菌劑對紅樹莓產量的影響如圖4 所示，盛果期前施菌劑的T5、T4、T3處理單株結果數量均顯著高于其他處理，分別較CK 高出76.40%、57.30%和35.95%，T2和T1處理與CK無差顯著差異。不同成熟期各處理單果重變化趨勢為先上升后下降，在一、二次盛果期CK 單果重高于微生物菌劑處理組，主要原因是CK 結果數量顯著低于處理組；盛果期T5、T4 和T3 的產量明顯高于CK，但三者之間無顯著差異，其中T5、T4 分別顯著高出CK 25.75%、23.09%，T2 和T1 處理與CK 無顯著差異。綜上所述，T5、T4 處理的產量最高，可能是T5、T4 處理提高了紅樹莓初生莖的花芽分化數量，增加了一次盛果期和二次盛果期結果數量，進而降低了單果重。

圖4 在微生物菌劑下紅樹莓盛果期產量Fig. 4 Yield of red raspberry in full bloom under microbial inoculum

2.5 微生物菌劑對不同時期紅樹莓葉片抗氧化酶活性的影響

微生物菌劑對不同時期紅樹莓葉片過氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）活性的影響如圖5 所示，SOD、POD 活性先勻速上升后緩慢下降，在一、二次盛果期達到最大值。在初果期、一次盛果期和二次盛果期，T5 處理葉片的SOD 活性高于CK 16.64%、22.49%、18.02%；而葉片的POD 活性與CK 在一次盛果期無顯著差異。CAT 活性在一次盛果期達到最大值，之后則呈快速下降的趨勢，在一、二次盛果期，T5 處理顯著高于CK 25.02%、12.29%，而其他處理則與CK 無顯著差異。以上結果表明微生物菌劑在一定程度可提高紅樹莓的葉片抗氧化酶活性。

圖5 在微生物菌劑下不同時期紅樹莓葉片抗氧化酶的活性Fig. 5 Antioxidant enzymes activities of red raspberry leaves at different periods under microbial inoculum

2.6 微生物菌劑對紅樹莓盛果期土壤pH 和有機質的影響

微生物菌劑對紅樹莓盛果期土壤pH 和有機質的影響如圖6 所示，0—10 cm 土層的土壤pH 低于10—20 cm 土層，T5 處理0—10 cm、10—20 cm的土壤pH 分別為7.19 和8.07，低于T4 和CK 處理；0—10 cm 土層中，T5 和T4 處理的pH 顯著低于CK，而10—20 cm 土層中各處理與CK 均無顯著差異。在0—10 cm 土層中，T5、T4 處理的有機質含量與CK 存在顯著差異，分別較CK 高13.71%、7.78%，而其他處理與CK 無顯著差異；在10—20 cm土層中，T5和T4處理與CK存在顯著性差異，而T3、T2 和T1 處理與CK 無顯著差異。其中，T5處理的0—10、10—20 cm深度土層有機質含量較CK 分別高出（3.28±0.05）（2.55±0.59）g·kg-1。綜上表明，施用微生物菌肥在一定程度上可以調控土壤pH，改善土壤堿性環境，同時提高土壤有機質含量，利于紅樹莓的生長。

圖6 在微生物菌劑下紅樹莓盛果期土壤pH和有機質含量Fig. 6 Soil pH and organic matter content of red raspberry in fruiting season under microbial inoculum

2.7 微生物菌劑對紅樹莓盛果期土壤速效養分含量的影響

微生物菌劑對紅樹莓盛果期土壤速效養分含量的影響如圖7 所示，在0—10 與10—20 cm 土層中，T5和T4處理的速效養分含量顯著高于CK，且各處理0—10 cm 土層的速效養分含量大于10—20 cm 土層。T2 處理的有效磷含量顯著高于CK，T2 和T1 處理的其他速效養分與CK 均無顯著差異。微生物菌劑對堿解氮的影響表明，T5、T4 和T3 處 理 在0—10 cm 土 層 分 別 較CK 顯 著 高30.70%、27.17%和23.00%，在10—20 cm 土層分別較CK 顯著高26.57%、26.77%和15.93%。0—10 cm 土層的T5、T4、T3 和T2 處理的有效磷含量分別較CK 高38.37%、29.83%、13.63%和12.90%，在10—20 cm 土層分別較CK 高34.97%、25.46%、13.34%和5.20%。T5、T4和T3處理的速效鉀含量在0—10 cm 土層中分別較CK 高32.97%、25.93%和19.68%，在10—20 cm土層分別較CK高31.89%、21.92%和9.92%。以上結果表明，于紅樹莓生長季至少連續3 次施用微生物菌劑可顯著提升土壤有效磷和速效鉀的轉化效率，且主要作用于0—10 cm 的土層，從而提高紅樹莓的樹體生長、改善果實品質。

圖7 在微生物菌劑下紅樹莓盛果期土壤速效養分含量Fig. 7 Available nutrients content of red raspberry soils in fruiting season under microbial inoculum

2.8 微生物菌劑對紅樹莓經濟效益的影響

微生物菌劑對紅樹莓經濟效益的影響如表2所示，本研究的施肥水平為20%，施肥量為菌劑原液200 L·hm-2，T5 處理較CK 增產6 660 kg·hm-2，增產率達26.71%；T4處理較CK增產6 465 kg·hm-2，增產率達25.93%，T4 處理的增產效益達到51 150 元· hm-2，而T3、T2 和T1 處理的產量與CK無顯著差異，T1 處理由于菌劑施于二次盛果期，對產量影響較小，由產量提升導致的效益增加為-2 325元· hm-2。以上結果表明，于初花期和初果期施用菌劑可大幅度提高紅樹莓的經濟效益。

表2 不同處理的經濟效益Table 2 Economic benefits of different treatments

2.9 微生物菌劑對紅樹莓果實性狀及土壤指標的相關性分析

終果期對紅樹莓施用微生物菌劑的12 個表型及生理指標與土壤指標的相關性分析結果如表3 所示。土壤pH 與有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀、SOD、可溶性固形物和果形指數呈極顯著負相關；與株高、地徑、POD和CAT呈顯著負相關，POD則與除pH外的其他指標均無顯著性相關，說明適宜的土壤pH 對紅樹莓的生長及果實品質具有提升作用。SOD與有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀、地徑和可溶性固形物呈極顯著正相關，與CAT 和果形指數呈顯著性正相關；CAT與堿解氮、有效磷和可溶性固形物呈極顯著性正相關，與有機質、速效鉀和地徑呈顯著性正相關。可溶性固形物與有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀和地徑呈極顯著正相關，與株高呈顯著性相關。表明微生物菌劑的施用可提高土壤的有機質含量及速效養分的釋放，從而利于紅樹莓的樹體生長和果實品質改善。

表3 在微生物菌劑下紅樹莓性狀及土壤指標相關性分析Table 3 Correlation analysis of raspberry characters and soil indexes under microbial inoculum

2.10 微生物菌劑對紅樹莓果實性狀及土壤指標的主成分分析

對施用微生物菌劑處理的終果期紅樹莓果實性狀及土壤指標進行PCoA 分析（圖8），第1 主成分（PCA1）可以解釋指標信息的84.31%，第2 主成分（PCA2）可以解釋指標信息10.35%。處理在坐標軸上的投影距離越近，表明這2個處理越相似。T4 和T5 處理大多位于第4 象限且距離較近，說明2 個處理受微生物菌劑的作用效果相似；T1 與CK位于第2、3 象限，且與T2 部分重合，說明其作用效果差異較小。T3 處理位于T2 和T4、T5 處理之間，說明微生物菌劑對其有一定作用。以上結果表明，施用微生物菌劑可提高紅樹莓的果實性狀及土壤養分。

圖8 在微生物菌劑下不同處理紅樹莓性狀及土壤指標PCoA分析Fig. 8 PCoA analysis Compared to CK of red raspberry traits and soil indicators in different treatments under microbial inoculum

3 討 論

紅樹莓是高端水果，其分布范圍較廣、用途較多、適應性較強，但產量及品質仍有待提高[15]。微生物菌劑可明顯促進植物根系生長與膨果，提高肥料利用率，增加其吸收營養速度，提高果實品質及植物內酶活性，同時改良土壤理化性質，調節碳氮比，平衡酸堿度，促進團粒結構形成并提高植物抗病蟲害能力[16]。

相關研究表明，合理施肥可顯著提高果實的產量與品質。紅樹莓生長期對3 種大量元素的吸收關鍵期分別在5、7、9 月初[17]。本研究在現蕾期(6 月25 日)、初花期（7 月15 日）、初果期（8 月11日）、一次盛果期（9 月15 日）、二次盛果期（10 月10 日）施用菌劑，微生物菌劑的吸收關鍵期與其施肥關鍵期基本吻合。T5、T4 處理的株高、地徑顯著高于CK，這是因為紅樹莓于現蕾期或初花期開始施用微生物菌劑至終果期結束（T5 和T4 處理），可以在紅樹莓營養生長期源源不斷供給營養，這種施肥方式正好迎合紅樹莓花芽分化過程中持續分化的特性。并且果實可溶性固形物含量顯著提高，主要原因是微生物菌劑的施用顯著提高土壤的速效養分釋放，尤其是速效鉀可促進植物體內糖的轉化[18-19]，從而提高果實的可溶性固形物含量。T5、T4 和T3 處理的盛果期單株結果數較CK 提高76.40%、57.30%和35.95%，T5、T4處理的盛果期產量較CK 提高25.75%和23.09%，但果實的單果重降低了，因此，在施用微生物菌劑的條件下為平衡產量與單果重的關系，生產中可通過疏花措施提高單果重。這與微生物菌劑顯著促進甜瓜的生長和增加水果黃瓜莖粗、果實可溶性固形物、單果重等[20-24]研究結果一致。施用微生物菌劑會影響植物的多元素組成[25-26]，并有助于改善水果品質，主要反映在揮發性有機化合物的數量和豐度上[27]，同時對高梁[28]等植株生長及土壤微生物群落的功能多樣性有一定的效果。T5處理在一、二次盛果期的SOD 較CK 顯著提高22.49%、18.02%；CAT較CK 高25.02%、12.29%；而POD 在一次盛果期與CK 無顯著差異。本研究表明，在關鍵時期施加適宜微生物菌劑可以在一定程度上促進植物對養分的吸收，提高紅樹莓的抗氧化酶活性，以此提高植物的抗逆性。有研究發現，施用微生物菌劑可增強煙草的抗病性[29]并減少鹽脅迫危害，促進其生長和品質提高[7]。

微生物菌劑直接作用于土壤，可促進土壤速效養分釋放。本研究表明，0—10 cm 土層的速效養分含量大于10—20 cm 土層，紅樹莓為淺根性樹種，吸收根占根系總量的60 %以上且主要分布于0—20 cm 土層。微生物菌劑施用后促進土壤速效鉀的釋放，從而提高植物對氮的吸收和光合作用，并通過促進同化物蔗糖的韌皮部運輸、提高糖類代謝相關酶活性，有利于糖類物質在儲藏器官中的累積[30]；而堿解性氮同樣可提高植物光合作用和蔗糖磷酸合成酶、蔗糖合成酶以及轉化酶活性，促進糖類物質的合成與積累，以此增加干物質積累量[31]，另外磷是蔗糖合成過程中三磷酸腺苷(adenosine-triphosphate, ATP)、腺苷二磷酸葡糖(adenosine diphosphate glucose, ADPG)和尿苷二磷酸葡糖(uridine diphosphate glucose, UDPG)等的主要組分，同時K+可促進植物對磷的吸收與運輸，從而提高 ATP 酶活性[18-19]。在0—10 cm 土層中，T5、T4 處理的有機質含量顯著高于CK，表明關鍵時期施用菌劑在一定程度上可增加有機質含量。同時發現，施用微生物菌劑可平衡酸堿度，在堿性土壤施用微生物菌劑可降低土壤pH，這是因為微生物菌劑可增加植物根際磷酸酶活性并促進有機酸分泌，從而達到降低土壤pH 的目的[32]。土壤的pH 與其他各項指標均為顯著性負相關，說明在一定程度上，降低堿性土壤的pH可以提高樹莓果實品質、促進土壤養分釋放。而葉片抗氧化酶活性和果實可溶性固形物含量與土壤有機質、速效養分和地徑存在顯著性正相關，表明提高土壤的有機質及速效養分可增加樹莓的抗氧化酶活性及可溶性固形物含量。主成分分析表明，施用微生物菌劑可提高紅樹莓的生長、促進土壤養分釋放。

植物生長的必需養分被認為是有效養分。研究表明，使用含單個或同時含有巨大芽孢桿菌和膠凍樣類芽孢桿菌菌株的微生物菌劑可降低土壤pH，促進土壤的速效養分釋放，增加養分利用效率，促進植物生長，提升其品質與抗逆性[20-21]，同時溶磷菌和固氮菌共接種可提高土壤速效氮、磷含量和葉片中的營養物質，有更好的生長促進和養分吸收效果[33-35]。在一定范圍內，施用微生物菌劑可提高土壤速效養分，但若菌劑施用過量，土壤的有效養分含量下降[22,27]，可能與施菌劑量有關，有待深入研究。綜合考慮果實品質及土壤的可持續利用，選擇從現蕾期施肥至二次盛果期（T5），菌劑原液使用200 L·hm-2，施用含量水平為20%，效果最好。