连续施用猪粪对辣椒根际有益细菌与产量的影响.pdf

-34-Vegetables 2023.9土壤肥料连续施用猪粪对辣椒根际有益细菌与产量的影响赵芸晨1，刘畅1，闫刚2，殷学云3，高树财4，李婷1（1.河西学院农业与生态工程学院，甘肃 张掖 734000；2.酒泉农辉农业科技开发有限公司，甘肃 酒泉 735000；3.酒泉市肃州区蔬菜技术服务中心，甘肃 酒泉 735000；4.酒泉市肃州区农业技术推广中心，甘肃 酒泉 735000）收稿日期：2023-06-12基金项目：甘肃省民生科技专项-社会发展专题（21CX6NF237）；酒泉市科技计划项目（2022CA10170）；甘肃省高等学校产业支撑项目（2023CYZC-65）。摘要：为探究连续施用猪粪在辣椒生产中的应用效果，采用猪粪（30 t/hm2）配施化肥（磷酸二铵450 kg/hm2硫酸钾225 kg/hm2）处理（30 t/hm2）进行3年定位试验，与化肥对照进行对比，分析了土壤基础理化性质、土壤酶活性、根际有益细菌变化特征及辣椒的生长与产量状况。结果表明：与对照相比较，连续3年施用猪粪的土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量均显著上升，分别增加31.42%、35.17%、106.9%和7.0%，pH值则显著降低3.4%；土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶及碱性磷酸酶活性均显著升高，分别增加25.75%、29.19%、19.84%、30.44%；辣椒株高、根长、地下部干质量、地上部干质量及产量分别较对照显著增加11.57%、22.07%、55.55%、25.12%及13.38%。高通量测序结果表明，连续施用猪粪提高了根际细菌多样性与丰富度，有益细菌假单胞菌属（Pseudomonas）、黄杆菌属（Flavobacterium）、鞘氨醇单胞属（Sphingomonas）、芽孢杆菌属（Bacillus）、溶杆菌属（Lysobacter）、硝化螺旋菌属（Nitrospira）、代尔夫特菌属（Deflitia）、鞘氨醇菌属（Sphingobium）、根瘤菌属（Rhizobium）、黄色土地杆菌属（Flavisolibacter）、苔藓杆菌属（Bryobacter）、嗜盐囊菌（Haliangium）、异养菌属（Ohtaekwangia）及东属（Dongia）相对丰度均显著增加；并且土壤理化性质、土壤酶活性、辣椒生物量及产量与根际有益细菌数量具有显著的相关性。连续施用猪粪提高了土壤养分含量与土壤酶活性，同时提高了辣椒根际细菌的多样性与丰富度，提高了根际有益细菌的定殖，促进了辣椒的生长，提高了产量。关键词：猪粪；辣椒；高通量测序；根际有益细菌；产量Effects of Continuous Application of Pig Manure on Rhizosphere Beneficial Bacteria and Yield of PepperZHAO Yunchen1,LIU Chang1,YAN Gang2,YIN Xueyun3,GAO Shucai4,LI Ting1(1.College of Agricultural and Ecological Engineering,Hexi University,Zhangye 734000,China;2.Jiuquan Nonghui Agricultural Science and Technology Development Co.,Ltd.,Jiuquan 735000,China;3.Jiuquan Suzhou District Vegetable Technology Service Center,Jiuquan 735000,China;4.Jiuquan Suzhou District Agricultural Technology Extension Center,Jiuquan 735000,China)Abstract:In order to explore the effect of continuous application of pig manure in pepper production,a 3-year positioning test was conducted using pig manure(30 t/hm2)combined with chemical fertilizer(450 kg/hm2-35-Vegetables 2023.9土壤肥料近年来，在我国畜禽养殖业迅速发展的同时伴随着大量畜禽粪便的产生，每年可产生畜禽粪便总量高达38亿t1。畜禽粪便含有大量的有机质与营养元素，可以改善土壤的理化性质2、提高土壤酶活性3、增强土壤中的物质循环4以及增加土壤中有益微生物的种类与数量5；同时还可以提高农产品的产量与品质，并且肥效可以持续多年6。根际有益菌如枯草芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌、固氮菌等是土壤微生物组重要的成员之一，多具有促生或者拮抗作用，能够有效促进植物生长，与根系有密切的关系，在土壤生态系统中扮演着重要的角色。Lugtenberg等7研究发现，根际有益菌能够提高植物根际养分的可利用性，帮助植物对营养物质的吸收，产生生长素类物质，直接促进植物生长；或通过对病原微生物的生物防治，减轻或抑制有害的根际微生物的数量或种类，减少植物病害的发生8-9。辣椒（Capsicum annuum L.）因含有丰富的营养和具有独特风味而广受大众青睐，已成为世界上的第3大蔬菜作物。甘肃河西走廊拥有充足的光热资源、良好的自然环境，生产的辣椒红色素含量及干物质含量高，品质好，已发展成为全国主要的辣椒生产区之一。酒泉市肃州区为辣椒主栽区，主栽辣椒品种为陇椒系列，栽种面积超过800 hm2。鉴于目前关于猪粪对辣椒根际有益细菌与产量的影响研究较少，本试验研究了连续3年施用猪粪对辣椒种植土壤理化性质、土壤酶活性、辣椒生物量及产量的影响，并利用高通量测序技术分析连续施用猪粪对辣椒根际有益细菌多样性和丰富度的影响，以期为酒泉地区辣椒节本增效生产提供科学依据。1 材料和方法1.1 试验地点试验地点位于甘肃省张掖市甘州区甘浚镇西洞村（93 4035E，38 6711N）。该地区地处河西走廊中段，平均海拔1 588 m，年平均降雨量145.9 mm，年平均气温6.5，全年无霜期144 d。1.2 供试材料供试辣椒品种为陇椒6号，早熟品种，播种至始花期92 d，播种至青果始收期135 d，品质优良，生长势中等，单株结果数32.3个，单果质量33.8 g，果实羊角形，果长22 cm，果肩宽2.8 cm，果肉厚0.31 cm，果色绿，耐低温寡照，抗病毒病，耐疫病，由甘肃省农业科学院蔬菜研究所提供。猪粪由张掖市养猪厂提供，经过干湿分离和diammonium phosphate+225 kg/hm2 potassium sulfate)treatment(30 t/hm2),and compared with chemical fertilizer control,soil basic physical and chemical properties,soil enzyme activities,rhizosphere beneficial bacteria and the growth and yield of pepper were analyzed.The results showed that compared with the control under 3-year pig manure treatment,the contents of organic matter,alkali nitrogen,available phosphorus and available potassium in soil significantly increased by 31.42%,35.17%,106.9%and 7.0%,respectively,while the pH value significantly decreased by 3.4%.The activities of urease,sucrase,catalase and alkaline phosphatase significantly increased by 25.75%,29.19%,19.84%and 30.44%,respectively.The plant height,root length,underground dry mass,above ground dry mass and yield of pepper significantly increased by 11.57%,22.07%,55.55%,25.12%and 13.38%,respectively.Results of high throughput sequencing showed that continuous application of pig manure increased the diversity and abundance of rhizosphere bacteria,beneficial bacteria of Sphingomonas,Bacillus,Lysobacter,Nitrospira,Deflitia,Sphingobium,Rhizobium,Flavisolibacter,Bryobacter,Haliangium,Ohtaekwangia and Dongia increased significantly,and soil physical and chemical properties,enzyme activities,biomass and yield of pepper were significantly correlated with abundance of beneficial rhizosphere bacteria.Continuous application of pig manure increased the soil nutrient content and enzyme activity,enhanced the diversity and abundance of rhizosphere bacteria,improved the colonization of rhizosphere beneficial bacteria,promoted the growth of pepper and increased the yield of pepper.Keywords:pig manure;pepper;high throughtput sequenceing;rhizosphere beneficial bacteria;yield-36-Vegetables 2023.9土壤肥料发酵，含有机质22.4%、全氮0.5%、全磷0.58%、全钾0.39%，pH值8.2。1.3 试验设计试 验 采 用 随 机 区 组 设 计，连 续 3 年 定 位（20202022年），处理组将同一地块一分为二，设为猪粪加化肥处理（PT）和对照，对照组（CK）仅化肥处理；猪粪用量为30 t/hm2，撒施后翻耕入土15 cm，化肥用量为磷酸二铵450 kg/hm2硫酸钾225 kg/hm2，肥料全部以基肥形式施入。每处理3次重复，共6个小区（小区面积12 m4 m），辣椒播种株行距30 cm40 cm，每小区种植400株，小区筑埂，常规田间管理模式，不同小区独立灌溉。1.4 指标测定1.4.1 土壤样品采集及测定在定位施用猪粪第3年，采用五点采样法采集耕层（020 cm）混合土样，带回室内去除土样中残留的杂质，风干研磨过筛（孔径1.00、0.25 mm）后，用于土壤理化性质（有机质、养分含量、pH值）及土壤酶（脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶、碱性磷酸酶）活性的测定，测定方法参照鲍士旦10的方法。1.4.2 根际细菌测定田间随机选取5个辣椒植株，取其根际土壤作为1个根际土壤样品，采用抖根法将根部土壤抖落，根上粘附的土壤采用软毛刷刷下，掺混后收集并置于冰盒，于2 h内带回室内存于80 冰箱用于根际细菌测序，3次生物学重复。根际细菌多样性委托广州美格基因公司采用高通量测序技术进行测序。1.4.3 辣椒生长及产量指标测定植株的生长指标于盛果期采用常规法进行，株高测定采用直尺法（量程：1 m），测量茎基部到生长点顶端的距离，根长测定采用米尺测量（量程：3 m）。从门椒采收开始到采摘结束，平均每隔15 d采摘1次生理成熟果，分别统计各小区辣椒总产量。1.5 数据处理采用Excel 2018和SPSS 23.0进行数据处理和分析，土壤基础理化性质、土壤酶活性及微生物群落Alpha多样性等差异显著性采用单因素方差分析，LSD法进行比较（P0.05）；主坐标分析（PCoA）采用基于Unweighted UniFrac距离群落结构的比较分析。根内微生物采用Kruskal-Wallis秩和检验进行显著性差异分析，事后采用Dunns test检验，并使用FDR方法对P值进行校正；相关性利用Pearson等级相关系数进行分析。2 结果与分析2.1 不同处理土壤理化性质及酶活性分析由表1、表2可得，与CK相比较，3年连续PT处理下土壤基础理化性质与土壤酶活性发生了显著变化，有机质、碱解氮、速效磷、速效钾含量均显著增加，分别较CK增加31.42%、35.17%、106.9%、7.0%，土壤pH值则显著降低3.4%；PT处理的土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶及碱性磷酸酶活性均显著升高，分别较CK增加25.75%、29.19%、19.84%、30.44%。这表明连续施用猪粪配施化肥可显著改变辣椒种植土壤的理化性质，且显著增强土壤酶活性。2.2 不同处理植株生长及产量分析如表3所示，与CK相比较，PT处理的辣椒株高、根长、地下部干质量、地上部干质量及产量均显著升高，分别提高了11.57%、22.07%、55.55%、25.12%及13.38%。这表明连续施用猪粪配施化肥显著提高了辣椒的生物量及产量。2.3 不同处理辣椒根际细菌Alpha多样性分析采用高通量测序技术研究在PT处理后辣椒根际细菌多样性变化，图1-A1-D结果显示，PT处理极显著提高了辣椒根际细菌的Alpha多样性。与CK相比较，PT处理辣椒根际细菌的Chao1丰富度指数、Richness丰富度指数及Shannon多样性指数极显著增加，而Simpson多样性指数则极显著下降，即PT处理显著提高了辣椒根际细菌的多样性与丰富度。采用97%的序列相似度作为OTUs划分阈值，采用Veen图展示特有即共有的OTUs，结果共得到1 233个根内细菌OTUs，其中对照组特有243个OTUs，PT处理特有412个OTUs，二者共有578个OTUs（图1-E）。这表明PT处理辣椒根际细菌的OTUs组成存在差异，且PT处理会促进特有根内细菌物种的生成。-37-Vegetables 2023.9土壤肥料根据PCoA分析结果（图1-F）可知，辣椒根际细菌群落在PT处理后有显著的差异，表明连续施用猪粪配施化肥显著改变了辣椒根际细菌的菌群结构。2.4 不同处理辣椒根际微生物群落组成分析图2中K r u s k a l-Wa l l i s秩和检验结果显示，P T 处 理 中 共 检 测 出 8 个 差 异 细 菌 门，同 时 结 合 知 网 数 据 库 筛 选 出 1 4 个 有 益 细 菌表1 不同处理土壤基础理化性质比较处理有机质含量/（g/kg）碱解氮含量/（mg/kg）速效磷含量/（mg/g）速效钾含量/（mg/g）pH值CK12.191.8848.224.496.391.11166.6611.298.410.07*PT16.021.92*65.185.48*13.221.23*178.2912.28*8.130.04注：*表示P0.05水平差异显著。表3 不同处理辣椒生长指标及产量比较处理株高/cm根长/cm地下部干质量/g地上部干质量/g产量/（kg/hm2）CK61.233.2314.181.120.190.083.159.8921.182.76PT69.123.28*18.641.34*0.260.09*4.228.75*24.331.97*注：*表示P0.05水平差异显著。表2 不同处理土壤酶活性比较处理脲酶活性/（mg/（gmin）蔗糖酶活性/（mg/（gmin）过氧化氢酶活性/（mg/（gmin）碱性磷酸酶活性/（mg/（gd）CK66.450.315.311.911.260.3648.190.05PT83.570.34*6.862.19*1.510.34*62.860.14*注：*表示P0.05水平差异显著。图1辣椒根际细菌多样性CK丰富度指数（Chaol）丰富度指数（Richness）多样性指数（Simpson）PCoA227.9%PCoA157.9%578412243多样性指数（Shannon）4003503002502004003503002500.0250.0200.0154.24.14.03.93.83.70.380.200.00-0.20-0.40-0.47-0.40-0.200.000.20 0.23CKCKCKCKCKPTPTPTPTPTPT*P0.01*P0.01*P0.01*P0.01*ABEFCD处理根内细菌OTUs/个处理处理处理-38-Vegetables 2023.9土壤肥料属。其中，变形菌门（Proteobacteria）、拟 杆 菌 门（B a c t e r o i d e t e s）、厚 壁 菌 门（Firmicutes）、放线菌门（Actinobacteria）、绿 弯 菌 门（C h l o r o f l e x i）、芽 单 胞 菌 门（G e m m a t i n o n a d o t a）及 硝 化 螺 旋 菌 门（Nitrospriae）的相对丰度较CK均显著增加，酸杆菌门（Acidobacteria）的相对丰富则较CK显著降低。在属水平检测出38属，有益菌属共14属，包括：有益假单胞菌属（Pseudomonas）、黄 杆 菌 属（F l a v o b a c t e r i u m）、鞘 氨 醇单胞属（S p h i n g o m o n a s）、芽孢杆菌属（Bacillus）、溶杆菌属（Lysobacter）、硝化螺旋菌属（N i t r o s p i r a）、代尔夫特菌属（Deflitia）、鞘氨醇菌属（Sphingobium）、根 瘤 菌 属（R h i z o b i u m）、黄 色 土 地 杆菌 属（F l a v i s o l i b a c t e r）、苔 藓 杆 菌 属（Bryobacter）、嗜盐囊菌（Haliangium）、异养菌属（Ohtaekwangia）及东属（Dongia），这些属的相对丰度较CK均显著增加（图3）。2.5 环境因子、植株生物量及辣椒产量与微生物群落之间的相关性土 壤 理 化 性 质、土 壤 酶 活 性 与 辣 椒 根际 差 异 微 生 物 的 相 关 性 分 析 如 图 4 所 示，有益细菌假单胞菌属（P s e u d o m o n a s）、黄 杆 菌 属（F l a v o b a c t e r i u m）、鞘 氨 醇单胞属（S p h i n g o m o n a s）、芽孢杆菌属（Bacillus）、溶杆菌属（Lysobacter）、硝化螺旋菌属（N i t r o s p i r a）、代尔夫特菌属（Deflitia）、鞘氨醇菌属（Sphingobium）、根 瘤 菌 属（R h i z o b i u m）、黄 色 土 地 杆菌 属（F l a v i s o l i b a c t e r）、苔 藓 杆 菌 属（Bryobacter）、嗜盐囊菌属（Haliangium）、异养菌属（Ohtaekwangia）及东属（Dongia）与土壤pH值均呈显著负相关，与土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾、脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶及碱性磷酸酶均呈显著正相关。这表明连续施用猪粪配施化肥的辣椒根际细菌变化受土壤理化性质与土壤酶活性的驱动。14个属的有益菌与植株根长、株高、生物量及产量均呈显著正相关，这表明连续施用猪粪配施化肥处理的辣椒根际有益细菌增多，促进了辣椒植株的生长并提高了产量。3 讨论与结论董文等11、Brunetti等12、张英等13研究表明，施用有机肥对土壤养分含量以及酶活性具有显著影响。本研究中施用猪粪肥能够显著增加土壤有机质、碱解氮、速效氮、速效钾含量以及土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶及碱性磷酸酶活性，这与前人研究结果一致。此外，本研究发现连续施用猪粪配施化肥可以显著促进辣椒生长，提高辣椒产量，与郭娜等14、殷琳毅等15的结果一致，这有可能是连续施用猪粪提高了土壤中有机质的含量，且其他养分含量在土壤酶活性增加下的吸收率也随之增加，进而促进了辣椒生长，提高了产量。王利利等16、Hu等17研究表明，有机肥可图2辣椒根际细菌门水平丰度变化图3辣椒根际有益细菌属水平丰度变化相对丰度/%相对丰度/%PTCK0.000.000.050.100.100.150.020.200.250.030.300.040.350.05*P0.05*NitrospiraeGemmatimonadetesChloroflexiAcidobacteriaActinobacteriaFirmicutesBacteroidetesProteobacteriaDongiaOhtackwangiaHaliangiumBryobacterFlavisolibacterRhizobiumSphingobiumDelfitiaNitrospiraLysobacterBacillusSphingomonasFlavobactcriumPseudomonasPTCK*P0.050.40-39-Vegetables 2023.9土壤肥料以提高土壤微生物群落的多样性。本研究发现连续施用猪粪配施化肥的根际土壤细菌的多样性与丰富度均显著提高，这可能是连续施用猪粪提高了土壤中有机质的含量与酶活性，增强了根际细菌的代谢，进而提高了根际土壤细菌的多样性；同时，连续施用猪粪改变了根际土壤细菌的群落结构。根际土壤变形菌门、拟杆菌门、厚壁菌门、放线菌门、绿弯菌门、芽单胞菌门及硝化螺旋菌门的相对丰度均显著增加，而酸杆菌门的相对丰富则显著降低。连续施用猪粪后根际有益细菌的相对丰度显著增加，其中假单胞菌属、黄杆菌属、鞘氨醇单胞属、芽孢杆菌属、溶杆菌属、黄色土地杆菌属、鞘氨醇菌属及东属具有显著生防、促生功能18-20；硝化螺旋菌属、代尔夫特菌属、异养菌属及根瘤菌属与氮代谢相关21-24；苔藓杆菌属、嗜盐囊菌属主要参与有机质分解25。上述根际有益细菌在辣椒根际富集，对植物营造了一个健康的根际微生态环境，使得辣椒的生长指标与产量均显著提高。综上所述，连续施用猪粪并配施化肥可显著提高土壤中的养分含量和酶活性，同时也提高了辣椒根际细菌的多样性与丰富度，改变了根际细菌的群落组成，提高了根际有益细菌的定殖。连续施用猪粪驱使辣椒根际土壤环境向健康方向发展，为辣椒的生长提供了一个健康友好的环境，进而促进了辣椒的生长，提高了产量。参考文献1 武淑霞,刘宏斌,黄宏坤,雷秋良,王洪媛,翟丽梅,刘申,张英,胡钰.我国畜禽养殖粪污产生量及其资源化分析J.中国工程科学,2018,20(5):103-111.2 陈洁,梁国庆,周卫,王秀斌,孙静文,刘东海,胡诚.长期施用有机肥对稻麦轮作体系土壤有机碳氮组分的影响J.植物营养与肥料学报,2019,25(1):36-44.3 SAMUEL A D,BUNGAU S,TIT D M,MELINTE C E,PURZAL,BADEAG E.Effects of long term application of organic and mineral fertilizers on soil enzymesJ.Revista De Chimie,2018,69(10):1608-1612.4 孙超,潘瑜春,刘玉.畜禽粪便资源现状及替代化肥潜力研究:以安徽省固镇为例J.生态与农村环境学图4环境因子、植株生物量及辣椒产量与微生物群落之间的相关性Sphingomona地上部干质量地下部干质量株高根长产量有机质pH值破解氮速效磷速效钾脲酶蔗糖酶过氧化氢酶碱性磷酸酶负相关正相关FlavobacteriumPseudomonasRhizobiumNitrospiraBacillusDelftiaDongiaLysobacterSphingobiumFlavisolibacterHaliangiumBryobacterOhtaekwangia-40-Vegetables 2023.9土壤肥料报,2017,33(4):324-331.5 王海婷,彭佩钦,陈剑平,葛体达,吴传发,刘勇军.生物有机肥对烟草根际微生物群落及青枯雷尔氏菌丰度的影响J.土壤通报,2023,54(1):126-137.6 CHEN M M,ZHANG S R,LIU L,DING X D.Influence of organic fertilization on clay mineral transformation and soil phosphorous retention:evidence from an 8-year fertilization experimentJ.Soil&Tillage Research,2023,230:141-156.7 LUGTENBERG B,KAMILOVA F.Plant growth promoting rhizobacteriaJ.Annual Review of Microbiology,2009,63:541-556.8 PIETERSE C M,ZAMIOUDIS C,BERENDSEN R L,WELLER D M,WEES S C,BAKKER P A.Induced systemic resistance by beneficial microbesJ.Annual Review of Phytopathology,2014,52(1):347-375.9 陈晓滨,刘少群,刘成,郑鹏.生物肥料在茶园中的应用研究进展J.现代农业科技,2020(12):14-17.10 鲍士旦.土壤农化分析M.3版.北京:中国农业出版社,2000.11 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