我国是世界上最大的茄子生产国，栽培面积约占世界的52.20%，但由于设施种植产量和经济效益均高于露地栽培，设施茄子发展迅速，目前我国设施茄子栽培面积约47 333 hm²，占茄子栽培面积的30%以上^[1]。然而，蔬菜设施栽培存在过度施用化肥、长期连作的生产情况，导致土壤板结、养分失衡、微生物多样性降低、土传病害严重等问题，制约了设施蔬菜的可持续发展^[2-3]。采用新型环保肥料以改善土壤理化性状及微生态环境是保障设施蔬菜可持续发展的重要措施之一。

微生物菌剂是一种含有大量有益活菌及多种天然活性物质的新型环保肥料，菌剂中微生物能在土壤中繁殖，改善土壤养分状况、提高土壤酶活性、增加微生物多样性、改变微生物菌群，为蔬菜生长提供良好的根区环境，从而起到促进作物生长、降低土传病害、提高产量的作用^[4-5]。方雪丹等^[6]、常勃^[7]、朱金英^[8]研究表明，在油菜、设施黄瓜和番茄等作物上施用微生物菌剂能够增强植物抗逆性、改善土壤性状、提高肥力、净化土壤，从而达到调节作物生长、提高作物产量和改善品质的作用。贾娟等^[9]研究发现，氨基酸水溶肥与菌剂配合施用能够显著提升设施松花菜的肥料利用率，改善土壤酶活性，增产幅度达46.07%。微生物菌剂施用已经成为目前改善土壤理化和生物性状、防治土壤生态环境污染、保障蔬菜优质高产的重要措施^[10-12]。

根际土壤是指附着在根系上的土壤区域，根际区是土壤环境中生物学和生态学过程进行最为剧烈的区域，包括微生物的聚集、定殖、抗生物质的产生、矿质元素活化和吸收、病害的防治等^[13-14]。微生物菌剂在植物根际定殖并改变土壤微生物群落的结构和营养成分是菌剂发挥作用的前提^[15]，因此有必要研究施用微生物菌剂对根际土壤养分性质、微生物群落结构、功能多样性的影响，以明确微生物菌剂的作用机理。目前微生物菌剂施用对设施茄子根际土壤养分性质、可培养微生物及微生物多样性的影响尚鲜有报道。因此，本试验以设施茄子为研究对象，通过测定施用微生物菌剂后茄子开花期和拉秧期根际土壤养分性质及可培养微生物数量和微生物多样性等指标，明确微生物菌剂的施用对茄子根际土壤养分和微生物性质的影响，为下一步设施茄子的化肥减量及微生物菌剂的合理施用提供理论依据，为改善目前设施蔬菜不良施肥现状、降低土壤生态环境污染提供技术支撑。

试验于2018年在河北省农林科学院鹿泉大河试验园区(38°14′N、114°39′E)进行，该地为北温带半湿润大陆性季风气候区，年平均气温13.3 ℃，平均降雨525 mm，年均无霜期205 d。茄子种植于拱形塑料大棚中，棚室长30 m、宽15 m，南北走向，整地后覆盖黑色聚乙烯薄膜。供试土壤土质类型为壤质褐土，土壤有机质含量为23.25 g/kg，全氮含量为1.97 g/kg，有效磷含量为62.54 mg/kg，速效钾含量为167.42 mg/kg，pH 7.54。

供试茄子品种为茄杂1号，在河北省农林科学院种子市场购买。

E.Z.N.A^TM Mag-Bind Soil DNA Kit，广州飞扬生物工程有限公司；MagicPure Size Selection DNA Beads，北京全式金生物技术有限公司；2×Taq Master Mix，南京诺唯赞生物科技有限公司。台式离心机，Thermo Fisher公司；Qubit® 3.0荧光计，Invitrogen公司；PCR仪，Bio-Rad公司。

商品有机肥(N+P+K≥5%，有机质≥40%)由河北瑞安康生物科技有限公司生产；化肥为沃利沃氮磷钾复合肥(N-P₂O₅-K₂O为25-10-25)，由河南农心肥业有限公司生产。

微生物菌剂由河北省科学院生物研究所研制，功能菌为哈茨木霉、巨大芽孢杆菌，有效活菌数≥4.0 CFU/g。试验所用菌剂已经完成中试生产，分别采用PDA和LB液体培养基于28 ℃、200 r/min培养，待哈茨木霉产生孢子、巨大芽孢杆菌产生芽孢后，5 000 r/min离心10 min后收集菌体并用硅藻土进行吸附，吸附后哈茨木霉活菌数≥2.0 CFU/g、巨大芽孢杆菌活菌数≥2.0 CFU/g。

试验设微生物菌剂处理和对照，其中微生物菌剂用量为45 kg/hm²，采用穴施的方式施用，其他有机肥、化肥用量相同，氮磷钾复合肥750 kg/hm²、有机肥用量为3 000 kg/hm²，化肥和有机肥均以底肥施入，旋耕后起垄覆膜种植，行距60 cm、株距30 cm。每个处理3次重复，共6个小区，小区面积16.12 m²，随机排列。

于茄子的开花期和拉秧期采集根际土壤样品，取样方法为五点取样法，将植株整根从土壤中挖出，采用抖土法抖掉与根系松散结合的土，然后将与根系紧密结合的土壤刷下来作为根际土样品^[16]。采集的土壤样品用无菌袋密封保存并冰袋保鲜运送至实验室。土样一部分自然风干，磨碎并过1 mm筛，用于测定土壤理化指标；一部分4 ℃保存，用于根际土壤可培养微生物数量的测定；一部分−80 ℃超低温冰箱保存，用于微生物多样性测定。

土壤养分指标的测定^[17-18]：土壤有机质含量采用重铬酸钾氧化-硫酸亚铁滴定法测定；全氮采用半微量凯氏法测定，碱解氮采用碱解扩散法；有效磷含量采用碳酸氢钠浸提-锑抗比色法测定；速效钾含量采用醋酸铵浸提-火焰光度法测定。

土壤可培养微生物^[19]：采用稀释涂平板的方法测定土壤中可培养细菌、真菌、放线菌的数量，其中细菌测定采用LB培养基，真菌测定采用PDA+200 U/mL庆大霉素培养基，放线菌采用改良高氏一号培养基+重铬酸钾0.01 g/L。

土壤细菌多样性^[20]：将采集样品送至生工生物工程(上海)股份有限公司，采用Illumina MiSeq测序技术进行样品测定，并进行聚类和多样性分析。

茄子叶面积：单叶叶面积(leaf area，LA)采用直接测量法测定^[21]，于开花期和采摘期测定茄子叶面积。

叶绿素含量：采用叶绿素仪测定茄子开花期和拉秧期节位叶，测定位置为叶顶端，避开叶脉^[21]。

茄子产量：在进入收获期后，统一采摘，每个小区分别称量。

采用Microsoft Excel 2007与SPSS 19.0软件对土壤营养成分、微生物数量、多样性指数等指标进行单因素方差分析；利用Mothur软件对土壤微生物多样性数据进行统计分析。

表 1为施用微生物菌剂对茄子不同生育时期土壤养分含量的影响，由结果可以看出微生物菌剂的施用对茄子开花期、拉秧期的土壤全氮、碱解氮、有效磷、速效钾均有一定的影响，但是土壤有机质含量没有显著的变化。与对照相比，开花期菌剂处理的土壤中有效磷、速效钾的含量分别较对照增加7.31%和67.88%，其中速效钾在P < 0.05水平上存在显著差异；拉秧期微生物菌剂处理土壤中全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量分别较对照增加13.85%、21.07%、31.51%和55.94%。土壤中有效磷和速效钾的含量与土壤pH存在直接的关系，本研究中微生物菌剂由哈茨木霉和巨大芽孢杆菌组成，这两种微生物均能够分泌有机酸，起到降低土壤pH、活化土壤中固定的磷钾营养元素的作用。从该结果还可以看出，微生物菌剂对土壤中营养成分的改变在茄子的整个生育期均发挥作用，不同时期土壤养分的差异原因还需进一步分析。

测定和分析微生物菌剂处理和对照开花期和拉秧期茄子根际土壤样品中可培养微生物的数量发现(表 2)，微生物菌剂处理土壤中细菌、真菌和放线菌的数量均高于常规对照，其中开花期两处理之间细菌、真菌和放线菌含量均存在显著差异，说明菌剂中微生物的定殖为土壤微生物繁殖提供了合适的环境。分析不同处理中细菌、真菌、放线菌的占比发现，微生物菌剂处理的细菌、放线菌的占比较对照增加，而真菌的占比则降低，表明施用微生物菌剂使土壤微生物向细菌型改变，对降低茄子病害有良好的作用。比较开花期和拉秧期微生物菌剂处理中的微生物数量发现，菌剂对茄子生育前期微生物数量的影响较生育后期更为明显。

物种多样性指数是表征物种丰富度和均匀度的函数，其中Chao1指数和ACE指数用于表征土壤中细菌的丰富度，即物种的多少，Shannon指数、Simpson指数则表征微生物的多样性和均匀度，是目前描述物种多样性的常用统计指标^[22]。统计分析结果(表 3)显示，菌剂处理和常规对照相比，ACE指数和Chao1指数之间不存在显著差异，表明微生物菌剂未能显著改变土壤中细菌的丰富度；根据Simpson指数和Shannon指数分析，菌剂处理Simpson指数显著低于对照，而Shannon指数高于对照，表明施用微生物菌剂具有提高土壤细菌多样性和均匀度的作用。

采用Illumina MiSeq技术分析和鉴定了茄子拉秧期根际土壤的微生物菌群组成，从聚类结果可以看出同一处理3个重复的土壤样品中微生物聚于一个分支，而菌剂处理和对照的微生物则分别聚于独立的分支，说明重复之间的数据具有一致性(图 1)；由于菌剂施用对土壤细菌的种类及组成有明显的影响，所以导致菌剂处理和对照二者的微生物种群单独聚类。分析不同处理土壤样品中微生物门、纲、目、科、属、种6个水平上微生物种类的差异(图 2)，发现土壤样品中包含的种类基本相同，但是在占比上却存在较大的差异。从目水平上分析菌剂处理和对照的微生物组成发现，两个处理中占比大于1%的目共有17个，排名前5位优势菌目为鞘氨醇单胞菌目(Sphringomonadales)、黄单胞菌目(Xanthomonadales)、根瘤菌目(Rhizobiales)、红螺菌目(Rhodospirillales)、鞘脂杆菌目(Sphingobacteriales)，在前5个优势菌目中，微生物菌剂处理中鞘氨醇单胞菌目(Sphringomonadales)、黄单胞菌目(Xanthomonadales)、红螺菌目(Rhodospirillales)、鞘脂杆菌目(Sphingobacteriales)的丰度增加；在其他的12个优势菌目中，菌剂处理中芽孢杆菌目(Bacillales)、纤维黏网菌目(Cytophagales)、假单胞菌目(Pseudomonadales)的丰度增加，其中芽孢杆菌目(Bacillales)的丰度由对照的0.92%提高到1.08%，增加幅度为0.16%，二者之间的差异达显著水平，而嗜甲基菌目(Methylophilales)、伯克氏菌目(Burholderiales)、黄杆菌目(Flavobacteriales)的丰度降低。菌剂中含有巨大芽孢杆菌和哈茨木霉，这两种菌均具有较强的根际定殖能力，巨大芽孢杆菌的定殖直接导致了芽孢杆菌目(Bacillales)丰度的增加，另外，这两种菌可能对伯克氏菌目(Burholderiales)、黄杆菌目(Flavobacteriales)等病原菌的繁殖起到了抑制作用。

图 1　不同处理之间的微生物OTU聚类分析 Figure 1　Cluster analysis of OTUs between different treatments

图选项

图 2　菌剂处理(A)与对照处理(B)中细菌种群及含量的变化 Figure 2　Changes of soil bacterial communities and content in microbial agents treatment (A) and control treatment (B)

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RDA分析(redundancy analysis)菌剂施用与细菌群落土壤养分及茄子产量的相关关系(图 3)，结果表明微生物菌剂处理与鞘氨醇单胞菌目(Sphringomonadales)、黄单胞菌目(Xanthomonadales)、纤维黏网菌目(Cytophagales)、鞘脂杆菌目(Sphingobacteriales)呈正相关关系，与黄杆菌目(Flavobacteriales)呈负相关。另外，菌剂处理与土壤的全氮、有机质、有效磷、有效钾、茄子产量呈现正相关关系(P < 0.05)，说明土壤养分和茄子产量直接受微生物菌剂施用的影响。

图 3　环境因子与细菌群落多样性的RDA图 Figure 3　RDA ordination graph for environmental factors and bacterial community diversity

图选项

由表 4结果可以看出，微生物菌剂施用对茄子营养生长和产量指标具有明显的影响，微生物菌剂处理增加了茄子的株高、叶面积、叶绿素含量和产量。但是微生物菌剂对茄子开花期和采摘期的茄子株高、叶面积的影响不同，在开花期时微生物菌剂处理和常规对照的株高、叶面积不存在显著差异，而在采摘期微生物菌剂处理的茄子株高、叶面积等指标则均显著高于对照(P < 0.05)。微生物菌剂对营养生长的促进作用，最终体现在对产量的促进，结果表明微生物菌剂较对照增长18.52%，显著高于对照(P < 0.05)。

微生物是土壤养分转化和循环的动力^[22]，调控着土壤能量和养分循环过程^[23]，因此在土壤中增加具有特殊功能的微生物菌剂能够改变土壤中营养元素的活性状态、改善土壤营养状况。本研究以具有产生有机酸和分泌多种酶类的巨大芽孢杆菌和哈茨木霉为微生物菌剂，分析了施用微生物菌剂对设施茄子根际土壤养分含量的影响，结果表明施用微生物菌剂对土壤的全氮、碱解氮、速效磷和有效钾的含量均有一定程度的增加作用，有效改善了土壤的供肥能力，有利于作物的生长，该结果与柳晓磊等在香蕉上施用微生物菌剂的结果相似^[24]。分析施用微生物菌剂对茄子不同生育时期土壤养分的影响发现，施用微生物菌剂对土壤养分含量的活化作用具有持效性。然而，菌剂短期施用对土壤有机质和总氮不存在显著影响。

微生物群落的数量、结构和活性与土壤生态系统功能密切相关，土壤微生物群落受诸多环境因素的影响^{[12, 25-26]}。本研究结果表明微生物菌剂的施用可以增加土壤中可培养细菌、放线菌、真菌的数量，分析不同种类微生物占总微生物数量的比例发现，施用微生物菌剂可以增加土壤中细菌和放线菌的占比，降低真菌的占比，使土壤微生物呈现细菌化状态，土壤微生物环境更趋健康，对控制土传病害起到了良好的作用^[27]。李凤霞等的研究也表明，微生物菌剂+氮肥减量处理能够增加土壤中细菌、放线菌和微生物总数的数量，提高细菌和放线菌占微生物总数的比例，为作物生长提供良好的土壤微生态环境^[28]。其他研究也表明，芽孢杆菌、木霉属真菌等微生物在根区的定殖占领根部空间，改变土壤中微生物的种类和组成，能够起到防治植物土传病害、诱导植物产生系统抗性、促进植物生长等多种作用^[29]。

相对于可培养微生物来说，采用Illumina MiSeq技术对土壤微生物多样性进行分析能够更为准确地反映土壤微生物环境的全貌^[30]，本研究分析了微生物菌剂处理和对照根际土壤微生物的Shannon、Simpson、Chao1和ACE指数等多样性指标，发现微生物菌剂处理没有改变细菌的丰富度，但是显著提高了土壤微生物的多样性，其他研究也得到了相似的结论^{[25, 31]}。进一步分析不同处理土壤样品中微生物门、纲、目、科、属、种6个水平上微生物种类的差异，发现不同处理土壤中所含的微生物种类基本相同。从目水平上分析菌剂处理和对照的微生物组成发现，两个处理中占比大于1%的目均为17个，其中15个目相同，微生物菌剂处理使排名前5位优势菌目中的4个目的占比均增高。分析其他优势菌目发现，微生物菌剂处理还提高了芽孢杆菌目(Bacillales)、纤维黏网菌目(Cytophagales)、假单胞菌目(Pseudomonadales)的比例，这些菌目中以有益菌为主，本研究微生物菌剂中的巨大芽孢杆菌属于芽孢杆菌目(Bacillales)，该目微生物丰富度的增加可能与研究中菌剂含有大量芽孢杆菌相关。RDA分析表明，菌剂处理不仅与部分微生物的丰度直接相关，还与土壤的全氮、有机质、有效磷、有效钾、茄子产量呈现正相关关系。

微生物菌剂施用对茄子营养生长和产量指标具有明显的影响，微生物菌剂施用对茄子开花期和采摘期的茄子株高、叶面积的影响不同，对茄子生育中后期的影响更为明显，这可能是由于前期茄子生长消耗养分相对较少、而底肥供应的养分也比较充足，随着茄子营养生长和生殖生长的增加，后期养分逐渐供应不足，在这种情况下微生物菌剂由于能够改善土壤微生态环境、促进土壤中营养元素的活化，而使茄子生长处在一个更好的营养供应之下。