PGPR對灰棗土壤養(yǎng)分及微生物數(shù)量影響的主成分分析

秦韻婷，李建貴，郭藝鵬，王先奎，韓 超 ，劉隋赟昊

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 林業(yè)研究所，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆紅棗工程技術(shù)研究中心，新疆 烏魯木齊 830000）

PGPR對灰棗土壤養(yǎng)分及微生物數(shù)量影響的主成分分析

秦韻婷1,2，李建貴1,2，郭藝鵬1,2，王先奎1，韓 超1，劉隋赟昊1,2

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 林業(yè)研究所，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆紅棗工程技術(shù)研究中心，新疆 烏魯木齊 830000）

為了得到有益于灰棗生長發(fā)育的優(yōu)勢菌種，通過田間試驗，研究了灰棗根際促生復(fù)合菌株P(guān)13K7、P13K24和單一功能菌株P(guān)13、P15、K7、K24以及對照（CK）7個處理對灰棗根際土壤養(yǎng)分和微生物數(shù)量的影響。應(yīng)用主成分分析法，將8個指標(biāo)（pH值、有機(jī)質(zhì)含量、堿解氮含量、速效磷含量、速效鉀含量、細(xì)菌數(shù)量、放線菌數(shù)量和真菌數(shù)量）簡化成2個主成分，2個主成分所提供的信息量占全部信息量的90.78%。結(jié)果表明：與對照相比，施用PGPR能夠改善灰棗土壤養(yǎng)分和提高微生物總量。經(jīng)過土壤指標(biāo)的綜合分析得出，復(fù)合菌株P(guān)13K24的應(yīng)用效果最好。

植物根際促生細(xì)菌；灰棗；土壤養(yǎng)分；微生物數(shù)量；主成分分析

植物根際促生細(xì)菌（plant growth-promoting rhizobacteria，PGPR）是生活在植物根際集群系統(tǒng)中，可以促進(jìn)植物生長，抑制病害細(xì)菌的有益菌類[1-2]。目前，大量關(guān)于PGPR篩選及應(yīng)用的研究證明，PGPR可以改變土壤中某些無效元素的形態(tài)，使之有效化而且利于植物吸收（如固氮、解磷、解鉀等）[3]，產(chǎn)生促進(jìn)植物生長發(fā)育的物質(zhì)（如生長激素等），減輕某些植物病害的不良影響[4-5]。但有關(guān)新疆灰棗土壤PGPR的研究報道較少[6]。

灰棗Ziaiphus jujubacv. Huizao，最早起源于河南新鄭，2 700年前就已有種植，為中果型良種，屬鮮食和制干兼用的品種[7]?；覘椏购?，耐瘠薄，耐鹽堿，同時也能抗風(fēng)和抗病蟲害，種植后豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，適合新疆南疆各地州引種栽植[8]。由于果樹在其較長的生長周期中與其土壤養(yǎng)分、微生物之間的關(guān)系密切，因此有必要對果樹土壤養(yǎng)分和微生物生長環(huán)境進(jìn)行合理優(yōu)化。施用PGPR，能夠改善土壤養(yǎng)分含量，提高果實品質(zhì)，通常被視為一種減少污染、經(jīng)濟(jì)有效的措施[9]。本研究中施用的原始菌株為灰棗根際土壤中分離篩選出的解磷菌、解鉀菌，筆者結(jié)合田間試驗，分析評價各菌株對灰棗土壤養(yǎng)分含量和微生物數(shù)量的影響，比較出有益于灰棗生長發(fā)育的優(yōu)勢菌株，旨在為灰棗PGPR生物菌劑的開發(fā)研究提供理論依據(jù)。

1 試驗地概況

庫爾勒市北倚天山支脈庫魯克山和霍拉山，南臨塔克拉瑪干沙漠，地理位置為85°12′～86°27′E，41°14′～ 42°14′N，氣候干燥，年降水量稀少，光照充足，晝夜溫差較大，屬暖溫帶大陸性干旱氣候，適合喜溫植物的生長。

2014年4月中旬至10月，試驗在新疆庫爾市灰棗示范園中進(jìn)行。園區(qū)土壤為沙壤土，堿解氮含量為32.62 mg/kg，速效磷含量為32.62 mg/kg，速效鉀含量為77.79 mg/kg，有機(jī)質(zhì)含量為12.49 g/kg，pH值為7.83。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

供試材料為7年生灰棗，4株P(guān)GPR（P13、P15、K7和K24）是從灰棗根際土壤中分離篩選獲得，把各菌株接入到相應(yīng)的培養(yǎng)基中，在37 ℃、180 r/min條件下的搖床里培養(yǎng)2～3 d。然后，接種到液體培養(yǎng)基里，培養(yǎng)12 h（條件同上），采用平板計數(shù)法測定出菌株的活性，將液體菌液稀釋到統(tǒng)一濃度（OD＝0.50）。最后，配備每種菌液20 mL按照組合處理混合備用。

2.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)7個處理，分別為：復(fù)合菌劑P13K7（C1）、P13K24（C2），和單一功能菌劑 P13、P15、K7、K24以及空白對照（CK）。試驗采用完全隨機(jī)設(shè)計，重復(fù)3次，在不同處理間設(shè)置2行保護(hù)行。

2014年4月20日，將以上處理菌液稀釋至5 L，采用南北兩側(cè)平均溝施，對照澆施等量水，各處理常規(guī)化學(xué)劑料正常施用，全園統(tǒng)一管理。

2.3 樣品采集與測定方法

2014年6～9月，共采集4次土壤樣品。每個處理隨機(jī)抽取樹齡相同的4棵棗樹，用土鉆取0～40 cm土層樣品，充分混勻。土壤樣品分成2份，一份帶回實驗室自然晾干，用于測定土壤養(yǎng)分含量，另一份土樣用于菌數(shù)的測定。微生物的菌數(shù)計算采用平板稀釋涂布法；細(xì)菌測定采用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基；真菌測定采用馬丁-孟加拉紅瓊脂培養(yǎng)基；放線菌測定采用高氏1號瓊脂培養(yǎng)基。

土壤養(yǎng)分測定方法：堿解氮含量測定采用堿解擴(kuò)散法；有機(jī)質(zhì)含量測定采用用重鉻酸鉀-外加熱法；速效磷含量測定采用碳酸氫鈉-鉬蘭比色法；土壤速效鉀在乙酸銨浸提后，用火焰光度計測定其含量；pH值使用酸度計測定[10]。

2.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)整理采用Excel2007軟件，所有數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)試驗的平均值。采用主成分分析法（PCA）進(jìn)行綜合評價。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同處理對灰棗土壤養(yǎng)分含量的影響

土壤養(yǎng)分可以供給植物生長發(fā)育需要的營養(yǎng)元素，同時也是測定土壤肥力的有效指標(biāo)[11-12]。對試驗地土壤養(yǎng)分含量進(jìn)行測定分析，結(jié)果見表1。由表1可知：土壤pH值，處理C1比CK降低了2.68%，C2比CK降低了3.07%，CK與其它施肥處理差異顯著，說明施用菌液可降低土壤pH值。6個施肥處理與CK比較，土壤有機(jī)質(zhì)含量分別提高了50.40%、60.40%、31.51%、39.84%、21.11%、35.95%，說明菌液的施入能夠促進(jìn)有機(jī)質(zhì)含量的積累[13]。處理C2與CK相比，土壤堿解氮含量增加了22.58%，其它5個施肥處理堿解氮含量均高于對照，但差異不顯著。不同處理的土壤速效磷含量均高于CK，其中以處理C2最為明顯，達(dá)到20.66 mg/kg。與CK相比，處理C1、C2、K7、K24的速效鉀含量分別增加了36.17%、61.711%、41.71%、68.78%，差異顯著，說明處理C2和K24能夠顯著提高土壤速效鉀的含量，而處理P13和P15的速效鉀含量增加不明顯。綜合來看，復(fù)合菌株C1、C2對土壤養(yǎng)分指標(biāo)具有較大的影響。

3.2 不同處理對灰棗土壤微生物數(shù)量的影響

稀釋平板涂布法計算所采集土樣的微生物菌數(shù)，雖然能夠獲得活菌的數(shù)量，但試驗受多種因素限制，使計數(shù)結(jié)果不能準(zhǔn)確地反映出微生物的實際數(shù)量，為減少測定誤差，樣品每次的稀釋液必須充分振搖混勻[14]。不同處理對灰棗土壤微生物數(shù)量的影響見表2，表2中測得的土壤微生物菌數(shù)是灰棗1個生長周期的平均值。處理C1、C2的細(xì)菌數(shù)量明顯高于CK，P13、P15與CK相比較，細(xì)菌數(shù)也有一定的增加，K7、K24與CK之間的差異不顯著。施入PGPR菌株，不同程度地提高了灰棗根際土壤放線菌的數(shù)量，但處理間差異未達(dá)顯著水平。試驗測得真菌數(shù)量明顯小于細(xì)菌和放線菌的數(shù)量，處理C1、C2的真菌數(shù)量大幅減少，與CK對比分別減少了23.46%和28.4%。按照微生物總量由高到低排列，各處理依次為C2、C1、P15、P13、K7、K24、CK。

表1 不同處理對土壤養(yǎng)分含量的影響?Table 1 Effect of different treatments on soil nutrient contents

表2 不同處理對土壤微生物數(shù)量的影響Table 2 Effect of different treatments on soil microbial quantity

3.3 土壤養(yǎng)分的主成分分析

主成分分析方法可把給定的土壤養(yǎng)分相關(guān)變量通過線性變換變換成少數(shù)幾個彼此不相關(guān)的綜合指標(biāo)，這些指標(biāo)能夠解釋原始變量的大部分信息[15]。本研究中選定土壤養(yǎng)分含量（堿解氮、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、pH值）和微生物（細(xì)菌、放線菌、真菌）數(shù)量8個有效因子（依次用X1，X2，X3，…，X8表示），進(jìn)行各指標(biāo)的相關(guān)性分析，再用因子分析法得出綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)率，通過公式計算綜合得分，所有分析過程用SPSS17.0軟件完成[16]。

3.3.1 指標(biāo)間相關(guān)性分析

進(jìn)行主成分分析，首先要求各指標(biāo)間存在一定的相關(guān)性。因此，在進(jìn)行主成分分析前，要先對指標(biāo)間進(jìn)行相關(guān)性檢驗[17]。各指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)見表3。由表3可知，8個指標(biāo)之間存在顯著或極顯著的相關(guān)性，說明所得的統(tǒng)計數(shù)據(jù)有一部分發(fā)生重疊，有必要用主成分分析法對這些相關(guān)的因子進(jìn)行降維。土壤微生物的數(shù)量與土壤的養(yǎng)分含量有關(guān)[18]。其中，微生物細(xì)菌數(shù)量與各養(yǎng)分指標(biāo)呈極顯著正相關(guān)，真菌數(shù)量與各土壤養(yǎng)分指標(biāo)呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)，放線菌則與各土壤養(yǎng)分指標(biāo)沒有顯著的相關(guān)性。

3.3.2 特征根與方差貢獻(xiàn)率

由于特征值≥1，提取了主成分PC1、PC2。其中，由堿解氮含量、速效磷含量、有機(jī)質(zhì)含量、pH值組成的速效因子為第1主成分PC1；由細(xì)菌數(shù)量、放線菌數(shù)量、真菌數(shù)量組成的微生物菌數(shù)因子為第2主成分PC2。各主成分的特征值和方差貢獻(xiàn)率見表4。由表4可知，PC1的方差貢獻(xiàn)率為77.61%，PC2的方差貢獻(xiàn)率為13.17%，2個成分的累積方差貢獻(xiàn)率為90.78%，且≥80%，可以取PC1、PC2作為反映土壤養(yǎng)分狀況的評價指標(biāo)[19]，并且PC1對土壤養(yǎng)分的影響大于PC2。

表3 各指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)?Table 3 Correlation coefficients between the indexes

表4 特征值與方差貢獻(xiàn)率Table 4 Eigenvalues and variance contribution rates

3.3.3 各主成分得分和綜合得分

對所提取的2個主成分進(jìn)行載荷值旋轉(zhuǎn)計算，可得成分得分系數(shù)矩陣（見表5）。由此可分別計算出PC1、PC2的函數(shù)表達(dá)式S1和S2。

S1＝0.159X1+0.215X2+0.202X3＋0.185X4＋0.171X5－0.024X6－0.216X7－0.156X8；

S2＝0.013X1－0.162X2－0.117X3－0.051X4－0.008X5＋0.439X6＋0.792X7－0.014X8。

表5 成分得分系數(shù)矩陣Table 5 Coefficient matrix of each component scores

將標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)代入與其相對應(yīng)的函數(shù)表達(dá)式中，得到7個處理分別在2個主成分上的分布（見圖1）。由圖1可知，在PC1的水平軸上，各處理按照土壤養(yǎng)分水平由高到低排列，依次為C2、C1、K24、P15、P13、K7、CK；在 PC2的水平軸上，各處理按照土壤養(yǎng)分水平由高到低排列，依次為K7、P15、C2、C1、K24、P13、CK。

圖1 不同處理在PC1和PC2的水平分布Fig. 1 Horizontal distribution of different treatments on PC1 and PC2

根據(jù)綜合主成分函數(shù)模型F＝ΣbjZj＝b1Z1＋b2Z2＋…＋bmZm（b為方差貢獻(xiàn)率）[20]，得出F＝0.776 1Z1+0. 131 7Z2，從而計算綜合得分并進(jìn)行排序（見圖2），以便對各處理的作用效果進(jìn)行評價。由圖2可知，復(fù)合菌株C2的綜合得分最高，其它菌株的綜合得分由高到低依次為C1、K24、P15、P13、K7、CK。

由以上分析可知，施入植物根際促生菌可以增加土壤的養(yǎng)分含量，尤其是復(fù)合菌株的施用對土壤養(yǎng)分含量的提高影響十分顯著，說明復(fù)合菌株的施用，可以改善灰棗根際土壤的微環(huán)境，且復(fù)合菌株P(guān)13K24比P13K7的施用效果更強(qiáng)。

4 討論與結(jié)論

圖2 不同處理土壤在PC1和PC2上的綜合得分Fig. 2 Comprehensive scores of soils in different treatments on PC1 and PC2

土壤微生物是生態(tài)系統(tǒng)中的分解者，它們分解有機(jī)質(zhì)，釋放養(yǎng)分，促進(jìn)植物利用，抑制病毒，成為植物病原菌的拮抗體[21-22]。微生物菌株的施用，可以改善土壤養(yǎng)分供給和土壤微生物數(shù)量等，促使土壤微生物區(qū)系修復(fù)到健康的狀態(tài)，調(diào)控土壤微生態(tài)系統(tǒng)平衡發(fā)展[23]。本試驗的結(jié)果表明，施用微生物菌株的處理在灰棗的1個生長周期內(nèi)使棗樹根際土壤中堿解氮、速效磷、速效鉀以及有機(jī)質(zhì)的含量分別比只施用常規(guī)化肥的對照增加了15.07%、133.37%、35.11%和36.34%；土壤中細(xì)菌數(shù)量和微生物總量也有顯著提高，但這并不排除試驗時施入微生物菌株產(chǎn)生的影響；在本試驗所設(shè)計的7個處理中，復(fù)合菌株P(guān)13K24的效果最好。雖然僅進(jìn)行了1 a的試驗測定，但根據(jù)王彥榮等[24]連續(xù)9 a的試驗，其土壤有益微生物試驗區(qū)的土壤改良效果一直保持良好，推斷本研究結(jié)果可以深入推廣應(yīng)用。

綜上所述，首先，施用PGPR后可以將土壤中難溶性的磷、鉀轉(zhuǎn)化成易溶性的磷、鉀化合物，并且釋放出無效形態(tài)的磷、鉀元素，這也是中低肥力的土壤促進(jìn)植物生長發(fā)育的重要機(jī)制之一[25]。其次，與單一功能菌株比較，復(fù)合菌株對土壤增加肥力的效應(yīng)更明顯，進(jìn)一步證明了施用PGPR可以改良根際土壤，促進(jìn)植物對土壤營養(yǎng)成分的吸收利用。已有大量研究成果證明PGPR在農(nóng)業(yè)上有良好的應(yīng)用前景，尤其是這類微生物菌劑可以單獨施用，也可以把不同功能的菌株進(jìn)行復(fù)合后再施用，以充分發(fā)揮其應(yīng)用效果，專用復(fù)合型菌劑的研制與開發(fā)已逐漸成為一個熱門的發(fā)展新方向。

[1]孫運杰,馬海林,劉方春,等.植物根際促生菌對藍(lán)莓根際土壤養(yǎng)分與微生物數(shù)量的影響[J].山東農(nóng)業(yè)科學(xué), 2014, 46(1):66－69.

[2]Verma J P, Yadav J, Tiwari K N,et al. Impact of plant growth promoting rhizobacteria on crop production[J]. International Journal of Agricultural Research, 2010, 5: 954－983.

[3]Kloepper J W, Leong J, Teintze M,et al.Enhanced plant growth by siderophores produced by plant growth-promoting rhizobacteria[J]. Nature, 1980,286: 885－886.

[4]榮良燕,姚 拓,黃高寶,等.植物根際優(yōu)良促生菌(PGPR)篩選及其接種劑部分替代化肥對玉米生長影響研究[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2013,31(2):59－65.

[5]劉方春,邢尚軍,馬海林,等.根際促生細(xì)菌(PGPR)對冬棗根際土壤微生物數(shù)量及細(xì)菌多樣性影響[J].林業(yè)科學(xué),2013,49(8): 75－80.

[6]孫林琦,郭藝鵬,王海儒,等.新疆棗園土壤解鉀微生物菌株篩選及鑒定[J].經(jīng)濟(jì)林研究,2014,32(4):58－62.

[7]周 琳.河南省棗優(yōu)良品種介紹[J].山西果樹,2001,(3):28－29.

[8]張 萍,史彥江,宋鋒惠,等.南疆灰棗主要營養(yǎng)品質(zhì)性狀的變異及相關(guān)性研究[J].果樹學(xué)報,2011,28(1):77－81.

[9]劉方春,邢尚軍,馬海林,等.PGPR生物肥對甜櫻桃(Cerasuspseudocerasus)根際土壤生物學(xué)特征的影響[J].應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報, 2012,18(5):722－727.

[10]鮑士旦.土壤農(nóng)化分析[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2000.

[11]張文元,劉 順,李林海,等.贛南硬頭黃竹林土壤理化性質(zhì)及與生長相關(guān)性的研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報,2014,34(12): 56－67.

[12]常冀原,張 斌,許 琪,等.氮、磷、鉀對江南油茶形態(tài)及生理變化的影響[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報,2015,35(5):46－54.

[13]劉學(xué)鋒,郭曉敏,李小梅,等.平衡施肥對油茶林地土壤主要養(yǎng)分含量的影響[J].經(jīng)濟(jì)林研究,2013,31(2):44－47.

[14]宋洪寧,杜秉海,張明巖,等.環(huán)境因素對東平湖沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響[J].微生物學(xué)報,2010,(8):1065－1071.

[15]楊曉娟,廖超英,孫文艷,等.烏蘭布和沙漠東北部沙區(qū)人工林土壤肥力質(zhì)量評價[J].干旱區(qū)研究,2012,29(4):604－608.

[16]黃 安,楊聯(lián)安,杜 挺,等.基于主成分分析的土壤養(yǎng)分綜合評價[J].干旱區(qū)研究,2014,31(5):819－825.

[17]陳 吉,趙炳梓,張佳寶,等.主成分分析方法在長期施肥土壤質(zhì)量評價中的應(yīng)用[J].土壤,2010,42(3):415－420.

[18]戴 凌,黃志宏,文 麗.長沙市不同森林類型土壤養(yǎng)分含量與土壤酶活性[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報,2014,34(6):100－105.

[19]曹恩琿,侯憲文,李光義,等.復(fù)合菌劑對盆栽番茄土壤理化性質(zhì)及微生物活性的影響[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2011, 20(5):875－880.

[20]夏建國,李廷軒.主成分分析法在耕地質(zhì)量評價中的應(yīng)用[J].西南農(nóng)業(yè)學(xué)報,2000,13(2):51－55.

[21]焦曉丹,吳鳳芝.土壤微生物多樣性研究方法的進(jìn)展[J].土壤通報,2005,35(6):789－792.

[22]朱 丹,張 磊,韋澤秀,等.菌肥對青稞根際土壤理化性質(zhì)以及微生物群落的影響[J].土壤學(xué)報,2014,51(3): 627－637.

[23]譚益民,何苑皞,郭文平.基于分子技術(shù)的土壤微生物多樣性研究進(jìn)展[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報,2014,34(10):1－9.

[24]王彥榮,華澤田,張三元,等.自然農(nóng)法條件下稻田有益微生物菌群多年施用累積效果[J].中國水稻科學(xué), 2006, 20(4):443－446.

[25]張清敏,劉 曼,周湘婷.微生物肥料在土壤生態(tài)修復(fù)中的作用[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2006,25(6):283－284.

Principal component analysis of effects of PGPR on nutrients and microbial quantity in rhizosphere soil ofZiaiphus jujubacv. Huizao orchard

QIN Yun-ting1,2, LI Jian-gui1,2, GUO Yi-peng1,2, WANG Xian-kui1, HAN Chao1, LIU Sui-yun-hao1,2
(1. Institute of Forestry, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830000, Xinjiang, China; 2. Xinjiang Jujube Engineering Technology Research Center, Urumqi 830000, Xinjiang, China)

In order to obtain superiority strains good for gray jujube growth and development, through a field test, the effects of combination bacteria (P13K7and P13K24), single function bacteria (P13, P15, K7, K24) and the control (CK) on nutrients and microbial quantity inZiaiphus jujubacv. Huizao rhizosphere soil were researched. Eight indexes were simplified into two principal components using the method of principal component analysis, including soil pH value,organic matter content, alkali-hydrolyzable nitrogen content, rapid available phosphorus content, rapid available potassium content, bacteria quantity, actinomycetes quantity and fungi quantity. Information amount contained in the two principal components accounted for 90.78% of total information amount. The results showed that: compared with the control, application of PGPR could improve soil nutrients and microbial quantity. The combination bacteria P13K24had the best application effect according to the comprehensive evaluation results of the soil indexes.

PGPR;Ziaiphus jujubacv. Huizao; soil nutrient; microbial quantity; principal component analysis

10.14067/j.cnki.1003-8981.2015.03.007 http: //qks.csuft.edu.cn

2015-01-22

新疆科技支撐計劃項目（201431106）；國家林業(yè)公益性行業(yè)項目（201304701）；國家自然科學(xué)基金課題（31360194）；新疆森林培育重點學(xué)科。

秦韻婷，碩士研究生。

李建貴，教授，博士研究生導(dǎo)師。E-mail：lijiangui1971@163.com

秦韻婷,李建貴,郭藝鵬,等. PGPR對灰棗土壤養(yǎng)分及微生物數(shù)量影響的主成分分析[J].經(jīng)濟(jì)林研究,2015,33(3):39－43.

S665.1；S606+.1

A

1003—8981(2015)03—0039—05

[本文編校：聞 麗]