硅肥和微生物菌剂联用对连作兰州百合叶绿素荧光参数、产量和品质的影响

The combination of silicon fertilizer and microbial agents in continuous cultivation Lanzhou lily influence of chlorophyll fluorescence parameter，yield and quality

摘要

目的 近年来兰州百合（Lilium davidli var.unicolor）产业由于受到品种退化、品质降低和连作障碍等问题制约，产量、品质与经济效益受到影响，因此本试验通过对兰州百合进行不同施肥处理来探寻为其增产提质的方法。 方法 本研究设置4个处理：CK（对照）、SF（硅肥）、MF（微生物菌剂）、SMF（硅肥和微生物菌剂联用）分别施入兰州百合连作土壤，测定植株生长指标、叶绿素荧光参数、产量和品质指标，并采用主成分分析法和相关系数矩形图对测定指标进行综合评价。 结果 与CK相比，各处理均能有效促进兰州百合的生长发育，其中SMF处理效果最好。此外，SF处理可显著提高百合不同生育期的根系活力；与CK相比，各处理均能显著提高百合叶片的PSⅡ光化学效率，且能显著降低非光化学淬灭系数NPQ；与CK相比，SF、MF和SMF处理的经济产量分别显著增加11.88%、9.73%和21.70%；SF、MF和SMF处理的总产量分别显著增加13.45%、8.90%和20.50%。与CK相比，SMF处理能显著提高兰州百合鳞茎中可溶性蛋白和维生素C的含量，且有效降低了硝酸盐含量；通过主成分分析和隶属函数法分析表明：硅肥和微生物菌剂联用对兰州百合提产增质效果最好，单施硅肥较单施微生物菌剂效果更好；兰州百合盛花期壮苗指数和根冠比（鲜质量）可以作为优选的百合壮苗指数模型，用于植株生长状况评估与产量品质预测。 结论 单施微生物菌剂、硅肥或二者联用均可提高百合叶片利用光能的能力和降低叶片热耗散，并促进根系生长，提高土壤养分吸收能力，最终促进百合生长，提升商品百合的产量和品质。在各施肥处理中以硅肥与微生物菌剂联用效果最优。根冠比（鲜质量）可以作为简易实用的百合植株大田生长状况及产量品质评价指标。

Abstract

Objectives In recent years，the Lanzhou lily (Lilium davidli var.unicolor) industry has been constrained by problems such as variety degradation，quality degradation and continuous cultivation barriers，which affect the yield，quality and economic efficiency.Therefore，in this experiment，the method of increasing the yield and quality of Lanzhou lilies by applying different fertilization treatments to them was investigated. Method Four treatments，CK (control)，SF (silicon fertilizer)，MF (microbial agent) and SMF (combination of silicon fertilizer and microbial agent)，were applied to the soil of Lanzhou lily continuous cropping，plant growth index，chlorophyll fluorescence parameter，yield and quality index，and the principal component analysis method and the histogram of correlation coefficient were used to comprehensively evaluate the measurement index. Result Compared with CK，all treatments could effectively promote the growth and development of Lanzhou lily，and SMF treatment had the best effect.In addition，SF treatment could significantly improve the root vitality of lilies at different growth stages.Compared with CK，each treatment can significantly improve the PSII.photochemical efficiency of lily leaves and significantly reduce NPQ.The economic yields of SF，MF and SMF were significantly increased by 11.88%，9.73% and 21.70 % respectively compared to CK.The total yield of SF，MF and SMF increased significantly by 13.45 %，8.90 % and 20.50 % respectively compared to CK.Compared with CK，SMF treatment can significantly increase the content of soluble protein and vitamin C in bulbs and effectively reduce the nitrate content.The analysis of principal component analysis and membership function method showed that the combination of silicon fertilizer and microbial agent had the best effect on the production and quality improvement of Lanzhou lily，and the single application of silicon fertilizer had a better effect than the single application of microbial agent.The seedling indexes and root-shoot ratio (fresh weight) of full bloom stage can be used as the preferred lily strong seedling index model for plant growth evaluation and yield quality prediction. Conclusion The application of microbial agents，silicon fertilizer or a combination of the two can improve the ability of lily leaves to use light energy and reduce leaf heat dissipation，promote root growth，improve the ability of the soil to absorb nutrients and ultimately promote lily growth and improve the yield and quality of commercial lilies.In any fertilizer treatment，the combination of silicon fertilizer and microbial agents will have the best effect.The root to shoot ratio (fresh weight) can be used as a simple and practical index to evaluate the growth status and yield quality of lily plants.

Graphical abstract

关键词

兰州百合 / 硅肥 / 微生物菌剂 / 产量与品质 / 连作障碍

Key words

Lanzhou lily / silicon fertilizer / microbial inoculants / yield and quality / continuous cropping obstacles

Author summay

侯磊，硕士研究生。E-mail：[e-mail]

近年来，微生物制剂和硅肥在促进农业可持续发展方面受到越来越多的关注。微生物制剂中含有大量的有益菌群，可以提高土壤养分的供应能力，并抑制致病微生物^［1］，改善土壤微环境^［2］。硅是土壤中最常见的元素^［3］，它可以提高植物对重金属毒害的耐受力^［4］、促进植株生长^［5-6］。二者在作物生产中具有重要的应用价值。

兰州百合（Lilium davidii var.unicolor）是我国特有的“药食同源”甜百合，是极具地方特色的名优蔬菜。它采用无性繁殖、多年生栽培的种植模式，属于典型的狭域性分布植物。由于百合产业的集约化种植模式和粗放的田间管理措施，导致兰州百合产量和品质急剧下降，产品的独头率由原先的70%下降到如今已不足40%，经济效率严重降低^［7-9］。笔者所在课题组在前期开展了“硅肥与微生物菌剂配施克服茄子连作障碍”的应用研究，发现二者配施可以显著改善茄子连作土壤微环境，提高了植株对土壤养分的利用率，促进了茄子生长发育及产量品质的提高^［10］。课题组还证明施用微生物菌剂可以优化兰州百合连作土壤微生物群落结构，修复退化土壤^［2，11］。于彦琳等^［12］研究了硅肥和微生物菌剂配施模式对生长1 a、2 a的百合植株生长发育及土壤理化性质的影响，对生长3 a的百合（最终形成的产品器官）产量、品质及光合生理并未探究。2021年，我们持续收集了该施肥模式下生长3 a的百合产量构成、品质、叶绿素荧光参数、土壤理化性状及生物学性状的数据，以期全面评估该方法对兰州百合生长发育和产量品质的综合影响，为西北寒旱生态区旱作兰州百合的生产提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验点选择在甘肃省定西市临洮县中铺镇蒋家山村（E 103°53′12″~103°53′14″，N 35°49′11″~35°49′13″）。该区域为高山坡地，平均海拔2 330 m，气候温凉，半湿润，无霜期较短，是典型的二阴山区，种植食用百合历史悠久，是兰州百合原产区之一。

1.2 供试材料

选用一级商品种球［种球质量（17±2）g］，根系健壮、无腐烂、色白、无分头、大小均匀一致）种植于连作9 a的兰州百合田。肥料分别选用：硅肥（SiO₂：70%±3%）由廊坊五和农业科技有限公司生产；微生物菌剂由特8™菌剂由青岛远辉生物环保科技有限公司提供（存有22类菌群，总数达15 000 cfu/g，有机质含量≥70%）。

1.3 试验设计

兰州百合从母籽栽植到长成商品百合历时３ a。本试验开始于兰州百合生长发育的第3年，从百合鳞茎盛花期（2021-07-24）始至百合鳞茎收获期（2022-3-28）止。试验设置4个处理分别为：CK（空白对照）；SF（施用硅肥）；MF（施用特8^TM菌剂）；SMF（特8^TM菌剂和硅肥联用），每个处理4次重复。采用单因素随机区组设计将试验样地分成16个小区分别施肥，面积均为2 m×5 m=10 m²，栽植株行距为0.15 m×0.30 m。

百合种植当年（2019年4月中下旬种植）将微生物菌剂（用量67.5 L/hm²并稀释150倍）作为基肥在播种时一次性施入；在同年8月初施入微生物菌肥（用量67.5 L/hm²并稀释150倍）的同时增施硅肥，硅肥按30 kg/hm²的用量，开沟深施于百合植株行间，覆土耙耱。然后在百合生长第２年（2020年7月）和第３年（2021年6月）分别对试验地进行施肥处理，施肥量和施肥措施均与2019年8月初相同。田间管理措施均按照农户常规方法进行，采用旱作栽培，无灌溉。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 兰州百合植株农艺性状测定

每个小区随机选择10株长势一致的百合植株，分别采用三棱尺测定株高（植株根颈至生长点）、数显电子游标卡尺测定茎粗（植株根颈处的直径）和千分之一电子天平测量鲜质量、干质量；根系活力使用TTC法测定^［13］。

1.4.2 兰州百合植株叶绿素荧光参数测定

于盛花期测定百合植株叶绿素荧光参数，每小区随机选择3株长势一致的百合植株，取植株生长点以下5 cm处的叶片进行指标测定。利用叶绿素荧光成像系统和荧光图像分析软件（ Imaging-Pam，Walz，德国） 测定叶绿素荧光诱导动力学参数［室温（25±2）℃，光强 3 000 μmol/（m²·s）］。用黑布遮光，百合植株暗适应 30 min，测定荧光参数。可得到以下数据：光系统Ⅱ（PSⅡ） 最大光能转换效率F_v/F_m =（F_m-F_o）/F_m，PSII 反应中心光能捕获效率 F_v'/F_m '=（F'_m-F_o'）/F'm；PSⅡ潜在活性F_v/F_o=（F_m/F_o）/F_o；实际光化学效率Φ_PSⅡ=（F'_m-F_s）/F_m'，光化学猝灭系数qP=（F'_m-F_s ）/（F'_m-F_o'）；非光化学淬灭系数（NPQ）=F_m/F'_m-1，每处理重复测定3次，取平均值。

1.4.3 兰州百合产量及品质指标测定

于收获期测定兰州百合产量及产量构成指标。经过3 a的种植，我们在各小区内随机选择20株对百合产量和产量构成进行测定。测定指标包括兰州百合总产量、经济产量、母球球形指数、母球分头数、母球质量、籽球数量、籽球总质量。

于2022年4月测定兰州百合品质指标，在上述收获的百合中，选取不同处理下大小均匀、无变质腐烂、色白、独头的球茎进行测定。测定指标及方法分别为：采用蒽酮硫酸法测定可溶性糖含量^［14］；采用2，6-二氯酚靛酚钠比色法测定维生素C含量^［15］；采用考马斯亮蓝法测定可溶性蛋白质含量^［16］；采用水杨酸-硫酸比色法测定硝酸盐含量^［17］。

1.5 数据分析

采用Microsoft Excel 2010软件进行原始数据记录和处理，并完成图表绘制；采用IBM SPSS 26进行数据差异显著性检测和主成分分析。

参照文献^［18-19］的方法利用主成分分析法对不同处理下兰州百合产量和品质指标进行综合评价。首先通过判断指标数值大小对主体产生结果的好坏来区分指标的正负向，再采用极差法将数据标准化，公式如下：

正向指标：\frac{x_i-\mathrm{m}\mathrm{i}{\mathrm{n}}_i}{\mathrm{m}\mathrm{a}{\mathrm{x}}_i-\mathrm{m}\mathrm{i}{\mathrm{n}}_i}；负向指标：\frac{\mathrm{m}\mathrm{a}{\mathrm{x}}_i-x_i}{\mathrm{m}\mathrm{a}{\mathrm{x}}_i-\mathrm{m}\mathrm{i}{\mathrm{n}}_i}

x_i 表示第i个指标中各处理的值，min _i 表示第i个指标中各处理的最小值，max _i 表示第i个指标中各处理的最大值。将标准化后的数据采用主成分分析，获得各指标的贡献率和综合得分值。

采用Origin 2022b软件进行图表绘制，用该软件对植株生长发育与产量品质指标进行spearman相关分析，得到相关系数矩阵图（correlation plot）。

2 结果与分析

2.1 硅肥与微生物菌剂联用对连作兰州百合生长发育的影响

由表1可知，与CK相比，各处理均显著促进了百合的生长发育，其中SMF处理对百合生长发育的促进较其他处理效果更好。在盛花期，SF处理的茎粗/株高较CK显著增加8.59%，SMF处理的根冠比（鲜质量）较CK显著增加26.19%，SF和SMF处理的壮苗指数较CK分别显著增加24.83和35.62%；在收获期，SMF处理的茎粗/株高较CK显著增加7.65%，SMF处理的根冠比（鲜质量）较CK显著增加15.53%，MF的根冠比（干质量）较CK显著增加19.85%，SF、MF和SMF处理的壮苗指数较CK分别显著增加 26.56%、28.52%和29.11%。

根系活力大小一定程度上反映了作物生长发育情况。在兰州百合不同生育期，SF处理均能显著提高百合根系活力。在兰州百合盛花期，SF处理的根系活力较CK显著增加22.15%；在兰州百合收获期，SF、MF和SMF处理的根系活力分别较CK显著增加24.20%、23.33%和27.39%。

2.2 硅肥与微生物菌剂联用对连作兰州百合叶绿素荧光参数的影响

由表2可知，与CK相比，各处理均显著提高了百合叶片PSⅡ光化学效率，显著降低了非光化学淬灭参数。SF、MF和SMF处理的叶片F_v/F_m较CK分别显著增加7.21%、4.74%和7.10%；叶片F'_v/F'_m较CK分别显著增加10.12%、11.26%和7.53%；叶片F_v/F_o较CK分别显著增加26.31%、16.26%和26.11%；叶片Ф_PSⅡ较CK分别显著增加17.29%、17.89%和14.78%；叶片qP较CK分别显著增加6.62%、6.06%和6.77%；叶片NPQ较CK分别显著降低13.44%、19.34%和11.07%。

2.3 硅肥与微生物菌剂联用对连作兰州百合产量及产量构成的影响

由表3可知，与CK相比，SF、MF和SMF处理均不同程度优化了兰州百合的各项产量构成，且显著提高了百合经济产量和总产量，其中SMF处理增产效果最好。SF、MF和SMF的经济产量较CK分别显著增加11.88%、9.73%和21.70%；SF、MF和SMF的总产量较CK分别显著增加13.45%、8.90%和20.50%。SF、MF和SMF的母球球形指数较CK分别显著增加15.03%、10.26%和16.08%；SF、MF和SMF的母球分头数较CK分别显著增加26.72%、16.41%和23.00%；SF、MF和SMF的母球质量较CK分别显著增加11.88%、9.72%和21.70%；SF处理的籽球数量较CK显著增加40.48%；SF处理的籽球总质量较CK显著增加31.11%。

2.4 硅肥与微生物菌剂联用对连作兰州百合品质的影响

由表4可知，与CK相比，SMF处理显著提高了兰州百合鳞茎中可溶性蛋白和维生素C的含量，且显著降低了硝酸盐含量，提升了百合的营养和品质。MF处理的可溶性糖较CK显著增加29.73%；SF和SMF处理的可溶性蛋白含量较CK分别显著增加13.48%和14.76%；SF、MF、SMF处理的维生素C含量较CK分别显著增加了23.53%、35.36%和42.37%；SMF处理的硝酸盐含量较CK显著降低14.63%。

2.5 硅肥与微生物菌剂联用对兰州百合生长发育和产量品质的综合评价

2.5.1 硅肥与微生物菌剂联用对兰州百合产量及品质的主成分分析

母球分头数和球形指数是决定兰州百合品相的重要因素，独头率越高、鳞茎越圆的百合商品价值越高。因此，在产量指标中设定百合母球分头数和球形指数为负向指标，其余指标均为正向指标。硝酸盐含量对商品百合的安全品质至关重要，其数值越低越好。故在品质指标中，设定硝酸盐为负向指标，其余指标均为正向指标。利用主成分分析法（principal component analysis，PCA）综合产量和品质指标对各处理的施肥效果进行评价和排序。

由表5可知，前2个综合指标的主成分贡献率分别为69.94%和20.42%，累计贡献率达90.36%。第1主成分主要包括母球质量、经济产量、总产量、硝酸盐含量、维生素C、可溶性蛋白和可溶性糖；第2主成分主要包括母球分头数、母球球形指数、籽球数量、籽球总质量。

由表6可知，CK、SF、MF、SMF的综合得分值分别为-0.514、1.251、0.430和1.303。综合得分值反映了不同处理对百合产量和品质的综合提升能力的大小，其数值越大表示施肥效果越好。因此，根据综合得分值大小判定不同处理对百合生长发育和产量品质的综合提升能力由强到弱依次为：SMF、SF、MF、CK。

2.5.2 硅肥与微生物菌剂联用对兰州百合生长发育和产量及品质的相关性分析

由于收获期百合地上部分生长停滞且部分枯萎，故本试验选用百合盛花期生长发育指标（茎粗/株高、根冠比鲜质量、根冠比干质量、壮苗指数和根系活力）和光合指标（F_v/F_m、F'_v/F'_m、F_v/F_o、Ф_PSⅡ 、NPQ和qP）与收获期较重要的产量（经济产量、总产量、母球分头数、籽球数量）和品质（可溶性糖、可溶性蛋白、维生素C和硝酸盐）指标进行相关性分析，探索兰州百合生长发育和产量品质间的关系。由图1可知，F_v/F_m和F_v/F_o与总产量、经济产量和球形指数呈极显著正相关，与分头数和维生素C呈显著正相关；F'_v/F'_m与球形指数和分头数呈显著正相关；Ф_PSⅡ 和分头数呈显著正相关；qP与总产量呈显著正相关；根系活力与可溶性糖呈显著负相关；茎粗/株高与可溶性糖呈显著正相关；根冠比鲜质量与经济产量和总产量呈显著正相关；壮苗指数与维生素C、经济产量和总产量间呈极显著正相关，与分头数和球形指数呈显著正相关。

3 讨论

本研究表明，SF（施用硅肥）、MF（施用微生物菌剂）、SMF（硅肥和微生物菌剂联用）处理均能有效提高兰州百合植株综合生长指标与根系活力，优化百合产量构成，促进商品百合产量增加，同时显著提升了百合营养及安全品质。大量研究表明，硅肥对提高干旱半干旱地区、盐碱地等不利于农业生产的环境中作物的产量具有重要的意义^［19］，在胁迫条件下硅肥可以通过抑制根系活力的下降来保证根系功能的正常发挥^［21］，可有效提高葱^［22］、大豆^［23］、大蒜^［24］的产量和品质。微生物菌剂通过在土壤中释放生长素、吲哚乙酸等激素，调控作物生长可以提高枸杞^［25］、茶叶^［26］、甜樱桃^［27］产量，也可提高黄瓜中可溶性蛋白、可溶性糖和维生素C的含量，降低硝酸盐的含量^［28］。张淼等^［29］研究发现以硅肥+微生物菌剂混配的水稻增产效果较单一施用改良剂更佳。上述研究结果与本研究一致。

有研究^［30-31］表明在叶绿素荧光参数中：Ф_PSⅡ 可反映实际的PSⅡ反应中心进行光化学反应的效率，其值越大说明电子传递活性与传递速率越大；F_v/F_m值越大，叶片PSⅡ原初光能转化效率越高；F'_v/F'_m值越大，PSⅡ反应中心捕获激发能效越高；F_v/F_o值的变化可以衡量光合机构是否受到损伤，其值越大说明PSⅡ的潜在光化学活性越高；NPQ值越小，植物通过热耗散消耗的能量越少。作者所在课题组在0~9 a的兰州百合连作栽培系统中研究发现，长期连作使兰州百合盛花期叶片F_v/F_m、F'_v/F'_m、F_v/F_o均发生显著降低，造成PSⅡ电子传递链的损失^［32］。本研究中，与CK相比，MF、SF和SMF处理的叶片PSⅡ的F_v/F_m、F'_v/F'_m、F_v/F_o和Ф_PSⅡ 均显著增加，NPQ显著降低。因此硅肥和微生物菌剂联用可有效提高百合叶片利用光能的能力，降低叶片的热耗散，缓解连作障碍造成的百合叶片电子传递链的损失。

林玉红等^［33］对兰州百合的系列研究中提到，兰州百合鳞茎氮磷钾养分累积量与产量呈极显著正相关，充足的氮磷钾营养对兰州百合产量提升具有重要意义，施用氮肥^［34］和钾肥^［35］能有效提高百合品质，3年生兰州食用百合的氮磷钾素吸收累积均表现为：K₂O>N>P₂O₅^［36］。本试验前期针对1、2年生的百合栽培土壤研究^［12］结果表明，硅肥和微生物菌剂联用可以提高连作兰州百合土壤中的碱解氮、速效磷和速效钾的含量，且土壤各养分含量排名为速效钾>碱解氮>速效钾。课题组还测定了3年生百合的土壤理化性状，也得到类似结果（另文发表）。由此推论，硅肥和微生物菌剂联用能改善土壤理化性状，提高土壤养分的供应能力是其促进百合生长的土壤生态学机理之一。

本试验各处理对产量品质指标的提升效果排序为：SMF>SF>MF>CK。有研究^［37］表明硅肥能有效缓解多种作物的根系自毒作用，且能在胁迫条件下保持作物根系活力。微生物菌剂中的有效菌能促进土壤中难溶性养分溶解和释放，提高土壤养分的供应能力，有助于作物对养分的吸收^［1］。由此推测硅肥可以通过增强百合根系活力来提高作物对土壤中养分（特别是N、P、K）的吸收能力，微生物菌剂可以提高土壤中作物可吸收的有效养分的含量，二者共同作用可以提升百合鳞茎氮磷钾养分累积量，使SMF处理成为百合提产增质最优解。由于本试验进行于连作9 a的百合田里，硅肥在逆境中的保根能力使其对连作百合的施肥效果优于微生物菌剂，该结果强调了硅肥在缓解兰州百合连作障碍中的重要价值。

作者所在课题组研究发现：1年生百合的壮苗指数与根冠比（干质量）在整个生育时期均与鳞茎单质量高度相关，是首选的百合壮苗指数模型。而茎粗/株粗和根冠比（鲜质量）在整个生育时期与鳞茎单质量中度相关，它的测定方法简单且对植株没有伤害、实用性好，因此推荐其作为实际生产中百合田间生长状况评价指标^［32］。本研究3年生百合植株盛花期指标中，与百合产量间存在显著正相关的指标由强到弱依次为F_v/F_m、F_v/F_o、壮苗指数、根冠比（鲜质量），验证了前述结果部分结论。壮苗指数为综合性生长指标，可以全面概括植株的整体素质，根冠比（鲜质量）可准确地反映植株同化产物的分配情况，因此在百合盛花期这两个指标可以用于兰州百合植株生长状况评估及未来大田产量品质预测，其中根冠比的测定更简单便捷。课题组还发现3年生百合盛花期的茎粗/株高与产量品质并无相关性，但与百合可溶性糖含量呈显著正相关，该结果与1年生百合中的研究结果不同。课题组通过田间观察发现，百合田间产生分头性状与植株生长条件密切相关，在土壤环境条件不良的情况下，百合易发生“分蘖”，产生多个分支。通常发生在栽培第2年以后，百合种球播种当年并无“分蘖”现象（附图1-B）。本研究对发生“分蘖”的3年生百合植株，测定茎粗时选取最高的一个“分蘖”进行测定，由此可能使得茎粗/株高指标产生了一定的波动。因此对于1年生百合，茎粗/株高可以作为实际生产中兰州百合植株生长评价指标，但该指标是否适用于2、3年生百合还有待商榷。

4 结论

单施微生物菌剂、硅肥或二者联用均可提高百合叶片利用光能的能力，降低叶片热耗散，并促进根系生长，提高土壤养分的吸收能力，最终促进百合生长，优化百合产量构成，促进商品百合产量增加，提升百合营养及安全品质。其中，以硅肥与微生物菌剂联用效果最优。3年生百合盛花期壮苗指数和根冠比（鲜质量）可以用于兰州百合植株生长状况评估及未来大田产量品质预测，指导与规范百合生产，其中以根冠比（鲜质量）在大田生产中更为简便实用。

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基金资助

国家自然科学基金项目(31860549)

甘肃省重点研发计划项目(22YF7NA108)

兰州市科技计划项目(2017-4-95)