以纖維素為載體的混合微生物菌肥對玉米的促生作用

孟建宇， 高鳳芝， 佟 昕， 郭慧琴

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，應(yīng)用與環(huán)境微生物實驗室，內(nèi)蒙古呼和浩特010011）

施肥是提高作物產(chǎn)量的主要途徑， 但由于片面追求高產(chǎn)使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對化肥產(chǎn)生了嚴(yán)重的依賴性（李琦等，2020）。過量使用化肥會引起土壤板結(jié)、養(yǎng)分失衡、有益菌群失調(diào)、產(chǎn)品質(zhì)量下降、環(huán)境污染和食品安全威脅等問題 （Bhattacharyya 等，2012；趙秉強等，2004），對我國農(nóng)業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展造成嚴(yán)重的影響（張志鵬等，2019；鄭良永和杜麗清，2013）。因此，探尋和開發(fā)新的環(huán)保型肥料顯得非常必要。

以植物根際促生菌（PGPR）制作的微生物菌肥是一類環(huán)境友好、資源節(jié)約、綠色安全和低能耗類型的微生物肥料 （蔣永梅等，2018；Parray 等，2016；劉丹丹等，2016），在土壤修復(fù)、地力培肥、減少作物病害、改善連作障礙和提升農(nóng)作物品質(zhì)等方面發(fā)揮了巨大功能（Beneduzi 等，2012）。 大量研究表明，微生物菌肥的PGPR 定植于植物根際，通過固氮、解磷、分泌IAA 和產(chǎn)鐵載體等作用，對植物的株高、莖粗、葉綠素含量等均有明顯的促進作用（蔣永梅等，2018；古述江等，2016；左應(yīng)梅等，2015；Luisa 等，2015））。 微生物菌肥可用于多種植物，適用于各種土壤，是國內(nèi)外化肥替代物研究的熱點。

我國的微生物菌肥應(yīng)用研究進展較緩， 菌體有效性難以達到國標(biāo)要求，使用效果不佳（李琦等2020；劉軍輝等，2018）。 以纖維素為菌肥載體，可為其中的微生物創(chuàng)造獨立而相對適宜的生長微環(huán)境，能提高微肥的施用效力。本研究以玉米為研究對象， 通過盆栽試驗分析以纖維素為載體的微生物菌肥對植物生長的影響， 為擴大其適用范圍提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 試驗菌種 纖維素降解菌、 固氮菌和解磷菌均由內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院應(yīng)用與環(huán)境微生物實驗室分離得到。各菌種擴大培養(yǎng)后，按照1∶1∶1 的比例制成混合菌液。

1.1.2 明膠溶液 稱取明膠3 g，浸泡于100 mL 蒸餾水中，待明膠完全膨脹后，于60 ℃水浴中溶解。

1.1.3 纖維素 分別取秸稈、大塊木屑若干，經(jīng)研磨機研磨后，按 1：1 混合裝入燒杯中，封口，121 ℃滅菌20 min。

1.1.4 泥土 于校園林地中采集無植物根系的深層土壤若干，裝于燒杯中，封口，121 ℃，滅菌20 min后，于65 ℃烘箱中烘干。

1.2 纖維素載體的制備 按照50%的纖維素、25%明膠、25%泥土混合后，加入3%的混合菌液。將混合好的原料裝入打孔器中，壓實后擠出，即制成纖維素載體。

1.3 土壤有效氮含量的測定 稱取2 g 待測土壤置于清洗干凈的堿解擴散皿外室， 再稱取1 g 硫酸亞鐵還原劑，同土壤一起攪拌均勻。用濾紙將內(nèi)室擦拭干凈，加入2 mL 2%的硼酸溶液，再加一滴定氮混合指示劑。 在擴散皿外室邊緣涂抹阿拉伯膠，蓋上毛玻璃，先不要蓋嚴(yán)，使擴散皿外室露出一條狹縫，迅速加入10 mL 氫氧化鈉溶液后蓋嚴(yán)毛玻璃。小心地用兩根橡皮筋交叉成十字圈緊，使毛玻璃固定，平穩(wěn)地放在恒溫培養(yǎng)箱中于40 ℃保溫24 h。 按照下面的公式計算有效氮含量。

式中：V 為消耗鹽酸的體積，mL；C 為鹽酸濃度，L/mol；m 為土樣質(zhì)量，g。

1.4 土壤有效磷含量的測定 稱取2.5 g 風(fēng)干土樣于150 mL 三角瓶中， 加入50 mL 碳酸氫鈉浸提劑，密封，于搖床上以180 r/min 轉(zhuǎn)速振蕩30 min，然后用抽濾機過濾。 取過濾液10 mL 于25 mL 比色管中，加5 mL 鉬銻抗顯色劑，慢慢搖動，排凈氣泡，以蒸餾水定容至25 mL，靜置30 min。 同時作空白試驗為參比，以10 mL 浸提劑代替土壤浸提液同上處理。 用內(nèi)徑1 cm 的比色皿在880 nm波長測吸光度， 按照磷標(biāo)準(zhǔn)曲線y=0.7014x （R2=0.9989）計算磷含量。

1.5 植物盆栽試驗 挑選大小一致的玉米種子100 顆，用浸濕的紗布包裹種子，放于培養(yǎng)皿中，于28 ℃光照培養(yǎng)箱放置24 h。 挑選發(fā)芽長度相近的24 顆種子種植于含沙土的盆里，每盆均勻地種植2 顆。3 盆加入空載體，即纖維素載體中不加菌液，為空載體組；另3 盆什么都不加，為無載體組；剩余6 盆加有菌纖維素載體，為菌載體組。 三組均視土壤濕度情況澆灌自來水。

1.6 指標(biāo)測量 莖粗：根基部周長；莖高：根部到第1 片真葉的距離；葉寬：第5 片真葉最寬處；根長：根部到最長根尖距離；莖緊實程度：莖質(zhì)量與莖體積的比值；莖干重：將莖放于60 ℃烘箱中烘干24 h 后測量。

1.7 葉綠素含量的測定 將玉米葉片剪下，每組均稱取0.2 g 葉片，撕成約1 mm 寬的細(xì)絲，放入裝有25 mL 浸提液 （無水乙醇和無水丙酮以2：1的比例配制而成）的比色試管中（試管用錫箔紙包住，避免葉綠素見光分解），封管口后于暗中提取，中間輕輕搖晃試管幾次以縮短提取時間。 待葉片全部變白后，將管內(nèi)溶液輕輕倒入比色杯中，分別于663 nm 和645 nm 處測吸光值，葉綠素含量計算公式如下：

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有效氮含量 如圖1 所示，未加纖維素載體、未種植物的原樣土的氮含量最低，為2×10-6mol/g；只加纖維素載體不種植物的土壤氮含量最高，為 5.5×10-6mol/g，比原樣土增加了 175%，說明加入的纖維素載體可以釋放氮素， 大幅提高土壤中氮的含量； 而種植植物無載體和有載體的氮含量均有提高。 有植物無載體的土壤氮含量升高的原因可能是植物根系本身會分泌一些激素等含氮物質(zhì)，以及自然界中可能會存在一定的根際，促生菌本身是和玉米根系互作共生的， 來為植物提供氮素，使得土壤氮含量增加；有植物有載體的土壤氮含量比有植物無載體的含量高， 但是沒有無植物有載體的含量高， 原因是載體釋放的氮素一部分已被植物吸收利用。 因此本研究所做的微生物菌肥可以提高土壤有效氮的含量。

圖1 土壤氮含量

2.2 土壤有效磷含量 如圖2 所示，無植物有載體的土壤磷含量為6.21 mg/kg，比原土（1.51 mg/kg）的磷含量增加311%，增加效果十分顯著，有植物有載體的土壤磷含量（4.31 mg/kg）次之，然后是有植物無載體的土壤（3.19 mg/kg）。有植物的土壤磷含量低于無植物有載體的土壤磷含量， 可能是由于植物會吸收利用土壤中磷素； 而有植物有載體的土壤磷含量高于有植物無載體的土壤磷含量，可能是載體中的植物促生菌起到的效果。因此，菌載體中的植物促生菌可以起到增加土壤營養(yǎng)含量的作用。

圖2 土壤磷含量

2.3 植物生長狀況 由圖3 ~ 圖5 可知， 無載體植物、 空載體植物、 菌載體植物莖粗分別為1.73、1.88、2.07 cm，菌載體植株比空載體植株莖略粗，比無載體植株莖明顯增粗； 莖高分別為3.69、3.66、3.82 cm；葉寬分別為 1.85、2.20、2.27 cm；根長分別為 50.43、50.07、50.66 cm； 莖干重分別為 0.0525、0.0614、0.0677 g。 菌載體植株莖粗相對于無載體植株和空載體植株分別增加19.65%和10.11%；在莖高上， 分別增加3.52%和4.37%； 葉寬分別增加22.70%和3.18%；根長分別增加11.94%和10.50%；莖干重分別增加28.95%和10.26%。

圖3 植株的莖粗、莖高和葉寬

圖5 植株的莖干重

2.3 葉綠素含量 如圖6 所示，加入菌肥的植株葉綠素含量明顯增加， 較無載體植株的葉綠素含量增加17.37%。

圖6 植株的葉綠素含量

3 結(jié)論與討論

圖4 植株的根長

片面依靠化肥投入的集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系帶來了嚴(yán)重的環(huán)境問題， 必須充分發(fā)揮作物生長發(fā)育與土壤有益微生物良性互作的功能， 從根本上改變高肥料投入、高污染的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，破解綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展的理論與技術(shù)瓶頸。 土壤中的功能微生物可以固定氮素，促使腐殖質(zhì)的形成與轉(zhuǎn)化，釋放N、P、K 等多種重要的營養(yǎng)元素，對物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)化起至關(guān)重要的作用（康林玉等，2017）。微生物菌肥是一種環(huán)境友好的新型肥料，能促進植物生長，提高作物品質(zhì)，改善土壤環(huán)境，通過在植物和促生菌構(gòu)建的良好關(guān)系， 實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，促進可循環(huán)經(jīng)濟的形成（武杞蔓等，2021）。 植株的株高、莖粗、葉長、葉寬等性狀指標(biāo)可以表征植株幼苗的表觀生長狀況（楊軍偉等，2017）。本研究中，施加微生物菌肥后，可以明顯提高土壤有效氮和磷的含量；玉米的莖更高更粗壯，根系更加密集，具有豐富的根毛，葉片更加寬大，葉綠素含量明顯增加，表明以纖維素為載體的混合微生物菌肥對玉米有較好的促生長作用，可以提升玉米的品質(zhì)。