我國微生物肥料發(fā)展現(xiàn)狀及在蔬菜生產(chǎn)中的應(yīng)用

仝倩倩 ，祝 英，崔得領(lǐng)，趙 毅，陳玉坤，王治業(yè)，熊友才

（1.甘肅省微生物資源開發(fā)利用重點實驗室，甘肅省科學(xué)院生物研究所，甘肅 蘭州 730000；2.西安思源中學(xué)，陜西 西安 710038；3.草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室，旱地農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，蘭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；4.河南省襄城縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，河南 許昌 461000）

蔬菜種植是目前我國農(nóng)民經(jīng)濟來源的重要途徑之一。為了追求經(jīng)濟利益，連作和水肥的高頻、高量投入是我國蔬菜種植中普遍存在的現(xiàn)象，引起土壤養(yǎng)分下降、土壤微生物菌群失衡和病害嚴(yán)重發(fā)生［1-2］?；兽r(nóng)藥的超量使用，最終導(dǎo)致蔬菜農(nóng)殘超標(biāo)、產(chǎn)量下降等惡性循環(huán)，嚴(yán)重威脅人類的飲食健康。

蔬菜種植過程中土壤微生物失衡是導(dǎo)致蔬菜病害發(fā)生和土壤質(zhì)量下降的主要原因之一，是影響我國蔬菜種植土壤可持續(xù)發(fā)展的主要威脅，而土壤微生物障礙的控制和修復(fù)要比土壤物理、化學(xué)障礙的修復(fù)困難得多［3］。研究表明，蔬菜栽培基質(zhì)或根際接種有益微生物，不但能有效緩解土壤微生物失衡的障礙，而且促進蔬菜生長，并減少蔬菜種植過程中化肥農(nóng)藥的用量［4-5］。因此，全面了解微生物肥料在我國蔬菜生產(chǎn)中的應(yīng)用進展以及發(fā)揮的主要作用，在促進我國蔬菜種植體系的健康良性發(fā)展方面具有十分重要的意義。

1 我國微生物肥料的生產(chǎn)應(yīng)用歷程和制定的相關(guān)肥料標(biāo)準(zhǔn)

我國微生物肥料的研究和應(yīng)用始于20世紀(jì)40年代，此時期以根瘤菌接種劑為主，在東北、華北及華中地區(qū)開展了試驗，并取得了較好的效果，但總體的應(yīng)用面積也不大，此時還沒有形成規(guī)?；漠a(chǎn)品［6］。20世紀(jì)50～60年代，除根瘤菌接種劑外，出現(xiàn)了細(xì)菌和放線菌等微生物制劑，如以自生固氮菌、溶磷細(xì)菌、硅酸鹽細(xì)菌、放線菌等為原料的細(xì)菌性菌劑、抗生菌肥料和固氮藍(lán)綠藻肥等［7］；此時期大量中小型企業(yè)介入，但生產(chǎn)設(shè)備落后、無行業(yè)管理，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊。1959年由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所牽頭，首次提出關(guān)于微生物肥料產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的意見，此后微生物肥料標(biāo)準(zhǔn)制定備受關(guān)注。20世紀(jì)70年代到80年代中期掀起了利用叢枝菌根來改善植物磷素吸收和提高水分利用率的研究熱潮［8］。20世紀(jì)80年代中期至90年代，應(yīng)農(nóng)業(yè)發(fā)展的需求，新型微生物制劑如聯(lián)合固氮菌肥、硅酸鹽菌劑、光合細(xì)菌菌劑、植物根際促生細(xì)菌（PGPR）制劑和有機物料（秸稈）腐熟劑不斷涌現(xiàn)，特別是PGPR的研究和效果驗證逐漸成為土壤微生物學(xué)的熱點研究領(lǐng)域［9］；同時以功能微生物如固氮菌、磷細(xì)菌、鉀細(xì)菌為原料，通過復(fù)合有機肥制備而成的復(fù)合（復(fù)混）生物肥料不斷涌現(xiàn)，加速了微生物菌劑及微生物肥料的發(fā)展。但此時期產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊、無標(biāo)準(zhǔn)、無行業(yè)管理，仍處于無序發(fā)展的時期［10］。

1997年我國實行微生物肥料生產(chǎn)資料登記，加上國家對標(biāo)準(zhǔn)制定的政策引導(dǎo)，初步形成了農(nóng)用微生物菌劑和微生物肥料的標(biāo)準(zhǔn)體系，微生物肥料標(biāo)準(zhǔn)的制定取得了空前的進展，對引導(dǎo)和規(guī)范行業(yè)發(fā)展發(fā)揮重要作用。在2000～2010年的發(fā)展過程中，出臺了有關(guān)微生物菌劑和微生物肥料的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、檢測方法、技術(shù)規(guī)程以及菌種/安全等22項標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程（表1）。這些標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程的制定規(guī)范了微生物菌劑及肥料的市場，同時也推動了微生物菌劑及肥料種類多樣化的發(fā)展，此時期出現(xiàn)了高效營養(yǎng)促生類、土壤功能修復(fù)及連作障礙克服類的菌劑，以及生物有機肥、新型復(fù)合微生物肥料、專用微生物肥料等。在2010～2020年全國微生物肥料產(chǎn)品和企業(yè)迅速發(fā)展的時期，復(fù)合微生物肥料、生物有機肥和微生物肥料生物安全通用技術(shù)準(zhǔn)則等標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程進一步修訂頒布實施（表2），新頒布實施了8項相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)程（表2），進一步推動了微生物肥料研究和產(chǎn)業(yè)化的進程［12］。

表1 2000～2010我國微生物肥料標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)規(guī)程［11］

表2 2010～2020我國微生物肥料標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)規(guī)程

2 微生物肥料分類及功能微生物

標(biāo)準(zhǔn)《微生物肥料術(shù)語》（NY/T 1113-2006）將微生物肥料的產(chǎn)品分成了三大類：微生物接種劑、復(fù)合微生物肥料和生物有機肥［13］。

生物有機肥指特定功能微生物與主要以動植物殘體（如畜禽糞便、農(nóng)作物秸稈等）為原料并經(jīng)無害化處理、腐熟的有機物料復(fù)合而成的一類兼具微生物肥料和有機肥料效應(yīng)的肥料［14］。在生產(chǎn)過程中，涉及的微生物有促進物料分解、腐熟并除臭功能的微生物，以及物料腐熟后在產(chǎn)品中發(fā)揮特定肥料效應(yīng)的功能菌［15］，菌株安全應(yīng)符合NY 1109-2006的規(guī)定。目前推薦執(zhí)行的農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是NY/T 884-2012，其主要技術(shù)指標(biāo)為有效活菌數(shù)、有機質(zhì)、水分、pH值、糞大腸菌群數(shù)、蛔蟲卵死亡率、有效期和無害化指標(biāo)。目前主要存在的問題是原料來源復(fù)雜、載體差異大、腐熟工藝不成熟。

農(nóng)業(yè)微生物菌劑是指目標(biāo)微生物（有效菌）經(jīng)過工業(yè)化生產(chǎn)擴繁后加工制成的活菌制劑［16］。它具有直接或間接改良土壤、恢復(fù)地力、維持根際微生物區(qū)系平衡、降解有毒有害物質(zhì)等作用；應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，通過其中所含微生物的生命活動，增加植物養(yǎng)分的供應(yīng)量或促進植物生長、改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)及農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境。按照內(nèi)含的微生物種類或功能特性可分為根瘤菌菌劑、固氮菌菌劑、解磷類微生物菌劑、硅酸鹽微生物菌劑、光合細(xì)菌菌劑、有機物料腐熟劑、促生菌劑、菌根菌劑、生物修復(fù)菌劑；按照產(chǎn)品劑型分為液體、粉劑、顆粒型。目前強制執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)是GB 20287-2006，其主要技術(shù)指標(biāo)為有效活菌數(shù)、霉菌雜菌數(shù)、雜菌率、水分、細(xì)度、pH、保質(zhì)期和無害化指標(biāo)。目前主要存在的問題是原料來源復(fù)雜、載體差異大、無雜菌控制技術(shù)、保質(zhì)期較短以及顆粒型的造粒加菌技術(shù)不成熟等。

復(fù)合微生物肥料指特定微生物與營養(yǎng)物質(zhì)復(fù)合而成，能提供、保持或改善植物營養(yǎng)，提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量或改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的活體微生物制品［17］。按照產(chǎn)品劑型分為液體、粉劑、顆粒型。目前推薦執(zhí)行的農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是NY/T 798-2015，其主要技術(shù)指標(biāo)為有效活菌數(shù)、總養(yǎng)分、有機質(zhì)、雜菌率、水分、pH和有效期。目前主要存在的問題是雜菌率高、有效活菌衰減率大、有機質(zhì)與大量元素復(fù)合不易造粒。

截至2020年10月21日，我國肥料登記的產(chǎn)品有22741個，生產(chǎn)企業(yè)有7168個，其中獲得微生物肥料登記證的產(chǎn)品有7608個，生產(chǎn)企業(yè)有2852個［18］。目前國內(nèi)微生物肥料主要涉及的功能微生物有芽孢桿菌、酵母菌、乳酸菌、霉菌、放線菌、固氮菌和光合細(xì)菌等，芽孢桿菌占微生物肥料登記菌種的80%（圖1a）；在芽孢桿菌類中，已獲得肥料登記證的產(chǎn)品中枯草芽孢桿菌占40%、膠凍樣芽孢桿菌占13%、巨大芽孢桿菌占10%、地衣芽孢桿菌占8%、側(cè)胞芽孢桿菌占4%、解淀粉芽孢桿菌占3%、其他占22%等（圖1b）。

圖1 用于微生物肥料產(chǎn)品的主要功能微生物

3 微生物肥料在我國蔬菜生產(chǎn)上的應(yīng)用效果

3.1 微生物肥料在我國蔬菜種植上的應(yīng)用及主要功能微生物

隨著我國微生物肥料的發(fā)展，2010年后微生物肥料在蔬菜上才開始大量的應(yīng)用研究。微生物肥料在番茄上的應(yīng)用研究最多，辣椒、黃瓜和白菜次之，在其他蔬菜上的應(yīng)用逐漸拓展，但總體上微生物肥料在蔬菜種植上的應(yīng)用還相對較少。在蔬菜生產(chǎn)過程中，不同微生物肥料施用方法有所不同。復(fù)合微生物肥料和農(nóng)用微生物菌劑用量較少，一般每公頃液體復(fù)合微生物肥料或農(nóng)用微生物菌劑的使用量為10～20 L，粉劑使用量為10～20 kg；在蔬菜上的使用方式可以為拌種、沾根、灌根、噴施或與育苗基質(zhì)復(fù)混等；復(fù)合微生物肥料或農(nóng)用微生物菌劑可以作基肥，也可以作追肥。生物有機肥使用量較大，不同蔬菜的使用量不同［19］：豆科蔬菜使用量相對較少，一般為600～800 kg/hm2；菜葉類蔬菜用量為800～1500 kg/hm2；薯芋等根菜類蔬菜用量為1500～2000 kg/hm2；茄果類、瓜類蔬菜用量為1500～3000 kg/hm2。生物有機肥可撒施、點施、穴施、條施，可以作基肥或追肥。不同微生物肥料隨著有效活菌數(shù)的不同，價格、用量和功效也存在差異，其中拜耳卓潤高溫解淀粉芽孢桿菌微生物菌劑使用量為7.5 L/hm2，西瓜灌根處理平均增產(chǎn)10080 kg/hm2，產(chǎn)量提高了28.9%，按照2.4元/kg測算，農(nóng)民可多收益1612元。微生物肥料施用方式靈活、增產(chǎn)增收效益顯著。隨著國家對果菜茶種植過程中“減肥、增綠、高質(zhì)量發(fā)展”的政策導(dǎo)向，微生物肥料在我國蔬菜生產(chǎn)中具有重大的應(yīng)用價值和推廣潛力。

在蔬菜生產(chǎn)中應(yīng)用的微生物肥料主要功能微生物有植物根際促生細(xì)菌（PGPR）和生防菌兩大類微生物菌群組成。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)許多屬種的PGPR，包括硫桿菌屬（Thiobacillus）、假單胞菌 屬（Pseudomonas）、芽 孢 桿 菌 屬（Bacillus）、鏈霉菌屬（Streptomyces）、伯克霍爾德氏菌屬（Burkholderia）、根瘤菌屬（Rhizobium）、沙雷氏菌屬（Serratia）、節(jié)桿菌屬（Arthrobacter）、農(nóng)桿菌屬（Agrobacterium）、不動桿菌屬（Acinetobacter）、固氮螺菌屬（Azospirillum）、泛菌屬（Pantoea）、弗蘭克氏菌屬（Frankia）和慢生根瘤菌屬（Bradyrhizobium）等［20］。生防菌主要又包括殺真菌類微生物、殺細(xì)菌類微生物、殺蟲類微生物和殺線蟲類微生物，主要微生物類群見表3。

表3 我國蔬菜種植應(yīng)用的微生物肥料主要生防微生物分類

3.2 施用微生物肥料對蔬菜根區(qū)改良和植株生長的影響

農(nóng)用微生物菌劑、復(fù)合微生物肥料和生物有機肥在蔬菜種植中均有應(yīng)用。PGPR是常用的微生物菌劑之一，可以通過固氮［21］、溶磷［22］、解鉀［23］、合成植物激素［24-25］等直接刺激植物生長。Leaungvutiviroj等［26］研發(fā)了一種具有高氮固定能力的生物肥料，由固氮細(xì)菌（Azotobacter tropicalis）、溶磷細(xì)菌（Burkhoderia unamae）、溶鉀細(xì)菌（Bacillus subtilis）和產(chǎn)生生長素的菌株KJB9/2組成，在芥藍(lán)的生長和增產(chǎn)方面有很大潛力，單獨添加該生物肥料可以使芥藍(lán)生長速度提高4倍，與天然礦物肥料結(jié)合使用，生長速度提高了7倍。Menéndez等［27］通過分析24株不同的中生根瘤菌（Mesorhizobium）產(chǎn)生吲哚乙酸、鐵載體以及溶磷、溶鉀情況，篩選出產(chǎn)生吲哚乙酸最高的兩株接種于番茄幼苗，結(jié)果表明，接種的番茄幼苗植株生長性狀顯著高于未接種的番茄幼苗。可見微生物肥料的應(yīng)用主要通過功能微生物活化土壤養(yǎng)分，提高蔬菜對土壤養(yǎng)分的利用效率、分泌次生代謝產(chǎn)物發(fā)揮植物生長增效劑的作用、合成植物生長素等方式促進蔬菜生長（圖2）。

圖2 微生物肥料在蔬菜種植中的主要功效

植物對土傳病原菌的抗性往往是由微生物群落驅(qū)動的，因為植物根際微生物群是植物的第二基因組［28］，也是植物抵御土傳病原菌的第一道防線［29］。對于土壤中的病原微生物，一些特定微生物可能通過與病原菌競爭營養(yǎng)［30］、產(chǎn)生抗生素［31］、誘導(dǎo)植物系統(tǒng)抗性［32］、產(chǎn)生分解酶［33］等其中一種或多種機制來減少或防止植物病原微生物對植物的有害影響。微生物肥料可以防治尖孢鐮刀菌引起的西紅柿根腐病；還可以通過影響土壤微生物的多樣性和功能，從而促進紅椒的生長［34］。微生物肥料還能防治根結(jié)線蟲引起的病害［35］?？傊⑸锓柿系膽?yīng)用主要通過產(chǎn)生抗生素和重寄生等作用直接殺死病原微生物、通過營養(yǎng)競爭抑制有害微生物、誘導(dǎo)蔬菜抗性系統(tǒng)提高應(yīng)對病害的免疫能力等方面發(fā)揮生防作用（圖2）。

土壤微生物除了具有產(chǎn)生大量活性物質(zhì)的能力外，有的還具有固氮、溶磷、解鉀的能力，有的具有抑制植物根際病原菌的能力，有的則具有改善土壤微生態(tài)環(huán)境的能力［15］。研究還表明，微生物菌劑通過改善土壤pH值、有機質(zhì)、有效鉀、有效磷和堿解氮等土壤理化性狀緩解了黃瓜的連作障礙，從而提高重茬黃瓜的產(chǎn)量［36］。微生物肥料通過功能微生物的溶磷、解鉀、固氮的作用提高了土壤養(yǎng)分的供給能力，微生物分泌物對土壤團聚體及微粒結(jié)構(gòu)的改善有重要作用，從而對土壤化學(xué)肥力、生物肥力和物理肥力的恢復(fù)和維持發(fā)揮了重要的作用［11］（圖2）。

4 微生物肥料在蔬菜生產(chǎn)中存在的問題及應(yīng)用前景

4.1 微生物肥料在蔬菜生產(chǎn)中存在的問題

據(jù)統(tǒng)計，2019年我國蔬菜種植面積已經(jīng)達(dá)到2230萬hm2，設(shè)施蔬菜400多萬hm2。長期使用農(nóng)藥化肥對作物和土壤帶來的負(fù)面影響給予了微生物肥料發(fā)展的空間，微生物肥料在中國蔬菜種植上確實存在很大的應(yīng)用前景和市場空間。隨著我國微生物肥料產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展和生產(chǎn)規(guī)模的不斷壯大，微生物肥料的應(yīng)用逐漸推廣開來。但是仍未像化肥農(nóng)藥那樣普遍化、規(guī)模化和成熟化應(yīng)用的原因主要有以下幾點：（1）微生物肥料產(chǎn)品良莠不齊。影響微生物肥料質(zhì)量的主要因素是優(yōu)良菌種和生產(chǎn)工藝，因不同企業(yè)生產(chǎn)條件不同，工藝存在很大差異造成批次間產(chǎn)品質(zhì)量差異很大，再加上小企業(yè)不重視菌種的篩選、保藏和復(fù)壯，造成優(yōu)良菌種性能退化，導(dǎo)致微生物菌劑產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，影響規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用推廣。（2）微生物肥料功能較多。微生物菌劑具有修復(fù)土壤、改善土壤團粒結(jié)構(gòu)、降解重金屬和農(nóng)藥殘留、緩解重茬、抑制土傳病害、促進植物生長等作用。從應(yīng)用和市場推廣的角度來講，功能大而全的產(chǎn)品是沒有價值的，因為一旦微生物肥料的某個功能效果較差，該微生物肥料就會被全盤否定。（3）微生物肥料功能和實用技術(shù)未能被菜農(nóng)準(zhǔn)確掌握。微生物生長繁殖受到環(huán)境因素制約，并非快速見效，也不是一次使用就能長期見效；微生物肥料能減少化肥農(nóng)藥的用量，但并非完全替代化肥農(nóng)藥；微生物菌劑使用方式靈活多樣，有拌種、沾根、噴施、灌根等，不同使用方式，微生物菌劑發(fā)揮的效果也不同，因此需要技術(shù)推廣人員對微生物菌劑的功能和實用技術(shù)向菜農(nóng)進行深入培訓(xùn)，避免菜農(nóng)對微生物菌劑的理解偏差而影響微生物菌劑的推廣應(yīng)用。

4.2 微生物肥料在蔬菜種植應(yīng)用中的展望

與化肥和農(nóng)藥相比，微生物肥料具有經(jīng)濟、環(huán)境友好等顯著特點。微生物肥料施加到蔬菜土壤后，通過有效菌株的快速繁殖，一方面有利于土壤養(yǎng)分的周轉(zhuǎn)，另一方面抑制土壤病原菌，為蔬菜生長營造適宜的土壤環(huán)境，并且在減少化肥和化學(xué)農(nóng)藥用量、降低污染、改善土壤理化性狀、提高蔬菜生長和品質(zhì)等方面具有積極的作用［36-38］。大量的研究和生產(chǎn)實踐表明，微生物肥料在蔬菜可持續(xù)發(fā)展體系中具有廣闊的應(yīng)用前景［39］。

近年來微生物肥料在我國蔬菜種植上的研究和應(yīng)用不斷興起，因微生物肥料受土壤環(huán)境和植物個體的影響，因此開發(fā)適合蔬菜種植的各類微生物肥料和促生、生防用微生物菌劑等是今后研究的重點。具體從以下幾個方面開展：（1）因植物具有豐富的遺傳多樣性，雖然對一些植物功能微生物進行了篩選鑒定，應(yīng)用于微生物肥料的開發(fā)應(yīng)用，但是仍有大量的植物尚未涉及，因此對有效功能微生物菌株的篩選、鑒定以及專用和通用性功能微生物肥料的開發(fā)仍是今后研究的重要內(nèi)容；（2）微生物肥料中的功能微生物能否發(fā)揮作用，關(guān)鍵看是否在根際定殖以及與土壤微生物和養(yǎng)分周轉(zhuǎn)的相互作用關(guān)系，是需要今后進行深入探討的工作；（3）微生物菌劑對不同蔬菜種類的促生、生防機制及品種差異性闡述也是今后關(guān)注的重要研究內(nèi)容；（4）由于目前對微生物肥料研究不足及存在的肥效等問題，使其不能完全取代化肥，但其自身存在的優(yōu)點為化學(xué)肥料的減施提供了可能，在今后的研究中應(yīng)得到重視。隨著分子技術(shù)的發(fā)展和完善，高通量測序技術(shù)已經(jīng)用于微生物菌劑的生產(chǎn)和質(zhì)量監(jiān)控，為微生物肥料規(guī)模化生產(chǎn)和推廣提供技術(shù)支持。因此，微生物肥料在蔬菜生產(chǎn)中無論是應(yīng)用還是理論研究，均有待進一步突破，以促進蔬菜產(chǎn)業(yè)的綠色高質(zhì)量發(fā)展。