我國微生物肥料研究現(xiàn)狀及其在作物上的應(yīng)用進展

王景超 于曉菲 商姍姍

(山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院，山東 濟南 250100)

化肥工業(yè)的迅速發(fā)展極大地推動了我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展，糧食產(chǎn)量逐年穩(wěn)步提高，對保障國家糧食安全起到至關(guān)重要的作用。然而化學(xué)肥料的大量投入導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降、土壤硬化和環(huán)境污染等問題，嚴重影響我國綠色、有機、生態(tài)環(huán)保的可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展道路[1]。微生物肥料因具有改善土壤結(jié)構(gòu)、提升作物品質(zhì)、提高植物抗病蟲害能力等特點而備受關(guān)注，是發(fā)展“綠色和生態(tài)農(nóng)業(yè)”的需要，具有廣闊的應(yīng)用前景[2]。本文簡要分析了微生物肥料的作用機制及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，并綜述了微生物肥料在玉米、水稻和馬鈴薯等作物中的應(yīng)用進展，以期為微生物肥料的相關(guān)研究及推廣提供有用信息。

1 我國微生物肥料的研究現(xiàn)狀

1.1 微生物肥料的作用機制

微生物肥料是一類微生物活體制品，含有能夠進行繁殖的微生物，可產(chǎn)生活性物質(zhì)(植物激素、抗菌物質(zhì)等)，促進植物對營養(yǎng)元素的吸收利用并抑制有害微生物的活性[3]。微生物肥料的作用機制大體可分為促進氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素的吸收與利用，通過微生物代謝產(chǎn)物調(diào)控植物生長、增強植株抗逆性和抗病性等4方面[4]。

氮氣約占空氣成分的80%，高等植物自身不能直接利用，而共生固氮菌類、聯(lián)合固氮菌類和自生固氮菌類可通過自身固氮酶固定空氣中的氮氣，將其轉(zhuǎn)化為植物可吸收利用的氮源。微生物肥料中常用的固氮菌株有圓褐固氮菌、陰溝腸桿菌、苜蓿根瘤菌和氮單胞菌屬等。在水稻的生長發(fā)育過程中施用固氮菌(Azotobacter)，其固氮過程可提高水稻對氮素的吸收利用。在小麥、燕麥和大麥等作物的生長過程中施用固氮菌(Azotobacter)，也能起到很好的固氮作用。已有許多研究在探究固氮菌的固氮機制，并取得了一定進展。席琳喬等研究結(jié)果表明，將固氮菌接種到燕麥上可提高燕麥的固氮量及固氮百分率，以及燕麥全氮含量；劉劍君等試驗結(jié)果顯示，將從烤煙植株根際分離鑒定到的優(yōu)勢固氮菌施用到烤煙上可提高其殺青樣品中的氮含量；曹云海研究結(jié)果表明，在非豆科植物小麥、玉米的生長發(fā)育過程中施加含有固氮菌的微生物肥料可顯著提高其產(chǎn)量。

磷是植物生長發(fā)育的必需元素之一，但植物很難直接吸收利用土壤中的磷。土壤中具有溶磷能力的微生物在其生長和繁殖等生命過程中會產(chǎn)生一系列的酶和酸性物質(zhì)，能有效提高植物對土壤中磷的吸收利用，提高土壤有機質(zhì)含量，并改善植物營養(yǎng)條件和土壤結(jié)構(gòu)等，對提高植物產(chǎn)量具有重要作用。微生物肥料中常用的溶磷微生物有微球菌屬(Micrococcus)、歐文氏菌屬(Erwinia)、假單胞菌屬(Pseudomonas)、土壤桿菌屬(Agrobacterium)、芽孢桿菌屬(Bacillus)和黃金桿菌屬(Chryseobacterium)等。溶磷微生物的溶磷機制主要包括酶解和酸解。真菌類溶磷微生物通過自身代謝活動過程中產(chǎn)生的磷酸酶、核酸酶等分解土壤中的磷酸鹽成分，提高植物對磷元素的利用效率；革蘭氏陰性細菌主要通過直接氧化方式向細胞外分泌有機酸，將難溶性磷物質(zhì)進行酸化，生成有利于植物吸收利用的磷形式；曲霉菌(Aspergillus)和青霉菌(penicillium)等則主要通過自身生命活動分泌產(chǎn)生的有機酸，如草酸、琥珀酸、乳酸、延胡索酸等，將磷礦粉等進行酸解，釋放磷酸根離子[5]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，施用溶磷微生物肥料可促進植物的生長發(fā)育，并提高其產(chǎn)量。在萵苣(Lactuca sativa)和野胡蘿卜的生長發(fā)育過程中，施用含有溶磷根瘤菌的微生物肥料可促進其生長；在草莓的種植過程中，添加含有葉桿菌屬(Phyllobacterium)的微生物肥料可提高草莓品質(zhì)；在辣椒和番茄的生長過程中施用溶磷微生物肥料，可促進其生長；在青菜的盆栽及大田試驗中發(fā)現(xiàn)，施用溶磷微生物肥料可增加其主根長度和根系鮮重。

土壤中的鉀元素主要以難溶性礦物質(zhì)的形式存在，難以被植物直接吸收利用。土壤中的解鉀菌能將難溶性礦物質(zhì)分解，使難溶性鉀轉(zhuǎn)化為有效性鉀，促進植物對鉀的有效吸收利用。微生物肥料中常用的解鉀菌有多黏芽孢桿菌、膠質(zhì)芽孢桿菌等。有研究認為，解鉀細菌的解鉀機制是通過分泌有機酸(乙酸、酒石酸、草酸等)，利用有機酸中的羥基和羧基結(jié)合礦物質(zhì)中的金屬離子，破壞其晶體結(jié)構(gòu)并導(dǎo)致礦石分解，從而將難溶礦物質(zhì)中的鉀元素釋放出來，以供植物生長發(fā)育所需[6]。施用解鉀微生物肥料可促進番茄、辣椒、茄子和黃瓜等的生長，可提高棉花產(chǎn)量、提高蘇丹草生物量、增加黑胡椒干重等，可增加小麥和水稻等對鉀元素的吸收量。

在植物的生長發(fā)育過程中，微生物代謝活動產(chǎn)生的各種植物生長調(diào)節(jié)劑可對其產(chǎn)生影響?，F(xiàn)有研究表明，約有80%的根際細菌可產(chǎn)生吲哚乙酸，促進植物的生長。分泌吲哚乙酸的微生物主要有黃單胞菌、假單胞菌、固氮螺菌、根瘤菌和糞產(chǎn)堿桿菌等。施用能產(chǎn)生吲哚乙酸的微生物菌肥可促進馬鈴薯、萵苣、甜椒、番茄等作物的生長。少數(shù)細菌能產(chǎn)生赤霉素，促進植物發(fā)芽和莖葉生長、促進側(cè)芽發(fā)生和植物開花結(jié)果，并提高結(jié)實率。施用能產(chǎn)生赤霉素的微生物菌肥可明顯促進紅辣椒和番茄的生長。部分巨大芽孢桿菌、沙雷氏菌等代謝活動中能產(chǎn)生細胞分裂素，促進植物細胞分裂與膨大、促進側(cè)芽發(fā)生[7]。施用能產(chǎn)生細胞分裂素的微生物菌肥可促進黃瓜的生長。乙烯作為重要的植物激素之一，可促進或抑制根、葉、花的生長和發(fā)育。某些根際促生菌可產(chǎn)生降解植物合成乙烯前體物質(zhì)的ACC脫氨酶，間接促進植物的生長發(fā)育[5]。施用可產(chǎn)生ACC脫氨酶的微生物菌肥可促進小麥、綠豆、胡椒和番茄等生長，促進雙孢菇提前出菇并提高其產(chǎn)量，提高水稻種子的發(fā)芽勢并促進幼苗根系生長。

在作物的生長發(fā)育過程中施用微生物肥料，可顯著提高作物對極端溫度、干旱、土壤酸堿度、濕度和重金屬毒害等的耐受力，有效提高作物在各種逆境脅迫條件下的生長發(fā)育能力及生存能力。在馬鈴薯的種植過程中施加微生物肥料，通過微生物自身代謝活動可增加土壤中的水分含量，從而提高其對干旱的耐受力[8]；在水稻和黃瓜的生長發(fā)育過程中施加微生物肥料，不僅能有效提高其產(chǎn)量，還可改善其對寒冷環(huán)境的耐受性；在黑麥草的種植過程中，聯(lián)合使用根際有益細菌與保水劑，能夠明顯提高黑麥草對干旱的抗性；在蘆筍的生長過程中施用含假單胞菌的微生物肥料，可改善蘆筍的抗?jié)衬芰?，提高其在澇漬狀態(tài)下的發(fā)芽率；有研究發(fā)現(xiàn)，在草分支桿菌、多黏芽孢桿菌和堿性芽孢桿菌的代謝活動中能夠產(chǎn)生鈣土，提高玉米在高溫以及高鹽分環(huán)境條件下的生長，并促進養(yǎng)分吸收[9]；施用微生物菌肥可提高荒漠沙土中棉花的發(fā)芽率以及對干旱和高溫的抗性。

微生物菌肥中的有益菌可產(chǎn)生20多種常見抗生素，通過對土壤中病原菌的生長與繁殖過程產(chǎn)生抑制作用，從而增強植物的抗病能力[7]。在小麥種植過程中施用含假單胞菌的微生物肥料，可通過其產(chǎn)生的抗生素抑制高曼諾氏菌(小麥的一種病原菌)；在熒光假單胞菌和費氏中華根瘤菌的自身代謝活動過程中，可產(chǎn)生幾丁質(zhì)酶和β-葡糖酶等，能有效抑制潮濕鐮刀菌的生長，起到防治枯萎病的作用[6]；在苜蓿的生長發(fā)育過程中施用含有蠟樣芽孢桿菌的微生物肥料，能有效預(yù)防猝倒??；芽孢桿菌和假單胞菌自身代謝活動中產(chǎn)生的嗜鐵素可有效抑制玉米生長發(fā)育過程中遇到的病原真菌；有研究表明，從烤煙根際微生物菌群分離得到的菌株AO3和BO4，能很好地抑制煙草青枯病、角斑病和赤星病病原菌，將其制成微生物肥料，能明顯促進種子發(fā)芽并顯著提高其產(chǎn)量；在棉花、油菜和草莓種植過程中施用含涇陽鏈霉菌的微生物肥料，可顯著抑制棉花黃萎病菌和棉花枯萎病菌、油菜菌核病菌及草莓灰霉病菌的生長和繁殖[5]。

1.2 微生物肥料在我國的產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

我國微生物肥料產(chǎn)業(yè)的開發(fā)始于20世紀30—40年代，于20世紀80年代后期迅速發(fā)展，從小作坊、土辦法逐漸過渡到規(guī)模化、標準化、產(chǎn)業(yè)化。微生物肥料的登記、農(nóng)用微生物產(chǎn)品標識要求、生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程、有效性評價以及市場監(jiān)管、生物安全準則等相關(guān)標準也逐步完善。微生物肥料的企業(yè)數(shù)量不斷增加，從20世紀90年代的100多家增長至現(xiàn)今的2000多家，遍布31個省市區(qū)[7]。微生物菌肥也從功能單一的菌肥發(fā)展為復(fù)合型菌肥，陸續(xù)出現(xiàn)基肥、有機無機復(fù)合菌肥、基因工程菌肥、生物有機肥等。目前我國微生物肥料按劑型可分為粉劑、顆粒和液體等3類，其中粉劑型保質(zhì)期較長，但受潮易結(jié)塊；顆粒狀菌肥保質(zhì)期也較長，但加工方式會大大降低甚至殺死微生物活性；液體菌肥有效活菌最多，但不宜運輸保存。我國常用的微生物劑型多為粉劑。我國微生物肥料使用量增長迅速，但與化學(xué)肥料使用量相比仍存在較大差距，這與我國對微生物肥料的重視程度不足有關(guān)。微生物肥料市場價位較高且產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，使用的菌種性狀不好且活性易受環(huán)境影響，加之農(nóng)民對微生物肥料缺乏了解，在施用過程中操作不科學(xué)易導(dǎo)致效果不佳，從而影響了微生物肥料在生產(chǎn)上的推廣。

2 微生物肥料在作物中的應(yīng)用進展

過量施用化肥造成生態(tài)環(huán)境破壞與污染，嚴重威脅到農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大力推廣環(huán)保高效的微生物肥料是發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)的必然要求?，F(xiàn)有的報道顯示，在我國主要作物中均已不同程度地施用微生物肥料，現(xiàn)就微生物肥料在玉米、水稻和馬鈴薯等作物中的應(yīng)用進展進行簡要總結(jié)。

2.1 微生物肥料在玉米中的應(yīng)用進展

玉米是我國重要的糧食作物，在北方地區(qū)廣泛種植。為提高玉米產(chǎn)量，氮磷鉀肥的使用量逐年遞增，但增產(chǎn)效應(yīng)卻逐年降低。化肥大量不合理施用帶來環(huán)境污染、土壤肥力退化等問題，微生物肥料的施用可顯著改善這些問題。宋玉清等研究發(fā)現(xiàn)，施用固氮菌劑能增加玉米的株高、千粒重、籽粒蛋白含量和生物量。陳三鳳等試驗結(jié)果表明，施用微生物肥料可增加玉米的穗長、行粒數(shù)、百粒重等。徐淑性等研究結(jié)果表明，施用固氮菌劑能增加玉米的穗粒數(shù)、粒重及干重。Abou-el-Seoud的試驗結(jié)果表明，施用溶磷菌劑可顯著促進玉米的株高、葉長、葉寬、根長及玉米地上部的鮮重和干重。羅廣寧等研究發(fā)現(xiàn)，追施菌根菌劑也能促進玉米植株生長。在玉米的不同生長階段施用復(fù)合菌劑均可促進玉米生長。播種時做基肥可促進玉米出苗，出葉速度快且株高增加明顯；苗期追肥可使玉米植株增高、增粗、擴大葉面積；玉米抽雄后施用，葉片葉綠素含量均較對照有明顯提高[5]。Lizárraga-Sánchez等和Pereira等試驗結(jié)果表明，施用微生物肥料(生防菌劑)可極大程度地降低莖腐和穗腐的發(fā)生率。

2.2 微生物肥料在水稻中的應(yīng)用進展

水稻作為我國3大糧食作物之一，對于我國糧食安全具有重大意義。目前我國水稻生產(chǎn)過程中施用化肥不當?shù)膯栴}日益突出，如氮磷鉀肥比例失衡、欠缺微量元素補充等。隨著微生物肥料的發(fā)展與應(yīng)用，一定程度地緩解了以上問題，并在實際生產(chǎn)中取得了一些效果。印德釗等[10]研究發(fā)現(xiàn)，施用微生物肥料可延長水稻分蘗期、促進根系生長及增加產(chǎn)量。吳文革等[11]試驗結(jié)果表明，施用水稻專用微生物肥料有利于水稻分蘗并且水稻增產(chǎn)效果顯著，同時可節(jié)肥、節(jié)省人工。宋維民等[12]研究表明，施用微生物肥料可提高水稻產(chǎn)量并有效改善稻米食味品質(zhì)。裴鑫宇等[13]試驗結(jié)果表明，微生物肥料可提高水稻分蘗、株高、穗粒數(shù)、結(jié)實率等指標，增加水稻產(chǎn)量。張召忠研究表明，復(fù)合微生物肥的施用可增加水稻分蘗，呈現(xiàn)早熟并增產(chǎn)。

2.3 微生物肥料在馬鈴薯中的應(yīng)用進展

馬鈴薯俗稱土豆、洋芋，塊莖可食用，兼具糧食和蔬菜的特性，是百姓生活中最常見的食品。目前我國馬鈴薯的種植范圍逐年擴大，同時產(chǎn)量和需求量也在不斷增長。微生物肥料的施用可促進馬鈴薯生長、提高產(chǎn)量并改善品質(zhì)。孫圣[14]試驗結(jié)果表明，施用微生物肥料可增加馬鈴薯根莖葉的干重，提高馬鈴薯的葉綠素含量。馬亞君[15]研究表明，施用微生物肥料可促進出苗率，增加株高、主莖粗和分枝數(shù)，提高產(chǎn)量并改善塊莖的綜合營養(yǎng)成分。吳建峰等的試驗結(jié)果表明，施用微生物肥料能夠促進馬鈴薯根部對營養(yǎng)的吸收、增強抗性并改善土壤質(zhì)量。王素英等[3]研究表明，施用微生物肥料可有效提高馬鈴薯的產(chǎn)量，改善馬鈴薯的品質(zhì)。

3 展望

在當前國家要求發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)、生態(tài)農(nóng)業(yè)和可持續(xù)農(nóng)業(yè)的背景下，微生物肥料具有廣闊的應(yīng)用前景。目前關(guān)于微生物肥料中多種微生物的作用機制尚未清楚，相關(guān)基礎(chǔ)性研究嚴重欠缺。但隨著分子生物學(xué)的不斷發(fā)展，通過現(xiàn)代分子生物技術(shù)手段，深入探究我國微生物肥料的作用機理成為可能。目前，我國微生物肥料的生產(chǎn)存在企業(yè)管理不規(guī)范、產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊、生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)落后等問題，需要通過采用現(xiàn)代化企業(yè)管理、創(chuàng)制研發(fā)先進技術(shù)設(shè)備，提高產(chǎn)品質(zhì)量，優(yōu)化產(chǎn)品工藝條件及相關(guān)流程等，研發(fā)出更多高品質(zhì)的微生物肥料。未來，隨著我國微生物肥料的大力推廣和使用，微生物肥料企業(yè)的不斷壯大與發(fā)展，必將能夠在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮越來越重要的作用。