微生物菌劑在糧食作物生產(chǎn)中的應(yīng)用研究進展

馬學(xué)蘭 周連玉 巨家升

關(guān)鍵詞：微生物菌劑；糧食作物；應(yīng)用效果

糧食又稱為“谷物”，包括麥類、豆類、粗糧類和稻谷類。糧食是我國人民生活中最基本的食品，是食品、釀造、制藥、制革等工業(yè)生產(chǎn)部門的主要原料或輔助材料，而糧食生產(chǎn)和安全對于國民經(jīng)濟和社會發(fā)展具有重要意義[1]。在糧食生產(chǎn)中，為了提高產(chǎn)量過量施用化肥和農(nóng)藥，造成了土壤板結(jié)、地力下降，嚴重影響糧食產(chǎn)品的質(zhì)量安全和生態(tài)環(huán)境[2-4]。在國家農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求下，開發(fā)新型的微生物菌劑代替部分或全部化肥，有助于緩解生態(tài)安全、食品安全問題，推進農(nóng)業(yè)綠色生態(tài)發(fā)展。通過從自然界分離或?qū)ΜF(xiàn)有菌株進行選育后獲得功能性菌株，結(jié)合生物技術(shù)和加工技術(shù)制成的微生物菌劑施用于糧食作物，會提高作物產(chǎn)量，改善產(chǎn)品質(zhì)量[5]。筆者通過對微生物菌劑制備及應(yīng)用研究進展進行闡述，旨在為今后菌劑復(fù)配應(yīng)用于糧食作物，改善作物品質(zhì)，提高產(chǎn)量提供理論支持。

1 微生物菌劑類型

微生物菌劑種類較多，一般按照對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)、微生物種類、構(gòu)成成分以及作用機制等來劃分。按照不同標(biāo)準(zhǔn)可分為3類，分別為微生物菌劑、生物有機肥和復(fù)合微生物肥料；按照微生物種類可分為細菌肥料類、放線菌肥料類和真菌肥料類；按照構(gòu)成成分分為單一菌劑肥料和復(fù)合菌劑肥料；按照作用機制分為根瘤菌肥料、固氮菌肥料、解磷菌類肥料、解鉀菌類肥料和堆肥菌劑肥[6-7]。

微生物菌劑通過微生物生命活動來分解土壤中的化學(xué)物質(zhì)，有利于植物吸收營養(yǎng)物質(zhì)；有些微生物可產(chǎn)生生長激素促進植物生長，或代謝產(chǎn)生抑菌物質(zhì)抑制有害微生物的生長繁殖，為植物增產(chǎn)、抗病等發(fā)揮著有益作用。

2 微生物菌劑的制備

微生物菌劑的生產(chǎn)一般包括高效菌種的選育與培養(yǎng)、微生物菌劑的優(yōu)化、菌劑的干燥、貯藏等[5]。

菌種選育一方面可以從自然界中分離，另一方面通過馴化、誘變育種、DNA技術(shù)等方式對現(xiàn)有的菌株進行改造，以挑選出具有不同生產(chǎn)、代謝能力的菌種。目前常用的菌種有芽孢桿菌、青霉菌等，菌種的擴大培養(yǎng)需進行斜面菌種活化、液體菌種培養(yǎng)、液體發(fā)酵培養(yǎng)等過程。對于菌劑的發(fā)酵工藝研究，趙甜宇等[8]通過設(shè)置單因素和正交試驗優(yōu)化出在2.5%玉米淀粉、3%豆粕、2%葡萄糖的培養(yǎng)基，初始pH值為6.5、裝液量30mL（250mL錐形瓶）、溫度32℃、接種量7%的條件下，枯草芽孢桿菌最適合形成芽孢，芽孢數(shù)最高可達到1.1×1010cfu/mL。王玉麗[9]采用單因素試驗，研究培養(yǎng)基碳氮源、無機鹽、接種量、pH、搖床轉(zhuǎn)速對枯草芽孢桿菌產(chǎn)芽孢的影響，進一步采用正交設(shè)計優(yōu)化產(chǎn)芽孢發(fā)酵條件為：培養(yǎng)溫度30℃、轉(zhuǎn)速200r/min、接種量2%、pH=7，芽孢數(shù)達3.6×109cfu/mL。這些研究顯示，工藝條件、試驗設(shè)計、菌種的特性影響著菌劑的發(fā)酵生產(chǎn)。

在微生物菌劑應(yīng)用過程中，其存活量與吸附載體有關(guān)，良好的載體有利于吸附更多的菌體和提高菌體的存活率。吸附載體包括可溶性淀粉、碳酸鈣、硅藻土、高嶺土、木屑、活性炭、草炭、農(nóng)家肥或農(nóng)作物秸稈。王玉麗[9]研究載體種類、發(fā)酵液pH、水分含量、干燥溫度及干燥時間對枯草芽孢桿菌芽孢數(shù)的影響，獲得其最佳制備工藝：發(fā)酵液與載體比例為1.5∶1、干燥溫度為70℃、菌液pH值為7.0、載體為麩皮、水分含量為3.3%、菌劑有效活菌數(shù)為26億cfu/g。將微生物菌劑經(jīng)吸附、粉碎、過篩制成固態(tài)粉末狀菌劑后，通常貯藏于低溫、低濕、密封無氧條件下，以維持細胞存活率[5]。

3 微生物菌劑在糧食作物生產(chǎn)中的作用

3.1 微生物菌劑對土壤酶活性的影響

土壤酶是土壤生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的有機成分之一，能活化土壤中各類元素的化合物，進而提升土壤有效養(yǎng)分、改善土壤質(zhì)量。土壤酶主要包括蔗糖酶、纖維素酶、脲酶、磷酸酶、過氧化氫酶等[10-11]，大多數(shù)來自微生物和植物根[12]。土壤酶較少游離在土壤中，主要吸附在土壤有機質(zhì)和礦質(zhì)膠體上，以復(fù)合物狀態(tài)存在。微生物菌劑中有益菌群加速了土壤有機化合物的分解，提供了酶促反應(yīng)底物，從而促進了微生物的生長[6]。

單一菌劑能提高作物生長過程中多種土壤酶的活性。范娜等[13]分別施用菌株zsy、2-4、G-3、B-2、XM2的芽孢桿菌菌劑，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)高粱施用50倍稀釋的菌株XM2時，土壤蔗糖酶和土壤磷酸酶活性分別在拔節(jié)期和苗期最高，由此說明，2種土壤酶活性與菌劑種類、培養(yǎng)液濃度有關(guān)，在生產(chǎn)應(yīng)用時需要選擇合適的培養(yǎng)液濃度。不同的施用方式也會影響到土壤酶的活性。王振[14]研究發(fā)現(xiàn)，在水稻分蘗期、拔節(jié)期和灌漿期，除噴灑30kg/hm2農(nóng)用益菌王（復(fù)合生物菌劑）對土壤蔗糖酶活性影響最高外，土壤脲酶活性、土壤磷酸酶活性和過氧化氫酶活性均為15kg/hm2農(nóng)用益菌王浸種效果較好。土壤酶活性的高低受到土壤理化性質(zhì)的影響，YANG等[15]研究發(fā)現(xiàn)，在鹽堿地和中性土壤中依次施用濃度為0、102、104、106、108cfu/mL的克雷伯氏菌，玉米幼苗在鹽堿地和中性土壤中脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶、過氧化氫酶等活性隨著克雷伯氏菌濃度的增加而增加，且在堿性土壤中堿性磷酸酶、蔗糖酶和過氧化氫酶等活性顯著高于中性土壤的酶活性，可能是克雷伯氏菌促進了土壤磷的轉(zhuǎn)化和利用，提高了玉米幼苗在鹽堿脅迫條件下的抗逆性。目前大多數(shù)作物施用細菌菌劑，真菌菌劑的研究比較少，對小麥幼苗施用SP11細菌菌劑（芽孢桿菌）、T50真菌菌劑（毛霉）研究發(fā)現(xiàn)，SP11細菌菌劑能夠增加小麥根系磷酸酶活性，促進小麥生長[16]。

許多微生物之間還存在互惠互利關(guān)系，微生物的復(fù)合菌劑提高土壤酶活性效果往往比單一菌劑好。施用硅酸鹽細菌、根際促生菌及復(fù)配菌劑，在小麥返青期、拔節(jié)期、灌漿期和收獲期測定土壤纖維素酶活性發(fā)現(xiàn)，其呈現(xiàn)減少—增加—減少的趨勢，根際促生菌在返青期、收獲期及硅酸鹽細菌在收獲期提高土壤纖維素酶活性高于復(fù)配菌劑的效果，而在拔節(jié)期菌劑復(fù)配的纖維素酶活性比硅酸鹽細菌處理的高[17]。段雪嬌[7]用氨化細菌與鉀細菌配施水稻地，結(jié)果表明，與CK相比，土壤蔗糖酶和土壤磷酸酶活性在分蘗盛期分別提高77.4%～137.1%和2.8%～16.3%，抽穗初期分別提高53.4%～98.1%和16.6%～25.8%，抽穗末期活性分別提高57.4%～108.6%和1.1%～38.2%，成熟期分別提高57.9%～119.4%和22.9%～46.7%；當(dāng)復(fù)合菌與有機肥結(jié)合時，土壤中蔗糖酶、脲酶、磷酸酶、過氧化氫酶活性在分蘗期、拔節(jié)期、灌漿期顯著高于化肥組（P<0.05）。

3.2 微生物菌劑對土壤微生物的影響

土壤是適應(yīng)細菌、真菌、放線菌微生物生長的基質(zhì)，微生物主要具有分解有機物的作用，從而將其轉(zhuǎn)化為植物利用的營養(yǎng)物質(zhì)[18]。施加微生物菌劑能夠提高土壤中細菌、真菌、放線菌數(shù)量。氨化細菌與鉀細菌復(fù)配對土壤中細菌、放線菌、真菌數(shù)量有一定程度的影響，與CK相比，在水稻分蘗期、抽穗期、成熟期細菌數(shù)量增幅為48.31%～198.60%，真菌數(shù)量增幅為4.57%～37.22%，放線菌數(shù)量增幅為6.42%～48.2%[7]?；蕼p施與含光合細菌、乳酸菌群的復(fù)合菌劑配施時，細菌與放線菌數(shù)量顯著高于全量化肥組（P<0.05），增幅分別達到153.42%和124.17%，而真菌數(shù)量顯著低于全量化肥組（P<0.05）[19]。劉佳歡等[20]盆栽小麥試驗使用0、2、6、10g/kg黃腐酸肥料（包括巨大芽孢桿菌和枯草芽孢桿菌），除對照組均施1.5g/kg復(fù)合肥，結(jié)果表明，與復(fù)合肥組比，各菌劑組隨著培養(yǎng)天數(shù)的增加，細菌、真菌和放線菌的數(shù)量隨之增加，其中，細菌數(shù)量在第40天施用6g/kg黃腐酸肥料時達到最大值（8.47×107個）。微生物菌劑能促進土壤微生物的快速生長與繁殖，而微生物生物量受菌劑量、處理時間的影響。微生物菌劑在土壤環(huán)境中其生物量也會發(fā)生變化，對鹽堿土施用含鉀細菌和枯草芽孢桿菌的復(fù)合微生物菌劑，施用量為0.4、0.8g/kg，與0.4、0.8g/kg基質(zhì)組（含N、P、K）比，兩菌劑組土壤鉀細菌和枯草芽孢桿菌的數(shù)量有明顯提高，其中0.4g/kg微生物菌劑組鉀細菌和枯草芽孢桿菌數(shù)量分別增加了40.0%和31.6%[21]。高雁等[22]施用抗倒伏菌劑、促早熟菌劑、防病促生菌劑（解淀粉芽孢桿菌）后土壤微生物的AWCD（平均顏色變化率）各組均有增加趨勢，與對照相比，抗倒伏菌劑組增加了15.10%；各菌劑處理組Simpson優(yōu)勢度與McIntosh均勻度差異不顯著；Shannon豐富度各菌劑處理組呈增加趨勢，其中，抗倒伏菌劑組豐富度增加了2.13%。微生物菌劑與土壤微生物相互促進，共同提高肥效，促進作物豐產(chǎn)。

3.3 微生物菌劑對糧食作物農(nóng)藝性狀的影響

糧食作物的農(nóng)藝性狀主要有株高、莖粗、分蘗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量等。施用微生物菌劑后，作物的株高、莖粗、葉片數(shù)、分蘗數(shù)等性狀會發(fā)生變化。高雁等[22]施用抗倒伏菌劑、促早熟菌劑、防病促生菌劑（解淀粉芽孢桿菌），與CK相比，抗倒伏菌劑組莖粗顯著高于對照（P<0.05），增幅為15.07%。分別選用施用量為0.4、0.8g/kg的鉀細菌和枯草芽孢桿菌復(fù)配菌劑，不同施菌量處理玉米株高均高于對照，其中，在0.4g/kg下施用2種菌劑差異達極顯著（P<0.01），增加幅度為7.05%～15.61%[21]。郭夏宇等[23]采用含多種固氮菌的沃益多微生物菌肥（450、300、150g/hm2），發(fā)現(xiàn)施用微生物菌肥的各處理分蘗數(shù)比對照均明顯增多，其中，300g/hm2菌肥處理組單株分蘗數(shù)達到26.7個。微生物菌劑種類以及濃度對株高、莖粗、分蘗數(shù)等性狀影響效果有區(qū)別。常娜等[24]在河北望都、辛集、獻縣3個試驗基地種植小麥，施加枯草芽孢桿菌與膠胨樣芽孢桿菌的復(fù)合菌劑，與對照相比，望都基地小麥株高差異顯著，在辛集基地小麥分蘗數(shù)顯著高于對照（P<0.05），在獻縣小麥株高、葉片數(shù)、分蘗數(shù)均顯著高于對照（P<0.05），此研究說明了土壤理化性質(zhì)也影響著微生物菌劑的發(fā)揮作用。不同鹽度下（5.93、9.15、10.42、12.43、0.74dS/m）條件下，施用1.43g/kg混合青霉菌的生物菌肥，發(fā)現(xiàn)在低鹽條件下水稻株高、葉片顏色與淡水處理無顯著差異[25]，說明真菌生物肥料提高了水稻耐受高鹽度的能力。

植物地上部分的生長表現(xiàn)與地下部分的生長存在一定的關(guān)系。有研究發(fā)現(xiàn)，不同濃度單一微生物菌劑對小麥根系伸長有一定的促進作用，但促進效果沒有達到顯著水平[26-27]。當(dāng)施用復(fù)合菌劑時，與對照相比，100倍稀釋復(fù)合菌劑能顯著促進小麥幼苗兩側(cè)根長的生長，而10倍和1000倍稀釋復(fù)合菌劑影響不明顯，最長根長和根系數(shù)量在3個稀釋倍數(shù)的微生物菌劑處理下均沒有顯著差異[28]?？莶菅挎邨U菌與膠胨樣芽孢桿菌復(fù)配時，辛集基地和獻縣基地拔節(jié)期小麥次生根數(shù)顯著高于對照[24]。采用全量化肥組、減量30%化肥組配施固氮螺菌和復(fù)合菌劑（巴氏梭菌、棕色固氮菌和嗜酸乳桿菌）處理水稻，復(fù)合菌劑組的總根長、根直徑比全量化肥組或減量30%化肥組增幅分別為3.10%～13.94%、1.60%～11.99%或5.64%～15.13%、4.53%～14.76%；與全量化肥組相比，氮肥減量配施菌劑可以增加水稻根長、根系直徑，但差異不明顯[29]。

3.4 微生物菌劑對糧食作物光合效率的影響

葉綠素含量可以作為衡量植物光合作用強度的重要指標(biāo)之一。微生物菌劑施用能夠提高或降低葉綠素含量。對小麥?zhǔn)┯脝我痪鷦缂吣久筍FC-3菌劑或枯草芽孢桿菌，適宜的菌劑濃度能極顯著提高葉綠素含量（P<0.01），而菌劑濃度過低或過高反而會影響葉綠素的產(chǎn)生[26-27]。對ZJ8和JY417這2種玉米分別施用孢子濃度為1×109個/L哈茨木霉和長枝木霉，2種菌均能夠使玉米幼苗葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b含量提高，而長枝木霉提高葉綠素含量的幅度大于哈茨木霉，尤其是對玉米ZJ8的作用更好[30]。此外，作物在不同生育時期，葉綠素含量會發(fā)生不斷變化。在水稻苗期，15kg/hm2農(nóng)用益菌王組葉片的葉綠素含量最高，比CK高出76.33%；水稻分蘗期以15kg/hm2農(nóng)用益菌王浸種處理后葉綠素含量最多，比CK組高出54.99%；水稻灌漿期，葉片中葉綠素含量逐漸下降[14]。然而，有些微生物復(fù)合菌劑也不能增加作物的葉綠素含量[28]。

從光合速率參數(shù)來看，噴施菌肥能顯著增加水稻葉片光合速率、蒸騰速率以及電子傳遞速率[31]。在鹽堿脅迫下，施用哈茨木霉和長枝木霉對ZJ8和JY417這2種玉米幼苗葉片凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度的提高有顯著效果（P<0.05），并顯著緩解了寒地鹽堿土壤對玉米幼苗的脅迫；長枝木霉處理效果優(yōu)于哈茨木霉，尤其是對品種ZJ8的作用效果大于品種JY417[30]。不同稀釋倍數(shù)的復(fù)合液體微生物菌劑影響著小麥光合作用強度的變化，10倍和100倍復(fù)合液體微生物菌劑顯著提高光合作用強度（P<0.05），且10倍稀釋的光合作用強度比對照組高出22.2%，然而1000倍稀釋的微生物菌劑作用效果沒有達到顯著水平[28]。微生物菌劑種類、施用濃度、施用方式以及作用對象等因素均會影響作物的光合效率，繼而影響有機物的積累與運輸。

3.5 微生物菌劑對糧食作物產(chǎn)量的影響

穗粒數(shù)、成穗數(shù)、千粒質(zhì)量等指標(biāo)反映出糧食產(chǎn)量的高低。菌劑類型、菌劑微生物數(shù)、菌劑施加方式等因素對糧食作物產(chǎn)量有影響。方瑞琳等[32]對谷子分別施用匯源生物菌劑、復(fù)合木霉菌劑、異株解淀粉芽孢桿菌劑和阿美滋生物菌劑，研究發(fā)現(xiàn)，阿美滋生物菌劑顯著提高了谷子單穗粒質(zhì)量（P<0.05）；異株解淀粉芽孢桿菌劑顯著增加了谷子的粒穗比（P<0.05）；4種菌劑使谷子增產(chǎn)幅度達到7.40%～19.91%，然而僅復(fù)合木霉菌劑處理與CK之間存在顯著差異。千淋兆等[33]設(shè)置0、50%、75%和100%等4個磷水平，分別施用20kg/hm2菌劑草酸青霉I1、黑曲霉H1、巨大芽孢桿菌BM，發(fā)現(xiàn)在不同磷水平下施用菌劑處理的玉米產(chǎn)量顯著高于CK，其產(chǎn)量隨著磷肥增加而升高；3種菌劑增產(chǎn)效果為草酸青霉I1>黑曲霉H1>巨大芽孢桿菌BM。硅酸鹽細菌、根際促生菌、硅酸鹽細菌和根際促生菌菌劑復(fù)配對小麥增產(chǎn)率依次為24.23%、18.22%和20.00%，硅酸鹽細菌影響小麥產(chǎn)量達到極顯著水平（P<0.01），另外2組顯著提高了小麥產(chǎn)量（P<0.05）[17]。由此可見，不同類型的菌劑增產(chǎn)效果存在差異性。劉雙等[34]連續(xù)3a在玉米上施加固氮類芽孢桿菌菌劑1-18、L-56、菌劑復(fù)配，研究發(fā)現(xiàn)，2016—2018年夏玉米產(chǎn)量增產(chǎn)率分別為5.05%～16.06%、7.10%～12.19%、11.75%～18.51%；2016年菌劑1-18增產(chǎn)率明顯高于菌劑L-56，但是2017—2018年菌劑L-56增產(chǎn)率高于菌劑1-18，且3a內(nèi)復(fù)配菌劑組產(chǎn)量均高于單一菌劑組。TAN等[35]分別設(shè)置80kg/667m2復(fù)合微生物肥料（膠胨樣芽孢桿菌和枯草芽孢桿菌）、常規(guī)施肥、80kg/667m2復(fù)合微生物肥料滅活處理和對照組4個處理，研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合微生物菌肥處理的水稻產(chǎn)量最高，顯著或極顯著高于常規(guī)施肥組和對照組。在不同區(qū)域種植小麥，施用微生物菌劑（枯草芽孢桿菌與膠胨樣芽孢桿菌復(fù)配），小麥穗粒數(shù)、成穗數(shù)、千粒質(zhì)量及產(chǎn)量指標(biāo)在區(qū)域之間存在差異性[24]。增產(chǎn)效果還與發(fā)酵菌劑有效活菌數(shù)以及土地環(huán)境等因素有著密切的關(guān)系。

3.6 微生物菌劑對糧食作物品質(zhì)的影響

作物的營養(yǎng)物質(zhì)有碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)、維生素以及礦質(zhì)元素等成分，碾磨品質(zhì)主要包括糙米率、精米率和整精米率，其含量的高低直接影響著糧食的口味和營養(yǎng)價值。不同微生物菌劑施用對作物品質(zhì)（蛋白質(zhì)、脂肪、糙米率等）具有降低或提高的效果。何宗均等[36]對水稻施用枯草芽孢桿菌與膠胨樣芽孢桿菌混合菌，菌劑組蛋白質(zhì)含量低于對照組，而直鏈淀粉含量高于對照組。方成等[19]將減施40%化肥與含光合細菌、乳酸菌群等的復(fù)合菌劑配施，與全量化肥組相比，減施化肥與菌劑配施組玉米顯著積累可溶性蛋白（P<0.05），但可溶性糖和Vc含量差異不明顯。以碾磨和營養(yǎng)品質(zhì)為指標(biāo)，研究發(fā)現(xiàn)，菌肥處理的白粳1號、天井5號、白粳2號、綏粳4號、白2092、松99-150品種與對照長白9號7個品種的糙米率比常規(guī)施肥糙米率提高了0.02%～2.15%；其精米率比常規(guī)施肥增加0.20%～1.83%；菌肥處理的7個品種中蛋白質(zhì)含量近似于或低于常規(guī)施肥組；菌肥處理除松99-150品種外，6個品種的直鏈淀粉含量均高于常規(guī)施肥[37]。

4 展望

大多數(shù)微生物菌劑在糧食作物生產(chǎn)過程中通過提高土壤酶活性、改變微生物數(shù)量和結(jié)構(gòu)等方式，促進土壤養(yǎng)分的供應(yīng)能力；繼而糧食作物依靠發(fā)達的根系吸收養(yǎng)分以及光合色素含量高的葉片進行光合作用，增強糧食作物的抗逆性，達到提高糧食作物產(chǎn)量和品質(zhì)的效果，并且復(fù)配增效效果強于單一菌劑。然而菌劑在使用過程中與作物品種、劑型、土壤理化性質(zhì)、施用方式等方面密切相關(guān)。為了提高菌劑的肥效，選育優(yōu)良菌種，如解磷菌、解鉀菌、固氮菌、固碳菌、生防菌、根際促生菌，合理搭配組合成復(fù)合肥料，以減少農(nóng)田碳排放，增加土壤或糧食作物的固碳潛力，有利于實現(xiàn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中固碳減排的生態(tài)目標(biāo)。為了滿足糧食作物生產(chǎn)的需求，需要對菌劑的發(fā)酵生產(chǎn)工藝條件進行優(yōu)化，以及評價菌劑的有效成分與穩(wěn)定性。微生物菌劑的接種如何影響土壤微生物、土壤理化性質(zhì)，以及糧食作物生長性狀、產(chǎn)量、品質(zhì)等方面的應(yīng)用效果應(yīng)加強研究，而對于土壤微生物遺留效應(yīng)問題也是需要考慮的問題。