兩種固氮芽孢桿菌菌劑在小麥—玉米輪作區大田試驗效果評價

李剛強， 王楠， 李永斌， 李云龍， 王克功， 王睿， 賀建元，劉德虎， 張麗霞， 王琦， 陳三鳳*

(1.中國農業科學院生物技術研究所，北京100081； 2.中國農業大學生物學院，北京100193；3.山西省農業科學院小麥研究所，山西 臨汾 041000；4.中農綠康(北京)生物技術有限公司，北京 102101；5. 中國農業大學植物保護學院，北京 100193)

糧食安全是關系我國國民經濟發展和社會穩定的重大問題，目前我國糧食作物的生產仍依賴于化肥和農藥，但持續和過量的施用已經嚴重影響土壤微生物區系平衡，破壞土壤結構，污染水源，進而威脅著農業可持續發展和糧食安全[1-3]。而微生物肥料以其利用率高、促進植物生長、提高植物抗病性、改善微生物區系結構、保護土壤水質安全等優勢，被認為是化肥農藥的重要補充和替代品[4-7]，但相對于化肥和農藥來說，微生物肥料種類少、成本高、田間施用技術推廣不足，導致微生物肥料的多種優勢尚沒有充分發揮，其應用價值和經濟效益具有巨大的提升空間。

近年來，在國家政策和市場需求的引導下，微生物肥料理論和應用研究都得到了迅猛發展[8]，就國內已發表的微生物肥料相關報道來說，2016年比2006年的發文數量提高了24倍[9]，表明其已逐漸成為理論研究的新熱點。但目前市面上的微生物肥料仍存在菌株與產品同質化嚴重、促生機制不明確、大田應用不理想[8]等諸多問題，因此，篩選和應用新的促生機制明確的功能菌株、加強商品化前期的大田應用效果試驗是我國微生物肥料行業亟待解決的問題。

小麥和玉米是我國重要的糧食作物，在國民農業生產中占有舉足輕重的地位[10]。小麥和玉米也是山西省的主導農作物，種植面積約占全省糧食作物的70%[11]。受氣候和地理環境等因素的影響，山西主要采用小麥—玉米輪作的種植模式。近年來，輪作區由于化肥施用不合理已造成一系列資源和環境問題，如養分利用效率低、土壤氮素大量殘留、地下水硝酸鹽含量超標等[11]。因此，增加高效環保的微生物肥料施用比例對于輪作區的減施增效、改善生態環境、實現小麥和玉米產量和品質的可持續發展具有重要意義。

本課題組前期獲得了兩株促生功能明確的固氮芽孢桿菌菌株，分別命名為固氮芽孢桿菌1和固氮芽孢桿菌2，兩種菌劑具有固氮、分泌IAA以及抗病等植物促生活性[12]。為推進其產業化應用，本研究在小麥—玉米輪作區通過大田試驗評價這兩種菌劑的效果，以期為評價待測微生物菌劑對小麥和玉米田間生長及產量的應用效果，研發適用于小麥和玉米乃至其他作物實際生產的微生物肥料產品提供推廣應用基礎。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試小麥品種為山農20，玉米品種為先玉335，均由山西省農業科學院小麥研究所保存。供試菌劑固氮芽孢桿菌1和固氮芽孢桿菌2由實驗室保存。試驗地基肥為艷陽天復合肥料(總養分≥46%，N：P2O5：K2O=26：14∶6)，購自山東紅日化工股份有限公司；追肥為尿素(含氮量46%)，由中農綠康(北京)生物技術有限公司提供。

1.2 試驗區域

該試驗在山西省農業科學院小麥研究所韓村試驗基地內進行(0.667 hm2，位于36°19′N，111°49′E)。 試驗地塊位于山西省臨汾市堯都區韓村，地勢平整，土壤質地為壤土，水肥條件良好，常年種植模式為小麥—玉米輪作。

1.3 試驗設計

1.3.1小麥田間示范試驗 播種時間為2017年10月16日，機械條播，播量為262.37 kg· hm-2，田間管理同一般生產田。天氣情況與常年相比，4月6日至8日氣溫較往年偏低，出現倒春寒，生育期降水量偏少。

固氮芽孢桿菌菌劑 1液劑處理(WT1)：6 L· hm-2，兌水600 L· hm-2，處理面積為0.27 hm2；固氮芽孢桿菌菌劑2液劑處理(WT2)：18 L·hm-2，兌水600 L·hm-2+減氮15%，處理面積為0.27 hm2；對照1(WCK1): 噴施清水600 L·hm-2+不減N，處理面積為0.07 hm2；對照2(WCK2)：噴施清水600 L·hm-2+減氮15%，處理面積為0.07 hm2，共四個處理。

2018年4月8日，小麥拔節期，用WBD-20A背負式電動噴霧器(臺州市路橋明輝電動噴霧器有限公司)進行噴霧處理。噴頭為扇形防漂移噴嘴，噴液量為600 L·hm-2。噴藥后10 h內試驗地無降雨。

1.3.2玉米田間示范試驗 播種時間為2018年6月15日，機械條播，玉米行距60 cm，株距27 cm，播量61 845粒·hm-2，田間管理同一般生產田。

固氮芽孢桿菌菌劑1處理(MT1)：用量2.10 kg·hm-2，拌入底肥隨底肥施用，在總施肥量中減氮15%，處理面積為0.17 hm2；固氮芽孢桿菌菌劑2處理(MT2)：用量15 kg·hm-2，拌入底肥隨底肥施用，在總施肥量中減氮15%，處理面積為0.17 hm2；對照1(MCK1):不減氮，處理面積為0.07 hm2；對照2(MCK2)：在總施肥量中減氮15%，處理面積為0.07 hm2，共四個處理。

施肥量：底肥為復合肥750 kg·hm-2+尿素277.1 kg·hm-2，減氮處理為復合肥750 kg·hm-2+尿素203.75 kg·hm-2。2018年6月15日，兩種菌劑均按照試驗設計施肥量隨底肥施入田中。

1.4 調查方法

1.4.1小麥 2018年4月8日噴藥，分別觀察兩種微生物菌劑噴施后0、15、30、45 d的小麥生長情況(包括處理和對照小區)，比較處理區與對照區小麥開花、結穗時間差異。

調查拔節期(噴施15 d)和孕穗期(噴施30 d)小麥株高及鮮重。每個處理隨機取樣20株，測量其小麥株高及鮮重。

小麥收獲前，每處理隨機選取3點，每點按1 m2樣方取點，統計該樣方內小麥穗數，穗粒數，千粒重及小麥籽粒總重，并計算小麥產量。使用SPSS24.0對數據進行差異顯著性分析。

1.4.2玉米 每個處理隨機取樣20株，測量玉米出苗、15、30、45 d的株高、葉長及葉寬； 調查記錄處理地塊的玉米開花期、結穗期；玉米收獲前，每處理隨機取樣20株，統計其株高、株鮮重、穗鮮重、穗干重、穗長、穗寬、穗粒重、百粒重，并計算玉米產量。1.5 數據分析

使用Excell和SPSS 24.0軟件對試驗數據進行統計和差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 兩種微生物菌劑對小麥的田間示范效果評價

2.1.1兩種微生物菌劑對小麥拔節期和孕穗期的株高及鮮重的影響 對4個區塊小麥的整個生長期進行觀察，四種處理的開花、結穗時間均無顯著差異。小麥拔節期(處理后15 d)和孕穗期(處理后30 d)對株高和鮮重進行統計分析，結果如表1所示。

實驗結果表明，兩種菌劑處理對小麥拔節期與孕穗期的株高和鮮重有顯著影響(表1)。小麥拔節期4個處理中株高最高的是固氮芽孢桿菌1處理(53.27 cm)，固氮芽孢桿菌2次之(49.60 cm)，與兩個對照間差異顯著；鮮重最高的是固氮芽孢桿菌1處理，為2.91 g，固氮芽孢桿菌2處理次之，為2.83 g，各處理差異顯著。小麥孕穗期四個處理中株高最高的是固氮芽孢桿菌1處理(65.74 cm)，固氮芽孢桿菌2次之(63.20 cm)，與兩個對照間差異顯著；鮮重最高的是固氮芽孢桿菌1處理，為6.31 g，固氮芽孢桿菌2處理次之，為6.19 g，各處理差異性顯著。

表1 不同菌劑對小麥拔節期和孕穗期的株高及鮮重影響Table 1 Effect of the two kinds of microbial agents on the plant height and fresh weight of wheat at jointing stage and booting stage

由試驗結果可得出，固氮芽孢桿菌1和2處理后均可顯著提高小麥株高和鮮重，促進小麥生長，增加生物量，提高小麥抗逆能力，為小麥增產做出貢獻。尤其是固氮芽孢桿菌2在減氮15%處理下，依然表現出良好的生長狀態，株高和鮮重顯著高于兩組對照。

2.1.2兩種微生物菌劑對小麥產量的影響 固氮芽孢桿菌1和2處理對小麥畝穗數、穗粒數、千粒重和產量有不同影響(表2)。四個處理中穗數最多的是固氮芽孢桿菌2處理(761.92萬穗)，與最低的兩個對照間有顯著性差異；不同處理的穗粒數為27.63～28.47，減氮15%對照處理的穗粒數最少，處理間差異不顯著；四個處理中千粒重最重的是固氮芽孢桿菌1處理(36.53 g)，與最低的兩個對照間有顯著性差異；產量最高的為固氮芽孢桿菌1處理，達到6 211.24 kg，最低的是減氮15%對照處理，為4 938.08 kg，處理間差異顯著。

表2 不同菌劑對小麥產量構成因素的影響Table 2 Effect of the two kinds of microbial agents on the yield components of wheat

由表2可知，固氮芽孢桿菌菌劑1和2處理后小麥均表現為增產，產量顯著高于兩組對照，最高增產量達1 273.16 kg·hm-2，為固氮芽孢桿菌1處理，其顯著提高了小麥千粒重，達到增產效果，相較于對照增產23.83%。固氮芽孢桿菌2在減少15%氮肥施用的情況下，產量仍顯著高于兩組對照，相較于對照減氮15%處理增產23.20%，比對照增產13.84%，與菌劑1處理產量僅相差127.73 kg，表現優異。

2.2 兩種微生物菌劑對玉米的田間示范效果評價

2.2.1兩種微生物菌劑對玉米株高和葉片的影響 由表3可知，2種菌劑(均減氮15%)處理后15、30 d的玉米株高均顯著高于對照2(減氮15%氮肥施用)，與對照1(正常氮量)差異不顯著；2種菌劑間在處理后15 與30 d株高無明顯差異，45 d時各處理間差異不顯著；2種不同菌劑處理后15 d玉米葉長與對照1、對照2無顯著性差異；處理后30 及45 d后，菌劑1的玉米葉長均顯著高于其他處理，菌劑2處理后30 及45 d與對照2(減少15%氮肥施用)差異顯著，與對照1(不減少氮肥施用)無明顯差異，表明2種菌劑處理在減少15%氮肥施用量情況下對玉米葉片生長有較明顯影響，可以顯著增加玉米葉長；固氮芽孢桿菌1處理后15、30 及45 d的玉米葉寬均顯著高于對照2(減氮15%)，與對照1(正常氮量)差異性不顯著；處理后45 d后，各菌劑間的葉寬無顯著差異。

表3 不同菌劑對玉米不同時期株高和葉片的影響Table 3 Effect of the two kinds of microbial agents on the plant height and leaf of maize at different times

綜上，隨著玉米的生長，2種菌劑在減少15%氮肥施用下，玉米的株高、葉長和葉寬均顯著高于對照2(減氮15%)，與對照1(正常氮量)生長情況差異不明顯，表明這三種菌劑均有促進玉米生長，顯著增加玉米生物量作用，其中以菌劑1效果最好。

2.2.2兩種微生物菌劑對玉米產量因素的影響 玉米收獲前，對影響玉米最終產量的株高、植株鮮重進行測定，并對產量性狀進行考種，結果如表4所示。可以看出，在玉米收獲期，2種不同菌劑(減氮15%)處理后玉米株高均顯著高于對照1(減氮15%)，菌劑1處理的玉米株高顯著高于對照2(正常氮量)，菌劑2處理的玉米株高與對照2(正常氮量)差異不顯著；2種菌劑處理后玉米植株鮮重顯著高于對照處理。試驗結果表明，2種菌劑處理對玉米的生長發育有明顯的促進作用，可顯著提高玉米生物量，增加光合作用，促進玉米增產。

表4 不同菌劑對玉米產量性狀的影響Table 4 Effect of the two kinds of microbial agents on the yield components of maize

2種菌劑處理的玉米穗鮮重顯著高于兩組對照，穗干重、穗長、穗寬和百粒重顯著高于對照2。2種菌劑處理的玉米產量均顯著高于2組對照。與對照1相比，菌劑1處理產量提高9.30%，菌劑2產量提高9.78%；與對照2(減氮15%)相比，菌劑1處理產量提高18.58%，菌劑2處理產量提高19.09%， 其中菌劑2處理產量最高。

綜上所述，在山西臨汾小麥玉米輪作種植條件下，2種菌劑均可促進玉米生長，在同等肥力情況下，可顯著提高玉米生物量、改善產量構成要素，提高玉米產量。

3 討論

本研究將前期篩選得到的2種具有植物促生作用的微生物菌劑，采用技術要求低、適于田間操作、易于推廣的噴施和拌種方式，應用于小麥—玉米輪作區的大田試驗，顯著提高了試驗區小麥和玉米的產量。

2種供試的固氮芽孢桿菌均具有促進小麥和玉米生長、提高產量的作用，但2種菌劑對不同的測定參數和產量構成因素具有不同的促進作用，菌劑1主要提高了小麥的千粒重，而菌劑2主要提高了小麥的穗數；菌劑1主要提高了玉米的穗粒數，而菌劑2主要提高了玉米的百粒重，表明2種菌劑對小麥和玉米的促生效應不同，因此，可嘗試兩種菌劑復配或與其他微生物菌劑復配使用，從而可能產生更加全面和高效的植物促生效應。

另外，菌劑試驗處理時小麥已到拔節期，錯過增加小麥分蘗的最佳時期，但固氮芽孢桿菌處理的畝穗數仍顯著高于對照組，可能與本年特殊氣候有關。2018年3月中下旬氣溫偏高，2018年4月6日至8日氣溫較往年偏低，最低達-5 ℃，出現倒春寒，部分小麥出現凍害，且小麥生長后期莖基腐病發生嚴重，成熟期表現為白穗、無籽粒。固氮芽孢桿菌菌劑處理后的小麥可能有較強的抗病能力，降低莖基腐病的發生，提高小麥成穗率，需進一步試驗驗證。

本研究結果顯示，與施用化肥相比，兩種菌劑可顯著提高小麥和玉米的產量，分別使小麥產量提高了23.83%和13.84%，使玉米產量提高了9.30%和9.78%，均不低于甚至高于目前市面上廣泛銷售的多種品牌的微生物菌肥，例如，播可潤生物菌肥(沈陽愛地生物科技有限公司)應用于大田玉米，需與復合化肥才可達到增產效果，最高增產率為3.6%[13]；黑龍江科吉生態農業開發有限公司的復合微生物肥料可提高玉米產量8.9%[14]；施用北京世紀阿姆斯生物技術有限公司生產的微生物菌劑(沃柯)的玉米增產率為3.69%～8.65%[15]；河南省科學院生物研究所有限責任公司生產的微生物肥料可使小麥增產8.68%[16]。可見，本研究所測試的微生物菌劑具有明顯的開發應用潛力。

綜上，本研究為豐富我國微生物肥料品種資源提供研究基礎，為小麥、玉米等作物的微生物肥料的田間施用技術推廣提供示范，也為推進我國化肥農藥減施增效重大戰略目標提供實驗數據基礎。