微生物菌肥在設施蔬菜生產中的研究進展

王亞文，史慧芳，張 鵬，郝 哲，閻雄飛

（1榆林學院生命科學學院，陜西榆林 719000；2榆林市農墾服務中心，陜西榆林 719000）

0 引言

中國作為人口大國和農業(yè)大國，對農業(yè)的生產以及優(yōu)質食品的要求在不斷的提高，但是隨著現(xiàn)代農業(yè)技術的發(fā)展與應用，化肥和農藥的不合理使用對中國農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展帶來了日趨嚴重的問題，如土地生產能力降低、土壤肥力下降、土壤板結、環(huán)境污染等問題突出[1]。2021 年的中央一號文件指出，糧食安全不能出問題，大力推進農業(yè)綠色問題，在此背景下，微生物菌肥因環(huán)境友好、綠色環(huán)保、資源節(jié)約等特點，從2013年至今已經(jīng)成為中國研究的熱點。

微生物菌肥是通過其具有活性微生物的生命活動來使作物得到生長發(fā)育所需要的營養(yǎng)，是農業(yè)生產中的一種新型肥料[2]，可以通過分泌的多糖、粘液來提高土壤保水、保肥的能力，來改善土壤的理化性質；也可以通過產生一些植物生長調節(jié)物質如生長素、赤霉素等，來促進作物對營養(yǎng)元素的吸收利用以及作物根系的健康生長，進而提高作物對養(yǎng)分的吸收能力，促進作物的健康生長；還可以通過產生抗生素、系統(tǒng)防衛(wèi)酶等物質抑制細菌或真菌性病害，來減輕病原菌對作物的為害，進而提高作物的抗病性和耐病性。除此之外，微生物菌肥還可以將無機元素轉化為對作物生長有益的有機化合物，進而提高作物的產量及品質。目前微生物菌肥已經(jīng)應用于多種作物中，成為了中國肥料應用的重要產業(yè)，盡管中國在微生物肥料研究領域有著顯著的成果，但其應用和推廣還遠遠不夠，平均施用量占肥料用量的不到一成，且利用率為30%左右[3]。

本研究將對微生物菌肥在蔬菜作物中的應用研究、作用機理及其未來的發(fā)展趨勢與展望等方面進行綜述，旨在為微生物菌肥在農作物上的應用和發(fā)展提供理論依據(jù)，對促進農田生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)，以及農作物的綠色可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

1 微生物菌肥的研究進展

微生物菌肥是一種含有有益活性微生物菌、活性酶、有機質及多種微量元素并可用于不同植物的活性菌劑或生物菌劑，其具有改良土壤、有效提高植物對養(yǎng)分的吸收利用、增強作物的抗脅迫和抗病能力等多種功能[4-5]。

在19世紀80年代，根瘤菌(Rhizobium)被荷蘭學者Beijerlinck發(fā)現(xiàn)成為了國外微生物菌肥研究的開端，隨后根菌劑開始了大范圍的研究和應用，除了對根菌劑的研究外，國外學者還對解磷菌、解鉀菌以及固氮菌進行了大量的推廣應用，并且取得了較為顯著的效果[6]。微生物菌肥在中國起步比較晚，自20世紀50年代從國外引進自生固氮菌、磷細菌和鉀細菌，先是對豆科植物應用根瘤菌接菌劑開始，以大豆和花生為主，并且取得了很好的應用效果，隨后是使用放線菌制成的“5406”抗生菌肥料和固氮藍綠藻肥的研究與應用[7]。20世紀80年代，植物根際促生菌(PGPR)被發(fā)現(xiàn)是一些可以有效提高作物的抗逆性和促進作物健康生長的微生物[8]，在這一階段有關聯(lián)合固氮微生物的菌劑和菌種的選育也在農業(yè)生產上取得了顯著的效果[9]，之后微生物菌肥在中國農業(yè)生產中開始了研究與應用。目前，中國對微生物菌肥的研究和應用已經(jīng)進入了新的發(fā)展階段，主要體現(xiàn)在微生物菌肥已經(jīng)應用到了多種農作物、蔬菜作物以及經(jīng)濟作物中，在農業(yè)生產中能夠促進植物對營養(yǎng)元素的吸收，提高果蔬的品質和植株的生物量，減少污染，提高經(jīng)濟效益。

2 微生物菌肥的作用機理

微生物菌肥憑借綠色環(huán)保、資源節(jié)約和環(huán)境友好等優(yōu)點，給社會、經(jīng)濟和生態(tài)帶來了巨大的效益，對現(xiàn)代生態(tài)農業(yè)的健康發(fā)展起著越來越重要的作用。隨著人們生活質量的提高，對吃食上的要求也越來越嚴格，尤其是對綠色、安全無公害產品的要求隨之增加，中國微生物菌肥已經(jīng)處于快速發(fā)展階段，對中國農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的綠色發(fā)展具有積極促進作用。微生物菌肥，在農業(yè)生產中有著不可替代的作用，主要表現(xiàn)在以下幾方面。

2.1 改善土壤結構

土壤是農業(yè)發(fā)展的基礎，土壤結構是在土壤成型的過程中由生物、物理和化學以及各種環(huán)境因素如風蝕、降雨等多種因素綜合而形成的團聚體，而土壤團聚體是微生物生活的主要微生境[10]。過量施用化肥會破壞土壤結構，其中氮肥施用過量會使土壤中的碳氮比遭到破壞，磷肥過多會導致土壤中的沉淀過多，鉀肥過多會使鉀離子轉換成多價的陽離子，進而導致土壤結構的破壞。微生物菌肥中所含有的活性微生物對土壤板結、土壤鹽漬化和土壤干旱有良好的改良效果，同時還可以促進微生物間的相互作用，提高土壤的穩(wěn)定性和土壤群落結構的多樣性。影響土壤團聚體的關鍵因素是土壤中有機質的含量，含量在0.25～0.5 mm 能很好的保持土壤團聚體的穩(wěn)定[11]。Chen等[12]發(fā)現(xiàn)微生物菌肥可以有效降低土壤中的鹽堿成分，其中芽孢桿菌屬的微生物菌肥對土壤鹽漬化的改良效果最為顯著。

2.2 提高土壤肥力

微生物菌肥的主要功效之一就是可以提高土壤肥力，微生物菌肥可以有效分解土壤中的腐殖質、有機質等營養(yǎng)物質，與植物之間形成共生體進行能量的轉換，也可以通過固定一些營養(yǎng)元素和營養(yǎng)物質來提高土壤養(yǎng)分性能，促進植株吸收利用，提高土壤肥力[13]。如固氮菌類的微生物肥料可以顯著增加土壤中的氮元素，對土壤起到固氮作用，主要以根瘤菌固氮效果最為顯著。解磷菌在代謝過程中可以將土壤中難溶的磷酸鹽類物質溶解[14-15]。膠質芽孢桿菌，可以分解含鉀素的礦物質，能夠將難溶的礦物質鉀素轉化為可以被植物吸收和利用的速效鉀，進而為植株提供所需的養(yǎng)分，促進作物生長[16]。

2.3 提高土壤酶活性

土壤酶活性是指土壤酶能夠催化土壤中的各種物質進行轉化的能力，也是檢測土壤的環(huán)境變化和土壤肥力程度的重要指標，其主要來自土壤中微生物、作物根系及動植物細胞所分泌的物質和動植物的尸體殘肢的分解物，既包括增值過程的微生物所釋放到土壤中的酶活性，也包含土壤中已經(jīng)累積的酶活性。土壤中腐殖質的形成與發(fā)育、土壤的形態(tài)結構和物理狀況以及各種營養(yǎng)元素的儲存與釋放與土壤酶活性息息相關。如脲酶主要是對尿素起著水解作用的土壤酶，反映了其對土壤的供氮能力，土壤酶活性的高低程度體現(xiàn)了植物對氮元素的直接利用和轉化程度[17]。蔗糖酶主要作用是促進蔗糖水解生成果糖和葡萄糖，可以增加土壤中的可溶性養(yǎng)分，土壤磷酸酶主要對土壤磷元素的轉化有著重要的作用，可以提高有機磷的脫磷速率[18]。微生物菌肥可以提升土壤中的各種酶活性，進而促進土壤微生物群落的平衡性和穩(wěn)定性，為作物提供了充足的營養(yǎng)物質。

2.4 產生植物激素類物質

微生物菌肥可以產生植物激素類物質，這些物質可以對作物的生長進行調節(jié)，促進作物良好發(fā)育，例如生長素、赤霉素和細胞分裂素等，這些激素能夠促使作物更好的吸收養(yǎng)分，還能加強土壤還原力，改善土壤環(huán)境。有相關研究表明微生物所產生的植物激素對植物的生長發(fā)育有一定的影響，植物根系的生長與微生物所產生的細胞分裂素息息相關[19-20]。Bonartsev 等[21]研究發(fā)現(xiàn)褐色球固氮菌也能產生細胞分裂素來調節(jié)作物的生長。Yasar 等[22]研究發(fā)現(xiàn)微生物菌肥中所含有的芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌均能產生植物生長素，可以促進作物生長。

2.5 提高作物的抗病性

微生物菌肥能提高作物的抗病性，主要體現(xiàn)在微生物菌肥中所含有的有益微生物在生長繁殖的過程中會在土壤微生態(tài)環(huán)境內形成優(yōu)勢種群，對病原微生物的生長繁殖具有抑制作用，有些微生物菌肥對病原微生物有著拮抗作用，在一定程度上可以減輕或預防作物遭到病原微生物的侵害作用[23]。許多微生物根際有益菌能產生抗生素、鏈霉素、Fe 載體等多種抑菌病害的物質，增強作物根部的抗病能力，如微生物菌肥對枯萎病、青枯病、白粉病等均有很好的抑制作用，促進作物健康生長[24-26]。

2.6 提高作物的抗逆性

微生物菌肥能提高作物的抗逆性，主要是由于微生物菌肥中所含有的菌種能誘導作物產生超氧化物酶、過氧化氫酶等代謝產物來抵御干旱、病蟲害、衰老、脅迫環(huán)境等逆境，進而提高作物的抗逆性。如兒茶酚氧化酶和過氧化物酶在植物抗逆反應中能夠發(fā)揮重要的作用，而且茶酚氧化酶的主要作用是緩解兩種作物間的抑制作用[27]。微生物肥料本身具有無毒無害，沒有污染環(huán)境的特點，施用微生物菌肥可以降低生產成本，節(jié)約資源。

3 微生物菌肥在設施蔬菜作物的應用效果

蔬菜是中國種植業(yè)中僅次于糧食的第二大農作物，設施蔬菜具有受環(huán)境影響小、產量高、效益好等優(yōu)點，在蔬菜產業(yè)中有著舉足輕重的地位[35]，其在農村結構調整、農村經(jīng)濟發(fā)展中和農民增收致富中起著十分重要的作用，但由于區(qū)域條件限制和經(jīng)濟利益的驅動，設施蔬菜品種主要局限于經(jīng)濟效益相對較高的茄果類蔬菜，設施蔬菜在實際的生產過程中，菜農為了追求高產量、高效益，往往憑借經(jīng)驗向土壤中施入大量的肥料，以期高產，但長期過量施肥不僅會使土壤中養(yǎng)分失去平衡，造成肥料的浪費，還會導致土壤養(yǎng)分的淋失和累積，進而在農業(yè)生產過程中加大了生產成本的投資，最終造成土壤質量下降、地下水污染嚴重以及生態(tài)環(huán)境惡化等問題，降低蔬菜質量和安全性，從而對人的身體健康造成不良影響[36-37]。施肥中存在的這些問題最終導致設施土壤環(huán)境持續(xù)惡化，蔬菜土傳病嚴重，品質和產量嚴重下降等一系列問題，嚴重影響設施蔬菜的健康生產。

表1 不同種類微生物菌肥對設施土壤的影響

3.1 改善設施土壤理化性質

微生物菌肥中的有益微生物能在土壤中大量繁殖，分解土壤中的有機物質，增強土壤的團粒結構，增加土壤酶活性，豐富土壤微生物的多樣性，改良土壤的通透性，改善土壤理化性質，為設施蔬菜的生長提供良好的根際環(huán)境，從而促進作物良好生長、提高作物產量。微生物菌肥可以緩解設施菜地因單一的種植方式以及不合理施肥而導致的土壤板結問題。馬慧媛等[38]的研究表明，在設施茄子施用微生物菌肥可以改善土壤營養(yǎng)狀況、增加土壤微生物的數(shù)量，進而促進茄子營養(yǎng)生長，增加茄子的產量。高逸等[39]的研究表明，在設施生菜施用微生物菌肥可以富集有益菌屬，改善土壤微生物結構，降低生菜病株率，提高生菜產量。賈娟等[40]研究發(fā)現(xiàn)氨基酸水溶肥與菌劑配合施用能夠顯著提升設施松花菜的肥料利用率，提高了土壤的酶活性，進而達到增產的效果。

3.2 緩解設施連作障礙

設施蔬菜的連作會影響設施土壤理化性質以及土壤酶活性、土壤微生物群落的結構，進而導致根際微物的生境被破壞，有害微生物的富集，嚴重影響土壤的質量和蔬菜的品質[41]。設施連作障礙是設施蔬菜種植生產過程中最為突出的問題，主要原因有：第一，土壤次生鹽漬化和酸化。設施蔬菜在生產的過程中，菜農因沒有系統(tǒng)的管理方法，肥料施用不當，經(jīng)常會導致土壤含鹽量的增加，使蔬菜作物不能正常發(fā)育，進而導致蔬菜產量和品質下降。第二，土壤營養(yǎng)平衡被打破。同種或同科蔬菜的長期種植，會使蔬菜吸收養(yǎng)分的能力保持在某一水平上，這將會導致土壤中某些元素的缺乏，以及其需要較少或不需要的營養(yǎng)元素過多積累，致使土壤養(yǎng)分分布不均衡，從而降低了蔬菜作物的抗逆性，引發(fā)設施蔬菜的病蟲害加劇發(fā)生，進而影響蔬菜的產量和品質。第三，設施土壤酶活性和微生物區(qū)系紊亂。設施蔬菜長期連作會降低土壤的微生物活性、土壤微生物群落結構的穩(wěn)定性和多樣性及其均勻度指數(shù)。同時也會降低作物根際土壤中的蛋白酶、過氧化物酶、過氧化氫酶、脲酶的活性，而不利于改良土壤，土壤微生態(tài)平衡被打破。第四，蔬菜作物本身的自毒作用。連作條件下病原微生物的代謝產物與土壤中動植物殘體對植物有著致毒作用，連同植物根系分泌的自毒物質共同影響著植株的代謝，最終導致自毒作用的發(fā)生。微生物菌肥可以通過有益菌對設施土壤生態(tài)技術體系進行修復，達到提高土壤系統(tǒng)穩(wěn)定性和系統(tǒng)生產力，進而平衡土壤-蔬菜-微生物生態(tài)系統(tǒng)的目的。王濤等[5]的研究表明，微生物菌肥可以有效緩解黃瓜連作問題，且能顯著優(yōu)化連作土壤微生物菌群，改善連作土壤理化性狀、提高土壤酶活性。劉吉青等[42]的研究表明微生物菌肥可以有效緩解設施番茄連作障礙，增加設施土壤肥力，促進番茄植株生長，提高植株生物量。賈喜霞等[43]的研究結果表明微生物菌肥可以有效緩解設施茄子連作障礙，提高連作茄子的光合作用，改善茄子的根系吸收能力，進而促進植株生長。

3.3 提高設施蔬菜作物品質和產量

微生物菌肥對蔬菜作物的生物量、結果率和產量等方面有顯著的促進作用，并且可以有效改善作物的品。隨著人們生活質量的不斷提高，人們對飲食上的要求也在不斷的提高，如在蔬菜生產上要求綠色、無公害，在品質上要求口感好。微生物菌肥可以提高西紅柿植株的株高、莖粗、最大葉長和最大葉寬，進而有效提高西紅柿的生長勢[44]。陶偉等[45]研究表明復合微生物菌肥可以顯著提高芥菜的株高、單株重，進而促進芥菜的優(yōu)質高產。龐強強等[46]研究表明微生物菌肥可顯著促進白菜的生長發(fā)育，提高白菜的葉長、葉寬、株高、單株鮮重和葉綠素含量，降低白菜葉片的硝酸鹽含量，提高可溶性糖和維生素C含量。微生物菌劑對白菜的生長、產量和維生素C含量有顯著的促進作用，有效的改善了白菜的品質[47]。

3.4 增強設施蔬菜作物抗病能力

設施蔬菜連作土壤中積累了大量的有害物質及病原菌，且根系在此逆境脅迫下各項生理指標下降，生長受阻，抗逆反應低下。微生物菌肥處理設施連作土壤后，在蔬菜作物的各個生育期均可有效提升蔬菜的防御酶活性，以緩解這種逆境脅迫，增強作物的抗病能力。賴文全等[48]的研究表明，施用紫牛復合微生物菌能夠很大程度的減少重茬茄子上的土傳病害。覃柳燕[49]的研究表明，微生物菌肥具有防治香蕉枯萎病的潛力。謝東鋒等[50]的研究表明，微生物菌肥能夠促進連作黃瓜的健康生長，提高黃瓜各生長期葉片的多酚氧化酶、過氧化物酶和苯丙氨酸解氨酶的酶活性，在一定程度上可以有效誘導黃瓜的系統(tǒng)抗病性。

4 微生物菌肥的展望

微生物菌肥是含有有益活性微生物菌、活性酶、有機質及多種微量元素并用于植物的生物制劑或活菌制劑。近年來已經(jīng)在農業(yè)生產中得到了廣泛的推廣應用，其不僅僅只應用于豆科作物，已經(jīng)完全從豆科接種劑轉向了非豆科作物，如在蔬菜作物、糧食作物和經(jīng)濟作物中，微生物菌肥均能有效發(fā)揮作用；對微生物菌肥的研究也從單一菌劑轉向了復合菌劑、單一菌肥轉向了復合型微生物菌肥，如固氮菌肥與解鱗、解鉀肥配合施用可以同時提高土壤中N、P、K元素的含量，為作物提供充足的營養(yǎng)元素。開發(fā)有多種功效的微生物肥料能更好地促進植物健康生長。微生物菌肥功能也由單功能轉向了多功能，微生物菌肥可以提高土壤中的細菌數(shù)，豐富土壤中細菌的微生物群落，而細菌一般具有特定性功能，這些微生物菌肥在降低化肥使用量、提高化肥利用率和減少生態(tài)環(huán)境污染等方面具有重要作用[55]。

表2 不同種類微生物菌肥對設施蔬菜作物的影響

微生物菌肥對改善土壤環(huán)境、促進作物生長和改善作物品質具有重要作用，可以通過微生物菌肥中的活性菌增加土壤中的營養(yǎng)元素，還具有修復土壤的功能，在實際的農業(yè)生產應用中已經(jīng)被證實。但是微生物菌肥在實際生產過程中存在菌種效能的不穩(wěn)定性、肥效緩慢、儲存期短等問題，因此為了克服微生物菌肥所存在的這些問題，就要明確微生物-土壤-作物三者之間的作用機制，利用現(xiàn)代分子生物技術，深入研究微生物的內部結構、微生物的基因組成，以獲得微生物的多樣性和群落結構，進一步了解微生物、土壤和作物三者之間的信號通道和作用機制，為篩選優(yōu)良菌株和提高微生物菌肥的肥效提供了有利途徑，推動微生物菌肥在有機農業(yè)中可持續(xù)發(fā)展。