我國微生物肥料研究現狀及其在作物上的應用進展

王景超 于曉菲 商姍姍

(山東省產品質量檢驗研究院，山東 濟南 250100)

化肥工業的迅速發展極大地推動了我國農業的發展，糧食產量逐年穩步提高，對保障國家糧食安全起到至關重要的作用。然而化學肥料的大量投入導致農產品品質下降、土壤硬化和環境污染等問題，嚴重影響我國綠色、有機、生態環保的可持續農業發展道路[1]。微生物肥料因具有改善土壤結構、提升作物品質、提高植物抗病蟲害能力等特點而備受關注，是發展“綠色和生態農業”的需要，具有廣闊的應用前景[2]。本文簡要分析了微生物肥料的作用機制及其產業發展現狀，并綜述了微生物肥料在玉米、水稻和馬鈴薯等作物中的應用進展，以期為微生物肥料的相關研究及推廣提供有用信息。

1 我國微生物肥料的研究現狀

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，可產生活性物質(植物激素、抗菌物質等)，促進植物對營養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、鉀等營養元素的吸收與利用，通過微生物代謝產物調控植物生長、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；劉劍君等試驗結果顯示，將從烤煙植株根際分離鑒定到的優勢固氮菌施用到烤煙上可提高其殺青樣品中的氮含量；曹云海研究結果表明，在非豆科植物小麥、玉米的生長發育過程中施加含有固氮菌的微生物肥料可顯著提高其產量。

磷是植物生長發育的必需元素之一，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生一系列的酶和酸性物質，能有效提高植物對土壤中磷的吸收利用，提高土壤有機質含量，并改善植物營養條件和土壤結構等，對提高植物產量具有重要作用。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]。在農業生產過程中，施用溶磷微生物肥料可促進植物的生長發育，并提高其產量。在萵苣(Lactuca sativa)和野胡蘿卜的生長發育過程中，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；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現，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分解，使難溶性鉀轉化為有效性鉀，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合礦物質中的金屬離子，破壞其晶體結構并導致礦石分解，從而將難溶礦物質中的鉀元素釋放出來，以供植物生長發育所需[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。

在植物的生長發育過程中，微生物代謝活動產生的各種植物生長調節劑可對其產生影響。現有研究表明，約有80%的根際細菌可產生吲哚乙酸，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、根瘤菌和糞產堿桿菌等。施用能產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。少數細菌能產生赤霉素，促進植物發芽和莖葉生長、促進側芽發生和植物開花結果，并提高結實率。施用能產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生細胞分裂素，促進植物細胞分裂與膨大、促進側芽發生[7]。施用能產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、花的生長和發育。某些根際促生菌可產生降解植物合成乙烯前體物質的ACC脫氨酶，間接促進植物的生長發育[5]。施用可產生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量，提高水稻種子的發芽勢并促進幼苗根系生長。

在作物的生長發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育過程中施加微生物肥料，不僅能有效提高其產量，還可改善其對寒冷環境的耐受性；在黑麥草的種植過程中，聯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，可改善蘆筍的抗澇能力，提高其在澇漬狀態下的發芽率；有研究發現，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生鈣土，提高玉米在高溫以及高鹽分環境條件下的生長，并促進養分吸收[9]；施用微生物菌肥可提高荒漠沙土中棉花的發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，可產生幾丁質酶和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]；在苜蓿的生長發育過程中施用含有蠟樣芽孢桿菌的微生物肥料，能有效預防猝倒病；芽孢桿菌和假單胞菌自身代謝活動中產生的嗜鐵素可有效抑制玉米生長發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，能明顯促進種子發芽并顯著提高其產量；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業發展現狀

我國微生物肥料產業的開發始于20世紀30—40年代，于20世紀80年代后期迅速發展，從小作坊、土辦法逐漸過渡到規模化、標準化、產業化。微生物肥料的登記、農用微生物產品標識要求、生產技術規程、有效性評價以及市場監管、生物安全準則等相關標準也逐步完善。微生物肥料的企業數量不斷增加，從20世紀90年代的100多家增長至現今的2000多家，遍布31個省市區[7]。微生物菌肥也從功能單一的菌肥發展為復合型菌肥，陸續出現基肥、有機無機復合菌肥、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，其中粉劑型保質期較長，但受潮易結塊；顆粒狀菌肥保質期也較長，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。微生物肥料市場價位較高且產品質量參差不齊，使用的菌種性狀不好且活性易受環境影響，加之農民對微生物肥料缺乏了解，在施用過程中操作不科學易導致效果不佳，從而影響了微生物肥料在生產上的推廣。

2 微生物肥料在作物中的應用進展

過量施用化肥造成生態環境破壞與污染，嚴重威脅到農業可持續發展。在農業生產中大力推廣環保高效的微生物肥料是發展綠色農業的必然要求。現有的報道顯示，在我國主要作物中均已不同程度地施用微生物肥料，現就微生物肥料在玉米、水稻和馬鈴薯等作物中的應用進展進行簡要總結。

2.1 微生物肥料在玉米中的應用進展

玉米是我國重要的糧食作物，在北方地區廣泛種植。為提高玉米產量，氮磷鉀肥的使用量逐年遞增，但增產效應卻逐年降低。化肥大量不合理施用帶來環境污染、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。宋玉清等研究發現，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。陳三鳳等試驗結果表明，施用微生物肥料可增加玉米的穗長、行粒數、百粒重等。徐淑性等研究結果表明，施用固氮菌劑能增加玉米的穗粒數、粒重及干重。Abou-el-Seoud的試驗結果表明，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。羅廣寧等研究發現，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生率。

2.2 微生物肥料在水稻中的應用進展

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。目前我國水稻生產過程中施用化肥不當的問題日益突出，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展與應用，一定程度地緩解了以上問題，并在實際生產中取得了一些效果。印德釗等[10]研究發現，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量。吳文革等[11]試驗結果表明，施用水稻專用微生物肥料有利于水稻分蘗并且水稻增產效果顯著，同時可節肥、節省人工。宋維民等[12]研究表明，施用微生物肥料可提高水稻產量并有效改善稻米食味品質。裴鑫宇等[13]試驗結果表明，微生物肥料可提高水稻分蘗、株高、穗粒數、結實率等指標，增加水稻產量。張召忠研究表明，復合微生物肥的施用可增加水稻分蘗，呈現早熟并增產。

2.3 微生物肥料在馬鈴薯中的應用進展

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、提高產量并改善品質。孫圣[14]試驗結果表明，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，提高產量并改善塊莖的綜合營養成分。吳建峰等的試驗結果表明，施用微生物肥料能夠促進馬鈴薯根部對營養的吸收、增強抗性并改善土壤質量。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量，改善馬鈴薯的品質。

3 展望

在當前國家要求發展綠色農業、生態農業和可持續農業的背景下，微生物肥料具有廣闊的應用前景。目前關于微生物肥料中多種微生物的作用機制尚未清楚，相關基礎性研究嚴重欠缺。但隨著分子生物學的不斷發展，通過現代分子生物技術手段，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存在企業管理不規范、產品質量參差不齊、生產設備和技術落后等問題，需要通過采用現代化企業管理、創制研發先進技術設備，提高產品質量，優化產品工藝條件及相關流程等，研發出更多高品質的微生物肥料。未來，隨著我國微生物肥料的大力推廣和使用，微生物肥料企業的不斷壯大與發展，必將能夠在農業生產中發揮越來越重要的作用。