微生物菌肥的特點及其作用機制研究進展

段迪瀚，劉情宇，榮夢瑤，李元杰，畢世權(quán)，張少斌

（沈陽農(nóng)業(yè)大學 生物科學技術(shù)學院，吉林 沈陽 110866）

微生物菌肥是近年來興起的一種低碳、純天然、無污染、無毒無害的新型肥料，微生物菌肥中的有益微生物通過在土壤中的代謝活動，既可以改善農(nóng)作物生長的土壤生態(tài)環(huán)境，提高土壤肥力水平，又可通過分泌微量活性物質(zhì)刺激和誘導農(nóng)作物的抗逆性，從而促進農(nóng)作物高效生長、大幅度提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[1-2]。截至2022年3月31日，農(nóng)業(yè)部種植業(yè)管理司備案登記的肥料總數(shù)約為25 000個，其中，以有效活菌數(shù)為主要技術(shù)指標的微生物菌肥約為9 700種，占比接近40%。2020年以來，我國每年新增備案登記的微生物菌肥數(shù)量超過1 500個，生產(chǎn)企業(yè)超過1 000家，年產(chǎn)銷量超過2 000×104t。微生物菌肥在減少化肥使用、保護生態(tài)環(huán)境、促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮著越來越重要的作用。

1 微生物菌肥的特點

1.1 無毒無害、活化土壤、提高土壤肥力

據(jù)統(tǒng)計，全球使用的化肥中僅有30%～50%的氮肥、45%的磷肥被農(nóng)作物直接吸收利用，更多的過剩化肥成為污染物，流失到土壤、河流之中，帶來嚴重的環(huán)境問題；同時，大量施用傳統(tǒng)化肥會造成土壤板結(jié)，土壤質(zhì)量發(fā)生一定程度的退化[3]。相對于傳統(tǒng)化肥，微生物菌肥具有多重優(yōu)點：微生物菌肥的原料多為農(nóng)作物廢棄物、果渣、垃圾等，作為一種生物性肥料，其具有天然、無毒無害無污染的特性；通過微生物代謝活動有效降解土壤中的農(nóng)藥殘留，凈化土壤；微生物菌肥還能調(diào)節(jié)土壤生態(tài)環(huán)境，有效活化土壤，防止土壤板結(jié)，增加土壤中的透氣性，從而促進植物根部的生長發(fā)育；微生物菌肥還可提高土壤氮、磷、鉀等營養(yǎng)物質(zhì)含量與吸收效率，提高肥料利用率。

1.2 促進生長、提高產(chǎn)量、改善品質(zhì)

微生物菌肥中的微生物可以通過合成或分解土壤中的有機質(zhì)為農(nóng)作物提供養(yǎng)分，也可通過代謝活動提高土壤中氮、磷、鉀的含量，有效提高土壤肥力，并能促進作物對肥料的吸收與利用；同時，菌肥中的微生物還可以分泌赤霉素、細胞分裂素、生長素等活性物質(zhì)，調(diào)控作物生長發(fā)育，從而促進作物生長，并提高作物產(chǎn)量與品質(zhì)。武杞蔓等研究發(fā)現(xiàn)，施用微生物菌劑后，黃瓜的株高、莖粗和葉片數(shù)均顯著高于對照組，葉片葉綠素含量也有顯著提高，根際促生菌除了對植物生長有一定的促進作用外，對病原菌也有很好的拮抗作用[4]。韓梅等研究發(fā)現(xiàn)，微生物菌肥中的硅酸鹽菌株顯示了良好的增產(chǎn)和抑病作用，如接種硅酸鹽細菌C1和Y3后，盆栽玉米植株地上部分的干質(zhì)量分別提高了31.9%和26.7%[5]。對比不施用微生物菌肥的農(nóng)產(chǎn)品，施用菌肥的農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)大幅度提升，果實飽滿，籽粒豐滿，著色度增強，畸形果減少，而且蛋白質(zhì)、糖分、維生素、氨基酸的含量均有一定程度的提高。施用菌肥可以顯著提高飼料玉米籽粒的粗蛋白含量、粗脂肪含量、淀粉含量和熱值，同時還可以顯著降低玉米秸稈中性洗滌纖維含量，中性洗滌纖維含量是直接影響牲畜生產(chǎn)的指標，降低其含量有利于提升畜產(chǎn)品品質(zhì)[6]。

1.3 抑制病原菌生長、提高作物抗逆性、減少病蟲害發(fā)生

微生物菌肥中的根際促生菌除了對農(nóng)作物有促生作用外，還能分泌抗生素等拮抗物質(zhì)，有效抑制土壤有害微生物和寄生蟲等，從而減少病蟲害的產(chǎn)生和傳播；同時，微生物菌群還會分泌活性化學物質(zhì)來抑制病原菌，并誘導和激活農(nóng)作物的防御系統(tǒng)，提高抗氧化酶等防御酶活性，從而提高農(nóng)作物抗旱、抗病蟲等抗逆性，減少病害發(fā)生，增加作物產(chǎn)量。潘凡等[7]研究表明，熒光假單胞菌菌劑可顯著降低沃玉3號玉米的多種病蟲害，對小斑病、矮花葉病毒病等病害，對灰飛虱、麻皮蝽等蟲害的防治率均達到100%。梅雪麗等人[8]在甜瓜土壤中施用生防菌K3菌劑，可提高甜瓜葉片多酚氧化酶（PPO）活性15%～30%，根結(jié)線蟲防治率達50%～100%，顯著促進甜瓜生長，甜瓜苗地上和地下鮮質(zhì)量提高100%以上。

2 微生物菌肥的作用機制

2.1 直接生成或通過活化土壤為農(nóng)作物提供營養(yǎng)成分

土壤中富含大量營養(yǎng)物質(zhì)，但有一些并不能被農(nóng)作物直接吸收，而微生物菌肥則可以通過菌群微生物的代謝活動，提高土壤中的氮素和有效磷、鉀的含量，將這些營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可被農(nóng)作物吸收利用的成分，從而促進植物的生長發(fā)育。固氮菌可以直接固氮，溶磷微生物能使土壤中難溶性的磷酸鹽溶解，有效提高磷的利用度，降低土壤中的pH值[9]。硅酸鹽細菌也被稱為 “鉀細菌” ，由硅酸鹽細菌制成的菌肥具有不同于其他菌肥的特性，能對土壤中難溶性的礦物成分進行分解，使之轉(zhuǎn)化為有效礦物質(zhì)，例如鉀和磷等。劉榮昌等也曾報道某些微生物菌肥可以活化并促進礦物釋放鐵、錳等元素[10]。

2.2 產(chǎn)生生理活性物質(zhì)調(diào)節(jié)農(nóng)作物生長

微生物菌肥中的菌群在生理代謝過程中，能產(chǎn)生赤霉素及其他生長素等生理活性物質(zhì)，這些生理活性物質(zhì)可調(diào)節(jié)生理生化過程，并且微生物菌群能分解在土壤中殘留的化肥和農(nóng)藥，起到凈化環(huán)境的作用。湯佩平和周鴻賓研究發(fā)現(xiàn)，固氮根瘤菌可以產(chǎn)生IAA和類赤霉素,發(fā)酵液IAA濃度可達5.812μg/mL，具有促進小麥芽鞘伸長的作用，類赤霉素濃度為0.075μg/mL，具有明顯刺激水稻幼苗葉鞘伸長的作用[11]。謝達平等人研究發(fā)現(xiàn)，微生物菌肥發(fā)酵液中含有7種類植物激素，激素總含量達到64.8μg/mL，其中6-芐氨基嘌呤、赤霉素、類吲哚乙酸的含量分別達到0.88μg/mL、2.24μg/mL和5.82μg/mL，微生物菌肥發(fā)酵液可顯著增加水稻芽長20%以上，以菌肥拌種，發(fā)現(xiàn)微生物菌肥可使黃瓜、菠菜、油菜和玉米次生根數(shù)量增加10%～59.4%，次生根平均長度增加9.1%～30.9%[12]。

2.3 產(chǎn)生抑菌抗病物質(zhì)間接促進農(nóng)作物生長

微生物菌肥能夠依靠產(chǎn)生抗生素、系統(tǒng)防衛(wèi)酶等多種物質(zhì)來顯著抵御細菌或真菌性病害，還能誘導系統(tǒng)抗性從而提高病蟲害抵御能力，間接達到促進作物生長發(fā)育的目的，已報道且被分離出的植物根際促生菌產(chǎn)生的抗生素有20種左右[12]。有研究指出，根際促生菌能產(chǎn)生胞外溶解酶和氰化氫，而不損害植株，并且可誘發(fā)植株對病蟲害的抗性[13]。

2.4 誘導對非生物脅迫的抗性促進農(nóng)作物生長

微生物菌肥的某些特殊菌群不僅能夠提高作物的抗旱、抗鹽堿能力，還有抗極端溫度、濕度和pH值、抗重金屬毒害等作用，利用微生物菌肥的這些特性，可以大幅提高農(nóng)作物在逆境下的生存能力。施用微生物菌肥后，誘導許多與防御反應有關(guān)的物質(zhì)如抗氧化酶、幾丁質(zhì)酶、植物菌素、酚類化合物等物質(zhì)的增加，從而提高農(nóng)作物的抗逆性[12]。謝東鋒等人研究發(fā)現(xiàn)，在黃瓜連作土壤中施用4種微生物菌肥，均可顯著激活黃瓜葉片中過氧化物酶（POD）、多酚氧化酶（PPO）和苯丙氨酸解氨酶（PAL）的活性，提高黃瓜抗逆性，促進黃瓜生長[14]。

3 微生物菌肥發(fā)展前景展望

微生物菌肥作為高效能、低成本、生態(tài)環(huán)保的新型肥料，正逐漸進入大眾視野，微生物菌肥種類繁多，產(chǎn)品形態(tài)各異，適用多種農(nóng)作物，對于施用的土壤環(huán)境沒有特殊要求，可以廣泛適用于不同生態(tài)地區(qū)、不同種類的農(nóng)作物[15]。近年來，微生物菌肥的研究與開發(fā)雖然取得了較大的進展，但與世界平均使用水平相比，我國微生物菌肥的推廣使用力度還遠遠不夠，廣大農(nóng)民對其認知度還較小，使用量及使用范圍遠不及傳統(tǒng)化肥。因此，一方面要通過大規(guī)模試驗示范展現(xiàn)微生物菌肥帶來的經(jīng)濟效益，另一方面要加強政策宣傳引導，展現(xiàn)應用微生物菌肥的生態(tài)和社會效益。另外，還需加強對微生物菌肥的基礎(chǔ)理論研究，如微生物菌肥的作用機理、優(yōu)良微生物菌株的篩選、多功能微生物肥料的開發(fā)等，推動微生物菌肥產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展壯大，促進我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。