微生物菌肥对大豆生长发育及根际土壤性质的影响综述

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　　摘要：大豆[Glycine max（L.）Merr.]连作及工业化肥滥用已对周边生态环境造成破坏，并导致大豆产量大幅度下降。微生物菌肥的使用有助于提高大豆产量、修复损伤土壤，弥补了中国在农业及生态业上的不足。深入研究微生物菌肥的特性一方面可以提高大豆的生物量、抗性及营养成分含量，另一方面可以提升土壤肥力及形成稳定的微生态系统等。从微生物菌肥的分类、微生物菌肥对大豆生物量、抗性及土壤性质的影响等方面进行了综述，旨在为微生物菌肥的实际应用提供参考依据。
　　关键词：大豆[Glycine max（L.）Merr.];微生物菌肥;生物量;抗性;土壤性质
　　中图分类号：S565.1         文献标识码：A
　　文章编号：0439-8114（2019）20-0021-04
　　DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.20.004           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
　　Research progress on the effects of microbial fertilizer on the growth and
　　development of soybean and the properties of rhizosphere soil
　　YAO Yan-xuan1，JIE Wei-guang1，2，HU Wei1，ZHAO Dong-mei1，JIANG Yi-tong1，YU Hai-yang1，YAN Xiu-feng2
　　（1.Department of Food and Environment Engineering，East University of Heilongjiang，Harbin 150066，China;2.Alkali Soil Natural Environmental Science Center，Northeast Forestry University/Key Laboratory of Saline-alkali Vegetation Ecology Restoration in Oil Field，Ministry of Education，Harbin 150040，China）
　　Abstract： Soybean[Glycine max（L.）Merr.] continuous cropping and abuse of industrial chemical fertilizer have destroyed the surrounding ecological environment， and led to a significant decline in soybean yield. The application of microbial fertilizer helps to improve soybean yield and repair damaged soil， which makes up for the deficiency of agriculture and ecological industry in China. On the one hand， in-depth study on the characteristics of microbial fertilizer can improve the biomass， resistance and nutrient content of soybean; on the other hand， it can improve soil fertility and form stable micro-ecosystem. The classification of microbial bacterial fertilizer， the effects of microbial bacterial fertilizer on soybean biomass， resistance and soil properties were reviewed， in order to provide reference for the practical application of microbial fertilizer.
　　Key words： soybean[Glycine max（L.）Merr.]; microbial fertilizer; biomass; resistance; soil properties
　　大豆[Glycine max（L.）Merr.]是世界上最重要的農作物之一，种植面积占全世界可耕地面积的12%以上[1]。大豆也属于中国四大粮食作物之一，且种植历史超过5 000年[2]。大豆子粒的蛋白质含量达40%以上，远高于牛肉、牛奶等高蛋白食品，大豆中氨基酸的比值与人体的氨基酸较为相近，更易于人体消化吸收[3，4]。然而，中国大面积的大豆种植区连作现象严重，且化肥的滥用一直是中国农业和生态业发展的难题[5]。
　　目前，一些农业和生态业发展较为先进的国家，大豆连作、肥料的使用问题均已得到高度重视。世界上农业大国如美国、澳大利亚、阿根廷等，微生物菌肥的使用率几乎达到100%[6-8]。研究发现，微生物菌肥的使用不仅有改良大豆所处土壤环境的作用[9，10]，还可以有效地解决大豆连作、工业化肥滥用的问题，更为重要的是在作物的生长过程中可以起到良性调节作用，以达到增加产量、提高抗性及其他的正向效果[11-13]。中国作为世界上重要的农业大国，微生物菌肥发展缓慢，与微生物菌肥已经普及化的发达国家相比，存在较大差距。 　　本文主要对微生物菌肥的分类、菌肥对大豆的生长发育以及根际土壤性质的影响等方面进行了综述，以期展现微生物菌肥的应用前景，为微生物菌肥的实际应用提供参考依据。
　　1  微生物菌肥的分类
　　微生物菌肥种类众多，被广泛认同的微生物菌肥可分为微生物菌剂、复合微生物肥料和生物有机肥[14]。
　　1.1  微生物菌剂
　　微生物菌剂是指将目标微生物或有效菌、备用菌经过工业化的扩繁后，以多孔物质作为吸附载体制成的活菌制剂[15]。剂型上以液体制剂和固体制剂为主。常见拌种以及蘸根等种植措施，对于降解土壤中有毒有害物质，改善土壤肥力，加强作物对N、P、K等主要元素的吸收有良好效果。主要包括根瘤菌菌剂、硅酸盐微生物菌剂、固氮菌菌剂、溶磷菌菌剂、促生菌剂、复合菌剂、从枝菌根真菌菌剂等。
　　1.2  复合微生物肥料
　　复合微生物肥料是指将特定微生物与营养物质复合而成，能在一定程度上改良植物的营养状态、提高作物的产量、改善产品品质的活体微生物制剂[16]。复合微生物肥料以固体制剂为主，包括细菌肥料类，如根瘤菌肥、固氮菌肥、溶磷菌肥、解钾菌肥等;真菌肥料类，如霉菌肥料、菌根真菌、酵母肥料等;放线菌肥料类，如抗生肥料、光合细菌肥料类。
　　1.3  生物有机肥
　　生物有机肥是指一类依靠微生物的生命活动及其代谢产物与以禽畜粪便、农作物秸秆等动植物残体为来源并经无害化处理、腐熟的有机物料复合而成的微生物活体制品[17]。主要有农家肥和商品生物有机肥2类，是一种环保肥料，以固体制剂为主。
　　2  微生物菌肥对大豆生长发育的影响
　　大豆从种子发育开始，都伴随着微生物的作用。其中一部分微生物起着促进作用，如根瘤菌等，而另一部分微生物却起着恶性作用，如尖孢镰刀菌（Fusarium oxysporum）是黑龙江省大豆根腐病的主要致病菌[18]。而微生物菌肥则是汇集了大部分的有益菌，通过这些微生物的代谢作用来对大豆进行调节，微生物菌肥对大豆生长的具体影响如下。
　　2.1  微生物菌肥对大豆生物量的影响
　　施加微生物菌肥的大豆在株高、荚数、百粒重指标上，均比施加普通化肥以及自然生长大豆有一定程度的提高。王胜华等[19]的研究表明，施加微生物菌肥的大豆在荚数和百粒重上明显超越了未施加菌肥的大豆。梁啸天等[20]进行了微生物菌肥叶面肥对大豆影响的研究后发现，在百粒重上大多都增长了4%左右，单株粒重也提高了10%左右。黄玉波等[21]采用复合微生物菌肥对大豆进行处理，结果表明根系的根条数以及根瘤数明显提高。赵念力等[22]采用俄罗斯高产根瘤菌肥对大豆进行处理，在大豆发育后期百粒重增幅达13%以上。据报道，俄罗斯对大豆根瘤菌近100年的研究中，先后分离并且培育出大量可与大豆形成共生体系的根瘤菌[23]。
　　2.2  微生物菌肥对大豆抗性的影响
　　2.2.1  微生物菌肥对大豆抗病性的影响  在大豆种植的过程中，很容易发生根腐病、花叶病等病害。大豆根腐病是世界性防治困难的大豆病害，在中国每年因根腐病造成数亿元的损失。有些微生物能有效缓解大豆病情的泛滥，其中木霉菌（Trichoderma）、芽孢杆菌（Bacillus）、假单胞杆菌（Pseudomonas）对大豆根腐病有明显的防治效果[24]。施加相应的微生物菌肥，可以有效提高大豆的抗病性。成瑢等[25]详细介绍了大豆根腐病的成因以及相应的防治措施，并提出生物防治可有效、持久的解决大豆根腐病。高同国等[26]的研究发现，枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）8-32在防止尖孢镰刀菌（F.oxysporum）引起的大豆根腐病具有良好的防治效果。张淑梅等[27]的研究發现，以枯草芽孢杆菌为生物拌种剂的主要成分，能对大豆根腐病的防治达60%以上。
　　2.2.2  微生物菌肥对大豆抗逆性的影响  大豆在生长发育过程中时常会遇到干旱、高温、低温、盐碱、重金属污染等不良环境，在这种环境下生长的大豆容易出现减产的现象，中国每年大豆的大量损失与非生物胁迫有关。李玲[28]发现，在干旱胁迫下接种了球毛壳菌（Chaetomium globosum）ND35的大豆仍能提高种子的出苗率、结荚数和产量。姚衍芳等[29]的研究发现，加入微生物菌肥对盐碱地有显著的改良作用，并能使植株适应且长期生存下去。研究发现，通过在土壤中接种微生物，如芽孢杆菌、假单胞菌、硅酸盐细菌（Bacillus mucilaginosus），利用其底物诱导的酶化作用，能矿化固结有效态重金属并沉淀为稳定态的碳酸盐[30]。刘晶晶[31]的研究发现，经溶磷菌（Phosphate-solubilizing bacteria）处理的大豆，不仅可以提高大豆对盐碱地的抗逆性，而且对盐碱地有一定程度上的改良。
　　2.3  其他
　　微生物菌肥对大豆的影响并不是针对单一的某个方面，对大豆的影响是呈体系的。从最初的大豆种子到结出子实，微生物菌群促进其对水分、有机元素以及光照的吸收与利用。张亚楠[32]提出优质大豆主要表现在蛋白质、脂肪、膳食纤维以及异黄酮含量4个方面。在中国，大部分的大豆用于产油，且多数大豆油分含量在19%左右。经过微生物菌肥处理过的大豆，油分含量可达23%～24%。作为人体重要的植物蛋白质来源，微生物菌肥的处理是培育出高蛋白质大豆的方法之一。
　　3  微生物菌肥对土壤性质的影响
　　土壤中含有大量农作物无法直接利用的有机质，而这些丰富的有机质只有通过微生物的代谢作用才能被有效利用，其所产生的代谢产物又是农作物生长的养分。菌肥中的微生物可与植物形成共生体系。一方面，土壤中的微生物通过代谢活动为农作物提供可直接利用的养分;另一方面，微生物可改善土壤结构、加强土壤保水能力、提高土壤肥力等。微生物菌肥对土壤性质的影响以下作详细阐述。 　　3.1  微生物菌肥对土壤肥力的影响
　　微生物菌肥中含有许多功能微生物，将其施入土壤后，会产生大量的代谢产物，这些代谢产物会使土壤结构变得松散，有效地改善土壤板结现象，进而明显地提高土壤的肥沃程度。微生物富集在植物的根系，能够在很大程度上提高植物对病害的抵抗能力。
　　由于部分农田大量使用工业化肥，使土壤条件变得恶劣，大片的土壤板结，土壤的通透性急剧下降，大量有益微生物难以生存，土壤肥力严重下降。应用微生物菌肥的土地，可有效改善土壤结构，同时微生物代谢所产生的有机酸能使土壤脱盐脱碱，降低盐碱地中的有害离子，提高土壤养分的有效性[33]。还有一些特殊的土地，有机质含量丰富，但供肥缓慢，如黏土地，而经微生物菌肥处理的黏土地通透性会大大改善，有效改良供肥不足的问题[34]。
　　3.2  微生物菌肥对土壤中速效元素的影响
　　3.2.1  微生物菌肥对氮元素的影响  氮元素在自然界中主要以氨和氨盐、亚硝酸盐、硝酸盐、有机含氮物和气态氮等5类形式存在。气态氮为自然界中含量最为丰富的氮元素库，达1 013 t，且只有固氮微生物如巴氏梭菌（Clostridium pasteurianum）、根瘤菌属（Rhizobium）、克雷伯氏菌属（Klebsiella）才能对其进行有效利用。伍惠等[35]分离出大量优质大豆根瘤菌，为根瘤菌的大面积田间试验和推广提供事实依据。在农业生产中，利用根瘤菌与大豆共生固氮，其投入与产出比高达1∶15以上[36]。所以，这种根瘤菌可认为是一个无污染、高效的“微型氮肥厂”。综上所述，类似于根瘤菌的固氮微生物不仅可以解决土壤中氮肥的问题，还符合低投入、无污染的新时代农业发展原则。
　　3.2.2  微生物菌肥对磷元素的影响  磷作为三大肥料之一，在大豆生长发育中必不可缺。由于磷元素无价态变化且无气态形式，所以磷元素的循环较为简单。然而，自然界中的磷主要以磷酸钙、磷灰石的不溶性磷化物形式存在，大豆难以对其有效利用。刘晶晶[31]的研究发现，许多细菌和真菌产生的有机酸以及一些化能自养细菌，如硫化细菌和硝化细菌产生的硫酸和硝酸都可使无机磷化物溶解，便于农作物利用。此外，由于磷元素易与金属离子螯合的特殊性质，农业操作人员施加的磷肥，其中大部分都转化为难溶态物质富集在土壤中，不但占用大量的矿物资源，还会使土壤板结成块，土壤理化性质变差，破坏土壤中微量元素的平衡，导致土壤的永久性损伤，而广泛存在于农田中的溶磷菌，如土壤杆菌属（Agrobacterium）、小菌核属（Sclerotium）、丛枝菌根（Arbuscular mycorrhiza，AM）真菌不仅可以有效解决磷元素的问题，而且可以提高作物对包括磷元素在内的其他营养元素的吸收[31]。
　　3.2.3  微生物菌肥对钾元素的影响  植物能直接利用的钾可分为速效钾、缓效钾和矿物钾。其中速效钾和缓效钾较稀少，仅占6%左右，而绝大多数的钾元素以矿物钾的形式存在。土壤中大部分的钾元素难以被大豆吸收利用，而大豆又是需钾较多的作物之一，关于钾肥对于大豆的生长发育的研究多年来就是众多学者研究的热点。当今大豆的种植密度剧增，土壤中的耗钾量不断上升，速效钾含量不断下降，土壤中含钾丰富的钾硅酸矿物盐只有在微生物的代谢作用下才能被大豆有效利用，利用微生物降解矿物钾就显的尤为重要。吕睿等[37]的研究发现，以胶质芽孢杆菌（Paenibacillus mucilaginosus）为菌种制成的微生物菌肥已有效地解决了土壤速效钾不足的问题。
　　3.3  微生物菌肥对土壤中水分的影响
　　任何植物的生长发育都离不开水的作用，水量的多少取决于作物水分的利用效率，其中水分利用效率是指植物光合作用速率与蒸腾速率的比率。水分利用效率是评价植物优劣的重要指标之一。在大豆的生产实践中，提高其水分利用效率也是增加其产量的有效方法之一。不同微生物对土壤中作物根系水分利用效率影响不同，AM真菌的作用效果是有效降低作物水分的蒸腾速率，进而提高作物对水分的利用效率。以AM真菌制成的微生物菌肥为例，经此菌肥处理过的作物，对土壤中的水分有更强的吸水、锁水以及控水能力，大大增加了作物根系的水分含量，使作物能够更好地生长发育[38]。
　　3.4  微生物菌肥对土壤微生物的影响
　　土壤微生态中占大部分的还是以微生物为主的群体，即土壤微生物，而土壤微生物是农田微生态系统中重要的组成部分，尤其是在一些地况并不是太好的土地中。无论是自然行为还是人为行为都会对土壤微生态产生一定影响，而这些影响所产生的结果一直是广大生态学家研究的重点。施用有机肥能提高土壤中细菌、真菌和放线菌数量，為植物的生长发育提供良好的生活环境。而施用微生物菌肥，能显著提高土壤脲酶和土壤糖酶的活性，大大提高土壤中微生物数量的总数以及微生物群落的均匀度，有利于形成稳定的菌群结构[39]。
　　4  微生物菌肥的应用
　　美国和巴西的大豆生产量占全球的50%以上，早在20多年前，微生物菌肥的产业化就非常成熟且应用广泛，其大豆无论是产量还是质量，都远超使用工业化肥的大豆种植区。世界上最大的大豆生产国美国，单是根瘤菌肥的使用率就在50%以上，效果相当于施用619 t的氮肥。在阿根廷，微生物菌肥使用率达90%以上，平均每年可节约30亿美元的化肥。在巴西的一大豆种植试验区，接种单一根瘤菌剂即可提高大豆产量30%[35]。
　　随着生命科学的迅速发展，人们也越来越意识到可持续发展的重要性，于秀丽等[40]在盐碱化的土地中使用生物菌肥，盐碱化的改良非常成功。李财[41]在大豆示范区使用生物有机肥后，效果显著。在中国的东北和华北地区已陆续出现大规模微生物菌肥的使用情况，并且效果良好。在中国的西北地区经实践证明，微生物菌肥在荒漠地区仍然有旺盛的生命力。 　　5  展望
　　综上所述，微生物菌肥无论是对大豆的生长发育、抗病抗逆性还是对土壤性质的影响都是正向的。微生物菌肥在国外取得广泛认可的同时也带来了巨大的经济效益，而这种巨大的经济效益并不是以牺牲环境为代价获得的。相反的，这种经济效益会使土地变得更加肥沃，生物量更高，更顺应以科技为依靠的农业以及生态业的发展道路。
　　中国拥有丰富的微生物资源，也取得了不错的成绩。但是近几十年来科学技术快速发展，许多学科的发展速度不平衡。在工业化时代，工业化肥产生了巨大的环境问题，人们也越来越注重可持续发展。微生物菌肥这种新兴肥料，不仅可以顺应自然发展的需要，而且可以提高大豆的产量，使人们获得巨大的经济效益。
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