两种固氮芽孢杆菌菌剂在小麦—玉米轮作区大田试验效果评价

李刚强， 王楠， 李永斌， 李云龙， 王克功， 王睿， 贺建元，刘德虎， 张丽霞， 王琦， 陈三凤*

(1.中国农业科学院生物技术研究所，北京100081； 2.中国农业大学生物学院，北京100193；3.山西省农业科学院小麦研究所，山西 临汾 041000；4.中农绿康(北京)生物技术有限公司，北京 102101；5. 中国农业大学植物保护学院，北京 100193)

粮食安全是关系我国国民经济发展和社会稳定的重大问题，目前我国粮食作物的生产仍依赖于化肥和农药，但持续和过量的施用已经严重影响土壤微生物区系平衡，破坏土壤结构，污染水源，进而威胁着农业可持续发展和粮食安全[1-3]。而微生物肥料以其利用率高、促进植物生长、提高植物抗病性、改善微生物区系结构、保护土壤水质安全等优势，被认为是化肥农药的重要补充和替代品[4-7]，但相对于化肥和农药来说，微生物肥料种类少、成本高、田间施用技术推广不足，导致微生物肥料的多种优势尚没有充分发挥，其应用价值和经济效益具有巨大的提升空间。

近年来，在国家政策和市场需求的引导下，微生物肥料理论和应用研究都得到了迅猛发展[8]，就国内已发表的微生物肥料相关报道来说，2016年比2006年的发文数量提高了24倍[9]，表明其已逐渐成为理论研究的新热点。但目前市面上的微生物肥料仍存在菌株与产品同质化严重、促生机制不明确、大田应用不理想[8]等诸多问题，因此，筛选和应用新的促生机制明确的功能菌株、加强商品化前期的大田应用效果试验是我国微生物肥料行业亟待解决的问题。

小麦和玉米是我国重要的粮食作物，在国民农业生产中占有举足轻重的地位[10]。小麦和玉米也是山西省的主导农作物，种植面积约占全省粮食作物的70%[11]。受气候和地理环境等因素的影响，山西主要采用小麦—玉米轮作的种植模式。近年来，轮作区由于化肥施用不合理已造成一系列资源和环境问题，如养分利用效率低、土壤氮素大量残留、地下水硝酸盐含量超标等[11]。因此，增加高效环保的微生物肥料施用比例对于轮作区的减施增效、改善生态环境、实现小麦和玉米产量和品质的可持续发展具有重要意义。

本课题组前期获得了两株促生功能明确的固氮芽孢杆菌菌株，分别命名为固氮芽孢杆菌1和固氮芽孢杆菌2，两种菌剂具有固氮、分泌IAA以及抗病等植物促生活性[12]。为推进其产业化应用，本研究在小麦—玉米轮作区通过大田试验评价这两种菌剂的效果，以期为评价待测微生物菌剂对小麦和玉米田间生长及产量的应用效果，研发适用于小麦和玉米乃至其他作物实际生产的微生物肥料产品提供推广应用基础。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试小麦品种为山农20，玉米品种为先玉335，均由山西省农业科学院小麦研究所保存。供试菌剂固氮芽孢杆菌1和固氮芽孢杆菌2由实验室保存。试验地基肥为艳阳天复合肥料(总养分≥46%，N：P2O5：K2O=26：14∶6)，购自山东红日化工股份有限公司；追肥为尿素(含氮量46%)，由中农绿康(北京)生物技术有限公司提供。

1.2 试验区域

该试验在山西省农业科学院小麦研究所韩村试验基地内进行(0.667 hm2，位于36°19′N，111°49′E)。 试验地块位于山西省临汾市尧都区韩村，地势平整，土壤质地为壤土，水肥条件良好，常年种植模式为小麦—玉米轮作。

1.3 试验设计

1.3.1小麦田间示范试验 播种时间为2017年10月16日，机械条播，播量为262.37 kg· hm-2，田间管理同一般生产田。天气情况与常年相比，4月6日至8日气温较往年偏低，出现倒春寒，生育期降水量偏少。

固氮芽孢杆菌菌剂 1液剂处理(WT1)：6 L· hm-2，兑水600 L· hm-2，处理面积为0.27 hm2；固氮芽孢杆菌菌剂2液剂处理(WT2)：18 L·hm-2，兑水600 L·hm-2+减氮15%，处理面积为0.27 hm2；对照1(WCK1): 喷施清水600 L·hm-2+不减N，处理面积为0.07 hm2；对照2(WCK2)：喷施清水600 L·hm-2+减氮15%，处理面积为0.07 hm2，共四个处理。

2018年4月8日，小麦拔节期，用WBD-20A背负式电动喷雾器(台州市路桥明辉电动喷雾器有限公司)进行喷雾处理。喷头为扇形防漂移喷嘴，喷液量为600 L·hm-2。喷药后10 h内试验地无降雨。

1.3.2玉米田间示范试验 播种时间为2018年6月15日，机械条播，玉米行距60 cm，株距27 cm，播量61 845粒·hm-2，田间管理同一般生产田。

固氮芽孢杆菌菌剂1处理(MT1)：用量2.10 kg·hm-2，拌入底肥随底肥施用，在总施肥量中减氮15%，处理面积为0.17 hm2；固氮芽孢杆菌菌剂2处理(MT2)：用量15 kg·hm-2，拌入底肥随底肥施用，在总施肥量中减氮15%，处理面积为0.17 hm2；对照1(MCK1):不减氮，处理面积为0.07 hm2；对照2(MCK2)：在总施肥量中减氮15%，处理面积为0.07 hm2，共四个处理。

施肥量：底肥为复合肥750 kg·hm-2+尿素277.1 kg·hm-2，减氮处理为复合肥750 kg·hm-2+尿素203.75 kg·hm-2。2018年6月15日，两种菌剂均按照试验设计施肥量随底肥施入田中。

1.4 调查方法

1.4.1小麦 2018年4月8日喷药，分别观察两种微生物菌剂喷施后0、15、30、45 d的小麦生长情况(包括处理和对照小区)，比较处理区与对照区小麦开花、结穗时间差异。

调查拔节期(喷施15 d)和孕穗期(喷施30 d)小麦株高及鲜重。每个处理随机取样20株，测量其小麦株高及鲜重。

小麦收获前，每处理随机选取3点，每点按1 m2样方取点，统计该样方内小麦穗数，穗粒数，千粒重及小麦籽粒总重，并计算小麦产量。使用SPSS24.0对数据进行差异显著性分析。

1.4.2玉米 每个处理随机取样20株，测量玉米出苗、15、30、45 d的株高、叶长及叶宽； 调查记录处理地块的玉米开花期、结穗期；玉米收获前，每处理随机取样20株，统计其株高、株鲜重、穗鲜重、穗干重、穗长、穗宽、穗粒重、百粒重，并计算玉米产量。1.5 数据分析

使用Excell和SPSS 24.0软件对试验数据进行统计和差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 两种微生物菌剂对小麦的田间示范效果评价

2.1.1两种微生物菌剂对小麦拔节期和孕穗期的株高及鲜重的影响 对4个区块小麦的整个生长期进行观察，四种处理的开花、结穗时间均无显著差异。小麦拔节期(处理后15 d)和孕穗期(处理后30 d)对株高和鲜重进行统计分析，结果如表1所示。

实验结果表明，两种菌剂处理对小麦拔节期与孕穗期的株高和鲜重有显著影响(表1)。小麦拔节期4个处理中株高最高的是固氮芽孢杆菌1处理(53.27 cm)，固氮芽孢杆菌2次之(49.60 cm)，与两个对照间差异显著；鲜重最高的是固氮芽孢杆菌1处理，为2.91 g，固氮芽孢杆菌2处理次之，为2.83 g，各处理差异显著。小麦孕穗期四个处理中株高最高的是固氮芽孢杆菌1处理(65.74 cm)，固氮芽孢杆菌2次之(63.20 cm)，与两个对照间差异显著；鲜重最高的是固氮芽孢杆菌1处理，为6.31 g，固氮芽孢杆菌2处理次之，为6.19 g，各处理差异性显著。

表1 不同菌剂对小麦拔节期和孕穗期的株高及鲜重影响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

由试验结果可得出，固氮芽孢杆菌1和2处理后均可显著提高小麦株高和鲜重，促进小麦生长，增加生物量，提高小麦抗逆能力，为小麦增产做出贡献。尤其是固氮芽孢杆菌2在减氮15%处理下，依然表现出良好的生长状态，株高和鲜重显著高于两组对照。

2.1.2两种微生物菌剂对小麦产量的影响 固氮芽孢杆菌1和2处理对小麦亩穗数、穗粒数、千粒重和产量有不同影响(表2)。四个处理中穗数最多的是固氮芽孢杆菌2处理(761.92万穗)，与最低的两个对照间有显著性差异；不同处理的穗粒数为27.63～28.47，减氮15%对照处理的穗粒数最少，处理间差异不显著；四个处理中千粒重最重的是固氮芽孢杆菌1处理(36.53 g)，与最低的两个对照间有显著性差异；产量最高的为固氮芽孢杆菌1处理，达到6 211.24 kg，最低的是减氮15%对照处理，为4 938.08 kg，处理间差异显著。

表2 不同菌剂对小麦产量构成因素的影响Table 2 Effect of the two kinds of microbial agents on the yield components of wheat

由表2可知，固氮芽孢杆菌菌剂1和2处理后小麦均表现为增产，产量显著高于两组对照，最高增产量达1 273.16 kg·hm-2，为固氮芽孢杆菌1处理，其显著提高了小麦千粒重，达到增产效果，相较于对照增产23.83%。固氮芽孢杆菌2在减少15%氮肥施用的情况下，产量仍显著高于两组对照，相较于对照减氮15%处理增产23.20%，比对照增产13.84%，与菌剂1处理产量仅相差127.73 kg，表现优异。

2.2 两种微生物菌剂对玉米的田间示范效果评价

2.2.1两种微生物菌剂对玉米株高和叶片的影响 由表3可知，2种菌剂(均减氮15%)处理后15、30 d的玉米株高均显著高于对照2(减氮15%氮肥施用)，与对照1(正常氮量)差异不显著；2种菌剂间在处理后15 与30 d株高无明显差异，45 d时各处理间差异不显著；2种不同菌剂处理后15 d玉米叶长与对照1、对照2无显著性差异；处理后30 及45 d后，菌剂1的玉米叶长均显著高于其他处理，菌剂2处理后30 及45 d与对照2(减少15%氮肥施用)差异显著，与对照1(不减少氮肥施用)无明显差异，表明2种菌剂处理在减少15%氮肥施用量情况下对玉米叶片生长有较明显影响，可以显著增加玉米叶长；固氮芽孢杆菌1处理后15、30 及45 d的玉米叶宽均显著高于对照2(减氮15%)，与对照1(正常氮量)差异性不显著；处理后45 d后，各菌剂间的叶宽无显著差异。

表3 不同菌剂对玉米不同时期株高和叶片的影响Table 3 Effect of the two kinds of microbial agents on the plant height and leaf of maize at different times

综上，随着玉米的生长，2种菌剂在减少15%氮肥施用下，玉米的株高、叶长和叶宽均显著高于对照2(减氮15%)，与对照1(正常氮量)生长情况差异不明显，表明这三种菌剂均有促进玉米生长，显著增加玉米生物量作用，其中以菌剂1效果最好。

2.2.2两种微生物菌剂对玉米产量因素的影响 玉米收获前，对影响玉米最终产量的株高、植株鲜重进行测定，并对产量性状进行考种，结果如表4所示。可以看出，在玉米收获期，2种不同菌剂(减氮15%)处理后玉米株高均显著高于对照1(减氮15%)，菌剂1处理的玉米株高显著高于对照2(正常氮量)，菌剂2处理的玉米株高与对照2(正常氮量)差异不显著；2种菌剂处理后玉米植株鲜重显著高于对照处理。试验结果表明，2种菌剂处理对玉米的生长发育有明显的促进作用，可显著提高玉米生物量，增加光合作用，促进玉米增产。

表4 不同菌剂对玉米产量性状的影响Table 4 Effect of the two kinds of microbial agents on the yield components of maize

2种菌剂处理的玉米穗鲜重显著高于两组对照，穗干重、穗长、穗宽和百粒重显著高于对照2。2种菌剂处理的玉米产量均显著高于2组对照。与对照1相比，菌剂1处理产量提高9.30%，菌剂2产量提高9.78%；与对照2(减氮15%)相比，菌剂1处理产量提高18.58%，菌剂2处理产量提高19.09%， 其中菌剂2处理产量最高。

综上所述，在山西临汾小麦玉米轮作种植条件下，2种菌剂均可促进玉米生长，在同等肥力情况下，可显著提高玉米生物量、改善产量构成要素，提高玉米产量。

3 讨论

本研究将前期筛选得到的2种具有植物促生作用的微生物菌剂，采用技术要求低、适于田间操作、易于推广的喷施和拌种方式，应用于小麦—玉米轮作区的大田试验，显著提高了试验区小麦和玉米的产量。

2种供试的固氮芽孢杆菌均具有促进小麦和玉米生长、提高产量的作用，但2种菌剂对不同的测定参数和产量构成因素具有不同的促进作用，菌剂1主要提高了小麦的千粒重，而菌剂2主要提高了小麦的穗数；菌剂1主要提高了玉米的穗粒数，而菌剂2主要提高了玉米的百粒重，表明2种菌剂对小麦和玉米的促生效应不同，因此，可尝试两种菌剂复配或与其他微生物菌剂复配使用，从而可能产生更加全面和高效的植物促生效应。

另外，菌剂试验处理时小麦已到拔节期，错过增加小麦分蘖的最佳时期，但固氮芽孢杆菌处理的亩穗数仍显著高于对照组，可能与本年特殊气候有关。2018年3月中下旬气温偏高，2018年4月6日至8日气温较往年偏低，最低达-5 ℃，出现倒春寒，部分小麦出现冻害，且小麦生长后期茎基腐病发生严重，成熟期表现为白穗、无籽粒。固氮芽孢杆菌菌剂处理后的小麦可能有较强的抗病能力，降低茎基腐病的发生，提高小麦成穗率，需进一步试验验证。

本研究结果显示，与施用化肥相比，两种菌剂可显著提高小麦和玉米的产量，分别使小麦产量提高了23.83%和13.84%，使玉米产量提高了9.30%和9.78%，均不低于甚至高于目前市面上广泛销售的多种品牌的微生物菌肥，例如，播可润生物菌肥(沈阳爱地生物科技有限公司)应用于大田玉米，需与复合化肥才可达到增产效果，最高增产率为3.6%[13]；黑龙江科吉生态农业开发有限公司的复合微生物肥料可提高玉米产量8.9%[14]；施用北京世纪阿姆斯生物技术有限公司生产的微生物菌剂(沃柯)的玉米增产率为3.69%～8.65%[15]；河南省科学院生物研究所有限责任公司生产的微生物肥料可使小麦增产8.68%[16]。可见，本研究所测试的微生物菌剂具有明显的开发应用潜力。

综上，本研究为丰富我国微生物肥料品种资源提供研究基础，为小麦、玉米等作物的微生物肥料的田间施用技术推广提供示范，也为推进我国化肥农药减施增效重大战略目标提供实验数据基础。