微生物菌肥在设施蔬菜生产中的研究进展

王亚文，史慧芳，张 鹏，郝 哲，阎雄飞

（1榆林学院生命科学学院，陕西榆林 719000；2榆林市农垦服务中心，陕西榆林 719000）

0 引言

中国作为人口大国和农业大国，对农业的生产以及优质食品的要求在不断的提高，但是随着现代农业技术的发展与应用，化肥和农药的不合理使用对中国农业的可持续发展带来了日趋严重的问题，如土地生产能力降低、土壤肥力下降、土壤板结、环境污染等问题突出[1]。2021 年的中央一号文件指出，粮食安全不能出问题，大力推进农业绿色问题，在此背景下，微生物菌肥因环境友好、绿色环保、资源节约等特点，从2013年至今已经成为中国研究的热点。

微生物菌肥是通过其具有活性微生物的生命活动来使作物得到生长发育所需要的营养，是农业生产中的一种新型肥料[2]，可以通过分泌的多糖、粘液来提高土壤保水、保肥的能力，来改善土壤的理化性质；也可以通过产生一些植物生长调节物质如生长素、赤霉素等，来促进作物对营养元素的吸收利用以及作物根系的健康生长，进而提高作物对养分的吸收能力，促进作物的健康生长；还可以通过产生抗生素、系统防卫酶等物质抑制细菌或真菌性病害，来减轻病原菌对作物的为害，进而提高作物的抗病性和耐病性。除此之外，微生物菌肥还可以将无机元素转化为对作物生长有益的有机化合物，进而提高作物的产量及品质。目前微生物菌肥已经应用于多种作物中，成为了中国肥料应用的重要产业，尽管中国在微生物肥料研究领域有着显著的成果，但其应用和推广还远远不够，平均施用量占肥料用量的不到一成，且利用率为30%左右[3]。

本研究将对微生物菌肥在蔬菜作物中的应用研究、作用机理及其未来的发展趋势与展望等方面进行综述，旨在为微生物菌肥在农作物上的应用和发展提供理论依据，对促进农田生态环境的良性循环，以及农作物的绿色可持续发展具有重要的意义。

1 微生物菌肥的研究进展

微生物菌肥是一种含有有益活性微生物菌、活性酶、有机质及多种微量元素并可用于不同植物的活性菌剂或生物菌剂，其具有改良土壤、有效提高植物对养分的吸收利用、增强作物的抗胁迫和抗病能力等多种功能[4-5]。

在19世纪80年代，根瘤菌(Rhizobium)被荷兰学者Beijerlinck发现成为了国外微生物菌肥研究的开端，随后根菌剂开始了大范围的研究和应用，除了对根菌剂的研究外，国外学者还对解磷菌、解钾菌以及固氮菌进行了大量的推广应用，并且取得了较为显著的效果[6]。微生物菌肥在中国起步比较晚，自20世纪50年代从国外引进自生固氮菌、磷细菌和钾细菌，先是对豆科植物应用根瘤菌接菌剂开始，以大豆和花生为主，并且取得了很好的应用效果，随后是使用放线菌制成的“5406”抗生菌肥料和固氮蓝绿藻肥的研究与应用[7]。20世纪80年代，植物根际促生菌(PGPR)被发现是一些可以有效提高作物的抗逆性和促进作物健康生长的微生物[8]，在这一阶段有关联合固氮微生物的菌剂和菌种的选育也在农业生产上取得了显著的效果[9]，之后微生物菌肥在中国农业生产中开始了研究与应用。目前，中国对微生物菌肥的研究和应用已经进入了新的发展阶段，主要体现在微生物菌肥已经应用到了多种农作物、蔬菜作物以及经济作物中，在农业生产中能够促进植物对营养元素的吸收，提高果蔬的品质和植株的生物量，减少污染，提高经济效益。

2 微生物菌肥的作用机理

微生物菌肥凭借绿色环保、资源节约和环境友好等优点，给社会、经济和生态带来了巨大的效益，对现代生态农业的健康发展起着越来越重要的作用。随着人们生活质量的提高，对吃食上的要求也越来越严格，尤其是对绿色、安全无公害产品的要求随之增加，中国微生物菌肥已经处于快速发展阶段，对中国农业的可持续发展和生态环境的绿色发展具有积极促进作用。微生物菌肥，在农业生产中有着不可替代的作用，主要表现在以下几方面。

2.1 改善土壤结构

土壤是农业发展的基础，土壤结构是在土壤成型的过程中由生物、物理和化学以及各种环境因素如风蚀、降雨等多种因素综合而形成的团聚体，而土壤团聚体是微生物生活的主要微生境[10]。过量施用化肥会破坏土壤结构，其中氮肥施用过量会使土壤中的碳氮比遭到破坏，磷肥过多会导致土壤中的沉淀过多，钾肥过多会使钾离子转换成多价的阳离子，进而导致土壤结构的破坏。微生物菌肥中所含有的活性微生物对土壤板结、土壤盐渍化和土壤干旱有良好的改良效果，同时还可以促进微生物间的相互作用，提高土壤的稳定性和土壤群落结构的多样性。影响土壤团聚体的关键因素是土壤中有机质的含量，含量在0.25～0.5 mm 能很好的保持土壤团聚体的稳定[11]。Chen等[12]发现微生物菌肥可以有效降低土壤中的盐碱成分，其中芽孢杆菌属的微生物菌肥对土壤盐渍化的改良效果最为显著。

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质、有机质等营养物质，与植物之间形成共生体进行能量的转换，也可以通过固定一些营养元素和营养物质来提高土壤养分性能，促进植株吸收利用，提高土壤肥力[13]。如固氮菌类的微生物肥料可以显著增加土壤中的氮元素，对土壤起到固氮作用，主要以根瘤菌固氮效果最为显著。解磷菌在代谢过程中可以将土壤中难溶的磷酸盐类物质溶解[14-15]。胶质芽孢杆菌，可以分解含钾素的矿物质，能够将难溶的矿物质钾素转化为可以被植物吸收和利用的速效钾，进而为植株提供所需的养分，促进作物生长[16]。

2.3 提高土壤酶活性

土壤酶活性是指土壤酶能够催化土壤中的各种物质进行转化的能力，也是检测土壤的环境变化和土壤肥力程度的重要指标，其主要来自土壤中微生物、作物根系及动植物细胞所分泌的物质和动植物的尸体残肢的分解物，既包括增值过程的微生物所释放到土壤中的酶活性，也包含土壤中已经累积的酶活性。土壤中腐殖质的形成与发育、土壤的形态结构和物理状况以及各种营养元素的储存与释放与土壤酶活性息息相关。如脲酶主要是对尿素起着水解作用的土壤酶，反映了其对土壤的供氮能力，土壤酶活性的高低程度体现了植物对氮元素的直接利用和转化程度[17]。蔗糖酶主要作用是促进蔗糖水解生成果糖和葡萄糖，可以增加土壤中的可溶性养分，土壤磷酸酶主要对土壤磷元素的转化有着重要的作用，可以提高有机磷的脱磷速率[18]。微生物菌肥可以提升土壤中的各种酶活性，进而促进土壤微生物群落的平衡性和稳定性，为作物提供了充足的营养物质。

2.4 产生植物激素类物质

微生物菌肥可以产生植物激素类物质，这些物质可以对作物的生长进行调节，促进作物良好发育，例如生长素、赤霉素和细胞分裂素等，这些激素能够促使作物更好的吸收养分，还能加强土壤还原力，改善土壤环境。有相关研究表明微生物所产生的植物激素对植物的生长发育有一定的影响，植物根系的生长与微生物所产生的细胞分裂素息息相关[19-20]。Bonartsev 等[21]研究发现褐色球固氮菌也能产生细胞分裂素来调节作物的生长。Yasar 等[22]研究发现微生物菌肥中所含有的芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌均能产生植物生长素，可以促进作物生长。

2.5 提高作物的抗病性

微生物菌肥能提高作物的抗病性，主要体现在微生物菌肥中所含有的有益微生物在生长繁殖的过程中会在土壤微生态环境内形成优势种群，对病原微生物的生长繁殖具有抑制作用，有些微生物菌肥对病原微生物有着拮抗作用，在一定程度上可以减轻或预防作物遭到病原微生物的侵害作用[23]。许多微生物根际有益菌能产生抗生素、链霉素、Fe 载体等多种抑菌病害的物质，增强作物根部的抗病能力，如微生物菌肥对枯萎病、青枯病、白粉病等均有很好的抑制作用，促进作物健康生长[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种能诱导作物产生超氧化物酶、过氧化氢酶等代谢产物来抵御干旱、病虫害、衰老、胁迫环境等逆境，进而提高作物的抗逆性。如儿茶酚氧化酶和过氧化物酶在植物抗逆反应中能够发挥重要的作用，而且茶酚氧化酶的主要作用是缓解两种作物间的抑制作用[27]。微生物肥料本身具有无毒无害，没有污染环境的特点，施用微生物菌肥可以降低生产成本，节约资源。

3 微生物菌肥在设施蔬菜作物的应用效果

蔬菜是中国种植业中仅次于粮食的第二大农作物，设施蔬菜具有受环境影响小、产量高、效益好等优点，在蔬菜产业中有着举足轻重的地位[35]，其在农村结构调整、农村经济发展中和农民增收致富中起着十分重要的作用，但由于区域条件限制和经济利益的驱动，设施蔬菜品种主要局限于经济效益相对较高的茄果类蔬菜，设施蔬菜在实际的生产过程中，菜农为了追求高产量、高效益，往往凭借经验向土壤中施入大量的肥料，以期高产，但长期过量施肥不仅会使土壤中养分失去平衡，造成肥料的浪费，还会导致土壤养分的淋失和累积，进而在农业生产过程中加大了生产成本的投资，最终造成土壤质量下降、地下水污染严重以及生态环境恶化等问题，降低蔬菜质量和安全性，从而对人的身体健康造成不良影响[36-37]。施肥中存在的这些问题最终导致设施土壤环境持续恶化，蔬菜土传病严重，品质和产量严重下降等一系列问题，严重影响设施蔬菜的健康生产。

表1 不同种类微生物菌肥对设施土壤的影响

3.1 改善设施土壤理化性质

微生物菌肥中的有益微生物能在土壤中大量繁殖，分解土壤中的有机物质，增强土壤的团粒结构，增加土壤酶活性，丰富土壤微生物的多样性，改良土壤的通透性，改善土壤理化性质，为设施蔬菜的生长提供良好的根际环境，从而促进作物良好生长、提高作物产量。微生物菌肥可以缓解设施菜地因单一的种植方式以及不合理施肥而导致的土壤板结问题。马慧媛等[38]的研究表明，在设施茄子施用微生物菌肥可以改善土壤营养状况、增加土壤微生物的数量，进而促进茄子营养生长，增加茄子的产量。高逸等[39]的研究表明，在设施生菜施用微生物菌肥可以富集有益菌属，改善土壤微生物结构，降低生菜病株率，提高生菜产量。贾娟等[40]研究发现氨基酸水溶肥与菌剂配合施用能够显著提升设施松花菜的肥料利用率，提高了土壤的酶活性，进而达到增产的效果。

3.2 缓解设施连作障碍

设施蔬菜的连作会影响设施土壤理化性质以及土壤酶活性、土壤微生物群落的结构，进而导致根际微物的生境被破坏，有害微生物的富集，严重影响土壤的质量和蔬菜的品质[41]。设施连作障碍是设施蔬菜种植生产过程中最为突出的问题，主要原因有：第一，土壤次生盐渍化和酸化。设施蔬菜在生产的过程中，菜农因没有系统的管理方法，肥料施用不当，经常会导致土壤含盐量的增加，使蔬菜作物不能正常发育，进而导致蔬菜产量和品质下降。第二，土壤营养平衡被打破。同种或同科蔬菜的长期种植，会使蔬菜吸收养分的能力保持在某一水平上，这将会导致土壤中某些元素的缺乏，以及其需要较少或不需要的营养元素过多积累，致使土壤养分分布不均衡，从而降低了蔬菜作物的抗逆性，引发设施蔬菜的病虫害加剧发生，进而影响蔬菜的产量和品质。第三，设施土壤酶活性和微生物区系紊乱。设施蔬菜长期连作会降低土壤的微生物活性、土壤微生物群落结构的稳定性和多样性及其均匀度指数。同时也会降低作物根际土壤中的蛋白酶、过氧化物酶、过氧化氢酶、脲酶的活性，而不利于改良土壤，土壤微生态平衡被打破。第四，蔬菜作物本身的自毒作用。连作条件下病原微生物的代谢产物与土壤中动植物残体对植物有着致毒作用，连同植物根系分泌的自毒物质共同影响着植株的代谢，最终导致自毒作用的发生。微生物菌肥可以通过有益菌对设施土壤生态技术体系进行修复，达到提高土壤系统稳定性和系统生产力，进而平衡土壤-蔬菜-微生物生态系统的目的。王涛等[5]的研究表明，微生物菌肥可以有效缓解黄瓜连作问题，且能显著优化连作土壤微生物菌群，改善连作土壤理化性状、提高土壤酶活性。刘吉青等[42]的研究表明微生物菌肥可以有效缓解设施番茄连作障碍，增加设施土壤肥力，促进番茄植株生长，提高植株生物量。贾喜霞等[43]的研究结果表明微生物菌肥可以有效缓解设施茄子连作障碍，提高连作茄子的光合作用，改善茄子的根系吸收能力，进而促进植株生长。

3.3 提高设施蔬菜作物品质和产量

微生物菌肥对蔬菜作物的生物量、结果率和产量等方面有显著的促进作用，并且可以有效改善作物的品。随着人们生活质量的不断提高，人们对饮食上的要求也在不断的提高，如在蔬菜生产上要求绿色、无公害，在品质上要求口感好。微生物菌肥可以提高西红柿植株的株高、茎粗、最大叶长和最大叶宽，进而有效提高西红柿的生长势[44]。陶伟等[45]研究表明复合微生物菌肥可以显著提高芥菜的株高、单株重，进而促进芥菜的优质高产。庞强强等[46]研究表明微生物菌肥可显著促进白菜的生长发育，提高白菜的叶长、叶宽、株高、单株鲜重和叶绿素含量，降低白菜叶片的硝酸盐含量，提高可溶性糖和维生素C含量。微生物菌剂对白菜的生长、产量和维生素C含量有显著的促进作用，有效的改善了白菜的品质[47]。

3.4 增强设施蔬菜作物抗病能力

设施蔬菜连作土壤中积累了大量的有害物质及病原菌，且根系在此逆境胁迫下各项生理指标下降，生长受阻，抗逆反应低下。微生物菌肥处理设施连作土壤后，在蔬菜作物的各个生育期均可有效提升蔬菜的防御酶活性，以缓解这种逆境胁迫，增强作物的抗病能力。赖文全等[48]的研究表明，施用紫牛复合微生物菌能够很大程度的减少重茬茄子上的土传病害。覃柳燕[49]的研究表明，微生物菌肥具有防治香蕉枯萎病的潜力。谢东锋等[50]的研究表明，微生物菌肥能够促进连作黄瓜的健康生长，提高黄瓜各生长期叶片的多酚氧化酶、过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诱导黄瓜的系统抗病性。

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、有机质及多种微量元素并用于植物的生物制剂或活菌制剂。近年来已经在农业生产中得到了广泛的推广应用，其不仅仅只应用于豆科作物，已经完全从豆科接种剂转向了非豆科作物，如在蔬菜作物、粮食作物和经济作物中，微生物菌肥均能有效发挥作用；对微生物菌肥的研究也从单一菌剂转向了复合菌剂、单一菌肥转向了复合型微生物菌肥，如固氮菌肥与解鳞、解钾肥配合施用可以同时提高土壤中N、P、K元素的含量，为作物提供充足的营养元素。开发有多种功效的微生物肥料能更好地促进植物健康生长。微生物菌肥功能也由单功能转向了多功能，微生物菌肥可以提高土壤中的细菌数，丰富土壤中细菌的微生物群落，而细菌一般具有特定性功能，这些微生物菌肥在降低化肥使用量、提高化肥利用率和减少生态环境污染等方面具有重要作用[55]。

表2 不同种类微生物菌肥对设施蔬菜作物的影响

微生物菌肥对改善土壤环境、促进作物生长和改善作物品质具有重要作用，可以通过微生物菌肥中的活性菌增加土壤中的营养元素，还具有修复土壤的功能，在实际的农业生产应用中已经被证实。但是微生物菌肥在实际生产过程中存在菌种效能的不稳定性、肥效缓慢、储存期短等问题，因此为了克服微生物菌肥所存在的这些问题，就要明确微生物-土壤-作物三者之间的作用机制，利用现代分子生物技术，深入研究微生物的内部结构、微生物的基因组成，以获得微生物的多样性和群落结构，进一步了解微生物、土壤和作物三者之间的信号通道和作用机制，为筛选优良菌株和提高微生物菌肥的肥效提供了有利途径，推动微生物菌肥在有机农业中可持续发展。