腐殖质和生物肥料对植物发育和微生物活性的协同作用

Jose Franco Da Cunha Leme Filho，Wade E. Thomason，Gregory K. Evanylo，Xunzhong Zhang，Michael S. Strickland，Bee K. Chim ，Andre A. Diatta 著

黄亚茹4 李冬梅4 袁红莉4* 译

1 美国弗吉尼亚理工大学植物与环境科学学院 布莱克斯堡 24061

2 美国爱达荷大学土壤与水系统系 莫斯科 83843

3 美国农业部农业研究局中北部农业研究实验室 布鲁金斯 97415

4 中国农业大学生物学院 北京 100193

土壤是生产食物、饲料、燃料和纤维的重要载体，因为它不仅是植物根系伸展和固定的介质，还能为植物提供所需要的水和养分。然而，尽管土壤中存在矿物质、有机质和生物质资源，但仍需要额外施加肥料来促进植物发育。因此，施肥是提高土壤肥力、作物产量和支持农业集约化的必要措施。在世界对食物和纤维的需求不断增加的情况下，植物的营养资源对于农业集约化至关重要。各种各样的物质可以作为植物养分的来源。这些物质可以是合成的、天然的、回收的废物或一系列生物产品，包括堆肥茶和微生物菌剂，这些生物产品可以促进植物对养分的吸收并减少对合成品投入的需要。

当前农业的财政状况受到以下几个全球趋势的影响：环境管理、人口压力、土地限制和农业政策，并且每一项与农业财政状况的相关性都在增加。因此，近期我们面临的挑战是如何以可持续的方式最大限度地提高作物产量，从而实现经济效益。为此，有必要因地制宜地开发一些优化养分循环、最大限度地减少外部投入和提高投入使用效率的方法。

来源于无机、有机质和生物质资源的肥料在土壤肥力和植物生长方面的养分释放性质是不同的。因此，维持作物高产的总体战略不应只包括施加植物生长所需的合成肥料，还应该包括生物和有机营养资源的综合利用（提高农业效率和减少对环境负面影响的一种重要方式）。这种综合利用的方法让我们认识到生产者不仅要给植物提供营养，更要滋养土壤，因为健康的土壤对养分有效性、植物生长和农业可持续性具有重大影响。这是一种预防性而非治疗性方法，应保持土壤肥力，而非从土壤中吸收养分。根据粮农组织公告，“综合植物营养系统（IPNS）或综合养分管理（INM）能够在农业系统中实施植物营养和土壤肥力管理以适应地域特征，利用矿物质、有机质和生物质营养资源的结合和协调满足粮食生产和经济、环境及社会生存能力的需求。”

IPNS的原则是施用适当的肥料，维持土壤中的必需养分，以满足作物在任何生长阶段的养分需求。为此，我们分别研究了腐殖质和生物肥料作为有机资源和生物资源的作用。

腐殖质根据其在水中的pH和溶解度通常分为腐植酸、黄腐酸和腐黑物。MacCarthy认为，它们是由植物和动物残留物分解形成的有机物质的异质混合物，而Lehmann和Kleber认为腐殖质不是在土壤中自然存在的物质；通过现代分析技术，他们发现参与腐殖质合成的矿物质和酶与自然系统无关。在农业中使用腐殖质产品可能会对含或不含腐殖质的土壤中植物的生长产生促进效果。腐殖质单独使用或与其他产品联合使用具有多种环保益处，其与有机和无机肥料的结合使用不仅能使肥料效率达到最佳，还可以逐渐减少合成肥料的用量。腐殖质的理化活性和结构对土壤质量和作物产量具有重要影响，在可持续农业方面发挥着重要作用。腐植酸具有较高的碱交换容量，这对土壤稳定性至关重要。它们还具有刺激植物生长的作用，增加了养分的可利用性。综上，腐殖质有希望成为提高肥料效率的天然资源。

从理论上讲，生物肥料不是肥料，而是直接作为植物的食物。生物肥料是一种含有真菌和细菌等微生物培养基的物质，可用于种子、植物和土壤，可在植物的根际或内部定殖，增加土壤中的养分利用率，从而促进植物生长。一些研究已经证明了生物肥料（如堆肥茶和微生物菌剂）的直接或间接的效果，这类化合物可以通过改善土壤的理化性质、提高土壤肥力及增加植物有益微生物的数量来显著提高植物的生长、养分吸收及产量，从而提高农业可持续性。此外，微生物菌剂还促进了磷或钾的溶解，氮的吸收和根外菌丝的增殖，从而减少了土壤侵蚀和退化等负面影响。

目前已有大量研究表明，腐殖质和生物肥料可以作为植物生长促进剂、营养物质获取剂、抗逆剂和病原体抑制剂。然而，腐殖质和生物肥料的来源多种多样，这可能会降低本课题所进行的研究之间的比较水平。例如，风化煤和褐煤来源的腐植酸可能没有可比性。有研究报道，腐殖质+生物肥料的综合施用对几种植物产量具有积极影响，如：菠萝（Ananas comosus）、蚕豆（Vicia faba L.）、番茄（Solanum lycopersicum）、小麦、葡萄（Vitis vinifera L.）、大蒜（Allium sativum L.）、绿豆（Vigna radiata L.）、黄瓜（Cucumis sativus L.）、罗勒（Ocimum basilicum L.）、高粱（Sorghum bicolor L.）、桃（Prunus persica）和草莓（Fragaria ananassa）。总体而言，这些研究表明，不仅腐殖质和生物肥料的联合施用对作物产量具有积极影响，而且二者联用与单独施用和/或对照（不施用腐殖质和生物肥料）相比，其产量最高。此外，他们认为生物刺激素效应是腐殖质和生物肥料各自的主要作用机制。因此，腐殖质和生物肥料各自对初级和次级代谢产物及养分吸收的影响可能对产量产生重要影响。腐殖质与生物肥料之间的互补作用机制为：腐殖质通过离子交换和金属络合（螯合）刺激微生物活性，同时腐殖质可能会影响根系分泌物释放，从而干扰根际微生物群落。此外，腐殖质还增加了菌根真菌的菌丝体产量。Canellas和Balmori推测腐殖质的类生长素作用可能增加玉米根茎上的草螺菌的定殖。先前使用合成生长素2，4-D时，也发现了类似的结果。此外，在该研究的田间试验中也验证了腐殖质和生物肥料的协同效应，当腐殖质和生物菌剂（草螺菌）联合施用时，玉米产量分别比单独施用腐殖质和生物接种剂提高了48%和45%。有趣的是，将生物肥料活细胞包裹在富含腐殖质的海藻酸盐凝胶珠中，增加了番茄的茎和根长度，并有效地保护生物肥料免受土壤不良状况的影响。我们综述的问题是腐殖质和生物肥料的联合施用是否可以促进二者的协同作用并有可能提高功效。因此，本综述的目的是为了更好地了解腐殖质和生物肥料对植物-微生物互利共生关系的影响。这些植物-微生物的互作关系是农业生态系统中养分循环和促进植物养分吸收的重要组成部分。同时，也为了阐明腐殖质对植物、真菌和细菌的影响。

1 材料与方法

为了评估腐殖质和生物肥料联合施用对植物发育和微生物活性的影响，我们使用一个搜索词的组合：腐植酸+生物肥料+植物生长+微生物活性，在数据库AGRICOLA和Google Scholar上进行搜索。此搜索的目的是为了筛选与关键词相关的所有文献，而不是对该领域的所有研究进行详尽搜索。我们发现了大量与其中至少一个主题词相关的文章，而我们专注于研究腐殖质+生物肥料的综合使用。由于这些文章中腐殖质来源和浓度、植物种类、微生物种类及环境因素各不相同，使得我们无法在同一篇文章中检索到所有关键词。因此，本综述分为3个部分：腐殖质和生物肥料对植物、真菌、细菌的影响。此外，为了在不同的试验条件下，进行不同参数的比较，我们以百分比（%）为单位表示每个参数的增量和/或减量。对照为单施腐殖质、单施生物肥料或不做任何处理，以更好地理解二者各自发挥的作用。事实上，我们发现腐殖质和生物肥料对植物、真菌、细菌的促进作用是相互关联的。因此，这些影响可能是混杂的。例如，腐殖质促进根系伸长，也可以增加微生物在根系中的定殖。

2 结果与讨论

2.1 腐殖质和生物肥料对植物的影响

表1中的14项研究评价了腐殖质和生物肥料单独施用及联合施用对植物的影响。每项研究在腐殖质来源、生物肥料中微生物菌株类型、施肥量、植物种类及植物参数等方面都有不同之处。为了使试验汇总（表1）的数据相互关联，我们把每项研究中的处理分为4类：（1）对照（未施用腐殖质及生物肥料），（2）腐殖质，（3）生物肥料，（4）腐殖质+生物肥料。由于一些研究没有与以上4类全部符合的数据，所以我们筛选出了至少包含对照和腐殖质+生物肥料的研究，以评估腐殖质和生物肥料联合施用的效果。

表1 续3

表1 续2

表1 续1

表1 腐殖质和生物肥料联合施用对植物/生物量/粮食产量的影响Tab.1 Effects of the combination of humic and biozertilizers on plant/biomass/grain production

从表1的数据中可以看出，大多数研究中腐殖质与生物肥料的单独或联合施用使作物产量提高。实际上，在14项研究中，有8项研究表明，腐殖质与生物肥料的单独或联合施用对作物产量只具有促进作用，而有6项研究显示其对作物产量具有促进或抑制的效果，没有研究显示二者单独或联合施用只具有抑制的效果。此外，这些研究反映了几个决定产量的因素。所有研究都表明，当施用最佳剂量的腐殖质+生物肥料或单独的腐殖质和生物肥料时，作物的产量或生长都有所提高。在只对作物产量具有促进效果的研究中，与未施用腐殖质及生物肥料的处理相比，各处理对作物产量的最优促进效果如下：研究1显示，产量最高增加了65%；研究2显示，产量最高增加了50%；研究4显示，产量最高增加了112%；研究5显示，产量最高增加了31%；研究8显示，产量最高增加了123%；研究9显示，产量最高增加了19%；研究10显示，产量最高增加了37%；研究14显示，产量最高增加了15%。其中，所有研究中促进效果最明显的是腐殖质+生物肥料，而这些数据也揭示了由于植物的种类和环境因素的不同，腐殖质+生物肥料的联合施用对作物的促进效果可能不同。生物肥料的促生机制是提高土壤养分的有效性，通过促进植物激素的产生而促进植物生长和加强对疾病的防治。此外，腐殖质是影响植物养分吸收和生长的重要有机物质，它们还可以提高微生物活性，这将在本研究的另一部分中进行描述。因此，生物肥料与腐殖质的结合具有提高植物产量的潜力。

另一方面，对作物产量既有促进又有抑制效果的研究中，与未施用腐殖质及生物肥料的处理相比，各处理对作物产量最明显的促进及抑制效果如下：研究3显示，产量最高增加了60%，降低了63%；研究6显示，产量最高增加了109%，降低了60%；研究7显示，产量最高增加了38%，降低了39%；研究11显示，产量最高增加了32%，降低了4%；研究12显示，产量最高增加了33%，降低了3%；研究13显示，产量最高增加了54%，降低了30%。既有促进又有抑制效果的研究与只具有促进或只具有抑制效果的研究并不一致，在植物的不同部位出现了不同的效果。而且相同处理在不同施用量下的结果也截然相反，说明这些物质的施用量不当可能是导致自身性能下降的重要因素。综上所述，腐殖质+生物肥料的施用仅在植物的某些部位和特定比例的施用量上表现出促进作用。例如，研究3表明，腐植酸浓度也会影响植物和生物肥料之间的相互作用。当使用摩西球囊霉+ 300 mg/kg腐植酸处理月桂时，根鲜重和地上鲜重最高，但随着腐植酸浓度的增加，根和地上的鲜重逐渐降低，用高浓度的腐植酸处理月桂，其重量比只施用生物肥料而不施用腐植酸的处理还要低。因此，腐殖质的不适当添加可能会降低腐殖质与生物肥料联合施用的效果，过低或过高浓度的腐殖质可能会使其无效或者损害植物的发育。

事实上，表1所列的14项研究表明，腐殖质、生物肥料和腐殖质+生物肥料处理对作物既有促进作用又有抑制作用，这表明这些物质的应用对作物的利害关系并不是很清楚。我们将表1中的数据进行比较（图1），每项研究使用的植物生长参数不同，但各研究至少包含对照（未施用腐殖质及生物肥料）和腐殖质+生物肥料2种处理。图1表明腐殖质+生物肥料对植物发育的刺激作用最为明显，二者具有很好的协同作用。我们对表1中每项研究的每项处理取平均值，结果发现腐殖质、生物肥料和腐殖质+生物肥料处理对植物的影响分别提高11%、16%和29%（图1）。事实上，图1整合了许多不同的植物种类，生长和产量参数，腐殖质及生物肥料的来源和浓度，我们必须统一这些信息，因为在相似的植物种类和环境中，专门针对腐殖质+生物肥料联合施用的研究并不多，但这些研究却可以为这些物质的广泛使用提供指导。腐殖质在不同植物上的单独施用可促进植物细胞伸长、养分吸收、改善土壤结构及保持水分，同时腐殖质还发挥着植物类激素作用。此外，许多研究表明，多种类型的生物肥料可通过不同的机制影响植物发育，如豆科植物和非豆科植物中的固氮作用，磷酸盐、微量营养素和矿物质的溶解，植物对生物和/或非生物胁迫的防御以及刺激植物生长调节剂如生长素、赤霉素和细胞分裂素的产生。因此，图1可能是施用腐殖质和/或生物肥料而引起的不同机制的一个或多个效应的叠加。

图1 汇总14项研究的结果，介绍在不同生长条件下单独施用腐殖质或生物肥料及2种物质联用对几种植物的影响Fig.1 The compilation of results of 14 studies presenting the effects of the independent and integrated use of humic substances and biofertilizers on several plant species under different growing conditions

2.2 腐殖质和生物肥料对真菌的影响

表2展示了随腐殖质浓度的增加真菌生长的变化情况，其中再次引用了研究3。这些研究，即研究15、研究16和研究3，分别在实验室、温室和开放式苗圃环境中进行。然而，它们的共同之处在于，在施用腐殖质的情况下均测定了菌根的发育情况。其中有2项研究（研究15和16）表明，腐殖质对菌根的发育具有促进作用，而研究3却显示腐殖质对菌根的发育具有抑制作用（表2）。研究15表明，在pH分别为7.0和4.0的固体培养基中添加适量的黄腐酸，使外生菌根的生长分别增加了88%和80%。黄腐酸的分子比腐植酸的分子小，而且它们的结构中含有更多的氧，因此增加了化学反应，即使这两种物质来源相同。因此，从理论上讲，黄腐酸的利用比腐植酸更有效，因为黄腐酸的接触面积和被植物叶片吸附的能力更强，而腐植酸的大小使其不能被植物叶片吸附。其他重要因素如施用量、环境条件、植物和微生物种类也会改变这些物质的性能。研究16只检测了一种腐殖质的施用浓度，与对照（仅施用生物肥料，不施用腐殖质）相比，施用腐殖质+生物肥料使真菌菌丝生长增加了158%。由于目前已有文献报道，真菌可以降解腐殖质，因此，在这2项研究（15和16）中，腐殖质促进菌根的生长可能是因为真菌将腐殖质降解用作自身的营养来源。此外，与植物的影响相同，同一处理不同浓度下的腐殖质对真菌的生长产生了相反的结果。在研究15中，pH=4.0下的最佳腐殖质浓度使外生菌根真菌的干重增加了80%，但高浓度的腐殖质使外生菌根真菌的干重降低了37%。在同一研究中，pH=7.0下的外生菌根真菌施用3200 ppm的腐殖质后，对其干重并没有影响（表2）。腐殖质浓度再次成为影响自身性能的重要因素。同时有趣的是，有研究证实真菌对腐殖质的吸附能力取决于pH、离子强度、金属离子浓度和环境温度。

研究3的结果表明，腐殖质不利于真菌的生长。与研究15和16不同的是，它对真菌生长具有抑制作用，且随腐殖质浓度的增加，菌丝长度逐渐降低（表2）。先前对花旗松外生菌根的研究表明，它不受腐殖质的影响。在真菌发育不受影响或抑制真菌菌丝生长的情况下，植物可能会失去与真菌（可能快速生长并覆盖更多区域）的协同作用而无法增加对养分的吸收。此外，研究3与研究15结果一致的是，最高浓度的腐殖质（3200 ppm）会抑制外生菌根真菌的生长。然而，在研究15中，较低浓度的腐殖质促进了外生菌根的生长，而在研究3中没有发生这种情况。这些研究表明了腐殖质浓度在微生物和植物之间的相互作用中具有重要作用。因此，根据这3项研究中获得的不同结果（表2）可以发现，不同的腐殖质浓度、环境、植物和微生物可能会导致不同的结果。

表2 不同浓度的腐殖质对菌根真菌生长的影响Tab.2 The effects of different doses of humic substances on mycorrhizal growth

将研究15、16和3的腐殖质的浓度转换为相同的单位（ppm）进行比较（图2），不同来源和浓度的腐殖质对真菌生长具有促进、抑制或无效果（图2）。生物肥料类型、真菌种类和环境pH也是腐殖质影响真菌生长的重要因素。

图2 研究3、15和16中报道的菌根生长对不同腐殖质浓度的响应Fig.2 The responses of mycorrhizal growth to increasing application rates of humic substances presented in Study 3, 15 and 16

2.3 腐殖质和生物肥料对细菌的影响

许多研究报道，腐殖化的物质可以促进细菌的生长及活性，并影响其代谢反应。如表3所示，对不同种类的细菌进行汇总并评估了添加腐殖质后对细菌生长情况的影响。本数据包含5项研究：研究2、研究12、研究17、研究18和研究19，其中研究2和12在植物效应部分提到过。研究2根据刺田菁（Sesbania aculeata）上的结瘤数评估了腐殖质对根瘤菌生长的影响，研究12使用最大或然数法（MPN）定量分析了腐殖质对巴西固氮螺旋菌、环状芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌生长的影响。结果表明，腐殖质可促进大多数菌株生长（表3）。研究12中测试的3种菌株都可以在腐殖质条件下生长，而研究17表明，108个土壤和蚯蚓粪便中的细菌能在添加腐殖质培养基上生长，55个细菌不能生长。在研究2和研究18中，腐殖质能促进细菌（每项研究各1个）生长。研究19中虽然没有明确菌株的数量，但腐殖质促进了一些微生物的生长。用15N标记腐植酸，发现腐植酸可作为几种微生物（巨大芽孢杆菌、荧光假单胞菌、放线菌和分枝杆菌）的氮源。如果将腐植酸添加到选择性培养基中，可以促进不同种类和功能的土壤细菌生长，这也基本上证实了表3中的结果。腐殖质可能通过影响细胞膜通透性和养分吸收来促进微生物细胞的活性和生长。综上，腐殖质可以促进多种细菌的生长，这也进一步支持了腐殖质可以增强微生物活性的假设。

表3 续

表3 在腐殖质的作用下能否生长的细菌菌株数量Tab.3 Number of bacteria strains capable and incapable on growing under the application of humic substances

在表3的数据中并没有考虑腐殖质的浓度因素，只是列举了在添加腐殖质的条件下可以生长的菌株，并没有比较以确定添加腐殖质是否比不添加腐殖质会更好。而表4提供了表3引用的研究中是否添加腐殖质的信息，并比较了不同腐殖质浓度对细菌发育的影响。事实上，图2和图3已经说明腐殖质浓度在植物和真菌的相互作用中是极其重要的，而在与细菌相互作用时，腐殖质浓度也至关重要（表4）。表4结果显示在大多数情况下，细菌的生长与腐殖质浓度不成正比。施加最适浓度的腐殖质对细菌数量的最佳促进结果如下：研究2显示，细菌数量增加了3900%；研究12显示，细菌数量增加了1747%；研究17显示，细菌数量增加了84%；研究18显示，细菌数量增加了1567%；研究19显示，细菌数量增加了100%。有报道称腐植酸的螯合作用可以促进微生物的活性。综上，不同的研究者在施用腐殖质的条件下采用不同的方法比较了不同细菌的生长情况，发现通常施用腐殖质会增加微生物的活性，其中最适腐殖质浓度促进了微生物更好地发挥作用。

表4 续2

表4 续1

表4 腐殖质浓度对细菌发育的影响Tab.4 Effects of humic substances rates on bacteria development

将研究2、12、17、18和19中腐殖质的施用浓度转换为同一单位（ppm）进行比较（图3），其中研究2、12和17只研究了一种腐殖质的浓度，并发现添加腐殖质促进了细菌的生长。对不同浓度的腐殖质的研究（研究18和研究19）表明，当首次添加腐殖质时，细菌生物量逐渐增加，随后达到最大值或趋于平稳。而随着腐殖质浓度持续增加，细菌生物量逐渐下降。这也再次表明，当腐殖质作为生物刺激素与生物肥料结合使用时，适当的添加量是非常重要的。腐植酸的不同组分对海洋浮游植物发育的影响表明，随着腐植酸施用浓度的改变，浮游植物会有不同的生理效应，而最高的腐植酸施用量并不能使植物达到最大的生长量。

图3 不同浓度的腐殖质对细菌生长的影响Fig.3 Responses of bacterial growth under increasing rates of humic substances

3 结论

本文表明，腐殖质虽然可以促进植物的发育和微生物的活性，但也受到土壤pH和自身施用量等许多环境和管理因素的影响。结果表明，腐殖质和生物肥料的来源和施用量对植物生长和微生物活性是否会显著提高有很大的影响，植物和微生物的种类也会影响其对腐殖质的响应。此外，在腐殖质和生物肥料同时存在的情况下，不同因素之间的相互作用会增加结果的可变性。因此，获得可预测响应是复合的。正因为有这些不确定因素的存在，所以通过试验来表征腐殖质+植物+土壤中自然存在的微生物+生物肥料的协同关系是非常有必要的。基于大量腐殖质和生物肥料联合施用对植物和微生物促进作用的研究，我们认为在农业系统中联合使用腐殖质和生物肥料来刺激植物发育和微生物活性具有理论前景。然而，考虑到类似的植物种类、环境、腐殖质来源和生物肥料中含有的微生物等因素的研究较少，后续仍需要更多的探究。

参考文献（略）