微生物菌肥的特点及其作用机制研究进展

段迪瀚，刘情宇，荣梦瑶，李元杰，毕世权，张少斌

（沈阳农业大学 生物科学技术学院，吉林 沈阳 110866）

微生物菌肥是近年来兴起的一种低碳、纯天然、无污染、无毒无害的新型肥料，微生物菌肥中的有益微生物通过在土壤中的代谢活动，既可以改善农作物生长的土壤生态环境，提高土壤肥力水平，又可通过分泌微量活性物质刺激和诱导农作物的抗逆性，从而促进农作物高效生长、大幅度提高农作物的产量和品质[1-2]。截至2022年3月31日，农业部种植业管理司备案登记的肥料总数约为25 000个，其中，以有效活菌数为主要技术指标的微生物菌肥约为9 700种，占比接近40%。2020年以来，我国每年新增备案登记的微生物菌肥数量超过1 500个，生产企业超过1 000家，年产销量超过2 000×104t。微生物菌肥在减少化肥使用、保护生态环境、促进农业可持续发展方面发挥着越来越重要的作用。

1 微生物菌肥的特点

1.1 无毒无害、活化土壤、提高土壤肥力

据统计，全球使用的化肥中仅有30%～50%的氮肥、45%的磷肥被农作物直接吸收利用，更多的过剩化肥成为污染物，流失到土壤、河流之中，带来严重的环境问题；同时，大量施用传统化肥会造成土壤板结，土壤质量发生一定程度的退化[3]。相对于传统化肥，微生物菌肥具有多重优点：微生物菌肥的原料多为农作物废弃物、果渣、垃圾等，作为一种生物性肥料，其具有天然、无毒无害无污染的特性；通过微生物代谢活动有效降解土壤中的农药残留，净化土壤；微生物菌肥还能调节土壤生态环境，有效活化土壤，防止土壤板结，增加土壤中的透气性，从而促进植物根部的生长发育；微生物菌肥还可提高土壤氮、磷、钾等营养物质含量与吸收效率，提高肥料利用率。

1.2 促进生长、提高产量、改善品质

微生物菌肥中的微生物可以通过合成或分解土壤中的有机质为农作物提供养分，也可通过代谢活动提高土壤中氮、磷、钾的含量，有效提高土壤肥力，并能促进作物对肥料的吸收与利用；同时，菌肥中的微生物还可以分泌赤霉素、细胞分裂素、生长素等活性物质，调控作物生长发育，从而促进作物生长，并提高作物产量与品质。武杞蔓等研究发现，施用微生物菌剂后，黄瓜的株高、茎粗和叶片数均显著高于对照组，叶片叶绿素含量也有显著提高，根际促生菌除了对植物生长有一定的促进作用外，对病原菌也有很好的拮抗作用[4]。韩梅等研究发现，微生物菌肥中的硅酸盐菌株显示了良好的增产和抑病作用，如接种硅酸盐细菌C1和Y3后，盆栽玉米植株地上部分的干质量分别提高了31.9%和26.7%[5]。对比不施用微生物菌肥的农产品，施用菌肥的农产品品质大幅度提升，果实饱满，籽粒丰满，着色度增强，畸形果减少，而且蛋白质、糖分、维生素、氨基酸的含量均有一定程度的提高。施用菌肥可以显著提高饲料玉米籽粒的粗蛋白含量、粗脂肪含量、淀粉含量和热值，同时还可以显著降低玉米秸秆中性洗涤纤维含量，中性洗涤纤维含量是直接影响牲畜生产的指标，降低其含量有利于提升畜产品品质[6]。

1.3 抑制病原菌生长、提高作物抗逆性、减少病虫害发生

微生物菌肥中的根际促生菌除了对农作物有促生作用外，还能分泌抗生素等拮抗物质，有效抑制土壤有害微生物和寄生虫等，从而减少病虫害的产生和传播；同时，微生物菌群还会分泌活性化学物质来抑制病原菌，并诱导和激活农作物的防御系统，提高抗氧化酶等防御酶活性，从而提高农作物抗旱、抗病虫等抗逆性，减少病害发生，增加作物产量。潘凡等[7]研究表明，荧光假单胞菌菌剂可显著降低沃玉3号玉米的多种病虫害，对小斑病、矮花叶病毒病等病害，对灰飞虱、麻皮蝽等虫害的防治率均达到100%。梅雪丽等人[8]在甜瓜土壤中施用生防菌K3菌剂，可提高甜瓜叶片多酚氧化酶（PPO）活性15%～30%，根结线虫防治率达50%～100%，显著促进甜瓜生长，甜瓜苗地上和地下鲜质量提高100%以上。

2 微生物菌肥的作用机制

2.1 直接生成或通过活化土壤为农作物提供营养成分

土壤中富含大量营养物质，但有一些并不能被农作物直接吸收，而微生物菌肥则可以通过菌群微生物的代谢活动，提高土壤中的氮素和有效磷、钾的含量，将这些营养物质转化为可被农作物吸收利用的成分，从而促进植物的生长发育。固氮菌可以直接固氮，溶磷微生物能使土壤中难溶性的磷酸盐溶解，有效提高磷的利用度，降低土壤中的pH值[9]。硅酸盐细菌也被称为 “钾细菌” ，由硅酸盐细菌制成的菌肥具有不同于其他菌肥的特性，能对土壤中难溶性的矿物成分进行分解，使之转化为有效矿物质，例如钾和磷等。刘荣昌等也曾报道某些微生物菌肥可以活化并促进矿物释放铁、锰等元素[10]。

2.2 产生生理活性物质调节农作物生长

微生物菌肥中的菌群在生理代谢过程中，能产生赤霉素及其他生长素等生理活性物质，这些生理活性物质可调节生理生化过程，并且微生物菌群能分解在土壤中残留的化肥和农药，起到净化环境的作用。汤佩平和周鸿宾研究发现，固氮根瘤菌可以产生IAA和类赤霉素,发酵液IAA浓度可达5.812μg/mL，具有促进小麦芽鞘伸长的作用，类赤霉素浓度为0.075μg/mL，具有明显刺激水稻幼苗叶鞘伸长的作用[11]。谢达平等人研究发现，微生物菌肥发酵液中含有7种类植物激素，激素总含量达到64.8μg/mL，其中6-苄氨基嘌呤、赤霉素、类吲哚乙酸的含量分别达到0.88μg/mL、2.24μg/mL和5.82μg/mL，微生物菌肥发酵液可显著增加水稻芽长20%以上，以菌肥拌种，发现微生物菌肥可使黄瓜、菠菜、油菜和玉米次生根数量增加10%～59.4%，次生根平均长度增加9.1%～30.9%[12]。

2.3 产生抑菌抗病物质间接促进农作物生长

微生物菌肥能够依靠产生抗生素、系统防卫酶等多种物质来显著抵御细菌或真菌性病害，还能诱导系统抗性从而提高病虫害抵御能力，间接达到促进作物生长发育的目的，已报道且被分离出的植物根际促生菌产生的抗生素有20种左右[12]。有研究指出，根际促生菌能产生胞外溶解酶和氰化氢，而不损害植株，并且可诱发植株对病虫害的抗性[13]。

2.4 诱导对非生物胁迫的抗性促进农作物生长

微生物菌肥的某些特殊菌群不仅能够提高作物的抗旱、抗盐碱能力，还有抗极端温度、湿度和pH值、抗重金属毒害等作用，利用微生物菌肥的这些特性，可以大幅提高农作物在逆境下的生存能力。施用微生物菌肥后，诱导许多与防御反应有关的物质如抗氧化酶、几丁质酶、植物菌素、酚类化合物等物质的增加，从而提高农作物的抗逆性[12]。谢东锋等人研究发现，在黄瓜连作土壤中施用4种微生物菌肥，均可显著激活黄瓜叶片中过氧化物酶（POD）、多酚氧化酶（PPO）和苯丙氨酸解氨酶（PAL）的活性，提高黄瓜抗逆性，促进黄瓜生长[14]。

3 微生物菌肥发展前景展望

微生物菌肥作为高效能、低成本、生态环保的新型肥料，正逐渐进入大众视野，微生物菌肥种类繁多，产品形态各异，适用多种农作物，对于施用的土壤环境没有特殊要求，可以广泛适用于不同生态地区、不同种类的农作物[15]。近年来，微生物菌肥的研究与开发虽然取得了较大的进展，但与世界平均使用水平相比，我国微生物菌肥的推广使用力度还远远不够，广大农民对其认知度还较小，使用量及使用范围远不及传统化肥。因此，一方面要通过大规模试验示范展现微生物菌肥带来的经济效益，另一方面要加强政策宣传引导，展现应用微生物菌肥的生态和社会效益。另外，还需加强对微生物菌肥的基础理论研究，如微生物菌肥的作用机理、优良微生物菌株的筛选、多功能微生物肥料的开发等，推动微生物菌肥产业不断发展壮大，促进我国农业的可持续发展。