微生物菌剂在粮食作物生产中的应用研究进展

马学兰 周连玉 巨家升

关键词：微生物菌剂；粮食作物；应用效果

粮食又称为“谷物”，包括麦类、豆类、粗粮类和稻谷类。粮食是我国人民生活中最基本的食品，是食品、酿造、制药、制革等工业生产部门的主要原料或辅助材料，而粮食生产和安全对于国民经济和社会发展具有重要意义[1]。在粮食生产中，为了提高产量过量施用化肥和农药，造成了土壤板结、地力下降，严重影响粮食产品的质量安全和生态环境[2-4]。在国家农业现代化和可持续发展的战略要求下，开发新型的微生物菌剂代替部分或全部化肥，有助于缓解生态安全、食品安全问题，推进农业绿色生态发展。通过从自然界分离或对现有菌株进行选育后获得功能性菌株，结合生物技术和加工技术制成的微生物菌剂施用于粮食作物，会提高作物产量，改善产品质量[5]。笔者通过对微生物菌剂制备及应用研究进展进行阐述，旨在为今后菌剂复配应用于粮食作物，改善作物品质，提高产量提供理论支持。

1 微生物菌劑类型

微生物菌剂种类较多，一般按照对应的标准、微生物种类、构成成分以及作用机制等来划分。按照不同标准可分为3类，分别为微生物菌剂、生物有机肥和复合微生物肥料；按照微生物种类可分为细菌肥料类、放线菌肥料类和真菌肥料类；按照构成成分分为单一菌剂肥料和复合菌剂肥料；按照作用机制分为根瘤菌肥料、固氮菌肥料、解磷菌类肥料、解钾菌类肥料和堆肥菌剂肥[6-7]。

微生物菌剂通过微生物生命活动来分解土壤中的化学物质，有利于植物吸收营养物质；有些微生物可产生生长激素促进植物生长，或代谢产生抑菌物质抑制有害微生物的生长繁殖，为植物增产、抗病等发挥着有益作用。

2 微生物菌剂的制备

微生物菌剂的生产一般包括高效菌种的选育与培养、微生物菌剂的优化、菌剂的干燥、贮藏等[5]。

菌种选育一方面可以从自然界中分离，另一方面通过驯化、诱变育种、DNA技术等方式对现有的菌株进行改造，以挑选出具有不同生产、代谢能力的菌种。目前常用的菌种有芽孢杆菌、青霉菌等，菌种的扩大培养需进行斜面菌种活化、液体菌种培养、液体发酵培养等过程。对于菌剂的发酵工艺研究，赵甜宇等[8]通过设置单因素和正交试验优化出在2.5%玉米淀粉、3%豆粕、2%葡萄糖的培养基，初始pH值为6.5、装液量30mL（250mL锥形瓶）、温度32℃、接种量7%的条件下，枯草芽孢杆菌最适合形成芽孢，芽孢数最高可达到1.1×1010cfu/mL。王玉丽[9]采用单因素试验，研究培养基碳氮源、无机盐、接种量、pH、摇床转速对枯草芽孢杆菌产芽孢的影响，进一步采用正交设计优化产芽孢发酵条件为：培养温度30℃、转速200r/min、接种量2%、pH=7，芽孢数达3.6×109cfu/mL。这些研究显示，工艺条件、试验设计、菌种的特性影响着菌剂的发酵生产。

在微生物菌剂应用过程中，其存活量与吸附载体有关，良好的载体有利于吸附更多的菌体和提高菌体的存活率。吸附载体包括可溶性淀粉、碳酸钙、硅藻土、高岭土、木屑、活性炭、草炭、农家肥或农作物秸秆。王玉丽[9]研究载体种类、发酵液pH、水分含量、干燥温度及干燥时间对枯草芽孢杆菌芽孢数的影响，获得其最佳制备工艺：发酵液与载体比例为1.5∶1、干燥温度为70℃、菌液pH值为7.0、载体为麸皮、水分含量为3.3%、菌剂有效活菌数为26亿cfu/g。将微生物菌剂经吸附、粉碎、过筛制成固态粉末状菌剂后，通常贮藏于低温、低湿、密封无氧条件下，以维持细胞存活率[5]。

3 微生物菌剂在粮食作物生产中的作用

3.1 微生物菌剂对土壤酶活性的影响

土壤酶是土壤生态系统中最活跃的有机成分之一，能活化土壤中各类元素的化合物，进而提升土壤有效养分、改善土壤质量。土壤酶主要包括蔗糖酶、纤维素酶、脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶等[10-11]，大多数来自微生物和植物根[12]。土壤酶较少游离在土壤中，主要吸附在土壤有机质和矿质胶体上，以复合物状态存在。微生物菌剂中有益菌群加速了土壤有机化合物的分解，提供了酶促反应底物，从而促进了微生物的生长[6]。

单一菌剂能提高作物生长过程中多种土壤酶的活性。范娜等[13]分别施用菌株zsy、2-4、G-3、B-2、XM2的芽孢杆菌菌剂，研究发现，当高粱施用50倍稀释的菌株XM2时，土壤蔗糖酶和土壤磷酸酶活性分别在拔节期和苗期最高，由此说明，2种土壤酶活性与菌剂种类、培养液浓度有关，在生产应用时需要选择合适的培养液浓度。不同的施用方式也会影响到土壤酶的活性。王振[14]研究发现，在水稻分蘖期、拔节期和灌浆期，除喷洒30kg/hm2农用益菌王（复合生物菌剂）对土壤蔗糖酶活性影响最高外，土壤脲酶活性、土壤磷酸酶活性和过氧化氢酶活性均为15kg/hm2农用益菌王浸种效果较好。土壤酶活性的高低受到土壤理化性质的影响，YANG等[15]研究发现，在盐碱地和中性土壤中依次施用浓度为0、102、104、106、108cfu/mL的克雷伯氏菌，玉米幼苗在盐碱地和中性土壤中脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶、过氧化氢酶等活性随着克雷伯氏菌浓度的增加而增加，且在碱性土壤中碱性磷酸酶、蔗糖酶和过氧化氢酶等活性显著高于中性土壤的酶活性，可能是克雷伯氏菌促进了土壤磷的转化和利用，提高了玉米幼苗在盐碱胁迫条件下的抗逆性。目前大多数作物施用细菌菌剂，真菌菌剂的研究比较少，对小麦幼苗施用SP11细菌菌剂（芽孢杆菌）、T50真菌菌剂（毛霉）研究发现，SP11细菌菌剂能够增加小麦根系磷酸酶活性，促进小麦生长[16]。

许多微生物之间还存在互惠互利关系，微生物的复合菌剂提高土壤酶活性效果往往比单一菌剂好。施用硅酸盐细菌、根际促生菌及复配菌剂，在小麦返青期、拔节期、灌浆期和收获期测定土壤纤维素酶活性发现，其呈现减少—增加—减少的趋势，根际促生菌在返青期、收获期及硅酸盐细菌在收获期提高土壤纤维素酶活性高于复配菌剂的效果，而在拔节期菌剂复配的纤维素酶活性比硅酸盐细菌处理的高[17]。段雪娇[7]用氨化细菌与钾细菌配施水稻地，结果表明，与CK相比，土壤蔗糖酶和土壤磷酸酶活性在分蘖盛期分别提高77.4%～137.1%和2.8%～16.3%，抽穗初期分别提高53.4%～98.1%和16.6%～25.8%，抽穗末期活性分别提高57.4%～108.6%和1.1%～38.2%，成熟期分别提高57.9%～119.4%和22.9%～46.7%；当复合菌与有机肥结合时，土壤中蔗糖酶、脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶活性在分蘖期、拔节期、灌浆期显著高于化肥组（P<0.05）。

3.2 微生物菌剂对土壤微生物的影响

土壤是适应细菌、真菌、放线菌微生物生长的基质，微生物主要具有分解有机物的作用，从而将其转化为植物利用的营养物质[18]。施加微生物菌剂能够提高土壤中细菌、真菌、放线菌数量。氨化细菌与钾细菌复配对土壤中细菌、放线菌、真菌数量有一定程度的影响，与CK相比，在水稻分蘖期、抽穗期、成熟期细菌数量增幅为48.31%～198.60%，真菌数量增幅为4.57%～37.22%，放线菌数量增幅为6.42%～48.2%[7]。化肥减施与含光合细菌、乳酸菌群的复合菌剂配施时，细菌与放线菌数量显著高于全量化肥组（P<0.05），增幅分别达到153.42%和124.17%，而真菌数量显著低于全量化肥组（P<0.05）[19]。刘佳欢等[20]盆栽小麦试验使用0、2、6、10g/kg黄腐酸肥料（包括巨大芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌），除对照组均施1.5g/kg复合肥，结果表明，与复合肥组比，各菌剂组随着培养天数的增加，细菌、真菌和放线菌的数量随之增加，其中，细菌数量在第40天施用6g/kg黄腐酸肥料时达到最大值（8.47×107个）。微生物菌剂能促进土壤微生物的快速生长与繁殖，而微生物生物量受菌剂量、处理时间的影响。微生物菌剂在土壤环境中其生物量也会发生变化，对盐碱土施用含钾细菌和枯草芽孢杆菌的复合微生物菌剂，施用量为0.4、0.8g/kg，与0.4、0.8g/kg基质组（含N、P、K）比，两菌剂组土壤钾细菌和枯草芽孢杆菌的数量有明显提高，其中0.4g/kg微生物菌剂组钾细菌和枯草芽孢杆菌数量分别增加了40.0%和31.6%[21]。高雁等[22]施用抗倒伏菌剂、促早熟菌剂、防病促生菌剂（解淀粉芽孢杆菌）后土壤微生物的AWCD（平均颜色变化率）各组均有增加趋势，与对照相比，抗倒伏菌剂组增加了15.10%；各菌剂处理组Simpson优势度与McIntosh均匀度差异不显著；Shannon丰富度各菌剂处理组呈增加趋势，其中，抗倒伏菌剂组丰富度增加了2.13%。微生物菌剂与土壤微生物相互促進，共同提高肥效，促进作物丰产。

3.3 微生物菌剂对粮食作物农艺性状的影响

粮食作物的农艺性状主要有株高、茎粗、分蘖数、穗粒数、千粒质量等。施用微生物菌剂后，作物的株高、茎粗、叶片数、分蘖数等性状会发生变化。高雁等[22]施用抗倒伏菌剂、促早熟菌剂、防病促生菌剂（解淀粉芽孢杆菌），与CK相比，抗倒伏菌剂组茎粗显著高于对照（P<0.05），增幅为15.07%。分别选用施用量为0.4、0.8g/kg的钾细菌和枯草芽孢杆菌复配菌剂，不同施菌量处理玉米株高均高于对照，其中，在0.4g/kg下施用2种菌剂差异达极显著（P<0.01），增加幅度为7.05%～15.61%[21]。郭夏宇等[23]采用含多种固氮菌的沃益多微生物菌肥（450、300、150g/hm2），发现施用微生物菌肥的各处理分蘖数比对照均明显增多，其中，300g/hm2菌肥处理组单株分蘖数达到26.7个。微生物菌剂种类以及浓度对株高、茎粗、分蘖数等性状影响效果有区别。常娜等[24]在河北望都、辛集、献县3个试验基地种植小麦，施加枯草芽孢杆菌与胶胨样芽孢杆菌的复合菌剂，与对照相比，望都基地小麦株高差异显著，在辛集基地小麦分蘖数显著高于对照（P<0.05），在献县小麦株高、叶片数、分蘖数均显著高于对照（P<0.05），此研究说明了土壤理化性质也影响着微生物菌剂的发挥作用。不同盐度下（5.93、9.15、10.42、12.43、0.74dS/m）条件下，施用1.43g/kg混合青霉菌的生物菌肥，发现在低盐条件下水稻株高、叶片颜色与淡水处理无显著差异[25]，说明真菌生物肥料提高了水稻耐受高盐度的能力。

植物地上部分的生长表现与地下部分的生长存在一定的关系。有研究发现，不同浓度单一微生物菌剂对小麦根系伸长有一定的促进作用，但促进效果没有达到显著水平[26-27]。当施用复合菌剂时，与对照相比，100倍稀释复合菌剂能显著促进小麦幼苗两侧根长的生长，而10倍和1000倍稀释复合菌剂影响不明显，最长根长和根系数量在3个稀释倍数的微生物菌剂处理下均没有显著差异[28]。枯草芽孢杆菌与胶胨样芽孢杆菌复配时，辛集基地和献县基地拔节期小麦次生根数显著高于对照[24]。采用全量化肥组、减量30%化肥组配施固氮螺菌和复合菌剂（巴氏梭菌、棕色固氮菌和嗜酸乳杆菌）处理水稻，复合菌剂组的总根长、根直径比全量化肥组或减量30%化肥组增幅分别为3.10%～13.94%、1.60%～11.99%或5.64%～15.13%、4.53%～14.76%；与全量化肥组相比，氮肥减量配施菌剂可以增加水稻根长、根系直径，但差异不明显[29]。

3.4 微生物菌剂对粮食作物光合效率的影响

叶绿素含量可以作为衡量植物光合作用强度的重要指标之一。微生物菌剂施用能够提高或降低叶绿素含量。对小麦施用单一菌剂，如棘孢木霉SFC-3菌剂或枯草芽孢杆菌，适宜的菌剂浓度能极显著提高叶绿素含量（P<0.01），而菌剂浓度过低或过高反而会影响叶绿素的产生[26-27]。对ZJ8和JY417这2种玉米分别施用孢子浓度为1×109个/L哈茨木霉和长枝木霉，2种菌均能够使玉米幼苗叶绿素a、叶绿素b和叶绿素a+b含量提高，而长枝木霉提高叶绿素含量的幅度大于哈茨木霉，尤其是对玉米ZJ8的作用更好[30]。此外，作物在不同生育时期，叶绿素含量会发生不断变化。在水稻苗期，15kg/hm2农用益菌王组叶片的叶绿素含量最高，比CK高出76.33%；水稻分蘖期以15kg/hm2农用益菌王浸种处理后叶绿素含量最多，比CK组高出54.99%；水稻灌浆期，叶片中叶绿素含量逐渐下降[14]。然而，有些微生物复合菌剂也不能增加作物的叶绿素含量[28]。

从光合速率参数来看，喷施菌肥能显著增加水稻叶片光合速率、蒸腾速率以及电子传递速率[31]。在盐碱胁迫下，施用哈茨木霉和长枝木霉对ZJ8和JY417这2种玉米幼苗叶片净光合速率、蒸腾速率、气孔导度的提高有显著效果（P<0.05），并显著缓解了寒地盐碱土壤对玉米幼苗的胁迫；长枝木霉处理效果优于哈茨木霉，尤其是对品种ZJ8的作用效果大于品种JY417[30]。不同稀释倍数的复合液体微生物菌剂影响着小麦光合作用强度的变化，10倍和100倍复合液体微生物菌剂显著提高光合作用强度（P<0.05），且10倍稀释的光合作用强度比对照组高出22.2%，然而1000倍稀释的微生物菌剂作用效果没有达到显著水平[28]。微生物菌剂种类、施用浓度、施用方式以及作用对象等因素均会影响作物的光合效率，继而影响有机物的积累与运输。

3.5 微生物菌剂对粮食作物产量的影响

穗粒数、成穗数、千粒质量等指标反映出粮食产量的高低。菌剂类型、菌剂微生物数、菌剂施加方式等因素对粮食作物产量有影响。方瑞琳等[32]对谷子分别施用汇源生物菌剂、复合木霉菌剂、异株解淀粉芽孢杆菌剂和阿美滋生物菌剂，研究发现，阿美滋生物菌剂显著提高了谷子单穗粒质量（P<0.05）；异株解淀粉芽孢杆菌剂显著增加了谷子的粒穗比（P<0.05）；4种菌剂使谷子增产幅度达到7.40%～19.91%，然而仅复合木霉菌剂处理与CK之间存在显著差异。千淋兆等[33]设置0、50%、75%和100%等4个磷水平，分别施用20kg/hm2菌剂草酸青霉I1、黑曲霉H1、巨大芽孢杆菌BM，发现在不同磷水平下施用菌剂处理的玉米产量显著高于CK，其产量随着磷肥增加而升高；3种菌剂增产效果为草酸青霉I1>黑曲霉H1>巨大芽孢杆菌BM。硅酸盐细菌、根际促生菌、硅酸盐细菌和根际促生菌菌剂复配对小麦增产率依次为24.23%、18.22%和20.00%，硅酸盐细菌影响小麦产量达到极显著水平（P<0.01），另外2组显著提高了小麦产量（P<0.05）[17]。由此可见，不同类型的菌剂增产效果存在差异性。刘双等[34]连续3a在玉米上施加固氮类芽孢杆菌菌剂1-18、L-56、菌劑复配，研究发现，2016—2018年夏玉米产量增产率分别为5.05%～16.06%、7.10%～12.19%、11.75%～18.51%；2016年菌剂1-18增产率明显高于菌剂L-56，但是2017—2018年菌剂L-56增产率高于菌剂1-18，且3a内复配菌剂组产量均高于单一菌剂组。TAN等[35]分别设置80kg/667m2复合微生物肥料（胶胨样芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌）、常规施肥、80kg/667m2复合微生物肥料灭活处理和对照组4个处理，研究发现，复合微生物菌肥处理的水稻产量最高，显著或极显著高于常规施肥组和对照组。在不同区域种植小麦，施用微生物菌剂（枯草芽孢杆菌与胶胨样芽孢杆菌复配），小麦穗粒数、成穗数、千粒质量及产量指标在区域之间存在差异性[24]。增产效果还与发酵菌剂有效活菌数以及土地环境等因素有着密切的关系。

3.6 微生物菌剂对粮食作物品质的影响

作物的营养物质有碳水化合物、脂肪、蛋白质、维生素以及矿质元素等成分，碾磨品质主要包括糙米率、精米率和整精米率，其含量的高低直接影响着粮食的口味和营养价值。不同微生物菌剂施用对作物品质（蛋白质、脂肪、糙米率等）具有降低或提高的效果。何宗均等[36]对水稻施用枯草芽孢杆菌与胶胨样芽孢杆菌混合菌，菌剂组蛋白质含量低于对照组，而直链淀粉含量高于对照组。方成等[19]将减施40%化肥与含光合细菌、乳酸菌群等的复合菌剂配施，与全量化肥组相比，减施化肥与菌剂配施组玉米显著积累可溶性蛋白（P<0.05），但可溶性糖和Vc含量差异不明显。以碾磨和营养品质为指标，研究发现，菌肥处理的白粳1号、天井5号、白粳2号、绥粳4号、白2092、松99-150品种与对照长白9号7个品种的糙米率比常规施肥糙米率提高了0.02%～2.15%；其精米率比常规施肥增加0.20%～1.83%；菌肥处理的7个品种中蛋白质含量近似于或低于常规施肥组；菌肥处理除松99-150品种外，6个品种的直链淀粉含量均高于常规施肥[37]。

4 展望

大多数微生物菌剂在粮食作物生产过程中通过提高土壤酶活性、改变微生物数量和结构等方式，促进土壤养分的供应能力；继而粮食作物依靠发达的根系吸收养分以及光合色素含量高的叶片进行光合作用，增强粮食作物的抗逆性，达到提高粮食作物产量和品质的效果，并且复配增效效果强于单一菌剂。然而菌剂在使用过程中与作物品种、剂型、土壤理化性质、施用方式等方面密切相关。为了提高菌剂的肥效，选育优良菌种，如解磷菌、解钾菌、固氮菌、固碳菌、生防菌、根际促生菌，合理搭配组合成复合肥料，以减少农田碳排放，增加土壤或粮食作物的固碳潜力，有利于实现可持续农业生产过程中固碳减排的生态目标。为了满足粮食作物生产的需求，需要对菌剂的发酵生产工艺条件进行优化，以及评价菌剂的有效成分与稳定性。微生物菌剂的接种如何影响土壤微生物、土壤理化性质，以及粮食作物生长性状、产量、品质等方面的应用效果应加强研究，而对于土壤微生物遗留效应问题也是需要考虑的问题。