以纤维素为载体的混合微生物菌肥对玉米的促生作用

孟建宇， 高凤芝， 佟 昕， 郭慧琴

（内蒙古农业大学生命科学学院，应用与环境微生物实验室，内蒙古呼和浩特010011）

施肥是提高作物产量的主要途径， 但由于片面追求高产使得农业生产对化肥产生了严重的依赖性（李琦等，2020）。过量使用化肥会引起土壤板结、养分失衡、有益菌群失调、产品质量下降、环境污染和食品安全威胁等问题 （Bhattacharyya 等，2012；赵秉强等，2004），对我国农业的绿色可持续发展造成严重的影响（张志鹏等，2019；郑良永和杜丽清，2013）。因此，探寻和开发新的环保型肥料显得非常必要。

以植物根际促生菌（PGPR）制作的微生物菌肥是一类环境友好、资源节约、绿色安全和低能耗类型的微生物肥料 （蒋永梅等，2018；Parray 等，2016；刘丹丹等，2016），在土壤修复、地力培肥、减少作物病害、改善连作障碍和提升农作物品质等方面发挥了巨大功能（Beneduzi 等，2012）。 大量研究表明，微生物菌肥的PGPR 定植于植物根际，通过固氮、解磷、分泌IAA 和产铁载体等作用，对植物的株高、茎粗、叶绿素含量等均有明显的促进作用（蒋永梅等，2018；古述江等，2016；左应梅等，2015；Luisa 等，2015））。 微生物菌肥可用于多种植物，适用于各种土壤，是国内外化肥替代物研究的热点。

我国的微生物菌肥应用研究进展较缓， 菌体有效性难以达到国标要求，使用效果不佳（李琦等2020；刘军辉等，2018）。 以纤维素为菌肥载体，可为其中的微生物创造独立而相对适宜的生长微环境，能提高微肥的施用效力。本研究以玉米为研究对象， 通过盆栽试验分析以纤维素为载体的微生物菌肥对植物生长的影响， 为扩大其适用范围提供基础数据和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验菌种 纤维素降解菌、 固氮菌和解磷菌均由内蒙古农业大学生命科学学院应用与环境微生物实验室分离得到。各菌种扩大培养后，按照1∶1∶1 的比例制成混合菌液。

1.1.2 明胶溶液 称取明胶3 g，浸泡于100 mL 蒸馏水中，待明胶完全膨胀后，于60 ℃水浴中溶解。

1.1.3 纤维素 分别取秸秆、大块木屑若干，经研磨机研磨后，按 1：1 混合装入烧杯中，封口，121 ℃灭菌20 min。

1.1.4 泥土 于校园林地中采集无植物根系的深层土壤若干，装于烧杯中，封口，121 ℃，灭菌20 min后，于65 ℃烘箱中烘干。

1.2 纤维素载体的制备 按照50%的纤维素、25%明胶、25%泥土混合后，加入3%的混合菌液。将混合好的原料装入打孔器中，压实后挤出，即制成纤维素载体。

1.3 土壤有效氮含量的测定 称取2 g 待测土壤置于清洗干净的碱解扩散皿外室， 再称取1 g 硫酸亚铁还原剂，同土壤一起搅拌均匀。用滤纸将内室擦拭干净，加入2 mL 2%的硼酸溶液，再加一滴定氮混合指示剂。 在扩散皿外室边缘涂抹阿拉伯胶，盖上毛玻璃，先不要盖严，使扩散皿外室露出一条狭缝，迅速加入10 mL 氢氧化钠溶液后盖严毛玻璃。小心地用两根橡皮筋交叉成十字圈紧，使毛玻璃固定，平稳地放在恒温培养箱中于40 ℃保温24 h。 按照下面的公式计算有效氮含量。

式中：V 为消耗盐酸的体积，mL；C 为盐酸浓度，L/mol；m 为土样质量，g。

1.4 土壤有效磷含量的测定 称取2.5 g 风干土样于150 mL 三角瓶中， 加入50 mL 碳酸氢钠浸提剂，密封，于摇床上以180 r/min 转速振荡30 min，然后用抽滤机过滤。 取过滤液10 mL 于25 mL 比色管中，加5 mL 钼锑抗显色剂，慢慢摇动，排净气泡，以蒸馏水定容至25 mL，静置30 min。 同时作空白试验为参比，以10 mL 浸提剂代替土壤浸提液同上处理。 用内径1 cm 的比色皿在880 nm波长测吸光度， 按照磷标准曲线y=0.7014x （R2=0.9989）计算磷含量。

1.5 植物盆栽试验 挑选大小一致的玉米种子100 颗，用浸湿的纱布包裹种子，放于培养皿中，于28 ℃光照培养箱放置24 h。 挑选发芽长度相近的24 颗种子种植于含沙土的盆里，每盆均匀地种植2 颗。3 盆加入空载体，即纤维素载体中不加菌液，为空载体组；另3 盆什么都不加，为无载体组；剩余6 盆加有菌纤维素载体，为菌载体组。 三组均视土壤湿度情况浇灌自来水。

1.6 指标测量 茎粗：根基部周长；茎高：根部到第1 片真叶的距离；叶宽：第5 片真叶最宽处；根长：根部到最长根尖距离；茎紧实程度：茎质量与茎体积的比值；茎干重：将茎放于60 ℃烘箱中烘干24 h 后测量。

1.7 叶绿素含量的测定 将玉米叶片剪下，每组均称取0.2 g 叶片，撕成约1 mm 宽的细丝，放入装有25 mL 浸提液 （无水乙醇和无水丙酮以2：1的比例配制而成）的比色试管中（试管用锡箔纸包住，避免叶绿素见光分解），封管口后于暗中提取，中间轻轻摇晃试管几次以缩短提取时间。 待叶片全部变白后，将管内溶液轻轻倒入比色杯中，分别于663 nm 和645 nm 处测吸光值，叶绿素含量计算公式如下：

2 结果与分析

2.1 土壤有效氮含量 如图1 所示，未加纤维素载体、未种植物的原样土的氮含量最低，为2×10-6mol/g；只加纤维素载体不种植物的土壤氮含量最高，为 5.5×10-6mol/g，比原样土增加了 175%，说明加入的纤维素载体可以释放氮素， 大幅提高土壤中氮的含量； 而种植植物无载体和有载体的氮含量均有提高。 有植物无载体的土壤氮含量升高的原因可能是植物根系本身会分泌一些激素等含氮物质，以及自然界中可能会存在一定的根际，促生菌本身是和玉米根系互作共生的， 来为植物提供氮素，使得土壤氮含量增加；有植物有载体的土壤氮含量比有植物无载体的含量高， 但是没有无植物有载体的含量高， 原因是载体释放的氮素一部分已被植物吸收利用。 因此本研究所做的微生物菌肥可以提高土壤有效氮的含量。

图1 土壤氮含量

2.2 土壤有效磷含量 如图2 所示，无植物有载体的土壤磷含量为6.21 mg/kg，比原土（1.51 mg/kg）的磷含量增加311%，增加效果十分显著，有植物有载体的土壤磷含量（4.31 mg/kg）次之，然后是有植物无载体的土壤（3.19 mg/kg）。有植物的土壤磷含量低于无植物有载体的土壤磷含量， 可能是由于植物会吸收利用土壤中磷素； 而有植物有载体的土壤磷含量高于有植物无载体的土壤磷含量，可能是载体中的植物促生菌起到的效果。因此，菌载体中的植物促生菌可以起到增加土壤营养含量的作用。

图2 土壤磷含量

2.3 植物生长状况 由图3 ~ 图5 可知， 无载体植物、 空载体植物、 菌载体植物茎粗分别为1.73、1.88、2.07 cm，菌载体植株比空载体植株茎略粗，比无载体植株茎明显增粗； 茎高分别为3.69、3.66、3.82 cm；叶宽分别为 1.85、2.20、2.27 cm；根长分别为 50.43、50.07、50.66 cm； 茎干重分别为 0.0525、0.0614、0.0677 g。 菌载体植株茎粗相对于无载体植株和空载体植株分别增加19.65%和10.11%；在茎高上， 分别增加3.52%和4.37%； 叶宽分别增加22.70%和3.18%；根长分别增加11.94%和10.50%；茎干重分别增加28.95%和10.26%。

图3 植株的茎粗、茎高和叶宽

图5 植株的茎干重

2.3 叶绿素含量 如图6 所示，加入菌肥的植株叶绿素含量明显增加， 较无载体植株的叶绿素含量增加17.37%。

图6 植株的叶绿素含量

3 结论与讨论

图4 植株的根长

片面依靠化肥投入的集约化农业生产体系带来了严重的环境问题， 必须充分发挥作物生长发育与土壤有益微生物良性互作的功能， 从根本上改变高肥料投入、高污染的农业生产方式，破解绿色农业发展的理论与技术瓶颈。 土壤中的功能微生物可以固定氮素，促使腐殖质的形成与转化，释放N、P、K 等多种重要的营养元素，对物质和能量的转化起至关重要的作用（康林玉等，2017）。微生物菌肥是一种环境友好的新型肥料，能促进植物生长，提高作物品质，改善土壤环境，通过在植物和促生菌构建的良好关系， 实现农业的可持续发展，促进可循环经济的形成（武杞蔓等，2021）。 植株的株高、茎粗、叶长、叶宽等性状指标可以表征植株幼苗的表观生长状况（杨军伟等，2017）。本研究中，施加微生物菌肥后，可以明显提高土壤有效氮和磷的含量；玉米的茎更高更粗壮，根系更加密集，具有丰富的根毛，叶片更加宽大，叶绿素含量明显增加，表明以纤维素为载体的混合微生物菌肥对玉米有较好的促生长作用，可以提升玉米的品质。