木霉菌对作物及土壤生态环境的影响

赵欣， 王怡霏， 王嘉嘉， 王佩瑶， 王桂端， 朱利霞， 李俐俐

（周口师范学院生命科学与农学学院，河南 周口 466001）

土壤为作物生长提供所需的生长条件，是土壤肥力的物质基础。然而不合理的施肥和耕作措施会导致土壤生态环境遭到严重破坏和土壤功能退化，阻碍农业的可持续发展[1]。因此，如何有效改善退化的土壤、快速恢复土壤生态环境成为农业生产中亟待解决的问题之一。

目前，治理和改良退化土壤的技术主要有物理改良技术、化学改良技术和微生物改良技术。物理和化学改良技术常导致土壤养分的丧失和二次污染；微生物改良技术是将有机肥与促使土壤养分快速释放的微生物群体混合物施于土壤中，实现改善土壤理化性质和土壤微生物群落结构、达到土壤功能修复的目的，同时可带来一定的生态效益和经济效益。在实际工作中，已经将该技术商业化，制成微生物土壤改良剂、微生物肥等。其中，木霉菌（Trichoderma）广泛存在于土壤和各种环境中[2]，是微生物改良技术中研究和应用非常广泛的一类生防真菌。木霉菌在土壤中有较强的定殖能力，可以有效改善土壤理化环境、促进土壤有益微生物群落的建立和维持、增加作物抗性，进而促进作物生长并提高作物产量[2-3]。因此，木霉菌在土壤改良中发挥着重要作用，对促进农业可持续发展具有重要意义。

基于此，本文系统阐述了木霉菌的生物学概况，分析了木霉菌在促进作物生长、提高作物产量、改善土壤质量和增加土壤肥力等方面的影响，指出了木霉菌在改善土壤微生物群落结构和组成中的贡献和木霉菌应用过程中存在的问题，初步探讨了木霉菌未来研究应用的方向，可为木霉菌今后的推广应用提供参考。

1 木霉菌概况

木霉菌（Trichoderma）生活史分为无性阶段和有性阶段，其无性阶段属于半知菌亚门、丝孢纲、丝孢目、丛梗孢科；有性阶段为子囊菌亚门、肉座目、肉座科的肉座菌属[4]。目前普遍认为，木霉属包括木霉组、肉座组、长枝组和粗梗组，主要包括哈茨木霉、棘孢木霉、长枝木霉、贵州木霉、平展木霉等104 个种。随着分子生物学技术的日益成熟，大量木霉菌新种被陆续发现并鉴定，目前共鉴定出250 多种木霉菌种[5]。木霉菌在生长繁殖过程中可产生大量次级代谢产物，这些次级代谢产物可降解病原菌细胞壁、抑制植物病原菌的生长，从而增加植物抗逆性和抗病性，促进植物生长[6]。研究证实绿色木霉和哈茨木霉对分属于18 个属的29 种植物病原真菌均有不同程度的抑制作用[7]。

木霉菌适应性极强，在温暖潮湿的环境中可快速生长繁殖，温度20~28 ℃、空气相对湿度90%以上的环境更有利于木霉菌生长与产孢。木霉菌可以在酸性、中性和偏碱性的环境中生长，但偏酸性环境条件下（pH 5.0~5.5）生长繁殖速度最大。实验室条件下，木霉菌在马铃薯葡萄糖琼脂培养基中初期菌落较致密，无固定形状，颜色不一；后期孢子成熟后，菌落逐渐变为绿色或黄绿色[8]。目前，在农业生产中常用的木霉菌有哈茨木霉、绿色木霉、康氏木霉、棘孢木霉、长枝木霉等[6]，其中关于哈茨木霉和绿色木霉的研究较多，尤其是哈茨木霉。为实现木霉菌的商业化应用，常将木霉菌制成菌剂，目前已有250 余种木霉菌制剂用于商业化应用[9]。木霉菌剂的剂型主要有普通粉剂、可湿性粉剂、水分散粒剂、液体菌剂和有机肥类型。木霉菌剂的有效成分均为分生孢子或分生孢子和菌丝，但普通粉剂中的活性成分较高[8]。无论何种剂型的木霉菌剂均可促进作物生长并改善土壤生态环境。

2 木霉菌对植物的促生作用

木霉菌可以促进植物生长，其促生机制主要包括木霉菌产生生长调节剂对植物生长的刺激作用、木霉菌代谢产物的抗菌作用以及木霉菌对土壤养分的活化3个方面。

2.1 产生植物生长调节剂

木霉菌具有双向调节作用，既可以缓解高水平植物生长调节剂产生的药害，又可以在调节剂处于低水平时起到促进作用，这对作物生长有重要作用[10]。木霉菌通过分泌嗜铁素和生长素等物质促进种子萌发和植物根系发育并提高作物产量[11]。研究表明，木霉菌可以有效提升玉米根系活力，提高玉米可溶性糖和可溶性蛋白的含量，从而促进玉米体内脂肪和蛋白质等大分子物质合成，提高玉米细胞的保水能力[12]。哈茨木霉和长枝木霉还可以提高盐碱胁迫下不同基因型玉米幼苗叶片光合特性及光合色素含量，增加细胞对活性氧（reactive oxygen species，ROS）的清除能力，维持渗透平衡和和代谢稳态[13]，最终使玉米增产8%以上[14]。此外，经钩状木霉处理后辣椒株高、根长、干重分别增加16%、19%、43%，对辣椒苗具有显著的促生作用[15]。

2.2 产生抗性物质

木霉菌的抗生作用是其发挥生防作用的重要机制。木霉菌在定殖过程中可以产生挥发性或非挥发性抗生素类物质（如吡喃酮类、木霉素、抗菌肽等），从而抑制土壤病原菌，降低病原菌对植物根系的危害，促进作物的生长[2]。木霉产生的一些低分子量的非极性化合物对灰葡萄孢有抗真菌活性，如哈茨木霉T39 分泌的丁烯酸内酯T39 和哈茨酮内酯（harzianolide）以及由哈茨木霉T22 分泌的T22 嗜氮酮（azaphilone）和哈茨吡啶酮（harzianopyridone）均对灰葡萄孢有抑制作用[16]。一些高分子量极性物质，如哌珀霉素（peptaibols）是一类线性非核糖体短肽链（小于25 个氨基酸残基），可以在木霉菌与灰葡萄孢接触时发挥抑菌活性，其水脂两亲性使它们能够自我结合成跨脂质双层膜宽度的低聚离子通道，使寄主细胞质泄漏，导致寄主细胞死亡[17]。研究表明，长枝木霉和拟康氏木霉对马尾松幼苗立枯病的防治率分别为49%和54%，木霉菌有效增强了马尾松幼苗对立枯病的抗性[18]。哈茨木霉和棘孢木霉能够抑制立枯丝核菌对黄瓜的侵染力和致病力，激发植物防御机制，增加黄瓜对立枯病的抗性[19]。木霉菌对植物病原菌具有广谱拮抗作用。木霉菌产生的抗菌物质可以阻止病原微生物在植物的根际定殖，并通过竞争营养和空间、重寄生、溶菌、产生抗生及次级代谢产物来抑制病原真菌[2,20]。

2.3 提高养分利用率

木霉菌提高养分利用率的方式包括改善根际土壤环境、提高作物抗性和促进植物生长等[9]。土壤中有许多以难溶状态存在的营养元素，不易被作物吸收，而木霉菌可以提高作物对难溶养分的吸收能力。哈茨木霉和长枝木霉等能够提高磷、铁、铜、锰和锌等元素的可溶性，减少铁和铜在土壤中的固定[21-22]。研究表明，木霉菌能增加单株绿豆磷吸收总量，提高磷素收获指数[23]，从而提高绿豆的磷素利用率。

3 木霉菌对土壤生态环境的影响

3.1 木霉菌对土壤理化性质和肥力的影响

土壤中的养分大多以微溶性或不溶性状态存在，部分元素以化合物的形式存在于土壤溶液中，其活性较低不易被利用，这在一定程度上影响了土壤中养分的循环[24]。土壤全量养分是评价土壤肥力高低的重要指标，而速效养分对作物生长的影响更为直接，增加土壤养分的可利用性成为提高养分利用率和改善土壤养分状况的关键途径[25]。一般而言，木霉菌通过分泌有机酸（如葡萄糖酸、柠檬酸和富马酸）可以在一定程度上降低土壤pH、溶解土壤中的矿物质并活化土壤养分[3,26]，而土壤pH 的降低是土壤养分有效性提高的主要原因之一。木霉菌施用2 年后，长期种植大豆的湿润氧化土pH 下降0.2 个单位，H+Al 和Mn 含量分别显著增加5 cmolc·dm-3和28 mg·dm-3[21]。研究表明，施用木霉菌RW309后土壤矿质氮含量较不施用木霉菌处理增加50%左右[27]，木霉菌处理后土壤速效磷含量增加12%左右，提高了土壤养分有效性，增强了土壤生产力的可持续性[26]；在玉米出苗15和25 d后喷洒棘孢木霉悬液（0.7 g棘孢木霉粉剂溶于200 mL 水），土壤碱解氮含量提高15%[26]。由此可见，木霉菌可以明显提高土壤活性养分含量。此外，Fu 等[26]在长期种植玉米的黑土上施用木霉菌剂后发现，土壤有机质、全氮和全磷含量显著增加；当木霉菌以菌肥形式施用时，>0.25 mm 团聚体有机碳含量增加52%，全土有机碳含量可增加70%[28]，木霉菌有效提高了土壤肥力。

木霉菌不仅能够活化土壤中的养分，还可以在一定程度上改善土壤物理性质。施用木霉菌肥后土壤大团聚体含量和团聚体稳定性显著增加[28]。Zhu 等[29]研究表明棘孢木霉菌肥替代20%化肥，可使>2 mm 团聚体含量增加40%左右，0.25~2.00 mm 团聚体含量也显著增加，土壤团聚体平均重量直径增加36%。土壤水分是影响植物生长发育最关键的因素之一。谢奎忠等[30]发现，在连续4 年种植马铃薯的地块上施用哈茨木霉菌后，土壤含水量和土壤持水能力明显增加，土壤水分利用效率增加27.2%。吕曼曼等[31]也发现，棘孢木霉分生孢子悬液能明显提高未栽培杨树苗土壤的含水量。由此可知，木霉菌可以增加土壤大团聚体含量、增加土壤持水性能，从而改善土壤物理性状。

3.2 木霉菌对土壤酶活性的影响

土壤酶参与土壤中各种生化过程和物质循环，其活性可以反映土壤生化过程的强度与方向，还可以客观地反映土壤肥力状况。在盐胁迫条件下，哈茨木霉ST02显著提高土壤纤维素酶活性和过氧化氢酶活性[32]；施用木霉菌肥后小麦根际土壤脱氢酶、过氧化物酶和多酚氧化酶活性分别提高100.0%、10.34%和18.52%[33]。由此可见，木霉菌可以降低土壤中过氧化氢和酚类物质的积累，减缓土壤中有毒有害物质对作物的毒害作用。

木霉菌也可以通过改变土壤中与养分转化有关酶的活性活化土壤养分，增加土壤养分的供应能力[26]。土壤脲酶可以专一催化土壤中的酰胺化合物水解为氨，促进土壤氮素尤其是有机态氮的周转；土壤磷酸酶能够促进土壤有机磷向无机磷转化，保障土壤内源无机磷的含量；蔗糖酶可以专一催化蔗糖分解，促进土壤有机碳积累与分解转化，从而影响有机碳矿化过程。Liu 等[34]在辣椒生产中施用含有贵州木霉的菌肥后，土壤脲酶活性明显增加，土壤有机态氮转化加速，增加了辣椒根际土壤速效氮含量，促进了辣椒对养分的吸收进而提高辣椒产量。木霉菌不仅可以增加土壤脲酶活性，对碱性磷酸酶活性也有一定的促进作用。Asghar 等[27]在为期2 个月的培养试验中发现，接种木霉菌RW309后土壤磷酸酶活性提高10%以上。木霉菌的接种提高了土壤磷酸酶活性，加速了土壤中有机磷化合物或无机磷酸盐的转化过程。因此，若要改善土壤氮磷供应水平，可以通过接种哈茨木霉菌来实现。此外，施用木霉菌后种植白菜的土壤中蔗糖酶活性提高45%以上[35]，有效地促进土壤碳素周转并改善土壤生态环境。综上所述，木霉菌可以增加土壤中与碳、氮、磷转化有关的土壤酶活性，改善土壤养分供应状况和作物根际生态环境，从而有利于作物的生长和产量的提高[27]。

3.3 木霉菌对土壤微生物的影响

土壤微生物几乎参与土壤中所有养分转化过程，较高的土壤微生物多样性和适宜的群落组成是支持生态系统生产力的重要因素。木霉菌可以有效控制土壤微生物群落多样性及数量，棘孢木霉与水合氧化铁联合施用后土壤总磷脂脂肪酸、革兰氏阳性细菌、革兰氏阴性细菌、放线菌、细菌和真菌磷脂脂肪酸分别增加了114%、68%、276%、292%、133%和626%[36]。Fu 等[26]发现，不同用量的木霉菌均可增加长期种植玉米土壤的细菌丰度，尤其是硝化螺旋菌属（Nitrospira）和鞘脂单胞菌属（Sphingomonas）的丰度；哈茨木霉菌可显著增加紫花苜蓿根际土壤假单胞菌属（Pseudomonas）、节核细菌属（Arthrobacter）和黄杆菌属（Flavobacterium）等细菌丰度，而对真菌丰度无明显影响[37]。然而，王宁等[38]研究表明，木霉菌对土壤中细菌多样性影响较小，但会降低真菌多样性。由此可知，木霉菌促使土壤微生物由“真菌型”向“细菌型”转变，保持了土壤微生物区系平衡，从而减轻作物病虫害的发生。

木霉菌制剂是常见的真菌杀菌剂，被广泛应用于防治土传病害。研究表明，哈茨木霉M-33对立枯丝核菌有较强的拮抗作用[39]，多孢木霉可以特异性杀灭土壤中的锈腐柱隔孢[40]。在与病原菌的对峙培养中，绿色木霉Tv-1511 可以有效抑制白绢病菌、层生镰刀菌、尖孢镰刀菌、串珠镰孢菌、葡萄座腔菌和灰葡萄孢菌等病原真菌的生长，抑菌率达到59.8%~71.7%[41]。Wang 等[42]研究表明，哈茨木霉Th62菌株对土壤传播的植物病原菌、尖镰孢菌、交链格孢菌等具有明显的拮抗作用。木霉菌对小麦全蚀病菌和根腐病菌也有明显的抑制作用[43]。由此可见，木霉菌可以抑制病原菌的生长，减少土壤中病原菌数量，维持土壤健康。

综上所述，木霉菌是一类重要的生防因子，对病原菌尤其是病原真菌有明显的拮抗作用。木霉菌及其制剂可以改变土壤细菌和真菌的相对比例，改善微生物群落结构进而改善土壤生态环境。

4 问题与展望

木霉菌是一类重要的生防真菌并被广泛应用。然而，与化学防治相比木霉菌的防治效果相对较慢，对环境条件要求较高；由于木霉菌制品的价格较贵，部分农户不愿在防治病虫害方面承担过多的费用。此外，由于制成菌剂的木霉菌均为活菌，不同区域土壤质地和类型及其水热状况的差异较大，木霉菌剂施入田间后其活性常常受到影响，这在一定程度上限制了木霉菌剂的开发利用和田间推广。因此多数木霉菌制剂的研究仍停留在实验室阶段。

现代生物技术发展日新月异，为生物防治提供了新的契机，木霉菌制剂的开发研究也逐渐受到重视，木霉菌制品有了更广阔的发展前景，主要表现为以下4 个方面：①利用基因重组技术等现代分子生物学手段构建能够耐受环境胁迫的工程菌株；②探寻木霉菌发酵适宜培养条件，提高木霉菌活性，增强防治效果；③改善土壤水热状况及养分状况，为木霉菌的生长繁殖创造条件，促进其在土壤中的定殖；④针对不同病原真菌引起的植物病害采取不同的方式生产木霉菌制剂，提高生防效果。