施用微生物肥料对我国玉米产量影响的Meta 分析

2024-01-26甘元炜冯小杰李永华

植物营养与肥料学报 2023年12期

甘元炜，冯小杰，李永华，杨璐，宁鹏*

（1 中国农业大学资源与环境学院 / 国家农业绿色发展研究院 / 养分资源高效利用全国重点实验室，北京 100193；2 中国农业科学院油料作物研究所 / 农业农村部油料作物生物学与遗传育种重点开放实验室，湖北武汉 430062）

施用化肥是作物增产的关键措施，对保障国家粮食安全具有举足轻重的贡献[1]。近40 年来，我国粮食总产翻番，但化肥总投入量增加了约5 倍，增幅远远超过粮食产量的增幅[2]。过量施用化肥降低了肥料的利用效率，2020 年我国主要农作物的化肥利用率为40.2% (http://www.moa.gov.cn/)，与国际先进水平差距较大[3]。此外，干旱、变暖等全球变化也是影响玉米生产的关键胁迫因子，利用我国玉米主产区42 个试验点的多年田间研究表明，玉米生长季平均温度每升高1℃，玉米减产5.8%[4]，保障未来粮食安全则需要减少因环境胁迫造成的作物产量损失[5]。近年来，植物-土壤-微生物互作增效成为养分高效利用新的调控途径，是破解作物产量、资源效率和环境安全等多目标协同的金钥匙[1]。

微生物肥料的施用，是调控植物-土壤-微生物互作增效的有效手段，在我国粮食作物增产增效研究与应用方面日益受到重视[6]。施用微生物肥料可以有效改善土壤养分状况，促进植物对养分的吸收并增强植物抗逆抗病能力，从而达到增产的效果[7]。微生物肥料与化肥配合施用可一定程度减少化肥用量，增产减肥而提高化肥利用效率[8]。微生物肥料的施用在欧美发达国家已普及，其用量占到所有肥料的20%以上。在巴西和阿根廷等南美国家，生产专用于玉米的微生物肥料已有超过50 年的历史[9]。目前我国微生物肥料的应用面积超过270 万hm2(4050万亩)，主要应用于果蔬等高附加值作物上，而在粮食作物上应用较少[10]。尽管在玉米生产上已开展不少微生物肥料的田间研究，但考虑受到土壤、气候因素、玉米种植管理及微生物肥料本身的影响，施用微生物肥料的玉米产量效应存在较大差异，如微生物肥料对玉米的增产幅度为1.3%～39.7%[11]。而在黑龙江地区，于玉米苗期局部施用固态草酸青霉菌剂，对玉米产量无显著影响[12]。也有研究发现，接种固氮巨大芽孢杆菌，导致玉米减产13%[13]。由此可见，施用微生物肥料的玉米产量效应受多种因素的影响而存在较大变异，揭示变异来源对微生物肥料技术的应用与发展至关重要。

目前，国外已有部分研究量化出施用微生物肥料对全球作物产量的影响，但涉及作物样本种类繁多，粮食作物所占比例不足40%[14]。国内也有学者综述了近年来微生物肥料在玉米生产中的节肥潜力和增产效果，但对不同生产条件下微生物肥料的增产效果及其影响因素研究不足[11]。本研究综合分析了来自38 篇文献资料的244 对观察值，通过建立施用微生物肥料的产量数据库，从全国尺度上解析近20年玉米产量对施用微生物肥料的响应规律及其关键影响因素，以期为微生物肥料减肥增效和推动玉米绿色生产提供科学支撑。

1 材料和方法

1.1 数据收集

本研究收集了2000 年1 月至2022 年5 月发表的涉及施用微生物肥料对玉米产量影响的文献。以“微生物肥料”“菌剂接种”“PGPR”和“玉米产量”为关键词，在Web of Science 和中国知网数据库进行文献检索。文献的筛选采取以下标准：1)试验必须为玉米田间试验，且含有不施用微生物肥料(NMF)和施用微生物肥料(MF)两个处理，其他试验条件保持一致(如肥料施用量等)；2)至少含有籽粒实际测产产量数据，或产量构成三要素(单位面积穗数、穗粒数、粒重)；3)试验所用的微生物肥料中菌剂明确到属水平；4)每个处理不少于3 次重复。基于该筛选标准，最终获得了38 篇符合要求的研究文献。从文献中提取每个试验相关的地理信息(图1)、气候信息(气候类型、年均温、年降雨量)、土壤养分状况(有机质、pH、全氮、氮磷钾速效养分含量等)、微生物肥料的施用策略及玉米种植管理等信息，构建玉米施用微生物肥料的产量数据库。

图1 获取数据在全国各地的分布Fig.1 Data coverage in the maize production regions of China

1.2 数据分类

试验处理组为施用微生物肥料，对照组为不施用微生物肥料。为确定不同气候因子对施用微生物肥料产量效应的影响，将气候类型分为温带季风气候(NTM)、温带大陆气候(NTC)和亚热带季风气候(STM)。年平均气温则分为≤10℃和＞10℃，年降雨量划分为≤600 mm 和＞600 mm。参考全国第二次土壤普查的养分分级标准，将土壤有机质含量划分为＜10 g/kg、10～20 g/kg 和＞20 g/kg 3 个等级；土壤pH 划分为pH＜6.5、6.5≤pH≤7.5 和pH＞7.5 三个等级；土壤全氮含量划分≤1 g/kg 和＞1 g/kg 两个等级；速效氮含量划分为≤25 mg/kg 和＞25 mg/kg 两个等级；速效磷含量划分为≤20 mg/kg 和＞20 mg/kg 两个等级；速效钾含量划分为＜100 mg/kg、100～160 mg/kg和＞160 mg/kg 3 个等级。根据微生物肥料菌群结构分为单一菌剂与复合菌剂，从产品形式分为生物有机肥和微生物接种，从肥料形态及施用方式分为液体肥料、固体肥料、菌剂拌种，微生物肥料中菌剂从门水平和属水平及功能上进行分类。为了确定不同产量水平下施用微生物肥料的效应，将产量等级划分为低产、中产和高产。产量等级划分方法参考前人研究[15]，具体为：未施用微生物肥料处理的玉米籽粒产量介于3080～12749 kg/hm2，90%的产量集中在4576～11700 kg/hm2。以玉米产量的5%分位数(4576 kg/hm2)和95%分位数(11700 kg/hm2)为最低和最高限求极差(7124 kg/hm2)，然后以等产量间距(2375 kg/hm2)分成3 个范围。玉米产量等级从低到高划分为＜6951 kg/hm2(低产田)、6951～9326 kg/hm2(中产田)和＞9326 kg/hm2(高产田)。

1.3 整合分析

本研究使用效应值lnR来量化处理措施对响应指标的影响，通过以下公式进行计算[16]：

式中，lnR表示效应量，结果以[(R-1)×100]的百分比形式表示。XT和XC分别表示施用微生物肥料和未施用微生物肥料处理的产量平均值。

观察值的权重用以下公式计算：

式中：Wt 表示观察值的权重，NT和NC分别表示施用微生物肥料和未施用微生物肥料处理的重复数。施用微生物肥料的产量效应通过观察值加权效应的平均值获得。当置信区间与横坐标零点重叠时，认为施用微生物肥料对产量并无显著促进作用，反之则存在显著影响[17]。若不同亚组的95%置信区间没有重叠，则认为不同亚组间存在显著差异[18]。

在进行合并效应值计算前，通过卡方检验(Chisquare test)对样本数据进行异质性检验，若检验结果P＞0.05，则表示不同处理间或不同研究结果间具有同质性，选择固定效应模型计算合并效应值，否则采用随机效应模型[19]。如图2 所示，将施用微生物肥料与未施用微生物肥料处理产量的效应值进行了正态分布检验，方法采用K-S (Kolmogorov-Smirnov)检验，其效应值频率分布不服从正态分布(P＜0.01)，因此本研究使用非参数估计方法(Bootstraping)生成效应值(lnR)和95%的置信区间[17]。

图2 产量效应值对施用微生物肥料响应的频数分布图Fig.2 Frequency distribution of yield response to application of microbial fertilizer

各因素影响微生物肥料增产效果的重要度分析，使用R 语言“random Forest”包进行计算。本研究选择均方误差增加的百分比[Increase in MSE (%)]来表示各因素重要性得分，该值越大说明该因素的重要性越高，并对每个因素的重要性得分做显著性分析[20]。

1.4 数据处理

本研究使用GetData Graph Digitizer 2.24 软件提取文献中图的数据[21]，利用Excel 2013 建立文献数据库，在MetaWin 2.0 软件中通过自举(Bootstrap)抽样经过4999 次迭代生成平均效应值和95%的置信区间。利用R 语言(4.1.1)进行数据的随机森林重要性分析，并用Graphpad Prism 8 制作图表。

2 结果与分析

2.1 施用微生物肥料的玉米产量效应

由图3 可见，与对照处理相比，施用微生物肥料可显著提高玉米产量，增幅为13%。施用微生物肥料处理较对照玉米的穗粒数与百粒重分别显著增加7.5% 和6.5%，对单位面积穗数没有显著影响。施用微生物肥料可显著提高氮肥利用效率，较对照处理的氮肥偏生产力提高10.1%。

图3 施用微生物肥料对玉米产量及氮肥偏生产力的影响Fig.3 Effects of application of microbial fertilizer on maize yield and nitrogen use efficiency

2.2 施用微生物肥料产量变异的影响因素

2.2.1 微生物肥料施用策略对玉米产量的影响由图4 可知，微生物肥料的不同属性分类影响其产量效应，主要表现在微生物的菌群结构、类型、施用方式、菌种分类等。与对照相比，施用含有单一菌群微生物肥料的玉米增产12.1%，含复合菌群肥料的玉米增产幅度有增加趋势，达19.8%。从产品类型来看，施用生物有机肥与微生物接种分别显著提高玉米产量21%和11%，且二者存在显著差异。当微生物肥料的施用方式为液体肥料、固体肥料和拌种时，玉米增产效应分别是19.4%、14.8% 和8.7%，固体肥料的效果优于拌种(图4-a)。

图4 微生物肥料类型及其对玉米的增产率Fig.4 Microbial fertilizer types and their yield increase effects

根据微生物肥料中的主要菌群分类，含细菌与真菌的微生物肥料分别显著增产12%和11%，二者类似。在门水平上进行分类，放线菌门(Actinobacteria)和变形菌门(Proteobacteria)的菌剂增产效应较大，达到17%以上，而球囊菌门(Glomeromycota)的菌剂对产量增幅最低，为8% (图4-b)。在属水平上分类，除球囊霉菌属(Glomus) 无明显增产外，其余菌属均表现出不同程度增产效应。中华根瘤菌属(Sinorhizobium)菌剂增产效应最大，为27%。含有链霉菌属(Streptomyces)与鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)菌剂的微生物肥料的增产效果分别达到18%和16%(图4-c)。对于复合菌群类型的微生物肥料，含有芽孢杆菌(Bacillus)或含有木霉菌(Trichoderma)的肥料处理玉米分别增产22%与29%，而含有假单胞菌(Pseudomonas)的复合菌群则无明显增产效应。值得注意的是含有木霉菌复合菌群的15 个研究样本也同时含有芽孢杆菌，故将芽孢杆菌、木霉菌与其他菌联合所制微生物肥料可取得较高的增产效果。以微生物肥料中菌剂的主要功能进行分类，结果表明具备促生、固氮、溶磷和解钾功能的菌剂对产量的效应分别是14%、16%、11%和10% (图4-d)。

2.2.2 不同气候类型下施用微生物肥料的增产效应总体来说，在不同气候类型下施用微生物肥料均表现出玉米增产，增产幅度为11%～28%，但不同气候类型间无显著差异。温度较高或降雨较少的条件下，施用微生物肥料的玉米增产效应明显。在年平均气温≤10℃的区域，玉米增产12%；在年平均气温＞10℃的区域，玉米增产15%；在年均降雨量≤600 mm 和＞600 mm 的区域，玉米增产幅度分别为20%和11% (图5-a)。

图5 不同气候和土壤条件下施用微生物肥料对玉米产量的影响Fig.5 Effects of microbial fertilizer application on maize yield under different climate and soil conditions

2.2.3 不同土壤条件下施用微生物肥料的产量效应土壤有机质含量≤10 g/kg 时，施用微生物肥料处理的玉米较对照增产21%，而土壤有机质含量在10～20 g/kg 和＞20 g/kg 时，产量增幅分别为14%和11%，呈现降低趋势。碱性土壤(pH＞7.5)上，施用微生物肥料的增产幅度为19%，pH＜6.5 土壤和6.5≤pH≤7.5 的土壤上施用微生物肥料的增产幅度分别为10%和13% (图5-b)。与对照相比，在土壤全氮含量≤1 g/kg 时施用微生物肥料的玉米增产26%，在土壤全氮含量＞1 g/kg 时仅增产11%。不同磷养分状况土壤上表现出类似规律，即在土壤速效磷含量≤20 mg/kg 时施用微生物肥料的玉米增产24%，较土壤速效磷含量＞20 mg/kg 时的增幅提高了2.4 倍。在土壤速效氮含量≤25 mg/kg 和＞25 mg/kg 时玉米分别增产12%和36%，但两种条件下无显著差异。在土壤速效钾含量＜100 mg/kg 时，施用微生物肥料处理增产效果最明显，增幅为24%；而当土壤速效钾含量增加后，施用微生物肥料的增产效果呈降低趋势(图5-c)。

2.2.4 不同种植管理措施下施用微生物肥料的产量效应如图6 所示，不同栽培及施肥管理措施下施用微生物肥料对玉米产量的影响存在显著差异。在低产田水平，施用微生物肥料处理较对照玉米增产30%，增产效应显著高于中产田和高产田水平下的10%和9%，且三者间存在显著差异(图6-a)。玉米种植密度为60000～80000 株/hm2或小于60000 株/hm2时，施用微生物肥料的增产效应分别为1 0%和9%，但随着密度胁迫的增加，施用微生物肥料的增产效果明显化，即密度≥80000 株/hm2时玉米增产77%。在不施肥条件下，施用微生物肥料处理较对照增产80%，显著高于施用化肥条件下的增产效应(10%)。从不同施肥量来看，当施氮量＜100 kg/hm2时，施用微生物肥料处理使玉米增产28%，显著高于施氮量100～200 和＞200 kg/hm2下的产量增幅(二者产量增幅均为9%)。当磷肥P2O5投入不足50 kg/hm2时，玉米产量增加16%，而在P2O5≥50 kg/hm2时产量增加9%，两者间存在显著差异。同样，当钾肥K2O＜50 kg/hm2时产量增幅为18%，显著高于K2O≥50 kg/hm2时的10% (图6-b)。

图6 不同种植管理措施对微生物肥料增产效果的影响Fig.6 Effects of planting managements on yield increase of microbial fertilizer

2.3 各因素影响微生物肥料增产效应的重要性

利用随机森林模型对各因素影响微生物肥料增产效应的重要性进行分析，年平均气温是影响微生物肥料增产效果最重要的因素，预测变量的重要性得分达到21% (图7)。其中种植密度、土壤pH、年降雨量、施氮量和施磷量5 个因素的重要性得分相对较高，均达到10%以上。土壤全氮、速效钾、土壤有机质的重要性得分或重要性次之，均达到5%以上(图7)。

图7 预测变量的重要性Fig.7 The importance of predictive variables

3 讨论

总体而言，与未施用微生物肥料对照相比，施用微生物肥料能显著提高我国玉米产量，平均增产13%。一方面，微生物在玉米根系周围定殖，不同功能微生物通过自身的代谢活动来促进玉米的根系生长和养分吸收，如固氮[22]、溶磷[23]、解钾[24]、腐解秸秆释放养分[25]、产生植物类激素和信号分子调控植物生长等功能[26]；另一方面，微生物肥料可增强玉米的抗逆性，尤其是在干旱和盐碱条件下植物受到非生物胁迫时，微生物提高了植物应对胁迫的能力。Zafar-ul-Hye 等[26]研究表明，在盐胁迫条件下接种假单胞菌可产生1-氨基环丙烷-1-羧酸(ACC)脱氨酶抑制乙烯的产生，促进玉米根系和地上部的生长。Ehteshami 等[27]研究发现，在干旱条件下接种菌根真菌和荧光假单胞菌显著提高玉米的干旱耐受性。此外，微生物中生防菌剂能够降低病原菌和害虫对玉米危害[28]。但是，施用微生物肥料对玉米的增产效果在不同条件下(菌剂施用策略、气候、土壤性状、栽培与水肥管理等)存在一定的差异。

3.1 微生物肥料类型和施用策略影响玉米增产效果

本研究分析复合菌剂的增产效果优于单一菌剂，可能与复合菌剂中功能菌更加多样以适应不同环境条件有关，且菌群之间存在协同作用，一种菌株产生的化合物可以作为其它菌株代谢合成的底物，其他菌株的产物又反馈给前者提高其活性和代谢水平[29]。如纤维分解细菌将纤维素分解成葡萄糖提供给自生固氮菌作为碳源，而自生固氮菌通过生物固氮，为纤维素分解菌提供氮源[30]。生物有机肥的增产效果显著高于微生物接种，与生物有机肥中不仅含有效果优良的复合菌剂，其剩余的有机成分可作为保持菌剂较高活性的载体，同时也可为玉米提供少量养分有关[31]。固体肥料的增产效应显著高于微生物肥料拌种，此结果与前人研究[32]有所差异，可能与施用条件有关。将肥料中菌剂进行归类，本研究发现放线菌门(Actinomyces)与变形菌门(Proteobacteria)增产效果较高，属水平上中华根瘤菌属(Sinorhizobium)取得最好的增产效应，这与前人研究结果相似，变形菌门和放线菌门一般是玉米根际细菌中的优势菌群，而中华根瘤菌属则是α-变形菌纲中的优势菌属[33]。在复合菌剂类型中，芽孢杆菌与木霉菌联合施用取得较高的增产效应，可能因为木霉可以产生广泛的抗真菌代谢物，芽孢杆菌也可产生多种拮抗物质，具有明显的抑病(如玉米茎基腐病) 促生效果；已有研究表明，二者共培养时抗真菌、促进植物生长的次级代谢物增加，可能存在代谢协同机制[34]。一方面，两种菌均可产生吲哚-3-乙酸、玉米素和赤霉素等植物生长调节因子，或增加植株中生长素的产生量增强植物对胁迫的耐受性，促进玉米生长，提高玉米产量。另一方面，也可能通过改变根际微生物群落组成，募集其他对植物生长有益细菌和真菌，进而促进玉米生长和增产[35]。支持作物产量提升的微生物功能主要是促生、固氮、溶磷和解钾功能，可影响作物生长和养分吸收。

3.2 气候对微生物肥料增产效应的影响

尽管不同气候类型下微生物肥料的增产效应无明显差异，但产量增幅在温带大陆性气候区呈现优于温带季风气候区和亚热带季风气候区的趋势。年均温度＞10℃的区域产量增幅较高，主要由于玉米是喜温作物，且温度升高增强土壤嗜温微生物的底物利用和代谢能力，改变土壤微生物群落组成，加快土壤养分的周转与矿质养分的释放[36]。此外，有研究表明，干旱条件下植物根际促生菌(PGPR)对植物的促生效果更佳[37]，本研究也发现干旱少雨环境下施用微生物肥料对玉米的增产效果更好，其一可能是在干旱胁迫条件下，功能菌剂产生ACC 脱氨酶降解植物体内的乙烯，削弱乙烯对植物器官的抑制生长作用，进而促进玉米生长[38]；其二是促生菌通过产生一种亲水性强、含有寡糖和多糖的细胞外基质，提高土壤的保水能力[39]。

3.3 瘠薄土壤上有利于发挥微生物肥料的增产效应

本研究发现土壤相对瘠薄条件下，如有机质、全氮、速效磷、速效钾含量较低时，施用微生物肥料的增产效果更佳；在低产田水平，施用微生物肥料处理较对照可使玉米增产30%，增产幅度分别高于在中产田和高产田水平下的10%和9%。在高肥力的土壤中，尤其是有机质含量较高的地区，土壤微生物数量和微生物生物量碳、氮含量都维持在较高水平[40]，或投入的外源微生物竞争力相对较弱，难以改变土著微生物群落，因而微生物肥料增产效果相对较弱。而在相对瘠薄土壤上，微生物肥料的增产效果显著提高，一方面是功能菌发挥作用活化土壤中的养分供植物吸收；研究表明在低氮低磷土壤中接种特定植物根际促生菌可提高根际细菌的丰度和物种多样性，增加有益菌的数量，降低与土壤氮损失有关的功能菌数量，从而提高氮磷利用效率和玉米产量[41]；另一方面，也可能与瘠薄土壤条件下，微生物肥料施用时带入的少量有机物料或养分有关。土壤速效氮与其他速效养分变化趋势相反，但无显著差异，可能是各研究点土壤速效氮含量较高所致，各研究点土壤速效氮含量均超出了维持玉米高产的土壤临界无机氮浓度6 mg/kg[42]。此外，与其他研究结果高度类似，微生物肥料的增产效应随着土壤pH 升高而增大[1]。

3.4 密植与低养分投入促进微生物肥料的增产效应

随机森林的结果显示，密度和氮磷肥的投入是影响微生物肥料产量效应的关键因素，施用微生物肥料的产量效应在两者的影响下均出现显著差异。不施肥条件下微生物肥料的产量效应显著高于施肥管理；氮、磷、钾肥表现出类似规律，即在低投入的条件下产量增幅显著大于较高投入的场景，可见微生物肥料在减肥增效或少投入情况下保障作物增产具有较大潜力。李可可等[11]则研究表明利用微生物肥料可减少15%～30%的化肥用量。密植是玉米增产的关键措施，玉米增密后也表现出类似规律，即增密(如大于80000 株/hm2)后施用微生物肥料的增产效果显著优于低密群体。密植条件下玉米地上部、根系对光照、养分、水分等资源的竞争加剧，甚至玉米的根系生长受到限制，一定程度受到水分养分等胁迫的影响，外源施入微生物肥料或功能菌剂，有利于缓解该逆境胁迫[43]。