微生物菌肥对甘蔗生长的影响及其施用方法的研究进展

梁恒心,邹 茜,周志忠,覃永林,龙家豪,张木清

(广西甘蔗生物学重点实验室/广西大学,南宁 530004)

0 引言

甘蔗是我国南方广泛种植的经济作物之一,具有较高的经济和社会价值。然而,在甘蔗生产过程中,传统的化学肥料过量使用不仅浪费资源,而且容易造成土壤污染和环境负担。因此,如何提高甘蔗产量和品质,同时保护环境和生态系统,已成为当前甘蔗生产的主要问题之一。

微生物菌肥作为一种新型的肥料产品,具有生物学特性和环境友好性,可以在甘蔗生产中起到重要的作用。微生物菌肥通过分泌多种相关物质对甘蔗生长起到积极的作用,这些物质包括植物生长激素、有机酸、抗生素和酶等,它们在微生物与甘蔗根系相互作用的过程中发挥重要的调节和促进作用。如生长素能够促进根系的生长和发育,增加根系的分支和侧根的形成,提高甘蔗对水分和养分的吸收能力;赤霉素可以促进甘蔗的伸长生长和茎节点的分化,增加甘蔗的高度和产量;细胞分裂素可以促进甘蔗细胞的分裂和增殖,加快植株的生长速度。同时微生物菌株通常会分泌有机酸,如乙酸、柠檬酸和琥珀酸等,具有降低土壤pH值的作用,从而促进磷、铁、锌等微量元素的溶解和吸收,有机酸能够与这些微量元素形成可溶性的配合物,提高其在土壤中的有效性,使甘蔗能够更充分地吸收利用。由此可见,合理的微生物菌肥施用不仅可以改善土壤理化性状和微生物多样性,促进甘蔗生长,还能优化种植区生态环境,提高甘蔗产量和品质。对甘蔗微生物菌肥的研究和应用可以降本增效,使甘蔗种植更加符合可持续性发展的农业生产要求。

1 微生物菌肥的种类和优点

微生物菌肥是以微生物为主要活性成分的肥料产品,根据微生物的来源和功能不同,可以分为生物有机肥、生物菌肥、微生物菌剂等几种类型[1-3]。在这些肥料产品中,微生物菌肥的生产和使用最为普遍。

1.1 生物有机肥

生物有机肥是一种基于发酵的有机物质,是一种由动植物残体、粪便等有机物质经过微生物分解形成的有机肥料,其中含有多种微生物,如细菌、真菌、放线菌等。生物菌肥则是一种含有特定菌种的肥料,常用的菌种包括固氮菌、磷酸溶解菌、硫氧还原菌等[4-5],有机肥料含有丰富的微量元素和多种有益微生物,可以为作物提供全面的营养,并且有机质的含量高,可以增加土壤保水保肥能力,缓解土壤板结。生物有机肥的制作方法众多,例如胡伟锋等人介绍了一种生物有机肥的制作装置及方法,在养殖笼下方设置集粪池,集粪池内含有破碎装置,随后连接分离装置和冲洗装置,能有效提高集肥效率[6]。王娟等人则通过对畜禽尸体进行无害化处理后经过固液分离等步骤后加入生物炭和凹凸棒石墨粉得到快速熟化生物有机肥[7]。目前市面上常见的生物有机肥产品通常为以鸡粪、羊粪、蚯蚓粪、骨粉等作为主要原料发酵而来的动物有机肥和菜籽饼、豆粕肥、草木灰等植物有机肥,其主要作为瓜果蔬菜的基肥,或是覆土作为追肥施用。

1.2 生物菌肥

生物菌肥,是一种由菌株为基础,加入酶类、有机物质等成分,在特定的条件下进行发酵制成的肥料[8-11]。生物菌肥中含有丰富的有益微生物,如活性蛋白酶、吲哚乙酸等,能够促进作物代谢,增加产量,延长作物的生长期[12]。生物肥菌包括根瘤菌(Rhizobiumspp.)、枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis)等。根瘤菌是一类与豆科植物共生的菌株,能够与甘蔗根系形成共生结节。根瘤菌能够固氮,将空气中的氮转化为植物可利用的氮化合物,供给甘蔗植物进行生长和发育。这种共生关系对于甘蔗的氮营养非常重要,能够提高甘蔗的产量和品质。枯草芽孢杆菌是一种常见的植物生物防治菌株,具有抑制病原微生物生长的能力。它能够分泌抗生素和抑菌物质,抑制土壤中的一些病原菌的生长和繁殖,减少甘蔗根部病害的发生。同时,枯草芽孢杆菌还能促进甘蔗根系生长和营养吸收,提高甘蔗的产量和抗逆性。目前市面上常见的生物菌肥主要有:枯草芽孢杆菌菌肥、根瘤菌菌肥、磷细菌菌肥、解淀粉芽孢杆菌菌肥、以及复合菌肥等产品。

1.3 微生物菌剂

微生物菌剂也是一种由微生物为基础的肥料,常常是以复合菌群的形式出现[13]。微生物菌剂含有多种有益微生物,如硝化细菌、磷酸铁细菌等等,能够改善土壤质量,促进作物生长。微生物菌剂包括乳酸菌、木霉菌、根瘤菌等。乳酸菌是一类常见的益生菌,常被应用于微生物菌剂中。乳酸菌能够通过产酸、产抗菌物质和竞争性排挤等机制抑制病原菌的生长,同时能够促进植物的根系生长和提高养分吸收效率。在农业生产中,乳酸菌菌剂常用于种子处理、土壤改良和作物生长调节等方面。木霉菌是一类常见的生防菌株,常被用作微生物菌剂中的成分之一。木霉菌能够通过竞争性排挤和产生抗生素等机制来抑制病原真菌的生长和繁殖。此外,木霉菌还能激活植物的免疫反应,提高作物对病害的抵抗力。目前市场上大多数都是由哈茨木霉菌和枯草芽孢杆菌这两种菌单独制成的菌剂,或是这两种菌的复合菌剂,也有哈茨木霉菌与长枝木霉菌的复合菌剂,还有少部分由哈茨木霉菌和淡紫紫孢菌制成的复合菌剂,另外,还有地衣芽孢杆菌制成的菌剂。此外,还有将枯草芽孢杆菌、屎肠球菌、弯曲芽孢杆菌和酿酒酵母制成的微生物菌剂[14]。

2 微生物菌肥对甘蔗生长的影响

微生物菌肥在甘蔗生产中的应用已经逐渐得到广泛认可,已经被广泛应用于农业生产[15-16]。在甘蔗生长中,微生物菌肥的应用可以带来多重益处,如为植物提供N/P/K营养、刺激根系生长、提高叶面绿度、增强抗逆性、提高产量与品质等。

2.1 为植物提供N、P、K营养

氮素作为植物生长发育过程中需求量最大的元素,其在生态系统中发挥着重要的作用。但自然界中氮的主要存在形式为氮气,无法被植物吸收利用。由于人口剧增问题,对粮食的需求量也越来越大,通过闪电产生的氮已无法满足农业需求,为补充土壤及作物内的氮元素,出现了工业固氮,即化学肥料,肥料的大量使用,造成了环境污染等问题,为了解决这一问题,经过多方研究,发现生物固氮可以在这一发面发挥很大的作用,在固氮酶的催化下,固氮微生物可将空气中的氮素转化为铵态氮、硝态氮、尿素、氨基酸及短肽等可被植物直接利用的有效氮[17],其主要反应为 N2+8H+8e-+16ATP→2NH3+H2+16ADP+16Pi[18]。常见的固氮微生物有根瘤菌属 (Rhizobium)、芽孢杆菌属(Bacillus)、假单胞菌属(Pseudomonas)、醋杆菌属(Acetobacter)、节杆菌属 (Arthrobacter)、柠檬酸杆菌属 (Citrobacter)、梭菌属 (Clostridium) 和链霉菌属(Streptomyces) 等[19]。

磷是植物生长发育所需的第二大营养元素,它是植物生命过程中的重要参与者[20]。土壤中的磷素大多以不可溶的无效态存在,而可溶态磷中仅有以HPO24-和H2PO-4形式存在的磷素可被植物吸收利用,这部分仅占4%～5%[21],所以植物不易吸收土壤有机磷,需借助微生物转化成无机态才可利用。溶磷微生物可以产生有机酸(如甲酸、延胡索酸、琥珀酸等)、CO2、H2S,降低pH,同时又能与铁、钙等离子螯合,从而使难溶性磷溶解[22];也可以分泌胞外酶并催化有机磷酸酯为有效磷[23]。能溶解难溶磷的微生物主要有芽孢杆菌属(Bacillus)、假单胞杆菌属(Pseudomonas)、青霉菌属(Penicillium)等[24]。

钾也是植物生长发育所必需的营养元素。钾参与植物体内一系列代谢过程,其能激活植物体内多种酶的活性,参与细胞渗透调节,促进植物光合作用的同时,增强植物的抗逆性[25]。我国土壤中钾的占比为1.5%～2.5%,其中百分之95%都是难溶性钾[26],主要分布于长石、云母、磷石灰中。具有解钾能力的微生物能将不溶形式的钾转化为可供植物吸收利用的易溶形式的钾,常见的解钾菌有假单胞菌属(Pseudomonassp)、地衣芽孢杆菌(Bacilluslicheniformis)、微杆菌属(Exiguobacteriumsp)、产氮假单胞菌(Pseudomonas Azotoformans)等[27]。其主要机制为:1)分泌无机酸(草酸、柠檬酸、丙酮酸等),对矿物质具有酸溶和络合作用,酸碱度与溶解速率呈正比[28];2)分泌体外聚合物,这些聚合物影响硅酸盐矿物的风化[29];3)能够分泌由蛋白质和多糖组成的具有络合作用的胞外多聚物,形成细菌—矿物复合体,溶解硅酸盐矿物[30];4)硅酸盐矿物中金属离子的化合价发生变化,利于和有机酸的络合而形成可溶性物质,被植物吸收利用[31]。

2.2 刺激根系生长

微生物菌肥在促进甘蔗根系生长和养分吸收方面发挥着重要的作用。微生物菌肥可以影响土壤理化性状,进而影响根际微生物群落组成和结构,从而促进根系增长,增强甘蔗根系活力[32]。毛莲英等研究发现用枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis)和解淀粉芽孢杆菌(Bacillusamyloliquefaciens)等功能微生物发酵的糖蜜酒精残液,可以使甘蔗根系干重显著提高60.6%,提高根系对TTC的还原强度[33]。周文灵等研究发现,固氮菌株XD20具有IAA分泌、溶磷、溶铁等促进甘蔗根系生长的特性,用作生物菌肥施用可以显著增加‘B8’、‘新台糖22号’、‘GT40’三种甘蔗品种的根系干重[34]。微生物菌肥中的一些菌株,如根际促生菌(PGPR)等[35],能够合成植物生长调节物质,如IAA、GA和ETH等;另外,PGPR还可以产生一些挥发性有机物,这些物质可以调节甘蔗根系生长和发育。微生物菌肥中的益生菌,如固氮菌、固磷菌等真菌,能够与甘蔗根系形成菌根共生,构建起菌根网络。通过菌根网络的建立,菌根真菌能够增加根系与土壤的接触面积,扩大养分吸收的范围,还能通过分泌细丝和酸性物质等方式,与根毛周围的土壤发生离子交换,促进养分的释放和吸收。这些真菌通过释放生长因子和有机酸等物质,能够有效促进根系的生长和发达[32],从而增加根系表面积,提高养分吸收效率,从而促进根系生长和养分吸收。谢显秋将4种固氮菌组合施用到甘蔗栽培过程中,筛选出了较优的DX120E、CN11+DX120E和CA1+DX120E+WZS021三个组合,其结果表明,固氮菌可以增加甘蔗地下生物量,并提高了土壤中有效氮、有效磷、有效钾的含量,提高了土壤酶活性,有利于甘蔗根系的生长和养分吸收[36]。总的来说,通过改变土壤理化性质、微生物多样性,微生物菌肥可以为甘蔗根系提供良好的生长环境,促进其生长和吸收养分。

2.3 提高叶绿素含量

微生物菌肥的应用可以提高甘蔗的叶绿素含量,进而促进光合作用,提高光合产物的积累和转运。微生物菌肥中的固氮菌可以使甘蔗叶面的氮素含量得到增加,进而促进叶绿素的合成[37]。此外,微生物菌肥中的磷酸溶解菌可以将土壤中的难以吸收的磷元素转化为可吸收形式的磷,从而增加了甘蔗的养分供应,提高了叶绿素的合成能力。

在周文灵等人的研究中发现,施用含枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis)和解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefaciens)的复合微生物菌肥和糖蜜酒精废液处理后,甘蔗氮平衡指数和叶片SPAD值均高于对照组,说明施用复合微生物菌肥能促进甘蔗对养分的吸收(尤其是氮),提高叶片叶绿素含量,增强光合作用,增加光合作用产物[38]。

总的来说,微生物菌肥的应用能够提高甘蔗的叶绿素含量。通过与甘蔗根系的共生关系、植物生长促进物质的作用以及菌根真菌的参与,微生物菌肥为甘蔗提供了良好的生长环境,促进叶绿素的合成和积累。

2.4 增强抗逆性

微生物菌肥在增强甘蔗的抗逆性和减轻病虫害方面都发挥着重要的作用,一方面它可以通过改善土壤的理化性质、增加土壤微生物量等方式来提高甘蔗的抗逆性[39];另一方面微生物菌肥中含有枯草芽孢杆菌等常见的植物生物防治菌株,这些防治菌株具有抗细菌和真菌以及抗病毒的活性,能够分泌抗生素和抑菌物质,有效抑制多种病原微生物的生长和繁殖,减少甘蔗病害的发生[38]。

微生物菌肥中的有机质、腐殖酸能改良土壤,促进团粒结构的形成,疏松土壤,提高土壤肥力,从而增强甘蔗对干旱和盐碱等不良环境的适应性,提高其抗逆性[40]。此外微生物菌肥中的益生菌还可以通过与甘蔗植株互作,能够促进植物自身免疫系统的激活,增强甘蔗的抗逆性,从而减轻病虫害的发生和损失。微生物菌肥中含有的植物生长促进物质和抗病物质能够在与甘蔗植株互作过程中发挥作用。这些物质可以诱导甘蔗植株的抗病性基因的表达,进而增强植物对病原微生物的抵抗能力[41]。

以微生物菌肥中常见的有益菌——枯草芽孢杆菌为例,枯草芽孢杆菌(Bacillus)是一类重要的根际微生物,大量的芽孢杆菌具有促生和防病作用[42],它可以通过分泌生长激素和营养物质,刺激甘蔗的生长和生物量的增加,从而提高甘蔗的抗逆性。同时,韦云东等人研究得出枯草芽孢杆菌还可以产生多种抗菌物质和酶,如伊枯草菌素、脂肽类物质和碱性蛋白等[43],这些物质可以抑制病原菌的生长和繁殖,从而减轻植物病害的发生,提高甘蔗的抗逆性。此外,张霞等人研究得出枯草芽孢杆菌还可以通过调节植物激素水平,影响植物的生长和发育过程,从而提高甘蔗的抗逆性[44]。

总的来说,微生物菌肥可以帮助甘蔗对抗各种生物和非生物胁迫因素,通过有机质、腐殖酸以及一些有益微生物群的综合作用,使其更能适应气候变化和环境压力,增强其抗逆性,提高对病原微生物的抵抗能力。为甘蔗的健康生长和产量稳定性提供有力的支持,对于甘蔗的农业生产具有重要意义。

2.5 提高产量与品质

甘蔗是重要的糖料和能源作物,通过微生物菌肥的应用来提高甘蔗的产量与品质是促进农业可持续发展、绿色发展的必经之路。

微生物菌肥中的益生菌能够提高甘蔗的养分利用效率,直接或间接的促进植物生长过程中的固氮、解磷和解钾,从而增加产量[45]。微生物菌肥中的一些菌株还能够促进植物生长和发育,进一步增加产量[46]。此外,微生物菌肥中的一些菌株能够促进植物次生代谢产物的合成,如糖类,从而提高甘蔗的品质,这些有益菌群通过激活甘蔗的糖合成途径,增加糖分的合成速率和数量,调节植物的糖代谢途径,影响糖分的组成和品质特征。此外,糖分中的其他营养物质也得到了改善,如维生素和矿物质含量增加,从而提高甘蔗的品质,使糖产品营养更加丰富[47]。

在BODDEY等人[48]的研究中,微生物菌肥可为甘蔗的生长发育提供其所需的60%氮素,有些品种甚至可达80%。还有研究表明,微生物菌肥可促进甘蔗氮代谢的积累量,从而增加甘蔗产量。NATARAJAN等人实验发现,微生物菌肥处理的小区在磷用量减少25%的情况下比对照小区增产了12.6%,同时提高了蔗汁蔗糖的含量[49-52]。此外,ETESAMI等人研究还发现,解钾微生物不仅可以提高根际土壤有效钾含量,同时还能减少钾的流失,促进作物生长,提高作物产量和作物的免疫力,减少病害发生,这对甘蔗产量和品质的提高同样有着重大意义[53]。

微生物菌肥对甘蔗生长的影响是多方面的,不仅可促进甘蔗的生长,增强甘蔗免疫力,还能降低投入的成本,而且对环境友好,在提高甘蔗产量和品质方面有着广阔的应用前景。

3 微生物菌肥的不同使用方式

微生物菌肥是由一些有益微生物培养而成的肥料,它可以促进甘蔗的生长和发育,提高产量和品质,这是微生物菌肥的优势[54]。但是,微生物菌肥的使用方法比较特殊,需要根据不同的情况来选择不同的使用方法。

3.1 根据土壤状况选择合适的微生物菌肥产品

不同的微生物菌肥对不同类型的土壤有不同的适应性,所以选择合适的微生物菌肥品种非常重要[55]。一般来说,微生物菌肥的包装上都会标明适用的土壤类型,根据土壤的性质来选择相应的微生物菌肥。

3.2 将微生物菌肥加入种植基质中

将微生物菌肥掺入土壤中是最常见的使用方法。一般来说,使用前需要先将微生物菌肥与适量的水混合,然后掺入土壤中。在掺入土壤时,需要注意掺入的深度和位置。一般来说,将微生物菌肥掺入根系下方的土层中可以更好地发挥微生物菌肥的作用[56]。

在盆栽或者育苗时,可以将微生物菌肥加入种植基质中。将微生物菌肥与种植基质混合均匀后,再进行种植。这种方法可以让微生物菌肥更好地与甘蔗的根系接触,促进微生物菌肥的吸收和利用。

3.3 叶面喷施微生物菌肥

叶面喷施微生物菌肥是一种比较方便的使用方法。在喷施前需要将微生物菌肥与适量的水混合均匀后,喷洒在甘蔗的叶面上。这种方法可以更快地将微生物菌肥的营养成分吸收到植物中,促进甘蔗的生长和发育[57]。

3.4 灌溉微生物菌肥

灌溉微生物菌肥是一种比较常见的使用方法。在灌溉前,将微生物菌肥与适量的水混合均匀后,再将混合液倒入灌溉水中,进行灌溉。这种方法可以使微生物菌肥均匀地分布在土壤中,更好地发挥微生物菌肥的作用。

3.5 翻耕微生物菌肥

在田间管理中,可以将微生物菌肥翻耕入土壤中。这种方法可以将微生物菌肥均匀地分布在土壤中,促进微生物菌肥的作用[58]。在翻耕前,需要先将微生物菌肥与适量的水混合均匀,然后均匀地撒在土壤表层上。然后再进行翻耕,将微生物菌肥翻入土壤中。

需要注意的是,使用微生物菌肥时,要根据甘蔗的生长阶段和生长状况来选择不同的使用方法。比如,在种植初期,可以采用根部浸泡或叶面喷施的方式,以促进种子的萌发和生长;在生长期,可以采用灌溉或翻耕的方式,以促进甘蔗的生长和发育。

为了发挥微生物菌肥的最大作用,还需要注意以下几点:避免与其他化肥混合使用,以免影响微生物菌肥的作用效果;适量使用微生物菌肥,不要过量使用,以免造成浪费和浸泡根系;在使用微生物菌肥时,一定要注意防止污染和交叉感染。微生物菌肥是一种非常有益的肥料,它可以促进甘蔗的生长和发育,提高产量和品质。但是,在使用时需要根据甘蔗的生长阶段和生长状况来选择不同的使用方法,并注意遵循使用说明,以达到最佳的作用效果。

4 总结与展望

微生物菌肥作为一种新型的生物有机肥料,与传统肥料相比,具有环保、高效、安全等优点,符合可持续发展的农业生产方式。使用微生物菌肥可以减少化肥的使用量和土壤污染,同时可以提高土壤肥力和甘蔗的产量和品质,符合可持续发展的农业生产方式的要求。

微生物菌肥与其他农业技术的结合也将会使其效果更佳。从使用方法来看,微生物菌肥的使用方法也比较简单,可以通过土壤施用、喷洒、滴灌等方式进行。而在甘蔗生产中的应用前景方面,微生物菌肥的种类和质量不断提高,与其他农业技术的结合、政策支持和推广等因素也将会促进微生物菌肥在甘蔗生产中的应用和推广。

随着技术的不断进步和应用的不断推广,微生物菌肥在甘蔗生产中的应用前景将会越来越广泛。其中,以下几个方面值得关注:研究新的菌种和肥效组合,以提高微生物菌肥的效果和应用范围。加强微生物菌肥与其他农业技术的结合,如智能化灌溉、精准施肥等,以实现更高效的甘蔗生产。推进政策支持和培训,提高农民对微生物菌肥的认识和接受程度。强化微生物菌肥的品质监管,以保证微生物菌肥的安全和有效性。总之,微生物菌肥在甘蔗生产中的应用前景广阔,其优点和效果得到了越来越多的认可和重视。未来,将有更多的研究和实践来验证其效果,并不断完善其应用技术和管理模式,以推动微生物菌肥在甘蔗生产中的应用和推广。