兩種固氮芽孢桿菌菌劑在小麥—玉米輪作區(qū)大田試驗效果評價

李剛強， 王楠， 李永斌， 李云龍， 王克功， 王睿， 賀建元，劉德虎， 張麗霞， 王琦， 陳三鳳*

(1.中國農(nóng)業(yè)科學院生物技術研究所，北京100081； 2.中國農(nóng)業(yè)大學生物學院，北京100193；3.山西省農(nóng)業(yè)科學院小麥研究所，山西 臨汾 041000；4.中農(nóng)綠康(北京)生物技術有限公司，北京 102101；5. 中國農(nóng)業(yè)大學植物保護學院，北京 100193)

糧食安全是關系我國國民經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定的重大問題，目前我國糧食作物的生產(chǎn)仍依賴于化肥和農(nóng)藥，但持續(xù)和過量的施用已經(jīng)嚴重影響土壤微生物區(qū)系平衡，破壞土壤結(jié)構(gòu)，污染水源，進而威脅著農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和糧食安全[1-3]。而微生物肥料以其利用率高、促進植物生長、提高植物抗病性、改善微生物區(qū)系結(jié)構(gòu)、保護土壤水質(zhì)安全等優(yōu)勢，被認為是化肥農(nóng)藥的重要補充和替代品[4-7]，但相對于化肥和農(nóng)藥來說，微生物肥料種類少、成本高、田間施用技術推廣不足，導致微生物肥料的多種優(yōu)勢尚沒有充分發(fā)揮，其應用價值和經(jīng)濟效益具有巨大的提升空間。

近年來，在國家政策和市場需求的引導下，微生物肥料理論和應用研究都得到了迅猛發(fā)展[8]，就國內(nèi)已發(fā)表的微生物肥料相關報道來說，2016年比2006年的發(fā)文數(shù)量提高了24倍[9]，表明其已逐漸成為理論研究的新熱點。但目前市面上的微生物肥料仍存在菌株與產(chǎn)品同質(zhì)化嚴重、促生機制不明確、大田應用不理想[8]等諸多問題，因此，篩選和應用新的促生機制明確的功能菌株、加強商品化前期的大田應用效果試驗是我國微生物肥料行業(yè)亟待解決的問題。

小麥和玉米是我國重要的糧食作物，在國民農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有舉足輕重的地位[10]。小麥和玉米也是山西省的主導農(nóng)作物，種植面積約占全省糧食作物的70%[11]。受氣候和地理環(huán)境等因素的影響，山西主要采用小麥—玉米輪作的種植模式。近年來，輪作區(qū)由于化肥施用不合理已造成一系列資源和環(huán)境問題，如養(yǎng)分利用效率低、土壤氮素大量殘留、地下水硝酸鹽含量超標等[11]。因此，增加高效環(huán)保的微生物肥料施用比例對于輪作區(qū)的減施增效、改善生態(tài)環(huán)境、實現(xiàn)小麥和玉米產(chǎn)量和品質(zhì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

本課題組前期獲得了兩株促生功能明確的固氮芽孢桿菌菌株，分別命名為固氮芽孢桿菌1和固氮芽孢桿菌2，兩種菌劑具有固氮、分泌IAA以及抗病等植物促生活性[12]。為推進其產(chǎn)業(yè)化應用，本研究在小麥—玉米輪作區(qū)通過大田試驗評價這兩種菌劑的效果，以期為評價待測微生物菌劑對小麥和玉米田間生長及產(chǎn)量的應用效果，研發(fā)適用于小麥和玉米乃至其他作物實際生產(chǎn)的微生物肥料產(chǎn)品提供推廣應用基礎。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試小麥品種為山農(nóng)20，玉米品種為先玉335，均由山西省農(nóng)業(yè)科學院小麥研究所保存。供試菌劑固氮芽孢桿菌1和固氮芽孢桿菌2由實驗室保存。試驗地基肥為艷陽天復合肥料(總養(yǎng)分≥46%，N：P2O5：K2O=26：14∶6)，購自山東紅日化工股份有限公司；追肥為尿素(含氮量46%)，由中農(nóng)綠康(北京)生物技術有限公司提供。

1.2 試驗區(qū)域

該試驗在山西省農(nóng)業(yè)科學院小麥研究所韓村試驗基地內(nèi)進行(0.667 hm2，位于36°19′N，111°49′E)。 試驗地塊位于山西省臨汾市堯都區(qū)韓村，地勢平整，土壤質(zhì)地為壤土，水肥條件良好，常年種植模式為小麥—玉米輪作。

1.3 試驗設計

1.3.1小麥田間示范試驗 播種時間為2017年10月16日，機械條播，播量為262.37 kg· hm-2，田間管理同一般生產(chǎn)田。天氣情況與常年相比，4月6日至8日氣溫較往年偏低，出現(xiàn)倒春寒，生育期降水量偏少。

固氮芽孢桿菌菌劑 1液劑處理(WT1)：6 L· hm-2，兌水600 L· hm-2，處理面積為0.27 hm2；固氮芽孢桿菌菌劑2液劑處理(WT2)：18 L·hm-2，兌水600 L·hm-2+減氮15%，處理面積為0.27 hm2；對照1(WCK1): 噴施清水600 L·hm-2+不減N，處理面積為0.07 hm2；對照2(WCK2)：噴施清水600 L·hm-2+減氮15%，處理面積為0.07 hm2，共四個處理。

2018年4月8日，小麥拔節(jié)期，用WBD-20A背負式電動噴霧器(臺州市路橋明輝電動噴霧器有限公司)進行噴霧處理。噴頭為扇形防漂移噴嘴，噴液量為600 L·hm-2。噴藥后10 h內(nèi)試驗地無降雨。

1.3.2玉米田間示范試驗 播種時間為2018年6月15日，機械條播，玉米行距60 cm，株距27 cm，播量61 845粒·hm-2，田間管理同一般生產(chǎn)田。

固氮芽孢桿菌菌劑1處理(MT1)：用量2.10 kg·hm-2，拌入底肥隨底肥施用，在總施肥量中減氮15%，處理面積為0.17 hm2；固氮芽孢桿菌菌劑2處理(MT2)：用量15 kg·hm-2，拌入底肥隨底肥施用，在總施肥量中減氮15%，處理面積為0.17 hm2；對照1(MCK1):不減氮，處理面積為0.07 hm2；對照2(MCK2)：在總施肥量中減氮15%，處理面積為0.07 hm2，共四個處理。

施肥量：底肥為復合肥750 kg·hm-2+尿素277.1 kg·hm-2，減氮處理為復合肥750 kg·hm-2+尿素203.75 kg·hm-2。2018年6月15日，兩種菌劑均按照試驗設計施肥量隨底肥施入田中。

1.4 調(diào)查方法

1.4.1小麥 2018年4月8日噴藥，分別觀察兩種微生物菌劑噴施后0、15、30、45 d的小麥生長情況(包括處理和對照小區(qū))，比較處理區(qū)與對照區(qū)小麥開花、結(jié)穗時間差異。

調(diào)查拔節(jié)期(噴施15 d)和孕穗期(噴施30 d)小麥株高及鮮重。每個處理隨機取樣20株，測量其小麥株高及鮮重。

小麥收獲前，每處理隨機選取3點，每點按1 m2樣方取點，統(tǒng)計該樣方內(nèi)小麥穗數(shù)，穗粒數(shù)，千粒重及小麥籽?？傊?，并計算小麥產(chǎn)量。使用SPSS24.0對數(shù)據(jù)進行差異顯著性分析。

1.4.2玉米 每個處理隨機取樣20株，測量玉米出苗、15、30、45 d的株高、葉長及葉寬； 調(diào)查記錄處理地塊的玉米開花期、結(jié)穗期；玉米收獲前，每處理隨機取樣20株，統(tǒng)計其株高、株鮮重、穗鮮重、穗干重、穗長、穗寬、穗粒重、百粒重，并計算玉米產(chǎn)量。1.5 數(shù)據(jù)分析

使用Excell和SPSS 24.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩種微生物菌劑對小麥的田間示范效果評價

2.1.1兩種微生物菌劑對小麥拔節(jié)期和孕穗期的株高及鮮重的影響 對4個區(qū)塊小麥的整個生長期進行觀察，四種處理的開花、結(jié)穗時間均無顯著差異。小麥拔節(jié)期(處理后15 d)和孕穗期(處理后30 d)對株高和鮮重進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如表1所示。

實驗結(jié)果表明，兩種菌劑處理對小麥拔節(jié)期與孕穗期的株高和鮮重有顯著影響(表1)。小麥拔節(jié)期4個處理中株高最高的是固氮芽孢桿菌1處理(53.27 cm)，固氮芽孢桿菌2次之(49.60 cm)，與兩個對照間差異顯著；鮮重最高的是固氮芽孢桿菌1處理，為2.91 g，固氮芽孢桿菌2處理次之，為2.83 g，各處理差異顯著。小麥孕穗期四個處理中株高最高的是固氮芽孢桿菌1處理(65.74 cm)，固氮芽孢桿菌2次之(63.20 cm)，與兩個對照間差異顯著；鮮重最高的是固氮芽孢桿菌1處理，為6.31 g，固氮芽孢桿菌2處理次之，為6.19 g，各處理差異性顯著。

表1 不同菌劑對小麥拔節(jié)期和孕穗期的株高及鮮重影響Table 1 Effect of the two kinds of microbial agents on the plant height and fresh weight of wheat at jointing stage and booting stage

由試驗結(jié)果可得出，固氮芽孢桿菌1和2處理后均可顯著提高小麥株高和鮮重，促進小麥生長，增加生物量，提高小麥抗逆能力，為小麥增產(chǎn)做出貢獻。尤其是固氮芽孢桿菌2在減氮15%處理下，依然表現(xiàn)出良好的生長狀態(tài)，株高和鮮重顯著高于兩組對照。

2.1.2兩種微生物菌劑對小麥產(chǎn)量的影響 固氮芽孢桿菌1和2處理對小麥畝穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重和產(chǎn)量有不同影響(表2)。四個處理中穗數(shù)最多的是固氮芽孢桿菌2處理(761.92萬穗)，與最低的兩個對照間有顯著性差異；不同處理的穗粒數(shù)為27.63～28.47，減氮15%對照處理的穗粒數(shù)最少，處理間差異不顯著；四個處理中千粒重最重的是固氮芽孢桿菌1處理(36.53 g)，與最低的兩個對照間有顯著性差異；產(chǎn)量最高的為固氮芽孢桿菌1處理，達到6 211.24 kg，最低的是減氮15%對照處理，為4 938.08 kg，處理間差異顯著。

表2 不同菌劑對小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響Table 2 Effect of the two kinds of microbial agents on the yield components of wheat

由表2可知，固氮芽孢桿菌菌劑1和2處理后小麥均表現(xiàn)為增產(chǎn)，產(chǎn)量顯著高于兩組對照，最高增產(chǎn)量達1 273.16 kg·hm-2，為固氮芽孢桿菌1處理，其顯著提高了小麥千粒重，達到增產(chǎn)效果，相較于對照增產(chǎn)23.83%。固氮芽孢桿菌2在減少15%氮肥施用的情況下，產(chǎn)量仍顯著高于兩組對照，相較于對照減氮15%處理增產(chǎn)23.20%，比對照增產(chǎn)13.84%，與菌劑1處理產(chǎn)量僅相差127.73 kg，表現(xiàn)優(yōu)異。

2.2 兩種微生物菌劑對玉米的田間示范效果評價

2.2.1兩種微生物菌劑對玉米株高和葉片的影響 由表3可知，2種菌劑(均減氮15%)處理后15、30 d的玉米株高均顯著高于對照2(減氮15%氮肥施用)，與對照1(正常氮量)差異不顯著；2種菌劑間在處理后15 與30 d株高無明顯差異，45 d時各處理間差異不顯著；2種不同菌劑處理后15 d玉米葉長與對照1、對照2無顯著性差異；處理后30 及45 d后，菌劑1的玉米葉長均顯著高于其他處理，菌劑2處理后30 及45 d與對照2(減少15%氮肥施用)差異顯著，與對照1(不減少氮肥施用)無明顯差異，表明2種菌劑處理在減少15%氮肥施用量情況下對玉米葉片生長有較明顯影響，可以顯著增加玉米葉長；固氮芽孢桿菌1處理后15、30 及45 d的玉米葉寬均顯著高于對照2(減氮15%)，與對照1(正常氮量)差異性不顯著；處理后45 d后，各菌劑間的葉寬無顯著差異。

表3 不同菌劑對玉米不同時期株高和葉片的影響Table 3 Effect of the two kinds of microbial agents on the plant height and leaf of maize at different times

綜上，隨著玉米的生長，2種菌劑在減少15%氮肥施用下，玉米的株高、葉長和葉寬均顯著高于對照2(減氮15%)，與對照1(正常氮量)生長情況差異不明顯，表明這三種菌劑均有促進玉米生長，顯著增加玉米生物量作用，其中以菌劑1效果最好。

2.2.2兩種微生物菌劑對玉米產(chǎn)量因素的影響 玉米收獲前，對影響玉米最終產(chǎn)量的株高、植株鮮重進行測定，并對產(chǎn)量性狀進行考種，結(jié)果如表4所示?？梢钥闯?，在玉米收獲期，2種不同菌劑(減氮15%)處理后玉米株高均顯著高于對照1(減氮15%)，菌劑1處理的玉米株高顯著高于對照2(正常氮量)，菌劑2處理的玉米株高與對照2(正常氮量)差異不顯著；2種菌劑處理后玉米植株鮮重顯著高于對照處理。試驗結(jié)果表明，2種菌劑處理對玉米的生長發(fā)育有明顯的促進作用，可顯著提高玉米生物量，增加光合作用，促進玉米增產(chǎn)。

表4 不同菌劑對玉米產(chǎn)量性狀的影響Table 4 Effect of the two kinds of microbial agents on the yield components of maize

2種菌劑處理的玉米穗鮮重顯著高于兩組對照，穗干重、穗長、穗寬和百粒重顯著高于對照2。2種菌劑處理的玉米產(chǎn)量均顯著高于2組對照。與對照1相比，菌劑1處理產(chǎn)量提高9.30%，菌劑2產(chǎn)量提高9.78%；與對照2(減氮15%)相比，菌劑1處理產(chǎn)量提高18.58%，菌劑2處理產(chǎn)量提高19.09%， 其中菌劑2處理產(chǎn)量最高。

綜上所述，在山西臨汾小麥玉米輪作種植條件下，2種菌劑均可促進玉米生長，在同等肥力情況下，可顯著提高玉米生物量、改善產(chǎn)量構(gòu)成要素，提高玉米產(chǎn)量。

3 討論

本研究將前期篩選得到的2種具有植物促生作用的微生物菌劑，采用技術要求低、適于田間操作、易于推廣的噴施和拌種方式，應用于小麥—玉米輪作區(qū)的大田試驗，顯著提高了試驗區(qū)小麥和玉米的產(chǎn)量。

2種供試的固氮芽孢桿菌均具有促進小麥和玉米生長、提高產(chǎn)量的作用，但2種菌劑對不同的測定參數(shù)和產(chǎn)量構(gòu)成因素具有不同的促進作用，菌劑1主要提高了小麥的千粒重，而菌劑2主要提高了小麥的穗數(shù)；菌劑1主要提高了玉米的穗粒數(shù)，而菌劑2主要提高了玉米的百粒重，表明2種菌劑對小麥和玉米的促生效應不同，因此，可嘗試兩種菌劑復配或與其他微生物菌劑復配使用，從而可能產(chǎn)生更加全面和高效的植物促生效應。

另外，菌劑試驗處理時小麥已到拔節(jié)期，錯過增加小麥分蘗的最佳時期，但固氮芽孢桿菌處理的畝穗數(shù)仍顯著高于對照組，可能與本年特殊氣候有關。2018年3月中下旬氣溫偏高，2018年4月6日至8日氣溫較往年偏低，最低達-5 ℃，出現(xiàn)倒春寒，部分小麥出現(xiàn)凍害，且小麥生長后期莖基腐病發(fā)生嚴重，成熟期表現(xiàn)為白穗、無籽粒。固氮芽孢桿菌菌劑處理后的小麥可能有較強的抗病能力，降低莖基腐病的發(fā)生，提高小麥成穗率，需進一步試驗驗證。

本研究結(jié)果顯示，與施用化肥相比，兩種菌劑可顯著提高小麥和玉米的產(chǎn)量，分別使小麥產(chǎn)量提高了23.83%和13.84%，使玉米產(chǎn)量提高了9.30%和9.78%，均不低于甚至高于目前市面上廣泛銷售的多種品牌的微生物菌肥，例如，播可潤生物菌肥(沈陽愛地生物科技有限公司)應用于大田玉米，需與復合化肥才可達到增產(chǎn)效果，最高增產(chǎn)率為3.6%[13]；黑龍江科吉生態(tài)農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司的復合微生物肥料可提高玉米產(chǎn)量8.9%[14]；施用北京世紀阿姆斯生物技術有限公司生產(chǎn)的微生物菌劑(沃柯)的玉米增產(chǎn)率為3.69%～8.65%[15]；河南省科學院生物研究所有限責任公司生產(chǎn)的微生物肥料可使小麥增產(chǎn)8.68%[16]?？梢?，本研究所測試的微生物菌劑具有明顯的開發(fā)應用潛力。

綜上，本研究為豐富我國微生物肥料品種資源提供研究基礎，為小麥、玉米等作物的微生物肥料的田間施用技術推廣提供示范，也為推進我國化肥農(nóng)藥減施增效重大戰(zhàn)略目標提供實驗數(shù)據(jù)基礎。