解磷根际菌强化堤坝冲积土磷利用与玉米增产的机制与效能评估

《The Open Agriculture Journal》：Phosphate-Solubilizing Rhizosphere Bacteria Enhancing Phosphorus Uptake and Maize Yield in Dyked Alluvial Soil

在堤坝冲积土（DAS）中磷有效性低制约玉米生产的背景下，本研究从玉米根际筛选高效本土解磷根际细菌（PSRB），并通过盆栽实验评估其在减少25%推荐磷肥用量下维持玉米产量、提升土壤可溶磷及植株磷吸收的潜力，为可持续农业提供微生物肥料策略。

　　

玉米是全球最重要的谷物之一，也是越南安江省的主要作物。为了维持高产，农民经常施用化学磷肥，但这些投入可能带来镉等重金属，并对土壤健康产生负面影响。磷是植物生长的必需大量元素，然而在土壤中，磷常被固定成植物难以吸收的难溶性形态，如铝磷（Al-P）、铁磷（Fe-P）和钙磷（Ca-P），导致磷利用效率低下。在湄公河三角洲的堤坝冲积土中，尽管总磷含量充足，但由于铝、铁、钙化合物对磷酸盐的强烈固定作用，可溶性磷含量很低，严重限制了该系统的玉米生产。尽管定点养分管理和轮作等土壤管理策略改善了养分平衡，但仍不足以提高堤坝冲积土中的可溶性磷有效性。因此，需要替代方案来克服这一限制。

这些难溶性磷酸盐化合物可以通过生物作用转化为植物可利用的可溶性形态。解磷细菌有助于溶解土壤中的磷酸盐并改善植物营养。此外，解磷细菌还能通过合成植物激素、铁载体、HCN、氨和水解酶来促进植物生长，从而保护植物免受非生物因素的影响。这些解磷细菌被认为对可持续农业和更高产量是安全的。除了促进植物生长和增加土壤中可溶性磷酸盐浓度外，解磷细菌还能改善土壤肥力，减少化学磷肥的使用量，满足可持续农业实践的需求。尽管已有研究证明解磷细菌在玉米、甘蔗、葫芦科作物和小麦中的有效性，显示出其在维持或提高产量的同时减少化肥投入的潜力，但对于堤坝冲积土中的本土解磷细菌群落及其改善玉米磷有效性的潜力知之甚少。填补这一空白对于制定针对当地土壤限制的可持续养分管理策略至关重要。

因此，本研究旨在（i）从玉米根际筛选解磷根际细菌，（ii）评估所选菌株在提高堤坝冲积土可溶性磷含量和杂交玉米表现方面的效果。研究假设这些解磷细菌可以将化学磷肥投入减少25%。

为开展此项研究，研究人员运用了几个关键技术方法。首先，从越南安江省玉米田的根际土壤中分离解磷细菌，并通过在改良NBRIP培养基中测定其溶解不同难溶性磷酸盐（AlPO₄、FePO₄、Ca₃(PO₄)₂）的能力进行筛选和定量。其次，对筛选出的高效菌株进行16S rDNA测序以鉴定物种。核心部分为盆栽实验，采用完全随机设计，设置了9个处理组，包括不同比例（100%、75%、50%、25%、0%）的推荐磷肥公式（P-RFF）施用，以及相应比例磷肥与解磷根际细菌（PSRB）的联合施用，以评估其对土壤性质、玉米磷吸收、生长和产量的影响。研究使用的土壤为来自玉米田的堤坝冲积土，玉米品种为CP888杂交种。数据采用SPSS软件进行单因素方差分析和Duncan事后检验。

3.1. 解磷根际细菌为植物生产有效养分

从67个分离株中筛选出18个具有耐酸能力的解磷根际细菌菌株。所有菌株都能溶解三种形式的难溶性磷酸盐化合物，但溶解产生的可溶性磷酸盐量因菌株而异。对于铝磷溶解，ASD-15菌株能力最强（74.1 mg P L^-1）；对于铁磷溶解，ASD-56菌株产生的可溶性磷酸盐量显著高于其他菌株（约98.0 mg P L^-1）；对于钙磷溶解，ASD-43菌株能力最强（42.2 mg P L^-1）。因此，选择ASD-15、ASD-43和ASD-56菌株用于后续研究。通过16S rDNA基因序列分析，这三个高效解磷根际细菌菌株被鉴定为阿斯伯里肠杆菌（Enterobacter asburiae），序列相似性为100%。

3.2. 解磷根际细菌的效果

3.2.1. 堤坝冲积土肥力

土壤性质随着磷肥和解磷根际细菌的施用而动态变化。施用解磷根际细菌的处理组土壤pH_H2O值（6.24-6.36）高于不接菌的组。尽管土壤全氮和全磷没有显著变化，但有效氮和可溶性磷受两者影响显著。随着磷肥水平的降低，有效氮含量增加。解磷根际细菌的添加对有效氮含量有显著影响。可溶性磷含量方面，磷肥水平越高，含量越高。值得注意的是，施用50%推荐磷肥公式并添加解磷根际细菌的处理，其可溶性磷含量（71.8 mg P kg^-1）与施用100%推荐磷肥公式的处理（72.3 mg P kg^-1）相当。此外，在不施化肥的情况下，接种解磷根际细菌的处理组土壤可溶性磷浓度（44.8 mg P kg^-1）也高于不接菌的对照组（41.8 mg P kg^-1）。

3.2.2. 植株磷吸收

玉米各部位（籽粒、茎、叶、根）的磷浓度、生物量和磷吸收量在不同处理间存在统计学差异。在相同磷肥水平下，接种解磷根际细菌的处理组叶片磷浓度高于不接菌组。特别是，施用75%推荐磷肥公式并添加解磷根际细菌的处理，其叶片磷浓度（0.98%）高于施用100%推荐磷肥公式的处理（0.59%）。生物量方面，施用75%推荐磷肥公式并添加解磷根际细菌的处理，其各部位生物量与施用100%推荐磷肥公式的处理无显著差异。仅接种解磷根际细菌的处理，其籽粒、叶和根的生物量也显著高于不施肥的对照组。磷吸收量呈现相同趋势。在籽粒和叶片的磷吸收方面，施用75%推荐磷肥公式并添加解磷根际细菌的处理结果优于施用100%推荐磷肥公式的处理。总磷吸收量也显示，施用75%推荐磷肥公式并添加解磷根际细菌的处理总磷吸收量显著高于施用100%推荐磷肥公式的处理。

3.2.3. 玉米生长

对于玉米生长，两个因素均未严重影响相关性状。株高、穗位高、叶片数和茎粗在不同处理间无显著差异。当不施用化学磷肥时，接种解磷根际细菌的处理与不接菌的处理在生长性状上也无统计学差异。

3.2.4. 产量构成与玉米籽粒产量

在农艺性状中，穗长受解磷根际细菌添加的影响最为显著。在不施磷肥的情况下，接种解磷根际细菌的处理穗长（约5.83 cm）大于不接菌处理（4.95 cm）。此外，施用75%推荐磷肥公式并添加解磷根际细菌的处理，其结果与施用100%推荐磷肥公式的处理相当。在行粒数方面，施用75%推荐磷肥公式的处理（11.5行）优于施用100%推荐磷肥公式的处理（10.5行）。然而，百粒重在不同处理间无统计学差异。玉米产量随磷肥水平和解磷根际细菌的添加而增加。施用75%推荐磷肥公式并添加解磷根际细菌处理的玉米产量为74.9 g/盆，与施用100%推荐磷肥公式处理的产量在统计上相当。可视化结果也表明，施用75%推荐磷肥公式并添加解磷根际细菌的植株长势优于仅施75%推荐磷肥公式的植株，并与施用100%推荐磷肥公式的植株相当；穗的大小随着磷肥水平的降低而减小，但在添加解磷根际细菌后，施用75%推荐磷肥公式的穗大小与施用100%推荐磷肥公式的相当。

本研究证明，从堤坝冲积土中分离的本土解磷根际细菌（PSRB）可以通过提高土壤可溶性磷、改善玉米磷吸收，并在减少化肥施用的情况下维持产量，来缓解堤坝冲积土中磷有效性低的限制。筛选出的ASD-15、ASD-43和ASD-56菌株被鉴定为阿斯伯里肠杆菌（E. asburiae）。盆栽实验结果表明，这些解磷根际细菌能提高土壤pH值和可溶性磷含量。在磷吸收方面，接种细菌显著提高了植株特别是叶片的磷浓度和总磷吸收量。最重要的是，在产量方面，研究表明，结合施用75%的推荐磷肥和筛选出的解磷根际细菌，可以达到与施用100%全量化肥处理同等的玉米籽粒产量和磷吸收水平。这意味着在受控条件下，使用这种生物肥料可以减少25%的化学磷肥投入而不会造成减产。此外，仅接种解磷根际细菌（不施磷肥）也能在一定程度上改善土壤磷有效性和植株生长，优于完全不施肥的处理。这些发现凸显了解磷根际细菌作为生物肥料的潜力，可以在堤坝冲积土及类似土壤系统中提高玉米生产力，同时减少对化肥的依赖。将解磷根际细菌纳入养分管理策略，可以为湄公河三角洲及其他地区实现 resilient （有韧性的）玉米生产和改善土壤健康提供一条可持续途径。未来研究需要在田间条件下验证这些结果，探索潜在的生化机制（如有机酸、磷酸酶和铁载体的产生），并开发适合农户采用的大规模制剂配方。这篇研究论文发表在《The Open Agriculture Journal》上。