施用微生物肥料對我國玉米產量影響的Meta 分析

甘元煒，馮小杰，李永華，楊 璐，寧 鵬*

（1 中國農業大學資源與環境學院 / 國家農業綠色發展研究院 / 養分資源高效利用全國重點實驗室，北京 100193；2 中國農業科學院油料作物研究所 / 農業農村部油料作物生物學與遺傳育種重點開放實驗室，湖北武漢 430062）

施用化肥是作物增產的關鍵措施，對保障國家糧食安全具有舉足輕重的貢獻[1]。近40 年來，我國糧食總產翻番，但化肥總投入量增加了約5 倍，增幅遠遠超過糧食產量的增幅[2]。過量施用化肥降低了肥料的利用效率，2020 年我國主要農作物的化肥利用率為40.2% (http://www.moa.gov.cn/)，與國際先進水平差距較大[3]。此外，干旱、變暖等全球變化也是影響玉米生產的關鍵脅迫因子，利用我國玉米主產區42 個試驗點的多年田間研究表明，玉米生長季平均溫度每升高1℃，玉米減產5.8%[4]，保障未來糧食安全則需要減少因環境脅迫造成的作物產量損失[5]。近年來，植物-土壤-微生物互作增效成為養分高效利用新的調控途徑，是破解作物產量、資源效率和環境安全等多目標協同的金鑰匙[1]。

微生物肥料的施用，是調控植物-土壤-微生物互作增效的有效手段，在我國糧食作物增產增效研究與應用方面日益受到重視[6]。施用微生物肥料可以有效改善土壤養分狀況，促進植物對養分的吸收并增強植物抗逆抗病能力，從而達到增產的效果[7]。微生物肥料與化肥配合施用可一定程度減少化肥用量，增產減肥而提高化肥利用效率[8]。微生物肥料的施用在歐美發達國家已普及，其用量占到所有肥料的20%以上。在巴西和阿根廷等南美國家，生產專用于玉米的微生物肥料已有超過50 年的歷史[9]。目前我國微生物肥料的應用面積超過270 萬hm2(4050萬畝)，主要應用于果蔬等高附加值作物上，而在糧食作物上應用較少[10]。盡管在玉米生產上已開展不少微生物肥料的田間研究，但考慮受到土壤、氣候因素、玉米種植管理及微生物肥料本身的影響，施用微生物肥料的玉米產量效應存在較大差異，如微生物肥料對玉米的增產幅度為1.3%～39.7%[11]。而在黑龍江地區，于玉米苗期局部施用固態草酸青霉菌劑，對玉米產量無顯著影響[12]。也有研究發現，接種固氮巨大芽孢桿菌，導致玉米減產13%[13]。由此可見，施用微生物肥料的玉米產量效應受多種因素的影響而存在較大變異，揭示變異來源對微生物肥料技術的應用與發展至關重要。

目前，國外已有部分研究量化出施用微生物肥料對全球作物產量的影響，但涉及作物樣本種類繁多，糧食作物所占比例不足40%[14]。國內也有學者綜述了近年來微生物肥料在玉米生產中的節肥潛力和增產效果，但對不同生產條件下微生物肥料的增產效果及其影響因素研究不足[11]。本研究綜合分析了來自38 篇文獻資料的244 對觀察值，通過建立施用微生物肥料的產量數據庫，從全國尺度上解析近20年玉米產量對施用微生物肥料的響應規律及其關鍵影響因素，以期為微生物肥料減肥增效和推動玉米綠色生產提供科學支撐。

1 材料和方法

1.1 數據收集

本研究收集了2000 年1 月至2022 年5 月發表的涉及施用微生物肥料對玉米產量影響的文獻。以“微生物肥料”“菌劑接種”“PGPR”和“玉米產量”為關鍵詞，在Web of Science 和中國知網數據庫進行文獻檢索。文獻的篩選采取以下標準：1)試驗必須為玉米田間試驗，且含有不施用微生物肥料(NMF)和施用微生物肥料(MF)兩個處理，其他試驗條件保持一致(如肥料施用量等)；2)至少含有籽粒實際測產產量數據，或產量構成三要素(單位面積穗數、穗粒數、粒重)；3)試驗所用的微生物肥料中菌劑明確到屬水平；4)每個處理不少于3 次重復?；谠摵Y選標準，最終獲得了38 篇符合要求的研究文獻。從文獻中提取每個試驗相關的地理信息(圖1)、氣候信息(氣候類型、年均溫、年降雨量)、土壤養分狀況(有機質、pH、全氮、氮磷鉀速效養分含量等)、微生物肥料的施用策略及玉米種植管理等信息，構建玉米施用微生物肥料的產量數據庫。

圖1 獲取數據在全國各地的分布Fig.1 Data coverage in the maize production regions of China

1.2 數據分類

試驗處理組為施用微生物肥料，對照組為不施用微生物肥料。為確定不同氣候因子對施用微生物肥料產量效應的影響，將氣候類型分為溫帶季風氣候(NTM)、溫帶大陸氣候(NTC)和亞熱帶季風氣候(STM)。年平均氣溫則分為≤10℃和 ＞10℃，年降雨量劃分為≤600 mm 和＞600 mm。參考全國第二次土壤普查的養分分級標準，將土壤有機質含量劃分為＜10 g/kg、10～20 g/kg 和＞20 g/kg 3 個等級；土壤pH 劃分為pH＜6.5、6.5≤pH≤7.5 和pH＞7.5 三個等級；土壤全氮含量劃分≤1 g/kg 和＞1 g/kg 兩個等級；速效氮含量劃分為≤25 mg/kg 和＞25 mg/kg 兩個等級；速效磷含量劃分為≤20 mg/kg 和＞20 mg/kg 兩個等級；速效鉀含量劃分為＜100 mg/kg、100～160 mg/kg和＞160 mg/kg 3 個等級。根據微生物肥料菌群結構分為單一菌劑與復合菌劑，從產品形式分為生物有機肥和微生物接種，從肥料形態及施用方式分為液體肥料、固體肥料、菌劑拌種，微生物肥料中菌劑從門水平和屬水平及功能上進行分類。為了確定不同產量水平下施用微生物肥料的效應，將產量等級劃分為低產、中產和高產。產量等級劃分方法參考前人研究[15]，具體為：未施用微生物肥料處理的玉米籽粒產量介于3080～12749 kg/hm2，90%的產量集中在4576～11700 kg/hm2。以玉米產量的5%分位數(4576 kg/hm2)和95%分位數(11700 kg/hm2)為最低和最高限求極差(7124 kg/hm2)，然后以等產量間距(2375 kg/hm2)分成3 個范圍。玉米產量等級從低到高劃分為＜6951 kg/hm2(低產田)、6951～9326 kg/hm2(中產田)和＞9326 kg/hm2(高產田)。

1.3 整合分析

本研究使用效應值lnR來量化處理措施對響應指標的影響，通過以下公式進行計算[16]：

式中，lnR表示效應量，結果以[(R-1)×100]的百分比形式表示。XT和XC分別表示施用微生物肥料和未施用微生物肥料處理的產量平均值。

觀察值的權重用以下公式計算：

式中：Wt 表示觀察值的權重，NT和NC分別表示施用微生物肥料和未施用微生物肥料處理的重復數。施用微生物肥料的產量效應通過觀察值加權效應的平均值獲得。當置信區間與橫坐標零點重疊時，認為施用微生物肥料對產量并無顯著促進作用，反之則存在顯著影響[17]。若不同亞組的95%置信區間沒有重疊，則認為不同亞組間存在顯著差異[18]。

在進行合并效應值計算前，通過卡方檢驗(Chisquare test)對樣本數據進行異質性檢驗，若檢驗結果P＞0.05，則表示不同處理間或不同研究結果間具有同質性，選擇固定效應模型計算合并效應值，否則采用隨機效應模型[19]。如圖2 所示，將施用微生物肥料與未施用微生物肥料處理產量的效應值進行了正態分布檢驗，方法采用K-S (Kolmogorov-Smirnov)檢驗，其效應值頻率分布不服從正態分布(P＜0.01)，因此本研究使用非參數估計方法(Bootstraping)生成效應值(lnR)和95%的置信區間[17]。

圖2 產量效應值對施用微生物肥料響應的頻數分布圖Fig.2 Frequency distribution of yield response to application of microbial fertilizer

各因素影響微生物肥料增產效果的重要度分析，使用R 語言“random Forest”包進行計算。本研究選擇均方誤差增加的百分比[Increase in MSE (%)]來表示各因素重要性得分，該值越大說明該因素的重要性越高，并對每個因素的重要性得分做顯著性分析[20]。

1.4 數據處理

本研究使用GetData Graph Digitizer 2.24 軟件提取文獻中圖的數據[21]，利用Excel 2013 建立文獻數據庫，在MetaWin 2.0 軟件中通過自舉(Bootstrap)抽樣經過4999 次迭代生成平均效應值和95%的置信區間。利用R 語言(4.1.1)進行數據的隨機森林重要性分析，并用Graphpad Prism 8 制作圖表。

2 結果與分析

2.1 施用微生物肥料的玉米產量效應

由圖3 可見，與對照處理相比，施用微生物肥料可顯著提高玉米產量，增幅為13%。施用微生物肥料處理較對照玉米的穗粒數與百粒重分別顯著增加7.5% 和6.5%，對單位面積穗數沒有顯著影響。施用微生物肥料可顯著提高氮肥利用效率，較對照處理的氮肥偏生產力提高10.1%。

圖3 施用微生物肥料對玉米產量及氮肥偏生產力的影響Fig.3 Effects of application of microbial fertilizer on maize yield and nitrogen use efficiency

2.2 施用微生物肥料產量變異的影響因素

2.2.1 微生物肥料施用策略對玉米產量的影響 由圖4 可知，微生物肥料的不同屬性分類影響其產量效應，主要表現在微生物的菌群結構、類型、施用方式、菌種分類等。與對照相比，施用含有單一菌群微生物肥料的玉米增產12.1%，含復合菌群肥料的玉米增產幅度有增加趨勢，達19.8%。從產品類型來看，施用生物有機肥與微生物接種分別顯著提高玉米產量21%和11%，且二者存在顯著差異。當微生物肥料的施用方式為液體肥料、固體肥料和拌種時，玉米增產效應分別是19.4%、14.8% 和8.7%，固體肥料的效果優于拌種(圖4-a)。

圖4 微生物肥料類型及其對玉米的增產率Fig.4 Microbial fertilizer types and their yield increase effects

根據微生物肥料中的主要菌群分類，含細菌與真菌的微生物肥料分別顯著增產12%和11%，二者類似。在門水平上進行分類，放線菌門(Actinobacteria)和變形菌門(Proteobacteria)的菌劑增產效應較大，達到17%以上，而球囊菌門(Glomeromycota)的菌劑對產量增幅最低，為8% (圖4-b)。在屬水平上分類，除球囊霉菌屬(Glomus) 無明顯增產外，其余菌屬均表現出不同程度增產效應。中華根瘤菌屬(Sinorhizobium)菌劑增產效應最大，為27%。含有鏈霉菌屬(Streptomyces)與鞘氨醇單胞菌屬(Sphingomonas)菌劑的微生物肥料的增產效果分別達到18%和16%(圖4-c)。對于復合菌群類型的微生物肥料，含有芽孢桿菌(Bacillus)或含有木霉菌(Trichoderma)的肥料處理玉米分別增產22%與29%，而含有假單胞菌(Pseudomonas)的復合菌群則無明顯增產效應。值得注意的是含有木霉菌復合菌群的15 個研究樣本也同時含有芽孢桿菌，故將芽孢桿菌、木霉菌與其他菌聯合所制微生物肥料可取得較高的增產效果。以微生物肥料中菌劑的主要功能進行分類，結果表明具備促生、固氮、溶磷和解鉀功能的菌劑對產量的效應分別是14%、16%、11%和10% (圖4-d)。

2.2.2 不同氣候類型下施用微生物肥料的增產效應 總體來說，在不同氣候類型下施用微生物肥料均表現出玉米增產，增產幅度為11%～28%，但不同氣候類型間無顯著差異。溫度較高或降雨較少的條件下，施用微生物肥料的玉米增產效應明顯。在年平均氣溫≤10℃的區域，玉米增產12%；在年平均氣溫＞10℃的區域，玉米增產15%；在年均降雨量≤600 mm 和＞600 mm 的區域，玉米增產幅度分別為20%和11% (圖5-a)。

圖5 不同氣候和土壤條件下施用微生物肥料對玉米產量的影響Fig.5 Effects of microbial fertilizer application on maize yield under different climate and soil conditions

2.2.3 不同土壤條件下施用微生物肥料的產量效應 土壤有機質含量≤10 g/kg 時，施用微生物肥料處理的玉米較對照增產21%，而土壤有機質含量在10～20 g/kg 和＞20 g/kg 時，產量增幅分別為14%和11%，呈現降低趨勢。堿性土壤(pH＞7.5)上，施用微生物肥料的增產幅度為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產幅度分別為10%和13% (圖5-b)。與對照相比，在土壤全氮含量≤1 g/kg 時施用微生物肥料的玉米增產26%，在土壤全氮含量＞1 g/kg 時僅增產11%。不同磷養分狀況土壤上表現出類似規律，即在土壤速效磷含量≤20 mg/kg 時施用微生物肥料的玉米增產24%，較土壤速效磷含量＞20 mg/kg 時的增幅提高了2.4 倍。在土壤速效氮含量≤25 mg/kg 和＞25 mg/kg 時玉米分別增產12%和36%，但兩種條件下無顯著差異。在土壤速效鉀含量＜100 mg/kg 時，施用微生物肥料處理增產效果最明顯，增幅為24%；而當土壤速效鉀含量增加后，施用微生物肥料的增產效果呈降低趨勢(圖5-c)。

2.2.4 不同種植管理措施下施用微生物肥料的產量效應 如圖6 所示，不同栽培及施肥管理措施下施用微生物肥料對玉米產量的影響存在顯著差異。在低產田水平，施用微生物肥料處理較對照玉米增產30%，增產效應顯著高于中產田和高產田水平下的10%和9%，且三者間存在顯著差異(圖6-a)。玉米種植密度為60000～80000 株/hm2或小于60000 株/hm2時，施用微生物肥料的增產效應分別為1 0%和9%，但隨著密度脅迫的增加，施用微生物肥料的增產效果明顯化，即密度≥80000 株/hm2時玉米增產77%。在不施肥條件下，施用微生物肥料處理較對照增產80%，顯著高于施用化肥條件下的增產效應(10%)。從不同施肥量來看，當施氮量＜100 kg/hm2時，施用微生物肥料處理使玉米增產28%，顯著高于施氮量100～200 和＞200 kg/hm2下的產量增幅(二者產量增幅均為9%)。當磷肥P2O5投入不足50 kg/hm2時，玉米產量增加16%，而在P2O5≥50 kg/hm2時產量增加9%，兩者間存在顯著差異。同樣，當鉀肥K2O＜50 kg/hm2時產量增幅為18%，顯著高于K2O≥50 kg/hm2時的10% (圖6-b)。

圖6 不同種植管理措施對微生物肥料增產效果的影響Fig.6 Effects of planting managements on yield increase of microbial fertilizer

2.3 各因素影響微生物肥料增產效應的重要性

利用隨機森林模型對各因素影響微生物肥料增產效應的重要性進行分析，年平均氣溫是影響微生物肥料增產效果最重要的因素，預測變量的重要性得分達到21% (圖7)。其中種植密度、土壤pH、年降雨量、施氮量和施磷量5 個因素的重要性得分相對較高，均達到10%以上。土壤全氮、速效鉀、土壤有機質的重要性得分或重要性次之，均達到5%以上(圖7)。

圖7 預測變量的重要性Fig.7 The importance of predictive variables

3 討論

總體而言，與未施用微生物肥料對照相比，施用微生物肥料能顯著提高我國玉米產量，平均增產13%。一方面，微生物在玉米根系周圍定殖，不同功能微生物通過自身的代謝活動來促進玉米的根系生長和養分吸收，如固氮[22]、溶磷[23]、解鉀[24]、腐解秸稈釋放養分[25]、產生植物類激素和信號分子調控植物生長等功能[26]；另一方面，微生物肥料可增強玉米的抗逆性，尤其是在干旱和鹽堿條件下植物受到非生物脅迫時，微生物提高了植物應對脅迫的能力。Zafar-ul-Hye 等[26]研究表明，在鹽脅迫條件下接種假單胞菌可產生1-氨基環丙烷-1-羧酸(ACC)脫氨酶抑制乙烯的產生，促進玉米根系和地上部的生長。Ehteshami 等[27]研究發現，在干旱條件下接種菌根真菌和熒光假單胞菌顯著提高玉米的干旱耐受性。此外，微生物中生防菌劑能夠降低病原菌和害蟲對玉米危害[28]。但是，施用微生物肥料對玉米的增產效果在不同條件下(菌劑施用策略、氣候、土壤性狀、栽培與水肥管理等)存在一定的差異。

3.1 微生物肥料類型和施用策略影響玉米增產效果

本研究分析復合菌劑的增產效果優于單一菌劑，可能與復合菌劑中功能菌更加多樣以適應不同環境條件有關，且菌群之間存在協同作用，一種菌株產生的化合物可以作為其它菌株代謝合成的底物，其他菌株的產物又反饋給前者提高其活性和代謝水平[29]。如纖維分解細菌將纖維素分解成葡萄糖提供給自生固氮菌作為碳源，而自生固氮菌通過生物固氮，為纖維素分解菌提供氮源[30]。生物有機肥的增產效果顯著高于微生物接種，與生物有機肥中不僅含有效果優良的復合菌劑，其剩余的有機成分可作為保持菌劑較高活性的載體，同時也可為玉米提供少量養分有關[31]。固體肥料的增產效應顯著高于微生物肥料拌種，此結果與前人研究[32]有所差異，可能與施用條件有關。將肥料中菌劑進行歸類，本研究發現放線菌門(Actinomyces)與變形菌門(Proteobacteria)增產效果較高，屬水平上中華根瘤菌屬(Sinorhizobium)取得最好的增產效應，這與前人研究結果相似，變形菌門和放線菌門一般是玉米根際細菌中的優勢菌群，而中華根瘤菌屬則是α-變形菌綱中的優勢菌屬[33]。在復合菌劑類型中，芽孢桿菌與木霉菌聯合施用取得較高的增產效應，可能因為木霉可以產生廣泛的抗真菌代謝物，芽孢桿菌也可產生多種拮抗物質，具有明顯的抑病(如玉米莖基腐病) 促生效果；已有研究表明，二者共培養時抗真菌、促進植物生長的次級代謝物增加，可能存在代謝協同機制[34]。一方面，兩種菌均可產生吲哚-3-乙酸、玉米素和赤霉素等植物生長調節因子，或增加植株中生長素的產生量增強植物對脅迫的耐受性，促進玉米生長，提高玉米產量。另一方面，也可能通過改變根際微生物群落組成，募集其他對植物生長有益細菌和真菌，進而促進玉米生長和增產[35]。支持作物產量提升的微生物功能主要是促生、固氮、溶磷和解鉀功能，可影響作物生長和養分吸收。

3.2 氣候對微生物肥料增產效應的影響

盡管不同氣候類型下微生物肥料的增產效應無明顯差異，但產量增幅在溫帶大陸性氣候區呈現優于溫帶季風氣候區和亞熱帶季風氣候區的趨勢。年均溫度＞10℃的區域產量增幅較高，主要由于玉米是喜溫作物，且溫度升高增強土壤嗜溫微生物的底物利用和代謝能力，改變土壤微生物群落組成，加快土壤養分的周轉與礦質養分的釋放[36]。此外，有研究表明，干旱條件下植物根際促生菌(PGPR)對植物的促生效果更佳[37]，本研究也發現干旱少雨環境下施用微生物肥料對玉米的增產效果更好，其一可能是在干旱脅迫條件下，功能菌劑產生ACC 脫氨酶降解植物體內的乙烯，削弱乙烯對植物器官的抑制生長作用，進而促進玉米生長[38]；其二是促生菌通過產生一種親水性強、含有寡糖和多糖的細胞外基質，提高土壤的保水能力[39]。

3.3 瘠薄土壤上有利于發揮微生物肥料的增產效應

本研究發現土壤相對瘠薄條件下，如有機質、全氮、速效磷、速效鉀含量較低時，施用微生物肥料的增產效果更佳；在低產田水平，施用微生物肥料處理較對照可使玉米增產30%，增產幅度分別高于在中產田和高產田水平下的10%和9%。在高肥力的土壤中，尤其是有機質含量較高的地區，土壤微生物數量和微生物生物量碳、氮含量都維持在較高水平[40]，或投入的外源微生物競爭力相對較弱，難以改變土著微生物群落，因而微生物肥料增產效果相對較弱。而在相對瘠薄土壤上，微生物肥料的增產效果顯著提高，一方面是功能菌發揮作用活化土壤中的養分供植物吸收；研究表明在低氮低磷土壤中接種特定植物根際促生菌可提高根際細菌的豐度和物種多樣性，增加有益菌的數量，降低與土壤氮損失有關的功能菌數量，從而提高氮磷利用效率和玉米產量[41]；另一方面，也可能與瘠薄土壤條件下，微生物肥料施用時帶入的少量有機物料或養分有關。土壤速效氮與其他速效養分變化趨勢相反，但無顯著差異，可能是各研究點土壤速效氮含量較高所致，各研究點土壤速效氮含量均超出了維持玉米高產的土壤臨界無機氮濃度6 mg/kg[42]。此外，與其他研究結果高度類似，微生物肥料的增產效應隨著土壤pH 升高而增大[1]。

3.4 密植與低養分投入促進微生物肥料的增產效應

隨機森林的結果顯示，密度和氮磷肥的投入是影響微生物肥料產量效應的關鍵因素，施用微生物肥料的產量效應在兩者的影響下均出現顯著差異。不施肥條件下微生物肥料的產量效應顯著高于施肥管理；氮、磷、鉀肥表現出類似規律，即在低投入的條件下產量增幅顯著大于較高投入的場景，可見微生物肥料在減肥增效或少投入情況下保障作物增產具有較大潛力。李可可等[11]則研究表明利用微生物肥料可減少15%～30%的化肥用量。密植是玉米增產的關鍵措施，玉米增密后也表現出類似規律，即增密(如大于80000 株/hm2)后施用微生物肥料的增產效果顯著優于低密群體。密植條件下玉米地上部、根系對光照、養分、水分等資源的競爭加劇，甚至玉米的根系生長受到限制，一定程度受到水分養分等脅迫的影響，外源施入微生物肥料或功能菌劑，有利于緩解該逆境脅迫[43]。

4 結論

施用微生物肥料可顯著提高玉米產量，特別是在玉米受到逆境脅迫時其增產效應更明顯。在不同生態區域，選擇含有芽孢桿菌或木霉菌復合菌劑的微生物肥料，適當提高玉米種植密度，可以充分挖掘微生物肥料的增產潛力。