有益菌种协同减氮增效：提升小麦氮素利用效率与土壤健康的可持续策略

《Rice》：Enhancing N use Efficiency, Increasing Wheat Yield and Reducing Chemical Fertilizer Dependence via Beneficial Bacteria

为解决化学氮肥过度施用导致的土壤退化、环境风险及生产成本高昂等问题，研究人员开展了一项为期两年的田间试验，评估了有益菌种（SIB）与减量氮肥（N50）联用对冬小麦生长的影响。结果表明，N100+SIB处理显著提升了土壤NH4+-N、NO3--N、MBC、DOC含量及酶活性，增强了植株抗氧化系统（CAT、POD、SOD、GSH），并显著提高了NUE、NHI及籽粒产量（5705-5760 kg/ha）。尤为重要的是，N50+SIB处理实现了与N100处理相当的产量和品质，证明了通过有益菌种应用可有效减少50%的化学氮肥依赖，为小麦可持续生产提供了绿色高效的解决方案。

　　

研究背景：氮肥的“双刃剑”与有益菌种的“绿色革命”

随着全球人口增长和粮食需求的不断攀升，化学氮肥在保障作物高产中扮演着至关重要的角色。然而，这把“双刃剑”在带来丰收的同时，也带来了沉重的代价。过度依赖化学氮肥不仅推高了农业生产成本，更引发了土壤酸化板结、水体富营养化、温室气体排放等一系列环境问题，严重威胁着农业的可持续发展。因此，寻找能够减少化学氮肥依赖、同时维持甚至提升作物产量的绿色替代方案，已成为全球农业科研人员亟待攻克的难题。

在这一背景下，植物有益菌种（Plant beneficial bacteria）作为一种环境友好的生物资源，正受到越来越多的关注。这些微小的“盟友”生活在植物根际，能够通过固氮、解磷、分泌植物激素等多种机制，帮助植物更高效地吸收和利用养分，并增强其抗逆能力。理论上，将有益菌种与减量的化学氮肥结合，有望实现“1+1>2”的协同效应，在保证产量的同时，大幅降低化肥投入。然而，这种策略在冬小麦生产中的实际效果，尤其是在田间条件下的长期验证，仍然相对缺乏。

为了填补这一空白，来自河南科技大学的Muhammad Shaaban团队在《Rice》期刊上发表了一项为期两年的田间研究。他们系统评估了有益菌种接种（特别是种子接种）与不同氮肥水平联用，对冬小麦土壤健康、氮素动态、植株生理及最终产量的综合影响，旨在为构建高效、可持续的小麦生产体系提供坚实的科学依据。

关键技术方法

本研究采用为期两年（2023-2025）的田间试验，以冬小麦为研究对象。试验设计采用双因素随机区组设计，因素一为有益菌种接种方式（对照、土壤施用SAB、种子接种SIB），因素二为氮肥施用量（0、50%推荐量N50、100%推荐量N100）。研究团队在关键生育期（孕穗期、开花期、成熟期）系统采集了土壤和植株样品，并运用了包括流动注射分析仪（测定NH₄⁺-N、NO₃^--N）、元素分析仪（测定DOC、MBC）、紫外分光光度法（测定土壤酶活性、叶绿素、抗氧化酶）以及化学分析法（测定植株全氮）等一系列经典且可靠的实验技术，对土壤养分、微生物活性、植株生理指标及产量构成进行了全面而深入的量化分析。

研究结果

1. 土壤矿质氮：有益菌种提升氮素供应与留存

土壤中的铵态氮（NH₄⁺-N）和硝态氮（NO₃^--N）是植物可直接吸收利用的氮素形态。研究发现，在冬小麦开花期，N100+SIB（全量氮肥+种子接种）处理下的土壤NH₄⁺-N和NO₃^--N含量分别比对照（CK）高出120%和130%，比单施N100处理高出8.1%和8.2%。这表明，有益菌种的加入不仅显著提升了土壤的氮素供应能力，还增强了氮肥的利用效率，使更多的氮素被保留在土壤中供作物吸收，而非流失到环境中。

2. 土壤碳库与酶活性：激活土壤“生命力”

土壤溶解性有机碳（DOC）和微生物生物量碳（MBC）是衡量土壤生物活性的重要指标。在开花期，N100+SIB处理的土壤MBC含量比对照高出32%，DOC含量也显著提升。同时，该处理下的土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶、磷酸酶和酚氧化酶活性均达到最高水平，其中酚氧化酶活性比对照提高了136.4%。这些数据共同表明，有益菌种与氮肥的协同作用，极大地激活了土壤微生物群落，促进了有机质的分解和养分的循环转化，为作物生长创造了更健康的土壤微环境。

3. 植株生理与抗逆性：叶绿素增加，氧化损伤降低

在植株水平上，N100+SIB处理显著提高了小麦叶片中的叶绿素a、叶绿素b及总叶绿素含量，在孕穗期和开花期分别比对照高出80%和79.1%。这预示着植株具有更强的光合作用能力。与此同时，该处理下的抗氧化酶（CAT、POD、SOD）活性和谷胱甘肽（GSH）含量显著降低，电解质渗漏率也大幅下降（在孕穗期和开花期分别比对照降低37.1%和43.5%）。这些指标的变化表明，在有益菌种的帮助下，植株的生理状态更佳，细胞膜更稳定，遭受的氧化胁迫更小，从而能够将更多的能量用于生长和产量形成。

4. 氮素积累与转运：优化氮素“物流”系统

氮素在植株体内的积累和转运效率直接决定了籽粒的产量和品质。研究发现，N100+SIB处理不仅实现了最高的成熟期氮素积累量（NAM），更重要的是，它显著提高了花后氮素积累量（NA_ATM）及其对籽粒的贡献率（CR_ATM）。这意味着，在有益菌种的辅助下，小麦植株在生育后期依然能保持旺盛的氮素吸收能力，并将这些后期吸收的氮素高效地转运到籽粒中，这对于提高籽粒蛋白质含量至关重要。

5. 产量、品质与氮素利用效率：实现“减氮不减产”

最终的经济性状分析显示，N100+SIB处理获得了最高的籽粒产量（5705-5760 kg/ha），比对照增产62.6%。更令人惊喜的是，在品质方面，该处理不仅没有出现“稀释效应”，反而将籽粒蛋白质含量从对照的10.3%提升至12.0%，实现了产量和品质的“双赢”。

在氮素利用效率方面，N50+SIB（半量氮肥+种子接种）处理的氮肥偏生产力（PFP_N）比单施N50处理高出18.1%，比单施N100处理高出108%以上。这表明，通过接种有益菌种，即使将化学氮肥用量减半，也能获得与全量氮肥处理相当的产量，同时氮肥的利用效率得到极大提升。N100+SIB处理则实现了最高的氮素吸收效率（NUPE）、氮素内部效率（NIE）和氮素收获指数（NHI），将氮素利用效率推向了新的高度。

结论与讨论

本研究通过为期两年的田间试验，有力地证明了将有益菌种（特别是通过种子接种SIB）与化学氮肥结合，能够产生显著的协同增效作用。这种协同作用体现在从土壤到植株的全方位改善：

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  土壤层面： 有益菌种激活了土壤微生物群落，提升了土壤酶活性，促进了养分的矿化和循环，为作物生长提供了更持续、更高效的养分供应。
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  植株层面： 有益菌种通过改善根系功能，增强了植株的氮素吸收能力，同时通过调节生理代谢，提高了叶绿素含量，增强了抗氧化能力，延缓了叶片衰老，为高产奠定了生理基础。
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  产量层面： 这种“土壤-植株”系统的全面优化，最终转化为了更高的籽粒产量、更优的蛋白质含量以及更高效的氮素利用效率。

该研究最重要的实践意义在于，它验证了“减氮增效”的可行性。N50+SIB处理能够达到与N100处理相当的产量和品质水平，这意味着在冬小麦生产中，通过引入有益菌种，有望将化学氮肥的施用量减少50%，从而在保障粮食安全的同时，显著降低农业生产对环境的负面影响，推动农业向更加绿色、可持续的方向发展。