利用生物肥料优化绿豆根系形态与生产力，推动可持续农业发展

《Scientific Reports》：Optimizing mung bean productivity and root morphology with biofertilizers for sustainable farming

本研究针对化学肥料过度使用引发的环境与经济效益问题，探讨了生物肥料与化学氮肥对两种绿豆基因型的产量、根系特性及养分动态的影响。通过两年田间试验发现，尿素处理虽能最大程度提高生物量与籽粒产量，但微生物复合菌剂可显著促进根瘤形成与生物固氮潜力，为减少合成氮肥依赖提供了可行方案。

　　

豆科作物因其固氮能力和改良土壤的作用，成为可持续农业系统的关键组成部分。其中绿豆(Vigna radiata L. Wilczek)以其生长周期短、蛋白质品质高以及修复退化土壤的能力而备受重视。然而，为实现高产，农业生产中普遍大量施用化学氮(N)、磷(P)、钾(K)肥料，这不仅带来成本上升，更导致土壤特性恶化及环境污染。尽管豆科植物能通过生物固氮满足大部分氮需求，但在有效根瘤菌共生建立之前，仍需要少量有效氮来支持早期营养生长。因此，寻找既能保证作物竞争力、又能维护环境健康的替代方法迫在眉睫。

植物促生菌根菌(PGPR)作为一类有益的土壤细菌，能够与植物联合，通过产生植物激素、促进水分和养分吸收、增强根系扩张等机制，提高植物对生物和非生物胁迫的耐受性，从而提升植物整体活力。此外，一些菌株还能抑制植物病原菌生长。自由生活的固氮菌(FLNF，如Azospirillum、Azotobacter)除具有生物固氮能力外，还对根系生长有刺激作用。根系承担着羧酸盐分泌、水分吸收、养分获取以及与土壤微生物互作等多种功能，其形态和生理特性强烈影响地上部的生长发育。施用PGPR可以优化根的形态和分布，促进植物对氮的吸收，进而提高产量和养分吸收效率。同样地，溶磷菌(PSB)和溶钾菌(KSB)能分别活化土壤中难溶性磷和钾，改善作物养分吸收。

以往研究多关注单一菌剂，而将多菌株PGPR复合菌剂与常规氮源结合的研究较少。近期证据表明，组合使用微生物菌剂可以增加养分有效性并增强作物在非生物胁迫下的恢复力。然而，此类复合菌剂对不同基因型绿豆的根系形态、养分吸收及产量的影响程度尚不清楚。为此，本研究旨在：(I) 研究不同肥料对产量及构成要素、养分吸收的影响；(II) 比较根系形态（包括总根长、根体积、根面积和单株根瘤数）；(III) 观察不同肥料对土壤指标的影响。该研究有望阐明根系形态、养分浓度与产量之间的关系，为应用PGPR实现绿豆高产栽培提供理论和实践基础。

本研究在伊朗马什哈德进行了为期两年（2021和2022年）的田间试验，采用裂区随机区组设计，考察了两种绿豆基因型（Partow和IC418452）和六种肥料处理（对照、FLNF、PSB、KSB、复合菌剂FLNF+PSB+KSB、尿素）的效应。研究人员测量并分析了产量构成因素、生物量、根系形态、根瘤形成以及植株和土壤的N、P、K浓度。

主要技术方法包括：田间试验设计与实施、生物量及产量相关性状测定、根系形态扫描与分析（使用Delta-T Scan和Image Analysis软件）、根瘤计数与活性鉴定、植株和土壤氮磷钾浓度测定（采用凯氏定氮法、分光光度法、火焰发射光度法等）、种子蛋白质含量及光合色素（叶绿素a、b和类胡萝卜素）测定，以及综合方差分析（ANOVA）、均值比较（LSD检验）和回归分析等统计方法。

结果

肥料与基因型交互作用对生物量、产量及形态性状的影响

联合方差分析表明，年份、基因型和肥料对生物量、籽粒产量、百粒重、株高和单株荚数均有极显著影响。尿素施肥获得了最高的生物量和籽粒产量（分别为6245 kg ha^-1和2145 kg ha^-1），其次是微生物复合菌剂（5870 kg ha^-1和1965 kg ha^-1）。Partow基因型比IC418452产生了更高的生物量和籽粒产量。对于生物量，基因型与肥料之间存在显著的交互作用，表明不同基因型对肥料的反应不同。Partow在第二年施用尿素时表现出最高的生物量。籽粒产量存在显著的年份×基因型、年份×肥料以及基因型×肥料交互作用，表明年份和基因型调节了肥料效应。Partow在第二年施用尿素时产量最高。株高仅受年份、基因型和肥料主效应的显著影响，无显著交互作用。Partow在第二年株高最高。荚数存在显著的年份×肥料和基因型×肥料交互作用，Partow两年平均单株荚数多于IC418452。百粒重存在显著的年份×基因型和年份×肥料交互作用，Partow在第二年施用尿素时百粒重最高。

根系发育与根瘤形成特性

基因型和肥料对根面积和根长有极显著主效应，而年份效应不显著。对于根面积，存在显著的年份×基因型、年份×肥料和基因型×肥料交互作用。尿素处理下Partow的根面积和根体积最大，而对照处理最小。根长存在显著的年份×基因型和基因型×肥料交互作用。Partow在尿素处理下根长最长，复合菌剂次之，IC418452对照处理根长最短。单株根瘤数受所有因素（年份、基因型、肥料）的极显著主效应影响，并且存在显著的交互作用。复合菌剂处理在第二年显著增加了根瘤数，Partow在该处理下根瘤数最多。根体积受年份、基因型和肥料极显著主效应影响，并存在显著交互作用。对照处理的根体积最低。接种率（有活性根瘤的植株百分比）受年份、基因型和肥料的显著主效应影响，但无显著交互作用。Partow和复合菌剂处理接种率最高。

植株与种子养分含量

单株植株氮含量受年份、基因型和肥料显著影响，并存在交互作用。Partow在第二年尿素处理下植株氮含量最高。植株磷含量受所有主效应极显著影响，存在年份×肥料交互作用。对照和KSB处理植株磷含量最低，尿素和复合菌剂处理最高。植株钾含量受主效应极显著影响，但无显著交互作用。对照、PSB和KSB处理钾含量较低，尿素和复合菌剂处理钾含量最高。种子氮浓度受所有主效应显著影响，存在交互作用。Partow在第二年尿素处理下种子氮浓度最高。种子磷浓度和钾含量受主效应显著影响，但无显著交互作用。

肥料处理对土壤养分动态的交互影响

土壤有效磷(P-CAL)受年份、基因型和肥料极显著影响，并存在交互作用。FLNF、KSB和对照处理土壤有效磷值最低。土壤矿质氮(N_min)受基因型和肥料显著影响，存在年份×肥料交互作用，尿素处理与其他处理差异显著。土壤钾含量受所有主效应显著影响，并存在交互作用。不同年份和基因型下，各肥料处理对土壤钾含量的影响不同。

对种子蛋白质和光合色素的影响

种子蛋白质含量受年份、基因型和肥料极显著影响，并存在交互作用。Partow在第二年施用尿素和复合菌剂时种子蛋白质含量最高。叶绿素a含量受所有主效应显著影响，并存在交互作用。尿素和复合菌剂处理叶绿素a含量最高。叶绿素b含量受主效应显著影响，存在年份×肥料交互作用。类胡萝卜素浓度受年份和肥料显著影响，基因型及交互作用不显著。尿素和复合菌剂处理类胡萝卜素浓度最高。

根瘤形成、籽粒产量与土壤养分的回归分析

根瘤数与籽粒产量之间存在显著正相关。增加根瘤数与更高的籽粒产量相关。尿素处理对截距有显著负主效应，但与根瘤数存在显著正交互作用，表明尿素处理特异性地改变了根瘤数与籽粒产量之间的关系，在尿素处理下根瘤数对籽粒产量的正向效应更强。土壤N_min与肥料处理对根瘤形成的交互作用对PSB和尿素处理显著。PSB和KSB处理对根瘤形成显示出显著的正主效应。肥料处理、土壤N_min及其相互作用能强烈预测根瘤形成。土壤钾含量与籽粒产量在不同基因型间呈现不同相关性：Partow为负相关，IC418452为弱正相关。

结论与讨论

本研究结果表明，尿素和多菌株PGPR复合菌剂均能显著提高绿豆生产力。尿素在最大化产量、生物量和氮吸收方面效果最佳，证实了化学氮肥的有效性。然而，微生物复合菌剂实现了显著的产量提升，在增强光合色素和蛋白质含量方面接近尿素的效果，并且在促进根瘤形成方面表现独特，显示出增强生物固氮(BNF)的潜力。这使复合菌剂成为减少对化学氮肥依赖的可行策略，符合可持续农业的目标。结果揭示了复合菌剂内部的协同效应，并显示了关键的基因型特异性反应以及强烈的环境调控作用。尿素处理下根瘤-产量关系的意外增强值得进一步研究。未来的工作应针对Partow等基因型优化PGPR组合，并研究其对土壤健康的长期影响。气候条件的年际变化显著影响了处理效果，突出了PGPR在像马什哈德这样的干旱地区可变气候下的适应性，支持了可持续绿豆生产。