微珠共生固氮生物肥料的种子与土壤协同施用对严重退化土壤健康及大豆产量的提升效应

《Archives of Agronomy and Soil Science》：Synergy of seed and soil treatments with microbead native N-Biofertilizers enhancing soil health and soybean performance in severely degraded soils

　　

大豆（Glycine max L.）是一种具有战略意义的土壤培肥豆科作物，能够通过生物固氮（Biological Nitrogen Fixation, BNF）和养分循环改善土壤健康。然而，严重退化土壤（Severely Degraded Soils, SDS）以低有机质含量、贫瘠肥力、酸性和有限的微生物活性为特征，制约了大豆生产力。本研究评估了微珠氮生物肥料（Microbeads N-Biofertilizer）的种子与土壤施用对SDS中土壤健康和大豆表现的影响。采用因子随机完全区组设计（factorial randomized complete block design），包含12个处理组合和3次重复，覆盖3个土壤退化水平。处理包括对照、种子处理、土壤施用以及种子+土壤联合施用。通过方差分析（ANOVA）在5%显著性水平下对土壤化学和生物学性质、植株生长、结瘤、氮吸收及产量构成进行评估和均值分离。与对照相比，微珠氮生物肥料显著改善了土壤肥力、微生物活性、结瘤能力和大豆生产力。在有机碳含量为1.32%的土壤中，50 g kg?1种子处理与7 kg ha?1土壤施用的组合产生了最高响应，有效根瘤数、种子数、种子干重和产量均显著提升，产量达到2.52 t ha?1，较对照增加38.7%。这些发现表明，微珠氮生物肥料能够在严重退化土壤中改善土壤健康、增强生物固氮能力并提高大豆生产力。

论文解读：微珠共生固氮生物肥料在严重退化土壤中对大豆产量与土壤健康的协同提升效应

一、研究背景与科学问题

大豆（Glycine max L.）作为重要的土壤培肥豆科作物，在印度尼西亚被列为战略性粮食作物，其不仅是豆腐、豆豉、酱油等传统食品及动物饲料和农工产品的主要植物蛋白来源，更通过生物固氮（Biological Nitrogen Fixation, BNF）改善土壤氮素状况、提高土壤有机质、刺激微生物活性并支持养分循环，对退化农业土地的恢复和长期土壤肥力维持具有重要价值。然而，印度尼西亚国内大豆年需求量已超过300万吨，而本土产量不足100万吨，严重依赖进口满足消费需求。

印度尼西亚大面积农业用地，尤其是老成土（Ultisols）、氧化土（Oxisols）和边际旱地，正经历严重土壤退化，表现为高酸性、养分耗竭、土壤结构差、微生物活性低和土壤有机碳（Soil Organic Carbon, SOC）下降。据统计，印度尼西亚约7000–8000万公顷农业用地被归类为退化或次优土地，超过60%的耕地SOC含量偏低，许多区域SOC含量低于1.5%。这种退化土壤条件严重限制了养分有效性、微生物多样性、持水能力和根际功能，从而降低大豆生长、结瘤和BNF效率。

氮素缺乏是限制退化土壤大豆生产力的主要因素之一，而过度依赖合成氮肥不仅增加生产成本，还会加剧土壤酸化、养分失衡和温室气体排放。因此，利用固氮微生物接种剂已成为改善氮素供应和恢复土壤肥力的重要可持续策略。尽管根瘤菌（Rhizobium）和慢生根瘤菌（Bradyrhizobium）接种剂在共生BNF中发挥关键作用，但在退化土壤中其有效性常受低SOC、土壤酸度、水分保持能力差和不利根际环境制约。

微珠（Microbead）接种技术通过海藻酸盐封装为微生物细胞提供保护基质，促进其向土壤的递送和缓释，有望克服传统接种剂在环境胁迫下的局限性。然而，目前关于封装型本土固氮微生物通过种子和土壤联合施用于大豆的研究仍十分有限，特别是在不同SOC水平下的表现尚缺乏系统认识。本研究正是针对这一知识空白，将微珠配方与种子和土壤互补施用相结合，在不同退化程度的土壤中评估其对土壤健康、大豆结瘤、氮素获取和产量的综合影响。

二、研究设计与关键技术方法

研究人员在印度尼西亚西爪哇省苏梅当县Jatinangor地区的Padjadjaran大学农业学院Bale Tatanen试验田开展试验，时间跨度为2025年8月至2026年3月。供试土壤为始成土（Inceptisol），通过目的性采样获取三个退化程度不同的土壤点位，分别对应2.03%、1.60%和1.32%的有机碳含量。试验采用因子随机完全区组设计，包含4个微珠生物肥料施用处理（对照、50 g kg^?1种子处理、种子处理+5 kg ha^?1土壤施用、种子处理+7 kg ha^?1土壤施用）和3个土壤退化水平，共36个试验单元。

关键技术方法包括：利用前期研究获得的三个本土共生固氮菌株（BJ-BAA、BJ-H3、BJ-H6）制备微珠生物肥料，采用海藻酸钠（2% w/v）、腐殖酸（1% w/v）、羧甲基纤维素（CMC，1% w/v）、ZnO纳米颗粒（1 μg mL^?1）和脱脂奶粉（2% w/v）作为载体和保护材料，通过离子凝胶化形成微珠；采用总平板计数法（Total Plate Count, TPC）测定根际固氮菌（Nitrogen-Fixing Bacteria, NFB）和溶磷菌（Phosphate-Solubilizing Bacteria, PSB）种群；运用方差分析（ANOVA）、邓肯多重极差检验（DMRT）、皮尔逊相关分析和主成分分析（PCA）进行数据统计。

三、主要研究结果

土壤化学与生物学性质：微珠生物肥料施用显著改善了土壤性质，其中种子处理+7 kg ha^?1土壤施用（d₃）处理获得最高土壤全氮含量0.48%，较对照增加29.7%。该处理同时产生最高的NFB（3.9×10⁸ CFU g^?1）、PSB（4.9×10⁸ CFU g^?1）和总微生物种群（41.7×10⁸ CFU g^?1）。有机碳含量2.03%的中等有机质土壤支持了更高的微生物种群，表明土壤初始化学条件对微生物群落动态具有重要影响。

生长表现与氮素吸收：d₃处理在有机碳1.32%的土壤中（d₃t₃）获得最高株高49.5 cm，较同土壤条件下对照增加44.3%。d₃处理产生最多三出复叶数17.0片，较对照增加75.3%。该处理同时获得最高的植株氮含量（34.2）、氮吸收量（415.9 mg plant^?1）和叶绿素含量（35.5），分别较对照增加85.9%、321.8%和20.3%。

结瘤表现：d₃t₁处理（种子+土壤施用配合2.03%有机碳土壤）获得最高有效根瘤数13.0个，较同土壤对照增加465.2%；而d₃t₃处理获得最高有效根瘤干重601.7 mg，较同土壤对照增加约5917%。这一结果表明低有机碳土壤条件下形成的根瘤不仅数量增多，且具有更大的生物量，可能是植物对氮素限制的生理补偿机制。

生物量积累：d₃处理获得最高地上部干重12.2 g和根部干重3.7 g，分别较对照增加125.9%和48.0%。植株生物量的增加是叶数增多、叶绿素含量提高、氮素状况改善和有效结瘤共同作用的结果，反映了更高的光合能力和碳同化效率。

产量表现：d₃处理获得最高总荚数49.0个和有效荚数39.6个，分别较对照增加155.2%和160.5%。d₃t₃处理获得最高每株种子数99.2粒和最高籽粒产量25.2 g plant^?1，分别较同土壤对照增加216.9%和276.1%，折合产量2.52 t ha^?1，较对照增加38.7%。而d₃t₁处理获得最高百粒重13.2 g，较对照增加约15.8%，表明中等有机碳土壤条件下同化物向单粒分配更为集中。

相关性与主成分分析：皮尔逊相关分析显示SOC与土壤pH（r=0.70）、总微生物种群（r=0.89）和共生固氮菌（r=0.66）呈中到强正相关；有效根瘤干重与籽粒产量呈最强正相关（r=0.79）。PCA分析中前两个主成分解释了79.9%的总变异，PC1（67.6%）主要反映土壤肥力、微生物活性、植株生长和大豆生产力的改善，处理d2t0、d3t0和d3t2位于PC1正侧并与有利的生长和产量变量紧密关联，而d0t1和d0t2位于负侧并与多数生产性变量分离。

四、讨论与结论

研究人员指出，微珠生物肥料通过封装保护提高了微生物在退化土壤中的存活率和定殖效率，种子处理和土壤施用的互补结合实现了根际微生物的早期定殖和持续存在。微珠中海藻酸盐基质可保护微生物细胞并促进其在施用后的缓释，从而支持根瘤菌与大豆根系的持续共生互作。研究同时强调，有机碳在促进土壤微生物活性、改善养分有效性和创造有利根际环境方面发挥关键作用。PCA和相关性分析共同证实，籽粒干重的提高主要由每株种子数决定，并受到地上部生物量和荚形成增加的支撑。

研究结论表明，种子+土壤联合施用微珠氮生物肥料（50 g kg^?1种子处理+7 kg ha^?1土壤施用）在低有机碳退化土壤中表现最佳，通过提高氮素有效性、增强结瘤和有效根瘤重量、促进生物量积累和提高籽粒产量，实现了土壤健康和大豆生产力的协同提升。该研究为退化土壤条件下大豆可持续生产提供了一种有效的生物策略，但仍需长期田间试验验证SOC、微生物种群和产量改善能否在连续种植周期中持续保持。