根瘤菌热带根瘤菌接种与猪废水堆肥对菜豆生长及产量的协同效应

《Discover Plants》：Effects of Rhizobium tropici inoculation and swine wastewater compost on common bean (Phaseolus vulgaris L.) growth and yield

　　

将生物固氮与有机养分源相结合是提高菜豆生产可持续性的一项有前景的策略。本温室研究评估了在灭菌土壤条件下，热带根瘤菌（R. tropici）接种与猪废水堆肥（swine wastewater compost, SWC）施用对菜豆（Phaseolus vulgaris L.）营养生长、根系发育、产量构成及籽粒蛋白质含量的综合影响。研究人员对植株施以递增的SWC用量，并设置有无根瘤菌接种的处理。接种与SWC之间的交互作用显著影响了大多数评价指标。接种处理下的大多数生长、叶绿素及产量相关变量对SWC用量呈二次响应，中等施用量促进了更大的茎粗、生物量积累、根系发育、叶绿素指数、籽粒产量及籽粒蛋白质含量，表明该综合管理策略同时提高了生产力和籽粒营养品质。然而，过高的SWC施用量降低了叶绿素指数，凸显了优化SWC施用量的重要性。总体而言，结果表明，在本研究的温室条件下，将R. tropici接种与中等SWC用量相结合，与菜豆生长、叶绿素指数及产量的协调改善相关联。这些发现表明，该方法是一种潜在策略，可减少对矿质氮肥的依赖，同时支持豆类作物种植体系中有机残留物的高效再利用。

研究背景与目的

菜豆是全球重要的食用豆类作物，但其生产常受限于土壤氮素有效性不足。传统依赖化学氮肥的方式不仅成本高昂，还会导致水体富营养化和温室气体排放等环境问题。生物固氮（biological nitrogen fixation, BNF）与有机养分源的结合被认为是提高菜豆生产可持续性的有前景策略。热带根瘤菌（Rhizobium tropici）接种可通过共生固氮为菜豆提供氮素，而猪废水堆肥（swine wastewater compost, SWC）作为一种富含氮磷钾的有机改良剂，能够缓慢释放养分并改善土壤结构。然而，关于二者交互作用对菜豆结瘤、根系发育、生理表现及产量影响的定量研究仍十分有限。为此，研究人员提出假设：R. tropici接种与SWC施用的交互作用可能超越各自单独应用的效果，从而更显著地影响菜豆生长与生产力。本研究旨在明确SWC用量对接种R. tropici的菜豆结瘤、生长及产量的影响，并为开发可持续养分管理策略提供定量依据。

主要关键技术方法

本研究采用完全随机设计（completely randomized design, CRD），设置2×5双因素试验方案：因素一为种子接种与否（含R. tropici菌株SEMIA 4077的泥炭接种剂），因素二为SWC施用量（0、1.5、3.0、4.5、6.0 t ha?1）。试验在巴西圣玛丽亚联邦大学温室中进行，供试土壤为经高压蒸汽灭菌的红壤土与砂混合物（65:35 v/v），每盆装土4 kg，每处理重复6次。菜豆品种为IPR Urutau（黑色商业组）。播种前种子经表面消毒后，接种处理于播前2小时用10%（w/v）蔗糖溶液增强接种剂粘附。SWC按盆土质量换算后一次性施于土表。生长期114天，灌溉维持田间持水量的80%。收获后测定植株高度、茎粗、地上部干质量（shoot dry mass, SDM）、根系干质量（root dry mass, RDM）、根体积（root volume, RV）、比根表面积（specific root surface area, SRA）、叶绿素相对指数（chlorophyll index, IC）、单株结瘤数（number of nodules per plant, NNOD）、瘤干质量（nodule dry mass, NDM）、每荚粒数（number of grains per pod, NGP）、单株产量（grain yield per plant, GYP）及籽粒蛋白质含量（采用凯氏定氮法，乘以系数6.25）。数据采用方差分析（ANOVA），交互作用显著时进行回归分析。

研究结果

茎粗、地上部和根系干质量：接种处理下茎粗随SWC施用量呈二次曲线变化，最大技术效率为4.82 t ha?1，达2.18 mm，较未接种处理高27.5%；未接种处理也呈二次响应，最大值1.71 mm出现在5.6 t ha?1。接种处理的地上部干质量在3.55 t ha?1 SWC时达峰值0.91 g plant?1，较未接种增加9%；而未接种处理呈线性增加，最高值0.99 g plant?1出现在6.0 t ha?1。接种处理的根系干质量在3.48 t ha?1 SWC时达最大值0.75 g，较零施用量增加44.2%；未接种处理呈线性响应，最大值0.67 g出现在6.0 t ha?1（增加28.8%）。

比根表面积和根体积：接种处理的比根表面积对SWC施用量呈二次响应，最大技术效率为3.95 t ha?1；未接种处理则呈线性增加。根体积对SWC施用量呈二次响应，最大技术效率为5.2 t ha?1，达86 cm3，较零施用量增加98.5%。

叶绿素指数：叶绿素a、b及总叶绿素含量均表现出显著的接种与SWC交互作用，呈二次增加趋势。接种处理下峰值分别出现在4.0、4.57和4.35 t ha?1 SWC，较未接种处理分别增加6.3%、27.4%和12.8%；未接种处理峰值出现在4.2、4.6和4.2 t ha?1，较零施用量分别增加4.22%、4.65%和3.27%。

产量及其构成：接种处理下每荚粒数在3.72 t ha?1 SWC时达最大值4.5粒，较未接种处理显著增加29%；未接种处理在3.84 t ha?1时达3.49粒。接种处理的单株产量在3.98 t ha?1 SWC时达3.98 g，较未接种处理增加42.9%；未接种处理在4.94 t ha?1时较零施用量增加28.9%。单株荚数对SWC施用量呈二次响应，最大技术效率为5.3 t ha?1，达4.7荚，较零施用量增加71.7%。接种处理显著提高了株高、根体积和单株荚数。

籽粒蛋白质含量：接种处理下籽粒蛋白质含量随SWC施用量线性增加，最高用量时较未接种处理高25.9%；未接种处理也呈线性增加，最高用量时较零施用量增加24.9%。

结瘤参数：接种处理的结瘤数和瘤干质量对SWC施用量均呈二次响应，结瘤数最大技术效率为3.93 t ha?1，较零施用量增加68%。

讨论与结论

研究表明，R. tropici接种与中等SWC施用量（约3.5~4.8 t ha?1）的组合可协同促进菜豆茎粗、生物量积累、根系发育、叶绿素含量及产量形成，并提高籽粒蛋白质含量。这种正向效应归因于根瘤菌通过生物固氮持续供应氮素，同时刺激植物激素合成（如生长素、细胞分裂素），促进细胞分裂与维管组织发育；而SWC提供的磷、钾及有机质则改善了土壤理化性质与养分缓释能力。然而，过高SWC施用量会导致叶绿素指数下降，可能与盐分累积、渗透胁迫或微量元素失衡有关，表明需优化有机投入量以维持生理性能。值得注意的是，籽粒蛋白质含量呈线性增加而生物量呈二次响应，说明超出生长所需的氮被优先储存为蛋白质而非转化为更多生物量。整体而言，本研究证实了R. tropici接种与适度SWC配施可作为减少矿质氮肥依赖、实现有机废弃物资源化利用的有效策略，为豆类作物可持续生产提供了定量依据。