田间条件下PGPB联合菌剂减少油菜（Brassica napus）氮肥施用的应用

《Agricultural Research》：Application of PGPB Consortia to Reduce Nitrogen Fertilization in Oilseed Rape (Brassica Napus) Under Field Conditions

　　

油菜（Brassica napus L.）是一种全球重要的作物，但其高氮（N）需求引发了环境问题。植物促生菌（PGPB）可能提供一种可持续的替代方案，在保持产量和种子品质的同时减少矿物肥料施用。本研究的主要目的是评估两种细菌联合菌剂：P1A（Pseudomonas sp. G31 + Azotobacter sp. PBC2）和P2A（Pseudomonas sp. KR227 + Azotobacter sp. PBC1）在温带过渡气候（波兰）田间条件下实现氮肥减少30%的潜力。实验包括全氮（100%N）、减少氮肥（70%N）结合细菌联合菌剂的处理，以及未接种对照。采用分光光度法、色谱法和标准分析方法测定土壤、植物和种子参数。在70%N+P1A处理的土壤中，脱氢酶活性显著增强，而植物叶片中的叶绿素（a+b）含量在全氮肥处理下达到最高水平，并在70%N+PGPB处理中保持高于未接种对照。初步结果显示，与对照和全氮肥（100%N）处理相比，70%N+细菌联合菌剂实现了略高的种子产量和千粒重（TSW），且TSW显著高于对照。种子品质参数——油含量、脂肪酸谱和NPK水平——基本不受施肥策略影响，表明PGPB即使在减少氮投入的情况下也能维持种子品质。此外，用P2A联合菌剂接种土壤抵消了氮肥引起的酸化。这些发现表明，将PGPB与70%N施肥结合可维持生产力，同时符合可持续农业目标，为减少油菜栽培中合成氮的使用提供了一种可行策略。

油菜（Brassica napus L.）是全球第三大油料作物，但其高氮（N）需求导致土壤酸化、温室气体（如N₂O）排放和硝酸盐淋溶等环境问题。植物促生菌（PGPB）可通过固氮、产吲哚-3-乙酸（IAA）和溶磷等机制减少化肥依赖，但多数研究在温室条件下进行，缺乏田间综合评估，尤其是种子品质参数。为此，研究人员开展了田间试验，旨在评估两种由Pseudomonas和Azotobacter组成的联合菌剂（P1A：Pseudomonas sp. G31 + Azotobacter sp. PBC2；P2A：Pseudomonas sp. KR227 + Azotobacter sp. PBC1）在减少30%氮肥条件下对油菜产量和品质的影响。该研究于波兰Kobierzycko的Luvisol土壤上进行，冬油菜品种LG Absolut F1于2022年8月播种，设置7个处理（包括100%N、70%N+菌剂、单独菌剂和未接种对照），每种处理3次重复。研究人员在三个生育期（BBCH 65、75、90）采集土壤和植物样品，测定土壤理化性质（pH、总有机碳TOC、总氮TN、有效磷AP、硝态氮N-NO₃^-等）、脱氢酶活性（DHA）、叶绿素a/b和类胡萝卜素含量、生物量参数（株高、地上部生物量、种子产量、千粒重TSW），以及种子品质（油含量、脂肪酸谱、N、P、K、Ca含量）。主要技术方法包括：分光光度法（叶绿素、DHA）、色谱法（脂肪酸甲酯FAME的GC-FID分析）、微波等离子体原子发射光谱法MP-AES（总磷、总氮）、电感耦合等离子体发射光谱法ICP-OES（有效磷、宏量元素）以及标准重量法（油含量）。统计分析采用ANOVA或Kruskal-Wallis检验，事后比较使用Tukey HSD或Dunn-Bonferroni检验，并通过Pearson相关系数分析参数间关系。

**研究结果**

**土壤理化性质（Physico-Chemical Properties of Soil）**
氮肥施用（100%N）导致土壤pH在第二和第三采样期显著下降约5–6%（图1a），而接种细菌联合菌剂未引起类似效应。P2A联合菌剂与70%N组合在第三时间点抵消了氮肥引起的酸化。70%N+P2A处理在第二采样期显著提高了土壤有效磷含量（图1c），但最终采样期（BBCH 90）所有处理的有效磷均下降，归因于植物吸收和转运。70%N+P2A在第一采样期显著增加硝态氮浓度（图2a），第二采样期与100%N和70%N+P1A效果相当，第三采样期仅70%N+P1A显著增加硝态氮。70%N+P1A在第二和第三采样期提高了土壤总氮含量（图2b）。两种联合菌剂（P1A和P2A）在第一采样期均增加有机碳含量，但后续时间点差异不显著。

**脱氢酶活性（Activity of Dehydrogenase）**
第一采样期，70%N+P1A处理的土壤脱氢酶活性（DHA）最高，显著高于未接种对照（表2）。P1A和P2A单独处理也表现出较高活性，对照最低。第二采样期，所有处理DHA较第一采样期增加，70%N+P1A仍最高，100%N和对照亦较高，而单独菌剂（P1A、P2A）处理最低。第三采样期，各处理间DHA无显著差异。

**叶绿素和类胡萝卜素含量（Chlorophyll and Carotenoid Content in Fresh Leaves）**
第一采样期，100%N处理的叶绿素a、b、总叶绿素（a+b）和类胡萝卜素含量最高（表3）。第二采样期，100%N仍保持最高光合色素含量，70%N+P1A和70%N+P2A的叶绿素b含量与对照和100%N相当，类胡萝卜素含量也较高。

**生物量参数（Biometric Parameters）**
各处理对株高、地上部生物量和种子产量无显著影响，但TSW存在显著差异（表4）。100%N、P1A、70%N+P1A、P2A和70%N+P2A处理的TSW（5.1–5.3 g）均显著高于对照（4.4 g），而70%N+P1A和70%N+P2A的种子产量略高于对照和100%N，但未达统计显著。

**种子品质参数（Seed Quality Parameters）**
氮肥和PGPB处理对种子中N、P、K、Ca含量无显著影响，对脂肪酸谱影响较小（补充表2）。除P1A单独处理油含量约39%外，其余处理油含量为41–42%（表5）。70%N+P2A处理显著增加了饱和脂肪酸（包括硬脂酸）含量，但单不饱和脂肪酸（MUFA）和多不饱和脂肪酸（PUFA）含量无显著差异。Pearson相关分析显示，土壤pH与光合色素含量呈强负相关（图3），饱和脂肪酸与多不饱和脂肪酸浓度正相关，且与第一采样期养分有效性显著相关。

**讨论与结论**
讨论部分指出，土壤pH下降是过量氮肥的主要负面效应，P2A联合菌剂能有效缓解酸化。70%N+P1A处理显著提高DHA，可能归因于减少氮肥维持了适宜pH，促进了微生物活性；而单独菌剂在缺氮条件下因资源竞争导致DHA下降。叶绿素b在单独菌剂处理中显著降低，但70%N+菌剂组合可部分缓解，提示氮素供应对菌剂效应的发挥至关重要。在生物量方面，菌剂未显著促进地上部生长，但提高了TSW，这可能与菌剂改善养分利用效率、促进籽粒灌浆有关。种子品质参数（油含量、脂肪酸谱）基本不受施肥策略影响，表明PGPB可在减少氮肥30%的条件下维持种子品质。

**研究结论**
该研究表明，由Pseudomonas和Azotobacter菌株组成的PGPB联合菌剂可在油菜栽培中减少氮肥施用30%，而不影响产量或种子品质。这一发现凸显了将减少氮肥与细菌接种相结合的潜力，作为一种可持续替代传统施肥实践的策略。具体而言，这些细菌属被证明可刺激土壤微生物活性，并增加千粒重（TSW）。此外，它们显著减少了氮肥引起的酸化。先前研究也已证实此类联合菌剂的安全性及其对原生细菌群落的微小影响。重要的是，添加细菌联合菌剂缓解了氮肥导致的酸化。未来研究应聚焦于长期评估PGPB在田间条件下的有效性，同时基于现有安全性评估，理解细菌-植物相互作用的分子机制，优化细菌联合菌剂组成，调查PGPB在气候变化相关胁迫条件下的功效，并对此技术的实施进行全面的经济和环境分析。总之，使用植物促生菌是减少氮肥施用的一种有前景的方法，符合可持续农业发展的目标，且这些特定联合菌剂已就其原生土壤微生物群的影响进行了初步安全性评估。