微生物活化钾长石对玉米抗弱光低温逆境的研究初报

Preliminary Study on Microbial Activated Potassium Feldspar for Maize′s Resistance to Weak Light and Low Temperature Stress

doi: 10.3969/j.issn.2096-7047.2024.04.009

沈彦汐 Yanxi SHEN , 吴瑶瑶 Yaoyao WU , 廖宗文 Zongwen LIAO , 乔凯 Kai QIAO , 陈先玉 Xianyu CHEN , 蔡燕飞 Yanfei CAI

1 华南农业大学广东广州 510640 South China Agricultural University, Guangzhou, Guangdong 510640, China 2 绥宁县农业农村水利局湖南绥宁 422600 Suining Agriculture and Rural Water Conservancy Bureau, Suining, Hunan 422600, China

Author notes:

Correspondence to: 陈先玉(1969—)，男，大学本科，高级农艺师，从事肥料新技术推广工作；841294605@qq.com Correspondence to: 蔡燕飞(1970—)，女，博士，教授，主要从事芽孢杆菌微生物试验研究；yanfeicai@scau.edu.cn

摘要：

解钾菌活化钾长石的肥效不仅与微生物的活化效果有关，还与微生物的抗光温逆境功能有关。在3个恒温光照培养箱分别设置了弱光、全光和弱光低温条件下的玉米苗栽培试验，比较化肥(氯化钾)、微生物活化钾长石和化学活化钾长石在不同光温条件下的肥效。结果表明：微生物活化钾长石在全光和弱光条件下的肥效均优于化肥的，揭示了微生物不仅能活化矿质营养，还具有抗光温逆境的功能；在弱光条件下，微生物活化钾长石处理的玉米鲜质量和干质量较优，表明微生物分泌物提供的有机碳营养可补充弱光下光合产物的亏缺，其优势得以凸显；在全光条件下，化学活化钾长石处理的玉米鲜质量和干质量较高，表明全光条件下的光合产物较弱光条件下的有大幅增加，使碳亏缺大为缓解，其肥效得以更好地发挥；就抗光温逆境而言，化肥处理仍然不具有微生物活化的优势。

关键词：

玉米; 钾长石; 弱光; 低温; 微生物; 抗逆;

Abstract：

The fertilizer efficiency of potassium feldspar activated by potassium bacteria is not only related to the activation effect of microorganisms, but also to their ability to resist light and temperature stress. Maize seedling cultivation experiments are conducted under weak light, full light, and weak light with low temperature conditions in three constant temperature light incubators to compare the fertilizer efficiency of chemical fertilizer (potassium chloride), microbial activated potassium feldspar, and chemically activated potassium feldspar under different light and temperature conditions. The results show that microbial activated potassium feldspar have better fertilizer efficiency than chemical fertilizer under both full and weak light conditions, revealing that microorganisms not only activate mineral nutrients, but also have the function of resisting light and temperature stress. Under weak light conditions, the fresh and dry weight of maize treated with microbial activated potassium feldspar are superior, indicating that the organic carbon nutrients provided by microbial secretions can supplement the deficiency of photosynthetic products under weak light conditions, highlighting its advantages. Under full light conditions, the fresh and dry weight of maize treated with chemically activated potassium feldspar are higher, indicating that the photosynthetic products under full light conditions are significantly increased compared those under weak light conditions, greatly alleviating carbon deficiency and enabling better fertilizer efficiency. In terms of resistance to light and temperature stress, chemical fertilizer treatment still does not have the advantage of microbial activation.

Keyword：

maize; potassium feldspar; weak light; low temperature; microorganism; resistance;

我国钾肥对外依存度高达50%，是粮食安全的重大隐患^[1-2]。为此，我国对解钾菌活化钾长石开展了长期的研究，已取得了重要的进展^[3-6]。解钾菌活化钾长石的肥效，通常认为是通过活化提高了钾长石中水溶性钾的含量及其长效性^[7-9]。研究发现，微生物对肥效的贡献不仅提高了钾的有效性，还提高了农作物抗光温胁迫的能力。从理论上分析，微生物的代谢产物是一种有机碳营养，也具有抗光温逆境的能力^[10]。

迄今对微生物肥料的研究，重点集中在氮、磷、钾及微量元素营养方面，如固氮菌、解磷解钾菌等，对于微生物的抗光温逆境的功能却鲜见报道。在气候逆境研究方面，多是关于作物生理变化和产量损失方面的现象描述，如光温胁迫导致危害发生的生理生化机制等^{[7, 11]}，而对于光温胁迫导致减产的施肥对策却少有涉及^[12-14]。在相关的植物生理、植物营养专著和教科书中，也很难检索到有关施肥抗逆方面的内容^{[12, 15]}。本文在前期研究的基础上，设计验证微生物抗弱光效果和两种活化钾长石抗光温逆境的比较试验，进一步验证微生物对农作物光温逆境的影响，以期为微生物活化钾长石的肥效机理提供新的视角，为验证微生物抗光温胁迫的特性提供试验依据，并为我国作物高产提供施肥抗逆、减灾保产的必要技术依据。

1 材料和方法

1.1 微生物的抗弱光效果(试验一)

考察微生物活化钾长石处理的抗弱光效果，为进一步研究微生物肥料抗光、温胁迫提供必要的准备。

1.1.1 试验材料

微生物为本研究组自制的解钾枯草芽孢杆菌Q22；有机碳营养为黄腐酸(HA)，具有抗光温逆境功能^{[10, 16]}，购自广东省绿森林农业科技有限公司。

微生物活化钾长石的制备：将培养至OD₆₀₀=0.4的菌液接种至含有0.50 g钾长石的50 mL解钾液体培养基中，在30 ℃、180 r/min的摇床中培养24 h。

供试土壤：华南农业大学农场土，w(有机质)为23.1 g/kg，w(碱解氮)为0.109 7 g/kg，w(全氮)为1.0 g/kg，w(全磷)为5.8 g/kg，w(有效磷)为0.015 7 g/kg，w(速效钾)为0.057 7 g/kg，pH为5.4。

供试玉米：盆栽甜玉米，华美甜9号。

1.1.2 主要仪器设备

PQX-450B-22HM型恒温光照培养箱(宁波来福科技有限公司)，其中：A箱为弱光处理，66%光照，14 520 lx；B箱为全光处理，100%光照，22 000 lx；A、B箱光照时间均为6 h，温度为25 ℃。

各处理组采用内径为12.4 cm、底径为9.3 cm、高为12 cm的花盆，每盆装土1 kg。

1.1.3 处理设计和试验方法

不同光照条件的盆栽处理设计见表 1。各处理氮、磷、钾肥料用量一致，每个处理3次重复。

表 1

不同光照条件的盆栽处理

光照条件	处理	施肥
弱光	CK0	0.46 g钾长石+0.1 g氯化钾+0.32 g尿素+0.62 g过磷酸钙
	T_Q22	0.46 g Q22微生物活化钾长石+0.1 g氯化钾+0.32 g尿素+0.62 g过磷酸钙
	T_HA	0.46 g钾长石+0.1 g氯化钾+0.32 g尿素+0.62 g过磷酸钙+0.2 g HA(25 mL)
全光	CK0	0.46 g钾长石+0.1 g氯化钾+0.32 g尿素+0.62 g过磷酸钙
	T_Q22	0.46 g Q22微生物活化钾长石+0.1 g氯化钾+0.32 g尿素+0.62 g过磷酸钙
	T_HA	0.46 g钾长石+0.1 g氯化钾+0.32 g尿素+0.62 g过磷酸钙+0.2 g HA(25 mL)

2021年11月11日移栽玉米植株，11月13日加菌25 mL，11月17日二次加菌和HA各25 mL，12月2日收获。

1.2 两种活化钾长石抗光温逆境的比较(试验二)

在试验一的基础上，通过比较钾长石的化学活化和微生物活化的肥效，分析微生物抗光温逆境的条件、效果及应用前景。

1.2.1 两种活化钾长石的制备

钾长石，粒径为150μm，w(K₂O)为9.2%；活化剂CM，碱性，无机物，采用生物质电厂灰加工而成。

微生物活化钾长石的制备、供试土壤和供试玉米均同试验一。

化学活化钾长石的制备：在钾长石中加入5%的CM，再加入25%蒸馏水研磨5 min，于200 ℃烘干12 min，制得化学活化钾长石，以此与微生物活化钾长石进行肥效比较。

1.2.2 盆栽处理

盆栽在A、B、C等3个培养箱中进行，在前期工作的基础上^{[8, 10]}，制定了各箱的光温条件及施肥处理，见表 2。每盆装土1 kg，每盆3株苗，每个处理3次重复。各处理的氮、磷用量相同，均为0.32 g尿素、0.62 g过磷酸钙，氮、磷、钾肥均作为基肥一次施用。2021年12月28日加菌50 mL，2022年1月6日、11日分别加菌25 mL。

表 2

不同活化盆栽处理

培养箱	条件	处理	施肥
A(弱光增时)	25 ℃(6 h)/15 ℃(9 h)	CK(氯化钾)	0.2 g氯化钾+解钾培养基
		T1(化学活化)	0.92 g化学活化钾长石+解钾培养基
		T2A(微生物活化)	0.92 g Q22微生物活化钾长石+解钾培养基
		T2B(微生物活化)	0.92 g Q22微生物活化钾长石+无菌水
		T3(生化联用)	0.92 g Q22生化联用活化钾长石+解钾培养基
B(全光定时)	20/15/10 ℃(6 h)	同上	同上
C(弱光低温定时)	10 ℃(6 h)	同上	同上

T2B处理以无菌水代替T2A处理的解钾培养基，其目的是了解该培养基对肥效的影响，以进一步明确肥效是源于微生物本身还是培养基；T3处理是化学活化与微生物活化叠加的处理。2021年12月26日盆栽移至培养箱中，2022年1月17日开始收获。

A箱(弱光处理，66%光照)：2022年1月5日温度由25 ℃(时长11 d)降至15 ℃(时长13 d)，光照时间从每天6 h延长至每天9 h；2022年1月19日收获。

B箱(全光处理，100%光照，低温胁迫)：2021年12月29日将温度从20 ℃(时长3 d)降至15 ℃(时长7 d)，2022年1月5日将温度降至10 ℃(时长13 d)，光照时间均为每天6 h；2022年1月17日收获。

C箱(弱光低温复合胁迫，66%光照，温度10 ℃)：光照时间均为每天6 h；2022年1月18日收获。

采用天平称取植株的干质量和鲜质量；采用叶绿素仪测定植株的叶绿素相对含量；采用PASW Statistics 18和Excel软件处理数据并制作图表，图中不同小写字母表示处理间差异显著(Duncan′s法，P＜0.05)。

2 结果与分析

2.1 试验一中各处理的生物量

不同处理的植株鲜质量见图 1。在66%光照和100%光照的条件下，不同处理的植株鲜质量从高到低排序均为T_Q22、T_HA、CK0，说明T_Q22与T_HA处理都具有抗弱光的效果。这表明肥效不仅来源于活化钾的钾养分，还有抗弱光逆境的贡献。在试验一的基础上设计了试验二，对不同处理的玉米在弱光以及低温胁迫下的抗逆能力同时进行研究。

图 1

66%光照和100%光照下的植株鲜质量

2.2 试验二中各处理的叶绿素相对含量

由图 2可知：3个培养箱的叶绿素相对含量由高到低排序为B箱、A箱、C箱，且B箱各处理的叶绿素相对含量均高于A箱、C箱相应处理的；B箱中各处理的叶绿素相对含量总体略高于C箱的，但差异很小。这说明活化处理提高了叶绿素相对含量，促进了光合作用，有利于农作物增产^[17]。

图 2

各处理的叶绿素相对含量

2.3 试验二中各处理的生物量

由图 3、图 4可知，A、B、C等3个培养箱的各处理中，均以全光条件(B箱)的生物量最高，3~6倍于A、C箱的对应处理。这表明充足的光照对作物的影响更为明显。

图 3

各处理的植株鲜质量

图 4

各处理的植株干质量

各处理在全光和弱光下的鲜质量和干质量排序则有所不同。在弱光条件下(A箱)，鲜质量排序为T2B＞T3＞T2A＞T1>CK，干质量排序为T3＞T2B＞T2A=T1＞CK，各处理鲜质量、干质量的排序略有差异，但微生物活化处理的效果呈上升趋势，微生物提供有机碳营养对冲弱光下光合产物亏缺的优点得以凸显^[18]。如果光温胁迫程度有所减轻，正常代谢不至于受到太大干扰^[19]，其增产效果可能更好。在全光条件下(B箱)，各处理鲜质量、干质量的排序均为T1＞T3＞T2A＞T2B＞CK，表明化学活化处理较优。其原因是全光条件下光合产物(有机碳)的亏缺大为缓解，故微生物的补碳优势相对不明显，化学活化处理的劣势则因碳亏缺的缓解而缓解。可见，A、B箱微生物处理的效果差别与光照强弱有关。C箱是弱光和低温的双重胁迫，严重影响了作物正常代谢，各种施肥措施均难以改善，所以各处理间差异较小。

T2A和T2B的设置是为了考察微生物中的少量培养基对活化的影响。由图 3和图 4可知，在A、B、C三箱的条件下，T2A和T2B的差别很小，说明肥效与培养基的关系不大，主要还是微生物本身发挥活化作用。在试验条件下，生化联用T3处理的效果优于单一菌处理的，说明微生物活化与化学活化相结合的肥效更好。

收获后，各处理的植株见图 5。由图 5可知，B箱的植株生长最好，且根系明显大于A、C箱的。其原因是B箱的光合作用强，更多的光合作用产物可以转运到地下，促进根系的发育^[20]。这表明光照对根系有明显的影响，根系壮大有利于作物经历光温胁迫后的恢复。

图 5

A、B、C三箱各处理收获后的植株照片

A、B、C三箱中各处理植株有两个明显的特点, 一是在弱光条件下(A、C箱)，微生物处理的植株长势都明显优于CK和T1处理的，说明微生物提供的有机碳营养具有明显的抗弱光胁迫作用，对于化肥处理和化学活化处理均有明显的优势。二是在全光条件下(B箱)，微生物处理同样优于CK对照，但T1处理的植株生长量明显改善，与T2A、T2B、T3等3个微生物处理外观上差别不大。其原因是在全光条件下，弱光条件导致的碳亏缺得以缓解，因而T1化学活化效果得以更好表达；但在弱光条件下，T1不具备微生物活化的抗逆优势，生长较差。

3 讨论

3.1 光照条件对作物抗低温的影响

A箱和B箱的对比显示，光照条件对作物抗逆力的重要影响不限于光照本身，还有利于提升作物对低温的抗逆力。A箱光照时间延长(由6 h延长至9 h)、温度降幅较小(由25 ℃降至15 ℃)，而B箱光照时间不增加(仅6 h)，温度起点较低(20 ℃)且降至更低(10 ℃)，温度胁迫比A箱严重，但B箱各处理的生物量却比A箱高出3倍以上。这表明光照强度的影响更大，光照条件好可抗御光照更短、温度更低的胁迫。

作物对于低温寡照的耐受是有一定限度的。试验结果表明，两个弱光处理(A箱和C箱)的胁迫已经接近或达到玉米耐受的临界点，其正常生理代谢被严重干扰，技术调控难以取得效果。如果适当改善A箱的光温胁迫，将低温调至20 ℃，低温历程天数缩短，光照时间由6 h延长至11 h左右，微生物的抗逆效果将表现得更好。前期研究也表明，在不太严酷的光温条件下，微生物抗逆效果比对照处理的优势更为明显^[18]。

3.2 光照条件对微生物抗逆效果的影响

由A、B两箱的生物量及照片(图 3~图 5)可知：在弱光和全光条件下，T2、T3处理的效果均优于CK处理的，其中微生物的抗逆效果根据不同光照有所变化。在全光照(B箱)条件下，碳亏缺因光照条件好得以缓解，T1处理的肥效相对提升，而微生物处理的补碳优势相对下降，但仍然高于CK处理的；在弱光照(A箱和C箱)碳亏缺条件下，T2、T3处理的补碳作用得以凸显，抗逆优势更明显，肥效不仅优于CK处理的，还优于T1处理的，但差异不大，这与光温胁迫接近临界点有关。如果胁迫条件较轻^[18]，微生物的抗逆境作用将发挥得更好，效果会更明显。

3.3 需进一步研究的问题

作物光合作用最佳温度的下限是25 ℃，正常生长温度的下限是10~15 ℃^{[11, 21]}。A、C两箱的光温胁迫严重，已达到或超过玉米耐受的临界点。实际上，华南地区寒潮持续时间一般在6 d左右，且较少出现温度低于10 ℃的情况。今后的研究宜将光照时间调整至9~10 h，温度调整至10~15 ℃，低温胁迫持续期适当缩短至8 d以内，使其更符合华南地区早春农事工作的光温条件，得到的试验结果对于生产实际更有参考价值。

试验考察了光照条件对抗低温效果的影响，但低温条件对抗光照胁迫的影响尚不明确。今后应继续研究两者的相互关系，为低温寡照条件下的施肥抗逆提供更全面的科学依据。在初步揭示微生物肥料对低温寡照抗逆能力的基础上，从筛选优良菌株、改进施用方法(浓度、次数)等方面进行优化，进一步提升微生物的抗逆效果。本成果源于解钾菌活化钾长石的研究，今后的深入研究并不局限在解钾菌的活化效果，还可扩展到研究各类微生物及其分泌物的抗光温逆境作用。

3.4 微生物抗光温胁迫研究的意义

自然生态系统中的光温条件并非一直处于对农作物的最佳状态，因季节、气候和山区地形的影响，经常出现程度不一的光温逆境，这是作物增产的重要限制因子^{[6, 9, 20]}，春季的低温寡照尤其明显。试验结果和相关研究表明，微生物活化钾长石在全钾量较低的情况下，能够取得不亚于氯化钾的肥效^{[8, 20]}，这不仅与钾营养的活化有关，还与微生物的抗逆功能有关。深入研究微生物肥料的光温抗逆功能，将为抵御气象灾害、开拓技术创新提供更大的思考空间，并进一步促进施肥抗逆技术的发展。

4 结语

(1) 微生物活化钾长石在全光、弱光条件下的肥效均优于化肥的，说明微生物处理不仅能活化钾元素，而且还具有抗光温逆境的作用。

(2) 低温寡照是作物增产的重要限制因子，深入研究微生物对光温胁迫的抗逆作用，可为作物高产施肥和抵御气象灾害提供新的科技支撑，在学术研究和技术开发方面都具有重要的意义。

(3) 光温逆境因子可相互影响，改善光照强度可有效抗御低温胁迫。

本研究为认识微生物的抗光温逆境的功能提供了初步的试验依据。开展微生物抗光温胁迫的研究，是新型肥料的重要发展方向，将为作物高产施肥和抵御气候灾害提供新的科技支撑。

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