解钾紫色非硫细菌提升杂交玉米产量与钾素吸收的潜力研究

《Heliyon》：Purple nonsulfur bacteria affect nutrient uptake, growth, and yield of hybrid maize by solubilizing potassium in dyked alluvial soil

本研究针对全球钾肥利用率低、土壤钾素固定严重的问题，以紫色非硫细菌(PNSB)作为钾素活化剂，在越南湄公河三角洲堤防冲积土中开展杂交玉米施肥试验。研究发现，施用75%钾肥配合三种K-PNSB混合菌剂可使玉米产量提高8.33%，土壤交换性钾增加34%，植株总钾吸收量提升30%。该成果为减少化学钾肥用量、实现可持续农业提供了创新解决方案。

　　

在当今全球粮食安全面临严峻挑战的背景下，玉米作为世界三大谷物之一，其产量稳定性直接关系到粮食供应体系。然而，在玉米种植过程中，钾元素的供应问题日益凸显——虽然土壤中钾元素总量丰富，但其中90-98%以矿物形态被固定，仅有1-2%能够被作物直接利用。这种"钾素悖论"现象在越南湄公河三角洲的酸性土壤中尤为突出，当地堤防冲积土中交换性钾含量低至0.25 meq/100g，远低于作物生长所需的最佳水平。

更令人担忧的是，传统解钾微生物虽然能够通过产生有机酸释放钾素，但这一过程往往导致土壤pH值进一步降低，这对于本就偏酸性的土壤无异于雪上加霜。与此同时，气候变化带来的土壤盐渍化和酸化问题正在加剧钾素固定，形成恶性循环。面对这一困境，研究人员将目光投向了具有独特适应能力的紫色非硫细菌(PNSB)，这类微生物不仅具备钾素活化能力，还能耐受多种环境压力，成为可持续农业发展的希望所在。

为了验证紫色非硫细菌在玉米种植中的实际效果，研究团队在Can Tho大学的网室条件下开展了一项精心设计的实验。研究选取了从安江省玉米田分离得到的三种高效解钾PNSB菌株：Cereibacter sphaeroides M-Sl-09、Rhodopseudomonas thermotolerans M-So-11和Rhodopseudomonas palustris M-So-14，以杂交玉米DK6919S为试验材料，在典型的堤防冲积土（Gleyic Fluvisols）中进行盆栽试验。

实验采用双因子设计，第一个因子为钾肥施用水平（当地推荐量的0%、25%、50%、75%和100%），第二个因子为细菌处理（不接菌、单菌株接种、三菌株混合接种）。每个处理设置重复，通过系统测量土壤化学性质、植株生长指标、产量构成要素和钾素吸收情况，全面评估PNSB菌剂的应用效果。研究人员采用原子吸收光谱法测定植株各部位钾含量，使用常规土壤分析方法监测土壤养分动态，并通过最大或然数法(MPN)追踪细菌在土壤中的定殖情况。

生长表现：研究结果显示，钾肥与PNSB的协同作用显著促进了玉米生长发育。与不施钾对照相比，施用75%钾肥配合PNSB混合菌剂使株高增加9.37%，绿叶数增加35.1%，叶片长度增加4.30%，穗位高度提高15.7%。特别值得注意的是，单施PNSB而不添加化学钾肥的处理，其生长指标也显著优于无肥无菌的对照组，证明PNSB本身就能提供有效的钾素营养。

产量构成：在产量性状方面，PNSB接种处理展现出明显优势。接种混合菌剂的玉米穗长增加5.42%，每行粒数增加9.12%，最终籽粒产量提高8.33%。通过方差分析发现，75%钾肥配合混合菌剂处理的产量（104.1 g/盆）与100%钾肥单施处理（97.8 g/盆）相当，表明确实可以通过微生物接种替代部分化学钾肥。

干物质积累：植株各器官的干物质分配也受到处理影响的显著影响。混合菌剂处理的地上部和地下部生物量均达到最高值，其中根系生物量（19.0 g/盆）比对照提高40.7%，表明PNSB接种促进了根系发育，增强了养分吸收能力。籽粒生物量在混合菌剂处理下达到90.2 g/盆，比对照提高6.7%。

钾素吸收：钾素吸收与利用效率的变化尤为引人注目。接种混合PNSB使植株总钾吸收量达到1113.6 mg/盆，比对照提高30.0%。各器官的钾含量分析显示，籽粒钾含量提高10.1%，叶片钾含量提高29.2%，根系钾含量提高25.3%。值得注意的是，无钾肥但接种混合PNSB的处理，其总钾吸收量（1013.1 mg/盆）与100%钾肥无菌处理相当，进一步证实了PNSB的钾素活化能力。

土壤改良：土壤化学性质的改变揭示了PNSB的作用机制。接种PNSB后，土壤pH_H2O提高5.79%，电导率(EC)降低18.0%，铵态氮(NH₄⁺)增加52.8%，速效磷提高18.7%，交换性钾提升34.0%。同时，难溶性磷（Ca-P）含量下降10.9%，说明PNSB不仅活化钾素，还促进了磷素的转化利用。土壤中PNSB数量监测显示，接种处理菌密度达到4.84 MPN/g干土，显著高于对照（3.74 MPN/g干土），证明外源菌株能够在土壤中成功定殖。

研究结论明确显示，三种解钾紫色非硫细菌菌株能够有效替代25%的化学钾肥用量，在维持玉米产量的同时提高钾素利用效率。这一发现对可持续农业发展具有重要意义：首先，PNSB作为多功能生物肥料，不仅解决钾素固定问题，还能改善土壤健康状态；其次，混合菌剂表现出优于单菌株的协同效应，为复合微生物肥料开发提供了新思路；最后，PNSB对环境压力的耐受性使其在气候变化背景下具有广阔应用前景。

然而，研究人员也指出，PNSB促进作物生长的具体分子机制仍有待阐明，钾素活化的生化途径需要进一步探索。未来研究应着重于田间验证试验和作用机制解析，以期建立完整的PNSB生物肥料应用技术体系。这项发表在《Heliyon》上的研究为减少农业对化学肥料的依赖、实现粮食安全生产提供了切实可行的技术路径，展现了微生物肥料在可持续农业中的巨大潜力。