微生物肥料在土壤肥力提高中的作用

微生物肥料是指含有活微生物的特定產(chǎn)品，用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，能獲得特定的肥料效果，在產(chǎn)生這種效果的過程中，生物化學(xué)中的活微生物起著重要作用。這個定義十分科學(xué)和高度準(zhǔn)確地概括了微生物肥料的意義、作用和內(nèi)容。微生物肥料作為一種新型肥料,施入土壤后,通過其特定菌株的快速繁殖,能固定大氣中的氮素、釋放土壤中固定態(tài)的磷、鉀元素,使得環(huán)境的養(yǎng)分潛力得以充分發(fā)揮,并為作物生長營造一個良好的土壤微生物環(huán)境,在減少化肥用量、降低環(huán)境污染、提高農(nóng)作物品質(zhì)等方面具有重要意義。尤其是集固氮、解磷、解鉀和作物生長刺激素于一身的復(fù)合微生物肥料的研發(fā),在農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中有舉足輕重的作用。1微生物肥料的作用1.1參與自然養(yǎng)分生物化學(xué)循環(huán)過程,推動其自然元素的循環(huán)微生物作為自然生態(tài)系統(tǒng)的基本組分,履行著主要分解者的作用,是物質(zhì)循環(huán)的重要一環(huán),推動著自然界養(yǎng)分元素的生物化學(xué)循環(huán)過程,是大自然中元素的平衡者。如果沒有微生物的作用,物質(zhì)循環(huán)過程便會中斷,地球上的動、植物殘體和廢物也將堆積如山,生態(tài)系統(tǒng)就不可能持續(xù)發(fā)展下去,沒有微生物,高等生物和人類也難以持續(xù)發(fā)展下去。1.2土壤微生物變化在土壤———植物生態(tài)系統(tǒng)中,微生物對土壤肥力的作用至關(guān)重要。微生物一方面分解有機(jī)物質(zhì)形成腐殖質(zhì)并釋放出養(yǎng)分,另一方面又轉(zhuǎn)化土壤碳素和固定無機(jī)營養(yǎng)元素。土壤微生物對于系統(tǒng)中的養(yǎng)分循環(huán)和植物有效性主要有兩方面的作用:一是微生物自身含有一定數(shù)量的C、N、P、S等,可看成一個有效養(yǎng)分的儲備庫,土壤生物量(包括土壤微生物量和土壤動物生物量)本身就是一個養(yǎng)分貯藏庫,具有“源與匯”的調(diào)控功能,它對土壤養(yǎng)分具有貯存和調(diào)節(jié)作用;二是土壤微生物通過其新陳代謝推動著這些元素的轉(zhuǎn)化與活動。1.3am菌根真菌吸收利用金屬蛋白微生物肥料中最重要的品種之一是根瘤菌肥料,施用后,其中的根瘤菌可以浸染豆科植物根部,在其根上形成根瘤。生活在根瘤里的根瘤菌類菌體利用豆科植物宿主提供的能量將空氣中的氮分子轉(zhuǎn)化成氨,進(jìn)而轉(zhuǎn)化成谷氨酰膠和谷氨酸類植物能吸收利用的優(yōu)質(zhì)氮素,供給豆科植物一生中氮素的主要需求。AM菌根真菌可與多種植物根系共生,真菌菌絲可以吸收更多的營養(yǎng)供給植物吸收利用,其中以對磷的吸收最明顯。研究證明,AM真菌對在土壤中活動性差、移動緩慢的元素如鋅、銅、鈣等元素也有加強(qiáng)吸收的作用。1.4生長素和氨基酸許多用作微生物肥料生產(chǎn)的微生物種類在生長繁殖過程中產(chǎn)生對植物有益的代謝產(chǎn)物,如生長素,吲哚乙酸,赤霉素,多種維生素,氨基酸等等,能夠刺激和調(diào)節(jié)作物生長,使植物生長健壯,營養(yǎng)狀況改善,進(jìn)而有增產(chǎn)效果。1.5微生物及抗菌素類物質(zhì)研究證明,多種微生物可以誘導(dǎo)植物的過氧化物酶,多酚氧化酶,苯甲氨酸解氨酶,脂氧合酶,幾丁質(zhì)酶,β-1,3-葡聚糖酶等參與植物防御反應(yīng),利于防病、抗病,有的微生物種類還能產(chǎn)生抗菌素類物質(zhì)有的則是由于在植物根區(qū)形成優(yōu)勢種群,使病原微生物難以生長繁殖而降低了作物病蟲害的發(fā)生。1.6根瘤菌接種劑許多微生物肥料使用后對作物品質(zhì)有良好的影響。研究證明,與豆科作物共生的根瘤菌固定的氮素主要輸往籽粒,因此使用根瘤菌接種劑以后豆科作物籽粒蛋白質(zhì)含量提高。有的微生物肥料使用后可增加產(chǎn)品中的維生素C或糖分或氨基酸含量,有的則可提高蔬菜品質(zhì)或使作物的硝酸鹽含量降低。1.7微生物肥料的功能微生物肥料是將某些有益微生物經(jīng)大量人工培養(yǎng)制成的生物肥料,又稱菌肥、菌劑、接種劑。其原理是利用微生物的生命活動來增加土壤中的氮素或有效磷、鉀的含量,或?qū)⑼寥乐幸恍┳魑锊荒苤苯永玫奈镔|(zhì),轉(zhuǎn)換成可被吸收利用的營養(yǎng)物質(zhì),或提高作物的生產(chǎn)刺激物質(zhì),或抑制植物病原菌的活動,從而提高土壤肥力,改善作物的營養(yǎng)條件,提高作物產(chǎn)量。根據(jù)其肥料功效大致可分為以下幾類:(1)增加土壤氮素和作物氮素營養(yǎng)的菌肥,如根瘤菌肥、固氮菌肥、固氮藍(lán)藻等:(2)分解土壤有機(jī)質(zhì)的菌肥,如有機(jī)磷細(xì)菌肥料,綜合性菌肥:(3)分解土壤難溶性礦物質(zhì)的菌肥,如無機(jī)磷細(xì)菌肥料、鉀細(xì)菌菌肥;(4)刺激植物生長的菌肥,如抗生菌肥料;(5)增加作物根吸收營養(yǎng)能力的菌肥,如菌根菌肥料。微生物肥料對土壤和植物的作用主要有以下幾點:(1)增進(jìn)土壤肥力;(2)制造和協(xié)助農(nóng)作物的吸收營養(yǎng);(3)增強(qiáng)作物的抗病和抗旱能力。2其他微生物肥料微生物肥料的種類較多,按照制品中特定的微生物種類可分為細(xì)菌肥料(如根瘤菌肥、固氮菌肥)、放線菌肥料(如抗生菌肥料)、真菌類肥料(如菌根真菌);按其作用機(jī)理分為根瘤菌肥料、固氮菌肥料(自生或聯(lián)合共生類)、解磷菌類肥料、硅酸鹽菌類肥料;按其制品內(nèi)含分為單一的微生物肥料和復(fù)合(或復(fù)混)微生物肥料。復(fù)合(或復(fù)混)微生物肥料又有菌、菌復(fù)合,也有菌和各種添加劑復(fù)合的。我國目前市場上出現(xiàn)的品種主要有:固氮菌類肥料、根瘤菌肥料類、解磷微生物肥料、硅酸鹽細(xì)菌肥料、芽胞桿菌制劑、分解作物秸稈制劑、微生物生長調(diào)節(jié)制劑、復(fù)合微生物肥料等種類。除此以外,還有一些其他微生物肥料,有的正在研究,有的則由于多種原因其應(yīng)用受到限制,例如:AM菌根真菌肥料。使用的菌種包括由內(nèi)囊霉科多數(shù)屬、種形成的泡囊一叢枝菌根(Vesiculararhuscularmycorrhiza),簡稱AM真菌,還有擔(dān)子菌類及少數(shù)千囊菌形成的外生菌根。與農(nóng)業(yè)關(guān)系密切的為AM真菌,目前的土法生產(chǎn)己能夠解決小批量生產(chǎn)問題,用于名貴花卉、苗木、藥材,顯示了較好的應(yīng)用前景。但大面積的實際應(yīng)用尚待時日,產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品質(zhì)量問題亦需進(jìn)一步解決。抗生菌肥料。系指用分泌抗菌物質(zhì)和刺激素的微生物制成的肥料產(chǎn)品,使用菌種通常是放線菌,如細(xì)黃鏈霉菌(Streptomycesjingyangesis)。我國應(yīng)用多年的“5406”即屬此類,應(yīng)用后不僅有肥效作用而且能抑制一些作物病害,刺激和調(diào)節(jié)作物生長。由于生產(chǎn)過程的諸多不便,其土法制劑已幾乎無人生產(chǎn),現(xiàn)在工藝有新的發(fā)展,出現(xiàn)了以原菌種生產(chǎn)作物促生菌劑的產(chǎn)品。產(chǎn)生CO2的微生物制劑。在塑料大棚生產(chǎn)地區(qū)或設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)的地區(qū),冬季棚內(nèi)通風(fēng)不良常造成CO2濃度不足,作物光合作用不足,產(chǎn)量下降。補(bǔ)充CO2的方式常常采用鋼瓶CO2通氣、燃燒補(bǔ)充CO2,濃硫酸與碳酸氫銨反應(yīng)產(chǎn)生CO2等方法,雖然可以奏效,但也有成本、安全等方面的問題。利用微生物分解底物產(chǎn)生CO2的產(chǎn)品已經(jīng)問世,據(jù)反映效果不錯。但也有需要篩選更好的菌種,進(jìn)一步降低成本,尤其是無土栽培條件下調(diào)控產(chǎn)CO2的量等方面的問題還應(yīng)解決好。此外,還有人在研究、試驗通過競爭抑制的原理,消除冰核細(xì)菌所造成的凍害,以及開發(fā)成產(chǎn)品的可能性。3微生物肥料及其應(yīng)用人類對微生物的認(rèn)識始于16世紀(jì)荷蘭人列文·虎克發(fā)明顯微鏡,使得人類通過肉眼直觀地看到微生物的存在。19世紀(jì)50年代,巴斯德奠定了微生物研究的理論基礎(chǔ)。自20世紀(jì)以來,由于生物化學(xué)、分子生物學(xué)和化學(xué)分析技術(shù)等學(xué)科的發(fā)展,促進(jìn)了微生物研究從細(xì)胞水平、亞細(xì)胞水平進(jìn)入分子水平,尤其是70年代遺傳工程學(xué)的發(fā)展,使人類能夠通過細(xì)胞融合、基因?qū)氲燃夹g(shù)創(chuàng)造滿足不同要求的新物種,為微生物產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展提供了堅實的理論基礎(chǔ)。在維諾格拉得斯基、貝格林克等人發(fā)現(xiàn)固氮菌后,Noble和Hilter(1905)首次將根瘤菌應(yīng)用于生產(chǎn),開創(chuàng)了生物制劑研究與應(yīng)用之先河。1930年和1935年前蘇聯(lián)學(xué)者從土壤中相繼分離出硅酸鹽細(xì)菌和解磷菌。田間試驗結(jié)果表明,由于解磷菌的使用可以使土壤有效磷含量提高15%~42%。進(jìn)入20世紀(jì)60年代后,世界各國都在加強(qiáng)對該領(lǐng)域的研究,美、法等國將固氮螺菌接種禾本科作物,使玉米增產(chǎn)10%~20%,固氮39kg/hm2。意、德、比利時試驗報告:玉米接種固氮螺菌可取代20%~30%氮肥。我國政府歷來注重微生物肥料的開發(fā),1958年在我國農(nóng)業(yè)發(fā)展綱要中確立細(xì)菌肥料是一項重要農(nóng)業(yè)技術(shù);1995年我國率先應(yīng)用2,4-D和酶解法誘導(dǎo)結(jié)瘤技術(shù)將根瘤菌導(dǎo)入小麥、水稻等作物,并產(chǎn)生共生固氮,小麥增產(chǎn)15%,水稻增產(chǎn)15%~28%。浙江農(nóng)科院邊武英利用自選解磷菌(PEM)研究對專性吸附磷的活化能力及機(jī)理,結(jié)果表明,PEM能有效利用礦質(zhì)吸附磷,微生物利用率和轉(zhuǎn)化率分別達(dá)到57.5%和61.7%。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)王平等在小麥根圈土壤中成功分離出對土傳根腐病原菌和全蝕病原菌具有較強(qiáng)拮抗作用的2個菌株;浙江大學(xué)陳曉斌等將分離出的PG-PR菌株應(yīng)用于黃瓜幼苗,證實PGPR促生作用與防病作用具有一致性。近年來,由于PGPR理論的提出與完善,使人們的目光開始投向由多個不同功能菌株組成的微生物復(fù)合制劑的研制,由復(fù)合制劑制成的生物肥料除具有固氮、解磷、解鉀功效外,兼具促進(jìn)作物生長及抑制土傳病害發(fā)生的功能。該生物肥的研制與應(yīng)用,將有效降低化肥、農(nóng)藥的使用量,提高土壤中PGPR數(shù)量,保護(hù)生態(tài)環(huán)境,為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展做出積極的貢獻(xiàn)。在微生物肥料應(yīng)用方面,1996年農(nóng)業(yè)部將微生物肥料生產(chǎn)納入肥料管理的范疇,2003年已正式出臺7個行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),截止2002年末,已有262個產(chǎn)品獲得農(nóng)業(yè)部的臨時登記,46個產(chǎn)品獲得正式登記,使用有益微生物超過80種,生產(chǎn)企業(yè)400多家,總產(chǎn)超過200萬t。大面積的應(yīng)用結(jié)果表明,微生物肥料在增產(chǎn)、降低成本、減少化肥使用、改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)等方面有著良好作用。迄今為止,微生物肥料己在世界上60多個國家推廣應(yīng)用,這些國家和地區(qū)主要分布在亞洲、南美洲、歐洲和非洲等。我國已有微生物肥料的生產(chǎn)廠家?guī)资?年產(chǎn)微生物肥超過1000t,使用面積已超過167×104km。我國微生物肥料的研究已躋身世界先進(jìn)行列,已經(jīng)面市的幾個產(chǎn)品為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展作出了積極的貢獻(xiàn),極大的推動了微生物肥料的研究與發(fā)展,但必須清醒的認(rèn)識到為順應(yīng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展而研制的微生物肥料具有極其光明的應(yīng)用前景,但其進(jìn)入市場的時間較短,其功能的發(fā)揮還沒有盡善盡美,任何夸大其詞的宣傳和研究上的止步不前都是相當(dāng)有害的。從發(fā)展持續(xù)農(nóng)業(yè)、有機(jī)農(nóng)業(yè)、生態(tài)農(nóng)業(yè)的角度出發(fā),從發(fā)展無污染、無公害的綠色食品生產(chǎn)的角度出發(fā),從減少化肥和農(nóng)藥的使用,減少和降低環(huán)境污染角度出發(fā),從減輕農(nóng)民負(fù)擔(dān),降低生產(chǎn)成本的角度出發(fā),微生物肥料應(yīng)該有良好的應(yīng)用前景。隨著生物技術(shù)的發(fā)展和高新技術(shù)的滲透,微生物肥料也有良好的生產(chǎn)應(yīng)用前景。1995年泰國一位科學(xué)家來華考察生物固氮農(nóng)業(yè)應(yīng)用,他發(fā)現(xiàn)豆科作物根瘤菌接種技術(shù)這樣一個在發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家都普遍看好的投入低、產(chǎn)出高的技術(shù),在中國幾乎無人使用,他認(rèn)為中國每年僅種植大豆800×104hm2,如果能普遍接種,而不使用氮素化肥,則一年可以避免5000萬美元的浪費。另外,最近10年我國化肥總用量增加了90.7%,而糧食總產(chǎn)量僅增加了9.1%,氮素化肥的損失率高達(dá)45%,這意味著年損失1000億元以上和大量的能源被浪費。由于大量和不合理施用化肥,地下水的污染也日趨嚴(yán)重,這些都給發(fā)展有機(jī)肥料、微生物肥料提供了一個良好的發(fā)展空間。4目前，我國微肥的開發(fā)與應(yīng)用存在諸多方面4.1表面張力的研究長期以來,在土壤微生物研究領(lǐng)域十分注重根瘤菌的固氮作用,傾注了大量的人力物力,其研究已達(dá)分子水平。但對自然界中普遍存在的自生固氮菌、磷細(xì)菌、鉀細(xì)菌及其它PGPR菌株重視不夠,缺乏必要的基礎(chǔ)研究,對其作用機(jī)理、抗菌譜帶、功能基因等缺乏系統(tǒng)的研究,嚴(yán)重制約微生物肥料的開發(fā)工作。4.2菌種雜菌總數(shù)高許多廠家微生物制劑的生產(chǎn)設(shè)備簡陋,技術(shù)工藝落后,培養(yǎng)基質(zhì)不滅菌,開放式接菌和培養(yǎng),導(dǎo)致產(chǎn)品有效菌數(shù)量不穩(wěn)定,活力差,雜菌基數(shù)過高,保質(zhì)期短。4.3菌株相互出現(xiàn),難以形成微生物肥料所采取的菌劑是由目標(biāo)菌和輔助菌共同構(gòu)成的復(fù)合菌劑,進(jìn)入土壤后在土壤菌的輔助下,能夠穩(wěn)定繁殖,并最終在根圈或土體中形成優(yōu)勢菌。若所選菌株不能互相提攜或彼此拮抗,勢必導(dǎo)致目標(biāo)菌在土壤中難以很好存活和繁殖,從而嚴(yán)重制約微生物肥料功能的發(fā)揮。這是導(dǎo)致目前微生物肥肥效不穩(wěn)定的重要因素之一。4.4明確目標(biāo)菌在土壤的繁殖情況對于目標(biāo)效能測定應(yīng)制定出統(tǒng)一而規(guī)范的測定方法。由于目標(biāo)菌能否在土壤中形成優(yōu)勢菌顯得十分重要,因此在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)當(dāng)明確目標(biāo)菌在田間繁殖的量化指標(biāo)。生產(chǎn)所采用菌株,必須按照規(guī)范方法確定在生物學(xué)中的位置。5微生物及其他不能混養(yǎng)菌株的研究(1)成立國家生物肥菌種資源庫。在自然界中存在的具有某一特定功能如固氮、解磷、解鉀等功能的菌株有許多,作為一種特定的菌種資源,國家應(yīng)通過專門機(jī)構(gòu)廣泛收集現(xiàn)有菌種,組織科技人員在各種自然環(huán)境下篩選出新菌株,成立生物肥菌種資源庫,通過系統(tǒng)規(guī)范的試驗確定生物肥標(biāo)準(zhǔn)菌種,為將來菌種的開發(fā)提供對照。(2)解鉀機(jī)理進(jìn)行深入研究,確定功能基因的結(jié)構(gòu)與位置,通過基因工程技術(shù)創(chuàng)造新的對微生物固氮、解磷、高效能菌株。(3)驗證菌株進(jìn)入土壤后對物理、化學(xué)及生物環(huán)境的適應(yīng)性,包括干旱、厭氣環(huán)境、高滲透壓、來自土壤微生物的競爭及對不同作物的適應(yīng)能力。(4)由多個不同功能PGPR菌株組成的微生物復(fù)合制劑的研制,通過田間試驗,搞清各菌株在大田環(huán)境條件下的協(xié)調(diào)共生能力、生長規(guī)律、及與作物生長的匹配性,確定制劑的最佳微生物組合。(5)微生物肥料中化肥添加量及使用品種研究。作為一微生物為主體的肥料,化肥的添加對菌種本身不應(yīng)產(chǎn)生過多的傷害,對菌種的篩選及馴化就顯得非常重要。我國目前化肥實際施用量達(dá)到1.2×108t,而微生物肥料年產(chǎn)量僅100萬t(接種劑僅10%左右,青海省微生物肥料生