微生物肥料在土壤肥力提高中的作用

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产品，用于农业生产，能获得特定的肥料效果，在产生这种效果的过程中，生物化学中的活微生物起着重要作用。这个定义十分科学和高度准确地概括了微生物肥料的意义、作用和内容。微生物肥料作为一种新型肥料,施入土壤后,通过其特定菌株的快速繁殖,能固定大气中的氮素、释放土壤中固定态的磷、钾元素,使得环境的养分潜力得以充分发挥,并为作物生长营造一个良好的土壤微生物环境,在减少化肥用量、降低环境污染、提高农作物品质等方面具有重要意义。尤其是集固氮、解磷、解钾和作物生长刺激素于一身的复合微生物肥料的研发,在农业可持续发展中有举足轻重的作用。1微生物肥料的作用1.1参与自然养分生物化学循环过程,推动其自然元素的循环微生物作为自然生态系统的基本组分,履行着主要分解者的作用,是物质循环的重要一环,推动着自然界养分元素的生物化学循环过程,是大自然中元素的平衡者。如果没有微生物的作用,物质循环过程便会中断,地球上的动、植物残体和废物也将堆积如山,生态系统就不可能持续发展下去,没有微生物,高等生物和人类也难以持续发展下去。1.2土壤微生物变化在土壤———植物生态系统中,微生物对土壤肥力的作用至关重要。微生物一方面分解有机物质形成腐殖质并释放出养分,另一方面又转化土壤碳素和固定无机营养元素。土壤微生物对于系统中的养分循环和植物有效性主要有两方面的作用:一是微生物自身含有一定数量的C、N、P、S等,可看成一个有效养分的储备库,土壤生物量(包括土壤微生物量和土壤动物生物量)本身就是一个养分贮藏库,具有“源与汇”的调控功能,它对土壤养分具有贮存和调节作用;二是土壤微生物通过其新陈代谢推动着这些元素的转化与活动。1.3am菌根真菌吸收利用金属蛋白微生物肥料中最重要的品种之一是根瘤菌肥料,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类菌体利用豆科植物宿主提供的能量将空气中的氮分子转化成氨,进而转化成谷氨酰胶和谷氨酸类植物能吸收利用的优质氮素,供给豆科植物一生中氮素的主要需求。AM菌根真菌可与多种植物根系共生,真菌菌丝可以吸收更多的营养供给植物吸收利用,其中以对磷的吸收最明显。研究证明,AM真菌对在土壤中活动性差、移动缓慢的元素如锌、铜、钙等元素也有加强吸收的作用。1.4生长素和氨基酸许多用作微生物肥料生产的微生物种类在生长繁殖过程中产生对植物有益的代谢产物,如生长素,吲哚乙酸,赤霉素,多种维生素,氨基酸等等,能够刺激和调节作物生长,使植物生长健壮,营养状况改善,进而有增产效果。1.5微生物及抗菌素类物质研究证明,多种微生物可以诱导植物的过氧化物酶,多酚氧化酶,苯甲氨酸解氨酶,脂氧合酶,几丁质酶,β-1,3-葡聚糖酶等参与植物防御反应,利于防病、抗病,有的微生物种类还能产生抗菌素类物质有的则是由于在植物根区形成优势种群,使病原微生物难以生长繁殖而降低了作物病虫害的发生。1.6根瘤菌接种剂许多微生物肥料使用后对作物品质有良好的影响。研究证明,与豆科作物共生的根瘤菌固定的氮素主要输往籽粒,因此使用根瘤菌接种剂以后豆科作物籽粒蛋白质含量提高。有的微生物肥料使用后可增加产品中的维生素C或糖分或氨基酸含量,有的则可提高蔬菜品质或使作物的硝酸盐含量降低。1.7微生物肥料的功能微生物肥料是将某些有益微生物经大量人工培养制成的生物肥料,又称菌肥、菌剂、接种剂。其原理是利用微生物的生命活动来增加土壤中的氮素或有效磷、钾的含量,或将土壤中一些作物不能直接利用的物质,转换成可被吸收利用的营养物质,或提高作物的生产刺激物质,或抑制植物病原菌的活动,从而提高土壤肥力,改善作物的营养条件,提高作物产量。根据其肥料功效大致可分为以下几类:(1)增加土壤氮素和作物氮素营养的菌肥,如根瘤菌肥、固氮菌肥、固氮蓝藻等:(2)分解土壤有机质的菌肥,如有机磷细菌肥料,综合性菌肥:(3)分解土壤难溶性矿物质的菌肥,如无机磷细菌肥料、钾细菌菌肥;(4)刺激植物生长的菌肥,如抗生菌肥料;(5)增加作物根吸收营养能力的菌肥,如菌根菌肥料。微生物肥料对土壤和植物的作用主要有以下几点:(1)增进土壤肥力;(2)制造和协助农作物的吸收营养;(3)增强作物的抗病和抗旱能力。2其他微生物肥料微生物肥料的种类较多,按照制品中特定的微生物种类可分为细菌肥料(如根瘤菌肥、固氮菌肥)、放线菌肥料(如抗生菌肥料)、真菌类肥料(如菌根真菌);按其作用机理分为根瘤菌肥料、固氮菌肥料(自生或联合共生类)、解磷菌类肥料、硅酸盐菌类肥料;按其制品内含分为单一的微生物肥料和复合(或复混)微生物肥料。复合(或复混)微生物肥料又有菌、菌复合,也有菌和各种添加剂复合的。我国目前市场上出现的品种主要有:固氮菌类肥料、根瘤菌肥料类、解磷微生物肥料、硅酸盐细菌肥料、芽胞杆菌制剂、分解作物秸秆制剂、微生物生长调节制剂、复合微生物肥料等种类。除此以外,还有一些其他微生物肥料,有的正在研究,有的则由于多种原因其应用受到限制,例如:AM菌根真菌肥料。使用的菌种包括由内囊霉科多数属、种形成的泡囊一丛枝菌根(Vesiculararhuscularmycorrhiza),简称AM真菌,还有担子菌类及少数千囊菌形成的外生菌根。与农业关系密切的为AM真菌,目前的土法生产己能够解决小批量生产问题,用于名贵花卉、苗木、药材,显示了较好的应用前景。但大面积的实际应用尚待时日,产品标准和产品质量问题亦需进一步解决。抗生菌肥料。系指用分泌抗菌物质和刺激素的微生物制成的肥料产品,使用菌种通常是放线菌,如细黄链霉菌(Streptomycesjingyangesis)。我国应用多年的“5406”即属此类,应用后不仅有肥效作用而且能抑制一些作物病害,刺激和调节作物生长。由于生产过程的诸多不便,其土法制剂已几乎无人生产,现在工艺有新的发展,出现了以原菌种生产作物促生菌剂的产品。产生CO2的微生物制剂。在塑料大棚生产地区或设施农业发达的地区,冬季棚内通风不良常造成CO2浓度不足,作物光合作用不足,产量下降。补充CO2的方式常常采用钢瓶CO2通气、燃烧补充CO2,浓硫酸与碳酸氢铵反应产生CO2等方法,虽然可以奏效,但也有成本、安全等方面的问题。利用微生物分解底物产生CO2的产品已经问世,据反映效果不错。但也有需要筛选更好的菌种,进一步降低成本,尤其是无土栽培条件下调控产CO2的量等方面的问题还应解决好。此外,还有人在研究、试验通过竞争抑制的原理,消除冰核细菌所造成的冻害,以及开发成产品的可能性。3微生物肥料及其应用人类对微生物的认识始于16世纪荷兰人列文·虎克发明显微镜,使得人类通过肉眼直观地看到微生物的存在。19世纪50年代,巴斯德奠定了微生物研究的理论基础。自20世纪以来,由于生物化学、分子生物学和化学分析技术等学科的发展,促进了微生物研究从细胞水平、亚细胞水平进入分子水平,尤其是70年代遗传工程学的发展,使人类能够通过细胞融合、基因导入等技术创造满足不同要求的新物种,为微生物产业的进一步发展提供了坚实的理论基础。在维诺格拉得斯基、贝格林克等人发现固氮菌后,Noble和Hilter(1905)首次将根瘤菌应用于生产,开创了生物制剂研究与应用之先河。1930年和1935年前苏联学者从土壤中相继分离出硅酸盐细菌和解磷菌。田间试验结果表明,由于解磷菌的使用可以使土壤有效磷含量提高15%~42%。进入20世纪60年代后,世界各国都在加强对该领域的研究,美、法等国将固氮螺菌接种禾本科作物,使玉米增产10%~20%,固氮39kg/hm2。意、德、比利时试验报告:玉米接种固氮螺菌可取代20%~30%氮肥。我国政府历来注重微生物肥料的开发,1958年在我国农业发展纲要中确立细菌肥料是一项重要农业技术;1995年我国率先应用2,4-D和酶解法诱导结瘤技术将根瘤菌导入小麦、水稻等作物,并产生共生固氮,小麦增产15%,水稻增产15%~28%。浙江农科院边武英利用自选解磷菌(PEM)研究对专性吸附磷的活化能力及机理,结果表明,PEM能有效利用矿质吸附磷,微生物利用率和转化率分别达到57.5%和61.7%。华中农业大学王平等在小麦根圈土壤中成功分离出对土传根腐病原菌和全蚀病原菌具有较强拮抗作用的2个菌株;浙江大学陈晓斌等将分离出的PG-PR菌株应用于黄瓜幼苗,证实PGPR促生作用与防病作用具有一致性。近年来,由于PGPR理论的提出与完善,使人们的目光开始投向由多个不同功能菌株组成的微生物复合制剂的研制,由复合制剂制成的生物肥料除具有固氮、解磷、解钾功效外,兼具促进作物生长及抑制土传病害发生的功能。该生物肥的研制与应用,将有效降低化肥、农药的使用量,提高土壤中PGPR数量,保护生态环境,为农业可持续发展做出积极的贡献。在微生物肥料应用方面,1996年农业部将微生物肥料生产纳入肥料管理的范畴,2003年已正式出台7个行业标准,截止2002年末,已有262个产品获得农业部的临时登记,46个产品获得正式登记,使用有益微生物超过80种,生产企业400多家,总产超过200万t。大面积的应用结果表明,微生物肥料在增产、降低成本、减少化肥使用、改善农产品品质等方面有着良好作用。迄今为止,微生物肥料己在世界上60多个国家推广应用,这些国家和地区主要分布在亚洲、南美洲、欧洲和非洲等。我国已有微生物肥料的生产厂家几十家,年产微生物肥超过1000t,使用面积已超过167×104km。我国微生物肥料的研究已跻身世界先进行列,已经面市的几个产品为农业生产的发展作出了积极的贡献,极大的推动了微生物肥料的研究与发展,但必须清醒的认识到为顺应农业可持续发展而研制的微生物肥料具有极其光明的应用前景,但其进入市场的时间较短,其功能的发挥还没有尽善尽美,任何夸大其词的宣传和研究上的止步不前都是相当有害的。从发展持续农业、有机农业、生态农业的角度出发,从发展无污染、无公害的绿色食品生产的角度出发,从减少化肥和农药的使用,减少和降低环境污染角度出发,从减轻农民负担,降低生产成本的角度出发,微生物肥料应该有良好的应用前景。随着生物技术的发展和高新技术的渗透,微生物肥料也有良好的生产应用前景。1995年泰国一位科学家来华考察生物固氮农业应用,他发现豆科作物根瘤菌接种技术这样一个在发达国家和发展中国家都普遍看好的投入低、产出高的技术,在中国几乎无人使用,他认为中国每年仅种植大豆800×104hm2,如果能普遍接种,而不使用氮素化肥,则一年可以避免5000万美元的浪费。另外,最近10年我国化肥总用量增加了90.7%,而粮食总产量仅增加了9.1%,氮素化肥的损失率高达45%,这意味着年损失1000亿元以上和大量的能源被浪费。由于大量和不合理施用化肥,地下水的污染也日趋严重,这些都给发展有机肥料、微生物肥料提供了一个良好的发展空间。4目前，我国微肥的开发与应用存在诸多方面4.1表面张力的研究长期以来,在土壤微生物研究领域十分注重根瘤菌的固氮作用,倾注了大量的人力物力,其研究已达分子水平。但对自然界中普遍存在的自生固氮菌、磷细菌、钾细菌及其它PGPR菌株重视不够,缺乏必要的基础研究,对其作用机理、抗菌谱带、功能基因等缺乏系统的研究,严重制约微生物肥料的开发工作。4.2菌种杂菌总数高许多厂家微生物制剂的生产设备简陋,技术工艺落后,培养基质不灭菌,开放式接菌和培养,导致产品有效菌数量不稳定,活力差,杂菌基数过高,保质期短。4.3菌株相互出现,难以形成微生物肥料所采取的菌剂是由目标菌和辅助菌共同构成的复合菌剂,进入土壤后在土壤菌的辅助下,能够稳定繁殖,并最终在根圈或土体中形成优势菌。若所选菌株不能互相提携或彼此拮抗,势必导致目标菌在土壤中难以很好存活和繁殖,从而严重制约微生物肥料功能的发挥。这是导致目前微生物肥肥效不稳定的重要因素之一。4.4明确目标菌在土壤的繁殖情况对于目标效能测定应制定出统一而规范的测定方法。由于目标菌能否在土壤中形成优势菌显得十分重要,因此在产品标准中应当明确目标菌在田间繁殖的量化指标。生产所采用菌株,必须按照规范方法确定在生物学中的位置。5微生物及其他不能混养菌株的研究(1)成立国家生物肥菌种资源库。在自然界中存在的具有某一特定功能如固氮、解磷、解钾等功能的菌株有许多,作为一种特定的菌种资源,国家应通过专门机构广泛收集现有菌种,组织科技人员在各种自然环境下筛选出新菌株,成立生物肥菌种资源库,通过系统规范的试验确定生物肥标准菌种,为将来菌种的开发提供对照。(2)解钾机理进行深入研究,确定功能基因的结构与位置,通过基因工程技术创造新的对微生物固氮、解磷、高效能菌株。(3)验证菌株进入土壤后对物理、化学及生物环境的适应性,包括干旱、厌气环境、高渗透压、来自土壤微生物的竞争及对不同作物的适应能力。(4)由多个不同功能PGPR菌株组成的微生物复合制剂的研制,通过田间试验,搞清各菌株在大田环境条件下的协调共生能力、生长规律、及与作物生长的匹配性,确定制剂的最佳微生物组合。(5)微生物肥料中化肥添加量及使用品种研究。作为一微生物为主体的肥料,化肥的添加对菌种本身不应产生过多的伤害,对菌种的筛选及驯化就显得非常重要。我国目前化肥实际施用量达到1.2×108t,而微生物肥料年产量仅100万t(接种剂仅10%左右,青海省微生物肥料生