微生物肥料的研究與應(yīng)用新進(jìn)展

微生物肥料的研究與應(yīng)用新進(jìn)展

近世紀(jì)以來，化肥的使用對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生了重大貢獻(xiàn)，但長期以來，對(duì)化肥和農(nóng)業(yè)肥料的依賴過多，導(dǎo)致了巨大的不可能耗浪費(fèi)。農(nóng)田有機(jī)質(zhì)不足，土壤硬化，肥力下降，農(nóng)業(yè)質(zhì)量下降，食品和地下水等環(huán)境變化越來越嚴(yán)重。隨著生態(tài)農(nóng)業(yè)和綠色食品生產(chǎn)的興起和發(fā)展,微生物肥料逐步引起了人們的重視,由于其具有可以消減因大量使用化學(xué)肥料而引起的環(huán)境質(zhì)量、食品安全和公眾健康的弊端等優(yōu)勢(shì),得到了一定的發(fā)展空間,并成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。目前,微生物肥料逐步成為我國國家生態(tài)示范區(qū)、綠色和有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品基地等肥料的主力軍,同時(shí)其具有的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)、社會(huì)效應(yīng)以及生態(tài)效應(yīng),有助于我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。為此,較全面地對(duì)微生物肥料的發(fā)展概況、應(yīng)用效果、作用機(jī)理和發(fā)展前景等方面的研究新進(jìn)展進(jìn)行了綜述,以期人們更深入地認(rèn)識(shí)和應(yīng)用有良好前景的微生物肥料。1國內(nèi)外生物材料的發(fā)展1.1微生物肥料在土壤中的生產(chǎn)和應(yīng)用20世紀(jì)50年代,原蘇聯(lián)微生物學(xué)者在固氮菌、磷細(xì)菌和鉀細(xì)菌的研究上卓有成效。在1972年國際農(nóng)業(yè)組織就成立了“有機(jī)農(nóng)業(yè)運(yùn)動(dòng)國際聯(lián)盟”(FOAM),同時(shí)還成立了“綠色食品國際協(xié)會(huì)組織”,到1990年已發(fā)展會(huì)員300余家,分布在60余個(gè)國家。這些國際組織提出了“可持續(xù)農(nóng)業(yè)”,要求綠色食品必須有相應(yīng)的生物肥料和有機(jī)肥料。目前,國際上已有70余個(gè)國家生產(chǎn)、應(yīng)用和推廣微生物肥料。1888年荷蘭學(xué)者Beijerlinck第1次獲得了根瘤菌的純培養(yǎng)。1895年法國學(xué)者Noble第1次研制并在歐美推廣純培養(yǎng)的根瘤菌制劑“Nitragin”專利產(chǎn)品。自身固氮菌是荷蘭學(xué)者別依林克于1901年首先從運(yùn)河水中發(fā)現(xiàn)并分離出來的,其種類很多,有圓褐固氮菌、貝氏固氮菌等。1935年,前蘇聯(lián)學(xué)者蒙基娜從土壤中分離出一種解磷巨大芽孢桿菌。1962年,Kobus發(fā)現(xiàn),解磷菌在土壤中的數(shù)量受土壤物理結(jié)構(gòu)、有機(jī)質(zhì)含量、土壤類型、耕作方式和措施等因素的影響。20世紀(jì)70年代中期,巴西學(xué)者在俯仰馬唐、雀稗等禾本科草類的根部發(fā)現(xiàn)一類與其聯(lián)合共生的固氮微生物,如固氮螺菌等曾在世界上引起轟動(dòng)。20世紀(jì)80年代,加拿大篩選出了高效溶解無機(jī)磷的青霉菌。1988年,PhimBios公司用此菌株生產(chǎn)的微生物肥料JumStart,產(chǎn)品遍及加拿大西部草原,通過10年的示范與應(yīng)用表明,近10種作物平均增產(chǎn)6%~9%。目前,關(guān)于復(fù)合菌根的研究還在探索階段,如美國的“生物一號(hào)”接種劑,日本的“EM”等都是由若干不同種類的微生物組成的復(fù)合微生物肥料。1.2菌種與多功能的復(fù)合國內(nèi)外微生物肥料的研究應(yīng)用都是從豆科植物上應(yīng)用根瘤菌接種劑開始的,起初只有大豆和花生根瘤菌劑。我國自20世紀(jì)50年代從國外引進(jìn)自生固氮菌、磷細(xì)菌和硅酸鹽細(xì)菌制劑以來,先后推廣使用“5406”抗生菌肥料、固氮綠藻肥料、VA菌根以及作為拌種劑的聯(lián)合固氮菌和生物鉀肥;微生物肥料發(fā)展的總趨勢(shì)是所用菌種范圍不斷擴(kuò)大,應(yīng)用中強(qiáng)調(diào)多菌種和多功能的復(fù)合,甚至是菌劑與有機(jī)和無機(jī)物料的混合。20世紀(jì)70至80年代中期科研部門開始研究由土壤真菌制成的菌根,以改善植物磷素營養(yǎng)條件和提高水分利用率。因而,菌肥的概念更擴(kuò)大到細(xì)菌、放線菌、真菌、藍(lán)藻等多種微生物類群。20世紀(jì)80年代中期至20世紀(jì)90年代初,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中又相繼應(yīng)用聯(lián)合固氮菌和生物鉀肥作為拌種劑,20世紀(jì)90年代中期以來,又相繼推出聯(lián)合固氮菌肥、硅酸鹽菌劑、光合細(xì)菌菌劑、PGPR制劑和有機(jī)物料(秸稈)腐熟劑等適應(yīng)農(nóng)業(yè)發(fā)展需求的新品種。并且,我國也根據(jù)國際上提出的“可持續(xù)農(nóng)業(yè)”,相應(yīng)提出了發(fā)展“生態(tài)農(nóng)業(yè)”的規(guī)劃,大力提倡生物和有機(jī)肥料的研究和開發(fā)利用,國內(nèi)現(xiàn)有微生物肥料生產(chǎn)企業(yè)500個(gè)以上,年產(chǎn)量約為500萬t,在我國肥料家族中所占比例逐年增加應(yīng)用面積累計(jì)近700萬hm2,目前已有511個(gè)(至2006年7月)產(chǎn)品取得農(nóng)業(yè)部的登記證(臨時(shí)和正式登記)。2主要類型和資源2.1對(duì)特定制品的測(cè)定微生物肥料又稱為細(xì)菌肥料、生物肥料或接種劑等,是一類以大量活的微生物菌體為主的、一定的代謝產(chǎn)物和豐富的培養(yǎng)基質(zhì)混合而成的、在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中能夠體現(xiàn)出肥料效應(yīng)的特定制品。我國生產(chǎn)應(yīng)用的微生物肥料可分為固氮菌類、解磷菌類、解鉀菌類、光合細(xì)菌類、菌根菌類、抗生菌類、復(fù)合菌類等。2.2農(nóng)業(yè)綠肥是主要的生物肥源我國幅員遼闊,土壤類型多種多樣,微生物資源十分豐富。其次是植物生物肥料資源也很豐富,如綠肥資源我國就有10科42屬60余種,共1000余個(gè)品種,其中生產(chǎn)普遍采用的有4科20屬26種,約500余個(gè)品種。只要國家采用有利措施,調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、擴(kuò)大綠肥面積,其植物綠色資源大有潛力。另外,農(nóng)作物秸稈也是主要的植物資源。農(nóng)作物秸稈,僅就水稻、小麥、玉米這3種農(nóng)作物秸稈1998年已達(dá)到4余億t,我國目前每年產(chǎn)生的秸稈總量約為6億t。綠肥和秸稈為發(fā)展生物肥料提供了大量的基本材料。還有動(dòng)物性生物肥源在發(fā)展生物肥料方面也起到了不可估量的作用。我國畜禽糞便產(chǎn)生量很大,每年產(chǎn)生的量約為17.3億t為發(fā)展微生物肥料提供了豐富的基質(zhì)材料。3應(yīng)用效果3.1生物肥用對(duì)經(jīng)濟(jì)性狀的影響微生物肥料在不同作物上得到了廣泛的應(yīng)用。其中,禾谷類作物應(yīng)用最多,其次是油料和纖維類,應(yīng)用較少的是煙草、糖、茶、藥、牧草等[14,15,16,17,18,19]。微生物肥料的增產(chǎn)作用是應(yīng)給予肯定的。但是,其增產(chǎn)效果是同時(shí)施用化肥或有機(jī)肥而獲得的,單施微生物菌劑而增產(chǎn)效果不穩(wěn)定。呂愛英等研究表明,微生物肥料可使花生和辣椒產(chǎn)量分別增加7.5%和20%。劉生戰(zhàn)等在小麥上的試驗(yàn)表明,基施生物菌肥能有效降低小麥株高,增加穗長、穗粒數(shù),提高千粒重,使小麥增產(chǎn)5.65%,增加經(jīng)濟(jì)收入423.21元/hm2。王彥才等在玉米苗期作微生物肥料追肥試驗(yàn),得出增產(chǎn)幅度在16%左右。宋志偉等研究認(rèn)為,施用復(fù)合微生物肥料可使蔬菜增產(chǎn)9.2%~39.6%,能改善茄果類蔬菜經(jīng)濟(jì)性狀,增加辣椒和茄子的果長、果粗、果重,增加番茄單果重和單株產(chǎn)量。汪森富等發(fā)現(xiàn),增施生物有機(jī)肥可改善脫毒馬鈴薯經(jīng)濟(jì)性狀,增加大、中薯比例,減少小薯比例,產(chǎn)量差異達(dá)極顯著水平。謝永萍等在煙草上試驗(yàn)表明,烤煙專用微生物肥料可提高產(chǎn)量5.7%~23.3%。3.2不同生物肥對(duì)秋茶品質(zhì)的影響人們對(duì)微生物肥料改善作物品質(zhì)和獲得無公害產(chǎn)品的作用日漸重視,我國對(duì)品質(zhì)的研究主要在產(chǎn)值較高的一些經(jīng)濟(jì)作物上,對(duì)糧食作物研究較少。施用微生物肥料的蔬菜硝酸鹽含量減少25.4~44.3mg/kg,比傳統(tǒng)施肥降低193.1%,維生素C含量提高了99.6mg/kg,糖分含量平均提高了6.6mg/kg。龍明華等研究表明,在使用微生物肥料后,番茄、苦瓜、菜薹各處理產(chǎn)品中的硝酸鹽含量及有害元素的含量,均符合無公害蔬菜產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求?？总S等研究認(rèn)為,施用生物有機(jī)肥可以提高西紅柿品質(zhì),減輕病害,增加土壤中有機(jī)質(zhì)含量,培肥地力。有研究表明,施用生物肥可以增加柑桔的固酸比,提高其甜味,使桃子可溶性固形物含量提高5.71%~10.87%,改善果實(shí)的風(fēng)味和品質(zhì)。劉利軍等對(duì)8年生碭山酥梨樹施用微生物肥料試驗(yàn)結(jié)果表明,在高氮水平下施用微生物肥料,碭山酥梨葉片含N量顯著降低,P、Ca、Mg、Zn、Mn、K、Fe和B元素含量明顯增加。鉀細(xì)菌微生物肥料能改善油菜品質(zhì):提高賴氨酸含量、降低芥酸含量、增加籽粒粗脂肪含量。噴灑液體微生物肥料可提高大豆籽粒蛋白質(zhì)和脂肪含量。微生物肥料處理的秋茶茶葉湯色綠,香氣清高。魏改堂等對(duì)菌根菌類微生物肥料應(yīng)用于藥用植物曼陀羅進(jìn)行的深入研究發(fā)現(xiàn),菌根菌類微生物肥料能促進(jìn)植物生長,增加對(duì)P、S等元素的吸收,降低鎘、鉛在植物體的含量,提高莨菪堿和東莨菪堿的濃度。4配置機(jī)制4.1磷及磷酸酶。u3000當(dāng)根瘤菌類、自生和聯(lián)合固氮菌類微生物肥料可以固定空氣中的氮素,增加植物的氮素營養(yǎng)。磷細(xì)菌肥料可以溶解土壤中難溶性磷酸鹽,其解磷機(jī)理主要是:1)產(chǎn)生各類有機(jī)酸(如乳酸、檸檬酸、草酸、甲酸、乙酸、丙酸、琥珀酸、酒石酸、α-羥基酸、葡萄糖酸等)和無機(jī)酸(如硝酸、亞硝酸、硫酸、碳酸等),降低環(huán)境中pH值,使難溶性磷酸鹽降解為有效磷;或認(rèn)為有機(jī)酸可螯合閉蓄態(tài)Fe-P,Al-P,Ca-P,使之釋放有機(jī)磷。2)產(chǎn)生胞外磷酸酶,催化磷酸脂或磷酸酐等有機(jī)磷水解為有效磷。磷酸酶是誘導(dǎo)物,微生物和植物根對(duì)磷酸酶的分泌與正磷酸鹽的缺乏程度是正相關(guān)的,缺磷時(shí),其活性成倍增長。硅酸鹽細(xì)菌類肥料能對(duì)土城中云母、長石、磷灰石等含鉀、磷的礦物進(jìn)行分解,使難溶鉀轉(zhuǎn)化為有效鉀,正由于這種“解鉀”作用,這類細(xì)菌也俗稱“鉀細(xì)菌”。有作者認(rèn)為,其解鉀作用與細(xì)菌胞外多糖的形成和低分子量酸性代謝物(如檸檬酸、乳酸等)有關(guān);盛下放對(duì)硅酸鹽細(xì)菌菌株NBT的解鉀作用研究表明:這株硅酸鹽細(xì)菌NBT能夠破壞鉀長石的晶格結(jié)構(gòu)并釋放其中的鉀素供水稻生長之用。目前,許多研究報(bào)道了VA菌根真菌肥料能增加宿主對(duì)Zn、Cu、Ca、Mg、Mn和Fe的吸收。有研究表明,某些微生物肥料可活化并促使礦物釋放Fe、Mg等元素。氧化酶細(xì)菌使單質(zhì)硫氧化,土壤pH值降低,促進(jìn)了歐洲油菜(Brassicanapus)對(duì)Fe、S和Mn元素的吸收。4.2其他微生物對(duì)植物的影響目前,有關(guān)微生物肥料促進(jìn)植物生長的機(jī)理研究表明,活的微生物活動(dòng)產(chǎn)生的植物激素、酸性物質(zhì)以及維生素都能不同程度地刺激調(diào)節(jié)植物的生長。80%的根際細(xì)菌能產(chǎn)生吲哚-3-乙酸(Indole-3-AceticAcid,簡稱IAA),其中主要有固氮螺菌、假單胞菌、黃單胞菌、糞產(chǎn)堿桿菌以及根瘤菌等。微生物肥料產(chǎn)生IAA提供給植物有3種方式:一是IAA基因直接整合到植物細(xì)胞染色體上,在植物細(xì)胞的調(diào)控下合成IAA,如土壤桿菌;二是細(xì)菌侵入植物細(xì)胞,在細(xì)胞內(nèi)分泌IAA供植物生長;三是細(xì)菌也能在宿主植物的根際生活,合成IAA供植物利用。熒光假單胞菌在純培養(yǎng)條件下產(chǎn)生不同類型的CTK,能促進(jìn)胡蘿卜的生長。僅有極少的報(bào)道認(rèn)為,某些細(xì)菌肥料能產(chǎn)生GA。大多數(shù)微生物都產(chǎn)生乙烯,但各種微生物中乙烯的合成代謝卻復(fù)雜多樣。目前的研究表明,乙烯的合成前體可以是糖代謝TCA中的有機(jī)酸;可以是氮代謝中的氨基酸,如丙氨酸、甲硫氨酸;也可以是脂肪代謝中的亞麻酸。各種微生物肥料通過自身TCA產(chǎn)生的許多有機(jī)酸除了有鰲合作用和酸溶作用外,其本身就是一種生理活性物質(zhì),可促進(jìn)作物生長。4.3植物生長抑病作用微生物肥料(包括PGPR制劑)能產(chǎn)生鐵載體(siderophores)、抗生素(antibiotics)、系統(tǒng)防衛(wèi)酶和氰化物(HCN)等多種物質(zhì)抑制細(xì)菌或真菌性病害,有的也能誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性(inducedsystemicresisitance,ISR)間接達(dá)到促進(jìn)植物生長的作用。1980年有人首次推測(cè)并證實(shí),熒光假單胞菌BIO產(chǎn)生的鐵載體與抑病促生作用有關(guān),而在高鐵濃度下,其抑病作用將喪失。已報(bào)道且被分離出的植物根際促生菌產(chǎn)生的抗生素有20種左右,很多抗生素基因已被克隆或用于轉(zhuǎn)基因菌株獲得抑病作用。一些植物促生細(xì)菌能產(chǎn)生幾丁質(zhì)酶(chitinase)和β-1,3葡聚糖酶(β-1,3-polyglucosanas),可水解幾丁質(zhì)和β-1,3-葡聚糖為主要成分的病原真菌細(xì)胞壁。有的能產(chǎn)生卵磷脂酶C,其與纖維素酶作用于植物細(xì)胞膜,影響其通透性等生理活性,強(qiáng)化了其他抑病作用。同時(shí),此酶可增強(qiáng)一些微量肽和含氮雜環(huán)抑菌物質(zhì)的抑病作用。根際促生細(xì)菌產(chǎn)生的HCN被認(rèn)為有抑病作用,其抑病機(jī)理可能是:1)直接拮抗根部病原菌而不損害植物(如煙草);2)可誘發(fā)植物抗性機(jī)制。誘導(dǎo)抗性是植物被環(huán)境中的非生物或生物因子激活產(chǎn)生的系統(tǒng)抗性,包括病原體激發(fā)產(chǎn)生的系統(tǒng)獲得的抗性(SAR)。4.4提高植物的生物環(huán)境能力有些微生物肥料的特殊微生物可提高宿主的抗旱性、抗鹽堿性、抗極端溫度、濕度和pH值、抗重金屬毒害等能力,提高宿主植物的逆境生存能力。如VA菌根真菌肥料有一定抗旱能力。有研究表明,經(jīng)高溫蒸汽滅菌的土壤中Mn的含量提高了15倍,對(duì)植物生長有毒害,接種VA菌種后,可提高植物對(duì)Mn的抗性。5微生物肥料的研究和開發(fā)利用當(dāng)前,國內(nèi)外都在積極發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)和綠色食品,使微生物肥料的開發(fā)和研究具有很大的潛力。微生物肥料既有有機(jī)肥的長效,又有自身的增效,是一種保護(hù)生態(tài)環(huán)境,維護(hù)人類健康的理想肥料,但需要注意的是,微生物肥料不能全部代替化肥。但怎樣使微生物肥料更多地替代化肥,更穩(wěn)定地發(fā)揮其生態(tài)作用,促進(jìn)生態(tài)農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展將是未來研究