微生物肥料的研究與應用新進展

微生物肥料的研究與應用新進展

近世紀以來，化肥的使用對農業(yè)生產產生了重大貢獻，但長期以來，對化肥和農業(yè)肥料的依賴過多，導致了巨大的不可能耗浪費。農田有機質不足，土壤硬化，肥力下降，農業(yè)質量下降，食品和地下水等環(huán)境變化越來越嚴重。隨著生態(tài)農業(yè)和綠色食品生產的興起和發(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肥料而引起的環(huán)境質量、食品安全和公眾健康的弊端等優(yōu)勢,得到了一定的發(fā)展空間,并成為國內外研究的熱點。目前,微生物肥料逐步成為我國國家生態(tài)示范區(qū)、綠色和有機農產品基地等肥料的主力軍,同時其具有的經濟效應、社會效應以及生態(tài)效應,有助于我國農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。為此,較全面地對微生物肥料的發(fā)展概況、應用效果、作用機理和發(fā)展前景等方面的研究新進展進行了綜述,以期人們更深入地認識和應用有良好前景的微生物肥料。1國內外生物材料的發(fā)展1.1微生物肥料在土壤中的生產和應用20世紀50年代,原蘇聯微生物學者在固氮菌、磷細菌和鉀細菌的研究上卓有成效。在1972年國際農業(yè)組織就成立了“有機農業(yè)運動國際聯盟”(FOAM),同時還成立了“綠色食品國際協(xié)會組織”,到1990年已發(fā)展會員300余家,分布在60余個國家。這些國際組織提出了“可持續(xù)農業(yè)”,要求綠色食品必須有相應的生物肥料和有機肥料。目前,國際上已有70余個國家生產、應用和推廣微生物肥料。1888年荷蘭學者Beijerlinck第1次獲得了根瘤菌的純培養(yǎng)。1895年法國學者Noble第1次研制并在歐美推廣純培養(yǎng)的根瘤菌制劑“Nitragin”專利產品。自身固氮菌是荷蘭學者別依林克于1901年首先從運河水中發(fā)現并分離出來的,其種類很多,有圓褐固氮菌、貝氏固氮菌等。1935年,前蘇聯學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,解磷菌在土壤中的數量受土壤物理結構、有機質含量、土壤類型、耕作方式和措施等因素的影響。20世紀70年代中期,巴西學者在俯仰馬唐、雀稗等禾本科草類的根部發(fā)現一類與其聯合共生的固氮微生物,如固氮螺菌等曾在世界上引起轟動。20世紀80年代,加拿大篩選出了高效溶解無機磷的青霉菌。1988年,PhimBios公司用此菌株生產的微生物肥料JumStart,產品遍及加拿大西部草原,通過10年的示范與應用表明,近10種作物平均增產6%~9%。目前,關于復合菌根的研究還在探索階段,如美國的“生物一號”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合微生物肥料。1.2菌種與多功能的復合國內外微生物肥料的研究應用都是從豆科植物上應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50年代從國外引進自生固氮菌、磷細菌和硅酸鹽細菌制劑以來,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合固氮菌和生物鉀肥;微生物肥料發(fā)展的總趨勢是所用菌種范圍不斷擴大,應用中強調多菌種和多功能的復合,甚至是菌劑與有機和無機物料的混合。20世紀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,菌肥的概念更擴大到細菌、放線菌、真菌、藍藻等多種微生物類群。20世紀80年代中期至20世紀90年代初,農業(yè)生產中又相繼應用聯合固氮菌和生物鉀肥作為拌種劑,20世紀90年代中期以來,又相繼推出聯合固氮菌肥、硅酸鹽菌劑、光合細菌菌劑、PGPR制劑和有機物料(秸稈)腐熟劑等適應農業(yè)發(fā)展需求的新品種。并且,我國也根據國際上提出的“可持續(xù)農業(yè)”,相應提出了發(fā)展“生態(tài)農業(yè)”的規(guī)劃,大力提倡生物和有機肥料的研究和開發(fā)利用,國內現有微生物肥料生產企業(yè)500個以上,年產量約為500萬t,在我國肥料家族中所占比例逐年增加應用面積累計近700萬hm2,目前已有511個(至2006年7月)產品取得農業(yè)部的登記證(臨時和正式登記)。2主要類型和資源2.1對特定制品的測定微生物肥料又稱為細菌肥料、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、一定的代謝產物和豐富的培養(yǎng)基質混合而成的、在農業(yè)生產中能夠體現出肥料效應的特定制品。我國生產應用的微生物肥料可分為固氮菌類、解磷菌類、解鉀菌類、光合細菌類、菌根菌類、抗生菌類、復合菌類等。2.2農業(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余個品種,其中生產普遍采用的有4科20屬26種,約500余個品種。只要國家采用有利措施,調整農業(yè)產業(yè)結構、擴大綠肥面積,其植物綠色資源大有潛力。另外,農作物秸稈也是主要的植物資源。農作物秸稈,僅就水稻、小麥、玉米這3種農作物秸稈1998年已達到4余億t,我國目前每年產生的秸稈總量約為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。我國畜禽糞便產生量很大,每年產生的量約為17.3億t為發(fā)展微生物肥料提供了豐富的基質材料。3應用效果3.1生物肥用對經濟性狀的影響微生物肥料在不同作物上得到了廣泛的應用。其中,禾谷類作物應用最多,其次是油料和纖維類,應用較少的是煙草、糖、茶、藥、牧草等[14,15,16,17,18,19]。微生物肥料的增產作用是應給予肯定的。但是,其增產效果是同時施用化肥或有機肥而獲得的,單施微生物菌劑而增產效果不穩(wěn)定。呂愛英等研究表明,微生物肥料可使花生和辣椒產量分別增加7.5%和20%。劉生戰(zhàn)等在小麥上的試驗表明,基施生物菌肥能有效降低小麥株高,增加穗長、穗粒數,提高千粒重,使小麥增產5.65%,增加經濟收入423.21元/hm2。王彥才等在玉米苗期作微生物肥料追肥試驗,得出增產幅度在16%左右。宋志偉等研究認為,施用復合微生物肥料可使蔬菜增產9.2%~39.6%,能改善茄果類蔬菜經濟性狀,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量。汪森富等發(fā)現,增施生物有機肥可改善脫毒馬鈴薯經濟性狀,增加大、中薯比例,減少小薯比例,產量差異達極顯著水平。謝永萍等在煙草上試驗表明,烤煙專用微生物肥料可提高產量5.7%~23.3%。3.2不同生物肥對秋茶品質的影響人們對微生物肥料改善作物品質和獲得無公害產品的作用日漸重視,我國對品質的研究主要在產值較高的一些經濟作物上,對糧食作物研究較少。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品質量標準要求。孔躍等研究認為,施用生物有機肥可以提高西紅柿品質,減輕病害,增加土壤中有機質含量,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%,改善果實的風味和品質。劉利軍等對8年生碭山酥梨樹施用微生物肥料試驗結果表明,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。鉀細菌微生物肥料能改善油菜品質: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。魏改堂等對菌根菌類微生物肥料應用于藥用植物曼陀羅進行的深入研究發(fā)現,菌根菌類微生物肥料能促進植物生長,增加對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配置機制4.1磷及磷酸酶。u3000當根瘤菌類、自生和聯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)。磷細菌肥料可以溶解土壤中難溶性磷酸鹽,其解磷機理主要是:1)產生各類有機酸(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;或認為有機酸可螯合閉蓄態(tài)Fe-P,Al-P,Ca-P,使之釋放有機磷。2)產生胞外磷酸酶,催化磷酸脂或磷酸酐等有機磷水解為有效磷。磷酸酶是誘導物,微生物和植物根對磷酸酶的分泌與正磷酸鹽的缺乏程度是正相關的,缺磷時,其活性成倍增長。硅酸鹽細菌類肥料能對土城中云母、長石、磷灰石等含鉀、磷的礦物進行分解,使難溶鉀轉化為有效鉀,正由于這種“解鉀”作用,這類細菌也俗稱“鉀細菌”。有作者認為,其解鉀作用與細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;盛下放對硅酸鹽細菌菌株NBT的解鉀作用研究表明:這株硅酸鹽細菌NBT能夠破壞鉀長石的晶格結構并釋放其中的鉀素供水稻生長之用。目前,許多研究報道了VA菌根真菌肥料能增加宿主對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。氧化酶細菌使單質硫氧化,土壤pH值降低,促進了歐洲油菜(Brassicanapus)對Fe、S和Mn元素的吸收。4.2其他微生物對植物的影響目前,有關微生物肥料促進植物生長的機理研究表明,活的微生物活動產生的植物激素、酸性物質以及維生素都能不同程度地刺激調節(jié)植物的生長。80%的根際細菌能產生吲哚-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、糞產堿桿菌以及根瘤菌等。微生物肥料產生IAA提供給植物有3種方式:一是IAA基因直接整合到植物細胞染色體上,在植物細胞的調控下合成IAA,如土壤桿菌;二是細菌侵入植物細胞,在細胞內分泌IAA供植物生長;三是細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)條件下產生不同類型的CTK,能促進胡蘿卜的生長。僅有極少的報道認為,某些細菌肥料能產生GA。大多數微生物都產生乙烯,但各種微生物中乙烯的合成代謝卻復雜多樣。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產生的許多有機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,可促進作物生長。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)等多種物質抑制細菌或真菌性病害,有的也能誘導系統(tǒng)抗性(inducedsystemicresisitance,ISR)間接達到促進植物生長的作用。1980年有人首次推測并證實,熒光假單胞菌BIO產生的鐵載體與抑病促生作用有關,而在高鐵濃度下,其抑病作用將喪失。已報道且被分離出的植物根際促生菌產生的抗生素有20種左右,很多抗生素基因已被克隆或用于轉基因菌株獲得抑病作用。一些植物促生細菌能產生幾丁質酶(chitinase)和β-1,3葡聚糖酶(β-1,3-polyglucosanas),可水解幾丁質和β-1,3-葡聚糖為主要成分的病原真菌細胞壁。有的能產生卵磷脂酶C,其與纖維素酶作用于植物細胞膜,影響其通透性等生理活性,強化了其他抑病作用。同時,此酶可增強一些微量肽和含氮雜環(huán)抑菌物質的抑病作用。根際促生細菌產生的HCN被認為有抑病作用,其抑病機理可能是:1)直接拮抗根部病原菌而不損害植物(如煙草);2)可誘發(fā)植物抗性機制。誘導抗性是植物被環(huán)境中的非生物或生物因子激活產生的系統(tǒng)抗性,包括病原體激發(fā)產生的系統(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,經高溫蒸汽滅菌的土壤中Mn的含量提高了15倍,對植物生長有毒害,接種VA菌種后,可提高植物對Mn的抗性。5微生物肥料的研究和開發(fā)利用當前,國內外都在積極發(fā)展綠色農業(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肥的長效,又有自身的增效,是一種保護生態(tài)環(huán)境,維護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,促進生態(tài)農業(yè)持續(xù)發(fā)展將是未來研究