微生物肥料的研究与应用新进展

微生物肥料的研究与应用新进展

近世纪以来，化肥的使用对农业生产产生了重大贡献，但长期以来，对化肥和农业肥料的依赖过多，导致了巨大的不可能耗浪费。农田有机质不足，土壤硬化，肥力下降，农业质量下降，食品和地下水等环境变化越来越严重。随着生态农业和绿色食品生产的兴起和发展,微生物肥料逐步引起了人们的重视,由于其具有可以消减因大量使用化学肥料而引起的环境质量、食品安全和公众健康的弊端等优势,得到了一定的发展空间,并成为国内外研究的热点。目前,微生物肥料逐步成为我国国家生态示范区、绿色和有机农产品基地等肥料的主力军,同时其具有的经济效应、社会效应以及生态效应,有助于我国农业的可持续发展。为此,较全面地对微生物肥料的发展概况、应用效果、作用机理和发展前景等方面的研究新进展进行了综述,以期人们更深入地认识和应用有良好前景的微生物肥料。1国内外生物材料的发展1.1微生物肥料在土壤中的生产和应用20世纪50年代,原苏联微生物学者在固氮菌、磷细菌和钾细菌的研究上卓有成效。在1972年国际农业组织就成立了“有机农业运动国际联盟”(FOAM),同时还成立了“绿色食品国际协会组织”,到1990年已发展会员300余家,分布在60余个国家。这些国际组织提出了“可持续农业”,要求绿色食品必须有相应的生物肥料和有机肥料。目前,国际上已有70余个国家生产、应用和推广微生物肥料。1888年荷兰学者Beijerlinck第1次获得了根瘤菌的纯培养。1895年法国学者Noble第1次研制并在欧美推广纯培养的根瘤菌制剂“Nitragin”专利产品。自身固氮菌是荷兰学者别依林克于1901年首先从运河水中发现并分离出来的,其种类很多,有圆褐固氮菌、贝氏固氮菌等。1935年,前苏联学者蒙基娜从土壤中分离出一种解磷巨大芽孢杆菌。1962年,Kobus发现,解磷菌在土壤中的数量受土壤物理结构、有机质含量、土壤类型、耕作方式和措施等因素的影响。20世纪70年代中期,巴西学者在俯仰马唐、雀稗等禾本科草类的根部发现一类与其联合共生的固氮微生物,如固氮螺菌等曾在世界上引起轰动。20世纪80年代,加拿大筛选出了高效溶解无机磷的青霉菌。1988年,PhimBios公司用此菌株生产的微生物肥料JumStart,产品遍及加拿大西部草原,通过10年的示范与应用表明,近10种作物平均增产6%~9%。目前,关于复合菌根的研究还在探索阶段,如美国的“生物一号”接种剂,日本的“EM”等都是由若干不同种类的微生物组成的复合微生物肥料。1.2菌种与多功能的复合国内外微生物肥料的研究应用都是从豆科植物上应用根瘤菌接种剂开始的,起初只有大豆和花生根瘤菌剂。我国自20世纪50年代从国外引进自生固氮菌、磷细菌和硅酸盐细菌制剂以来,先后推广使用“5406”抗生菌肥料、固氮绿藻肥料、VA菌根以及作为拌种剂的联合固氮菌和生物钾肥;微生物肥料发展的总趋势是所用菌种范围不断扩大,应用中强调多菌种和多功能的复合,甚至是菌剂与有机和无机物料的混合。20世纪70至80年代中期科研部门开始研究由土壤真菌制成的菌根,以改善植物磷素营养条件和提高水分利用率。因而,菌肥的概念更扩大到细菌、放线菌、真菌、蓝藻等多种微生物类群。20世纪80年代中期至20世纪90年代初,农业生产中又相继应用联合固氮菌和生物钾肥作为拌种剂,20世纪90年代中期以来,又相继推出联合固氮菌肥、硅酸盐菌剂、光合细菌菌剂、PGPR制剂和有机物料(秸秆)腐熟剂等适应农业发展需求的新品种。并且,我国也根据国际上提出的“可持续农业”,相应提出了发展“生态农业”的规划,大力提倡生物和有机肥料的研究和开发利用,国内现有微生物肥料生产企业500个以上,年产量约为500万t,在我国肥料家族中所占比例逐年增加应用面积累计近700万hm2,目前已有511个(至2006年7月)产品取得农业部的登记证(临时和正式登记)。2主要类型和资源2.1对特定制品的测定微生物肥料又称为细菌肥料、生物肥料或接种剂等,是一类以大量活的微生物菌体为主的、一定的代谢产物和丰富的培养基质混合而成的、在农业生产中能够体现出肥料效应的特定制品。我国生产应用的微生物肥料可分为固氮菌类、解磷菌类、解钾菌类、光合细菌类、菌根菌类、抗生菌类、复合菌类等。2.2农业绿肥是主要的生物肥源我国幅员辽阔,土壤类型多种多样,微生物资源十分丰富。其次是植物生物肥料资源也很丰富,如绿肥资源我国就有10科42属60余种,共1000余个品种,其中生产普遍采用的有4科20属26种,约500余个品种。只要国家采用有利措施,调整农业产业结构、扩大绿肥面积,其植物绿色资源大有潜力。另外,农作物秸秆也是主要的植物资源。农作物秸秆,仅就水稻、小麦、玉米这3种农作物秸秆1998年已达到4余亿t,我国目前每年产生的秸秆总量约为6亿t。绿肥和秸秆为发展生物肥料提供了大量的基本材料。还有动物性生物肥源在发展生物肥料方面也起到了不可估量的作用。我国畜禽粪便产生量很大,每年产生的量约为17.3亿t为发展微生物肥料提供了丰富的基质材料。3应用效果3.1生物肥用对经济性状的影响微生物肥料在不同作物上得到了广泛的应用。其中,禾谷类作物应用最多,其次是油料和纤维类,应用较少的是烟草、糖、茶、药、牧草等[14,15,16,17,18,19]。微生物肥料的增产作用是应给予肯定的。但是,其增产效果是同时施用化肥或有机肥而获得的,单施微生物菌剂而增产效果不稳定。吕爱英等研究表明,微生物肥料可使花生和辣椒产量分别增加7.5%和20%。刘生战等在小麦上的试验表明,基施生物菌肥能有效降低小麦株高,增加穗长、穗粒数,提高千粒重,使小麦增产5.65%,增加经济收入423.21元/hm2。王彦才等在玉米苗期作微生物肥料追肥试验,得出增产幅度在16%左右。宋志伟等研究认为,施用复合微生物肥料可使蔬菜增产9.2%~39.6%,能改善茄果类蔬菜经济性状,增加辣椒和茄子的果长、果粗、果重,增加番茄单果重和单株产量。汪森富等发现,增施生物有机肥可改善脱毒马铃薯经济性状,增加大、中薯比例,减少小薯比例,产量差异达极显著水平。谢永萍等在烟草上试验表明,烤烟专用微生物肥料可提高产量5.7%~23.3%。3.2不同生物肥对秋茶品质的影响人们对微生物肥料改善作物品质和获得无公害产品的作用日渐重视,我国对品质的研究主要在产值较高的一些经济作物上,对粮食作物研究较少。施用微生物肥料的蔬菜硝酸盐含量减少25.4~44.3mg/kg,比传统施肥降低193.1%,维生素C含量提高了99.6mg/kg,糖分含量平均提高了6.6mg/kg。龙明华等研究表明,在使用微生物肥料后,番茄、苦瓜、菜薹各处理产品中的硝酸盐含量及有害元素的含量,均符合无公害蔬菜产品质量标准要求。孔跃等研究认为,施用生物有机肥可以提高西红柿品质,减轻病害,增加土壤中有机质含量,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%,改善果实的风味和品质。刘利军等对8年生砀山酥梨树施用微生物肥料试验结果表明,在高氮水平下施用微生物肥料,砀山酥梨叶片含N量显著降低,P、Ca、Mg、Zn、Mn、K、Fe和B元素含量明显增加。钾细菌微生物肥料能改善油菜品质:提高赖氨酸含量、降低芥酸含量、增加籽粒粗脂肪含量。喷洒液体微生物肥料可提高大豆籽粒蛋白质和脂肪含量。微生物肥料处理的秋茶茶叶汤色绿,香气清高。魏改堂等对菌根菌类微生物肥料应用于药用植物曼陀罗进行的深入研究发现,菌根菌类微生物肥料能促进植物生长,增加对P、S等元素的吸收,降低镉、铅在植物体的含量,提高莨菪碱和东莨菪碱的浓度。4配置机制4.1磷及磷酸酶。u3000当根瘤菌类、自生和联合固氮菌类微生物肥料可以固定空气中的氮素,增加植物的氮素营养。磷细菌肥料可以溶解土壤中难溶性磷酸盐,其解磷机理主要是:1)产生各类有机酸(如乳酸、柠檬酸、草酸、甲酸、乙酸、丙酸、琥珀酸、酒石酸、α-羟基酸、葡萄糖酸等)和无机酸(如硝酸、亚硝酸、硫酸、碳酸等),降低环境中pH值,使难溶性磷酸盐降解为有效磷;或认为有机酸可螯合闭蓄态Fe-P,Al-P,Ca-P,使之释放有机磷。2)产生胞外磷酸酶,催化磷酸脂或磷酸酐等有机磷水解为有效磷。磷酸酶是诱导物,微生物和植物根对磷酸酶的分泌与正磷酸盐的缺乏程度是正相关的,缺磷时,其活性成倍增长。硅酸盐细菌类肥料能对土城中云母、长石、磷灰石等含钾、磷的矿物进行分解,使难溶钾转化为有效钾,正由于这种“解钾”作用,这类细菌也俗称“钾细菌”。有作者认为,其解钾作用与细菌胞外多糖的形成和低分子量酸性代谢物(如柠檬酸、乳酸等)有关;盛下放对硅酸盐细菌菌株NBT的解钾作用研究表明:这株硅酸盐细菌NBT能够破坏钾长石的晶格结构并释放其中的钾素供水稻生长之用。目前,许多研究报道了VA菌根真菌肥料能增加宿主对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矿物释放Fe、Mg等元素。氧化酶细菌使单质硫氧化,土壤pH值降低,促进了欧洲油菜(Brassicanapus)对Fe、S和Mn元素的吸收。4.2其他微生物对植物的影响目前,有关微生物肥料促进植物生长的机理研究表明,活的微生物活动产生的植物激素、酸性物质以及维生素都能不同程度地刺激调节植物的生长。80%的根际细菌能产生吲哚-3-乙酸(Indole-3-AceticAcid,简称IAA),其中主要有固氮螺菌、假单胞菌、黄单胞菌、粪产碱杆菌以及根瘤菌等。微生物肥料产生IAA提供给植物有3种方式:一是IAA基因直接整合到植物细胞染色体上,在植物细胞的调控下合成IAA,如土壤杆菌;二是细菌侵入植物细胞,在细胞内分泌IAA供植物生长;三是细菌也能在宿主植物的根际生活,合成IAA供植物利用。荧光假单胞菌在纯培养条件下产生不同类型的CTK,能促进胡萝卜的生长。仅有极少的报道认为,某些细菌肥料能产生GA。大多数微生物都产生乙烯,但各种微生物中乙烯的合成代谢却复杂多样。目前的研究表明,乙烯的合成前体可以是糖代谢TCA中的有机酸;可以是氮代谢中的氨基酸,如丙氨酸、甲硫氨酸;也可以是脂肪代谢中的亚麻酸。各种微生物肥料通过自身TCA产生的许多有机酸除了有鳌合作用和酸溶作用外,其本身就是一种生理活性物质,可促进作物生长。4.3植物生长抑病作用微生物肥料(包括PGPR制剂)能产生铁载体(siderophores)、抗生素(antibiotics)、系统防卫酶和氰化物(HCN)等多种物质抑制细菌或真菌性病害,有的也能诱导系统抗性(inducedsystemicresisitance,ISR)间接达到促进植物生长的作用。1980年有人首次推测并证实,荧光假单胞菌BIO产生的铁载体与抑病促生作用有关,而在高铁浓度下,其抑病作用将丧失。已报道且被分离出的植物根际促生菌产生的抗生素有20种左右,很多抗生素基因已被克隆或用于转基因菌株获得抑病作用。一些植物促生细菌能产生几丁质酶(chitinase)和β-1,3葡聚糖酶(β-1,3-polyglucosanas),可水解几丁质和β-1,3-葡聚糖为主要成分的病原真菌细胞壁。有的能产生卵磷脂酶C,其与纤维素酶作用于植物细胞膜,影响其通透性等生理活性,强化了其他抑病作用。同时,此酶可增强一些微量肽和含氮杂环抑菌物质的抑病作用。根际促生细菌产生的HCN被认为有抑病作用,其抑病机理可能是:1)直接拮抗根部病原菌而不损害植物(如烟草);2)可诱发植物抗性机制。诱导抗性是植物被环境中的非生物或生物因子激活产生的系统抗性,包括病原体激发产生的系统获得的抗性(SAR)。4.4提高植物的生物环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、抗盐碱性、抗极端温度、湿度和pH值、抗重金属毒害等能力,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,经高温蒸汽灭菌的土壤中Mn的含量提高了15倍,对植物生长有毒害,接种VA菌种后,可提高植物对Mn的抗性。5微生物肥料的研究和开发利用当前,国内外都在积极发展绿色农业和绿色食品,使微生物肥料的开发和研究具有很大的潜力。微生物肥料既有有机肥的长效,又有自身的增效,是一种保护生态环境,维护人类健康的理想肥料,但需要注意的是,微生物肥料不能全部代替化肥。但怎样使微生物肥料更多地替代化肥,更稳定地发挥其生态作用,促进生态农业持续发展将是未来研究