【《土壤固氮微生物菌剂的研究文献综述》4500字】

土壤固氮微生物菌剂的研究文献综述我国是氮肥生产的大国，目前我国2019年年氮肥生产量仍达到3556.25万吨，消费量也高居世界首位（张卫峰等，2013）。氮由于化肥利用率受限，大量过度施用的氮素养分进入土壤、水体，引起了水体富营养化等一系列的环境问题（Gu等，2015）。当前大量研究显示土壤固氮菌联合各类有机肥或矿物质氮肥制成的复合肥料对于提升作物产量、品质增强表现出较大潜力（秦宝军，2010；贾雨雷等，2021），对于促进氮肥减量增效的实际推广具有重要意义。1.1固氮微生物常见固氮微生物可分为自生固氮微生物、共生固氮微生物以及联合固氮微生物。不同的固氮类型微生物之间的固氮效率往往存在较大差异。其中，每公顷土壤中的自生固氮细菌大约每年从大气中固定1～10kg的氮素输入土壤（Bottomley等，2014）。共生固氮菌的固氮效率可以达到自生固氮的数十倍，平均每年每公顷土地可以固定约50～300kg的氮素，但在不同类型的环境中固氮效率有较大差异（徐鹏霞等，2017）。联合固氮细菌的固氮效率往往介于前两者之间，年固定氮大约可达到25～35kg（Bottomley等，2014）。1.2微生物载体外源性微生物进入土壤往往较容易受到土壤中较为强势的土著微生物影响出现竞争性削弱，需要微生物提供一定的微生物载体为微生物提供一个较为稳定的栖息与繁殖空间。目前在微生物载体方面的研究已经涵盖环境、食品、能源等多个领域（陆佳靓，2014），农业微生物载体也在逐步兴起。从载体的类型来分，可分作无机载体、天然有机材料、合成高分子材料以及新型改性载体等类别（彭春燕等，2021）。其中，无机载体通常包括珍珠岩、沸石等物质通过吸附实现负载；天然高分子材料包括琼脂、卡拉胶等（张桂芝等，2011；李琦等，2019），也有部分研究涉及农业废弃物，如花土、马铃薯渣、木炭、菌糠（张建贵等，2018）等材料；合成高分子材料则常包括聚丙烯酰胺等材料（李琦等，2019）。本项目选择了沙棘果渣，生物质炭和生物陶粒三种性质差异较大的材料作为固氮微生物载体的候选类别。1.2.1沙棘果渣沙棘（Hippophaerhamnoides）是一种在我国西部地区广泛分布的植物品种，起源于亚欧大陆，在欧洲西北部也有较多的分布，根据不同的微气候和物种，其外形形态存在一定的差异。沙棘属于落叶小乔木或灌木，木质，枝多刺，成熟分支的顶部都长有一刺，刺的生长密度约为每平方厘米1-5根（Dwivedi等,2006），叶小，互生，线性或披针形，背面覆银色星状鳞片，可反射阳光，减少水分损失。虽为一种水生植物，但也表现出许多的旱生特征，对于许多恶劣条件具有一定的适应性，可在-40～40℃的温度范围内生长。多生长于低湿度的冲积砾石、潮湿的斜坡与河岸（Lu,1992），因其具有防风固沙的效果，曾一度在西北地区广泛推广种植，目前沙棘种植以及相关的副产品加工已逐步成为我国西部地区的重要产业。当下，我国拥有世界首位的沙棘总分布面积（齐虹凌等，2005），有着极为丰富的沙棘资源和大量亟待合理利用的果渣废弃物。沙棘被誉为宝藏植物，所含的营养物质种类高度丰富，被鉴定的生物活性成分就高达190多种，其中不乏高含量的维生素C、A、E等维他命成分，也包括黄酮类、三萜、蛋白质、油脂、有机酸、糖类等众多有效成分（刘瑞等，2009）。研究发现，在沙棘果实中收集到的维生素C含量为每100g果汁300-1600mg，约为橘子的30倍。其所含的维生素A含量为胡萝卜的3倍，橘子的20倍（Lu,1992）。此外，沙棘在促进免疫系统、调节血脂、促进机体微循环等方面（李繁，2009）都存在一定优势，在食品药品领域具有较大的开发潜力，可制为果酱、果冻、糖浆、食品添加剂以及抗氧化剂等。但果渣废弃物的资源化利用途径仍较为局限，目前报道的较为高效的利用方式包括主黑木耳栽培基质（郭兴，2017），动物饲料（Momani等，2018；牟春堂，2019），果渣食品（朱丹丹，2018）等，其中有关沙棘果渣在微生物载体方面的应用仍有待进一步探究和发掘。1.2.2生物质炭生物质炭是生物质在氧气含量稀少的条件下经过热化学转化产生的一种固体物质（IBI,2012），因高温导致生物质结构中化学键断裂而产生丰富的化学官能团和多孔结构，从而具有了极强的吸附能力（Schmidt等,2000），故而在于重金属物质的吸附、土壤性质改良等方面具有较强的应用价值，在农业生产和环境方面逐步有了较多的推广。此外，原生物质中的纤维素、半纤维素等成分会在高温过程中逐步分解，其中所含的氮素不断损耗（唐丽蓉等，2009），其中约有70～90%的氮素挥发损失（Rovira等，2009），使得生物质炭中整体上含有极高比例的碳，这些碳主要以烷基碳和芳香碳的形式存在（Glaser等,1998）,其中高度芳香化的炭结构在土壤中仍能保持较强的化学稳定性，使得参与土壤中碳循环的比例整体较少。生物质炭对微生物有多种方面的影响。因生物质炭具有高孔隙率和比表面积，吸附性和持水性较为良好，在一定程度上能够为微生物提供较丰富的栖息空间，减少微生物间生存空间的竞争（Quilliam等,2013）；生物质炭所含营养元素丰富，加之其巨大的表面积，能够在一定程度上为许多微生物提供营养供应（Chathurika等,2016)，同时生物质炭的吸附性能也能在一定程度上吸收周围环境中的养分，促进生物质炭周围微生物的生长（Chen等,2012）；但同时生物质炭也会伴随有一定量的对微生物具有毒害性的物质，包括苯、酚类、羧酸、酮、呋喃和多环芳烃（PAHs）（Ghidotti等,2017），在一定程度上对微生物生长产生消极影响。对于固氮微生物而言，一些研究认为生物质炭对于土壤中微生物固氮具有积极作用，如生物质炭可对根瘤菌科的固氮细菌的丰度有着显著的提升效果（Anderson等,2011）。同时生物质炭表面的官能团对于酸性气体也有较大的捕捉潜力，对于CO2等酸性温室气体表现出较强的减排优势。生物质炭的大、中、小孔径的空隙被认为在CO2吸收过程中分别扮演了增强CO2在管道内的扩散、提供气体和固体界面反应通道，以及CO2储存的功能（Shen等,2013）。1.2.3生物陶粒生物陶粒是一种以粘土为主要材料，通过配料、破碎、成球、高温烧制、筛分等制备工艺加工形成的一类圆球状的颗粒材料。生物陶粒制备成本廉价，内部结构疏松，比表面积大，外层稳定坚固，能够为微生物提供较大且稳定的生存空间，易于对微生物进行负载。根据不同的材料来源、组成成分等可以大致分为粘土陶粒、粉煤灰陶粒等多个大类（冯敏等，2009）。生物陶粒具有较强的吸附能力，对于磷（张修稳等，2014）、铵态氮（李丹等，2019）等养分元素以及铅（陈文虾，2018）、镉（Shi等，2015）等部分金属元素具有一定的吸附效果。此外，生物陶粒也可通过吸附作用吸附微生物，使其能够相对固定地生活在陶粒提供的空间中，而所吸附的微生物还会产生分泌胞外聚合物，形成生物膜等更为复杂的微生物生存空间，从而实现对更多微生物的负载，这一过程往往先慢后快，而当生物膜发展至一定阶段后，原生物膜中的细胞会逐步发生脱离（唐伟，2019）。由于生物陶粒所吸附的微生物乃至形成的生物膜，它们的生存较为依赖外界环境中的有机质、硝态氮、铵态氮等养分物质，故而这些养分会有较大的消耗，对于污水中的养分元素的去除有较强的应用意义，目前在水处理中应用广泛，而这一材料在农业土壤中的应用也在逐步拓展，因其较强的吸附能力，在土壤重金属元素稳定化等领域也逐步表现出应用价值。由于固氮微生物可能改变土壤中的代谢过程，影响碳素循环，选取土壤中的全碳、DOC、CO2和CH4作为监测指标，固氮微生物的固氮过程可能影响土壤中的氮素循环，选取了全氮、DON、N-NO3-、N-NH4+、N2O等指标进行监测，同时CO2、CH4、N2O作为农田的主要温室气体类型，对这些气体的监测也能反映所选用载体可能引起的增温效果。此外固氮微生物的施加可能对土著微生物数量产生影响，故选取土壤微生物数量进行监测。为了反映土壤中的养分元素情况，在测定上述提及的几种土壤养分的同时还兼顾了有效磷、速效钾等指标，以期较为全面地反映固氮微生物施加对养分元素的影响情况。参考文献才吉卓玛.生物炭对不同类型土壤中磷有效性的影响研究[D].中国农业科学院,2013.陈春梅,谢祖彬,朱建国.土壤有机碳激发效应研究进展[J].土壤,2006(04):359-365.陈文虾.不同人工湿地基质对铅的去除效果对比[J].绿色科技,2018(08):93-95.冯敏,刘永德,赵继红.污水处理用生物陶粒滤料的研究进展[J].河北化工,2009,32(01):64-66.郭碧林,陈效民,景峰,等.生物质炭添加对重金属污染稻田土壤理化性状及微生物量的影响[J].水土保持学报,2018,32(04):279-284+290.郭兴.利用沙棘果渣栽培黑木耳的研究[J].林业科技,2017,42(1):42-44．韩庆吉.自制陶粒基垂直流人工湿地处理生活污水的试验研究[D].西安科技大学,2019.贺纪正,张丽梅.土壤氮素转化的关键微生物过程及机制[J].微生物学通报,2013,40(01):98-108.侯海军,秦红灵,陈春兰等土壤氮循环微生物过程的分子生态学研究进展[J].农业现代化研究,2014,35(05):588-594.贾雨雷,廖真,汪丽芳,等.化肥减量配施菌草固氮菌肥对巨菌草生长、营养品质及土壤养分的影响[J].草业学报,2021,30(03):215-223.李丹,王欣泽,刘剑楠,刘艳萍,解婷婷.多级土壤渗滤系统填料的脱氮除磷性能研究[J].水处理技术,2019,45(10):24-29.李繁.沙棘的研究进展[J].中国医药导报,2009,6(01):7-8+21.李峰,周方亮,黄雅楠,等.紫云英和秸秆还田对土壤肥力性状的影响[J].中国土壤与肥料,2020(03):75-81.李琦,杨晓玫,张建贵,等.农用微生物菌剂固定化技术研究进展[J].农业生物技术学报,2019,27(10):1849-1857.刘本娟,谢祖彬,刘琦,等.生物质炭引起的土壤碳激发效应与土壤理化特性的相关性[J].土壤:1-11.刘杰云,沈健林,邱虎森,等.生物质炭添加对农田温室气体净排放的影响综述[J].农业环境科学学报,2015,34(02):205-212.刘瑞,张弘弛.沙棘化学成分的研究进展[J].山西大同大学学报(自然科学版),2009,25(02):43-44+54.刘世荣,王晖,栾军伟．中国森林土壤碳储量与土壤碳过程研究进展[J]．生态学报，2011，31(19):5437-5448．柳敏,宇万太,姜子绍,等.土壤溶解性有机碳(DOC)的影响因子及生态效应[J].土壤通报,2007(04):758-764.陆佳靓.修复两种农药污染土壤的固定化微生物技术[D].沈阳工业大学,2014.牟春堂,郝小燕,刁小高,等.沙棘果渣再动物饲粮中应用的研究进展[J].动物营养学报,2019,31(7):2965-2970.潘根兴,李恋卿,郑聚锋,等.土壤碳循环研究及中国稻田土壤固碳研究的进展与问题[J].土壤学报,2008(05):901-914.彭春燕,刘天翔,高育慧,等.微生物固定化载体材料的最新研究进展[J].现代化工,2021:1-6.齐虹凌,于泽源,李兴国.沙棘研究概述[J].沙棘,2005(02):37-41.秦宝军.高效固氮菌选育与土壤培肥研究[D].西北农林科技大学,2010.荣勤雷,梁国庆,周卫,刘东海,王秀斌,孙静文,李双来,胡诚.不同有机肥对黄泥田土壤培肥效果及土壤酶活性的影响[J].植物营养与肥料学报,2014,20(05):1168-1177.沈菊培,贺纪正.微生物介导的碳氮循环过程对全球气候变化的响应[J].生态学报,2011,31(11):2957-2967.宋燕凤,张前前,吴震,等.田间陈化生物质炭提高稻田土壤团聚体稳定性和磷素利用率[J].植物营养与肥料学报,2020,26(04):613-621.唐丽荣,黄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