微生物肥料在農(nóng)業(yè)中的應用

微生物肥料在農(nóng)業(yè)中的應用

中國是一個擁有眾多農(nóng)業(yè)大國的農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)是經(jīng)濟和商業(yè)的基礎。發(fā)展農(nóng)業(yè)不僅對中國的經(jīng)濟發(fā)展具有戰(zhàn)略意義，也對世界的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。目前,由于全世界的農(nóng)藥和化學肥料使用量的增長,對農(nóng)藥和化學肥料的依賴性日益增強,造成了有機肥使用不足,土壤養(yǎng)分比例失調(diào);土地板結(jié),土壤質(zhì)量下降;河流和地下水污染等一系列問題。要避免重蹈發(fā)達國家“先污染、破壞、后治理”的覆轍,發(fā)展“持續(xù)性農(nóng)業(yè)”,就要減少化學農(nóng)藥和肥料的使用量,尋找有效的替代品。微生物肥料具有肥效高、本身無毒、不污染環(huán)境且成本低、可節(jié)約能源等特點,是化學肥料的最有效的替代品。合理開發(fā)和利用微生物肥料,是我國農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的重要途徑。1微生物肥料的含義和特征1.1優(yōu)化植物養(yǎng)分供應微生物肥料是指一類含有活微生物的特定制品,應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,能夠獲得特定的肥料效應,在這種效應的產(chǎn)生中,制品中活微生物起關鍵作用。目前一般將微生物肥料制品分為兩大類:一類是狹義的微生物肥料,指通過微生物的生命活動,增加了植物營養(yǎng)元素的供應量,包括土壤和生產(chǎn)環(huán)境中植物營養(yǎng)元素的供應總量,導致植物營養(yǎng)狀況的改善,進而產(chǎn)量增加,這一類微生物肥料的代表品種是根瘤菌肥;另一類是廣義的微生物肥料,指通過其中的微生物的生命活動,不但能提高植物營養(yǎng)元素的供應量,還能產(chǎn)生植物生長激素,促進植物對營養(yǎng)元素的吸收利用或有拮抗某些病原微生物的致病作用,減輕農(nóng)作物病蟲害而促進作物產(chǎn)量的增加。目前正處于研究和探索的植物促生根際細菌(PlantGrowth-PromotingRhizobacteria)(PGPR)即屬于這一類,但這一類微生物制品的種類較多,市場混亂,目前爭議較多。1.2優(yōu)化基因型及篩選微生物肥料的核心是微生物,因此具有微生物的特性。微生物資源豐富,種類和功能繁多,可以開發(fā)成不同功能,不同用途的肥料。而且微生物菌株可以經(jīng)過人工選育并不斷純化、復壯以提高其活力,特別是隨著生物技術的進一步發(fā)展,通過基因工程的方法獲得所需的菌株已成為可能。微生物肥料中含有微生物的一些次生代謝產(chǎn)物,其中一些是作物的生長刺激素,可在作物幼苗期刺激作物生長發(fā)育,在作物成熟期還可以提高作物的品質(zhì);還有一些則有防治病蟲害的功能。另外,從環(huán)境資源角度來看,微生物肥料具有資源再利用,無毒、無害、無污染、成本低的特點。2微生物肥料的主要類型2.1對土壤理化性質(zhì)的變化微生物肥料種類繁多,根據(jù)它們的特性和作用機理,傳統(tǒng)上將它們大致分為5類:⑴能將空氣中的惰性氮素轉(zhuǎn)化成作物可直接吸收的離子態(tài)氮素,在保證作物的氮素營養(yǎng)上起著重要作用的微生物制品。屬于這一類的有根瘤菌肥料、固氮菌肥、固氮藍藻等。⑵能分解土壤中的有機質(zhì),釋放出其中的營養(yǎng)物質(zhì)共植物吸收的微生物制品。⑶能分解土壤中難溶性的礦物,并把它們轉(zhuǎn)化成易溶性的礦質(zhì)化合物,從而幫助植物吸收各種礦質(zhì)元素的微生物制品。其中主要的是“硅酸鹽”細菌肥料和磷細菌肥料。⑷對某些植物的病原菌具有拮抗作用,能防治植物病害,從而促進植物生長發(fā)育的微生物制品,如抗生菌肥料。⑸菌根菌肥料2.2生物處理技術由于作物生長發(fā)育需要多種營養(yǎng)元素,單一菌種、單一功能的微生物肥料已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的需求?，F(xiàn)代微生物肥料不僅僅由單一的菌種構(gòu)成,而更加趨向于復合菌株組成的多功能微生物肥料。因此,現(xiàn)代微生物肥料可分為單一菌種肥料和復合菌種肥料。2.2.1根瘤菌肥、固氮菌肥、解磷、解鉀菌肥等一種個別的細菌肥料2.2.2菌種、發(fā)酵生物肥料⑴微生物—微量元素復合生物肥料。微量元素在植物體內(nèi)是酶或輔酶的組成成分,對高等植物葉綠素、蛋白質(zhì)的合成、光合作用,對養(yǎng)分的吸收和利用方面起著促進和調(diào)節(jié)的作用。如元素鉬、鐵等是固氮酶的組成成分,是固氮作用不可缺少的元素。西南農(nóng)學院分別用鉬、鈷、鎢浸種做的葫豆田間試驗以及中國農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料研究所的實驗都證實了上述微量元素對共生固氮都有良好的增產(chǎn)效果。⑵聯(lián)合固氮菌復合生物肥料。由于植物的分泌物和根的脫落物提供能源物質(zhì),固氮微生物利用這些能源生活和固氮,因此稱為聯(lián)合固氮體系。這種聯(lián)合固氮體系最早是在雀椑固氮菌(Azotobacterpaspali)之間發(fā)現(xiàn)的。我國科學家從水稻、玉米、小麥等禾本科植物的根系分離出聯(lián)合固氮細菌,并開發(fā)制成微生物肥料,由于具有固氮、解磷、激活土壤微生物和在代謝過程中分泌植物激素等作用,促進作物生長發(fā)育,提高小麥單位面積產(chǎn)量。在國內(nèi)推廣很快,應用面積達330多萬公頃。甘肅省達27萬公頃。⑶固氮菌、根瘤菌、磷細菌和鉀細菌復合生物肥料。這種生物肥料可以供給作物一定量的氮、磷和鉀元素。選用不同的固氮菌、根瘤菌、磷細菌和鉀細菌,分別接種到各種菌的富集培養(yǎng)基上,在適宜的溫度條件下培養(yǎng),達到所要求的活菌數(shù)后,再按比例混合,制成菌劑,其效果優(yōu)于單株菌接種。如BOMSINOw微生物有機肥料同時具有氨化、硫化、解磷的功能。⑷有機—無機生物復合肥料。在長期應用微生物肥料的實踐中,人們認識到,單獨施用生物肥料滿足不了作物對營養(yǎng)元素的需要,生物肥的增產(chǎn)效果是有限的。長期大量使用化肥,土壤板結(jié),作物品質(zhì)下降,口感不好,更值得注意的是影響人、畜的身體健康。因此,有機—無機復合生物肥料成為人們關注的一種新型肥料。⑸多菌株多營養(yǎng)生物復合肥。這種生物肥料是利用多種生理生化習性相關的菌株共同發(fā)酵制造的一種無毒、無環(huán)境污染、可改良土壤的水溶性肥料。由于它是微生物發(fā)酵分解制造的生物肥,適用于各種農(nóng)作物,可以改善作物品質(zhì)、縮短生長周期、提高作物產(chǎn)量,用時該肥易于保管、運輸和施用。如“墾易”(活性)生物肥料,是以魚粉、紅糖或蜜糖為主,制成培養(yǎng)液,高溫滅菌,然后接種母劑,發(fā)酵20天左右。經(jīng)微生物學分析,這種液體肥料含微生物種類很多,細菌、放線菌、霉菌和酵母都有,其中以芽孢桿菌為主。日本研制成的EM生物肥料是以光合細菌、乳酸菌、酵母菌、放線菌等10個屬80多種微生物生命活動的產(chǎn)物。這些微生物在土壤中相互共存,可以產(chǎn)生各種酶、生理活性物質(zhì)、維生素類物質(zhì)等,直接或間接促進作物的生長。3微生物肥料的開發(fā)與開發(fā)3.1復合肥料及其應用我國早在50年代就開始了微生物肥料的生產(chǎn)和研究,經(jīng)過多年的實驗和研究已經(jīng)取得了很大的進展,在長期的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應用中取得了較好的效果。我國微生物肥料中,根瘤菌肥的應用最為廣泛,其中大豆、花生、紫云英及豆科牧草接種面積較大,增產(chǎn)效果明顯。紫云英根瘤菌在未種植過紫云英的地區(qū)應用,紫云英產(chǎn)草量可成倍增長。大豆接種根瘤菌每公頃可增產(chǎn)大豆225～300kg?；ㄉ鼍墒够ㄉ霎a(chǎn)10～50%。豆科作物從根瘤菌中獲得的氮素占其一生所需氮素的30～80%,而且豆科根瘤固定的氮素大部分可為植物吸收利用。如果根瘤菌類肥料的使用面積達到666.67萬hm2,則可減少12萬～50萬t化肥用量。在保證作物產(chǎn)量穩(wěn)步增長的同時,產(chǎn)品品質(zhì)亦相應提高,環(huán)境效益更不可估量。令人遺憾的是,由于菌劑工藝的不成熟以及當?shù)貤l件的限制,目前我國花生、大豆等作物的接種面積尚不足其播種面積的0.1%。根據(jù)所收集到的資料和調(diào)查研究的結(jié)果,我國目前固氮菌肥使用不廣,以1990～1998年湖北省小麥根際聯(lián)合固氮菌的應用為例,使用面積最高的1997年為22.531萬hm2,占當年小麥播種面積的17%,最低的1996年為0.7萬hm2,僅占小麥播種面積的0.5%(表1)。同時,近幾年我國其它菌肥發(fā)展迅速。在生物復合肥料研究開發(fā)領域中,許多高校和研究機構(gòu)正在與產(chǎn)業(yè)界合作,采用產(chǎn)、學、研結(jié)合的開發(fā)形式,使科研成果迅速產(chǎn)業(yè)化,取得了明顯的經(jīng)濟效益。目前,我國生物復肥生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模一般在1.5～3.5萬t/年,有8種生物肥料已獲得農(nóng)業(yè)部首次認證,并在國內(nèi)推廣使用。其中北京世紀阿姆斯生物技術有限公司研制開發(fā)成功的“阿姆斯”世紀生物肥料,已在全國近20個省市自治區(qū)的34種作物上試用,可使蔬菜增產(chǎn)13～21%,棉花增產(chǎn)28%。北京綠源生物技術研究所開發(fā)的生物肥,可使水稻小麥等增產(chǎn)10～20%。武漢利泰技術有限公司及北京大學也分別研究開發(fā)成功多功能生物肥,可使作物增產(chǎn)10%以上。湖北德隆生化有限公司提出利用一種多效有機生物肥料的生產(chǎn)方法。海南蘭德工貿(mào)技術公司提出一種生物復混肥料的制造工藝,它含有耐氨菌劑、改造后的銨態(tài)氮肥和微量元素化合物。這些生物復合肥對作物的增產(chǎn)都能達到10%以上。3.2復合微生物肥料從我國微生物肥料的成長史中可以看出我國微生物肥料的發(fā)展趨勢。概括起來有這樣幾個方面:⑴由豆科作物接種劑向非豆科用肥方面發(fā)展微生物肥料起源于豆科作物專用根瘤菌接種劑。然而,豆科作物種植面積在我國較小,對肥料需求量遠不如糧食作物大。加之,大豆、花生產(chǎn)區(qū)經(jīng)常用根瘤菌劑就會出現(xiàn)老產(chǎn)區(qū)接種效果差的問題,因而四十多年來我國根瘤菌劑生產(chǎn)和應用量一直不大,始終沒有形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模。今后微生物肥料勢必將轉(zhuǎn)向非豆科糧食作物用肥。⑵由單一菌種想復合菌種方面發(fā)展豆科作物接種根瘤菌只要選用相應接種族的根瘤菌種,但是,由于微生物肥料的肥效并非單一功能作用結(jié)果,因而必然發(fā)展到多種菌的復合。目前,國內(nèi)微生物肥料多趨向于將固氮菌和磷、鉀細菌復合在一起施用,使得微生物肥料能同時供應作物氮、磷、鉀營養(yǎng)元素。⑶由單功能向多功能方面發(fā)展微生物肥料由于其微生物活動的特性,必將在微生物種群繁殖生長的同時向作物根際分泌一些次生代謝產(chǎn)物,而其中的一些次生代謝產(chǎn)物具有改善植物營養(yǎng)、刺激生長和抑制病菌等綜合功能。許多微生物的功能,也不是單一的,有些自生固氮菌除有固氮作用外,還能抑制病菌;有些殺蟲細菌同時具有抑菌作用,許多微生物都有刺激植物生長作用。因此,微生物肥料將向功效的多樣化方向發(fā)展;除要求有肥效外,還可開發(fā)兼有防治土傳病害(如小麥全蝕病、西瓜和棉花枯萎病)的生物肥料。⑷由無芽孢菌轉(zhuǎn)向芽孢菌種目前,我國應用的各種微生物肥料中固氮菌類(包括根瘤菌類)都是無芽孢菌類。由于無芽孢桿菌不耐高溫和干燥,在劑型上只好以液體劑或?qū)⑵湮皆诨|(zhì)(如草炭或蛭石等)中制成接種劑,以便于存儲和運輸。液體劑或固體菌劑用作拌種劑,每公頃用量很少(7.5～15kg);如作為基肥則用量大(每公頃750kg左右),難以運輸和施用,成本也高。價值,無芽孢菌抗逆性低,制成液體劑或吸附劑都不耐存儲,難以進入商品渠道。因此,微生物肥料今后的發(fā)展必然在劑型上要有革新,要求菌種的更新?lián)Q代,即應選用抗逆性高、能長時間存儲的芽孢桿菌屬。如現(xiàn)已為國際承認的有固氮作用的需氧芽孢細菌,多粘芽孢桿菌(Bacilluspolymyxa),其中一個有較強固氮能力的變種于1984年定名為固氮芽孢桿菌(Bacillusazolofixans),其固氮酶活性可達69～240×106μg分子乙烯/ml/h,用凱式定氮法檢定其固氮能力為3.3～6.0mgN/g葡萄糖。此類菌劑80oC干燥制成干粉后可長期儲存,適合于制成粉狀或顆粒狀微生物肥料,是固氮菌類更新?lián)Q代的最佳菌種。4微生物肥料的研究目前微生物肥料發(fā)展還相當遲緩,其發(fā)展速度遠遠落后于肥料工業(yè)的發(fā)展要求。但是,我國擁有多年的實踐和研究經(jīng)驗,在長期的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應用中取得了較好的效果。加之近年來DNA重組技術應用于微生物肥料領域后極大地促進了這一領域的發(fā)展,它不僅大大加速了篩選優(yōu)質(zhì)菌種的過程,而且還可以創(chuàng)造符合人們需要的新的優(yōu)良菌種,基因重組還有可能生產(chǎn)出更多功能的微生物肥料產(chǎn)品。社會對糧食和肥料需求的加大,現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)和有機農(nóng)業(yè)對非化學肥料的需求,人們環(huán)境保護意識的提高,使微生物肥料的開發(fā)和研究具有巨大的潛力。微生物肥料存在的問題主要是質(zhì)量上,肥效慢、專性強、使用面較窄、貯存期短、易失效等,而且,菌種分類地位不明確,有些產(chǎn)品使用的菌種缺乏必要的鑒定材料,不利于產(chǎn)品的標準化、商品化。因此,發(fā)展微生物肥料主要研究集中在以下幾個方面:⑴研究固氮的分子基礎,以提高微生物的固氮水平;⑵通過DNA重組技術改造共生細菌,提高其競爭力,使之能超過天然共生細菌,促進根瘤的形成;⑶產(chǎn)生有用的微生物菌株合成鐵載體(siderophore),阻止植物病原微生物的生長;⑷尋找并改造產(chǎn)生植物激素的微生物,使之能釋放特定水平的某種激素,以促進植物的生長和繁殖。⑸完善微生物肥料的