微生物肥料对土壤生态环境修复效应的影响

张雪峰,胡 滨

(1.辽宁省绿色食品发展中心,辽宁 沈阳 110032;2.沈阳农业大学园艺学院,辽宁 沈阳 110161)

1 引言

近年来由于化肥、农药大量使用,再加上重金属、难降解有机物对土壤生态系统严重破坏,从而导致土壤微生物种类和数量减少、土壤结构破坏、农作物品质下降、病虫害增加,明显增加了化肥和农药的使用量,其结果是进一步加剧了对土壤生态系统的破坏。为了从根本上修复土壤生态系统,使用微生物肥料是修复土壤生态系统的关键措施。微生物肥料在现代农业的发展中已经作为绿色和有机农业作物的主要“粮食”和“营养”,可以提高作物的产量和产品质量。国内外在生产绿色和有机食品的过程中,都要求不用或尽量少用化学肥料和农药等其它化学合成物质。这就要求所应用的微生物肥不仅能促进作物的生长和提高产品质量,还要不污染环境和土壤,对土壤生态系统的物质循环、能量流动有特殊作用。

2 我国微生物肥料的发展现状

土壤的污染会导致某些成分在粮食等作物中的积累,影响粮食的品质,并通过食物链,危害人类健康。微生物肥料又称接种剂、生物肥料、菌肥等,是含有特定微生物活体菌种的优化组合,经发酵培养与有机物混合而制备的微生物制剂。微生物肥料进入土壤生态系统后,在适当的水分、温度、pH 值等条件下,与土著有益微生物共同形成优势菌群,促进土壤生态系统的氮、氧循环,从而达到修复土壤生态系统,使之形成新的稳定的平衡地生态系统。

微生物肥料通过其中微生物的生物活动而使作物得到特定所需肥料效应,可以提高产量,改善农产品品质及农业生态环境。由于微生物种类繁多、功能多样,其在农业生产中的研究和应用的潜力巨大[1]。近10年的实践已经证明,微生物肥料作为生物肥料在优质农产品的生产方面,如国家生态示范区、绿色和有机农产品基地等已成为肥料的主力军,约占我国肥料年产量的30%,随着研究和应用的深入,微生物肥料在我国农业可持续发展中的作用将会更为重要[2]。微生物肥料不能作为现代农业生产中的万能肥料甚至代替化肥使用。目前的研究和农田试验结果来看,微生物肥料只能不同程度的减少化肥的使用量而不能完全取代。此外,一种肥料都要适宜当地农作物的需要,还没有广谱微生物肥料的应用。

3 微生物肥料的种类

3.1 微生物拌种剂

利用草炭土和蛭石等多孔物质作为吸附剂来吸附菌体的发酵液而成为微生物菌剂用于拌种和蘸根。主要应用品种为各类根瘤菌肥料,用于豆科作物根、茎形成根瘤,同化空气中N 2供应植物的氮素营养。两种或两种以上互不拮抗的微生物(固氮菌、芽孢菌或其它菌),利用菌剂在不断地繁殖过程中自身产生的各类植物生长促进剂,拮抗某些致病病原菌,达到抑制土传病害,如线虫病、全蚀病、青枯病、枯萎病等。甚至有的微生物菌剂可以活化土壤中已固化的P、K矿物质,使其被吸收。有些微生物菌剂能加速作物秸秆的腐熟和促进有机废物的发酵、土壤环境的净化和修复作用的农药残留降解菌剂、水体净化菌剂和土壤生物改良剂(生物修复剂)等方面的研制开发已取得良好应用,并具有广阔前景[3,4]。

3.2 复合微生物肥料

为了减少化肥用量,降低成本,改良土壤和改善作物品质,保护环境,微生物复合肥根据营养物质不同可分为：微生物和有机复合;微生物和有机物质及无机元素复合。其作用机理主要有以营养、抗病、降解农药或多种作用同时兼有,主要用做基肥施用。按微生物在其制品中的存在种类可分为细菌肥料(根瘤菌肥、固氮、解磷、解钾肥);放线菌肥(抗生肥料);真菌类肥(菌根真菌、霉菌肥料、酵母肥料);光合细菌肥料。按其作用机理可分为根瘤菌肥料、固氮菌肥料(自生或联合共生类)、解磷肥料、硅酸盐类肥料、芽孢杆菌制剂、分解作物秸秆制剂、微生物植物生长调节剂类。随着微生物研究的广泛深入,作为复合微生物及其制品将会得到更有利、更合理的应用。

4 微生物肥料在土壤生态修复中的应用

4.1 微生物肥料可以增加土壤肥力

生物种群的多样性,表现在土壤生物肥力形成和作用过程是有多种生物参与的综合结果;土壤肥力具有动态性,其测定值随时间而变化。人工接种微生物,即施用微生物肥料是维持和提高土肥的有效手段,在我国现有栽培与管理如不合理或过量使用化肥、复种指数高、滥用农药等是不可缺少的[5,6]。由真菌、细菌、放线菌、微藻类组成的微生物菌群对于土壤中有机物分解、养分转化和循环作用明显。微生物也可通过自身细胞固定碳素和其它营养物质[7]。目前大量使用化肥、农药和机械投入不仅增加成本,而且污染自然环境,这其中的主要原因是没有重视微生物在维持土壤肥力和作物生长中的作用。

土壤生产能力作为农业可持续发展的重要组成部分已得到日益重视。土壤生物在土壤肥力和农业生产能力上的重要性逐渐突显[8]。微生物肥料的作用是综合性的,增加土壤肥力是其主要功效。高效微生物肥料能在土壤生态系统中与原土著有机菌形成优势菌群,通过优势菌群的代谢,可以形成新的微生态系统,降解有机物,抑制有害病菌的生长,同时产生生理活性物质刺激、调控农作物的生长,增强农作物抗病、抗旱能力,降低或减轻病虫害,从而减少化肥和农药的使用。微生物肥料能明显提高土壤生态系统的微生物种类和数量,特别是真菌的数量对于涕灭威和苾污染的土壤生态修复效果更明显。

4.2 协助农作物吸收营养,增加作物产量

根瘤菌剂能在根瘤中固定氮素并被植物吸收,既能全部利用又能防止土壤污染。AM真菌是一种土壤真菌,它与多种植物根系共生,其菌丝能吸收更多的营养供给植物吸收利用,尤其是磷的吸收最明显。一些国家的田间试验结果证明,固氮螺菌接种在土壤和气候不同的地区可以提高作物的产量,此类菌剂促进生长的主要机制是产生能促进植物生长的物质,具体表现在促进根毛的密度和长度、侧根出现的频率及根的表面积。在20世纪50～60年代期间,根瘤菌剂已经成为应用最为广泛的微生物肥料产品,其中大豆、花生、紫云英及豆科牧草接种面积较大,增产效果明显。

4.3 增加植物的抗病虫害和抗旱能力

土壤生态系统中有效菌主要是促进根系生长的细菌和真菌。许多研究表明,土壤微生物对生态系统变化非常敏感,可以作为土壤生态系统修复的目标生物[9]。针对我国目前农业生产中蔬菜及保护地栽培下广泛存在病害发生、品质下降等问题,采用分子生态学方法分析评价连续耕作、保护地耕作下的作物根际微环境,找出障碍因子;通过筛选利用能够改善根际微生境的微生物组成,达到促进作物对营养物质的吸收与利用,控制病虫害的发生,提高作物的抗逆性。

有机肥腐熟剂作为接种菌剂可以类似堆肥物料快速达到高温、控制堆肥过程中臭气的产生,缩短堆肥腐熟进程;有效杀灭病原菌和降解有机污染物,提高堆肥质量。有机物料腐熟剂在产品效果的稳定性以及菌种组成的合理性还需要深入的研究,开发出效果更稳定、针对性更强的产品应用于生产实践。

5 微生物修复与土壤生态条件的关系

微生物修复作为生物修复的主要部分,使土壤中的污染物得以降解或转化为无毒或低毒物质。它主要是利用土壤中的特定微生物、根系分泌物、菌根等降解或吸收积累在土壤中污染物,实现污染土壤修复的目的。微生物修复技术主要通过利用污染物作为碳源和能源,从而达到对污染物的分解和矿化的目的。微生物修复的强化技术可以提高生物降解反应器中微生物的降解能力,利用投加外源微生物来保持并强化反应器中存在微生物的活性,从而提高微生物降解效果。生物强化技术被广泛应用于土壤、地下水等难降解有机物的去除和改善上。

5.1 污染物浓度

土壤中污染物浓度过高是微生物修复的关键性问题。特别是当污染的生物有效性或生物可利用性很高,即使一些化学品在低浓度下可以被生物降解,但在高浓度下却对微生物有毒,毒性作用将阻止、减缓代谢反应的速度,阻止刺激污染物迅速移动新生物量的快速增长,所以过高的污染浓度就会严重影响微生物修复的效果。当污染物浓度太低不足以维持一定数量的降解菌时,污染物会残留在土壤中。微生物降解过程中,并非微生物的生物量越多越好,过量的生物量会使过程发生挤压和阻塞,从而不利于生物降解的发生。

5.2 土壤环境因素

土壤温度变化对农药和化肥的微生物降解影响很大。0～10°范围内,随着温度升高,微生物增多,活性增大,降解率提高,对于好氧菌最佳的降解温度一般在15～30°。因为温度降低,毒性组分的挥发也减慢。绝大多数微生物在中温最活跃。土壤湿度也是影响微生物活动的因素之一,土壤含水量过低,微生物得不到充足的水分供应,细胞活性受抑制。反之,土壤含水量过高,有效毛细空间被水充满,则会妨碍氧气的供应。一般认为,土壤含水量达到15%～20%时,土壤生物修复的效果最好。土壤p H值的变化也会引起微生物活性的变化,因为每一种微生物都有一个最适宜的pH值。

微生物肥料的发展很快,但也有盲目地认为肥料中加入菌的种类越多越好而将互相拮抗的菌剂混合在一起使用。发酵设备不完善、工艺不先进、产品质量不稳定、复合微生物肥料中化肥比例大,高新产品开发滞后等不良因素严重影响微生物肥料的发展。目前在我国花生、大豆等作物的根瘤菌接种面积尚不足其播种面积的1.0%。微生物肥料在农业增产和环境保护中的作用应该大力发展肥料品种。农业部于1996年已将微生物肥料纳入国家登记管理范畴,对微生物肥料的生产、销售、应用、宣传等方面进行监管。同时微生物不能降解污染环境中的所有污染物,污染物的难生物降解性、不溶性使生物修复难以完成;特定的微生物只能降解特定的化合物类型,化合物形态一旦变化就难以被原有微生物酶系降解。微生物肥料今后发展的重点是在菌株的筛选和联合菌群的应用,使复合或联合菌群发挥互惠、协同共生等作用,排除相互拮抗的发生;生产条件的改善和生产工艺的改进,发酵条件、工艺流程、合适的载体、剂型、粘着剂的发展;有机物料腐熟剂、根瘤菌剂、生物修复剂(解毒、重茬)、促生菌剂、生物有机肥等应作为研发热点产品开发利用。

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[2]刘 健,李 俊,葛 诚.微生物肥料作用机理的研究进展[J].微生物学杂志,2001,21(1)：33～36.

[3]朱昌雄.我国生物肥料标准研究进展及建议[J].磷肥与复肥,2005,20(4)：5～ 7.

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