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木霉腐植酸土壤修复剂的开发应用

2014-04-18张常书张丽娟唐卫东

腐植酸 2014年4期
关键词:木霉腐植酸霉菌

张常书 张丽娟 唐卫东 赵 玉

(1 上海通微生物技术有限公司 上海 201800 2 上海大井生物工程有限公司 上海 201800)

我国腐植酸主要分为两大类:一类是矿源腐植酸,包括褐煤、风化煤、草炭或泥炭中的腐植酸,其主要成分为黄腐酸、棕腐酸、黑腐酸3种;另一类是生物腐植酸,是以作物秸秆、有机废料等植物源(或称生物质)为原料,经过生物发酵所得到的一种类似矿源腐植酸的物质。生物腐植酸,因生产原料、工艺、菌剂等不同,其化学特征、生物活性、作用功能等也不尽相同[1]。

木霉腐植酸是生物腐植酸的一种,是以褐煤或草炭为原料,采用从土壤根际生物中经多次试验筛选出来的木霉菌(Trichoderma)或萤光假单孢菌复合剂作为发酵菌剂,在专门配制的木霉腐植酸培养基上发酵培养5~7天后,产生大量的木霉菌体和分生孢子,再经加工处理所得。木霉腐植酸具有木霉生物功能和腐植酸生物功能的双重特征,其在促进作物生长和抗病改土功能方面,源于腐植酸而优于腐植酸;特别是木霉菌的代谢产物和“共生”拮抗作用,对作物多种土传病害有抑制作用,因而木霉腐植酸对土壤修复和抗病功能有独到之处。

目前,我国土壤污染严重,土壤修复迫在眉睫。木霉腐植酸的开发及研制成功,不仅为我国生物腐植酸的定向发酵开辟了一条全新的工艺路线,也为开展土壤修复工作提供了一项新技术和产品。

1 我国土壤种类及现状

我国土壤有多种类型,种植方式千变万化,人为高产耕作和生态环境污染,对土壤环境的影响越来越大。据调查,我国土壤资源现状,可分为以下几种类型。

(1) 正常土壤。

有机质丰富,团粒结构好,保水保肥能力强,微生态环境发育正常,作物土传病害和连作障碍不明显,土壤盐分和pH值正常,无化学物质或重金属污染。此类土壤可称为正常健康的土壤。这种土壤在我国农村越来越少。

(2) 盐碱化土壤。

土壤含盐量在0.1%~0.6 %,一般用电导率EC值表示,EC值>4即为盐渍化土壤,pH>8为盐碱化土壤。在我国沿海、沼泽、荒漠或排水不良的耕地,容易形成盐碱土,风干后,土表有一层白霜,pH偏碱,这是典型的盐碱地。在我国北方及沿海地区较多。

(3) 贫瘠化土壤。

土壤有机质含量,是土壤肥力的重要标志,一般土壤有机质含量<1%时,为贫瘠土。土壤肥力不足,土壤有机质会自然消耗下降,必须连年补充。我国多数农田土壤肥力不足,有机质逐年下降,土壤微生物活力消失,仅靠化肥来维持产量。

(4) 板结化土壤。

土壤长期使用化肥,有机质严重消耗,团粒结构被破坏,保水、保肥功能下降,土壤容重增大,通气性变差,土壤变成“天晴一把刀,落雨一团糟”的硬土、死土,失去了土壤的生命活力。

(5) 酸性化土壤。

土壤pH<6的酸性土质,一是因地质构造中某些矿物质演化为酸性土壤(如红壤);二是大量施用含硫、含氯的化肥,使土壤变酸;三是土壤中有机质的分解、厌氧微生物的活动等,都可使土壤酸化。我国酸性土壤面积正在逐年扩大。

(6) 沙漠化土壤。

土壤水土流失,飞砂走尘,粘土无存,沙化严重,无法种植。我国北方土壤沙化面积越来越大,势不可挡;除气候条件影响外,人为耕作制度不良,植被破坏,生态失衡等,是导致沙漠化的根本原因。

(7) 富营养土壤。

为了寻求高产,大量施用化肥已成为普遍现象。有的蔬菜大棚,每亩用肥量达数百斤,化肥过量并大量流失,水体富营养化,作物病虫害严重,作物品质下降,农药残留污染等,严重影响食品安全和人类健康。

(8) 多病害土壤。

由于生态环境失衡,作物抗病、抗逆能力下降,作物发病率增大,特别是连作带来的土传病害,日益扩大,严重影响正常耕作。这样的多病土壤,国内普遍存在,特别是蔬菜大棚,高产耕作、连作、化肥过量施用等,都易导致病土现象。

(9) 重污染土壤。

重污染是指重金属或化学物质、化学农药等对土壤的污染,特别是化肥、农药和除草剂的大量使用,禽畜粪便中的重金属累积沉淀等,使土壤生态环境恶化,生物活性降低,作物品质下降,化学残留增加,严重危害人类健康。

(10) 低产值土壤。

低产值土壤,是一个或多个问题的综合反应,要按具体情况来具体分析。多数低产值土壤是土壤贫瘠板结或盐碱化提高,导致产量下降。常用加施化肥来弥补这一缺限,但却带来生态失衡、恶性循环、农业不可持续发展的严重后果。

鉴于以上状况,我国耕作土壤生态环境失衡,虽然农民开始重视施用有机肥,但没有重视土壤生物修复,特别是土传病害和连作障碍,对农业生产和可持续发展造成很大影响。因此,土壤生态修复是农业可持续发展的必然选择。

2 土壤修复原理和生态工程

众所周知,我国土壤生态失衡。如何修复土壤,解决生产实际中的土壤问题,有很多科学技术和理论实践需要探讨,现就作者多年研究体会和实践总结如下。

(1) 土壤生命和生态科学。

自然界原生态土壤是有生命活力的,我们可以在没有耕种过的森林、沼泽或山地中找到。该类土壤属于生态型土壤,含有极丰富的有机质,土质疏松,容重小,通透性好,保水能力强,病虫少,微生物多,腐殖质高,土壤充满生命活力。

人类在耕作活动中,有两种耕作方式,一是精耕细作,重施有机肥,以农家菜园为例,此类土壤肥沃疏松,微生态旺盛,土壤充满生命活力;另一种是粗放型耕作,为向土地高效索取财富,耗尽土壤有机资源,以重施化肥维持高产,导致土壤贫瘠板结,无生命活力,生态失衡,活土变死泥,这就是当今农村土壤发展变化总的趋势!

(2) 有机物质是土壤生命之源。

生态型土壤的发育,必须在含有丰富有机质的参与下,在一定温度、湿度和微生物的作用下,逐步降解有机物,并分泌产生酶类、多糖、醇类、核酸、氨基酸、腐殖酸(胡敏酸)、黄腐酸(富里酸)等多种活性物质,以及少量的氮、磷、钾和中微量元素,这对土壤团粒结构、离子交换、病虫抑制、盐碱缓冲、根系发育、促进生长、抗病抗逆、改善品质、高产丰收等,都具有明显作用和效果。

(3) 微生物是土壤生命之种。

土壤中的微生物有成千上万种,一般可分为三大类:益生菌类、致病菌类、其他自然菌。这些菌群(包括真菌、细菌、放线菌、病毒和各种微型昆虫、线虫、蚯蚓等)在土壤有机质中大量存在和繁衍。土壤中的微生物每时每刻都在进行生命活动,分解有机物,又不断合成新的物质。假设土壤中没有微生物,土壤就没有生命活力,就是死土。这种土壤有机物无法降解,团粒结构无法形成,土壤严重板结,作物生长困难,哪怕用化肥种植,作物也无法正常生长,甚至颗粒无收。所以,微生物是土壤生命之种。

(4) 有机种植是生态农业之本。

当今社会强调有机农业,实质上就是在耕作过程中完全或基本不施人工合成的化肥、农药,采用有机肥和无污染的水和土进行农业种植。可见,有机肥对生态农业具有重要作用。也就是说,不用人工合成的化肥和农药,使用纯有机肥,土壤具有更高的生命活力和肥力,一样可以获得高产丰收。由此可见,有机农业对土壤生命修复和培育至关重要,是必由之路,是成功之本。

(5) 土壤修复的技术核心。

目前,有害或不良土壤种类很多,生态失衡程度不一,但不论是哪种土壤,有机生物修复应是技术的核心和关键。所谓土壤“有机生物修复”,就是选用最佳的生物有机质后,最佳的生物发酵菌剂,最佳的工艺配方组合,生产出专用生物有机肥,可以针对各类不同缺限的土壤,为土壤益生菌创造良好的生态环境,提高益生菌的生命活力,从根本上加以修复。具体来说,木霉腐植酸,是采用有机质之精华——生物腐植酸或生化黄腐酸等活性物质,经专用哈茨木霉或绿色木霉发酵制成的“土壤修复剂”,对多种土壤的生态修复具有独到之处。但针对不同土壤类型,需要协同处理,重点是从微生态环境加以修复,它是土壤生态修复的一项系统工程。

3 木霉腐植酸生物防治和土壤修复机理

木霉菌是自然界广泛存在的一种生防真菌,目前有60多个国家在使用木霉生防制品。将木霉菌与腐植酸融为一体,会产生1+1>2的效果。木霉腐植酸不仅能防病,还具有促进植物生长,提高营养利用率,增强植物抗逆性,提高植物免疫力,修复农化污染环境等作用,且效果显著[2]。

(1) 木霉次生代谢与抗生作用。

木霉种类繁多,次生代谢产物多达几百种。目前,我国应用研究的主要有哈茨木霉和绿色木霉。哈茨木霉代谢产物有12种,主要是蒽醌类、吡喃酮类、聚酮类、异腈类、二酮哌嗪类、倍半萜烯类、胶毒素和肽醇类等;目前发现木霉大量基因与次生代谢有关,其中哈茨木霉存在抗菌肽合成酶、蒽醌类、萜烯类和抗菌肽等生物活性物质,对植物多种病原菌有抑制作用[2]。

(2) 木霉-病源-植物诱导抗性。

在木霉繁衍过程中,可以侵入、缠绕、穿透病原菌和植物根系形成“重寄生”过程,诱导植物多种酶类产生抗逆、抗病基因的表达,对土壤病菌的抑制和植物抗性的诱导都有一定作用;同时还能提高植物对非生物胁迫因子的抗逆性[2]。

(3) 木霉腐植酸土壤环境修复机理。

利用LC/MS方法鉴定木霉代谢产物发现,其代谢产物中含有大量的酶、激素、生物酸、活性分子和抗生素等。其中,激素类物质对作物生长有促进作用,一般可增产10%~15%。生物酸具有解磷、解钾作用,可提高化肥利用率30%以上;其他活性物质可降解敌敌畏90%,降解辛硫磷30%~50%,降解氰化物80%,吸附重金属镉(Cd)、铜(Cu)40%~60%。陈捷等采用“功能基因转化”“生物矿化”“生物吸附”等系统生防工程进行土壤污染修复,取得了明显的效果[2]。

(4) 木霉腐植酸生防促长机理。

木霉在生殖过程中,需要向寄主摄取养分,争夺空间,抑制其他微生物从而拮抗土传病菌;木霉“重寄生”的胞外酶拮抗病原菌生长;木霉产生的抗菌类物质(如胶毒素、抗菌肽等),溶解酶(如纤维素酶、匍聚糖酶、肌丁质酶等)等,对土传病菌都有明显防治作用。木霉主要促长作用:一是溶解矿物质,解磷、解钾,提高养分利用率;二是腐植酸与木霉代谢产物,经生物活性处理后,对作物根系发育具有明显的刺激作用,对出菌率、幼苗长势、抗病、抗逆等均有明显效果[3]。

(5) 木霉菌与腐植酸共生优势。

据试验,木霉菌可以在腐殖质上寄生繁衍,也就是说,腐植酸在某种条件下可以成为木霉菌的培养基,通过对有机质定向发酵,获得大量的生物腐植酸、抗生素、激素、酶类及生化活性物质,其防病促长和土壤修复效果,都远远优于单一品种。木霉腐植酸施入土壤后,在适宜条件下,木霉在富含有机质的土壤中,可以再次繁殖,继续扩大木霉菌的生物效应,从而活化土壤,提高化肥利用率,促进作物生长,增加土壤团粒结构,营造良好的土壤生态环境,这对修复有害土壤,防治连作障碍,增强作物免疫力,提高抗逆性,改善品质,提高产量,减少农化残留污染等效果显著。因此,木霉菌与腐植酸共生培养,是木霉菌生防和土壤修复的最佳选择。

4 木霉腐植酸的开发和应用

综上所述,土壤“有机生物修复”意义重大。目前,最常用的是施用有机肥、生物肥、秸秆还田和沃土工程来实现。特别是随着有机农业、生态农业的兴起,大规模施用有机肥、生物肥和各种腐植酸类肥料,都是土壤“有机生物修复”的重要举措。但是,这些方式中,缺少对核心物质的选择和利用。我们认为,具有土壤生命活力的核心物质是腐植酸(胡敏酸)、黄腐酸(富里酸)和具有多功能高活性代谢产物的生物菌。

所谓高活性代谢产物,是指该生物菌剂可降解更多的有机物,转化为黄腐酸、吲哚酸、核苷酸、活性酶、抗生素、抗菌肽等生化活性物质,这对土壤生命修复起到积极作用。经多年研究,某些根际微生物(如绿色木霉、哈茨木霉、5406放线菌、萤光假单孢菌等真菌或细菌)具有特殊的代谢功能,对土壤有机修复、理化修复、生命修复和生态修复都具有一定功能;特别是对土传病害微生物(如引起蔬菜枯萎病的镰刀菌、苗期猝倒病的腐霉菌,导致蔬菜烂根的疫霉菌、核盘菌或丝核菌等),具有较好的抑制效果。因此,用这些益生菌作为土壤生物修复极为有利[4]。

土壤修复的关键是要在作物根际范围,营造一个良好的生态环境。良好的生态环境有利作物根系和植株的健康生长,对病原微生物可自然防控。要实现这样的土壤环境,就必须创造一个有益生物活动的微生态环境。“木霉腐植酸土壤修复剂”的研发正是基于这个理念,可以在作物根际土壤(根际周围)形成一个有生命活力的生态环境,为保证作物安全健康生长创造良好的条件。

土壤生态修复,首先要解决生物修复,要选择最佳的生物菌剂和菌剂载体。“木霉腐植酸土壤修复剂”以矿源生化黄腐酸为基质,以多种微生物菌剂混合发酵后,成为有机生物组合体。施入田间后,腐植酸经水化膨胀,成为胶体微粒,将矿物质土壤颗粒进行胶联与化学吸附,从而形成有生命的土壤团粒结构。在适宜的温度、湿度范围,有益微生物开始大量繁殖,其代谢产物抑制了病原菌的生长,并刺激作物生长发育,提高作物抗逆、抗病、抗倒伏能力,为作物根系营造了良好的生态土壤环境,保证作物正常健康生长。这就是土壤有机修复和生物修复相互作用的结果。

作为土壤有机生物修复剂,“木霉腐植酸土壤修复剂”是一种高浓度生物制剂,每克产品含菌量(孢子数)高达2亿以上,每亩施用量一般为5~20 kg;如果土壤有机质少,益生菌无法繁殖和生存,因此应加施有机肥、农家肥或秸秆还田后,再施“木霉腐植酸土壤修复剂”,这样效果更好;如果土壤有机质丰富,则可直接施用,也可将本品与有机肥混合施用,以利于提高土壤有机质含量和保障益生菌的繁衍;如果在比较恶劣的土壤环境,如沙化、盐磩、贫瘠、病害等土壤中,必须加大“木霉腐植酸土壤修复剂”的施用量,每亩用量可达100~200 kg,但成本太高,农民难以接受。因此,在土壤恶劣条件下,必须重施有机肥、腐植酸肥等,在成本允许条件下,可尽量多施土壤修复剂,并结合其他措施综合治理。

施用“生物腐植酸土壤修复剂”,还必需注意土壤环境条件(温、湿、气、土)。施用前,应对土地进行翻耕,作为种肥或基肥与种子一起下地,施用较好;应选择气温回升的春天,夏秋也可,但冬天施用效果不佳(大棚,南方例外);施用后,如果土壤干燥,应适当浇水护墒,促进种子萌发;如果施用后积水成涝,应注意开沟排水,保持土壤通风透气,营造良好的土壤生态环境。

5 木霉腐植酸土壤修复工程的前景和意义

目前,我国耕地面积仅为18.26亿亩,土地质量越来越差,土壤污染严重,生态环境恶化,给食品安全和人类健康带来严重威胁!

土壤修复是一项沃土工程与修复工程相结合的长期的生态工程。“木霉腐植酸土壤修复剂”的研制成功,与沃土工程和生态修复工程紧密结合,以少量的生物菌肥,配合大量的有机肥,可以快速改良土壤,为作物创造良好的生态环境,为我国土壤有机生物修复开辟了一条全新的思路。

木霉生物菌肥已列入国家“863”计划和农业部10项国家重大科技攻关项目。2010年,上海大井生物工程有限公司获得了农业部第一个“木霉生物肥料”临时登记证,2012年12月获得正式登记证。2013年3~10月,上海通微生物技术有限公司采用木霉腐植酸固体和液体产品,在上海航头蔬菜大棚生态园进行了试验。结果显示,以木霉腐植酸固体和液体产品代替化肥使用,对大棚蔬菜连作障碍,具有明显的抗病效果;对草莓的产量和品质具有明显的提高和改善作用,深受菜农欢迎。实践证明,木霉腐植酸不仅可用于土壤修复,也可用于“腐植酸水溶性液体肥”和“腐植酸有机无机复合肥”,充分发挥木霉和腐植酸的多功能作用。其替代化肥是成功的,具有良好的环保效益和经济效益。

目前,我国有多所高校和科研院所参与了木霉菌剂的试验研究,在木霉菌基因编码、基因克隆、抗性诱导、分子改良、生防机理、免疫诱导等课题研究方面,都取得了重大突破,某些项目研究己处于国际领先水平。2014年10月,国际木霉学术研讨会将于上海交通大学举行,这对我国木霉生防和土壤生物修复工程无疑是一次有力的推动。

[1]张常书,单俊伟. 利用生物技术开发生化黄腐酸新肥源[J]. 腐植酸,2005,(2):1~3

[2]陈捷,朱洁伟,张婷,等. 木霉生物防治机理与应用研究进展[J]. 中国生物防治学报,2011,27(2):145~151

[3]王建锋,陆宁海.木霉菌在农业中的研究与应用前景[J]. 安徽农学通报,2008,14(14):41~43,136

[4]王慧中,赵培洁. 多效有机菌肥的研制及其特性研究[J]. 江西农业科学,1999,11 (3):19~23

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