我国生物肥料的发展现状与应用

元文霞 毕影东 樊 超 李 炜 刘 淼 刘建新 王 玲 杨 光 邸树峰 梁文卫

（1.黑龙江省农业科学院耕作栽培研究所 黑龙江哈尔滨 150086；2.东北农业大学 黑龙江哈尔滨 150036）

随着世界人口数量的不断增加，我国作为一个农业大国所面临的粮食需求的压力也随之不断增大[1-2]。因此在过去数十年中很多农业生产者为了提高农产品的产量而过度地依赖化学肥料，对土壤和环境均造成了不利的影响[3]。系统性地施用生物肥料可建立起土壤的良性循环体系，对因化肥滥施而破坏的土壤生态环境起到一定的改善作用。施用生物肥料可以减少化肥的使用量，从而降低成本，短期内可以改善农作物的品质，提高其附加值，长期施用对土地的生产能力也有改善作用。因此生物肥料可以对化学肥料起到补充和替代的作用[4]。

1 生物肥料概念及分类

生物肥料是以微生物的生命活动为核心，制成含有大量的有益微生物、对作物有特定肥效的微生物制品，也是一种环境友好型肥料。生物肥料可以作为辅助肥料来使用，它可以通过改善土壤的水肥条件、提供植物生长所需的营养元素、诱导植物产生具有抗逆性的活性物质等方式使作物增产和增质。与

此同时生物肥料的出现也能减少人们对农药和化肥的使用频率，满足农业生产在环境保护上的要求[5]。

我国生物肥的种类繁多、命名复杂，目前还没有建立起统一的分类系统[6]，在农业上按照生物肥料的微生物种类可以将其分为真菌生物肥、细菌生物肥、放线菌生物肥和藻类生物肥；按照作用机理可以将其分为狭义生物肥和广义生物肥；按照功能可以将其分为溶磷生物肥、解钾生物肥和有机质分解生物肥。

生物肥料按照构成组分可以分为单一生物肥料、复合生物肥料和复混生物肥料3个大类。①单一生物肥料是指只含有1种微生物群体的肥料，该生物肥在功能上具有比较强的针对性，但是肥效容易受外界环境的影响。②复合生物肥料是指含有2种或2种以上微生物群体经过工业化生产扩繁后加工制成的活菌制剂。这类肥料作用效果与单一生物肥相比更加全面与稳定。③复混生物肥料是将微生物与植物生长所需的元素进行混合而成的制品，同时具有生物肥和有机肥的效应，该种类肥料可以节肥增效，并且应用也十分简便[7]。

2 生物肥料作用机理及特性

2.1 生物肥料作用机理

生物肥料是含有微生物的产品，接种后可以与植物共生，并且可以通过与土壤中的有机质结合促进有益微生物的繁殖进而促进作物的生长[8-9]。大量研究表明，生物肥在农业生产中可以带来特殊肥效的关键是活性微生物：解磷解钾菌可以通过对土壤中的难溶性磷和钾进行分解来改善土壤的结构，以及通过增加土壤中磷素、氮素等营养元素的含量，促进作物根系的发育。固氮菌通过对空气中氮气进行固定,使细菌和植物自身都可以对其进行利用。溶磷菌可以产生磷酸酶类物质使其更好的被作物利用[6]。生物肥料可以通过一些特定的代谢产物来促进作物的生长，进而提高作物的产量与品质；生物肥料还可以通过促进有机残体与腐殖质的转化过程来改善农作物的生长环境，提高土壤的自我调节能力;生物肥料中的微生物代谢也可以通过产生某些激素类活性物质来促进作物的生长[10]。

2.2 生物肥料作用特性

生物肥料不仅可以通过其所含微生物产生的有益的代谢产物来促进作物的生长发育，也可以直接为作物生长提供所需的营养物质[11]。生物肥料与普通的化肥相比其作用特点有以下几点。

2.2.1 改善农作物性状，提高作物产量 生物肥料本身富含的有机质和营养元素可以满足作物生长发育过程中对于同化物和营养元素的需求，并且通过肥料中有益微生物的代谢可以持续的为作物的生长提供所需的养分，同时也可以通过诱导植物光合能力与组织间物质运输能力来促进果实的发育[12]。研究表明蔬菜中的硝酸盐含量较传统施肥降低20%左右，所以生物肥料对于绿色农作物的发展也是至关重要的[13]。

2.2.2 改良和修复农田土壤 与普通化肥相比生物肥料的一大特点是对土壤的修复与改善。它可以通过某些微生物的代谢活动来提高土壤中的有机质和矿质元素的含量，进而达到提高土壤肥力的目的[14]。例如肥料中解磷解钾的微生物可以对土壤中难溶的磷、钾在一定程度上进行分解，使其可以更好的被植物吸收和利用，从而对作物营养元素的供应情况起到改善作用，达到提高土壤肥力的作用。与此同时，应用生物肥料可以减少对化肥的依赖，进而提高作物生长环境的自我恢复能力，改善土壤肥力下降的情况[15]。

2.2.3 增强作物的抗逆性 生物肥料可以通过所含的有益菌自身代谢产生或者与作物的互相作用诱导作物合成抵抗干旱、寒冷、机械伤害等的生物活性物质、增强植物组织中抗氧化酶类的活性物质或者合成伤害修复物质来对作物受到的病害、虫害、干旱、盐胁迫等逆境起到一定的抵抗作用[16]。

2.2.4 协助植物吸收养分 生物肥料中含有能协助植物吸收土壤中的营养成分的微生物。如VA菌的菌丝能伸出根部不能触及的土壤，从而可以促进植物根系对营养元素的吸收。除此之外也可以协助锌、铜、钙的吸收[11]；土壤中一些难溶的磷酸盐可以被溶磷菌代谢所产生的有机、无机酸类物质溶解，此外有研究表明溶磷菌还能产生磷酸酶类物质，可以对有机磷酸盐产生水解作用，促进作物对其的吸收与利用[6]。

2.2.5 改善土壤生态环境 改善土壤的生态环境也是生物肥料的特点之一。例如放线菌生物肥可以通过诱导作物根际的有益微生物富集和减少相互作用等方式来改善微生物的群落结构，从而为作物创造适宜的生长环境，降低土传真菌等病害的发生[17]；在当归的种植过程中施用合适的生物肥可以增加土壤中真菌、细菌等的微生物数量，增强土壤的有益微生物种群丰度，从而提高当归的抗逆性与产量[18]；西洋参施用酵素等生物肥料也可以提高与病原防控、吸附金属等相关的有益微生物的丰度，同时也可以降低病原微生物的丰度，减少根结线虫病的发生[19]。

3 生物肥在国内外的发展概况

随着微生物肥料在农业生产中体现出来的增产及改良品质的效果越来越显著，加之现在越来越重视生态环境的保护，使生物肥料将成为农业发展的一个突破点，在农业生产中占据的地位也将越来越显著。

3.1 生物肥料在国外的发展概况

国外微生物肥料的研究与应用的历史要比我国长[20]。1895年德国在豆科植物上应用“Nitragin”根瘤菌接种剂是生物肥料研究的起源，随之美国、英国等国家也开始加入生物肥的研究队伍并且取得了不错的成效。目前生物肥料在很多发达国家的肥料市场中都占据了一席之地，并且其产量也在以非常可观的速度增长[11]，尤其在一些大豆种植面积比较大的国家如美国和巴西，其根瘤菌接种面积更是达到了总面积的90%以上[21]。随着时代的发展及人们观念的不断更新，国外在农业生产中对生物肥料的关注度也在不断提高，并且开始通过将纳米颗粒与生物肥料融合来对其进行不断的完善[22-23]。

3.2 生物化肥在国内的发展概况

我国对生物肥料的使用与研发比较早，最初在我国被称为根瘤菌剂，随后逐渐演变成了现在的生物肥料[20]。我国在20世纪50年代末开始生产和使用生物肥料，并且逐步推广使用了VA菌根、联合固氮菌与生物钾肥等肥料。随着人们对生物肥料的关注度越来越高，我国也在不断采取措施完善生物肥料发展中存在的不足：①明确了管理部门，规范市场准入；②建立技术体系和检验标准规范[24]。近年来我国致力于发展生物肥料的企业数量不断增多，但是由于我国土壤面积过大及庞大的人口数量，生物肥料作为一个新型肥料的普及与推广应用的程度可能会存在片面性或者不够广泛的问题。为此我国也在不断的攻关克难，逐渐加大对生物肥料的政策与资金支持，鼓励全面使用绿色无污染的生物肥料，为实现化肥零增长而努力[21]。

4 我国生物肥料存在的不足与发展趋势

生物肥料是我国农业发展过程中的一个必然选项，但是由于时间与科研条件等多方面因素的限制，生物肥料在我国的发展还存在一些不足。与此同时随着科技的发展，生物肥料的发展方向也在日新月异的世界农业与发展背景下不断发生着改变。了解我国生物肥料存在的不足及其发展方向对从事该领域的科研人员来说非常重要。

4.1 我国生物肥料发展存在的不足

4.1.1 高效菌种资源挖掘工作亟待加强 生物肥料在我国经过了数十年的不断发展，取得了很多成绩，但是与此同时该产业在某些高效的菌种资源方面依然比较缺乏：缺乏高效溶解土壤各种难溶磷、耐受磷肥胁迫、提高磷肥利用率的特性溶磷菌菌种；缺乏耐氮素阻遏、高效固氮的联合固氮菌菌种；缺乏高效活化的土壤难溶钾、提高钾肥利用效率的解钾菌菌种；缺乏高效产生生长素、赤霉素、细胞分裂素的高效促生菌菌种等[25]。

4.1.2 生物肥料货架期短，存活效果较差 生物肥料的主要指标之一是其微生物的数量保持与存活时间，但是到目前为止我国关于这方面的技术研究总体较少，国外对相关方面的成果也鲜有报道。由于我国在微生物活性与灭菌技术等方面存在不足，这导致了部分的生物肥料的菌体活性保持时间与货架期较短，从而其成本与质量具有不稳定性[25]。生物肥料货架期短与存活效果差是我国生物肥料产业发展所必须要面临的一个挑战。

4.1.3 施用生物肥料后易造成农田二次污染 生物肥料主要以一些无污染的植物或者动物排泄物为原材料[26]，但是其在加工的过程中可能也会涉及一些有害物质，如添加剂、重金属等。施用生物肥料时，这些有害的物质也会随之进入土壤，对环境造成不利的影响[27]。

4.1.4 缺乏生物肥料效果评价体系 很多对生物肥料研究较早的国家早已形成了生物肥料的应用体系。与此同时我国虽然也在致力于生物肥料的研究，但是关于其肥效的权威的评价体系却一直没有形成。我国农业研究者虽然通过实践证明了生物肥料在提高农作物的品质与改良土壤的性质方面具有重要的作用，但是却一直没有建立全国性的生物肥料试验网,这导致了我国缺乏在不同的作物与环境下生物肥料作用效果的全面评价与研究[27]。

4.2 我国生物肥料的发展趋势

4.2.1 国家生物肥料菌种资源库的建立 随着研究者发现越来越多的菌种资源，生物肥种类也在不断增多。这导致了某些菌种如解钾、解磷及固氮菌等菌株出现数量庞大且良莠不齐的问题，由于缺乏系统性的研究，给生物肥料的发展带来了一定困难[28]。为了保证生物肥料菌种研发工作顺利进行，需要借助国家的力量搭建国家生物肥料菌种资源库，设立专业机构对菌种进行收集、筛选、评价和保藏，并且建立生物肥菌种相应的国家和行业标准[29]，为今后我国生物肥的发展提供保障[30]。

4.2.2 由单一菌种向复合菌种转化 单一的菌种在功能上较为单一，且其肥效容易受外界因素的影响，但是复合菌种的功能在单一菌种的基础上得到了完善，它可以对菌种的功能进行更加全面综合的利用，在避免各菌种间互相影响的同时达到延长肥效的目的[4]。复合菌种的出现是生物肥料产业不断发展过程中的一个必然过程，对于促进作物的生长发育具有重要作用。

4.2.3 由单纯生物菌剂向复混生物肥转化 复混生物肥是在单纯的生物菌剂的基础上与氮、磷、钾、微量元素肥料等进行混合加工而制成的，该种类的肥料可以同时具有生物肥料与有机肥料的效应，并且对生物制剂与肥料的效应都进行了增强。生物肥料由单纯的生物制剂向复混生物肥进行转化也意味着整个施肥过程更加的简便，对环境的不利影响也更小。

4.2.4 应用上由豆科作物向普通农作物方向发展豆科作物专用的根瘤菌接种剂是我国对生物肥料研究的开端。 豆科作物在我国的农作物系统之中是非常重要的， 但是我国其他粮食作物种植面积却远大于豆科作物， 并且长期单一的使用根瘤菌接种剂也会导致大豆出现接种效果差的情况， 从而对根瘤菌的研究与推广产生不利影响。 各种因素都表明生物肥料的应用由豆科作物向其他普通农作物的转变是一个必然的发展趋势[31]。

4.2.5 由单一剂型向多元剂型转化 随着生物肥料的研究与应用规模的逐渐增加， 其所应用的作物种类与环境条件的范围都在不断的扩大， 这也对生物肥料的剂型提出了新的要求。 为了更好地应对生产所需，生物肥料的剂型应该更加的多元化，如液体剂型、颗粒剂型、冻干剂型、矿油封面剂型等都应该在生产的考虑范围之内[4]。

4.2.6 由单功能向多功能发展 生物肥料发挥肥效的核心为微生物， 而其中一些微生物也具有刺激植物生长、改善土壤条件、为植物生长提供营养等多方面的功能[32]，如一些自生固氮菌在固氮的同时也可以对一些特定的病菌进行抑制； 一些具有杀菌作用的微生物也可以在一定程度上促进植物的生长发育。因此，应该使生物肥料的功能更加的多元化，在考虑其肥效的同时也应该考虑其他功能 （如防治土传病害），使其朝着多功能的方向发展[33]。

5 生物肥料在农作物上的应用

随着对生物肥料了解的不断深入， 生物肥料逐渐广泛的运用到各种农业生产中， 目前我国微生物肥料使用最广泛的农作物主要集中在粮食作物，其中以大豆、玉米、水稻等常见农作物施用最为广泛。

5.1 生物肥料对水稻产量和品质的影响

很多的农业生产者选择了通过施加化肥来增加水稻的产量， 但是过多的单一使用化肥将导致土壤的自我调节与修复能力下降， 造成土壤板结和环境污染。 因此近年来生物肥料越来越多的引起了农业科技工作者的注意。 洪秀杰等通过盆栽试验证明生物肥料在水稻的拔节期或者成熟期都可以促进其生长发育，提高品质与产量[34]。 兰彪等通过试验表明微藻生物肥不仅可以增强水稻对养分和水分的吸收与利用， 而且对稻苗叶与根系的生长也是有积极影响的[35]。陈兴麟等通过一系列的对照试验发现对水稻施加适度的海藻寡糖可以增加其叶片叶绿素的相对含量，进而提高水稻的产量与品质[36]。

5.2 生物肥料对大豆品质及产量的影响

大豆是我国主要的粮食作物之一， 但是相对于国外大豆种植而言， 中国大豆种植单产水平偏低[37]。为了实现我国大豆发展提单产、优品质的要求，研究者对大豆生产中的肥料施用技术也提出了新要求，而微生物肥料技术的发展为大豆生产提供了新肥源。 林志伟等表明采用适当浓度的解磷菌对大豆进行处理可以有效促进大豆种子萌发、胚轴的伸长、大豆苗期根的生长及根部POD 与CAT 的活性[38]；覃建忠等经过研究发现在大豆田施用含地衣芽孢杆菌的磷肥，可以起到比较明显的增产效果[39]；王孝涛等通过对照试验证明生物肥能够有效地提高大豆的部分根际酶活性， 进而可以促进其对养分的利用吸收[40]。由以上的研究可以发现，与单施化肥相比，适宜浓度和施用方式的生物肥料可以通过提高大豆的光合作用强度与促进大豆生长发育来提高其品质， 有利于大豆的稳产与高产。

5.3 生物肥料对玉米品质及产量的影响

玉米生产中同样也存在因化肥的过量使用导致的土壤自我调节能力下降、 生产成本增加、 自然环境污染等问题， 因此可以利用生物肥料代替化肥来实现经济与生态的双赢。 杨晓明通过农田试验和分析发现施用生物肥对玉米产量有较大的影响， 并且也在一定程度上提高了经济效益[41]。石先罗等经过调查研究发现， 对玉米适度喷施有机沼液生物肥可以增加其叶绿素的含量、 提高光合能力， 并且在一定程度上提升玉米的产量[42-43]。 高照亮等也通过研究证实了特定的生物肥可以使玉米的成熟期提前， 提高其品质与产量[44]。 除了国内的试验，巴西的研究者也通过对照试验发现生物肥可以提高玉米土壤的肥力和微生物的质量， 对于两个季度玉米产量的提高都有促进作用[45]。

6 展望

随着科技的发展与人们观念的转变， 生物肥料的研究与利用必将成为我国农业可持续发展过程中必不可少的一环。 同时不可否认的是，生物肥料在我国的研究与应用的时间还远远短于一些发达国家，这也导致了部分生物肥料还不能达到理想的应用效果， 同时一些制剂成品缺少大面积的推广与利用[46]。面临这些难题与挑战，需要农业科研机构、生物肥料企业和农业相关部门共同努力， 进一步解决生物菌种匮乏、产品功能单一、易失效和难以保存等诸多问题，并建立起系统完善的菌种鉴定技术规范，提高了我国生物肥料在实际生产中的作用。 生物肥料在我国具有很大的发展空间与潜力， 并将进一步成为农业产业革命的新动能[47]。