微生物肥料對土壤生態(tài)環(huán)境修復效應的影響

張雪峰,胡 濱

(1.遼寧省綠色食品發(fā)展中心,遼寧 沈陽 110032;2.沈陽農(nóng)業(yè)大學園藝學院,遼寧 沈陽 110161)

1 引言

近年來由于化肥、農(nóng)藥大量使用,再加上重金屬、難降解有機物對土壤生態(tài)系統(tǒng)嚴重破壞,從而導致土壤微生物種類和數(shù)量減少、土壤結(jié)構(gòu)破壞、農(nóng)作物品質(zhì)下降、病蟲害增加,明顯增加了化肥和農(nóng)藥的使用量,其結(jié)果是進一步加劇了對土壤生態(tài)系統(tǒng)的破壞。為了從根本上修復土壤生態(tài)系統(tǒng),使用微生物肥料是修復土壤生態(tài)系統(tǒng)的關鍵措施。微生物肥料在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展中已經(jīng)作為綠色和有機農(nóng)業(yè)作物的主要“糧食”和“營養(yǎng)”,可以提高作物的產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量。國內(nèi)外在生產(chǎn)綠色和有機食品的過程中,都要求不用或盡量少用化學肥料和農(nóng)藥等其它化學合成物質(zhì)。這就要求所應用的微生物肥不僅能促進作物的生長和提高產(chǎn)品質(zhì)量,還要不污染環(huán)境和土壤,對土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)、能量流動有特殊作用。

2 我國微生物肥料的發(fā)展現(xiàn)狀

土壤的污染會導致某些成分在糧食等作物中的積累,影響糧食的品質(zhì),并通過食物鏈,危害人類健康。微生物肥料又稱接種劑、生物肥料、菌肥等,是含有特定微生物活體菌種的優(yōu)化組合,經(jīng)發(fā)酵培養(yǎng)與有機物混合而制備的微生物制劑。微生物肥料進入土壤生態(tài)系統(tǒng)后,在適當?shù)乃帧囟取H 值等條件下,與土著有益微生物共同形成優(yōu)勢菌群,促進土壤生態(tài)系統(tǒng)的氮、氧循環(huán),從而達到修復土壤生態(tài)系統(tǒng),使之形成新的穩(wěn)定的平衡地生態(tài)系統(tǒng)。

微生物肥料通過其中微生物的生物活動而使作物得到特定所需肥料效應,可以提高產(chǎn)量,改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)及農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境。由于微生物種類繁多、功能多樣,其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的研究和應用的潛力巨大[1]。近10年的實踐已經(jīng)證明,微生物肥料作為生物肥料在優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)方面,如國家生態(tài)示范區(qū)、綠色和有機農(nóng)產(chǎn)品基地等已成為肥料的主力軍,約占我國肥料年產(chǎn)量的30%,隨著研究和應用的深入,微生物肥料在我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中的作用將會更為重要[2]。微生物肥料不能作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的萬能肥料甚至代替化肥使用。目前的研究和農(nóng)田試驗結(jié)果來看,微生物肥料只能不同程度的減少化肥的使用量而不能完全取代。此外,一種肥料都要適宜當?shù)剞r(nóng)作物的需要,還沒有廣譜微生物肥料的應用。

3 微生物肥料的種類

3.1 微生物拌種劑

利用草炭土和蛭石等多孔物質(zhì)作為吸附劑來吸附菌體的發(fā)酵液而成為微生物菌劑用于拌種和蘸根。主要應用品種為各類根瘤菌肥料,用于豆科作物根、莖形成根瘤,同化空氣中N 2供應植物的氮素營養(yǎng)。兩種或兩種以上互不拮抗的微生物(固氮菌、芽孢菌或其它菌),利用菌劑在不斷地繁殖過程中自身產(chǎn)生的各類植物生長促進劑,拮抗某些致病病原菌,達到抑制土傳病害,如線蟲病、全蝕病、青枯病、枯萎病等。甚至有的微生物菌劑可以活化土壤中已固化的P、K礦物質(zhì),使其被吸收。有些微生物菌劑能加速作物秸稈的腐熟和促進有機廢物的發(fā)酵、土壤環(huán)境的凈化和修復作用的農(nóng)藥殘留降解菌劑、水體凈化菌劑和土壤生物改良劑(生物修復劑)等方面的研制開發(fā)已取得良好應用,并具有廣闊前景[3,4]。

3.2 復合微生物肥料

為了減少化肥用量,降低成本,改良土壤和改善作物品質(zhì),保護環(huán)境,微生物復合肥根據(jù)營養(yǎng)物質(zhì)不同可分為：微生物和有機復合;微生物和有機物質(zhì)及無機元素復合。其作用機理主要有以營養(yǎng)、抗病、降解農(nóng)藥或多種作用同時兼有,主要用做基肥施用。按微生物在其制品中的存在種類可分為細菌肥料(根瘤菌肥、固氮、解磷、解鉀肥);放線菌肥(抗生肥料);真菌類肥(菌根真菌、霉菌肥料、酵母肥料);光合細菌肥料。按其作用機理可分為根瘤菌肥料、固氮菌肥料(自生或聯(lián)合共生類)、解磷肥料、硅酸鹽類肥料、芽孢桿菌制劑、分解作物秸稈制劑、微生物植物生長調(diào)節(jié)劑類。隨著微生物研究的廣泛深入,作為復合微生物及其制品將會得到更有利、更合理的應用。

4 微生物肥料在土壤生態(tài)修復中的應用

4.1 微生物肥料可以增加土壤肥力

生物種群的多樣性,表現(xiàn)在土壤生物肥力形成和作用過程是有多種生物參與的綜合結(jié)果;土壤肥力具有動態(tài)性,其測定值隨時間而變化。人工接種微生物,即施用微生物肥料是維持和提高土肥的有效手段,在我國現(xiàn)有栽培與管理如不合理或過量使用化肥、復種指數(shù)高、濫用農(nóng)藥等是不可缺少的[5,6]。由真菌、細菌、放線菌、微藻類組成的微生物菌群對于土壤中有機物分解、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)作用明顯。微生物也可通過自身細胞固定碳素和其它營養(yǎng)物質(zhì)[7]。目前大量使用化肥、農(nóng)藥和機械投入不僅增加成本,而且污染自然環(huán)境,這其中的主要原因是沒有重視微生物在維持土壤肥力和作物生長中的作用。

土壤生產(chǎn)能力作為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分已得到日益重視。土壤生物在土壤肥力和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力上的重要性逐漸突顯[8]。微生物肥料的作用是綜合性的,增加土壤肥力是其主要功效。高效微生物肥料能在土壤生態(tài)系統(tǒng)中與原土著有機菌形成優(yōu)勢菌群,通過優(yōu)勢菌群的代謝,可以形成新的微生態(tài)系統(tǒng),降解有機物,抑制有害病菌的生長,同時產(chǎn)生生理活性物質(zhì)刺激、調(diào)控農(nóng)作物的生長,增強農(nóng)作物抗病、抗旱能力,降低或減輕病蟲害,從而減少化肥和農(nóng)藥的使用。微生物肥料能明顯提高土壤生態(tài)系統(tǒng)的微生物種類和數(shù)量,特別是真菌的數(shù)量對于涕滅威和苾污染的土壤生態(tài)修復效果更明顯。

4.2 協(xié)助農(nóng)作物吸收營養(yǎng),增加作物產(chǎn)量

根瘤菌劑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真菌是一種土壤真菌,它與多種植物根系共生,其菌絲能吸收更多的營養(yǎng)供給植物吸收利用,尤其是磷的吸收最明顯。一些國家的田間試驗結(jié)果證明,固氮螺菌接種在土壤和氣候不同的地區(qū)可以提高作物的產(chǎn)量,此類菌劑促進生長的主要機制是產(chǎn)生能促進植物生長的物質(zhì),具體表現(xiàn)在促進根毛的密度和長度、側(cè)根出現(xiàn)的頻率及根的表面積。在20世紀50～60年代期間,根瘤菌劑已經(jīng)成為應用最為廣泛的微生物肥料產(chǎn)品,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。

4.3 增加植物的抗病蟲害和抗旱能力

土壤生態(tài)系統(tǒng)中有效菌主要是促進根系生長的細菌和真菌。許多研究表明,土壤微生物對生態(tài)系統(tǒng)變化非常敏感,可以作為土壤生態(tài)系統(tǒng)修復的目標生物[9]。針對我國目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中蔬菜及保護地栽培下廣泛存在病害發(fā)生、品質(zhì)下降等問題,采用分子生態(tài)學方法分析評價連續(xù)耕作、保護地耕作下的作物根際微環(huán)境,找出障礙因子;通過篩選利用能夠改善根際微生境的微生物組成,達到促進作物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收與利用,控制病蟲害的發(fā)生,提高作物的抗逆性。

有機肥腐熟劑作為接種菌劑可以類似堆肥物料快速達到高溫、控制堆肥過程中臭氣的產(chǎn)生,縮短堆肥腐熟進程;有效殺滅病原菌和降解有機污染物,提高堆肥質(zhì)量。有機物料腐熟劑在產(chǎn)品效果的穩(wěn)定性以及菌種組成的合理性還需要深入的研究,開發(fā)出效果更穩(wěn)定、針對性更強的產(chǎn)品應用于生產(chǎn)實踐。

5 微生物修復與土壤生態(tài)條件的關系

微生物修復作為生物修復的主要部分,使土壤中的污染物得以降解或轉(zhuǎn)化為無毒或低毒物質(zhì)。它主要是利用土壤中的特定微生物、根系分泌物、菌根等降解或吸收積累在土壤中污染物,實現(xiàn)污染土壤修復的目的。微生物修復技術主要通過利用污染物作為碳源和能源,從而達到對污染物的分解和礦化的目的。微生物修復的強化技術可以提高生物降解反應器中微生物的降解能力,利用投加外源微生物來保持并強化反應器中存在微生物的活性,從而提高微生物降解效果。生物強化技術被廣泛應用于土壤、地下水等難降解有機物的去除和改善上。

5.1 污染物濃度

土壤中污染物濃度過高是微生物修復的關鍵性問題。特別是當污染的生物有效性或生物可利用性很高,即使一些化學品在低濃度下可以被生物降解,但在高濃度下卻對微生物有毒,毒性作用將阻止、減緩代謝反應的速度,阻止刺激污染物迅速移動新生物量的快速增長,所以過高的污染濃度就會嚴重影響微生物修復的效果。當污染物濃度太低不足以維持一定數(shù)量的降解菌時,污染物會殘留在土壤中。微生物降解過程中,并非微生物的生物量越多越好,過量的生物量會使過程發(fā)生擠壓和阻塞,從而不利于生物降解的發(fā)生。

5.2 土壤環(huán)境因素

土壤溫度變化對農(nóng)藥和化肥的微生物降解影響很大。0～10°范圍內(nèi),隨著溫度升高,微生物增多,活性增大,降解率提高,對于好氧菌最佳的降解溫度一般在15～30°。因為溫度降低,毒性組分的揮發(fā)也減慢。絕大多數(shù)微生物在中溫最活躍。土壤濕度也是影響微生物活動的因素之一,土壤含水量過低,微生物得不到充足的水分供應,細胞活性受抑制。反之,土壤含水量過高,有效毛細空間被水充滿,則會妨礙氧氣的供應。一般認為,土壤含水量達到15%～20%時,土壤生物修復的效果最好。土壤p H值的變化也會引起微生物活性的變化,因為每一種微生物都有一個最適宜的pH值。

微生物肥料的發(fā)展很快,但也有盲目地認為肥料中加入菌的種類越多越好而將互相拮抗的菌劑混合在一起使用。發(fā)酵設備不完善、工藝不先進、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、復合微生物肥料中化肥比例大,高新產(chǎn)品開發(fā)滯后等不良因素嚴重影響微生物肥料的發(fā)展。目前在我國花生、大豆等作物的根瘤菌接種面積尚不足其播種面積的1.0%。微生物肥料在農(nóng)業(yè)增產(chǎn)和環(huán)境保護中的作用應該大力發(fā)展肥料品種。農(nóng)業(yè)部于1996年已將微生物肥料納入國家登記管理范疇,對微生物肥料的生產(chǎn)、銷售、應用、宣傳等方面進行監(jiān)管。同時微生物不能降解污染環(huán)境中的所有污染物,污染物的難生物降解性、不溶性使生物修復難以完成;特定的微生物只能降解特定的化合物類型,化合物形態(tài)一旦變化就難以被原有微生物酶系降解。微生物肥料今后發(fā)展的重點是在菌株的篩選和聯(lián)合菌群的應用,使復合或聯(lián)合菌群發(fā)揮互惠、協(xié)同共生等作用,排除相互拮抗的發(fā)生;生產(chǎn)條件的改善和生產(chǎn)工藝的改進,發(fā)酵條件、工藝流程、合適的載體、劑型、粘著劑的發(fā)展;有機物料腐熟劑、根瘤菌劑、生物修復劑(解毒、重茬)、促生菌劑、生物有機肥等應作為研發(fā)熱點產(chǎn)品開發(fā)利用。

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