極端環(huán)境微生物在土壤板結(jié)治理中的應用

陳鑫

摘? 要：土壤板結(jié)是現(xiàn)階段農(nóng)田建設(shè)中的一種常見問題，由于土面變硬而不適合農(nóng)作物和花木生長。本文提出應用極端環(huán)境微生物的方法來解決這一問題，主要針對導致土壤板結(jié)的幾個主要因素進行作用，通過穩(wěn)定土壤中的團粒結(jié)構(gòu)、消耗氮元素、分解有機質(zhì)形成腐殖質(zhì)、中和酸性等方法，消除引起土壤板結(jié)的關(guān)鍵因素，從而達到治理土壤板結(jié)的效果。由于微生物方法屬于生物方法，因此是生態(tài)環(huán)保的，且是可持續(xù)利用的，所以應用極端環(huán)境微生物方法解決土壤板結(jié)問題是生態(tài)可靠、環(huán)保安全、持續(xù)發(fā)展的新方法。

關(guān)鍵詞：土壤板結(jié);極端微生物;極端環(huán)境微生物

中圖分類號：S-1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.11974/nyyjs.20181032008

1? ? ?土壤板結(jié)及原因探究

1.1? ? ?土壤板結(jié)

土壤板結(jié)[1]是由于土壤表層缺乏有機質(zhì)，結(jié)構(gòu)不良，在灌水或者降雨等外因作用下造成土壤結(jié)構(gòu)破壞、土料分散，而干燥后受內(nèi)聚力作用使土面變硬，不適合農(nóng)作物和花木等生長的現(xiàn)象。

1.2? ? ?土壤板結(jié)原因

土壤板結(jié)在現(xiàn)階段已有很深入的研究，很多專家與學者都提出了多種不同的基于各種因素考慮下的土壤板結(jié)的原因，影響比較大，被廣泛接受的主要有以下幾種：農(nóng)田土壤質(zhì)地太粘，耕作層深度不夠;有機肥嚴重不足，秸稈還田量過少;塑料制品投入過多，處理不及時不充分;長期單一地偏施化肥，化學肥料使用不合理;應用大型機械碾壓、翻耕等農(nóng)耕措施導致上層土壤結(jié)構(gòu)破壞;不合理利用增產(chǎn)措施，有害物質(zhì)的積累;風沙、暴雨水土流失;灌溉不合理、漫灌導致地表通氣性下降。

2? ? ?土壤板結(jié)治理研究

2.1? ? ?土壤板結(jié)治理研究現(xiàn)狀

曹玉賢[2]研究表明土壤板結(jié)一般是土壤鹽漬化的伴生結(jié)果，主要是由于人們長期或單一偏施無機肥，不施或少施有機肥，破壞了土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使得土壤容重增加，孔隙度降低，從而土壤水穩(wěn)性結(jié)構(gòu)破壞率提升，土壤微團聚體分散系數(shù)升高，以致耕層土壤發(fā)僵，土體粘韌板滑，也就是土壤板結(jié)。土壤板結(jié)不僅影響作物根系的生長，同時也改變了土壤中的水、肥、氣、熱環(huán)境，導致肥料-土壤-植物養(yǎng)分系統(tǒng)失衡。

尚平染[3]研究認為同一種作物品種在同等氣候、溫濕度、氧氣濃度、水肥施用等條件下，種植在不同的土壤當中，其產(chǎn)量、品質(zhì)卻大不相同，究其原因，土壤板結(jié)程度是影響產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)不容忽視的關(guān)鍵因素。

段壽甫[4]認為土壤板結(jié)是指土壤表層缺乏有機質(zhì)，結(jié)構(gòu)不良，在灌水或降雨等外因作用下土壤結(jié)構(gòu)破壞、土料分散，土壤干燥后受內(nèi)聚力作用使土壤變硬。并指出土壤板結(jié)是因為農(nóng)田土壤質(zhì)地太黏，耕作層淺黏土中的黏粒含量較多，加之耕作層平均不到500px，土壤中毛細管空隙較少，通氣、透水、增溫性較差，下雨或灌水以后，容易堵塞空隙，造成土壤表層結(jié)皮。

近年來，耕地土壤板結(jié)情況越來越嚴重，導致作物產(chǎn)量及品質(zhì)受到嚴重影響。趙儉波[5]分析了土壤板結(jié)的成因并提出相應的解決途徑，以期為建立耕地用地與養(yǎng)地相結(jié)合的良性循環(huán)提供參考。

2.2? ? ?土壤板結(jié)治理方法總結(jié)

不同的專家和學者因為不同的研究思路與方法，也提出了許多可行的方法，大多數(shù)方法在投入使用后也取得了很大程度的良好效果，也有一些辦法效果不明顯，需要進一步改善或等其在一定時效范圍內(nèi)發(fā)生作用，現(xiàn)階段，對于土壤板結(jié)的治理，主要的方法有以下幾點：深耕與旋耕相結(jié)合;促進科學合理施肥，增施有機肥;積極推廣作物秸稈還田;使用土壤改良調(diào)節(jié)劑;測土配方施肥;秸稈生物反應堆技術(shù);棚內(nèi)洗鹽法;合理灌溉，保持水土;曬垡和凍垡;徹底清除農(nóng)田殘膜;調(diào)節(jié)土壤酸堿度。

2.3? ? ?土壤板結(jié)問題突出

2016年，李竟涵在農(nóng)業(yè)部發(fā)布了《2016年全國耕地質(zhì)量監(jiān)測報告》之后指出，我國耕地質(zhì)量呈現(xiàn)三大特點——土壤結(jié)構(gòu)性問題比較明顯、土壤養(yǎng)分含量穩(wěn)中有升、土壤健康狀態(tài)總體良好。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，我國耕地土壤結(jié)構(gòu)性問題主要表現(xiàn)為耕層變淺，板結(jié)問題較為突出[6]。全國有65.5%的監(jiān)測點耕層厚度較淺，其中上海、江蘇、廣東等省（市）耕層平均厚度低于18cm，而適宜作物生長的耕層厚度在20cm以上，有的地區(qū)土壤容重以及超出適宜作物生長的標準。總體而言，土壤板結(jié)問題全國性存在，且日漸突出。

3? ? ?極端環(huán)境微生物治理土壤板結(jié)的原理

3.1? ? ?極端微生物與環(huán)境微生物

極端微生物[7]是指能夠在至少一種物理因子接近已知的生命要求極限的生態(tài)環(huán)境中旺盛生長的微生物。這些影響生命活動的物理因子包括溫度、鹽度、pH、壓力、光度、氣候等，極端微生物的發(fā)現(xiàn)沖擊了人們對于生命的固有理解，并對很多科學研究提供了思路。

極端環(huán)境微生物是生存于極端環(huán)境中的微生物的統(tǒng)稱，其種類包括極端環(huán)境中生存的極端微生物和非極端微生物，極端環(huán)境微生物種類龐雜、數(shù)量極大，隨著微生物在生命工程中的應用，越來越多不同領(lǐng)域提出了運用微生物方法解決問題的方案。極端微生物作為一種生態(tài)安全的生物技術(shù)，因其特殊的生存方式，可控的條件選擇性，對于土地工程的治理和建設(shè)將起到不可限量的作用。

3.2? ? ?極端環(huán)境微生物的生存特點

極端微生物種類龐多，因其適合生存的物理因子不同而有著不同的利用價值，適合土壤板結(jié)治理的主要由嗜鹽微生物與嗜酸微生物，因為其特有的代謝類型與生存機制，可以有效解決引起土壤板結(jié)的土壤鹽堿化、土壤團粒結(jié)構(gòu)破壞、土壤有機質(zhì)不足等問題。

3.2.1? ? ?嗜鹽微生物

嗜鹽微生物是指生活在10%～30%（m/v）高鹽濃度環(huán)境中的微生物。根據(jù)微生物最佳生長時需要NaCl的濃度，可將微生物分為5類：不嗜鹽微生物、耐鹽微生物、輕微嗜鹽微生物、中度嗜鹽微生物、極端嗜鹽微生物。前面兩者屬于不嗜鹽微生物，后面三者屬于嗜鹽微生物，要根據(jù)不同的土地條件進行應用。

嗜鹽微生物的種類很多，各有差異，一些嗜鹽微生物類群在缺乏外部電子受體時轉(zhuǎn)化有機物獲取能量，古菌域中的鹽桿菌可基本上是以氧為電子受體進行有氧呼吸，其中一些種類進行反硝化作用厭氧生長，或利用菌視紫紅質(zhì)吸收光能進行光氧生長。這些嗜鹽微生物的這種發(fā)酵代謝的代謝方式可將土壤中的有機物轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)。一些嗜鹽微生物是通過無機化能自養(yǎng)代謝的，將氨氧化為亞硝酸然后再氧化為硝酸，能消耗土壤中的氮，也能改善土壤的pH。

3.2.2? ? ?嗜酸微生物

嗜酸微生物是指需要很低pH條件才能正常生長的微生物。根據(jù)微生物pH條件的不同，可將微生物分為3類：耐酸微生物、嗜酸微生物、極端嗜酸微生物（超嗜酸微生物）。在處理土壤板結(jié)的問題上，主要運用耐酸微生物。

耐酸微生物是嗜酸微生物中相對生存環(huán)境比較正常的種類，也適應于治理土壤板結(jié)問題，耐酸微生物（嗜酸硫酸還原菌）能在土壤酸化后的環(huán)境中生存，還可以中和酸性并修復酸[7]污染。

3.3? ? ?極端環(huán)境微生物治理土壤板結(jié)的原理

3.3.1? ? ?吸K+吐Na+

嗜鹽微生物具有吸K+吐Na+的應對鹽脅迫的機制，能夠有效吸收土體中的大量鉀離子，上文中提到，土壤中的鉀離子具有非常強的置換性，能置換出形成穩(wěn)定的土壤團粒結(jié)構(gòu)所需的多價陽離子，因為一價的鉀離子不具有鍵橋作用，多價陽離子被置換后土壤團粒結(jié)構(gòu)的鍵橋就被破壞，土壤中的團粒結(jié)構(gòu)被破壞，就會導致土壤板結(jié)。嗜鹽微生物的吸K+吐Na+機制剛好完美的解決了這個問題，鉀離子被吸收后，鈉離子又不具有那么強的置換性，土壤中的多價陽離子就能和陰離子形成足夠穩(wěn)定的土壤團粒結(jié)構(gòu)，從而根治土壤板結(jié)。

3.3.2? ? ?發(fā)酵代謝

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，化肥越來越得到人們的賞識，方便見效快還相對衛(wèi)生，廄肥、積肥就慢慢淡出了的視野，在田間地頭運用的越來越少，秸稈還田因為其轉(zhuǎn)化時間較長不利于耕作，也較少被利用，如此，大部分土地的土壤腐殖質(zhì)嚴重缺乏，土壤微生物活動微弱，導致土壤蓄水保水能力差，土壤中的有機質(zhì)含量也會越來越少。引入嗜鹽微生物后，因其發(fā)酵代謝時能分解有機質(zhì)形成腐殖質(zhì)，可使得土壤中的有機物被保留下來，微生物的活動也有利于土壤疏松通氣。

3.3.3? ? ?自養(yǎng)代謝

在土壤中，微生物的氮素供應每增加1，相應消耗的碳素就增加25，而被消耗的碳素都來源于土壤中的有機質(zhì)，嗜鹽微生物特有的自養(yǎng)代謝，可以氧化土壤中的氨，先轉(zhuǎn)化為亞硝酸，再氧化為硝酸，從而阻止碳元素的消耗，確保土壤中的機質(zhì)含量在一定的范圍內(nèi)。

3.3.4? ? ?中和酸性

在土壤中本來就存在著大量的微生物，它們也可以完成對有機質(zhì)的分解，形成腐殖質(zhì)，但是由于土地中化肥的不合理使用，導致土壤鹽堿化、酸堿化，使得很多微生物無法生存，因此引入嗜鹽微生物與嗜酸微生物，這些極端環(huán)境微生物可以在多鹽和酸化的土壤中生存，完成土地疏松通氣，更重要的是其中的耐酸微生物（嗜酸硫酸還原菌）還可以中和酸性并修復酸污染。耐酸微生物可以中和酸性，使土地恢復正常，這是一種標本兼治的方法。

3.3.5? ? ?死亡形成有機質(zhì)

極端環(huán)境微生物的生存條件各不相同，其中大多數(shù)都是在特定環(huán)境中具有較好的活性，而在其他環(huán)境中活性降低甚至失活，因此，嗜鹽微生物和嗜酸微生物在改善土壤條件后，生存環(huán)境變化，尤其是嗜酸微生物在酸性中和后會失去活性，而這些微生物死亡后，尸體會形成新的有機質(zhì)，為土壤提供新的營養(yǎng)物質(zhì)。

4? ? ?展望

近年來，微生物在農(nóng)業(yè)方面的應用逐漸廣泛，不僅是因為其效果顯著、方便操作，更因為其生態(tài)安全、可持續(xù)發(fā)展。隨著國家對高標準農(nóng)田的建設(shè)要求的逐漸規(guī)范，擬解決的農(nóng)田問題關(guān)鍵因子越發(fā)明顯，非生物方法必將帶來不同程度的土壤環(huán)境污染或災害，而普通的生物方法又具有太多的局限性，適用性不夠廣泛，極端環(huán)境微生物的應用將會解決這些長期以來想解決卻又沒能解決的問題，以其生存能力強、適用范圍廣、環(huán)保生態(tài)的優(yōu)勢，為國家高標準農(nóng)田的全面優(yōu)質(zhì)建設(shè)做出貢獻。

參考文獻

[1]佚名.土壤板結(jié)的7個原因[J].甘肅農(nóng)業(yè)，2015（3）：48.

[2]曹玉賢.土壤板結(jié)的原因及改良措施[J].中國農(nóng)資，2016（32）：? ?24.

[3]尚平染.土壤板結(jié)的原因及改良措施[J].現(xiàn)代農(nóng)村科技，2017? ?（8）：61.

[4]段壽甫.土壤板結(jié)的原因、危害及補救措施[J].河南農(nóng)業(yè)，2016（11）：21.

[5]趙儉波.土壤板結(jié)的成因與解決途徑[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2014? ?（13）：263，266.

[6]李竟涵.《2016年全國耕地質(zhì)量監(jiān)測報告》公布 土壤板結(jié)問題突出[J].中國食品，2017（18）：174.

[7]劉光琇.極端環(huán)境微生物學[J].北京：科學出版社，2016（18）：? ?57.