磷在土壤中的固體化作用

磷在土壤中的固體化作用

磷是植物生長(zhǎng)所必需的重要養(yǎng)分。在大多數(shù)土壤中，95%以上的磷是無(wú)效的，植物很難吸收和利用。目前,我國(guó)農(nóng)用磷肥的加工主要是利用大量硫酸,以磷礦粉為主要原料加工而成,加工成本較高,長(zhǎng)期施用不僅造成土壤板結(jié),也會(huì)污染環(huán)境。磷礦粉如直接施用于土壤時(shí),肥效又受許多因素限制。為提高堆肥難溶性無(wú)機(jī)磷的轉(zhuǎn)化能力,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者將難溶性無(wú)機(jī)磷的轉(zhuǎn)化作為研究重點(diǎn)。研究結(jié)果表明:土壤中存在大量的微生物,能夠?qū)⒅参镫y以吸收利用的磷轉(zhuǎn)化為可吸收利用的形態(tài),具有這一類特殊功能類群的微生物稱為解磷微生物(Phosphate-solubilizingmicroorganisms,PSMs)。解磷微生物不僅能提高植物對(duì)磷的利用率,還能促進(jìn)土壤中有益微生物的代謝活動(dòng),改善植物根部營(yíng)養(yǎng),從而達(dá)到增產(chǎn)效果。因此篩選高效解磷微生物,生產(chǎn)含有解磷功能的微生物有機(jī)肥料是解決土壤可利用磷素形態(tài)和植物磷素供應(yīng)問(wèn)題的一條有效途徑。為此,總結(jié)了磷細(xì)菌的生態(tài)分布規(guī)律,闡述了影響解磷微生物解磷能力的外界影響因素,探討了解磷微生物肥料的應(yīng)用價(jià)值。為解磷微生物未來(lái)的研究重點(diǎn)提出理論依據(jù)。1單酚微生物的類型和分布1.1土壤含磷有機(jī)物的種類土壤中分解難溶性磷化合物的微生物種類繁多,主要包括細(xì)菌、真菌和放線菌等。而微生物溶磷能力差異主要取決于微生物本身的特性。一般而言,真菌的溶磷量大于細(xì)菌。根據(jù)解磷菌分解底物的不同,可將其劃分為有機(jī)磷微生物和無(wú)機(jī)磷微生物。能夠?qū)⑼寥乐械暮怂帷⒘字椭菜氐群子袡C(jī)物分解為可溶性無(wú)機(jī)磷的微生物,稱為有機(jī)磷微生物。如芽孢桿菌屬(Ba-cillus)的一些種;而能夠?qū)⑼寥乐械腃aHPO4,Ca(H2PO4)2和Ca3(PO4)2等簡(jiǎn)單的磷酸鹽或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的磷灰石等植物難以吸收的無(wú)機(jī)磷酸鹽轉(zhuǎn)化為可溶性無(wú)機(jī)磷的微生物,稱為無(wú)機(jī)磷微生物,如假單孢菌屬(Pseudomonas)的某些種。當(dāng)然,某些微生物如鏈霉菌屬(Streptomyces)不僅可以溶解無(wú)機(jī)磷,也能分解有機(jī)磷,所以二者之間并無(wú)嚴(yán)格界限。1.2小麥根際磷細(xì)菌分布及多樣性土壤中解磷微生物的種群生態(tài)分布表現(xiàn)出強(qiáng)烈的根際效應(yīng),即種類、數(shù)量、分布和菌種與根際環(huán)境間相互關(guān)系等均受根際微域環(huán)境(土壤物理結(jié)構(gòu)、有機(jī)物質(zhì)含量、土壤類型、土壤肥力、耕作方式和措施等)的影響,在植物根際的數(shù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其周圍土壤中的數(shù)量。Katznelson等人將細(xì)菌按不同區(qū)域進(jìn)行分離,得到了根面細(xì)菌、根際細(xì)菌及非根際細(xì)菌。其研究結(jié)果表明,從小麥根面分離的細(xì)菌氧化葡萄糖和丙氨酸的能力比從根際和非根際分離的細(xì)菌強(qiáng)。并且根面中解磷細(xì)菌的含量分別是非根際和根際區(qū)的18倍和6倍。趙小蓉等發(fā)現(xiàn)解磷細(xì)菌的分布表現(xiàn)出強(qiáng)烈的根際效應(yīng),根際土壤中解磷細(xì)菌的數(shù)量多于土體中解磷細(xì)菌量,但其并不是根際微生物的優(yōu)勢(shì)菌株。并且無(wú)論是無(wú)機(jī)磷細(xì)菌還是有機(jī)磷細(xì)菌,小麥根際都比非根際土壤中磷細(xì)菌種群結(jié)構(gòu)復(fù)雜,優(yōu)勢(shì)種群也更加明顯。Babana和Antoun發(fā)現(xiàn),在4種不同性質(zhì)的土壤中,3種小麥根際磷細(xì)菌的分布都明顯表現(xiàn)出根際效應(yīng),而且不同作物根際分布的磷細(xì)菌種群結(jié)構(gòu)也有差異。Paul和Sundara研究豆科植物根際磷細(xì)菌后發(fā)現(xiàn),芽孢桿菌屬占優(yōu)勢(shì)。2高效磷微生物篩選方法及影響結(jié)磷微生物生長(zhǎng)因素2.1高效磷微生物的篩選原理和過(guò)程2.1.1有機(jī)解磷微生物根據(jù)在缺磷的合成培養(yǎng)基中加入控制磷源,初步分離出不同的土壤解磷菌為初篩。分離有機(jī)解磷微生物時(shí),通常以卵磷脂為控制磷源;分離無(wú)機(jī)解磷微生物時(shí)用磷酸三鈣或磷礦粉為控制磷源,從而初篩出有一定解磷、溶磷能力的菌株,再經(jīng)過(guò)多次復(fù)篩選出優(yōu)良高效純菌株。2.1.2過(guò)濾步驟取樣→分離用的合成培養(yǎng)基的配制→菌株的分離→除磷菌株的篩選→有效菌株的復(fù)篩2.2解磷微生物檢測(cè)由于傳統(tǒng)磷肥的長(zhǎng)期施用,使得土壤中儲(chǔ)存的不溶磷量不斷積累,這樣不僅降低磷肥的生產(chǎn)效益,同時(shí)引起環(huán)境污染問(wèn)題,如水體富營(yíng)養(yǎng)化和營(yíng)養(yǎng)不平衡等。利用解磷微生物轉(zhuǎn)化土壤中儲(chǔ)存磷素的形態(tài)可緩解磷肥需求矛盾,減少磷對(duì)環(huán)境的污染。微生物肥料所采取的菌劑是由目標(biāo)菌和輔助菌共同構(gòu)成的復(fù)合菌劑,因此篩選高效解磷微生物菌株,是解磷微生物肥料能在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得以應(yīng)用的重要手段之一。但是,在篩選與培養(yǎng)高效解磷微生物的過(guò)程中,一些外部條件如溫度、pH值等對(duì)解磷微生物生長(zhǎng)也有一定的影響。2.2.1生長(zhǎng)和代謝大量下降微生物的生命活動(dòng)由一系列生物化學(xué)反應(yīng)組成,受溫度影響極其明顯,所以溫度是影響微生物生長(zhǎng)和代謝的一個(gè)重要因素。當(dāng)溫度在微生物的一定范圍內(nèi)變化時(shí),它的生長(zhǎng)和代謝正常且平穩(wěn)。超過(guò)一定范圍,微生物不能生長(zhǎng)和代謝或者生長(zhǎng)代謝急劇下降。胡子全等人研究發(fā)現(xiàn),從巢湖水體中分離篩選的SY2號(hào)菌株生長(zhǎng)量最高時(shí)的溫度為30℃左右;超過(guò)35℃以后,菌體生長(zhǎng)量明顯表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。胡春明等人通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)對(duì)不同參數(shù)條件下解磷菌的解磷能力進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,在培養(yǎng)溫度35~55℃條件下,解無(wú)機(jī)磷微生物具有較高的解磷能力。馬桂英等通過(guò)在降解磷尾礦培養(yǎng)基中加入醬油渣,正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化得出在發(fā)酵溫度為30℃時(shí),速效磷含量可達(dá)2572mg/kg。低品位的磷尾礦粉磷的轉(zhuǎn)化率可高達(dá)46.33%。2.2.2培養(yǎng)介質(zhì)的ph值對(duì)解磷微生物解磷能力的影響pH值是影響微生物生長(zhǎng)的重要化學(xué)因子。在培養(yǎng)微生物時(shí),一般情況下,要求細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的pH值相對(duì)穩(wěn)定,接近中性。這樣可以避免細(xì)胞內(nèi)的重要成分如DNA,ATP等被酸破壞,或RNA、磷脂類等被堿破壞的可能性;并且生物體內(nèi)的所有代謝過(guò)程都受酶的控制,而酶的催化反應(yīng)又依賴pH值,所以細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的pH值對(duì)生物體生長(zhǎng)有顯著影響。同時(shí)細(xì)胞外環(huán)境的pH值也可以引起細(xì)胞膜電荷變化,以及影響營(yíng)養(yǎng)物離子化程度,從而影響微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物的吸收,影響環(huán)境中有害物質(zhì)對(duì)微生物的毒性等。對(duì)于解磷微生物來(lái)說(shuō),真菌的溶磷能力與其培養(yǎng)介質(zhì)的pH值之間呈顯著的負(fù)相關(guān),但細(xì)菌的這種關(guān)系非常弱。孫冬梅利用比色法對(duì)兩株解磷微生物解磷能力進(jìn)行測(cè)定,研究發(fā)現(xiàn),隨著培養(yǎng)基中pH值的下降,菌液濃度也呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì),一部分外加難溶態(tài)磷酸鹽會(huì)被釋放出來(lái),同時(shí)菌體也會(huì)出現(xiàn)不同程度的自溶或死亡。周婷從洱海和太湖表層底泥樣品中分離出了3株解磷菌,將解磷微生物與水華水體中常見的兩種微型藻、魚腥藻和微囊藻共同培養(yǎng),發(fā)現(xiàn)菌株適宜的pH值為5.5~7.5,且解磷能力與培養(yǎng)介質(zhì)的pH值負(fù)相關(guān)。2.2.3超氧化物歧化酶不同溶氧量對(duì)菌體生長(zhǎng)也有一定影響,其可能原因是分子氧的毒害作用。過(guò)多的氧氣供應(yīng)會(huì)產(chǎn)生超氧陰離子自由基(O2-),機(jī)體內(nèi)的過(guò)氧化氫酶和超氧化物歧化酶(SOD)不能及時(shí)還原超氧陰離子自由基,可能導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)有機(jī)分子和膜的破壞,且表現(xiàn)為種群生長(zhǎng)量受到抑制。趙鋒等通過(guò)研究表明,溶氧量可以影響水稻根系生長(zhǎng)及微生物對(duì)氮素的利用。溶氧量較低時(shí)(溶氧量0~1.0mg/L),銨硝混合營(yíng)養(yǎng)比單一的銨態(tài)氮營(yíng)養(yǎng)顯著提高植株的生物量。2.2.4金屬離子檢測(cè)金屬離子是微生物生長(zhǎng)和代謝產(chǎn)物合成的重要影響因子。在對(duì)污水處理時(shí),有些金屬離子進(jìn)入菌體內(nèi)與大分子物質(zhì)結(jié)絡(luò)合,使其喪失活性,表現(xiàn)為生物體中毒或死亡;有些金屬離子參與細(xì)胞內(nèi)分子結(jié)構(gòu)的組成,調(diào)節(jié)細(xì)胞的滲透壓、pH值和酶的活性,表現(xiàn)為菌體生長(zhǎng)量上升。Mn2+是超氧化物歧化酶、丙酮酸羧化酶、精氨酸酶等的輔助因子,是腺嘌呤核苷酸酶和一些水解酶的激活劑,有時(shí)可替代Mg2+。姚慶智等通過(guò)研究表明,Mn2+對(duì)篩選出解磷菌株的生長(zhǎng)有很強(qiáng)的抑制作用,Mg2+,Ca2+,Fe3+對(duì)其生長(zhǎng)沒(méi)有影響。2.2.5無(wú)機(jī)氮源及解磷菌株氮是構(gòu)成蛋白質(zhì)和核酸等微生物重要生命物質(zhì)的重要元素之一,也是微生物生長(zhǎng)的主要營(yíng)養(yǎng)成分。微生物能利用的氮源包括有機(jī)氮和無(wú)機(jī)氮,有機(jī)氮主要有牛肉膏、蛋白胨、尿素等,無(wú)機(jī)氮主要有(NH4)2SO4,KNO3等。陳倩穎等人研究發(fā)現(xiàn)以(NH4)2SO4為唯一氮源時(shí),解磷菌株S3解磷能力最強(qiáng)。范丙全等人認(rèn)為解磷菌以NO3--N為氮源時(shí)的解磷量通常高于以NH4+-N為氮源時(shí)的解磷量。姚慶智等為獲取能與菌根真菌褐環(huán)乳牛肝菌配伍制作的復(fù)合高效解磷細(xì)菌,以發(fā)酵培養(yǎng)基的配方為基礎(chǔ),研究KNO3,NH4NO3,尿素,(NH4)2SO44種氮源對(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)的影響,結(jié)果表明,菌株對(duì)氨態(tài)氮的利用優(yōu)于硝態(tài)氮,其生長(zhǎng)最佳氮源為(NH4)2SO4。3大力推進(jìn)微生物制品微生物菌肥是由具有特殊效能的微生物經(jīng)過(guò)發(fā)酵制成的、含有大量有益微生物、對(duì)作物有特定肥效的微生物制品,它利用微生物的生命活動(dòng),將作物不能吸收利用的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可吸收利用的營(yíng)養(yǎng)物,改善作物的營(yíng)養(yǎng)條件,提高作物產(chǎn)量。3.1解磷微生物肥料對(duì)作物根系生長(zhǎng)的影響解磷微生物最直接的作用就是溶解土壤中的難溶性或不溶性磷素。土壤被施用解磷微生物肥料后,通過(guò)解磷細(xì)菌的生長(zhǎng)代謝,可以在作物根際周圍形成一個(gè)植物可利用磷素的供應(yīng)區(qū),使得作物獲得充足的可利用磷,從而促進(jìn)植物生長(zhǎng)。作物通過(guò)根系對(duì)土壤中的磷素進(jìn)行吸收、運(yùn)輸、利用代謝,作物根系的發(fā)達(dá)程度影響磷素的吸收效率。研究表明,解磷微生物肥料的施用對(duì)作物根系的生長(zhǎng)也有一定的促進(jìn)作用。郜春花等通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),用解磷菌劑處理的青菜根系較發(fā)達(dá),主根長(zhǎng)和根系鮮重較不接種對(duì)照分別增加了29.8%~16.3%和58.3%~62.5%。根系的增大,促使根系分泌物增多,使得根系吸收養(yǎng)分能力相應(yīng)增強(qiáng),從而促進(jìn)作物地上部分生長(zhǎng),鮮重、干重和生物量分別較對(duì)照增加41.1%~23.5%,24.9%~15.8%和41.6%~24.6%。解磷微生物肥料的加入不僅可以促進(jìn)作物根系的生長(zhǎng),對(duì)作物的葉片、果實(shí)及整個(gè)地上部分也有一定的生長(zhǎng)促進(jìn)作用。如果在植物生長(zhǎng)前期加入解磷菌劑,會(huì)有更強(qiáng)的促進(jìn)作用,因?yàn)檫@個(gè)時(shí)期是植物對(duì)環(huán)境壓力最敏感、易造成作物減產(chǎn)及質(zhì)量降低的時(shí)期,此時(shí)加入的解磷菌劑可以穩(wěn)定作物生長(zhǎng),增強(qiáng)解磷微生物肥料的效力。不同的解磷菌群溶解磷量不同,一般而言,真菌的溶磷量大于細(xì)菌。而不同的解磷菌群對(duì)作物生長(zhǎng)的促進(jìn)效果也不同。郝晶等研究不同解磷菌群對(duì)豌豆生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響,結(jié)果表明,使用解磷菌劑能大幅度提高豌豆產(chǎn)量,產(chǎn)量多少與接種的菌群關(guān)系為:真菌>細(xì)菌>混合菌。3.2解磷菌劑的抗菌性能解磷菌劑通過(guò)生理代謝作用,溶解植物根際難溶性磷化物的同時(shí),也會(huì)促進(jìn)植物對(duì)其他營(yíng)養(yǎng)元素的吸收,例如K,Ca,Mg,Fe,Zn,N等微量元素。當(dāng)解磷菌劑在作物根際周圍快速繁殖,逐漸成為優(yōu)勢(shì)菌群后,限制了其他病原微生物的繁殖機(jī)會(huì)。有些微生物對(duì)病原菌具有拮抗作用,或者分泌抗菌素,抑制或殺死致病真菌和細(xì)菌,起到了減輕作物病害的功效。解磷微生物肥料的施用不僅刺激植物快速生長(zhǎng),同時(shí)還可減少根系有機(jī)酸、磷酸酶等物質(zhì)的分泌,這在很大程度上減輕了植物由于營(yíng)養(yǎng)缺乏而導(dǎo)致的根際酸化現(xiàn)象。3.3解磷微生物肥料解磷微生物肥料具有很高的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,其生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、見效快、效果好。如果選擇采用從土壤中直接分離解磷微生物菌株作為肥料,則更加控制了成本,并且不會(huì)在生產(chǎn)過(guò)程中向環(huán)境排放污染物。低污染,更成為它在新環(huán)保時(shí)代的一大優(yōu)勢(shì)。解磷微生物肥料的生產(chǎn)工藝要求簡(jiǎn)單,主要是固體吸附劑類型,產(chǎn)品的質(zhì)量要求與一般微生物肥料要求一致。由于一些解磷菌種可產(chǎn)生芽胞,所以芽胞粉劑可作為其副產(chǎn)品投入生產(chǎn),芽胞粉劑有容易使用、保存期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中解磷微生物肥料應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題:(1)在使用前,應(yīng)了解肥料的解磷范圍和環(huán)境,一般用在缺磷且有機(jī)質(zhì)較豐富的土壤上效果較好。(2)結(jié)合堆肥使用效果較單施更好,即在堆肥中先接入解磷微生物肥料,發(fā)揮其分解作用,然后將堆肥翻入土壤。(3)若不同類型的解磷菌種互不拮抗,可復(fù)合使用。4解磷微生物肥料據(jù)估計(jì),若我國(guó)微生物肥料的產(chǎn)量占化肥產(chǎn)量的3%,則糧食產(chǎn)量可增加50~100億kg。我國(guó)微生物肥料研發(fā)與應(yīng)用時(shí)間較短,當(dāng)前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有微生物肥料的生產(chǎn)廠家僅400家左右,年產(chǎn)300萬(wàn)t,只占化肥產(chǎn)量的0.5%。我國(guó)解磷微生物肥料產(chǎn)品的研制仍處于初始階段,近幾年,隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng),微生物肥料的研發(fā)受到了高度重視。解磷微生物肥料的發(fā)展具有非常好的前景。目前,將不同種類解磷微生物混合發(fā)揮組合作用是解磷微生物肥料發(fā)展的主要趨勢(shì)。解磷微生物肥料在我國(guó)應(yīng)用并不普遍,原因有多方面,諸如解磷微生物種類繁多、不同菌株之間溶磷差異很大、真菌分泌的有機(jī)酸種類比較復(fù)雜等。國(guó)內(nèi)外對(duì)解磷菌的研究主要集中在解磷菌的解磷能力、測(cè)定方法的研究上,對(duì)解磷機(jī)制的研究較少。為了進(jìn)一步揭示解磷微生物肥料的作用及機(jī)制,筆者建議應(yīng)從以下幾方面加強(qiáng)研究:(1)分離純化解磷菌,進(jìn)行高效菌種的選育,構(gòu)建高效解磷工程菌株,以提高解磷能力;(2)