解磷微生物在旱地小麥生產(chǎn)中的應(yīng)用

解磷微生物在旱地小麥生產(chǎn)中的應(yīng)用

磷酸在植物生長發(fā)育中起著重要作用，但由于土壤中的大多數(shù)有機磷和無機磷不能直接吸收和利用。使用磷酸后，由于土壤固定，土壤中的鈣、鐵、磷和al3結(jié)合，形成了難以溶解的磷酸，肥效和利用率降低。據(jù)統(tǒng)計，從1949年到1992年，中國實際施用磷酸70000.09萬t（p2o5），其中大部分是在土壤中積聚的，不能使用。由于長期使用化肥，土壤硬度降低，土壤保護水降低，牧場退化。由增磷酶引起的植物酸酶、核酸酶和磷酸酶加速了植物酸、核酸和磷脂等含磷有機化合物的分解，其中游離的有機物可以與磷酸、還原酸和磷酸酶結(jié)合，將難溶磷轉(zhuǎn)化為有效磷，促進磷素的釋放，提高植物磷素的養(yǎng)分。因此，解磷微生物作為生物肥料，具有低生產(chǎn)成本低、應(yīng)用效果好、不污染環(huán)境等優(yōu)點。使用后不僅可以提高作物產(chǎn)量，而且可以改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤有機質(zhì)含量，提高土壤磷的利用率，增加節(jié)肥，對于改善鹽堿土，對充分利用土壤生物肥力具有重要意義。1對根際土壤及水稻生物污染的影響1935年,前蘇聯(lián)學(xué)者從土壤中分離到一種解磷巨大芽孢桿菌(Bacillusmegatheriumvar.phosphaticum),分解核酸和卵磷脂的能力很強,接種于土壤能提高土壤15%以上的有效磷含量.陳廷偉等于1955年從北京小麥根際土壤中分離的一種產(chǎn)酸性無孢子芽孢桿菌(Bacillussp.)具有較強的溶解磷酸三鈣的能力.Antoun等對根際土壤的分析表明,54%的根際微生物具有溶磷作用.1958年Sperber等發(fā)現(xiàn)不同土壤中解磷微生物的數(shù)量有很大的差異,大部分解磷微生物出現(xiàn)在植物根際土壤中.1962年,Kobus發(fā)現(xiàn)解磷菌在土壤中的數(shù)量受土壤的物理結(jié)構(gòu)、有機質(zhì)含量、土壤類型、土壤肥力、耕作方式和措施等因素的影響.Sundara等曾研究過芽孢桿菌和埃希氏菌(Escherichiasp.)對磷酸三鈣的溶解能力,Paul等測定幾株芽孢桿菌溶解磷酸三鈣的效率高達19%,其中解磷能力最強的是巨大芽孢桿菌(Bacillusmegaterium).1988年,尹瑞齡對我國旱地土壤解磷菌的種群和數(shù)量進行了研究.劉榮昌等在1993年把分離到的歐文氏菌屬(Erwinia)的解磷細菌制成菌劑施入土壤,利用該菌生長繁殖過程中產(chǎn)生的酸分解土壤中的難溶性磷,經(jīng)該菌接種的小麥增產(chǎn)達10.4%,綠豆增產(chǎn)達23.8%.林凡等發(fā)現(xiàn),將水稻經(jīng)聯(lián)合固氮菌浸種后,對水稻的增產(chǎn)效果明顯.李玉娥等在分離苜蓿(Medicagosativa)和紅豆草(Onobrychisviciaeflia)根際不同部位的溶磷細菌時發(fā)現(xiàn),386株分離物中137株具有溶磷能力.2單酚微生物的類型、分布和數(shù)量2.1單酚微生物的類型能夠分解難溶性磷化合物的微生物種類很多,亦很復(fù)雜.有人根據(jù)解磷微生物分解的底物,將其分為分解有機磷的微生物和分解無機磷的微生物.2.1.2aacter的分類主要有假單孢菌屬(Pseudomonas)的某些種,如草生假單孢菌(P.herbicola)等;無色桿菌屬(Achromobacter)的一些種;黃桿菌屬(Flavobacterium)的某些種和氧化硫硫桿菌(Thiobacillusthiooxidans).鏈霉菌屬(Streptomyces)的一些種既能分解無機磷也能分解有機磷.解磷真菌主要是青霉屬(Penicillium)、曲霉菌屬(Aspergillus)和根霉屬(Rhizopus),而解磷放線菌則大部分為鏈霉菌屬.2.2小麥根際土壤中解磷微生物物種組成及比例在不同的作物根際分布的解磷菌種群差異較大.林啟美等發(fā)現(xiàn),冬小麥(TriticumaestivumL.)苗期根際土壤的有機磷細菌主要為假單孢菌屬,無機磷細菌主要為歐文氏菌屬.趙小蓉等認為,夏玉米(ZeaMaysL.)收獲時期根際的有機磷細菌主要是假單孢菌屬和黃桿菌屬,無機磷細菌主要是歐文氏菌屬.Sundara等觀察到小麥根際的解磷菌主要為芽孢桿菌屬和埃希氏菌屬(Escherichia).Molla等的研究顯示,黑麥草(LoliumperenneL.)及小麥根際與非根際土壤中的解有機磷微生物主要有革蘭氏陰性短桿菌、芽孢桿菌屬、鏈霉菌屬、曲霉屬、青霉屬、變形菌屬、沙雷氏菌屬、假單孢菌屬和微球菌屬(Micrococcus).Elliott等的報道表明,春小麥根際的解磷菌主要為芽孢桿菌屬、假單孢菌屬和鏈霉菌屬.Paul等則發(fā)現(xiàn)豆科植物根際的解磷微生物主要是芽孢桿菌屬.2.3農(nóng)田、草地和林地土壤中解磷細菌的分布及多樣性解磷菌的分布表現(xiàn)出強烈的根際效應(yīng),即根際土壤的數(shù)量比土體要多,但并不是根際微生物的優(yōu)勢菌株.土壤解磷微生物的數(shù)量除與土壤類型有關(guān)外,還與加入土壤中的磷源種類有所不同,以解磷細菌為例,在同一土壤中,加磷礦粉者高于加磷酸鐵或磷酸鋁者.有研究發(fā)現(xiàn),玉米、紅三葉草(TrifoliumpretenseL.)、亞麻(LinumusitatissimumL.)、燕麥(Avenaspp.)、小麥等根際土壤中的解磷細菌比非根際土壤高.林啟美等通過分析農(nóng)田、菜地、草地和林地土壤有機磷細菌和無機磷細菌的數(shù)量及種群結(jié)構(gòu)時發(fā)現(xiàn),菜地有機磷細菌的數(shù)量和種類最多,其他土壤中有機磷細菌的數(shù)量只有菜地土壤的1/10,但是農(nóng)田土壤中解磷細菌總數(shù)的比例并不低,尤其是有機磷細菌,約占細菌總數(shù)的13%.尹瑞齡的研究顯示,我國干旱地區(qū)土壤解磷菌的含量平均為102CFU/g,其中黑鈣土的解磷菌最多(但種類卻不多),瓦堿土最少,僅有2×104CFU/g.Kucey等也發(fā)現(xiàn)草地和農(nóng)作物殘茬覆蓋的農(nóng)田土壤中無機磷細菌分別為(0.23~11.5)×105CFU/g和(0~4.8)×105CFU/g,約占細菌總數(shù)的0.5%,且不同土壤有很大的差異.3可溶性磷的測定微生物的解磷能力通常通過3種方法測定:(1)將解磷菌株在含有難溶性磷酸鹽的固體培養(yǎng)基上培養(yǎng),測定菌落周圍產(chǎn)生的透明圈的大小;(2)進行液體培養(yǎng),測定培養(yǎng)液中可溶性磷的含量;(3)進行砂培或者土壤培養(yǎng),測定其有效磷的含量.3.1關(guān)于解磷效果的研究方法3.1.1砂培過程中磷的提取該法能比較準確地定量研究溶液中磷的含量.測定時將解磷微生物的含不溶性磷化物[如Ca3(PO4)2]的培養(yǎng)液和對照(不含解磷微生物)培養(yǎng)一定時間后進行過濾,再將濾液經(jīng)鉬磷試劑處理,使培養(yǎng)液顯色后通過比色法間接求出培養(yǎng)液中水溶性磷的含量.許多學(xué)者采用離心的方法除去微生物細胞,測定離心后上清液中磷的含量.也有人將解磷菌菌株接種于30mL培養(yǎng)液中培養(yǎng)21d后,再加入0.1mol/LHCl振蕩過濾后測定,認為能被0.1mol/LHCl提取出的磷是微生物分解出來的磷.但鉬磷比色法只能測定無機磷酸鹽,使用時應(yīng)該考慮到微生物生長繁殖過程中自身同化的一部分磷,否則將低估微生物的解磷能力.因此所有這些方法都不包括微生物內(nèi)含的生物量磷.微生物在生長繁殖時,不僅分解難溶性的磷化合物,而且還同化一部分分解出來的磷,所以生物量磷也應(yīng)是微生物分解的磷的一部分.趙小蓉等采用熏蒸、消煮等方法測定砂培過程中生物分解出來的磷,發(fā)現(xiàn)解磷菌在分解磷化合物的同時,一部分磷被菌體同化,還有一部分以無機磷酸鹽狀態(tài)貯藏在細菌細胞內(nèi).而直接測定浸提液中無機磷酸鹽的含量,將大大低估細菌的解磷能力,必須將浸提液消煮,才能比較正確地反映細菌分解磷的能力.3.1.2p的吸收、分離和解磷能力此法是通過測定植物體內(nèi)32P的增加量來測定菌體的解磷效果.具體方法是在含標(biāo)記有32P的不溶性磷化合物(有機磷或無機磷)的培養(yǎng)基內(nèi)接種解磷菌供試菌株,使菌體在培養(yǎng)過程中吸收32P,再用含32P的菌體(以僅含32P、不含菌體的培養(yǎng)基為對照)培育植物幼苗.測定該植株由標(biāo)記的菌體內(nèi)吸入的32P量比對照樣處理的增加量.尹瑞齡的試驗顯示,從土壤中分離的265株細菌溶解摩洛哥磷礦粉的能力平均為2~30mg/g,其中44株巨大芽孢桿菌、節(jié)桿菌(Arthrobactersp.)、黃桿菌(Flavobacteriumsp.)、歐文氏菌(Erwiniasp.)及假單胞桿菌(Pseudomonassp.)的解磷能力較強,為2~30mg/g.3.2磷源和根磷濃度Paul等從豆科植物根際分離出來的幾株芽孢桿菌屬細菌溶解Ca3(PO4)2的效果高達19%,其中解磷能力最強的是巨大芽孢桿菌,最弱的為短芽孢桿菌(B.brevis).Molla等的研究也表明,不同菌株分離Ca3(PO4)2的能力有很大差異.林啟美等發(fā)現(xiàn),以磷礦粉作為唯一磷源培養(yǎng)解磷菌,其中解磷能力較強的菌株為假單胞桿菌屬和歐文氏菌屬,并發(fā)現(xiàn)真菌的解磷能力比細菌強.Kucey等報道真菌的解磷能力一般是細菌的10倍,許多細菌在進一步純化中失去解磷能力,而真菌則始終保持其解磷能力.尹瑞齡發(fā)現(xiàn),多種微生物自身對磷素具有固定作用,細菌和放線菌積累的磷(占其干質(zhì)量的1.5%~2.5%)略高于真菌(0.5%~1.0%),并認為我國旱地土壤解磷菌的溶磷強度主要隨磷源種類而異,在同一土壤中以磷礦粉作磷源者,其溶磷強度高于以磷酸鐵作磷源者,唯在瓦堿土及鹽漬土上無差異或差異極小.值得一提的是,鐘傳青等通過研究解磷微生物對各種難溶磷酸鹽和磷礦粉的溶解效果時發(fā)現(xiàn),解磷微生物中青霉菌對磷酸鈣的溶解能力和效果最好,其次為酵母菌.同一研究也發(fā)現(xiàn),細菌、酵母、霉菌對不同磷源的溶解均有一定作用,其原因可能是接種量相同時,真菌由于生物量大,產(chǎn)生的利于解磷的代謝產(chǎn)物多,pH下降快,從而使Ca3(PO4)2中更多的有效磷溶解出來.解磷微生物產(chǎn)生的有機酸不同,不同有機酸對不同金屬離子螯合能力不同,從而使難溶磷酸鹽的溶解效果也不同.檢測有效磷時,用H2O2破壞菌體,使部分微生物量磷釋放出來,細菌、真菌生物量不同導(dǎo)致微生物量磷的差別,也可能使其滅活菌液處理濾液的有效磷不同.難溶性磷酸鹽容易被酵母、霉菌溶解,而磷礦粉容易被芽孢桿菌溶解,各種溶磷微生物對不同化學(xué)結(jié)構(gòu)含磷物質(zhì)的親和溶解能力不同.有文獻報道,真菌的溶磷能力高于細菌,這種說法亦存在一定片面性,霉菌并不是對所有形態(tài)難溶磷的溶解能力都高于細菌.易艷梅等研究產(chǎn)多糖溶磷細菌對難溶性Ca-P的活化特性時發(fā)現(xiàn),產(chǎn)多糖的溶磷細菌對難溶性Ca-P的活化能力普遍強于不產(chǎn)多糖的溶磷細菌,即使同一菌株也只有在最適于產(chǎn)有機酸和多糖的C/N值下,才能表現(xiàn)出最佳的溶磷效果.4可溶性磷源對酸性磷酸酶活性的影響微生物的解磷機制一般認為是由于微生物分泌出有機酸,這些酸既能降低pH值,又可與鐵、鋁、鈣等離子結(jié)合,從而使難溶性磷酸鹽溶解.試驗證明,這些有機酸能夠螯合金屬離子Ca2+,使難溶磷釋放出來,即使菌液滅活后,仍有部分有機酸能夠發(fā)揮溶磷作用.其作用的大小不僅取決于分泌酸的種類和數(shù)量,更與其機制的緩沖性及能與磷酸根離子螯合的離子多少,尤其是土壤中的Ca2+多少有關(guān).同時,解磷微生物溶解磷礦粉和難溶性磷酸鹽也是一個長期的動態(tài)變化過程,微生物不斷生長繁殖,并分泌有機酸和磷酸酶,使難溶磷不斷地釋放出來,或以難溶性無機磷酸鹽作為唯一磷源時仍能產(chǎn)生較高活性的酸性磷酸酶和堿性磷酸酶,這些酸性磷酸酶和堿性磷酸酶能夠?qū)⒉粩嗨劳龅奈⑸锞w中的有機磷轉(zhuǎn)化為無機磷,這部分無機磷被微生物吸收后又可以參加微生物的新陳代謝過程.鐘傳青等發(fā)現(xiàn),在培養(yǎng)基中添加KH2PO4等可溶性磷源時,細菌、酵母、霉菌產(chǎn)生的酸性磷酸酶活性較低;而以難溶性磷酸鹽作為磷源時磷酸酶活性較高,這說明貧磷條件促進了酸性磷酸酶活性的增加.來璐等發(fā)現(xiàn),在碳源供給充足的條件下,微生物能夠吸收富集土壤中的無機磷,在一定的土壤有效磷含量范圍內(nèi),土壤微生物量磷及微生物量磷濃度隨土壤有效磷含量的增加而提高.Kennedy的研究發(fā)現(xiàn),土壤中大部分溶磷微生物雖然都存在于植物根際,但并不是根際微生物的優(yōu)勢種群,即自然狀態(tài)下的根際微生物不能向植物提供充足的磷營養(yǎng),尤其是植物得到氮肥營養(yǎng)后,磷營養(yǎng)就成為限制植物生長發(fā)育的重要因素.有研究證明,根際微生物的活性及其群落結(jié)構(gòu)對植物磷素營養(yǎng)影響很大,即植物根際磷細菌的數(shù)量影響根際磷營養(yǎng)的可給性.在這個過程中磷細菌可以將無效磷轉(zhuǎn)化為植物營養(yǎng)磷,并且隨磷細菌數(shù)量的增加而增加,隨土壤中全磷特別是無效磷(磷礦粉)量的增加而增加.劉麗麗等以無效磷(磷礦粉)量為橫坐標(biāo),以培養(yǎng)液中有效磷量為縱坐標(biāo),將無效磷轉(zhuǎn)化動力學(xué)曲線圖數(shù)學(xué)擬合得到無效磷(磷礦粉)轉(zhuǎn)化動力學(xué)方程為:Y=4.54lgX+11.23(其中Y為有效磷量,X為解磷細菌濃度).馮瑞章等發(fā)現(xiàn),溶磷菌和固氮菌混合培養(yǎng)對溶解磷礦粉既有協(xié)同作用也有拮抗作用.5解磷微生物肥的作用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.將含有磷細菌的生物肥料施入土壤,磷細菌的生長代謝可以在植物根際形成一個磷素供應(yīng)較充分的微區(qū),從而使植物獲得較充足的磷營養(yǎng)以促進生長發(fā)育,這一效果早已被證實.因此,利用解磷微生物制成的微生物肥料具有重大開發(fā)應(yīng)用價值.微生物肥料除了在提供作物可吸收磷素及解磷作用外,還具備下列優(yōu)點:(1)提高農(nóng)作物對其它營養(yǎng)元素的吸收能力.解磷微生物可以對植物根系周圍的銅、鈣等微量元素進行吸附,并以此來改善植物營養(yǎng),提高產(chǎn)量;(2)肥力效果明顯.解磷微生物肥料溶解難溶性磷素,提供給植物可直接吸收利用的優(yōu)質(zhì)磷素化合物,而化學(xué)磷肥在施用過程中有相當(dāng)一部分由于固定作用而損失;(3)對植物病害具有拮抗或抑制的能力.當(dāng)解磷菌肥被接種在植物根際后,由于基數(shù)巨大并能夠大量生長繁殖,成為植物根際的優(yōu)勢菌,從而可減少病原微生物的繁殖機會;(4)增產(chǎn)節(jié)能.解磷微生物肥料的生產(chǎn)工藝簡單,投資少,見效快,效益好.由于采用從土壤中直接分離優(yōu)質(zhì)解磷微生物菌株或其高效突變株作為肥料,故不存在生產(chǎn)過程中向環(huán)境排放污染物的過程,因此對環(huán)境沒有污染.目前,解磷微生物肥料的主要發(fā)展趨勢是將不同種類解磷微生物混合而發(fā)揮組合作用.解磷細菌中不同菌株之間的溶磷差異很大,真菌分泌的有機酸種類比較復(fù)雜,菌株之間差別也比較大.各種微生物對不同難溶磷酸鹽有不同的溶解效果,微生物磷肥應(yīng)該考慮由細菌和真菌混合組成,若把具有溶解難溶性磷酸鹽和磷礦粉功能的不同種類解磷微生物混合作為生物磷肥,將會產(chǎn)生更好的解磷效果.呂學(xué)斌等探討了4株溶磷菌株不同組合混合培養(yǎng)下的溶磷活力,結(jié)果表明其中兩組菌種混合培養(yǎng)下的溶磷量較單菌種培養(yǎng)有所增加,將該組合配方應(yīng)用于研制微生物復(fù)合肥料,盆栽試驗取得了較好的效果.6篩選和復(fù)壯解磷微生物,復(fù)壯及復(fù)壯解磷微生物肥料在我國