王 開 運(yùn) 姜莉莉 武玉國 王開元
(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院泰安271018;2.山東豐田寶農(nóng)業(yè)科技有限公司泰安271000)
摘要:氮?dú)饧s占空氣的78%,取之不盡，用之不竭，利用微生物固氮來滿足農(nóng)作物對(duì)氮素的需求是節(jié)能、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的途徑。文章介紹了固氮菌、解磷菌和解鉀菌的選育，及其替代化肥的生物 有機(jī)肥的創(chuàng)造和應(yīng)用效果，展望了微生物肥料在改良土壤、提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)、節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境 和推動(dòng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展中的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：固氮菌；微生物；肥料；創(chuàng)新；應(yīng)用前景
20世紀(jì)的世界農(nóng)業(yè)因化肥和農(nóng)藥的問世而發(fā) 展，但因長期大量使用化肥和農(nóng)藥，土壤酸化和鹽漬 化曰益突出，質(zhì)地劣化，污染日益嚴(yán)重，生態(tài)功能不 斷減退，對(duì)全球氣候變化的負(fù)面影響日益加大，農(nóng)業(yè) 的可持續(xù)發(fā)展受到嚴(yán)重制約。含固氮菌的生物 有機(jī)肥的發(fā)展將成為人類提供高質(zhì)量的綠色食品的 核心基礎(chǔ)，從而減少合成氨對(duì)能源的消耗、二氧化碳 的排放，克服了化肥對(duì)土壤的板結(jié)和荒漠化，避免化 肥對(duì)地下水和地表水的污染，降低了化肥、農(nóng)藥給人 類健康帶來的危害。超 高 效固氮菌的創(chuàng)新和開發(fā)，是 21世紀(jì)農(nóng)業(yè)的一場(chǎng)新科技革命，它將推動(dòng)土壤改良、 生態(tài)農(nóng)業(yè)、綠色食品、節(jié)能、環(huán)保等領(lǐng)域的發(fā)展。以超 固氮菌為主開發(fā)的生物有機(jī)肥具有提高作物產(chǎn) 量、改善品質(zhì)、抗病蟲害和改善生態(tài)環(huán)境等多種功 效，是對(duì)人類的重大貢獻(xiàn)。
1作物的營養(yǎng)需求與來源
1.1作物的營養(yǎng)需求
作物生長發(fā)育需碳（C)、氫（H)、氧（0)、氮 (N)、磷(P)、鉀（K)、鈣（Ca)、鎂（Mg)、硫⑸、硅（Si)、 鐵（Fe)、銅（Cu)、錳（Mn)、鉬（Mo)、鋅(Zn)、硼（B)、氯 (Cl)17種營養(yǎng)元素，且不同農(nóng)作物對(duì)其的需求量不同，大多數(shù)元素都可從土壤、空氣和有機(jī)肥中獲得。 因作物對(duì)氮(N)、磷(P)、鉀（K)和碳的需要量大，需要 通過施肥來滿足作物生長的需要，20世紀(jì)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè) 的標(biāo)志之一就是施用化肥來滿足氮磷鉀的需求。
1.2生物固氮與固氮菌的開發(fā)應(yīng)用現(xiàn)狀
目前已知的固氮細(xì)菌主要有自生固氮菌、共生 固氮菌和聯(lián)合固氮菌三種。自生固氮菌主要包括固 氮菌屬、氮單孢菌屬、拜耶林克氏菌屬和德克斯氏菌 屬，其中固氮菌屬是制造固氮微生物肥料主要菌種， 而共生固氮菌和聯(lián)合固氮菌則因其對(duì)共生植物和環(huán) 境要求嚴(yán)格，難以被廣泛應(yīng)用。自生固氮細(xì)菌有嚴(yán) 格好氧性，為有機(jī)營養(yǎng)型，能直接固定空氣中的氮 素，將大氣中的分子態(tài)氮?dú)廪D(zhuǎn)化為農(nóng)作物能利用的 氨，進(jìn)而為其提供合成蛋白質(zhì)所需的氮素營養(yǎng)。生 物固氮是在其溫和的常溫常壓條件下進(jìn)行的生物 化學(xué)反應(yīng)，不需要化肥生產(chǎn)中的高溫、高壓和催化 劑。所以，生物固氮是便宜、干凈、效率高的施 肥過程。但是，現(xiàn)從自然界發(fā)現(xiàn)的天然自生固氮菌， 因其固氮率較低，尚不能完全滿足農(nóng)作物對(duì)氮素營 養(yǎng)的需求。因此，從天然固氮菌屬的細(xì)菌中選擇性能 穩(wěn)定的菌種，像農(nóng)作物育種一樣利用現(xiàn)代生物技術(shù)進(jìn)行新菌種選育，是創(chuàng)造超 高 效固氮菌滿足農(nóng)作物 對(duì)氮素營養(yǎng)需求的必然途徑。
1.3生物有機(jī)肥替代化肥的核心技術(shù)
生物有機(jī)肥替代化肥的核心技術(shù)，一是超 高 效 固氮菌的選育創(chuàng)造，二是高活性解磷菌和解鉀菌的 篩選及馴化。磷和鉀都是天然礦質(zhì)元素，可供連續(xù)大 量持久開采的資源有限，應(yīng)珍惜資源并科學(xué)開發(fā)利 用，利用解磷和解鉀細(xì)菌，將礦質(zhì)的和植物殘?bào)w 固化的不能被植物吸收的元素轉(zhuǎn)化為水溶性元素， 是相對(duì)容易做到的，因?yàn)樽匀唤缃饬缀徒忖浘N類 較多，菌種易于被馴化和改良?？諝庵械?dú)夂考s 占78%，誰能創(chuàng)造固氮菌，直接利用空氣中的 氮來替代合成氨，誰就掌握了替代化肥、推動(dòng)21世 紀(jì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和優(yōu)化農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的核心 技術(shù)。
2固氮菌的創(chuàng)造及替代化肥的生物有機(jī) 肥的開發(fā)應(yīng)用
2.1天然固氮菌的發(fā)現(xiàn)與固氮菌的創(chuàng)造
2006年，我們?cè)谏綎|省泰安市岱岳區(qū)房村大棚 蔬菜種植區(qū)，從蔬菜連土壤中發(fā)現(xiàn)的一株具有較強(qiáng) 固氮功能的芽孢桿菌，經(jīng)鑒定為解淀粉芽孢桿菌。將 此菌株在低碳培養(yǎng)基和氮?dú)怙柡拖逻M(jìn)行長期多代誘 導(dǎo)選育，歷經(jīng)5年菌株選育和功能鑒定，獲得超 高 效 固氮菌新菌株，其體內(nèi)固氮酶活性提高4.5倍，固氮 能力提高62.7倍，且性能穩(wěn)定。為創(chuàng)造完全替代化肥 生物有機(jī)肥掌握了核心技術(shù)。
2.2解磷和解鉀菌的創(chuàng)造
以能夠降解有機(jī)磷等農(nóng)藥的天然解淀粉芽孢桿 菌為基礎(chǔ)，分別在含磷礦粉和鉀礦粉的培養(yǎng)基上長 期篩選馴化和功能鑒定，創(chuàng)造了具有解磷和解鉀功 能的解淀粉芽孢桿菌。該解磷和解鉀菌不僅能轉(zhuǎn)化 利用磷礦粉和鉀礦粉，而且能將土壤中不易被植物 利用的磷和鉀直接轉(zhuǎn)化利用，還能降解土壤中的農(nóng) 藥殘留。
2.3替代化肥生物有機(jī)肥的開發(fā)
以超 高 效固氮菌、解磷菌、解鉀菌和拮抗菌4大 菌群為功能菌，按照抗生素的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)發(fā)酵條 件，用腐殖酸、磷礦粉、鉀礦粉等天然材料做載體和 碳源，制備成顆粒狀生物有機(jī)肥（專利申請(qǐng)?zhí)枺?20140798221.8)。根據(jù)自2011年以來的推廣應(yīng)用實(shí) 踐證明，該菌群可根據(jù)各種農(nóng)作物對(duì)氮、磷、鉀等養(yǎng) 分的需求，通過超 高 效固氮菌從大氣中獲得氮素；從 添加的礦質(zhì)磷和鉀，以及土壤中富含的礦物質(zhì)中解 離出速 效的磷和鉀化合物；腐殖酸和活化土壤可為 農(nóng)作物提供大量中微量元素。開發(fā)生產(chǎn)的“豐田寶” 生物有機(jī)肥不僅滿足了農(nóng)作物全生長季節(jié)的全營養(yǎng) 供應(yīng)，同時(shí)該菌群還具有提高作物抗病性，增產(chǎn)、改 善產(chǎn)品品質(zhì)和改良土壤生態(tài)環(huán)境的功效。目前，農(nóng)民 更喜歡將該肥料稱之為“生物智能肥”。
2.4替代化肥“豐田寶”生物有機(jī)肥的施用方法
在作物種植或移栽時(shí)穴施或溝施，對(duì)其發(fā)芽和 生根無任何不利影響；番茄、黃瓜、西葫蘆、茄子、蕓 豆等大棚蔬菜，適合移栽時(shí)穴施；蘋果、柑橘、獼猴 桃、葡萄等水果和多年生長的作物，可在春季發(fā)芽前 后一次性多點(diǎn)穴施或溝施，靠近根部越近越有利于 養(yǎng)分供應(yīng)。一次性施肥可滿足生長期的氮磷鉀營養(yǎng) 需求，不必再?zèng)_施或噴施其他肥料。“豐田寶”生物有 機(jī)肥在各種蔬菜、果樹和多種經(jīng)濟(jì)作物的用量，按照 預(yù)期收獲產(chǎn)品產(chǎn)量（鮮重）的10%計(jì)算，即每畝預(yù)期 收獲番茄10 000 kg，需使用“豐田寶”微生物肥料
I 000 kg;每畝預(yù)期收獲辣椒5 000 kg，需使用“豐田 寶”微生物肥料500 kg;每畝預(yù)期收獲蘋果6 000 kg， 需使用“豐田寶”微生物肥料600 kg。芹菜、菠菜和生 菜等葉菜類，按照預(yù)期收獲產(chǎn)品產(chǎn)量（鮮重）的5%計(jì) 算施肥量，播種前撒施即可。
2.5 “豐田寶”生物有機(jī)肥的應(yīng)用效果
2011-2016年，山東省泰安市岱岳區(qū)房村鎮(zhèn)東良 父村番茄大棚中連續(xù)使用“豐田寶”生物有機(jī)肥6年， 種植了 12茬，每茬使用1 000 kg/畝，番茄產(chǎn)量平均
650 kg，較施用化肥的對(duì)比地塊增產(chǎn)15%~30%， 品質(zhì)優(yōu)良。同時(shí)，土壤有機(jī)質(zhì)提高1倍以上，土質(zhì)疏 松，基本無枯萎病和根腐病等根部病害發(fā)生。2014- 2016年，寧陽縣華豐鎮(zhèn)黃瓜大棚連續(xù)使用“豐田寶” 生物有機(jī)肥3年，種植了 6茬，每茬使用1 200 kg/畝， 黃瓜產(chǎn)量平均13 500 kg，較施用化肥的對(duì)比地塊增 產(chǎn)18%~35%，品質(zhì)優(yōu)良。同時(shí)，土壤改良效果好，基 本克服了黃瓜種植的連作障礙。山東莘縣連作種植 西葫蘆30年的大棚，土壤酸化、鹽漬化嚴(yán)重，幾乎不 能再繼續(xù)種植，2016年秋每株使用“豐田寶”微生物 肥料500 g后，西葫蘆生長旺盛，結(jié)瓜多，瓜條直，表 面光亮，品質(zhì)好。山東臨淄旭I 豐農(nóng)業(yè)生態(tài)園長期使用 有機(jī)肥和化肥，效益一直不高，雞糞等有機(jī)肥污染環(huán) 境嚴(yán)重，生態(tài)園名不副實(shí)。改用“豐田寶”生物有機(jī)肥 后，草莓、甜瓜、番茄、黃瓜、葡萄和油桃品質(zhì)優(yōu)，效益 高，環(huán)境美，采摘園生意火紅，產(chǎn)值提高30%以上。山 東壽光市紀(jì)臺(tái)街道辦事處的彩椒種植大棚，長期施 用化肥，土壤pH值3~4,施用豐田寶生物有機(jī)肥后， 土壤pH值恢復(fù)到6以上，彩椒長勢(shì)很好，采收1茬 每畝賣2.2萬元，一般一個(gè)生長期采收4~5茬。山東 臨朐縣蔣峪鎮(zhèn)賀家洼村，種植豇豆每株施用200 g豐 田寶，植株長勢(shì)好，基本無病害，收獲的豇豆長的 85 cm，普通種植的豇豆長不超過70 cm，農(nóng)民說從 未見過這么長的豇豆。山東濟(jì)陽縣仁風(fēng)鎮(zhèn)西瓜施用 豐田寶，西瓜長勢(shì)好，產(chǎn)量高，糖度12.2, 口感好，連 作種植西瓜腐霉根腐病發(fā)病很輕，發(fā)病率僅為 0.89%，防治效果達(dá)88% ;藥劑套餐處理的發(fā)病率為 2.24%，防治的效果為69.5% ;對(duì)照的發(fā)病率達(dá) 7.33%。藥劑套餐處理和對(duì)照的西瓜的糖度為9.1%， 施用豐田寶的西瓜的糖度較其他提高3.1，品質(zhì)好效 益高。
3微生物肥料的應(yīng)用前景展望
3.1微生物肥料符合國家農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革的
方向
2016年12月30日，農(nóng)業(yè)部提出2017年落實(shí)有機(jī)肥替代化肥方案，將首先實(shí)施《開展水果蔬菜 茶葉有機(jī)肥替代化肥行動(dòng)方案》，高品質(zhì)微生物有機(jī) 肥料，既含腐殖酸類有機(jī)質(zhì)，又含有超 高 效固氮菌、 解磷菌、解鉀菌和拮抗菌，比單用有機(jī)肥更符合國家 農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革的方向和改良土壤節(jié)約能源生 態(tài)友好的要求。我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，也是世界上化 肥依賴性大的消費(fèi)國。長期大量使用化肥，易產(chǎn)生 明顯的環(huán)境和生態(tài)不利現(xiàn)象，直接影響我國的農(nóng)業(yè) 可持續(xù)發(fā)展。在歐美發(fā)達(dá)國家農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，微生物肥 料的施用量已占到了肥料總量的20%以上，目前我 國微生物肥料的產(chǎn)量在整個(gè)肥料行業(yè)中所占的比重 約為2%左右，較發(fā)達(dá)國家的差距甚遠(yuǎn)，國家大力扶 持微生物有機(jī)肥發(fā)展利國利民。
3.2微生物肥料和微生物有機(jī)肥替代化肥的作用和 條件
微生物肥料和微生物有機(jī)肥替代化肥的主要目 標(biāo)是替代氮肥，而磷和鉀都是不再生的天然礦產(chǎn) 資源，只是需要化學(xué)合成轉(zhuǎn)化還是生物轉(zhuǎn)化的問題。 目前共生固氮菌根瘤菌可用于豆科植物，因其對(duì)濕 度等環(huán)境因素要求較高，在國內(nèi)外應(yīng)用面積都不大。 以芽孢桿菌等自生固氮菌為主生產(chǎn)的微生物肥料和 微生物有機(jī)肥，因微生物的種類、功能、活性、環(huán)境適 應(yīng)性、含量、載體的成分和含量，產(chǎn)品的物理性能、用 量和施用方法等不同，其固氮能力差異巨大，絕大多 數(shù)產(chǎn)品尚無完全替代氮肥的能力，僅有個(gè)別含有超 高 效固氮菌的產(chǎn)品，在用量和產(chǎn)量匹配、土壤濕度和 溫度適合的條件下可完全替代化肥。因目前豐田寶 生物有機(jī)肥等肥料對(duì)原料和生產(chǎn)工藝要求嚴(yán)格，制 造成本較高，該類產(chǎn)品適于大棚和拱棚種植的各 種蔬菜、草莓和水果等益作物，廣泛適用于水澆 條件較好的露地蔬菜、姜、瓜果、果樹、中草藥及多種 農(nóng)作物，也適合藕、水稻、飲用地下水采集地和地表 水水源地周邊農(nóng)田，還適合以化肥減量、改良土壤和 提高品質(zhì)為目標(biāo)的各種農(nóng)作物。尚不適合在小麥、玉 米等產(chǎn)品附加值較低的大田作物以及旱作條件下推 廣。對(duì)以垃圾堆肥和工業(yè)固體廢棄物作載體生產(chǎn)的 微生物肥料，應(yīng)嚴(yán)格限制用在大田作物上；禁止用在 蔬菜和瓜果上，更不準(zhǔn)用在采集飲用地下水的農(nóng)田， 以防不明污染物間接污染新鮮農(nóng)產(chǎn)品和飲用水。
3.3我國微生物肥料和微生物有機(jī)肥的發(fā)展現(xiàn)狀 我國微生物肥料研發(fā)與應(yīng)用時(shí)間較短，因多數(shù) 企業(yè)缺乏高水平的專業(yè)研發(fā)人才、優(yōu)良的菌種資 源、科學(xué)的產(chǎn)品配方和系統(tǒng)的應(yīng)用條件試驗(yàn)。盡管 微生物肥料和微生物有機(jī)肥的生產(chǎn)企業(yè)較多，建設(shè) 的生產(chǎn)規(guī)模很大，產(chǎn)品種類和規(guī)格多，多數(shù)產(chǎn)品信 譽(yù)不高，有的企業(yè)為降低成本隨意添加劣質(zhì)有機(jī)物 或礦渣，對(duì)土壤的面源污染風(fēng)險(xiǎn)加大。也直接影響 了高質(zhì)量微生物有機(jī)肥的推廣。未來國內(nèi)外和企業(yè) 間在此領(lǐng)域的競爭主要是對(duì)或超 高 效功能菌專 利技術(shù)的競爭，國家和有關(guān)部門應(yīng)及早重視功能菌 種的發(fā)掘、資源保護(hù)、開發(fā)和專利保護(hù)，扶持企業(yè) 和科研單位對(duì)現(xiàn)有功能菌種加以科學(xué)保護(hù)和有 效利用。
3.4應(yīng)相信微生物有機(jī)肥對(duì)土壤改良的特殊貢獻(xiàn) 由于長期施用化肥，土壤質(zhì)地逐漸變劣，土壤的 生物活性和緩沖能力低，提供的營養(yǎng)養(yǎng)分的數(shù)量逐 漸減少，本來可通過土壤和秸軒還田滿足作物的中、 微量元素也需要補(bǔ)充，要維持農(nóng)作物持續(xù)高產(chǎn)，長期 大量礦產(chǎn)資源的開采不僅破壞生態(tài)環(huán)境，而且資源 終
究有枯竭的時(shí)候。我們?cè)诖笈锓押忘S瓜等蔬菜 上連續(xù)施用豐田寶生物有機(jī)肥，從未使用中微量元 素肥料，蔬菜連年高產(chǎn)，土壤逐步被改良，病害 發(fā)生減輕，農(nóng)藥用量減少50%以上，非常符合國家農(nóng) 藥化肥零增長的發(fā)展目標(biāo)。
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