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超高效固氮菌和生物有机肥 的创新与应用前景
 
王开运   姜莉莉   武玉国   王开元   
(1.山东农业大学植物保护学院泰安271018;2.山东丰田宝农业科技有限公司泰安271000)
摘要:氮气约占空气的78%,取之不尽,用之不竭,利用微生物固氮来满足农作物对氮素的需求是最 节能、经济和环保的途径。文章介绍了超级固氮菌、解磷菌和解钾菌的选育,及其替代化肥的生物 有机肥的创造和应用效果,展望了微生物肥料在改良土壤、提高农产品品质、节约资源、保护环境 和推动现代农业持续发展中的应用前景。
关键词:固氮菌;微生物;肥料;创新;应用前景
20世纪的世界农业因化肥和农药的问世而发 展,但因长期大量使用化肥和农药,土壤酸化和盐渍 化曰益突出,质地劣化,污染日益严重,生态功能不 断减退,对全球气候变化的负面影响日益加大,农业 的可持续发展受到严重制约。含高效固氮菌的生物 有机肥的发展将成为人类提供高质量的绿色食品的 核心基础,从而减少合成氨对能源的消耗、二氧化碳 的排放,克服了化肥对土壤的板结和荒漠化,避免化 肥对地下水和地表水的污染,降低了化肥、农药给人 类健康带来的危害。超高效固氮菌的创新和开发,是 21世纪农业的一场新科技革命,它将推动土壤改良、 生态农业、绿色食品、节能、环保等领域的发展。以超 高效固氮菌为主开发的生物有机肥具有提高作物产 量、改善品质、抗病虫害和改善生态环境等多种功 效,是对人类的重大贡献。
1作物的营养需求与来源
1.1作物的营养需求
作物生长发育必需碳(C)、氢(H)、氧(0)、氮 (N)、磷(P)、钾(K)、钙(Ca)、镁(Mg)、硫⑸、硅(Si)、 铁(Fe)、铜(Cu)、锰(Mn)、钼(Mo)、锌(Zn)、硼(B)、氯 (Cl)17种营养元素,且不同农作物对其的需求量不同,大多数元素都可从土壤、空气和有机肥中获得。 因作物对氮(N)、磷(P)、钾(K)和碳的需要量大,需要 通过施肥来满足作物生长的需要,20世纪传统农业 的标志之一就是施用化肥来满足氮磷钾的需求。
1.2生物固氮与固氮菌的开发应用现状
目前已知的固氮细菌主要有自生固氮菌、共生 固氮菌和联合固氮菌三种。自生固氮菌主要包括固 氮菌属、氮单孢菌属、拜耶林克氏菌属和德克斯氏菌 属,其中固氮菌属是制造固氮微生物肥料主要菌种, 而共生固氮菌和联合固氮菌则因其对共生植物和环 境要求严格,难以被广泛应用。自生固氮细菌有严 格好氧性,为有机营养型,能直接固定空气中的氮 素,将大气中的分子态氮气转化为农作物能利用的 氨,进而为其提供合成蛋白质所必需的氮素营养。生 物固氮是在极其温和的常温常压条件下进行的生物 化学反应,不需要化肥生产中的高温、高压和催化 剂。所以,生物固氮是最便宜、最干净、效率最高的施 肥过程。但是,现从自然界发现的天然自生固氮菌, 因其固氮率较低,尚不能完全满足农作物对氮素营 养的需求。因此,从天然固氮菌属的细菌中选择性能 稳定的菌种,像农作物育种一样利用现代生物技术进行新菌种选育,是创造超高效固氮菌满足农作物 对氮素营养需求的必然途径。
1.3生物有机肥替代化肥的核心技术
生物有机肥替代化肥的核心技术,一是超高效 固氮菌的选育创造,二是高活性解磷菌和解钾菌的 筛选及驯化。磷和钾都是天然矿质元素,可供连续大 量持久开采的资源有限,应珍惜资源并科学开发利 用,利用高效解磷和解钾细菌,将矿质的和植物残体 固化的不能被植物吸收的元素转化为水溶性元素, 是相对容易做到的,因为自然界解磷和解钾菌种类 较多,菌种易于被驯化和改良。空气中氮气含量约 占78%,谁能创造高效固氮菌,直接利用空气中的 氮来替代合成氨,谁就掌握了替代化肥、推动21世 纪现代农业可持续发展和优化农业生态环境的核心 技术。
2超级固氮菌的创造及替代化肥的生物有机 肥的开发应用
2.1天然固氮菌的发现与超级固氮菌的创造
2006年,我们在山东省泰安市岱岳区房村大棚 蔬菜种植区,从蔬菜连土壤中发现的一株具有较强 固氮功能的芽孢杆菌,经鉴定为解淀粉芽孢杆菌。将 此菌株在低碳培养基和氮气饱和下进行长期多代诱 导选育,历经5年菌株选育和功能鉴定,获得超高效 固氮菌新菌株,其体内固氮酶活性提高4.5倍,固氮 能力提高62.7倍,且性能稳定。为创造完全替代化肥 生物有机肥掌握了核心技术。
2.2解磷和解钾菌的创造
以能够降解有机磷等农药的天然解淀粉芽孢杆 菌为基础,分别在含磷矿粉和钾矿粉的培养基上长 期筛选驯化和功能鉴定,创造了具有解磷和解钾功 能的解淀粉芽孢杆菌。该解磷和解钾菌不仅能转化 利用磷矿粉和钾矿粉,而且能将土壤中不易被植物 利用的磷和钾直接转化利用,还能降解土壤中的农 药残留。
2.3替代化肥生物有机肥的开发
以超高效固氮菌、解磷菌、解钾菌和拮抗菌4大 菌群为功能菌,按照抗生素的生产标准建设发酵条 件,用腐殖酸、磷矿粉、钾矿粉等天然材料做载体和 碳源,制备成颗粒状生物有机肥(专利申请号: 20140798221.8)。根据自2011年以来的推广应用实 践证明,该菌群可根据各种农作物对氮、磷、钾等养 分的需求,通过超高效固氮菌从大气中获得氮素;从 添加的矿质磷和钾,以及土壤中富含的矿物质中解 离出速效的磷和钾化合物;腐殖酸和活化土壤可为 农作物提供大量中微量元素。开发生产的“丰田宝” 生物有机肥不仅满足了农作物全生长季节的全营养 供应,同时该菌群还具有提高作物抗病性,增产、改 善产品品质和改良土壤生态环境的功效。目前,农民 更喜欢将该肥料称之为“生物智能肥”。
2.4替代化肥“丰田宝”生物有机肥的施用方法
在作物种植或移栽时穴施或沟施,对其发芽和 生根无任何不利影响;番茄、黄瓜、西葫芦、茄子、芸 豆等大棚蔬菜,最适合移栽时穴施;苹果、柑橘、猕猴 桃、葡萄等水果和多年生长的作物,可在春季发芽前 后一次性多点穴施或沟施,靠近根部越近越有利于 养分供应。一次性施肥可满足生长期的氮磷钾营养 需求,不必再冲施或喷施其他肥料。“丰田宝”生物有 机肥在各种蔬菜、果树和多种经济作物的用量,按照 预期收获产品产量(鲜重)的10%计算,即每亩预期 收获番茄10 000 kg,需使用“丰田宝”微生物肥料
I 000 kg;每亩预期收获辣椒5 000 kg,需使用“丰田 宝”微生物肥料500 kg;每亩预期收获苹果6 000 kg, 需使用“丰田宝”微生物肥料600 kg。芹菜、菠菜和生 菜等叶菜类,按照预期收获产品产量(鲜重)的5%计 算施肥量,播种前撒施即可。
2.5 “丰田宝”生物有机肥的应用效果
2011-2016年,山东省泰安市岱岳区房村镇东良 父村番茄大棚中连续使用“丰田宝”生物有机肥6年, 种植了 12茬,每茬使用1 000 kg/亩,番茄产量平均
650 kg,较施用化肥的对比地块增产15%~30%, 品质优良。同时,土壤有机质提高1倍以上,土质疏 松,基本无枯萎病和根腐病等根部病害发生。2014- 2016年,宁阳县华丰镇黄瓜大棚连续使用“丰田宝” 生物有机肥3年,种植了 6茬,每茬使用1 200 kg/亩, 黄瓜产量平均13 500 kg,较施用化肥的对比地块增 产18%~35%,品质优良。同时,土壤改良效果好,基 本克服了黄瓜种植的连作障碍。山东莘县连作种植 西葫芦30年的大棚,土壤酸化、盐渍化严重,几乎不 能再继续种植,2016年秋每株使用“丰田宝”微生物 肥料500 g后,西葫芦生长旺盛,结瓜多,瓜条直,表 面光亮,品质好。山东临淄旭I 丰农业生态园长期使用 有机肥和化肥,效益一直不高,鸡粪等有机肥污染环 境严重,生态园名不副实。改用“丰田宝”生物有机肥 后,草莓、甜瓜、番茄、黄瓜、葡萄和油桃品质优,效益 高,环境美,采摘园生意火红,产值提高30%以上。山 东寿光市纪台街道办事处的彩椒种植大棚,长期施 用化肥,土壤pH值3~4,施用丰田宝生物有机肥后, 土壤pH值恢复到6以上,彩椒长势很好,采收1茬 每亩卖2.2万元,一般一个生长期采收4~5茬。山东 临朐县蒋峪镇贺家洼村,种植豇豆每株施用200 g丰 田宝,植株长势好,基本无病害,收获的豇豆最长的 85 cm,普通种植的豇豆最长不超过70 cm,农民说从 未见过这么长的豇豆。山东济阳县仁风镇西瓜施用 丰田宝,西瓜长势好,产量高,糖度12.2, 口感好,连 作种植西瓜腐霉根腐病发病很轻,发病率仅为 0.89%,防治效果达88% ;药剂套餐处理的发病率为 2.24%,防治的效果为69.5% ;对照的发病率达 7.33%。药剂套餐处理和对照的西瓜的糖度为9.1%, 施用丰田宝的西瓜的糖度较其他提高3.1,品质好效 益高。
3微生物肥料的应用前景展望
3.1微生物肥料符合国家农业供给侧结构改革的
方向
2016年12月30日,农业部提出2017年重点落 实有机肥替代化肥方案,将首先实施《开展水果蔬菜 茶叶有机肥替代化肥行动方案》,高品质微生物有机 肥料,既含腐殖酸类有机质,又含有超高效固氮菌、 解磷菌、解钾菌和拮抗菌,比单用有机肥更符合国家 农业供给侧结构改革的方向和改良土壤节约能源生 态友好的要求。我国是一个农业大国,也是世界上化 肥依赖性最大的消费国。长期大量使用化肥,易产生 明显的环境和生态不利现象,直接影响我国的农业 可持续发展。在欧美发达国家农业生产中,微生物肥 料的施用量已占到了肥料总量的20%以上,目前我 国微生物肥料的产量在整个肥料行业中所占的比重 约为2%左右,较发达国家的差距甚远,国家大力扶 持高效优质微生物有机肥发展利国利民。
3.2微生物肥料和微生物有机肥替代化肥的作用和 条件
微生物肥料和微生物有机肥替代化肥的主要目 标是替代氮肥,而磷和钾都是不可再生的天然矿产 资源,只是需要化学合成转化还是生物转化的问题。 目前共生固氮菌根瘤菌可用于豆科植物,因其对湿 度等环境因素要求较高,在国内外应用面积都不大。 以芽孢杆菌等自生固氮菌为主生产的微生物肥料和 微生物有机肥,因微生物的种类、功能、活性、环境适 应性、含量、载体的成分和含量,产品的物理性能、用 量和施用方法等不同,其固氮能力差异巨大,绝大多 数产品尚无完全替代氮肥的能力,仅有个别含有超 高效固氮菌的产品,在用量和产量匹配、土壤湿度和 温度适合的条件下可完全替代化肥。因目前丰田宝 生物有机肥等肥料对原料和生产工艺要求严格,制 造成本较高,该类产品最适于大棚和拱棚种植的各 种蔬菜、草莓和水果等高效益作物,广泛适用于水浇 条件较好的露地蔬菜、姜、瓜果、果树、中草药及多种 农作物,也适合藕、水稻、饮用地下水采集地和地表 水水源地周边农田,还适合以化肥减量、改良土壤和 提高品质为目标的各种农作物。尚不适合在小麦、玉 米等产品附加值较低的大田作物以及旱作条件下推 广。对以垃圾堆肥和工业固体废弃物作载体生产的 微生物肥料,应严格限制用在大田作物上;禁止用在 蔬菜和瓜果上,更不准用在采集饮用地下水的农田, 以防不明污染物间接污染新鲜农产品和饮用水。
3.3我国微生物肥料和微生物有机肥的发展现状 我国微生物肥料研发与应用时间较短,因多数 企业缺乏高水平的专业研发人才、优良的菌种资 源、科学的产品配方和系统的应用条件试验。尽管 微生物肥料和微生物有机肥的生产企业较多,建设 的生产规模很大,产品种类和规格多,多数产品信 誉不高,有的企业为降低成本随意添加劣质有机物 或矿渣,对土壤的面源污染风险加大。也直接影响 了高质量微生物有机肥的推广。未来国内外和企业 间在此领域的竞争主要是对高效或超高效功能菌专 利技术的竞争,国家和有关部门应及早重视功能菌 种的发掘、资源保护、开发和专利保护,扶持企业 和科研单位对现有高效功能菌种加以科学保护和有 效利用。
3.4应相信微生物有机肥对土壤改良的特殊贡献 由于长期施用化肥,土壤质地逐渐变劣,土壤的 生物活性和缓冲能力低,提供的营养养分的数量逐 渐减少,本来可通过土壤和秸轩还田满足作物的中、 微量元素也需要补充,要维持农作物持续高产,长期 大量矿产资源的开采不仅破坏生态环境,而且资源 终
究有枯竭的时候。我们在大棚番茄和黄瓜等蔬菜 上连续施用丰田宝生物有机肥,从未使用中微量元 素肥料,蔬菜连年优质高产,土壤逐步被改良,病害 发生减轻,农药用量减少50%以上,非常符合国家农 药化肥零增长的发展目标。


 
 
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