施用微生物肥料对土壤质量的影响

由于化肥和农药的不合理使用，造成了土壤质量下降甚至土壤退化。因此，减少土壤化肥用量，使用环境友好型产品成为农业发展之重。微生物肥料能修复受损的土壤环境，促进植物吸收土壤中的营养元素，促进植物生长，诱导植物抗性，目前在农业生产上已被广泛使用。

文章总结了微生物肥料对土壤环境的改良作用，并提出目前微生物肥料发展中存在的问题，旨在为微生物肥料进一步研究提供理论依据。

农业在中国国民经济中占据重要地位，并且随着人口的增长，提高作物产量成为农业发展的重心。虽然耕地在减少，但以施用化肥为主的集约化农业仍然确保了作物的高产量。这是因为化肥能快速增加土壤中的N、P、K等营养元素，促进了植物的生长 ，有效增加了粮食产量。在1961年到2001年的40 年间，世界化肥用量从0.31亿t 增长到1.38亿t，粮食产量提高了将近13亿t。但是，化肥的持续过量施用导致了土壤腐殖质结构改变，与之相关的土壤团聚体破坏，土壤肥力下降，土壤板结和微生物群落变化，进而导致作物品质和产量下降。并且未被利用的化肥在土壤中会发生一系列的物理、化学和生物转化，N、P等元素流失，随地表水进入湖泊流域或地下，将造成土壤污染、地下水污染和水体硝酸盐、重金属污染等。因此，农业的绿色性和可持续性成为我国农业发展的首要目标，以微生物肥料部分代替化学肥料正在逐步受到人们的重视。 

微生物肥料是指一类含有活微生物的生物制品，当其用于农业生产时能产生特定的肥料效应，微生物在获得这种特定效应的生产过程中起关键作用。VESSEY认为微生物肥料中的活微生物用于种子、植物表面或土壤时，能定植于植物根际或植物内部，通过增加供应和可用性提供寄主植物所需的营养成分，促进植物生长。农业部定义微生物肥料除具有上述作用外，还能通过其自身微生物活动促进植物激素产生，抑制有害微生物的繁殖等。

1 土壤质量

农业是中国经济发展的命脉，而土壤则是农业发展的基础。但是农业的发展带来的土壤污染日益严重，因此要加强对耕地的可持续利用首先需要提高土壤质量。土壤质量是指土壤在维持生物生产力的同时，还能保持环境质量和促进植物和动物健康的能力。土壤质量包括土壤肥力质量，即能为动植物生长提供所需营养元素的能力；土壤环境质量，是指土壤具有吸纳污染物和降低病菌损害的能力；土壤健康质量，指影响动植物与人类健康的能力。土壤肥力在土壤质量中占据主要地位，有数据表明中国土壤有机质含量明显低于欧美国家2.5%～4.0%的水平，且呈持续下降的趋势 ，这对于农业发展是不利的。但值得注意的是，土壤质量不是一直不变的，随着耕作方式、肥料种类和施肥方式的不同而有所变化，因此微生物菌肥的出现对于提高土壤质量有重要作用。

2 微生物肥料对土壤质量的影响

最早在1886年有科学家发现生长有根瘤的豆科植物具有生物固氮作用，而后在1978年科学家提出种植植物后土壤中微生物在根部定植，产生促进植物生长的作用，这种微生物被称为促进植物生长的根细菌(plant growth promoting rhizobacteria,PGPR)。PGPR对农业生产具有重要作用。

2.1 改善土壤结构

土壤团聚体是微生物生活的主要微生境，对改善板结、干旱和通气性差的土壤环境有重要作用，还能促进微生物之间的相互作用，增强群落结构的功能多样性和稳定性。MENG et al提出土壤团聚体的稳定性与有机质含量相关，在0.25～0.5mm的水稳定团聚体中有机质占主导地位。FORSTER研究发现包括真菌（Fungus）、丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhiza）等在内的真菌，其菌丝分泌的胞外多糖能与土壤颗粒胶结并将其固定，从而形成了土壤团聚体，增强了其稳定性。施加微生物肥料后土壤中有机质增多，微生物数量增加，促进了土壤团聚体的形成，团粒结构发生改变，使得土壤的保水性和通气性变好，有利于植物的生长。

2.2 增加土壤中营养元素含量

微生物肥料一方面可以直接增加土壤中的有机质，另一方面能通过微生物作用提高土壤肥力。主要因为施用微生物肥料能增强土壤脱氢酶的活性，而脱氢酶与土壤中生化过程强弱有关，对于提高土壤肥力有重要作用。微生物的新陈代谢作用还能促进土壤中营养元素的释放，在土壤物质和能量循环过程中发挥重要作用 ，图1中土壤中的氨氧化细菌（ammonia-oxidizing bacteria, AOB）、氨氧化古菌 (ammonia-oxidizing archaea, AOA) 和反硝化菌（Denitrifying bacteria）等，是土壤氮循环的主要参与者，它们能将空气中的氮素转化为生物可利用的形式，为植物生长提供了有利条件。研究发现微生物肥料中的固氮菌（Azotobactersp）也具有生物固氮作用，可以通过自生固氮或共生固氮将空气中的氮素进行固定，进一步转化成植物可利用的氮素营养，从而增加了土壤中的可利用N含量。EGAMBERDIYEVA研究发现在接种有效菌种产碱假单胞菌（ Pseudomonas alcaligenes）PsA15和分枝杆菌（Mycobacterium）MbP18后，将导致棉花根部N含量增加。AMIR et al也发现了在施用 PGPR后，土壤中N、P元素增加。PGPR还能提高植物从土壤中吸收结合态氮的能力，当PGPR与氮肥混合使用后，氮肥增强植物根系的生长，根系面积增大，PGPR协同作用提高根系功能，从而提高植物对N等其他营养元素的吸收。这些微生物肥料的施用有效促进了植物对营养元素的吸收，减少了元素的流失，并且植物根系环境有利于微生物的繁殖，促进了土壤-微生物-植物之间的相互作用。

2.3 优化土壤群落结构

微生物在有机物分解的动态变化过程和调控植物所需的营养元素等方面发挥着重要作用，是土壤重要的组成部分，生存于土壤中的各类微生物和生物相互作用，一起构成了土壤生物圈系统。当微生物群落结构受外界条件影响时，其结构和功能第3期杨东敏等：浅析施用微生物肥料对土壤质量的影响139也会相应发生变化，进一步对作物和环境产生不同程度的影响。在农业生产中，施用不同的肥料会造成土壤中微生物群落结构、理化性质发生变化。如在长期施用无机氮肥的土壤中，微生物活性降低，而添加微生物肥料后能使已被破坏的微生物群落得到修复，同时增加某些功能。微生物肥料还能增加土壤中有益微生物的数量，这些有益微生物能与病原微生物竞争生态位和营养元素，并抑制其繁殖。在XUN et al的研究中提到，在微生物丰度比较高的群落，其多样性比较低，且群落功能趋于确定性组装过程，以占主要地位的微生物群落功能为主。KIM et al在对支流沉积物的研究中也发现了相似的结论，在微生物丰度较高的河岸沉积物中，其微生物多样性低于河流沉积物，但是其微生物活性较高。因此，在土壤中施用微生物肥料，将有利于有益菌群落的建立，群落的功能和稳定性增加，对提高土壤质量和促进植物生长有重要作用。

3 微生物肥料的发展现状

3.1 微生物肥料的发展趋势

随着豆科植物根瘤的固氮作用被发现，科学家开始对植物根际微生物进行深入研究，目前国内外已发现了20多种根际微生物，如根瘤菌，假单胞菌（Pseudomonsadaceae），芽孢菌（Bacillus）和固氮菌等。PGPR不但能促进植物吸收利于植物生长发育的营养成分，提高化肥利用率，净化和修复土壤；还能抑制土壤中有害病原体和有害微生物繁殖，增加抗性物质，降低农作物体内硝态氮、重金属和农药的积累，对于保护环境具有重要作用。

微生物肥料在国内外农业生产中占据重要地位，如在胡萝卜（Daucus carota L. var. sativa Hoffm.）和玉米（Zea mays Linn.）等重要农作物中使用微生物肥料后，植物获得的氮素含量增加，产量提高。在中国，微生物肥料行业发展迅速，与其他国家相比，具有种类多、应用范围广的特点。这些产品的生产已具有较大规模，开始了由单一型菌肥向复合型菌肥发展，如固氮菌与磷、钾细菌配合使用，可同时增加土壤中 N、P、K 元素的含量；一些菌粉型微生物肥料、基因工程肥等也开始出现。菌肥功能开始向多元化发展，由于细菌一般具有特定性功能，开发有多种功效的微生物肥料能更好地促进植物健康生长。这些微生物肥料在提高化肥利用率、降低化肥使用量和减少环境污染等方面，已获得较好的效果。

3.2 微生物肥料发展面临的问题

但PGPR在实际应用中受到很多限制，施用后反而会降低植物产量，其中可能与固氮微生物有关。微生物起固氮作用的主要是固氮酶，这种酶能固定环境中的氮素，但是当氮源丰富时氨阻遏机制将发挥作用，导致固氮酶活性降低，生物固氮作用降低，不利于农作物种植。PGPR产品在研发过程也会受到多种因素的影响。

大规模生产需要考虑到孕育剂的问题，新型的载体需要保证可供应性，且不易受环境影响且无毒；还要考虑所作用植物的生长特征等；单种菌肥或复合菌肥的配比对于植物生长也有关键作用；在运输过程中，要保障微生物细胞的活性；接种成功140环境保护科学第46卷也是评价生物肥料的关键指标，引进的接种剂不仅要保证存活，还要与原生种群竞争并成为优势种群。

4 微生物肥料的前景与展望

微生物肥料对土壤环境的改善具有重要作用，可以修复被破坏的土壤结构，还能通过微生物作用增加土壤中的营养元素，提高植物对肥料的利用率，在实际农业生产中取得了较好的效果。

但是微生物肥料产品存在肥效慢、专性强、贮存期短等问题，因此应加强高效型微生物肥料的研发。首先需要了解微生物与土壤、植物根系之间的关系，可利用分子生物学技术将宏观生态的思想和方法引入微生物生态研究，直接研究微生物DNA以获得环境样品中微生物多样性及群落组成信息，进一步了解群落功能和作用机制，为筛选优良菌株和开发新型微生物资源提供了有利途径。如目前已报道的运用体外表达技术识别新的基因，利用基因融合技术获得高效多功能菌株等都已取得较好的研究结果。同时，还要加强微生物肥料产品的质量监督，完善微生物肥料产品的规范化质量检测，将有助于优质产品的开发。

图片

声明：本文公开发表，内容选自《环境保护科学》2020年6月第46卷第3期，作者：杨东敏，徐圣君，曾贤桂，张焕祯，白志辉。尽管文中的信息经过严谨的筛选和论证，善植智库及作者不对信息的准确性或完整性作出担保，并保留权利修改其中的信息而无需另行通知。文中所刊载的源自第三方的图文、链接等已尽可能征得许可并标明出处，引用的内容版权归原作者所有。

来源：善植智库