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王開運：超高效固氮菌和生物有機肥的創(chuàng)新與應用前景

點擊：  作者：王開運    來源：昆侖策網【原創(chuàng)】  發(fā)布時間:2018-01-27 12:17:01

 

 

　　【摘 要】氮氣約占空氣的78%，取之不盡，用之不竭，利用微生物固氮來滿足農作物對氮素的需求是最節(jié)能、經濟和環(huán)保的途徑。本文介紹了超級固氮菌、解磷菌和解鉀菌的選育，及其替代化肥的生物有機肥的創(chuàng)造和應用效果，展望了微生物肥料在改良土壤、提高農產品品質、節(jié)約資源、保護環(huán)境和推動現(xiàn)代農業(yè)持續(xù)發(fā)展中的應用前景。

 

　　引 言

 

　　二十世紀的世界農業(yè)因化肥和農藥的問世而發(fā)展，但因長期大量使用化肥和農藥，土壤酸化和鹽漬化日益突出，質地劣化，污染日益嚴重，生態(tài)功能不斷減退，對全球氣候變化的負面影響日益加大，農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展受到嚴重制約。含高效固氮菌的生物有機肥的發(fā)展將是為人類提供高質量的綠色食品的核心基礎，從而減少合成氨對能源的消耗、二氧化碳的排放，克服了化肥對土壤的板結和荒漠化，避免化肥對地下水和地表水的污染，降低了化肥、農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)，是二十一世紀農業(yè)的一場新科技革命，它將推動動土壤改良、生態(tài)農業(yè)、綠色食品、節(jié)能、環(huán)保等領域的發(fā)展。以超高效固氮菌為主開發(fā)的微生物有機肥具有提高作物產量、改善品質、抗病蟲害和改善生態(tài)環(huán)境等多種功效，將是對人類的重大貢獻。

 

　　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)育必需碳(C)、氫(H)、氧(O)、氮(N)、磷(P)、鉀(K)、鈣(Ca)、鎂(Mg)、硫(S)、硅（Si）、鐵(Fe)、銅(Cu)、猛(Mn)、鉬(Mo)、鋅(Zn)、硼(B)、氯(Cl)十七種營養(yǎng)元素。且不同農作物對其的需求量不同，大多數元素都可從土壤、空氣和有機肥中得到滿足。因作物對氮(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。二十世紀傳統(tǒng)農業(yè)的標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)應用現(xiàn)狀

 

　　目前已知的固氮細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)合固氮菌則因其對共生植物和環(huán)境要求嚴格，難以被廣泛應用。自生固氮細菌有嚴格好氧性，為有機營養(yǎng)型，能直接固定空氣中的氮素，將大氣中的分子態(tài)氮氣轉化為農作物能利用的氨，進而為其提供合成蛋白質所必需的氮素營養(yǎng)。生物固氮是在極其溫和的常溫常壓條件下進行的生物化學反應，不需要化肥生產中的高溫、高壓和催化劑。所以，生物固氮是最便宜、最干凈、效率最高的施肥過程。但是，現(xiàn)從自然界發(fā)現(xiàn)的天然自生固氮菌，因固氮率較低，尚不能完全滿足農作物對氮素營養(yǎng)的需求。因此，從天然固氮菌屬的細菌中選擇性能穩(wěn)定的菌種，像農作物育種一樣利用現(xiàn)代生物技術進行新菌種選育，是創(chuàng)造超高效固氮菌滿足農作物對氮素營養(yǎng)的需求必然途徑。   

 

　　1.3、生物有機肥替代化肥的核心技術

 

　　生物有機肥替代化肥的核心技術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元素，可供連續(xù)大量持久開采的資源有限，應珍惜資源并科學開發(fā)利用，利用高效解磷和解鉀細菌，將礦質的和植物殘體固化的不能被植物吸收的元素轉化為水溶性元素，是相對容易做到的，因為自然界解磷和解鉀菌種類較多，菌種易于被馴化和改良。空氣中氮氣含量約占78%，誰能創(chuàng)造高效固氮菌，直接利用空氣中的氮來替代合成氨，誰就掌握了替代化肥，推動二十一世紀現(xiàn)代農業(yè)可持續(xù)發(fā)展，優(yōu)化農業(yè)生態(tài)環(huán)境的核心技術。

 

　　2、超級固氮菌的創(chuàng)造及替代化肥的生物有機肥的開發(fā)應用

 

　　2.1、天然固氮菌的發(fā)現(xiàn)與超級固氮菌的創(chuàng)造

 

　　2006年，我們在山東省泰安市岱岳區(qū)房村大棚蔬菜種植區(qū)，從蔬菜連土壤中發(fā)現(xiàn)的一株具有較強固氮功能的芽孢桿菌，經鑒定為解淀粉芽孢桿菌。將此菌株在低碳培養(yǎng)基和氮氣飽和下進行長期多代誘導選育，歷經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肥掌握了核心技術。

 

　　2.2、解磷和解鉀菌的創(chuàng)造

 

　　以能夠降解有機磷等農藥的天然解淀粉芽孢桿菌為基礎，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化利用，還能降解土壤中的農藥殘留。

 

　　2.3、替代化肥生物有機肥的開發(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，按照抗生素的生產標準建設發(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肥（專利申請?zhí)枺?0140798221.8）。2011年以來的推廣應用實踐證明，該菌群可根據各種農作物對氮、磷、鉀等養(yǎng)分需求，通過超高效固氮菌從大氣中獲得氮素；從添加的礦質磷和鉀，以及土壤中富含的礦物質中解離出速效的磷和鉀化合物；腐殖酸和活化土壤可為農作物提供大量中微量元素。開發(fā)生產的“豐田寶”生物有機肥不僅滿足農作物全生長季節(jié)的全營養(yǎng)供應，同時該菌群還具有提高作物抗病性、增產、改善產品品質和改良土壤生態(tài)環(huán)境的功效。目前，農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”生物有機肥的施用方法

 

　　在作物種植或移栽時穴施或溝施，對其發(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，最適合移栽時穴施；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)芽前后一次性多點穴施或溝施，靠近根部越近越有利于養(yǎng)分供應。一次性施肥可滿足生長期的氮磷鉀營養(yǎng)需求，不必再沖施或噴施其他肥料。“豐田寶”生物有機肥在各種蔬菜、果樹和多種經濟作物的用量，按照預期收獲產品產量（鮮重）的10%計算，即每畝預期收獲番茄10000公斤，需使用“豐田寶”微生物肥料1000公斤；每畝預期收獲辣椒5000公斤，需使用“豐田寶”微生物肥料500公斤；每畝預期收獲蘋果6000公斤，需使用“豐田寶”微生物肥料600公斤。

 

　　2.5、“豐田寶”生物有機肥的應用效果

 

　　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”生物有機肥6年，種植了12茬，每茬使用1000公斤/畝，番茄產量平均11650公斤，較施用化肥的對比地塊增產15~30%，品質優(yōu)良。同時，土壤有機質提高1倍以上，土質疏松，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”生物有機肥3年，種植了6茬，每茬使用1200公斤/畝，黃瓜產量平均13500公斤，較施用化肥的對比地塊增產18~35%，品質優(yōu)良。同時，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克后，西葫蘆生長旺盛，結瓜多，瓜條直，表面光亮，品質好。山東臨淄旭豐農業(yè)生態(tài)園長期使用有機肥和化肥，效益一直不高，雞糞等有機肥污染環(huán)境嚴重，生態(tài)園名不副實。改用“豐田寶”生物有機肥后，草莓、甜瓜、番茄、黃瓜、葡萄和油桃品質優(yōu)，效益高，環(huán)境美，采摘園生意火紅，產值提高30%以上。山東壽光市紀臺街道辦事處彩椒種植大棚，長期施用化肥，土壤PH值3~4，施用豐田寶生物有機肥后，土壤PH值恢復到6以上，彩椒長勢很好，采收1茬每畝賣2.2萬元，一般一個生長期采收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克豐田寶，植株長勢好，基本無病害，收獲的豇豆最長的85厘米，普通種植的豇豆最長不超過70厘米，農民說從未見過這么長的豇豆。山東濟陽縣仁風鎮(zhèn)西瓜施用豐田寶，西瓜長勢好，產量高，含糖量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88%；藥劑套餐處理的發(fā)病率為2.24%，防治的效果為69.5%；對照的發(fā)病率達7.33%。藥劑套餐處理和對照的西瓜含糖量為9.1%，施用豐田寶的西瓜含糖量較其他提高3.1%，品質好效益高。

 

　　3、微生物肥料的應用前景展望

 

　　3.1、微生物肥料符合國家農業(yè)供給側結構改革的方向

 

　　2016年12月30日，農業(yè)部提出2017年重點落實有機肥替代化肥方案，將首先《開展水果蔬菜茶葉有機肥替代化肥行動方案》的實施，高品質微生物有機肥料，既含腐殖酸類有機質，又含有超高效固氮菌、解磷菌、解鉀菌和拮抗菌，比單用有機肥更符合國家農業(yè)供給側結構改革的方向和改良土壤節(jié)約能源生態(tài)友好的要求。我國是一個農業(yè)大國，也是世界上化肥依賴性最大的消費國。長期大量使用化肥，易產生明顯的環(huán)境和生態(tài)不利現(xiàn)象，直接影響我國的農業(yè)可持續(xù)發(fā)展。在歐美發(fā)達國家農業(yè)生產中，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量在整個肥料行業(yè)中所占的比重約為2%左右，較發(fā)達國家的差距甚遠，國家大力扶持高效優(yōu)質微生物有機肥發(fā)展利國利民。

 

　　3.2、微生物肥料和微生物有機肥替代化肥的作用和條件

 

　　微生物肥料和微生物有機肥替代化肥的主要目標是替代氮肥，磷和鉀都是不可再生的天然礦產資源，只是需要化學合成轉化還是生物轉化的問題。目前共生固氮菌根瘤菌可用于豆科植物，因其對濕度等環(huán)境因素要求較高，在國內外應用面積都不大。以芽孢桿菌等自生固氮菌為主生產的微生物肥料和微生物有機肥，因微生物的種類、功能、活性、環(huán)境適應性、含量、載體的成分和含量，產品的物理性能、用量和施用方法等不同，其固氮能力差異巨大，絕大多數產品尚無完全替代氮肥的能力，僅有個別含有超高效固氮菌的產品，在用量和產量匹配、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”生物有機肥等對原料和生產工藝要求嚴格，制造成本較高，該類產品最適于大棚和拱棚種植的各種蔬菜、草莓和水果等高效益作物，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田，還適合以化肥減量、改良土壤和提高品質為目標的各種農作物。尚不適合在小麥玉米等產品附加值較低的大田作物以及旱作條件下推廣。對以垃圾堆肥和工業(yè)固體廢棄物作載體生產的微生物肥料，應嚴格限制用在大田作物上；禁止用在蔬菜和瓜果上，更不準用在采集飲用地下水的農田，以防不明污染物間接污染新鮮農產品和飲用水。

 

　　3.3、我國微生物肥料和微生物有機肥的發(fā)展現(xiàn)狀

 

　　我國微生物肥料研發(fā)與應用時間較短，因多數企業(yè)缺乏高水平的專業(yè)研發(fā)人才、優(yōu)良的菌種資源、科學的產品配方和系統(tǒng)的應用條件試驗。盡管微生物肥料和微生物有機肥的生產企業(yè)較多，建設的生產規(guī)模很大，產品種類和規(guī)格多，多數產品信譽不高，有的企業(yè)為降低成本隨意添加劣質有機物或礦渣，對土壤的面源污染風險加大。也直接影響了高質量微生物有機肥的推廣。未來國內外和企業(yè)間在此領域的競爭主要是高效或超高效功能菌專利技術的競爭，國家和有關部門應及早重視功能菌種的發(fā)掘、資源保護、開發(fā)和專利保護，扶持企業(yè)和科研單位對現(xiàn)有高效功能菌種加以科學保護和有效利用。

 

　　3.4、應相信微生物有機肥對土壤改良的特殊貢獻

 

　　由于長期施用化肥，土壤質地逐漸變劣，土壤的生物活性和緩沖能力低，提供的營養(yǎng)養(yǎng)分的數量逐漸減少，土壤和秸稈還田本來可滿足作物的中、微量元素也需要補充，要維持農作物持續(xù)高產，長期大量礦產資源的開采不僅破壞生態(tài)環(huán)境，而且終究有資源枯竭的時候。我們在大棚番茄和黃瓜等蔬菜上連續(xù)“豐田寶”生物有機肥，從未使用中微量元素肥料，蔬菜連年優(yōu)質高產，土壤逐步被改良，病害發(fā)生減輕，農藥用量減少50%以上，非常符合國家農藥化肥零增長的發(fā)展目標。

 

　　3.5、利用植物秸稈作為微生物肥料的碳源和載體

 

　　我國植物秸稈資源豐富，直接利用率仍較低，應大力開發(fā)利用，使其在微生物作用下逐步礦質化和腐殖化，形成有機肥料或生物肥料的載體。因植物秸稈結構復雜，微生物降解轉化緩慢，國家應結合新農村建設和有機肥替代化肥支持計劃，扶持村級或合作社建設秸稈高效腐解站，將影響環(huán)境和農田耕作的秸稈和有機廢棄物集中無害化處理，使其成為有機肥資源循環(huán)利用，不僅能促進農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，還可降低因秸稈還田和腐熟不透所帶來的病原菌傳播蔓延的風險。因此，發(fā)展高效生物有機肥，充分利用自然資源，優(yōu)化農村生態(tài)環(huán)境，推動農業(yè)可持續(xù)發(fā)展前途光明，但任重道遠。

 

　　（作者系二級教授，博士生導師，山東農業(yè)大學農藥環(huán)境毒理研究中心主任來源：昆侖策網【原創(chuàng)】）

 

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