王开运：超高效固氮菌和生物有机肥的创新与应用前景

点击：  作者：王开运    来源：昆仑策网【原创】  发布时间:2018-01-27 12:17:01

 

 

　　【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。本文介绍了超级固氮菌、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。

 

　　引 言

 

　　二十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，土壤酸化和盐渍化日益突出，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是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，是二十一世纪农业的一场新科技革命，它将推动动土壤改良、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微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，将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(O)、氮(N)、磷(P)、钾(K)、钙(Ca)、镁(Mg)、硫(S)、硅（Si）、铁(Fe)、铜(Cu)、猛(Mn)、钼(Mo)、锌(Zn)、硼(B)、氯(Cl)十七种营养元素。且不同农作物对其的需求量不同，大多数元素都可从土壤、空气和有机肥中得到满足。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。二十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的需求必然途径。   

 

　　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，推动二十一世纪现代农业可持续发展，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）。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10000公斤，需使用“丰田宝”微生物肥料1000公斤；每亩预期收获辣椒5000公斤，需使用“丰田宝”微生物肥料500公斤；每亩预期收获苹果6000公斤，需使用“丰田宝”微生物肥料600公斤。

 

　　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1000公斤/亩，番茄产量平均11650公斤，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1200公斤/亩，黄瓜产量平均13500公斤，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克后，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克丰田宝，植株长势好，基本无病害，收获的豇豆最长的85厘米，普通种植的豇豆最长不超过70厘米，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，含糖量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含糖量为9.1%，施用丰田宝的西瓜含糖量较其他提高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《开展水果蔬菜茶叶有机肥替代化肥行动方案》的实施，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，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，土壤和秸秆还田本来可满足作物的中、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，而且终究有资源枯竭的时候。我们在大棚番茄和黄瓜等蔬菜上连续“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。

 

　　3.5、利用植物秸秆作为微生物肥料的碳源和载体

 

　　我国植物秸秆资源丰富，直接利用率仍较低，应大力开发利用，使其在微生物作用下逐步矿质化和腐殖化，形成有机肥料或生物肥料的载体。因植物秸秆结构复杂，微生物降解转化缓慢，国家应结合新农村建设和有机肥替代化肥支持计划，扶持村级或合作社建设秸秆高效腐解站，将影响环境和农田耕作的秸秆和有机废弃物集中无害化处理，使其成为有机肥资源循环利用，不仅能促进农业的可持续发展，还可降低因秸秆还田和腐熟不透所带来的病原菌传播蔓延的风险。因此，发展高效生物有机肥，充分利用自然资源，优化农村生态环境，推动农业可持续发展前途光明，但任重道远。

 

　　（作者系二级教授，博士生导师，山东农业大学农药环境毒理研究中心主任来源：昆仑策网【原创】）

 

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