肥料学第一章绪论

1第一章绪论第一节微生物肥料的发展史一、国内外微生物肥料的发展趋势1、微生物肥料的发展现状国外对微生物肥料的研究和应用的历史较我国长，其主要的品种是各种根瘤菌肥，早在20世纪20年代就在美国、澳大利亚等国开始有根瘤菌接种剂(根瘤菌肥料)的研究和试用，一直到现在，根瘤菌肥依然是最主要的品种，但也发展了许多新的品种。我国自50年代从国外引进自生固氮菌、磷细菌和硅酸盐细菌制剂以来，先后推广使用“5406”抗生菌肥料、固氮绿藻肥料、VA菌根以及作为拌种剂的联合固氮菌和生物钾肥；上世纪80年代以来推广应用由固氮菌、磷细菌、钾细菌和有机物复合制成的生物肥料做基肥施用。微生物肥料演化过程中所用菌种、名称和功能的演变如表1所示。表1微生物肥料的演变名称接种剂细菌肥料菌肥微生物肥料微生物肥料或生物肥料内容根瘤菌自生固氮菌、磷细菌、钾细菌细菌肥料、5406抗生菌肥、固氮蓝藻肥菌肥与细菌发酵剂、内外生菌根菌肥微生物肥料与微生态制剂联合固氮菌和生物钾肥、生物有机复混肥、活菌增长因子菌种演变根瘤菌单一细菌种扩大至放线菌及蓝藻整个微生物领域扩大至复混菌种和代谢产物功能演变仅固氮增加解磷解钾功能增加抗菌性能等复合功能复合功能时间始于40年代50年代60年代70-80年代80年代中后期微生物肥料发展总的趋势是所用菌种范围不断扩大，应用中强调多菌种和多功能的复合，甚至是菌剂与有机和无机物料的混合。随着科学研究的深入，新的微生物功能被不断发掘，微生物肥料科学逐渐与土壤微生物学、土壤化学、微生态学、植物病理学、基因工程和农业生物工程等学科融合渗透，并派生出许多新的研究方向，如：研究寡糖在植物生长中的调节功能，通过有效手段调动植物自身的防御系统来对付病原菌的侵害；利用微生物代谢产物如活菌增长因子来促进作物生长；对固氮结瘤因子即lipochitinoligosaccharides的研究与利用；以及基于近代微生态学理论发展起来的植物根际促生细菌(PCPR)在促进作物生长和改善作物品质中的作用研究等。现今市场上常见的复合(混)生物肥料有：肥力高、酵素菌肥、EM制剂、阿姆斯生物肥料、田力宝、农大哥、九隆升、常春藤、桂乐牌复合生物肥等。这些生物肥料与传统的微生物接种剂有明显差异，似乎可视为广义的微生物肥料，其制品虽然也可以通过其所含微生物的生命活动使作物增产(某些制品中还包括数量不等的有机和无机成分)，但已不仅仅限于提高植物营养元素的供应水平，还包括改善作物品质、对植物生长的刺激作用、促进营养元素吸收利用、抑制植物根际病原微生物生长而使作物产量得以增加。广义微生物肥料的概念恰好反映了当前公认的微生物肥料所具有的3个主要功效。即增加土壤肥力，产生植物激素类物质刺激作物生长和对有害微生物的防治作用。2微生物肥料主要用于拌种、作物沾根、叶面喷施、秸杆腐解和堆肥发酵等，它作为一项新的农业措施，在改善作物品质、保护农业生态环境以及发展高产、优质、高效农业中的作用业已引起国内外学者的普遍重视。现代发酵工程技术的飞速发展和不断完善也为生物肥料的大规模工业化生产和应用提供了前提和保障。我国微生物肥料产业发展十分迅速，其种类之多、数量之大和应用范围之广在世界其它国家中是少有的，可以说微生物肥料对促进我国农业生产，发展绿色产业和实施可持续发展起到了重要推动作用。但目前我国微生物肥料生产中还存在着产品活菌数低、品种少、效果不稳定、成本和价格较高等问题，还有待于深入研究解决。此外，微生物肥料产业中存在的鱼龙混杂、参差不齐和知识产权时常受到侵害现象十分普遍，这在一定程度上影响了微生物肥料产业化进程、削弱了种植户使用微生物肥料的积极性。二、微生物肥料产业发展现状1、应用地区和豆科作物品种不断扩大。目前尚无准确资料说明世界上究竟有多少国家有微生物肥料的生产。但据G.Hordorson的资料和所能够查到的文献，包括主要发达国家美国、英国、法国、日本、意大利、加拿大等在内，至少有70个国家生产根瘤菌肥，生产的根瘤菌肥料种类很多，如用于大豆、花生、绿豆、菜豆、各种干豆、苜蓿、三叶草、山羊豆、银合欢、金合欢、木豆、鹰嘴豆等，还有一些其它豆科牧草根瘤菌肥，除了草本豆科植物的根瘤菌肥以外，联合国粮农组织(FAO)在马拉维、赞比亚等国帮助推广豆科树木的根瘤菌肥料和非豆科树木(如木麻黄)的弗氏固氮放线菌接种剂，接种效果稳定，在一些发展中国家如布隆迪、卢旺达等开始引种大豆的国家，推广使用大豆根瘤菌肥，增产效果十分显著。2、生产条件的改善和生产工艺的改进。发达国家的接种剂生产条件十分严格，除了严格的发酵条件外，载体灭菌几乎都是采用γ-射线，使产品质量得到重要保证。FAO从1982年开始向发展中国家推广的一种叫做UPIL系统的小型(15～45升)生产设备，包括了可在高压灭菌器中消毒的不锈钢发酵罐中通消毒空气的系统，培养基取样、接种和检测系统。FAO已在至少14个国家建立了这种接种剂生产机构。许多国家根据本国特点筛选了合适的载体、培养基配方及其它工艺流程，为生产质量良好的产品奠定了基础。3、产品标准、产品登记和质量监督。微生物肥料是一种易失效的特殊商品，产品质量好坏是应用效果好坏的关键之一。近20年来，许多国家由不认识到认识，由无管理的混乱状态到严格的管理，如澳大利亚经历10年左右的混乱局面，对其国内生产的根瘤菌接种剂进行行业管理，并依此建立了相应的质量标准。加拿大有肥料法，规定任何肥料的生产都必须在国家登记，微生物肥料也有国家标准。法国农业部也有严格的产品登记制度，未经登记许可的不准生产，产品则由农业部指定的研究中心进行质量检验和监督，不合格产品不得进入市场。差不多的国家都有类似的经历，凡是注意建立相应的产品标准、产品检验登记和产品质量监督的，微生物肥料的生产和应用就比较顺利，反之就起伏不定，甚至使农民丧失对微生物肥料的信任。值得一提的是，此类问题亦引起联合国粮农组织的兴趣和关注，1991年在意大利罗马举办了有关根瘤菌接种剂质量标准和质量监督培训班，请一些已取得经验国家的专家讲课，大力推行建立微生物肥料的产品标准和质量监督检验，现已有很多国家建立了自己的行业或国家标准，有相应的机构检查产品质量。与产品监督密切关联的是产品检测技术近10多年有了较大的发展，19843年FAO编印的《共生固氮技术手册》上对于根瘤菌肥的质量检查技术均是常规的微生物学技术。但由于抗菌素标记、血清学方法(荧光抗体、酶联免疫检测)的介入，使得检查接种剂的产品质量和接种效果的可靠性向前发展了一大步。近年Olsen等又在ELISA方法的基础上发展了免疫印痕技术，使得检测结果更为准确、可靠，该技术甚至可以区分出产品中的活菌和死菌。分子生物学技术的扩散也为微生物肥料的质检技术提供了借鉴的可能。近几年发展的限制性片段长度多态性(RFLP，RestrictionFragmentLengthPolymorphism)分析已经可以把根瘤菌肥料中同一血清组的菌株严格区分出来，过去的一般血清学技术无法区分同一抗原结构的不同菌株，甚至有时有相近抗原结构的菌株在检测中会出现假阳性反应，干扰检测结果。制备单克隆抗体费时，成本又高，实践中难以做到。新近发展的PCR技术更使简便、快速检出制品中的有效微生物种群甚至数量成为可能。最近一些年，分子生态学由于标记技术的进一步发展而了更快的进步，lux基因、Gus基因和绿色荧光蛋白的标记使得产品中目的微生物数量的精确检测有了可能，而且为产品中微生物进入土壤后的踪迹准确的考察成为可能。当然，这些新发展的技术还要同传统检测技术进行验证、核实、对照，但可以预料，有关产品的质量监督检测会有较快的发展和应用。4、与微生物肥料有关的基础和应用基础研究的深入和发展。微生物肥料的作用受很多条件限制，对这些制约条件如果不太清楚或根本不了解，好的应用效果就无从谈起。例如微生物和宿主之间的关系，品种专性和广谱性的机制，制品中微生物进入土壤后的制约因素，象微生物的营养来源、拮抗微生物的存活、土壤水分、土壤类型、土壤养分、同类微生物的竞争等，这对根瘤菌肥料尤为重要。有关这些方面的研究，在一些发达国家近20年从来停止过。如美国的Keyser、Weber、Cregan以及Divine和Sadowsky等做了一系列的不懈研究，他们针对美国大豆生产产区土壤里野生大豆根瘤菌群体结瘤竞争能力强，进行了美国大豆生产区野生大豆根瘤菌群体的自然分布调查，固氮力的评价，其中氢酶(Hup)表型和血清组的分布是十分重要的进展，对于竞争能力强而固氮又相对较差的土著USDA123血清群的特性做了深入的研究，并从一千多个品种和引种系中筛选出一部分抑制此血清群结瘤的种质，并用基因探针技术对同血清群被宿主抑制结瘤的可能做了预测，准确率达到80％以上，这些进展为改进和提高根瘤菌接种效果奠定了可靠的基础。还有许多生态学研究，如菌株运动性与接种效果的关系、接种位置与接种效果的关系等也有很好的进展，不再赘述。5、微生物肥料剂型、粘着剂的发展。这也是近10多年来研究和应用的一个重要方面。多年来使用的剂型主要是草炭载体的粉剂，为了适应不同的条件，还有液体剂型、冻干剂型、矿油封面剂型、颗粒剂型等，对一些种皮较厚的豆科植物种子还使用了预接种方式，用真空负压技术使菌液被吸入种皮内，播种时可免于再接种，这种接种方式在一些国家用了多年，美国的一些州还建立了种子预接种的质量标准。为了使微生物肥料接种时不致散落，粘着剂的使用是一个重要的方面，加拿大的自粘式菌剂就是一个例证。除了用羧甲基纤维素(以前多用阿拉伯胶)外，近年美国科学家还试验了羟乙基纤维素、硅酸镁、丙烯-丙烯酰胺、接枝淀粉等，以筛选更好的增强接种剂与种子之间的粘着力而又对微生物无有害影响的粘着剂。此外，在菌剂中加入一些既能提高接种效果又不抑制微生物存活的营养物质是近年探索研究的一个方面。4三、微生物肥料发展的举措1、菌株的筛选和联合菌群的应用。这是许多科学家正在致力的工作，所针对的目的是专性菌株、广谱菌株，还有适应于某一特定条件的菌株。也有一些分子生物学方面的工作，但是，由于细菌的基因组十分复杂，目前以探索为主。与PGPR菌株的联合应用可能是一个发展的趋势。联合菌群的应用是一个比较复杂的问题，不能简单地认为，微生物的复合(或联合)就是好多菌混合发酵，或是简单的发酵后混合、组合，而应该是在深入了解有关微生物特性的基础上，采用新的技术手段，根据用途把几种所用菌种进行恰当、巧妙组合，使其某种或几种性能从原有水平再提高一步，使复合或联合菌群发挥互惠、协同、共生、加强、同住作用，排除相互拮抗的发生，此一领域目前是一个研究和发展的趋势。2、生物技术的渗透和结合，新菌种的选育、改造和重组；单一功能向多功能发展(如肥药合一)，与营养元素或有机物的合理复合等。生物技术的发展给菌株的重组、改造提供了基础和可能。也使单一功能向多功能发展有了条件，但这部分工作目前也是处于研究和探索阶段，离实用还有较大距离。3、科普知识的宣传和应用培训。无论是FAO还是许多生产微生物肥料的国家均把宣传、普及有关科学知识作为一件重要的工作。出版了科普书藉、发行幻灯片、电影等，同时对应用地区的农业技术人员和农民进行培训。使用者了解有关的知识和道理，才能正确应用。FAO从1982年起在法国的Montpellier举办2年1届的法语地区生产微生物肥料的发展中国家的技术培训，内容为试验设计、固氮测定及接种剂生产等。在英语地区则在印度的国际半干旱研究所、夏威夷的NifTAL、叙利亚的ICARDA及维也纳的FAO/IAEA分部举行。许多国家还自己举办培训班。四、我国微生物肥料研究和开发现状我国微生物肥料的研究和生产始于建国初期，至今已有50年的历史，其间经历了几次大的起伏，目前，是第4次发展时期，与前3次相比有几个不同的特点。1、初步形成了微生物肥料产业，有一定的规模的水平。据不完全统计，国内目前约有250～300个企业(不包括那些打着“微生物肥料”或什么擦边的“生化”、“生物”肥料企业或一些属伪科学的“微生物肥料”生产企业)，年产量超过100万吨，但这个数字是不稳定的，每年都有一些新上的企业，也有一些因各