土壤解磷菌在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中應(yīng)用現(xiàn)狀的研究

榮國強(qiáng)，秦欣科，姚全軍，張自清，胡應(yīng)邦，吳長昊

（宿州學(xué)院生物與食品工程學(xué)院，江蘇宿州 234000）

0 引言

土壤磷素循環(huán)以微生物活動為中心，微生物的活動對土壤磷的轉(zhuǎn)化和有效性影響很大。國內(nèi)外大量的研究證明土壤中存在許多微生物，能夠?qū)⒅参镫y以吸收利用的磷轉(zhuǎn)化為可吸收利用的形態(tài)，具有這種能力的微生物叫解磷菌或溶磷菌（Phosphatesolubilizing microorganisms）。人們在20 世紀(jì)初開始注意到微生物與土壤磷之間的關(guān)系。Sackett（1908）發(fā)現(xiàn)一些難溶性的復(fù)合物施入土壤中，可以被作為磷源而應(yīng)用，并從土壤中篩選出50 株細(xì)菌，其中36 株在平板上形成了肉眼可見的溶磷圈。1948 年Gerretsen 發(fā)現(xiàn)植物施入不溶性的磷肥，經(jīng)接種土壤微生物后，促進(jìn)了植株的生長，增加磷的吸收。分離出的這些微生物可幫助磷礦粉溶解。自此，許多科學(xué)家致力于解磷菌的研究，相繼報(bào)道了許多微生物具有解磷作用。

作為發(fā)展經(jīng)濟(jì)學(xué)概念的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)是指智慧農(nóng)業(yè)，是與工業(yè)4.0 或后工業(yè)時(shí)代對稱的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)不同于農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化，也不同于農(nóng)業(yè)工業(yè)化，而是智慧農(nóng)業(yè)，是智慧經(jīng)濟(jì)為主導(dǎo)、大健康產(chǎn)業(yè)為核心的自動化、個(gè)性化、藝術(shù)化、生態(tài)化、規(guī)模化、精準(zhǔn)化農(nóng)業(yè)。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)是健康農(nóng)業(yè)、有機(jī)農(nóng)業(yè)、綠色農(nóng)業(yè)、循環(huán)農(nóng)業(yè)、再生農(nóng)業(yè)、觀光農(nóng)業(yè)的統(tǒng)一，是田園綜合體和新型城鎮(zhèn)化的統(tǒng)一，是農(nóng)業(yè)、農(nóng)村、農(nóng)民現(xiàn)代化的統(tǒng)一?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系的基礎(chǔ)。發(fā)展中國家發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可以加快產(chǎn)業(yè)升級、解決就業(yè)問題、消滅貧困、緩解兩極分化、促進(jìn)社會公平、消除城鄉(xiāng)差距、開發(fā)國內(nèi)市場、形成可持續(xù)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，是發(fā)展中國家農(nóng)業(yè)發(fā)展的必由之路，是發(fā)展中國家實(shí)現(xiàn)趕超戰(zhàn)略的主要著力點(diǎn)。我國發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)是解決“三農(nóng)”問題的根本途徑，是經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、實(shí)現(xiàn)趕超戰(zhàn)略的根本途徑。

1 解磷菌在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的可行性研究

1.1 研究解磷菌的必要性

磷是農(nóng)作物生長所必需的大量元素之一，土壤中存在大量的有機(jī)磷和無機(jī)磷，但這些磷元素不能被植物直接吸收利用?；瘜W(xué)磷肥很難被植物全部吸收，其中的絕大部分變成了無效磷累積在土壤中[1]。磷肥的大量施用使得農(nóng)作物吸收的磷素超標(biāo)，從而導(dǎo)致作物呼吸作用過于頻繁，消耗的干物質(zhì)比積累的多很多，引起作物早熟；過量施用磷肥，會誘發(fā)土壤缺磷，因?yàn)槭┯昧姿徕}后，過量的磷會與鋅作用，產(chǎn)生磷酸鋅，使得作物無法有效吸收鋅，出現(xiàn)缺鋅癥狀；過量施用磷肥，還會使作物的磷失硅和得磷缺鉬，從而引發(fā)因缺硅而產(chǎn)生的莖稈纖細(xì)，倒伏及抗病能力差等缺硅癥狀和相對應(yīng)的“缺鉬癥”。此外，化學(xué)肥料的過量使用，會造成土壤在有害元素的積累，其中就包括鎘、鉛、氟，這些有害元素易被作物吸收，給人畜造成危害。為了進(jìn)一步推進(jìn)綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展，減少化學(xué)肥料的利用，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，微生物在農(nóng)業(yè)中的重要作用被凸顯出來，土壤中的解磷菌需要篩選能夠高效降解土壤中有機(jī)磷、螯合態(tài)磷的高效菌株，再培養(yǎng)應(yīng)用，轉(zhuǎn)化成能被植物吸收利用的有效磷，從而促進(jìn)作物的生長發(fā)育，進(jìn)一步提高作物產(chǎn)量。因此，對解磷微生物的研究成為了迫在眉睫的事。

1.2 解磷菌的作用機(jī)理研究

研究者通過平板初篩和鉬銻抗比色的方法從土壤中分離出具有高效解磷作用的微生物。首先利用加有無機(jī)磷和有機(jī)磷的培養(yǎng)基篩選含有解磷圈的微生物，再通過搖床培養(yǎng)后利用鉬銻抗比色法進(jìn)行有效磷含量的測定來篩選高效的解磷微生物[2]。Sundara Rao 和Sinha 從小麥根際分離出巨大芽孢子桿菌；Elliott 研究指出春小麥根際解磷微生物主要有假單胞桿菌和鏈霉菌。

對于解磷機(jī)理的研究，目前有3 種不同觀點(diǎn)：一是解磷菌在生長代謝過程中產(chǎn)生大量有機(jī)酸，改變環(huán)境中的pH 值，從而改變土壤酸度，加速難溶性磷的降解；二是解磷菌和銨根陽離子在呼吸作用的影響下改變土壤pH 值；三是前2 種反應(yīng)的動態(tài)分段過程。相對于無機(jī)解磷菌的解磷機(jī)理，研究認(rèn)為是在一系列代謝過程中產(chǎn)生多種酶，使得磷酸鹽礦化成可溶性磷[3]。

2 解磷菌在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 解磷菌的概述

溶解磷的微生物是土壤中一種特別的微生物群體，可以將不溶性磷轉(zhuǎn)化為植物可以吸收和利用的可溶性磷。同時(shí)，可以提高植物對磷的利用率，改善植物生長條件，改良鹽堿地，使作物增產(chǎn)，改善土壤結(jié)構(gòu)[4]，更好地發(fā)揮土壤生態(tài)肥力，在保持農(nóng)業(yè)生態(tài)方面具有巨大的作用。報(bào)告指出，土壤中分解磷的微生物數(shù)量受多種條件的制約，如土壤的物理結(jié)構(gòu)、耕作方法和土壤中的原始磷含量。不同土壤中解磷微生物也有著很大程度不同。農(nóng)業(yè)土壤和草地中存在大量的磷分解微生物，其數(shù)量大大超過周圍土壤[5]中溶磷微生物的數(shù)量。根據(jù)植物的不同類型，根際中可溶解不同磷酸鹽的微生物也不同。

解磷微生物的種類繁多，包括了細(xì)菌、放線菌、真菌及藻類[6]。按照對解磷狀態(tài)的差異，解磷菌包括有機(jī)解磷菌和解無機(jī)磷微生物。在土壤微生物總量中，解磷放線菌數(shù)量占15%~45%，解磷細(xì)菌數(shù)量占1%~60%[7]，解磷真菌數(shù)量僅占0.1%~0.5%。目前，報(bào)道的解磷細(xì)菌較多，有沙門氏菌屬、產(chǎn)堿菌屬、假單胞菌屬、芽孢桿菌屬[8]等，解磷真菌有青霉屬、AM 菌根、曲霉屬、根霉屬等，解磷真菌的種類和數(shù)量較少。解磷放線菌歐鏈霉菌、小單孢菌，除細(xì)菌、真菌、放線菌外，有些藍(lán)細(xì)菌也具有解磷功能，如繁育擬惠氏藍(lán)細(xì)菌和魚腥藻等。解磷細(xì)菌在土壤中數(shù)量最多，但較解磷能力而言，真菌更加高效，并且解磷真菌有著更加穩(wěn)定的遺傳特性。

2.2 解磷菌在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

磷是植物生長所必要的無機(jī)元素，能夠組成作物體內(nèi)許許多多的物質(zhì)，參與植物的許多生長和代謝過程，包括光合作用、呼吸作用、細(xì)胞分裂等生理過程。磷能激活生長早期根際的生長，而且還能使得農(nóng)作物更加適應(yīng)外界環(huán)境的變化[9]。在作物生長過程中，磷是作物生長中極其重要的元素。足夠多的磷可以增強(qiáng)作物抗逆性，促進(jìn)作物成熟[10]，能夠大大地提高經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)量，并且提高產(chǎn)品的質(zhì)量。

2.2.1 制作解磷微生物肥料

微生物肥料由高效解磷菌發(fā)酵制成，產(chǎn)生可溶性磷，供植物根際吸收利用，促進(jìn)生長。還可以改良土壤環(huán)境，幫助植物吸附鈣、銅等微量元素[11]。另外，解磷菌的繁殖可以抑制病原微生物的生長，從而提高作物的抗病能力。

2.2.2 控制農(nóng)業(yè)面源污染

因傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)過程中會大量使用含有氮、磷、鉀等元素的化學(xué)肥料，通過地表徑流、農(nóng)業(yè)面源污染產(chǎn)生，所以為了生態(tài)環(huán)境，科學(xué)指導(dǎo)施肥是防止污染的有效措施。但是，要想從根本上解決問題，就必須從污染的源頭開始管理。在現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展大背景下，利用解磷微生物制成的生物肥料可將土壤中能以利用的大量難溶性磷轉(zhuǎn)化為能夠被作物吸收的磷元素[12]，提高了磷的利用率。

2.2.3 改善土壤酸化

土壤酸化的主要原因就是土壤缺磷[13]。隨著根際不斷吸收土壤中的可溶性磷元素，使得植物根際間的有機(jī)酸增多。還有研究表明，在低磷環(huán)境下，主要提高有機(jī)酸來轉(zhuǎn)化土壤中難溶性磷，使得土壤中陰、陽離子比例失調(diào)。

2.3 解磷菌在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的前景

磷資源的不均勻分布和土壤中現(xiàn)有的磷形態(tài)降低了植物對磷的利用。因此，在當(dāng)前的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，人們經(jīng)常使用磷酸鹽肥料來確保總計(jì)7 808 萬t 農(nóng)作物對磷的需求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從1949 年到1992 年，磷肥被施用于農(nóng)田中[14]，其中約有6 000 萬t 在土壤中積累而無法使用。由于磷肥進(jìn)入土壤后的各種功能，磷以無效狀態(tài)儲存在土壤中。隨著時(shí)間的流逝，諸如土壤壓實(shí)、土壤水分保持、嚴(yán)重的草地退化、荒漠化、長期依賴化肥等不利因素威脅安全。因此，合理有效地使用化肥，減少化學(xué)肥料的過量濫用，開發(fā)綠色微生物肥料，發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的關(guān)鍵問題。

與氮元素相比，磷（P） 對作物生長的影響也是至關(guān)重要的。在植物體內(nèi)蛋白質(zhì)代謝、糖代謝和脂質(zhì)代謝中，磷是必需的養(yǎng)分，并且是生長發(fā)育的重要因素。解磷微生物能將土壤中難溶性磷轉(zhuǎn)化容易被植物吸收利用的可溶性磷。還有的微生物能將不溶性磷轉(zhuǎn)化為易于吸收的形式是PGPR 的重要特征[15]，可以增加作物的產(chǎn)量。溶解磷酸鹽的細(xì)菌作為接種物可提高植物利用磷素的能力。細(xì)菌能夠提高作物根際有效磷的濃度，這可能會成為進(jìn)一步研究根際促生菌的方向，磷酸鹽裂解細(xì)菌的研究和開發(fā)將有助于填補(bǔ)農(nóng)業(yè)方面對磷的需要。這也導(dǎo)致近年來，從各種土壤中分離和篩選具有高效解磷作物的微生物來代替化學(xué)肥料的過量使用，成為了優(yōu)化土壤中磷素利用率的研究熱門。解磷微生物被認(rèn)為是有前途的綠色肥料。

現(xiàn)代綠色新農(nóng)業(yè)是世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的主題。新型農(nóng)業(yè)的主要特征是綠色、高效、環(huán)保和安全的有機(jī)農(nóng)業(yè)[16]。因此，主要以微生物肥料、微生物農(nóng)藥、微生物飼料等為基礎(chǔ)的微生物農(nóng)業(yè)[17]將成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要方向之一。溶解磷酸鹽的細(xì)菌作為微生物肥料的主要成分，將在改善土壤環(huán)境、調(diào)節(jié)土壤pH 值，改善作物產(chǎn)量和環(huán)境保護(hù)等方面發(fā)揮至關(guān)重要的作用。到目前為止，還沒有很多類型的具有高磷酸鹽分解效率的微生物，而且這些菌株在土壤中的生存能力還有待考量，表現(xiàn)為生存競爭力低、解磷能力不足等問題。所以在未來的研究中，研究者在尋找解磷能力突出的菌株的同時(shí)，還應(yīng)該采用分子生物學(xué)的手段，探尋微生物間的相互作用和功能基因，采用遺傳學(xué)的方法轉(zhuǎn)移這些高效基因，從而改良微生物菌種，并且結(jié)合當(dāng)?shù)赝寥篮蜌夂颦h(huán)境，培育出高效的解磷菌株，相信在未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展中，微生物肥料必有著廣泛的應(yīng)用前景，使現(xiàn)代綠色農(nóng)業(yè)能夠朝著可持續(xù)發(fā)展方向前進(jìn)。

3 解磷菌在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

3.1 國內(nèi)微生物解磷效果的研究現(xiàn)狀

上個(gè)世紀(jì)中葉以來，解磷微生物研究在我國也取得了一定的進(jìn)展。研究發(fā)現(xiàn)，從土壤中分離出高效解磷真菌，使得作物根際有效磷含量增加141.94%[18]。研究者將磷礦粉作為唯一磷源來培養(yǎng)解磷菌[19]，研究發(fā)現(xiàn)具有高效解磷能力的菌株為歐文氏菌屬和假單胞桿菌屬，并且真菌解磷能力強(qiáng)于細(xì)菌。研究者從鹽堿地中分離出4 種耐鹽解無機(jī)磷真菌[20]，在不同氯化鈉溶液中有不同的解磷能力。

郜春花等人[21]研究指出，將B2 和B67 解磷菌接種到玉米中，玉米產(chǎn)量相對提高14.2%~89.2%，玉米的單株吸氧量增加20%~146%；同樣把這種解磷菌接種到山西省較為典型的土壤中，發(fā)現(xiàn)有效磷增多了1.35~3.04 倍，同時(shí)鉀的含量也有所提高。

報(bào)告指出在煙草種植中施加生物磷肥[22]，與對照組相比煙葉產(chǎn)量提高了12.65%。并且施加生物磷肥能夠提高煙葉的抗病性，從而產(chǎn)生更多的經(jīng)濟(jì)效益。

學(xué)者發(fā)現(xiàn)一種解磷菌珠對小麥根腐病菌（Fusarium culmorum）、小麥赤霉病菌（Fusarium graminearum）、棉花枯萎病菌（Fusarium oxysporum） 和棉花立枯病菌（Rhizoctonia solani） 均具有抑菌活性，其抑菌直徑分別為20.1，16.7，16.9，18.3 mm。

3.2 國外微生物解磷效果的研究現(xiàn)狀

學(xué)者發(fā)現(xiàn)從豆科植物根際分離出的幾株芽孢桿菌屬對Ca3（PO4）的溶解效率達(dá)到19%[23]，其中解磷能力最強(qiáng)的是巨大芽孢桿菌（B.Megaterium），最弱的是短芽孢桿菌（B.Brevis）[24]。研究者指出真菌的解磷能力一般是細(xì)菌的10 倍左右[19]，多數(shù)細(xì)菌在進(jìn)一步的純化中解磷能力弱化，真菌的解磷能力較為穩(wěn)定。研究人員利用Ca3（PO4）作為磷源，經(jīng)過2 周的搖瓶培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)了幾株埃希氏菌屬分解的可溶性磷達(dá)59.70~170.30 μg/mL，芽孢桿菌屬為 70.52~156.80 μg/mL。Gerezine 的研究表明，在液體培養(yǎng)基，隨著黑曲霉菌絲體的生長，其對不溶性磷的溶解能力也隨之加強(qiáng)。研究發(fā)現(xiàn)在接種了解磷菌黏質(zhì)沙雷氏菌EB 67（Serratia marcescens EB 67） 的玉米干質(zhì)量相比提高了50%[25]。

4 結(jié)語

通過對解磷菌在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的可行性研究、解磷菌在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用優(yōu)勢、解磷菌國內(nèi)外研究現(xiàn)狀3 個(gè)方面進(jìn)行闡述，得出磷是現(xiàn)代綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展的“瓶頸”元素之一，然而完全利用化學(xué)肥料來填補(bǔ)農(nóng)作物生長對磷的需求又存在著明顯的弊端。磷是植物生長所必要的無機(jī)元素，能夠組成作物體內(nèi)許許多多的物質(zhì)，參與植物的許多生長和代謝過程，包括光合作用、呼吸作用、細(xì)胞分裂等生理過程。磷能激活生長早期根際的生長，而且還能使農(nóng)作物更加適應(yīng)外界環(huán)境的變化。在作物生長過程中，磷是作物生長中極其重要的元素，足夠多的磷可以增強(qiáng)作物抗逆性，促進(jìn)作物成熟，能夠大大提高經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)量，并且提高產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，解磷微生物的發(fā)現(xiàn)和在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用變得至關(guān)重要。

我國解磷菌的研究始于20 世紀(jì)中葉，經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的研究，研究者發(fā)現(xiàn)不僅要熟悉解磷微生物的篩選、鑒別、分類等工作，還要結(jié)合分子生物學(xué)的手段對解磷機(jī)理進(jìn)行研究，從而尋找與其他微生物之間的相互關(guān)系，從而生產(chǎn)更加高效的微生物肥料，在促進(jìn)現(xiàn)代綠色農(nóng)業(yè)高速發(fā)展的同時(shí)改善生態(tài)環(huán)境，綠水青山就是金山銀山，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展不能以犧牲環(huán)境為代價(jià)?？傊?，隨著研究的不斷深入，微生物綠色肥料將會在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中扮演著不可或缺的角色。