由于化肥和農(nóng)藥的不合理使用，造成了土壤質(zhì)量下降甚至土壤退化。因此，減少土壤化肥用量，使用環(huán)境友好型產(chǎn)品成為農(nóng)業(yè)發(fā)展之重。微生物肥料能修復受損的土壤環(huán)境，促進植物吸收土壤中的營養(yǎng)元素，促進植物生長，誘導植物抗性，目前在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上已被廣泛使用。

文章總結(jié)了微生物肥料對土壤環(huán)境的改良作用，并提出目前微生物肥料發(fā)展中存在的問題，旨在為微生物肥料進一步研究提供理論依據(jù)。

農(nóng)業(yè)在中國國民經(jīng)濟中占據(jù)重要地位，并且隨著人口的增長，提高作物產(chǎn)量成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的重心。雖然耕地在減少，但以施用化肥為主的集約化農(nóng)業(yè)仍然確保了作物的高產(chǎn)量。這是因為化肥能快速增加土壤中的N、P、K等營養(yǎng)元素，促進了植物的生長 ，有效增加了糧食產(chǎn)量。在1961年到2001年的40 年間，世界化肥用量從0.31億t 增長到1.38億t，糧食產(chǎn)量提高了將近13億t。但是，化肥的持續(xù)過量施用導致了土壤腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)改變，與之相關(guān)的土壤團聚體破壞，土壤肥力下降，土壤板結(jié)和微生物群落變化，進而導致作物品質(zhì)和產(chǎn)量下降。并且未被利用的化肥在土壤中會發(fā)生一系列的物理、化學和生物轉(zhuǎn)化，N、P等元素流失，隨地表水進入湖泊流域或地下，將造成土壤污染、地下水污染和水體硝酸鹽、重金屬污染等。因此，農(nóng)業(yè)的綠色性和可持續(xù)性成為我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的首要目標，以微生物肥料部分代替化學肥料正在逐步受到人們的重視。 

微生物肥料是指一類含有活微生物的生物制品，當其用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)時能產(chǎn)生特定的肥料效應，微生物在獲得這種特定效應的生產(chǎn)過程中起關(guān)鍵作用。VESSEY認為微生物肥料中的活微生物用于種子、植物表面或土壤時，能定植于植物根際或植物內(nèi)部，通過增加供應和可用性提供寄主植物所需的營養(yǎng)成分，促進植物生長。農(nóng)業(yè)部定義微生物肥料除具有上述作用外，還能通過其自身微生物活動促進植物激素產(chǎn)生，抑制有害微生物的繁殖等。

1 土壤質(zhì)量

農(nóng)業(yè)是中國經(jīng)濟發(fā)展的命脈，而土壤則是農(nóng)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。但是農(nóng)業(yè)的發(fā)展帶來的土壤污染日益嚴重，因此要加強對耕地的可持續(xù)利用首先需要提高土壤質(zhì)量。土壤質(zhì)量是指土壤在維持生物生產(chǎn)力的同時，還能保持環(huán)境質(zhì)量和促進植物和動物健康的能力。土壤質(zhì)量包括土壤肥力質(zhì)量，即能為動植物生長提供所需營養(yǎng)元素的能力；土壤環(huán)境質(zhì)量，是指土壤具有吸納污染物和降低病菌損害的能力；土壤健康質(zhì)量，指影響動植物與人類健康的能力。土壤肥力在土壤質(zhì)量中占據(jù)主要地位，有數(shù)據(jù)表明中國土壤有機質(zhì)含量明顯低于歐美國家2.5%～4.0%的水平，且呈持續(xù)下降的趨勢 ，這對于農(nóng)業(yè)發(fā)展是不利的。但值得注意的是，土壤質(zhì)量不是一直不變的，隨著耕作方式、肥料種類和施肥方式的不同而有所變化，因此微生物菌肥的出現(xiàn)對于提高土壤質(zhì)量有重要作用。

2 微生物肥料對土壤質(zhì)量的影響

最早在1886年有科學家發(fā)現(xiàn)生長有根瘤的豆科植物具有生物固氮作用，而后在1978年科學家提出種植植物后土壤中微生物在根部定植，產(chǎn)生促進植物生長的作用，這種微生物被稱為促進植物生長的根細菌(plant growth promoting rhizobacteria,PGPR)。PGPR對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要作用。

2.1 改善土壤結(jié)構(gòu)

土壤團聚體是微生物生活的主要微生境，對改善板結(jié)、干旱和通氣性差的土壤環(huán)境有重要作用，還能促進微生物之間的相互作用，增強群落結(jié)構(gòu)的功能多樣性和穩(wěn)定性。MENG et al提出土壤團聚體的穩(wěn)定性與有機質(zhì)含量相關(guān)，在0.25～0.5mm的水穩(wěn)定團聚體中有機質(zhì)占主導地位。FORSTER研究發(fā)現(xiàn)包括真菌（Fungus）、叢枝菌根真菌（arbuscular mycorrhiza）等在內(nèi)的真菌，其菌絲分泌的胞外多糖能與土壤顆粒膠結(jié)并將其固定，從而形成了土壤團聚體，增強了其穩(wěn)定性。施加微生物肥料后土壤中有機質(zhì)增多，微生物數(shù)量增加，促進了土壤團聚體的形成，團粒結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，使得土壤的保水性和通氣性變好，有利于植物的生長。

2.2 增加土壤中營養(yǎng)元素含量

微生物肥料一方面可以直接增加土壤中的有機質(zhì)，另一方面能通過微生物作用提高土壤肥力。主要因為施用微生物肥料能增強土壤脫氫酶的活性，而脫氫酶與土壤中生化過程強弱有關(guān)，對于提高土壤肥力有重要作用。微生物的新陳代謝作用還能促進土壤中營養(yǎng)元素的釋放，在土壤物質(zhì)和能量循環(huán)過程中發(fā)揮重要作用 ，圖1中土壤中的氨氧化細菌（ammonia-oxidizing bacteria, AOB）、氨氧化古菌 (ammonia-oxidizing archaea, AOA) 和反硝化菌（Denitrifying bacteria）等，是土壤氮循環(huán)的主要參與者，它們能將空氣中的氮素轉(zhuǎn)化為生物可利用的形式，為植物生長提供了有利條件。研究發(fā)現(xiàn)微生物肥料中的固氮菌（Azotobactersp）也具有生物固氮作用，可以通過自生固氮或共生固氮將空氣中的氮素進行固定，進一步轉(zhuǎn)化成植物可利用的氮素營養(yǎng)，從而增加了土壤中的可利用N含量。EGAMBERDIYEVA研究發(fā)現(xiàn)在接種有效菌種產(chǎn)堿假單胞菌（ Pseudomonas alcaligenes）PsA15和分枝桿菌（Mycobacterium）MbP18后，將導致棉花根部N含量增加。AMIR et al也發(fā)現(xiàn)了在施用 PGPR后，土壤中N、P元素增加。PGPR還能提高植物從土壤中吸收結(jié)合態(tài)氮的能力，當PGPR與氮肥混合使用后，氮肥增強植物根系的生長，根系面積增大，PGPR協(xié)同作用提高根系功能，從而提高植物對N等其他營養(yǎng)元素的吸收。這些微生物肥料的施用有效促進了植物對營養(yǎng)元素的吸收，減少了元素的流失，并且植物根系環(huán)境有利于微生物的繁殖，促進了土壤-微生物-植物之間的相互作用。

2.3 優(yōu)化土壤群落結(jié)構(gòu)

微生物在有機物分解的動態(tài)變化過程和調(diào)控植物所需的營養(yǎng)元素等方面發(fā)揮著重要作用，是土壤重要的組成部分，生存于土壤中的各類微生物和生物相互作用，一起構(gòu)成了土壤生物圈系統(tǒng)。當微生物群落結(jié)構(gòu)受外界條件影響時，其結(jié)構(gòu)和功能第3期楊東敏等：淺析施用微生物肥料對土壤質(zhì)量的影響139也會相應發(fā)生變化，進一步對作物和環(huán)境產(chǎn)生不同程度的影響。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，施用不同的肥料會造成土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)發(fā)生變化。如在長期施用無機氮肥的土壤中，微生物活性降低，而添加微生物肥料后能使已被破壞的微生物群落得到修復，同時增加某些功能。微生物肥料還能增加土壤中有益微生物的數(shù)量，這些有益微生物能與病原微生物競爭生態(tài)位和營養(yǎng)元素，并抑制其繁殖。在XUN et al的研究中提到，在微生物豐度比較高的群落，其多樣性比較低，且群落功能趨于確定性組裝過程，以占主要地位的微生物群落功能為主。KIM et al在對支流沉積物的研究中也發(fā)現(xiàn)了相似的結(jié)論，在微生物豐度較高的河岸沉積物中，其微生物多樣性低于河流沉積物，但是其微生物活性較高。因此，在土壤中施用微生物肥料，將有利于有益菌群落的建立，群落的功能和穩(wěn)定性增加，對提高土壤質(zhì)量和促進植物生長有重要作用。

3 微生物肥料的發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 微生物肥料的發(fā)展趨勢

隨著豆科植物根瘤的固氮作用被發(fā)現(xiàn)，科學家開始對植物根際微生物進行深入研究，目前國內(nèi)外已發(fā)現(xiàn)了20多種根際微生物，如根瘤菌，假單胞菌（Pseudomonsadaceae），芽孢菌（Bacillus）和固氮菌等。PGPR不但能促進植物吸收利于植物生長發(fā)育的營養(yǎng)成分，提高化肥利用率，凈化和修復土壤；還能抑制土壤中有害病原體和有害微生物繁殖，增加抗性物質(zhì)，降低農(nóng)作物體內(nèi)硝態(tài)氮、重金屬和農(nóng)藥的積累，對于保護環(huán)境具有重要作用。

微生物肥料在國內(nèi)外農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)重要地位，如在胡蘿卜（Daucus carota L. var. sativa Hoffm.）和玉米（Zea mays Linn.）等重要農(nóng)作物中使用微生物肥料后，植物獲得的氮素含量增加，產(chǎn)量提高。在中國，微生物肥料行業(yè)發(fā)展迅速，與其他國家相比，具有種類多、應用范圍廣的特點。這些產(chǎn)品的生產(chǎn)已具有較大規(guī)模，開始了由單一型菌肥向復合型菌肥發(fā)展，如固氮菌與磷、鉀細菌配合使用，可同時增加土壤中 N、P、K 元素的含量；一些菌粉型微生物肥料、基因工程肥等也開始出現(xiàn)。菌肥功能開始向多元化發(fā)展，由于細菌一般具有特定性功能，開發(fā)有多種功效的微生物肥料能更好地促進植物健康生長。這些微生物肥料在提高化肥利用率、降低化肥使用量和減少環(huán)境污染等方面，已獲得較好的效果。

3.2 微生物肥料發(fā)展面臨的問題

但PGPR在實際應用中受到很多限制，施用后反而會降低植物產(chǎn)量，其中可能與固氮微生物有關(guān)。微生物起固氮作用的主要是固氮酶，這種酶能固定環(huán)境中的氮素，但是當?shù)簇S富時氨阻遏機制將發(fā)揮作用，導致固氮酶活性降低，生物固氮作用降低，不利于農(nóng)作物種植。PGPR產(chǎn)品在研發(fā)過程也會受到多種因素的影響。

大規(guī)模生產(chǎn)需要考慮到孕育劑的問題，新型的載體需要保證可供應性，且不易受環(huán)境影響且無毒；還要考慮所作用植物的生長特征等；單種菌肥或復合菌肥的配比對于植物生長也有關(guān)鍵作用；在運輸過程中，要保障微生物細胞的活性；接種成功140環(huán)境保護科學第46卷也是評價生物肥料的關(guān)鍵指標，引進的接種劑不僅要保證存活，還要與原生種群競爭并成為優(yōu)勢種群。

4 微生物肥料的前景與展望

微生物肥料對土壤環(huán)境的改善具有重要作用，可以修復被破壞的土壤結(jié)構(gòu)，還能通過微生物作用增加土壤中的營養(yǎng)元素，提高植物對肥料的利用率，在實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中取得了較好的效果。

但是微生物肥料產(chǎn)品存在肥效慢、專性強、貯存期短等問題，因此應加強高效型微生物肥料的研發(fā)。首先需要了解微生物與土壤、植物根系之間的關(guān)系，可利用分子生物學技術(shù)將宏觀生態(tài)的思想和方法引入微生物生態(tài)研究，直接研究微生物DNA以獲得環(huán)境樣品中微生物多樣性及群落組成信息，進一步了解群落功能和作用機制，為篩選優(yōu)良菌株和開發(fā)新型微生物資源提供了有利途徑。如目前已報道的運用體外表達技術(shù)識別新的基因，利用基因融合技術(shù)獲得高效多功能菌株等都已取得較好的研究結(jié)果。同時，還要加強微生物肥料產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)督，完善微生物肥料產(chǎn)品的規(guī)范化質(zhì)量檢測，將有助于優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的開發(fā)。

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聲明：本文公開發(fā)表，內(nèi)容選自《環(huán)境保護科學》2020年6月第46卷第3期，作者：楊東敏，徐圣君，曾賢桂，張煥禎，白志輝。盡管文中的信息經(jīng)過嚴謹?shù)暮Y選和論證，善植智庫及作者不對信息的準確性或完整性作出擔保，并保留權(quán)利修改其中的信息而無需另行通知。文中所刊載的源自第三方的圖文、鏈接等已盡可能征得許可并標明出處，引用的內(nèi)容版權(quán)歸原作者所有。

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