張常書 張麗娟 唐衛(wèi)東 趙 玉
(1 上海通微生物技術有限公司 上海 201800 2 上海大井生物工程有限公司 上海 201800)
我國腐植酸主要分為兩大類:一類是礦源腐植酸,包括褐煤、風化煤、草炭或泥炭中的腐植酸,其主要成分為黃腐酸、棕腐酸、黑腐酸3種;另一類是生物腐植酸,是以作物秸稈、有機廢料等植物源(或稱生物質)為原料,經過生物發(fā)酵所得到的一種類似礦源腐植酸的物質。生物腐植酸,因生產原料、工藝、菌劑等不同,其化學特征、生物活性、作用功能等也不盡相同[1]。
木霉腐植酸是生物腐植酸的一種,是以褐煤或草炭為原料,采用從土壤根際生物中經多次試驗篩選出來的木霉菌(Trichoderma)或螢光假單孢菌復合劑作為發(fā)酵菌劑,在專門配制的木霉腐植酸培養(yǎng)基上發(fā)酵培養(yǎng)5~7天后,產生大量的木霉菌體和分生孢子,再經加工處理所得。木霉腐植酸具有木霉生物功能和腐植酸生物功能的雙重特征,其在促進作物生長和抗病改土功能方面,源于腐植酸而優(yōu)于腐植酸;特別是木霉菌的代謝產物和“共生”拮抗作用,對作物多種土傳病害有抑制作用,因而木霉腐植酸對土壤修復和抗病功能有獨到之處。
目前,我國土壤污染嚴重,土壤修復迫在眉睫。木霉腐植酸的開發(fā)及研制成功,不僅為我國生物腐植酸的定向發(fā)酵開辟了一條全新的工藝路線,也為開展土壤修復工作提供了一項新技術和產品。
我國土壤有多種類型,種植方式千變萬化,人為高產耕作和生態(tài)環(huán)境污染,對土壤環(huán)境的影響越來越大。據(jù)調查,我國土壤資源現(xiàn)狀,可分為以下幾種類型。
(1) 正常土壤。
有機質豐富,團粒結構好,保水保肥能力強,微生態(tài)環(huán)境發(fā)育正常,作物土傳病害和連作障礙不明顯,土壤鹽分和pH值正常,無化學物質或重金屬污染。此類土壤可稱為正常健康的土壤。這種土壤在我國農村越來越少。
(2) 鹽堿化土壤。
土壤含鹽量在0.1%~0.6 %,一般用電導率EC值表示,EC值>4即為鹽漬化土壤,pH>8為鹽堿化土壤。在我國沿海、沼澤、荒漠或排水不良的耕地,容易形成鹽堿土,風干后,土表有一層白霜,pH偏堿,這是典型的鹽堿地。在我國北方及沿海地區(qū)較多。
(3) 貧瘠化土壤。
土壤有機質含量,是土壤肥力的重要標志,一般土壤有機質含量<1%時,為貧瘠土。土壤肥力不足,土壤有機質會自然消耗下降,必須連年補充。我國多數(shù)農田土壤肥力不足,有機質逐年下降,土壤微生物活力消失,僅靠化肥來維持產量。
(4) 板結化土壤。
土壤長期使用化肥,有機質嚴重消耗,團粒結構被破壞,保水、保肥功能下降,土壤容重增大,通氣性變差,土壤變成“天晴一把刀,落雨一團糟”的硬土、死土,失去了土壤的生命活力。
(5) 酸性化土壤。
土壤pH<6的酸性土質,一是因地質構造中某些礦物質演化為酸性土壤(如紅壤);二是大量施用含硫、含氯的化肥,使土壤變酸;三是土壤中有機質的分解、厭氧微生物的活動等,都可使土壤酸化。我國酸性土壤面積正在逐年擴大。
(6) 沙漠化土壤。
土壤水土流失,飛砂走塵,粘土無存,沙化嚴重,無法種植。我國北方土壤沙化面積越來越大,勢不可擋;除氣候條件影響外,人為耕作制度不良,植被破壞,生態(tài)失衡等,是導致沙漠化的根本原因。
(7) 富營養(yǎng)土壤。
為了尋求高產,大量施用化肥已成為普遍現(xiàn)象。有的蔬菜大棚,每畝用肥量達數(shù)百斤,化肥過量并大量流失,水體富營養(yǎng)化,作物病蟲害嚴重,作物品質下降,農藥殘留污染等,嚴重影響食品安全和人類健康。
(8) 多病害土壤。
由于生態(tài)環(huán)境失衡,作物抗病、抗逆能力下降,作物發(fā)病率增大,特別是連作帶來的土傳病害,日益擴大,嚴重影響正常耕作。這樣的多病土壤,國內普遍存在,特別是蔬菜大棚,高產耕作、連作、化肥過量施用等,都易導致病土現(xiàn)象。
(9) 重污染土壤。
重污染是指重金屬或化學物質、化學農藥等對土壤的污染,特別是化肥、農藥和除草劑的大量使用,禽畜糞便中的重金屬累積沉淀等,使土壤生態(tài)環(huán)境惡化,生物活性降低,作物品質下降,化學殘留增加,嚴重危害人類健康。
(10) 低產值土壤。
低產值土壤,是一個或多個問題的綜合反應,要按具體情況來具體分析。多數(shù)低產值土壤是土壤貧瘠板結或鹽堿化提高,導致產量下降。常用加施化肥來彌補這一缺限,但卻帶來生態(tài)失衡、惡性循環(huán)、農業(yè)不可持續(xù)發(fā)展的嚴重后果。
鑒于以上狀況,我國耕作土壤生態(tài)環(huán)境失衡,雖然農民開始重視施用有機肥,但沒有重視土壤生物修復,特別是土傳病害和連作障礙,對農業(yè)生產和可持續(xù)發(fā)展造成很大影響。因此,土壤生態(tài)修復是農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。
眾所周知,我國土壤生態(tài)失衡。如何修復土壤,解決生產實際中的土壤問題,有很多科學技術和理論實踐需要探討,現(xiàn)就作者多年研究體會和實踐總結如下。
(1) 土壤生命和生態(tài)科學。
自然界原生態(tài)土壤是有生命活力的,我們可以在沒有耕種過的森林、沼澤或山地中找到。該類土壤屬于生態(tài)型土壤,含有極豐富的有機質,土質疏松,容重小,通透性好,保水能力強,病蟲少,微生物多,腐殖質高,土壤充滿生命活力。
人類在耕作活動中,有兩種耕作方式,一是精耕細作,重施有機肥,以農家菜園為例,此類土壤肥沃疏松,微生態(tài)旺盛,土壤充滿生命活力;另一種是粗放型耕作,為向土地高效索取財富,耗盡土壤有機資源,以重施化肥維持高產,導致土壤貧瘠板結,無生命活力,生態(tài)失衡,活土變死泥,這就是當今農村土壤發(fā)展變化總的趨勢!
(2) 有機物質是土壤生命之源。
生態(tài)型土壤的發(fā)育,必須在含有豐富有機質的參與下,在一定溫度、濕度和微生物的作用下,逐步降解有機物,并分泌產生酶類、多糖、醇類、核酸、氨基酸、腐殖酸(胡敏酸)、黃腐酸(富里酸)等多種活性物質,以及少量的氮、磷、鉀和中微量元素,這對土壤團粒結構、離子交換、病蟲抑制、鹽堿緩沖、根系發(fā)育、促進生長、抗病抗逆、改善品質、高產豐收等,都具有明顯作用和效果。
(3) 微生物是土壤生命之種。
土壤中的微生物有成千上萬種,一般可分為三大類:益生菌類、致病菌類、其他自然菌。這些菌群(包括真菌、細菌、放線菌、病毒和各種微型昆蟲、線蟲、蚯蚓等)在土壤有機質中大量存在和繁衍。土壤中的微生物每時每刻都在進行生命活動,分解有機物,又不斷合成新的物質。假設土壤中沒有微生物,土壤就沒有生命活力,就是死土。這種土壤有機物無法降解,團粒結構無法形成,土壤嚴重板結,作物生長困難,哪怕用化肥種植,作物也無法正常生長,甚至顆粒無收。所以,微生物是土壤生命之種。
(4) 有機種植是生態(tài)農業(yè)之本。
當今社會強調有機農業(yè),實質上就是在耕作過程中完全或基本不施人工合成的化肥、農藥,采用有機肥和無污染的水和土進行農業(yè)種植??梢姡袡C肥對生態(tài)農業(yè)具有重要作用。也就是說,不用人工合成的化肥和農藥,使用純有機肥,土壤具有更高的生命活力和肥力,一樣可以獲得高產豐收。由此可見,有機農業(yè)對土壤生命修復和培育至關重要,是必由之路,是成功之本。
(5) 土壤修復的技術核心。
目前,有害或不良土壤種類很多,生態(tài)失衡程度不一,但不論是哪種土壤,有機生物修復應是技術的核心和關鍵。所謂土壤“有機生物修復”,就是選用最佳的生物有機質后,最佳的生物發(fā)酵菌劑,最佳的工藝配方組合,生產出專用生物有機肥,可以針對各類不同缺限的土壤,為土壤益生菌創(chuàng)造良好的生態(tài)環(huán)境,提高益生菌的生命活力,從根本上加以修復。具體來說,木霉腐植酸,是采用有機質之精華——生物腐植酸或生化黃腐酸等活性物質,經專用哈茨木霉或綠色木霉發(fā)酵制成的“土壤修復劑”,對多種土壤的生態(tài)修復具有獨到之處。但針對不同土壤類型,需要協(xié)同處理,重點是從微生態(tài)環(huán)境加以修復,它是土壤生態(tài)修復的一項系統(tǒng)工程。
木霉菌是自然界廣泛存在的一種生防真菌,目前有60多個國家在使用木霉生防制品。將木霉菌與腐植酸融為一體,會產生1+1>2的效果。木霉腐植酸不僅能防病,還具有促進植物生長,提高營養(yǎng)利用率,增強植物抗逆性,提高植物免疫力,修復農化污染環(huán)境等作用,且效果顯著[2]。
(1) 木霉次生代謝與抗生作用。
木霉種類繁多,次生代謝產物多達幾百種。目前,我國應用研究的主要有哈茨木霉和綠色木霉。哈茨木霉代謝產物有12種,主要是蒽醌類、吡喃酮類、聚酮類、異腈類、二酮哌嗪類、倍半萜烯類、膠毒素和肽醇類等;目前發(fā)現(xiàn)木霉大量基因與次生代謝有關,其中哈茨木霉存在抗菌肽合成酶、蒽醌類、萜烯類和抗菌肽等生物活性物質,對植物多種病原菌有抑制作用[2]。
(2) 木霉-病源-植物誘導抗性。
在木霉繁衍過程中,可以侵入、纏繞、穿透病原菌和植物根系形成“重寄生”過程,誘導植物多種酶類產生抗逆、抗病基因的表達,對土壤病菌的抑制和植物抗性的誘導都有一定作用;同時還能提高植物對非生物脅迫因子的抗逆性[2]。
(3) 木霉腐植酸土壤環(huán)境修復機理。
利用LC/MS方法鑒定木霉代謝產物發(fā)現(xiàn),其代謝產物中含有大量的酶、激素、生物酸、活性分子和抗生素等。其中,激素類物質對作物生長有促進作用,一般可增產10%~15%。生物酸具有解磷、解鉀作用,可提高化肥利用率30%以上;其他活性物質可降解敵敵畏90%,降解辛硫磷30%~50%,降解氰化物80%,吸附重金屬鎘(Cd)、銅(Cu)40%~60%。陳捷等采用“功能基因轉化”“生物礦化”“生物吸附”等系統(tǒng)生防工程進行土壤污染修復,取得了明顯的效果[2]。
(4) 木霉腐植酸生防促長機理。
木霉在生殖過程中,需要向寄主攝取養(yǎng)分,爭奪空間,抑制其他微生物從而拮抗土傳病菌;木霉“重寄生”的胞外酶拮抗病原菌生長;木霉產生的抗菌類物質(如膠毒素、抗菌肽等),溶解酶(如纖維素酶、匍聚糖酶、肌丁質酶等)等,對土傳病菌都有明顯防治作用。木霉主要促長作用:一是溶解礦物質,解磷、解鉀,提高養(yǎng)分利用率;二是腐植酸與木霉代謝產物,經生物活性處理后,對作物根系發(fā)育具有明顯的刺激作用,對出菌率、幼苗長勢、抗病、抗逆等均有明顯效果[3]。
(5) 木霉菌與腐植酸共生優(yōu)勢。
據(jù)試驗,木霉菌可以在腐殖質上寄生繁衍,也就是說,腐植酸在某種條件下可以成為木霉菌的培養(yǎng)基,通過對有機質定向發(fā)酵,獲得大量的生物腐植酸、抗生素、激素、酶類及生化活性物質,其防病促長和土壤修復效果,都遠遠優(yōu)于單一品種。木霉腐植酸施入土壤后,在適宜條件下,木霉在富含有機質的土壤中,可以再次繁殖,繼續(xù)擴大木霉菌的生物效應,從而活化土壤,提高化肥利用率,促進作物生長,增加土壤團粒結構,營造良好的土壤生態(tài)環(huán)境,這對修復有害土壤,防治連作障礙,增強作物免疫力,提高抗逆性,改善品質,提高產量,減少農化殘留污染等效果顯著。因此,木霉菌與腐植酸共生培養(yǎng),是木霉菌生防和土壤修復的最佳選擇。
綜上所述,土壤“有機生物修復”意義重大。目前,最常用的是施用有機肥、生物肥、秸稈還田和沃土工程來實現(xiàn)。特別是隨著有機農業(yè)、生態(tài)農業(yè)的興起,大規(guī)模施用有機肥、生物肥和各種腐植酸類肥料,都是土壤“有機生物修復”的重要舉措。但是,這些方式中,缺少對核心物質的選擇和利用。我們認為,具有土壤生命活力的核心物質是腐植酸(胡敏酸)、黃腐酸(富里酸)和具有多功能高活性代謝產物的生物菌。
所謂高活性代謝產物,是指該生物菌劑可降解更多的有機物,轉化為黃腐酸、吲哚酸、核苷酸、活性酶、抗生素、抗菌肽等生化活性物質,這對土壤生命修復起到積極作用。經多年研究,某些根際微生物(如綠色木霉、哈茨木霉、5406放線菌、螢光假單孢菌等真菌或細菌)具有特殊的代謝功能,對土壤有機修復、理化修復、生命修復和生態(tài)修復都具有一定功能;特別是對土傳病害微生物(如引起蔬菜枯萎病的鐮刀菌、苗期猝倒病的腐霉菌,導致蔬菜爛根的疫霉菌、核盤菌或絲核菌等),具有較好的抑制效果。因此,用這些益生菌作為土壤生物修復極為有利[4]。
土壤修復的關鍵是要在作物根際范圍,營造一個良好的生態(tài)環(huán)境。良好的生態(tài)環(huán)境有利作物根系和植株的健康生長,對病原微生物可自然防控。要實現(xiàn)這樣的土壤環(huán)境,就必須創(chuàng)造一個有益生物活動的微生態(tài)環(huán)境?!澳久垢菜嵬寥佬迯蛣钡难邪l(fā)正是基于這個理念,可以在作物根際土壤(根際周圍)形成一個有生命活力的生態(tài)環(huán)境,為保證作物安全健康生長創(chuàng)造良好的條件。
土壤生態(tài)修復,首先要解決生物修復,要選擇最佳的生物菌劑和菌劑載體?!澳久垢菜嵬寥佬迯蛣币缘V源生化黃腐酸為基質,以多種微生物菌劑混合發(fā)酵后,成為有機生物組合體。施入田間后,腐植酸經水化膨脹,成為膠體微粒,將礦物質土壤顆粒進行膠聯(lián)與化學吸附,從而形成有生命的土壤團粒結構。在適宜的溫度、濕度范圍,有益微生物開始大量繁殖,其代謝產物抑制了病原菌的生長,并刺激作物生長發(fā)育,提高作物抗逆、抗病、抗倒伏能力,為作物根系營造了良好的生態(tài)土壤環(huán)境,保證作物正常健康生長。這就是土壤有機修復和生物修復相互作用的結果。
作為土壤有機生物修復劑,“木霉腐植酸土壤修復劑”是一種高濃度生物制劑,每克產品含菌量(孢子數(shù))高達2億以上,每畝施用量一般為5~20 kg;如果土壤有機質少,益生菌無法繁殖和生存,因此應加施有機肥、農家肥或秸稈還田后,再施“木霉腐植酸土壤修復劑”,這樣效果更好;如果土壤有機質豐富,則可直接施用,也可將本品與有機肥混合施用,以利于提高土壤有機質含量和保障益生菌的繁衍;如果在比較惡劣的土壤環(huán)境,如沙化、鹽磩、貧瘠、病害等土壤中,必須加大“木霉腐植酸土壤修復劑”的施用量,每畝用量可達100~200 kg,但成本太高,農民難以接受。因此,在土壤惡劣條件下,必須重施有機肥、腐植酸肥等,在成本允許條件下,可盡量多施土壤修復劑,并結合其他措施綜合治理。
施用“生物腐植酸土壤修復劑”,還必需注意土壤環(huán)境條件(溫、濕、氣、土)。施用前,應對土地進行翻耕,作為種肥或基肥與種子一起下地,施用較好;應選擇氣溫回升的春天,夏秋也可,但冬天施用效果不佳(大棚,南方例外);施用后,如果土壤干燥,應適當澆水護墑,促進種子萌發(fā);如果施用后積水成澇,應注意開溝排水,保持土壤通風透氣,營造良好的土壤生態(tài)環(huán)境。
目前,我國耕地面積僅為18.26億畝,土地質量越來越差,土壤污染嚴重,生態(tài)環(huán)境惡化,給食品安全和人類健康帶來嚴重威脅!
土壤修復是一項沃土工程與修復工程相結合的長期的生態(tài)工程。“木霉腐植酸土壤修復劑”的研制成功,與沃土工程和生態(tài)修復工程緊密結合,以少量的生物菌肥,配合大量的有機肥,可以快速改良土壤,為作物創(chuàng)造良好的生態(tài)環(huán)境,為我國土壤有機生物修復開辟了一條全新的思路。
木霉生物菌肥已列入國家“863”計劃和農業(yè)部10項國家重大科技攻關項目。2010年,上海大井生物工程有限公司獲得了農業(yè)部第一個“木霉生物肥料”臨時登記證,2012年12月獲得正式登記證。2013年3~10月,上海通微生物技術有限公司采用木霉腐植酸固體和液體產品,在上海航頭蔬菜大棚生態(tài)園進行了試驗。結果顯示,以木霉腐植酸固體和液體產品代替化肥使用,對大棚蔬菜連作障礙,具有明顯的抗病效果;對草莓的產量和品質具有明顯的提高和改善作用,深受菜農歡迎。實踐證明,木霉腐植酸不僅可用于土壤修復,也可用于“腐植酸水溶性液體肥”和“腐植酸有機無機復合肥”,充分發(fā)揮木霉和腐植酸的多功能作用。其替代化肥是成功的,具有良好的環(huán)保效益和經濟效益。
目前,我國有多所高校和科研院所參與了木霉菌劑的試驗研究,在木霉菌基因編碼、基因克隆、抗性誘導、分子改良、生防機理、免疫誘導等課題研究方面,都取得了重大突破,某些項目研究己處于國際領先水平。2014年10月,國際木霉學術研討會將于上海交通大學舉行,這對我國木霉生防和土壤生物修復工程無疑是一次有力的推動。
[1]張常書,單俊偉. 利用生物技術開發(fā)生化黃腐酸新肥源[J]. 腐植酸,2005,(2):1~3
[2]陳捷,朱潔偉,張婷,等. 木霉生物防治機理與應用研究進展[J]. 中國生物防治學報,2011,27(2):145~151
[3]王建鋒,陸寧海.木霉菌在農業(yè)中的研究與應用前景[J]. 安徽農學通報,2008,14(14):41~43,136
[4]王慧中,趙培潔. 多效有機菌肥的研制及其特性研究[J]. 江西農業(yè)科學,1999,11 (3):19~23