池景良， 郝 敏， 王志學(xué)， 李 楊

(1.遼寧省微生物科學(xué)研究院，遼寧 朝陽(yáng) 122000；2.錦州市教師進(jìn)修學(xué)院，遼寧 錦州 121000)

1 磷素在土壤中的存在方式及其對(duì)作物生長(zhǎng)的作用

磷是植物生長(zhǎng)所必需的重要營(yíng)養(yǎng)元素之一，是原生質(zhì)體重要組分，磷在植物體中的含量?jī)H次于氮和鉀，含有磷的高能磷酸鍵是能量的載體，植物體內(nèi)許多重要的有機(jī)化合物都含有磷，植物的光合作用和體內(nèi)重要生化過(guò)程都有磷參與，其中包括植物體內(nèi)的光合作用、細(xì)胞分裂及增大、呼吸作用、能量?jī)?chǔ)存和傳遞等過(guò)程。磷能促進(jìn)植物根系形成和生長(zhǎng)，提高植物適應(yīng)逆境條件的能力，磷還有助于增強(qiáng)植物的抗病性。

土壤中重要的磷酸鹽礦物有氟磷灰石[Ca5(PO4)3F]、磷酸鈣[Ca(H2PO4)2]、磷酸氫鈣[CaHPO4]、磷酸三鈣[Ca3(PO4)2]、輕磷灰石[Ca5(PO4)3OH]、碳酸鹽磷灰石[Ca10(PO4)6CO3]、磷酸八鈣[Ca8H2(PO4)5H2O]、磷酸十鈣[Ca10(PO4)F2]、磷鋁石[AlH2PO4(OH)2]、磷鐵石[FeH2PO4(OH)2]。

農(nóng)作物在生長(zhǎng)繁殖過(guò)程中，需要吸收大量磷素肥料，由于磷素易被土壤吸附固定，當(dāng)磷肥添加于土壤后，磷與土壤產(chǎn)生的吸附作用使磷肥不再以原有形態(tài)存在。在我國(guó)的南方地區(qū)，土壤大多數(shù)呈酸性(紅壤、磚紅壤、赤紅壤)，由于光照強(qiáng)、降水充足等原因，土壤風(fēng)化程度高，而且土壤中鐵、鋁等離子含量較高，施入土壤中大部分可利用的磷肥被游離的鐵、鋁等離子固定，并轉(zhuǎn)化為磷酸鐵、磷酸鋁等，這兩種化合物含磷量可高達(dá)80%。在我國(guó)北方地區(qū)主要是堿性土壤，由于風(fēng)化程度低，土壤中含有大量的鈣離子，可與游離的磷酸根結(jié)合，轉(zhuǎn)化為磷酸二鈣、磷酸八鈣，最終轉(zhuǎn)化為磷酸十鈣[5]。在石灰性土壤中，磷與土壤中鈣等結(jié)合，轉(zhuǎn)化為無(wú)效態(tài)磷，使土壤溶液中磷酸鹽濃度下降，當(dāng)季磷肥利用率一般為5%～10%，加上作物的后效作用，利用率一般不超過(guò)25%。磷肥的應(yīng)用可以改變土壤中磷素形態(tài)、含量及有效性，其形態(tài)及有效性同樣受土壤、氣候類型及耕作管理模式影響。因此，作物栽培過(guò)程中利用增施解磷菌劑等方法，以增加磷的溶解度并減少磷的固定，從而提高土壤中磷肥利用率。

2 解磷微生物種類及在土壤中的分布

解磷菌一般指通過(guò)菌體生長(zhǎng)繁殖過(guò)程中分泌的代謝物或者與其他菌體協(xié)同產(chǎn)生某些作用，將難溶性的磷轉(zhuǎn)化為能被植物吸收的有效磷，便于植物直接吸收利用。根據(jù)解磷菌作用底物不同，解磷菌分為有機(jī)磷分解菌和無(wú)機(jī)磷分解菌，兩者之間沒有嚴(yán)格界限，部分菌種同時(shí)具備降解有機(jī)磷和無(wú)機(jī)磷作用。

2.1 解磷微生物研究歷史

Stalstrom等[6]發(fā)現(xiàn)一些原本不溶于水的磷酸鹽和天然的磷礦石能被一些細(xì)菌所溶解吸收。Gerrestsen[7]研究了微生物對(duì)植物吸收利用磷素的影響,研究結(jié)果表明，生長(zhǎng)于不滅菌土壤中的植物生物量明顯比生長(zhǎng)于滅菌土壤中的植物生物量高，增加幅度在72%～188%之間，磷總吸收量增加幅度在79%～340%之間，由此認(rèn)為是土壤微生物作用的結(jié)果。Sackett等[8]發(fā)現(xiàn)，一些難溶性的含磷復(fù)合物作為土壤磷源應(yīng)用，從土壤中篩選出細(xì)菌50株，其中36株在平板上形成了溶磷圈。1935年，前蘇聯(lián)學(xué)者蒙金娜從土壤中分離到1株巨大芽胞桿菌(Bacteriamegatherium)，其具有分解核酸和卵磷脂等作用。自20世紀(jì)50年代開始，國(guó)內(nèi)開始解磷菌的相關(guān)研究及應(yīng)用,先后從東北黑土和灰化土中篩選出具有解磷能力較強(qiáng)的芽胞桿菌、極毛桿菌等；80年代開始進(jìn)行解磷菌解磷作用機(jī)理研究,并對(duì)解磷機(jī)制進(jìn)行了探討；90年代以后，陸續(xù)從多個(gè)菌株中克隆出一些相關(guān)基因；到目前為止，對(duì)于解磷菌的作用機(jī)制研究仍在進(jìn)行中。

2.2 解磷微生物種類及分布

細(xì)菌、真菌和放線菌中都具有解磷功能的微生物種類,在不同生態(tài)環(huán)境土壤中也均有解磷功能微生物分布，解磷菌在土壤中的數(shù)量及種類受環(huán)境因素、土壤類型、土壤理化性狀、人為干擾等因素影響。尹端玲[9]發(fā)現(xiàn)，我國(guó)旱地土壤中的溶磷菌數(shù)量大約為107cfu/g,占土壤微生物總數(shù)的27%～82%,其中解磷類細(xì)菌所占比例最大。解磷細(xì)菌數(shù)量與土壤有機(jī)質(zhì)含量密切相關(guān)，因土壤類型而異,黑鈣土溶磷菌最多,達(dá)4.89×107cfu/g，瓦堿土最少，只有2×104cfu/g。林啟美等[10]在研究不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤中溶磷細(xì)菌數(shù)量時(shí)發(fā)現(xiàn)，溶磷類細(xì)菌不僅總數(shù)差異很大,而且細(xì)菌總數(shù)占總菌數(shù)的比例也有很大差異。易艷梅等[11]發(fā)現(xiàn)，溶磷微生物在不同生態(tài)區(qū)土壤中的分布各不相同, 磷礦區(qū)土壤中溶磷微生物數(shù)量和種群豐度普遍高于重金屬污染區(qū)和鹽漬區(qū)。在極端生態(tài)環(huán)境條件下，也存在解磷菌， Pankaj等[12]從印度喜馬拉雅地區(qū)玉米根際土壤中篩選出的波狀假單胞菌(Pseudomonascorrugata)，經(jīng)過(guò)誘發(fā)突變后，在4～28 ℃條件下，具有良好的解磷能力。Gaind等[13]在1991年從45 ℃的高溫環(huán)境中發(fā)現(xiàn)枯草芽胞桿菌、環(huán)狀芽胞桿菌(Bacilluscirculans)及3株黑曲霉都具有良好的解磷性能。

根際效應(yīng)明顯影響解磷菌的分布,即根際土壤中的解磷菌類數(shù)量比其周圍土體多,但并不一定是根際微生物的優(yōu)勢(shì)菌群。Sperber[14]發(fā)現(xiàn)，植物根際土壤解磷菌數(shù)量遠(yuǎn)大于其他區(qū)域土壤的數(shù)量。Katznelson等[15]對(duì)小麥根圈解磷菌篩選結(jié)果為根際土壤中的解磷菌比非根際土壤高6～18倍。趙小蓉等[16-17]對(duì)小麥和玉米土壤解磷菌的研究表明，根際土壤比非根際土壤解磷菌數(shù)量高10～100倍。不同植物根際解磷菌數(shù)量種類也有很大差異，遼寧省微生物科學(xué)研究院采集50多種野生植物根際土壤篩選解磷菌，結(jié)果表明在同一地點(diǎn)采集的不同種類植物，其根際解磷菌數(shù)量、種類差異巨大，具有解磷圈菌落數(shù)量最高比最低高10倍以上。Sundara等[18]發(fā)現(xiàn)，小麥根際解磷菌主要是芽胞桿菌屬和埃希氏菌屬，Elliott等[19]分析春小麥根際解磷菌主要是芽胞桿菌屬、假單胞菌屬和鏈霉菌屬。易艷梅等[11]發(fā)現(xiàn)，磷礦區(qū)土壤中溶磷微生物數(shù)量和種群豐度普遍高于重金屬污染區(qū)和鹽漬區(qū), 但優(yōu)勢(shì)種屬間數(shù)量差異不明顯；重金屬污染土壤中解磷細(xì)菌比例較高, 但種群?jiǎn)我? 優(yōu)勢(shì)種群為巨大芽胞桿菌, 重金屬污染區(qū)解磷細(xì)菌數(shù)量與土壤重金屬綜合污染指數(shù)呈顯著正相關(guān)(P<0.01)，解磷細(xì)菌豐度與有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；鹽漬土中解磷細(xì)菌少,優(yōu)勢(shì)種群為假單胞桿菌屬(Pseudomonas)、芽胞桿菌屬(Bacillus)和黃單胞桿菌屬(Flavobacterium),其數(shù)量和種群豐度分別與有機(jī)質(zhì)和有效磷含量呈顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。

耕作措施影響土壤中解磷菌類微生物數(shù)量，臧威等[20]研究發(fā)現(xiàn),小麥、水稻、玉米、大豆根際土壤中分布大量解磷菌,菌數(shù)達(dá)到(2.15～6.68)×105cfu/g,涉及解磷菌群明顯不同，分別涉及9、11、13、12個(gè)菌屬。李雙喜等[21]研究發(fā)現(xiàn)，生物耕作處理土壤中無(wú)機(jī)磷分解菌最多，表層(0～5 cm)的無(wú)機(jī)磷分解菌為1.14×106個(gè)/g，生物耕作及免耕處理分別是機(jī)械耕作的1.42、1.29倍,不同處理間無(wú)機(jī)磷分解菌數(shù)量差異顯著，接種蚯蚓和免耕處理都能增加無(wú)機(jī)磷分解菌的數(shù)量；吳瑕等[22]發(fā)現(xiàn)，間作和栽培作物明顯比不種植任何作物土壤中解磷菌數(shù)量多，番茄、分蘗洋蔥根際及無(wú)苗對(duì)照土壤中無(wú)機(jī)磷分解細(xì)菌數(shù)量均呈先下降后上升的趨勢(shì)，間作番茄根際土壤無(wú)機(jī)磷細(xì)菌數(shù)量明顯高于單作和無(wú)苗對(duì)照，且在定植第23天和37天時(shí)，差異均達(dá)顯著水平(P<0.05)；分蘗洋蔥在定植第23天時(shí),間作分蘗洋蔥根際土壤中無(wú)機(jī)磷細(xì)菌數(shù)量顯著低于單作，而間作后期，單作和間作土壤無(wú)機(jī)磷細(xì)菌數(shù)量無(wú)顯著差異，但兩種處理均顯著高于無(wú)苗對(duì)照(P<0.05)。秸稈還田明顯增加土壤中有機(jī)質(zhì)含量，還可促進(jìn)土壤麥角固醇積累，其對(duì)溶磷微生物群體和高效溶磷菌生長(zhǎng)均有促進(jìn)作用，并且可顯著增加耕層土壤中細(xì)菌、霉菌、放線菌、解磷解鉀菌、硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌等數(shù)量，改善土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性[23-25]。

2.3 解磷微生物種類

解磷菌種類繁多，目前已經(jīng)報(bào)道的解磷菌有20多個(gè)屬，其中具有解磷作用的細(xì)菌種類及數(shù)量最多，并且目前市場(chǎng)上應(yīng)用最多的解磷菌也是細(xì)菌，如巨大芽胞桿菌。具有解磷作用的細(xì)菌種類主要有芽胞桿菌屬、假單胞桿菌屬、歐文氏菌屬(Erwinia)、伯克氏菌屬(Burkholderia)、土壤桿菌屬(Agrobacterium)、西地西菌屬(Cedecea)、沙雷氏菌屬(Serratia)、黃桿菌屬(Flavobaccterium)、腸細(xì)菌屬(Enterbacter)、微球菌屬(Micrococcus)、固氮菌屬(Azotobacter)、不動(dòng)細(xì)菌屬(Acinetobacter)、根瘤菌屬(Bradyrhizobium)、沙門氏菌屬(Salmonella)、色桿菌屬(Clromobacterium)、產(chǎn)堿菌屬(Alcaligenes)、節(jié)細(xì)菌屬(Arthrobacter)、 硫桿菌屬(Thiobacillus)和埃希氏菌屬(Escherichia)。

已經(jīng)篩選出且被證明具有解磷作用的真菌種類比較少，實(shí)際應(yīng)用于生產(chǎn)的種類更少，在生產(chǎn)上應(yīng)用比較多的具有解磷作用的真菌主要是菌根菌類。具有解磷功能的真菌類群主要有青霉菌屬(Penicillium)、曲霉菌屬(Aspergillus)、鏈格孢屬(Alternaria)、根霉屬(Rhizopus)、短梗霉屬(Aureobasidium)、鐮刀菌屬(Fusarium)、踝節(jié)菌屬(Talaromyces)、小菌核菌屬(Sclerotium)、酵母菌屬(Saccharomyces)和菌根菌(Arbuscularmy)。

具有解磷作用的放線菌主要是鏈霉菌屬(Streptomyces)，雖然鏈霉菌屬放線菌解磷作用相對(duì)較差，但由于其獨(dú)特的防病功能，使其具有較好的應(yīng)用前景[26-27]。

3 解磷微生物作用機(jī)制

解磷菌解磷功能的強(qiáng)弱除了與自身基因相關(guān)外，還與外界條件相關(guān)。解磷菌在生長(zhǎng)過(guò)程中向外分泌各種小分子酸類物質(zhì)、質(zhì)子、多糖、酶等分解難溶性磷，而解磷菌向外分泌這些物質(zhì)的多少，受解磷菌與環(huán)境條件互作的影響，如溫度、土壤含水量、不同的碳、氮、磷源等營(yíng)養(yǎng)供給等，環(huán)境條件在影響解磷菌分泌物的同時(shí)，也受解磷菌分泌物的影響而有所改變。不同解磷菌的解磷機(jī)制不同，有些菌通過(guò)其中的一種機(jī)制，有些菌通過(guò)多種機(jī)制導(dǎo)致含磷礦物的溶解。

3.1 酸解

3.2 磷酸酶的作用

解磷菌通過(guò)分泌磷酸酶分解有機(jī)磷酸酯，磷酸酶還能礦化有機(jī)磷酸鹽，使其成為植物可吸收利用的可溶性磷。鐘傳青[38]研究發(fā)現(xiàn)，解磷菌溶磷過(guò)程是通過(guò)有機(jī)酸和磷酸酶的協(xié)同作用完成的，其中巨大芽胞桿菌和青霉菌發(fā)酵過(guò)程中能夠產(chǎn)生分解植酸鈣的酶，增加發(fā)酵液中有效磷含量。李文紅等[39]篩選出的具有分解無(wú)機(jī)磷和有機(jī)磷功能的解磷菌，其主要解磷機(jī)制是菌體代謝產(chǎn)生磷酸酶的作用。

3.3 環(huán)境pH值變化

3.4 其他作用

現(xiàn)有研究結(jié)果表明，磷酸鹽的降解是多種降解機(jī)制的綜合作用，解磷菌在以難溶性磷酸鹽為唯一磷源的培養(yǎng)基上生長(zhǎng)繁殖時(shí)，其呼吸和代謝因土壤或介質(zhì)條件的差異而表現(xiàn)出不同解磷機(jī)制。有研究發(fā)現(xiàn)，解磷菌通過(guò)解磷作用所釋放的磷很少，主要作用是其分泌的生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)促進(jìn)了作物生長(zhǎng)的結(jié)果，如根毛數(shù)量和長(zhǎng)度、須根數(shù)量、表面積、生物量比以及比根長(zhǎng)等，或者是菌株具有解磷和促進(jìn)生長(zhǎng)的雙重效果[42-44]；解磷菌的使用顯著提高了根際微生物數(shù)量、種類，增加了土壤微生物多樣性，改善了土壤微生態(tài)條件，由此增加了土壤中有效磷含量。有些解磷菌在降解動(dòng)植物殘?bào)w過(guò)程中，形成腐殖酸類物質(zhì)，該類物質(zhì)能與難溶性磷酸鹽中的鈣、鐵、鎂等螯合，從而釋放出磷酸根。

4 解磷微生物菌劑研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

Kang等[44]研究發(fā)現(xiàn)，接種Penicilliumsp.能提高玉米產(chǎn)量，接菌處理的玉米株高增加1.4倍，根長(zhǎng)增加1.2倍，干質(zhì)量提高5.2～8.1倍。朱培淼等[45]使用NBRIP液體搖瓶篩選出兩株假單胞菌屬解磷菌，兩株解磷菌對(duì)磷酸三鈣[Ca3(PO4)2]的降解率是空白對(duì)照的10.5倍；田間試驗(yàn)結(jié)果表明，接種假單胞菌處理的玉米株高、莖粗和干質(zhì)量顯著高于空白對(duì)照處理。王奎萍等[46]篩選得到134株具有解磷、固氮和產(chǎn)吲哚乙酸菌株,溫室試驗(yàn)結(jié)果表明，三種處理對(duì)辣椒植株的干質(zhì)量分別增加了10.24%、9.13%和8.60%。蔣欣梅等[47]研究發(fā)現(xiàn)，“紫京城茄”的株高、莖粗、產(chǎn)量等均隨解磷菌肥施用量的增加而顯著增加。徐文鳳等[48]盆栽試驗(yàn)結(jié)果表明，將1%～2%的解磷真菌PFK-1與硝基肥復(fù)配處理能明顯增加油菜的鮮質(zhì)量和干質(zhì)量，同時(shí)增加土壤中有效磷含量。邢芳芳等[49]研究發(fā)現(xiàn)，解磷真菌PSFK具有很強(qiáng)的降解無(wú)機(jī)磷酸鹽能力，且能顯著提高雞毛菜的生物量和葉片數(shù)量。何雪香等[50]通過(guò)秋茄盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，從紅樹林地區(qū)篩選得到的部分解磷菌和固氮菌使秋茄株高和生物量明顯增加，其中一株解磷菌He4#比國(guó)外引進(jìn)的地衣芽胞桿菌(Bacilluslichenciformis)的促生效果更明顯。閆小梅等[51]盆栽試驗(yàn)結(jié)果表明，接種菌株熒光假單胞菌(Pseudomonasfluorescens)Y1的花生根長(zhǎng)、根表面積、根直徑分別比對(duì)照增加159.0%、133.0%、18.9%，植株對(duì)氮、磷、鉀的吸收量分別比對(duì)照高73.6%、26.6%、41.0%，差異均達(dá)顯著水平。馮健等[52]在設(shè)施黃瓜栽培中使用解磷菌，結(jié)果表明，有秸稈存在的情況下，能明顯促進(jìn)黃瓜秧苗吸收鈣、鎂、銅，與對(duì)照相比，吸收量分別增加6.26%、8.25%、11.57%。胡倡等[53]使用解磷菌 HZP1或PS-1均有促進(jìn)紫云英和大豆生長(zhǎng)作用，將兩株解磷細(xì)菌分別與根瘤菌混合接種，能進(jìn)一步提高大豆和紫云英的地上生物量、根瘤鮮質(zhì)量和根瘤數(shù)。

5 展 望

耕地土壤中磷素含量普遍不高,再加上土壤中對(duì)磷素的固定作用，導(dǎo)致磷肥利用效率較低。解磷菌具有提高土壤有效磷含量、減少磷肥使用量及促進(jìn)植物生長(zhǎng)的作用，目前成為研究的熱點(diǎn)，但解磷菌的研究及應(yīng)用仍然存在很多問(wèn)題：①目前篩選解磷菌使用的植物種類還很少，多數(shù)具有解磷功能的菌種還沒有篩選出來(lái)；②解磷菌培養(yǎng)工藝還不夠完善，每一個(gè)菌種都有其獨(dú)特的生產(chǎn)工藝，如何發(fā)揮其最佳使用效果的生產(chǎn)工藝有待研究；③解磷菌單獨(dú)使用效果有限，與其他有益菌復(fù)合使用可能發(fā)揮其效應(yīng)；④解磷菌轉(zhuǎn)代次數(shù)越多、保藏時(shí)間越長(zhǎng)，其解磷效果會(huì)降低，如何穩(wěn)定解磷功效有待研究；⑤提高解磷菌使用效果的關(guān)鍵是解除土壤抑菌效應(yīng)，目前對(duì)提高解磷菌在土壤中定殖能力研究很少。

隨著解磷菌研究的深入，解磷菌部分替代磷肥將成為現(xiàn)實(shí)，在提高磷肥利用率及作物產(chǎn)量的同時(shí)，改善土壤環(huán)境、減少磷素對(duì)土壤及河流污染，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更加可持續(xù)發(fā)展。