炭基微生物肥料在农业上的应用分析
作者：无忧期刊网 来源：期刊论文 日期：2023-03-16 08:34人气：
摘 要：肥料作为农业生产中作物增产增收的基础，随着当前我国科学技术的迅速发展，其种类也变得愈发绿色多样。近些年炭基微生物肥料开始在农业肥料领域兴起并得到诸多关注。该文对炭基微生物肥料进行简要分析，并对其在修复重金属污染、土壤改良、绿色防病害、作物提质增效功用方面进行说明。
关键词:炭基微生物肥料;农业;应用;
0 引言
自1976年起,我国农田化肥施用总量及其施用强度均开始呈显著增加趋势,现如今已远超过有机肥料的使用量。据研究表明,截止到2020年我国化肥有效利用率已经达到40.20%,对粮食增产方面的贡献率大于40%[1]。大量使用化学肥料,虽能在一定水平上提高我国农业生产进程,但不合理以及盲目施肥引起的土壤环境失衡,致使作物耕地出现严重的酸化、板结、次生盐渍化等“病态”现象,同时,降低了化肥的增产作用[2],使土壤失衡速率加快,影响肥沃的土地正常耕作。基于此,为减少化肥施用量,保护耕地,实现绿色可持续发展,2015年起,有关化肥减量施用方面的政策于我国相继出台,如《到2020年化肥使用量零增长行动方案》《土壤污染防治行动计划》《关于推进化肥行业转型发展的指导意见》等[3],以达到控制目前化学肥料施用不合理的现状,推动肥料行业创新转型,发展绿色农业,切实保障我国农产品的质量、人居环境以及生态环境。目前,随着我国有效政策的实施和农业领域科学技术的改革与创新,许多髙效、高质、节能绿色的新型肥料逐步得到推广与实际应用。
研究发现,针对土壤修复方面,生物炭基肥料和功能微生物肥料具有较大的研究价值。张福锁等通过研究发现,生物炭基肥在农业上能够起到土壤改良、治理重金属污染土壤、作物增产提质,农民增产增收、提高肥料利用率等作用[4];微生物肥料应用到农业产出过程中,能够经其肥料中所包含微生物的生命生长运动,对土壤结构进行改良,增高其肥力,进而促进粮食产量增加,同时减少化学肥料施用量,达到改善作物所需生态环境的目的[5]。然而,在实际运输中,微生物肥依旧保有着肥料功效不稳固,肥料保质期短方面的问题。为攻克这一难关,各国研究者们积极找寻到了一类负载材料能够为微生物的存活提供适宜环境,生物质炭以其独特的理化性质逐渐得到关注,自此,炭基微生物肥料得到发展。
1 炭基微生物肥料解析
1.1 炭基微生物肥料定义
目前针对炭基微生物肥料的定义尚不明确。2015年起,我国主要以“生物炭固定微生物”“生物炭-微生物复合材料”等为目标,开展炭基微生物肥料的研究工作。生物炭来源广、价格低,从物理性质来看其比表面积较大且孔隙结构丰富、吸附能力强[6];化学性质方面,生物炭表面所富有的官能团以及表面电荷同样使其具有较高的阳离子交换量,吸附性能更加显著,牢牢将微生物固定在上面,为微生物提供适宜的生存环境[7]。微生物在与土壤养分“互动”的过程中,对土壤环境提质方面施展着重大作用,可增进土壤内部养分之间循环转化,提高耕地土壤肥力[8]。微生物与生物炭联合共施,不仅具备一定的缓释功能,还使得养分利用变得更加高效,减弱因不合理施用化肥料而连带产生的各项环境问题,提高肥料养分利用率,减少化肥使用[9];基于生物炭的特殊结构与微生物对土壤的改良作用相结合,能够更好地修复土壤,调节土壤中的菌群环境,菌落结构等具有良好的生态意义,实现减肥、高效与环保[10];调查研究发现,将生物炭作为固定化载体,能够发挥生物炭本身的土壤改良作用,利于微生物生长,在一定程度上去除重金属含量,提高土地种植能力,改善土壤环境,促进植物生长,为后期研究制备炭基微生物肥料提供坚实的理论基础。
1.2 炭基微生物肥料分类
当前,市面上的炭基微生物肥料多为复混肥。通过复混肥成分可分为4种类型:“生物炭+微生物肥”“生物炭+微生物肥+无机肥”“生物炭+微生物肥+有机肥”“生物炭+微生物肥+无机肥+有机肥”。有机肥主要为畜禽粪便;无机肥即氮、磷、钾肥等化学肥料;每种类型下制取生物炭的原料也存在差异,如农作物秸秆、竹子、水稻壳、树叶、花生果壳、野生植物、杂草、藤蔓、瓜蔓、畜禽粪污等。同理,每种类型下添加的微生物种类也存在差异,目前常见的炭基微生物肥多以仅添加生物炭或生物炭加单一微生物菌剂为主,其中使用频次较高的前10位菌种中芽孢杆菌属的施用率占据约75%。伴随着进一步研究,现有时科生物科技(上海)有限公司生产的竹满作碳能微生物菌剂登记的有效菌种即包含胶冻样类芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌2种微生物菌剂;沈阳农业大学申请的发明专利也包含木霉菌剂、EM菌剂、芽孢杆菌混合菌(枯草、甲基营养型芽孢杆菌)3种微生物菌剂。随着研究的不断深入,未来有关于炭基微生物肥料领域的研究也会愈加丰富。
1.3 炭基微生物肥料的制备方法
炭基微生物肥料制备工艺分为以下5种类型,其中吸附法、包埋法、混合造粒法应用范围较广。
1.3.1 掺混法
用机械混拌的方法,将生物炭和微生物菌剂、有机肥、无机肥料按照预先验证好的营养成分比例,生产出包含多种营养成分的混合炭基微生物肥料品种,是最为直接的制备方法。
1.3.2 吸附法
利用生物炭表面丰富的官能团以及表面电荷吸附溶液中的养分及微生物细胞,是一种相对简单、常见的制备方法,细胞通过范德华力、离子键和共价键等多种相互作用与生物炭载体表面结合,制备而成的炭基微生物肥料,并也因此衍生出了生物炭固定化微生物技术。
1.3.3 包埋法
用天然和合成聚合物包埋微生物合成聚合物包埋载体,外面再用生物炭将聚合物包埋载体包裹速效性颗粒而成的肥料,能够达到缓释的效果。
1.3.4 混合造粒法
将生物炭、有机肥、无机肥粉末在干燥状态下添加微生物菌液,在砖台上搅拌成团粒使之均匀分布或挤压造粒成型,制成炭基微生物肥。
1.3.5 共发酵法
生物炭、微生物、有机质共发酵或者生物炭、菌剂共发酵制备炭基微生物肥料。
2 炭基微生物肥料的功用
2.1 修复重金属污染
“十三五”规划时期,我国重金属污染土壤防控举措取得积极成效。但在一些地区,重金属污染土壤问题仍然突出,已然成为制约我国农业可持续发展的紧要因素,威胁着人民群众身体健康和自然生态环境安全,有学者利用生物技术手段将结核杆菌与茶叶生物炭固定造肥施入土壤,研究结果证实,低浓度的茶叶生物炭可以削弱镉对植物、土壤微生物的毒性,提高镉污染沉积物中的植物修复效率。经不断试验研究发现,基于固定化技术将耐铜菌株固定于生物炭上制备炭基微生物肥料,对土壤铜污染存有显著去除效果,可明显改善土壤基础理化性质。其中,也不乏运用吸附包埋结合的方法探究矿物-生物炭固定化微生物制肥,研究去除土壤中Cr(Ⅵ)的效果,研究结果表明,去除率均在40%以上,比游离菌高出30%左右。综合分析,炭基微生物肥料效果可见一斑,但重金属污染土壤的修复治理依然任重道远。
2.2 培肥改良土壤
我国作为人口大国,对粮食需求也是与日俱增,化肥能够促使粮食增产,但施用过量引起的耕地污染问题也逐渐引起人们关注,为实现可持续发展,土壤的修复改良便成了重中之重。研究人员通过大量试验,有将生物炭基微生物菌剂应用在苏打盐碱土中,研究其改良效果,结果证实,生物炭基复合菌剂组培养出的水稻的株高和根长均得到提高,鲜重呈显著增加趋势,对比较对照组效果十分明显;也有研究利用生物炭固定化微生物,结果表明,固定化菌剂可有效提高石油烃污染土壤酶的生物活性;浙江师范大学采用混合造粒法制备稻壳炭基微生物肥料,研究发现该肥料不仅能够提高土壤养分含量,还能有效降低小白菜硝酸盐含量;东北农业大学采用吸附法固定微生物于生物炭上研究不同浓度DEP在黑土中残留量的变化,结果表明,固定化材料的添加能够促进黑土中DEP的降解。针对竹炭固定微生物开展研究,证明固定化菌剂能够降低钠离子含量的同时提高土壤钾离子、钙离子、有效磷、有机碳和碱解氮含量。综上所述,生物炭与微生物的结合能够对土壤环境起到改良作用,提升土壤肥力。
2.3 绿色防控病虫害
病虫害防控一直以来都是农作物生产过程中关注的要点。肥料作为农业丰产丰收的基础,能否达到绿色防病害的要求不仅关系到农作物产量还涉及到粮食安全问题。随着研究人员的不断探索、改进及创新,现有的防治措施中,生物防治以其成本低、环境污染小、节约能源、对人畜无害等特点得到广泛运用。研究者以生物炭为负载体,将能满足特定要求的微生物与动植物残体共发酵加工成的炭基微生物肥料替代部分化肥培育生菜,结果表明,施用炭基微生物肥料可有效降低植株软腐病发率及死株率。也有研究证实,生物炭-微生物复合生化材料在镉老化土壤中的生物修复和土壤微生态性能发现新型生物材料的想法可以促进农业进步、植物生长和抑制植物病害。同时也说明针对炭基微生物肥料的研究具有一定的现实意义,能够在作物生长过程中起到一定的支持作用。
2.4 作物提质增效
在农业科学技术不断发展的背景下,人们对生活质量的需求提高,对粮食作物的质量要求也与日俱增。作物施肥能够能够满足人们日益增长的需求,炭基微生物肥料同样也能满足这一点。现有一种含解淀粉芽孢杆菌的生物炭基微生物肥料,就能对盆栽黄瓜植株的生长产生有优异的促进作用;湖南农业大学通过对比生物炭固定化微生物与单独施用生物炭种植冬油菜相比,冬油菜株高、根长和生物量以及根活力、叶绿素含量均有所增加;甘肃农业大学有研究发现,相比于单一施用生物炭或者单一施用微生物,将生物炭和微生物搭配使用不仅提高了植物对养分的吸附,还能作为土壤改良剂降低植物对铬的吸收。植株生长过程中能够趋利避害,农作物质量升高,炭基微生物肥料的优越性也从正面得到了认证。
3 结语
目前,我国炭基微生物肥料处于初步发展阶段,在实际推广运用的过程中仍存在诸多阻碍。首先,作为一种新兴肥料,其研究所需的周期较长,成为了其发展迟缓的原因之一。其次,肥料普及推广范围较低,人们对炭基微生物肥料的使用以及了解程度不高,持有观望态度。后续还需大量实地验证,加强相关人才培养引进,早日将炭基微生物肥料运用到日常生活中,达到提升作物经济效益的同时,实现农业的可持续发展。
参考文献
[1] 陆钰凤，刘进，许庆.中国化肥减量政策变迁及其内在逻辑[J].农业经济问题，2022(9):74-85.
[2] 靳芙蓉.新型肥料的发展趋势和存在的问题[J].青海农技推广，2018(1):83-86.
[3] 祁梦菲.新时期化肥农药减量增效的路径研究[J].新农业，2022(3):20.
[4] 史常亮，朱俊峰.我国粮食生产中化肥投入的经济评价和分析[J].干旱区资源与环境，2016,30(9):57-63.
[5] 吴建富，施翔，肖青亮，等.我国肥料利用现状及发展对策[J].江西农业大学学报，2003(5):725-727.
[6] 陈伟.基于生物炭选择与氧化改性的蛋鸡粪堆肥有害气体减排技术研究[D].广州：华南农业大学，2016.
[7] 武爱莲，丁玉川，焦晓燕，等.玉米秸秆生物炭对褐土微生物功能多样性及细菌群落的影响[J].中国生态农业学报，2016,24(6):736-743.
[8] 丁琰.微生物肥料研究及其在耕地质量提升中的应用前景[J].农业开发与装备，2021(7):103-104.
[9] 石丽芳，吝美霞，李法云，等.生物炭固定化微生物对石油烃污染土壤酶活性与修复效果的影响[J].应用技术学报，2021,21(4):382-388.
[10] 索桂芳炭基微生物肥料的制备与应用[D].金华:浙江师范大学，2018.
热门排行
