硅酸盐细菌对含钾矿粉和土壤的解钾作用研究进展

文章编号:1004—5570(2000)01—0077—05
硅酸盐细菌对含钾矿粉和土壤的
解钾作用研究进展
Ξ
龙　健1,李　娟1,龙明兰2,钱晓刚3,曹文藻3
(11贵州师范大学资源与环境科学系,贵州贵阳　550001;21贵州省锦屏县农业局,贵州锦屏　556700;31贵
州大学农学院农学系,贵州贵阳　550025)
摘要:综述了硅酸盐细菌对含钾矿粉和土壤的解钾作用研究进展,并指出硅酸盐细菌剂及其它细菌肥料在农业生产应用研究的误区。

同时结合我们自己的实验结果,试图提出硅酸盐细菌肥料在农业生产上增产效果不稳定的原因和解决方法。

关键
词:硅酸盐;细菌;矿物;土壤;钾
中图分类号:S14419 文献标识码:A
R ole of silicate b acteria in releasing potassium from minerals and soils LON G Jian 1,L I J uan 1,LON G Ming -lan 2,Q IAN Xiao -gang 3,CAO Wen -zao 3
(1.Department Resource and Environment ,Guizhou Normal University ,Guiyang 550001,China ;2.Agriculure Bu 2reau ,Jinping 556700,China ;3.Department Agronomy Guizhou University ,Guiyang 550008,China )
Abstract :This article reported the progresses in the research about the role of silicate bacteria in re 2leasing potassiun from minerals and soils ,and pointed out the misleading and resoluions of the re 2search in silicate bacteria fertiliuzers and other bacteria fertiliers aplication in the agriculture produc 2tion.In relation with our experiment results ,we tried to point out the reasons that silicate bacteria fertiliers application effects were unstable in agriculture production and offered the effective way of solving it.
K ey w ords :silicate ;bacteria ;minerals ;soil ;potassium
土壤中蕴藏着丰富的磷钾矿物,只是由于它们
主要呈稳定的铝硅酸盐和磷灰石状态,不能直接为作物吸收利用。

因此,研究如何从这些广泛分布的土壤矿物中释放出可给态的磷钾元素供给作物利用,具有很大的科学和实践意义[7]。

前苏联地质学家威尔纳德斯基院士(1927,1934)曾指出,硅铝酸盐等稳定矿物在地表的只可
能是硅酸盐细菌等活的有机体直接作用的结果。

土壤学家威廉斯院士提出了物质的生物循环在成土过程中的主导作用的概念。

近代的土壤学家波列罗夫(1934),科夫达(1956)及微生物学家克拉柯夫在著作中曾指出了微生物在岩石风化和土壤形成过程中的重要作用。

近来,这一系列的概念已为前苏联农业生物学界所接受,李森科院士在这一
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7Ξ
收稿日期:1999—06—30
基金项目:贵州省自然科学基金资助项目
　第18卷第1期2000年2月 贵州师范大学学报(自然科学版)Journal of Guizhou Normal University (Natural Science )
Vol.18.No.1
Feb.,2000
基础上提出了土壤营养的生物学说。

根据这一学说,土壤微生物在植物营养中的作用是把不适于植物吸收状态的无机、有机成分和物质转化成适于吸收的状态。

自然界中有许多微生物能在土壤中起着提高土壤肥力和改善植物营养等方面的作用。

微生物在土壤矿物质中转化的重要作用已有许多报道。

微生物是土壤的活跃成分,在土壤肥力的形成和发展、植物营养元素的转化与供应等许多方面起着不可替代的作用。

特别是细菌和真菌在调节土壤元素的有效性方面起着重要的作用。

1　硅酸盐细菌的发现
在自然界中天然存在着一类微生物能够分解硅酸盐类并释放可溶性钾到土壤溶液中为植物所利用[1,11,12]但能进行这类作用的土壤微生物并不多。

1912年巴撒立克(Bassalik.K)从蚯蚓肠中分离出一种能分解硅盐的细菌,1939年前苏联学者亚历山大罗夫(B.Г.Aл.ексадиро)和扎克(Г.АЗ.ак)[1,11,12]直接从土壤中分离得到这种细菌,并将其命名为硅酸盐细菌(S ilicate bacteria)。

B.Г.Алексадиро最初定名为胶质芽孢杆菌的一个变种(B acill us m ucilagi nous siliceus),后来又陆续记载有B ac.gom meux、B ac.Krzemieniews2 ki、B ac.ci rculans、B ac.siliceus等,实际上它们还是同一个亚种的不同类型[15]。

这类细菌又称为钾细菌(Potassi um bacteria)[7]。

在伯捷氏手册中称为环状芽孢杆菌(Bacilluscirculans)[17]。

在我国分布很广,各地土壤中经常发现[7]。

前苏联土壤学家(Новоросова,Ремезов,Сушкина;1947)在研究灰壤形成过程中也发现了一种能释放复杂硅酸盐矿物中钾素的细菌。

1940年,波兰学者K leczokowska[15]也从土壤中分离一种新的可产生明胶状物质的有机体,并对这种有机体的荚膜性质及成分作了比较系统的研究。

同时,K leczokowska和另两位学者Norman and Sineszko对这种有机体进行了一些微形态和生理形态上研究,并把这种有机体称之为Bacillus Krzemieniewski,指出这种有机体最为显著的特征是可在不同的碳水化合物培养基中形成一层厚的、明胶状的荚膜。

从耕作土中,用Winogradsky A2 zobacter方法也分离到了这种细菌,对其形态特征和生理生化特征进行了系统的研究,并怀疑其有固氮作用。

2　硅酸盐细菌的研究历史
最初有目的和系统的进行这一研究的是前苏联学者В.Г.Алексадиров[1,12,13]。

1950年,В.Г.Алексадиров从黑钙土和灰钙土中分离出能破坏硅酸盐矿物的细菌,他指出这种细菌能利用磷灰石中磷素来固定大气氮素。

同时,也进行了盆栽试验,表明硅酸盐细菌有活化土壤钾素,增加作物产量的效果。

并把这种细菌命名为硅酸盐细菌(B acill us m ucilagi nosus sub sp.nova.siliceus)。

范云六也从施用混合肥料后的土壤中分离出硅酸盐细菌,并对分解磷矿石的能力进行试验。

1955年,陈延伟也从小麦根际土壤的分离培养中分离出无色透明、凸起菌落的硅酸盐细菌。

但是,有关硅酸盐细菌能否分解磷钾矿物,是否具备这种能力,从发现硅酸盐细菌以来在学术界就一直存在着争论[5,9,19]。

В.Г.Алексадиров在指出硅酸盐细胞具备这种能力的同时,前苏联科学院院士、著名土壤微生物学家,E.H.米舒斯金(1987)对硅酸盐细菌是否具有真正分解长石释放钾的能力作了评价,为了使钾能从硅铝酸盐中释放出来以改善植物营养,Алексадиров提出利用芽孢细菌(B acill us m u2 cilagi nosus)作为硅酸盐细菌剂(即生物钾肥)来达到这一目的。

根据生产试验,这种细菌所带来的增产效果是不大的,而且是很不稳定的,因此未能推广应用。

早在1959年,R.Cooper(Rothamsted Ex2 perimental Station)等曾对苏联考察后,对硅酸盐的作用和效果就提出了怀疑。

在60年代初期,我国几位学者对硅酸盐细菌进行了比较系统的研究。

陈廷伟,陈华葵[8]都曾对硅酸盐细菌的形态生理及其对磷钾矿物的分解能力作了系统、全面的研究。

指出硅酸盐细菌在以长石、云母及土壤矿物为钾源的培养液中生长得很好。

接种硅酸盐细菌的样品比对照的培养液水溶性钾含量增加25%～87%,因而认为对提高土壤肥力是有重要意义的。

而马麟祥、叶维青,也从棉田土壤中分离出类似于В.Г.Алексадиров原报告中菌株的硅酸盐细菌,并对其作了实验室培养和盆栽试验的研究。

得出的结论是,硅酸盐细菌可以在无任何钾源的培养基中生长,但未能确定它们是否具备分解长石的能力,实验中并未发现有分解硅酸盐矿物的作用。

这是一对互相矛盾的结论。

近年来,对硅酸盐细菌解钾
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的报道已不多见。

3　硅酸盐细菌的研究现状
目前研究和应用的硅酸盐细菌大致有以下2种:一类是硅酸盐形态的硅酸盐细菌,这类硅酸盐细菌分离得比较早,对它的研究也比较深入,目前研究和应用的硅酸盐细菌大多是属于这一类;另一类硅酸盐细菌是非硅酸盐形态的,这是近几年经筛选获得的,目前还在进一步研究之中[3]。

我们研究的对象是硅酸盐形态的硅酸盐细菌。

该细菌主要对磷钾等矿物元素有特殊利用能力[6,9]。

近年来的一些研究表明硅酸盐细菌能够分解象长石、云母等硅酸盐类的原生态矿物,可以使难溶于水的钾转化为植物吸收利用的有效钾,同时还能分解土壤和矿物中难以被植物吸收利用的无效磷成为有效磷,并有微弱的固氮能力。

但Мишустине[13]等人认为硅酸盐细菌的作用是刺激作用,其为农作物补充钾元素营养是微不足道的。

李凤汀等也发表论文指出他们分离的硅酸盐细菌HM8841菌株有解钾能力,并对农作物表现出较好的增产效果。

对硅酸盐细菌钾的研究,大致可分为4个方面,或4个阶段:一是解钾的效果研究;二是解钾的条件包括土壤条件和环境条件的研究;三是解钾的机理研究;四是实际投入运用的研究。

硅酸盐细菌解钾的效果研究中,首先必须要选出一些解钾能力强的菌株。

目前,国内外的研究大都停留在这一阶段。

20世纪60年代,吴衍庸进行了硅酸盐细菌在含钾矿物丰富的紫色土矿粉培养基上的研究,培养3d,解量提高4d,接种硅酸盐细菌的处理比对照的有效磷、有效钾分别高出218～319mg/kg和1010mg/kg;袁宝生(1992)介绍硅酸盐细菌在纯培养条件下,15d后可从正长石中分解12%的钾, 30d可双黑云母中释放出5112%的氧化钾;薛智勇等人作了硅酸盐细菌的筛选和作用效果试验,研究表明,K55-2和129-12菌株能释放速效钾519～6179mg/kg,同时表明硅酸盐细菌具有解磷和解钾的能力。

Zahra(1984)作了土壤接种硅酸盐细菌的作用研究,结果表明硅酸盐细菌在土壤生物风化中起了显著作用;Monib在加了磨细正长石和云母的培养基中接种硅酸盐细菌,结果表明硅酸盐细菌可促进钾离子和硅离子的溶解,特别对后者溶解更易。

Broun(1974)和Jouph(1989)分别总结了1974以前、1974至1989年世界各国科学家进行的田间试验研究,包括一些具有统计意义的和典型的研究,肯定了正效果,但不稳定,如接种芽孢杆菌后,从减产6%到增产43%。

Broun和Jouph的结论说明了硅酸盐细菌解钾研究的现状,有正效果,但不稳定。

因此,多数国内的研究者把精力放在了硅酸盐细菌的筛选上,希望能够找到一种高效的菌株,但至今仍然缺乏权威报道,甚至有人认为,细菌肥料的不稳定性是其固有的特性。

近几年,我国土壤学家、土壤微生物学家开始对硅酸盐细菌能否分解利用硅酸盐矿物的这一能力提出了怀疑甚至否定的结论[4]。

著名微生物学家、华中农业大学李阜棣教授等人在其发表的文章中明确指出他们实验室进行的多次实验也未发现该菌具有分解钾长石的能力,因此把这种菌称为“硅酸盐细菌”或“钾细菌”是没有根据,用它来制造的所谓“硅酸盐细菌肥料”或“生物钾肥”也是名不符实的。

并对此作了概括性的总结,指出了我国50年代的几位土壤微生物学家[8]对该菌分解长石的能力的研究结果有测试方法上的误差,因当时研究条件的限制,他们采用的是亚硝酸钴钠重量法进行测定。

而该法的测定极限不能低于5mg钾,最小误差为115%,也就是说只有在样品中达到5万mg/L钾以上时才能采用该法。

该文数据大大低于允许的误差范围,应提出否定结论。

4　生物钾肥在农业生产中的应用及误区
微生物肥料(接种剂)是一类含有活微生物的特定制品,应用于农业生产中能获得特定的肥料效应,在这种效应的生产中,物品中活微生物起着关键的作用。

硅酸盐细菌制剂,又称生物钾肥,是当前在某些范围内宣传较多的一种菌肥。

首先应提出,微生物肥料不是“新生事物”。

我国的研究和应用已有近50年历史。

微生物肥料是不可以或将取代化肥的,目前尚未见到可取代化肥的证据。

微生物肥料的“核心”是什么?是产品中活的、经人工选育的、有效的活的微生物。

它们的数量和效力才是该产品效果的关键。

有效活菌的数量降低到一定程度时,田间效应也就丧失。

任何以“知识产权”、
“技术秘密”为借口拒绝监督是不能允许的。

不一定“有用”就是“合格产品”。

应先要
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分清“有用”是谁的“用”,是产品中活的有效菌的作
用还是产品中各种添加剂的作用要分清。

因为不规范的田间试验常常可以产生误差。

在20世纪50年代,使用硅酸盐细菌制剂(即生物钾肥)来提高农作物的增产效果。

在国外,尤其在前苏联早已有不少报道并开展广泛研究。

20世纪50～60年代我国也有资料证明这种细菌还有防治多种作物病害的效果。

中国农科院土壤肥料研究所在1955～1957连续3年的棉花盆栽试验证明,接种硅酸盐细菌可以获得20%以上的增产效果。

根据四川农业厅试验小组的研究,用硅酸盐细菌接种可使大豆增产13108%,红薯增产5119%。

据T.Фёдотова的报道,硅酸盐细菌不但能提高土壤的肥力,为其它有益微生物创造有利的发育条件,并能减轻植物的病害。

Л.H.鲁班契克指出施用这种细菌可使土壤中的有效钾、磷和氮的含量得到增加,并使植物的感病率降低。

В.Г.Алексадиров,Мурмонев[1,11,12]也在盆栽和田间试验中指出,含这种细菌制剂能提高某些作物的收获量。

ЗАК[11]也进行了试验,得到了当硅酸盐细菌剂和磷细菌剂共同使用时能提高某些生物产量的结果。

T.费条托娃(1955),Н.Г.菲尔索夫(1958)也得出了同样的结论。

而叶维青等人认为,对于小麦、水稻、马铃薯和玉米等作物的接种试验结果表明,除玉米外都增加了产量。

但它们的增产作用并不是因为增加了土壤中的钾肥,盆栽试验也说明了这一点。

并指出它们的增产作用可能和它们能合成维生素类、生长刺激素类物质有关。

郝余祥等在文中指出,施用硅酸盐细菌后,土壤有效磷、钾含量显著增多,作物植株中的钾含量相应提高,但文中并未提供任何数据。

土壤有效磷、钾含量显著增多,作物植物中的钾含量相应提高,但文中未提供任何数据。

刘仲敏,曹友声等也指出施用硅酸盐细菌的玉米从土壤中多吸收钾素3～4倍,多吸收灰分元素50%以上。

但所有这些报道,都很少见到具体的实验数据。

薛智勇等在1996年,也报道硅酸盐细菌不仅具有解钾能力,而且具有一定的解磷和解硅能力,并指出其固氮作用不明显,得出了甘薯接种硅酸盐细菌增产6195%～10127%的结论。

钱非凡等人也认为生物钾肥在油菜上施用表现出良好的使用效果。

综上所述,对硅酸盐细菌制剂的推广应用,仍然须作大量的基础研究,才能避免在实际生产的盲目性。

5　小结
511　据我们的实验结果未能充分肯定硅酸盐细菌具有分解含钾矿物的能力,甚至可以否定这种作用。

该菌可以在无任何钾源的培养基中生长。

硅酸盐细菌如果既不需要钾或者说只需痕迹量的钾,那么它们分解含钾矿物的能力是值得进一步研究的。

特别是Алексадиров的原报告,对如何鉴定分解含钾矿物的性能也不十分明确。

而后来曾研究Алексадиров菌株的生理学的学者[14],虽然对硅酸盐细菌生理特征记述详细,但也并未提出它们分解钾矿物的任何数据。

512　如若说硅酸盐细菌具有分解微量的含钾矿物的能力,那么这种能力也是很有限的,且很不稳定,尚需作进一步的研究。

513　土壤经硅酸盐细菌的培养30d后,速效钾含量有一定的增加,但增加的幅度较小,并且很不稳定。

514　不同硅酸盐细菌的不同种之间对含钾矿物的分解能力可能是不一致的。

因此,在今后的研究中,应把主要的精力放在硅酸盐细菌的筛选上,希望能找到一种高效的菌株分解含钾矿物。

515　将经培养后的含钾矿物进行X—射线衍射分析,分析结果表明,矿物的晶格结构几乎未发生的变化。

说明硅酸盐细菌对硅酸盐矿物在微结构上并未对其产生破坏性的作用。

对含钾矿物的解钾钾能力没有得到体现。

516　生物钾肥(硅酸盐细菌制剂)的盆栽试验结果表明,生物钾肥的效果与施N、P处理相关不大,而与施用N、P、K的处理差异显著,但明显低于施N、P、K的处理。

不同生物钾肥的施用量之间差异也不显著。

这说明了用硅酸盐细菌来制造的“生物钾肥”是名不符实的[5]。

微生物肥料是不可能取代化肥的,只要目前尚未见到可以取代化肥的证据。

因为施用的少量菌肥只是起到接种的作用,它不是直接为植物提供养料,而是靠它们在土壤中大量繁殖,进行物质转化才有可能起到供肥的作用。

正如葛诚等人指出,微生物肥料的核心是产品中经人工选育的、有效的活的微生物,它们的数量和效力才是产生效果的关键。

因此,在认识微生物肥料的肥效时,一定要分清是产品中的有效菌的作用还是产品中各种添加剂的作用。

因为不规范的盆栽试验和田间试验常常可以产生误差。

如果产品中的菌
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都没有或者对分解难利用性钾的能力不稳定,那么用这种菌来制造微生物肥料是没有根据的。

硅酸盐细菌在无机营养和代谢活性等方面有独特的性质[17],能否产生植物刺激素等生理活性物质,值得进一步研究。

517　生物钾肥在实际生产应用中,它们的增产作用显然不是因为增加了土壤中的可利用性钾含量,盆栽试验也说明了这一点。

它们的增产作用可能和它们能合成的维生素类、生长激素类物质及添加剂有关。

并且在自然条件下,微生物极易受到环境条件的影响,这是当前微生物肥料必须认真解决和认证的问题。

518　硅酸盐细菌制剂存在着一个很大的问题,实际应用效果不稳定,难以真正在生产中发挥作用。

Joseph(1989)指出,导致效果不稳定的原因有土壤、作物的土壤中原有微生物的共同影响,以及各因素之间的相互作用。

然而,国内外有关这方面的研究仍然是空白,正如李阜棣(1993)所述,“当今出现了名目繁多的微生物肥料,但从未见过有关其作用和效果的微生物学基础研究方面的学术论文和严格的田间试验报告”。

从自然界土壤分离出来的硅酸盐细菌,不应当只从它能分解硅酸盐矿物,释放钾来考虑其作用。

还应当考虑到,硅酸盐细菌作为一种根际微生物,它在植物———微生物系统中的作用还受到许多因子的影响,而且作为根际微生物本身,它还会对植物产生各种作用。

如影响营养的有效性和吸收,影响植物病原体的活动和病害,代谢产物对植物生长有影响等。

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