種類(lèi)

人們?cè)?0世紀(jì)初開(kāi)始注意到微生物與土壤磷之間的關(guān)系。Sackett（1908年）發(fā)現(xiàn)一些難溶性的復(fù)合物施入土壤中，可以被作為磷源而應(yīng)用，他們從土壤中篩選出50株細(xì)菌，其中36株在平板上形成了肉眼可見(jiàn)的溶磷圈。1948年Gerretsen發(fā)現(xiàn)植物施入不溶性的磷肥，經(jīng)接種土壤微生物后，促進(jìn)了植株的生長(zhǎng)，增加磷的吸收。他分離出了這些微生物，發(fā)現(xiàn)這些微生物可幫助磷礦粉的溶解。從此，許多科學(xué)家致力于解磷菌的研究，相繼報(bào)道了許多微生物具有解磷作用。

具有解磷作用的微生物種類(lèi)很多，也比較復(fù)雜。有人根據(jù)解磷菌分解底物的不同將它們劃分為能夠溶解有機(jī)磷的有機(jī)磷微生物和能夠溶解無(wú)機(jī)磷的無(wú)機(jī)磷微生物，實(shí)際上很難將它們區(qū)分開(kāi)來(lái)。報(bào)道具有解磷作用的微生物解磷細(xì)菌類(lèi)有芽孢桿菌（Bacillus）、假單胞桿菌（Pseudomonas）、歐文氏菌（Erwinia）、土壤桿菌（Agrobacterium）、沙雷氏菌（Serratia）、黃桿菌（Flavobacterium）、腸細(xì)菌（Enterbacter）、微球菌（Micrococcus）、固氮菌（Azotobacter）、根瘤菌（Bradyrhizobium）、沙門(mén)氏菌（Salmonella）、色桿菌（Clromobacterium）、產(chǎn)堿菌（Alcaligenes）、節(jié)細(xì)菌（Arthrobacter）、硫桿菌（Thiobacillus）、埃希氏菌（Escherichia）；解磷真菌類(lèi)有青霉菌（Penicillium）、曲霉菌（Aspergillus）、根霉（Rhizopus）、鐮刀菌（Fusarium）、小菌核菌（Sclerotium）；放線菌有鏈霉菌（Streptomyces）；AM菌根菌。

生態(tài)分布

解磷菌在土壤中的數(shù)量及生態(tài)分布，受土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量、土壤類(lèi)型、耕作栽培方式的影響。尹瑞玲（1988年）對(duì)我國(guó)旱地土壤溶磷微生物的研究表明，溶磷微生物平均約為10 CFU/g土，占整個(gè)土壤微生物的27.1%~82.1%。其中以細(xì)菌所占比例最大。溶磷微生物數(shù)量因土壤而異，黑鈣土>黃棕壤>白土>紅壤>磚紅壤>瓦堿土。在黑鈣土中解磷菌以芽孢桿菌和假單胞桿菌為主，而黃棕壤和紅壤中的解磷菌種類(lèi)繁多。林啟美（2000年）等調(diào)查農(nóng)田、林地、草地和菜地等4種不同土壤生態(tài)環(huán)境中解磷菌數(shù)量和種群結(jié)構(gòu)時(shí)，發(fā)現(xiàn)前3種土壤中的有機(jī)磷細(xì)菌只有菜地土壤的1/10，但農(nóng)田土壤中解磷細(xì)菌的總數(shù)所占比例并不低。耕地土壤有機(jī)解磷菌主要是芽孢桿菌屬，林地和菜地則主要是假單胞桿菌屬；無(wú)機(jī)磷細(xì)菌種類(lèi)比較少。羅明（2001年）等人研究了不同施肥措施對(duì)新疆地區(qū)棉田土壤磷細(xì)菌的影響結(jié)果表明，有機(jī)肥與N、P、K化肥合理的配施能有效促進(jìn)磷細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖?；手幸缘实拇龠M(jìn)作用最為顯著。

解磷菌在植物根圈不同區(qū)域的數(shù)量分布表現(xiàn)出強(qiáng)烈的根際效應(yīng)。即根際土壤的數(shù)量要比非根際高的多。Katznelson(1962年)對(duì)從小麥根圈解磷細(xì)菌的分布研究表明，從根面上分離的磷細(xì)菌的數(shù)量要比非根際土和根際土區(qū)高18倍和6倍。林啟美和趙小蓉研究結(jié)果也表明小麥和玉米根際土壤解磷菌數(shù)量要比非根際高1~2個(gè)數(shù)量級(jí)。解磷菌表現(xiàn)出的強(qiáng)根際效應(yīng)可能與根圈磷素營(yíng)養(yǎng)虧缺誘導(dǎo)有關(guān)，但由于根圈微生物的群落結(jié)構(gòu)受根系分泌物及根脫落物的影響，導(dǎo)致不同植物根圈微生物的組成差別很大，這種作用也影響解磷菌的群落組成。Sundara Rao 和Sinha（1963年）發(fā)現(xiàn)小麥根際解磷菌主要為芽孢桿菌和埃希氏菌屬；Elliott（1987年）報(bào)道春小麥根際解磷菌主要是芽孢桿菌、假單胞桿菌和鏈霉菌；趙小蓉報(bào)道夏玉米收獲時(shí)期根際有機(jī)磷細(xì)菌主要是假單胞桿菌和黃桿菌屬，無(wú)機(jī)磷主要是歐文氏菌屬；Paul和Sundara Rao（1971年）發(fā)現(xiàn)豆科植物根際解磷菌主要是芽孢桿菌。

解磷作用及機(jī)理

測(cè)定微生物是否具有解磷能力一般有3種方法，一是平板法，即將解磷菌在含有難溶性磷酸鹽或有機(jī)磷的固體培養(yǎng)基上培養(yǎng)，測(cè)定菌落周?chē)a(chǎn)生溶磷圈的大小；二是液體培養(yǎng)法，測(cè)定培養(yǎng)液中可溶性磷的含量；三是土壤培養(yǎng)，測(cè)定土壤中有效磷含量。

繼Gerretsen之后，Sperber對(duì)細(xì)菌解磷進(jìn)行了深入的研究。Sperber從土壤中分離出291株細(xì)菌，其中184株能夠生長(zhǎng)在含有難溶性磷酸鹽的平板上，84株在菌落周?chē)a(chǎn)生1~10 mm的溶磷圈。尹瑞玲（1988年）測(cè)定了從土壤中分離出的265株細(xì)菌溶解摩納哥磷礦粉能力，發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)6 d（28 ℃）后，溶磷能力平均為2~30 mg/g，其中44株巨大芽孢桿菌、節(jié)桿菌、黃桿菌歐文氏菌及假單胞桿菌解磷最強(qiáng)，達(dá)25~30 mg/g。Sundara Rao等（1963年）利用磷酸三鈣作為磷源，經(jīng)14 d的液體培養(yǎng)后，發(fā)現(xiàn)幾株芽孢桿菌解磷能力達(dá)70.52~156.80 mg/ml。Paul和Sundara Rao測(cè)定從豆科植物根際分離出來(lái)的幾株芽孢桿菌溶解磷酸三鈣的效率高達(dá)18%，其中解磷能力最強(qiáng)的是巨大芽孢桿菌（Bacillus megaterium）。Molla和Chowdhury（1984年）也報(bào)道了不同的解磷菌株之間在解磷能力上的差異。另外，林啟美和趙小蓉（2001年）將纖維素分解菌康氏木霉W9803Fn（Trichoderma konigii）、產(chǎn)黃纖維單胞菌W9801Bn（Cellulomonas flavigena）與無(wú)機(jī)磷細(xì)菌2VCP1共培養(yǎng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，纖維素分解菌的分解作用，為無(wú)機(jī)磷細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖提供碳源，提高了無(wú)機(jī)磷溶解磷礦粉的能力。邊武英（2000年）等人研究了高效解磷菌（PEM）對(duì)針鐵礦-磷復(fù)合體吸附磷的活化作用，結(jié)果表明PEM能有效地利用礦物吸附磷，微生物利用率和轉(zhuǎn)化率分別達(dá)到57.5%和61.7%，均明顯高于一般土壤微生物。

解磷真菌在數(shù)量上遠(yuǎn)不如解磷細(xì)菌多，其種類(lèi)也少，主要局限于青霉（Penicillium）、曲霉（Aspergillus）、鐮刀菌（Fusarium）、小絲核菌（Sclerotium）等幾個(gè)屬種。由于青霉和曲霉在解磷真菌中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，故對(duì)這兩個(gè)屬真菌的解磷作用及應(yīng)用效果研究報(bào)道的較多。Kucey（1989年）從草原土中分離的解磷真菌大多為青霉和曲霉，并證明雖然解磷真菌的種類(lèi)不多，但其解磷能力通常比細(xì)菌強(qiáng)。許多解磷細(xì)菌在傳代培養(yǎng)后會(huì)喪失解磷動(dòng)能，而且一旦喪失就不能再恢復(fù)，而解磷真菌遺傳較穩(wěn)定，一般不易失去解磷功能。Kucey（1987年）、Asea（1988年）、Cerezine(1988年)、Nahas (1990年)、王富民（1992年）和范丙全（2002年）對(duì)青霉菌（Penicillium bilaii，P. oxalicum）或曲霉菌（Aspergillus niger）解磷作用都進(jìn)行了詳細(xì)地研究報(bào)道。

解磷菌的解磷機(jī)制因不同的菌株而有所不同。有機(jī)磷微生物在土壤缺磷的情況下，向外分泌植酸酶、核酸酶和磷酸酶等，水解有機(jī)磷，轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)磷酸鹽。無(wú)機(jī)磷微生物的解磷機(jī)制一般認(rèn)為與微生物產(chǎn)生有機(jī)酸有關(guān)，這些有機(jī)酸能夠降低pH值，與鐵、鋁、鈣、鎂等離子結(jié)合，從而使難溶性的磷酸鹽溶解。Sperber（1957年）鑒定了解磷細(xì)菌可產(chǎn)生乳酸、羥基乙酸、延胡索酸和琥珀酸等有機(jī)酸。Louw和Webly（1959年）則認(rèn)為微生物產(chǎn)生的乳酸和α-酮基葡萄糖酸是溶解磷酸鹽的有效溶劑。林啟美等也發(fā)現(xiàn)細(xì)菌可以產(chǎn)生多種有機(jī)酸，且不同菌株之間差別很大。趙小蓉等的研究表明，微生物的解磷量與培養(yǎng)液中pH存在一定的相關(guān)性（r =-0.732），但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)介質(zhì)pH值的下降，并不是解磷的必要條件，表明不同的有機(jī)酸對(duì)鐵、鋁、鈣、鎂等離子的螯合能力有差異。Rajan（1981年）等報(bào)道將磷礦粉、硫顆粒和一種硫氧化細(xì)菌混用，通過(guò)硫氧化細(xì)菌的作用使硫顆粒氧化成硫酸，溶解磷礦粉。

大量研究報(bào)道真菌的解磷作用與產(chǎn)生有機(jī)酸有關(guān)。王富民（1992年）等人對(duì)黑曲霉（Aspergillus niger）的研究表明，該菌在發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生草酸、檸檬酸等多種有機(jī)酸。James（1992年）研究了Penicillium bilaii溶解磷酸鈣的機(jī)制，結(jié)果證明Penicillium bilaii在培養(yǎng)過(guò)程中主要產(chǎn)生草酸和檸檬酸，且氮缺乏有利于檸檬酸產(chǎn)生，碳缺乏有利于草酸產(chǎn)生。范丙全等(2002年)對(duì)溶磷草酸青霉菌(Penicillium oxalium)溶磷效果研究表明，氮源影響草酸青霉菌產(chǎn)生有機(jī)酸的種類(lèi)，使用氨態(tài)氮時(shí)主要分泌蘋(píng)果酸、乙酸、丙酸、檸檬酸、琥珀酸，而在硝態(tài)氮條件下幾乎不產(chǎn)生這些有機(jī)酸，可見(jiàn)氮源的不同影響了有機(jī)酸的代謝方向，并且同一種菌的解磷機(jī)理可能不只一種。另外，一些解磷菌導(dǎo)致培養(yǎng)介質(zhì)酸度的提高與產(chǎn)生的有機(jī)酸無(wú)關(guān)，不產(chǎn)有機(jī)酸的微生物也具有解磷的作用，究其機(jī)制可能與呼吸作用產(chǎn)生碳酸和NH4/ H交換機(jī)制有關(guān)。研究證明微生物在攝取陽(yáng)離子（如NH4）的過(guò)程中，利用ATP轉(zhuǎn)換時(shí)所產(chǎn)生的能量，將H釋放在細(xì)胞表面，有利于有機(jī)磷的溶解，如Penicillium effuscum。對(duì)AM（Arbuscular Mycorrhiza）菌根菌促進(jìn)植物磷養(yǎng)分的吸收，促進(jìn)作物生長(zhǎng)，增加植株磷素濃度，改善植物的磷營(yíng)養(yǎng)方面報(bào)道較多。宋勇春（2001年）在缺磷土壤中施用植酸和卵磷脂時(shí)，接種幾種菌根真菌（Glomus mosseae，G. versiformea, Gigaspora margarita），對(duì)根際土壤測(cè)定表明，菌根菌增加了土壤酸性磷酸酶和堿性磷酸酶的活性；促進(jìn)了土壤難溶性有機(jī)磷有效化及玉米和紅三葉草對(duì)磷的吸收。Arihara等（2000年）對(duì)AM菌根與玉米生長(zhǎng)關(guān)系的研究表明，即使在播種前土壤中有效性磷濃度相同（土壤），玉米產(chǎn)量與AM菌根菌定植率成正相關(guān)，R=0.80。AM菌根菌促進(jìn)了植物對(duì)磷的吸收的機(jī)制主要為（1）菌根增加了植物根系吸收磷的表面，使植物可以吸收原來(lái)無(wú)法利用的磷源，并使之轉(zhuǎn)化、輸送給寄主植物；（2）菌根改變植物的生長(zhǎng)狀態(tài)，促進(jìn)根際酸性磷酸酶和堿性磷酸酶的活性提高；（3）菌根擴(kuò)大了根圈范圍，也就擴(kuò)大了磷的消耗圈。

應(yīng)用

前蘇聯(lián)孟基娜（1935年）從土壤中分離一種解磷巨大芽孢桿菌（B. megaterium var. phosphaticum）能分解核酸和卵磷脂，并于1947年大量生產(chǎn)使用，接種土壤中能提高土壤有效磷含量。我國(guó)對(duì)解磷菌的研究始于1950年，前東北農(nóng)科所于1950年從東北黑土和灰化土中分離出能分解有機(jī)磷的巨大芽孢桿菌。同年，中國(guó)科學(xué)院前林業(yè)土壤研究所從東北黑土中分離出一種假單胞菌（Pseudomonas spp.）也具有分解核酸和卵磷脂的能力。東北農(nóng)科所將巨大芽孢桿菌制成菌劑在黑鈣土和非黑鈣土上施用，不同的作物增產(chǎn)幅度不同，平均增產(chǎn)黑鈣土為13.5%，非黑鈣土為11.7%。20世紀(jì)80年代以后，國(guó)內(nèi)許多單位相繼開(kāi)發(fā)出了有多種芽孢桿菌組成的復(fù)合解磷菌制劑，但由于解磷細(xì)菌的遺傳穩(wěn)定性差，這些菌劑在生產(chǎn)上使用的效果并不理想。黑曲霉是一種解磷效果非常好的菌株，但由于它是多種植物的病原微生物，在土壤中大量存在，可導(dǎo)致種子霉?fàn)€和根系腐爛，故該菌株不宜作為解磷菌劑在土壤中直接應(yīng)用。Penicillium bilaii是另外一種解磷效果很好的土壤真菌，大量的研究表明，用P. bilaii種子處理或土壤接種提高了土壤中有效磷含量，促進(jìn)了多種作物磷吸收量增加和產(chǎn)量的提高。Gulden和Vessey （2000年）在3種磷素水平下接種P. bilaii，對(duì)在生長(zhǎng)袋中生長(zhǎng)的豌豆研究結(jié)果表明，接種處理增加根毛量22%，增加根毛長(zhǎng)度33%。Vessey和Heisinger（2001年）在加拿大的兩個(gè)地區(qū)用P. bilaii接種豌豆對(duì)其根形態(tài)、根長(zhǎng)以及根和莖的參數(shù)的研究也證明接種處理提高根長(zhǎng)48%，根重提高13%，莖部磷含量相對(duì)于無(wú)磷處理增加13%。另外還有文獻(xiàn)報(bào)道接種P. bilaii還具有一定的后效。解磷菌施入土壤后解磷作用的發(fā)揮與土壤中碳素的供給關(guān)系密切。簡(jiǎn)宜裕等（1994年）所作的解磷菌施入土壤在土壤中存活及對(duì)土壤有效磷影響的研究表明，解磷菌必須和玉米粒配合使用，才能顯著增加土壤有效磷含量。單獨(dú)增施玉米粒于土壤中雖然也可以增加土壤有效磷含量，但不如解磷菌和玉米粒同時(shí)施入土壤的效果好，土壤中碳源的增加，有利于解磷菌的生存和繁殖。可見(jiàn)解磷菌與纖維素分解菌配合施用，可能更有利于提高解磷菌的解磷效果。另外還有報(bào)道解磷菌與根瘤菌或菌根菌配合應(yīng)用，對(duì)發(fā)揮解磷功能和提高農(nóng)作物的產(chǎn)量都具有很好的作用。

意義和展望

磷是植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，作物吸收磷量與其生物量（r =0.97）和產(chǎn)量（r =0.75）呈顯著的正相關(guān)。然而由于磷固定的存在使得土壤缺磷在世界范圍內(nèi)廣泛存在，磷供給不足是世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最重要的限制因素之一。從我國(guó)情況來(lái)看，全國(guó)有74%耕地土壤缺磷，解決這一問(wèn)題不外乎兩條途徑：一是增加磷源投入，二是提高難溶性磷的利用率。從農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展來(lái)看，第一條途徑存在一定的問(wèn)題，首先，磷是一個(gè)不可再生資源，根據(jù)已探明的磷礦儲(chǔ)量和開(kāi)采速度，世界現(xiàn)有磷礦資源只能維持100年左右，而且我國(guó)磷礦資源并不豐富，且品位較低，大量的磷肥依賴(lài)進(jìn)口。其次，磷肥生產(chǎn)需要大量的硫酸或磷酸，能源消耗大，增加了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的成本。再次，高水溶性磷肥施入固磷強(qiáng)的石灰性土壤中，作物的當(dāng)季利用率一般只有5%~10%，加上作物的后效，也不超過(guò)25%。因此，大部分磷肥作為無(wú)效態(tài)（難溶態(tài)）在土壤中積累。據(jù)報(bào)道，至少有70%~90%的磷進(jìn)入土壤而成為難以被作物吸收利用的固定形態(tài)（魯如坤，1995年）。在這些土壤中，土壤有效磷含量很低而全磷含量較高，如據(jù)黃土高原7省區(qū)的調(diào)查，土壤全磷平均較有效磷高250倍；黃淮海平原黃潮土與風(fēng)沙土全磷較有效磷高130~500倍（李振生，1992年）。我國(guó)自20世紀(jì)50年代施用化學(xué)磷肥以來(lái)，儲(chǔ)存累積在土壤中的難溶性磷高達(dá)6000萬(wàn) t，超過(guò)全國(guó)磷肥10年消費(fèi)量的總和。而第二條途徑的潛力則很大，它是對(duì)土壤中磷及所施入的磷肥進(jìn)行活化提高其有效性，走低投入高產(chǎn)出的可持續(xù)發(fā)展之路。第二條途徑包括三方面的內(nèi)容：一是發(fā)揮植物的自身潛力，通過(guò)育種技術(shù)的創(chuàng)新，定向地篩選培育磷高效植物品種來(lái)開(kāi)發(fā)利用土壤難溶性磷素資源，這方面研究已成為世界許多科學(xué)家研究的熱點(diǎn)；二是在研究磷在土壤中的形態(tài)分布特征和作物吸磷特性的基礎(chǔ)上，通過(guò)改進(jìn)磷肥的施用技術(shù)等方式提高磷的潛在有效性；三是從土壤中篩選高效解磷微生物，研制成解磷菌劑拌種或直接施入土壤，將土壤中難溶性磷活化出來(lái)?？梢?jiàn)解磷菌的研究對(duì)發(fā)展持續(xù)高效農(nóng)業(yè)具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。