種類

人們在20世紀(jì)初開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，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機(jī)磷的無機(jī)磷微生物，實(shí)際上很難將它們區(qū)分開來。報道具有解磷作用的微生物解磷細(xì)菌類有芽孢桿菌（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、土壤類型、耕作栽培方式的影響。尹瑞玲（1988年）對我國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，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；無機(jī)磷細(xì)菌種類比較少。羅明（2001年）等人研究了不同施肥措施對新疆地區(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)菌的生長繁殖。化肥中以氮肥的促進(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個數(shù)量級。解磷菌表現(xiàn)出的強(qiáng)根際效應(yīng)可能與根圈磷素營養(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；趙小蓉報道夏玉米收獲時期根際有機(jī)磷細(xì)菌主要是假單胞桿菌和黃桿菌屬，無機(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)，測定菌落周圍產(chǎn)生溶磷圈的大??；二是液體培養(yǎng)法，測定培養(yǎng)液中可溶性磷的含量；三是土壤培養(yǎng)，測定土壤中有效磷含量。

繼Gerretsen之后，Sperber對細(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株能夠生長在含有難溶性磷酸鹽的平板上，84株在菌落周圍產(chǎn)生1~10 mm的溶磷圈。尹瑞玲（1988年）測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測定從豆科植物根際分離出來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）與無機(jī)磷細(xì)菌2VCP1共培養(yǎng)時發(fā)現(xiàn)，纖維素分解菌的分解作用，為無機(jī)磷細(xì)菌生長繁殖提供碳源，提高了無機(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）等幾個屬種。由于青霉和曲霉在解磷真菌中占絕對優(yōu)勢，故對這兩個屬真菌的解磷作用及應(yīng)用效果研究報道的較多。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)后會喪失解磷動能，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)化為無機(jī)磷酸鹽。無機(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)酸對鐵、鋁、鈣、鎂等離子的螯合能力有差異。Rajan（1981年）等報道將磷礦粉、硫顆粒和一種硫氧化細(xì)菌混用，通過硫氧化細(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）等人對黑曲霉（Aspergillus niger）的研究表明，該菌在發(fā)酵過程中產(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，使用氨態(tài)氮時主要分泌蘋果酸、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離子（如NH4）的過程中，利用ATP轉(zhuǎn)換時所產(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，增加植株磷素濃度，改善植物的磷營養(yǎng)方面報道較多。宋勇春（2001年）在缺磷土壤中施用植酸和卵磷脂時，接種幾種菌根真菌（Glomus mosseae，G. versiformea, Gigaspora margarita），對根際土壤測定表明，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磷的吸收。Arihara等（2000年）對AM菌根與玉米生長關(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無法利用的磷源，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。我國對解磷菌的研究始于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，國內(nèi)許多單位相繼開發(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，對在生長袋中生長的豌豆研究結(jié)果表明，接種處理增加根毛量22%，增加根毛長度33%。Vessey和Heisinger（2001年）在加拿大的兩個地區(qū)用P. bilaii接種豌豆對其根形態(tài)、根長以及根和莖的參數(shù)的研究也證明接種處理提高根長48%，根重提高13%，莖部磷含量相對于無磷處理增加13%。另外還有文獻(xiàn)報道接種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。簡宜裕等（1994年）所作的解磷菌施入土壤在土壤中存活及對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。另外還有報道解磷菌與根瘤菌或菌根菌配合應(yīng)用，對發(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。從我國情況來看，全國有74%耕地土壤缺磷，解決這一問題不外乎兩條途徑：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)展來看，第一條途徑存在一定的問題，首先，磷是一個不可再生資源，根據(jù)已探明的磷礦儲量和開采速度，世界現(xiàn)有磷礦資源只能維持100年左右，而且我國磷礦資源并不豐富，且品位較低，大量的磷肥依賴進(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25%。因此，大部分磷肥作為無效態(tài)（難溶態(tài)）在土壤中積累。據(jù)報道，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）。我國自20世紀(jì)50年代施用化學(xué)磷肥以來，儲存累積在土壤中的難溶性磷高達(dá)6000萬 t，超過全國磷肥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，通過育種技術(shù)的創(chuàng)新，定向地篩選培育磷高效植物品種來開發(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?？梢娊饬拙难芯繉Πl(fā)展持續(xù)高效農(nóng)業(yè)具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。