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耐盐碱解磷菌与磷石膏联用改良盐碱土的效果与机制

姜焕焕  
【摘要】:盐碱土是土壤退化的一个重要问题,危害着生态环境及农业的可持续发展,改良并资源化利用盐碱土是世界性的重大课题之一。随着世界人口快速增长、土壤退化与粮食需求之间矛盾的日益凸显,利用微生物菌剂与工业副产品配套施用进行盐碱土改良,不但能够提高作物产量,而且具有高效经济、节约能源、对环境无污染的优点。解磷菌是一类可以将难溶性磷源转化成植物可吸收利用磷素的一种促生菌,对于提高土壤有效磷含量、缓解植物盐碱胁迫损伤及改良盐碱土具有重要作用。本论文从生态环境安全性及微生物菌剂改良盐碱土角度出发,分离鉴定耐盐碱解磷菌,对其环境适应性及植株促生作用进行研究,考察了其与磷石膏联合施用对盐碱土的改良作用,并对其机理进行分析。分别采集黄河三角洲东营地区和新疆内陆地区盐碱土样,测定理化性质。利用优化的磷酸三钙无机磷培养基(Tricalcium phosphate medium,TPM)和蛋黄有机磷培养基(Yolk medium,YM)分离纯化解磷菌。16S rDNA鉴定后,平板法和液体培养法对其溶磷特性进行测定。从黄河三角洲地区纯化出解磷细菌40株,主要分布在Bacillus,Pseudomonas,Arthrobacte,Acinetobacter,Enterobacter,Providencia rettgeri菌属。解磷放线菌2株,均为Streptomyces。其中,解无机磷细菌26株,解有机磷细菌16株。解磷真菌10株,主要是Aspergillus和Penicillium菌属。菌株溶解磷酸三钙量为2.25~442 mg/L,溶解磷酸铝量为0.2~14.6 mg/L,溶解磷酸铁量为0.3~19.72 mg/L,溶解卵磷脂量在0.8~8.7 mg/L之间。从新疆地区分离纯化出解磷细菌23株,分别属于Bacillus,Acinetobacter,Brevibacillus,Pseudomonas,Paemibacillus,Gordonia,Ensifer adhaerenss,Chryseobacterium菌属。其中,解无机磷细菌17株,解有机磷细菌6株。解磷真菌6株,属于Aspergillus、Penicillium和Talaromyces flavus菌属。溶解磷酸三钙量为65~496 mg/L,溶解磷酸铝量在0.4~11.4 mg/L之间,溶解磷酸铁的量为0.1~28.5 mg/L,溶解卵磷脂量在2.1~10.3 mg/L之间。其中,Providencia rettgeri和Gordonia sp.首次发现具有溶磷能力。实验进一步对所分离解磷菌溶磷机理及盐碱耐受性进行了分析。结果表明,解磷菌溶磷过程伴随着培养基内pH值的下降而下降。液相色谱测定分析发现,解磷菌能够分泌草酸、柠檬酸、葡萄糖酸、苹果酸、琥珀酸、乳酸、甲酸和丙酸,其中丙酸和草酸是耐盐碱解菌溶解磷酸三钙的主要有机酸。分离自盐碱环境的土著解磷菌具有较强的盐碱耐受性。其中,Bacillus(YM-9、YM-16、TPM-26、YMX5、TPMX18、TPMX19)、Providencia retteri(TPM-23)、Enterobacter sp.(YM-14)、Acinetobacter sp.(YMX11)、Ensifer adhaerens(TPMX5)和Gordonia sp.(TPMX16)在1.5 mol/L NaCl条件下仍可以生长,所有菌株最高Na_2CO_3耐受性为50 mmol/L,最高pH耐受性为10。以经济作物-花生作为考查对象,分析优势耐盐碱解磷菌巨大芽孢杆菌(Bacillus megaterium)、肠杆菌(Enterobacter sp.)、雷氏普罗威登斯菌(Providencia retteri)和粘着剑菌(Ensifer adhaerens)的生理特性及对花生的促生作用。结果表明,菌株在1.4 mol/L NaCl条件下仍具有溶磷能力,对不浓度的碳、氮源具有较好的适应性。盆栽实验结果显示,土壤中盐碱成分能够抑制植株的生长,接种四种解磷细菌缓解了这种抑制作用,不同程度的促进了植株生长。其中,解磷菌Providencia rettgeri为最优菌株,显著增加植株根长、茎长、叶片数及生物量。耐盐碱解磷菌能够定殖于植物根际土壤,通过溶磷作用,增加土壤速效磷含量,促进植物生长。另外,解磷菌通过分泌植物激素、胞外多糖及铁载体等促生因子,改变植株叶片激素含量,增加盐碱胁迫抗性,促进其在盐碱环境条件下的生长。以黄河三角洲盐碱土为实验对象,从理化性质、土壤酶活性及微生物特性方面考察了解磷菌Providencia rettgeri和磷石膏联合施用对盐碱土的改良作用。结果表明,处理组不同程度的降低土壤pH值和盐离子含量,pH最高下降0.62个单位。土壤中盐碱成分得到优化,Na~+和Cl~-含量降低,Ca~(2+)和SO_4~(2-)含量增加。土壤中速效氮、磷、钾及有机质含量增加量分别为189.71 mg/kg、19.57 mg/kg、873.34 mg/kg和23.06 g/kg。解磷菌菌悬液的施入显著增加土壤酶活性与土壤微生物数量,促进微生物群落富集与土壤营养元素循环相关的菌属Acidobacteria、Chloroflexi和Planctomycetes,全面改善盐碱土性质,促进了植株的生长。本研究经过培养基的优化,分离筛选出土著高效耐盐碱解磷菌,为解磷菌剂的制备提供了菌种资源;通过盆栽实验研究耐盐碱解磷菌对植株生长的促进作用,明确了其促生机理;通过其与磷石膏和秸秆的共同施用,改良了盐碱土土质,为利用耐盐碱微生物与改良剂联合施用改良盐碱土提供了理论支持。


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