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浅析“微生物+”复合型土壤修复技术的作用机理

发布时间:2019-06-15 14:55所属分类:农业论文浏览:1

【摘要】由于社会人口的不断增加、粮食资源短缺以及土地生态环境的日益恶化,盐碱地作为我国重要的后备耕地资源,越来越受到重视,土地盐碱化的治理问题也显得尤为重要。本文首先介绍了土壤盐碱化的原因以及常用的治理方法,并详细介绍了微生物+复合型土壤修

  【摘要】由于社会人口的不断增加、粮食资源短缺以及土地生态环境的日益恶化,盐碱地作为我国重要的后备耕地资源,越来越受到重视,土地盐碱化的治理问题也显得尤为重要。本文首先介绍了土壤盐碱化的原因以及常用的治理方法,并详细介绍了“微生物+”复合型土壤修复技术的作用机理,可以对盐碱地进行有效的治理改造,从而起到恢复改善盐碱地生态系统的作用。

  【关键词】盐碱地;土壤修复;微生物修复;改良剂

黑龙江农业科学

  根据农业部组织的全国土壤普查资料统计,我国盐渍土面积为5.2亿亩(不包括滨海滩涂)。在这些盐渍土中已经被重新开发利用的大概在1亿亩。据不完全统计,我国大概还有将近3亿亩的潜在盐渍化土壤,如果这些土壤采用错误的方式进行开发利用,将会导致其发生次生盐渍化。

  长期以来,盐碱地改良利用被认为是一项世界性的难题。我国盐碱地资源比较丰富,如何合理开发利用好这些盐碱地资源,是维持土壤盐碱化地区可持续发展的重要举措。在土壤改良剂的研究应用方面,我们国家先后在物理改良和化学改良方面做了很多工作,随后电磁处理技术也应用到了盐碱地改良中,均取得了一定的改良效果。

  在环境污染日趋严重,环境治理日益紧迫的情况下,生物修复法逐渐成为盐碱地治理研究的热门方向,并具有极大的推广应用潜力。经过多年的实践经验发现,单纯的物理与化学方法在盐碱地修复时或多或少存在着一定的缺点,比如投入成本高、维持时间短等,甚至会带来其他形式的二次污染。由于采用单一的土壤改良技术,治理效果往往并不明显,所以实践中一般采用多种土壤改良技术相结合的方法来提高盐碱土壤的改良效果。

  1土壤盐碱化问题简析

  土壤盐碱化是一个世界性的问题,土壤盐碱化会引发一系列生态环境问题,比如土地荒漠化,植物资源减少,生物多样性减少等。寻求合理有效的土壤盐碱化防治措施,已经成为各个国家和地区以及学者们的共识。

  1.1土壤盐碱化的主要原因

  引起土壤盐碱化的原因有很多,主要包括气候条件、地理位置、地下水位、土壤质地层次等多种因素。按照土壤盐碱化的成因可以分为原生盐碱化和次生盐碱化:

  1)原生盐碱化是指由自然环境因素(气候、地质、地貌、水文和土壤条件等)变化引起的土壤盐碱化。此种情况下,土壤地下水与表层水维持一定的动态平衡,土壤中各种离子的含量也相对稳定。气候干旱时,土壤表层的水分含量下降,引起地下水水位提升,土壤中的盐分也随着水位的提升而向上移动。当水分蒸发以后,盐分则在土壤表层积累,如此周而复始,逐渐发生土壤盐碱化。

  2)次生盐碱化是指人类对土地资源和水资源不合理利用引起的区域水盐失调,所导致的土壤表层不断积盐的过程。此种土壤盐碱化往往是由于不合理的耕作灌溉导致的地下水抬升,进而使土壤中的盐分也随着水位的提升而提升。当土壤水分蒸发量大于灌溉量时,土壤表层盐分便会增加,长此以往就会引起土壤盐化。

  1.2土壤盐碱化对土壤的危害

  土壤中的盐分主要是由Ca2+、、Mg2+、、Na+、以及等离子组成的盐类化合物。由于盐类化合物的溶解度不同,其对土壤的影响程度也不同,其中对土壤的盐碱度影响比较小,而NaCL、和对土壤的危害比较大,其余盐分对土壤的影响则介于这两种情况中间。土壤是一个巨大的阴离子胶体,土壤盐碱化的过程其实就是不断吸附Na+的过程。当交换性Na+占交换量的5%-15%时,土壤已经有轻度的碱化;当交换性Na+达到交换量的25%-35%时,土壤已经严重盐碱化。土壤内大量盐分的积累,会导致土壤渗透系数低,通气性差,土壤中的微生物数量减少,结构粘滞,甚至造成土壤冷、硬、结板等现象。

  1.3土壤盐碱化对植物的影响

  当土壤表层的含盐量超过0.6%时,只有一些耐盐性强的植物可生长。当可溶性盐达到1%以上,只有一些特殊的植物能够生长。盐分对农作物的危害主要有以下几个方面:

  1)当盐碱地的盐分含量比较高时,土壤中溶液的渗透压高于植物细胞液的渗透压,这样会导致根毛细胞向外渗水,使植物出现枯萎或“烧苗”现象。

  2)高浓度的盐分会破坏植物对盐离子的正常吸收,比如如果土壤溶液中的Na+过高,会妨碍农作物对其他盐离子的吸收比如钙离子、钾离子等;如果K+浓度过高,则会阻碍农作物对Fe3+和Mg2+的吸收,并引发性缺素症等疾病。

  3)土壤的强碱性会使植物体内积累了大量盐分,影响植物细胞内蛋白质的合成,导致一些含氮的代谢物积累,影响植物细胞的正常发育等。简单地说,盐碱地会影响农作物对养分吸收利用,使农作物根系难以下扎,造成植被僵苗、枯萎等现象。

  1.4常用的盐碱土壤修复方法

  目前盐碱土壤修复方法主要有以下几种:

  1.4.1物理修复法通过有效合理的水利工程设施以及合理的灌溉方式来淋洗冲淡土壤盐分,从而达到改良盐碱土目的。

  1.4.2化学修复法化学修复方法就是在土壤中施用一些化学肥料或制剂,将土壤中的Na+置换出来,来改善土壤的理化性质,进而减轻或消除盐碱的危害作用。

  1.4.3电磁修复法通过研究发现,磁场强度的大小对土壤的呼吸作用强度有所影响,磁场还能影响电子传递,进而影响与电子传递相关的化学过程。此外,磁场对水的缔合度、溶解力等均有影响。

  1.4.4动物修复法此种方法就是利用一些生存在土壤中的动物,将体内的某些分泌物排放于盐碱土壤中,与土壤中的盐碱成分发生化学反应,从而达到降低土壤盐碱度,改良盐碱土的目的。最常用的方法就是接种蚯蚓,蚯蚓的生命活动能够改善盐碱地土壤的生态系统,有效的巩固盐碱地改良效果、促进盐碱地的可持续开发利用。

  1.4.5植物修复法植物修复法就是通过种植耐盐碱的植物,来吸收土壤中的盐碱成分,从而降低土壤的盐碱度,达到修复盐碱地的目的。此方法的效果比较好,而且经济环保,但植被成活率有待提高。

  1.4.6微生物修复法利用微生物修复法可以在有效改善植物营养环境的同时,利用植物根际微生物的生命活动,使失去微生物活性的盐碱土壤重新建立和恢复其微生物体系,增加土壤的生物活性,使生土熟化、土壤肥力提高。

  2“微生物+”复合型盐碱土壤修复技术

  实践表明,利用单一的盐碱地土壤改良技术效果往往并不明显,而且容易反复,所以实际应用中一般利用多种土壤改良方法相结合的形式来改变土壤结构和理化性质。本文提到的“微生物+”复合型土壤修复技术,就是利用微生物修复技术与其他盐碱土壤修复技术相结合对土壤盐碱化进行治理。既能有效避免传统方法用工量大,维持时间短等不足,又能利用微生物修复方法的协同作用,对生态环境的改善起到潜移默化的作用。

  2.1嗜碱微生物土壤修复技术的机理

  一般把最适生长PH值在9.0以上的微生物称嗜碱微生物,其所能承受的PH值可高达10~12。嗜碱微生物生存的自然环境一般多为碳酸盐类湖泊或者荒漠,比如中国的青海湖等。嗜碱微生物也能在人为碱性环境下生存,比如碱性污水等。研究发现嗜碱微生物的细胞壁上一般都含有半乳糖醛酸、天门冬氨酸、谷氨酸和磷酸等一些酸性物质。由于这些酸性物质带有负电荷,因此其细胞表面可以吸附Na+和H+,并排斥氢氧根。除此之外嗜碱微生物可以产生大量的碱性菌,这些碱性菌具备Na+和H+反向运输的基因,而Na+的反向运输需要细胞内有足够的Na+。正是由于嗜碱微生物的这一特性,可以有效的减少土壤中的Na+,改善土壤碱性问题。

  2.2嗜盐微生物土壤修复技术的机理

  嗜盐微生物可以分为弱嗜盐微生物、中度嗜盐微生物、极端嗜盐微生物,它们大多数生长在含盐量比较高的环境中,目前发现的嗜盐微生物主要有盐生杜氏藻、绿生杜氏藻、盐杆菌、盐球菌等。目前有一部分嗜盐微生物的嗜盐机理已经比较清楚,但是更多嗜盐微生物的嗜盐机制仍在不断的研究探索中。在这些已被了解的嗜盐微生物中如盐杆菌、盐球菌等嗜盐菌的生长虽然需要Na+的大量存在,但细胞内的Na+浓度往往并不高。这是因为嗜盐菌具有一种浓缩吸收外部K+而向细胞外排放Na+的能力,通过细胞膜上的H+和Na+的反向载体来调节细胞内K+和Na+的平衡。当细胞外盐浓度升高时,嗜盐微生物细胞内的中性磷脂转化为带负电的磷脂,然后和细胞外的Na+的结合,从而实现电荷平衡以抵御外界较高的渗透压。

  2.3微生物在盐碱地修复中的作用

  我国土壤微生物学鼻祖陈华癸先生指出,微生物肥料是一中含活微生物的特定制品,将其应用于农业生产中,能够获得特定的肥料效应,而活性微生物在当中起到了关键性作用。目前的微生物肥料按照制品中微生物的种类可分为细菌肥料、真菌肥料和藻类肥料等;按照微生物肥料作用机理可分为固氮菌肥料、解磷菌肥料以及硅酸盐类肥料等;按其制品内微生物的种类是否单一可分为单一微生物肥料和复合微生物肥料。微生物在盐碱地修复中的作用主要有以下几点:

  2.3.1改良土壤物理性质

  微生物肥料可以改善土壤理化特性,增加土壤孔隙,对土壤水分和盐分的运动有着重要影响。在盐碱地施用有机肥还可以减少土壤水分蒸发,抑制盐分在土壤表层积累,同时可增加土壤表层水的渗入,有助于土壤盐分脱洗。另外,耕地施用有机肥料还可以增加土壤中微生物活性、改善土壤溶液中盐离子的构成,减少土壤表层盐分的积累,并有利于灌水对土壤表层盐分的淋洗。经过研究发现在盐碱地土壤中施用微生物肥料后还可以有效地提高土壤固氮强度,提高土壤内蛋白酶活性等,对盐碱地土壤具有明显的固氮作用。

  2.3.2抑制生物病虫灾害

  研究发现,徽生物肥料对许多种类的农作物病菌有很好的抑制作用。其主要原因之一在于有益细菌在植物根系的大量繁殖,使这些细菌形成优势种群,从而间接抑制了其他病菌微生物的生长繁殖,降低了植被疾病虫害的发生;原因之二就是这些有益微生物能够诱导植物产生一些抗菌素类物质并参与植物的防御反应,进而提高了植物的抗病害能力。这些作用都在很大程度上保护和提高了盐碱地植物的成活概率,为长期有效改良盐碱地,改善盐碱地的理化性质,恢复盐碱地生态环境起到了决定性作用。

  2.3.3提高生物改良效果

  实践表明,微生物修复法可以有效地恢复盐碱地土壤的生产利用效能,提高植被成活率。而盐碱地植被的大量恢复对于减少盐碱地土壤水分蒸发,控制土壤表层积盐,增加土壤内部植物根系的数量,增强土壤中微生物种类及活性,改善土壤理化性质,促进近地土壤空间的生态平衡有着至关重要的作用。

  3“微生物+”复合型盐碱土壤修复技术的应用

  由于微生物修复法同时兼顾了经济效益、环境效益和生态效益,目前已经成为众多盐碱地修复法研究中的热点,并具有很好的推广应用潜力。成都某公司推出的“施地佳”微生物肥料就是一种很好的“微生物+”复合型盐碱土壤修复技术的典型应用。其利用氨基酸给盐碱地土壤以及土壤中微生物提供相应的营养元素,然后通过土壤微生物的生命代谢活动合成植物生长需要的营养物质,大大增强并促进有益微生物繁殖生长。

  微生物的新陈代谢促进了有机物的分解,提高了土壤中有机物质的含量,使土壤PH值下降,从而达到生物调节盐碱土壤的作用。与此同时“施地佳”微生物肥料利用特定的有机水溶性高分子络合土壤中的某些盐离子,把已被土壤固化凝结的有益营养元素如磷、钾、钙、镁等,有机的结合成利于农作物吸收的盐分,达到生物降盐减渍的作用。

  近日某盐碱地治理吉林省院士工作站正式成立,这标志着其研发的治理盐碱地新技术——“微生物-纳米整合技术”已试验成功,同时也标志着“微生物+”复合型盐碱土壤修复技术的再次成功应用。该技术从盐碱地形成的机理和土壤结构等多角度入手,通过优选的天然准纳米非金属矿物介质,使盐碱地耕作层自发地进行水土分离,从而使土壤近地区域形成惰性盐碱隔离层。

  同时,在土壤中施用嗜盐碱微生物菌剂,利用其生理特性来达到降低土壤盐碱度,改善土壤团粒结构,根治盐碱地的目的。“微生物-纳米整合技术”成功解决了盐碱地改造过程中反复出现的返盐碱和次生污染的问题,并为盐碱地治理新技术的研究推广提供技术支撑。

  参考文献

  [1]杨卫东,吴永健,刘春光.盐碱土改良剂的研究和应用进展[J].天津科技,2014(2):17-20.

  [2]邵华伟,孙九胜,胡伟,等.新疆盐碱地分布特点和成因及改良利用技术研究进展[J].黑龙江农业科学,2014(11):160-164.

  相关刊物推荐:《黑龙江农业科学》Heilongjiang Agricultural Sciences(月刊)1978年创刊,是黑龙江省科学院主办的综合性学术期刊。主要报道各种遗传育种、生物技术、特作栽培、土肥.资源.能源、植物保护、畜牧.兽医.水产、园艺园林、加工.贮藏.产业化、质量安全、草业、农经.农教.管理、农业工程、信息技术、科普园地等。

  

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