极端环境微生物在土壤板结治理中的应用

陈鑫

摘  要：土壤板结是现阶段农田建设中的一种常见问题，由于土面变硬而不适合农作物和花木生长。本文提出应用极端环境微生物的方法来解决这一问题，主要针对导致土壤板结的几个主要因素进行作用，通过稳定土壤中的团粒结构、消耗氮元素、分解有机质形成腐殖质、中和酸性等方法，消除引起土壤板结的关键因素，从而达到治理土壤板结的效果。由于微生物方法属于生物方法，因此是生态环保的，且是可持续利用的，所以应用极端环境微生物方法解决土壤板结问题是生态可靠、环保安全、持续发展的新方法。

关键词：土壤板结;极端微生物;极端环境微生物

中图分类号：S-1                                        文献标识码：A                                          DOI：10.11974/nyyjs.20181032008

1     土壤板结及原因探究

1.1     土壤板结

土壤板结[1]是由于土壤表层缺乏有机质，结构不良，在灌水或者降雨等外因作用下造成土壤结构破坏、土料分散，而干燥后受内聚力作用使土面变硬，不适合农作物和花木等生长的现象。

1.2     土壤板结原因

土壤板结在现阶段已有很深入的研究，很多专家与学者都提出了多种不同的基于各种因素考虑下的土壤板结的原因，影响比较大，被广泛接受的主要有以下几种：农田土壤质地太粘，耕作层深度不够;有机肥严重不足，秸秆还田量过少;塑料制品投入过多，处理不及时不充分;长期单一地偏施化肥，化学肥料使用不合理;应用大型机械碾压、翻耕等农耕措施导致上层土壤结构破坏;不合理利用增产措施，有害物质的积累;风沙、暴雨水土流失;灌溉不合理、漫灌导致地表通气性下降。

2     土壤板结治理研究

2.1     土壤板结治理研究现状

曹玉贤[2]研究表明土壤板结一般是土壤盐渍化的伴生结果，主要是由于人们长期或单一偏施无机肥，不施或少施有机肥，破坏了土壤结构的稳定性，使得土壤容重增加，孔隙度降低，从而土壤水稳性结构破坏率提升，土壤微团聚体分散系数升高，以致耕层土壤发僵，土体粘韧板滑，也就是土壤板结。土壤板结不仅影响作物根系的生长，同时也改变了土壤中的水、肥、气、热环境，导致肥料-土壤-植物养分系统失衡。

尚平染[3]研究认为同一种作物品种在同等气候、温湿度、氧气浓度、水肥施用等条件下，种植在不同的土壤当中，其产量、品质却大不相同，究其原因，土壤板结程度是影响产品产量和品质不容忽视的关键因素。

段寿甫[4]认为土壤板结是指土壤表层缺乏有机质，结构不良，在灌水或降雨等外因作用下土壤结构破坏、土料分散，土壤干燥后受内聚力作用使土壤变硬。并指出土壤板结是因为农田土壤质地太黏，耕作层浅黏土中的黏粒含量较多，加之耕作层平均不到500px，土壤中毛细管空隙较少，通气、透水、增温性较差，下雨或灌水以后，容易堵塞空隙，造成土壤表层结皮。

近年来，耕地土壤板结情况越来越严重，导致作物产量及品质受到严重影响。赵俭波[5]分析了土壤板结的成因并提出相应的解决途径，以期为建立耕地用地与养地相结合的良性循环提供参考。

2.2     土壤板结治理方法总结

不同的专家和学者因为不同的研究思路与方法，也提出了许多可行的方法，大多数方法在投入使用后也取得了很大程度的良好效果，也有一些办法效果不明显，需要进一步改善或等其在一定时效范围内发生作用，现阶段，对于土壤板结的治理，主要的方法有以下几点：深耕与旋耕相结合;促进科学合理施肥，增施有机肥;积极推广作物秸秆还田;使用土壤改良調节剂;测土配方施肥;秸秆生物反应堆技术;棚内洗盐法;合理灌溉，保持水土;晒垡和冻垡;彻底清除农田残膜;调节土壤酸碱度。

2.3     土壤板结问题突出

2016年，李竟涵在农业部发布了《2016年全国耕地质量监测报告》之后指出，我国耕地质量呈现三大特点——土壤结构性问题比较明显、土壤养分含量稳中有升、土壤健康状态总体良好。监测数据显示，我国耕地土壤结构性问题主要表现为耕层变浅，板结问题较为突出[6]。全国有65.5%的监测点耕层厚度较浅，其中上海、江苏、广东等省（市）耕层平均厚度低于18cm，而适宜作物生长的耕层厚度在20cm以上，有的地区土壤容重以及超出适宜作物生长的标准。总体而言，土壤板结问题全国性存在，且日渐突出。

3     极端环境微生物治理土壤板结的原理

3.1     极端微生物与环境微生物

极端微生物[7]是指能够在至少一种物理因子接近已知的生命要求极限的生态环境中旺盛生长的微生物。这些影响生命活动的物理因子包括温度、盐度、pH、压力、光度、气候等，极端微生物的发现冲击了人们对于生命的固有理解，并对很多科学研究提供了思路。

极端环境微生物是生存于极端环境中的微生物的统称，其种类包括极端环境中生存的极端微生物和非极端微生物，极端环境微生物种类庞杂、数量极大，随着微生物在生命工程中的应用，越来越多不同领域提出了运用微生物方法解决问题的方案。极端微生物作为一种生态安全的生物技术，因其特殊的生存方式，可控的条件选择性，对于土地工程的治理和建设将起到不可限量的作用。

3.2     极端环境微生物的生存特点

极端微生物种类庞多，因其适合生存的物理因子不同而有着不同的利用价值，适合土壤板结治理的主要由嗜盐微生物与嗜酸微生物，因为其特有的代谢类型与生存机制，可以有效解决引起土壤板结的土壤盐碱化、土壤团粒结构破坏、土壤有机质不足等问题。

3.2.1     嗜盐微生物

嗜盐微生物是指生活在10%～30%（m/v）高盐浓度环境中的微生物。根据微生物最佳生长时需要NaCl的浓度，可将微生物分为5类：不嗜盐微生物、耐盐微生物、轻微嗜盐微生物、中度嗜盐微生物、极端嗜盐微生物。前面两者属于不嗜盐微生物，后面三者属于嗜盐微生物，要根据不同的土地条件进行应用。

嗜盐微生物的种类很多，各有差异，一些嗜盐微生物类群在缺乏外部电子受体时转化有机物获取能量，古菌域中的盐杆菌可基本上是以氧为电子受体进行有氧呼吸，其中一些种类进行反硝化作用厌氧生长，或利用菌视紫红质吸收光能进行光氧生长。这些嗜盐微生物的这种发酵代谢的代谢方式可将土壤中的有机物转化为腐殖质。一些嗜盐微生物是通过无机化能自养代谢的，将氨氧化为亚硝酸然后再氧化为硝酸，能消耗土壤中的氮，也能改善土壤的pH。

3.2.2     嗜酸微生物

嗜酸微生物是指需要很低pH条件才能正常生长的微生物。根据微生物pH条件的不同，可将微生物分为3类：耐酸微生物、嗜酸微生物、极端嗜酸微生物（超嗜酸微生物）。在处理土壤板结的问题上，主要运用耐酸微生物。

耐酸微生物是嗜酸微生物中相对生存环境比较正常的种类，也适应于治理土壤板结问题，耐酸微生物（嗜酸硫酸还原菌）能在土壤酸化后的环境中生存，还可以中和酸性并修复酸[7]污染。

3.3     极端环境微生物治理土壤板结的原理

3.3.1     吸K+吐Na+

嗜盐微生物具有吸K+吐Na+的应对盐胁迫的机制，能够有效吸收土体中的大量钾离子，上文中提到，土壤中的钾离子具有非常强的置换性，能置换出形成稳定的土壤团粒结构所需的多价阳离子，因为一价的钾离子不具有键桥作用，多价阳离子被置换后土壤团粒结构的键桥就被破坏，土壤中的团粒结构被破坏，就会导致土壤板结。嗜盐微生物的吸K+吐Na+机制刚好完美的解决了这个问题，钾离子被吸收后，钠离子又不具有那么强的置换性，土壤中的多价阳离子就能和阴离子形成足够稳定的土壤团粒结构，从而根治土壤板结。

3.3.2     发酵代谢

随着科学技术的发展，化肥越来越得到人们的赏识，方便见效快还相对卫生，厩肥、积肥就慢慢淡出了的视野，在田间地头运用的越来越少，秸秆还田因为其转化时间较长不利于耕作，也较少被利用，如此，大部分土地的土壤腐殖质严重缺乏，土壤微生物活动微弱，导致土壤蓄水保水能力差，土壤中的有机质含量也会越来越少。引入嗜盐微生物后，因其发酵代谢时能分解有机质形成腐殖质，可使得土壤中的有机物被保留下来，微生物的活动也有利于土壤疏松通气。

3.3.3     自养代谢

在土壤中，微生物的氮素供应每增加1，相应消耗的碳素就增加25，而被消耗的碳素都来源于土壤中的有机质，嗜盐微生物特有的自养代谢，可以氧化土壤中的氨，先转化为亚硝酸，再氧化为硝酸，从而阻止碳元素的消耗，确保土壤中的机质含量在一定的范围内。

3.3.4     中和酸性

在土壤中本来就存在着大量的微生物，它们也可以完成对有机质的分解，形成腐殖质，但是由于土地中化肥的不合理使用，导致土壤盐碱化、酸碱化，使得很多微生物无法生存，因此引入嗜盐微生物与嗜酸微生物，这些极端环境微生物可以在多盐和酸化的土壤中生存，完成土地疏松通气，更重要的是其中的耐酸微生物（嗜酸硫酸还原菌）还可以中和酸性并修复酸污染。耐酸微生物可以中和酸性，使土地恢复正常，这是一种标本兼治的方法。

3.3.5     死亡形成有机质

极端环境微生物的生存条件各不相同，其中大多数都是在特定环境中具有较好的活性，而在其他环境中活性降低甚至失活，因此，嗜盐微生物和嗜酸微生物在改善土壤条件后，生存环境变化，尤其是嗜酸微生物在酸性中和后会失去活性，而这些微生物死亡后，尸体会形成新的有机质，为土壤提供新的营养物质。

4     展望

近年来，微生物在农业方面的应用逐渐广泛，不仅是因为其效果显著、方便操作，更因为其生态安全、可持续发展。随着国家对高标准农田的建设要求的逐渐规范，拟解决的农田问题关键因子越发明显，非生物方法必将带来不同程度的土壤环境污染或灾害，而普通的生物方法又具有太多的局限性，适用性不够广泛，极端环境微生物的应用将会解决这些长期以来想解决却又没能解决的问题，以其生存能力强、适用范围广、环保生态的优势，为国家高标准农田的全面优质建设做出贡献。

参考文献

[1]佚名.土壤板结的7个原因[J].甘肃农业，2015（3）：48.

[2]曹玉賢.土壤板结的原因及改良措施[J].中国农资，2016（32）：   24.

[3]尚平染.土壤板结的原因及改良措施[J].现代农村科技，2017   （8）：61.

[4]段寿甫.土壤板结的原因、危害及补救措施[J].河南农业，2016（11）：21.

[5]赵俭波.土壤板结的成因与解决途径[J].现代农业科技，2014   （13）：263，266.

[6]李竟涵.《2016年全国耕地质量监测报告》公布 土壤板结问题突出[J].中国食品，2017（18）：174.

[7]刘光琇.极端环境微生物学[J].北京：科学出版社，2016（18）：   57.