“微生物肥料能够更好地提升土壤肥力、改善土壤结构、促进作物生长发育、改善作物品质、增强植物抗病(虫)和抗逆性、减少化肥的使用量、提高肥料利用率。”谈起微生物肥料的优点时,甘肃农业大学草业学院教授姚拓如数家珍。提起微生物相关的话题,对于在微生物菌种领域深耕三十年的姚拓教授来说,就像打开了魔法的盒子,总能用各种形象的比喻把微生物相关的知识讲解清楚,连外行人都听得明明白白。

与微生物的不解之缘

不同于其他研究领域的是,植物根际微生物的研究是看不见摸不着的。对于一个完全陌生的领域,要想做出成绩就必须不断地摸索,在一次次失败中获得经验。微生物研究最重要的是菌种筛选,这是所有研究的第一步。

“从1999年开始,我们团队就开始进行牧草根际微生物的研究工作,用十多年的时间进行菌种的收集、筛选、鉴定、评价。这十多年是最难的,没有任何的研究成果,只有不断地付出、探索。这十多年里,我们团队从寒旱地区不同生境禾本科植物和优势豆科牧草等植物根际筛选出促生菌8000余株,经菌种特性及安全评价,构建了西北寒旱地区草类植物功能微生物资源库,从这8000余株菌种中保藏了3200余株,投入应用了150余株。”提起菌种筛选的历程,姚教授娓娓道来,好像这些事就发生在昨天一样。或许我们很难感同身受姚教授和他的团队在筛选菌种的过程中经历的艰辛和苦难,但他们为了获取菌种,辗转甘肃、青海、内蒙、宁夏等地,躬身田间,小心翼翼提取土壤样本的身影还历历在目。

通过国家自然基金“苜蓿根际溶磷菌与根瘤菌互作及促生机理研究”、“东祁连山禾本科牧草根际促生菌(PGPR)多样性及其促生机理研究”、东祁连山高寒草地退化过程中“土-草-微生物”互作机制研究,国际原子能项目“饲用燕麦和小麦根际促生菌分离及特性研究”等项目的资助下,从理论上厘清了“牧草-功能微生物-土壤”互作规律及机制,为后续开发高效的微生物菌剂提供了理论基础,在牧草领域属国内领先。

土壤肥力低下或许是大多数人对于西北大地固有的印象,为了提高农作物产量,西北地区农作物非常依赖化肥,化肥的大量使用虽然在一定程度上提高了农作物产量,但同时给土地造成了严重的伤害,土壤板结严重、肥力下降明显、微生物活力不足等问题日益突出。要解决土壤退化的问题,微生物肥料就成了“救命稻草”,而此时微生物肥料在国内尚处于起步阶段。

“解决西北地区草地土壤退化问题,生产适合西北地区的牧草专用微生物肥料,最主要的是找到合适的高效菌种。”姚拓说到。

“回忆在高寒草地采样的日子,姚老师身先士卒,和我们一起在海拔3000多米的高寒草地采集微生物样本。高寒缺氧是常态,白天采样路途艰辛,晚上回到驻地,最重要的任务就是尽快对样品进行分类处理和初步分离,经常要忙到深夜。虽然条件艰苦,但大家都深知第一手科研数据的来之不易。”姚拓团队里青年教师回忆说。

“那时候你们遇到的最大困难是什么?”记者接着年轻教师的话问到。

“最棘手的是天气突变,刚刚还是烈日晴空,瞬间就冰雹落下。我们只能迅速脱下外套裹住采样工具,用身体护住,在暴雨冰雹中确保设备与样品无恙。”

经过无数次失败,他们从红三叶、猫尾草、早熟禾、老芒麦、垂穗披碱草、苜蓿、饲用玉米等根际分离出集溶磷、固氮、解钾和分泌植物激素的菌株,为后续研究奠定了基础。同时,他们研发的苜蓿根际复合接种剂获得国家专利,这是对姚拓团队辛勤付出最大的肯定。

攻坚克难,十年如一日的育种之路

从实验室的“知”到田间的“行”,绝非一蹴而就。将一株优良菌株转化为可靠的农业生产力,仍需攻克应用技术瓶颈,走完艰辛的“最后一公里”。

“微生物就像一个个调皮的孩子,要摸清它们的脾气可不容易。”姚教授把微生物比喻成孩子,形象地描述着它们的特性。为了筛选最佳的菌种组合,团队进行了数以千计的正交试验,做了数不清的记录和分析。

2017年,姚拓团队凭借“高效促生防病微生物肥料研制关键技术开发与应用”项目获甘肃省科技进步奖二等奖。这项技术的突破,打破了传统肥料“重输出、轻循环”的弊端,有效的解决了传统肥料对土壤的伤害。

“通过微生物的生命活动,将土壤中难以吸收的氮、磷等元素转化为植物可利用的形态,同时分泌生长激素促进作物生长。与普通化肥相比,微生物肥料具有改良土壤、减少污染、提高作物品质等显著优势,更符合绿色农业发展的需求。”姚拓如是说。

微生物菌株的筛选、扩繁到最终应用,是一条充满挑战的漫长之路。在这条路上,姚拓教授团队面临的不仅是技术攻关,还有严酷自然条件和简陋科研设备的双重考验。

在高原之上,高寒与缺氧是必须克服的生理极限。在实验室之外,设备的短缺更需要凭借智慧来弥补。例如,为了研究一款分解菌剂在牲畜粪便中分解作用,精准记录试验中关键温度,他们巧妙地将普通温度计与太阳能板结合,自制了简易可靠的监测装置;同时为了获取深层堆肥的代表性样本,他们又反复琢磨,发明出独特的“鸭嘴式”采样器,能干净利落地取出不同深度的样品。

这些土办法的背后,是变通的智慧与攻坚克难的决心。一件件凝聚着汗水与巧思的“土装备”,不仅有效破解了田野研究中的实际难题,大幅提升了工作效率,更是这支团队在艰苦条件下坚持科研、追求卓越的生动阐释。

科技之花绽放在希望的田野

“我做微生物研究的初衷就是为了更好地解决农业生产中遇到的问题,就是为了更好地服务农业、惠及农民。科研不能关起门来做,也不是把研究成果放在档案柜里,要把科研成果更好地转化成农业生产力才行。”这是姚拓教授一直贯彻的思想,也是他给年轻一代科研人员最好的勉励。

2020年以来,随着国家对生态环境的重视,依托国家重点研发计划项目“草地恢复的微生物调控及制剂技术研发(课题)”等项目的资助,姚拓团队的研发成果进入了加速转化阶段。

在国家牧草产业技术体系金昌综合试验站,姚拓团队针对当地紫花苜蓿、燕麦种植开展了微生物肥料应用研究。通过田间试验示范,团队在甘肃省教育厅科研项目“苜蓿根际高效复合接种剂研制”中获得了重大突破,发现苜蓿根际接种微生物菌剂,可以减少化肥用量20—40%,这是姚拓团队科研成果转化中很重要的一步。在燕麦根际微生物复合接种剂的研制中发现,燕麦根际微生物复合接种剂能明显提高燕麦的产量,同时能减少化肥的使用。

针对西北高寒及干旱区禾本科、豆科等牧草植物,姚拓团队研发了固体、液体及包衣微生物肥料,能满足在不同环境下使用。调查发现,牧草专用微生物肥料,不仅能显著促进牧草的生长,还能预防常见的土传病害,抑菌率均大于50%,实现了“促生”与“防病”的双重效益。

2023年,姚拓团队与永昌县、张家川回族自治县、积石山县等牧草种植企业,让当地种植户看到了微生物肥料的神奇效果。经调查发现,应用团队构建的“根瘤菌剂接种+2吨/亩有机肥+磷酸二铵10kg/亩”技术,特别对于轻度盐碱地种植苜蓿,可使苜蓿返青期提前10天左右,色泽优于化肥,实现化肥农药持续减量,达到提高作物品质。从生态环境保护方面来说,土壤中农残检测均未检出,获得经济效益和生态效益双赢。

截至目前,姚拓团队研发的微生物肥料技术已在甘肃、青海、宁夏、内蒙、山东、新疆、云南、河南、贵州、河北、四川等省区推广应用累计136.89万亩,产生经济效益29.18亿元。微生物肥料的使用减少了化肥的使用量,显著改善了土壤生态环境。2022年,“西北主要栽培作物促生菌资源库构建及功能菌剂关键技术研发与应用”项目再获甘肃省科技进步二等奖。

从高原草地的采样点到实验室的培养皿,从试验田的每一株幼苗到农民丰收的笑脸,姚拓和他的团队用三十年的坚守与创新,在西北大地上谱写了一曲微生物与农业共生的绿色乐章。三十年来,姚拓和他的团队主持并参加完成国际原子能机构、国家自然基金委、科技部、农业部、甘肃省科研50余项,其中6项获省科技进步二等奖,2项获省高校科技进步一等奖、2项获二等奖,1项获中国草业科技奖。制定的退化草地修复标准及“促生防病复合接种剂”相关科技成果被国家林草局列为2020年重点推广林草科技成果100项,被青海林业和草原局纳入重点推广应用名单、也被人民日报、中国青年报、甘肃农民报、草牧经、学习强国、张家川县融媒体等多次报道。这些荣誉勋章是对姚拓和他的团队最好的表彰,也是对他们科研工作的高度认可。