李 莉
(遼寧省微生物科學(xué)研究院,遼寧 朝陽(yáng) 122000)
我國(guó)的農(nóng)作物種植總量居世界首位,隨著農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展,各類(lèi)農(nóng)作物產(chǎn)量連年創(chuàng)歷史新高,同時(shí)也產(chǎn)生了大量的秸稈,由于富裕的農(nóng)民也用上了更加清潔方便的能源而舍棄了作為薪柴的秸稈,使秸稈的消耗量連年下降,導(dǎo)致了大量剩余秸稈產(chǎn)生。據(jù)統(tǒng)計(jì),2010年中國(guó)的秸稈總量超過(guò)9億噸,居世界首位,其中玉米秸稈2.5億噸。
秸稈還田是當(dāng)今世界普遍重視的一項(xiàng)培肥地力的增產(chǎn)措施,即杜絕了秸稈所造成的大氣污染,實(shí)現(xiàn)了CO2的減量排放,又減少了秸稈資源的浪費(fèi),從根本上解決了長(zhǎng)期施用化肥導(dǎo)致的土壤生態(tài)惡化,農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量下降等問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了低碳農(nóng)業(yè)和循環(huán)農(nóng)業(yè)[1]。據(jù)測(cè)定,1000~1500 kg鮮玉米秸稈含純氮 3.65 kg,五氧化二磷 1.85 kg,玉米秸稈內(nèi)含氮量為0.6%,含磷量為0.2%,含鉀量為2.28%,有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到3.4%左右,1250 kg鮮玉米秸稈相當(dāng)于4000 kg土雜肥的有機(jī)質(zhì)含量,氮、磷、鉀含量相當(dāng)于18.75 kg碳銨、10 kg過(guò)磷酸鈣和7.65 kg 硫酸鉀[2-3]。
近年來(lái),隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展,人們更多地使用秸稈還田技術(shù)。由于秸稈還田基本上是將秸稈就地還田,秸稈分解不完全,影響下一年的種植。如何促進(jìn)秸稈的快速分解,不影響下茬作物種植及秸稈還田的推廣,是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的一個(gè)重大問(wèn)題。
遼寧省微生物科學(xué)研究院國(guó)家農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目“利用微生物腐熟技術(shù)改善設(shè)施蔬菜試驗(yàn)與示范”項(xiàng)目組,經(jīng)過(guò)8年時(shí)間,研究了玉米秸稈快速腐熟技術(shù)和微生物秸稈腐熟劑,特別是通過(guò)微生物秸稈腐熟劑的作用,使秸稈能夠在一個(gè)作物生長(zhǎng)季腐解率達(dá)到90%以上。近年來(lái),在日光溫室和大田中推廣使用了該項(xiàng)技術(shù),推動(dòng)了秸稈的資源化利用,對(duì)提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和改善農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量,保障農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展起到了重要作用。本文對(duì)微生物在玉米秸稈還田中的作用研究進(jìn)行了論述,內(nèi)容主要包括玉米秸稈直接還田快速腐熟技術(shù)、秸稈腐熟劑及在秸稈腐解中的作用研究與分析。
玉米秸稈主要由C、H、O等元素組成有機(jī)物,其中又以3種高分子聚合物為主,分別是纖維素、半纖維素、木質(zhì)素[4],還含有少量的單寧、果膠質(zhì),表面還覆蓋有一定量的蠟質(zhì)成分。纖維素、半纖維素和木質(zhì)素在細(xì)胞壁中相互交織共同形成致密的結(jié)構(gòu),任何一類(lèi)成分的降解必然受到其他成分的制約。玉米秸稈中的主要成分是纖維素,占木質(zhì)纖維素的43%,纖維素分子是由β-D-葡萄糖通過(guò)β-1,4-糖苷鍵(由半縮醛羥基和C4上的醇羥基之間縮水形成糖苷鍵)結(jié)合而成的線性高分子化合物,鏈兩端組成不同,一個(gè)是還原端,一個(gè)是非還原端[5],纖維素的結(jié)構(gòu)還分為結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)兩部分,只有在非結(jié)晶區(qū)才有部分游離羥基存在[6],因此,纖維素的非結(jié)晶部分比結(jié)晶部分容易水解,經(jīng)水解可以得到葡萄糖,理論上1 kg纖維素水解可以得到1.1 kg葡萄糖。半纖維素在玉米秸稈中占27%,其成分比纖維素復(fù)雜一些,主要是由幾種不同類(lèi)型的單糖(五碳糖和六碳糖)構(gòu)成的異質(zhì)高聚體,其聚合度比較低,所含糖單元約為60~200個(gè)?;臼且苑枪矁r(jià)鍵方式與纖維素連接的多聚糖,半纖維素與纖維素分子鏈的主要區(qū)別在于:一是由外結(jié)晶狀雜多糖組成,二是分子鏈較短,三是高度分支,四是主鏈為一種糖單元[5]。木質(zhì)素在玉米秸稈中占20%,木質(zhì)素的直接前體是來(lái)自對(duì)羥基苯丙烯酸的三種醇(木質(zhì)醇)—松柏醇、芥子醇及香豆醇,木質(zhì)素的化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,許多植物的木質(zhì)素結(jié)構(gòu)仍不完全清楚。
微生物降解纖維素是先產(chǎn)生纖維素酶,再利用纖維素酶把纖維素水解成葡萄糖。半纖維素的主要成分是木聚糖,一些細(xì)菌和好氧絲狀真菌都能分泌不同的木聚糖酶,用于水解木聚糖,但是木質(zhì)素不含有易水解的重復(fù)單元,而且還抵抗酶的水解作用,是目前公認(rèn)的微生物難降解的芳香族化合物之一。木質(zhì)素的分解是一個(gè)氧化過(guò)程,需要多種酶的協(xié)同作用,需要由多種誘導(dǎo)酶所組成的復(fù)雜酶系,主要包括過(guò)氧化物酶、錳過(guò)氧化物酶和漆酶。
玉米秸稈直接還田快速腐熟技術(shù)主要是利用微生物分解秸稈中的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素,使其降解為葡萄糖、短鏈脂肪酸、氨基酸和CO2供農(nóng)作物生長(zhǎng)利用[7]。將秸稈整稈埋入250 mm以下的土壤中,通過(guò)加入微生物腐熟劑,使秸稈中的木質(zhì)纖維素在作物的一個(gè)生長(zhǎng)季轉(zhuǎn)化為生長(zhǎng)所需要的CO2、熱量和有機(jī)無(wú)機(jī)養(yǎng)料,可使溫室內(nèi)的CO2濃度提高4~6倍,1 kg秸稈還釋放出3037千卡的熱量,地溫提高2~3℃,有機(jī)質(zhì)含量提高0.1% ~0.23%。大田的玉米秸稈直接還田快速腐熟技術(shù)與溫室的玉米秸稈直接還田快速腐熟技術(shù)相同。
微生物是土壤最活躍的組成,在維持生態(tài)系統(tǒng)整體服務(wù)功能方面發(fā)揮著重要的作用[8-9],常被比擬為土壤碳、氮、磷等養(yǎng)分元素循環(huán)的“轉(zhuǎn)化器”,環(huán)境污染的“凈化器”,陸地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的“調(diào)節(jié)器”[10],土壤微生物學(xué)的研究對(duì)象也從單個(gè)的功能基因拓展到系統(tǒng)的宏基因組和轉(zhuǎn)錄組,從單一的菌種資源發(fā)展到整體的微生物群落[11-12]。遼寧省微生物科學(xué)研究院在定量描述土壤微生物過(guò)程、定向調(diào)控土壤微生物的功能方面進(jìn)行了探索,分析了在微生物菌群作用下木質(zhì)纖維素的降解過(guò)程,利用實(shí)時(shí)熒光定量PCR技術(shù),探討了秸稈還田后土壤中硝化細(xì)菌、自生固氮菌和纖維素分解菌數(shù)量的變化規(guī)律,在此基礎(chǔ)上利用秸稈生物降解技術(shù)研制出了秸稈腐熟劑[13-14]。實(shí)現(xiàn)秸稈還田,必須加速秸稈腐熟,由于秸稈中含有約90%的木質(zhì)纖維素,加速木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化便成為秸稈快速腐熟的關(guān)鍵。因此研究以秸稈還田定向快速腐熟關(guān)鍵技術(shù)為主,通過(guò)高效腐解秸稈微生物菌種篩選及復(fù)合微生物菌群構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)研究[15-16]、秸稈腐熟劑生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究,形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的有機(jī)物料腐熟劑產(chǎn)品。
遼寧省微生物科學(xué)研究院研究的玉米秸稈腐熟劑屬于好氧型有機(jī)物料腐熟劑,因此,在使用過(guò)程中必須通過(guò)打孔來(lái)保障通氣,滿足微生物對(duì)氧氣的需求及釋放出CO2。為了更好地發(fā)揮腐熟劑的作用,配套研究了菌種活化劑,菌種活化劑是一種可以迅速為微生物提供營(yíng)養(yǎng),促進(jìn)微生物快速啟動(dòng)、繁殖、生長(zhǎng)的以碳源為主的一類(lèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)?;罨瘎┨岣吡烁靹┰谕寥乐械亩ㄖ衬芰徒斩挼母馑俣龋?jiǎn)化了腐熟劑的使用方法,降低了腐熟劑的使用成本,只需與活化劑按比例混合,再加入一定比例的水,放置2 h后就可以使用,大田上使用只須與腐熟劑混合后撒入秸稈上即可。
在秸稈腐熟劑的研究過(guò)程中,微生物菌群在秸稈上的定殖能力研究非常重要,添加到秸稈中的微生物由于受土壤抑菌作用的影響而不能萌發(fā),或處于休眠狀態(tài),降低了微生物在秸稈腐解過(guò)程中的生長(zhǎng)和繁殖能力,因此,在菌種選育的時(shí)侯就應(yīng)考慮其定殖能力的問(wèn)題[17-19]。不同菌種在培養(yǎng)皿的無(wú)菌土中定殖能力測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1,不同菌種在埋入秸稈+腐熟劑的田間的定殖能力測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。從表1看出,6種菌在30 d左右達(dá)到最大活菌數(shù),到150 d時(shí)最低定殖率為0.01%,最高定殖率為26.4%。表1、表2結(jié)果表明,上述6個(gè)菌種在對(duì)照區(qū)均未檢測(cè)到,說(shuō)明在處理區(qū)檢測(cè)到的上述菌種都是后施入的菌種在秸稈上繁殖的結(jié)果,而不同的微生物菌種在土壤中的定殖能力是不同的。
腐解率即微生物對(duì)秸稈中木質(zhì)纖維素的分解能力,進(jìn)行了秸稈腐熟劑+菌種活化劑對(duì)土壤內(nèi)秸稈腐解率的研究。不同處理區(qū)土壤中真菌、細(xì)菌總數(shù)變化情況見(jiàn)表3,采樣時(shí)間為秸稈腐熟劑埋入土壤第7天。由表3可知,腐熟劑+秸稈處理區(qū)活菌數(shù)在10月31日達(dá)到最高,基質(zhì)區(qū)活菌數(shù)最高峰出現(xiàn)在11月23日,比處理區(qū)晚20 d左右;對(duì)照區(qū)活菌數(shù)高峰出現(xiàn)日期與基質(zhì)區(qū)相同。進(jìn)行了秸稈腐熟劑+菌種活化劑對(duì)土壤內(nèi)秸稈分解程度的研究,結(jié)果見(jiàn)表4。從表4可以看出,加腐熟劑的秸稈腐爛快、腐解率明顯比不加腐熟劑的秸稈高,殘余少,說(shuō)明秸稈腐熟劑能明顯促進(jìn)秸稈分解轉(zhuǎn)化。
表1 不同菌種在無(wú)菌土中定殖能力測(cè)試Table 1 The test for different strains in the sterile soil colonization ability
表2 不同菌種在田間定殖能力測(cè)試Table 2 The test for different strains in the field soil colonization ability
表3 不同處理區(qū)土壤中真菌、細(xì)菌總數(shù)變化(2011年)Table 3 The changes of fungi and bacteria in the different treated soil(2011)
表4 栽培結(jié)束時(shí)秸稈的腐解率(%)(黃瓜,2010-10~2011-06)Table 4 The straw decomposition rate at the end of the cultivation(%)(Cucumber,2010-10 ~2011-06)
不同處理區(qū)纖維素酶活性變化情況見(jiàn)表5。數(shù)據(jù)表明,處理區(qū)秸稈中纖維素酶活始終比基質(zhì)區(qū)高,并且差異明顯;土壤中的纖維素酶活性在各區(qū)中差異不大,多數(shù)時(shí)間段處理區(qū)的酶活性比基質(zhì)區(qū)和對(duì)照區(qū)高,在開(kāi)始階段和結(jié)束階段,基質(zhì)區(qū)的纖維素酶活略高于處理區(qū)。不同處理區(qū)土壤中和秸稈中酶活性高峰都出現(xiàn)在10月11~31日左右,基質(zhì)區(qū)酶活性高峰出現(xiàn)的略晚,2個(gè)區(qū)的酶活性高峰與活菌數(shù)高峰期相吻合。
表5 不同處理區(qū)土壤及秸稈中纖維素酶活性變化(2011年)(U/g)Table 5 The changes of cellulase activity for soil and straw in different processing zone(2011)(U/g)
表6 不同處理區(qū)土壤及秸稈中半纖維素酶活性變化(2011年)(U/g)Table 6 The changes of hemicellulase activity for soil and straw in different processing zone(2011)(U/g)
表6數(shù)據(jù)表明,秸稈中的半纖維素酶含量明顯比土壤中的活性高,高1倍左右。各區(qū)的酶活高峰基本在10月31日左右,這段時(shí)間也是活菌數(shù)最高的時(shí)間,酶活性變化趨勢(shì)與活菌數(shù)變化趨勢(shì)基本一致。大部分時(shí)間,秸稈中處理區(qū)的半纖維素酶活性高于基質(zhì)區(qū),只是在最后一次的測(cè)試結(jié)果低于基質(zhì)區(qū)。土壤中的半纖維素酶活性則大多數(shù)時(shí)間是處理區(qū)高于基質(zhì)區(qū),差異不是很明顯。與對(duì)照區(qū)相比,處理區(qū)、基質(zhì)區(qū)土壤中的半纖維素酶活并不高,說(shuō)明秸稈在分解過(guò)程中半纖維素酶向上運(yùn)輸能力差,并且秸稈分解過(guò)程中,對(duì)上層土壤半纖維素酶活影響不大。
遼寧省微生物科學(xué)研究院在朝陽(yáng)市龍城區(qū)榆樹(shù)林村測(cè)試結(jié)果(2011年7~12月,作物為豆角,秸稈使用量為500 kg/畝)見(jiàn)圖1。測(cè)試結(jié)果表明,隨著秸稈埋入時(shí)間增加,土壤中2種酶的活性不斷增加,并且在75 d左右達(dá)到最高,以后又逐漸下降,栽培結(jié)束時(shí)比栽培前土壤中2種酶的活性略高。土壤中2種酶的活性主要受土壤中活菌數(shù)的限制,與土壤中活菌數(shù)的多少呈正相關(guān)。
圖1 秸稈還田對(duì)土壤纖維素酶、半纖維素酶活性的影響Fig.1 The effect of the straw bio-degradation on the soil enzyme activity of the cellulose and hemicellulase
秸稈還田技術(shù)使用3年后土壤中微生物菌群及酶活性變化情況見(jiàn)表7。①細(xì)菌:處理區(qū)和基質(zhì)區(qū)的可培養(yǎng)細(xì)菌數(shù)量變化趨勢(shì)相同,都是先上升后下降趨勢(shì),高峰期都出現(xiàn)在120 d左右;處理區(qū)可培養(yǎng)細(xì)菌數(shù)量始終高于基質(zhì)區(qū),作物生長(zhǎng)期結(jié)束時(shí),可培養(yǎng)細(xì)菌數(shù)量基本相同。②真菌:處理區(qū)可培養(yǎng)真菌數(shù)量在90 d左右達(dá)到最高,在90~150 d時(shí),可培養(yǎng)真菌數(shù)量穩(wěn)定在107cfu/g左右,到150 d后,開(kāi)始緩慢下降;基質(zhì)區(qū)可培養(yǎng)真菌數(shù)量在120 d左右時(shí)達(dá)到最高點(diǎn),并且在120~170 d時(shí)為107cfu/g左右,然后快速下降到104cfu/g左右;處理區(qū)可培養(yǎng)真菌高峰期比基質(zhì)區(qū)高峰期早30 d左右。對(duì)照區(qū)可培養(yǎng)真菌數(shù)量變化趨勢(shì)與基質(zhì)區(qū)相同,但是基質(zhì)區(qū)可培養(yǎng)真菌數(shù)量比對(duì)照區(qū)高100倍左右。③總菌數(shù):對(duì)照區(qū)、基質(zhì)區(qū)、處理區(qū)的總菌數(shù)的變化趨勢(shì)相同,都是在120 d左右時(shí)達(dá)到最高,并且在120~170 d時(shí)穩(wěn)定,170 d后下降,基質(zhì)區(qū)和處理區(qū)的總菌數(shù)在高位時(shí),比對(duì)照高1萬(wàn)倍。④纖維素酶活:處理區(qū)纖維素酶活在90 d時(shí)達(dá)到最高582 U/g,然后開(kāi)始緩慢下降,到150 d時(shí),降低到25 U/g;基質(zhì)區(qū)的纖維素酶活在120 d左右時(shí)達(dá)到最高425 U/g,然后開(kāi)始下降,到150 d時(shí),降低到21 U/g。⑤木聚糖酶活:在45 d時(shí)檢測(cè)到木聚糖酶活性,達(dá)到最高點(diǎn)以后逐漸下降,處理區(qū)酶活明顯比基質(zhì)區(qū)酶活高,對(duì)照未檢測(cè)到木聚糖酶活。
表7 微生物菌群及酶活性變化情況Table 7 The changes of the flora and enzyme activity of microorganisms
大田試驗(yàn)小區(qū)微生物種群數(shù)量與各處理間顯著性分析結(jié)果見(jiàn)表8。由表8可以看出,大田玉米使用玉米秸稈降解技術(shù)和秸稈腐熟劑對(duì)土壤中微生物種群數(shù)量有很大影響,由CK與各處理之間比對(duì)可以看出,只加秸稈不加腐熟劑的CK處理土壤中的真菌、細(xì)菌、放線菌總數(shù)及功能菌(自生固氮菌、硝化細(xì)菌、纖維素分解菌)與各處理之間差異顯著,各處理菌數(shù)比CK菌數(shù)明顯增多,且增加量達(dá)到極顯著水平,不同菌種使用量土壤中菌數(shù)差異也達(dá)到了極顯著水平。試驗(yàn)小區(qū)土壤酶活性與各處理間顯著性分析結(jié)果見(jiàn)表9,不同菌種使用量土壤酶活性比較結(jié)果見(jiàn)圖2。從表9及圖2可以看出,各種酶活力基本隨著腐熟劑施入量的增加而呈現(xiàn)遞增趨勢(shì),且差異呈顯著水平。經(jīng)過(guò)比對(duì)還可以看出,施用腐熟劑的各種酶活力均比對(duì)照高,且處理4的整體酶活力水平高于各處理間的酶活力水平。說(shuō)明當(dāng)腐熟劑施入量為0.4%菌劑時(shí)酶活力呈現(xiàn)出較好水平。
表8 試驗(yàn)小區(qū)微生物種群數(shù)量與各處理間顯著性分析Table 8 The analysis of the microbial populations and significant between each treated room in test area
表9 試驗(yàn)小區(qū)土壤酶活性與各處理間顯著性分析Table 9 The analysis of the soil enzyme activity and significant between each treated room in test area
圖2 不同菌種使用量土壤酶活性比較Fig.2 The comparison of the soil enzyme activity for the different usage of the strains
近年來(lái),玉米秸稈快速腐熟技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越普遍,說(shuō)明微生物秸稈腐熟劑在秸稈腐解過(guò)程中發(fā)揮了重要作用[20-21],試驗(yàn)證明:秸稈+腐熟劑無(wú)論是活菌數(shù)還是腐解率均較對(duì)照有顯著差異,效果明顯。然而微生物對(duì)秸稈的腐熟過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的微生物混合種群生態(tài)系統(tǒng)的變化過(guò)程[22-23],秸稈腐熟劑的研究涉及土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及其功能群分析、土壤有機(jī)質(zhì)微生物轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)、聚丙烯酰胺凝膠電泳DGGE為代表的分子指紋圖譜技術(shù)、土壤微生物生物量測(cè)定方法,希望引起廣大科技工作者關(guān)注。在研究過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)秸稈腐熟劑在土壤中的定殖能力和腐解率與接入的微生物菌種數(shù)量有關(guān),與秸稈中的纖維素酶活性有關(guān),與土壤的溫度、濕度和覆土厚度有關(guān),現(xiàn)有的秸稈腐熟劑中微生物的定殖能力還很低,分析其原因,可能是微生物選育和培養(yǎng)過(guò)程中溫度過(guò)高,不適應(yīng)土壤中的環(huán)境。溫室大棚常種蔬菜的溫度管理指標(biāo)見(jiàn)表10[24]。
表10 溫室中常種蔬菜的溫度管理指標(biāo)(℃)Table 10 The index of temperature management for usual vegetables in the greenhouse(℃)
從表10可以看出,蔬菜從苗期到結(jié)實(shí)期最適宜的地溫是15~23℃,因此在秸稈腐熟劑的微生物菌種分離篩選過(guò)程中,應(yīng)根據(jù)溫室內(nèi)地溫情況,菌種的培養(yǎng)溫度應(yīng)在20℃左右,這樣才能使腐熟劑在使用過(guò)程中保證較好的定殖率和腐解率。有關(guān)這方面的研究還未見(jiàn)報(bào)導(dǎo),另外,應(yīng)在土壤中分離菌種才能使菌種適應(yīng)土壤環(huán)境,分離篩選出具有高腐解率的微生物菌種,使微生物腐熟劑在玉米秸稈直接還田中發(fā)揮更好的作用,讓玉米秸稈這一寶貴資源得到更充分的利用。
從另一個(gè)角度看,玉米秸稈還田和秸稈腐熟劑的應(yīng)用也是調(diào)整土壤新的平衡過(guò)程,通過(guò)研究微生物在土壤有機(jī)質(zhì)的周轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)化中的作用,會(huì)更進(jìn)一步推動(dòng)土壤微生物的研究與發(fā)展,使微生物技術(shù)更好地服務(wù)于人類(lèi)。
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