秸稈腐熟劑的構(gòu)建及其在秸稈堆肥還田中的作用研究

羅麗艷 ，尹微景 ，洪　雙 ，薛　冰 ，江志陽

（1.中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所，沈陽 110016；2.沈陽中科新型肥料有限公司，沈陽 110016）

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，人們?yōu)榱藢で筠r(nóng)作物產(chǎn)量而過分依賴化肥，致使土壤養(yǎng)分失衡嚴重，土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，嚴重阻礙了農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展。農(nóng)作物秸稈堆肥還田是解決該問題的簡潔有效的途徑，在人類社會發(fā)展進程中起到重要作用。大量試驗證明，復(fù)合微生物菌劑的加入能夠加速秸稈堆肥的進程，提高肥效，增強還田后培肥地力的效果。目前，對復(fù)合菌劑構(gòu)建依據(jù)的研究鮮有報導(dǎo)。本課題就秸稈腐熟劑的構(gòu)建依據(jù)及菌種選擇進行探討，為今后的研究工作提供參考。

1　秸稈資源現(xiàn)狀及秸稈還田的意義

農(nóng)作物秸稈是豐富的自然資源，我國每年農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量6.4億多 t，占世界秸稈總產(chǎn)量的20%～30%。農(nóng)作物秸稈中含有碳、氮、磷、鉀及各種微量元素，是寶貴的可再生資源。秸稈堆肥還田可使作物在生長期吸收的大部分營養(yǎng)元素回歸土壤，進而提升土壤有機質(zhì)含量，提升土壤速效養(yǎng)分含量，維持土壤養(yǎng)分的動態(tài)平衡，改善土壤團粒結(jié)構(gòu)和土壤理化性狀，培肥地力，減少化肥施用量，達到作物增產(chǎn)增效的目的，對于促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

2　秸稈腐熟劑的構(gòu)建原則

復(fù)合微生物菌劑是由兩種或兩種以上的互相不拮抗的微生物菌種制成的微生物制劑，具有種類全、配伍合理、功能性強、經(jīng)濟效益高等優(yōu)良特點。秸稈腐熟劑是復(fù)合微生物菌劑的一種，主要應(yīng)用對象為農(nóng)作物秸稈，其構(gòu)建應(yīng)滿足以下幾點要求。

2.1　能夠有效降解腐熟秸稈

農(nóng)作物秸稈由有機物、礦物質(zhì)及水構(gòu)成，其有機物的主要成分為碳水化合物。秸稈中的粗纖維包括纖維素、半纖維素、多縮戊糖及鑲嵌物質(zhì)（木質(zhì)素、角質(zhì)）等，其中纖維素、半纖維素及木質(zhì)素所占比例很大。纖維素是植物細胞壁的主要構(gòu)成成分，也是自然界中最大的有機物質(zhì)；半纖維素是許多不同單糖聚合體的異源性混合體，具有穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)；木質(zhì)素是一種雜聚物，它與纖維素、半纖維素一起構(gòu)成細胞壁的主要成分。在農(nóng)作物秸稈組織中，木質(zhì)素的降解必須優(yōu)先于纖維素的分解。所以在構(gòu)建秸稈腐熟劑時，必須含有高產(chǎn)纖維素酶的菌株、高產(chǎn)半纖維素酶的菌株及高產(chǎn)木質(zhì)素降解酶的菌株，且高產(chǎn)木質(zhì)素降解酶的菌株要占有一定的比例優(yōu)勢。值得注意的是，添加的各種微生物菌株不得抑制植物根系的生長。

2.2　適應(yīng)耕作區(qū)的氣候特點

我國幅員遼闊，南北方氣候差異顯著。我國南方地區(qū)的氣候特點為：1）赤道季風(fēng)氣候，主要包括位于北緯10°以南的南海島嶼地區(qū)，年平均氣溫在26℃以上；2）熱帶季風(fēng)氣候，包括臺灣南部、雷州半島和海南島等地，最冷月平均氣溫不低于16℃；3）副熱帶季風(fēng)氣候，包括華北和華南地區(qū)，最冷月平均氣溫-8～0℃，夏季平均氣溫高于25℃。我國北方地區(qū)主要是溫帶大陸性氣候，局部地區(qū)是高原氣候，其氣候基本特征表現(xiàn)為：四季變化明顯，夏季溫?zé)幔竞?，氣溫年差、日差較大，夏季平均氣溫高于25℃，冬季最冷氣溫可達-40℃。對前一年秋季糧食收割后還田的秸稈，在冬季低溫環(huán)境下，常規(guī)的中溫菌及高溫菌很難發(fā)揮作用，來年春季開播前達不到秸稈腐熟還田的效果。因此，在構(gòu)建秸稈腐熟菌劑時要充分考慮到耕作區(qū)的氣候條件，選擇適宜的低溫、中溫及高溫菌株組建復(fù)合菌系，以便更好地發(fā)揮作用，使秸稈堆肥效果最佳化。

2.3　復(fù)合菌系秸稈降解功能穩(wěn)定性要高

秸稈腐熟劑在自然界中的作用環(huán)境不是一成不變的，而是處于一個動態(tài)的變化過程中。秸稈降解過程就是復(fù)合微生物菌系連續(xù)繼代培養(yǎng)繁殖的過程，在此過程中，周圍環(huán)境溫度、pH、營養(yǎng)條件等都是變化的，因此要求組成秸稈腐熟劑的復(fù)合微生物菌系在外界因素變化過程中，各菌株的繁殖能力沒有降低、產(chǎn)酶活性沒有減弱，復(fù)合菌系的秸稈分解功能沒有退化，具有高穩(wěn)定性。

2.4　能夠促進土壤微生物群落的改善

由于尋求農(nóng)作物產(chǎn)量而過分依賴化肥以及大量施用農(nóng)藥，導(dǎo)致土壤板結(jié)酸化、土壤營養(yǎng)失衡問題嚴重，土壤中病原菌的種類和數(shù)量增加，微生物群落發(fā)生變化，農(nóng)作物病害嚴重，阻礙了農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展。在腐熟秸稈的過程中，秸稈腐熟劑中的各菌群組分自身大量繁殖，隨秸稈還田后，作為一分子參與到土壤微生物區(qū)系中，影響土壤微生物區(qū)系的構(gòu)成。因此，在構(gòu)建秸稈腐熟劑的組分時，除了降解秸稈主要功能菌外，還應(yīng)合理添加對病原微生物具有拮抗功能及土壤修復(fù)功能的益生菌，進而優(yōu)化土壤微生物菌群，提高有益菌數(shù)量，以達到降低作物病害，促進作物根部對營養(yǎng)元素的吸收利用，進而提高作物產(chǎn)量的目的。

3　降解腐熟農(nóng)作物秸稈的主要微生物

3.1　降解木質(zhì)素的主要微生物

目前可降解木質(zhì)素的細菌中研究較多的是放線菌，主要有諾卡氏菌、巨大芽孢桿菌（Bacillus Megaterium）、鏈霉菌 （Streptomyces）、假單胞桿菌（Pseudomonas）等。

可降解木質(zhì)素的真菌按其分解木材組分的不同變化，可分為軟腐真菌、褐腐真菌（Bmwn rot fungi）、白腐真菌（white rot fungi）3類。軟腐真菌主要是一組子囊菌和半知菌，它們在潮濕條件下對木材表面發(fā)生降解作用。褐腐真菌是一組優(yōu)先攻擊軟木的擔(dān)子菌。白腐真菌絕大多數(shù)為擔(dān)子菌，少數(shù)為子囊菌和半知菌。白腐真菌在適宜的條件下，菌絲首先用其分泌的超纖維氧化酶溶解表面的蠟質(zhì)，然后菌絲進入秸稈內(nèi)部，并產(chǎn)生纖維素酶、半纖維素酶、內(nèi)切聚糖酶、外切聚糖酶，降解秸稈中的木質(zhì)素和纖維素。白腐真菌可將木材中木質(zhì)素和纖維素徹底降解為CO2和H2O。黃孢原毛平革菌（Phanerochnete Chrysosporium Burdsall）為典型種，因其具有較強的降解能力而倍受重視。

3.2　降解纖維素的主要微生物

能產(chǎn)生纖維素酶的微生物均能降解纖維素，細菌中的噬纖維菌屬（Crytoptagal）、纖維多囊菌（Polyangiumcellulosum）、生成噬纖維菌屬（Sporocytophaga）、梭菌屬（Clostridium）、芽孢桿菌屬（Bacillus）中的某些菌株均具有分解纖維素的功能。東北師大的劉東波等人分離出一株纖維素諾卡氏菌（Nocardia cellulans HD-86），它是以纖維素作為唯一碳源進行固氮生長的固氮菌，在農(nóng)業(yè)應(yīng)用上極具潛力。放線菌較易利用半纖維素，在一定程度上能夠改變木質(zhì)素的分子結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，繼而分解溶解的木質(zhì)素。

真菌是自然界分解纖維素的主要力量，常見的有綠霉屬的康寧木霉 （Trichoderma sp）和綠色木霉（Trichoderma viride）、曲霉屬（Aspergillus）的黑曲霉（Aspergillus niger）和米曲霉（Aspergillus oryzae）等、青霉屬（Penicillium）的部分菌株，以及大型真菌中日常食用的草菇（Volvariellavolvacea）、香菇（Lentinusedodes）等。

4　對秸稈堆肥還田效果的影響

秸稈腐熟劑是經(jīng)人為選育并合理配伍過的一種復(fù)合型微生物制劑，其各個菌群組分都具有較高的生物活性，能夠高效充分利用秸稈堆肥初期被水淋溶下來的有機物來進行自我快速繁殖，在此過程中釋放出木質(zhì)素降解酶、纖維素降解酶及半纖維素降解酶等酶類及各種促生長因子，進而加快作物秸稈的腐解速度，提高秸稈分解率，將農(nóng)作物秸稈中不易被作物吸收利用的大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可被農(nóng)作物根部吸收利用的小分子物質(zhì)，實現(xiàn)自然界營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)利用。與秸稈自然堆肥相比，加入秸稈腐熟劑能夠提高并保持堆肥肥效，減少氮元素的損失；還田后調(diào)節(jié)土壤結(jié)構(gòu)，改善土壤腐殖酸組分，提高胡敏酸及富里酸的比例，提高土壤的團粒率，提升土壤有機質(zhì)、速效養(yǎng)分含量，培肥土質(zhì)；功能型益生菌的加入可為微生物區(qū)系平衡的建立創(chuàng)造有利環(huán)境，激發(fā)土壤酶（土壤蔗糖酶、土壤脲酶及土壤過氧化氫酶）活性，促進作物根部的生長發(fā)育及其對周邊養(yǎng)分的吸收利用率，實現(xiàn)作物的增產(chǎn)增收。另外，由于外源復(fù)合菌劑的加入，在秸稈腐熟堆肥過程中會產(chǎn)生60～70℃的高溫，持續(xù)時間一般為20～30 d，長時間的高溫環(huán)境能夠殺滅秸稈中的病原菌、蟲卵及雜草種子，實現(xiàn)凈肥下地。

5　結(jié)語

農(nóng)作物秸稈堆肥還田是提升土壤有機質(zhì)含量、改善土壤理化性狀的有效途徑。秸稈腐熟劑在構(gòu)建過程中要充分考慮到菌種的高活性及其在自然環(huán)境下性能的穩(wěn)定性、耕作地區(qū)氣候條件及對農(nóng)作物根系生長的影響等因素，以達到省時省力、高效降解腐熟農(nóng)作物秸稈，提高肥效、培肥地力的目的。北方地區(qū)早春耕作氣溫較低，對低溫高性能纖維分解菌的選育及馴化是現(xiàn)今及未來菌種選育工作的重點，可以促進北方地區(qū)秸稈還田項目的開展。

［1］韓魯佳，閆巧娟，劉向陽，等.中國農(nóng)作物秸稈資源及其利用現(xiàn)狀［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2002，18（3）：87-90.

［2］孫星，劉勤，王德建，等.長期秸稈還田對土壤肥力質(zhì)量的影響［J］.土壤，2007，39（5）：782-786.

［3］王萌.試論秸稈綜合利用與農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護［J］.江西農(nóng)業(yè)學(xué)報，2007，19（12）：95-97.

［4］武志杰，張海軍，許廣山，等.玉米秸稈還田培肥土壤的效果［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2002，13（5）：539-542.

［5］張建峰，侯紅燕，付志金，等.速腐菌劑在東北地區(qū)秸稈堆肥中的功能驗證及微生物菌群動態(tài)研究［J］.中國農(nóng)學(xué)通報，2013，29（26）：112-117.

［6］高琳，高聚林，鬧干朝魯，等.玉米秸稈低溫降解菌系的生長特性及其降解效果的研究［J］.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)科技，2015，43（5）：7-9.

［7］許衛(wèi)劍，龐嬌霞，嚴菊敏，等.秸稈腐熟劑的作用機理及應(yīng)用效果［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2011（5）：277.

［8］史央，蔣愛芹，藏傳超.秸稈降解的微生物學(xué)機理研究及應(yīng)用進展［J］.微生物學(xué)雜志，2002，13（5）：539-542.

［9］陳阿娜，湯斌.纖維素酶高產(chǎn)菌株選育研究進展［J］.安徽農(nóng)學(xué)通報，2006，12（10）：64-65.

［10］孫豐年，邵澤強，羅青，等.秸稈腐熟劑顯著提高玉米秸稈的腐熟效果［J］.基層農(nóng)技推廣，2016（10）：42-43.

［11］劉萍英，李博.劉冰秸稈腐熟劑使用效果研究［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2015（8）：225-226.

［12］于建光，常志州，黃紅英.秸稈腐熟劑對土壤微生物及養(yǎng)分的影響［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2010（3）：563-570.

［13］王云林.應(yīng)用腐桿劑對于玉米秸稈腐熟速度及土壤養(yǎng)分含量的影響［J］.農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，36（22）：34-35.

［14］常巧真，費政軍.有機物料腐熟劑對玉米秸稈還田的影響［J］.中國農(nóng)業(yè)信息，2017（2）：72-73.