我國微生物肥料產業(yè)需求與技術創(chuàng)新

李 俊，姜 昕，馬鳴超，關大偉，曹鳳明，李 力

［中國農業(yè)科學院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所，農業(yè)農村部微生物產品質量安全風險評估實驗室（北京），北京 100081］

我國微生物肥料產業(yè)經過近20年的穩(wěn)定快速發(fā)展，已跨入到創(chuàng)新最為渴望、極為迫切的時期。在國家綠色農業(yè)發(fā)展和鄉(xiāng)村振興計劃等戰(zhàn)略中，對微生物肥料產業(yè)提出了新的要求，研發(fā)新產品、新菌種、新工藝、新功效等已成為新時期產業(yè)發(fā)展目標。本文在重點對近幾年我國微生物肥料行業(yè)現狀分析的基礎上，提出下一步發(fā)展的新產品與技術方向等產業(yè)發(fā)展需求，尤其是圍繞實現產業(yè)發(fā)展目標，需要重視和加速推進創(chuàng)新力度，為產業(yè)發(fā)展提供強大的原動力，進而推動產業(yè)健康穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展。

1 微生物肥料產業(yè)需求

1.1 微生物肥料產業(yè)發(fā)展總體情況

農業(yè)生產中化學肥料的過度施用和利用率的降低，導致生態(tài)安全、食品安全、能源耗竭、資源緊缺、環(huán)境污染等矛盾日益凸顯。微生物肥料因其培肥地力、節(jié)本增效、綠色環(huán)保等特點受到廣泛關注，已成為綠色生態(tài)農業(yè)發(fā)展的不可替代的制勝法寶之一［1-2］。近年來，國家通過各種措施推動了微生物肥料的應用與發(fā)展，在頒布實施的《生物產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》［3］中，將微生物肥料納入到“農用生物制品發(fā)展行動計劃”；2015年原農業(yè)部制定了《到2020年化肥使用量零增長行動方案》［4］，明確“有機肥替代化肥”的技術路徑；近年又提出“一控兩減三基本”的目標，力爭實現農藥化肥的零增長。微生物肥料的作用將越來越凸顯，對實現“藏糧于地、藏糧于技”戰(zhàn)略指導思想，保障國家糧食安全、農產品質量安全和農業(yè)生態(tài)安全具有十分重要的意義。

在此背景下，我國微生物肥料產業(yè)迎來了迅猛發(fā)展的黃金時期，尤其是2016～2018年，更是產業(yè)培育壯大和產業(yè)影響力形成的關鍵時期。截止目前（2018年12月）我國已有微生物肥料企業(yè)2 050家（含境外28家），產能達3 000萬t，登記產品6 528個［5］，產值400億元，標志我國微生物肥料產業(yè)的形成；這些數據較4年前（2014年）增加了一倍左右［6］。我國的微生物肥料具有產品種類多、應用范圍廣的特點，目前在農業(yè)農村部登記的產品種類有農用微生物菌劑［7］、生物有機肥［8］和復合微生物肥料［9］3大類11個品種。在登記產品中，各種功能菌劑產品約占登記總數的40%，復合微生物肥料和生物有機肥類產品各占大約30%；使用的菌種超過170個，涵蓋了細菌、放線菌和真菌各大類別［5］。其快速發(fā)展的主要原因是國家綠色農業(yè)發(fā)展的需求，以及微生物肥料在可持續(xù)農業(yè)中表現出其獨特和不可替代的作用。

1.2 微生物肥料標準體系助力產業(yè)健康持續(xù)發(fā)展

截止目前已頒布實施且現行有效的微生物肥料標準共計21項，其中國家標準3項［7，10-11］，農業(yè)行業(yè)標準18項，涵蓋了通用標準［12-13］、菌種 /安全標準［14-17］、產品標準［7-9，18-19］、方法標準［10-11，20］和技術規(guī)程［21-27］，初步構建了具有我國特色的微生物肥料標準體系，也是國際上首創(chuàng)的微生物肥料標準體系，實現了我國微生物肥料標準研究制訂的跨越式發(fā)展，達到了從單一產品標準發(fā)展到多層面綜合標準、從農業(yè)行業(yè)標準上升至國家標準、標準內涵從數量評價為主到質量數量兼顧的3個轉變的目標。上述標準體系涉及了產品質量要求、檢測方法、安全評估、生產規(guī)程、應用效果評價等各個方面，在產品生產、登記、銷售、流通等各個環(huán)節(jié)被政府部門采用，為行業(yè)健康持續(xù)發(fā)展提供了技術支撐及法規(guī)依據，實現了政府監(jiān)管有法可依，企業(yè)生產有章可循，行業(yè)發(fā)展有規(guī)可矩。

除了上述已經頒布實施的標準以外，后續(xù)將重點以當前產業(yè)發(fā)展和市場需求為切入點，大力開展復合型微生物肥料菌株的相互作用、復合發(fā)酵工藝優(yōu)化、貨架期延長技術、微生物包衣技術，以及土壤生物修復等關鍵技術研究，制定“復合型微生物肥料生產質量控制技術規(guī)程”、“土壤修復菌劑”、“微生物包衣技術規(guī)程”等相關標準，并針對微生物肥料產品中廣泛使用的芽孢桿菌等，研制含量和功能定量的微生物制劑標準樣品，以進一步豐富和完善微生物肥料標準體系，促進產業(yè)的健康、快速發(fā)展。

1.3 微生物肥料多功能效果是產業(yè)發(fā)展的原生動力

微生物肥料已成為肥料中的重要品種，也是新型肥料的主力品種。它在提高養(yǎng)分轉化利用率、維護土壤和植物健康、增產增效、減肥增效、提質增效，保證農業(yè)可持續(xù)生產能力和綠色發(fā)展等方面具有不可替代的作用［1］。微生物肥料獨特功能的體現，正是由于其產品的特點與多功能效果所決定的。

（1）微生物肥料特點適應我國農業(yè)綠色發(fā)展的需求，即其具備國家戰(zhàn)略需求的特征。微生物肥料作為“十二五”以來生物農業(yè)中的戰(zhàn)略性新興產業(yè)和近年來農業(yè)綠色優(yōu)選投入品，是由我國特定的國情所決定的。一是人多地少的可耕地資源短缺，導致耕地的復種指數高，土壤得不到應有的休養(yǎng)和自我修復，耕地長期只用不養(yǎng)已威脅到其持續(xù)的生產能力；二是近幾十年的農業(yè)生產中，化肥、農藥、除草劑等農業(yè)投入品的不合理使用等問題，已造成了各種有毒有害物質積累，破壞了土壤的物理結構，土壤酸化日益嚴重和有機質的下降，引起了土壤功能微生物的失衡與土壤肥力的下降，肥料利用率不高，作物病害頻發(fā)，農業(yè)效益下降；三是土壤健康問題日漸嚴重，農產品質量安全問題日益突出。要解決這些我國農業(yè)生產的障礙，實現農業(yè)可持續(xù)發(fā)展，正好與微生物肥料的功能相吻合，也正是微生物肥料的特點和專長。從這個角度來說，微生物肥料是實現我國農業(yè)綠色不可或缺的產品，可以說，我國比世界上任何國家都更需要發(fā)展微生物肥料?？梢?，與傳統肥料相比，微生物肥料在保護生態(tài)、農業(yè)廢棄物資源利用、維護土壤健康、提高肥料利用率和作物產量與質量等方面具有明顯優(yōu)勢［1，6］。也有人將微生物肥料稱之為新一代的“環(huán)境友好型肥料”，最近有專家又將其稱為“智能型肥料”。

（2）微生物肥料的多功能效果，具有顯著的經濟效益、社會效益和生態(tài)效益。在總結近幾年研究成果的基礎上，將微生物肥料作用機理歸納為提供或活化養(yǎng)分功能［28-30］，產生促進作物生長活性物質能力［31-32］，促進有機物料腐熟功能［33-34］，改善農產品品質功能［35-36］，增強作物抗逆性功能［37-39］，改良和修復土壤功能［40-41］6個方面，并以標準NY/T 1847-2010《微生物肥料生產菌株質量評價通用技術要求》正式頒布實施［15］。該標準是對微生物肥料產品包裝標識、技術培訓和廣告宣傳的依據。2013年，美國出版了《微生物養(yǎng)活世界》一書，強調通過調控土壤微生物區(qū)系能夠增產20%，減少20%化肥與農藥用量，是未來環(huán)境友好、經濟高效的農業(yè)新出路［42］。目前微生物肥料已成為蔬菜、果樹、茶葉、中草藥等作物上的主打肥料，每年在全國累計的應用面積超過了2.7×107hm2，取得了巨大的經濟效益、社會效益和生態(tài)效益。

1.4 微生物產業(yè)的跨越發(fā)展急需技術產品的創(chuàng)新

盡管我國微生物肥料的研發(fā)應用歷經數10年，并在近10年來取得了快速發(fā)展，但是仍存在整體水平參差不齊、功能機理不明、菌株與產品同質化嚴重、生產工藝欠合理、技術創(chuàng)新不足、效果穩(wěn)定性差、菌種產品產權保護不力等制約我國微生物肥料行業(yè)發(fā)展的問題。這些與研究基礎薄弱、研發(fā)投入少、行業(yè)起步晚等密切相關。在我國微生物肥料迎來快速發(fā)展新時代的今天，行業(yè)技術產品創(chuàng)新不足成為主要的制約因素。

與其他國家相比，我國的微生物肥料具有以下3方面特點：一是產品種類多，使用菌種達170多種，登記產品超過6 000個［5］。研發(fā)應用的菌劑產品種類多，尤其是在研制開發(fā)微生物與有機營養(yǎng)物質、微生物與無機營養(yǎng)物質的復合而成的新產品方面，處于領先的地位。其次是我國微生物肥料應用面積廣，每年應用面積累計2.7×107hm2以上，幾乎在所有作物上都有應用，在提高化肥利用率、降低化肥使用量和減少化肥過量使用導致環(huán)境污染，凈化和維護土壤健康，提升作物品質等方面已取得了較好的效果。三是我國微生物肥料行業(yè)生產規(guī)模大，產能3 000萬t以上，但需通過技術創(chuàng)新，突破新的功能菌種選育、生產工藝優(yōu)化、貨架期延長等關鍵技術難題，進一步提高產品質量，降低生產成本，穩(wěn)定應用效果，為我國微生物肥料產業(yè)下一個黃金發(fā)展時期提供堅實的技術基礎。

基于綠色農業(yè)的“安全、優(yōu)質、可持續(xù)”的特征和微生物肥料的功能特點，并結合上面的分析可得出，微生物肥料是我國綠色農業(yè)的首選投入品，發(fā)展綠色農業(yè)離不開微生物肥料。國家對微生物肥料產業(yè)的總需求可概括以下5個方面：（1）微生物在維持和提高土壤肥力，消除土壤中存在的問題，恢復土壤生產力，保持土壤質量健康的作用；（2）微生物在秸稈等有機物料中快速腐熟功效，促進有機物料的資源化有效利用；（3）微生物在固氮和活化土壤養(yǎng)分，提供養(yǎng)分供給和提高肥料利用率，實現減量施肥、高效施肥和經濟施肥的功效；（4）微生物在克服作物連作障礙和提高作物品質等方面的獨特作用；（5）微生物在提高作物抗旱、抗?jié)?、抗寒、抗病等新功能應用。要實現我國微生物肥料產業(yè)需求目標，技術創(chuàng)新是關鍵，尤其是新功能菌株選育、評價和知識產權保護等核心工作。

2 微生物肥料產業(yè)技術創(chuàng)新

就微生物肥料行業(yè)的科技創(chuàng)新而言，以下4個方面必須得到重視才能推動行業(yè)的發(fā)展：首先是挖掘、篩選、拓展新的功能菌種，選育具有作物親和性、地域適應性、優(yōu)良生產性能的功能菌株；二是優(yōu)化微生物肥料產品的組合和活性保持技術，使不同功能菌株互補、菌株與載體功能疊加的組合產品，實現效果穩(wěn)定；三是建立微生物肥料的產品效果評價體系、生態(tài)效應評價、質量安全監(jiān)督檢測體系和市場推廣體系；四是創(chuàng)新意識與文化的形成。

2.1 選育新功能菌種是研發(fā)新一代微生物肥料的核心

“智能化”是新一代肥料的發(fā)展方向。微生物肥料具有多功能、主動響應、信號調控、綠色環(huán)保的特點，滿足“智能型肥料”多功能性、主動互作性、系統性、安全性的所有要素要求。因此，新一代的微生物肥料研發(fā)目標，就是突破新功能菌株的選育、不同功能菌株的組合、菌株在產品中的活性保持及其在應用環(huán)境中的定殖與互作等關鍵技術，突出微生物的“合作關系”［43-45］，從而達到“智能化”的微生物肥料功效。目前的微生物肥料距離“智能化”產品目標尚有差距，其主要原因是功能菌株及其組合達不到要求，僅能滿足“智能化”的部分要求，尤其是主動響應的互作性和系統調控的穩(wěn)定性方面存在不足。

菌種創(chuàng)新是微生物肥料產業(yè)發(fā)展的核心內容，包括新功能菌種的篩選技術和評價技術。針對優(yōu)良菌種“六性”要求，即功能性、生產性、互作性、協同性、生態(tài)適應性、安全性，急需建立對應的技術方法，實現優(yōu)良菌株的科學評價，并且加強與土壤環(huán)境的耦合評價技術，明確功能菌種應用后對土壤理化性質和生物肥力的影響［46］。同時，應重視菌種活性保持技術，采用回歸應用環(huán)境、添加植物或土壤浸提物等措施進行復壯，防止菌種退化。此外，也急需肥料管理部門在下一步的肥料管理法規(guī)中，確立新研發(fā)功能菌株的知識產權保護政策，采用現代技術建立菌株編碼的唯一性系統，維護新菌株選育者的權益，達到產權保護和菌種溯源的目標。

2.2 我國微生物肥料產業(yè)未來5～10年的新技術產品清單

依據國務院印發(fā)的《生物產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》［3］、農業(yè)農村部印發(fā)的《農業(yè)綠色發(fā)展技術導則（2018—2030年）》［47］等一系列文件對微生物肥料產業(yè)提出的要求，結合微生物肥料多功能、高效、綠色、經濟等特點和新一代微生物肥料所具備的主動響應、系統調控、功能多樣、環(huán)境友好等智能型肥料特征，充分發(fā)揮微生物肥料在土壤修復改良、作物提質增效、減肥增效等不可替代作用，以滿足國家農業(yè)綠色發(fā)展的需要。

未來5～10年的我國微生物肥料產業(yè)優(yōu)先研發(fā)的7項新技術分別是：微生物肥料優(yōu)良生產菌株篩選及發(fā)酵工藝技術、微生物農田土壤凈化修復技術、共生固氮微生物應用新技術、微生物種子包衣技術、有機資源綜合利用微生物轉化新技術、作物秸稈快速腐解還田微生物及其配套技術、新型復合配套技術。其對應的重點研發(fā)應用產品分別為：根瘤菌劑、有機物料腐熟菌劑、土壤修復菌劑、溶磷菌劑、生物有機肥、復合微生物肥料等。這些新產品應具備的特征如下：

（1）土壤修復菌劑：對蔬菜、果樹、草藥、煙草等重茬土壤、酸性土壤、鹽堿土壤和次生鹽漬化土壤的有效修復，以及對土壤中的農藥殘留、土壤中的除草劑殘留等高效降解。該產品對修復土壤和維護土壤健康，及在保證農產品安全中不可缺少。

（2）固氮及根瘤菌劑：應具備與作物親和性強、固氮高效、環(huán)境適應廣、競爭性或定殖能力強的特征。主要的根瘤菌菌劑包括大豆根瘤菌劑、花生根瘤菌劑、紫云英根瘤菌劑、苜蓿根瘤菌劑。該產品對化學氮肥減施，實現豆科與禾本科糧食作物輪作效應，以及農業(yè)種植結構調整，均有非凡意義。

（3）高效溶磷菌劑：對土壤中的難溶性磷具有持續(xù)、高效的活化作用。優(yōu)先研發(fā)真菌溶磷制劑，對活化土壤磷素養(yǎng)分，提高磷肥利用效率，改善土壤養(yǎng)分均衡供應等效果彰顯，經濟生態(tài)效益巨大。

（4）微生物種子包衣制劑：將功能微生物包裹在作物種子表面，發(fā)揮促生作用，構建優(yōu)良根系微生物的獨特功效；將擴大微生物肥料產品的使用范圍；當前主要是研發(fā)應用新一代的根瘤菌大豆種衣制劑。該產品潛在市場大，對減肥減藥效果不可估量。

（5）特色有機物料腐熟菌劑（也稱發(fā)酵菌劑）：研發(fā)適用于不同作物秸稈、不同氣候條件、不同栽培耕作模式的專用型快速腐熟菌劑。該產品為秸稈、畜禽糞便等有機資源利用所急需。

（6）新型的復合微生物肥料：應具備對養(yǎng)分高效持續(xù)活化，或有效拮抗病原微生物，或提升農產品品質的復合微生物肥料；優(yōu)先研發(fā)微生物與腐植酸等復合微生物肥料，拓展在減肥增效、水肥一體化及設施農業(yè)中的應用。

（7）新型生物有機肥及其他新功能產品：突出生物有機肥的基礎性功能，擴大在國家生態(tài)示范區(qū)、綠色和有機農產品基地等應用。研發(fā)生物硅肥，以及在西北等干旱區(qū)域前景廣闊的抗旱菌劑等新功能產品。

以上提出的新技術和新產品，近期將由國家相關部門納入到戰(zhàn)略性新型產業(yè)重點產品和服務指導目錄之中。實現新一代的微生物肥料研發(fā)與應用目標，必須突破新功能菌株的選育、不同功能菌株的組合、菌株在產品中的活性保持及其在應用環(huán)境中的定殖與互作等關鍵技術，方能達到“智能化”的微生物肥料功效。需要全行業(yè)樹立“創(chuàng)新發(fā)展是未來立足之本”的理念，加大技術和產品創(chuàng)新力度，實現我國微生物肥料的產業(yè)升級，發(fā)揮其在國家綠色農業(yè)發(fā)展和鄉(xiāng)村振興計劃等戰(zhàn)略中的獨特地位與作用。