秸稈腐熟劑的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)

陳 娟，易 婷，葉英林，張西露

（湖南省蔬菜研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410125）

秸稈腐熟劑由真菌、細(xì)菌、放線菌等多種能夠促進(jìn)秸稈快速腐熟的微生物菌群組成，其通過微生物自身代謝將秸稈中難以分解的主要成分，如纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等物質(zhì)轉(zhuǎn)化成葡萄糖、氨基酸、脂肪酸等簡(jiǎn)單化合物，為作物生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)，從而提高產(chǎn)量和改善品質(zhì)，同時(shí)還能殺死秸稈中的病原微生物，提高土壤肥力。秸稈腐熟劑的類型很多，根據(jù)劑型可分為液態(tài)型、顆粒型和粉劑型；根據(jù)用途可分為水稻秸稈、小麥秸稈、辣椒秸稈、玉米秸稈等針對(duì)不同作物秸稈的專用腐熟劑[1]。

1 秸稈腐熟劑的重要性

秸稈是指成熟農(nóng)作物的莖葉（穗）部分，即水稻、小麥、玉米或其他農(nóng)作物在收獲果實(shí)后的剩余部分。我國(guó)作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)作物秸稈資源非常豐富，2015 年我國(guó)農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量高達(dá)10.4 億t，位居世界第一[2]。秸稈作為一種多用途、可再生的生物資源，不僅含有蛋白質(zhì)、脂肪、纖維素和木質(zhì)素等有機(jī)物質(zhì)，還富含氮、磷、鉀、鈣、鎂等礦質(zhì)元素[3]。秸稈降解是微生物對(duì)有機(jī)物進(jìn)行的生物化學(xué)轉(zhuǎn)化，但由于秸稈的晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其主要成分（纖維素、半纖維素和木質(zhì)素）很難快速分解[4]，因此在自然條件下秸稈的降解進(jìn)程非常緩慢，如何快速有效降解農(nóng)作物秸稈是秸稈“變廢為寶”的關(guān)鍵。大量研究結(jié)果均表明，在秸稈堆肥中加入秸稈腐熟劑可以加快秸稈的降解速度、提高秸稈利用率[5]，還能改善作物生長(zhǎng)性能、促進(jìn)微生物活動(dòng)和作物根系的發(fā)育、提高作物產(chǎn)量，并能改良土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤有機(jī)質(zhì)含量等。因此，研究與推廣秸稈腐熟劑對(duì)推動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

2 秸稈腐熟劑的作用機(jī)理

秸稈腐熟劑的應(yīng)用是推廣普及秸稈還田技術(shù)的重要措施。秸稈腐熟劑主要由細(xì)菌、真菌、放線菌和生物酶等復(fù)合而成，常用菌種有黑曲霉、釀酒酵母、枯草芽孢桿菌、米曲霉等，這些微生物在生長(zhǎng)繁殖過程中能夠有效降解秸稈成分，將其轉(zhuǎn)化為農(nóng)作物生長(zhǎng)所需的氮、磷、鉀、鈣、鎂等礦質(zhì)元素，從而達(dá)到改善土壤理化性質(zhì)、增加土壤有機(jī)質(zhì)、提高農(nóng)作物生長(zhǎng)性能、增效提產(chǎn)的目的。

秸稈腐熟劑的作用過程要?dú)v經(jīng)4 個(gè)階段。第一階段為適應(yīng)期，該時(shí)期為腐熟劑施加后的5～7 d，在適應(yīng)期腐熟劑中的菌種開始無序繁殖、自由生長(zhǎng)；第二階段為定植期，此期菌絲、菌落開始大量出現(xiàn)在秸稈與土壤連接處，與耕地面接觸的秸稈開始出現(xiàn)水浸狀；第三階段為生長(zhǎng)繁殖期，此期維持時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，是腐熟劑發(fā)揮作用的重要時(shí)期，這一時(shí)期微生物大量生長(zhǎng)繁殖，種群數(shù)量迅速增加，主要以個(gè)體細(xì)胞生長(zhǎng)為主、繁殖為輔，纖維素分解菌大量生長(zhǎng)并作用于秸稈韌皮部，表現(xiàn)為蠟質(zhì)層脫落、秸稈纖維素松軟、營(yíng)養(yǎng)源大量消耗并轉(zhuǎn)化為代謝產(chǎn)物；第四階段為衰退期，在營(yíng)養(yǎng)源物質(zhì)的充分性、完整性遭受破壞后，代謝產(chǎn)物大量積累，碳氮比降低，微生物停止繁殖并逐漸走向死亡或衰退，直至秸稈腐熟處理基本完成[6]。

3 秸稈腐熟劑的應(yīng)用效果研究

3.1 對(duì)秸稈降解效果的影響

秸稈在正常條件下降解過程非常緩慢，但施加腐熟劑后能夠明顯提高秸稈降解效率。例如：黃亞麗等[7]研究發(fā)現(xiàn)，在秸稈腐爛過程中添加低溫秸稈降解真菌長(zhǎng)枝木霉SDF-31 后，秸稈降解率顯著高于常溫秸稈腐熟劑和空白對(duì)照；Lu 等[8]向蔬菜和花卉莖稈廢物中接種木質(zhì)纖維素分解菌（ligno-cellulolytic microorganisms，LCMs）后發(fā)現(xiàn)，該菌種增強(qiáng)了堆肥材料的生物降解能力；常洪艷等[9]對(duì)比了低溫、常溫和混合菌劑3 種不同秸稈腐熟劑對(duì)玉米秸稈的降解效果，結(jié)果表明添加混合菌劑的秸稈降解速率最大；孫學(xué)習(xí)等[10]對(duì)耐高溫秸稈腐熟劑的篩選結(jié)果表明，當(dāng)枯草芽孢桿菌NGW13、芽枝孢霉菌NGW12、蘇云金芽孢桿菌NGW14、米曲霉菌NGW11的配比為4∶1∶2∶3時(shí)，該復(fù)合菌液降解菌種對(duì)秸稈的降解效果最好。因此，通過添加秸稈腐熟劑能夠加快秸稈降解速率，有效推動(dòng)秸稈資源的利用和轉(zhuǎn)化。

3.2 對(duì)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響

秸稈腐熟劑不僅能夠提高秸稈降解效率，而且還對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量的提高具有一定促進(jìn)作用。例如：嵇紅文[11]在小麥秸稈中添加有機(jī)物料腐熟劑，顯著提高了小麥秸稈還田后的水稻產(chǎn)量；李文紅等[12]研究作物秸稈配施腐熟劑還田的結(jié)果表明，腐熟劑能夠有效控制小麥前期群體數(shù)量、促進(jìn)后期生長(zhǎng)，通過增穗、增?；蛟鲋貋硖岣咝←湲a(chǎn)量；吳志鵬等[13]分析了腐熟劑在秸稈還田模式下對(duì)水稻產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明施用腐熟劑對(duì)水稻株高、穗長(zhǎng)、結(jié)實(shí)率和千粒重等具有促進(jìn)作用，能顯著提高水稻產(chǎn)量；康永亮等[14]研究玉米秸稈中施加腐熟劑的結(jié)果表明，施加腐熟劑后小麥的穗粒數(shù)增加4.43%～6.41%，產(chǎn)量增加3.87%～8.00%。

秸稈還田后作物生長(zhǎng)性能會(huì)受到很多因素影響，其中腐熟劑對(duì)作物生長(zhǎng)性能具有一定改良作用。例如：魯耀雄等[15]研究了秸稈腐熟劑在稻草還田中對(duì)晚稻生長(zhǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)添加秸稈腐熟劑能夠顯著提高晚稻分蘗數(shù)和植株氮磷鉀含量；張瑩瑩等[16]研究了秸稈腐熟劑對(duì)玉米秸稈腐解及下茬小麥生長(zhǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)腐熟劑用量的增加會(huì)引起返青期的小麥總根量、總蘗數(shù)增加，從而提高小麥產(chǎn)量；白文華等[17]研究了秸稈腐熟劑拌施稻草還田對(duì)早熟馬鈴薯生產(chǎn)的影響，發(fā)現(xiàn)腐熟劑能夠有效促進(jìn)薯塊膨大、增加薯塊產(chǎn)量和平均單株薯重；葛昌斌等[18]研究了玉米秸稈還田對(duì)小麥生長(zhǎng)發(fā)育的影響，結(jié)果表明增施秸稈腐熟劑可以顯著提高小麥葉齡、促進(jìn)小麥次生根生長(zhǎng)、提高小麥單株成穗數(shù)和千粒重。

3.3 對(duì)土壤及土壤微生物的影響

秸稈還田時(shí)施加秸稈腐熟劑能夠有效改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤肥力、提高土壤有機(jī)質(zhì)含量和改善土壤微生物結(jié)構(gòu)。例如：李春杰等[19]的研究表明，添加秸稈快腐劑能提高土壤速效鉀含量、降低土壤容重、增加土壤含水量；周德平等[20]研究小麥秸稈還田時(shí)腐熟劑對(duì)土壤影響的結(jié)果表明，腐熟劑能夠促進(jìn)土壤微生物的增殖和整體代謝活性，增加群落物種豐富度，提高多樣性指數(shù)；薩如拉等[21]認(rèn)為，在玉米秸稈還田過程中添加秸稈腐熟劑能夠刺激土壤呼吸作用，降低土壤pH 值，增加土壤堿解氮、速效磷和速效鉀的含量；魏蔚等[22]的研究結(jié)果表明，玉米秸稈還田時(shí)添加含植物內(nèi)生真菌的復(fù)合菌劑能顯著增加土壤蔗糖酶、脲酶和纖維素酶的活性，改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤中的全氮、全鉀、堿解氮和速效鉀的含量，增加土壤微生物數(shù)量。

4 秸稈腐熟劑的發(fā)展趨勢(shì)

4.1 秸稈腐熟劑的發(fā)展局限性

秸稈腐熟劑憑借其對(duì)秸稈的催熟功能而被眾多農(nóng)業(yè)研究者推薦使用，但在實(shí)際推廣應(yīng)用中卻受到2 大因素限制。一是成本過高，秸稈腐熟劑的價(jià)格為100元/kg 左右，大面積應(yīng)用時(shí)其用量為30～60 kg/hm2，成本達(dá)3 000～6 000 元/hm2，秸稈腐熟劑的成本過高直接導(dǎo)致其很難得到大面積推廣應(yīng)用。二是秸稈腐熟劑在發(fā)揮功效時(shí)對(duì)外界環(huán)境有一定的要求，在寒冷季節(jié)噴灑秸稈腐熟劑會(huì)嚴(yán)重降低腐熟效果，在天氣適宜條件下噴灑腐熟劑后若遇到溫度驟降或下雨也會(huì)影響腐熟效果。

4.2 秸稈腐熟劑的發(fā)展方向

我國(guó)農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量較大，如若不能有效處理這些農(nóng)作物秸稈，不僅會(huì)導(dǎo)致資源浪費(fèi)[23]，而且還會(huì)引發(fā)大氣、水和土壤污染等嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題[24]。在此背景下，作物秸稈腐熟還田就成為目前一項(xiàng)重要的培肥地力與增產(chǎn)提質(zhì)舉措。雖然作物秸稈本身含有可以使其完全腐熟的微生物，但由于所需的腐熟時(shí)間過長(zhǎng)導(dǎo)致秸稈無法得到充分利用。如果在秸稈中人為加入秸稈腐熟劑，秸稈腐熟劑中的微生物菌群與秸稈自身微生物競(jìng)爭(zhēng)并成功在秸稈中定植后，可以有效提高腐熟效率。結(jié)合國(guó)家生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策以及秸稈腐熟劑在推廣應(yīng)用中的實(shí)際情況，推測(cè)未來秸稈腐熟劑的發(fā)展方向如下。

一是加快速度研究出適用性廣、抗逆性強(qiáng)、腐熟效果好的復(fù)合菌種。胡海紅等[25]的研究結(jié)果表明，將硅藻作為載體，在載體上添加生物酶組合復(fù)合菌劑可以有效提高秸稈降解效率。魏蔚等[22]的研究表明，施加含有植物內(nèi)生真菌的復(fù)合菌劑比市購(gòu)秸稈腐熟劑更能提高玉米秸稈中木質(zhì)素的降解速率。因此，研究出催腐效果好的復(fù)合菌種是目前秸稈腐熟劑研究的重點(diǎn)方向。

二是降低腐熟劑的生產(chǎn)成本和價(jià)格。腐熟劑的成本過高是阻礙其大面積推廣應(yīng)用的主要原因。因此，通過改良菌種培養(yǎng)技術(shù)和規(guī)?；a(chǎn)降低生產(chǎn)成本，利用現(xiàn)代物流降低運(yùn)輸成本，進(jìn)而控制腐熟劑的市場(chǎng)價(jià)格，以便充分調(diào)動(dòng)農(nóng)民使用并推廣腐熟劑的積極性，也是秸稈腐熟劑的未來發(fā)展方向之一。

三是打破腐熟劑研究盲區(qū)。目前對(duì)秸稈腐熟劑的研究主要集中在水稻、小麥和玉米等作物，而茄果類、瓜類、葉菜類等蔬菜秸稈還田腐熟劑的研究甚少，因此要打破腐熟劑研究盲區(qū)，開展蔬菜秸稈腐熟劑及其配套技術(shù)的研究。