果樹枝條生物高效分解技術(shù)研究進(jìn)展*

楊明昊，張藝燦，王孝娣，史祥賓，王小龍，王海波

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部園藝作物種質(zhì)資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧省落葉果樹礦質(zhì)營養(yǎng)與肥料高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧興城 125100）

我國是果樹栽培大國，據(jù)國家農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)發(fā)布數(shù)據(jù)，2019 年我國園林水果種植面積達(dá)1 227.67 萬hm2，年產(chǎn)量為1.90 億t[1]。水果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展極大程度提高了果農(nóng)的收入水平，與此同時(shí)也產(chǎn)生了大量農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢棄物。這些農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢棄物中儲(chǔ)存了豐富的氮、磷、鉀等元素[2]，如果得不到合理利用，不僅污染環(huán)境，也會(huì)造成資源的浪費(fèi)。以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢棄物為原料制作有機(jī)肥能夠有效促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)資源的高效利用，具有廣闊的發(fā)展前景。

1 果樹枝條堆肥研究進(jìn)展

由于不合理使用化肥對(duì)土地的負(fù)面影響日趨嚴(yán)重，化肥的減量化施用逐漸普及。在此背景下，有機(jī)肥部分替代化肥變得更加迫切。堆肥是生產(chǎn)有機(jī)肥的主要手段，是利用微生物的生命活動(dòng)使堆肥原料發(fā)生一系列生理生化反應(yīng)，從而形成穩(wěn)定的腐殖質(zhì)，并釋放礦質(zhì)養(yǎng)分的過程[3]。堆肥是實(shí)現(xiàn)果樹枝條無害化、減量化和資源化處理的有效途徑[4-6]。利用堆肥技術(shù)生產(chǎn)的有機(jī)肥，可以有效改善土壤微生物活性[7-9]，提高土壤肥力[10-13]，調(diào)節(jié)土壤理化性質(zhì)[14-17]。

隨著人們對(duì)有機(jī)肥越來越重視，關(guān)于果樹修剪枝條堆肥的研究也越來越多[18-20]。但是與秸稈等相比，枝條成分更復(fù)雜，纖維素、木質(zhì)素等難降解的粗纖維含量更高，分解起來更困難，更依賴于能高效降解粗纖維的微生物[21-23]。目前，關(guān)于果樹枝條堆肥的大多數(shù)研究都基于秸稈等易分解物料的堆肥模式，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化相應(yīng)的堆肥條件[24-27]。

1.1 堆肥方式

依據(jù)堆肥原料與環(huán)境空氣的接觸方式和程度可以分為開放式堆肥、反應(yīng)器堆肥和納米膜堆肥[28]。一般而言，物料與空氣的接觸程度越大，升溫速度越快，高溫保持的時(shí)間越長，同時(shí)氨氣和溫室氣體的排放也相對(duì)較高[29]。眾多研究發(fā)現(xiàn)，覆膜和減少翻堆次數(shù)可以有效降低氨氣的揮發(fā)和溫室氣體的排放[30-32]。

1.2 堆肥影響因素

影響堆肥的因素主要有水分、pH 值、溫度、碳氮比、通風(fēng)供氧以及菌種等，這些因素主要是通過影響堆體中的微生物菌群結(jié)構(gòu)及其生命活動(dòng)來進(jìn)一步影響堆肥的進(jìn)程。

1.2.1 水分

水可以起到軟化堆肥材料、調(diào)節(jié)堆肥溫度的作用。同時(shí)，水可以溶解大多數(shù)物質(zhì)，增加各物質(zhì)間的接觸程度，并作為載體，促進(jìn)堆肥細(xì)菌在堆肥中的均勻分布，加速腐熟進(jìn)程。堆肥物料水分的多少直接影響堆肥的速度。含水率較低時(shí)，不能滿足微生物的生長需要；含水率較高時(shí)，水分會(huì)堵塞物料間的空隙，更易產(chǎn)生臭味，加劇養(yǎng)分損失，延長堆肥時(shí)間[33]，較適宜的堆肥物料起始含水率為50%～60%[34-36]。

1.2.2 pH 值

pH 值對(duì)于堆肥進(jìn)程和效果有著重要的影響。一方面，堆肥微生物的活動(dòng)需要合適的pH 值，畜禽糞便發(fā)酵的pH 值一般在6.5～7.5，此酸堿度范圍是細(xì)菌、放線菌等微生物最適的酸堿度范圍[37]。一般堆體的pH 值維持在5.5～9.0，pH 值過高或過低均不利于有機(jī)物的生命活動(dòng)[38]。另一方面，pH 值升高會(huì)增加堆體中的銨態(tài)氮向氨氣轉(zhuǎn)化并揮發(fā)，pH值越高，氮素?fù)p失越大[39-41]。

1.2.3 溫度

堆肥系統(tǒng)的溫度變化能夠直觀地反映出微生物的活動(dòng)狀況，同時(shí)溫度的變化也影響著微生物的活動(dòng)。堆體溫度的變化是判定堆肥能否達(dá)到無害化要求的重要指標(biāo)之一。當(dāng)堆體溫度接近環(huán)境溫度時(shí)，有機(jī)質(zhì)的分解接近完全，堆肥達(dá)到腐熟穩(wěn)定階段[42]。一般認(rèn)為在50～60 ℃的溫度條件下維持5～6 d 即可達(dá)到無害化[43]。

1.2.4 碳氮比

碳和氮是構(gòu)成細(xì)胞的重要元素，對(duì)于微生物的生命活動(dòng)具有重要的意義。研究表明，微生物分解有機(jī)物較適宜的C/N 為25～35∶1[44-45]。合適的C/N會(huì)大大加快堆肥腐熟的速度，使堆肥腐熟更充分[46]。另外，添加氮肥，降低堆肥中的C/N，可以加快果樹枝條中纖維素和半纖維素的降解[47]。

1.2.5 通風(fēng)供氧

翻堆可為堆體提供氧氣，調(diào)節(jié)堆體溫度，促進(jìn)微生物的有氧代謝，進(jìn)而加快發(fā)酵進(jìn)程。氧氣的供應(yīng)與控制是好氧堆肥的必要條件，氧氣含量直接影響微生物的生長活動(dòng)。一般認(rèn)為堆肥中氧氣的體積分?jǐn)?shù)保持在5%～15%比較適宜，當(dāng)氧氣的體積分?jǐn)?shù)低于此范圍會(huì)導(dǎo)致厭氧發(fā)酵而產(chǎn)生惡臭，使發(fā)酵周期變長，進(jìn)而影響堆肥產(chǎn)品的品質(zhì)，而高于此范圍則會(huì)使堆肥體冷卻，導(dǎo)致病原菌大量存活。

1.2.6 調(diào)理劑

調(diào)理劑的主要功能在于其保氮、除臭作用[48-50]。常用調(diào)理劑包括金屬鹽類、吸附性物質(zhì)、富含碳的物質(zhì)等。堆肥中常用的調(diào)理劑主要有過磷酸鈣、沸石、CuSO4等[51]。這些調(diào)理劑主要是通過降低堆體的pH 值[52]，NH4

+吸附[53-54]以及與NH4+發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)[55]實(shí)現(xiàn)保氮、除臭的目的。

1.2.7 微生物

果樹枝條中纖維素和木質(zhì)素占有較大比重，對(duì)于果樹枝條的降解關(guān)鍵在于對(duì)纖維素和木質(zhì)素的降解[56]。所以菌種在果樹枝條發(fā)酵中具有重要的作用，尤其是高效降解纖維素以及木質(zhì)素的微生物菌株。這些微生物主要依靠其產(chǎn)生的纖維素酶[57]和木質(zhì)素降解酶系[58]來降解枝條，從而加快纖維素和木質(zhì)素的分解，促進(jìn)堆肥進(jìn)程。

2 微生物菌劑研究進(jìn)展

微生物的活動(dòng)可以加速堆肥原料的降解。利用微生物產(chǎn)生纖維素酶降解纖維素具有溫和、高效等特點(diǎn)。

2.1 微生物菌劑的主要功能

堆肥中接種復(fù)合菌劑的效果主要表現(xiàn)為：調(diào)節(jié)菌群結(jié)構(gòu)、提高微生物活性、加快升溫，使高溫持續(xù)時(shí)間延長[59]；減少氮損失，提高養(yǎng)分含量[60-61]；提高堆肥的腐熟度[62]，縮短腐熟周期[63-64]；提高堆肥產(chǎn)品肥效等[65-66]。與自然堆肥相比，添加菌劑對(duì)堆肥可以起到不同程度的促進(jìn)作用。相關(guān)研究表明，添加嗜熱纖維素分解菌可顯著降低堆肥中纖維素和半纖維素含量，加快堆肥腐熟[67]。部分低溫菌劑與高溫菌劑具有相似的功能[68-69]。

2.2 復(fù)合菌劑中的菌種

木質(zhì)素和纖維素的分解不是靠某種微生物獨(dú)立完成的，一般是在細(xì)菌、真菌、放線菌等組成的微生物群落的共同作用下才能完全分解[70]。因此，商業(yè)生產(chǎn)的菌劑多為復(fù)合菌劑。

真菌在堆肥過程中起主要作用，其中白腐菌和褐腐菌具有較強(qiáng)的纖維素和木質(zhì)素分解能力[71-74]。細(xì)菌在纖維素和木質(zhì)素的降解率上比真菌稍弱，但是由于細(xì)菌來源廣泛、生長快速，在生產(chǎn)應(yīng)用方面，細(xì)菌比真菌更具有優(yōu)勢(shì)[75]。目前細(xì)菌中在此方面研究較多的主要有纖維單胞菌[76-78]、芽孢桿菌[79-82]等。放線菌是一類公認(rèn)的具有較強(qiáng)木質(zhì)纖維素降解能力的細(xì)菌，主要包括鏈霉菌、節(jié)桿菌、小單孢菌和諾卡氏菌等[83]。

2.3 復(fù)合菌劑的制備

復(fù)合菌劑中的菌種主要是從土壤中[84]和堆肥物料[85-86]中篩選出來的。為使篩選出來的菌種更好地在堆肥中發(fā)揮作用，需要對(duì)已篩選的菌種進(jìn)行發(fā)酵條件優(yōu)化。合適的碳源、氮源、無機(jī)鹽對(duì)于微生物的生長繁殖、提高產(chǎn)酶能力和堆肥效率具有重要意義。生產(chǎn)上選用的碳源主要包括葡萄糖、蔗糖、乳糖、淀粉、麥芽糖等，氮源主要包括酪蛋白、酵母粉、玉米粉、玉米漿、干酪素、大豆酪蛋白、黃豆粉等，無機(jī)鹽主要包括氯化銨、硫酸銨、硝酸銨、磷酸氫二銨等[87-89]。

載體主要為微生物提供附著場(chǎng)所，直接影響固體菌劑的應(yīng)用潛力。合適的載體具有較大的載菌量，同時(shí)能夠有效增加細(xì)胞密度，保持菌種的存活力[90]。根據(jù)載體的性質(zhì)，大體上可分為2 大類，包括生物質(zhì)載體和礦物質(zhì)載體。常用的生物質(zhì)載體有玉米芯粉、稻殼粉、草炭土等，常見的礦物質(zhì)載體有蛭石、硅藻土、蒙脫石[91-92]。

發(fā)酵助劑主要通過為微生物的生長提供營養(yǎng)因子，同時(shí)營造適合微生物生長的環(huán)境，以此達(dá)到促進(jìn)發(fā)酵進(jìn)程的作用。已有研究表明，維生素、氨基酸等可以提高部分微生物的生長速度[93-95]，木質(zhì)素磺酸鈉等表面活性物質(zhì)[96]對(duì)微生物的生長有較好的促進(jìn)作用，可以提高微生物的產(chǎn)酶活性。

保護(hù)劑的作用主要在于維持細(xì)胞的水分平衡以及與微生物表面的自由基結(jié)合，起到保護(hù)微生物的作用。大多數(shù)保護(hù)劑具有羥基，可與菌表面自由基聯(lián)結(jié)起來，同時(shí)可以利用氫鍵和親水基形成較穩(wěn)定的水分子層結(jié)構(gòu)，維持細(xì)胞內(nèi)水分的平衡[97]。目前，保護(hù)劑主要有糖類保護(hù)劑、抗氧化劑類保護(hù)劑、蛋白類保護(hù)劑等[98]。

3 結(jié)論與展望

枝條堆肥中含有作物生長發(fā)育所需的多種養(yǎng)分，是一種優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)定的有機(jī)生態(tài)肥和土壤改良劑?？茖W(xué)的堆肥方式可以加速果樹枝條的降解，提高堆肥質(zhì)量。

高效的堆肥菌種對(duì)于果樹枝條堆肥發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。篩選出高效降解纖維素和木質(zhì)素的菌種并應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中能夠有效降低堆肥成本，加快堆肥進(jìn)程。

針對(duì)枝條堆肥體系尚不完善，能夠高效分解纖維素、木質(zhì)素等物質(zhì)的菌種缺乏等問題，本團(tuán)隊(duì)利用葡萄冬剪枝條進(jìn)行堆肥處理，探究葡萄枝條堆肥最適的pH 值、翻堆溫度、添加劑、氮源等條件，同時(shí)從枝條堆肥中篩選能夠高效分解木質(zhì)素和纖維素的微生物。目前，已篩選出10 余株能夠分解纖維素和木質(zhì)素的微生物，后期將對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步研究，擇優(yōu)制成適應(yīng)性強(qiáng)、分解效率高、適用于果樹枝條堆肥的生物菌劑。

隨著堆肥研究的深入，對(duì)已有技術(shù)、工藝的不斷革新，未來將會(huì)篩選出更多高效、耐逆的枝條堆肥菌種，大大提高枝條的降解效率。屆時(shí)，關(guān)于枝條堆肥的工藝將更為完善，田間試驗(yàn)驗(yàn)證將更細(xì)致，枝條堆肥將成為果園肥料施用的主要形式。