新型微生物功能菌劑的篩選與功能菌肥的研制*

王連林，張志成，商立軍，陳鐵成

(1.河北省玉田縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局 河北玉田 064100； 2.灃田寶農(nóng)業(yè)科技有限公司 河北玉田 064109)

0 前言

微生物肥料是指一類含有活性微生物的特定制品劑，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中能獲得特定的肥料效應(yīng)[1]。在這種效應(yīng)的產(chǎn)生過程中，具有活性的微生物發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

微生物肥料施入土壤后，利用微生物的生命活動，將空氣、土壤中的惰性元素轉(zhuǎn)化為作物可直接吸收的離子態(tài)元素；將土壤中難溶的無機物活化變成可溶性的無機物，以增加土壤中有效氮、磷、鉀的含量，同時將作物不能從土壤中直接利用的物質(zhì)轉(zhuǎn)化成可被吸收利用的物質(zhì)，制造和協(xié)助農(nóng)作物吸收營養(yǎng)，改善作物營養(yǎng)條件，抑制病原菌的活動，增強作物抗病和抗旱能力。在微生物的活動中，可使土壤有機質(zhì)轉(zhuǎn)化形成腐殖質(zhì)，形成新的土壤團粒結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力，改善土壤理化性狀，增強土壤保肥、保水能力，進而提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。

生物有機肥質(zhì)量的優(yōu)劣主要取決于菌種以及生物肥料中有益微生物的活菌數(shù)和作用強度[1]。我國地域廣闊，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基礎(chǔ)差，多種地理與自然、生態(tài)環(huán)境差異較大，多數(shù)地區(qū)受干旱、土壤理化性狀等因素的影響，微生物肥料在施入土壤后導(dǎo)致生物菌群減少，效果不明顯，所以選育抗不良環(huán)境且適應(yīng)性優(yōu)良、耐溫、耐干旱、耐鹽堿的菌種，保證肥料中應(yīng)有的活菌數(shù)是生物有機肥料生產(chǎn)的關(guān)鍵。

大多數(shù)含微生物有機肥是以有機物為載體，吸附微生物菌劑后再與有機、無機化肥混合而成的產(chǎn)品。常用微生物菌株不耐高溫和鹽堿，一般生長溫度在20～40 ℃，溫度達到60 ℃以上時80%的微生物將死亡，溫度越高，微生物死亡的速度越快，且pH<6或pH>8都很難存活。因此，選育抗干旱、耐溫、耐鹽堿的有效菌株十分重要。有鑒于此，在生物有機肥的生產(chǎn)過程中加入菌劑后，載體溫度應(yīng)控制在50 ℃以下[2]。

目前，市場上銷售的微生物菌肥多為單一菌種，導(dǎo)致其功能和作用單一，若要實現(xiàn)復(fù)合功能，必須同時或分步加入不同性能的功能菌肥，使生產(chǎn)成本增加，而且各菌種之間的相互吞噬會抵消某一功能菌種的作用。由于根際有益微生物與作物間有較強的選擇性，對環(huán)境條件也有一定的要求，所以篩選、復(fù)配復(fù)合功能菌種并達到相互共生、共存，實現(xiàn)各類菌劑復(fù)合的系列產(chǎn)品，才能滿足不同地區(qū)不同作物的需求[3]。

自20世紀80年代以來，無機元素肥料的持續(xù)投入已造成我國多數(shù)地區(qū)土壤無機鹽的富集，如無機態(tài)氮在土壤中占全氮質(zhì)量分數(shù)最高已達40%。

鑒于上述問題，就重點解決微生物菌群耐受性差、微生物菌肥菌種和功能單一、有效活菌種類少、菌肥綜合效果不佳等問題開展了試驗研究。

1 菌種篩選與工藝設(shè)計

首先篩選出多種具有自主知識產(chǎn)權(quán)，作用機理明確，高耐受性，擁有解磷、解鉀、固氮等功能的菌株[7]并采用菌劑擴繁系統(tǒng)進行菌劑擴繁、復(fù)配，然后采用牛糞、豬糞、羊糞等作為基質(zhì)進行高溫堆肥發(fā)酵，再經(jīng)翻拋、熟化、降溫、篩分等工藝程序，制備出適用于多種不同土壤的復(fù)合微生物功能菌肥。

1.1 菌種的篩選

通過土壤微生物、糞污發(fā)酵微生物培養(yǎng)篩選各種功能菌株，經(jīng)優(yōu)選比對，最終選定了3個功能獨特、效果明顯的功能菌株，即解磷菌FL7、解鉀菌K3、固氮菌N1，其主要特性如下。

(1)解磷菌FL7

解磷菌FL7為解磷酵母菌(粉狀畢赤酵母)，解磷量達436.63 μg/mL，可在45 ℃、質(zhì)量分數(shù)23%氯化鈉、6 mol/L銨離子、pH為9等條件下生長，是一類能夠?qū)⒅参镫y以吸收的磷轉(zhuǎn)化為可利用狀態(tài)的微生物。除了可以活化土壤中難溶性磷外，解磷菌FL7還可以通過影響植物根系分泌物的種類和數(shù)量以增加植物對周圍營養(yǎng)元素的吸收，使植物能適應(yīng)缺磷的環(huán)境。

(2)解鉀菌K3

解鉀菌K3(芽孢桿菌)解鉀量達4.10 mg/L，可在55 ℃、質(zhì)量分數(shù)14%氯化鈉、1.2 mol/L銨離子、pH為5～9等條件下生長。

(3)固氮菌N1

所選用的固氮菌N1(圓褐固氮菌)的固氮量為0.018 1 mol/L，可在50 ℃、質(zhì)量分數(shù)11%氯化鈉、0.8 mol/L銨離子、pH為4～10等條件下生長。

由此可見，3個菌株對高溫、高鹽濃度、高銨離子濃度、偏堿性環(huán)境等生長條件具有良好的耐受性能。

1.2 菌劑的擴繁工藝流程

1.2.1 無菌水制備

采用無菌水設(shè)備制備無菌水，然后貯存于無菌水儲罐。

1.2.2 各種功能菌劑的制備

各種功能菌劑的主要制備流程：種子解凍發(fā)酵→搖瓶培養(yǎng)→一、二級種子罐培養(yǎng)→發(fā)酵罐發(fā)酵→發(fā)酵液儲罐貯存。各種功能菌劑制備的具體步驟如下。

(1)首先將冷凍保藏管中的菌種在恒溫箱中于35～37 ℃下活化22～26 h；然后制備培養(yǎng)基，將培養(yǎng)基用酸堿調(diào)節(jié)劑調(diào)整至菌種所需的pH范圍內(nèi)；在平板上進行接種后，在恒溫箱中于35～37 ℃下純化22～26 h，最終得到平面菌種或菌種平面。

(2)搖瓶培養(yǎng)階段：①取一環(huán)純化后的的菌種，接入裝有20 mL種子培養(yǎng)基的250 mL三角瓶中，然后置于恒溫箱中于35～37 ℃下利用頻率180次/min搖床搖動培養(yǎng)3～5 h，然后靜置培養(yǎng)19～21 h；②將上述種子液分成5等份，接入5個盛有20 mL發(fā)酵培養(yǎng)基的250 mL三角瓶中，再次置于恒溫箱中，于35～37 ℃下用頻率180次/min搖床搖動培養(yǎng)22～26 h，然后向一級種子罐接種。搖瓶接種前，用酸堿調(diào)節(jié)劑將培養(yǎng)基調(diào)整至各菌種所需的pH范圍內(nèi)。

(3)種子罐發(fā)酵階段：由搖瓶菌種向一級種子罐的接種量控制在一級種子罐實際裝料量的5.0%，pH控制在各菌種所需的范圍內(nèi)，發(fā)酵溫度控制在25～35 ℃，總裝料量控制在種子罐容積的60%～70%，攪拌轉(zhuǎn)速控制90 r/min或180 r/min(變頻攪拌，變頻調(diào)整頻率時間為10 min)。二級種子罐的具體工藝操作和參數(shù)控制與一級種子罐大體相同。

(4)發(fā)酵罐發(fā)酵階段。發(fā)酵罐主要部件包括罐體、攪拌器、聯(lián)軸器、軸承、軸封、擋板、空氣分布器、換熱裝置、傳動裝置、消泡器、人孔試鏡、管路等。發(fā)酵罐裝液量為罐體容積的60%～75%，最佳接種量為實際裝液量的1%～5%(依據(jù)不同菌種的繁殖速度進行合理接種)。發(fā)酵溫度控制在25～35 ℃，pH控制在各菌種所需的適宜范圍內(nèi)。攪拌轉(zhuǎn)速按100 r/min或200 r/min變頻進行，轉(zhuǎn)速過快會對菌絲體產(chǎn)生破壞，轉(zhuǎn)速過慢易產(chǎn)生發(fā)酵泡沫，而且會因為溶解氧不足而影響微生物的生長繁殖。發(fā)酵時間和發(fā)酵終點的確定通過鏡檢觀察微生物菌體的形態(tài)、密度以及芽孢形成率最終確定，一般芽孢形成率達到≥80%時即可界定發(fā)酵完成，然后導(dǎo)入發(fā)酵液儲罐備用。

1.2.3 混料

固氮菌N1、解磷菌FL7和解鉀菌K3以一定的質(zhì)量比計量后在混料機進行混料，最終得到相應(yīng)比例的復(fù)合微生物菌劑。

1.2.4 菌劑的添加

完成復(fù)合微生物菌劑的制備之后，按質(zhì)量比1∶250 000添加于來自養(yǎng)殖場的畜禽糞便中。考慮到該菌肥加菌工藝的需要，若直接在發(fā)酵槽內(nèi)噴淋會有菌種混合不均、局部物料發(fā)酵不理想等問題，故采用直接在混料階段加入功能菌劑至所需的比例。

1.3 微生物菌肥的發(fā)酵處理

利用發(fā)酵槽進行微生物菌肥的發(fā)酵處理，其優(yōu)點是占地面積小、發(fā)酵升溫快且均勻、便于機械化作業(yè)。單槽尺寸75.0 m×(4.0～6.0) m×1.8 m，物料堆高為1.5 m，單次翻堆距離3.0～5.0 m，物料發(fā)酵時間14 d左右。每只發(fā)酵槽配置1臺槽式翻堆機、1間風(fēng)機房，分段曝氣，根據(jù)物料供氧需要控制鼓風(fēng)量。發(fā)酵槽內(nèi)設(shè)曝氣和抽氣裝置，發(fā)酵車間整體封閉，車間內(nèi)合理分布配置臭氣收集口，將發(fā)酵過程中產(chǎn)生的臭氣收集至除臭系統(tǒng)進行處理。當料堆溫度達到70 ℃時，用翻堆機將物料進行翻堆，每次翻堆物料向后移動3.0～5.0 m。

1.4 出料及產(chǎn)品加工

經(jīng)過14 d左右好氧發(fā)酵形成的含有復(fù)合微生物菌群的微生物有機肥原料采用裝載機直接出料至自然腐熟場，經(jīng)自然堆放(一般150～200 m3堆成1個條形堆，堆高3～4 m，底寬4～5 m)45 d左右完成第2次自然腐熟后，用篩分機篩分，最終得到合格的復(fù)合微生物功能菌肥產(chǎn)品，其w(N+P2O5+K2O)≥5%，功能菌總數(shù)≥0.2億個/g。若需進行造粒，則送至造粒機造粒。

2 功能菌劑的活性特征及菌肥的施用效果

2.1 功能菌劑的活性特征

采用該方法制備的復(fù)合微生物菌劑的活性組分：w(固氮菌N1)為50%，w(解磷菌FL7)為30%～35%，w(解鉀菌K3)為15%～20%。經(jīng)檢驗，每個菌種在該復(fù)合菌劑中的有效活菌數(shù)為：固氮菌N1總菌落數(shù)>20億個/g，解磷菌FL7總菌落數(shù)>2億個/g，解鉀菌K3總菌落數(shù)>25億個/g，菌體總量>47億個/g。按質(zhì)量比1∶250 000向畜禽糞便中添加后得到的復(fù)合微生物功能菌肥的菌體總量>0.2億個/g，達到或超過國家標準《生物有機肥》(NY 884—2012)規(guī)定的要求。

研發(fā)成功的解磷、解鉀、固氮復(fù)合微生物功能菌肥主要適合各種糧食作物、經(jīng)濟作物、果樹等，特別適合各種瓜菜等經(jīng)濟作物。因其含有特殊的功能菌群，能在改善土壤微生物環(huán)境的同時，殺滅各種致病菌(如真菌、細菌等)，減少作物的發(fā)病率，進而提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)。

2.2 應(yīng)用效果

2.2.1 在黃瓜上的應(yīng)用效果

2016年在玉田縣玉田鎮(zhèn)梁各莊村進行黃瓜施用復(fù)合微生物功能菌肥試驗，復(fù)合微生物功能菌肥施用量2 250 kg/hm2，中期不追肥；對照施用復(fù)合肥(N- P2O5- K2O為15- 15- 15)1 200 kg/hm2，中期追肥2次，每次追施尿素225 kg/hm2。

生長期觀察：對照處理生長正常；施用復(fù)合微生物功能菌肥的處理出苗整齊健壯，莖蔓粗壯，葉片肥厚，座果率高，無病蟲害，瓜條直，瓜形和口感好。

產(chǎn)量比較：施復(fù)合微生物功能菌肥的黃瓜產(chǎn)量100 770 kg/hm2，比對照處理(79 470 kg/hm2)增產(chǎn)21 300 kg/hm2，增產(chǎn)率達到26.8%。

病害調(diào)查：施用復(fù)合微生物功能菌肥的處理病株率極低，僅0.62%，并且沒有重病株，病株率比對照處理減少7.88%，這也是增產(chǎn)的原因之一。

2.2.2 在棉花上的應(yīng)用效果

2016年在玉田縣陳家鋪鄉(xiāng)進行棉花施用復(fù)合微生物功能菌肥試驗，復(fù)合微生物功能菌肥施用量2 250 kg/hm2，蕾期追施尿素225 kg/hm2；對照施用復(fù)合肥(N- P2O5- K2O為15- 15- 15)900 kg/hm2，蕾期追施尿素225 kg/hm2。

生長期觀察：對照處理生長正常；施用復(fù)合微生物功能菌肥的處理出苗整齊健壯，植株穩(wěn)健，葉片濃綠，單株結(jié)鈴數(shù)和單鈴質(zhì)量都有增加。

產(chǎn)量比較：施用復(fù)合微生物功能菌肥的棉花產(chǎn)量9 135 kg/hm2，比對照處理(7 695 kg/hm2)增產(chǎn)1 440 kg/hm2，增產(chǎn)率18.7%。

2.2.3 對玉米產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

2017年在玉田縣亮甲店鎮(zhèn)孔五官屯村進行了玉米施用復(fù)合微生物功能菌肥的試驗，復(fù)合微生物功能菌肥施用量2 250 kg/hm2；對照施用N、P2O5、K2O的量分別為300、150、240 kg/hm2；全部肥料的2/3作為底肥施入，剩余的1/3作為追肥在大喇叭口期穴施。田間管理、澆水等按常規(guī)進行，不同處理對玉米產(chǎn)量和品質(zhì)的影響如表1所示。

表1 不同處理對玉米產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

處理百粒重/g百粒重增幅/%產(chǎn)量/(kg·hm-2)增產(chǎn)率/%w(賴氨酸)/%賴氨酸增幅/%w(蛋白質(zhì))/%蛋白質(zhì)增幅/%w(脂肪)/%脂肪增幅/%對照28.646 1200.42510.584.31試驗組31.7210.756 93613.330.4638.9411.498.604.9715.31

由表1可以看出，施用復(fù)合微生物功能菌肥的處理雖然減少了N、P2O5和K2O的用量，但產(chǎn)量提高了13.33%，同時玉米的品質(zhì)也有較大程度的提高，特別是賴氨酸含量增加了8.94%，蛋白質(zhì)和脂肪的含量也有不同程度的提高，對主要用于飼料的高賴氨酸玉米有重要的品質(zhì)提高作用。

2.2.4 在大白菜上的應(yīng)用效果

2017年在河北省玉田縣亮甲店鎮(zhèn)何莊子村進行了大白菜施用復(fù)合微生物功能菌肥的試驗，底施復(fù)合微生物功能菌肥2 250 kg/hm2；對照處理底施枯草芽孢桿菌微生物菌劑(有效活菌數(shù)≥5.0億個/g)30 kg/hm2、有機肥2 250 kg/hm2。

生長期觀察：施用復(fù)合微生物功能菌肥的處理出苗整齊健壯，長勢較好；對照處理生長正常。

產(chǎn)量比較：施復(fù)合微生物功能菌肥的大白菜產(chǎn)量97 680 kg/hm2，比對照處理(91 920 kg/hm2)增產(chǎn)5 760 kg/hm2，增產(chǎn)率達到6.27%。

2.2.5 在沙白瓜上的應(yīng)用效果

2017年在河北省樂亭縣新寨鎮(zhèn)后蘭坨村進行了暖棚沙白瓜施用復(fù)合微生物功能菌肥的試驗，在面積、水源、土質(zhì)、管理技術(shù)和栽瓜時間一致，僅施肥不同的情況下，每棚施用復(fù)合微生物功能菌肥300 kg，對照每棚施用抗重茬微生物菌劑2 kg、有機肥300 kg、水溶菌肥5 kg，2個處理在投入上基本相當。

試驗結(jié)果表明：對照處理的瓜秧長勢參差不齊，連續(xù)2次提苗，不但增大了投入，而且延誤了農(nóng)時，使反季節(jié)栽培的沙白瓜失去了反季節(jié)優(yōu)勢，產(chǎn)品晚上市15～20 d；施用復(fù)合微生物功能菌肥的處理比對照處理多收入超過3 000元/棚，經(jīng)濟效益比對照處理增加了80%以上。

眾多試驗結(jié)果表明，復(fù)合微生物功能菌肥在糧食作物上的施用量在1 500～2 250 kg/hm2，棉花等

經(jīng)濟作物的施用量在2 250～3 000 kg/hm2，瓜菜等經(jīng)濟作物的施用量在2 250～4 500 kg/hm2，果樹等經(jīng)濟林木的施用量在7 500～9 000 kg/hm2，均有明顯的增產(chǎn)效果。

3 結(jié)語

通過試驗研究與生產(chǎn)應(yīng)用證明，研發(fā)的復(fù)合微生物功能菌肥具有以下作用效果及特點。

(1)改善作物根際微生態(tài)環(huán)境

通過微生物生命活動中的合成或分解作用，能改善由于長期施用化學(xué)肥料帶來的土壤板結(jié)、理化性狀差的狀況，使作物根際土壤保墑、保肥，通透性良好，作物根系發(fā)達，耐旱能力增強[5]。同時，由于在作物根際形成有益優(yōu)勢菌落群體，能拮抗相對弱勢的致病菌種群，消滅或削弱病原菌，從而減輕或避免作物發(fā)病。

(2)在提高作物品質(zhì)上優(yōu)勢明顯

該產(chǎn)品具有平衡營養(yǎng)供給關(guān)系的作用，不僅可以改善農(nóng)產(chǎn)品的外觀品質(zhì)、提高耐貯運性能，而且可以提高農(nóng)產(chǎn)品口感、增加干物質(zhì)的積累。

(3)改善土壤的質(zhì)量

通過產(chǎn)品中特定微生物種群的固氮、解磷、解鉀等功能和微生物對作物根系的促生作用，不僅可以增進作物對養(yǎng)分的吸收，而且微生物種群的生命活動可以形成大量的腐殖質(zhì)，改善土壤理化性狀，避免化肥在土壤中的大量固定和流失，從而提高肥效。此外，由于微生物的分解、合成(如固氮等)作用[6]，可以提高原生土壤對根際的供肥量，減少化肥用量，從而實現(xiàn)增效節(jié)能。

(4)生產(chǎn)成本低

與化學(xué)肥料相比，復(fù)合微生物功能菌肥生產(chǎn)時耗能少、生產(chǎn)成本低，并且由于微生物肥料的使用可提高化肥利用率30%～50%，從而降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。

(5)改善環(huán)境

復(fù)合微生物功能菌肥的主要原料為畜禽糞便等農(nóng)業(yè)廢棄物，通過微生物發(fā)酵制成微生物有機肥料，實現(xiàn)廢物利用。同時，通過微生物肥料的分解、合成作用，減少空氣中硫化氫、二氧化氮氣體等有毒物質(zhì)含量，實現(xiàn)養(yǎng)殖場的除臭處理，降解或轉(zhuǎn)化土壤中重金屬離子、硝酸鹽等其他有害物質(zhì)。

綜上所述，利用微生物技術(shù)生產(chǎn)高效優(yōu)質(zhì)的功能性微生物肥料是發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)、有機農(nóng)業(yè)的需要，符合農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求。