秸稈腐熟劑的研究進展及發(fā)展趨勢

陳 娟，易 婷，葉英林，張西露

（湖南省蔬菜研究所，湖南 長沙 410125）

秸稈腐熟劑由真菌、細(xì)菌、放線菌等多種能夠促進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、脂肪酸等簡單化合物，為作物生長提供營養(yǎng)，從而提高產(chǎn)量和改善品質(zhì)，同時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)作物在收獲果實后的剩余部分。我國作為一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)作物秸稈資源非常豐富，2015 年我國農(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有機物進行的生物化學(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]，還能改善作物生長性能、促進微生物活動和作物根系的發(fā)育、提高作物產(chǎn)量，并能改良土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤有機質(zhì)含量等。因此，研究與推廣秸稈腐熟劑對推動我國農(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)、增加土壤有機質(zhì)、提高農(nóng)作物生長性能、增效提產(chǎn)的目的。

秸稈腐熟劑的作用過程要歷經(jīng)4 個階段。第一階段為適應(yīng)期，該時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；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；第三階段為生長繁殖期，此期維持時間相對較長，是腐熟劑發(fā)揮作用的重要時期，這一時期微生物大量生長繁殖，種群數(shù)量迅速增加，主要以個體細(xì)胞生長為主、繁殖為輔，纖維素分解菌大量生長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)，該菌種增強了堆肥材料的生物降解能力；常洪艷等[9]對比了低溫、常溫和混合菌劑3 種不同秸稈腐熟劑對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，該復(fù)合菌液降解菌種對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，有效推動秸稈資源的利用和轉(zhuǎn)化。

3.2 對作物生長和產(chǎn)量的影響

秸稈腐熟劑不僅能夠提高秸稈降解效率，而且還對農(nóng)作物產(chǎn)量的提高具有一定促進作用。例如：嵇紅文[11]在小麥秸稈中添加有機物料腐熟劑，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、促進后期生長，通過增穗、增粒或增重來提高小麥產(chǎn)量；吳志鵬等[13]分析了腐熟劑在秸稈還田模式下對水稻產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明施用腐熟劑對水稻株高、穗長、結(jié)實率和千粒重等具有促進作用，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性能會受到很多因素影響，其中腐熟劑對作物生長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晚稻生長的影響，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玉米秸稈腐解及下茬小麥生長的影響，發(fā)現(xiàn)腐熟劑用量的增加會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早熟馬鈴薯生產(chǎn)的影響，發(fā)現(xiàn)腐熟劑能夠有效促進薯塊膨大、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小麥生長發(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、促進小麥次生根生長、提高小麥單株成穗數(shù)和千粒重。

3.3 對土壤及土壤微生物的影響

秸稈還田時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腐熟劑對土壤影響的結(jié)果表明，腐熟劑能夠促進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

4.1 秸稈腐熟劑的發(fā)展局限性

秸稈腐熟劑憑借其對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，秸稈腐熟劑的價格為100元/kg 左右，大面積應(yīng)用時其用量為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)揮功效時對外界環(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影響腐熟效果。

4.2 秸稈腐熟劑的發(fā)展方向

我國農(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，不僅會導(dǎo)致資源浪費[23]，而且還會引發(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間過長導(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爭并成功在秸稈中定植后，可以有效提高腐熟效率。結(jié)合國家生態(tài)環(huán)境保護政策以及秸稈腐熟劑在推廣應(yīng)用中的實際情況，推測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、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方向。

二是降低腐熟劑的生產(chǎn)成本和價格。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)模化生產(chǎn)降低生產(chǎn)成本，利用現(xiàn)代物流降低運輸成本，進而控制腐熟劑的市場價格，以便充分調(diào)動農(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。