秸秆腐熟剂的构建及其在秸秆堆肥还田中的作用研究

罗丽艳 ，尹微景 ，洪　双 ，薛　冰 ，江志阳

（1.中国科学院沈阳应用生态研究所，沈阳 110016；2.沈阳中科新型肥料有限公司，沈阳 110016）

随着现代农业的快速发展，人们为了寻求农作物产量而过分依赖化肥，致使土壤养分失衡严重，土壤结构遭到破坏，严重阻碍了农业的健康发展。农作物秸秆堆肥还田是解决该问题的简洁有效的途径，在人类社会发展进程中起到重要作用。大量试验证明，复合微生物菌剂的加入能够加速秸秆堆肥的进程，提高肥效，增强还田后培肥地力的效果。目前，对复合菌剂构建依据的研究鲜有报导。本课题就秸秆腐熟剂的构建依据及菌种选择进行探讨，为今后的研究工作提供参考。

1　秸秆资源现状及秸秆还田的意义

农作物秸秆是丰富的自然资源，我国每年农作物秸秆产量6.4亿多 t，占世界秸秆总产量的20%～30%。农作物秸秆中含有碳、氮、磷、钾及各种微量元素，是宝贵的可再生资源。秸秆堆肥还田可使作物在生长期吸收的大部分营养元素回归土壤，进而提升土壤有机质含量，提升土壤速效养分含量，维持土壤养分的动态平衡，改善土壤团粒结构和土壤理化性状，培肥地力，减少化肥施用量，达到作物增产增效的目的，对于促进农业可持续发展具有重要意义。

2　秸秆腐熟剂的构建原则

复合微生物菌剂是由两种或两种以上的互相不拮抗的微生物菌种制成的微生物制剂，具有种类全、配伍合理、功能性强、经济效益高等优良特点。秸秆腐熟剂是复合微生物菌剂的一种，主要应用对象为农作物秸秆，其构建应满足以下几点要求。

2.1　能够有效降解腐熟秸秆

农作物秸秆由有机物、矿物质及水构成，其有机物的主要成分为碳水化合物。秸秆中的粗纤维包括纤维素、半纤维素、多缩戊糖及镶嵌物质（木质素、角质）等，其中纤维素、半纤维素及木质素所占比例很大。纤维素是植物细胞壁的主要构成成分，也是自然界中最大的有机物质；半纤维素是许多不同单糖聚合体的异源性混合体，具有稳定的化学结构；木质素是一种杂聚物，它与纤维素、半纤维素一起构成细胞壁的主要成分。在农作物秸秆组织中，木质素的降解必须优先于纤维素的分解。所以在构建秸秆腐熟剂时，必须含有高产纤维素酶的菌株、高产半纤维素酶的菌株及高产木质素降解酶的菌株，且高产木质素降解酶的菌株要占有一定的比例优势。值得注意的是，添加的各种微生物菌株不得抑制植物根系的生长。

2.2　适应耕作区的气候特点

我国幅员辽阔，南北方气候差异显著。我国南方地区的气候特点为：1）赤道季风气候，主要包括位于北纬10°以南的南海岛屿地区，年平均气温在26℃以上；2）热带季风气候，包括台湾南部、雷州半岛和海南岛等地，最冷月平均气温不低于16℃；3）副热带季风气候，包括华北和华南地区，最冷月平均气温-8～0℃，夏季平均气温高于25℃。我国北方地区主要是温带大陆性气候，局部地区是高原气候，其气候基本特征表现为：四季变化明显，夏季温热，冬季寒冷，气温年差、日差较大，夏季平均气温高于25℃，冬季最冷气温可达-40℃。对前一年秋季粮食收割后还田的秸秆，在冬季低温环境下，常规的中温菌及高温菌很难发挥作用，来年春季开播前达不到秸秆腐熟还田的效果。因此，在构建秸秆腐熟菌剂时要充分考虑到耕作区的气候条件，选择适宜的低温、中温及高温菌株组建复合菌系，以便更好地发挥作用，使秸秆堆肥效果最佳化。

2.3　复合菌系秸秆降解功能稳定性要高

秸秆腐熟剂在自然界中的作用环境不是一成不变的，而是处于一个动态的变化过程中。秸秆降解过程就是复合微生物菌系连续继代培养繁殖的过程，在此过程中，周围环境温度、pH、营养条件等都是变化的，因此要求组成秸秆腐熟剂的复合微生物菌系在外界因素变化过程中，各菌株的繁殖能力没有降低、产酶活性没有减弱，复合菌系的秸秆分解功能没有退化，具有高稳定性。

2.4　能够促进土壤微生物群落的改善

由于寻求农作物产量而过分依赖化肥以及大量施用农药，导致土壤板结酸化、土壤营养失衡问题严重，土壤中病原菌的种类和数量增加，微生物群落发生变化，农作物病害严重，阻碍了农业的健康发展。在腐熟秸秆的过程中，秸秆腐熟剂中的各菌群组分自身大量繁殖，随秸秆还田后，作为一分子参与到土壤微生物区系中，影响土壤微生物区系的构成。因此，在构建秸秆腐熟剂的组分时，除了降解秸秆主要功能菌外，还应合理添加对病原微生物具有拮抗功能及土壤修复功能的益生菌，进而优化土壤微生物菌群，提高有益菌数量，以达到降低作物病害，促进作物根部对营养元素的吸收利用，进而提高作物产量的目的。

3　降解腐熟农作物秸秆的主要微生物

3.1　降解木质素的主要微生物

目前可降解木质素的细菌中研究较多的是放线菌，主要有诺卡氏菌、巨大芽孢杆菌（Bacillus Megaterium）、链霉菌 （Streptomyces）、假单胞杆菌（Pseudomonas）等。

可降解木质素的真菌按其分解木材组分的不同变化，可分为软腐真菌、褐腐真菌（Bmwn rot fungi）、白腐真菌（white rot fungi）3类。软腐真菌主要是一组子囊菌和半知菌，它们在潮湿条件下对木材表面发生降解作用。褐腐真菌是一组优先攻击软木的担子菌。白腐真菌绝大多数为担子菌，少数为子囊菌和半知菌。白腐真菌在适宜的条件下，菌丝首先用其分泌的超纤维氧化酶溶解表面的蜡质，然后菌丝进入秸秆内部，并产生纤维素酶、半纤维素酶、内切聚糖酶、外切聚糖酶，降解秸秆中的木质素和纤维素。白腐真菌可将木材中木质素和纤维素彻底降解为CO2和H2O。黄孢原毛平革菌（Phanerochnete Chrysosporium Burdsall）为典型种，因其具有较强的降解能力而倍受重视。

3.2　降解纤维素的主要微生物

能产生纤维素酶的微生物均能降解纤维素，细菌中的噬纤维菌属（Crytoptagal）、纤维多囊菌（Polyangiumcellulosum）、生成噬纤维菌属（Sporocytophaga）、梭菌属（Clostridium）、芽孢杆菌属（Bacillus）中的某些菌株均具有分解纤维素的功能。东北师大的刘东波等人分离出一株纤维素诺卡氏菌（Nocardia cellulans HD-86），它是以纤维素作为唯一碳源进行固氮生长的固氮菌，在农业应用上极具潜力。放线菌较易利用半纤维素，在一定程度上能够改变木质素的分子结构结构，继而分解溶解的木质素。

真菌是自然界分解纤维素的主要力量，常见的有绿霉属的康宁木霉 （Trichoderma sp）和绿色木霉（Trichoderma viride）、曲霉属（Aspergillus）的黑曲霉（Aspergillus niger）和米曲霉（Aspergillus oryzae）等、青霉属（Penicillium）的部分菌株，以及大型真菌中日常食用的草菇（Volvariellavolvacea）、香菇（Lentinusedodes）等。

4　对秸秆堆肥还田效果的影响

秸秆腐熟剂是经人为选育并合理配伍过的一种复合型微生物制剂，其各个菌群组分都具有较高的生物活性，能够高效充分利用秸秆堆肥初期被水淋溶下来的有机物来进行自我快速繁殖，在此过程中释放出木质素降解酶、纤维素降解酶及半纤维素降解酶等酶类及各种促生长因子，进而加快作物秸秆的腐解速度，提高秸秆分解率，将农作物秸秆中不易被作物吸收利用的大分子物质转化为可被农作物根部吸收利用的小分子物质，实现自然界营养物质的循环利用。与秸秆自然堆肥相比，加入秸秆腐熟剂能够提高并保持堆肥肥效，减少氮元素的损失；还田后调节土壤结构，改善土壤腐殖酸组分，提高胡敏酸及富里酸的比例，提高土壤的团粒率，提升土壤有机质、速效养分含量，培肥土质；功能型益生菌的加入可为微生物区系平衡的建立创造有利环境，激发土壤酶（土壤蔗糖酶、土壤脲酶及土壤过氧化氢酶）活性，促进作物根部的生长发育及其对周边养分的吸收利用率，实现作物的增产增收。另外，由于外源复合菌剂的加入，在秸秆腐熟堆肥过程中会产生60～70℃的高温，持续时间一般为20～30 d，长时间的高温环境能够杀灭秸秆中的病原菌、虫卵及杂草种子，实现净肥下地。

5　结语

农作物秸秆堆肥还田是提升土壤有机质含量、改善土壤理化性状的有效途径。秸秆腐熟剂在构建过程中要充分考虑到菌种的高活性及其在自然环境下性能的稳定性、耕作地区气候条件及对农作物根系生长的影响等因素，以达到省时省力、高效降解腐熟农作物秸秆，提高肥效、培肥地力的目的。北方地区早春耕作气温较低，对低温高性能纤维分解菌的选育及驯化是现今及未来菌种选育工作的重点，可以促进北方地区秸秆还田项目的开展。

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