果树枝条生物高效分解技术研究进展*

杨明昊，张艺灿，王孝娣，史祥宾，王小龙，王海波

（中国农业科学院果树研究所，农业农村部园艺作物种质资源利用重点实验室，辽宁省落叶果树矿质营养与肥料高效利用重点实验室，辽宁兴城 125100）

我国是果树栽培大国，据国家农业统计发布数据，2019 年我国园林水果种植面积达1 227.67 万hm2，年产量为1.90 亿t[1]。水果产业的发展极大程度提高了果农的收入水平，与此同时也产生了大量农业生产废弃物。这些农业生产废弃物中储存了丰富的氮、磷、钾等元素[2]，如果得不到合理利用，不仅污染环境，也会造成资源的浪费。以农业生产废弃物为原料制作有机肥能够有效促进农业的可持续发展，降低农业生产成本，实现资源的高效利用，具有广阔的发展前景。

1 果树枝条堆肥研究进展

由于不合理使用化肥对土地的负面影响日趋严重，化肥的减量化施用逐渐普及。在此背景下，有机肥部分替代化肥变得更加迫切。堆肥是生产有机肥的主要手段，是利用微生物的生命活动使堆肥原料发生一系列生理生化反应，从而形成稳定的腐殖质，并释放矿质养分的过程[3]。堆肥是实现果树枝条无害化、减量化和资源化处理的有效途径[4-6]。利用堆肥技术生产的有机肥，可以有效改善土壤微生物活性[7-9]，提高土壤肥力[10-13]，调节土壤理化性质[14-17]。

随着人们对有机肥越来越重视，关于果树修剪枝条堆肥的研究也越来越多[18-20]。但是与秸秆等相比，枝条成分更复杂，纤维素、木质素等难降解的粗纤维含量更高，分解起来更困难，更依赖于能高效降解粗纤维的微生物[21-23]。目前，关于果树枝条堆肥的大多数研究都基于秸秆等易分解物料的堆肥模式，并在此基础上优化相应的堆肥条件[24-27]。

1.1 堆肥方式

依据堆肥原料与环境空气的接触方式和程度可以分为开放式堆肥、反应器堆肥和纳米膜堆肥[28]。一般而言，物料与空气的接触程度越大，升温速度越快，高温保持的时间越长，同时氨气和温室气体的排放也相对较高[29]。众多研究发现，覆膜和减少翻堆次数可以有效降低氨气的挥发和温室气体的排放[30-32]。

1.2 堆肥影响因素

影响堆肥的因素主要有水分、pH 值、温度、碳氮比、通风供氧以及菌种等，这些因素主要是通过影响堆体中的微生物菌群结构及其生命活动来进一步影响堆肥的进程。

1.2.1 水分

水可以起到软化堆肥材料、调节堆肥温度的作用。同时，水可以溶解大多数物质，增加各物质间的接触程度，并作为载体，促进堆肥细菌在堆肥中的均匀分布，加速腐熟进程。堆肥物料水分的多少直接影响堆肥的速度。含水率较低时，不能满足微生物的生长需要；含水率较高时，水分会堵塞物料间的空隙，更易产生臭味，加剧养分损失，延长堆肥时间[33]，较适宜的堆肥物料起始含水率为50%～60%[34-36]。

1.2.2 pH 值

pH 值对于堆肥进程和效果有着重要的影响。一方面，堆肥微生物的活动需要合适的pH 值，畜禽粪便发酵的pH 值一般在6.5～7.5，此酸碱度范围是细菌、放线菌等微生物最适的酸碱度范围[37]。一般堆体的pH 值维持在5.5～9.0，pH 值过高或过低均不利于有机物的生命活动[38]。另一方面，pH 值升高会增加堆体中的铵态氮向氨气转化并挥发，pH值越高，氮素损失越大[39-41]。

1.2.3 温度

堆肥系统的温度变化能够直观地反映出微生物的活动状况，同时温度的变化也影响着微生物的活动。堆体温度的变化是判定堆肥能否达到无害化要求的重要指标之一。当堆体温度接近环境温度时，有机质的分解接近完全，堆肥达到腐熟稳定阶段[42]。一般认为在50～60 ℃的温度条件下维持5～6 d 即可达到无害化[43]。

1.2.4 碳氮比

碳和氮是构成细胞的重要元素，对于微生物的生命活动具有重要的意义。研究表明，微生物分解有机物较适宜的C/N 为25～35∶1[44-45]。合适的C/N会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，可以加快果树枝条中纤维素和半纤维素的降解[47]。

1.2.5 通风供氧

翻堆可为堆体提供氧气，调节堆体温度，促进微生物的有氧代谢，进而加快发酵进程。氧气的供应与控制是好氧堆肥的必要条件，氧气含量直接影响微生物的生长活动。一般认为堆肥中氧气的体积分数保持在5%～15%比较适宜，当氧气的体积分数低于此范围会导致厌氧发酵而产生恶臭，使发酵周期变长，进而影响堆肥产品的品质，而高于此范围则会使堆肥体冷却，导致病原菌大量存活。

1.2.6 调理剂

调理剂的主要功能在于其保氮、除臭作用[48-50]。常用调理剂包括金属盐类、吸附性物质、富含碳的物质等。堆肥中常用的调理剂主要有过磷酸钙、沸石、CuSO4等[51]。这些调理剂主要是通过降低堆体的pH 值[52]，NH4

+吸附[53-54]以及与NH4+发生络合反应[55]实现保氮、除臭的目的。

1.2.7 微生物

果树枝条中纤维素和木质素占有较大比重，对于果树枝条的降解关键在于对纤维素和木质素的降解[56]。所以菌种在果树枝条发酵中具有重要的作用，尤其是高效降解纤维素以及木质素的微生物菌株。这些微生物主要依靠其产生的纤维素酶[57]和木质素降解酶系[58]来降解枝条，从而加快纤维素和木质素的分解，促进堆肥进程。

2 微生物菌剂研究进展

微生物的活动可以加速堆肥原料的降解。利用微生物产生纤维素酶降解纤维素具有温和、高效等特点。

2.1 微生物菌剂的主要功能

堆肥中接种复合菌剂的效果主要表现为：调节菌群结构、提高微生物活性、加快升温，使高温持续时间延长[59]；减少氮损失，提高养分含量[60-61]；提高堆肥的腐熟度[62]，缩短腐熟周期[63-64]；提高堆肥产品肥效等[65-66]。与自然堆肥相比，添加菌剂对堆肥可以起到不同程度的促进作用。相关研究表明，添加嗜热纤维素分解菌可显著降低堆肥中纤维素和半纤维素含量，加快堆肥腐熟[67]。部分低温菌剂与高温菌剂具有相似的功能[68-69]。

2.2 复合菌剂中的菌种

木质素和纤维素的分解不是靠某种微生物独立完成的，一般是在细菌、真菌、放线菌等组成的微生物群落的共同作用下才能完全分解[70]。因此，商业生产的菌剂多为复合菌剂。

真菌在堆肥过程中起主要作用，其中白腐菌和褐腐菌具有较强的纤维素和木质素分解能力[71-74]。细菌在纤维素和木质素的降解率上比真菌稍弱，但是由于细菌来源广泛、生长快速，在生产应用方面，细菌比真菌更具有优势[75]。目前细菌中在此方面研究较多的主要有纤维单胞菌[76-78]、芽孢杆菌[79-82]等。放线菌是一类公认的具有较强木质纤维素降解能力的细菌，主要包括链霉菌、节杆菌、小单孢菌和诺卡氏菌等[83]。

2.3 复合菌剂的制备

复合菌剂中的菌种主要是从土壤中[84]和堆肥物料[85-86]中筛选出来的。为使筛选出来的菌种更好地在堆肥中发挥作用，需要对已筛选的菌种进行发酵条件优化。合适的碳源、氮源、无机盐对于微生物的生长繁殖、提高产酶能力和堆肥效率具有重要意义。生产上选用的碳源主要包括葡萄糖、蔗糖、乳糖、淀粉、麦芽糖等，氮源主要包括酪蛋白、酵母粉、玉米粉、玉米浆、干酪素、大豆酪蛋白、黄豆粉等，无机盐主要包括氯化铵、硫酸铵、硝酸铵、磷酸氢二铵等[87-89]。

载体主要为微生物提供附着场所，直接影响固体菌剂的应用潜力。合适的载体具有较大的载菌量，同时能够有效增加细胞密度，保持菌种的存活力[90]。根据载体的性质，大体上可分为2 大类，包括生物质载体和矿物质载体。常用的生物质载体有玉米芯粉、稻壳粉、草炭土等，常见的矿物质载体有蛭石、硅藻土、蒙脱石[91-92]。

发酵助剂主要通过为微生物的生长提供营养因子，同时营造适合微生物生长的环境，以此达到促进发酵进程的作用。已有研究表明，维生素、氨基酸等可以提高部分微生物的生长速度[93-95]，木质素磺酸钠等表面活性物质[96]对微生物的生长有较好的促进作用，可以提高微生物的产酶活性。

保护剂的作用主要在于维持细胞的水分平衡以及与微生物表面的自由基结合，起到保护微生物的作用。大多数保护剂具有羟基，可与菌表面自由基联结起来，同时可以利用氢键和亲水基形成较稳定的水分子层结构，维持细胞内水分的平衡[97]。目前，保护剂主要有糖类保护剂、抗氧化剂类保护剂、蛋白类保护剂等[98]。

3 结论与展望

枝条堆肥中含有作物生长发育所需的多种养分，是一种优质、稳定的有机生态肥和土壤改良剂。科学的堆肥方式可以加速果树枝条的降解，提高堆肥质量。

高效的堆肥菌种对于果树枝条堆肥发挥着至关重要的作用。筛选出高效降解纤维素和木质素的菌种并应用于生产实践中能够有效降低堆肥成本，加快堆肥进程。

针对枝条堆肥体系尚不完善，能够高效分解纤维素、木质素等物质的菌种缺乏等问题，本团队利用葡萄冬剪枝条进行堆肥处理，探究葡萄枝条堆肥最适的pH 值、翻堆温度、添加剂、氮源等条件，同时从枝条堆肥中筛选能够高效分解木质素和纤维素的微生物。目前，已筛选出10 余株能够分解纤维素和木质素的微生物，后期将对其进行进一步研究，择优制成适应性强、分解效率高、适用于果树枝条堆肥的生物菌剂。

随着堆肥研究的深入，对已有技术、工艺的不断革新，未来将会筛选出更多高效、耐逆的枝条堆肥菌种，大大提高枝条的降解效率。届时，关于枝条堆肥的工艺将更为完善，田间试验验证将更细致，枝条堆肥将成为果园肥料施用的主要形式。