三国谋士类经典小说:有机农耕——秸秆腐熟菌剂研讨会相关背景材料及研讨内容

(2011-07-21 12:38:24)
李俊  姜昕  沈德龙
（农业部微生物肥料和食用菌菌种质量监督检验测试中心）
在2006年开始实施的“土壤有机质提升试点补贴项目”中，其重点内容是农作物秸秆就地还田以提升土壤的有机质含量。因此，如何秸秆腐熟剂的选择与应用，成为项目实施取得效果的关键之一。选择与使用秸秆腐熟菌剂目的是，通过此类产品中的微生物及其产生的酶来加速秸秆的腐解，以此实现秸秆还田快速腐解，提高土壤有机质和钾氮等养分含量，培肥土壤。主要操作方式是由政府出资通过招标的形式购买有机物料腐熟剂，无偿提供给农民使用，并给予技术方面的指导。
本文就秸秆腐熟剂的选择和应用中涉及的产品菌种组成、质量要求、使用方式与效果评价等问题，以及目前我国腐熟菌剂的登记管理、生产现状与研发方向等进行简要阐述。
一、秸秆的复杂成分，要求腐熟菌剂应由产秸秆腐解酶系的多种菌群组成
由于秸秆的主要成分是纤维素（多糖类大分子物质）、半纤维素、木质素（高分子芳香族化合物）等大分子，这三者被称为植物体的“三素”。 “三素”的特点是分子量大（几万至千万）、结构紧密有序（有晶体和非晶体区）、抗分解力强（非常稳定）。又因多数作物秸秆的表面还存在大量蜡质层，更增加了秸秆的分解难度。可见，要使秸秆腐解的确是一件不易之事，需要能够产纤维素酶、半纤维素酶、木质素酶的多种微生物共同参与，进行逐步有序的接力分解过程，才能完成秸秆“三素”的腐解。所以，在自然界中，秸秆的腐解通常需要一个长时间的作用过程，它是依靠自然界中存在的秸秆腐解的微生物所产生分解“三素”的酶，逐步作用才得以完成的多步骤过程。
同样，与秸秆复杂成分对应的分解“三素”的酶也非常复杂，表现在参与秸秆腐解的酶的种类多、功能专、协同互作等方面。如纤维素酶，它是指所有参与降解纤维素最终被转化为葡萄糖的各种酶的总称，它不是单种酶，而是起协同作用的一类多组分酶系，因此又被称为纤维素酶系。从酶的性质角度分，纤维素酶系包括水解酶类、氧化酶类和磷酸化酶类（Willian M等，1990）。从酶的功能角度分，纤维素酶包括葡聚糖内切酶（EC3.2.1.4，也称Cx酶、EG或CMC酶）、葡聚糖外切酶（EC3。2.1.9.1，也称C1酶或CBH）、β-葡萄糖苷酶（EC2.1.21，也称CB酶或BG）三个主要成分组成。半纤维素酶和木质素酶也同样复杂，在此不一一介绍。
微生物是产生“三素酶”的主要来源，在秸秆物质的降解过程中发挥了巨大的作用，但不同微生物产生的“三素酶”的能力差异很大。一般地，纤维素和半纤维素被细菌、放线菌和真菌所分解，木质素被真菌和细菌所分解。不同的土壤肥沃程度对纤维素分解菌的分布影响很大。贫瘠土壤中主要是真菌，较肥的土壤则以细菌为主。在有氧中温条件下，强烈分解纤维素的真菌是木霉属(Trichoderma)、青霉属(Penicillium)和曲霉属(Aspergillus)的一些种，其中尤以木霉属受到充分重视。研究表明，只有木霉菌才含有完全水解纤维素所必须的纤维素酶的3种组分，即微晶纤维素酶、CMC酶（羧甲基纤维素酶）以及纤维二糖酶（β-葡糖苷酶）。近年来陆续发现很多好热的真菌，如特异腐殖霉（Humicolainsolens），其纤维素酶耐65℃～70℃，在堆肥的高温阶段，这些高温纤维分解菌在植物秸秆的加速分解中起作用，这在堆肥过程中能加速其分解进程，缩短发酵时间。分解纤维素的细菌种类远不如真菌多，但在土壤等环境中的数量却不少，我国土壤中所含的分解纤维素的细菌为104/g干土。分解能力较强的有食纤维菌（Cytophaga)、生孢食纤维菌(Sporocytophaga)、多囊纤维菌(Polyangium cellulosum)等。分解木质素通常在有氧条件下进行。用14C测定或在木质素上生长等方法研究表明，从麦秸中化学分离的木质素可被假单胞菌(Pseudomonas)等代谢达50%。一般而言细菌降解木质素的能力比真菌低得多。
由于分解秸秆的“三素酶”是多酶体系，酶组分之间存在着明显的协同作用，所以，要求多菌株的配合、相互补充，才能促进纤维素类物质的分解，尤其是细菌与真菌之间具有比较强的相互作用。纤维素分解菌与木质素分解菌对稻草和小麦的联合分解能力明显高于任何一个单一菌株。必须说明的是，多个菌的作用并不是简单效应的算术加和。
二、选用腐解秸秆的微生物种类（即产“三素酶”的微生物），是研发和生产秸秆腐熟菌剂产品的基础
研发和生产秸秆腐熟菌剂在明确产品使用环境条件下，应该依照表中的产生的“三素酶”选用相应的微生物种类。即是说，含有“三素酶”的微生物腐熟菌剂才是最科学、合理的；也是保证秸秆腐解效果的基础。在表1所列之外的菌种需要经过产“三素酶”能力测定和安全性评价达到要求后，才能作为秸秆腐熟菌剂生产用菌种。需要说明的是，表1中所列的菌种仅是初步的划分，还需进一步补充或调整。
表1　产生“三素酶”的微生物种/属一览表
细　菌
真　菌
放线菌
纤维素酶类
①兼性厌氧微生物：食纤维梭菌(Clostridium cellulovorans)、生孢食纤维菌(Sporocytophaga)、多囊纤维菌(Polyangium cellulosum)、白色瘤胃球菌（Ruminococcus albus）、产琥珀酸丝状杆菌（Fibrobacter succinogenes）、溶纤维丁酸弧菌（Butyrivibrio fibrisolvens）、热纤梭菌（Clostridium thermocellum）、解纤维梭菌（Clostridium cellulolyticum）、球形芽孢杆菌（Bacillus sphaericus）、双酶梭菌（Clostridium bifermentans）等;
②好氧微生物：粪碱纤维单胞菌（Cellulomonas fimi）、纤维单胞菌属（Cellulomonas）、纤维弧菌属（Cellvibrio）、运动发酵单胞菌（Zymomonas mobilis）、混合纤维弧菌（Cellvibrio mixtus）、噬胞菌属（Cytophaga）等；
里氏木霉（Trichoderma Reesei）、绿色木霉（Trichoderma viride）、米根霉（Rhizopus oryzae）、米曲霉（Aspergillus oryzae）、
黑曲霉（Aspergillus niger）、镰刀霉(Fusarium spp.)、
拟青霉(Paecilomyces Bainier）
斜卧青霉（Penicillium decumbens）等。
分枝杆菌(Mycoba-　-cterium)、诺卡氏菌(Nocardia)、
小单孢菌(Micromonospora)、唐德链霉菌(Streptomyces　tendae)　及该属中的部分菌　等。
半纤维素酶类
热纤梭菌（Clostridium  thermocellum）、解纤维梭菌（Clostridium cellulolyticum）、溶纤维丁酸菌（Butyrivibrio fibrisolvens）、枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）、短小芽孢杆菌（Bacillus. pumilus）、梭状芽孢杆菌（Clostridium sp.）等。
黑曲霉（Aspergillus niger）、曲霉（Aspergillus）、木霉（Trichoderma）、拟青霉菌属（Paecilomyces Bainier）、青霉（Penicillium）、酵母菌的部分菌（Saccharomycessp.）等。
白浅色链霉菌(Streptomyces　albogriseolus)、诺卡氏菌形放线菌(Nocardioformactinomycetes)等。
木质素酶类
假单胞菌的某些种(Pseudomonas sp.)
白腐菌（Phanerochaete Chrysosprium）、褐腐菌（Lentinus edodes）、黄孢厚毛平革菌（Phanerochete chrysosporium）、彩绒草盖菌（Coridusversicolor）、变色栓菌（Thametes versicolor）、射脉菌（Phlebiaradiata）等。
链霉菌（Streptomyces）、诺卡氏菌（Nocardia）、节杆菌（Arthrobacter）、小单孢菌（Micromonospora）等。
三、应用方式对秸秆腐熟菌剂效果影响重大
以前，秸秆多采用堆置方式进行腐熟，通过人工接种微生物菌剂可以缩短发酵周期、减少异味，实现微生物菌剂促进秸秆腐熟的目的。早在20世纪40年代，美国就有人通过接种菌剂使堆肥时间缩短1~3 d，日本研制的酵素菌产品具有促进秸秆腐解的功能。包括我国在内的腐熟菌剂几乎都是针对堆置条件下腐熟秸秆混合物料而研发生产的产品。
在“秸秆还田提升土壤有机质”项目中，要求秸秆就地还田腐解，应用方式发生了很大变化。多数做法是将水稻、小麦等秸秆直接平铺还田，有的还加以简单切段处理，或埋于墒沟（20cm×20cm小沟），然后每亩撒施2公斤有机物料腐熟菌剂以促进秸秆的腐解，以达到不影响下一茬作物的种植、移栽、生长，实现提高产量、提升土壤有机质和土壤肥力等综合效果。同时，还必须考虑到秸秆还田的生态环境，如水田还是旱地和温度条件，等。因此，如何研发适用于“土壤有机质提升试点项目”的秸秆腐熟剂产品、制定科学可行的腐熟菌剂效果评价方法与技术是当务之急的工作。
四、此类产品依据的标准面临挑战
目前，应用于秸秆的腐熟菌剂归入“有机物料腐熟剂”之中，产品指标执行国家标准GB 20287-2006《农用微生物菌剂》或农业部行业标准NY609 -2002《有机物料腐熟剂》（见表2），而没有依据此类产品的特殊性，制定相应的产品技术指标。
表2  有机物料腐熟剂产品的技术指标
项目
剂   型
液 体
粉 剂
颗 粒
有效活菌数(cfu)， 亿/g(mL)
≥
1.0
0.50
0.50
纤维素酶活a，U/g（mL）
≥
30.0
30.0
30.0
蛋白酶活b，U/g(mL)
≥
15.0
15.0
15.0
水 分，%
≤
-
35.0
20.0
细 度，%
≥
-
70
70
pH值
5.0～8.5
5.5～8.5
5.5～8.5
保质期c，月
≥
3
6
a 以农作物秸秆类为腐熟对象测定纤维素酶活。
b 以畜禽粪便类为腐熟对象测定蛋白酶活。
c 此项仅在监督部门或仲裁双方认为有必要时检测。
从表2中可见，用此标准指标来评价秸秆腐熟菌剂有相当的局限性。一是仅测产品中的总菌数含量，未明确对使用菌种种类和功能的要求，且菌含量偏低；二是对分解秸秆的酶种类偏少，其指标也偏低，三是没有杂菌含量的最高上限。当时针对堆置条件下制定的腐熟剂产品标准是否适用于平铺条件下的秸秆直接还田方式？
五、需研究讨论的几个问题
1、菌剂产品技术指标
当初制定腐熟菌剂产品标准时，主要考虑到菌剂是在可控制条件下，施用菌剂促进有机物料的腐熟，因此在规定最低有效菌数后，针对腐解不同有机物料类型，提出了几种酶活技术指标，即腐解秸秆时需测定纤维素酶活，而腐熟畜禽粪便则需测定蛋白酶和淀粉酶。由于当时可参考的资料不多，所提出的酶活技术指标也是比较粗放的，更没有对菌种的类型、组成提具体的技术要求。鉴于在秸秆直接还田中，菌剂直接作用于秸秆，而秸秆主要是由纤维素、半纤维素和木质素等组成，是否可增加相应的酶活指标，以便该产品更具有针对性？同时，对菌剂产品中的菌种组成提出一个具体可操作的目录（见上表1）。
2、菌剂产品质量及用量
该产品标准当时是针对堆置腐熟方式制定的，所提的主要技术指标虽然偏低（仅要求0.5亿/克和相应酶活指标），但菌剂施用量一般在2~5‰，且菌剂在堆腐条件下也有利于菌的再繁殖，因此堆肥的效果一般还是比较稳定的。而在秸秆直接还田模式下，从近几年应用实践来看，腐解效果不是非常稳定，其原因之一是有效菌含量偏低，每亩用量仅2公斤。此外，接种的腐熟功能菌在环境中的生存、繁殖能力（即生态适应性）也是重要的限制因素。针对秸秆直接平铺还田条件下施用菌剂，是否可考虑修改产品的技术指标，增加有效菌和相应酶活技术指标？抑或是制定一个更具针对性的产品标准？但制、修订标准需经过一定的程序和时间才能完成。在目前腐熟菌剂产品标准难以改变的情况下，增大用量也是效果稳定的一条途径，是否可应该将每亩菌剂用量从现在的2公斤增加至5公斤？
3、环境条件如何控制
在堆肥处理方式中，菌剂的施用是在可控制的条件下进行，一般可对堆肥发酵的有关参数进行调节，以充分发挥菌剂的作用。而在秸秆直接还田方式中，菌剂施入田间是在一个开放的环境中，秸秆腐解没有一个明显的升温过程，菌剂受到阳光、昼夜温度、水分等的影响更大，与堆肥处理方式发生了明显的变化，这极大影响腐熟菌剂的作用效果。一般在有水的条件下，施入菌剂腐解效果也许会好一些；而在旱地条件下效果一般很难保证。因此，在开放的田间条件下，如何控制环境参数才能更好地发挥菌剂的应有作用？请提出相关的、可操作的参数和指标，提出菌剂在田间的施用方法和技术条件，以实现在田间开放环境下达到施用菌剂促进秸秆腐解的目的。
4、腐熟效果如何评价
评价腐熟度是堆肥研究的主要领域之一，它关系到堆肥的安全使用，许多学者对此进行了深入研究，提出了物理学指标、化学指标及生物学指标，但现在还没有一种公认的堆肥腐熟度指标。那么，在秸秆直接还田条件下，又该如何评价施入菌剂的腐解效果？应用下面列出的评价指标是否能对腐熟菌剂进行评价：
（1）外观变化，包括腐熟颜色、物料结构是否疏松、是否有恶臭等；
（2）化学指标或生物学指标，包括水溶性有机碳与水溶性有机氮的比值，以及芹菜种子发芽率是否达到50%；
（3）秸秆剪切拉力的变化？
（4）土壤理化性状变化情况，主要调查土壤有机质、容重、孔隙度变化情况；
（5）下茬作物产量，主要是调查各处理作物产量变化情况，尤其是前期的生长情况（水稻返青、提早分蘖、根系发育情况）；
（6）对下茬作物种植/移栽的影响，施用腐熟菌剂后是否使作物的种植/移栽的茬口时间前移了几天，亦即实现以“菌（促腐熟）换时间”的目的。
在以上几个方面的基础上，针对秸秆直接还田条件下，对菌剂产品的技术指标、使用方法、腐解效果等方面提出一个切实可行的操作技术规程，如秸秆就地还田条件下腐熟菌剂试验技术规程。