秸秆腐熟剂的研究进展及发展趋势

陈 娟，易 婷，叶英林，张西露

（湖南省蔬菜研究所，湖南 长沙 410125）

秸秆腐熟剂由真菌、细菌、放线菌等多种能够促进秸秆快速腐熟的微生物菌群组成，其通过微生物自身代谢将秸秆中难以分解的主要成分，如纤维素、半纤维素和木质素等物质转化成葡萄糖、氨基酸、脂肪酸等简单化合物，为作物生长提供营养，从而提高产量和改善品质，同时还能杀死秸秆中的病原微生物，提高土壤肥力。秸秆腐熟剂的类型很多，根据剂型可分为液态型、颗粒型和粉剂型；根据用途可分为水稻秸秆、小麦秸秆、辣椒秸秆、玉米秸秆等针对不同作物秸秆的专用腐熟剂[1]。

1 秸秆腐熟剂的重要性

秸秆是指成熟农作物的茎叶（穗）部分，即水稻、小麦、玉米或其他农作物在收获果实后的剩余部分。我国作为一个农业大国，农作物秸秆资源非常丰富，2015 年我国农作物秸秆年产量高达10.4 亿t，位居世界第一[2]。秸秆作为一种多用途、可再生的生物资源，不仅含有蛋白质、脂肪、纤维素和木质素等有机物质，还富含氮、磷、钾、钙、镁等矿质元素[3]。秸秆降解是微生物对有机物进行的生物化学转化，但由于秸秆的晶体结构复杂，其主要成分（纤维素、半纤维素和木质素）很难快速分解[4]，因此在自然条件下秸秆的降解进程非常缓慢，如何快速有效降解农作物秸秆是秸秆“变废为宝”的关键。大量研究结果均表明，在秸秆堆肥中加入秸秆腐熟剂可以加快秸秆的降解速度、提高秸秆利用率[5]，还能改善作物生长性能、促进微生物活动和作物根系的发育、提高作物产量，并能改良土壤结构、增加土壤有机质含量等。因此，研究与推广秸秆腐熟剂对推动我国农业可持续发展具有重要意义。

2 秸秆腐熟剂的作用机理

秸秆腐熟剂的应用是推广普及秸秆还田技术的重要措施。秸秆腐熟剂主要由细菌、真菌、放线菌和生物酶等复合而成，常用菌种有黑曲霉、酿酒酵母、枯草芽孢杆菌、米曲霉等，这些微生物在生长繁殖过程中能够有效降解秸秆成分，将其转化为农作物生长所需的氮、磷、钾、钙、镁等矿质元素，从而达到改善土壤理化性质、增加土壤有机质、提高农作物生长性能、增效提产的目的。

秸秆腐熟剂的作用过程要历经4 个阶段。第一阶段为适应期，该时期为腐熟剂施加后的5～7 d，在适应期腐熟剂中的菌种开始无序繁殖、自由生长；第二阶段为定植期，此期菌丝、菌落开始大量出现在秸秆与土壤连接处，与耕地面接触的秸秆开始出现水浸状；第三阶段为生长繁殖期，此期维持时间相对较长，是腐熟剂发挥作用的重要时期，这一时期微生物大量生长繁殖，种群数量迅速增加，主要以个体细胞生长为主、繁殖为辅，纤维素分解菌大量生长并作用于秸秆韧皮部，表现为蜡质层脱落、秸秆纤维素松软、营养源大量消耗并转化为代谢产物；第四阶段为衰退期，在营养源物质的充分性、完整性遭受破坏后，代谢产物大量积累，碳氮比降低，微生物停止繁殖并逐渐走向死亡或衰退，直至秸秆腐熟处理基本完成[6]。

3 秸秆腐熟剂的应用效果研究

3.1 对秸秆降解效果的影响

秸秆在正常条件下降解过程非常缓慢，但施加腐熟剂后能够明显提高秸秆降解效率。例如：黄亚丽等[7]研究发现，在秸秆腐烂过程中添加低温秸秆降解真菌长枝木霉SDF-31 后，秸秆降解率显著高于常温秸秆腐熟剂和空白对照；Lu 等[8]向蔬菜和花卉茎秆废物中接种木质纤维素分解菌（ligno-cellulolytic microorganisms，LCMs）后发现，该菌种增强了堆肥材料的生物降解能力；常洪艳等[9]对比了低温、常温和混合菌剂3 种不同秸秆腐熟剂对玉米秸秆的降解效果，结果表明添加混合菌剂的秸秆降解速率最大；孙学习等[10]对耐高温秸秆腐熟剂的筛选结果表明，当枯草芽孢杆菌NGW13、芽枝孢霉菌NGW12、苏云金芽孢杆菌NGW14、米曲霉菌NGW11的配比为4∶1∶2∶3时，该复合菌液降解菌种对秸秆的降解效果最好。因此，通过添加秸秆腐熟剂能够加快秸秆降解速率，有效推动秸秆资源的利用和转化。

3.2 对作物生长和产量的影响

秸秆腐熟剂不仅能够提高秸秆降解效率，而且还对农作物产量的提高具有一定促进作用。例如：嵇红文[11]在小麦秸秆中添加有机物料腐熟剂，显著提高了小麦秸秆还田后的水稻产量；李文红等[12]研究作物秸秆配施腐熟剂还田的结果表明，腐熟剂能够有效控制小麦前期群体数量、促进后期生长，通过增穗、增粒或增重来提高小麦产量；吴志鹏等[13]分析了腐熟剂在秸秆还田模式下对水稻产量的影响，结果表明施用腐熟剂对水稻株高、穗长、结实率和千粒重等具有促进作用，能显著提高水稻产量；康永亮等[14]研究玉米秸秆中施加腐熟剂的结果表明，施加腐熟剂后小麦的穗粒数增加4.43%～6.41%，产量增加3.87%～8.00%。

秸秆还田后作物生长性能会受到很多因素影响，其中腐熟剂对作物生长性能具有一定改良作用。例如：鲁耀雄等[15]研究了秸秆腐熟剂在稻草还田中对晚稻生长的影响，发现添加秸秆腐熟剂能够显著提高晚稻分蘖数和植株氮磷钾含量；张莹莹等[16]研究了秸秆腐熟剂对玉米秸秆腐解及下茬小麦生长的影响，发现腐熟剂用量的增加会引起返青期的小麦总根量、总蘖数增加，从而提高小麦产量；白文华等[17]研究了秸秆腐熟剂拌施稻草还田对早熟马铃薯生产的影响，发现腐熟剂能够有效促进薯块膨大、增加薯块产量和平均单株薯重；葛昌斌等[18]研究了玉米秸秆还田对小麦生长发育的影响，结果表明增施秸秆腐熟剂可以显著提高小麦叶龄、促进小麦次生根生长、提高小麦单株成穗数和千粒重。

3.3 对土壤及土壤微生物的影响

秸秆还田时施加秸秆腐熟剂能够有效改善土壤结构，增加土壤肥力、提高土壤有机质含量和改善土壤微生物结构。例如：李春杰等[19]的研究表明，添加秸秆快腐剂能提高土壤速效钾含量、降低土壤容重、增加土壤含水量；周德平等[20]研究小麦秸秆还田时腐熟剂对土壤影响的结果表明，腐熟剂能够促进土壤微生物的增殖和整体代谢活性，增加群落物种丰富度，提高多样性指数；萨如拉等[21]认为，在玉米秸秆还田过程中添加秸秆腐熟剂能够刺激土壤呼吸作用，降低土壤pH 值，增加土壤碱解氮、速效磷和速效钾的含量；魏蔚等[22]的研究结果表明，玉米秸秆还田时添加含植物内生真菌的复合菌剂能显著增加土壤蔗糖酶、脲酶和纤维素酶的活性，改善土壤理化性质，提高土壤中的全氮、全钾、碱解氮和速效钾的含量，增加土壤微生物数量。

4 秸秆腐熟剂的发展趋势

4.1 秸秆腐熟剂的发展局限性

秸秆腐熟剂凭借其对秸秆的催熟功能而被众多农业研究者推荐使用，但在实际推广应用中却受到2 大因素限制。一是成本过高，秸秆腐熟剂的价格为100元/kg 左右，大面积应用时其用量为30～60 kg/hm2，成本达3 000～6 000 元/hm2，秸秆腐熟剂的成本过高直接导致其很难得到大面积推广应用。二是秸秆腐熟剂在发挥功效时对外界环境有一定的要求，在寒冷季节喷洒秸秆腐熟剂会严重降低腐熟效果，在天气适宜条件下喷洒腐熟剂后若遇到温度骤降或下雨也会影响腐熟效果。

4.2 秸秆腐熟剂的发展方向

我国农作物秸秆产量较大，如若不能有效处理这些农作物秸秆，不仅会导致资源浪费[23]，而且还会引发大气、水和土壤污染等严重的生态环境问题[24]。在此背景下，作物秸秆腐熟还田就成为目前一项重要的培肥地力与增产提质举措。虽然作物秸秆本身含有可以使其完全腐熟的微生物，但由于所需的腐熟时间过长导致秸秆无法得到充分利用。如果在秸秆中人为加入秸秆腐熟剂，秸秆腐熟剂中的微生物菌群与秸秆自身微生物竞争并成功在秸秆中定植后，可以有效提高腐熟效率。结合国家生态环境保护政策以及秸秆腐熟剂在推广应用中的实际情况，推测未来秸秆腐熟剂的发展方向如下。

一是加快速度研究出适用性广、抗逆性强、腐熟效果好的复合菌种。胡海红等[25]的研究结果表明，将硅藻作为载体，在载体上添加生物酶组合复合菌剂可以有效提高秸秆降解效率。魏蔚等[22]的研究表明，施加含有植物内生真菌的复合菌剂比市购秸秆腐熟剂更能提高玉米秸秆中木质素的降解速率。因此，研究出催腐效果好的复合菌种是目前秸秆腐熟剂研究的重点方向。

二是降低腐熟剂的生产成本和价格。腐熟剂的成本过高是阻碍其大面积推广应用的主要原因。因此，通过改良菌种培养技术和规模化生产降低生产成本，利用现代物流降低运输成本，进而控制腐熟剂的市场价格，以便充分调动农民使用并推广腐熟剂的积极性，也是秸秆腐熟剂的未来发展方向之一。

三是打破腐熟剂研究盲区。目前对秸秆腐熟剂的研究主要集中在水稻、小麦和玉米等作物，而茄果类、瓜类、叶菜类等蔬菜秸秆还田腐熟剂的研究甚少，因此要打破腐熟剂研究盲区，开展蔬菜秸秆腐熟剂及其配套技术的研究。