李 莉

(遼寧省微生物科學研究院，遼寧 朝陽 122000)

我國的農作物種植總量居世界首位，隨著農業(yè)的快速發(fā)展，各類農作物產量連年創(chuàng)歷史新高，同時也產生了大量的秸稈，由于富裕的農民也用上了更加清潔方便的能源而舍棄了作為薪柴的秸稈，使秸稈的消耗量連年下降，導致了大量剩余秸稈產生。據統計，2010年中國的秸稈總量超過9億噸，居世界首位，其中玉米秸稈2.5億噸。

秸稈還田是當今世界普遍重視的一項培肥地力的增產措施，即杜絕了秸稈所造成的大氣污染，實現了CO2的減量排放，又減少了秸稈資源的浪費，從根本上解決了長期施用化肥導致的土壤生態(tài)惡化，農產品質量下降等問題，實現了低碳農業(yè)和循環(huán)農業(yè)［1］。據測定，1000～1500 kg鮮玉米秸稈含純氮 3.65 kg，五氧化二磷 1.85 kg，玉米秸稈內含氮量為0.6%，含磷量為0.2%，含鉀量為2.28%，有機質含量達到3.4%左右，1250 kg鮮玉米秸稈相當于4000 kg土雜肥的有機質含量，氮、磷、鉀含量相當于18.75 kg碳銨、10 kg過磷酸鈣和7.65 kg 硫酸鉀［2-3］。

近年來，隨著設施農業(yè)的發(fā)展，人們更多地使用秸稈還田技術。由于秸稈還田基本上是將秸稈就地還田，秸稈分解不完全，影響下一年的種植。如何促進秸稈的快速分解，不影響下茬作物種植及秸稈還田的推廣，是農業(yè)生產中亟待解決的一個重大問題。

遼寧省微生物科學研究院國家農業(yè)開發(fā)項目“利用微生物腐熟技術改善設施蔬菜試驗與示范”項目組，經過8年時間，研究了玉米秸稈快速腐熟技術和微生物秸稈腐熟劑，特別是通過微生物秸稈腐熟劑的作用，使秸稈能夠在一個作物生長季腐解率達到90%以上。近年來，在日光溫室和大田中推廣使用了該項技術，推動了秸稈的資源化利用，對提高農產品產量和改善農產品的質量，保障農業(yè)可持續(xù)發(fā)展起到了重要作用。本文對微生物在玉米秸稈還田中的作用研究進行了論述，內容主要包括玉米秸稈直接還田快速腐熟技術、秸稈腐熟劑及在秸稈腐解中的作用研究與分析。

1 玉米秸稈中木質纖維素的基本結構與組成

玉米秸稈主要由C、H、O等元素組成有機物，其中又以3種高分子聚合物為主，分別是纖維素、半纖維素、木質素［4］，還含有少量的單寧、果膠質，表面還覆蓋有一定量的蠟質成分。纖維素、半纖維素和木質素在細胞壁中相互交織共同形成致密的結構，任何一類成分的降解必然受到其他成分的制約。玉米秸稈中的主要成分是纖維素，占木質纖維素的43%，纖維素分子是由β-D-葡萄糖通過β-1，4-糖苷鍵(由半縮醛羥基和C4上的醇羥基之間縮水形成糖苷鍵)結合而成的線性高分子化合物，鏈兩端組成不同，一個是還原端，一個是非還原端［5］，纖維素的結構還分為結晶區(qū)和非結晶區(qū)兩部分，只有在非結晶區(qū)才有部分游離羥基存在［6］，因此，纖維素的非結晶部分比結晶部分容易水解，經水解可以得到葡萄糖，理論上1 kg纖維素水解可以得到1.1 kg葡萄糖。半纖維素在玉米秸稈中占27%，其成分比纖維素復雜一些，主要是由幾種不同類型的單糖(五碳糖和六碳糖)構成的異質高聚體，其聚合度比較低，所含糖單元約為60～200個?；臼且苑枪矁r鍵方式與纖維素連接的多聚糖，半纖維素與纖維素分子鏈的主要區(qū)別在于:一是由外結晶狀雜多糖組成，二是分子鏈較短，三是高度分支，四是主鏈為一種糖單元［5］。木質素在玉米秸稈中占20%，木質素的直接前體是來自對羥基苯丙烯酸的三種醇(木質醇)—松柏醇、芥子醇及香豆醇，木質素的化學結構復雜，許多植物的木質素結構仍不完全清楚。

2 降解木質纖維素的微生物與酶類

微生物降解纖維素是先產生纖維素酶，再利用纖維素酶把纖維素水解成葡萄糖。半纖維素的主要成分是木聚糖，一些細菌和好氧絲狀真菌都能分泌不同的木聚糖酶，用于水解木聚糖，但是木質素不含有易水解的重復單元，而且還抵抗酶的水解作用，是目前公認的微生物難降解的芳香族化合物之一。木質素的分解是一個氧化過程，需要多種酶的協同作用，需要由多種誘導酶所組成的復雜酶系，主要包括過氧化物酶、錳過氧化物酶和漆酶。

3 玉米秸稈還田快速腐熟技術與秸稈腐熟劑研究

3.1 玉米秸稈還田快速腐熟技術

玉米秸稈直接還田快速腐熟技術主要是利用微生物分解秸稈中的纖維素、半纖維素、木質素，使其降解為葡萄糖、短鏈脂肪酸、氨基酸和CO2供農作物生長利用［7］。將秸稈整稈埋入250 mm以下的土壤中，通過加入微生物腐熟劑，使秸稈中的木質纖維素在作物的一個生長季轉化為生長所需要的CO2、熱量和有機無機養(yǎng)料，可使溫室內的CO2濃度提高4～6倍，1 kg秸稈還釋放出3037千卡的熱量，地溫提高2～3℃，有機質含量提高0.1% ～0.23%。大田的玉米秸稈直接還田快速腐熟技術與溫室的玉米秸稈直接還田快速腐熟技術相同。

3.2 微生物玉米秸稈腐熟劑

微生物是土壤最活躍的組成，在維持生態(tài)系統整體服務功能方面發(fā)揮著重要的作用［8-9］，常被比擬為土壤碳、氮、磷等養(yǎng)分元素循環(huán)的“轉化器”，環(huán)境污染的“凈化器”，陸地生態(tài)系統穩(wěn)定的“調節(jié)器”［10］，土壤微生物學的研究對象也從單個的功能基因拓展到系統的宏基因組和轉錄組，從單一的菌種資源發(fā)展到整體的微生物群落［11-12］。遼寧省微生物科學研究院在定量描述土壤微生物過程、定向調控土壤微生物的功能方面進行了探索，分析了在微生物菌群作用下木質纖維素的降解過程，利用實時熒光定量PCR技術，探討了秸稈還田后土壤中硝化細菌、自生固氮菌和纖維素分解菌數量的變化規(guī)律，在此基礎上利用秸稈生物降解技術研制出了秸稈腐熟劑［13-14］。實現秸稈還田，必須加速秸稈腐熟，由于秸稈中含有約90%的木質纖維素，加速木質纖維素轉化便成為秸稈快速腐熟的關鍵。因此研究以秸稈還田定向快速腐熟關鍵技術為主，通過高效腐解秸稈微生物菌種篩選及復合微生物菌群構建關鍵技術研究［15-16］、秸稈腐熟劑生產關鍵技術研究，形成了具有自主知識產權的有機物料腐熟劑產品。

遼寧省微生物科學研究院研究的玉米秸稈腐熟劑屬于好氧型有機物料腐熟劑，因此，在使用過程中必須通過打孔來保障通氣，滿足微生物對氧氣的需求及釋放出CO2。為了更好地發(fā)揮腐熟劑的作用，配套研究了菌種活化劑，菌種活化劑是一種可以迅速為微生物提供營養(yǎng)，促進微生物快速啟動、繁殖、生長的以碳源為主的一類營養(yǎng)物質。活化劑提高了腐熟劑在土壤中的定殖能力和秸稈的腐解速度，簡化了腐熟劑的使用方法，降低了腐熟劑的使用成本，只需與活化劑按比例混合，再加入一定比例的水，放置2 h后就可以使用，大田上使用只須與腐熟劑混合后撒入秸稈上即可。

4 秸稈腐熟劑在秸稈腐解中的作用研究

4.1 微生物秸稈腐熟劑定殖能力研究

在秸稈腐熟劑的研究過程中，微生物菌群在秸稈上的定殖能力研究非常重要，添加到秸稈中的微生物由于受土壤抑菌作用的影響而不能萌發(fā)，或處于休眠狀態(tài)，降低了微生物在秸稈腐解過程中的生長和繁殖能力，因此，在菌種選育的時侯就應考慮其定殖能力的問題［17-19］。不同菌種在培養(yǎng)皿的無菌土中定殖能力測試結果見表1，不同菌種在埋入秸稈+腐熟劑的田間的定殖能力測試結果見表2。從表1看出，6種菌在30 d左右達到最大活菌數，到150 d時最低定殖率為0.01%，最高定殖率為26.4%。表1、表2結果表明，上述6個菌種在對照區(qū)均未檢測到，說明在處理區(qū)檢測到的上述菌種都是后施入的菌種在秸稈上繁殖的結果，而不同的微生物菌種在土壤中的定殖能力是不同的。

4.2 秸稈腐熟劑在溫室土壤中對玉米秸稈腐解率研究

腐解率即微生物對秸稈中木質纖維素的分解能力，進行了秸稈腐熟劑+菌種活化劑對土壤內秸稈腐解率的研究。不同處理區(qū)土壤中真菌、細菌總數變化情況見表3，采樣時間為秸稈腐熟劑埋入土壤第7天。由表3可知，腐熟劑+秸稈處理區(qū)活菌數在10月31日達到最高，基質區(qū)活菌數最高峰出現在11月23日，比處理區(qū)晚20 d左右;對照區(qū)活菌數高峰出現日期與基質區(qū)相同。進行了秸稈腐熟劑+菌種活化劑對土壤內秸稈分解程度的研究，結果見表4。從表4可以看出，加腐熟劑的秸稈腐爛快、腐解率明顯比不加腐熟劑的秸稈高，殘余少，說明秸稈腐熟劑能明顯促進秸稈分解轉化。

表1 不同菌種在無菌土中定殖能力測試Table 1 The test for different strains in the sterile soil colonization ability

表2 不同菌種在田間定殖能力測試Table 2 The test for different strains in the field soil colonization ability

表3 不同處理區(qū)土壤中真菌、細菌總數變化(2011年)Table 3 The changes of fungi and bacteria in the different treated soil(2011)

表4 栽培結束時秸稈的腐解率(%)(黃瓜，2010-10～2011-06)Table 4 The straw decomposition rate at the end of the cultivation(%)(Cucumber，2010-10 ～2011-06)

不同處理區(qū)纖維素酶活性變化情況見表5。數據表明，處理區(qū)秸稈中纖維素酶活始終比基質區(qū)高，并且差異明顯;土壤中的纖維素酶活性在各區(qū)中差異不大，多數時間段處理區(qū)的酶活性比基質區(qū)和對照區(qū)高，在開始階段和結束階段，基質區(qū)的纖維素酶活略高于處理區(qū)。不同處理區(qū)土壤中和秸稈中酶活性高峰都出現在10月11～31日左右，基質區(qū)酶活性高峰出現的略晚，2個區(qū)的酶活性高峰與活菌數高峰期相吻合。

表5 不同處理區(qū)土壤及秸稈中纖維素酶活性變化(2011年)(U/g)Table 5 The changes of cellulase activity for soil and straw in different processing zone(2011)(U/g)

表6 不同處理區(qū)土壤及秸稈中半纖維素酶活性變化(2011年)(U/g)Table 6 The changes of hemicellulase activity for soil and straw in different processing zone(2011)(U/g)

表6數據表明，秸稈中的半纖維素酶含量明顯比土壤中的活性高，高1倍左右。各區(qū)的酶活高峰基本在10月31日左右，這段時間也是活菌數最高的時間，酶活性變化趨勢與活菌數變化趨勢基本一致。大部分時間，秸稈中處理區(qū)的半纖維素酶活性高于基質區(qū)，只是在最后一次的測試結果低于基質區(qū)。土壤中的半纖維素酶活性則大多數時間是處理區(qū)高于基質區(qū)，差異不是很明顯。與對照區(qū)相比，處理區(qū)、基質區(qū)土壤中的半纖維素酶活并不高，說明秸稈在分解過程中半纖維素酶向上運輸能力差，并且秸稈分解過程中，對上層土壤半纖維素酶活影響不大。

遼寧省微生物科學研究院在朝陽市龍城區(qū)榆樹林村測試結果(2011年7～12月，作物為豆角，秸稈使用量為500 kg/畝)見圖1。測試結果表明，隨著秸稈埋入時間增加，土壤中2種酶的活性不斷增加，并且在75 d左右達到最高，以后又逐漸下降，栽培結束時比栽培前土壤中2種酶的活性略高。土壤中2種酶的活性主要受土壤中活菌數的限制，與土壤中活菌數的多少呈正相關。

圖1 秸稈還田對土壤纖維素酶、半纖維素酶活性的影響Fig.1 The effect of the straw bio-degradation on the soil enzyme activity of the cellulose and hemicellulase

4.3 秸稈腐熟劑對土壤中微生物種群數量及土壤酶活性的影響

秸稈還田技術使用3年后土壤中微生物菌群及酶活性變化情況見表7。①細菌:處理區(qū)和基質區(qū)的可培養(yǎng)細菌數量變化趨勢相同，都是先上升后下降趨勢，高峰期都出現在120 d左右;處理區(qū)可培養(yǎng)細菌數量始終高于基質區(qū)，作物生長期結束時，可培養(yǎng)細菌數量基本相同。②真菌:處理區(qū)可培養(yǎng)真菌數量在90 d左右達到最高，在90～150 d時，可培養(yǎng)真菌數量穩(wěn)定在107cfu/g左右，到150 d后，開始緩慢下降;基質區(qū)可培養(yǎng)真菌數量在120 d左右時達到最高點，并且在120～170 d時為107cfu/g左右，然后快速下降到104cfu/g左右;處理區(qū)可培養(yǎng)真菌高峰期比基質區(qū)高峰期早30 d左右。對照區(qū)可培養(yǎng)真菌數量變化趨勢與基質區(qū)相同，但是基質區(qū)可培養(yǎng)真菌數量比對照區(qū)高100倍左右。③總菌數:對照區(qū)、基質區(qū)、處理區(qū)的總菌數的變化趨勢相同，都是在120 d左右時達到最高，并且在120～170 d時穩(wěn)定，170 d后下降，基質區(qū)和處理區(qū)的總菌數在高位時，比對照高1萬倍。④纖維素酶活:處理區(qū)纖維素酶活在90 d時達到最高582 U/g，然后開始緩慢下降，到150 d時，降低到25 U/g;基質區(qū)的纖維素酶活在120 d左右時達到最高425 U/g，然后開始下降，到150 d時，降低到21 U/g。⑤木聚糖酶活:在45 d時檢測到木聚糖酶活性，達到最高點以后逐漸下降，處理區(qū)酶活明顯比基質區(qū)酶活高，對照未檢測到木聚糖酶活。

表7 微生物菌群及酶活性變化情況Table 7 The changes of the flora and enzyme activity of microorganisms

大田試驗小區(qū)微生物種群數量與各處理間顯著性分析結果見表8。由表8可以看出，大田玉米使用玉米秸稈降解技術和秸稈腐熟劑對土壤中微生物種群數量有很大影響，由CK與各處理之間比對可以看出，只加秸稈不加腐熟劑的CK處理土壤中的真菌、細菌、放線菌總數及功能菌(自生固氮菌、硝化細菌、纖維素分解菌)與各處理之間差異顯著，各處理菌數比CK菌數明顯增多，且增加量達到極顯著水平，不同菌種使用量土壤中菌數差異也達到了極顯著水平。試驗小區(qū)土壤酶活性與各處理間顯著性分析結果見表9，不同菌種使用量土壤酶活性比較結果見圖2。從表9及圖2可以看出，各種酶活力基本隨著腐熟劑施入量的增加而呈現遞增趨勢，且差異呈顯著水平。經過比對還可以看出，施用腐熟劑的各種酶活力均比對照高，且處理4的整體酶活力水平高于各處理間的酶活力水平。說明當腐熟劑施入量為0.4%菌劑時酶活力呈現出較好水平。

表8 試驗小區(qū)微生物種群數量與各處理間顯著性分析Table 8 The analysis of the microbial populations and significant between each treated room in test area

表9 試驗小區(qū)土壤酶活性與各處理間顯著性分析Table 9 The analysis of the soil enzyme activity and significant between each treated room in test area

圖2 不同菌種使用量土壤酶活性比較Fig.2 The comparison of the soil enzyme activity for the different usage of the strains

5 研究中存在問題與分析

近年來，玉米秸稈快速腐熟技術的應用越來越普遍，說明微生物秸稈腐熟劑在秸稈腐解過程中發(fā)揮了重要作用［20-21］，試驗證明:秸稈+腐熟劑無論是活菌數還是腐解率均較對照有顯著差異，效果明顯。然而微生物對秸稈的腐熟過程是一個復雜的微生物混合種群生態(tài)系統的變化過程［22-23］，秸稈腐熟劑的研究涉及土壤微生物群落結構及其功能群分析、土壤有機質微生物轉化動力學、聚丙烯酰胺凝膠電泳DGGE為代表的分子指紋圖譜技術、土壤微生物生物量測定方法，希望引起廣大科技工作者關注。在研究過程中我們發(fā)現秸稈腐熟劑在土壤中的定殖能力和腐解率與接入的微生物菌種數量有關，與秸稈中的纖維素酶活性有關，與土壤的溫度、濕度和覆土厚度有關，現有的秸稈腐熟劑中微生物的定殖能力還很低，分析其原因，可能是微生物選育和培養(yǎng)過程中溫度過高，不適應土壤中的環(huán)境。溫室大棚常種蔬菜的溫度管理指標見表10［24］。

表10 溫室中常種蔬菜的溫度管理指標(℃)Table 10 The index of temperature management for usual vegetables in the greenhouse(℃)

從表10可以看出，蔬菜從苗期到結實期最適宜的地溫是15～23℃，因此在秸稈腐熟劑的微生物菌種分離篩選過程中，應根據溫室內地溫情況，菌種的培養(yǎng)溫度應在20℃左右，這樣才能使腐熟劑在使用過程中保證較好的定殖率和腐解率。有關這方面的研究還未見報導，另外，應在土壤中分離菌種才能使菌種適應土壤環(huán)境，分離篩選出具有高腐解率的微生物菌種，使微生物腐熟劑在玉米秸稈直接還田中發(fā)揮更好的作用，讓玉米秸稈這一寶貴資源得到更充分的利用。

從另一個角度看，玉米秸稈還田和秸稈腐熟劑的應用也是調整土壤新的平衡過程，通過研究微生物在土壤有機質的周轉和轉化中的作用，會更進一步推動土壤微生物的研究與發(fā)展，使微生物技術更好地服務于人類。

［1］南雄雄，田霄鴻，張琳，等.小麥和玉米秸稈腐解特點及對土壤中碳、氮含量的影響［J］.植物營養(yǎng)與肥料學報，2010，16(3):626-633.

［2］HumbertoBC，LalR，PostWM，OwensLB.Changes in longterm notill corn Growth and yield under different rate sofst over mulch［J］.Agron，2006，98:1128-1136.

［3］高忠蘭.玉米秸稈還田的優(yōu)勢及其技術［J］.現代農業(yè)科技，2013，(1):227，231.

［4］A.N.格拉澤，二介堂弘著，陳守文，喻子牛等譯.微生物生物技術—應用微生物學基礎原理［M］.北京:科學出版社，2002.

［5］李俊，沈德龍，林先貴.農業(yè)微生物研究與產業(yè)化進展［M］.北京:科學出版社，2011.

［6］張俐娜.天然高分子改性材料及應用［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2006.

［7］竇森，于水強，張晉京.不同CO2濃度對玉米秸稈分解期間土壤腐殖質形成的影響［J］.土壤學報，2007，44(3)，458-466.

［8］Nsabimana D，Haynes R J，Wallis F M.Size，activity and catabolic diversity of the soil microbial biomass as affected by land use［J］.Appl.Soil Ecol.，2004，26(2):81-92.

［9］Spedding T A，Hamel C，Mehuys G，et al.Soil microbial dynamics in maize growing soil under different tillage and residue management systems［J］.Soil Biol.Biochem.，2004，36(3):499-512.

［10］宋長青，吳金水，陸雅海，等.中國土壤微生物學研究10年回顧［J］.地球科學進展，2013，28(10):1087-1105.

［11］Lu Z，Lu Y H.Methanocella conradii sp.nov.，a thermophilic，obligate hydrogenotrophic methanogen，isolated from Chinese rice field soil［J］.PLoS One，2012，7(4):e35279.

［12］Lu Z，Lu Y H.Complete genome sequence of a thermophilic methanogen，Methanocella conradii HZ254，isolated from Chinese rice field soil［J］.Journal of Bacteriology，2012，194(9):2398-2399.

［13］方新，王志學，于淼，等.秸稈自然降解過程中優(yōu)勢菌群的篩選［J］.安徽農業(yè)科學，2010，38(1):19-20，55.

［14］張慶華，趙新海，李莉，等.秸稈降解菌的篩選及模擬田間應用效果分析［J］.微生物學雜志，2010，30(4):101-104.

［15］楊濱娟，錢海燕，黃國勤，等.秸稈還田及其研究進展［J］.農學學報，2012，2(5):1-4.

［16］侯占領，牛銀霞，郭清霞.不同秸稈還田方式試驗研究初報［J］.農業(yè)科技通訊，2012，(5):110-111.

［17］Masayuki T，Hiroyuki S，Daisuke W，et al.Evaluation of pretreatment with Pleurotus ostreatus for enzymatic hydrolysis of rice straw［J］.Journal of Bioscience and Bioengineering，2005，100(6):637-643.

［18］Weng J，Wang Y，Li J，et al.Enhanced root colonization and biocontrol activity of Bacillus amyloliquefaciens SQR9 by abrB gene disruption［J］.Applied Microbiology and Biotechnology，2013，97(19):8823-8830.

［19］Ling N，Raza W，Ma J H，et al.Identification and role of organic acids in watermelon root exudates for recruiting Paenibacillus polymyxa SQR-21 in the rhizosphere［J］.European Journal of Soil Biology，2011，47(6):374-379.

［20］FRANKENBERGER W T，DICK W A.Relationships between enzyme activities and microbial growth and activity indices in soil［J］.Soil Soc Am J，1983，47:945-951.

［21］侯鳳慈，王春雷.淺談農作物秸稈綜合利用在建設新農村中的作用［J］.河南農業(yè)，2008，(12):33.

［22］Bast ian F，Bouziri L，Nicolardot B，et al.Impact of wheat straw decomposition on successional patterns of soilmicrobial community structure［J］.Soil Biol.Biochem.，2009，41:262-275.

［23］Baumann K，Marschner P，Smernik R J，et al.Residue chemistry and microbial community structure during decomposition of eucalypt，wheat and vetch residues［J］.Soil Biol.Biochem.，2009，41:1966-1975.

［24］蓋捍疆.朝陽設施農業(yè)栽培實用技術［M］.北京:中國農業(yè)科學技術出版社，2012.