王連林，張志成，商立軍，陳鐵成

(1.河北省玉田縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局 河北玉田 064100； 2.灃田寶農(nóng)業(yè)科技有限公司 河北玉田 064109)

0 前言

微生物肥料是指一類含有活性微生物的特定制品劑，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中能獲得特定的肥料效應(yīng)[1]。在這種效應(yīng)的產(chǎn)生過程中，具有活性的微生物發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

微生物肥料施入土壤后，利用微生物的生命活動，將空氣、土壤中的惰性元素轉(zhuǎn)化為作物可直接吸收的離子態(tài)元素；將土壤中難溶的無機(jī)物活化變成可溶性的無機(jī)物，以增加土壤中有效氮、磷、鉀的含量，同時將作物不能從土壤中直接利用的物質(zhì)轉(zhuǎn)化成可被吸收利用的物質(zhì)，制造和協(xié)助農(nóng)作物吸收營養(yǎng)，改善作物營養(yǎng)條件，抑制病原菌的活動，增強(qiáng)作物抗病和抗旱能力。在微生物的活動中，可使土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化形成腐殖質(zhì)，形成新的土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力，改善土壤理化性狀，增強(qiáng)土壤保肥、保水能力，進(jìn)而提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。

生物有機(jī)肥質(zhì)量的優(yōu)劣主要取決于菌種以及生物肥料中有益微生物的活菌數(shù)和作用強(qiáng)度[1]。我國地域廣闊，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基礎(chǔ)差，多種地理與自然、生態(tài)環(huán)境差異較大，多數(shù)地區(qū)受干旱、土壤理化性狀等因素的影響，微生物肥料在施入土壤后導(dǎo)致生物菌群減少，效果不明顯，所以選育抗不良環(huán)境且適應(yīng)性優(yōu)良、耐溫、耐干旱、耐鹽堿的菌種，保證肥料中應(yīng)有的活菌數(shù)是生物有機(jī)肥料生產(chǎn)的關(guān)鍵。

大多數(shù)含微生物有機(jī)肥是以有機(jī)物為載體，吸附微生物菌劑后再與有機(jī)、無機(jī)化肥混合而成的產(chǎn)品。常用微生物菌株不耐高溫和鹽堿，一般生長溫度在20～40 ℃，溫度達(dá)到60 ℃以上時80%的微生物將死亡，溫度越高，微生物死亡的速度越快，且pH<6或pH>8都很難存活。因此，選育抗干旱、耐溫、耐鹽堿的有效菌株十分重要。有鑒于此，在生物有機(jī)肥的生產(chǎn)過程中加入菌劑后，載體溫度應(yīng)控制在50 ℃以下[2]。

目前，市場上銷售的微生物菌肥多為單一菌種，導(dǎo)致其功能和作用單一，若要實(shí)現(xiàn)復(fù)合功能，必須同時或分步加入不同性能的功能菌肥，使生產(chǎn)成本增加，而且各菌種之間的相互吞噬會抵消某一功能菌種的作用。由于根際有益微生物與作物間有較強(qiáng)的選擇性，對環(huán)境條件也有一定的要求，所以篩選、復(fù)配復(fù)合功能菌種并達(dá)到相互共生、共存，實(shí)現(xiàn)各類菌劑復(fù)合的系列產(chǎn)品，才能滿足不同地區(qū)不同作物的需求[3]。

自20世紀(jì)80年代以來，無機(jī)元素肥料的持續(xù)投入已造成我國多數(shù)地區(qū)土壤無機(jī)鹽的富集，如無機(jī)態(tài)氮在土壤中占全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高已達(dá)40%。

鑒于上述問題，就重點(diǎn)解決微生物菌群耐受性差、微生物菌肥菌種和功能單一、有效活菌種類少、菌肥綜合效果不佳等問題開展了試驗(yàn)研究。

1 菌種篩選與工藝設(shè)計

首先篩選出多種具有自主知識產(chǎn)權(quán)，作用機(jī)理明確，高耐受性，擁有解磷、解鉀、固氮等功能的菌株[7]并采用菌劑擴(kuò)繁系統(tǒng)進(jìn)行菌劑擴(kuò)繁、復(fù)配，然后采用牛糞、豬糞、羊糞等作為基質(zhì)進(jìn)行高溫堆肥發(fā)酵，再經(jīng)翻拋、熟化、降溫、篩分等工藝程序，制備出適用于多種不同土壤的復(fù)合微生物功能菌肥。

1.1 菌種的篩選

通過土壤微生物、糞污發(fā)酵微生物培養(yǎng)篩選各種功能菌株，經(jīng)優(yōu)選比對，最終選定了3個功能獨(dú)特、效果明顯的功能菌株，即解磷菌FL7、解鉀菌K3、固氮菌N1，其主要特性如下。

(1)解磷菌FL7

解磷菌FL7為解磷酵母菌(粉狀畢赤酵母)，解磷量達(dá)436.63 μg/mL，可在45 ℃、質(zhì)量分?jǐn)?shù)23%氯化鈉、6 mol/L銨離子、pH為9等條件下生長，是一類能夠?qū)⒅参镫y以吸收的磷轉(zhuǎn)化為可利用狀態(tài)的微生物。除了可以活化土壤中難溶性磷外，解磷菌FL7還可以通過影響植物根系分泌物的種類和數(shù)量以增加植物對周圍營養(yǎng)元素的吸收，使植物能適應(yīng)缺磷的環(huán)境。

(2)解鉀菌K3

解鉀菌K3(芽孢桿菌)解鉀量達(dá)4.10 mg/L，可在55 ℃、質(zhì)量分?jǐn)?shù)14%氯化鈉、1.2 mol/L銨離子、pH為5～9等條件下生長。

(3)固氮菌N1

所選用的固氮菌N1(圓褐固氮菌)的固氮量為0.018 1 mol/L，可在50 ℃、質(zhì)量分?jǐn)?shù)11%氯化鈉、0.8 mol/L銨離子、pH為4～10等條件下生長。

由此可見，3個菌株對高溫、高鹽濃度、高銨離子濃度、偏堿性環(huán)境等生長條件具有良好的耐受性能。

1.2 菌劑的擴(kuò)繁工藝流程

1.2.1 無菌水制備

采用無菌水設(shè)備制備無菌水，然后貯存于無菌水儲罐。

1.2.2 各種功能菌劑的制備

各種功能菌劑的主要制備流程：種子解凍發(fā)酵→搖瓶培養(yǎng)→一、二級種子罐培養(yǎng)→發(fā)酵罐發(fā)酵→發(fā)酵液儲罐貯存。各種功能菌劑制備的具體步驟如下。

(1)首先將冷凍保藏管中的菌種在恒溫箱中于35～37 ℃下活化22～26 h；然后制備培養(yǎng)基，將培養(yǎng)基用酸堿調(diào)節(jié)劑調(diào)整至菌種所需的pH范圍內(nèi)；在平板上進(jìn)行接種后，在恒溫箱中于35～37 ℃下純化22～26 h，最終得到平面菌種或菌種平面。

(2)搖瓶培養(yǎng)階段：①取一環(huán)純化后的的菌種，接入裝有20 mL種子培養(yǎng)基的250 mL三角瓶中，然后置于恒溫箱中于35～37 ℃下利用頻率180次/min搖床搖動培養(yǎng)3～5 h，然后靜置培養(yǎng)19～21 h；②將上述種子液分成5等份，接入5個盛有20 mL發(fā)酵培養(yǎng)基的250 mL三角瓶中，再次置于恒溫箱中，于35～37 ℃下用頻率180次/min搖床搖動培養(yǎng)22～26 h，然后向一級種子罐接種。搖瓶接種前，用酸堿調(diào)節(jié)劑將培養(yǎng)基調(diào)整至各菌種所需的pH范圍內(nèi)。

(3)種子罐發(fā)酵階段：由搖瓶菌種向一級種子罐的接種量控制在一級種子罐實(shí)際裝料量的5.0%，pH控制在各菌種所需的范圍內(nèi)，發(fā)酵溫度控制在25～35 ℃，總裝料量控制在種子罐容積的60%～70%，攪拌轉(zhuǎn)速控制90 r/min或180 r/min(變頻攪拌，變頻調(diào)整頻率時間為10 min)。二級種子罐的具體工藝操作和參數(shù)控制與一級種子罐大體相同。

(4)發(fā)酵罐發(fā)酵階段。發(fā)酵罐主要部件包括罐體、攪拌器、聯(lián)軸器、軸承、軸封、擋板、空氣分布器、換熱裝置、傳動裝置、消泡器、人孔試鏡、管路等。發(fā)酵罐裝液量為罐體容積的60%～75%，最佳接種量為實(shí)際裝液量的1%～5%(依據(jù)不同菌種的繁殖速度進(jìn)行合理接種)。發(fā)酵溫度控制在25～35 ℃，pH控制在各菌種所需的適宜范圍內(nèi)。攪拌轉(zhuǎn)速按100 r/min或200 r/min變頻進(jìn)行，轉(zhuǎn)速過快會對菌絲體產(chǎn)生破壞，轉(zhuǎn)速過慢易產(chǎn)生發(fā)酵泡沫，而且會因?yàn)槿芙庋醪蛔愣绊懳⑸锏纳L繁殖。發(fā)酵時間和發(fā)酵終點(diǎn)的確定通過鏡檢觀察微生物菌體的形態(tài)、密度以及芽孢形成率最終確定，一般芽孢形成率達(dá)到≥80%時即可界定發(fā)酵完成，然后導(dǎo)入發(fā)酵液儲罐備用。

1.2.3 混料

固氮菌N1、解磷菌FL7和解鉀菌K3以一定的質(zhì)量比計量后在混料機(jī)進(jìn)行混料，最終得到相應(yīng)比例的復(fù)合微生物菌劑。

1.2.4 菌劑的添加

完成復(fù)合微生物菌劑的制備之后，按質(zhì)量比1∶250 000添加于來自養(yǎng)殖場的畜禽糞便中?？紤]到該菌肥加菌工藝的需要，若直接在發(fā)酵槽內(nèi)噴淋會有菌種混合不均、局部物料發(fā)酵不理想等問題，故采用直接在混料階段加入功能菌劑至所需的比例。

1.3 微生物菌肥的發(fā)酵處理

利用發(fā)酵槽進(jìn)行微生物菌肥的發(fā)酵處理，其優(yōu)點(diǎn)是占地面積小、發(fā)酵升溫快且均勻、便于機(jī)械化作業(yè)。單槽尺寸75.0 m×(4.0～6.0) m×1.8 m，物料堆高為1.5 m，單次翻堆距離3.0～5.0 m，物料發(fā)酵時間14 d左右。每只發(fā)酵槽配置1臺槽式翻堆機(jī)、1間風(fēng)機(jī)房，分段曝氣，根據(jù)物料供氧需要控制鼓風(fēng)量。發(fā)酵槽內(nèi)設(shè)曝氣和抽氣裝置，發(fā)酵車間整體封閉，車間內(nèi)合理分布配置臭氣收集口，將發(fā)酵過程中產(chǎn)生的臭氣收集至除臭系統(tǒng)進(jìn)行處理。當(dāng)料堆溫度達(dá)到70 ℃時，用翻堆機(jī)將物料進(jìn)行翻堆，每次翻堆物料向后移動3.0～5.0 m。

1.4 出料及產(chǎn)品加工

經(jīng)過14 d左右好氧發(fā)酵形成的含有復(fù)合微生物菌群的微生物有機(jī)肥原料采用裝載機(jī)直接出料至自然腐熟場，經(jīng)自然堆放(一般150～200 m3堆成1個條形堆，堆高3～4 m，底寬4～5 m)45 d左右完成第2次自然腐熟后，用篩分機(jī)篩分，最終得到合格的復(fù)合微生物功能菌肥產(chǎn)品，其w(N+P2O5+K2O)≥5%，功能菌總數(shù)≥0.2億個/g。若需進(jìn)行造粒，則送至造粒機(jī)造粒。

2 功能菌劑的活性特征及菌肥的施用效果

2.1 功能菌劑的活性特征

采用該方法制備的復(fù)合微生物菌劑的活性組分：w(固氮菌N1)為50%，w(解磷菌FL7)為30%～35%，w(解鉀菌K3)為15%～20%。經(jīng)檢驗(yàn)，每個菌種在該復(fù)合菌劑中的有效活菌數(shù)為：固氮菌N1總菌落數(shù)>20億個/g，解磷菌FL7總菌落數(shù)>2億個/g，解鉀菌K3總菌落數(shù)>25億個/g，菌體總量>47億個/g。按質(zhì)量比1∶250 000向畜禽糞便中添加后得到的復(fù)合微生物功能菌肥的菌體總量>0.2億個/g，達(dá)到或超過國家標(biāo)準(zhǔn)《生物有機(jī)肥》(NY 884—2012)規(guī)定的要求。

研發(fā)成功的解磷、解鉀、固氮復(fù)合微生物功能菌肥主要適合各種糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物、果樹等，特別適合各種瓜菜等經(jīng)濟(jì)作物。因其含有特殊的功能菌群，能在改善土壤微生物環(huán)境的同時，殺滅各種致病菌(如真菌、細(xì)菌等)，減少作物的發(fā)病率，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)。

2.2 應(yīng)用效果

2.2.1 在黃瓜上的應(yīng)用效果

2016年在玉田縣玉田鎮(zhèn)梁各莊村進(jìn)行黃瓜施用復(fù)合微生物功能菌肥試驗(yàn)，復(fù)合微生物功能菌肥施用量2 250 kg/hm2，中期不追肥；對照施用復(fù)合肥(N- P2O5- K2O為15- 15- 15)1 200 kg/hm2，中期追肥2次，每次追施尿素225 kg/hm2。

生長期觀察：對照處理生長正常；施用復(fù)合微生物功能菌肥的處理出苗整齊健壯，莖蔓粗壯，葉片肥厚，座果率高，無病蟲害，瓜條直，瓜形和口感好。

產(chǎn)量比較：施復(fù)合微生物功能菌肥的黃瓜產(chǎn)量100 770 kg/hm2，比對照處理(79 470 kg/hm2)增產(chǎn)21 300 kg/hm2，增產(chǎn)率達(dá)到26.8%。

病害調(diào)查：施用復(fù)合微生物功能菌肥的處理病株率極低，僅0.62%，并且沒有重病株，病株率比對照處理減少7.88%，這也是增產(chǎn)的原因之一。

2.2.2 在棉花上的應(yīng)用效果

2016年在玉田縣陳家鋪鄉(xiāng)進(jìn)行棉花施用復(fù)合微生物功能菌肥試驗(yàn)，復(fù)合微生物功能菌肥施用量2 250 kg/hm2，蕾期追施尿素225 kg/hm2；對照施用復(fù)合肥(N- P2O5- K2O為15- 15- 15)900 kg/hm2，蕾期追施尿素225 kg/hm2。

生長期觀察：對照處理生長正常；施用復(fù)合微生物功能菌肥的處理出苗整齊健壯，植株穩(wěn)健，葉片濃綠，單株結(jié)鈴數(shù)和單鈴質(zhì)量都有增加。

產(chǎn)量比較：施用復(fù)合微生物功能菌肥的棉花產(chǎn)量9 135 kg/hm2，比對照處理(7 695 kg/hm2)增產(chǎn)1 440 kg/hm2，增產(chǎn)率18.7%。

2.2.3 對玉米產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

2017年在玉田縣亮甲店鎮(zhèn)孔五官屯村進(jìn)行了玉米施用復(fù)合微生物功能菌肥的試驗(yàn)，復(fù)合微生物功能菌肥施用量2 250 kg/hm2；對照施用N、P2O5、K2O的量分別為300、150、240 kg/hm2；全部肥料的2/3作為底肥施入，剩余的1/3作為追肥在大喇叭口期穴施。田間管理、澆水等按常規(guī)進(jìn)行，不同處理對玉米產(chǎn)量和品質(zhì)的影響如表1所示。

表1 不同處理對玉米產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

處理百粒重/g百粒重增幅/%產(chǎn)量/(kg·hm-2)增產(chǎn)率/%w(賴氨酸)/%賴氨酸增幅/%w(蛋白質(zhì))/%蛋白質(zhì)增幅/%w(脂肪)/%脂肪增幅/%對照28.646 1200.42510.584.31試驗(yàn)組31.7210.756 93613.330.4638.9411.498.604.9715.31

由表1可以看出，施用復(fù)合微生物功能菌肥的處理雖然減少了N、P2O5和K2O的用量，但產(chǎn)量提高了13.33%，同時玉米的品質(zhì)也有較大程度的提高，特別是賴氨酸含量增加了8.94%，蛋白質(zhì)和脂肪的含量也有不同程度的提高，對主要用于飼料的高賴氨酸玉米有重要的品質(zhì)提高作用。

2.2.4 在大白菜上的應(yīng)用效果

2017年在河北省玉田縣亮甲店鎮(zhèn)何莊子村進(jìn)行了大白菜施用復(fù)合微生物功能菌肥的試驗(yàn)，底施復(fù)合微生物功能菌肥2 250 kg/hm2；對照處理底施枯草芽孢桿菌微生物菌劑(有效活菌數(shù)≥5.0億個/g)30 kg/hm2、有機(jī)肥2 250 kg/hm2。

生長期觀察：施用復(fù)合微生物功能菌肥的處理出苗整齊健壯，長勢較好；對照處理生長正常。

產(chǎn)量比較：施復(fù)合微生物功能菌肥的大白菜產(chǎn)量97 680 kg/hm2，比對照處理(91 920 kg/hm2)增產(chǎn)5 760 kg/hm2，增產(chǎn)率達(dá)到6.27%。

2.2.5 在沙白瓜上的應(yīng)用效果

2017年在河北省樂亭縣新寨鎮(zhèn)后蘭坨村進(jìn)行了暖棚沙白瓜施用復(fù)合微生物功能菌肥的試驗(yàn)，在面積、水源、土質(zhì)、管理技術(shù)和栽瓜時間一致，僅施肥不同的情況下，每棚施用復(fù)合微生物功能菌肥300 kg，對照每棚施用抗重茬微生物菌劑2 kg、有機(jī)肥300 kg、水溶菌肥5 kg，2個處理在投入上基本相當(dāng)。

試驗(yàn)結(jié)果表明：對照處理的瓜秧長勢參差不齊，連續(xù)2次提苗，不但增大了投入，而且延誤了農(nóng)時，使反季節(jié)栽培的沙白瓜失去了反季節(jié)優(yōu)勢，產(chǎn)品晚上市15～20 d；施用復(fù)合微生物功能菌肥的處理比對照處理多收入超過3 000元/棚，經(jīng)濟(jì)效益比對照處理增加了80%以上。

眾多試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合微生物功能菌肥在糧食作物上的施用量在1 500～2 250 kg/hm2，棉花等

經(jīng)濟(jì)作物的施用量在2 250～3 000 kg/hm2，瓜菜等經(jīng)濟(jì)作物的施用量在2 250～4 500 kg/hm2，果樹等經(jīng)濟(jì)林木的施用量在7 500～9 000 kg/hm2，均有明顯的增產(chǎn)效果。

3 結(jié)語

通過試驗(yàn)研究與生產(chǎn)應(yīng)用證明，研發(fā)的復(fù)合微生物功能菌肥具有以下作用效果及特點(diǎn)。

(1)改善作物根際微生態(tài)環(huán)境

通過微生物生命活動中的合成或分解作用，能改善由于長期施用化學(xué)肥料帶來的土壤板結(jié)、理化性狀差的狀況，使作物根際土壤保墑、保肥，通透性良好，作物根系發(fā)達(dá)，耐旱能力增強(qiáng)[5]。同時，由于在作物根際形成有益優(yōu)勢菌落群體，能拮抗相對弱勢的致病菌種群，消滅或削弱病原菌，從而減輕或避免作物發(fā)病。

(2)在提高作物品質(zhì)上優(yōu)勢明顯

該產(chǎn)品具有平衡營養(yǎng)供給關(guān)系的作用，不僅可以改善農(nóng)產(chǎn)品的外觀品質(zhì)、提高耐貯運(yùn)性能，而且可以提高農(nóng)產(chǎn)品口感、增加干物質(zhì)的積累。

(3)改善土壤的質(zhì)量

通過產(chǎn)品中特定微生物種群的固氮、解磷、解鉀等功能和微生物對作物根系的促生作用，不僅可以增進(jìn)作物對養(yǎng)分的吸收，而且微生物種群的生命活動可以形成大量的腐殖質(zhì)，改善土壤理化性狀，避免化肥在土壤中的大量固定和流失，從而提高肥效。此外，由于微生物的分解、合成(如固氮等)作用[6]，可以提高原生土壤對根際的供肥量，減少化肥用量，從而實(shí)現(xiàn)增效節(jié)能。

(4)生產(chǎn)成本低

與化學(xué)肥料相比，復(fù)合微生物功能菌肥生產(chǎn)時耗能少、生產(chǎn)成本低，并且由于微生物肥料的使用可提高化肥利用率30%～50%，從而降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。

(5)改善環(huán)境

復(fù)合微生物功能菌肥的主要原料為畜禽糞便等農(nóng)業(yè)廢棄物，通過微生物發(fā)酵制成微生物有機(jī)肥料，實(shí)現(xiàn)廢物利用。同時，通過微生物肥料的分解、合成作用，減少空氣中硫化氫、二氧化氮?dú)怏w等有毒物質(zhì)含量，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖場的除臭處理，降解或轉(zhuǎn)化土壤中重金屬離子、硝酸鹽等其他有害物質(zhì)。

綜上所述，利用微生物技術(shù)生產(chǎn)高效優(yōu)質(zhì)的功能性微生物肥料是發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)、有機(jī)農(nóng)業(yè)的需要，符合農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求。