微生物菌劑在蔬菜基質研發與應用上的研究進展

束勝 蔡忠 朱忠貴 郭世榮

摘 要：綜述了在固體有機廢棄物基質發酵過程中，添加微生物菌劑對堆體溫度、pH值、養分含量和C/N等關鍵腐熟指標的影響，分析了微生物菌劑在蔬菜基質育苗和栽培上的應用效果及其作用機制，并展望了微生物菌劑在未來基質研發上的應用前景，以期為含有微生物菌劑的功能型蔬菜基質開發提供新的思路。

關鍵詞：微生物菌劑；基質；發酵指標；育苗；栽培；前景

中圖分類號：S476.1 文獻標識碼：A 文章編號：1001-3547（2016）14-0036-05

我國農業、食品、制藥、乙醇提取等行業每年產生數量巨大的秸稈、菇渣、醋渣、酒渣、藥渣、木薯渣等固體有機廢棄物，其利用率不高，大多數都作為垃圾處理，不僅污染環境且造成資源浪費。近年來，將這些固體有機廢棄物通過堆肥發酵腐熟后進行無土栽培基質的生產，用于基質育苗、栽培等。而常規發酵主要采用自然堆積發酵的方法，不僅堆制時間長、效率低、腐熟不均勻，且養分大量流失。

微生物菌劑是一類經過生產擴繁后，制成溶液、粉狀、固體的活性制劑，它含有大量的有益活菌物質及多種天然發酵活性物質[1]。按其含有的微生物種類分為固氮菌菌劑、光合細菌菌劑、促生菌劑、細菌菌劑、真菌菌劑、放線菌菌劑等；按其含有的微生物種類可分為單一微生物菌劑、復混微生物菌劑。研究表明，在有機廢棄物發酵過程中加入微生物菌劑，可促進堆體快速升溫和腐殖化過程，加快物料C/N下降的速率，大大縮短腐熟時間，提高基質發酵效率和質量[2，3]。在含有微生物菌劑的基質中進行蔬菜育苗或栽培，能夠在根際繁殖形成有利于作物生長的微生物優勢菌群，提高蔬菜作物對基質養分的有效吸收，增強土傳病害抗性。

1 微生物菌劑對基質發酵關鍵指標的影響

1.1 溫度

溫度高低反映基質發酵腐熟的快慢。基質發酵溫度不僅與有機物料的特性有關，還與物料中微生物的活動有關。研究表明，添加滿園春和金寶貝2種菌劑均能快速促進稻殼堆料的升溫，其中，滿園春菌劑可使堆體中45℃以上高溫持續時間達6 d左右，且營養釋放量最高[4]。在雞糞堆肥中接種微生物菌劑，可以使堆肥發酵初期溫度明顯提高5～14℃，達到55℃以上的高溫提早5～10 d，且堆肥腐熟提早5 d以上[5]。在橄欖油廢渣、污泥和家禽糞便堆肥中接種變色栓菌后，3周后堆體溫度即達到53℃，并在第5周達到最高溫度71℃，且在5～13周一直維持在65～71℃，顯著優于未接種微生物的堆體[6]。將纖維素分解復合菌劑和枯草芽孢桿菌復合菌劑接種到玉米秸稈堆體中，堆體前期發酵升溫速度顯著加快，升至55℃比對照縮短10～12 d，且在整個發酵過程中，微生物菌劑使堆體溫度保持在60℃以上的時間最長[7]。在枸杞枝條中接種粗纖維復合益菌、鋸末專用復合菌和纖維素類復合酶后，堆體升溫速度明顯加快，且高溫持續時間較長，與未接種的對照相比，高于55℃的天數分別達9、5、5 d[8]。煙草廢棄物高溫堆肥腐熟體系中，在添加合適比例豬糞的基礎上加入微生物菌劑，使高溫分解階段的時間縮短了5 d，而高溫持續時間延長，加快了煙草廢棄物堆肥腐熟進程[9]。在初始堆肥條件相同的情況下，接種微生物菌劑可使有機廢棄物堆肥發酵起溫加快，達到理想溫度50～65℃只需1～2 d[10]。

1.2 pH值

酸堿度（pH值）指標變化可反映基質堆體的發酵程度，適宜的pH值是微生物發揮有效作用的關鍵[11]。在發酵過程中，使微生物保持較高活性的pH值范圍是6.7～9.0。不同的基質原料發酵結束后pH值的變化趨勢不盡相同，這主要與物料的性質和不同成分間的配比有一定的關系。在含有豬糞的堆體中，通過添加復合微生物菌劑對基質發酵初期pH值影響不大，而在中期pH值呈下降趨勢，且接種微生物菌劑處理組的下降幅度快于對照組，發酵完全后最終呈酸性 [12]。而以枸杞枝條為材料進行發酵試驗，發現堆體pH值呈先升后降的趨勢，發酵 40 d后堆體pH 值升高，而添加微生物菌劑對堆體pH 值提高的幅度更為明顯，這與微生物菌劑調節堆體發酵中有機酸大量分解和有機氮礦化有關[8]。復合菌劑的添加直接為堆體帶進了大量外源微生物，在微生物的作用下，大量的有機酸被分解、中和，從而使堆體pH值不斷升高[13]。在園林綠化廢棄物堆肥化處理過程中，加入有機廢物發酵菌曲，發現堆體中pH 值隨時間變化呈先升后降再升的趨勢，完全腐熟后pH 值超過8.0，可能與廢棄物中的氮被分解有關[14]。而在以菇渣為發酵主料的堆體中添加發酵菌曲，其pH 值呈先降后升再降的趨勢，微生物菌劑可使堆體pH 值較早地達到7.5，并將較長時間保持在7.5～8.5[15]。在玉米秸稈中接種纖維素菌和降解淀粉芽孢桿菌，使堆體pH值在整個發酵過程中升高和降低所需的時間縮短，且腐熟后基質pH 值穩定在 8.1左右[7]。通過添加粗纖維降解菌和EM發酵菌到玉米芯和菇渣混合物中，經發酵后的基質比對照組的pH 值要低，且基質固持作用能力明顯改善，從而提高了基質質量[16]。

1.3 養分含量

研究表明，接種微生物菌劑可使稻殼發酵過程中的全氮含量先下降后上升，而速效氮含量先上升后下降，全磷、速效磷、全鉀、速效鉀含量均呈上升趨勢，且發酵結束后營養元素含量高于未接種的對照組，說明接種外源微生物可以加速稻殼發酵過程中的速效營養釋放[4]。在玉米秸稈發酵過程中，發酵中期的速效氮含量高于發酵末期，發酵末期各處理的速效磷、速效鉀含量均高于發酵中期，添加EM發酵菌可有效提高有機廢棄物發酵速度和速效氮、磷、鉀的含量[17]。雙孢蘑菇土堆肥發酵效果研究表明，添加發酵菌曲使得 E4/E6 值低于無菌劑處理，表明添加菌劑能促進腐殖質的縮合和芳構化，并可提高堆體中NH4+-N和P、K含量[15]。在以落葉為主的園林綠化廢棄物堆肥中加入發酵菌曲，可促進廢棄物中大量元素和有機質轉化為堆肥中的養分，從而減少養分損失[14]。田赟等[18]研究發現，發酵菌曲可加速園林廢棄物堆體中氮素的損失，但增加了P、K、Fe 和 S 含量。添加微生物菌劑可以顯著增加煙草廢棄物堆肥產品的N、P和K 含量，降低堆肥容重，提高堆肥總孔隙度和持水孔隙度，改善了堆肥產品質量[9]。在以牛糞和玉米秸稈為堆肥原料中，添加微生物菌劑促進了NH4+-N向NO3--N的轉化，減少了總氮的損失，同時提高了全磷和全鉀的含量，提高了基質堆肥質量[19]。在以雞糞和稻草為主要原料的堆體中，添加酵素菌可使氨揮發時間縮短 6 d，并減少NH4+-N的產生與揮發，起到保氮除臭的效果 [20]。益生菌處理可有效加速玉米秸稈的發酵腐熟效果，并且增加堆體中蛋白質、有機酸、粗纖維的含量以及有益菌的數量[21]。由此可以表明，接種微生物菌劑對加快基質發酵進程和提高產品質量具有重要作用。

1.4 C/N

碳氮比（C/N）是影響基質發酵進程和質量的重要因素，碳是微生物利用的能量來源，氮是控制生物合成的主要因素，也是堆體腐熟度的重要指標，堆肥過程的理想碳氮比為15～25[22]。煙草廢棄物堆肥前初始C/N為37左右，添加物生物菌劑較自然發酵提前使堆體C/N達到20以下，并且達到腐熟標準[9]。接種粗纖維降解菌和纖維素類酶制劑可以顯著加快苦參堆體總有機碳和碳氮比的降低，且降解速度均快于不接種的對照組，這主要是由于堆體中微生物活性的增強，導致堆料中的有機碳不斷分解為CO2，揮發損失相應增加[8]。而在以蔬菜廢棄物的堆體中添加微生物菌劑，前3 d內堆體中C/N 呈快速下降的趨勢，之后直至堆肥結束表現出非常緩慢的下降趨勢，但總體上與不接種堆體中的C/N差異不顯著[23]。在園林廢棄物堆肥中添加有機廢物發酵菌曲，可使堆體C/N從最初的35～40降到18～20的時間大大縮短，且使堆體達到的腐熟、穩定狀態優于對照組[14]。復合微生物菌劑促進玉米秸稈堆體中碳水化合物大量的消耗和全氮含量的增加，導致堆體C/N逐漸下降，在33 d時復合菌劑處理的堆體C/N在22左右，相比于對照組的43，基質堆體較早地達到了穩定和腐熟狀態[24]。以新鮮豬糞和稻殼粉為研究堆體，發酵初期原始堆料中C/N 不足15，明顯低于理想范圍，在堆體中添加微生物菌劑，隨著時間的變化，C/N 呈增大的趨勢，一次發酵后期C/N為22左右，與理論碳氮比下降相反，這可能是氮在堆肥過程中揮發損失導致的[10]。

2 微生物菌劑在蔬菜基質上的應用

2.1 在蔬菜育苗基質上的應用

在育苗基質中，微生物不僅參與植物的生長與代謝，還參與基質中各種物質的轉化過程，并能降低有害物質含量，維持基質適宜的理化性狀。同時，微生物又是基質中物質間生理生化過程的主要調節者[25]。基質微生物種群中，細菌數量最多，可分解動植物殘體，進行固氮，為植物提供氮素營養，穩定根系微生態環境[26]。

①活性基質配方研發、培育壯苗 在篩選出適合黃瓜育苗基質配比（草炭∶腐熟羊糞∶蛭石=6∶3∶1）的基礎上，通過添加一定量的微生物菌劑進行黃瓜育苗，不僅可以有效地提高黃瓜秧苗質量，培育壯苗，還可以減少商品育苗基質草炭的用量，從而降低育苗成本，提高黃瓜穴盤育苗的經濟效益[27]。以黃瓜和生菜為供試作物進行適用育苗基質的篩選研究中，陶粒和草炭基質配比為4：1時，非常適合叢枝菌根真菌的侵染，并且添加菌根的育苗基質可有效促進黃瓜和生菜幼苗的生長[28]。在草炭和蛭石為1∶1的配比基質中，添加25 kg/m3菌肥，育出的辣椒和番茄幼苗壯苗指數較高，且株高、莖粗、莖葉干、鮮質量和根干質量均較大，且秧苗質量最好[29]。

②抗病促生長 研究表明，在商品育苗基質中（配方為等體積草炭和醋糟）添加微生物菌劑，能夠提高黃瓜葉綠素含量，促進幼苗生長，并可顯著提高根圍和根際放線菌數量，降低真菌數量，有效抑制病原菌，從而降低枯萎病的發病率[30，31]。將從辣椒根際篩選出的優勢菌株（NJAU-G10）添加至普通育苗基質中，發現含有5% NJAU-G10 的生物活性基質，較不添加的普通基質表現出更突出的根際定殖能力，且促進辣椒幼苗的生長[26]。通過在復配基質中（醋糟∶草炭∶蛭石=6∶3∶1）添加微生物菌劑，可以促進黃瓜幼苗植株生長，并且通過提高次生代謝物質關鍵酶的活性，誘導抗病病程相關蛋白及其編碼基因的表達，進而增強黃瓜植株對枯萎病的抗性[32]。在以醋糟∶草炭為1∶1的混配基質中，添加2%微生物菌劑（BOF）進行西瓜和黃瓜育苗，可顯著促進幼苗的生長[33]。將植物根際功能促生菌菌株（SQR9）添加到蔬菜育苗基質中，制成的生物育苗基質對黃瓜和茄子均具有一定的促進生長效果，且功能菌能有效地在植株根際定殖。

2.2 在蔬菜栽培基質上的應用

微生物菌劑，由一種或多種有益微生物、培養基和添加劑配制而成，其中所含微生物的生命活動，能增加基質栽培蔬菜作物養分的供應量，促進生長，提高作物抗病性，改善農產品品質及農業生態環境[30]。研究表明，在發酵廢渣基質中接種微生物菌劑（By）顯著增加土壤酸性磷酸酶和脲酶活性，改善黃瓜植株根際周圍肥力狀況，提高了黃瓜產量、品質和經濟效益[34]。在泥炭、椰糠和珍珠巖的復配基質中，添加解淀粉芽孢桿菌，增加了空心菜干質量、鮮質量、株高、莖粗及VC、可溶性蛋白和可溶性糖含量，并可顯著降低空心菜葉片中硝酸鹽含量的積累，說明微生物菌劑明顯地促進生長和改善空心菜的品質[35]。微生物菌劑BOF可有效預防西瓜和黃瓜枯萎病的發生，降低了植株根際基質中的尖孢鐮刀菌和真菌數量，提高了根際基質中的細菌和放線菌數量，但對根圍基質中的微生物數量無顯著影響[33]。然而，高濃度的BOF則抑制了植株的生長，這可能是醋糟基質與土壤在理化性狀上的差異所造成的。在4 L的商品栽培基質中，添加創博微生物菌劑10 mL（稀釋600倍液）或爸愛我（Bio）生物有機肥30 g，對黃瓜促長防病效果較好，定植后植株的抗病能力明顯高于不添加微生物菌劑的處理組，相對防治病害效果分別達到14.5%和27.4%[31]。將10%功能菌株SQR9添加到基質中，形成具有生物活性的栽培基質，該活性基質對黃瓜植株后期生長仍具有明顯的促生效果，功能菌在黃瓜根際的定殖效果顯著優于茄子，與對照相比，對黃瓜枯萎病防控效果達到40.39%。通過在育苗基質中添加微生物菌劑（芽孢桿菌、菌根菌、叢枝菌根菌和安克菌劑），可以調節辣椒葉片的氣孔開放程度，提高光合電子傳遞效率和植株凈光合效率，優化了根圍微生物區系，促進辣椒生長[1]。

3 微生物菌劑的作用機制

3.1 改善根際礦質元素有效性，促進養分吸收

微生物菌劑形成的菌根能夠提高植物對根際礦質元素的吸收，改善植物的營養狀況，促進作物生長。基質中添加微生物菌劑后，一些有益微生物可改善基質物理性狀，提高基質酶活性，增加微生物數量和腐殖質含量，從而提高基質肥力水平[27]。植物體內各種自生、聯合或共生的固氮微生物，能夠固定空氣中的氮素，增加植物氮素營養。有許多不溶性或者有機類的養分存在于栽培基質中，如有機磷、磷酸鐵、磷酸鋁等，而這些養分難以直接被植物所吸收利用，微生物菌劑可通過分泌一些有機酸（富里酸和胡敏酸）和酶類，或通過對鈣吸附和銨的同化來分解不溶性無機磷、鉀以及有機磷，從而提高育苗或栽培基質中有效磷、鉀的含量。

3.2 調節根際次生代謝物質產生，促進植株生長

微生物菌劑作用于植物可以產生一些生長調節物質，如細胞分裂素、生長素、赤霉素、乙烯、脫落酸等植物激素。如生長素對植物生長有顯著地促進作用，刺激形成層細胞活動和新根的形成；芽孢桿菌類細菌可以產生1-羧基-1-氨基環丙烷，減少植物體內乙烯的形成，保證植物正常的生長發育。此外，一些有益根際微生物的大量繁殖，還能產生有益于作物生長的次生代謝產物，如煙酸、生物素、泛酸、VB12等以及水楊酸、核酸、酚類化合物及其衍生物類，均能使植物根際周圍有機物質含量增加，從而不同程度地調節植物生長，增加作物產量，并提高產品品質。

3.3 提高根際微生物定殖能力，增強對病蟲害抗性

微生物菌劑能夠誘導或激活有益微生物在植物根際或植物體內定殖的能力，抑制植物病原菌和根際有害微生物及促進植物生長，從而增加作物產量[36]。究其具體機制，可能存在以下幾種原因：一是營養與位點競爭，微生物菌劑通過誘導根際有益微生物的快速定殖和大量繁殖，占據較多營養和侵染位點，降低有害病原菌的定殖入侵；二是拮抗作用，即微生物能夠產生一種或者多種拮抗物質來抑制病原菌的生長或者直接殺死病原菌的作用；三是誘導系統抗性，微生物菌劑可通過誘導植物對細菌、真菌和病毒引起的病害乃至對昆蟲和線蟲為害的系統抗性，從而提高植物整體的抗病能力。

4 前景展望

我國工農業生產中每年產生數量巨大的有機固體廢棄物，通過發酵將其轉化為輕型基質，既能實現廢棄物資源化再利用，又能減輕環境污染。添加微生物菌劑可有效促進基質堆肥發酵進程和提升基質質量，并且在蔬菜基質育苗和栽培上表現出較好的效果。但目前我國微生物菌劑在基質開發和應用上的價值，還未得到充分發展，今后應從以下幾個方面加以研究。一是微生物菌劑生產條件和工藝較為落后，致使真正高活力和高效的菌株較少，應在發酵條件、工藝流程以及菌株寄主保質等方面開展深入研究；二是微生物菌劑接種于固體有機廢棄物中發酵條件仍需要進一步探索，接種量與基質生產成本、接種時間與菌種數量和活性的保持、基質生產的標準化和質量檢測等方面都需要深入研究；三是注重含有微生物的功能型基質的研發，開發出促進蔬菜作物生長、提高產量和品質且兼具抗土傳病害能力的功能型育苗或栽培基質。總之，對工農業固體有機廢棄物進行基質化堆肥利用，是實現資源的高效循環再利用和可持續發展的重要途徑，而微生物菌劑必將在我國未來基質開發和應用上，發揮重要的經濟效益和社會效益。

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