微生物菌剂在蔬菜基质研发与应用上的研究进展

束胜 蔡忠 朱忠贵 郭世荣

摘 要：综述了在固体有机废弃物基质发酵过程中，添加微生物菌剂对堆体温度、pH值、养分含量和C/N等关键腐熟指标的影响，分析了微生物菌剂在蔬菜基质育苗和栽培上的应用效果及其作用机制，并展望了微生物菌剂在未来基质研发上的应用前景，以期为含有微生物菌剂的功能型蔬菜基质开发提供新的思路。

关键词：微生物菌剂；基质；发酵指标；育苗；栽培；前景

中图分类号：S476.1 文献标识码：A 文章编号：1001-3547（2016）14-0036-05

我国农业、食品、制药、乙醇提取等行业每年产生数量巨大的秸秆、菇渣、醋渣、酒渣、药渣、木薯渣等固体有机废弃物，其利用率不高，大多数都作为垃圾处理，不仅污染环境且造成资源浪费。近年来，将这些固体有机废弃物通过堆肥发酵腐熟后进行无土栽培基质的生产，用于基质育苗、栽培等。而常规发酵主要采用自然堆积发酵的方法，不仅堆制时间长、效率低、腐熟不均匀，且养分大量流失。

微生物菌剂是一类经过生产扩繁后，制成溶液、粉状、固体的活性制剂，它含有大量的有益活菌物质及多种天然发酵活性物质[1]。按其含有的微生物种类分为固氮菌菌剂、光合细菌菌剂、促生菌剂、细菌菌剂、真菌菌剂、放线菌菌剂等；按其含有的微生物种类可分为单一微生物菌剂、复混微生物菌剂。研究表明，在有机废弃物发酵过程中加入微生物菌剂，可促进堆体快速升温和腐殖化过程，加快物料C/N下降的速率，大大缩短腐熟时间，提高基质发酵效率和质量[2，3]。在含有微生物菌剂的基质中进行蔬菜育苗或栽培，能够在根际繁殖形成有利于作物生长的微生物优势菌群，提高蔬菜作物对基质养分的有效吸收，增强土传病害抗性。

1 微生物菌剂对基质发酵关键指标的影响

1.1 温度

温度高低反映基质发酵腐熟的快慢。基质发酵温度不仅与有机物料的特性有关，还与物料中微生物的活动有关。研究表明，添加满园春和金宝贝2种菌剂均能快速促进稻壳堆料的升温，其中，满园春菌剂可使堆体中45℃以上高温持续时间达6 d左右，且营养释放量最高[4]。在鸡粪堆肥中接种微生物菌剂，可以使堆肥发酵初期温度明显提高5～14℃，达到55℃以上的高温提早5～10 d，且堆肥腐熟提早5 d以上[5]。在橄榄油废渣、污泥和家禽粪便堆肥中接种变色栓菌后，3周后堆体温度即达到53℃，并在第5周达到最高温度71℃，且在5～13周一直维持在65～71℃，显著优于未接种微生物的堆体[6]。将纤维素分解复合菌剂和枯草芽孢杆菌复合菌剂接种到玉米秸秆堆体中，堆体前期发酵升温速度显著加快，升至55℃比对照缩短10～12 d，且在整个发酵过程中，微生物菌剂使堆体温度保持在60℃以上的时间最长[7]。在枸杞枝条中接种粗纤维复合益菌、锯末专用复合菌和纤维素类复合酶后，堆体升温速度明显加快，且高温持续时间较长，与未接种的对照相比，高于55℃的天数分别达9、5、5 d[8]。烟草废弃物高温堆肥腐熟体系中，在添加合适比例猪粪的基础上加入微生物菌剂，使高温分解阶段的时间缩短了5 d，而高温持续时间延长，加快了烟草废弃物堆肥腐熟进程[9]。在初始堆肥条件相同的情况下，接种微生物菌剂可使有机废弃物堆肥发酵起温加快，达到理想温度50～65℃只需1～2 d[10]。

1.2 pH值

酸碱度（pH值）指标变化可反映基质堆体的发酵程度，适宜的pH值是微生物发挥有效作用的关键[11]。在发酵过程中，使微生物保持较高活性的pH值范围是6.7～9.0。不同的基质原料发酵结束后pH值的变化趋势不尽相同，这主要与物料的性质和不同成分间的配比有一定的关系。在含有猪粪的堆体中，通过添加复合微生物菌剂对基质发酵初期pH值影响不大，而在中期pH值呈下降趋势，且接种微生物菌剂处理组的下降幅度快于对照组，发酵完全后最终呈酸性 [12]。而以枸杞枝条为材料进行发酵试验，发现堆体pH值呈先升后降的趋势，发酵 40 d后堆体pH 值升高，而添加微生物菌剂对堆体pH 值提高的幅度更为明显，这与微生物菌剂调节堆体发酵中有机酸大量分解和有机氮矿化有关[8]。复合菌剂的添加直接为堆体带进了大量外源微生物，在微生物的作用下，大量的有机酸被分解、中和，从而使堆体pH值不断升高[13]。在园林绿化废弃物堆肥化处理过程中，加入有机废物发酵菌曲，发现堆体中pH 值随时间变化呈先升后降再升的趋势，完全腐熟后pH 值超过8.0，可能与废弃物中的氮被分解有关[14]。而在以菇渣为发酵主料的堆体中添加发酵菌曲，其pH 值呈先降后升再降的趋势，微生物菌剂可使堆体pH 值较早地达到7.5，并将较长时间保持在7.5～8.5[15]。在玉米秸秆中接种纤维素菌和降解淀粉芽孢杆菌，使堆体pH值在整个发酵过程中升高和降低所需的时间缩短，且腐熟后基质pH 值稳定在 8.1左右[7]。通过添加粗纤维降解菌和EM发酵菌到玉米芯和菇渣混合物中，经发酵后的基质比对照组的pH 值要低，且基质固持作用能力明显改善，从而提高了基质质量[16]。

1.3 养分含量

研究表明，接种微生物菌剂可使稻壳发酵过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、全钾、速效钾含量均呈上升趋势，且发酵结束后营养元素含量高于未接种的对照组，说明接种外源微生物可以加速稻壳发酵过程中的速效营养释放[4]。在玉米秸秆发酵过程中，发酵中期的速效氮含量高于发酵末期，发酵末期各处理的速效磷、速效钾含量均高于发酵中期，添加EM发酵菌可有效提高有机废弃物发酵速度和速效氮、磷、钾的含量[17]。双孢蘑菇土堆肥发酵效果研究表明，添加发酵菌曲使得 E4/E6 值低于无菌剂处理，表明添加菌剂能促进腐殖质的缩合和芳构化，并可提高堆体中NH4+-N和P、K含量[15]。在以落叶为主的园林绿化废弃物堆肥中加入发酵菌曲，可促进废弃物中大量元素和有机质转化为堆肥中的养分，从而减少养分损失[14]。田赟等[18]研究发现，发酵菌曲可加速园林废弃物堆体中氮素的损失，但增加了P、K、Fe 和 S 含量。添加微生物菌剂可以显著增加烟草废弃物堆肥产品的N、P和K 含量，降低堆肥容重，提高堆肥总孔隙度和持水孔隙度，改善了堆肥产品质量[9]。在以牛粪和玉米秸秆为堆肥原料中，添加微生物菌剂促进了NH4+-N向NO3--N的转化，减少了总氮的损失，同时提高了全磷和全钾的含量，提高了基质堆肥质量[19]。在以鸡粪和稻草为主要原料的堆体中，添加酵素菌可使氨挥发时间缩短 6 d，并减少NH4+-N的产生与挥发，起到保氮除臭的效果 [20]。益生菌处理可有效加速玉米秸秆的发酵腐熟效果，并且增加堆体中蛋白质、有机酸、粗纤维的含量以及有益菌的数量[21]。由此可以表明，接种微生物菌剂对加快基质发酵进程和提高产品质量具有重要作用。

1.4 C/N

碳氮比（C/N）是影响基质发酵进程和质量的重要因素，碳是微生物利用的能量来源，氮是控制生物合成的主要因素，也是堆体腐熟度的重要指标，堆肥过程的理想碳氮比为15～25[22]。烟草废弃物堆肥前初始C/N为37左右，添加物生物菌剂较自然发酵提前使堆体C/N达到20以下，并且达到腐熟标准[9]。接种粗纤维降解菌和纤维素类酶制剂可以显著加快苦参堆体总有机碳和碳氮比的降低，且降解速度均快于不接种的对照组，这主要是由于堆体中微生物活性的增强，导致堆料中的有机碳不断分解为CO2，挥发损失相应增加[8]。而在以蔬菜废弃物的堆体中添加微生物菌剂，前3 d内堆体中C/N 呈快速下降的趋势，之后直至堆肥结束表现出非常缓慢的下降趋势，但总体上与不接种堆体中的C/N差异不显著[23]。在园林废弃物堆肥中添加有机废物发酵菌曲，可使堆体C/N从最初的35～40降到18～20的时间大大缩短，且使堆体达到的腐熟、稳定状态优于对照组[14]。复合微生物菌剂促进玉米秸秆堆体中碳水化合物大量的消耗和全氮含量的增加，导致堆体C/N逐渐下降，在33 d时复合菌剂处理的堆体C/N在22左右，相比于对照组的43，基质堆体较早地达到了稳定和腐熟状态[24]。以新鲜猪粪和稻壳粉为研究堆体，发酵初期原始堆料中C/N 不足15，明显低于理想范围，在堆体中添加微生物菌剂，随着时间的变化，C/N 呈增大的趋势，一次发酵后期C/N为22左右，与理论碳氮比下降相反，这可能是氮在堆肥过程中挥发损失导致的[10]。

2 微生物菌剂在蔬菜基质上的应用

2.1 在蔬菜育苗基质上的应用

在育苗基质中，微生物不仅参与植物的生长与代谢，还参与基质中各种物质的转化过程，并能降低有害物质含量，维持基质适宜的理化性状。同时，微生物又是基质中物质间生理生化过程的主要调节者[25]。基质微生物种群中，细菌数量最多，可分解动植物残体，进行固氮，为植物提供氮素营养，稳定根系微生态环境[26]。

①活性基质配方研发、培育壮苗 在筛选出适合黄瓜育苗基质配比（草炭∶腐熟羊粪∶蛭石=6∶3∶1）的基础上，通过添加一定量的微生物菌剂进行黄瓜育苗，不仅可以有效地提高黄瓜秧苗质量，培育壮苗，还可以减少商品育苗基质草炭的用量，从而降低育苗成本，提高黄瓜穴盘育苗的经济效益[27]。以黄瓜和生菜为供试作物进行适用育苗基质的筛选研究中，陶粒和草炭基质配比为4：1时，非常适合丛枝菌根真菌的侵染，并且添加菌根的育苗基质可有效促进黄瓜和生菜幼苗的生长[28]。在草炭和蛭石为1∶1的配比基质中，添加25 kg/m3菌肥，育出的辣椒和番茄幼苗壮苗指数较高，且株高、茎粗、茎叶干、鲜质量和根干质量均较大，且秧苗质量最好[29]。

②抗病促生长 研究表明，在商品育苗基质中（配方为等体积草炭和醋糟）添加微生物菌剂，能够提高黄瓜叶绿素含量，促进幼苗生长，并可显著提高根围和根际放线菌数量，降低真菌数量，有效抑制病原菌，从而降低枯萎病的发病率[30，31]。将从辣椒根际筛选出的优势菌株（NJAU-G10）添加至普通育苗基质中，发现含有5% NJAU-G10 的生物活性基质，较不添加的普通基质表现出更突出的根际定殖能力，且促进辣椒幼苗的生长[26]。通过在复配基质中（醋糟∶草炭∶蛭石=6∶3∶1）添加微生物菌剂，可以促进黄瓜幼苗植株生长，并且通过提高次生代谢物质关键酶的活性，诱导抗病病程相关蛋白及其编码基因的表达，进而增强黄瓜植株对枯萎病的抗性[32]。在以醋糟∶草炭为1∶1的混配基质中，添加2%微生物菌剂（BOF）进行西瓜和黄瓜育苗，可显著促进幼苗的生长[33]。将植物根际功能促生菌菌株（SQR9）添加到蔬菜育苗基质中，制成的生物育苗基质对黄瓜和茄子均具有一定的促进生长效果，且功能菌能有效地在植株根际定殖。

2.2 在蔬菜栽培基质上的应用

微生物菌剂，由一种或多种有益微生物、培养基和添加剂配制而成，其中所含微生物的生命活动，能增加基质栽培蔬菜作物养分的供应量，促进生长，提高作物抗病性，改善农产品品质及农业生态环境[30]。研究表明，在发酵废渣基质中接种微生物菌剂（By）显著增加土壤酸性磷酸酶和脲酶活性，改善黄瓜植株根际周围肥力状况，提高了黄瓜产量、品质和经济效益[34]。在泥炭、椰糠和珍珠岩的复配基质中，添加解淀粉芽孢杆菌，增加了空心菜干质量、鲜质量、株高、茎粗及VC、可溶性蛋白和可溶性糖含量，并可显著降低空心菜叶片中硝酸盐含量的积累，说明微生物菌剂明显地促进生长和改善空心菜的品质[35]。微生物菌剂BOF可有效预防西瓜和黄瓜枯萎病的发生，降低了植株根际基质中的尖孢镰刀菌和真菌数量，提高了根际基质中的细菌和放线菌数量，但对根围基质中的微生物数量无显著影响[33]。然而，高浓度的BOF则抑制了植株的生长，这可能是醋糟基质与土壤在理化性状上的差异所造成的。在4 L的商品栽培基质中，添加创博微生物菌剂10 mL（稀释600倍液）或爸爱我（Bio）生物有机肥30 g，对黄瓜促长防病效果较好，定植后植株的抗病能力明显高于不添加微生物菌剂的处理组，相对防治病害效果分别达到14.5%和27.4%[31]。将10%功能菌株SQR9添加到基质中，形成具有生物活性的栽培基质，该活性基质对黄瓜植株后期生长仍具有明显的促生效果，功能菌在黄瓜根际的定殖效果显著优于茄子，与对照相比，对黄瓜枯萎病防控效果达到40.39%。通过在育苗基质中添加微生物菌剂（芽孢杆菌、菌根菌、丛枝菌根菌和安克菌剂），可以调节辣椒叶片的气孔开放程度，提高光合电子传递效率和植株净光合效率，优化了根围微生物区系，促进辣椒生长[1]。

3 微生物菌剂的作用机制

3.1 改善根际矿质元素有效性，促进养分吸收

微生物菌剂形成的菌根能够提高植物对根际矿质元素的吸收，改善植物的营养状况，促进作物生长。基质中添加微生物菌剂后，一些有益微生物可改善基质物理性状，提高基质酶活性，增加微生物数量和腐殖质含量，从而提高基质肥力水平[27]。植物体内各种自生、联合或共生的固氮微生物，能够固定空气中的氮素，增加植物氮素营养。有许多不溶性或者有机类的养分存在于栽培基质中，如有机磷、磷酸铁、磷酸铝等，而这些养分难以直接被植物所吸收利用，微生物菌剂可通过分泌一些有机酸（富里酸和胡敏酸）和酶类，或通过对钙吸附和铵的同化来分解不溶性无机磷、钾以及有机磷，从而提高育苗或栽培基质中有效磷、钾的含量。

3.2 调节根际次生代谢物质产生，促进植株生长

微生物菌剂作用于植物可以产生一些生长调节物质，如细胞分裂素、生长素、赤霉素、乙烯、脱落酸等植物激素。如生长素对植物生长有显著地促进作用，刺激形成层细胞活动和新根的形成；芽孢杆菌类细菌可以产生1-羧基-1-氨基环丙烷，减少植物体内乙烯的形成，保证植物正常的生长发育。此外，一些有益根际微生物的大量繁殖，还能产生有益于作物生长的次生代谢产物，如烟酸、生物素、泛酸、VB12等以及水杨酸、核酸、酚类化合物及其衍生物类，均能使植物根际周围有机物质含量增加，从而不同程度地调节植物生长，增加作物产量，并提高产品品质。

3.3 提高根际微生物定殖能力，增强对病虫害抗性

微生物菌剂能够诱导或激活有益微生物在植物根际或植物体内定殖的能力，抑制植物病原菌和根际有害微生物及促进植物生长，从而增加作物产量[36]。究其具体机制，可能存在以下几种原因：一是营养与位点竞争，微生物菌剂通过诱导根际有益微生物的快速定殖和大量繁殖，占据较多营养和侵染位点，降低有害病原菌的定殖入侵；二是拮抗作用，即微生物能够产生一种或者多种拮抗物质来抑制病原菌的生长或者直接杀死病原菌的作用；三是诱导系统抗性，微生物菌剂可通过诱导植物对细菌、真菌和病毒引起的病害乃至对昆虫和线虫为害的系统抗性，从而提高植物整体的抗病能力。

4 前景展望

我国工农业生产中每年产生数量巨大的有机固体废弃物，通过发酵将其转化为轻型基质，既能实现废弃物资源化再利用，又能减轻环境污染。添加微生物菌剂可有效促进基质堆肥发酵进程和提升基质质量，并且在蔬菜基质育苗和栽培上表现出较好的效果。但目前我国微生物菌剂在基质开发和应用上的价值，还未得到充分发展，今后应从以下几个方面加以研究。一是微生物菌剂生产条件和工艺较为落后，致使真正高活力和高效的菌株较少，应在发酵条件、工艺流程以及菌株寄主保质等方面开展深入研究；二是微生物菌剂接种于固体有机废弃物中发酵条件仍需要进一步探索，接种量与基质生产成本、接种时间与菌种数量和活性的保持、基质生产的标准化和质量检测等方面都需要深入研究；三是注重含有微生物的功能型基质的研发，开发出促进蔬菜作物生长、提高产量和品质且兼具抗土传病害能力的功能型育苗或栽培基质。总之，对工农业固体有机废弃物进行基质化堆肥利用，是实现资源的高效循环再利用和可持续发展的重要途径，而微生物菌剂必将在我国未来基质开发和应用上，发挥重要的经济效益和社会效益。

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