国外堆肥茶发展现状及对中国设施农业的启示

刘霓红，熊 征，蒋先平，程俊峰，李惠玲，魏楚伟

（1.广东省现代农业装备研究所，广东 广州 510640；2.广东弘科农业机械研究开发有限公司，广东 广州 510530）

0 引言

近年来，中国设施蔬菜发展迅速，其产量占到蔬菜总产量的34%以上，为蔬菜周年均衡供应提供了重要保障。但是由于设施蔬菜周年生产，产量高，化肥施用量大，偏施氮肥等现象严重，导致设施农业土壤板结、次生盐渍化、酸化、养分失衡等问题突出[1]，需要创新种植方式、科学施肥、合理轮作、加强田间管理等设施农业土壤改良对策研究[2]。农业农村部印发《开展果菜茶有机肥替代化肥行动方案》要求，以果菜茶生产为重点，实施有机肥替代化肥政策方针。因此，加强设施蔬菜开展有机肥替代化肥的应用关键技术研究，对中国农业绿色发展有着重要的意义[3-5]。本文将介绍国外堆肥茶发展现状及对中国设施农业的启示。

1 堆肥茶的定义、成分及其功能作用

堆肥茶（Compost tea），是将堆制腐熟后有机物再经发酵浸提后所获得的一种液肥肥料。它就像一袋茶叶在热水中浸泡出富含有机物质的营养液体[6]，如图1所示。研究发现，这种有机物质的营养液体中不仅含有作物生长所需的元素而且还含有一些有益的微生物及次生代谢产物，比如：螯合铁、类激素、抗生素以及腐殖酸等物质[7]。灌溉施用堆肥茶可以改善土壤理化性质、保水性、排水性、pH、保持良好的土壤微生物环境，还可以减少农药和化肥对生态系统的负面影响，而且用堆肥茶灌溉可以促进养分矿化，促进植物固氮以及促进植物产生激素等。大量的文献业已证明，堆肥茶在秋葵[8]、草莓[9]、番茄[10]、草药[11]、橙子[12]、甘蓝[13]、豇豆[14]、小白菜[15]、莴苣、大豆和甜玉米[16]种植等方面具有优势。堆肥茶的功能作用主要集中在两个方面：一是能促生长和防病[8-10]；二是提高农产品的口感、风味和营养价值[17]。

图1 堆肥茶生产示意图Fig.1 Bio-organic fertilizer production

2 国外堆肥茶的制备工艺及装备现状

国外对堆肥茶的研究利用始于20世纪60年代，目前已经形成了较成熟的产品制备和应用推广技术。总结国外堆肥茶的制备工艺主要有2种[18]：一种是充气式堆肥茶，它是将腐熟的有机肥与水按照一定的比例混合，在间断性搅拌或通氧气的条件下浸提数小时或数天后过滤而成，其特点是提取时间短，但需要消耗能源；另一种则是非充气式厌氧堆肥茶，它是将腐熟的有机肥料加入到一定比例的水中浸提数周过滤而成，中间无需搅拌或者通氧气，其特点是提取时间较长，但无需消耗能源。

两种工艺的堆肥茶至今还未有统一的生产标准和产品标准[19]，主要原因是影响堆肥茶的理化性质和生物功效因素较多，包括堆肥原料的选择、堆肥原料的腐熟程度、堆肥与水的稀释比、营养补充剂、微生物添加剂、发酵方式、发酵设备，发酵时间、发酵温度、pH，以及所施用的作物品种和施用方式[20,21]。需要指出的是，这两种工艺都需要严格控制营养补充剂的添加时机和添加量，因为在开放式环境下生物发酵制备堆肥茶，营养添加剂会滋生人类致病的病原体，比如肠道大肠杆菌O157∶H7、沙门氏菌和粪便大肠杆菌等，这些病原体的滋生会极大的影响消费者对食品安全的担忧[20,22]。

目前，国外常用的堆肥茶的生产设备有桶式发酵、槽式发酵和桶鼓泡器式发酵[23]。桶式发酵是最为简单的非充气式堆肥茶工艺，做法是在桶里装入约10%的体积的有机肥，然后装满水，搅拌使其混匀，发酵数周过滤得到堆肥茶，如图2。槽式发酵是将腐熟堆肥放在大水槽上面的网托盘里，用水泵从水槽中抽水喷洒在堆肥上再流入水槽中，如此循环数周制得堆肥茶，如图3[24]。桶鼓泡器式发酵是将充气泵引入桶发酵，以提供连续流动的空气，创造足够的湍流，缩短制造周期至2～3 d便制成堆肥茶。为提高效率和降低成本，国外自2012年开始就有不同设计的商业化制备装备上市，如图4—6[25-27]。

图2 桶式堆肥茶Fig.2 Barrel compost tea

图3 槽式堆肥茶装备Fig.3 Trough compost tea equipment

图4 SoilSoup公司设备Fig.4 SoilSoup equipment

图5 Sustainable Agricultural Technologies公司设备Fig.5 Sustainable Agricultural Technologies equipment

图6 Growing Solutions公司设备Compost Tea System500TMFig.6 Compost Tea System500TM of Growing Solutions equipment

3 堆肥茶在国外农业中的应用方式

早在20世纪20年代，欧洲的园丁们就开始使用堆肥茶浸种、喷洒叶面和灌溉土壤来提高植物的防治猝倒病能力和增加土壤肥力[28]。直到20世纪80年代中期，美国一些科学家才开始对堆肥茶的促生防疫作用进行研究，但是由于植物的种植方式不同，所处的气候环境不同，不同季节、不同地域含有不同种类的微生物，堆肥茶中的微生物种类也可能完全不同，导致应用结果差异加大。现有的研究结果表明，在某些情况下，施用堆肥茶可以抑制植物病害，如白粉病、霜霉菌、草莓灰霉病、马铃薯晚疫病、毛茛虫灾、番茄枯萎病、草坪病害等，而在其他有些情况下，施用堆肥茶对疾病的抑制不起作用或者相反增加了病情等[23]。Scheuerell认为，为了提高堆肥茶的抑菌效果，需要进一步了解病原菌的生物学特性，还有植物病原菌显示拮抗特性的有益微生物的生长，繁殖、生存和感染病原菌的条件[20]。

目前，堆肥茶在农业中的应用方式通常为叶面喷洒和土壤灌溉。叶面施用通常借助喷雾器和喷雾佐剂使其均匀喷洒在叶表面，此种方式可改变叶面生物组成，为叶面提供大量有益的微生物和养分；该方式见效快，可以避免因盐分过高而引起的烧苗问题，并且可减少植物感染病原体的风险[29]。土壤灌溉一般通过过滤系统、灌溉系统施用，比如水肥一体化装备，此种方式堆肥茶被直接施入植物根区，为植物根系、土壤或者基质提供大量有益的微生物和养分；该方式见效也比较快，但需要避免因盐分过高而引起的烧苗问题[30]。两种方式均发现堆肥茶可以促进植株根系快速生长，提高植株营养品质及产量[31]。鉴于堆肥茶可以应用于水肥一体化装备，近年来国外研究者开始将堆肥茶应用于设施农业有机种植系统中。如Zaccardelli通过2年的温室辣椒试验评估堆肥茶在提高作物产量性能方面具有有效性，每年产量较传统种植增加16.3%以上[32]；Kacira将堆肥茶应用在温室无土栽培上，发现与无机营养液相比，两者产量无显著性差异，并且发现堆肥茶栽培的一些生菜品种，其花青素含量明显高于无机营养液栽培[33]。

4 中国发展堆肥茶技术的意义及存在的问题

过去30多年，欧美等发达国家在化肥用量零增长（如美国）乃至负增长（如欧盟）的情况下，实现了作物的持续增产，其重要原因之一是加强了对有机肥料资源研究利用。我国建国之初，农业生产几乎100%依赖有机肥，极少用化肥，但到上世纪80年代，有机肥提供的养分比例下降到50%，当前只有不到30%，农业生产主要依赖化肥[34]。由于对植物全营养概念和平衡施肥认识、宣传和引导不够，盲目发展高浓度化肥，造成了氮磷钾化肥一家“独大”和供过于求的局面。2018年全国化肥实物年消费量达5 152.3万t（折纯）以上，单位耕地面积的化肥施用量更是世界平均水平的3倍多[35]。尤其是在中国设施农业生产中，由于长期连作重茬和高负荷使用，使得设施农业土壤养分处于极为匮乏和极不平衡状态，使得土壤中微生物群群落结构失衡加大，病原菌数量剧增，土传病害发生日趋严重，已经严重制约中国设施农业的进一步发展，农户亟需一种集“药效、肥效”于一体，安全、高效、无污染的药肥产品[36]。我国有机肥资源量大（每年含有的氮磷钾养分量超过6 000万t，与目前的化肥用量相当）、面广（畜禽养殖、食品工业、秸秆等），但利用率不高（综合利用率只有50%左右），造成资源浪费和环境问题突出[37]。加强有机肥资源高效利用，推动化肥减量、有机替代，已经成为国家战略[38]。

目前，农业农村部在设施蔬菜集中产区推广4种有机肥替代化肥技术模式，分别是“有机肥+配方肥”、“有机肥+水肥一体化”、“菜-沼-畜”和“秸秆生物反应堆”[38]，但是当前设施农户在蔬菜种植中为省时省工，更愿意借助水肥一体化设备施用水溶性化肥，主要原因是[39-41]：一是相比化肥，有机肥施用量大，由此带来生产成本、劳动工作量和劳动强度的增加；二是有机肥见效慢，大量缓效养分释放需要一个过程，且不能显著提升产量，这与设施蔬菜高效生产要求往往会产生利益冲突。不难发现，有机肥在设施蔬菜推广受限的关键点在于需要开发一种适合水肥一体化灌溉要求的液体有机肥料，比如堆肥茶。与国外相比，中国对堆肥茶的研究相对较少，处于起步阶段。长春市农业机械研究院任慧从设计角度探讨一种增加堆肥茶有益菌数量生产方法及设备[42]。江苏省农业科学学院马艳从健苗率角度比较了腐熟猪粪、腐熟鸡粪及腐熟中药渣制备的堆肥茶对黄瓜和草莓方面的优势[43]。2018年中国农业大学和金正大集团从理论角度分析了堆肥茶为功能性水溶肥料提供活性物质的可能性[44]。这些研究表明，中国在堆肥茶方面的研究虽已经逐步得到科研院所和企业的重视，但中国对堆肥茶研究的基础数据还是偏少，理论依据还存在不足，尤其缺乏先进适用的堆肥茶装备和制备工艺，对不同来源的堆肥茶所适用的作物品种、施用方式及其促生防病、改善口味品质等方面还需进行系统的研究。

5 结论与建议

农业的发展关系国家食品安全、资源利用和生态平衡。在设施农业中开展废弃物就地资源化处理和有机作物可持续性生产，实现高科技环境控制和低成本运行的温室系统越来越受到关注。堆肥茶技术将固体有机肥转化适用于水肥一体化的生物有机液肥具有重大的经济、社会和环境效益。因此，在借鉴上述国外先进经验基础上，需要创新技术推动设施园艺栽培方式进步，需要改变资源利用思维推动有机设施园艺的可持续发展，重点开展以下工作：

1）进一步加强堆肥茶液体肥料的理论基础和应用实践研究，形成国家和行业部门的管理法案、标准和实践指南的依据。液体肥料是当前世界化肥工业发展的趋势，越来越受到各国的普遍关注。堆肥茶是有机肥的二次生物发酵产品，目前国内外还没有相应的技术和产品标准。由于农业是系统工程，涉及到方方面面，如何合理评估其功效和生物安全性需要大量的基础研究支持。借鉴国外经验，首先应选取单一可控环境开展堆肥茶相关基础研究，比如设施农业无土栽培，确保堆肥茶的增效功能明确、风险可控；其次，在此基础上，对堆肥茶制备和施用过程中的营养元素、活性物质、功能微生物进行评估，分析其与作物增效防疫的关联性；最后建立基于堆肥茶养分释放、增效防疫的“肥-菌-根”时空耦合理论。

2）进一步加强堆肥茶液体肥料的先进适用制备装备开发，提高有机设施农业生产效率，转变人们对设施农业无法高效使用有机肥的观念。堆肥茶是一种优良的液体肥料和生防剂。当前中国现代农业的主要挑战是既要增加产量，又要减少化肥和农药。因此，首先应加强堆肥茶装备的开发，弥补人力不足；其次要制定腐熟原料使用标准，优化堆肥茶制备工艺，建立不同堆肥茶适用的作用品种和施用方法；最后为农户提供成套的堆肥茶技术解决方案。

3）进一步加强堆肥茶液体肥料的技术集成示范和推广应用，引导社会各层全方位参与，加快农业科研成果转化。科研成果转化是否成功，关键在于是否遵循市场规则和匹配消费需求。堆肥茶液体肥料生产的农产品需要满足市场上无公害、绿色，甚至是有机农产品规则要求，需要获得消费者的信任。借鉴国外经验，首先需要建立基于堆肥茶生产和应用的良好农业规范；其次创新设施园艺栽培方式，将堆肥茶技术纳入温室园艺健康种植管理策略；最后补贴应用堆肥茶技术的设施农业种植者，鼓励通过堆肥茶技术提高设施农业有机物循环利用，减少化肥用量、保护环境。