有效微生物菌群在贵州喀斯特地区农业生产中的应用前景展望

汤小朋, 陈磊, 熊康宁

(贵州师范大学喀斯特研究院, 贵州省喀斯特山地与生态环境国家重点实验室培育基地, 贵阳 550001)

喀斯特地貌通常是由白云石、石灰石、石膏等碳酸盐岩溶解形成的一种独特而又脆弱的生态环境，占世界陆地面积的11%[1-2]。中国是世界喀斯特地貌分布最为广泛的国家，喀斯特地貌占国土面积的1/3(约3 440 000 km2)[3]。喀斯特石漠化是脆弱生态地质背景和人类活动相互作用导致的土地退化过程，主要表现为植被覆盖率低下、岩石裸漏、土层浅薄、水土流失强烈、土地生产力低下[4-5]。以贵州为中心的中国西南喀斯特地区人多地少，生产效率低，人地矛盾、人畜争粮矛盾突出，在自然和人为因素双重作用下导致石漠化现象严重，是我国当前面临的三大生态问题之一[4,6]。石漠化的发生发展对我国喀斯特地区生态环境安全及社会经济的发展造成严重威胁，有效治理及预防贵州喀斯特石漠化的发展，改善贵州喀斯特落后的农业现状，缓解日益增长的人地矛盾对维持贵州喀斯特地区经济发展及社会和谐稳定具有重要意义。

有效微生物菌群(effective microorganisms，EM)是一类由光合菌、酵母菌、发酵型丝状菌、放线菌、乳酸菌等多种微生物组成的微生物群，其通过多种微生物间的协同共生关系形成一个复杂而稳定的微生态系统，发挥多种功能[7]。近年来EM技术在农业和畜牧业中的应用逐渐受到关注，在发酵饲料[8]、畜禽养殖[9]、水产动物养殖[10]、作物生产[11]、环境治理[12]、生物肥[13]等方面取得良好的试验效果。EM在贵州喀斯特地区的应用还未见报道，本文基于前人对EM的研究报道，分析了EM技术在贵州喀斯特地区的应用前景，旨在为贵州喀斯特地区生态农业的可持续发展提供参考。

1 贵州喀斯特地区农业生产概况

贵州地处云贵高原东部(24°37′～29°13′ N， 103°36′～109°35′ E)，位于长江和珠江分水岭区域，境内喀斯特发育强烈，是中国西南喀斯特片区的中心及典型代表[14]。贵州国土面积176 167 km2，喀斯特面积约为109 085.09 km2，喀斯特面积占国土面积61.9%以上[14-15]。贵州喀斯特石漠化现象较严重，是我国西南石漠化面积分布最大、最为典型的地区，石漠化面积占喀斯特面积的38%左右[14-15]。特殊的地理和生态环境使贵州喀斯特地区农业生产具有以下特点。

1.1 人地矛盾突出

贵州处于典型喀斯特地区，全省山地、丘陵面积占土地总面积的92.5%[16]，特殊的地理条件造成贵州耕地旱地多，水田少，素有“八山一水一分田”之说。图1统计了2011—2017年间贵州省的粮食播种面积与水稻播种面积，贵州水稻播种面积只占粮食播种面积的1/5左右，良田稀少，人地矛盾突出。

图1 2011—2017年贵州省粮食播种面积Fig.1 Sown area of grain in Guizhou province from 2011 to 2017注：数据源于《中国统计年鉴》与《贵州省统计年鉴》。Note: Data come from and .

1.2 耕地质量差

贵州是典型的喀斯特山区省份，土地蓄水能力差，水土流失严重，耕地质量差。据《贵州省耕地质量等级调查与评定》和《全国耕地质量等别更新评价》等资料显示，贵州耕地等级为11.29，低于同处云贵高原的广西(8.49)、云南(10.5)，也低于全国耕地等级平均值(9.96)，全省耕地质量等级在 7～15之间，无优等级的耕地[16]。土地质量不高导致土地生产力低下，贵州粮食单位面积产量从2011年的2 853.6 kg·hm-2增长到2018年的3 867.0 kg·hm-2，而全国粮食单位面积产量从2011年的5 165.9 kg·hm-2增长到2018年的5 621.0 kg·hm-2，贵州粮食单位面积产量远远低于全国粮食产量的平均值，每年处于全国倒数位置(图2)。

图2 2011—2018年贵州省粮食单位面积产量Fig.2 Grain yield per unit area in Guizhou province from 2011 to 2018注：数据源于《中国统计年鉴》与《贵州省统计年鉴》。Note: Data come from and .

1.3 饲料资源短缺

随着畜牧业的发展，饲料需求量日益增加，而喀斯特地区低效的生产方式导致粮食在满足人的需求的前提下，难以满足畜牧业对饲料原料的需求，从而抑制畜牧业的发展。据贵州省统计局数据显示，2011—2017年贵州猪、牛、羊年出栏量基本上稳步提升，生猪出栏量增长率分别为2.67%、5.62%、0.71%、-2.71%、-2.00%、3.74%，牛出栏量增长率分别为9.03%、8.70%、1.85%、13.56%、5.60%、7.30%，羊出栏量增长率分别为4.80%、-0.67%、7.30%、11.69%、7.20%、8.41%。猪、牛、羊存栏量基本保持稳定，牛存栏量略有下降，生猪存栏量在一定范围内波动(图3)。猪肉、牛肉、羊肉、禽肉产量逐年增加，2017年猪肉、牛肉、羊肉、禽肉、牛奶、禽蛋产量较2016年分别增长3.32%、6.78%、6.89%、5.98%、2.66%、-0.48%(图4)。随着贵州畜牧业稳定的发展，饲料原料的需要量逐步增加，但是由于贵州粮食产量增长有限，不可避免地出现了人畜争粮矛盾。

图3 2011—2017年贵州省主要畜牧养殖情况Fig.3 Main situation of animal husbandry in Guizhou province from 2011 to 2017注：数据来源于贵州省统计局。Note：Data come from Statistics Bureau of Guizhou Province.

图4 2011—2017年贵州省主要畜禽生产情况Fig.4 Production of main livestock and poultry in Guizhou province from 2011 to 2017注：数据来源于贵州省统计局。Note：Data come from Statistics Bureau of Guizhou Province.

为有效改善贵州喀斯特落后的农业现状，政府将贵州列为生态农业发展地区[17]，以期达到资源最大合理化应用的目的，缓解日益增长的人地矛盾及人畜争粮矛盾。生态农业(eco-agriculture, ECO)是按照生态学原理和生态经济规律，因地制宜地设计、组装、调整和管理农业生产和农村经济的系统工程体系。生态农业的目标是实现对农业资源利用方式变革，它通过农牧之间接口，形成简单的食物链关系，前一个生产环节产生的“废物”成为后一个生产环节的资源，实现资源利用方式变革[18]。随着世界生态农业产品需求的逐年增多和市场全球化的发展，生态农业已经成为21世纪农业生产的主流与发展方向。近些年一些实践表明EM在农业与畜牧业中具有一些独特的优势，也许对贵州喀斯特地区的农业发展具有一些可资借鉴的地方。

2 EM在贵州喀斯特地区农业生产中的前景分析

贵州是典型的喀斯特山地地貌，石漠化现象严重，农业生产较落后，人地矛盾与人畜争粮矛盾突出。EM在畜牧业、水产养殖及种植业中具有良好的效果。EM技术在生态农业的可持续发展模式上具有独特的优势(图5)：①EM可以改良土壤品质，提高粮食产量，一定程度上解决人地矛盾及人畜争粮矛盾；②利用EM发酵技术改善农副产品品质，使其应用在畜牧业中，这也可以缓解人畜争粮矛盾；③利用畜禽粪便及农副产品生产堆肥又反过来可以提高土壤肥力，提高粮食产量；④EM改善水体环境，促进水产养殖的发展。总之，EM技术在农业生产中的应用渴望取得经济效益、环境效益与社会效益三丰收。

图5 EM在生态农业模式中的作用Fig.5 Role of EM in the ecological agriculture model

2.1 EM在畜牧业中的应用

2.1.1非常规饲料资源开发 随着畜牧业的迅速发展，人民生活水平提高的同时，不可避免地带来了一些负面效果，如人畜争粮矛盾问题日益突出。合理利用现有饲料资源及开发非常规饲料资源成为解决饲料工业瓶颈问题的关键。非常规饲料是指在畜禽商品饲料中不常用的饲料，如玉米秸秆、稻谷秸秆、木薯渣等农副产品。利用微生物技术降解农副产品纤维素、提高蛋白含量、消除抗营养因子是改善非常规饲料营养价值、提高其利用率的一种有效途径[19-20]。EM是一类由光合菌、酵母菌、放线菌、乳酸菌、丝状菌等多种微生物组成的无毒害作用、对环境友好复合微生态制剂[7,21]。EM在发酵过程中会产生大量的微生物酶，促进大分子物质(如淀粉、木质素、纤维素、半纤维素)的分解，提高农副产品利用率，EM自身繁殖还会产生大量的菌体蛋白、氨基酸及挥发性脂肪酸含量等有益物质的含量，提高农副产品的营养价值，同时由于EM中乳酸菌的存在会在发酵过程中产生大量乳酸，提高了农副产品的适口性[8,22-23]。Ding等[8]利用EM发酵啤酒糟，其粗蛋白含量提高24.48%，粗纤维含量降低17.45%，啤酒糟营养价值得到改善；Samsudin等[22]利用EM发酵经黑曲霉处理过的稻秆，其粗蛋白、有机物含量显著提高，酸性纤维、中性纤维含量显著降低。由此可知，EM对农副产品营养价值的改善具有很好的效果，对开发非常规资源具有重要作用。

贵州是典型的喀斯特地貌，石漠化水平较高，水土流失较严重，土地生产力低下，粮食产量低，用于饲料的粮食作物不足，人畜争粮矛盾突出，开发非常规饲料资源显得更为必要。本文引用盈斌等[14]研究结果，对贵州省2017年秸秆资源总量进行估算，秸秆总量计算公式如下。

式中，Qsa表示秸秆的可收集量，TSi为第i类作物的产量，CSi为第i类作物的谷草比系数，βi为第i类秸秆作物的土壤生态保留量，ri为第i类秸秆收集系数[14]。TSi作物产量由贵州统计年鉴资料得到。

由此预估2017年贵州省主要农作物秸秆资源总量达到2 695.82万t，如表1所示。

表1 2017年贵州省主要农作物秸秆资源[14,24]Table 1 Main crop straw resources of Guizhou province in 2017[14,24]

贵州省秸秆资源量较大，但这部分资源利用情况不理想，这是由其自身因素造成的。首先秸秆纤维素含量高，适口性差，动物不喜食。其次，秸秆蛋白质含量低，营养价值低，动物采食后饲料转化率低。因此，大部分秸秆直接丢弃或作为柴火消费掉了，这不仅是对资源的极大浪费，还会污染环境，对原本生态环境就比较脆弱的贵州喀斯特地区无疑是雪上加霜。如果能利用EM发酵，使秸秆饲料资源化，那么不仅能缓解饲料资源短缺的问题，突破畜牧业发展的瓶颈，缓解人畜争粮的矛盾，还对贵州喀斯特地区生态环境的保护具有促进作用。

2.1.2在畜禽养殖中的应用 EM是一种复合益生菌，对动物生产性能具有明显的促进作用。Laskowska等[25]研究表明日粮中添加EM可显著提高仔猪平均日增重，降低血清IL-2、IL-4、IL-10和TNF-α水平；Kitaw等[26]研究表明饲粮中添加EM可提高奶牛饲料转化效率，但对采食量、泌乳量及乳成分并无影响；Mgunda[21]在肉鸡上的研究表明，日粮中添加EM肉鸡生长性能及屠宰率均高于对照组；Botlhoko[27]研究表明饲料中添加EM，在前3周可促进感染产气荚膜梭菌(Clostridiumperfringens)肉鸡的生长；Abd等[28]研究表明，饮水中添加1%EM可提高血清葡萄糖浓度，降低胆固醇和甘油三脂含量，但也能对肝脏造成一定的损伤。EM提高动物生产性能的可能机制是EM进入肠道后，可与肠道内有益菌一起形成优势菌群，抑制有害菌的繁殖，减少肠道疾病的发生；产生菌体蛋白、氨基酸等营养物质，分泌乳酸、消化酶、抗生素、促生长因子等物质，提高动物消化能力及抗病能力(图6)[9,29-30]。

图6 EM提高动物生长性能的可能机制[9,29-30]Fig.6 Possible mechanism of EM improving growth performance of animal[9,29-30]

畜禽养殖是贵州喀斯特地区农民重要的经济来源之一,发展畜牧业对农村经济发展具有重要意义。但由于贵州土地生产力的不足，饲料用粮缺口很大，农民只能用营养价值比较低的饲料原料用于养殖，加上养殖技术落后，导致农村养殖效益低下，不利于畜牧业精准扶贫的开展。有研究表明，EM对动物生长具有极好的促进作用[25-27]，加上EM还能改善畜禽舍环境，消除臭味[30]。如果将EM技术引入畜禽养殖中，不仅可以促进动物生长，提高经济效益，还能消除畜禽舍臭味，对人畜环境的改善有积极意义。

2.2 EM在水产养殖中的前景

畜牧业及食品加工业是水体污染的重要源头，其废弃物中包含丰富的氮、磷等营养元素及大分子有机物，大部分的污水直接或仅仅经过简单处理后便排入水体中，造成水体富营养化、地表水及地下水污染。喀斯特地区独特的地理条件更容易产生水体污染问题，对水产养殖造成不利影响。研究表明，EM一方面可消除水体中大量的氮和磷[31-32]，降解多环芳香烃类有机物[33]，降低生物需氧量和化学需氧量[32]。EM液渗入水体后，能有效抑制病原微生物繁殖，提高水中溶氧量，促进养殖生态系中的正常菌群和有益藻类活化生长，保持养殖水体的生态平衡，通过改善水质促进水产动物健康生长。另一方面水产动物可通过采食EM发挥益生菌作用，提高生产性能[10]。据《贵州统计年鉴2018》[24]显示，2017年贵州省水产品总量25.48万t，在肉类产品中高居第二，仅次于猪肉(160.10万t)，高于牛肉(19.06万t)、禽肉(18.78万t)及羊肉(4.81万t)产量，说明水产品在贵州肉制品中占据比较重要的位置。在贵州喀斯特地区利用EM技术发展水产养殖不仅可以改善水体污染等生态问题，还能提高水产品产量，对改善贵州生态环境，提高人民生活质量具有重要意义。

2.3 EM在种植业中的前景

土地贫瘠是作物产量及质量低下的重要原因之一，改善土壤质量是提高农作物产量及品质的前提。一些研究表明，在农业生态系统中接种EM可以改善土壤和作物质量[34-35]。据研究报道，EM可提高洋葱[36]、玉米[37]、大豆[38]、小麦[11]、烟草[39]、马铃薯[40]等作物的产量。EM通过以下两种方式改善土壤肥力，从而达到提高作物产量的目的。

第一种方式是通过EM发酵生产生物肥，施到土壤中提高土壤肥力。生物肥的生产具有良好的经济效益和生态效益，一方面，生物肥可提高作物产量，增加收益；另一方面，生物肥的生产是减少食品加工、农业生产及畜牧业产生的废弃物的有效途径。EM在堆肥过程中可以减少臭味，提高分解速度，提高堆肥养分含量。Jusoh等[41]研究表明，EM在稻谷秸秆堆肥过程中可提高矿化作用，使氮、磷、钾含量增加，成熟的堆肥可以无任何限制的使用；Fan等[42]研究表明，EM堆肥前期温度提升更快，抑制臭味的散发，腐殖化程度更高，脂肪分解更彻底，氮含量更高；王川等[43]研究表明，牛粪与稻草联用堆肥时接种EM能提前1～4 d达到高温期，并且维持时间长，说明向堆肥中接入一定量的EM剂，可加快堆肥腐熟，缩短堆肥周期，对优化堆肥工艺具有重要的意义；刘颖等[44]研究表明，畜禽粪便堆肥过程中加入EM，发酵周期缩短为自然堆肥腐熟周期的1/3，而不降低营养成分；同小娟等[45]研究表明，长期施用EM堆肥能在一定程度降低土壤容重，增加土壤含水量，改善作物的生长环境，EM 微生物堆肥处理的年均总产比等量传统堆肥增产8.3%～8.9%；Hu等[11]研究表明，长期施用EM堆肥小麦，秸秆生物量、小麦产量、秸秆和小麦营养成分均显著提高。

第二种方式是直接给农作物施洒EM液。土壤养分含量是评价土壤质量的重要指标，为植物生长发育提供营养来源。EM可提高土壤中有益微生物数量，增强土壤酶活性，提高土壤养分含量[39]。刘旭等[46]研究表明，施用EM生物有机肥可在一定程度上提高土壤速效磷、速效氮等速效养分的含量，有利于培肥地力，并可加快甜玉米植株的早期生长；王美新等[47]研究显示，施用3 000 kg·hm-2EM生物有机肥对中和植烟土壤酸性状况，提高植烟土壤有机质、速效氮、速效磷、速效钾的含量具有明显的作用；但Mayer等[48]研究表明，在中欧的气温条件下EM对玉米产量和土壤质量并没有提高作用。这可能是不同气候条件造成的。

喀斯特地区地貌特殊，生态环境脆弱，具有土壤浅薄、植被不连续等特征，容易产生土壤退化、土地养分锐减和水体污染等生态环境问题[49-50]。贵州是西南喀斯特地貌发育最典型的省份， 属于典型的生态环境脆弱区[51]，土地蓄水能力差，水土流失严重，耕地质量差，全省耕地质量在 7～15 等之间，无优等级的耕地[16]，改善贵州喀斯特地区土壤品质对提高单位面积农作物产量具有重要意义。大部分研究表明，EM对改善土壤品质，提高作物产量和质量具有积极意义，因此，EM对贵州喀斯特地区土壤质量的提升应该有一定的效果。

3 展望

贵州喀斯特石漠化山区环境脆弱，农业生产落后，对土地的过分索取加剧了水土流失和土地石漠化的发生。EM在非常规饲料资源开发、畜牧业、水产养殖及种植业中均有不错的效果，因此，本文对EM对贵州喀斯特石漠化地区农业生产中的应用进行了以下展望。

①利用EM发酵农副产品生产生物饲料或者生物肥。贵州农副产品生物量大，利用EM发酵生产生物饲料可以减少饲用粮食的比例，缓解人畜争粮的矛盾。利用EM发酵农副产品生产生物肥不仅可以保护生态环境，还能肥沃土壤，提高农作物产量。

②在贵州喀斯特地区用EM发展畜禽养殖。贵州土地生产力低下，饲料用粮缺口很大，EM可提高饲料转化率，节约饲料成本，而且EM还能消除畜禽粪污臭味，改善畜禽舍环境，对贵州喀斯特地区农民增收，人畜环境的改善有积极意义。

③在贵州喀斯特地区利用EM发展水产养殖。喀斯特地区独特的地理条件容易产生水体污染问题，对水产养殖造成不利影响。EM可通过改善水质促进水产动物健康生长，还能发挥益生菌作用，提高生产性能。

④在贵州喀斯特地区利用EM改善土质，提高农作物产量。一方面可以利用EM生产生物肥，提高土壤肥力；另一方面可直接施用EM液提高土壤中有益微生物数量，增强土壤酶活性，提高土壤养分含量。

EM技术在贵州喀斯特农业生产中的应用渴望取得经济效益、环境效益与社会效益三丰收，对改善贵州喀斯特落后的农业现状、缓解日益增长的人地矛盾、维持贵州喀斯特地区经济发展及社会和谐稳定具有重要意义。