微生物转化在秸秆还田中的应用进展

董祥洲，陈亚奎，任立伟，黄魏魏，朱启法

(1.安徽皖南烟叶有限责任公司，安徽 宣城 242000；2.清华大学 化学工程系，北京 100084)

秸秆被认为是继石油、煤炭、天然气之后的第四大能源[1]，也是其中唯一的可再生资源，但秸秆本质上为低品质能源，其作为工业原料应用的比例十分有限[2]。我国主要农作物秸秆产生量9.84亿t，可收集量达到8.24亿t，占全球秸秆总产量的20%左右[3]。据统计，2016年年产秸秆饲料化、能源化比例分别为17.99%、11.79%，秸秆肥料化占据47.2%，相比2002年秸秆利用率有所提升，但秸秆还田比例依旧较低[4]。英国秸秆还田量占年生产量的73%，美国秸秆还田的比例则一直保持在68%左右，并且美国农业部明确指出秸秆还田对土壤肥力具有十分重要的作用[5]。随着我国传统农业向现代化农业的快速转变以及经济、社会的不断发展，农村生活用能、牲畜饲料的结构已发生了根本性的改变，秸秆资源大量过剩的问题困扰着我国各大农业产区，并引发了全社会关注的环境问题。我国政府也已将秸秆还田视为秸秆资源利用的主要手段，农业部“东北地区秸秆处理行动现场交流暨成果展示会”提出力争到2030年，在全国建立完善的秸秆还田、收集、储存和运输体系，形成布局合理、多元利用的秸秆综合利用产业化格局，基本实现全量利用。

秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，同时含少量的蛋白质、糖类和酯类等有机物以及氮、磷和钾等多种营养元素[6]。秸秆还田就是将秸秆直接或经过处理后，返还至耕地土壤。微生物转化是处理秸秆的重要手段。秸秆直接还田更是需要在土壤微生物的作用下，才能将秸秆转化为土壤腐殖质，释放并利用秸秆所含营养元素。因此，秸秆还田与微生物转化息息相关。本文中，笔者首先对几种主要秸秆还田方式中的微生物转化过程分别进行阐述，并从微生物转化的实现难易程度和秸秆利用率等角度，分析这几种秸秆还田方式应用于现代化农业的优劣。

1 常见的秸秆还田方式

1.1 焚烧还田方式

焚烧还田是最古老和最简单的秸秆处理方式。秸秆在田间直接焚烧，几乎所有的有机物都被转化为气体氧化物排放至大气，仅有钾等少量的金属元素存在于灰烬中，被当作肥料使用。焚烧还田方式，不仅秸秆的利用率较低，更严重的是易造成水土流失、土壤有机质消耗、空气污染等问题[7]。Rossi等[8]和Ventrella等[9]研究表明，一次秸秆焚烧使土壤水分损失65%～80%，土壤有机质含量下降0.2%～0.3%，而这些有机质如果通过秸秆直接还田的方式补回，一般需要5～10年。表面上秸秆焚烧还田与微生物转化没有直接关系，但秸秆焚烧会导致短时间内土壤耕作层的微生物数量迅速减少50%以上，严重破坏土壤微生态[10-11]。土壤中的微生物转化不能正常进行，还会导致土壤降解外源污染物的能力减弱、土壤病虫害增加、土壤固氮能力下降。因此，秸秆焚烧还田劣势明显，已被我国在内的多数国家禁止。

1.2 过腹还田方式

过腹还田是将秸秆作为牛、羊等大型反刍动物的饲料，利用反刍动物的消化功能，将秸秆转化为粪便并经过堆沤进行还田[12]。反刍动物消化秸秆需要由体内的共生微生物协助完成。反刍动物的肠道为共生微生物提供了适宜的生存环境，共生微生物则为反刍动物提供了分解纤维多糖的能力，即共生微生物将秸秆中的纤维素和半纤维素分解后才能被反刍动物消化吸收[13]。秸秆在反刍动物的体内进行的微生物转化是秸秆过腹还田的先决条件。

每毫升反刍动物的胃液中大约含有1010个细菌、106个纤毛原生动物和103～106个真菌[14]。目前对反刍动物肠道内共生微生物的研究主要集中于通过宏基因组和其他基因工程技术鉴定和分析共生微生物的群落结构与功能[15-16]，鲜有分离反刍动物的肠道微生物并在体外高效转化秸秆或者其他植物木质素、纤维素的文献报道。笔者分析认为可能有以下三点原因：①反刍动物的共生微生物分解秸秆为厌氧过程，一方面厌氧微生物比好氧微生物更难驯化和培养，另一方面厌氧发酵比好氧发酵需要更长的时间；②反刍动物消化秸秆是一系列物理和生物化学活动共同作用的结果，并且依赖肠道微生物菌群之间复杂而精密的协作，单纯分离几种或少数微生物进行体外转化很难达到相似的秸秆处理效果。③反刍动物共生微生物的作用对象主要是秸秆的纤维素和半纤维素，需要反刍动物的咀嚼打破秸秆木质素对纤维素的包裹。秸秆机械粉碎同样能够起到类似的作用，且分解纤维素的微生物(包括厌氧菌和好氧菌)在土壤等自然环境中广泛存在。

中国素有利用秸秆作为饲料养畜的传统，但秸秆过腹还田似乎更适合传统的农业形式。现代化农业则要求主要的农业产区就近配套并形成相应规模的养殖场以节约劳动力和秸秆运输成本。反刍动物主要利用秸秆中的纤维素等多糖，而小麦、水稻和玉米等主要作物秸秆的纤维素和半纤维素质量分数分别为35%～39%和15%～19%，一般认为4 t秸秆的营养价值仅相当于1 t粮食[17]。因此，秸秆过腹还田还需辅以青贮、氨化等秸秆预处理过程并补充其他营养元素。过腹秸秆中的纤维素等多糖经共生微生物的转化被反刍动物作为营养消化吸收，秸秆木质素和其他代谢产物一同形成粪便。反刍动物的粪便需要经历堆沤等过程形成腐殖质后才能够还田。秸秆的青贮预处理和粪便的堆沤本质上都是微生物转化过程，但增加了秸秆还田的时间和占地成本。秸秆过腹还田也具有一定的局限性。

1.3 堆沤还田方式

堆沤还田是指将秸秆收集、粉碎后，调节碳氮比(C/N)和含水率，在一定温度下异位堆沤处理，主要利用细菌、真菌和放线菌等微生物，将秸秆转化为可溶性养分和腐殖质等产物，并返还至耕地土壤[18]。堆沤的过程又称堆肥，分为好氧堆肥和厌氧堆肥。厌氧堆肥所需的时间长，且产生恶臭性气体，不适合大规模应用[19]。秸秆堆沤还田一般默认为秸秆经好氧微生物堆肥转化后的还田。调节适宜的C/N((25～30)∶ 1)和含水率(50%～60%)是秸秆堆沤成功的关键，本质上这都是为了给微生物转化创造适宜的条件[20-21]。

秸秆的C/N一般大于50，秸秆堆沤过程必须补加氮元素[22]。蔬菜废弃物和动物粪便的氮含量相对较高(C/N<25)，将二者与秸秆混合堆沤，调节至适宜的C/N，既实现了废弃物的综合利用，又能够丰富堆肥产物的营养成份[23]。堆沤过程随生物热的释放一般分为升温期、高温期和腐熟期3个阶段。升温期内易降解的有机物如糖类、脂肪和蛋白质等被微生物快速利用，大多数微生物都在此阶段代谢活跃、数量剧增，同时释放的生物热使得堆体的温度迅速升高。当温度达到50 ℃以上即进入了高温期。高温期内大多数微生物的生长受到抑制，微生物的总数大幅减少，但嗜热微生物开始迅速繁殖。嗜热微生物继续利用剩余的易降解有机物，并通过释放生物热维持堆体的高温。同时，一部分难降解有机物如木质素等也开始逐渐被微生物转化形成腐殖质。高温还能够杀灭蔬菜废弃物或动物粪便携带的致病菌和虫卵，目前一般要求堆肥产物需55 ℃维持5～7 d或75 ℃维持2～3 d以上才能够还田[24]。当堆体内的易降解有机物基本被利用完，堆体内的微生物代谢速率减弱，堆体的温度开始下降至30～40 ℃，并进入腐熟期。经温度和碳源的双重选择，既能够耐热又能够利用难降解有机物的微生物构成了腐熟期的优势菌群。腐熟期相对升温期和高温期持续的时间较长，秸秆的难降解有机物在腐熟期内转化形成腐殖质。

细菌转化秸秆的能力不如真菌，但真菌的耐热性较差，当温度高于55 ℃时，真菌彻底停止生命活动，处于死亡或休眠状态[25]。放线菌数量和功能均介于细菌和真菌之间，其能够相对容易地通过秸秆的半纤维素，在相当的规模和程度上将木质素转化为腐殖质[26]。尤其是耐热放线菌，如单孢子菌、诺卡式菌和链霉菌等能够在堆沤的升温期、高温期和腐熟期都起到转化秸秆的作用，并形成腐熟期的优势菌群[27]。传统的秸秆堆沤仅依赖堆体本身所含的微生物，但为了缩短秸秆堆沤时间(一般需要35～50 d)，部分研究尝试接种具有秸秆降解功能的外源微生物(如白腐真菌和放线菌)[28]，并取得了一定成果。

从秸秆利用率的角度，堆沤过程将大部分有机物转化为腐殖质，秸秆的氮、磷和钾等元素几乎全部被微生物转化为生物可用态或被释放出来，并保留在了堆沤产物中。然而，秸秆堆沤不仅时间较长，占地面积较大，而且沤堆的建设和翻堆等维护操作还需要大量的人工或机械成本，在大规模的现代化农业中，秸秆堆沤还田同样具有一定的局限性。

1.4 直接还田方式

秸秆直接还田是指秸秆收割、原位粉碎后，直接返还、翻压至原耕地土壤，经土壤微生物的转化形成腐殖质，氮、磷和钾等元素直接释放至土壤或贮藏于土壤微生物体内，分别作为土壤的速效或缓释营养元素[29]。与上述3种间接秸秆还田方式相比，秸秆直接还田操作简单，成本更低，几乎不占用额外空间，秸秆中营养物质的利用也更为直接和高效。特别是现代化农业机械收割的同时将秸秆分割、打碎成2～5 cm的小段，再经机械旋耕或翻耕即可返至原耕地土壤。秸秆直接还田已成为现代化农业最主要的秸秆还田方式[30-31]。

秸秆直接还田不但可以增加土壤有机质和土壤养分，提高农作物产量，增加微生物的活性，节约农时，还能降低秸秆焚烧引起的空气污染。但是会引起土壤缺氮，依靠土壤本身微生物进行腐化降解率较低，而且土壤中的虫卵和带菌体等一些病虫害在秸秆直接粉碎过程中无法杀死，留在土壤中，病虫害直接发生或越冬来年发生。目前，秸秆原位还田与化肥减量化成为目前研究的热点之一。

1.5 秸秆还田处理方法比较分析

秸秆还田形式多样，焚烧还田、过腹还田、堆沤还田和直接还田是常见的4种还田方式，对不同还田方式比较分析结果见表1。

表1 秸秆还田方式及优缺点对比

与欧美澳等地区的农业发达国家不同，我国人口数量众多、耕地面积少，一年内多季轮作的耕地面积超过耕地总面积的一半，加之化肥使用过量、土壤农残污染等问题，导致产生的秸秆量已经普遍大于土壤对还田秸秆的承受能力[32]。下文将重点论述微生物转化在秸秆直接还田中发挥的作用，并分析提高还田秸秆微生物转化效率的方法。

2 微生物转化在秸秆直接还田中的作用

如前所述，秸秆直接还田经微生物的作用才能转化为土壤可利用资源。同时，直接还田的秸秆只有在一个种植周期内被微生物全部转化，才不会造成还田秸秆在耕地土壤中的逐年累积，保持良好的土壤耕作能力。因此，土壤中的微生物转化过程对秸秆直接还田具有十分重要的作用。

2.1 具有转化功能的土壤微生物

耕地土壤中一般含有较为丰富的可利用秸秆纤维素和半纤维素的微生物，其中真菌的种类相对较多，降解能力也相对较强，如木霉属(Trichoderma)、青霉属(Penicillium)、曲霉属(Aspergillus)和镰刀菌属(Fusarium)等[33-34]。耕地土壤中利用纤维素和半纤维素的细菌则在数量上占据优势，一般可达104cfu/g，包括食纤维菌(Cytophaga)、生孢食纤维菌(Sporocytophaga)和多囊纤维菌(Polyangiumcellulosum)等[35-37]。一般来说，能够转化秸秆木质素的土壤微生物的种类和数量都较少，而且微生物对木质素的转化速度都远低于纤维素和半纤维素，且微生物转化木质素只能在有氧条件下进行[38]。这是因为分解纤维素和半纤维素本质上为水解反应，水解后生成的糖类作为碳源被土壤微生物利用。分解木质素本质上为氧化还原反应，且分解产物主要被土壤微生物直接转化形成腐殖质，而大多数土壤微生物均不以秸秆木质素为碳源[39]。放线菌是自然界木质素的主要分解者之一[40-41]，但目前针对放线菌的研究相对较少。史彬等[42]从华北平原典型的小麦、玉米轮作区耕地土壤中筛选出1株兼具纤维素和木质素分解能力的左式链霉菌(Streptomycesdrozdowiczii)，该放线菌能够将小麦秸秆转化为多种石油烃、有机醇和植物甾醇。

2.2 土壤微生物转化秸秆机制

组成秸秆的纤维素、半纤维素和木质素均为不溶于水的生物大分子。土壤微生物主要依靠分泌胞外酶的方式，利用秸秆纤维素和半纤维素将其水解为单糖以及其他水溶性小分子物质，然后进入微生物体内，被微生物作为碳源利用。Rosevear等[43]提出纤维素的水解至少需要3种酶，即内切型纤维素水解酶(endo-β-1,4-glucanase)、外切型纤维素水解酶(cellobiohydrolase)和β-葡萄糖苷酶(β-glucosidase)。纤维素水解酶能够从纤维素的末端以纤维二糖为单位切断晶体纤维素。另一种纤维素水解酶则将非晶体纤维素在任意位置切断。产生的纤维二糖或其他寡糖，再被β-葡萄糖苷酶催化水解形成葡萄糖或其他单糖。一般50%的碳源被微生物呼吸产能消耗，另50%的碳源形成微生物细胞，即大约一半的秸秆纤维素和半纤维素经微生物的转化进入土壤碳循环，最终随微生物的凋亡形成其他土壤有机物或腐殖质。同时，秸秆所含的氮、磷和钾等元素因微生物对秸秆的分解直接释放至土壤，或被微生物利用形成微生物细胞，最终随微生物的凋亡再次释放至土壤，并起到营养或肥力缓释的作用[30]。

土壤微生物对秸秆木质素的分解则需要漆酶、木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶等氧化还原酶的参与。一般认为，只有腐生微生物分泌的氧化还原酶才能够将木质素分解为单体，并在微生物体内进一步被氧化成CO2和水或通过其他方式同化到菌体内[44]。Gulkowska等[45]则认为分解木质素形成的单体在其他胞外酶的催化作用下直接被微生物转化形成腐殖质，即木质素是土壤腐殖质的前体。

2.3 提高秸秆转化率的方法

一般情况下转化秸秆需要多种微生物的协同作用。赵小蓉等[46]研究发现，纤维素分解菌与木质素分解菌联合处理水稻秸秆效果明显好于2种菌单独作用的加成。秸秆所含的纤维素和半纤维素被致密的秸秆木质素层所包裹，微生物与秸秆纤维素和半纤维素的接触受限，加之土壤微生物分解木质素的能力远低于对纤维素的分解能力，所以木质素的分解或者说对木质素层的破坏是土壤微生物转化秸秆的限速步骤。秸秆直接还田，同时补加一些具有较强秸秆降解能力的微生物，尤其增加土壤中能够转化秸秆木质素的微生物的绝对数量是提高秸秆转化率的关键。能够利用秸秆纤维素和半纤维素的微生物在耕地土壤中原本就较为丰富，为降低秸秆还田的成本应侧重补加适宜的营养元素和生长因子对土壤纤维素和半纤维素分解菌的激活和刺激作用。

除强化土壤微生物对秸秆的转化能力外，创造适宜的土壤微生物转化秸秆的条件同样重要，具体归纳为以下几个方面：

1)C/N。调节适宜的C/N，即秸秆直接还田的同时补充适量的氮元素以及其他微生物所需的营养元素和生长因子，可有效提高秸秆的转化率。秸秆直接还田的C/N调节与秸秆堆沤还田的C/N调节类似，在此就不再重复。

2)土壤含水率。秸秆转化是一个需水过程，尤其是纤维素和半纤维素的水解。微生物分解纤维素和半纤维素的速度高于分解木质素，因此秸秆还田初期应保持20%～23%的含水率[47]。秸秆还田后期(大约30 d后)主要是秸秆木质素向土壤腐殖质的转化，需水量下降，但为了满足微生物生长所需，一般要求土壤含水率维持在16%～20%[48]。

3)还田深度。还田深度通过微生物分布和土壤透气性影响秸秆的转化。覆盖于地表的秸秆降解速度远低于翻埋于土壤的秸秆降解速度，就是因为微生物主要集中于0～10 cm的土层内，还田的秸秆便于与土壤微生物有效接触[49]。还田深度增加可提高秸秆的还田量，但土壤的透气性随深度降低。秸秆直接还田的深度一般控制在15～25 cm深的耕作层内，并辅以翻耕、松土等方式增加土壤的透气性[50]。

4)其他因素。土壤酸碱度、土壤温度、秸秆粉碎程度、还田时间和还田量等其他条件均直接或间接地影响土壤微生物降解秸秆的能力。对上述因素的调节，理论上均以适宜微生物的生长和增加微生物的作用时间为原则，但秸秆直接还田常受到自然条件和农时的限制，实际可调节的因素有限。

3 秸秆直接还田对土壤微生物的影响

3.1 对土壤微生物数量的影响

秸秆直接还田能够显著增加土壤微生物的数量[51]。曾广骥等[52]研究发现，秸秆直接还田使0～20 cm的耕作层内细菌和真菌数量分别比还田前增加了142.9%和115.0%。秸秆直接还田特别是C/N等其他条件适宜时会激活土壤中原具有秸秆转化功能的微生物。此外，秸秆为土壤固氮微生物等提供了丰富的碳源，并使土壤多种微生物生长旺盛[53]。秸秆转化形成的腐殖质与土壤中的钙、镁等金属离子稳定结合，形成的颗粒状团聚物可防止土壤的侵蚀，增强土壤透气性和提高土壤的含水率[54]。魏廷举等[55]研究发现，耕地所产秸秆全部直接还田，3年后耕作层的容重降低了0.19～0.2 g/cm3，非毛细孔隙率增加了0.5%～3%，粒径>2 mm的颗粒状团聚物数量增加了202.9%。秸秆直接还田还能够有效阻断土壤返盐，降低盐碱土壤的可溶性盐含量[56]。土壤理化性质的改善为土壤微生物，尤其是好氧微生物的繁殖创造了有利条件。

3.2 对土壤微生物活性的影响

土壤微生物活性通过土壤功能酶体现。秸秆直接还田使纤维素酶、蔗糖水解酶、过氧化氢酶以及其他纤维素和木质素分解直接相关酶的活性均有不同程度的提升[57]。此外，土壤生物固氮和土壤氮循序相关功能酶的活性在秸秆直接还田后显著增加[53,58]。董亮等[59]研究发现，玉米秸秆100%直接还田后土壤中脲酶活性和酸性磷酸酶活性分别增加了80%和36.22%。土壤微生物活性的增加有助于提升农作物的抗病虫害能力，增强土壤对农残、石油等外源污染物的降解能力[60-61]。张坤等[56]研究发现小麦秸秆直接还田使土壤真菌P450酶系和细菌单/双加氧酶系的活性增加，提升了土壤微生物对石油污染物的降解能力。

秸秆直接还田对土壤微生物数量和活性的影响给耕地土壤带来了一系列积极的变化，包括提升了单位时间内土壤转化秸秆的能力，但这样的良性循环均以还田的秸秆在一个种植周期内被土壤微生物全部转化为前提。换言之，秸秆还田量超出土壤对秸秆的转化能力，还田秸秆在耕地土壤中的逐年累积，带来的则将是恶性循环。就目前我国秸秆还田的实际情况，提升土壤微生物对秸秆的转化能力依然十分重要。一些秸秆直接还田的成功案例以及对耕地土壤的影响见表2。

表2 一些秸秆直接还田的成功案例

4 秸秆还田的研究方向与展望

基于现有研究和我国秸秆还田的实际情况，认为强化土壤微生物对秸秆的转化能力是推进秸秆直接还田的主要研究方向，并提出两点建议：

1)增加土壤转化木质素的微生物的绝对数量是关键，但为了防止外源微生物的引入可能造成的生物安全隐患，同时避免外加微生物与原土壤微生物之间的拮抗作用，补加的微生物应筛选自同区域或同类型的耕地土壤。

2)为激活土壤微生物的活性和调节适宜的C/N，秸秆直接还田的同时需要补充适量的氮元素以及其他微生物所需的营养元素和生长因子，该过程可以与农作物的施肥相结合。如前所述，微生物将氮、磷和钾等营养元素转化形成微生物细胞，并不是对营养元素的消耗，而相当于营养或肥力的缓释。但为了避免某一特定时期内微生物与农作物争肥，应深入研究微生物对秸秆的转化过程与机理，通过人工调节达到秸秆腐化和营养元素的释放与农作物的生长同趋势进行。