果樹枝條生物高效分解技術研究進展*

楊明昊，張藝燦，王孝娣，史祥賓，王小龍，王海波

（中國農業科學院果樹研究所，農業農村部園藝作物種質資源利用重點實驗室，遼寧省落葉果樹礦質營養與肥料高效利用重點實驗室，遼寧興城 125100）

我國是果樹栽培大國，據國家農業統計發布數據，2019 年我國園林水果種植面積達1 227.67 萬hm2，年產量為1.90 億t[1]。水果產業的發展極大程度提高了果農的收入水平，與此同時也產生了大量農業生產廢棄物。這些農業生產廢棄物中儲存了豐富的氮、磷、鉀等元素[2]，如果得不到合理利用，不僅污染環境，也會造成資源的浪費。以農業生產廢棄物為原料制作有機肥能夠有效促進農業的可持續發展，降低農業生產成本，實現資源的高效利用，具有廣闊的發展前景。

1 果樹枝條堆肥研究進展

由于不合理使用化肥對土地的負面影響日趨嚴重，化肥的減量化施用逐漸普及。在此背景下，有機肥部分替代化肥變得更加迫切。堆肥是生產有機肥的主要手段，是利用微生物的生命活動使堆肥原料發生一系列生理生化反應，從而形成穩定的腐殖質，并釋放礦質養分的過程[3]。堆肥是實現果樹枝條無害化、減量化和資源化處理的有效途徑[4-6]。利用堆肥技術生產的有機肥，可以有效改善土壤微生物活性[7-9]，提高土壤肥力[10-13]，調節土壤理化性質[14-17]。

隨著人們對有機肥越來越重視，關于果樹修剪枝條堆肥的研究也越來越多[18-20]。但是與秸稈等相比，枝條成分更復雜，纖維素、木質素等難降解的粗纖維含量更高，分解起來更困難，更依賴于能高效降解粗纖維的微生物[21-23]。目前，關于果樹枝條堆肥的大多數研究都基于秸稈等易分解物料的堆肥模式，并在此基礎上優化相應的堆肥條件[24-27]。

1.1 堆肥方式

依據堆肥原料與環境空氣的接觸方式和程度可以分為開放式堆肥、反應器堆肥和納米膜堆肥[28]。一般而言，物料與空氣的接觸程度越大，升溫速度越快，高溫保持的時間越長，同時氨氣和溫室氣體的排放也相對較高[29]。眾多研究發現，覆膜和減少翻堆次數可以有效降低氨氣的揮發和溫室氣體的排放[30-32]。

1.2 堆肥影響因素

影響堆肥的因素主要有水分、pH 值、溫度、碳氮比、通風供氧以及菌種等，這些因素主要是通過影響堆體中的微生物菌群結構及其生命活動來進一步影響堆肥的進程。

1.2.1 水分

水可以起到軟化堆肥材料、調節堆肥溫度的作用。同時，水可以溶解大多數物質，增加各物質間的接觸程度，并作為載體，促進堆肥細菌在堆肥中的均勻分布，加速腐熟進程。堆肥物料水分的多少直接影響堆肥的速度。含水率較低時，不能滿足微生物的生長需要；含水率較高時，水分會堵塞物料間的空隙，更易產生臭味，加劇養分損失，延長堆肥時間[33]，較適宜的堆肥物料起始含水率為50%～60%[34-36]。

1.2.2 pH 值

pH 值對于堆肥進程和效果有著重要的影響。一方面，堆肥微生物的活動需要合適的pH 值，畜禽糞便發酵的pH 值一般在6.5～7.5，此酸堿度范圍是細菌、放線菌等微生物最適的酸堿度范圍[37]。一般堆體的pH 值維持在5.5～9.0，pH 值過高或過低均不利于有機物的生命活動[38]。另一方面，pH 值升高會增加堆體中的銨態氮向氨氣轉化并揮發，pH值越高，氮素損失越大[39-41]。

1.2.3 溫度

堆肥系統的溫度變化能夠直觀地反映出微生物的活動狀況，同時溫度的變化也影響著微生物的活動。堆體溫度的變化是判定堆肥能否達到無害化要求的重要指標之一。當堆體溫度接近環境溫度時，有機質的分解接近完全，堆肥達到腐熟穩定階段[42]。一般認為在50～60 ℃的溫度條件下維持5～6 d 即可達到無害化[43]。

1.2.4 碳氮比

碳和氮是構成細胞的重要元素，對于微生物的生命活動具有重要的意義。研究表明，微生物分解有機物較適宜的C/N 為25～35∶1[44-45]。合適的C/N會大大加快堆肥腐熟的速度，使堆肥腐熟更充分[46]。另外，添加氮肥，降低堆肥中的C/N，可以加快果樹枝條中纖維素和半纖維素的降解[47]。

1.2.5 通風供氧

翻堆可為堆體提供氧氣，調節堆體溫度，促進微生物的有氧代謝，進而加快發酵進程。氧氣的供應與控制是好氧堆肥的必要條件，氧氣含量直接影響微生物的生長活動。一般認為堆肥中氧氣的體積分數保持在5%～15%比較適宜，當氧氣的體積分數低于此范圍會導致厭氧發酵而產生惡臭，使發酵周期變長，進而影響堆肥產品的品質，而高于此范圍則會使堆肥體冷卻，導致病原菌大量存活。

1.2.6 調理劑

調理劑的主要功能在于其保氮、除臭作用[48-50]。常用調理劑包括金屬鹽類、吸附性物質、富含碳的物質等。堆肥中常用的調理劑主要有過磷酸鈣、沸石、CuSO4等[51]。這些調理劑主要是通過降低堆體的pH 值[52]，NH4

+吸附[53-54]以及與NH4+發生絡合反應[55]實現保氮、除臭的目的。

1.2.7 微生物

果樹枝條中纖維素和木質素占有較大比重，對于果樹枝條的降解關鍵在于對纖維素和木質素的降解[56]。所以菌種在果樹枝條發酵中具有重要的作用，尤其是高效降解纖維素以及木質素的微生物菌株。這些微生物主要依靠其產生的纖維素酶[57]和木質素降解酶系[58]來降解枝條，從而加快纖維素和木質素的分解，促進堆肥進程。

2 微生物菌劑研究進展

微生物的活動可以加速堆肥原料的降解。利用微生物產生纖維素酶降解纖維素具有溫和、高效等特點。

2.1 微生物菌劑的主要功能

堆肥中接種復合菌劑的效果主要表現為：調節菌群結構、提高微生物活性、加快升溫，使高溫持續時間延長[59]；減少氮損失，提高養分含量[60-61]；提高堆肥的腐熟度[62]，縮短腐熟周期[63-64]；提高堆肥產品肥效等[65-66]。與自然堆肥相比，添加菌劑對堆肥可以起到不同程度的促進作用。相關研究表明，添加嗜熱纖維素分解菌可顯著降低堆肥中纖維素和半纖維素含量，加快堆肥腐熟[67]。部分低溫菌劑與高溫菌劑具有相似的功能[68-69]。

2.2 復合菌劑中的菌種

木質素和纖維素的分解不是靠某種微生物獨立完成的，一般是在細菌、真菌、放線菌等組成的微生物群落的共同作用下才能完全分解[70]。因此，商業生產的菌劑多為復合菌劑。

真菌在堆肥過程中起主要作用，其中白腐菌和褐腐菌具有較強的纖維素和木質素分解能力[71-74]。細菌在纖維素和木質素的降解率上比真菌稍弱，但是由于細菌來源廣泛、生長快速，在生產應用方面，細菌比真菌更具有優勢[75]。目前細菌中在此方面研究較多的主要有纖維單胞菌[76-78]、芽孢桿菌[79-82]等。放線菌是一類公認的具有較強木質纖維素降解能力的細菌，主要包括鏈霉菌、節桿菌、小單孢菌和諾卡氏菌等[83]。

2.3 復合菌劑的制備

復合菌劑中的菌種主要是從土壤中[84]和堆肥物料[85-86]中篩選出來的。為使篩選出來的菌種更好地在堆肥中發揮作用，需要對已篩選的菌種進行發酵條件優化。合適的碳源、氮源、無機鹽對于微生物的生長繁殖、提高產酶能力和堆肥效率具有重要意義。生產上選用的碳源主要包括葡萄糖、蔗糖、乳糖、淀粉、麥芽糖等，氮源主要包括酪蛋白、酵母粉、玉米粉、玉米漿、干酪素、大豆酪蛋白、黃豆粉等，無機鹽主要包括氯化銨、硫酸銨、硝酸銨、磷酸氫二銨等[87-89]。

載體主要為微生物提供附著場所，直接影響固體菌劑的應用潛力。合適的載體具有較大的載菌量，同時能夠有效增加細胞密度，保持菌種的存活力[90]。根據載體的性質，大體上可分為2 大類，包括生物質載體和礦物質載體。常用的生物質載體有玉米芯粉、稻殼粉、草炭土等，常見的礦物質載體有蛭石、硅藻土、蒙脫石[91-92]。

發酵助劑主要通過為微生物的生長提供營養因子，同時營造適合微生物生長的環境，以此達到促進發酵進程的作用。已有研究表明，維生素、氨基酸等可以提高部分微生物的生長速度[93-95]，木質素磺酸鈉等表面活性物質[96]對微生物的生長有較好的促進作用，可以提高微生物的產酶活性。

保護劑的作用主要在于維持細胞的水分平衡以及與微生物表面的自由基結合，起到保護微生物的作用。大多數保護劑具有羥基，可與菌表面自由基聯結起來，同時可以利用氫鍵和親水基形成較穩定的水分子層結構，維持細胞內水分的平衡[97]。目前，保護劑主要有糖類保護劑、抗氧化劑類保護劑、蛋白類保護劑等[98]。

3 結論與展望

枝條堆肥中含有作物生長發育所需的多種養分，是一種優質、穩定的有機生態肥和土壤改良劑?？茖W的堆肥方式可以加速果樹枝條的降解，提高堆肥質量。

高效的堆肥菌種對于果樹枝條堆肥發揮著至關重要的作用。篩選出高效降解纖維素和木質素的菌種并應用于生產實踐中能夠有效降低堆肥成本，加快堆肥進程。

針對枝條堆肥體系尚不完善，能夠高效分解纖維素、木質素等物質的菌種缺乏等問題，本團隊利用葡萄冬剪枝條進行堆肥處理，探究葡萄枝條堆肥最適的pH 值、翻堆溫度、添加劑、氮源等條件，同時從枝條堆肥中篩選能夠高效分解木質素和纖維素的微生物。目前，已篩選出10 余株能夠分解纖維素和木質素的微生物，后期將對其進行進一步研究，擇優制成適應性強、分解效率高、適用于果樹枝條堆肥的生物菌劑。

隨著堆肥研究的深入，對已有技術、工藝的不斷革新，未來將會篩選出更多高效、耐逆的枝條堆肥菌種，大大提高枝條的降解效率。屆時，關于枝條堆肥的工藝將更為完善，田間試驗驗證將更細致，枝條堆肥將成為果園肥料施用的主要形式。