2022, Vol. 54
2. 安徽省农业科学院土壤肥料研究所, 合肥 230031;
3. 中国科学院南京土壤研究所, 南京 210008;
4. 中盐安徽红四方肥业股份有限公司, 合肥 230000;
5. 水稻生物学国家重点实验室, 中国水稻研究所, 杭州 310006
我国主要粮食作物秸秆年均产量为7.8亿t，将其合理还田不仅能够改善土壤结构、丰富土壤生物种群和培肥地力，还可降低农业化学品的投入[1-3]。但还田秸秆腐解缓慢引起的土壤整地播种质量差、当季作物产量下降等问题，在一定程度上限制了秸秆还田的应用与推广[4]。为解决上述问题，前人尝试筛选秸秆降解微生物并制成腐秆剂，企望加速秸秆腐解[5-6]。然而，在田间应用时，腐秆剂却常因功能菌存活不佳或酶活降低而导致实际效果不稳定[7-8]。
研究发现，不同腐秆剂田间施用后的促腐或增产效应也会存在显著的差异[9-10]。例如，匡恩俊等[9]研究发现鸡西市生物制剂厂腐熟剂的促腐效果显著高于上海市或东莞市生物工程公司的腐熟剂；王喜枝等[10]在河南郑州的试验也表明不同腐秆剂的增产效果不同，具体表现为微生物腐秆剂 > 有机物料腐熟剂 > 秸秆生物降解专用菌剂 > 秸秆腐熟剂。这可能是因为腐秆菌进入土壤后的存活状况会受到土壤环境的影响，不同腐秆菌会因其对使用地土壤环境的适应度差异而导致效用不同[11]。此外，腐秆剂田间促腐和增产作用之间的关系也存在争议[12-13]。例如，张莹莹和曹慧英[12]在山东齐河潮土上的试验发现，施用腐秆剂相比不施腐秆剂处理的玉米秸秆腐解率和小麦产量分别提高了18.5% 和10.7%；而杨光海等[13]指出施用腐秆剂处理下的水稻秸秆腐解率较不施腐秆剂处理提高了2.2%，但是油菜的产量却降低了0.7%。造成上述差异的原因可能是因为腐秆剂田间施用对秸秆腐解和作物产量的提升作用会受到气候类型、还田条件、秸秆种类等因素的影响[14]。安徽沿淮地区的农田多为中低产田，存在土壤物理性状差、肥力水平低等问题，因而很可能会对腐秆剂的品种有特殊需求，并对腐秆剂促腐和增产之间的关系产生影响[15]。再者，前人开展的腐秆剂田间应用研究多数仅关注于一季的结果，少有涉及年际差异方面的研究。
由上，本文利用布设于沿淮稻麦轮作区的麦秸还田定位试验，分析了秸秆还田配施不同腐秆剂对当年和次年秸秆腐解状况、水稻产量和土壤微生物量的影响，以期探明不同腐秆剂的促腐、增产效果及二者关系，初步揭示腐秆剂调控稻田秸秆腐解和水稻生产的机制。相关研究结果可为遴选适应于安徽沿淮区稻麦轮作体系的秸秆腐熟剂产品、优化秸秆还田促腐技术提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 试验地概况试验区位于安徽省霍邱县宋店乡(116°32′E，32°36′N)，地处淮河流域南岸，属北亚热带季风气候，年均气温15.4 ℃，年均降水量951.3 mm，年均积温5 623 ℃。种植制度为小麦–水稻轮作。
1.2 试验材料供试土壤：水稻土，0 ~ 15 cm土层土壤的机械组成为砂粒(2 ~ 0.05 mm)28%、粉粒(0.05 ~ 0.002 mm)37%、黏粒(< 0.002 mm)35%，土壤pH(土水比1:2.5)、有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量分别为6.05、21.3 g/kg、1.12 g/kg、112.0 mg/kg、21.2 mg/kg和180.0 mg/kg。
供试秸秆和作物：还田秸秆为小麦(周麦23号)秸秆，其碳、氮、磷、钾的含量分别为342.3、3.3、0.46和16.5 g/kg；种植作物为水稻(新两优6号)。
供试化肥和腐秆剂：氮肥选用尿素(N 46%)，磷肥选用过磷酸钙(P2O5 12%)，钾肥选用氯化钾(K2O 60%)。1号腐秆剂产自北京，主要包含枯草芽孢杆菌(2.03×108 cfu/g)、米曲霉(3.1×107 cfu/g)、黑曲霉(6.4×107 cfu/g)、白地霉(1.21×108 cfu/g)和酿酒酵母(2.7×107 cfu/g)；2号腐秆剂产自上海，其主要成分包含枯草芽孢杆菌(2.21×108 cfu/g)、嗜热脂肪地芽孢杆菌(5.4×105 cfu/g)、天青链霉菌(1.7×107 cfu/g)和白链霉菌(2.76×108 cfu/g)等4种功能菌；3号腐秆剂产自广东，其主要成分为枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和多粘芽孢杆菌等微生物。
1.3 试验设计试验采用随机区组设计，设置4个处理：在秸秆粉碎全量还田和氮磷钾优化平衡施肥的基础上，①不施腐杆剂(SF)；②施腐秆剂1号(SFD1)；③施腐秆剂2号(SFD2)；④施腐秆剂3号(SFD3)。每个处理3次重复，小区面积为24 m2。氮磷钾优化平衡施肥的施肥方案参照试验点测土配方施肥的建议，氮磷钾施用量分别为N 225 kg/hm2，P2O5 37.5 kg/hm2，K2O 67.5 kg/hm2，其中磷、钾肥做基肥一次性施入，氮肥按照基肥: 分蘖肥: 穗肥=6.3:2.3:1.3分次施用。
秸秆还田方式为粉碎(约为10 cm)全量(约为6 000 kg/hm2)翻耕还田。腐秆剂按30 kg/hm2用量均匀撒施到铺好秸秆的田内并立即翻耕。同时取出一部分秸秆烘干后截成1 ~ 3 cm段，称取20 g秸秆段均匀置于15 cm × 20 cm的200目尼龙网袋后埋入试验小区，每个生育期各取出3袋，共需48袋，竖直放置在土层中。
1.4 样品采集与测定 1.4.1 小麦秸秆累积分解率和腐解速率于水稻分蘖、拔节、抽穗和成熟期即自腐解后第60、105、115、180天分别从每个小区各随机取样3袋，取出网袋后先用自来水洗净表面粘附的泥土，再用蒸馏水冲洗3次，在60 ℃烘箱中烘干后称重，用公式(1)分别计算秸秆各时期的腐解率和全生育期的腐解率[16]。
| $ N(\%)= (M_{0}-M_{t})/M_{0}×100 $ | (1) |
式中：N为秸秆腐解率(%)；M0为原始秸秆干物质量(g)；Mt为腐解t天后的秸秆干物质量(g)。
秸秆腐解速率可通过一级动力学方程进行拟合获得[16]：
| $ N_{t}=N_{0}(1-{\rm{e}}^{-kt})$ | (2) |
式中：Nt为t天秸秆腐解率(%)；N0为秸秆的腐解潜力(%)；k为秸秆腐解速率常数；t为腐解时间(d)。
1.4.2 水稻产量及其构成因素水稻成熟时，先在各小区随机选10穴进行有效穗数、每穗粒数、结实率、千粒重以及风干籽粒含水率测定；随后，进行全区收割、脱粒和风干，得到水稻实际产量。
1.4.3 土壤微生物生物量于水稻分蘖、拔节、抽穗和成熟期，用土钻在各试验小区内按“S”法采集0 ~ 15 cm土层土壤7个点混合，去杂过筛后将一部分保存于4 ℃冰箱中用于土壤微生物性状测定。土壤微生物生物量测定采用氯仿熏蒸提取法，微生物生物量碳、氮的换算系数分别取0.38和0.45；土壤微生物生物量C/N为土壤微生物生物量碳和微生物生物量氮的比值[17]。
1.5 数据分析采用单因素方差(One-way ANOVA)和邓肯检验(Duncan test)分析不同处理对各采样期秸秆腐解率、水稻产量及其构成因素和土壤微生物生物量的影响；采用重复测量方差(Repeat-measure ANOVA)分析不同处理对秸秆腐解率与土壤微生物生物量的总体影响；采用皮尔逊相关系数(Pearson correlation coefficients)定量分析秸秆腐解率与水稻产量之间的相关关系；采用偏最小二乘法(Partial least squares, PLS)进行秸秆腐解率与土壤微生物性状的回归分析。统计分析由SPSS 21.0完成，图形绘制以及秸秆腐解过程的一级动力学曲线拟合采用Origin 9.0完成。
2 结果与分析 2.1 不同处理下小麦秸秆腐解的动态变化第一年，随着水稻的生长发育，各处理的秸秆腐解率均呈上升趋势，并表现为前期快、中期慢、后期快的规律，SF、SFD1、SFD2和SFD3处理的秸秆累积腐解率分别为55.7%、57.8%、57.3% 和58.6%(图 1A)。SFD2的腐解率在水稻前3个生育期内均为最高，其中在分蘖期同其余3个处理有显著差异(P < 0.05，图 1A)。第二年，SF、SFD1、SFD2和SFD3处理的秸秆腐解率随水稻生育期发展而不断上升，最终分别达50.8%、50.5%、52.5% 和48.7%，但各处理间差异不显著(图 1B)。
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(A.第一年秸秆腐解率；B. 第二年秸秆腐解率；图中小写字母不同表示同一生育期不同处理间差异达P < 0.05显著水平) 图 1 不同处理下秸秆腐解率的变化规律 Fig. 1 Changes of decomposition rates under different treatments |
小麦秸秆腐解率随时间的变化规律可用一级动力学方程Nt=N0(1–e–kt)进行拟合(R2≥0.80)。拟合结果显示，第一年SFD2处理的秸秆腐解速率常数(k)最高，较SF、SFD1和SFD3分别增加70.6%、262.5% 和93.3%；第二年SFD2处理下的秸秆腐解速率常数(k)较SFD1处理高19.0%，但比SF和SFD3却分别下降了9.1% 和5.7%(表 1)。
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表 1 不同处理下秸秆腐解率与还田时间关系的拟合 Table 1 Relationship fitting between decomposition rates and returning time under different treatments |
与不施腐秆剂相比，施用2号腐秆剂(SFD2)处理的两年水稻产量均有所增加(11.23%，0.54%)，而施用1号(SFD1)和3号腐秆剂(SFD3)的水稻产量却均有所下降(分别为18.12%，10.55%；4.89%，8.41%)(表 2)。第一年，SFD2处理为最高且较其他3个处理水稻产量增幅显著(P < 0.05)；第二年，SFD2处理的水稻产量较SFD1和SFD3处理分别显著增加了12.4% 和9.8%，但较对照处理无显著变化(表 2)。进一步分析不同处理的水稻产量构成因素可知，与不施腐秆剂相比，第一年施用1号腐秆剂可显著增加千粒重，施用2号和3号腐秆剂可显著增加水稻穗粒数(P < 0.05)；第二年，与不施腐秆剂相比，除2号腐秆剂外，其余腐秆剂施用均会显著降低水稻有效穗数和穗粒数(表 2)。
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表 2 不同处理对水稻产量及其构成因素的影响 Table 2 Effects of different treatments on rice yield and its components |
相关性分析表明，无论是第一年还是第二年，水稻产量与秸秆腐解速率的相关性(0.45和0.48)都明显高于其与秸秆累积腐解率的相关性(0.18和–0.05)；除水稻穗粒数和秸秆腐解速率的相关性在第二年稍高外，其余水稻产量构成因素与秸秆累积腐解率或腐解速率的相关性均较小(表 3)。
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表 3 成熟期秸秆累积腐解率和腐解速率与作物产量及其构成因素之间的相关系数 Table 3 Correlation analysis of straw cumulative decomposition rate, decomposition rate and rice yield as well as its components |
第一年，不同处理之间的土壤微生物性状差异在分蘖期最为明显（图 2A ~ 2C）。在这一时期，土壤微生物生物量碳以SFD2处理为最低，且与其他腐秆剂处理间差异显著(P < 0.05)；土壤微生物生物量氮以SF处理为最低，其与SFD2差异不大，但却与SFD1和SFD3差异显著(P < 0.05)；处理间微生物生物量C/N大小顺序为SF > SFD2 > SFD3 > SFD1，其中SF处理显著高于其他处理。第二年，不同处理的土壤微生物性状几乎在各生育期均存在显著差异（图 2D ~ 2F）。除拔节期外，其余生育期土壤微生物生物量碳均以SFD2处理为最高；微生物生物量氮仅在水稻生长前期存在显著差异(分蘖期和拔节期)，分别以SFD2和SFD3处理为最高；微生物生物量C/N各生育期变化无明显规律，分蘖期以SFD3处理最高，拔节期以SFD1处理为最高，抽穗期除SF处理较小外其余处理无显著差异，成熟期以SFD2处理为最高。
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(图A、B和C代表第一年微生物性状，图D、E和F代表第二年微生物性状；图中小写字母不同表示同一生育时期不同处理间差异达P < 0.05显著水平) 图 2 不同处理下土壤微生物性状的变化 Fig. 2 Changes of microbial characters under different treatments |
偏最小二乘法回归分析显示：秸秆降解速率主要由土壤微生物生物量C/N决定，其中第一年拔节期秸秆降解速率随C/N增大而增加，其余时期为C/N越大则秸秆降解越慢。
3 讨论 3.1 配施不同腐秆剂对还稻田麦秸腐解的影响本研究发现连续两年不同处理间秸秆腐解率差异均不显著(图 1)，这与胡宇容等[18]的结果类似，可能是因为秸秆还田后的总腐解量主要由其自身的组成与特性决定，而与降解者种群关系不大[19]。然而，不同处理的秸秆腐解速率在第一年时差异显著，SFD2处理的秸秆腐解速率最大，第二年无显著差异(图 1)。这可能是因为第一年分蘖期时SFD2的秸秆腐解量显著高于其他处理。另外，SFD1与SFD3无显著作用可能是由于该两种腐熟剂功能微生物与供试土壤性状不匹配[11]。
偏最小二乘法回归分析显示秸秆腐解速率由土壤微生物生物量碳氮比决定(表 4)，与前人研究结果一致[20]，主要是因为土壤微生物生物量碳氮比反映了土壤中微生物群落结构状况，而微生物群落恰恰是驱动外来有机物料土壤降解过程的关键因子[21-22]。研究还发现，SFD2处理的土壤微生物生物量C/N在第一年分蘖期维持在10:1左右，比较利于还田秸秆的降解(图 2)，这也可归因于前述理论[20-22]。至于2号腐秆剂的秸秆促腐功效在不同试验年度间的差异，则可能因为下述两点：一方面，年度之间气候不同，与第一年相比，第二年降雨量明显下降(其中，第一年和第二年分别为1 639 mm和1 056 mm)，旱情严重，进而导致腐秆剂在第二年时功效不显著[14, 23]；另一方面，腐秆菌进入土壤后可能会对土著微生物产生影响，而还田秸秆的降解需由外源微生物和土著菌共同作用，腐秆菌在第一年侵入对土著微生物造成的影响可能直接导致其第二年无法与土著菌“合作”促腐[24]。
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表 4 不同处理下秸秆腐解速率与土壤微生物性状的偏最小二乘法回归分析 Table 4 Partial least square regression analysis of straw decomposition rate and microbial characters under different treatments |
研究结果显示，秸秆还田配施2号腐秆剂的水稻实际产量在第一年显著高于其余3个处理并且水稻产量与秸秆腐解速率呈正相关(表 2和表 3)，故SFD2处理高产的原因是由于该处理秸秆腐解速率快。秸秆快速腐解不仅可以促进土壤结构的改善、增加土壤矿质营养元素含量，还可以提高秸秆氮的释放，缓解麦秸残体因降解“争氮”而妨碍水稻早期生长[25-26]。此外，2号腐秆剂的功能菌主要包含枯草芽孢杆菌、嗜热脂肪地芽孢杆菌、天青链霉菌和白链霉菌，以上菌株除具腐解秸秆功能外，在植物促生、抗病等方面的效果也多有报道，这或许也是水稻产量提升的原因之一[27]。
需要注意的是，试验第二年SFD2处理的水稻产量虽依然为最高但与SF处理的差异并不显著(表 2)，这与李继福等[28]江汉平原的研究结果类似。这一方面可能与外源腐秆菌在第二年没有成功加速秸秆腐解有关，另一方面则可能归因于第一年施用腐秆剂麦秸还田后使土壤C/N发生了改变，进而改变了土壤降解微生物群落的结构和功能[21-22]。至于在第二年配施1号和3号腐秆剂与不施腐秆剂的对照相比，均没有促腐效果却出现显著减产现象，可能主要因功能微生物菌株对环境中的pH、温度和通气状况等均有严格的要求，倘若环境条件与腐秆菌需求不匹配，那么其将难以存活和发挥作用[7-8]。再者，腐秆剂的作用受产品质量、区域气候、土壤环境条件以及土著微生物的影响较大，若第二年1号和3号腐秆剂中的功能菌在当年的气候环境条件下对土著微生物群落产生负面影响，进而抑制土壤养分转化，最终便会造成当季水稻的减产[10, 14, 28]。
4 结论综上可知，沿淮地区小麦秸秆促腐还稻田时，配伍主要成分包含枯草芽孢杆菌和嗜热脂肪地芽孢杆菌等腐秆剂的促腐和增产效果最佳，进一步分析得出其原因可能为该腐秆剂进入土壤后可驱动高效降解麦秸土壤微生物群落的形成，加速了秸秆腐解及其养分转化和供应。本研究结果对于沿淮地区稻麦轮作系统秸秆还田下腐秆剂的匹配具有一定的参考意义，可为该地区秸秆直接还田高效利用提供科学依据。
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2. Institute of Soil and Fertilizer, Anhui Academy of Agriculture Sciences, Hefei 230031, China;
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4. CNSG Anhui Hongsifang Co., Ltd., Hefei 230000, China;
5. State Key Laboratory of Rice Biology, China National Rice Research Institute, Hangzhou 310006, China