周柳強 ,黃美福,羅文麗,區(qū)惠平,曾 艷,黃金生,譚宏偉
(1.廣西農(nóng)科院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,南寧 530007;2.廣西農(nóng)科院甘蔗研究所,南寧 530007)
秸稈中含有豐富的營養(yǎng)元素,據(jù)相關(guān)報道表明,世界上每年大約有20億t的秸稈資源來自種植的各種谷類作物,但其中被利用的部分僅占10%左右,我國每年生產(chǎn)約7億t的秸稈,其中被利用的不足2000萬t,約97%的秸稈被焚燒、堆積或者遺棄[1-2],廣西農(nóng)業(yè)秸稈資源年理論總產(chǎn)量超過5000萬t,但綜合利用率不足30%,經(jīng)過技術(shù)處理后利用不足5%[3-4],由于稻桿的腐化速率慢,影響稻田的機耕耘耙,許多農(nóng)民在水稻收割后就地焚燒稻草秸稈,造成大量的資源浪費。因此,如何加快稻桿的腐化速率,是秸稈資源化應(yīng)用重要的科學(xué)技術(shù)瓶頸問題。國內(nèi)許多學(xué)者的研究結(jié)果表明,粉碎處理可以促進秸稈的腐解[2,5-7],填埋深度不同也影響秸稈的腐解速度[8],添加有利于秸稈腐解的微生物菌劑[9]或通過調(diào)節(jié)秸稈pH、C/N比等多種方式均可有效的促進秸稈的腐解速度[10-11];隨著水稻收割機械化的逐漸普及,秸稈粉碎已成為稻谷收獲的結(jié)果,如何加速粉碎后的秸稈的自然腐解速率,并形成有效的簡易技術(shù)向農(nóng)民推薦,是秸稈養(yǎng)分有效利用需要解決的現(xiàn)實問題,本研究對剛收獲的新鮮水稻秸稈經(jīng)人工粉碎,然后通過淋農(nóng)家肥液(自然菌劑)及添加商業(yè)的腐熟菌劑,探索水稻秸稈在自然環(huán)境下的腐解速率及養(yǎng)分釋放的影響,現(xiàn)把本研究的結(jié)果總結(jié)如下。
試驗于2012年7月—10月在廣西南寧市廣西農(nóng)科院試驗基地的水田田面上進行堆漚處理(期間田面不再進行耕作),土壤類型為第四紀紅土發(fā)育的水稻土,供試材料為收割后第2天的新鮮水稻秸稈。
秸稈堆漚腐解在密閉的尼龍濾袋中進行,尼龍網(wǎng)袋規(guī)格為60cm×100cm,孔徑200目。每個尼龍濾袋裝新鮮秸稈5kg,各處理扎好后平攤置放在水田田面上,試驗區(qū)四周開有排水溝,接受自然條件下的日曬雨淋;期間的日平均氣溫在22—29℃,極端高溫為35.5℃,極端低溫 16.8℃,降雨天數(shù)為 48d,降雨量0.5—215mm,總降雨量為848.6mm。設(shè)如下處理:CK(原狀秸稈(大約65cm))、粉碎秸稈(秸稈長度短于2cm)、粉碎秸稈+菌劑和粉碎秸稈+農(nóng)家肥。其中粉碎秸稈+菌劑處理所用腐熟劑為本地市場上隨機購買的商業(yè)有機物料腐熟劑(包裝袋上標注有效活菌數(shù)0.5億/g),每個尼龍濾袋用量為60g,兌3 kg水噴灑。粉碎秸稈+農(nóng)家肥處理所用農(nóng)家肥為普通農(nóng)家豬糞水,按豬糞水1∶5比例兌成肥水(養(yǎng)分測試結(jié)果 N 712 mg/L,P2O538mg/L,K2O 650mg/L),每個尼龍濾袋噴灑3kg肥水。CK和粉碎處理每個尼龍濾袋噴灑3 kg清水,使秸稈充分吸收水分。各處理均設(shè)3次重復(fù)。
試驗于2012年7月24日開始,分別于秸稈處理后的第 0、10、28、35、51、74 天和 91 天采集腐解袋中部秸稈樣品,測定含水量、干物質(zhì)及氮、磷、鉀養(yǎng)分含量,單位干物質(zhì)的減輕及其N、P、K養(yǎng)分總量的減少部分,均被視為秸稈被微生物所腐解后,釋放到自然環(huán)境中(加農(nóng)家肥糞水處理及添加商品菌劑所帶來的養(yǎng)分與秸稈腐解釋放的養(yǎng)分相比,數(shù)量太少,忽約不計),從而求算秸稈干物質(zhì)的腐解強度、氮、磷、鉀釋放強度及試驗期間的秸稈的腐解率。采集的秸稈樣本在采樣2h內(nèi)測定含水量,并經(jīng)110℃高溫滅菌1h后,再降溫到50—60℃抽風(fēng)干燥箱烘干24h,粉碎制樣。樣本均用H2SO4-H2O2消煮,用開氏定氮法、鉬銻鈧比色法和火焰光度法分別測定秸稈樣本中的全氮、磷、鉀養(yǎng)分含量。
腐解率(%)=(開始腐解的干物質(zhì)量-試驗結(jié)束后干
物質(zhì)量)/開始腐解的干物質(zhì)量×100 (1)腐解強度(g kg-1d-1)= 單位腐解率(g/kg)/腐解時
間(d) (2)
使用Excel進行數(shù)據(jù)計算和圖表制作,用DPS軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。
新鮮水稻秸稈,經(jīng)粉碎、粉碎+菌劑(農(nóng)家肥和商業(yè)菌種)處理后,在腐解的初期(0—10d),干物質(zhì)的平均腐解強度明顯獲得增強,腐解強度提高了13.6—46.3%,以添加商品菌劑處理的腐解強度的提高幅度最為顯著,這可能與微生物群落突然增加有關(guān),粉碎處理增加秸稈與環(huán)境的接觸面,環(huán)境微生物的侵入,亦可提高微生物群落數(shù)量。腐解10d以后,各處理平均腐解強度明顯比前期降低,以粉碎處理的降低幅度最為明顯,平均腐解強度僅為前一時期的19.8%,亦明顯低于同時期的對照處理,僅為對照處理的48.6%,這一時期的腐解強度明顯降低可能與微生物腐解過程中氮素供應(yīng)不足有關(guān);經(jīng)過35d的自然腐解后,各處理的干物質(zhì)腐解強度又明顯升高,經(jīng)粉碎、粉碎+菌劑(農(nóng)家肥和商業(yè)菌種)處理的秸稈平均腐解強度又明顯高于對照處理;在91d觀測試驗6次采樣測試獲得的數(shù)據(jù)表明,水稻秸稈的腐解強度是一種螺旋式的升高—降低—再升高—再降低并逐步降低的過程,整個試驗期間,經(jīng)粉碎、粉碎+菌劑(農(nóng)家肥和商業(yè)菌種)處理后的干物質(zhì)平均腐解強度比對照(原狀)處理提高 0.73—1.79 g kg-1d-1,提高幅度為 9.5%—23.2%。本試驗的結(jié)果說明,新鮮水稻秸稈經(jīng)粉碎、粉碎+菌劑(農(nóng)家肥和商業(yè)菌種)處理后,在腐解前期能明顯促進秸稈的干物質(zhì)腐解,經(jīng)過腐解高峰后,各處理與對照基本趨于一致。
表1 不同秸稈處理方式下水稻秸稈干物質(zhì)腐解強度的變化(g kg-1 d-1)Table 1 Rice straw decom posing intensity under different treatments
秸稈在腐解過程中,N養(yǎng)分含量基本呈初期顯著下降,然后逐步提高的趨勢;P養(yǎng)分含量初期稍下降,然后逐步提高的趨勢;而K養(yǎng)分初期稍有提高,然后逐步下降的趨勢。
新鮮水稻秸稈,經(jīng)粉碎、粉碎+菌劑(農(nóng)家肥和商業(yè)菌劑)處理后,各腐解階段的N、P、K養(yǎng)分含量均明顯高于對照處理,這可能與微生物群落數(shù)量提高有一定的關(guān)系;粉碎與粉碎+菌劑處理間的N、P、K養(yǎng)分含量差異基本不明顯。
表2 不同秸稈處理方式的不同腐解時期的秸稈養(yǎng)分含量(g/kg)Table 2 Straw nutrient content under different treatmentsin different sampling time
續(xù)表
秸稈的腐解與秸稈的C/N比有密切相關(guān),有機C的腐解是NPK養(yǎng)分腐解的基礎(chǔ)[10],有機C腐解過程中的養(yǎng)分釋放,對微生物群落的發(fā)展變化有直接的影響(圖1),不同秸稈處理后,N、P、K養(yǎng)分腐解27d內(nèi)有明顯的差異,在相同的自然環(huán)境下,粉碎處理后的秸稈,P素養(yǎng)分的腐解高峰期的腐解強度明顯受到抑制,腐解強度比對照處理降低了43.1%,但添加菌劑后,則消除了P素腐解的被抑制作用;經(jīng)粉碎、粉碎+菌劑(農(nóng)家肥和商業(yè)菌種)處理后,在整個腐解試驗期內(nèi)(91d)的N、K養(yǎng)分腐解強度普遍均高于對照處理,其中K養(yǎng)分在腐解10d內(nèi)的平均腐解強度比對照明顯提高了36.3%—62.9%。
圖1 不同處理方式對水稻秸稈養(yǎng)分腐解強度的影響Fig.1 Nutrient release of rice straw under different treatments
新鮮水稻秸稈,經(jīng)粉碎、粉碎+菌劑(農(nóng)家肥和商業(yè)菌種)處理91d后,干物質(zhì)、N、P、K養(yǎng)分的腐解率分別比對照提高 4.2%—11.5%(絕對值,下同)、10.4%—16.2%、6.8%—21.7%、12.2%—17.5%;添加菌劑后,水稻秸稈的干物質(zhì)、N、P、K養(yǎng)分腐解率亦提高了 6.3%—7.3%、1.0%—5.8%、11.6%—14.9%、2.2%—5.3%,可見粉碎和添加菌劑處理,均可促進水稻秸稈的腐解和養(yǎng)分的釋放,商品性的菌劑與自然條件下的常規(guī)菌劑(農(nóng)家肥水)對水稻秸稈腐解,本試驗條件下無明顯的優(yōu)勢。
表3 不同秸稈處理方式下水稻秸稈腐解率/%Table 3 Rice straw decom pose rate under different treatments
本試驗的結(jié)果說明,粉碎、添加自然菌劑均可以加速水稻秸稈的腐解,在91d內(nèi),粉碎的水稻秸稈,干物質(zhì)腐解率比不處理的水稻秸稈提高4.2%(絕對值,下同),N、P、K 養(yǎng)分釋放率提高10.4%、6.8%、12.2%。水稻秸稈的外部形態(tài)影響干物質(zhì)腐解量和腐解率,一方面粉碎后的秸稈總表面積增加,增大了與外界環(huán)境的的接觸面,秸稈接觸面越大,微生物繁殖生長面隨之越大,微生物數(shù)量增多,促進秸稈的腐解和養(yǎng)分的釋放;另一方面原狀水稻秸稈緊密度低,水分揮發(fā)流失快,而粉碎后的秸稈緊密度高,鎖水能力優(yōu)于原狀秸稈,腐解過程中微生物的繁殖生長需要保持一定的水分條件,水分含量低,微生物生長受阻,不利于腐解的進行和養(yǎng)分的釋放。在粉碎的基礎(chǔ)上,添加菌劑后的干物質(zhì)腐解率提高6.3%—7.3%,N、P、K養(yǎng)分釋放率提高 1.0%—5.8%、11.6%—14.9%、2.2%—5.3%。微生物對有機化合物分解起重要作用,外源微生物的加入,在適宜的條件下能增加秸稈微生物數(shù)量,而微生物分泌物是多種酶的來源,酶活性增加可加速各種物質(zhì)分解,提高干物質(zhì)腐解率和養(yǎng)分釋放率[5,8,11]。
新鮮水稻秸稈經(jīng)粉碎、粉碎+菌劑(農(nóng)家肥和商業(yè)菌種)處理后,在腐解前期能明顯促進秸稈的干物質(zhì)腐解,經(jīng)過腐解高峰后,各處理與對照基本趨于一致。水稻秸稈腐解速率總體表現(xiàn)為早期快后期慢的特點,最后趨于平穩(wěn)[9,11,14],在一些研究中,水稻秸稈的腐解高峰在腐解前15d[11]。秸稈外部形態(tài)不同,造成結(jié)果過程中的水分和微生物生長面不同,腐解前期,粉碎、粉碎+菌劑處理的秸稈在適宜的條件下促進微生物生長,加快秸稈組織結(jié)構(gòu)的破壞,易分解物質(zhì)被快速分解,腐解量明顯比原狀秸稈提高。隨著腐解的進行,一方面易分解物質(zhì)逐漸減少,粉碎、粉碎+菌劑處理的秸稈對秸稈的腐解難以有明顯的提高,另一方面,原狀秸稈的緊密度逐漸增加,水分條件逐漸轉(zhuǎn)好,對微生物的繁殖較之前有一定的促進作用,在一定程度上可促進干物質(zhì)的腐解,最后各處理間的干物質(zhì)腐解量逐漸趨于一致。
粉碎后的水稻秸稈在腐解20d內(nèi)P素養(yǎng)分的腐解高峰期的腐解強度明顯受到抑制,但添加菌劑后,則消除了P素腐解的被抑制作用;N、K養(yǎng)分腐解強度普遍均高于對照處理。在秸稈腐解過程中,微生物不斷以碳源物質(zhì)為能源,利用秸稈腐解的各種養(yǎng)分合成自身所需物質(zhì),在微生物和酶的作用下,部分氮素被分解成銨態(tài)氮或硝態(tài)氮等無機氮形式,以氣態(tài)或水溶態(tài)形式釋放[15]。粉碎、粉碎+菌劑處理在腐解前期干物質(zhì)腐解量明顯高于對照處理,提供給微生物的能源物質(zhì)增加,促進微生物生長和酶活性增加,對N素分解釋放隨之增加。秸稈中的鉀絕大部分以離子態(tài)形式存在[12],容易隨水流失,粉碎后的秸稈增大整體表面積,K更容易隨分水移動而流失。秸稈中P的腐解受酶活性影響較大,特別是磷酸酶。本試驗中,原狀秸稈P腐解強度比單純的粉碎秸稈處理高,而加入外源微生物菌劑后,P腐解強度與對照無明顯差異,可能是外源菌劑增加一定的微生物種群和數(shù)量在一定程度上提高了磷酸酶活性,但具體原因還有待進一步研究。
秸稈的腐熟需要一定特征的微生物群落,本試驗選用的腐熟菌劑可能對水稻的腐解并未形成優(yōu)勢群落,雖然能在一定程度增加秸稈干物質(zhì)腐解量和N、K的釋放,但總體效果稍差于農(nóng)家肥帶有的微生物群落,因而選用商品腐熟劑時應(yīng)對該菌落特征有所了解后慎重采用。
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