蘇 瑤，賈生強(qiáng)，2，何振超，楊艷華，2，喻 曼，陳喜靖，沈阿林，*

(1.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021； 2.浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州311300)

稻-麥輪作是我國(guó)長(zhǎng)江中下游地區(qū)主要的農(nóng)業(yè)耕作方式，隨著水稻產(chǎn)量的不斷提升，水稻秸稈量也逐年增加。據(jù)報(bào)道，2016年我國(guó)長(zhǎng)江中下游地區(qū)的水稻秸稈量約9 285萬(wàn)t[1]。水稻秸稈直接還田可有效提升土壤養(yǎng)分，是目前秸稈資源化利用的主要手段。然而，在實(shí)際生產(chǎn)中秸稈直接還田仍存在一系列問(wèn)題[2-3]：在稻-麥輪作區(qū)域，由于茬口緊，大量水稻秸稈無(wú)法及時(shí)腐解，造成下茬小麥播種質(zhì)量差，嚴(yán)重影響小麥的出苗和植根[4-5]；此外，大量秸稈還田為病原菌的休眠和繁殖創(chuàng)造了適宜的環(huán)境條件，使田間土壤病原菌數(shù)量不斷累積，導(dǎo)致小麥病害加劇，造成減產(chǎn)[6]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直致力于研發(fā)加速秸稈腐解的產(chǎn)品和技術(shù)。大量研究結(jié)果表明，秸稈腐熟劑的添加可有效增加土壤微生物量[7]，促進(jìn)秸稈較快腐解[8]，但田間使用效果不穩(wěn)定[9]。一方面，由于腐熟劑多為微生物菌劑，在秸稈腐解過(guò)程中會(huì)受周圍環(huán)境因素，包括溫度、含水量、腐熟劑用量、碳氮比(C/N)等的影響[10-11]；另一方面，當(dāng)前秸稈腐熟劑品種多，針對(duì)不同區(qū)域及秸稈類型，其腐解效果存在較大差異[12-14]。目前，關(guān)于水稻秸稈高效腐熟劑篩選及其最佳腐解條件的研究已有一些報(bào)道[7]，但這些研究主要通過(guò)傳統(tǒng)的單因素試驗(yàn)來(lái)確定最佳條件，不能很好地反映影響因子之間的相互作用對(duì)腐解效果的影響，結(jié)果可靠性較低。響應(yīng)曲面法(response surface method，RSM)作為優(yōu)化隨機(jī)過(guò)程的有效統(tǒng)計(jì)學(xué)試驗(yàn)方法，已成熟應(yīng)用于諸多復(fù)雜的反應(yīng)系統(tǒng)和工藝條件優(yōu)化，但在腐熟劑的秸稈腐解條件優(yōu)化方面應(yīng)用較少。此外，過(guò)去有關(guān)秸稈腐熟劑的應(yīng)用研究中，多以添加尿素作為調(diào)節(jié)C/N的主要方法[15]。實(shí)際上，相對(duì)于尿素而言，濃縮沼液中不僅含有氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素，還含有鈣、鎂、鐵、鋅等微量營(yíng)養(yǎng)元素，以及豐富的氨基酸、生長(zhǎng)素、維生素、植物激素等生物活性物質(zhì)[16-18]，可以縮短腐熟劑中微生物的適應(yīng)期，提高其代謝活性，進(jìn)而更有效地促進(jìn)秸稈的腐解[19-21]。然而，目前有關(guān)濃縮沼液對(duì)秸稈腐熟劑作用效果的影響及其最佳使用量等的研究還相對(duì)較少。鑒于此，本研究以水稻秸稈為研究對(duì)象，對(duì)目前市場(chǎng)上的4種秸稈腐熟劑進(jìn)行篩選，選擇腐解效果較好的腐熟劑，進(jìn)一步探究其在不同溫度、含水量，以及不同腐熟劑和濃縮沼液添加量條件下對(duì)秸稈腐解的影響，并通過(guò)RSM分析、預(yù)測(cè)腐熟劑的最佳腐解條件，以期為水稻秸稈還田的快速腐解提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用秸稈取自浙江省桐廬縣某稻田，采用抽選的方法從一片稻田中抽取適量水稻作為研究對(duì)象，其總碳、氮含量分別為392、5.08 mg·g-1，碳氮比(C/N)為77.2。待秸稈自然風(fēng)干后，剪成2～4 cm小段。

供試腐熟劑包括粗纖維降解菌劑(廣州市微元生物科技有限公司，標(biāo)記為A)、有機(jī)物料腐熟菌劑150(江蘇綠科生物技術(shù)有限公司，標(biāo)記為B)、有機(jī)物料腐熟劑(上海綠樂(lè)生物科技有限公司，標(biāo)記為C)、發(fā)酵劑(河南省沃寶生物科技有限公司，標(biāo)記為D)。

試驗(yàn)用濃縮沼液系取自浙江某養(yǎng)豬場(chǎng)膜濃縮處理后的濃縮液，其主要理化性狀如下：pH值8.25，電導(dǎo)率10.52 mS·cm-1，總氮含量4.26 mg·mL-1，總磷含量0.16 mg·mL-1，氨氮含量1.53 mg·mL-1，化學(xué)需氧量(COD)5.25 g·mL-1。

1.2 水稻秸稈高效腐熟劑篩選

在已滅菌的250 mL錐形瓶中加入秸稈5.000 0 g，然后分別加入0.05 g供試的4種腐熟劑[以不加腐熟劑的作為對(duì)照(CK)]、1.5 mL沼液，加入無(wú)菌水調(diào)節(jié)含水率至65%，用封口膜封口，置于30 ℃恒溫培養(yǎng)箱中避光培養(yǎng)一段時(shí)間(共25 d)。腐解過(guò)程中，每隔1 d通過(guò)計(jì)算質(zhì)量差補(bǔ)充水分，保持含水量。每隔5 d取樣1次，計(jì)算分析秸稈腐解率和碳氮比，不同處理每個(gè)時(shí)間點(diǎn)均設(shè)置5個(gè)重復(fù)。

1.3 高效秸稈腐熟劑腐解條件優(yōu)化

對(duì)1.2節(jié)得到的腐解效果相對(duì)較好的腐熟劑的腐解條件進(jìn)行優(yōu)化，以溫度、含水量、腐熟劑添加量、濃縮沼液添加量為試驗(yàn)因子，各因子設(shè)置3個(gè)水平，采用Design-expert 8.0.6軟件中的Box-Behnken方法進(jìn)行處理設(shè)計(jì)(表1)。各處理均設(shè)置5個(gè)重復(fù)。試驗(yàn)體系與1.2節(jié)相似，在已滅菌的250 mL錐形瓶中加入秸稈5.000 0 g，然后按照處理設(shè)計(jì)加入相應(yīng)量的腐熟劑和沼液，加入無(wú)菌水調(diào)節(jié)含水率，封口膜封口，置于相應(yīng)溫度的恒溫培養(yǎng)箱中避光培養(yǎng)。腐解過(guò)程中每隔1 d通過(guò)計(jì)算質(zhì)量差補(bǔ)充水分，保持試驗(yàn)設(shè)置的含水量。腐解25 d后，取出樣品測(cè)定秸稈腐解率。

表1 Box-Behnken設(shè)計(jì)的不同試驗(yàn)處理及其響應(yīng)值

1.4 秸稈腐解率及碳氮比測(cè)定

秸稈腐解率采用失重法測(cè)定，秸稈全碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定，總氮含量采用混合催化劑法測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

研究數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2007進(jìn)行整理，采用SPSS 20.0軟件對(duì)不同腐熟劑的腐解率及C/N結(jié)果分別進(jìn)行單因素方差分析，對(duì)有顯著差異的處理采用最小顯著差異法(LSD)進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同腐熟劑對(duì)水稻秸稈腐解的影響

圖1 不同腐熟劑對(duì)水稻秸稈腐解的影響Fig.1 Effects of different straw-decomposing inoculants on decomposition of rice straw

在溫度為30 ℃、含水量為65%、秸稈腐熟劑用量為0.05 g、濃縮沼液用量為1.5 mL的條件下，不同腐熟劑對(duì)秸稈樣品腐解的影響如圖1所示。結(jié)果顯示，秸稈在腐解第5天時(shí)，腐解率快速增加至24.8%～34.2%， C/N快速下降。隨著時(shí)間推移，腐解速率逐漸變慢。這主要是因?yàn)榻斩捴写罅恳追纸獾挠袡C(jī)物，包括淀粉、蔗糖、低聚糖、果糖和氨基酸等，在前期被微生物快速礦化分解[22-23]；而秸稈中的慢分解碳組分，如半纖維素、纖維素、木質(zhì)素和多酚類等，雖然也能夠被微生物代謝利用，但在較短的時(shí)間內(nèi)無(wú)法實(shí)現(xiàn)礦化[24]。相較于不添加腐熟劑的處理，4種腐熟劑的添加均大幅提高了秸稈的腐解率。腐解至25 d，添加腐熟劑的各處理組對(duì)秸稈的腐解率均極顯著(P<0.01)高于CK，分別高出14.44、11.67、11.33、10.86個(gè)百分點(diǎn)，表明試驗(yàn)選用的腐熟劑均能有效提高水稻秸稈的腐解率。

對(duì)比不同腐熟劑對(duì)秸稈的腐解效果，結(jié)果顯示，秸稈腐解至第5天時(shí)，腐熟劑A～D對(duì)秸稈的腐解率依次為33.1%、26.6%、31.8%和34.2%，其中，腐熟劑A、C和D處理組的腐解率顯著(P<0.05)高于腐熟劑B，表明腐熟劑A、C、D相對(duì)于腐熟劑B而言，能在添加后快速實(shí)現(xiàn)水稻秸稈的腐解。腐解至25 d時(shí)，4種腐熟劑添加后的水稻秸稈腐解率之間無(wú)顯著差異，但添加腐熟劑A處理的水稻秸稈C/N顯著(P<0.05)低于其他3個(gè)腐熟劑處理，表明腐熟劑A的添加更有利于水稻秸稈后期的腐熟。因此，綜合考慮選擇腐熟劑A用于后續(xù)秸稈腐解條件的優(yōu)化分析。

2.2 響應(yīng)曲面分析

選擇秸稈腐解的溫度、含水量、濃縮沼液添加量、腐熟劑添加量4個(gè)因子，采用Box-Behnken進(jìn)行處理設(shè)計(jì)，得到各處理的秸稈腐解率為13.62%～54.55%(表1)。通過(guò)多項(xiàng)式回歸分析，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，建立秸稈腐解的模型方程如下：

R=-56.276 83+3.675 37A+1.140 33B+6.298 67C-66.583 33D+0.008 03AB-0.062AC+9.76AD+0.043 067BC+2.166BD+14.433 33CD-0.088 460A2-0.008 295 6B2-2.388 22C2-2 032.9D2，

(1)

式(1)中：R為秸稈腐解率(%)，A為溫度(℃)，B為含水量(%)，C為濃縮沼液添加量(mL)，D為腐熟劑添加量(g)。

對(duì)模型方程進(jìn)行方差分析，P<0.01，表明本試驗(yàn)所選用的模型與實(shí)測(cè)值間能較好吻合(表2)。模型方程失擬項(xiàng)對(duì)應(yīng)的F值為0.9，P值大于0.05，說(shuō)明所得的模型方程對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合度較好，可用此模型來(lái)分析和解釋本試驗(yàn)中所選影響因子對(duì)秸稈腐解率的影響。模型方程的決定系數(shù)(R2)值為0.935，說(shuō)明有93.5%的秸稈腐解率變異分布在所研究的4個(gè)因子中，總變異中僅有6.5%不能由模型來(lái)解釋；相關(guān)系數(shù)r為0.967，表明實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值之間的相關(guān)性較高，誤差較小。

模型的極顯著項(xiàng)(P<0.01)有溫度、含水量和腐熟劑添加量的線性項(xiàng)和平方項(xiàng)，以及濃縮沼液添加量的平方項(xiàng)；方程中的不顯著項(xiàng)(P>0.05)有濃縮沼液添加量的線性項(xiàng)，以及除溫度與腐熟劑添加量的交叉項(xiàng)以外的所有兩因子交叉項(xiàng)。回歸方程中具有多個(gè)顯著性平方項(xiàng)，說(shuō)明響應(yīng)值與4個(gè)因素之間具有明顯的非線性關(guān)系。

對(duì)式(1)進(jìn)行分析可知，當(dāng)溫度、含水量分別為29.6 ℃和90%，腐熟劑和濃縮沼液添加量分別為0.10 g和2.05 mL時(shí)，25 d時(shí)秸稈的腐解率達(dá)到最大值，約為63.25%。

以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，通過(guò)Design-expert 8.0.6軟件繪制秸稈腐解率與各因素的響應(yīng)曲面(圖2)。秸稈腐解率隨溫度、腐熟劑添加量和含水量的增加而增加。但當(dāng)濃縮沼液添加量增加時(shí)，秸稈腐解率隨溫度的增加先增加后降低，原因可能是較高的溫度容易引起濃縮沼液中氨氮的揮發(fā)，造成氮素?fù)p失，進(jìn)而不能保障微生物在秸稈碳組分分解過(guò)程中對(duì)氮的需求。隨著腐熟劑和濃縮沼液添加量的增加，秸稈腐解率亦呈現(xiàn)先緩慢增加后降低的變化規(guī)律。這可能是由于濃縮沼液自身含有一定量的有機(jī)質(zhì)[25]，當(dāng)秸稈中的易分解碳組分被微生物利用后，濃縮沼液中的有機(jī)質(zhì)亦可為這類微生物提供碳源，促進(jìn)其生長(zhǎng)代謝[26]，但卻對(duì)腐熟劑中具有分解纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等秸稈有機(jī)碳組分的微生物的生長(zhǎng)代謝產(chǎn)生了負(fù)面影響，進(jìn)而降低了秸稈最后的腐解率。

表2 回歸模型的方差分析

圖2 兩因素交互作用下秸稈腐解率的響應(yīng)曲面分析Fig.2 Response surface plots showing effects of pairwise interaction of factors on decomposition rate of rice straws

2.3 模型驗(yàn)證與預(yù)測(cè)

使用Design-expert 8.0.6軟件的優(yōu)化功能得到腐熟劑A的秸稈腐解最佳條件：溫度29.6 ℃，含水量90%，腐熟劑添加量0.10 g(相對(duì)秸稈質(zhì)量的比例為2.0%)，濃縮沼液添加量2.05 mL(濃縮沼液氮添加量相對(duì)秸稈質(zhì)量的比例為0.17%)，預(yù)測(cè)此條件下水稻秸稈25 d時(shí)的最大腐解率為63.25%。為了驗(yàn)證模型方程的有效性，在優(yōu)化條件下進(jìn)行秸稈腐解驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。秸稈腐解率隨時(shí)間的延長(zhǎng)而升高，25 d時(shí)秸稈腐解率達(dá)62.87%，與預(yù)測(cè)值較為接近，表明試驗(yàn)結(jié)果與模型預(yù)測(cè)較為吻合。陳帥等[11]采用單因素試驗(yàn)研究結(jié)果顯示，水稻秸稈腐解的適宜條件為溫度30 ℃、含水量80%、尿素用量和腐熟劑添加量分別為秸稈質(zhì)量的1.0%和1.0%，在該條件下，25 d時(shí)的秸稈腐解率最高可達(dá)40.73%，低于本研究所得最佳條件下的秸稈腐解率。這可能是由于相較于尿素，濃縮沼液中豐富的養(yǎng)分、氨基酸、腐殖酸等生物活性物質(zhì)能更有效地促進(jìn)和保障腐熟劑中功能微生物的生長(zhǎng)和代謝，進(jìn)而提高秸稈的腐解率。由此可見(jiàn)，利用濃縮沼液作為秸稈腐解的外源氮，有助于加速還田秸稈的腐解。

圖3 水稻秸稈腐熟率隨腐解時(shí)間的變化Fig.3 Dynamics of rice straw decomposition rate

三角形所在的點(diǎn)分別表示溫度為2、9、14 ℃對(duì)應(yīng)的秸稈腐解率。△ represented decomposition rate of rice straw at the temperature of 2， 9， 14 ℃.圖4 水稻秸稈腐熟率隨溫度的變化Fig.4 Variation of decomposition rate of rice straws at different temperatures

相較于外源氮的選擇，在實(shí)際的田間應(yīng)用中，溫度條件較難控制。假設(shè)其他因素均在秸稈腐解的最佳條件，模擬不同溫度下添加腐熟劑后25 d水稻秸稈的腐解率(圖4)，結(jié)果顯示：當(dāng)氣溫在3 ℃以下時(shí)，水稻秸稈25 d后腐解率基本為0；溫度高于3 ℃，隨溫度增加，秸稈腐解率快速上升；當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò)29.6 ℃后，秸稈腐解率隨溫度上升逐漸降低。該結(jié)果對(duì)于實(shí)際秸稈還田具有一定的指導(dǎo)意義。以浙江稻-麥種植區(qū)域?yàn)槔?，由于不同水稻品種的熟期差異及雨天的影響，水稻收獲時(shí)間有較大的跨度，從10月上旬到12月初不等[27]，這將直接影響水稻秸稈在田間的腐解程度，進(jìn)而影響下茬作物小麥的播種與生長(zhǎng)。以嘉興為例，氣相資料顯示，2017年10—12月的平均氣溫分別為14、9、2 ℃，根據(jù)模型預(yù)測(cè)結(jié)果，在最佳腐熟劑、濃縮沼液添加量及含水量條件下，水稻秸稈還田25 d后的腐解率分別為41.6%、25.5%和0?？梢?jiàn)，若將水稻收獲期提前至10月，則還田的水稻秸稈可在25 d內(nèi)實(shí)現(xiàn)大部分腐解，有效減少對(duì)麥播及小麥生長(zhǎng)的不利影響。因此，在推進(jìn)該區(qū)域的水稻秸稈還田時(shí)，除了進(jìn)一步開發(fā)適宜低溫條件的秸稈高效腐熟劑外，還可結(jié)合水稻種植品種的調(diào)整，為秸稈腐熟提供較佳的環(huán)境條件，進(jìn)而保障秸稈的有效腐解。

3 結(jié)論

本研究使用4種腐熟劑進(jìn)行處理，其中腐熟劑A(粗纖維降解菌劑)有利于水稻秸稈前期的快速腐解及后期的腐熟，具有相對(duì)較好的水稻秸稈腐解效果。采用Box-Behnken設(shè)計(jì)和響應(yīng)曲面法分析得到腐熟劑A的最優(yōu)腐解條件：溫度29.6 ℃，含水量90%，腐熟劑和濃縮沼液氮添加量分別為秸稈質(zhì)量的2.0%和0.17%，利用模型方程計(jì)算得到25 d時(shí)秸稈最佳腐解率的預(yù)測(cè)值為63.25%，與試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果62.87%基本吻合。鑒于溫度對(duì)秸稈腐熟有較大影響，為更好地提高秸稈腐解速率，推進(jìn)水稻秸稈還田技術(shù)的廣泛應(yīng)用，可適當(dāng)考慮通過(guò)調(diào)整水稻種植品種、縮短水稻熟期來(lái)確保秸稈還田后具有相對(duì)較高的環(huán)境溫度，以保障還田秸稈的高效腐解。