耿啟明,黃永文,陳芳清

(1.湖北省正江環(huán)?？萍加邢薰?研究生工作站/三峽大學，湖北 宜昌 443002；2.湖北省三峽地區(qū)生態(tài)保護與治理國際合作研究中心/三峽大學，湖北 宜昌 443002)

水稻是我國主要的糧食作物，占我國農(nóng)作物產(chǎn)量的36%以上，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有舉足輕重的地位[1]。我國超過30%的水稻田因土壤肥力的不足或失衡而減產(chǎn)，水稻田土壤肥力是限制我國水稻產(chǎn)量的關鍵因素[2]。孟賜福[3]通過對我國近30 a典型水稻田土壤肥力特征研究發(fā)現(xiàn)，常規(guī)條件下，早稻、晚稻和單季稻產(chǎn)量與土壤肥力呈顯著正相關，提高與增強水稻田的土壤肥力對于水稻的增產(chǎn)與穩(wěn)產(chǎn)起著至關重要的作用。秸稈還田和增施農(nóng)家肥可以有效增加土壤有機質含量，改善土壤理化性狀，提高作物產(chǎn)量和改善作物品質，被認為是一種有效的農(nóng)田培肥措施，也是一種經(jīng)濟且可持續(xù)的秸稈資源利用方式[4-6]。然而，由于秸稈還田降解速率慢，以及秸稈還田和增施農(nóng)家肥均存在為病蟲提供寄生來源、產(chǎn)生與排放大量溫室氣體等問題，其應用受到了一定程度的限制[7-9]。

將秸稈與農(nóng)家肥混合進行厭氧發(fā)酵，生產(chǎn)用于田間施用的有機肥，既能協(xié)調(diào)發(fā)酵過程中碳、氮元素的含量和比例，促進秸稈的降解，提高肥料的營養(yǎng)成分含量，還能通過營造的無氧環(huán)境，殺滅秸稈和農(nóng)家肥中所寄生的病蟲[10]，是一種現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)所提倡的水稻田肥力補充的辦法。秸稈與農(nóng)家肥混合厭氧發(fā)酵一般使用沼氣池和工業(yè)發(fā)酵罐的方法進行。其中，工業(yè)發(fā)酵罐的方法生產(chǎn)速率快，但是投入高，經(jīng)濟效益不理想，而沼氣池方法雖然投入相對較低，但生產(chǎn)速率慢[11-12]。同時，這2種方法還存在運輸成本高、出渣難、發(fā)酵液易造成環(huán)境污染等問題[11-12]。上述問題的存在較大程度地限制了沼氣池和工業(yè)發(fā)酵罐方法在較大范圍的推廣與應用。日本名城大學田村廣人教授開發(fā)出在農(nóng)閑季節(jié)，利用水稻田的土壤與水稻秸稈混合厭氧發(fā)酵直接生產(chǎn)生物甲烷的技術[13]，簡稱GET(Methane gas as renewable energy at rice fields tian)技術。該技術是在水稻收割后，將水稻秸稈夾雜農(nóng)田土壤中，分層堆積成壟，然后用特制薄膜覆蓋，再通過水淹基部土壤創(chuàng)造無氧環(huán)境，使堆積的秸稈進行發(fā)酵分解，產(chǎn)生生物甲烷，最后加以收集與利用。該技術既能把秸稈轉換為無害的生物燃料，減少溫室氣體排放，又能改善土壤結構，增強土壤肥力，還能通過厭氧發(fā)酵殺死秸稈中的病原蟲卵，避免秸稈還田引起稻田病蟲害的發(fā)生。由于該技術減少了其他秸稈發(fā)酵技術中所需的秸稈與有機肥的運輸、發(fā)酵廢渣的清理環(huán)節(jié)，被認為是一種水稻秸稈的無害化生態(tài)利用方式，具有較好的應用前景。目前，僅日本利用GET技術進行了使用單一水稻秸稈生產(chǎn)生物甲烷與改善土壤肥力的研究[13]，尚未見有利用GET技術進行水稻秸稈與農(nóng)家肥混合發(fā)酵，生產(chǎn)生物甲烷與改善土壤肥力的研究。鑒于此，在休耕期開展了基于GET技術，將水稻秸稈與牛糞、豬糞混合厭氧發(fā)酵，生產(chǎn)生物甲烷、改善稻田土壤肥力的試驗，研究農(nóng)家肥種類、水稻秸稈施用量、農(nóng)家肥與水稻秸稈配比(質量比)對土壤肥力的影響，以期為GET技術在我國的推廣應用提供理論依據(jù)和技術參考。

1 材料和方法

1.1 試驗樣地與材料

試驗在湖北宜昌農(nóng)科院枝江試驗站(34°34′N、110°48′E)進行。所用試驗地為該試驗站的標準農(nóng)田，面積960 m2。試驗用的水稻秸稈和農(nóng)家肥來自于試驗田與周圍養(yǎng)殖場，其中，農(nóng)家肥試驗前均進行去雜處理。各種試驗材料的基本特性見表1。供試水稻田土壤基本農(nóng)化性狀：pH 值5.93～6.20、全氮含量 2.21 g/kg、全磷含量 0.96 g/kg、有機質含量 19.31 g/kg。

表1 試驗材料的基本特性Tab.1 Basic properties of tested substance

1.2 田間試驗設計

試驗單元為壟，每壟面積為14 m2(長7 m×寬2 m)。包括水稻秸稈施用量和農(nóng)家肥類型2個試驗因子。其中，農(nóng)家肥有牛糞、豬糞2種當?shù)爻Ｒ姷念愋?。每種農(nóng)家肥類型分別設置了120、100、80、70 kg/壟4個處理水平。相關研究認為，水稻秸稈與農(nóng)家肥配比(質量比)在1∶1左右時，無氧發(fā)酵產(chǎn)生物甲烷效果最佳[14]。本試驗在各農(nóng)家肥類型中，對應地設置了125、100、85、70 kg/壟4個水稻秸稈施用量處理水平，同時在每個秸稈施用量處理水平分別設置了不添加農(nóng)家肥的僅水稻秸稈發(fā)酵處理。每個處理4個組合各3個重復，共計36個組合(表2)。另外，為了與不進行GET試驗的農(nóng)田土壤進行比較，還調(diào)查、取樣了未施用秸稈與農(nóng)家肥的稻田土壤，作為整體試驗的對照(CK)。將上述各處理的水稻秸稈與農(nóng)家肥均勻混合后，分3層進行堆積，每層間隔有5～10 cm厚的水稻田土壤，壟高約40 cm。成壟后覆蓋試驗膜并灌水，使田間水淹深度在20～30 cm，以保證試驗期間的厭氧環(huán)境。整個試驗持續(xù)90 d(2017年10月29日—2018年1月26日)。GET發(fā)酵試驗結束后，將每個試驗單元平均劃分成3等份，每等份區(qū)間內(nèi)隨機選取1點，以環(huán)刀采取0～40 cm的土柱作為試驗樣品，帶回實驗室處理分析。每個試驗單元共采集3份樣品，總計111份樣品。

表2 農(nóng)家肥與水稻秸稈不同配比發(fā)酵基質的全氮、全磷、有機質含量Tab.2 Contents of total nitrogen, total phasphorus and organic matter in fermentation substance with different proportions of livestock manure and rice straw

1.3 測定方法

豬糞、牛糞各稱取5 g，均勻平攤，自然風干后測定其干物質含量；水稻秸稈剪碎呈3 cm小段，稱取5 g放入鋁盒內(nèi)，105 ℃烘干24 h，測定其干物質含量。將豬糞、牛糞和所采集的土壤樣品去雜處理后，經(jīng)自然風干研磨過篩，然后進行有機質、全氮、全磷含量測定；水稻秸稈剪碎烘干后，研磨過篩進行有機質、全氮、全磷含量測定。其中，有機質含量采用重鉻酸鉀容量法測定，全氮、全磷含量采用San++流動分析儀測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

以每個試驗單元為統(tǒng)計分析單位，以不同農(nóng)家肥類型、水稻秸稈施用量為變量，以土壤全氮、全磷、有機質含量為因變量，用統(tǒng)計軟件SPSS 22.0進行多因素方差分析，分析農(nóng)家肥類型、水稻秸稈施用量以及水稻秸稈施用量與農(nóng)家肥類型交互作用對土壤肥力的影響。當多因素方差分析顯示各影響因子及其交互作用對土壤肥力的影響達到顯著水平時，再進行單因子方差分析，并進行多重比較，分析各因子各處理水平之間的差異顯著性，研判各種農(nóng)家肥與水稻秸稈的最優(yōu)配比。

2 結果與分析

2.1 各試驗因子對GET技術應用中土壤肥力的影響

如表3所示，多因素方差分析顯示，農(nóng)家肥類型和水稻秸稈施用量對土壤有機質含量均有極顯著影響(P<0.01)，水稻秸稈施用量對土壤全磷含量有顯著影響(P<0.05)，農(nóng)家肥類型與水稻秸稈施用量的交互作用對土壤全磷、全氮含量均有極顯著影響(P<0.01)。

表3 農(nóng)家肥類型、水稻秸稈施用量及其交互作用對土壤肥力的影響Tab.3 Effects of livestock manure type, rice straw application quantity, and the interaction between the two on soil fertility

2.2 農(nóng)家肥類型對GET技術應用中土壤肥力的影響

如圖1所示，GET技術的應用能顯著改善土壤肥力，其中，對土壤有機質含量的增加效應達到顯著水平，水稻秸稈、牛糞+水稻秸稈、豬糞+水稻秸稈3個處理的土壤有機質含量分別比對照增加109.27%、152.39%、171.76%。各處理中，以豬糞+水稻秸稈的土壤有機質含量最高，其土壤有機質含量比牛糞+水稻秸稈、水稻秸稈分別提高7.67%、29.86%,表明GET技術應用中，豬糞對土壤有機質含量的提升效果最好。農(nóng)家肥類型對土壤全氮、全磷含量無顯著影響，但水稻秸稈、牛糞+水稻秸稈、豬糞+水稻秸稈3個處理在一定程度上增加了土壤全氮、全磷含量。其中，水稻秸稈、牛糞+水稻秸稈、豬糞+水稻秸稈處理土壤全氮含量與對照相比，分別增加35.72%、18.62%、30.08%；水稻秸稈、牛糞+水稻秸稈、豬糞+水稻秸稈處理土壤全磷含量與對照相比，分別增加59.97%、51.58%、49.11%。

不同字母表示同一指標在不同處理之間差異顯著(P<0.05)，下同

2.3 水稻秸稈施用量對GET技術應用中土壤肥力的影響

如圖2所示，GET技術應用中的水稻秸稈施用量對土壤全磷、有機質含量的影響達顯著水平。水稻秸稈施用量70、85、100、125 kg/壟處理水平的土壤有機質含量分別比對照增加了135.94%、136.31%、146.81%、156.15%，水稻秸稈施用量70、85、100、125 kg/壟處理水平的土壤全磷含量分別比對照增加了43.23%、46.79%、63.52%、71.12%。而水稻秸稈施用量100、125 kg/壟的土壤全氮、全磷、有機質含量均差異不顯著，表明水稻秸稈施用量增加到一定水平后，土壤有機質含量不再增加。隨著水稻秸稈施用量的增加，能一定程度增加土壤全氮含量，但是各處理之間的差異不顯著。70、85、100、125 kg/壟處理水平的土壤全氮含量分別比對照增加7.64%、11.11%、14.62%、24.70%。

圖2 水稻秸稈施用量對土壤肥力的影響 Fig.2 Effects of rice straw application quantity on soil fertility

2.4 農(nóng)家肥+水稻秸稈配比對GET技術應用中土壤肥力的影響

2.4.1 牛糞+水稻秸稈配比對土壤肥力的影響 如圖3所示，土壤全氮、全磷、有機質含量均以牛糞+水稻秸稈配比120∶125處理水平最高，其后依次為100∶100、80∶85、70∶70、對照。其中，牛糞+水稻秸稈配比120∶125、100∶100、80∶85、70∶70 處理水平的土壤有機質含量分別比對照高174.90%、149.90%、147.88%、136.88%，土壤全磷含量分別比對照高75.81%、65.74%、20.49%、11.46%，土壤全氮含量分別比對照高30.63%、24.42%、14.91%、6.95%。

圖3 牛糞+水稻秸稈配比對土壤肥力的影響 Fig.3 Effects of cow dung and rice straw ratio on soil fertility

2.4.2 豬糞+水稻秸稈配比對土壤肥力的影響 如圖4所示，豬糞+水稻秸稈配比對土壤全磷、有機質含量均有顯著影響。土壤全磷、有機質含量均以豬糞+水稻秸稈配比120∶125處理水平最高，其后依次為100∶100、80∶85、70∶70處理水平。豬糞+水稻秸稈配比120∶125、100∶100、80∶85、70∶70各處理水平的土壤有機質含量分別比對照高181.15%、176.71%、165.06%、164.09%，土壤全磷含量分別比對照高65.51%、58.22%、51.63%、36.23%。豬糞+水稻秸稈配比各處理水平對土壤全氮含量無顯著影響，但土壤全氮含量隨著豬糞+水稻秸稈質量的增加而增加。豬糞+水稻秸稈配比120∶125、100∶100、80∶85、70∶70各處理水平的土壤全氮含量比對照分別高27.91%、24.03%、11.26%、9.10%。

圖4 豬糞+水稻秸稈配比對土壤肥力影響Fig.4 Effects of pig manure and rice straw ratio on soil fertility

3 結論與討論

GET技術的應用在獲得生物甲烷這一清潔能源的同時，還能有效提升水稻田的土壤肥力。本試驗中，不同農(nóng)家肥類型各處理水平的土壤有機質、全氮、全磷含量均高于對照，其中，土壤有機質含量的增加效應達到顯著水平，水稻秸稈、牛糞+水稻秸稈、豬糞+水稻秸稈處理的土壤有機質含量相比對照增加109.27%～171.76%。GET技術的應用對土壤肥力的提升首先源自于無氧發(fā)酵基質中農(nóng)家肥所含有的營養(yǎng)養(yǎng)分，但由于不同農(nóng)家肥營養(yǎng)物質含量不同，對土壤養(yǎng)分的直接貢獻有較大的差異[15]。本試驗所采用的2種農(nóng)家肥中，有機質含量以牛糞較高、豬糞較低，全氮、全磷含量均以豬糞較高、牛糞較低。農(nóng)家肥養(yǎng)分含量的差異直接導致不同農(nóng)家肥類型各處理之間的土壤養(yǎng)分含量有較大差異，并均高于對照。關于農(nóng)家肥改善農(nóng)田肥力，以及不同農(nóng)家肥增肥效應的差異，目前已有較為充分的報道，如陳貴等[16]研究發(fā)現(xiàn)，施用等量豬糞對土壤全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量的增加程度高于牛糞，土壤有機質含量增幅差異相對較小。姜麗娜等[17]研究發(fā)現(xiàn)，由于豬糞的氮、磷、鉀含量較高，牛糞的有機質含量較高，氮、磷、鉀含量較低，從而導致施用豬糞對土壤肥力的提升效果好于牛糞。在施用豬糞時，由于其氮的緩釋性，會在較長時間內(nèi)增加土壤氮含量[18]，更有助于作物增產(chǎn)。

GET技術應用中，不同農(nóng)家肥類型各處理水平土壤有機質、全氮、全磷含量的差異，還與水稻秸稈在無氧發(fā)酵過程中的降解和營養(yǎng)物質的釋放有關。由于GET技術營造了無氧環(huán)境，水稻田土壤和農(nóng)家肥所含有的促進水稻秸稈分解和轉換生物甲烷的微生物群落得以快速增長，促進了水稻秸稈的降解和營養(yǎng)物質的釋放。GET技術應用中，水稻秸稈在農(nóng)閑期間的降解率一般可以達到53.92%以上[13]，遠高于水稻秸稈的直接還田。在水稻秸稈降解過程中，半纖維素、纖維素等易降解的成分可以在相對較短的時間內(nèi)得以分解，而木質素等難降解的成分則需要經(jīng)歷較長時間才能完成[19]。由于農(nóng)閑時間的限制，即使是在GET技術所營造的無氧條件下，單位面積土地上水稻秸稈的降解量還是有限。本試驗中，當水稻秸稈施用量達到100 kg/壟以上時，土壤肥力的增加效應就不再明顯。表明水稻秸稈施用量超過該值時，水稻秸稈的降解量不再增加。單位面積土地內(nèi)水稻秸稈降解量的受限，主要是因為水稻秸稈厭氧發(fā)酵進程與發(fā)酵體微生物群落形成和發(fā)育密切相關[20-22]。相關研究表明，發(fā)酵體微生物群落的形成與發(fā)育與發(fā)酵基質的碳氮比密切相關，比較理想的碳氮比為25∶1[23]。由于水稻秸稈的氮含量較低，隨著施用量的增加，發(fā)酵體系內(nèi)碳含量不斷增加，當超過一定閾值時，微生物群落的形成與發(fā)育反而會受到影響，并進一步影響到水稻秸稈的降解。

王艷芹等[19]研究發(fā)現(xiàn)，施用牛糞可有效提高秸稈纖維素降解率，并在牛糞+玉米秸稈配比為1∶1時達到最高。艾平等[24]研究發(fā)現(xiàn)，豬糞與秸稈混合可有效促進秸稈降解，且在豬糞+水稻秸稈配比為1∶1時降解率最高。本試驗中，豬糞全氮含量較高，達到21.00 g/kg，施用豬糞+水稻秸稈后土壤全氮、全磷、有機質含量相比對照分別增加30.08%、49.11%、171.76%。牛糞的全氮含量17.80 g/kg，相對較低，施用牛糞+水稻秸稈后土壤全氮、全磷、有機質含量相比對照分別增加18.62%、51.58%、152.39%。因此，牛糞+水稻秸稈不同配比對土壤肥力的促進潛力低于豬糞+水稻秸稈。

利用GET技術，將水稻秸稈和農(nóng)家肥混合發(fā)酵生產(chǎn)生物甲烷，可獲得可再生能源，并能減少因秸稈還田和農(nóng)家肥直接施用造成的溫室氣體排放和病蟲害發(fā)生的危險，還可有效增加土壤肥力、改善土壤質量。本研究結果顯示，利用農(nóng)家肥與水稻秸稈混合厭氧發(fā)酵生產(chǎn)生物甲烷的過程中，農(nóng)家肥和水稻秸稈的配合使用能有效提高土壤肥力，在所設定的農(nóng)家肥與水稻秸稈的配比中，以農(nóng)家肥∶水稻秸稈120∶125對土壤肥力的增加效果較好。