李 磊，陳守保，孫小玉，甄 靜，李冠杰，岳丹丹，寧 萌慕 琦，楊金星，陳國(guó)參，高丁石，王繼雯

（1河南科學(xué)院生物研究所有限責(zé)任公司，鄭州 450008；2河南省微生物工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450008；3鄭州市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技服務(wù)中心，鄭州 450000；4河南省滑縣農(nóng)業(yè)局，河南滑縣 456400）

0 引言

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，中國(guó)農(nóng)作物的產(chǎn)量大幅提高，秸稈的產(chǎn)量也水漲船高[1]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，秸稈是成熟農(nóng)作物被收獲果實(shí)籽粒后主要由莖、葉組成的剩余部分，包含著農(nóng)作物大量的光合產(chǎn)物，富含N、P、K、Ca 等多種營(yíng)養(yǎng)元素以及大量的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等生物大分子[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)每年產(chǎn)生超8 億t 的秸稈[3]，主要農(nóng)作物秸稈資源豐富[4]。目前，秸稈還田的方式主是直接還田（高茬還田、覆蓋還田、粉碎還田、焚燒還田）和間接還田[5-6]（堆肥或使用微生物菌劑）。秸稈直接還田會(huì)導(dǎo)致前茬作物致病菌誘發(fā)的再生病害；秸稈腐解較慢會(huì)影響下茬作物的出芽率以及根系和幼苗的生長(zhǎng)；除此以外，秸稈直接還田后參與腐解秸稈的微生物還可能導(dǎo)致土壤微生物與種植作物進(jìn)行氮源競(jìng)爭(zhēng)，造成下茬作物營(yíng)養(yǎng)供給不足，嚴(yán)重時(shí)造成黃苗、弱苗[7]，甚至減產(chǎn)。在國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展的今天，人們?cè)絹?lái)越重視經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速發(fā)展與保護(hù)自然環(huán)境之間的矛盾，生態(tài)農(nóng)業(yè)和綠色農(nóng)業(yè)成為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。科學(xué)技術(shù)的發(fā)展給農(nóng)業(yè)廢棄物的處理帶來(lái)了全新思路，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的實(shí)踐進(jìn)程，同時(shí)也使促腐菌劑受到了廣泛關(guān)注。大量的研究表明[8-9]，施用促腐菌劑可以有效避免上述情況的發(fā)生。秸稈促腐菌劑是一種富含高效微生物的菌系，施加在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢棄物上，能促進(jìn)農(nóng)業(yè)廢棄物快速腐解，加速秸稈的腐熟，不但能減輕上茬秸稈過(guò)多帶給下茬作物的負(fù)擔(dān)，還能有效可以提高土壤肥力[10]、改善土壤理化性質(zhì)[11]，提高作物產(chǎn)量[12]。李錄久等[13]使用秸稈腐熟劑對(duì)水稻秸稈進(jìn)行還田使水稻產(chǎn)量最高增產(chǎn)了41.9%。楊曉燕等[14]的研究表明，使用小麥秸稈腐熟劑后不僅使小麥秸稈的降解率提高了7.63%，土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別增加6.15%、5.04%、10.16%和5.33%而且在還田基礎(chǔ)上種植的白菜各項(xiàng)指標(biāo)也有明顯提升。李文紅等[15]研究表明，施用秸稈腐熟劑處理玉米秸稈后，‘鄭麥7698’和‘徐麥33’分別平均增產(chǎn)40.05%和26.27%。

目前，在河南原陽(yáng)地區(qū)為小麥和水稻輪作（前茬為小麥）。通過(guò)施用促腐菌劑降解小麥秸稈來(lái)增加土地肥效，增加水稻產(chǎn)量對(duì)本地發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)有積極意義，同時(shí)也為全國(guó)有相同輪作方式的地區(qū)提供了借鑒。因此，河南省科學(xué)院生物研究所有限責(zé)任公司研制了一種新型快速秸稈還田促腐菌劑，并研究了該促腐菌劑對(duì)小麥秸稈還田在水稻田間的最佳施用劑量和增產(chǎn)效果，以期對(duì)秸稈速腐劑的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2018年6月7日在河南省新鄉(xiāng)原陽(yáng)縣太平鎮(zhèn)菜吳村旺盛合作社試驗(yàn)田進(jìn)行。其四周交通便利、易于觀察與管理，田塊的面積在50 hm2以上，輪廓方正、地勢(shì)平坦、且肥力均勻。周圍農(nóng)業(yè)設(shè)施完備，排灌方便、種植生產(chǎn)水平較高，田塊的前茬作物一致。

試驗(yàn)地的土壤類型為壤土。耕層土壤的養(yǎng)分如下：有機(jī)質(zhì)3.16%、堿解氮70 mg/kg、速效磷31.86 mg/kg、速效鉀190 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)材料

供試作物為水稻，品種：‘稻鰍1 號(hào)’，試驗(yàn)地前茬作物為小麥，品種‘鄭麥369’，產(chǎn)量約9000 kg/hm2，前茬小麥秸稈深耕還田。

新型秸稈還田促腐菌劑（粉劑），產(chǎn)品含有地衣芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌、黑曲霉，有效活菌數(shù)≥5×108CFU/g，由河南省科學(xué)院生物研究所有限責(zé)任公司提供。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 在常規(guī)施肥和小麥秸稈全部粉碎還田的基礎(chǔ)上，試驗(yàn)共設(shè)置4個(gè)劑量處理，即：M1(CK)，M2(30 kg/hm2)，M3(75 kg/hm2)和M4(120 kg/hm2)；并且每個(gè)處理設(shè)3 次重復(fù)，小區(qū)隨機(jī)排列，每個(gè)小區(qū)面積為100 m2，小區(qū)實(shí)行單排單灌。

在試驗(yàn)過(guò)程中，采用小麥秸稈全量還田模式，首先將小麥秸稈均勻覆蓋在小區(qū)地面，使得每個(gè)處理所包含的秸稈量基本相同，保持土壤濕度維持在田間持水量的60%～80%。還要使各處理小麥秸稈的含水量基本一致，這樣有利于秸稈腐熟菌劑的微生物生長(zhǎng)和秸稈腐解。施肥過(guò)程中，同時(shí)施用基肥和促腐菌劑，其中基肥和前茬作物一致，為750 kg/hm2復(fù)合肥。最后，保證各處理田間其他農(nóng)藝措施一致。

1.3.2 觀察與記錄

（1）試驗(yàn)前取基礎(chǔ)土樣分析有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀、pH等。試驗(yàn)后每個(gè)處理分別測(cè)定有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀。以小麥秸稈粉碎還田后種植一季作物為一個(gè)試驗(yàn)周期。

（2）秸稈腐熟程度記載：作物播種后每隔15 天觀察記載一次小麥秸稈的外觀變化，并對(duì)秸稈表面變化用掃描電鏡進(jìn)行觀察拍照。

（3）及時(shí)調(diào)查不同處理的生物學(xué)性狀及病蟲害發(fā)生情況。

（4）測(cè)產(chǎn)：作物成熟后各小區(qū)及時(shí)進(jìn)行田間測(cè)產(chǎn)，計(jì)算產(chǎn)量。

（5）理論產(chǎn)量(kg/hm2)=[每公頃穗數(shù)×穗粒數(shù)×千粒重(g)]/(1000×1000)

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田促腐菌劑的不同施用劑量小麥秸稈腐解情況觀察

在水稻作物播種后，每隔15天對(duì)各個(gè)小區(qū)的小麥秸稈的外觀進(jìn)行了觀察記錄。從圖1可知，30天時(shí)，小麥秸稈的外觀快速發(fā)生變化，小麥秸稈層不再呈蓬松狀，密度增大，施用新型小麥秸稈促腐菌劑的小麥秸稈外觀發(fā)生了更加明顯的變化，顏色較M1(CK)變深程度明顯，不再富有光澤。其中M2、M3和M4處理的小麥秸稈莖葉比依次明顯增大，大部分小麥秸稈的韌性明顯降低。30～45天，秸稈腐熟速率減緩，秸稈層厚度基本不變。60 天至水稻收獲，秸稈層厚度進(jìn)一步減小，秸稈大部分已經(jīng)腐解，腐解程度大小依次為：M3、M4、M2、M1。

圖1 小麥秸稈腐熟情況（從左到右分為M1、M2、M3、M4）

通過(guò)飛納掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)秸稈促腐菌劑處理的0天小麥秸稈表面比較光滑，纖維排列整齊、致密；施用新型小麥秸稈促腐菌劑處理30天的小麥秸稈表面變得凸凹不平，表面蠟質(zhì)脫落，內(nèi)部的纖維部分外露，韌性變??；腐熟45 天小麥秸稈表面纖維素基本結(jié)構(gòu)被明顯破壞，內(nèi)部的纖維骨架大部分已經(jīng)暴露出來(lái)，可以清楚地看到稀松的孔洞（圖2）。

圖2 飛納掃描電鏡下觀察小麥秸稈的降解情況

2.2 秸稈還田促腐菌劑的不同施用劑量對(duì)水稻成產(chǎn)因素的影響

從表1 可知，施用不同劑量的新型快速秸稈還田促腐菌劑在小麥秸稈還田過(guò)程中對(duì)水稻公頃穗數(shù)和穗粒數(shù)影響較為顯著，但對(duì)其千粒重的影響不大，各處理千粒重之間差異不顯著(P＞0.05)。尤其是M3 的每公頃穗數(shù)與M1(CK)和M2處理相比顯著增多，且差異極顯著(P＜0.01)，而與M4相比差異不顯著(P＞0.05)；其次M3 的穗粒數(shù)與M1 和M4 相比顯著增多，差異達(dá)極顯著水平(P＜0.01)。

表1 施用不同劑量的新型快速秸稈還田促腐菌劑對(duì)水稻成產(chǎn)因素的影響

2.3 秸稈還田促腐菌劑的不同施用劑量對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

從表2 可知，施用不同劑量的新型快速秸稈還田促腐菌劑在小麥秸稈還田過(guò)程中對(duì)水稻產(chǎn)量的影響較大，M3的理論產(chǎn)量和實(shí)際產(chǎn)量均最高，與其他各處理相比增產(chǎn)較為明顯，尤其是各處理之間的理論產(chǎn)量差異達(dá)極顯著水平(P＜0.01)，并且M3 與M1(CK)處理的理論產(chǎn)量和實(shí)際產(chǎn)量相比，增產(chǎn)率分別高達(dá)20.4%和12.94%。

表2 施用不同劑量的新型快速秸稈還田促腐菌劑對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

2.4 秸稈還田促腐菌劑的不同施用劑量對(duì)水稻田土壤理化特性的影響

試驗(yàn)結(jié)束后，施用不同劑量的新型快速秸稈還田促腐菌劑在小麥秸稈還田中對(duì)土壤理化特性的影響見(jiàn)表3，M3的堿解氮、有效磷、速效鉀以及有機(jī)質(zhì)含量均最高，其中其堿解氮和速效鉀含量與M1相比均極顯著增加(P＜0.01)，其有效磷含量與其他各處理相比也顯著增加(P＜0.05)；雖然M3的有機(jī)質(zhì)含量相較于其他各處理最高，但是各處理之間差異不顯著(P＞0.05)。

表3 施用不同劑量的新型快速秸稈還田促腐菌劑對(duì)土壤理化特性的影響

3 討論與結(jié)論

陳章梅等[16]的研究結(jié)果表明，小麥秸稈還田在施用腐熟劑情況下，水稻產(chǎn)量最高增產(chǎn)了544.5 kg/hm2且土壤中氮磷鉀的含量有所提高，土壤中有益微生物大量繁殖提高了土壤的有機(jī)質(zhì)含量，從而使水稻增產(chǎn)。李本旭等[17]研究結(jié)果顯示，秸稈還田配合使用秸稈腐熟劑可以有效降解秸稈，在降解第30天其降解率到達(dá)了49.34%。在秸稈降解的同時(shí)土壤中氮含量和有機(jī)質(zhì)含量提升明顯水稻產(chǎn)量最高增產(chǎn)了5.74%。陳章梅等人的試驗(yàn)與本試驗(yàn)都是在水稻田中降解前茬小麥秸稈從而促進(jìn)水稻產(chǎn)量的提升，從促產(chǎn)效果看本試驗(yàn)中水稻產(chǎn)量最高增產(chǎn)了861 kg/hm2要優(yōu)于陳章梅等人的試驗(yàn)。在陳章梅與李本旭的試驗(yàn)中土壤中氮磷鉀和有機(jī)質(zhì)含量均有所提高，而在本試驗(yàn)中氮磷鉀含量雖提升較為明顯但土壤有機(jī)質(zhì)含量無(wú)明顯變化，這是與其他研究結(jié)果所不同的。土壤有機(jī)質(zhì)含有豐富的碳源和其他營(yíng)養(yǎng)元素可以刺激植物根系生長(zhǎng)，增加其抗逆性從而使植物更好的適應(yīng)環(huán)境保產(chǎn)增產(chǎn)[18]。本試驗(yàn)中土壤有機(jī)質(zhì)含量未有增加但水稻產(chǎn)量卻增產(chǎn)明顯，筆者分析是因?yàn)樗旧L(zhǎng)主要依靠的氮磷鉀等元素在本試驗(yàn)土壤中含量較高，土壤中基礎(chǔ)有機(jī)質(zhì)滿足水稻的生長(zhǎng)需求，并且水稻種植是在穩(wěn)定環(huán)境下進(jìn)行這對(duì)其抗逆性要求不高，故在有機(jī)質(zhì)沒(méi)有明顯增加的情況下實(shí)現(xiàn)了水稻的增產(chǎn)。本試驗(yàn)僅是小區(qū)試驗(yàn)的初步探討，還存在著些許不足之處，例如試驗(yàn)規(guī)模應(yīng)加大，但是規(guī)模擴(kuò)大又帶來(lái)了一個(gè)新的問(wèn)題，即不易保證各個(gè)小區(qū)的農(nóng)藝措施保持一致，為田間管理人員帶來(lái)了不小的麻煩，希望未來(lái)的農(nóng)業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展可以解決這個(gè)問(wèn)題。目前已有相關(guān)文獻(xiàn)[19]報(bào)道了在水稻秸稈還田施用促腐菌劑可以顯著提高亞硝化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、好氣性自生固氮菌等可培養(yǎng)微生物的數(shù)量，可能抑制細(xì)菌和防線菌等致病菌。這給筆者探索新型促腐菌劑對(duì)小麥秸稈還田過(guò)程中抑制致病菌及害蟲的功能提供了方向，具有深入開發(fā)的潛力，可以在進(jìn)一步的研究中結(jié)合分子生物學(xué)的方法探討土壤中微生物菌落結(jié)構(gòu)從而改善土壤達(dá)到增產(chǎn)、抗病等效果。

本次試驗(yàn)在應(yīng)用層面初步探究了河南省科學(xué)院生物研究所有限責(zé)任公司研發(fā)的新型快速秸稈還田促腐菌劑對(duì)小麥秸稈還田在水稻田的施用劑量，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施加的菌劑量為75 kg/hm2時(shí)，土壤中堿解氮、有效磷、速效鉀的含量分別提高了93.33%、18.13%和46.93%，水稻的產(chǎn)量7510.35 kg/hm2比對(duì)照提高了12.94%。試驗(yàn)證明秸稈還田過(guò)程中配合使用秸稈腐熟劑能夠有效降解小麥秸稈，改善土壤的理化并增加水稻產(chǎn)量。這為農(nóng)業(yè)廢棄物處理這一方面的生態(tài)化、綠色化、可持續(xù)化發(fā)展提供了數(shù)據(jù)支撐，也為新型快速秸稈還田菌劑的研發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)。