孫建平 趙子婧 戴相林 路垚 何宗均 劉雅輝*

（1河北省農(nóng)林科學(xué)院 濱海農(nóng)業(yè)研究所，河北 唐山 063299；2天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，天津 300000；第一作者：bhssjp@163.com；*通訊作者：bhslyh@126.com）

農(nóng)作物秸稈作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的主要副產(chǎn)品，具有豐富的大量、中量、微量營養(yǎng)元素，及纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和蛋白質(zhì)等有機(jī)物質(zhì)，是一種可資源化利用的固體廢棄物。秸稈直接還田作為一種重要的農(nóng)藝措施[1]，在作物增產(chǎn)提質(zhì)[2-3]、土壤培肥[4-5]，提高土壤酶活性和微生物活性[6-7]等方面發(fā)揮著重要作用。我國水稻秸稈還田目前主要集中在安徽、福建、云南、江西、江蘇、廣東等光熱水資源豐富的稻區(qū)[8-10]，河北、吉林、遼寧、黑龍江等單季稻區(qū)由于水稻收獲后即將進(jìn)入冬季封凍期，土壤溫度低，秸稈直接還田分解速度緩慢，操作不當(dāng)會(huì)影響春季稻田墑情、播種、插秧質(zhì)量及水稻產(chǎn)量[11]。冀東稻區(qū)是河北省水稻主產(chǎn)區(qū)，年產(chǎn)秸稈數(shù)量大，但是由于溫度低，秸稈還田后不易腐解，限制了秸稈還田的推廣應(yīng)用，因此，加快還田秸稈腐解進(jìn)程是該區(qū)域亟待解決的問題。

低溫秸稈降解菌具有在低溫環(huán)境中分解纖維素的優(yōu)勢，不僅能夠降低微生物菌劑對較高溫度的依賴，也節(jié)省了微生物在培養(yǎng)過程中對熱量的消耗[12]。國內(nèi)外學(xué)者對低溫菌進(jìn)行了一些研究。田中真紀(jì)夫[13]和LEE等[14]分別在冬季枯死的植物和南極淡水中分離出嗜冷菌，印度科學(xué)家BAJAJ等[15]發(fā)現(xiàn)，耐低溫菌能夠在低溫環(huán)境中降解有機(jī)污染物。張鑫等[16]以玉米秸稈為碳源篩選獲得的復(fù)合菌系M44在低溫（15℃）條件下具有高效降解玉米秸稈的能力。關(guān)法春等[17]以青藏高原極端環(huán)境下的微生物為主，制成耐低溫生物菌劑，應(yīng)用于冬季稻田內(nèi)水稻秸稈的原位發(fā)酵，效果明顯。本課題組針對冀東稻區(qū)溫度及土壤特點(diǎn)，自主研發(fā)了一種低溫復(fù)合菌系HT20，并研究了在其作用下水稻秸稈的腐解因素[18]。為進(jìn)一步明確HT20作用下還田秸稈的腐解特征及水稻產(chǎn)量效應(yīng)，本試驗(yàn)以HT20為研究對象，以商品腐熟劑和秸稈直接還田作為對照，采用尼龍網(wǎng)袋填埋法探索水稻全生育期內(nèi)稻稈腐解、養(yǎng)分釋放、土壤肥力等動(dòng)態(tài)變化特征，多角度、多方面對HT20的效用進(jìn)行評估，以期為HT20在田間應(yīng)用及北方稻區(qū)秸稈還田提供理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

盆栽試驗(yàn)于2019年11月至2020年10月在河北省農(nóng)林科學(xué)院濱海農(nóng)業(yè)綜合試驗(yàn)站（39°17′40″N、118°27′22″E）進(jìn)行，試驗(yàn)站海拔2.5 m，屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)性氣候，年日照時(shí)數(shù)2 393～2 862 h，年均氣溫11.4℃，積溫4 598.3℃，無霜期189～220 d，年降水量635.9 mm（集中在7—8月份）。種植模式是單季稻。土壤類型為鹽漬型濱海粘壤土，耕層土壤基本理化性質(zhì)：有機(jī)質(zhì)8.54 g/kg，堿解氮30.56 mg/kg，有效磷19.90 mg/kg，速效鉀227.71 mg/kg，pH值7.65。

1.2 試驗(yàn)材料

以常規(guī)粳稻品種濱稻18秸稈為供試材料。秸稈養(yǎng)分含量如下：全氮0.68%、全磷0.13%、全鉀1.34%，C/N=67。供試低溫復(fù)合菌系HT20由天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供；農(nóng)富康購自農(nóng)富康生物科技有限公司。試驗(yàn)中所用肥料購于當(dāng)?shù)剞r(nóng)資市場。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置3個(gè)處理：CK，秸稈還田，不施任何處理劑；JF，秸稈還田配施農(nóng)富康；JH，秸稈還田配施HT20。盆栽試驗(yàn)位于微區(qū)內(nèi)，每個(gè)微區(qū)面積7.2 m2（6 m×2 m×0.6 m），將塑料桶置于微區(qū)內(nèi)，每個(gè)微區(qū)擺放24個(gè)塑料桶，桶四周及底部扎孔保證土壤透氣與水分流出，桶與桶之間的縫隙用土填滿，每個(gè)處理安排在一個(gè)微區(qū)中，防止微區(qū)之間竄水竄肥和菌劑污染，每個(gè)處理5次重復(fù)。試驗(yàn)采用尼龍網(wǎng)袋填埋法，將秸稈粉碎成長約5 cm后裝入尼龍網(wǎng)袋中，尼龍網(wǎng)袋規(guī)格為50 cm×45 cm、孔徑0.178 mm。每袋裝秸稈262 g（按10 500 kg/hm2秸稈全量還田計(jì)算）。各處理于2019年11月25日施入土壤深耕，2020年5月28日移栽水稻秧苗，每盆5叢，每叢5株。各處理施肥、鋤草、灌溉、病蟲害防治等生產(chǎn)管理按當(dāng)?shù)亓?xí)慣進(jìn)行。2020年10月10收獲水稻。

1.4 測定項(xiàng)目及方法

分別于水稻移栽期（2020年5月28日）、分蘗期（2020年6月15日）、拔節(jié)期（2020年6月28日）、孕穗期（2020年7月25日）、抽穗期（2020年8月5日）、乳熟期（2020年8月20日）和成熟期（2020年10月8日）破壞性采集秸稈腐解樣品和土壤樣品。每次各取5盆，秸稈腐解樣品于65℃下烘干至恒質(zhì)量，計(jì)算水稻秸稈殘留率，磨細(xì)過0.25 mm篩測定秸稈養(yǎng)分含量；土壤樣品風(fēng)干過篩測定土壤養(yǎng)分含量。各處理隨機(jī)標(biāo)記3盆用于水稻考種。

采用H2SO4-H2O2消煮，凱氏定氮儀測定秸稈全氮含量；采用鉬銻鈧比色法測定秸稈全磷含量；采用1M NH4OAc浸提，原子吸收分光光度計(jì)測定秸稈全鉀含量[15]。采用重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機(jī)質(zhì)含量；采用堿解擴(kuò)散法測定土壤堿解氮含量；采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定土壤速效磷含量；采用原子吸收分光光度計(jì)法測定土壤速效鉀含量；采用PHSJ-4A型pH計(jì)測定土壤pH（水土比=5∶1）；采用DDSJ-308F電導(dǎo)率儀測定土壤電導(dǎo)率（EC）[19]。移栽后每個(gè)處理選擇5盆生長均勻的稻株進(jìn)行標(biāo)記，每7 d觀察記載1次水稻分蘗情況。水稻成熟后，每個(gè)處理取5盆稻株，調(diào)查有效穗數(shù)，考察單株性狀，脫粒，測定千粒重，實(shí)測水稻產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行整理和作圖，采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行單因素方差分析（P＜0.05）。

質(zhì)量殘留率（%）=Mt/M0，式中M0為秸稈腐解前的初始質(zhì)量，Mt為分解t時(shí)秸稈腐解后剩余質(zhì)量[16]。養(yǎng)分殘留率（%）=（Dt×Mt）/（D0×M0），式中M0為秸稈腐解前的初始質(zhì)量，Mt為分解t時(shí)秸稈腐解后剩余質(zhì)量，D0為初始秸稈的養(yǎng)分含量，Dt為t時(shí)秸稈養(yǎng)分含量[20]。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻秸稈質(zhì)量殘留率變化

由圖1和表1可以看出，各處理秸稈質(zhì)量殘留率均隨秸稈腐解時(shí)間的延長而下降，且表現(xiàn)出前期腐解快，后期逐漸緩慢的特征，不同處理間差異顯著。與JF處理和CK相比，JH處理秸稈質(zhì)量殘留率在水稻移栽期分別低10.13%和24.08%；移栽期至抽穗期為秸稈腐解緩慢期，秸稈質(zhì)量殘留率分別低4.68%～11.31%和9.01%～12.47%；抽穗期至成熟期為腐解停滯期，秸稈質(zhì)量殘留率分別低5.13%～5.55%和10.57%～10.67%。可見，施用HT20能夠加速還田秸稈的腐解進(jìn)程，使秸稈快速腐解期提前至水稻移栽前，移栽后進(jìn)入秸稈緩慢腐解期，而對照的秸稈快速腐解期一直持續(xù)到拔節(jié)期。與CK和JF處理相比，從生育期具體時(shí)間來算，施用HT20可使秸稈提前45～60 d進(jìn)入腐解緩慢期，降低了由于秸稈快速腐解產(chǎn)生有害氣體對秧苗生長的危害，減少了腐解過程中微生物與水稻爭奪養(yǎng)分的影響。

圖1 不同處理水稻秸稈腐解質(zhì)量殘留特征

表1 水稻不同時(shí)期秸稈腐解質(zhì)量殘留特征單因素方差分析

2.2 水稻秸稈氮素殘留變化

從圖2和表2可見，不同處理間秸稈氮素殘留率變化趨勢不同，處理間差異顯著。CK總體上隨生育期的推進(jìn)表現(xiàn)出緩慢下降的趨勢，沒有明顯拐點(diǎn)，與其秸稈腐解規(guī)律一致，即隨著秸稈腐解而逐步釋放氮素；JH和JF處理隨生育期推進(jìn)表現(xiàn)出快速下降然后再上升之后緩慢下降的趨勢。JH處理拐點(diǎn)出現(xiàn)在孕穗期，JF處理拐點(diǎn)出現(xiàn)在抽穗期。拔節(jié)期時(shí)，JH處理氮素釋放率為53.45%，折合氮量為38.10 kg/hm2；JF處理氮素釋放率為37.8%，折合氮量為27.00 kg/hm2；CK氮素釋放率為26.90%，折合氮量為19.20 kg/hm2；與JF處理和CK相比，JH處理氮素殘留率低15.56%～24.94%和26.54%～36.31%。成熟期時(shí)，JH處理氮素殘留率為79.11%，折合氮量為56.4 kg/hm2；JF處理氮素殘留率為59.94%，折合氮量為42.75 kg/hm2；CK氮素殘留率為61.92%，折合氮量為44.10 kg/hm2；說明JH處理在水稻關(guān)鍵生育期（分蘗、拔節(jié)和乳熟期）快速釋放氮，在孕穗期和成熟期吸收多余的土壤氮，減少了氮的流失。

表2 不同時(shí)期水稻秸稈腐解氮素殘留特征單因素方差分析

圖2 不同處理水稻秸稈腐解氮素殘留特征

2.3 水稻秸稈殘留磷素變化

從圖3可見，隨著秸稈腐解時(shí)間的延長，水稻秸稈中磷素殘留變化整體呈現(xiàn)先下降后上升再下降的趨勢。JH處理在移栽前快速釋放磷元素，移栽后至拔節(jié)期緩慢釋放磷元素；JF處理和CK在分蘗期前快速釋放磷元素。在分蘗期各處理磷素釋放量達(dá)到最大，JH處理磷素釋放率為92.03.%，折合磷量為12.60 kg/hm2；JF處理磷素釋放率82.36%，折合磷量為11.25 kg/hm2；CK磷素釋放率80.75%，折合磷量為10.95 kg/hm2。隨后秸稈磷殘留率逐漸增加，至成熟期時(shí)，JH處理磷素殘留率70.20%，折合磷量為9.60 kg/hm2；JF處理磷素殘留率22.10%，折合磷量為3.00 kg/hm2；CK磷素殘留率41.24%，折合磷量為5.70 kg/hm2，呈現(xiàn)了負(fù)增長現(xiàn)象，JH處理與CK差異不顯著（表3）。說明移栽后因溫度上升，微生物活動(dòng)活躍，腐熟劑對磷的釋放快慢效果不明顯，但是秸稈還田可以減少土壤磷素流失。

圖3 不同處理水稻秸稈腐解磷素殘留特征

表3 不同時(shí)期水稻秸稈腐解磷素殘留特征單因素方差分析

2.4 水稻秸稈殘留鉀素變化

從圖4可見，隨著腐解時(shí)間的增加，水稻秸稈中鉀素殘留率呈現(xiàn)驟然下降再緩慢上升的趨勢，至分蘗期秸稈鉀殘留率達(dá)到最低，從拔節(jié)期開始水稻秸稈鉀素殘留率緩慢回升。由表4可知，在移栽期、拔節(jié)期、孕穗期和成熟期JH處理與JF處理和CK相比差異顯著。表明秸稈中鉀素的快速釋放與秸稈腐解程度無關(guān)，添加腐熟劑對秸稈鉀素殘留率的釋放效果不顯著。

表4 不同時(shí)期水稻秸稈腐解鉀素殘留特征單因素方差分析

圖4 不同處理水稻秸稈腐解過程中鉀素殘留特征

2.5 秸稈還田對土壤養(yǎng)分的影響

從圖5和表5可見，不同處理土壤堿解氮和速效磷隨生育期上下變動(dòng)幅度不大。JH處理土壤堿解氮含量在拔節(jié)期最高，與JF處理和CK相比，增加了22.73%，差異顯著；JH處理速效磷在拔節(jié)期和抽穗期含量較高，分別較JF處理和CK增加45.01%～65.80%和138.14%～195.62%，差異顯著；JH處理速效鉀含量分別較JF處理和CK增加7.64%～168.87%和29.34%～179.30%，差異顯著。說明秸稈配施HT20可以增加不同生育期的土壤養(yǎng)分供應(yīng)量。

表5 不同時(shí)期土壤養(yǎng)分指標(biāo)的單因素方差分析

圖5 不同處理土壤養(yǎng)分變化

2.6 秸稈還田對水稻分蘗及產(chǎn)量結(jié)構(gòu)的影響

水稻莖蘗數(shù)呈拋物線變化的趨勢，在7月1日達(dá)到分蘗最高峰。如表6顯示，在水稻分蘗高峰階段，JH處理分蘗數(shù)顯著高于CK和JF處理14.10%～16.57%，說明施用HT20后促進(jìn)了水稻的分蘗，這可能與秸稈快速腐解期提前至移栽前有關(guān)。各處理成穗率、千粒重和產(chǎn)量存在顯著差異，與JF處理和CK相比，JH處理成穗率分別增加9.39%和20.0%，千粒重分別增加11.95%和25.44%，產(chǎn)量分別增加11.25%和17.11%。說明秸稈還田配施HT20可以增加水稻產(chǎn)量。

表6 水稻分蘗及產(chǎn)量結(jié)構(gòu)的變化

3 討論與結(jié)論

秸稈直接還田經(jīng)微生物作用可以將秸稈纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等轉(zhuǎn)化為土壤可利用資源[21]。土壤微生物是參與秸稈降解、轉(zhuǎn)化和利用過程的重要驅(qū)動(dòng)因素，特別是秸稈還田在短時(shí)間內(nèi)大量植物殘?jiān)鼩w還于土壤的同時(shí)還可能通過改變土壤微環(huán)境，從而對秸稈腐解產(chǎn)生較大的影響[22-24]。本研究結(jié)果顯示，與秸稈配施農(nóng)富康和秸稈直接還田相比，秸稈配施低溫復(fù)合菌系HT20可以加速秸稈腐解（移栽前可腐解33.17%），秸稈腐解率提高10.54%～264.88%。這可能有兩方面的原因，一方面是冀東濱海地區(qū)水稻收獲至移栽前月均氣溫為11.4℃，而HT20啟動(dòng)溫度為5℃[18]，農(nóng)富康最適合溫度為20℃左右；另一方面HT20是從當(dāng)?shù)亻L期秸稈堆制土和秸稈還田土壤中篩選分離得到，相比于農(nóng)富康，HT20更適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂驐l件和菌群互作關(guān)系，進(jìn)而充分發(fā)揮腐解功能。秸稈還田配施HT20，氮釋放率為53.45%（折合氮量為38.10 kg/hm2），磷釋放率為92.03%（折合磷量為12.60 kg/hm2），鉀釋放率為90.00%左右。依據(jù)土壤化學(xué)性質(zhì)可知，在分蘗期和拔節(jié)期顯著增加土壤堿解氮含量（22.73%），在拔節(jié)期和抽穗期顯著增加土壤速效磷含量（45.01%～195.62%）；在取樣生育期顯著增加土壤速效鉀含量（7.64%～179.30%）。結(jié)合表6可知，HT20提高了水稻千粒重和產(chǎn)量。說明HT20通過增加腐解微生物數(shù)量和種群，進(jìn)一步提高秸稈腐解各類酶的活性，將秸稈中豐富的碳、氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素轉(zhuǎn)化為土壤腐殖質(zhì)[25]，補(bǔ)償作物的吸收，改善了土壤養(yǎng)分供應(yīng)和作物需求之間的平衡，進(jìn)而提高水稻產(chǎn)量[26-28]。秸稈中的氮磷鉀殘留率后期有回升的現(xiàn)象，可能是因?yàn)榛实氖┤雽?dǎo)致秸稈氮磷鉀質(zhì)量殘留率反向增加，隨著水稻在后期需要營養(yǎng)形成稻谷，又逐漸被消耗掉。有研究表明，秸稈還田可以增加養(yǎng)分的吸持[29-30]。

綜上所述，冀東稻區(qū)秸稈還田配施低溫復(fù)合菌系HT20可加快秸稈腐解，促進(jìn)秸稈養(yǎng)分釋放和土壤養(yǎng)分積累，更有利于增加水稻有效分蘗和水稻產(chǎn)量。本研究為水稻秸稈還田技術(shù)推廣、提高養(yǎng)分利用率及肥料減施方面奠定了理論基礎(chǔ)。今后可從胞外酶和分子水平繼續(xù)研究HT20對秸稈腐熟的作用機(jī)理。