玉米秸稈還田及腐熟劑對(duì)小麥產(chǎn)量、土壤微生物數(shù)量和酶活性的影響

陳士更，宋以玲，于建，肖承澤，李玉環(huán)，丁方軍*，張民

(1.土肥資源高效利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東 泰安 271018；2.農(nóng)業(yè)部腐植酸類肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東農(nóng)大肥業(yè)科技有限公司，山東 泰安271600)

農(nóng)作物秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄物，但秸稈中含有大量作物生長(zhǎng)所必需的氮、磷、鉀等中、微量元素和有機(jī)質(zhì)等多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[1]。目前我國(guó)秸稈產(chǎn)量居世界之首，但利用率低，主要通過(guò)隨意丟棄或就地焚燒的方式處理，即浪費(fèi)資源又污染環(huán)境[2-3]。為了減少資源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分循環(huán)利用，國(guó)家開(kāi)始大力推行秸稈還田政策。目前已有研究表明，秸稈還田后可在土壤微生物作用下不斷腐解,養(yǎng)分逐步釋放到土壤中。秸稈深層還田還能有效避免營(yíng)養(yǎng)元素的揮發(fā)，提高土壤養(yǎng)分含量，培肥土壤，改善作物生長(zhǎng)的農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，為高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)打下良好基礎(chǔ)[4-6]。此外，大量研究發(fā)現(xiàn)冬小麥-夏玉米輪作地區(qū)，秸稈還田不但提高了耕層土壤養(yǎng)分含量，還提高了土壤細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)以及土壤脲酶、磷酸酶和脫氫酶等活性[7-9]。然而，如果秸稈未經(jīng)腐熟處理直接還田，會(huì)導(dǎo)致土壤過(guò)分松弛，肥效緩慢，化感物質(zhì)、重金屬和抗生素積累，影響種子發(fā)芽、生根；同時(shí)，秸稈中的蟲(chóng)卵和病原菌直接進(jìn)入土壤，導(dǎo)致病蟲(chóng)害風(fēng)險(xiǎn)加重進(jìn)而影響下茬作物的生長(zhǎng)[10-12]。有機(jī)物料腐熟劑不但能加速秸稈等有機(jī)廢棄物腐熟，還能促進(jìn)土壤中有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素轉(zhuǎn)化為作物容易吸收的形態(tài)，同時(shí)加速土壤中有益微生物的生長(zhǎng)繁殖，減輕有害病原菌的侵染，提高作物抗逆性。因此，有機(jī)物料腐熟劑是一種對(duì)農(nóng)作物秸稈還田有良好輔助作用的物質(zhì)[13-15]。黃秋玉等[16-17]研究發(fā)現(xiàn)，腐熟劑能促進(jìn)水稻秸稈前期快速分解，加快秸稈內(nèi)養(yǎng)分釋放，促進(jìn)水稻植株生長(zhǎng)，提高有效穗數(shù)、稻穗長(zhǎng)度和結(jié)實(shí)率，進(jìn)而顯著提高產(chǎn)量。我國(guó)玉米種植面積大，隨著機(jī)械化的大力推行，玉米收獲后直接粉碎還田面積逐漸增多，但由于玉米秸稈的角質(zhì)層較厚、粉碎度不均一、腐熟慢等特點(diǎn)，影響了后期的耕作及農(nóng)藝操作，因而限制了其大面積推廣和應(yīng)用。本試驗(yàn)以濟(jì)麥22為原料，探究玉米秸稈還田配施有機(jī)物料腐熟劑對(duì)其產(chǎn)量及土壤生物學(xué)和理化性狀的影響，為有效利用玉米秸稈提供切實(shí)可行的途徑及技術(shù)支持。

1.材料與方法

1.1供試材料

供試小麥品種：濟(jì)麥22號(hào)；供試肥料：農(nóng)大肥業(yè)科技有限公司微生物肥料車間提供的有機(jī)物料腐熟劑(水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)28%)和復(fù)合肥車間提供的復(fù)合肥，各肥料特性詳見(jiàn)表1。

表1 供試肥料的基本特性Table 1 The characteristics of fertilizer for test

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

玉米秸稈機(jī)械粉碎后全量還田，秸稈中全氮 8.59 g/kg，全磷2.65 g/kg，全鉀13.43 g/kg，有機(jī)質(zhì)736.54 g/kg。供試土壤的基本理化性狀：堿解氮 50.38 mg/kg，有機(jī)質(zhì)9.76 g/kg，全氮0.91 g/kg，有效磷13.15 mg/kg，速效鉀89.16 mg/kg。試驗(yàn)共設(shè)3個(gè)處理，各處理詳見(jiàn)表2，每個(gè)小區(qū)50 m2，有機(jī)物料腐熟劑與復(fù)合肥一起均勻撒施到地表，翻地時(shí)同打碎的秸稈和肥料一起翻壓到地下，種植后統(tǒng)一管理。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 2 Experiment design

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 產(chǎn)量的測(cè)定

收獲時(shí)小區(qū)取樣測(cè)定每公頃穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重，根據(jù)所取植株總產(chǎn)量折合畝產(chǎn)。

1.3.2 土壤各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定

1.3.3 數(shù)據(jù)處理及分析方法

采用Excel 2003軟件處理數(shù)據(jù)和繪表，采用DPS 7.05軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用最小顯著極差法(LSD)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(P< 0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田配施腐熟劑對(duì)小麥產(chǎn)量的影響

由表3可知，秸稈還田提高了小麥穗數(shù)和穗粒數(shù)，且配施腐熟劑處理(T2)的小麥穗數(shù)被進(jìn)一步提高，而穗粒數(shù)卻有所降低，但與僅秸稈還田(T1)相比，差異不顯著；與CK相比，T1和T2的千粒重顯著提高了3.45%和18.96%，產(chǎn)量顯著提高了10.33%和13.46%，以上結(jié)果表明秸稈還田配施有腐熟劑主要通過(guò)提高有效分蘗數(shù)和籽粒重來(lái)提高產(chǎn)量。

表3 不同處理對(duì)小麥產(chǎn)量的影響Table 3 Effects of different treatments on wheat yield

注: 同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示經(jīng) LSD 檢驗(yàn)在 P < 0.05 水平上差異顯著。

2.2 秸稈還田配施腐熟劑對(duì)土壤pH、電導(dǎo)率和容重的影響

由表4可知，秸稈還田提高了土壤pH和土壤電導(dǎo)率，添加腐熟劑后土壤pH和電導(dǎo)率又有所降低，但pH仍顯著高于CK，而電導(dǎo)率降到了CK以下，同時(shí)降低了土壤容重。與CK相比，T1和T2的容重均顯著降低了14.58%和13.89%，這表明秸稈還田有利于提高土壤孔隙度和通氣性，進(jìn)而提高土壤的保水保肥性。此外，配施腐熟劑還可進(jìn)一步降低土壤電導(dǎo)率，減少因秸稈還田而帶入的可溶性鹽分含量，以維持土壤正常的電位平衡。

表4 不同處理對(duì)土壤pH電導(dǎo)率和容重的影響Table 4 Effects of different treatments on soil pH,EC and bulk density

注: 同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示經(jīng) LSD 檢驗(yàn)在P< 0.05 水平上差異顯著。

2.3 秸稈還田配施腐熟劑對(duì)根際土壤微生物的影響

由圖1可知，各處理根際土壤細(xì)菌與放線菌數(shù)遠(yuǎn)高于根際土壤真菌數(shù)，秸稈還田和配施腐熟劑均顯著提高了根際土壤細(xì)菌和放線菌數(shù)，與CK相比，細(xì)菌數(shù)提高了10.80%和23.91%，放線菌數(shù)提高了20.60%和8.40%，且T2處理的真菌數(shù)顯著降低了23.58%，而T1處理與CK間差異不顯著。以上結(jié)果表明，秸稈還田配施腐熟劑對(duì)根際土壤微生物的組成較僅秸稈還田效果明顯，因此秸稈還田配施腐熟劑可通過(guò)改變根際微生物的組成和數(shù)量來(lái)改善根際微域環(huán)境，活化根際營(yíng)養(yǎng)，減輕病原菌的生長(zhǎng)和侵染，進(jìn)而促進(jìn)根系伸展，提高植物的抗逆性。

圖中不同小寫字母表示經(jīng)LSD檢驗(yàn)在P <0.05 水平上差異顯著。圖1 不同處理對(duì)根際土壤微生物的影響Fig.1 Effects of different treatments on microorganisms in rhizosphere soil

2.4 秸稈還田配施腐熟劑對(duì)土壤酶活性的影響

由表5可知，與CK相比，僅秸稈還田顯著提高了土壤脲酶活性，同時(shí)也一定程度地提高了土壤中性磷酸酶和蔗糖酶活性，對(duì)土壤過(guò)氧化氫酶和脫氫酶的影響較??；秸稈還田配施腐熟劑后土壤脲酶、過(guò)氧化氫酶、脫氫酶、中性磷酸酶和蔗糖酶分別顯著提高了35.23%、5.00%、16.13%、31.78%和9.68%，與僅秸稈還田相比，除蔗糖酶外，其余酶活性分別顯著提高了22.68%、7.45%、17.07%和26.24%。以上結(jié)果表明，秸稈還田配施腐熟劑對(duì)土壤酶活性的影響較僅秸稈還田明顯，因而能加速秸稈的分解腐熟以及秸稈和土壤中有效養(yǎng)分的釋放，最終提高土壤供肥能力。

表5 不同處理對(duì)土壤酶活性的影響Table 5 Effects of different treatments on soil enzyme activities

注: 同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示經(jīng) LSD 檢驗(yàn)在P< 0.05 水平上差異顯著。

2.5 秸稈還田配施腐熟劑對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響

由表6可知，秸稈還田提高了土壤堿解氮、全氮、速效鉀、有效磷和有機(jī)質(zhì)含量，且有效磷達(dá)到顯著水平。配施腐熟劑后進(jìn)一步提高了土壤各養(yǎng)分含量，與CK相比，分別顯著提高了7.60%、25.29%、27.49%和36.04%，有機(jī)質(zhì)含量也提高了4.47%。此外，秸稈還田和配施腐熟劑處理的堿解氮、速效鉀和有效磷分別比CK提高了1.59 mg/kg和4.44 mg/kg、13.66 mg/kg和45.00 mg/kg以及3.01 mg/kg和5.29 mg/kg。以上結(jié)果表明，秸稈還田對(duì)速效鉀的提高量遠(yuǎn)大于堿解氮和有效磷，這是因?yàn)榻斩挶旧淼拟浐扛哂诘?、磷含量，因此秸稈還田腐熟后釋放出了較多的有效鉀，且添加腐熟劑后加速了秸稈的腐熟和土壤中有效養(yǎng)分的活化，因而土壤中有效養(yǎng)分含量高于僅秸稈還田處理。秸稈還田提高了土壤有機(jī)質(zhì)的原因可能是秸稈中含有大量的碳源，并且腐熟劑中微生物的代謝活動(dòng)加速了秸稈中碳水化合物的轉(zhuǎn)化。此外，碳源主要提供能量，目前整個(gè)土壤環(huán)境中的能量和養(yǎng)分平衡失調(diào)，能量缺乏現(xiàn)象嚴(yán)重，因此秸稈還田均衡了土壤的能量與養(yǎng)分，進(jìn)而加速了微生物的繁殖代謝，提高了養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和利用率，最終提高了小麥的產(chǎn)量。

表6 不同處理對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響Table 6 Effects of different treatments on soil nutrient content

注: 同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示經(jīng) LSD 檢驗(yàn)在P< 0.05 水平上差異顯著。

3 討論與結(jié)論

土壤酸堿度和電導(dǎo)率與肥料種類、施肥方式、土壤微生物的代謝以及作物根系分泌物等因素息息相關(guān)，本研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田提高了土壤pH和電導(dǎo)率，配施腐熟劑后土壤pH和電導(dǎo)率又有所降低，這可能是秸稈還田時(shí)帶入了本身含有的部分可溶性鹽離子，腐熟過(guò)程中不斷向土壤中釋放，因而提高了土壤電導(dǎo)率。此外，根際環(huán)境的改變又會(huì)影響到根系的分泌和根際微生物的活性及代謝分泌，進(jìn)而影響到根際土壤酸堿度。配施腐熟劑可提高根際有益微生物數(shù)量，促進(jìn)微生物分泌，增強(qiáng)根際土壤緩沖能力，因而對(duì)根際土壤pH和電導(dǎo)率的影響較僅秸稈還田小。與對(duì)照相比，秸稈還田及配施腐熟劑后土壤容重顯著降低了14.58%和13.89%，此結(jié)果與劉曉霞等[21-22]的研究結(jié)果相似，這表明秸稈還田有利于提高土壤疏松度，改善土壤孔隙度和通氣性，提高土壤的保水保肥性，利于作物根系呼吸和伸展，進(jìn)而通過(guò)提高小麥有效分蘗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重來(lái)提高小麥產(chǎn)量。Bai等[23]發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期全量秸稈還田可提高小麥-玉米輪作條件下的產(chǎn)量和鉀素循環(huán)利用率。Chen等研究也表明,在旋、深耕結(jié)合條件下，秸稈還田可提高氮素利用率和小麥產(chǎn)量[24]。

土壤微生物組成直接影響土壤的生物學(xué)特性、土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化以及土壤團(tuán)粒的結(jié)構(gòu)的形成，然而微生物的生長(zhǎng)繁殖又會(huì)受土壤結(jié)構(gòu)、水肥狀況和通氣情況等因素的影響[25]。本研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田降低了土壤容重，提高了土壤通氣性，同時(shí)影響了土壤酸堿度和電導(dǎo)率，進(jìn)而影響了土壤微生物的繁殖代謝。與對(duì)照相比，秸稈還田和配施腐熟劑處理的根際細(xì)菌數(shù)顯著提高了10.80%和23.91%，放線菌數(shù)顯著提高了20.60%和8.40%，此結(jié)果與前人所研究的棉花、玉米和大豆秸稈還田對(duì)根際土壤細(xì)菌和放線菌數(shù)的影響結(jié)果相似[26-27]。徐一蘭等[28]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田配施化肥提高了土壤微生物群落的多樣性和豐富度。此外，冀保毅等[29]發(fā)現(xiàn)深耕配施玉米秸稈還田更有利于土壤微生物數(shù)量的增加，這表明土壤微生物數(shù)量的變化會(huì)同時(shí)受秸稈還田方式、配施肥料種類和土壤類型等條件的影響。本研究還發(fā)現(xiàn)秸稈還田配施腐熟劑在顯著提高根際細(xì)菌和放線菌數(shù)的同時(shí)降低了真菌數(shù)，且對(duì)根際土壤微生物的組成和數(shù)量上較僅秸稈還田效果明顯。高大響等[30]在水稻秸稈還田配施有機(jī)物料腐熟劑的研究中發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果，這是由于腐熟劑本身含有大量芽孢桿菌類和曲霉類等有益細(xì)菌型和真菌型微生物，這些微生物施入土壤后在根際定殖、環(huán)境適宜的條件下大量繁殖，形成優(yōu)勢(shì)群落，通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)作用和產(chǎn)生一些有機(jī)活性物質(zhì)來(lái)殺死土壤中的病原真菌和細(xì)菌，減輕病原菌的生長(zhǎng)和侵染，改善根際微域環(huán)境，活化根際營(yíng)養(yǎng)，促進(jìn)植物生長(zhǎng)，提高植物抗逆性，最終提高產(chǎn)量和品質(zhì)。

土壤酶主要來(lái)源于土壤微生物，其活性與土壤微生物的種類和數(shù)量密切相關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田和秸稈還田配施腐熟劑均提高了土壤脲酶、中性磷酸酶、蔗糖酶、過(guò)氧化氫酶和脫氫酶活性，這與劉艷慧等[26]所研究結(jié)果相似。陶波等[31]研究發(fā)現(xiàn)大豆秸稈還田處理土壤脲酶、蔗糖酶和脫氫酶活性均高于未還田處理，黃容等[32]發(fā)現(xiàn)秸稈還田與不同比例的化肥減量配施均能提高土壤脲酶、過(guò)氧化氫酶和磷酸酶活性。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)秸稈還田配施腐熟劑對(duì)土壤酶活性的影響較僅秸稈還田明顯，這可能是配施腐熟劑加速了玉米秸稈中有機(jī)物和纖維素等大分子物質(zhì)的分解，提高了土壤C/N，在氮源充足的條件下，加速了碳源(能源)的供給，因此土壤微生物的數(shù)量和代謝能力會(huì)隨土壤碳源的增加而增加[33]。此外，秸稈和腐熟劑本身含有大量與纖維素降解有關(guān)的有益微生物，施入土壤后在植物根際定殖，環(huán)境條件適宜時(shí)開(kāi)始大量繁殖代謝，以提高根際土壤微生物的總量及分泌能力，進(jìn)而提高包括土壤酶在內(nèi)的分泌物量[34]，增強(qiáng)土壤酶活性。隨著土壤酶活性的提高又可加速秸稈的腐熟分解和土壤養(yǎng)分的活化、釋放，提高土壤有機(jī)碳和養(yǎng)分含量[35]，在提高土壤供肥能力的同時(shí)，持續(xù)不斷地為微生物的繁殖代謝提供能量和營(yíng)養(yǎng)。本研究同樣發(fā)現(xiàn)，秸稈還田提高了土壤有效養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)含量，且配施腐熟劑的效果更明顯。

綜上所述，秸稈還田配施腐熟劑可通過(guò)優(yōu)化根際土壤微生物數(shù)量和結(jié)構(gòu)來(lái)加速秸稈的腐熟降解，同時(shí)提高土壤酶活性，促進(jìn)土壤養(yǎng)分活化和釋放以及土壤有機(jī)碳的形成。此外，土壤微生物的代謝分泌促進(jìn)了土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，改善了土壤pH和電導(dǎo)率，改善了小麥根際生長(zhǎng)環(huán)境，促進(jìn)根系對(duì)礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)和水分的吸收，提高小麥的有效分蘗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重。與秸稈未還田相比，秸稈還田和秸稈還田配施腐熟劑的小麥產(chǎn)量分別顯著提高了10.33%和13.46%，因此，秸稈還田配施腐熟劑是一項(xiàng)值得推廣和應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。

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