腐稈劑用量、含水量及初始碳氮比對(duì)水稻秸稈腐解性能的影響初探

朱雅琪 ，王珊 ，柳勇 *，陳應(yīng)龍，KARIMAN Khalil，梁金明，溫元明，周定志，陳展豪，張木，易秀

1. 長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院/旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；2. 廣東省養(yǎng)分資源循環(huán)利用與耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)部南方植物營(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640；3. 廣東省生態(tài)環(huán)境技術(shù)研究所/廣東省農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510650；4. 西澳大學(xué)農(nóng)業(yè)與環(huán)境學(xué)院/澳大利亞西澳大學(xué)農(nóng)業(yè)研究院，西澳大利亞 珀斯 6009；5. 中山市農(nóng)業(yè)科技推廣中心，廣東 中山 528400；6. 中山市沙溪鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)服務(wù)中心，廣東 中山 528471

農(nóng)作物秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的主要副產(chǎn)物，其產(chǎn)量高、分布廣、品種豐富。2010－2015年，中國(guó)秸稈年產(chǎn)量平均約9.01×108t，其中谷類作物秸稈占比最大，約6.29×108t（劉曉永等，2017）。同時(shí)，農(nóng)作物秸稈也是很重要的有機(jī)肥來(lái)源，其富含有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀、中微量元素等。秸稈還田作為最傳統(tǒng)的秸稈回收利用手段之一，其對(duì)緩解中國(guó)氮磷鉀肥比例失調(diào)、維持土壤鉀素肥力、降低養(yǎng)分隨地表徑流流失和地下水淋失風(fēng)險(xiǎn)、減緩農(nóng)田面源污染發(fā)生等方面尤為重要，并可在一定程度上起到減少化肥施用量的作用（呂小榮等，2004；劉紅江等，2012；劉曉永等，2017）。然而長(zhǎng)期以來(lái)，中國(guó)不少地方重用地、輕養(yǎng)地，重化肥、輕有機(jī)肥，大量有機(jī)肥資源尚未得到充分利用（張世賢，2001）。根據(jù)《關(guān)于印發(fā)＜廣東省開(kāi)展果菜茶藥有機(jī)肥替代化肥行動(dòng)方案＞的通知》（粵農(nóng)函[2017]311號(hào)），廣東省年產(chǎn)農(nóng)作物秸稈4.70×107t，養(yǎng)分還田率僅為45%（廣東省耕地肥料總站，2017）。

秸稈還田一般分為直接還田、燃燒還田、過(guò)腹還田、堆漚還田等方式（馬驍軒等，2016）。直接還田腐解過(guò)程較慢，秸稈中的養(yǎng)分難以快速釋放并匹配作物對(duì)養(yǎng)分的需求；燃燒還田不僅造成資源浪費(fèi)，而且嚴(yán)重污染大氣環(huán)境；過(guò)腹還田適合在畜牧業(yè)較發(fā)達(dá)的地區(qū)推廣，要占用一定的空間且需較長(zhǎng)的時(shí)間（張水清等，2010；劉曉永等，2017）。相對(duì)而言，將秸稈腐熟后還田（堆漚還田）既可以有效緩解以上諸多秸稈處置難題，還可以增加土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量、減少化肥施用量等。當(dāng)前，支持農(nóng)民利用農(nóng)作物秸稈堆漚積造有機(jī)肥已成為廣東省實(shí)施有機(jī)肥替代化肥行動(dòng)的一項(xiàng)重要措施（廣東省耕地肥料總站，2017）。

近年來(lái)，對(duì)農(nóng)作物秸稈腐解過(guò)程及其影響因素的研究備受關(guān)注。眾所周知，秸稈的腐解是微生物主導(dǎo)下的生物化學(xué)過(guò)程（Eiland et al.，2001；Zang et al.，2018）。與自然堆肥相比，生物堆肥（接種耐高溫微生物菌劑——腐稈劑）有利于有機(jī)質(zhì)的礦化和腐殖化，可促進(jìn)玉米秸稈腐熟和提高堆肥質(zhì)量（陳亞楠等，2014）。堆肥腐稈劑用量直接影響堆體微生物數(shù)量，并間接影響腐解過(guò)程，其適宜用量與腐稈劑種類有關(guān)，如“金葵子”腐稈劑用量宜為0－1.0%（廖世喜等，2011；楊帆等，2012）。研究還表明，秸稈腐解受到水分條件、碳氮（C/N）比、通氣程度、粉碎程度等因素的影響（陳帥等，2016；張永鋒等，2016）。就影響堆肥的初始條件方面的研究而言，對(duì)水分和C/N比的研究報(bào)道較多，但各初始條件的設(shè)置存在很大差異。如Bernal et al.（2009）在堆肥腐熟度評(píng)價(jià)指標(biāo)研究中指出，堆肥初期最佳含水量為50%－60%，C/N比25－35；黃川等（2013）在雞糞與玉米秸稈混合堆肥的研究中調(diào)節(jié)含水量為60%－70%，初始C/N比約為25；Guo et al.（2012）在豬糞和玉米秸稈混合堆肥的研究中設(shè)置含水量為65%－75%，較低的初始C/N比15－21。綜合上述文獻(xiàn)可知，控制好腐稈劑用量、含水量及初始C/N比等條件可以大大提高秸稈的腐解速率。然而，基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的秸稈腐解過(guò)程影響因素（特定初始條件）優(yōu)化研究還缺乏系統(tǒng)報(bào)道（陳帥等，2016）。因此，本研究以水稻秸稈為代表性秸稈，通過(guò)接種不同用量“金葵子”腐稈劑（0、0.5%、1.0%）來(lái)增加腐解初期微生物的種類及數(shù)量，以及通過(guò)調(diào)節(jié)不同的含水量（50%、60%、70%）和初始C/N 比（20、22、25）為微生物創(chuàng)造適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，研究其對(duì)水稻秸稈腐解性能的影響，旨在驗(yàn)證“金葵子”腐稈劑的應(yīng)用效果，并確定適宜的腐解初始條件，為秸稈堆漚還田提供科學(xué)依據(jù)，也為廣東省開(kāi)展果菜茶藥有機(jī)肥替代化肥研究奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

腐解原材料選用水稻秸稈，腐解添加劑選用“金葵子”腐稈劑和尿素。水稻秸稈來(lái)自廣東省中山市沙溪鎮(zhèn)聚龍圍農(nóng)場(chǎng)，水洗烘干后過(guò)1 mm篩；“金葵子”腐稈劑為佛山金葵子植物營(yíng)養(yǎng)有限公司研發(fā)和生產(chǎn)（有效活菌數(shù)≥0.5×108CFU·g-1，富含分解纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和其他生物有機(jī)物質(zhì)的微生物菌群，能快速腐解秸稈及有機(jī)廢棄物）；尿素為廣州化學(xué)試劑廠生產(chǎn)（分析純）。腐解容器為2 L塑料量杯及540 mm×390 mm×270 mm泡沫箱。腐解原材料部分理化性質(zhì)見(jiàn)表 1，其測(cè)定值表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。

表1 水稻秸稈基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of rice straw

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用正交設(shè)計(jì)（任露泉，2003）10-25探究腐稈劑用量、含水量及初始C/N比對(duì)水稻秸稈腐解性能的影響，包括腐稈劑用量（A）、含水量（B）、初始C/N比（C）3個(gè)因素，每個(gè)因素3個(gè)水平（表2）。取樣方式為破壞性取樣，每份樣品含水稻秸稈60 g（干質(zhì)量）。試驗(yàn)初始步驟如下：使用尿素調(diào)節(jié)水稻秸稈C/N比（質(zhì)量比，尿素添加量為2.0%－3.0%），將尿素配制成溶液；依次向量杯中加入水稻秸稈、腐稈劑和尿素溶液后混勻；封上保鮮膜，均勻留出 10個(gè)通氣小孔；將量杯放在泡沫箱內(nèi)，以達(dá)到一定的保溫效果。取樣時(shí)間為試驗(yàn)開(kāi)始后第7、14、21、28、35、42天；每次取樣測(cè)定含水量后對(duì)未取樣樣品進(jìn)行稱重，根據(jù)水分損失情況及時(shí)補(bǔ)水，攪拌至混合均勻，同時(shí)通過(guò)攪拌向樣品中通入空氣。

表2 正交設(shè)計(jì)表Table 2 L9 (34) orthogonal test design

1.3 測(cè)定方法

取樣后將樣品分成兩份。一份為新鮮樣品，貯存于4 ℃冰箱待用；另一份作為干樣，在60 ℃烘箱中烘干待用。測(cè)定指標(biāo)主要有：pH、C/N比、水溶性有機(jī)碳（DOC）及紫外光譜參數(shù)（如表1所示）、腐解率（DR）、種子發(fā)芽指數(shù)（GI）、微生物群落組成等；所有指標(biāo)均平行測(cè)定2或3次，取平均值。pH 采用去離子水（m∶V=1∶10）浸提，180 r·min-1振蕩1 h，4000 r·min-1離心5 min，濾紙過(guò)濾（張亞寧，2004），然后用Sartorius PB-10型酸度計(jì)和Sartorius pH/ATC復(fù)合電極測(cè)定；樣品于105 ℃烘箱中烘干，采用恒重法測(cè)定其含水量（魯如坤，1999）302-304；總有機(jī)碳采用高溫外加熱重鉻酸鉀氧化，容量法測(cè)定（魯如坤，1999）107-108；全氮采用H2SO4-H2O2消煮，擴(kuò)散法測(cè)定（國(guó)家林業(yè)局，1999）；DOC 采用去離子水（m∶V=1∶10）浸提，180 r·min-1振蕩 1 h，4000 r·min-1離心 20 min，0.45 μm 濾膜過(guò)濾（Straathof et al.，2015），然后用 Shimadzu TOC-V CPH型TOC分析儀測(cè)定；紫外光譜參數(shù)采用北京普析通用 TU-1950型紫外/可見(jiàn)光分光光度計(jì)測(cè)定（Liu et al.，2014），與DOC測(cè)定使用同一份樣品；利用含水量及秸稈質(zhì)量變化情況計(jì)算 DR（陳帥等，2016）；GI的計(jì)算：采用去離子水（m∶V=1∶10）浸提，180 r·min-1振蕩 1 h，4000 r·min-1離心5 min，濾紙過(guò)濾，然后取5 mL濾液，加入放有濾紙的培養(yǎng)皿中，在濾紙上放 10粒飽滿的白菜種子，于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h，與對(duì)照組（以去離子水代替濾液）同時(shí)測(cè)定，計(jì)算公式如下（Guo et al.，2012）：

式中，N為種子發(fā)芽數(shù)；l為根長(zhǎng)；N0為對(duì)照組種子發(fā)芽數(shù)；l0為對(duì)照組根長(zhǎng)。

測(cè)序樣品的采集、總DNA的提取及高通量測(cè)序方法如下：取適量水稻秸稈樣品于-70 ℃冰箱中冷凍；采用MP Biomedicals FastDNA○RSpin試劑盒提取總 DNA，其濃度和總量分別用 NanoDrop ND-1000型紫外分光光度計(jì)和 0.8%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)，細(xì)菌16S rRNA基因（V3-V4區(qū)）使用通用引物 338F（5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3′）和 806R（5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′），真菌 rRNA基因使用引物 ITS1（5′-TCCGTAGGTGAACCTGCGG-3′），分別對(duì)細(xì)菌和真菌菌株進(jìn)行PCR擴(kuò)增，對(duì)其產(chǎn)物進(jìn)行純化、定量；利用Illumina MiSeq PE300型測(cè)序儀對(duì)構(gòu)建合格的文庫(kù)進(jìn)行2×300 bp的雙端測(cè)序，測(cè)序工作在上海派諾森生物科技股份有限公司完成（Wei et al.，2018）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Origin 8.0軟件進(jìn)行圖片編輯，不同腐解時(shí)間的數(shù)據(jù)表示為算術(shù)平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。采用Microsoft Office Excel 2007軟件進(jìn)行直觀分析（任露泉，2003）79-106，即通過(guò)計(jì)算某一因素Fi（i=A、B、C）在某一水平Lj（j=Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）下各處理結(jié)果之和（LⅠ、LⅡ、LⅢ），篩選出實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)組合，然后通過(guò)分析極差（R），判斷某一因素對(duì)水稻秸稈腐解各指標(biāo)的影響程度，R=(Lj/3)max-(Lj/3)min，R值越大，該因素的影響則越大；采用SPSS 11.5軟件進(jìn)行單因素方差分析（Duncan多重比較法）和Pearson相關(guān)性分析（雙尾檢驗(yàn)），檢驗(yàn)水平α=0.05，采用小寫字母和*/**標(biāo)注顯著性。

2 結(jié)果與討論

2.1 pH與GI的動(dòng)態(tài)變化

圖1所示為腐解過(guò)程中pH和GI的動(dòng)態(tài)變化。pH是影響微生物生長(zhǎng)的重要條件之一，同時(shí)也可以反映微生物的繁殖及有機(jī)物的降解情況（陳帥等，2016）；腐熟堆肥pH值標(biāo)準(zhǔn)為8.00－9.00（陳雅娟等，2012）。水稻秸稈腐解初期（第0－7天），由于用尿素調(diào)節(jié)初始 C/N比，尿素分解產(chǎn)生大量NH4+-N（≥3.00 g·kg-1，本文未列出NH4+-N結(jié)果，下同），第7天取樣時(shí)所有處理pH值均較高。腐解中期（第7－35天），不同處理pH值變化主要出現(xiàn)以下 2種情況：（1）A0B50C20、A1.0B70C20、A0B60C22、A1.0B50C22、A0B70C25、A0.5B50C25、A1.0B60C25處理先降低后升高；（2）A0.5B60C20、A0.5B70C22處理整體降低（圖1A、B、C）。此階段各處理pH值均有所降低，這主要與微生物繁殖活動(dòng)將有機(jī)物料中的糖類物質(zhì)分解成小分子有機(jī)酸有關(guān)（Liu et al.，2014）。A0B50C20等處理在第21天取樣時(shí)pH值又開(kāi)始升高，而A0.5B60C20等處理則表現(xiàn)出持續(xù)酸化的現(xiàn)象。pH值升高的原因可能在于，隨著腐解的進(jìn)行，有機(jī)酸被微生物分解以及有機(jī)氮礦化釋放NH4+-N等堿性物質(zhì)（Nakhshiniev et al.，2014）；另有研究表明，秸稈腐解后，其本身含有的超量堿（K、Na、Ca、Mg等灰分元素）形成有機(jī)酸鹽溶解進(jìn)入溶液中，使溶液呈堿性，這些有機(jī)酸鹽分解后將轉(zhuǎn)化為碳酸鹽，其堿性反應(yīng)更加強(qiáng)烈（李志安等，2005）。而根據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果，pH值與NH4+-N含量呈極顯著正相關(guān)（r=0.573**，n=45）。因此，若水稻秸稈腐解產(chǎn)生堿性物質(zhì)的過(guò)程較緩慢，則會(huì)表現(xiàn)為pH值繼續(xù)降低。腐解后期（第35－42天），A0B50C20處理pH值下降（整個(gè)腐解過(guò)程中由8.96下降到7.05），其他處理均升高，介于8.00－9.00之間，呈弱堿性，符合腐熟堆肥pH值標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 不同處理下水稻秸稈腐解過(guò)程中pH和GI的動(dòng)態(tài)變化Fig. 1 Changes in pH and GI during rice straw decomposition under different treatments

GI是一個(gè)常用的評(píng)價(jià)秸稈腐解程度的指標(biāo)，可以直接反映其腐熟情況（Zhu，2006）；GI≥50%可被視為毒性較低，≥80%可被認(rèn)為處于完全腐熟狀態(tài)（Zucconi et al.，1981）。由圖1D、E、F可知，所有處理GI值呈整體上升趨勢(shì)，與第7天相比，第42天時(shí)不同 C/N比下各處理平均值增幅大小表現(xiàn)為：C25（1785%）＞C20（1139%）＞C22（594%），其中 A0B70C25處理變化最大（由 2.60%上升到96.2%）。腐解結(jié)束時(shí)，除A0B50C20處理GI值明顯較低（34.9%）外，其他處理GI值均達(dá)50%以上，已實(shí)現(xiàn)基本腐熟，對(duì)植物毒性較小。

2.2 C/N比與DR的動(dòng)態(tài)變化

圖2 不同處理下水稻秸稈腐解過(guò)程中C/N比和DR的動(dòng)態(tài)變化Fig. 2 Changes in C/N ratios and DR during rice straw decomposition under different treatments

圖2所示為腐解過(guò)程中C/N比與DR的動(dòng)態(tài)變化。C/N比反映了秸稈腐解的基本特征，是最為常用的堆肥質(zhì)量和腐熟程度的指示因子之一（陳帥等，2016）；一般認(rèn)為，秸稈腐解結(jié)束時(shí)的最佳C/N比約為15（Bernal et al.，2009）。不同處理C/N比變化主要出現(xiàn)以下兩種情況：（1）A0.5B50C25、A0B70C25、A0.5B70C22處理C/N比在整個(gè)腐解過(guò)程中持續(xù)下降；（2）A0B50C20和A1.0B70C20處理先升高后降低（圖 2A、B、C）?？傮w而言，由于有機(jī)物料在腐解過(guò)程中碳的損失大于氮（柳敏等，2007），從而造成了所有處理C/N比下降的情況。水稻秸稈腐解初期，可能由于尿素分解產(chǎn)生的氨氣釋放到空氣中，造成了氮素?fù)p失（對(duì)應(yīng)的損失率＞10.0%），而微生物分解有機(jī)質(zhì)的速率（對(duì)應(yīng)的 DR＜10.0%）跟不上氨釋放的速率，使A0B50C20等處理在第7－14天取樣時(shí)C/N比上升。腐解結(jié)束時(shí)，A0B70C25、A0.5B70C22、A1.0B60C25處理 C/N比分別為 13.1、14.4、16.4，基本符合腐熟秸稈最佳C/N比；A0B50C20處理C/N比為25.7，高于初始C/N比20，此條件不利于水稻秸稈腐解；其他處理C/N比均為20.0左右，不符合腐熟秸稈最佳C/N比。

DR可以反映微生物腐解秸稈的情況，是判斷秸稈腐解程度的重要指標(biāo)（陳帥等，2016）。由圖2D、E、F可知，所有處理 DR值均呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，最后趨于平穩(wěn)，但A0B50C20處理DR值較其他處理而言始終處于較低水平。腐解結(jié)束時(shí)，A0B70C25和 A0.5B70C22處理 DR值較高，分別達(dá)到47.0%和 47.1%，A1.0B60C25處理次之，為 43.7%，DR值較高的處理與符合腐熟秸稈最佳C/N比的處理一致；A0B50C20處理DR值為30.7%，進(jìn)一步證實(shí)了此條件不利于水稻秸稈腐解的進(jìn)行；其他處理DR值較為接近，其范圍為35.0%－40.0%。

2.3 DOC及紫外光譜參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化

DOC是微生物最直接的碳源，是能夠被微生物直接用來(lái)合成自身生命體的重要組成部分（van Hees et al.，2005）；秸稈還田是土壤DOC的重要來(lái)源之一（周江敏等，2008）。在相同的腐稈劑用量下，比較了各處理DOC的動(dòng)態(tài)變化（圖3）。在水稻秸稈腐解的過(guò)程中，大多數(shù)處理 DOC含量呈現(xiàn)整體上升趨勢(shì)并逐漸趨于平穩(wěn)，而 A0B50C20、A1.0B60C25和A1.0B70C20處理DOC含量則在上升到最大值后開(kāi)始緩慢下降。究其原因，可能是在水稻秸稈腐解旺盛時(shí)期，大量繁殖的微生物分解有機(jī)物料中的半纖維素、纖維素、木質(zhì)素等成分，DOC含量迅速增加；而腐解后期，隨著有機(jī)物的分解速率變緩，有機(jī)物料產(chǎn)生的易降解物質(zhì)已很少，原來(lái)分解生成的DOC又被微生物利用所消耗，當(dāng)DOC的消耗量和產(chǎn)生量處于一個(gè)相對(duì)平衡的狀態(tài)，DOC含量就會(huì)基本保持不變，當(dāng) DOC的消耗量大于其產(chǎn)生量，DOC含量就會(huì)有所下降（Chen et al.，2009）。

圖3 不同處理下水稻秸稈腐解過(guò)程中DOC的動(dòng)態(tài)變化Fig. 3 Changes in DOC during rice straw decomposition under different treatments

研究表明，水溶性有機(jī)物（DOM）的SUVA280（單位DOC濃度在280 nm處的吸收系數(shù)）與其芳香度有關(guān)，該值越大，DOM腐殖化程度越高（Liu et al.，2014）；E2/E3（250 nm處吸光值/365 nm處吸光值）與DOM分子量大小有關(guān)，該值越小，DOM組成中高分子量物質(zhì)越多（Liu et al.，2014）；A226－400（單位DOC濃度在226－400 nm的吸收系數(shù)的積分面積）可提供DOM分子縮合度及腐殖化程度等方面的信息（趙越等，2015）。在相同的腐稈劑用量下，比較了各處理紫外光譜參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化（圖 4）。隨著水稻秸稈腐解的進(jìn)行，所有處理SUVA280值表現(xiàn)出增大的趨勢(shì)（圖 4A、B、C），表明DOM芳香性結(jié)構(gòu)不斷增多，腐殖化程度加大；各處理E2/E3值也呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)（圖4D、E、F），與第7天相比，第42天時(shí)不同含水量下各處理平均值增幅大小表現(xiàn)為：B70（33.3%）＞B60（21.2%）＞B50（12.5%），說(shuō)明半纖維素、纖維素、木質(zhì)素等大分子物質(zhì)被微生物分解后，DOM組成中低分子量物質(zhì)有所增加，且其含量多少與含水量大小密切相關(guān)；所有處理A226－400值隨腐解的進(jìn)行也有明顯增大的趨勢(shì)，最后趨于穩(wěn)定（圖4H、I、J），表明DOM腐殖化程度逐漸增強(qiáng)。

2.4 最優(yōu)水平及最大影響因素分析

為了探明腐稈劑用量、含水量、初始C/N比對(duì)各指標(biāo)（pH、GI、C/N、DR、DOC、SUVA280、E2/E3和A226－400）的影響，對(duì)腐解試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行直觀分析（表3）。結(jié)果表明，不同的腐稈劑用量、含水量、初始C/N比影響下的最佳腐解條件為：腐稈劑用量0.5%，含水量70%，初始C/N比25。首先，秸稈腐解時(shí)添加適宜用量的腐稈劑可有效提高腐解效率。本研究中，對(duì)水稻秸稈腐解促進(jìn)效果最佳的“金葵子”腐稈劑用量為0.5%。這印證了陳帥等（2016）的結(jié)論，即在一定添加范圍內(nèi)，腐稈劑的促進(jìn)效果隨添加量的增大而加強(qiáng)，但是過(guò)量添加反而削弱了促進(jìn)效果，延長(zhǎng)了腐熟時(shí)間。廖世喜等（2011）在稻草還田的應(yīng)用研究中將“金葵子”腐稈劑用量設(shè)置為30 kg·hm-2（根據(jù)6000 kg·hm-2的稻草還田量，即相當(dāng)于0.5%的腐稈劑用量）時(shí)，可加速稻草的腐爛分解，促進(jìn)土壤養(yǎng)分的礦化。這也間接驗(yàn)證了“金葵子”腐稈劑用量在0.5%時(shí)的應(yīng)用效果。其次，水分條件對(duì)秸稈腐熟的影響較大，不同研究結(jié)論存在較大差異。張永鋒等（2016）指出，含水量在60%－65%時(shí)適宜發(fā)酵。陳帥等（2016）卻發(fā)現(xiàn)，水稻秸稈腐解的最佳含水量為80%。而本研究結(jié)果則表明，含水量為70%時(shí)，對(duì)水稻秸稈腐解促進(jìn)效果最佳。其原因可能在于，特定試驗(yàn)條件多因素耦合作用下，秸稈腐解過(guò)程中微生物繁殖活動(dòng)對(duì)水分的需求是不同的。此外，本研究發(fā)現(xiàn)，初始C/N比為25時(shí)，對(duì)水稻秸稈腐解的促進(jìn)效果最佳。這一結(jié)果與多數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道的研究結(jié)果一致，如張蓓（2012）在玉米秸稈發(fā)酵的研究中也發(fā)現(xiàn)，微生物分解有機(jī)物較適宜的初始C/N比約為25。

圖4 不同處理下水稻秸稈腐解過(guò)程中SUVA280、E2/E3和A226－400的動(dòng)態(tài)變化Fig. 4 Changes in SUVA280, E2/E3, and A226-400 during rice straw decomposition under different treatments

對(duì) R值進(jìn)行進(jìn)一步分析可知，腐稈劑用量對(duì)DOC含量的影響最大（表3）。這可能是由于DOC作為可被微生物直接利用的有效碳源，其含量多少與微生物的種類和數(shù)量相關(guān)（Van Hees et al.，2005），而腐稈劑的添加通過(guò)影響秸稈腐解過(guò)程中微生物的菌群多樣性，從而影響了DOC含量。其次，含水量對(duì) C/N 比、DR、SUVA280、E2/E3和 A226－400值的影響最大（表3）。由于含水量的大小決定著秸稈腐解過(guò)程中微生物的活性，進(jìn)而影響了總有機(jī)碳、全氮、DOM等的消耗情況（張永鋒等，2016），導(dǎo)致C/N比、DR、SUVA280、E2/E3、A226－400等指標(biāo)受含水量影響較大。此外，這些指標(biāo)均與秸稈腐解程度有關(guān)，說(shuō)明含水量是影響腐解產(chǎn)物穩(wěn)定性（C/N比和DR）以及DOM芳香性結(jié)構(gòu)和腐殖化程度（SUVA280、E2/E3和A226－400）的主要因素。表3結(jié)果還表明，初始C/N比對(duì)pH和GI值的影響最大。由于初始C/N比的大小決定著微生物生長(zhǎng)所需碳源、氮源的充足與否，間接影響了微生物的繁殖活動(dòng)以及有機(jī)酸的產(chǎn)生情況（黃川等，2013），從而影響了pH值的大小以及對(duì)植物種子的毒害作用。

2.5 各指標(biāo)相關(guān)性

為了揭示腐解結(jié)束時(shí)各指標(biāo)間的關(guān)系，本研究對(duì)第42天的上述指標(biāo)進(jìn)行了相關(guān)性分析（表4）。結(jié)果表明，pH值與GI值呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）。這是由于秸稈腐解產(chǎn)生的有機(jī)酸影響著pH值的大小，同時(shí)也對(duì)植物種子有一定的毒害作用（羅淵等，2016）。C/N比與DR和E2/E3值呈極顯著或顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01或 P＜0.05）；DR值與 E2/E3值呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。原因在于，隨著水稻秸稈腐解的進(jìn)行，微生物生長(zhǎng)消耗了大量的有機(jī)碳，使C/N比降低，而有機(jī)碳消耗是DR值增加的直接原因；同時(shí)，大分子物質(zhì)部分分解成小分子物質(zhì)后，E2/E3值升高。張亞寧（2004）通過(guò)建立堆肥腐熟度快速測(cè)定的指標(biāo)和方法，提出了可利用C/N比來(lái)判斷堆肥產(chǎn)品是否完全腐熟的方法。因此，相關(guān)分析結(jié)果證實(shí)了張亞寧（2014）的結(jié)論。SUVA280和A226－400值與 GI值呈極顯著或顯著正相關(guān)（P＜0.01或P＜0.05）。這在一定程度上表明，隨著秸稈腐殖化程度的加大，腐解產(chǎn)物對(duì)植物種子的毒害作用變小，因此可以通過(guò)測(cè)定DOM的SUVA280和A226－400值來(lái)預(yù)測(cè) GI值大小，從而間接判斷腐熟秸稈對(duì)植物種子的毒害作用。SUVA280值與A226－400值呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），這與李丹等（2016）對(duì)雞糞堆肥的 DOM 紫外光譜參數(shù)的相關(guān)性分析結(jié)論一致，表明兩者均可以用來(lái)反映DOM的芳香性結(jié)構(gòu)及腐殖化程度變化情況。

表3 腐稈劑用量、含水量、初始C/N比影響下不同腐解指標(biāo)的直觀分析Table 3 Intuitive analyses of the effects of decomposition agent dosage,moisture content, and initial C/N ratio on different decomposition indicators

表4 腐解結(jié)束時(shí)不同腐解指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficients among different decomposition indicators at the end of rice straw decomposition

2.6 最佳腐解條件下水稻秸稈腐解前后微生物群落組成變化

研究表明，厚壁菌門細(xì)菌具有嗜熱、耐熱、適應(yīng)廣泛 pH、降解纖維素或半纖維素的特性，放線菌門細(xì)菌是木質(zhì)素、纖維素等高分子聚合物的主要分解者，而擔(dān)子菌門等真菌亦可解聚和溶解木質(zhì)素與纖維素，它們的變化與腐殖質(zhì)的形成密切相關(guān)（田相玲，2014；張永鋒等，2016；艾士奇等，2018）。以篩選出的最佳結(jié)果（腐稈劑用量 0.5%，含水量70%，初始C/N比25）為初始條件進(jìn)行水稻秸稈腐解，分析微生物群落門水平組成及其相對(duì)豐度的變化。腐解前后的菌群多樣性組成譜測(cè)序結(jié)果如表 5所示。從腐解開(kāi)始（第0天）到結(jié)束（第42天），細(xì)菌的優(yōu)勢(shì)菌群由變形菌門（Proteobacteria）演替為厚壁菌門（Firmicutes）和放線菌門（Actinobacteria），即厚壁菌門相對(duì)豐度由 33.0%增加到45.5%，放線菌門由3.83%增加到32.9%，兩者總和增加了近 2.13倍，而變形菌門則由 57.7%下降到13.0%。對(duì)真菌進(jìn)行分析可知，腐解開(kāi)始和結(jié)束時(shí)均以擔(dān)子菌門（Basidiomycota）為優(yōu)勢(shì)菌群，其相對(duì)豐度由63.2%增加到69.3%。以上分析結(jié)果證實(shí)，以該腐解試驗(yàn)所得的最佳結(jié)果作為初始條件進(jìn)行水稻秸稈腐解，可促進(jìn)分解纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和其他生物有機(jī)物質(zhì)的微生物菌群的生長(zhǎng)，有效提高了堆體微生物群落的多樣性（結(jié)果未列出），從而加速了水稻秸稈的腐解。

3 結(jié)論

（1）腐解結(jié)束時(shí)，A0B50C20處理pH、GI和DR值（分別為 7.05、34.9%和 30.7%）明顯較低，其C/N比（25.7）則明顯較高，而大多數(shù)處理pH值符合腐熟堆肥標(biāo)準(zhǔn)（8.00－9.00），GI值符合毒性較低（≥50%）或完全腐熟狀態(tài)（≥80%），A0B70C25、A0.5B70C22和A1.0B60C25處理C/N比（分別為13.1、14.4、16.4）基本符合腐解產(chǎn)物最佳 C/N比標(biāo)準(zhǔn)（15.0），A0.5B70C22處理DR值（47.1%）最高；所有處理 DOC含量逐漸趨于平穩(wěn)或緩慢下降，且隨著DOM芳香度不斷增大，其腐殖化程度逐漸增強(qiáng)。

表5 腐解第0、42天時(shí)水稻秸稈樣品中細(xì)菌和真菌群落門水平組成及其相對(duì)豐度Table 5 Phylum-level compositions and relative abundances of the bacterial and fungal communities after decomposition for 0 and 42 d in the rice straw samples

（2）可以通過(guò)測(cè)定腐解產(chǎn)物DOM的SUVA280和A226－400值來(lái)預(yù)測(cè)GI值大小，間接判斷其對(duì)植物種子的毒害作用，從而判斷秸稈是否腐熟完全。

（3）根據(jù)直觀分析法可知，不同的腐稈劑用量、含水量、初始C/N比影響下的最佳腐解條件為：“金葵子”腐稈劑0.5%，含水量70%，初始C/N比25。對(duì)DOC含量影響最大的是腐稈劑用量；對(duì)C/N比、DR、SUVA280、E2/E3和A226－400值影響最大的是含水量；對(duì)pH和GI值影響最大的則是初始C/N比。

（4）以“金葵子”腐稈劑0.5%、含水量70%、初始C/N比25為初始條件進(jìn)行水稻秸稈腐解，可提高厚壁菌門、放線菌門細(xì)菌等微生物的相對(duì)豐度，利于水稻秸稈的腐解。

致謝：承蒙佛山金葵子植物營(yíng)養(yǎng)有限公司的丁仕進(jìn)總經(jīng)理為本研究提供了“金葵子”腐稈劑，在此謹(jǐn)致謝意。