低溫腐熟土著菌對土壤肥力及秸稈腐熟效果的影響

孟祥海 王佰成 王延鋒

摘要 為了明確玉米秸稈還田下低溫秸稈腐熟土著菌劑（菌劑A）田間秸稈促腐應(yīng)用效果，采取小區(qū)定位試驗和網(wǎng)袋翻埋研究方法，于上茬玉米秋季收獲后，原田表面噴施清水（CK）、低溫秸稈腐熟菌（菌劑A）和對照腐熟菌劑（菌劑B、菌劑C），采用3種秸稈還田深度（10、20、30 cm），針對玉米秸稈還田后的土壤肥力、秸稈腐解率及秸稈殘余物組分含量展開研究。結(jié)果表明，不同菌劑在秸稈還田10 cm可顯著增加耕層土壤有機質(zhì)含量，菌劑A效果最佳，分別較菌劑B、菌劑C增加2.72%、2.21%，深層還田20、30 cm土壤肥力各項指標增加不顯著，菌劑對土壤肥力優(yōu)化效果呈現(xiàn)菌劑A>菌劑C>菌劑B，菌劑A和菌劑C能夠較好地釋放秸稈中的養(yǎng)分，改良土壤，提高地力;菌劑A秸稈促腐熟效果顯著好于對照，秸稈降解率提高比率呈先升高再降低的趨勢，且以8月份降解率增幅最大;菌處秸稈殘余物的粗纖維、半纖維素、全磷和全鉀含量與對照相比顯著降低，降低幅度分別是6.81%～15.35%、3.53%～23.55%、7.06%～37.04%和21.93%～39.83%。

關(guān)鍵詞 玉米秸稈;低溫腐熟;土著菌;土壤肥力;腐熟效果

Abstract In order to clarify the corrosion promotion effect of low-temperature decomposed indigenous bacteria （agent A）on field straw，adopting the research methods of plot positioning test and net bag burial， after the autumn harvest of the previous crop of corn， spraying clear water （CK）， low-temperature straw decomposing fungus （microbial agentc A） and control decomposing fungus （microbial agent B， fungus agent C） on the surface of the original field，three depths of straw returning to the field （10， 20， 30 cm） were used to study the soil fertility， straw decomposing rate and the content of straw residues after corn straw returning to the field.The results showed that the different bacteria agent in straw counters-field 10 cm could significantly increase the top layer of soil organic matter content， bacteria agent A had the best effect，increased by 2.72%， 2.211% compared with the bacteria agent B and C respectively，and the deep returning 20 cm， 30 cm each index of soil fertility increase was not significant， bacterium agent to soil fertility optimization results showed bacterium agent A > bacterium agent C > bacterium agent B， bacteria agent A and bacterium agent C could better release the nutrient in the straw， soil improvement， to improve soil fertility.The effect of bactericidal agent A on straw ripening was significantly better than that of the control group， and the increase rate of straw degradation rate showed a trend of first increasing and then decreasing， and the increase rate of straw degradation rate was the largest in August. The contents of crude fiber， hemicellulose， total phosphorus and total potassium in the straw residues were significantly reduced compared with the control group， with the reduction ranges of 6.81%-15.35%， 3.53%-23.55%， 7.06%-37.04% and 21.93%-39.83%， respectively.

Key words Corn stalks;Low-temperature decomposing;Indigenous bacteria;Soil fertility;Decomposing effect

秸稈如何簡單和合理利用已經(jīng)成為困擾農(nóng)民及政府的一個大難題，傳統(tǒng)玉米秸稈多以離田焚燒為主，嚴重浪費大量農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源的同時更造成了嚴重的環(huán)境污染[1]。尤其對低山丘陵地塊的玉米種植區(qū)，玉米秸稈的焚燒也為林區(qū)火災(zāi)埋下了隱患。玉米秸稈作為一種優(yōu)質(zhì)的有機肥源如不能以腐殖質(zhì)化形式歸還土壤，勢必降低土壤基礎(chǔ)肥力[2]，從而造成作物養(yǎng)分供給失衡，作物產(chǎn)量及品質(zhì)難以提升。秸稈原位還田是培肥地力、改良土壤、優(yōu)化土壤環(huán)境的主要措施，不僅解決了焚燒秸稈所造成的大氣污染，又達到了作物增產(chǎn)提質(zhì)的作用[3-4]。但由于北方秋冬季氣溫低等因素，秸稈腐熟速率低[5]，還田效果差，同時嚴重影響下茬作物的耕作質(zhì)量[6]。因此，尋找玉米秸稈低溫促腐熟的土著復(fù)合菌系，明確其最佳使用方法，是有效提高土壤中秸稈降解效果的重要方法。該試驗以自主篩選的玉米秸稈低溫腐熟土著菌為試驗材料，采取定位試驗和網(wǎng)袋翻埋調(diào)查相結(jié)合的研究方法，開展不同秸稈還田深度（10、20、30 cm）下的秸稈腐熟效果試驗研究，同時采用市場常規(guī)菌劑B和C為對照菌種，明確玉米秸稈低溫腐熟土著菌A對土壤肥力的影響、秸稈的促腐熟能力及秸稈殘余物養(yǎng)分變化特征，以提高寒地玉米秸稈還田促腐熟效果，實現(xiàn)秸稈腐熟不受低溫限制，達到全量還田和增加土壤有機質(zhì)目的，為寒地玉米種植區(qū)秋季秸稈還田促腐熟提供技術(shù)指導(dǎo)與理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在黑龍江省牡丹江市溫春鎮(zhèn)黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院牡丹江分院試驗地（129°58′E、44°60′N）進行，該區(qū)屬于中緯度溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均太陽輻射總量為502.3 kJ/cm3，海拔250.6 m，年平均氣溫5.0 ℃，降雨主要集中在6—8月，年平均降雨量500～600 mm，常年農(nóng)業(yè)以旱作農(nóng)業(yè)為主，年平均日照總時數(shù)2 295.1 h，無霜期141 d，年平均蒸發(fā)總量1 262.3 mm，年平均相對濕度66%，平均活動積溫2 300～2 500 ℃·d，屬于二、三積溫帶。土壤類型為草甸土，質(zhì)地為壤質(zhì)黏土，田間持水量平均為25.5%，飽和土壤含水量平均為37.2%。容重1.36 g/cm3，有機質(zhì)33.28 g/kg，全氮1.51 g/kg，全磷0.71 g/kg，全鉀2.53 g/kg，堿解氮117.6 mg/kg，速效磷19.2 mg/kg，有效鉀235 mg/kg，pH 7.63。

1.2 試驗材料

玉米品種為當(dāng)?shù)剡m宜品種綠單2號，播種量為25 kg/hm2，株距28 cm，行距65 cm，種植密度為5.5萬～6.0萬株/hm2。氮肥選用尿素（N46%），磷肥選用磷酸氫二銨（N18%，P2O546%），鉀肥選用氯化鉀（K2O 60%）。腐熟劑A為自主篩選復(fù)合菌系，腐熟劑B為阿姆斯生物公司提供，腐熟劑C為匯邦生物科技有限公司提供。

1.3 試驗設(shè)計

1.3.1 小區(qū)試驗。該試驗為玉米連作區(qū)，采用裂區(qū)設(shè)計，隨機區(qū)組排列，共設(shè)12個處理，分別為空白對照CK1、CK2、CK3（1、2、3分別代表10、20、30 cm，下同），腐熟菌A1、A2、A3，腐熟菌B1、B2、B3，腐熟菌C1、C2、C3。每小區(qū)面積為20.0 m×7.8 m，3次重復(fù)，總計36個小區(qū)5 616 m2。試驗于2019年秋季收獲后整地，在玉米收獲后，利用6B1404約翰迪爾（六缸）拖拉機和滅茬機（1JH-350型秸稈粉碎還田機），在聯(lián)合收割機滅茬的基礎(chǔ)上，繼續(xù)將玉米根茬口和未粉碎的秸稈進行二次滅茬，將玉米秸稈粉碎5～10 cm。按照試驗處理要求進行菌劑均勻噴施（噴施菌劑的秸稈簡稱為菌處秸稈），對照處理噴施等量的清水。然后利用7M-2204約翰迪爾拖拉機+德國雷肯液壓五鏵翻轉(zhuǎn)犁（EurO pa18/5型），將秸稈耕翻埋于不同深度（10、20、30 cm）土層中。

該試驗采用秸稈全部還田，試驗期間不進行任何灌溉，所有處理的施肥、品種及其他管理措施（耙地、旋地、起壟、播種鎮(zhèn)壓、除草和防病等）均相同，各處理施肥量為N 160 kg/hm2、P2O5 115 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2，即底肥50 kg/hm2尿素、250 kg/hm2磷酸氫二銨、150 kg/hm2氯化鉀，追肥200 kg/hm2尿素。

1.3.2 秸稈腐熟度測定試驗。

試驗于2020年4—10月在海林市長汀鎮(zhèn)秸稈還田示范基地開展，選取粗細與長度接近的完整的玉米秸稈，將其裁成3～5 cm小段。稱50 g左右秸稈小段放入尼龍網(wǎng)袋中，準備好試驗所需要秸稈樣品若干袋（60袋）并進行編號。將編號后的樣品置85 ℃下烘干6 h后（要求烘至恒重），準確稱重并記錄每袋的重量N0。試驗設(shè)置施用腐熟菌劑（A）和不施腐熟菌劑（CK）2個處理，每處理重復(fù)30次;按秸稈還田要求和腐熟菌劑用量噴施菌劑于秸稈表面，并混合均勻，將上述秸稈樣品（尼龍網(wǎng)袋）埋入10 cm土層，分別在試驗的30、40、50、60 d隨機取出樣品5袋（每次取樣單獨記為AN、CKN，N表示第幾次取樣），4 ℃冰箱存放，樣品應(yīng)在3 d內(nèi)進行清洗和烘干，稱重為NX[7]。

1.4 測定項目及方法

1.4.1

土樣采集。不同處理小區(qū)選擇3塊具有代表性的區(qū)域，于秋季分別采集耕層0～20 cm土壤混合樣品，采用四分法取1 kg進行土樣風(fēng)干和制備。

1.4.2

土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分含量測定。土壤堿解氮的測定采用堿解擴散法;土壤有效磷的測定采用碳酸氫鈉浸提，鉬藍比色法;土壤速效鉀的測定采用醋酸銨浸提，火焰光度法;土壤有機質(zhì)的測定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法。土壤全氮含量采用開氏法測定，全磷和全鉀含量采用 NaOH熔融法測定[8]。

1.4.3

秸稈腐熟度（失重率）測定。采用失重率法測定秸稈腐解度。秸稈失重率= （N0-NX）/N0×100%[7]。

1.4.4

秸稈養(yǎng)分含量測定。還田秸稈全氮含量采用凱氏定氮法（硫酸-過氧化氫消煮）測定，秸稈全磷含量采用鉬銻抗比色法（硫酸-固體催化劑消煮）測定，秸稈全鉀含量采用火焰光度法（硫酸-過氧化氫消煮）測定，秸稈總有機碳含量采用硫酸亞鐵滴定法測定[9-10]，秸稈纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量分別采用酸性洗滌法、HCL水解法、紫外分光光度法測定[11-12]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Excel軟件進行數(shù)據(jù)初步整理;用SPSS 20軟件對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 菌處秸稈不同深度還田對土壤肥力的影響

從表1可以看出，同種秸稈還田方式下，與對照相比不同菌劑的噴施對土壤肥力部分指標有一定的提升作用，其中以堿解氮、有機質(zhì)、全磷和全鉀提高最為明顯，對其他指標影響規(guī)律性不明顯。秸稈還田10 cm下，3種菌劑噴施后除有效磷外其他肥力指標均有所提高，A1、B1、C1處理的全氮含量較對照分別提高了8.21%、2.83%、4.46%，全磷含量較對照分別提高了9.98%、6.02%、0.95%，全鉀含量較對照分別提高了1.77%、0.48%、1.04%，有機質(zhì)含量較對照分別提高了5.32%、2.53%、3.03%，堿解氮含量較對照分別提高了7.51%、3.98%、4.09%，速效鉀含量較對照分別提高了2.31%、6.34%、12.84%，菌劑效果表現(xiàn)為A1>C1>B1; 秸稈還田20 cm下，3種菌劑噴施后除有效磷和速效鉀外肥力指標均有提高，A2、B2、C2處理的全氮含量較對照分別提高了4.42%、2.99%、14.34%，全磷含量較對照分別提高了17.15%、13.47%、21.40%，全鉀含量較對照分別提高了10.06%、3.11%、4.30%，有機質(zhì)含量較對照分別提高了6.65%、3.95%、6.66%，堿解氮含量較對照分別提高了7.54%、6.62%、15.13%，菌劑效果表現(xiàn)為C2>A2>B2;秸稈還田30 cm下，3種菌劑噴施肥力指標中全磷、全鉀、有機質(zhì)、堿解氮均有提高，A3、B3、C3處理的全磷含量較對照分別提高了14.45%、2.99%、6.81%，全鉀含量較對照分別提高了6.79%、3.24%、4.95%，有機質(zhì)含量較對照分別提高了19.83%、16.67%、20.47%，堿解氮含量較對照分別提高了2.94%、5.73%、2.96%，菌劑效果表現(xiàn)為A3可顯著提高全磷含量，B3可顯著提高堿解氮含量，C3可顯著提高有機質(zhì)含量。

通過上述分析可知，不同菌劑處理下，秸稈還田10 cm時土壤有機質(zhì)顯著高于秸稈還田20、30 cm，提高幅度分別為17.25%、3.84%，說明秸稈表面還田有助于增加耕層土壤有機質(zhì)含量。還田深度10 cm下，菌劑A提高有機質(zhì)含量顯著好于菌劑B和C，增加幅度分別為2.72%、2.21%，深層還田增加不明顯。3種菌劑的不同秸稈還田方式均可以提高耕層土壤全磷、全鉀、有機質(zhì)、堿解氮含量，其中秸稈淺層還田時菌劑A效果最佳，深層次秸稈還田時菌劑C效果最佳。土壤有機質(zhì)是土壤中各種營養(yǎng)元素特別是氮、磷的重要來源，能吸附較多的陽離子，使土壤具有保肥力和緩沖性，是土壤肥力的重要指標之一[13-14]。故處理A1和C2可以顯著地提高土壤肥力，表明低溫土著復(fù)合菌劑A與對照菌劑C能夠較好地釋放秸稈中的養(yǎng)分，改良土壤，提高地力。

2.2 菌處秸稈還田后秸稈腐熟效果比較

作物秸稈在一定條件下經(jīng)過微生物等的綜合降解作用，其所含的有機物逐步被分解，秸稈重量亦逐漸降低[7，15]。通過測定秸稈失重率就能反映其腐解程度并由此進行秸稈腐熟劑效果的比較和評價[7]。4月23日將裝有秸稈與土壤混合樣品的網(wǎng)兜埋入土壤，由于春季，降雨量偏少，土壤耕層含水量不足15%，故第1次取樣時間延遲至7月18日，從表2可以看出，經(jīng)過菌劑A處理的秸稈降解率為50.74%，比噴施清水的對照處理（49.85%）降解率提高了1.79%，但差異性不顯著。8月18日和9月18日的噴施菌劑A的秸稈降解率分別為68.80%、67.95%，顯著高于同時期對照處理（56.15%和60.69%），分別顯著提高22.53%、11.96%，10月18日噴施菌劑A的秸稈降解率達到最高（77.66%），極顯著高于同時期對照處理（P<0.01），降解率提高了10.61%。

2.3 菌處秸稈殘余物養(yǎng)分含量變化

在秸稈降解率試驗同時，按照上述的4個取樣時間對殘余的秸稈段進行了養(yǎng)分測定，殘余秸稈的養(yǎng)分含量越少，說明被微生物降解得越好，而進入土壤中的養(yǎng)分越多，土壤肥力提升效果越明顯。從表3可以看出，秸稈埋入土中86 d后，經(jīng)菌劑A處理的秸稈養(yǎng)分中全磷、全鉀、粗纖維、半纖維素和木質(zhì)素含量顯著低于對照處理且分別降低了13.72%、39.83%、8.07%、15.34%和23.52%，說明菌劑對全磷、全鉀、粗纖維、半纖維素和木質(zhì)素的降解效果較好，但對全氮和總有機碳含量降解效果不佳。

秸稈埋入土中117 d后，經(jīng)菌劑A處理的秸稈養(yǎng)分中全氮、全磷、全鉀、粗纖維、半纖維素含量均低于對照處理，分別降低了6.09%、37.03%、21.94%、6.81%和23.55%，說明菌劑對全氮、全磷、全鉀、粗纖維、半纖維素的降解效果較好，但對木質(zhì)素和總有機碳含量降解效果不佳。

秸稈埋入土中148 d后，經(jīng)菌劑A處理的秸稈養(yǎng)分中全磷、全鉀、粗纖維、半纖維素含量均低于對照處理，分別降低了7.06%、27.92%、15.35%和4.50%，說明菌劑對全磷、全鉀、粗纖維、半纖維素的降解效果較好，但對全氮、木質(zhì)素和總有機碳含量降解效果不佳。

秸稈埋入土中179 d后，經(jīng)菌劑A處理的秸稈養(yǎng)分中粗纖維、半纖維素、木質(zhì)素和總有機碳含量均低于對照處理，分別降低了8.75%、3.53%、5.81%和2.49%，說明菌劑對粗纖維、半纖維素、木質(zhì)素和總有機碳的降解效果較好，但對全氮、全磷、全鉀含量降解效果不佳。

3 討論

3.1 菌處秸稈不同深度還田對土壤肥力的影響

該研究結(jié)果表明，秸稈表面還田有助于增加耕層土壤有機質(zhì)含量，即還田深度10 cm時土壤有機質(zhì)顯著高于秸稈還田20、30 cm，其中菌劑A提高有機質(zhì)含量顯著好于菌劑B和C，增加幅度分別為2.72%、2.21%，此時菌劑對土壤肥力優(yōu)化效果表現(xiàn)為A1>C1>B1，即自主篩選的秸稈低溫腐熟菌田間促腐熟效果顯著好于對照菌劑;而秸稈還田深度大于20 cm時，菌劑A優(yōu)化土壤肥力效果不明顯，菌劑C效果較好。同種秸稈還田方式下，與對照相比不同菌劑的噴施對土壤肥力部分指標有一定的提升作用，其中以堿解氮、有機質(zhì)、全磷和全鉀提高最為明顯，對其他指標影響規(guī)律性不明顯，這與田平等[16-17]的研究結(jié)果一致。

3.2 菌處秸稈還田后秸稈腐熟效果的比較

該試驗結(jié)果顯示，低溫秸稈腐熟菌劑（菌劑A）促腐熟效果顯著好于對照，秸稈降解率提高比率呈先升高再降低的趨勢，且以8月份降解率增幅最大。菌劑A的秸稈降解率為50.74%～77.66%，噴施清水的對照處理秸稈降解率為49.85%～70.21%，菌劑A相比對照處理降解率顯著提高了0.89～7.45百分點，即秸稈降解效果顯著，8—10月正是高溫、高濕的季節(jié)，菌劑A表現(xiàn)出較強的秸稈分解能力。由于這部分試驗秸稈還田深度是5～10 cm，因此證明菌劑A在秸稈表層還田時噴施秸稈促腐熟效果較好，這也正是秸稈還田10 cm時土壤肥力顯著提高的原因，這與馮長城等[18]的研究結(jié)果一致。

3.3 菌處秸稈殘余物養(yǎng)分含量變化

玉米秸稈的主要物質(zhì)組成是粗纖維、半纖維素、木質(zhì)素和總有機碳，占秸稈總量的91.24%，而8—10月是秸稈降解的高峰期，此時溫度和降雨條件適宜微生物的生存。由所測定的數(shù)據(jù)分析后得知，秸稈殘余物的粗纖維和半纖維素含量是逐漸降低的（7—10月），同比對照秸稈養(yǎng)分減少率分別為6.81%～15.35%、3.53%～23.55%。而秸稈殘余物的全磷和全鉀含量于7—9月逐漸降低的，同比對照秸稈養(yǎng)分減少率分別為7.06%～37.04%、21.93%～39.83%，這與該試驗中菌處秸稈對土壤肥力指標的影響結(jié)果相符。秸稈殘余物中其他組分降解率并未呈遞增趨勢，規(guī)律不明顯，這可能與秸稈物質(zhì)組分分布不均有關(guān)，也可能是對該組分的降解率不明顯，具體有待進一步深入分析。

4 結(jié)論

菌劑A（玉米秸稈低溫腐熟菌）秸稈還田10 cm可顯著增加耕層土壤有機質(zhì)含量;菌劑A秸稈促腐熟效果顯著好于對照，秸稈腐熟度提高比率呈先升高再降低的趨勢，且在8月份增幅最大;菌劑A處理后的秸稈殘余物的粗纖維、半纖維素、全磷和全鉀含量與對照相比顯著降低，表明菌劑A能夠較好地釋放秸稈中的養(yǎng)分，改良土壤，提高地力，而深還田效果不理想。

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