水稻脆性秸稈降解特性及其對土壤團(tuán)聚體的影響

謝 建，劉 鑫，楊 陽，任 艷，何 丹，姜鴻瑞，葉亞峰，陶亮之，金 青*，吳躍進(jìn)，張從合，劉斌美*

（1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥 230036；2.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，安徽 合肥 230031；3.安徽荃銀高科種業(yè)股份有限公司，安徽 合肥 230088）

隨著農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展，糧食的產(chǎn)量大幅度增加，秸稈是糧食的附屬產(chǎn)物，秸稈的數(shù)量也在逐年增加。據(jù)報(bào)道，世界秸稈總產(chǎn)量每年達(dá)到約22億t。我國是糧食生產(chǎn)的大國，在我國每年秸稈總產(chǎn)量約為7億t，其中水稻秸稈產(chǎn)量約為2億t［1］。由于秸稈量大韌性強(qiáng)，為了快速清理掉秸稈，很多農(nóng)戶選擇就地焚燒，焚燒秸稈產(chǎn)生的CO2、CH4、N2O等溫室氣體是引起全球變暖的關(guān)鍵因素，焚燒產(chǎn)生的CO、NO、NO2等氣體對環(huán)境造成巨大的危害。焚燒秸稈不僅對環(huán)境造成巨大的危害，而且也是對資源的浪費(fèi)［2-3］。秸稈的主要成分是纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等，還含有少量的糖、蛋白等［4］。秸稈中含有豐富的碳、氮、磷、鉀和中微量元素，所以秸稈還田對于改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境、培肥地力、提高作物品質(zhì)與產(chǎn)量具有非常重要的意義［5］。秸稈還田不僅可有效降低稻田雜草的密度、生物量和多樣性，而且會(huì)影響農(nóng)田土壤容重、溫度和水分，提高土壤氮、磷、鉀和土壤有機(jī)質(zhì)含量［6］。

秸稈還田存在秸稈不易粉碎，粉碎后難降解等難題。培育和推廣脆莖水稻品種是破解秸稈還田困難的重要途徑。Nagao等［7］在1963年發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)脆莖性狀基因bcl，時(shí)至今日脆莖突變體已經(jīng)有50多年的發(fā)展歷史了。Li等［8］主要研究了bcl突變體細(xì)胞壁的組成和結(jié)構(gòu)，bcl基因編碼的COBRA相似蛋白通過圖位克隆法被鑒定了出來。顯性脆桿不育系“中脆A”被彭應(yīng)財(cái)?shù)龋?］培育出來。汪海峰等［10］利用脆莖全株水稻作為新的飼料資源用于配合生長肥育豬日糧。近年來，已經(jīng)有10多個(gè)水稻脆莖基因被陸續(xù)鑒定［11］，水稻細(xì)胞壁的合成和莖稈機(jī)械強(qiáng)度形成機(jī)理得到部分解釋［12］。許學(xué)等［13］、劉斌美等［14］利用低能離子束和重離子等物理誘變獲得了一系列水稻脆莖突變體，豐富了脆莖突變體的遺傳資源。其中脆稈基因cef2表現(xiàn)出時(shí)間特異性，在開花后期表達(dá)，抗倒伏能力強(qiáng)，不影響產(chǎn)量與品質(zhì)［15］。利用cef2脆稈基因培育的科輻粳7號已經(jīng)通過水稻品種審定，對于從品種解決秸稈還田難題提供了材料保障。

本試驗(yàn)通過對科輻粳7號水稻多方面的研究，驗(yàn)證脆莖突變體秸稈的降解優(yōu)勢。由于關(guān)于脆莖突變體秸稈降解的研究較少，脆莖突變體秸稈在土壤中降解后對土壤團(tuán)聚體的相關(guān)研究更是少之又少，所以本研究通過不同處理從不同粉碎程度、秸稈降解率、降解后對土壤團(tuán)聚體的影響幾個(gè)方面對秸稈降解進(jìn)行了綜合描述，旨在探討利用水稻脆莖突變體解決水稻秸稈直接粉碎還田的可能性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

水稻材料選用科輻粳7號（脆稈品種）和揚(yáng)粳113（野生型對照），種植于合肥物質(zhì)科學(xué)研究院技術(shù)生物與農(nóng)業(yè)工程研究所試驗(yàn)基地（117°18′E，31°52′N），正常栽培和肥水管理。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 厭氧降解試驗(yàn)

將成熟后的水稻秸稈收割后，用收割機(jī)將收割的秸稈進(jìn)行打碎，然后將打碎后的秸稈按照長度不同，分成長、中、短3個(gè)等級。計(jì)算出不同品種水稻秸稈長中短的比例。水稻秸稈的腐解過程采用尼龍網(wǎng)袋培養(yǎng)法。為更好地還原秸稈還田，由收割機(jī)粉碎的秸稈分為長中短3類，按照比例混合為6.00 g放入孔徑為0.15 mm，長×寬為20 cm×20 cm的尼龍袋，封口后放入底面直徑為30 cm、高為40 cm的塑料圓桶中。于桶底部先鋪3 cm土壤，把尼龍網(wǎng)袋豎直均勻的放在桶中，網(wǎng)袋周圍用土壤填充后，在上方覆蓋3 cm土壤，加水使土壤上方維持1 cm水層，于溫室中培養(yǎng)。培養(yǎng)時(shí)，在每個(gè)培養(yǎng)盆中添加尿素，以調(diào)整小麥秸稈腐解過程中C/N。一周補(bǔ)水2次，以保持土壤含水量相對恒定。埋入秸稈前先將裝好的4種秸稈分別取3個(gè)重復(fù)作為0 d的培養(yǎng)，然后分別于培養(yǎng)至0.5、1、3、6個(gè)月進(jìn)行采樣，測定水稻秸稈殘留質(zhì)量，通過化學(xué)法測定纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量［16-19］。

纖維素降解率=（降解前纖維素總含量-N天纖維素總含量）/降解前纖維素含量

N天纖維素含量=N天纖維素比例×N天秸稈剩余質(zhì)量

1.2.2 有氧降解試驗(yàn)

選取揚(yáng)粳113水稻、科輻粳7號2種水稻材料，分別通過空白不加水稻秸稈處理（O）、科輻粳7號秸稈剪段處理（K1）、科輻粳7號秸稈粉碎處理（K2）、揚(yáng)粳113秸稈剪段處理（Y1）、揚(yáng)粳113秸稈粉碎處理（Y2）（其中剪段處理為剪至2～3 cm長度秸稈，粉碎處理為小于0.42 mm粉末）5種處理方式（300 g水稻土，800 mL塑料瓶，6 g秸稈）進(jìn)行培養(yǎng)，定期進(jìn)行破壞性取樣，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。補(bǔ)加蒸餾水至田間飽和持水量的60%，瓶內(nèi)放入NaOH吸收瓶進(jìn)行測定CO2吸收量，無菌封口，保持一定的通透性，置于30℃培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)，期間每隔一周稱重補(bǔ)充2次水分，分別于15、30、60 d進(jìn)行破壞性取樣。

1.3 指標(biāo)測定方法

1.3.1 細(xì)胞壁組分含量分析［20-23］

將沒有處理過的秸稈，置于地面自然風(fēng)干，然后將其分成莖、葉、鞘3種。將樣品于65℃烘24 h，旋風(fēng)磨粉碎莖稈后將樣品過0.45 mm篩，裝入干凈樣品袋中備用。根據(jù)張冬玲等［24］、Van Soest等［25］的方法測定細(xì)胞壁組分含量。

1.3.2 生物質(zhì)降解效率的測定

將分揀好的莖稈、葉鞘、葉片通過化學(xué)法測定生物質(zhì)降解效率。利用不同酸堿預(yù)處理及纖維素復(fù)合酶酶解測定生物質(zhì)降解效率［26-27］：

1.3.3 水穩(wěn)性團(tuán)聚體測定

水穩(wěn)性團(tuán)聚體測定采用薩維諾夫法［28-29］，利用各粒級團(tuán)聚體數(shù)據(jù)，計(jì)算平均重量直徑（MWD）、土壤破壞率（PAD）。

式中，MWD為團(tuán)聚體平均重量直徑（mm）；Xi為團(tuán)聚體各粒徑的平均直徑（mm）；Wi為團(tuán)聚體各粒徑的百分含量。

式中，PAD為>0.25 mm團(tuán)聚體破壞率，DR0.25是通過干篩稱重統(tǒng)計(jì)>0.25 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體的含量，WR0.25是通過濕篩稱重統(tǒng)計(jì)>0.25 mm水穩(wěn)定性土壤團(tuán)聚體的含量［30-31］。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2016、Origin 2018軟件統(tǒng)計(jì)并繪制圖表，采用SPSS 19.0進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈理化性質(zhì)測定

將科輻粳7號和揚(yáng)粳113的水稻秸稈進(jìn)行收割機(jī)粉碎。粉碎結(jié)果（表1）表明，粉碎后長段秸稈占比最大，粉碎后脆莖突變體科輻粳7號較揚(yáng)粳113長段秸稈減少了10.4%，中等長度秸稈較揚(yáng)粳113增加了12.0%，說明突變體較揚(yáng)粳113更易于粉碎。

表1 不同秸稈粉碎分級 （%）

通過對秸稈中莖稈、葉鞘、葉片中主要成分進(jìn)行測定與分析，結(jié)果（表2）顯示水稻中莖稈、葉片、葉鞘中木質(zhì)纖維素存在微弱差異，其中秸稈莖稈中纖維素含量最低，葉鞘、葉片中含量相對較高?？戚椌?號與揚(yáng)粳113水稻秸稈相比，纖維素含量顯著降低，半纖維素含量顯著升高，木質(zhì)素含量沒有顯著差異。其中，科輻粳7號纖維素含量與揚(yáng)粳113相比，在莖稈、葉鞘、葉片中分別降低8.6%、5.1%、6.5%（P<0.05）；半纖維素含量科輻粳7號較揚(yáng)粳113在莖稈、葉鞘、葉片中分別升高10.1%、6.6%、16.8%（P<0.05）。

表2 莖稈、葉鞘、葉片中木質(zhì)纖維素含量 （%）

2.2 化學(xué)處理酶解

通過對秸稈粉碎處理，利用一定濃度的酸（1%）和堿（1%）處理后進(jìn)行纖維素復(fù)合酶解，通過產(chǎn)糖量計(jì)算纖維素的降解率?？梢钥闯鏊釅A降解科輻粳7號，在莖稈、葉鞘、葉片中降解率都顯著高于揚(yáng)粳113。其中在酸性處理中科輻粳7號的莖稈、葉鞘、葉片中秸稈降解率較揚(yáng)粳113分別提高了15.11%、5.66%、9.27%（P<0.05）；在堿性降解過程中科輻粳7號的莖稈、葉鞘、葉片中秸稈降解率較揚(yáng)粳113分別提高了13.18%、12.31%、11.01%（P<0.05）（圖1）。

圖1 莖稈、葉片、葉鞘酸堿處理酶解的分析

2.3 厭氧降解

秸稈剩余量是表征秸稈降解的最直觀指標(biāo)。試驗(yàn) 分別時(shí)隔0.5、1、3、6個(gè)月進(jìn)行 取樣。圖2可以看出水稻秸稈在降解過程中降解速度有快、慢、快三階段的特點(diǎn)，后面降解速率基本保持平穩(wěn)?？戚椌?號在3個(gè)階段的降解速 率分 別 為1.34、0.35、0.54 g/月。揚(yáng) 粳113降解3階段速率分別為0.97、0.07、0.49 g/月?？梢钥闯鼋斩捊到馑俾士炻樞?yàn)榭戚椌?號>揚(yáng)粳113。

圖2 厭氧降解秸稈降解趨勢分析

在厭氧降解過程中時(shí)隔0.5、1、3、6個(gè)月分別取樣測定秸稈中成分含量比例，對應(yīng)秸稈剩余量，計(jì)算出不同成分降解率。從表3可以看出時(shí)隔1、3、6個(gè)月取樣，科輻粳7號水稻秸稈纖維素降解率顯著高于揚(yáng)粳113，分別提高了3.34%、3.49%、4.51%（P<0.05）。時(shí)隔1、3、6個(gè)月取樣，科輻粳7號秸稈纖維素降解率顯著高于揚(yáng)粳113，分別提高了2.62%、3.86%、5.84%（P<0.05）。2種水稻在木質(zhì)素降解率上沒有顯著差異。

表3 木質(zhì)纖維素降解率 （%）

2.4 有氧降解

對培養(yǎng)后的土壤進(jìn)行濕篩和干篩處理。從表4可以看出，土壤在降解15 d時(shí)主要分布在1～0.25、0.25～0.053、<0.053 mm范圍內(nèi)，在培養(yǎng)到60 d后土壤粒徑分布狀況有了明顯改善，其中未加入秸稈的處理中粒徑<0.053 mm范圍土壤含量依舊占據(jù)不小的比例，加入秸稈后培養(yǎng)的土壤在粒徑<0.053 mm的土壤占比明顯降低，1～0.25 mm土壤占比明顯增高。土壤團(tuán)聚體（>0.25 mm）占比用來評價(jià)團(tuán)聚體的質(zhì)量，提高大團(tuán)聚體的比例有助于土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性?？梢钥闯鲈?5、30、60 d的處理中科輻粳7號秸稈降解的土壤團(tuán)聚體含量順序?yàn)镵2>Y2>K1>Y1>O?？梢钥闯?，在同種秸稈處理中粉碎處理土壤團(tuán)聚體顯著高于剪段處理。在秸稈相同尺寸處理中，科輻粳7號處理的土壤團(tuán)聚體含量顯著高于揚(yáng)粳113處理的土壤團(tuán)聚體。

表4 不同時(shí)間處理添加不同秸稈濕篩水穩(wěn)定性團(tuán)聚體構(gòu)成 （%）

由圖3可以看出隨著時(shí)間的增長土壤平均重量直徑變大。粉碎處理顯著優(yōu)于剪段處理，科輻粳7號與揚(yáng)粳113相比粉碎和剪段2種處理30、60 d科輻粳7號土壤平均重量直徑都顯著高于揚(yáng)粳113處理。剪段處理中，科輻粳7號較揚(yáng)粳113 MWD值于15、30、60 d分別提高了10%（P>0.05）、14.3%（P<0.05）、17.3%（P<0.05）。粉碎處理中，科輻粳7號較揚(yáng)粳113其MWD值于15、30、60 d分別提高了19.2%、18.1%（P<0.05）、7.5%（P<0.05），說明加入秸稈后科輻粳7號土壤結(jié)構(gòu)更優(yōu)良。

圖3 土壤平均重量直徑分析

從圖4可以看出隨著時(shí)間的增長土壤破壞率逐漸降低，空白對照破壞率最高，剪段處理居中，粉碎處理最低。剪段和粉碎2種處理中科輻粳7號較揚(yáng)粳113土壤破壞率都有顯著性降低。在剪段處理中，科輻粳7號較揚(yáng)粳113于15、30、60 d處理分別降低11.2%、20.9%、11.5%；粉碎處理中，科輻粳7號較揚(yáng)粳113于15、30、60 d處理分別降低24.2%、12.0%、23.5%，表明科輻粳7號處理具有更好的水穩(wěn)定性。

圖4 土壤破壞率分析

3 討論

纖維素是秸稈中含量最高的有機(jī)物，是由葡萄糖組成的大分子多糖，不溶于水及一般有機(jī)溶劑。通常與半纖維素、果膠和木質(zhì)素結(jié)合在一起組成植物細(xì)胞壁，是植物中最難降解的物質(zhì)之一［32］。木質(zhì)纖維素的降解是秸稈降解過程中的重要影響因素。酸堿處理酶解試驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)堿性降解速率要優(yōu)于酸性降解速率，這與陳華等［33］研究結(jié)果相一致。科輻粳7號秸稈的莖、葉、鞘中纖維素含量都顯著低于揚(yáng)粳113，半纖維素含量顯著高于揚(yáng)粳113水稻秸稈。通過對莖、葉、鞘分別處理，發(fā)現(xiàn)科輻粳7號的秸稈降解速率都顯著高于揚(yáng)粳113水稻。

本研究發(fā)現(xiàn)科輻粳7號秸稈較揚(yáng)粳113水稻更容易粉碎；秸稈厭氧降解過程中降解速率呈現(xiàn)快、慢、較慢的趨勢，這與信彩云等［34］研究結(jié)果相符。這是由于降解初期降解秸稈中存在少量的蛋白質(zhì)、糖類等易于降解的物質(zhì)，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)、糖類等物質(zhì)降解到一定程度后就單一進(jìn)行秸稈中木質(zhì)纖維素的緩慢降解，伴隨著土壤中木質(zhì)纖維素降解相關(guān)酶類的增加，秸稈降解速度稍有加快，待土壤中酶類飽和，秸稈降解速率趨于平緩。試驗(yàn)中科輻粳7號纖維素、半纖維素降解率都顯著高于揚(yáng)粳113。

平均重量直徑（MWD）、土壤破壞率（PDA）是評價(jià)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。作為表征土壤團(tuán)聚體粒級分布狀況的指標(biāo)，MWD值越大，土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)定性越高，土壤結(jié)構(gòu)狀況越好。PDA與之相反，其值越小土壤穩(wěn)定團(tuán)粒越多，土壤結(jié)構(gòu)狀況越好［35-36］。研究結(jié)果表明，土壤MWD隨時(shí)間增加而增大，PDA隨時(shí)間增加而減小，這與王文鑫等［37］研究相符。由數(shù)據(jù)分析可以看出剪段處理秸稈MWD和PAD值分別顯著低于和高于粉碎處理，科輻粳7號秸稈MWD和PAD值分別顯著高于和低于傳統(tǒng)揚(yáng)粳113水稻秸稈，說明秸稈破壞程度、秸稈內(nèi)部組成成分都是影響秸稈降解速率的重要因素。

秸稈中木質(zhì)纖維素的組成與秸稈降解速率有著密切的聯(lián)系。綜合以上試驗(yàn)可以解釋科輻粳7號秸稈較傳統(tǒng)水稻更容易粉碎降解。本試驗(yàn)主要是對于秸稈降解速率以及對土壤團(tuán)聚體的研究，針對秸稈降解后對土壤酶活性、土壤有機(jī)質(zhì)變化的影響以及間接還田（過腹還田、發(fā)酵還田等）［38-40］還有待深入研究。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)以脆莖突變體科輻粳7號和傳統(tǒng)揚(yáng)粳113水稻秸稈為研究對象，探究科輻粳7號的降解優(yōu)勢。通過對秸稈在有氧、厭氧條件下的降解特性，以及對土壤團(tuán)聚形成的影響進(jìn)行研究，結(jié)果表明，科輻粳7號秸稈更易于降解、利于團(tuán)聚體形成，為脆莖突變體解決水稻秸稈直接粉碎還田的可能性提供依據(jù)。