不同腐熟劑對麥秸腐解率與稻田水環(huán)境的影響

薛穎昊 孫國峰 眭鑫梅 陳旭蕾 孫仁華 徐志宇*

（1 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護總站，北京 100125；2 江蘇省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，南京 210014；3 常州市新北區(qū)奔牛稻麥原種場有限公司，江蘇 常州 213001；4 中國農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護協(xié)會，北京 100125；第一作者：xueyinghao@agri.gov.cn；*通信作者：xufanjin@126.com））

秸稈是農(nóng)作物的副產(chǎn)物，也是重要的農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源。我國農(nóng)作物秸稈資源豐富，產(chǎn)生量大，種類多，分布廣。近年來，我國糧食生產(chǎn)連年豐收，糧食產(chǎn)量連續(xù)7 年達到6.5 億t，2021 年糧食產(chǎn)量提高到6.8 億t[1]。與此同時，農(nóng)作物秸稈產(chǎn)生量也在逐年遞增?？茖W合理地利用秸稈還田對資源高效利用及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。目前秸稈直接還田量約占全國秸稈綜合利用量的三分之二，是農(nóng)作物秸稈最主要的利用方式[2]。秸稈合理還田能夠補充土壤有機質(zhì)，改善耕層土壤結(jié)構(gòu)，提升土壤肥力，增加作物產(chǎn)量[3-4]。但生產(chǎn)中，由于農(nóng)時忙、茬口緊、秸稈粉碎程度不夠、秸稈還田量過大等因素，秸稈還田后短時間內(nèi)不易腐爛，使得耕層土壤出現(xiàn)秸稈富集、有機酸積累等問題，影響秧苗根系生長，甚至發(fā)生僵苗現(xiàn)象，易造成作物減產(chǎn)[4-7]。所以，在部分重要農(nóng)區(qū)，如何科學有效地促進農(nóng)作物秸稈快速腐解，已成為一個不容忽視的問題。秸稈腐熟劑是有機物料腐熟劑中的一種，含有大量的酵母菌、霉菌、細菌和芽孢桿菌等，能利用微生物的分解代謝加速秸稈分解、腐熟，促進秸稈營養(yǎng)成分快速釋放并轉(zhuǎn)化為作物容易吸收利用的養(yǎng)分[8]。2022 年9 月，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、國家發(fā)展改革委、生態(tài)環(huán)境部、中國人民銀行、中華全國供銷合作總社等5 部門聯(lián)合印發(fā)《建設(shè)國家農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展先行區(qū)促進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化示范區(qū)全面綠色轉(zhuǎn)型實施方案》，明確提出要加大秸稈腐熟菌劑和復合菌劑等配套產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用，提高秸稈科學還田水平。然而，對于秸稈腐熟劑，科學界一直存在不同的聲音。有研究表明，秸稈還田時合理施用腐熟劑，能夠?qū)崿F(xiàn)秸稈的快速腐解[9]，有利于提高土壤有機質(zhì)及氮磷鉀速效養(yǎng)分含量和水稻產(chǎn)量[10-12]。然而，不同腐熟劑促進秸稈腐解效應(yīng)存在較大差異[9,13]，分析這可能是腐熟劑中微生物對不同使用地土壤環(huán)境的適應(yīng)性存在差異的緣故[14]，溫度、pH、含水量等環(huán)境因素及腐熟劑用量和C/N 等都會影響秸稈腐解效率[15]。也有研究認為，施用腐熟劑會影響水稻分蘗，減少有效穗數(shù)，進而降低水稻產(chǎn)量[16]。稻麥輪作是長江下游地區(qū)的主要種植模式，本試驗通過研究不同腐熟劑對稻田麥秸腐解率、田面水環(huán)境及水稻產(chǎn)量的影響，為評估麥秸還田時施用腐熟劑后可能引發(fā)的稻田水環(huán)境風險提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

于2021 年在江蘇省常州市新北區(qū)奔牛稻麥原種場開展水稻季麥秸腐解試驗。該區(qū)屬北亞熱帶季風性濕潤氣候區(qū)，年均溫度16.1 ℃，年均降雨量1 119 mm，年日照時數(shù)1 917.5 h，年均無霜期248 d，該區(qū)以小麥-水稻輪作模式為主。試驗土壤類型為沙壤土，土壤容重1.05 g/cm3，有機質(zhì)12.7 g/kg，全氮1.00 g/kg，有效磷8.91 mg/kg，速效鉀35.8 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

選擇生產(chǎn)中使用范圍較廣的4 種有機物料（秸稈）腐熟劑進行田間試驗（表1）。以麥秸不還田無腐熟劑（CF）、麥秸全量還田無腐熟劑（CFS）為對照，設(shè)置麥秸全量還田+腐熟劑Ⅰ（DA1）、麥秸全量還田+腐熟劑Ⅱ（DA2）、麥秸全量還田+腐熟劑Ⅲ（DA3）、麥秸全量還田+腐熟劑Ⅳ（DA4）共6 個處理。隨機排列，小區(qū)面積200 m2，3 次重復。前茬小麥品種為鎮(zhèn)麥12，秸稈還田量為7 080 kg/hm2。2021 年6 月7 日小麥秸稈滅茬后，將腐熟劑按推薦用量（DA1、DA2、DA3 為30 kg/hm2和DA4 為3 kg/hm2）人工撒施后旋耕還田。參試水稻品種為軟玉，5 月27 日播種，6 月13 日機插秧，行距30 cm、株距12 cm。N、P2O5、K2O 施用量分別為262.5、90、90 kg/hm2，在6 月9 日施用基肥[45%復合肥（N-P2O5-K2O為15-15-15，下同）375 kg/hm2]，6 月23 日施用分蘗肥（尿素225 kg/hm2），8 月2 日施用穗肥（45%復合肥225 kg/hm2和尿素150 kg/hm2）。各處理水稻季其他田間管理措施保持一致。

表1 供試腐熟劑基本信息

1.3 樣品采集與測定方法

1.3.1 秸稈腐解率

采用失重法（NY/T2722-2015）定量監(jiān)測秸稈腐解率。按秸稈還田量與土地面積比值確定單位大小包裝秸稈量，即采用100 目20 cm×30 cm 尼龍網(wǎng)袋，每袋風干小麥秸稈量為35 g，60 ℃烘干至恒質(zhì)量，每袋平均為32.32 g。在插秧后，將腐熟劑用自來水稀釋50 倍后浸潤尼龍網(wǎng)袋包裝的小麥秸稈，采用耕層垂直埋設(shè)方式，間隔約50 cm，之后第7、14、21、28、60 d 和水稻收獲期（136 d）時，分6 次取出尼龍網(wǎng)袋，5 次重復，帶回實驗室用自來水沖洗網(wǎng)袋粘附的泥漿，在60 ℃烘干約72 h 至恒質(zhì)量，測定小麥秸稈殘余量，進而計算秸稈腐解量和腐解率。

1.3.2 稻田水環(huán)境

在腐熟劑施用后第7、14、21、28、60 d 采集各小區(qū)田面水，3 次重復，帶回實驗室置于4 ℃冰柜冷藏、及時測定。采用重鉻酸鹽法（GB11914-89）測度田面水化學需氧量（COD），采用連續(xù)流動化學分析儀（SAN++System，SKALAR，Netherlands）測定田面水全氮（TN）、總磷（TP）、銨態(tài)氮（NH4+-N）含量。

1.3.3 水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

于10 月27 日水稻成熟期每小區(qū)選取具有代表性的水稻20 叢，調(diào)查有效穗數(shù)，測定水稻產(chǎn)量；每小區(qū)選取具有代表性的水稻2 叢，調(diào)查每穗實粒數(shù)和千粒重。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2016 和SPSS17.0 軟件進行數(shù)據(jù)處理與作圖，處理間多重比較用LSD 法。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻季麥秸腐解率

水稻季麥秸腐解率如圖1 所示。各處理水稻季麥秸腐解率隨時間增長均呈現(xiàn)極顯著（P＜0.01）的對數(shù)增加趨勢，其中，4 種腐熟劑處理均不同程度提高了麥秸還田后4 周內(nèi)秸稈腐解率。具體來看，CFS 處理水稻季麥秸腐解率為71.4%，其中麥秸還田后4 周秸稈腐解率為45.3%，占當季秸稈腐解率的63.4%。而4 種腐熟劑處理的水稻季麥秸腐解率為68.9%～73.2%，其中麥秸還田后4 周秸稈腐解率為48.3%～53.1%，較CFS 處理提高3.0～7.8 個百分點，占當季秸稈腐解率的67.0%～73.6%，較CFS 處理提高4.2～10.2 個百分點?？梢姡┯? 種秸稈腐熟劑加快了還田前期麥秸腐解速度，但處理間麥秸腐解率差異不顯著。

圖1 不同腐熟劑對水稻季麥秸腐解率的影響

如圖2 所示，麥秸還田后2 周為快速腐解期。具體來看，CFS 處理麥秸還田后2 周秸稈腐解率之和為31.4%，占當季秸稈腐解率的43.9%，4 種腐熟劑處理麥秸還田后2 周秸稈腐解率之和為33.7%～37.4%，較CFS 處理提高2.3～6.0 個百分點，占當季秸稈腐解率的46.1%～54.2%，較CFS 處理提高2.2～10.3 個百分點。

圖2 不同處理麥秸周腐解率

2.2 水稻季麥秸還田水環(huán)境風險

2.2.1 田面水COD 變化特征

如圖3 所示，與CF 處理相比，CFS 和4 種腐熟劑處理田面水COD 含量整體呈現(xiàn)增加趨勢。其中，CFS處理麥秸還田后田面水COD 含量較CF 處理平均提高13.7%。與CFS 處理相比，麥秸還田后4 種腐熟劑處理3 周內(nèi)田面水COD 含量整體提高，增幅在17.9%～54.8%之間，平均提高28.0%。具體來看，麥秸還田后第1、3 周田面水COD 變化規(guī)律相似，整體呈現(xiàn)DA4＞DA1、DA2、DA3＞CFS＞CF 處理的規(guī)律。其中，DA4 處理田面水COD 含量顯著（P＜0.05）高于DA1、DA2、DA3、CFS 和CF 處理，而4 種腐熟劑處理麥秸還田4 周后田面水COD 含量與CFS、CF 處理間差異不顯著。

2.2.2 田面水TN 變化特征

如圖4 所示，與CF 處理相比，CFS 處理田面水TN含量呈先降低后增加的趨勢，其中CFS 處理麥秸還田后第1 周田面水TN 含量顯著低于CF 處理。與CFS 處理相比，4 種腐熟劑處理均增加了麥秸還田后3 周內(nèi)田面水TN 含量，整體呈現(xiàn)DA3＞DA2＞DA4＞DA1＞CFS的規(guī)律，增幅在12.8%～68.2%之間，平均提高43.8%。具體來看，麥秸還田后第1、3 周田面水TN 變化趨勢相似，以DA3、DA2、DA4 處理田面水TN 含量較高，其中DA3、DA2 處理田面水TN 含量均顯著高于DA1、CFS處理。麥秸還田后第2 周田面水TN 含量仍以DA3 處理最高，顯著高于其他處理。麥秸還田4 周后田面水TN 含量各處理間差異均不顯著。

圖4 不同處理麥秸還田后田面水TN 變化特征

2.2.3 田面水NH4+-N 變化特征

如圖5 所示，與CF 處理相比，CFS 處理田面水NH4+-N 含量呈下降趨勢，其中麥秸還田后第1 周田面水NH4+-N 含量差異達顯著水平。與CFS 處理相比，麥秸還田后4 種腐熟劑處理3 周內(nèi)田面水NH4+-N 含量呈增加趨勢，整體呈現(xiàn)DA3＞DA2＞DA4＞DA1＞CFS 的規(guī)律，增幅在11.1%～88.6%之間，平均提高52.9%。具體來看，麥秸還田后第1 周田面水NH4+-N 含量以DA3、DA4 處理較高，DA2、CF 處理次之，均顯著高于DA1、CFS 處理；麥秸還田后第2 周田面水NH4+-N 含量仍以DA3 處理最高，顯著高于其他處理；麥秸還田后第3 周田面水NH4+-N 含量以DA2 處理最高，顯著高于DA4、DA1、CFS 和CF 處理。麥秸還田4 周后田面水NH4+-N含量各處理間差異均不顯著。

圖5 不同處理麥秸還田后田面水NH4+-N 變化特征

2.2.4 田面水TP 變化特征

如圖6 所示，CFS 處理田面水TP 含量與TN 含量變化特征相似，較CF 處理呈先下降后上升的趨勢，處理間差異不顯著。與CFS 處理相比，4 種腐熟劑處理均增加了麥秸還田后3 周內(nèi)田面水TP 含量，增幅在33.9%～208.6%之間，平均提高111.5%。具體來看，麥秸還田后2 周內(nèi)田面水TP 含量以DA2 處理最高，顯著高于其他處理；麥秸還田后第3 周田面水TP 含量仍以DA2 處理最高，顯著高于DA1、CFS、CF 處理，而DA3、DA4 處理田面水TP 含量與其他處理間差異不顯著；麥秸還田后第4 周田面水TP 含量以CFS 處理最高，顯著高于各腐熟劑處理。

圖6 不同處理麥秸還田后田面水TP 變化特征

2.3 水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

如表2 所示，與CF、CFS 處理相比，4 種腐熟劑處理對水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素均無明顯影響。其中，DA1、DA3 處理水稻產(chǎn)量較CF、CFS 處理增產(chǎn)1.5%～6.6%，平均增產(chǎn)4.0%；而DA2 和DA4 處理水稻產(chǎn)量較CF、CFS 處理略有降低。

3 討論

3.1 腐熟劑對麥秸腐解率及水稻產(chǎn)量的影響

腐熟劑是通過接種的功能微生物自身代謝來促進秸稈腐解[17-18]。本研究選用的4 種腐熟劑均提高了麥秸還田后4 周內(nèi)秸稈腐解率，但不同腐熟劑對麥秸腐解效果存在差異，這與前人研究結(jié)論一致[9,13]。分析原因可能與不同腐熟劑所選用微生物菌株的差異和生產(chǎn)工藝有關(guān)。同時發(fā)現(xiàn)，麥秸還田后秸稈腐解率均隨還田天數(shù)增加呈現(xiàn)極顯著的對數(shù)增長趨勢，其中，麥秸還田后2周為快速腐解期，這與前人提出麥秸快速腐解期在還田后15 d 的結(jié)論相近[19]；但本研究不同腐熟劑處理麥秸還田后2 周的秸稈腐解率達33.7%～37.4%，這明顯高于前人研究的麥秸還田后15 d 秸稈腐解率（25.3%～30.3%）[19]，分析可能與區(qū)域氣候特征、試驗土壤肥力及腐熟劑使用方法等因素有關(guān)。然而，本研究選用的4 種腐熟劑處理水稻季麥秸腐解率在68.9%～73.2%之間，較CFS 處理（71.4%）增加了-2.5～1.8 個百分點，平均增加了0.4 個百分點，處理間差異不顯著。另外，還發(fā)現(xiàn)，麥秸還田時施用腐熟劑較CFS 處理水稻增產(chǎn)幅度在-2.8%～6.6%之間，平均增產(chǎn)1.3%，這與前人研究指出施用腐熟劑對水稻增產(chǎn)效應(yīng)報道不一的結(jié)果相似[13,19]?？梢?，合理施用腐熟劑會不同程度加快還田前期的麥秸腐解速度，但其對水稻全生育期的麥秸腐解率及水稻產(chǎn)量影響不大。

3.2 腐熟劑對稻田水環(huán)境的影響

采用失重（網(wǎng)袋）法定量測定秸稈腐解率，不僅可以客觀評價腐熟劑的腐解效果，還可以用來表征秸稈主要養(yǎng)分（碳、氮和磷）的釋放規(guī)律[19]。同時，秸稈腐解過程中釋放于田面水的碳、氮和磷含量也可用來表征稻田因地表徑流流失而產(chǎn)生的水環(huán)境風險[20-22]。

本研究通過測定田面水COD、TN、NH4+-N 和TP含量變化來反應(yīng)稻田水環(huán)境風險，研究結(jié)果表明，選用的4 種腐熟劑處理麥秸還田后3 周內(nèi)田面水COD、TN、NH4+-N 和TP 含量較CFS 增加，表明麥秸還田時施用腐熟劑有可能增加水稻生長初期的水環(huán)境風險，但不同腐熟劑對水稻生長初期的水環(huán)境風險存在差異。分析原因可能與不同腐熟劑加快還田前期麥秸腐解速度的差異有關(guān)[9,19]。同時，NH4+-N/TN 能夠反映稻田的田面水氮轉(zhuǎn)化與流失潛力的相對水平[22]。本研究中4種腐熟劑處理麥秸還田后2 周內(nèi)田面水NH4+-N/TN 較CFS 處理呈增加趨勢，增幅在6.3～34.0 個百分點，平均增加20.0 個百分點，其中DA3 和DA4 處理田面水NH4+-N/TN 均顯著高于CFS、DA1 和DA2，說明麥秸還田時施用腐熟劑增加了還田后2 周內(nèi)氮素流失風險。分析是由于腐熟劑處理加快麥秸還田后2 周麥秸腐解速度，進而促進更多無機氮的釋放[19]?？梢?，施用腐熟劑會加快麥秸還田前期養(yǎng)分釋放，會增加水稻生長初期的水環(huán)境風險。然而，影響腐熟劑施用效果的因素眾多，建議南方水網(wǎng)區(qū)水稻季謹慎施用腐熟劑。

4 結(jié)論

秸稈直接還田已成為農(nóng)村秸稈利用的最主要方式，也是高效直接易于實現(xiàn)的秸稈處理方法。但如何實現(xiàn)秸稈“還得好”仍然是目前秸稈直接還田面臨的主要困境。本文系統(tǒng)研究市面上常見的4 種腐熟劑對稻田麥秸腐解率、田面水環(huán)境及水稻產(chǎn)量的影響，以期對生產(chǎn)實際提供理論依據(jù)。

1）施用4 種腐熟劑均提高了還田前期（還田后4周）小麥秸稈腐解速度，且腐解率隨還田天數(shù)增加呈現(xiàn)極顯著的對數(shù)增長趨勢。不同腐熟劑對麥秸的腐解效果存在差異，還田后2 周為麥秸快速腐解期，腐熟劑DA3 和DA4 促進麥秸腐解效果較佳。

2）施用4 種腐熟劑均增加了水稻生長初期（還田后3 周）的田面水COD 及氮磷的水環(huán)境風險。其中，腐熟劑DA2、DA3 和DA4 處理麥秸還田后3 周內(nèi)稻田水環(huán)境風險相對較高。綜合考慮稻田水環(huán)境風險與水稻產(chǎn)量，腐熟劑DA1 處理相對較佳。

3）在稻麥輪作模式下，合理施用腐熟劑可以不同程度加快小麥秸稈還田前期的腐解速度，但其對水稻全生育期的麥秸腐解率及水稻產(chǎn)量影響不大。同時，施用腐熟劑會加快麥秸還田前期養(yǎng)分釋放，會增加水稻生長初期的水環(huán)境風險。建議進一步開展長期定位監(jiān)測，不斷完善秸稈還田生態(tài)效應(yīng)監(jiān)測指標和技術(shù)規(guī)范，科學評價秸稈還田的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，充分考慮區(qū)域狀況、耕作方式、農(nóng)民接受度、技術(shù)措施成熟度，以及扶持政策力度等，科學合理地把秸稈還到地里，發(fā)揮好秸稈在培肥土壤、保育耕地和改善生態(tài)環(huán)境方面的重要作用。