玉米秸稈還田及腐熟劑對小麥產量、土壤微生物數量和酶活性的影響

陳士更，宋以玲，于建，肖承澤，李玉環，丁方軍*，張民

(1.土肥資源高效利用國家工程實驗室，山東農業大學資源與環境學院，山東 泰安 271018；2.農業部腐植酸類肥料重點實驗室，山東農大肥業科技有限公司，山東 泰安271600)

農作物秸稈是農業生產過程中產生的廢棄物，但秸稈中含有大量作物生長所必需的氮、磷、鉀等中、微量元素和有機質等多種營養物質[1]。目前我國秸稈產量居世界之首，但利用率低，主要通過隨意丟棄或就地焚燒的方式處理，即浪費資源又污染環境[2-3]。為了減少資源浪費，實現養分循環利用，國家開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,養分逐步釋放到土壤中。秸稈深層還田還能有效避免營養元素的揮發，提高土壤養分含量，培肥土壤，改善作物生長的農田生態環境，為高產穩產打下良好基礎[4-6]。此外，大量研究發現冬小麥-夏玉米輪作地區，秸稈還田不但提高了耕層土壤養分含量，還提高了土壤細菌、真菌和放線菌數以及土壤脲酶、磷酸酶和脫氫酶等活性[7-9]。然而，如果秸稈未經腐熟處理直接還田，會導致土壤過分松弛，肥效緩慢，化感物質、重金屬和抗生素積累，影響種子發芽、生根；同時，秸稈中的蟲卵和病原菌直接進入土壤，導致病蟲害風險加重進而影響下茬作物的生長[10-12]。有機物料腐熟劑不但能加速秸稈等有機廢棄物腐熟，還能促進土壤中有機質、氮、磷、鉀等營養元素轉化為作物容易吸收的形態，同時加速土壤中有益微生物的生長繁殖，減輕有害病原菌的侵染，提高作物抗逆性。因此，有機物料腐熟劑是一種對農作物秸稈還田有良好輔助作用的物質[13-15]。黃秋玉等[16-17]研究發現，腐熟劑能促進水稻秸稈前期快速分解，加快秸稈內養分釋放，促進水稻植株生長，提高有效穗數、稻穗長度和結實率，進而顯著提高產量。我國玉米種植面積大，隨著機械化的大力推行，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層較厚、粉碎度不均一、腐熟慢等特點，影響了后期的耕作及農藝操作，因而限制了其大面積推廣和應用。本試驗以濟麥22為原料，探究玉米秸稈還田配施有機物料腐熟劑對其產量及土壤生物學和理化性狀的影響，為有效利用玉米秸稈提供切實可行的途徑及技術支持。

1.材料與方法

1.1供試材料

供試小麥品種：濟麥22號；供試肥料：農大肥業科技有限公司微生物肥料車間提供的有機物料腐熟劑(水分質量分數28%)和復合肥車間提供的復合肥，各肥料特性詳見表1。

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

1.2 試驗設計

玉米秸稈機械粉碎后全量還田，秸稈中全氮 8.59 g/kg，全磷2.65 g/kg，全鉀13.43 g/kg，有機質736.54 g/kg。供試土壤的基本理化性狀：堿解氮 50.38 mg/kg，有機質9.76 g/kg，全氮0.91 g/kg，有效磷13.15 mg/kg，速效鉀89.16 mg/kg。試驗共設3個處理，各處理詳見表2，每個小區50 m2，有機物料腐熟劑與復合肥一起均勻撒施到地表，翻地時同打碎的秸稈和肥料一起翻壓到地下，種植后統一管理。

表2 試驗設計Table 2 Experiment design

1.3 測定項目與方法

1.3.1 產量的測定

收獲時小區取樣測定每公頃穗數、穗粒數、千粒重，根據所取植株總產量折合畝產。

1.3.2 土壤各項指標測定

1.3.3 數據處理及分析方法

采用Excel 2003軟件處理數據和繪表，采用DPS 7.05軟件進行統計分析，采用最小顯著極差法(LSD)進行差異顯著性檢驗(P< 0.05)。

2 結果與分析

2.1 秸稈還田配施腐熟劑對小麥產量的影響

由表3可知，秸稈還田提高了小麥穗數和穗粒數，且配施腐熟劑處理(T2)的小麥穗數被進一步提高，而穗粒數卻有所降低，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%，產量顯著提高了10.33%和13.46%，以上結果表明秸稈還田配施有腐熟劑主要通過提高有效分蘗數和籽粒重來提高產量。

表3 不同處理對小麥產量的影響Table 3 Effects of different treatments on wheat yield

注: 同列數據后不同小寫字母表示經 LSD 檢驗在 P < 0.05 水平上差異顯著。

2.2 秸稈還田配施腐熟劑對土壤pH、電導率和容重的影響

由表4可知，秸稈還田提高了土壤pH和土壤電導率，添加腐熟劑后土壤pH和電導率又有所降低，但pH仍顯著高于CK，而電導率降到了CK以下，同時降低了土壤容重。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，進而提高土壤的保水保肥性。此外，配施腐熟劑還可進一步降低土壤電導率，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 不同處理對土壤pH電導率和容重的影響Table 4 Effects of different treatments on soil pH,EC and bulk density

注: 同列數據后不同小寫字母表示經 LSD 檢驗在P< 0.05 水平上差異顯著。

2.3 秸稈還田配施腐熟劑對根際土壤微生物的影響

由圖1可知，各處理根際土壤細菌與放線菌數遠高于根際土壤真菌數，秸稈還田和配施腐熟劑均顯著提高了根際土壤細菌和放線菌數，與CK相比，細菌數提高了10.80%和23.91%，放線菌數提高了20.60%和8.40%，且T2處理的真菌數顯著降低了23.58%，而T1處理與CK間差異不顯著。以上結果表明，秸稈還田配施腐熟劑對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改變根際微生物的組成和數量來改善根際微域環境，活化根際營養，減輕病原菌的生長和侵染，進而促進根系伸展，提高植物的抗逆性。

圖中不同小寫字母表示經LSD檢驗在P <0.05 水平上差異顯著。圖1 不同處理對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，同時也一定程度地提高了土壤中性磷酸酶和蔗糖酶活性，對土壤過氧化氫酶和脫氫酶的影響較?。唤斩掃€田配施腐熟劑后土壤脲酶、過氧化氫酶、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%。以上結果表明，秸稈還田配施腐熟劑對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分的釋放，最終提高土壤供肥能力。

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

注: 同列數據后不同小寫字母表示經 LSD 檢驗在P< 0.05 水平上差異顯著。

2.5 秸稈還田配施腐熟劑對土壤養分含量的影響

由表6可知，秸稈還田提高了土壤堿解氮、全氮、速效鉀、有效磷和有機質含量，且有效磷達到顯著水平。配施腐熟劑后進一步提高了土壤各養分含量，與CK相比，分別顯著提高了7.60%、25.29%、27.49%和36.04%，有機質含量也提高了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。以上結果表明，秸稈還田對速效鉀的提高量遠大于堿解氮和有效磷，這是因為秸稈本身的鉀含量高于氮、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分的活化，因而土壤中有效養分含量高于僅秸稈還田處理。秸稈還田提高了土壤有機質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加速了秸稈中碳水化合物的轉化。此外，碳源主要提供能量，目前整個土壤環境中的能量和養分平衡失調，能量缺乏現象嚴重，因此秸稈還田均衡了土壤的能量與養分，進而加速了微生物的繁殖代謝，提高了養分的轉化和利用率，最終提高了小麥的產量。

表6 不同處理對土壤養分含量的影響Table 6 Effects of different treatments on soil nutrient content

注: 同列數據后不同小寫字母表示經 LSD 檢驗在P< 0.05 水平上差異顯著。

3 討論與結論

土壤酸堿度和電導率與肥料種類、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，本研究發現秸稈還田提高了土壤pH和電導率，配施腐熟劑后土壤pH和電導率又有所降低，這可能是秸稈還田時帶入了本身含有的部分可溶性鹽離子，腐熟過程中不斷向土壤中釋放，因而提高了土壤電導率。此外，根際環境的改變又會影響到根系的分泌和根際微生物的活性及代謝分泌，進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量，促進微生物分泌，增強根際土壤緩沖能力，因而對根際土壤pH和電導率的影響較僅秸稈還田小。與對照相比，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%，此結果與劉曉霞等[21-22]的研究結果相似，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，進而通過提高小麥有效分蘗數、穗粒數和千粒重來提高小麥產量。Bai等[23]發現，長期全量秸稈還田可提高小麥-玉米輪作條件下的產量和鉀素循環利用率。Chen等研究也表明,在旋、深耕結合條件下，秸稈還田可提高氮素利用率和小麥產量[24]。

土壤微生物組成直接影響土壤的生物學特性、土壤養分轉化以及土壤團粒的結構的形成，然而微生物的生長繁殖又會受土壤結構、水肥狀況和通氣情況等因素的影響[25]。本研究發現秸稈還田降低了土壤容重，提高了土壤通氣性，同時影響了土壤酸堿度和電導率，進而影響了土壤微生物的繁殖代謝。與對照相比，秸稈還田和配施腐熟劑處理的根際細菌數顯著提高了10.80%和23.91%，放線菌數顯著提高了20.60%和8.40%，此結果與前人所研究的棉花、玉米和大豆秸稈還田對根際土壤細菌和放線菌數的影響結果相似[26-27]。徐一蘭等[28]研究發現，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]發現深耕配施玉米秸稈還田更有利于土壤微生物數量的增加，這表明土壤微生物數量的變化會同時受秸稈還田方式、配施肥料種類和土壤類型等條件的影響。本研究還發現秸稈還田配施腐熟劑在顯著提高根際細菌和放線菌數的同時降低了真菌數，且對根際土壤微生物的組成和數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物料腐熟劑的研究中發現了類似的結果，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、環境適宜的條件下大量繁殖，形成優勢群落，通過競爭作用和產生一些有機活性物質來殺死土壤中的病原真菌和細菌，減輕病原菌的生長和侵染，改善根際微域環境，活化根際營養，促進植物生長，提高植物抗逆性，最終提高產量和品質。

土壤酶主要來源于土壤微生物，其活性與土壤微生物的種類和數量密切相關。本研究發現，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、過氧化氫酶和脫氫酶活性，這與劉艷慧等[26]所研究結果相似。陶波等[31]研究發現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]發現秸稈還田與不同比例的化肥減量配施均能提高土壤脲酶、過氧化氫酶和磷酸酶活性。此外，本研究還發現秸稈還田配施腐熟劑對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物和纖維素等大分子物質的分解，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量和代謝能力會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的有益微生物，施入土壤后在植物根際定殖，環境條件適宜時開始大量繁殖代謝，以提高根際土壤微生物的總量及分泌能力，進而提高包括土壤酶在內的分泌物量[34]，增強土壤酶活性。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分的活化、釋放，提高土壤有機碳和養分含量[35]，在提高土壤供肥能力的同時，持續不斷地為微生物的繁殖代謝提供能量和營養。本研究同樣發現，秸稈還田提高了土壤有效養分及有機質含量，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優化根際土壤微生物數量和結構來加速秸稈的腐熟降解，同時提高土壤酶活性，促進土壤養分活化和釋放以及土壤有機碳的形成。此外，土壤微生物的代謝分泌促進了土壤團粒結構的形成，改善了土壤pH和電導率，改善了小麥根際生長環境，促進根系對礦質營養和水分的吸收，提高小麥的有效分蘗數、穗粒數和千粒重。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值得推廣和應用的關鍵技術。

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