秸稈腐熟劑對小麥秸稈的腐熟及還田效應的影響

楊曉燕， 葉偉偉， 張 龍， 顧 超， 高 波， 黃 俊*

1. 山東勁牛集團股份有限公司， 山東濟南 250000； 2. 濟南市土壤肥料站， 山東濟南 250000

根據中華人民共和國2018年國民經濟和社會發展統計公報[1]數據統計顯示，2018年我國主要糧食產量為 6.58億噸，其中以稻谷、玉米、小麥為主，分別為2.12億噸、2.57億噸和1.31億噸。小麥是中國北方地區主要糧食作物，麥秸是中國秸稈的主要資源[2]，其秸稈主要由纖維素和木質素組成，其含有豐富的有機質、氮、磷、鉀和微量元素，是農作物生長所需的有機肥重要來源之一[3]。秸稈還田是土壤改良的重要措施，也是廢棄秸稈重要的資源化途徑[4],秸稈還田能夠把農作物吸收的大部分營養元素歸還到土壤，減少了秸稈焚燒造成的環境污染，減輕了勞動強度，具有良好的社會和生態效益[5]。秸稈還田增加土壤有機質的同時，促進了土壤微粒的團聚作用，改善了土壤物理性狀及其滲透性和保水能力[6，7]。盡管已有的報道大多肯定秸稈還田的養分效應、作物增產作用、環境以及生態效應，但未經完全腐熟分解的秸稈進入土壤后造成的有機酸積累、腐解緩慢以及對耕作與農藝操作等的不利影響還是限制了它的推廣；而加快土壤中秸稈的腐解成為秸稈還田技術中的研究熱點，在諸多技術中，添加秸稈腐熟劑因其成本低，操作簡單等而深受歡迎[8]。有研究表明，有機物料腐熟劑具有提高秸稈腐解速率、促進秸稈養分釋放、改善土壤質量、提高作物產量的作用[9]。秸稈腐熟劑是由多種能將秸稈快速腐熟降解的微生物群落組成，主要包括真菌、細菌和放線菌；利用微生物的分解代謝作用快速將秸稈中的纖維素、半纖維素和木質素等成分轉化為富含營養元素的簡單化合物，使秸稈降解為腐殖質，同時，消除秸稈中的病原菌、蟲卵、雜草種子等有害物質，進而增加土壤肥力。另外，施用腐熟劑也加快了小麥秸稈的腐解速度，而且腐熟劑施用90 d后，土壤中全磷、速效磷及速效鉀的含量均有不同程度的增加[10]。秸稈還田條件下，施用秸稈腐熟劑在短期內可減弱農田地力用與養的矛盾，提高土壤肥力[11，12]。采用秸稈還田技術可以大面積以地養地，是低耗持續的農業生產方式，對提高土壤有機質、氮、磷、鉀和微量元素的含量、改善土壤物理性狀、培肥地力、增加土壤微生物活性、提高農作物增產的潛力、防止耕地土壤沙化和改善農業生態環境有重要作用[13]。本研究為探索較好的小麥秸稈還田方法，特進行小麥秸稈腐熟和秸稈還田試驗研究，為小麥秸稈還田技術大面積推廣應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

實驗地點位于公司試驗田，屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候。試驗地土壤類型為褐色、表層質地為中壤；土壤含水量為40%；土壤溫度為23 ℃～32 ℃。

1.2 試驗材料

1.2.1供試腐熟劑

供試腐熟劑為本公司生產的秸稈腐熟劑(粉劑)，產品含有枯草芽孢桿菌，地衣芽孢桿菌，長枝木霉菌，有效活菌量≥5×108CFU/g，纖維素酶活≥50 U/g。

1.2.2供試秸稈

小麥秸稈采自本公司試驗田。試驗前將收集到的秸稈經機器把整株剪成約3 cm～5 cm的小段，混合均勻，備用。

1.3 試驗設計

1.3.1小麥秸稈腐解效果試驗

每份稱取50 g左右小段放入40目尼龍網袋中，共準備35份。共設3個處理，即：

處理1(CK1)：取出5份樣品，在烘箱中85 ℃條件下烘6 h，記錄每袋重量取平均值為G0。

處理2(CK2)：翻土深度15 cm，翻耕后土壤含水量≥40%，保證秸稈有一定含水量，以利于秸稈腐熟，各處理秸稈含水量基本一致；把15個樣品分別放入土壤內，覆土。袋子平鋪，每個袋子之間相隔同樣的間距，以免互相產生干擾。分別在10 d、20 d、30 d后各取出5份重復，均用清水沖洗，直至水滴為無色狀態；然后放置4 ℃的冰箱內3 d后，在烘箱中85 ℃條件下烘干6 h，記錄每袋重量，最后取平均值分別為2G10、2G20和2G30。

處理3：在小麥秸稈其余15份樣品中加入本公司生產的秸稈腐熟劑，其他條件和處理情況同處理2的操作，最后記錄值為腐熟后3G10、3G20和3G30。

1.3.2小麥秸稈還田種植白菜試驗

試驗田設4個處理，每個處理重復三次，小區面積30m2，隨機排列，小區設立保護行2米。具體處理如下：

處理A(CK1)：空白處理；

處理B(CK2)：常規施肥處理；

處理C(CK3)：常規施肥處理+全量秸稈還田。

處理D：常規施肥處理+全量秸稈還田+供試秸稈腐熟劑2.0 kg/畝(與小麥麩皮拌勻后均勻撒施在粉碎后的秸稈上)，小麥秸稈切碎為3 cm ～5 cm后全量還田，耕翻還田深度15 cm，秸稈還田量350 kg/畝。

試驗期間田間管理措施一致；收獲時每小區單獨采收、稱重、記產。

1.4 秸稈腐熟劑對小麥秸稈腐熟的效果

分別在第10 d，第20 d和第30 d將處理2和處理3的埋袋取出，處理后稱重，并計算不同階段的失重率。

1.5 秸稈腐熟劑對土壤有機質及氮磷鉀含量的影響

土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法測定；土壤堿解氮采用堿解擴散法測定；土壤速效磷采用碳酸氫鈉法測定；土壤速效鉀采用醋酸銨火焰光度計法測定[14]。

1.6 小麥秸稈還田對白菜葉綠素含量的影響

采用SPAD葉綠素計測定白菜葉綠素含量[15]。SPAD是一種測量葉綠素濃度的方法。即葉綠素含量SPAD指用SPAD這種方法測量的葉綠素濃度。

1.7 小麥秸稈還田對白菜生物學性狀和產量的影響

收獲期，在每小區中部位置隨機取10株白菜植株觀測其生物學性狀：單株重、株高、球莖、葉綠素含量，取樣后小區測產，并進行經濟效益分析。

1.8 數據統計分析

采用SPSS和EXCEL軟件對實驗數據進行分析。

2 結果與分析

2.1 秸稈腐熟劑對小麥秸稈的腐熟

2.1.1秸稈腐熟劑對小麥秸稈的腐熟效果

通過表1和表2對比得出，第10 d時，不加腐熟劑的處理2失重率為10.05%，加腐熟劑的處理3失重率為12.02%，處理3比處理2的失重率提高1.97%；第20 d時，處理2和處理3的失重率分別為21.3%和27.92%，處理3比處理2的失重率提高6.62%；第30 d時，處理2和處理3的失重率分別為30.06%和37.69%，處理3比處理2的失重率提高7.63%。可以看出，隨時間的延長，處理3與處理2腐熟程度逐步增大，差距最大是第30 d，失重率之差為7.63%。

加腐熟劑的處理3，試驗的30 d過程中0 d ～10 d腐熟了12.02%，11 d ～20 d腐熟了14.9%，21 d ～30 d腐熟了9.77%，腐熟速度最快的是中間10 d；處理2在0 d ～10 d腐熟了10.05%，11 d ～20 d腐熟了11.25%，21 d～30 d腐熟了8.76%，腐熟速度比較平緩。說明本公司的腐熟劑在第11 d ～20 d時作用達到最大，這與試驗的氣候，溫度和土壤含水率也有關系。

表1 不同處理的小麥秸稈腐熟情況記錄 (單位：g)

表2 不同處理的小麥秸稈的腐熟失重率 (單位：%)

備注：失重率Wx=100(G0-Gx)/G0,計算結果保留兩位小數。

2.1.2秸稈腐熟劑對小麥秸稈腐熟效果的統計分析

為對比不同處理最終的腐熟度差異，對30 d后取出的樣品重量統計并進行方差分析，結果如表3和表4。

表3 樣品重量統計 單位：g

表4 方差分析

數據顯示，不同處理間差異極顯著，重復間差異不顯著。通過進行多重比較，處理1(CK1)、處理2(CK2)、處理3均達到差異顯著水平，說明該秸稈腐熟劑對小麥秸稈的腐熟效果比較明顯。

2.2 小麥秸稈還田對土壤及白菜的影響

2.2.1小麥秸稈還田對土壤有機質的影響

小麥秸稈還田對土壤有機質的影響如圖1所示。與處理A相比，處理B、C、D的土壤有機質質量分數分別提高了9.75%、13.04%、20%；與處理C相比，處理D的土壤有機質提高了6.15%；由此說明小麥秸稈還田顯著提高了土壤有機質的含量，差異顯著(P<0.05)。

圖1 不同處理的土壤有機質質量分數

2.2.2小麥秸稈還田對土壤速效養分的影響

小麥秸稈還田對土壤速效養分的影響如圖2所示。與處理A相比，處理B、C、D的土壤堿解氮分別提高了4.76%、11.1%、16.70%；處理D的土壤堿解氮比處理C提高了5.04%，差異顯著(P<0.05)。

與處理A相比，處理B、C、D的土壤速效磷分別提高了10.55%、15.14%、26.83%；處理D的土壤速效磷比處理C提高了10.16%，差異顯著(P<0.05)。

與處理A相比，處理B、C、D的土壤速效鉀分別提高了16.47%、23.44%、30.01%；處理D的土壤速效磷比處理C提高了5.33%，差異顯著(P<0.05)。

圖2 不同處理的土壤速效養分質量分數(mg/kg)

2.2.3小麥秸稈還田對白菜葉綠素含量的影響

小麥秸稈還田對白菜葉綠素含量的影響如圖3所示。各處理順序取10株白菜植株檢測其葉綠素的含量，處理D葉綠素含量比處理C增加5SPAD，其余各項處理指標均低于處理C。

圖3 白菜葉綠素含量(SPAD)

2.2.4小麥秸稈還田對白菜生物學性狀的影響

小麥秸稈還田對白菜生物學性狀的影響如圖4所示。各處理順序取10株白菜植株觀測其生物學性狀，處理D平均單株重比處理C增加0.34 kg，株高增加7.7 cm，球莖增加0.8 cm，其余處理各項指標均低于處理C。

圖4 白菜單株重及品質指標調查圖

2.2.5小麥秸稈還田對白菜產量的影響

小麥秸稈還田對白菜產量的影響如圖5所示。處理D使白菜畝產量比處理C增產937.7 kg，增產率達到了10.71%；較處理B產量增加了1 075.5 kg，增產率12.48%。

圖5 白菜小區產量統計圖

不同試驗小區產量方差分析表明，處理D的白菜產量顯著高于其余處理，說明小麥秸稈中添加腐熟劑還田后對白菜有明顯增產效果，見表5。

用SPSS軟件進行單因素方差分析如表5。

表5 用LSD法進行單因素方差比較

2.2.6試驗經濟效益分析

對不同處理白菜的經濟效益進行了分析，如圖6所示，處理D比處理C每畝增收624.8元。

圖6 畝產量和效益情況分析表

3 結論與討論

通過試驗研究發現，小麥秸稈腐熟劑對小麥秸稈的腐解有明顯的效果，可以加快小麥秸稈的腐解速度，提高腐解率，秸稈腐解率提高了7.63%，且在秸稈腐解過程中第10 d～20 d的促進效果最為明顯。添加腐熟劑后小麥秸稈還田，土壤有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀的質量分數分別增加6.15%、5.04%、10.16%和5.33%；小麥秸稈還田后，白菜的單株重、株高、球莖、葉綠素和產量分別提高11.68%、22.13%、4.37%、21.74%和10.71%。本論文采用的秸稈腐熟劑主要由枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌、長枝木霉菌組成。秸稈中木質纖維素的成分多樣、結構復雜，構成了抵抗微生物及其酶攻擊的天然屏障，40%～50%的纖維素大分子被木質纖維素包裹，而木質纖維素分子很穩定，不易降解，這使得秸稈中的纖維素難于被直接分解利用，腐解速度慢、腐解效果差，需要借助其他方式改變其理化結構使其更易降解。木霉菌作為一種有益真菌[16]，能夠分泌纖維素酶，具有很強的纖維素分解能力，可以水解纖維素，促進纖維素的分解，進而提高小麥秸稈的腐解率，將纖維素轉化為易被作物吸收利用的有機碳分子，從而增加土壤有機質的含量。芽孢類細菌尤其是枯草芽孢桿菌和地衣芽孢桿菌具有解磷、解鉀、固氮的作用，能夠將土壤中固化的氮磷鉀物質轉化為易于吸收的堿解氮、速效磷、速效鉀；同時在微生物大量繁殖過程中還能產生有利于作物生長的生長素、細胞分裂素等，提高了白菜產量及品質，增加了畝產和經濟收入。因此本研究利用秸稈腐熟劑進行小麥秸稈還田，更具有廣泛的生產應用性，為小麥秸稈還田技術大面積推廣應用提供理論依據。