半干旱區玉米秸稈快速腐解技術研究

劉方明　竇金剛　高玉山　孫云云　侯中華　劉慧濤

摘要：為完善半干旱區秸稈還田技術，構建適宜當地農業生產條件的秸稈還田快速腐解技術模式，采用尼龍網袋法研究秸稈腐解菌劑種類和尿素、有機肥用量對秸稈腐解率、腐解速率和玉米產量的影響。結果表明，秸稈還田配施尿素75 kg/hm2和有機肥45 t/hm2可顯著提高秸稈腐解率和腐解速率（P<0.05），增加玉米產量（11.84%，P<0.05）;在5種秸稈腐解菌劑中，以吉林省農業科學院所制菌劑效果較好，能顯著促進秸稈腐解（P<0.05），增加玉米產量（1.34%，P>0.05）。

關鍵詞：玉米秸稈還田;快速腐解;腐解菌劑;尿素;有機肥;半干旱區

中圖分類號：S141.4 ? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）05-0067-05

Abstract： This experiment studied the kinds of straw decomposing agents and the applying amounts of urea and organic fertilizer on the decomposition ration， decomposition rate and maize yield with nylon mesh bag method， in order to improve the technology of returning straw in semi-arid and construct the returning straw model of accelerating decomposition suitable for local production conductions. The results showed that the proper applying amount of urea 75 kg/hm2 and organic fertilizer 45 t/hm2 could significantly promote straw decomposition ration and decomposition rate（P<0.05）， and its maize yield increased 11.84% （P<0.05）. The straw decomposing agent from Jilin Academy of Agricultural Sciences had better effects， accelerated decomposition （P<0.05） and its maize yield could significantly increase 1.34% （P>0.05）.

Key words： maize straw returning; accelerating decomposition; decomposing agents; urea; organic fertilizer; semiarid area

吉林省作為中國糧食主產區之一，每年秸稈產量約4 000萬t[1]。秸稈還田作為肥沃耕層、改良土壤的一項重要措施，可以提高黑土地土壤有機質，提高作物產量[2，3]。吉林省西部屬半干旱區，年降雨量較少而蒸發量較大[4];冬季氣溫較低，干旱尤為嚴重，秸稈腐解較慢。目前，研制和推廣切實可行的玉米秸稈還田技術，解決黑土地土壤有機質下降問題以及秸稈焚燒導致的環境污染問題，是吉林省進行農業供給側結構性改革的一項重要措施[5]。

秸稈還田中還田深度、還田量[6，7]、有機物物料組成[8]、氣候和土壤條件[9-11]等均會影響秸稈腐解規律，為促進玉米秸稈腐解和養分釋放，需要采取技術措施改變其自然腐解過程。目前關于秸稈還田后的腐解研究主要集中在外源添加物對腐解速率和養分釋放的影響。前人研究結果表明，秸稈腐解菌劑、氮肥及有機肥具有促進秸稈腐解的作用[12-16]。趙金花等[3]對黃淮海平原激發式秸稈深還方式的還田效果研究發現，激發式秸稈深還明顯提高土壤養分和冬小麥產量。但適宜東北半干旱區的秸稈快速腐解技術研究較少。本研究采用尼龍網袋法，研究秸稈腐解菌劑種類和尿素、有機肥用量對秸稈腐解規律和玉米產量的影響，深入研究秸稈腐解規律，初步構建快速腐解技術，為完善半干旱區秸稈還田技術模式提供理論依據。

1 ?材料與方法

1.1 ?試驗區概況

試驗區位于吉林省松原市乾安縣（123°21′16″—124°22′50″E，44°37′47″—45°18′08″N）。該地區為溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫5.6 ℃，日照時間為2 866.6 h，≥10 ℃積溫為2 884.5 ℃，平均無霜期為146 d，氣候特點是干旱多風，降雨量在400 mm左右，平均蒸發量為1 500～1 900 mm。2018年1—11月降水量為436 mm（乾安縣氣象局統計）。土壤類型為黑鈣土。

1.2 ?試驗設計

試驗于2018年5月21日在吉林省農業科學院乾安試驗基地抗旱棚內進行。試驗地面積600 m2，長50 m，寬12 m。設36個秸稈填埋小區，秸稈填埋小區面積4.25 m2，長8.5 m，寬0.5 m，深0.3 m。將收獲后的風干玉米秸稈13 000 kg/hm2均勻鋪撒在小區底部。各小區之間東西間隔70 cm，南北間隔100 cm，小區四周用厚的不透水塑料膜進行隔離。

試驗采用尼龍網袋研究方法，網袋長20 cm×寬30 cm，網袋孔徑100目。網袋裝入秸稈后，鋪設于小區底部。

1.2.1 ?尿素和有機肥用量對秸稈腐解的影響 ?將72袋風干的全株秸稈樣品（60 g/袋）鋪入12個小區底部，6袋/區。在秸稈網袋上撒施中國農業科學院所研制菌劑后，再撒施尿素和有機肥（對照不施加）后填埋。施加尿素和有機肥用量設為4水平，隨機區組排列，分別為處理1（N0F0，CK）、處理2（N1F1，尿素25 kg/hm2+有機肥15 t/hm2）、處理3（N2F2，尿素50 kg/hm2+有機肥30 t/hm2）;處理4（N3F3，尿素75 kg/hm2+有機肥45 t/hm2）。取樣時間為7月9日、7月24日、8月21日、9月11日、9月28日和10月16日，3次重復。

1.2.2 ?秸稈腐解菌劑種類的篩選 ?將144袋風干全株秸稈樣品（60 g/袋）鋪入24個小區底部，6袋/區。腐解菌劑篩選設6個處理，隨機區組排列，分別為不施加腐解菌對照（CK）、菌劑S（吉林省農業科學院菌劑）、菌劑R（俄羅斯木霉）、菌劑C（中國農業科學院菌劑）、菌劑H（山東綠隴公司哈茨木霉）、菌劑F（山東綠隴公司有機肥發酵劑）。各菌劑撒施于秸稈網袋后加入75 kg/hm2尿素調節碳氮比后填埋。取樣時間與尿素和有機肥用量試驗相同，4次重復。

供試玉米品種為富民108，5月27日播種，底施磷酸二銨13 kg/hm2，硫酸鉀7.2 kg/hm2。采用膜下滴灌施肥方式，水肥管理依據《半干旱區玉米水肥一體化技術規程DB22-T 2383—2015標準》。

1.3 ?試驗指標與方法

玉米秸稈取樣后樣品經洗凈、80 ℃烘干，利用失重法測定秸稈腐解率[17]。

秸稈腐解率=（M0-Mt）×100%M0 ?（1）

式中，M0為加入秸稈干重（g）;Mt為腐解時間為t時的秸稈干重（g）;t為腐解時間（d）。

秸稈腐解速率：v=Y×（A-B）÷（A×t） ?（2）

式中，v為秸稈腐解速率[g/（g·年）];Y為365（d/年）;A為階段初始的秸稈質量（g）;B為階段結束的秸稈質量（g）;t為腐解時間（d）。

玉米產量：子粒成熟期測產，每小區玉米全部測產，10個果穗稱鮮重，并帶回風干，風干后考種，折標準水（14%）計算單位面積產量。

1.4 ?數據分析

采用SPSS 19.0分析軟件和 Excel 2007軟件進行統計分析，采用LSD法進行多重比較。根據玉米秸稈質量殘留量隨時間變化關系作回歸分析，采用指數方程y=b×e-kt擬合。式中，y為某時刻秸稈殘留質量占初始質量的比例;b為秸稈的損失量;k為腐解速率常數，其數值大小表示秸稈腐解質量減少的快慢，t為腐解時間。

2 ?結果與分析

2.1 ?尿素和有機肥不同用量對玉米產量的影響

施加不同用量的尿素和有機肥用量對玉米產量的影響見圖1。N0F0（CK）、N1F1（尿素25 kg/hm2+有機肥15 t/hm2）、N2F2（尿素50 kg/hm2+有機肥30 t/hm2）和N3F3（尿素75 kg/hm2+有機肥45 t/hm2）處理的玉米產量分別為8 698、9 015、9 581、9 728 kg/hm2，3個尿素和有機肥處理產量比N0F0（CK）分別提高了3.64%、10.15%和11.84%，尿素75 kg/hm2+有機肥45 t/hm2（N3F3）與對照差異顯著（P<0.05）。

2.2 ?尿素和有機肥不同用量對秸稈腐解規律的影響

秸稈還田施加尿素和有機肥可影響秸稈腐解率，結果見圖2。由圖2可知，與N0F0（CK）相比，N3F3對秸稈的腐解率提高效果最優，提高了4.02%～16.80%，7月9日至9月11日與N0F0（CK）差異顯著（P<0.05）;其次為N2F2和N1F1，秸稈腐解率分別提高了2.09%～12.12%和2.09%～12.02%，7月9日至9月11日與N0F0（CK）差異顯著（P<0.05）。N3F3與N2F2、N1F1對秸稈的腐解率在試驗初期（7月9日和7月24日）差異顯著，后期差異不顯著。這說明秸稈還田施入一定量的尿素和有機肥可以提高秸稈腐解量，較高量的尿素和有機肥效果明顯。

從圖2還可以看出，4個處理的秸稈腐解率變化趨勢表現一致，均表現為隨腐解時間的增加而增加，7月9日至9月11日各處理秸稈腐解率增加明顯（P<0.01），而后期9月28日和10月16日秸稈腐解率隨時間的推后而增速變緩。秸稈腐解規律表現出前期腐解多、后期腐解少的特點。

分析尿素和有機肥用量各處理的秸稈殘留量（y）隨秸稈腐解時間（t）的變化，利用指數方程進行擬合，得到CK、N1F1、N2F2、N3F3的指數方程分別為y=36.688e-0.296t（R2=0.97）、y=32.630e-0.309t（R2=0.98）、y=32.012e-0.307t（R2=0.97）、y=31.204e-0.328t（R2=0.97），擬合度較高。

秸稈還田施加尿素和有機肥對秸稈腐解速率的影響見圖3。與N0F0（CK）相比，N3F3對秸稈的腐解速率提高了0.06～0.48 g/（g·年），7月9日至9月11日顯著高于CK（P<0.05）;N2F2和N1F1對秸稈的腐解速率分別提高了0.06～0.44 g/（g·年）和0.03～0.25 g/（g·年），7月9日至9月11日顯著高于N0F0（CK）（P<0.05）。N3F3與N2F2、N1F1對秸稈的腐解速率前期（7月9日和7月24日）差異顯著（P<0.05），后期（8月21日至10月16日）差異不顯著（P>0.05）。這說明秸稈還田施入一定量的尿素和有機肥可以提高秸稈腐解速率，施入較高量的尿素和有機肥效果明顯。

從圖3可以看出，各處理秸稈腐解速率隨腐解時間變化趨勢表現一致，均隨腐解時間增加而降低，前期（7月9日至8月21日）秸稈腐解較快（P<0.01），而后期（9月11日之后）秸稈腐解速率變慢。秸稈腐解規律表現出前期腐解較快、后期腐解較慢的特點。

2.3 ?秸稈腐解菌劑種類對玉米產量的影響

秸稈腐解菌劑對玉米產量的影響見圖4。CK、菌劑S、菌劑R、菌劑C、菌劑H和菌劑F處理玉米產量分別為8 496、8 609、8 591、8 572、8 536、8 593 kg/hm2。秸稈腐解菌劑具有增加玉米產量的趨勢，提高玉米產量0.47%～1.34%，但對玉米產量影響不顯著（P>0.05）。

2.4 ?秸稈腐解菌劑種類對秸稈腐解規律的影響

施加秸稈腐解菌劑對秸稈腐解率產生影響，結果見圖5。與CK相比，菌劑S（吉林省農業科學院）對秸稈的腐解率提高了4.07%～11.62%，7月24日至9月11日顯著高于CK（P<0.05）;菌劑R（俄羅斯木霉）對秸稈的腐解率提高了0.08%～5.54%;菌劑C（中國農業科學院）對秸稈的腐解率提高了0.76%～6.14%，9月11日顯著高于CK（P<0.05）;菌劑H（山東綠隴公司哈茨木霉）和菌劑F（有機肥發酵劑）對秸稈的腐解率影響不顯著（P>0.05）。這說明吉林省農業科學院所制菌劑提高秸稈腐解率效果明顯，其次為中國農業科學院所制菌劑。

各處理秸稈腐解率隨時間變化趨勢一致，均表現為隨時間增加而明顯增加，腐解時間對秸稈腐解率影響極顯著（P<0.01）。

分析CK、菌劑S、菌劑R、菌劑C、菌劑H和菌劑F處理的秸稈殘留量（y）隨秸稈腐解時間（t）的變化，利用指數方程進行擬合，得到指數方程，分別為y=29.851e-0.206t（R2=0.97）、y=27.876e-0.255t（R2=0.95）、y=30.400e-0.226t（R2=0.96）、y=28.887e-0.220t（R2=0.94），y=28.239e-0.196t（R2=0.98），y=27.040e-0.193t（R2=0.98），擬合度較高。

施加秸稈腐解菌劑對秸稈腐解速率產生影響，結果見圖6。與CK相比，菌劑S對秸稈的腐解速率提高了0.10～0.34 g/（g·年），7月24日至9月11日與CK差異顯著（P<0.05）;菌劑R對秸稈的腐解速率提高了0.02～0.16 g/（g·年）;菌劑C對秸稈的腐解速率提高了0.02～0.17 g/（g·年），9月11日顯著高于CK（P<0.05）;菌劑H和菌劑F對秸稈的腐解速率影響不顯著（P>0.05）。這說明吉林省農業科學院所制菌劑提高腐解速率效果明顯，其次為中國農業科學院所制菌劑。

各處理秸稈腐解速率隨時間變化趨勢一致，均表現為隨時間增加而明顯降低，腐解時間對秸稈腐解速率影響極顯著（P<0.01）。

3 ?小結與討論

3.1 ?討論

本研究發現，秸稈腐解具有前期快、后期慢的特征，尿素和有機肥用量各處理的秸稈殘留量隨秸稈腐解時間的變化符合指數方程，擬合程度較高。與其他研究者的研究結果相一致，研究者對水稻、小麥、玉米、蠶豆、油菜等多種作物秸稈腐解規律進行研究[8，14，17]，均發現秸稈腐解過程具有前期快、后期慢的特點。

本研究發現，玉米秸稈還田施加尿素25～75 kg/hm2配施有機肥15～45 t/hm2可促進秸稈腐解，增加玉米產量。秸稈還田施加尿素和有機肥促進秸稈腐解，提高玉米產量。陳亞斯等[14]采用淹水培試驗研究氮素對小麥秸稈物質分解的影響，結果發現，施加氮素可以促進秸稈纖維素分解，但對木質素的影響不明顯。匡恩俊等[15]采用砂濾管法研究有機物料分解規律，結果表明，調節C/N可以提高有機碳分解速率。張珺穜等[16]秸稈預處理方法的試驗表明，施加尿素可以促進氮素、磷素的釋放，有助于提高作物產量。趙金花等[3]提出秸稈與無機氮肥或有機氮肥配施進行深埋（激發式秸稈深還）可以增加土壤有機質、土壤全氮和土壤硝態氮含量等，從而提高冬小麥產量。雖然肥料的投入增加了農業成本，但施加適量肥料可以提高農業生產的經濟效益[18]。因此，半干旱秸稈還田技術中還應分析農業產投比，確定尿素和有機肥用量投入的經濟閾值。

本研究發現，不同種類腐熟劑效果存在差異，吉林省農業科學院所制菌劑（菌劑S）效果較好，促進秸稈腐解，提高玉米產量（1.34%，P>0.05）。原因可能是菌劑S為本單位研制產品，在適應當地氣候和土壤環境等方面具有明顯優勢。有研究表明，玉米秸稈施加該種腐解劑30 d后秸稈降解率可達40.2%[19]。匡恩俊等[20]對3種玉米秸稈腐解菌劑施用效果的研究發現，當地自產的3號腐熟劑處理的秸稈生物量失重率及秸稈氮、磷、鉀釋放較高;還有學者提出，有機廢物發酵菌曲、菌劑E（有效成分為纖維素酶、真菌，助劑為氮素、保水劑和微肥）效果較好[12，13]。秸稈腐解菌劑的影響因素較多，選用適宜當地環境條件的菌劑可以促進秸稈中有機碳、氮和磷的釋放[12]，提高土壤活性有機質、堿解氮和有效磷含量[21]，有利于提高作物產量。今后研究中應逐步完善秸稈還田快速腐解技術體系，確定尿素和有機肥的適宜用量，配施適宜的秸稈腐解菌劑，結合合理的滴灌和鎮壓等技術措施，構建完善的技術體系模式，以促進秸稈快速腐解，增加土壤有機質，提高半干旱區玉米產量。

秸稈還田秸稈腐解過程對土壤生物學特征也會產生影響，秸稈用量過高對土壤細菌和放線菌數量有負效應[22]。今后的研究中可以探討秸稈腐解菌劑對土壤微生物和土壤動物群落多樣性和穩定性的影響，評價土壤生態系統的穩定性和土壤健康狀況，有利于評價秸稈還田對生態系統的作用，探求科學合理的秸稈還田途徑。

3.2 ?小結

吉林西部半干旱區秸稈還田過程中，秸稈腐解量隨腐解時間增加而明顯增加，腐解速率表現出前期快、后期慢的特點。本試驗條件下，秸稈還田配施尿素75 kg/hm2和有機肥45 t/hm2可以促進秸稈腐解，明顯提高玉米產量。不同種類的腐熟劑效果存在差異，其中吉林省農業科學院所制菌劑效果較好，具有提高玉米產量的趨勢。研究半干旱秸稈還田快速腐解技術，分析玉米秸稈腐解影響因素，對半干旱區秸稈還田技術模式的實施和田間管理具有重要意義。

參考文獻：

[1] 蔡紅光，梁 ?堯，劉慧濤，等.東北地區玉米秸稈全量深翻還田耕種技術研究[J].玉米科學，2019，27（5）：123-129.

[2] 高金虎，孫占祥，馮良山，等.秸稈與氮肥配施對遼西旱區土壤酶活性與土壤養分的影響[J].生態環境學報，2012，21（4）：677-681.

[3] 趙金花，張叢志，張佳寶.激發式秸稈深還對土壤養分和冬小麥產量的影響[J].土壤學報，2016，53（2）：438-449.

[4] 梁烜赫，王 ?雪，趙 ?鑫，等.吉林省西部半干旱區主栽玉米品種抗旱性比較[J].分子植物育種，2018，16（13）：4466-4472.

[5] 郭慶海.吉林省農業供給側結構性改革：問題、框架與路徑[J].吉林農業大學學報，2018，40（4）：517-523.

[6] 鄒文秀，韓曉增，陸欣春，等.施入不同土層的秸稈腐殖化特征及對玉米產量的影響[J].應用生態學報，2017，28（2）：563-570.

[7] 盧秉林，車宗賢，包興國，等.河西綠洲灌區玉米秸稈帶膜還田腐解特征研究[J].生態環境學報，2012，21（7）：1262-1265.

[8] 代文才，高 ?明，蘭木羚，等.不同作物秸稈在旱地和水田中的腐解特性及養分釋放規律[J].中國生態農業學報，2017，25（2）：188-199.

[9] 李昌明，王曉玥，孫 ?波.不同氣候和土壤條件下秸稈腐解過程中養分的釋放特征及其影響因素[J].土壤學報，2017，54（5）：1206-1217.

[10] 曹瑩菲，張 ?紅，劉 ?克，等.不同處理方式的作物秸稈田間腐解特性研究[J].農業機械學報，2016，47（9）：212-219.

[11] 劉方明，高玉山，孫云云，等.秸稈腐解規律和養分釋放特征影響因素的研究進展[J].湖北農業科學，2018，57（4）：5-7，14.

[12] 楊麗麗，周米良，鄧小華，等.不同腐熟劑對玉米秸稈腐解及養分釋放動態的影響[J].中國農學通報，2016，32（30）：32-37.

[13] 楊莉琳，丁新泉，張曉媛，等.華北還田夏玉米秸稈快速啟動腐熟的研究[J].中國土壤與肥料，2015（6）：133-138.

[14] 陳亞斯，應曉成，沈鵬飛，等.小麥秸稈中纖維素與木質素腐解進程的差異[J].揚州大學學報（農業與生命科學版），2015，36（3）：68-72.

[15] 匡恩俊，遲鳳琴，宿慶瑞，等.砂濾管條件下不同有機物料的分解規律[J].黑龍江農業科學，2010（4）：45-48，56.

[16] 張珺穜，王 ?婧，張 ?莉，等.理化預處理方式對玉米秸稈腐解與養分釋放特征的影響[J].農業工程學報，2016，32（23）：226-232.

[17] 胡宏祥，程 ?燕，馬友華，等.油菜秸稈還田腐解變化特征及其培肥土壤的作用[J].中國生態農業學報，2012，20（3）：297-302.

[18] 袁嫚嫚，鄔 ?剛，胡 ?潤，等.秸稈還田配施化肥對稻油輪作土壤有機碳組分及產量影響[J].植物營養與肥料學報，2017，23（1）：27-35.

[19] 遲 ?暢，馬 ?巍，沙洪林.秸稈腐解劑的研制及田間試驗研究[J].東北農業科學，2017，42（1）：20-23.

[20] 匡恩俊，遲鳳琴，宿慶瑞，等.3種腐熟劑促進玉米秸稈快速腐解特征[J].農業資源與環境學報，2014，31（5）：432-436.

[21] 農傳江，王宇蘊，徐 ?智，等.有機物料腐熟劑對玉米和水稻秸稈還田效應的影響[J].西北農業學報，2016，25（1）：34-41.

[22] 武 ?際，郭熙盛，魯劍巍，等.不同水稻栽培模式下小麥秸稈腐解特征及對土壤生物學特性和養分狀況的影響[J].生態學報，2013，33（2）：565-575.