配施不同腐稈劑對還稻田麥秸腐解和水稻產量的影響①

黃 薇，吳涼萍，宋路遙，柴如山，劉夢麗，陸銀萍，曹小闖，鄔 剛，馬 超

配施不同腐稈劑對還稻田麥秸腐解和水稻產量的影響①

黃 薇1，吳涼萍1，宋路遙1，柴如山1，劉夢麗3，陸銀萍4，曹小闖5，鄔 剛2*，馬 超1*

(1安徽農業大學資源與環境學院農田生態保育與污染防控安徽省重點實驗室，江淮耕地資源保護與生態修復重點實驗室，合肥 230036； 2安徽省農業科學院土壤肥料研究所，合肥 230031；3中國科學院南京土壤研究所，南京 210008；4 中鹽安徽紅四方肥業股份有限公司，合肥 230000；5 水稻生物學國家重點實驗室，中國水稻研究所，杭州 310006)

為闡明沿淮地區秸稈還田配施不同腐稈劑在秸稈腐解和水稻產量方面的差異，遴選出適合該區域使用的腐稈劑。本研究通過安徽省霍邱縣的麥稈促腐還田定位試驗，深入分析了秸稈還田和氮磷鉀優化平衡施肥后不施腐稈劑(SF)、施腐稈劑1號(SFD1)、施腐稈劑2號(SFD2)和施腐稈劑3號(SFD3)等處理連續兩年在秸稈腐解和水稻產量等方面的差異。結果表明：①不同處理間秸稈累積腐解率連續兩年的差異均不大，但秸稈腐解速率第一年存在較大差異，其中SFD2處理的最大，較SF、SFD1和SFD3處理分別增加了70.6%、262.5% 和93.3%；②水稻產量連續兩年也均以SFD2處理為最高，分別為8 592.84 kg/hm2 和7 538.70 kg/hm2，顯著高于其余腐稈劑施用處理(<0.05)；相關性分析顯示，水稻產量與秸稈腐解速率之間相關性最高(第一年，= 0.45；第二年，= 0.48)；③不同處理對土壤微生物量的影響在兩年間均表現出顯著作用，但無明顯規律可循；偏最小二乘法回歸分析顯示，兩年的還田麥秸腐解速率均受土壤微生物生物量C/N的調控。綜上，沿淮地區麥秸促腐還稻田配施2號腐稈劑最利于秸稈促腐和作物增產。

秸稈還田；腐稈劑；秸稈腐解；水稻生產；土壤微生物生物量

我國主要糧食作物秸稈年均產量為7.8億t，將其合理還田不僅能夠改善土壤結構、豐富土壤生物種群和培肥地力，還可降低農業化學品的投入[1-3]。但還田秸稈腐解緩慢引起的土壤整地播種質量差、當季作物產量下降等問題，在一定程度上限制了秸稈還田的應用與推廣[4]。為解決上述問題，前人嘗試篩選秸稈降解微生物并制成腐稈劑，企望加速秸稈腐解[5-6]。然而，在田間應用時，腐稈劑卻常因功能菌存活不佳或酶活降低而導致實際效果不穩定[7-8]。

研究發現，不同腐稈劑田間施用后的促腐或增產效應也會存在顯著的差異[9-10]。例如，匡恩俊等[9]研究發現雞西市生物制劑廠腐熟劑的促腐效果顯著高于上海市或東莞市生物工程公司的腐熟劑；王喜枝等[10]在河南鄭州的試驗也表明不同腐稈劑的增產效果不同，具體表現為微生物腐稈劑>有機物料腐熟劑>秸稈生物降解專用菌劑>秸稈腐熟劑。這可能是因為腐稈菌進入土壤后的存活狀況會受到土壤環境的影響，不同腐稈菌會因其對使用地土壤環境的適應度差異而導致效用不同[11]。此外，腐稈劑田間促腐和增產作用之間的關系也存在爭議[12-13]。例如，張瑩瑩和曹慧英[12]在山東齊河潮土上的試驗發現，施用腐稈劑相比不施腐稈劑處理的玉米秸稈腐解率和小麥產量分別提高了18.5% 和10.7%；而楊光海等[13]指出施用腐稈劑處理下的水稻秸稈腐解率較不施腐稈劑處理提高了2.2%，但是油菜的產量卻降低了0.7%。造成上述差異的原因可能是因為腐稈劑田間施用對秸稈腐解和作物產量的提升作用會受到氣候類型、還田條件、秸稈種類等因素的影響[14]。安徽沿淮地區的農田多為中低產田，存在土壤物理性狀差、肥力水平低等問題，因而很可能會對腐稈劑的品種有特殊需求，并對腐稈劑促腐和增產之間的關系產生影響[15]。再者，前人開展的腐稈劑田間應用研究多數僅關注于一季的結果，少有涉及年際差異方面的研究。

由上，本文利用布設于沿淮稻麥輪作區的麥秸還田定位試驗，分析了秸稈還田配施不同腐稈劑對當年和次年秸稈腐解狀況、水稻產量和土壤微生物量的影響，以期探明不同腐稈劑的促腐、增產效果及二者關系，初步揭示腐稈劑調控稻田秸稈腐解和水稻生產的機制。相關研究結果可為遴選適應于安徽沿淮區稻麥輪作體系的秸稈腐熟劑產品、優化秸稈還田促腐技術提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗區位于安徽省霍邱縣宋店鄉(116°32′E，32°36′N)，地處淮河流域南岸，屬北亞熱帶季風氣候，年均氣溫15.4 ℃，年均降水量951.3 mm，年均積溫5 623 ℃。種植制度為小麥–水稻輪作。

1.2 試驗材料

供試土壤：水稻土，0 ～ 15 cm土層土壤的機械組成為砂粒(2 ～ 0.05 mm)28%、粉粒(0.05 ～ 0.002 mm) 37%、黏粒(<0.002 mm)35%，土壤pH(土水比1︰2.5)、有機質、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀含量分別為6.05、21.3 g/kg、1.12 g/kg、112.0 mg/kg、21.2 mg/kg和180.0 mg/kg。

供試秸稈和作物：還田秸稈為小麥(周麥23號)秸稈，其碳、氮、磷、鉀的含量分別為342.3、3.3、0.46和16.5 g/kg；種植作物為水稻(新兩優6號)。

供試化肥和腐稈劑：氮肥選用尿素(N 46%)，磷肥選用過磷酸鈣(P2O512%)，鉀肥選用氯化鉀(K2O 60%)。1號腐稈劑產自北京，主要包含枯草芽孢桿菌(2.03×108cfu/g)、米曲霉(3.1×107cfu/g)、黑曲霉(6.4×107cfu/g)、白地霉(1.21×108cfu/g)和釀酒酵母(2.7×107cfu/g)；2號腐稈劑產自上海，其主要成分包含枯草芽孢桿菌(2.21×108cfu/g)、嗜熱脂肪地芽孢桿菌(5.4×105cfu/g)、天青鏈霉菌(1.7×107cfu/g)和白鏈霉菌(2.76×108cfu/g)等4種功能菌；3號腐稈劑產自廣東，其主要成分為枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌和多粘芽孢桿菌等微生物。

1.3 試驗設計

試驗采用隨機區組設計，設置4個處理：在秸稈粉碎全量還田和氮磷鉀優化平衡施肥的基礎上，①不施腐桿劑(SF)；②施腐稈劑1號(SFD1)；③施腐稈劑2號(SFD2)；④施腐稈劑3號(SFD3)。每個處理3次重復，小區面積為24 m2。氮磷鉀優化平衡施肥的施肥方案參照試驗點測土配方施肥的建議，氮磷鉀施用量分別為 N 225 kg/hm2，P2O537.5 kg/hm2，K2O 67.5 kg/hm2，其中磷、鉀肥做基肥一次性施入，氮肥按照基肥︰分蘗肥︰穗肥=6.3︰2.3︰1.3分次施用。

秸稈還田方式為粉碎(約為10 cm)全量(約為6 000 kg/hm2)翻耕還田。腐稈劑按30 kg/hm2用量均勻撒施到鋪好秸稈的田內并立即翻耕。同時取出一部分秸稈烘干后截成1 ～ 3 cm段，稱取20 g秸稈段均勻置于15 cm × 20 cm的200目尼龍網袋后埋入試驗小區，每個生育期各取出3袋，共需48袋，豎直放置在土層中。

1.4 樣品采集與測定

1.4.1 小麥秸稈累積分解率和腐解速率 于水稻分蘗、拔節、抽穗和成熟期即自腐解后第60、105、115、180天分別從每個小區各隨機取樣3袋，取出網袋后先用自來水洗凈表面粘附的泥土，再用蒸餾水沖洗3次，在60 ℃烘箱中烘干后稱重，用公式(1)分別計算秸稈各時期的腐解率和全生育期的腐解率[16]。

(%)= (0–M)/0×100 (1)

式中：為秸稈腐解率(%)；0為原始秸稈干物質量(g)；M為腐解天后的秸稈干物質量(g)。

秸稈腐解速率可通過一級動力學方程進行擬合獲得[16]：

N=N0(1–e)(2)

式中：N為天秸稈腐解率(%)；0為秸稈的腐解潛力(%)；為秸稈腐解速率常數；為腐解時間(d)。

1.4.2 水稻產量及其構成因素 水稻成熟時，先在各小區隨機選10穴進行有效穗數、每穗粒數、結實率、千粒重以及風干籽粒含水率測定；隨后，進行全區收割、脫粒和風干，得到水稻實際產量。

1.4.3 土壤微生物生物量 于水稻分蘗、拔節、抽穗和成熟期，用土鉆在各試驗小區內按“S”法采集0 ～ 15 cm土層土壤7個點混合，去雜過篩后將一部分保存于4℃冰箱中用于土壤微生物性狀測定。土壤微生物生物量測定采用氯仿熏蒸提取法，微生物生物量碳、氮的換算系數分別取0.38和0.45；土壤微生物生物量C/N為土壤微生物生物量碳和微生物生物量氮的比值[17]。

1.5 數據分析

采用單因素方差(One-way ANOVA)和鄧肯檢驗(Duncan test)分析不同處理對各采樣期秸稈腐解率、水稻產量及其構成因素和土壤微生物生物量的影響；采用重復測量方差(Repeat-measure ANOVA)分析不同處理對秸稈腐解率與土壤微生物生物量的總體影響；采用皮爾遜相關系數(Pearson correlation coefficients)定量分析秸稈腐解率與水稻產量之間的相關關系；采用偏最小二乘法(Partial least squares, PLS)進行秸稈腐解率與土壤微生物性狀的回歸分析。統計分析由SPSS 21.0完成，圖形繪制以及秸稈腐解過程的一級動力學曲線擬合采用Origin 9.0完成。

2 結果與分析

2.1 不同處理下小麥秸稈腐解的動態變化

第一年，隨著水稻的生長發育，各處理的秸稈腐解率均呈上升趨勢，并表現為前期快、中期慢、后期快的規律，SF、SFD1、SFD2和SFD3處理的秸稈累積腐解率分別為55.7%、57.8%、57.3% 和58.6%(圖1A)。SFD2的腐解率在水稻前3個生育期內均為最高，其中在分蘗期同其余3個處理有顯著差異(<0.05，圖1A)。第二年，SF、SFD1、SFD2和SFD3處理的秸稈腐解率隨水稻生育期發展而不斷上升，最終分別達50.8%、50.5%、52.5% 和48.7%，但各處理間差異不顯著(圖1B)。

小麥秸稈腐解率隨時間的變化規律可用一級動力學方程N=N0(1–e)進行擬合(2≥0.80)。擬合結果顯示，第一年SFD2處理的秸稈腐解速率常數()最高，較SF、SFD1和SFD3分別增加70.6%、262.5% 和93.3%；第二年SFD2處理下的秸稈腐解速率常數()較SFD1處理高19.0%，但比SF和SFD3卻分別下降了9.1% 和5.7%(表1)。

2.2 不同處理下水稻的產量及其構成因素

與不施腐稈劑相比，施用2號腐稈劑(SFD2)處理的兩年水稻產量均有所增加(11.23%，0.54%)，而施用1號(SFD1)和3號腐稈劑(SFD3)的水稻產量卻均有所下降(分別為18.12%，10.55%；4.89%，8.41%)(表2)。第一年，SFD2處理為最高且較其他3個處理水稻產量增幅顯著(<0.05)；第二年，SFD2處理的水稻產量較SFD1和SFD3處理分別顯著增加了12.4% 和9.8%，但較對照處理無顯著變化(表2)。進一步分析不同處理的水稻產量構成因素可知，與不施腐稈劑相比，第一年施用1號腐稈劑可顯著增加千粒重，施用2號和3號腐稈劑可顯著增加水稻穗粒數(<0.05)；第二年，與不施腐稈劑相比，除2號腐稈劑外，其余腐稈劑施用均會顯著降低水稻有效穗數和穗粒數(表2)。

相關性分析表明，無論是第一年還是第二年，水稻產量與秸稈腐解速率的相關性(0.45和0.48)都明顯高于其與秸稈累積腐解率的相關性(0.18和–0.05)；除水稻穗粒數和秸稈腐解速率的相關性在第二年稍高外，其余水稻產量構成因素與秸稈累積腐解率或腐解速率的相關性均較小(表3)。

(A. 第一年秸稈腐解率；B. 第二年秸稈腐解率；圖中小寫字母不同表示同一生育期不同處理間差異達P<0.05顯著水平)

表1 不同處理下秸稈腐解率與還田時間關系的擬合

注：**表示達<0.01顯著水平。

表2 不同處理對水稻產量及其構成因素的影響

注：表中數據為平均值±標準差(=3)；同列小寫字母不同表示處理間差異顯著(<0.05)。

2.3 不同處理下土壤微生物性狀的動態變化

第一年，不同處理之間的土壤微生物性狀差異在分蘗期最為明顯(圖2A～2C)。在這一時期，土壤微生物生物量碳以SFD2處理為最低，且與其他腐稈劑處理間差異顯著(<0.05)；土壤微生物生物量氮以SF處理為最低，其與SFD2差異不大，但卻與SFD1和SFD3差異顯著(<0.05)；處理間微生物生物量C/N大小順序為SF> SFD2>SFD3>SFD1，其中SF處理顯著高于其他處理。第二年，不同處理的土壤微生物性狀幾乎在各生育期均存在顯著差異(圖2D～2F)。除拔節期外，其余生育期土壤微生物生物量碳均以SFD2處理為最高；微生物生物量氮僅在水稻生長前期存在顯著差異(分蘗期和拔節期)，分別以SFD2和SFD3處理為最高；微生物生物量C/N各生育期變化無明顯規律，分蘗期以SFD3處理最高，拔節期以SFD1處理為最高，抽穗期除SF處理較小外其余處理無顯著差異，成熟期以SFD2處理為最高。

表3 成熟期秸稈累積腐解率和腐解速率與作物產量及其構成因素之間的相關系數

偏最小二乘法回歸分析(表4)顯示：秸稈降解速率主要由土壤微生物生物量C/N決定，其中第一年拔節期秸稈降解速率隨C/N增大而增加，其余時期為C/N越大則秸稈降解越慢。

3 討論

3.1 配施不同腐稈劑對還稻田麥秸腐解的影響

本研究發現連續兩年不同處理間秸稈腐解率差異均不顯著(圖1)，這與胡宇容等[18]的結果類似，可能是因為秸稈還田后的總腐解量主要由其自身的組成與特性決定，而與降解者種群關系不大[19]。然而，不同處理的秸稈腐解速率在第一年時差異顯著，SFD2處理的秸稈腐解速率最大，第二年無顯著差異(圖1)。這可能是因為第一年分蘗期時SFD2的秸稈腐解量顯著高于其他處理。另外，SFD1與SFD3無顯著作用可能是由于該兩種腐熟劑功能微生物與供試土壤性狀不匹配[11]。

(圖A、B和C代表第一年微生物性狀，圖D、E和F代表第二年微生物性狀；圖中小寫字母不同表示同一生育時期不同處理間差異達P<0.05顯著水平)

表4 不同處理下秸稈腐解速率與土壤微生物性狀的偏最小二乘法回歸分析

注：1，微生物生物量碳；2，微生物生物量氮；3，微生物生物量C/N；，秸稈腐解速率。

偏最小二乘法回歸分析顯示秸稈腐解速率由土壤微生物生物量碳氮比決定(表4)，與前人研究結果一致[20]，主要是因為土壤微生物生物量碳氮比反映了土壤中微生物群落結構狀況，而微生物群落恰恰是驅動外來有機物料土壤降解過程的關鍵因子[21-22]。研究還發現，SFD2處理的土壤微生物生物量C/N在第一年分蘗期維持在10︰1左右，比較利于還田秸稈的降解(圖2)，這也可歸因于前述理論[20-22]。至于2號腐稈劑的秸稈促腐功效在不同試驗年度間的差異，則可能因為下述兩點：一方面，年度之間氣候不同，與第一年相比，第二年降雨量明顯下降(其中，第一年和第二年分別為1 639 mm和1 056 mm)，旱情嚴重，進而導致腐稈劑在第二年時功效不顯著[14, 23]；另一方面，腐稈菌進入土壤后可能會對土著微生物產生影響，而還田秸稈的降解需由外源微生物和土著菌共同作用，腐稈菌在第一年侵入對土著微生物造成的影響可能直接導致其第二年無法與土著菌“合作”促腐[24]。

3.2 配施不同腐稈劑對水稻產量的影響

研究結果顯示，秸稈還田配施2號腐稈劑的水稻實際產量在第一年顯著高于其余3個處理并且水稻產量與秸稈腐解速率呈正相關(表2和表3)，故SFD2處理高產的原因是由于該處理秸稈腐解速率快。秸稈快速腐解不僅可以促進土壤結構的改善、增加土壤礦質營養元素含量，還可以提高秸稈氮的釋放，緩解麥秸殘體因降解“爭氮”而妨礙水稻早期生長[25-26]。此外，2號腐稈劑的功能菌主要包含枯草芽孢桿菌、嗜熱脂肪地芽孢桿菌、天青鏈霉菌和白鏈霉菌，以上菌株除具腐解秸稈功能外，在植物促生、抗病等方面的效果也多有報道，這或許也是水稻產量提升的原因之一[27]。

需要注意的是，試驗第二年SFD2處理的水稻產量雖依然為最高但與SF處理的差異并不顯著(表2)，這與李繼福等[28]江漢平原的研究結果類似。這一方面可能與外源腐稈菌在第二年沒有成功加速秸稈腐解有關，另一方面則可能歸因于第一年施用腐稈劑麥秸還田后使土壤C/N發生了改變，進而改變了土壤降解微生物群落的結構和功能[21-22]。至于在第二年配施1號和3號腐稈劑與不施腐稈劑的對照相比，均沒有促腐效果卻出現顯著減產現象，可能主要因功能微生物菌株對環境中的pH、溫度和通氣狀況等均有嚴格的要求，倘若環境條件與腐稈菌需求不匹配，那么其將難以存活和發揮作用[7-8]。再者，腐稈劑的作用受產品質量、區域氣候、土壤環境條件以及土著微生物的影響較大，若第二年1號和3號腐稈劑中的功能菌在當年的氣候環境條件下對土著微生物群落產生負面影響，進而抑制土壤養分轉化，最終便會造成當季水稻的減產[10, 14, 28]。

4 結論

綜上可知，沿淮地區小麥秸稈促腐還稻田時，配伍主要成分包含枯草芽孢桿菌和嗜熱脂肪地芽孢桿菌等的腐稈劑的促腐和增產效果最佳，進一步分析得出其原因可能為該腐稈劑進入土壤后可驅動高效降解麥秸土壤微生物群落的形成，加速了秸稈腐解及其養分轉化和供應。本研究結果對于沿淮地區稻麥輪作系統秸稈還田下腐稈劑的匹配具有一定的參考意義，可為該地區秸稈直接還田高效利用提供科學依據。

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Impact of Various SDMIs on Wheat Straw Decomposition and Rice Yield

HUANG Wei1, WU Liangping1, SONG Luyao1, CHAI Rushan1, LIU Mengli3, LU Yinping4, CAO Xiaochuang5, WU Gang2*, MA Chao1*

(1 Anhui Province Key Laboratory of Farmland Ecological Conservation and Pollution Prevention, Key Laboratory of JiangHuai Arable Land Resources Protection and Eco-restoration, College of Resources and Environment, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China; 2 Institute of Soil and Fertilizer, Anhui Academy of Agriculture Sciences, Hefei 230031, China; 3 Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 4 CNSG Anhui Hongsifang Co., Ltd., Hefei 230000, China; 5 State Key Laboratory of Rice Biology, China National Rice Research Institute, Hangzhou 310006, China)

This study investigated the impact of the different straw decomposing microorganism inoculum (SDMI) on straw decomposition and rice yield in a paddy soil along the Huai River, Huoqiu County of Anhui Province, in which four treatments were designed, which included straw returning with optimized NPK fertilization then applied SDMI NO.1 (SFD1), or SDMI NO.2 (SFD2), or SDMI NO.3 (SFD3) or nothing (SF). No significant differences occurred in total decomposition rates of straws among different treatments in two consecutive years, but significant differences were found in straw decomposition rates in the first year. Straw decomposition rate increased by 70.59%, 262.5%, and 93.33% in SFD2 compared with SF, SFD1, and SFD3, respectively. Among all treatments, SFD2 had the highest rice yield in two consecutive years (8 592.84 kg/hm2and 7 538.70 kg/hm2, respectively,<0.05). Rice yield and straw decomposition rate had the highest correlation (Pearson correlation coefficient was 0.45 in the first year and 0.48 in the second year). All treatments had significant effects on soil microbial biomass, but no clear pattern was found among different treatments. In addition, soil microbial biomass C/N ratio was the main attribute to determine the decomposition rate of straws. In conclusion, our study suggests that the application of different SDMIs can promote straw decomposition and increase rice yield, and SDMI No.2 is most promising due to its highest efficacy in stimulating soil microbial communities, accelerating straw degradation and promoting rice growth.

Straw returning to field; Straw decomposing microorganism inoculum (SDMI); Straw decomposition; Rice yield; Soil microbial biomass

黃薇, 吳涼萍, 宋路遙, 等. 配施不同腐稈劑對還稻田麥秸腐解和水稻產量的影響. 土壤, 2022, 54(1): 40–46.

S154.3；S147.3

A

10.13758/j.cnki.tr.2022.01.006

安徽省自然科學基金項目(1808085MD97)、中國科學院STS區域重點項目(KFJ-STS-QYZD-164)和大學生創新創業項目(XJDC2020455，202010364071)資助。

(chaoma@ahau.edu.cn；gangw1987@163.com)

黃薇(1999—)，女，安徽桐城人，本科生，主要從事土壤生態學研究。E-mail: hwei@stu.ahau.edu.cn