不同腐熟劑對玉米秸稈腐熟的作用

唐彩梅，張小靜，楊 潔，楊建祿，張建祥，袁安明

（定西市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，甘肅定西 743000）

秸稈是農(nóng)產(chǎn)品收獲后閑置的副產(chǎn)品，我國是糧食大國，各種秸稈種類多、數(shù)量大[1]。目前，大部分秸稈來自玉米、水稻和小麥。據(jù)統(tǒng)計，2014 年我國秸稈總量約為8 億t，利用秸稈還田已成為世界各國關(guān)注的重要問題[2-4]。農(nóng)作物秸稈含有氮、磷、鉀及微量元素等營養(yǎng)成分，是一種可持續(xù)的生物資源。秸稈還田可以增加土壤有機質(zhì)含量，是促進農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)的重要措施之一。但在自然狀態(tài)下，秸稈的降解速度相對較慢[5-7]；模擬作物秸稈還田，可以探索秸稈腐解及養(yǎng)分釋放過程，了解秸稈腐熟過程中的腐熟速度及養(yǎng)分釋放規(guī)律，從而對秸稈還田后施肥等田間管理提供數(shù)據(jù)支持。鑒于此，本研究采用堆腐法通過研究高溫好氧發(fā)酵過程，分析了秸稈的腐解速率及有機碳、氮、磷、鉀等養(yǎng)分釋放特征，了解秸稈腐熟物料對種子發(fā)芽率的影響，檢驗玉米秸稈腐熟后是否達(dá)到還田標(biāo)準(zhǔn)，以期為合理選用腐熟劑及對秸稈進行綜合利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

腐熟作物材料和發(fā)芽率所使用的玉米種子為甘肅金源種業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的‘甘甜糯2 號’玉米秸稈。

輔料：尿素，鄭州金峰達(dá)化工產(chǎn)品有限公司。秸稈腐熟微生物菌劑：優(yōu)菌康有機肥發(fā)酵劑（長沙泰萊生物科技有限公司）、金秸稈腐熟劑（北京康源綠洲生物科技有限公司）、農(nóng)家肥發(fā)酵菌（山東渃杰生物科技有限公司）。

1.2 試驗儀器

TOC 分析儀，Multi N/C 2100S，德國耶拿分析儀器股份公司；SKALAR 間隔流動分析儀，荷蘭SKALAR 公司；火焰分光光度計，型號為FP6410，上海精密科學(xué)儀器有限公司；紫外分光光度計，型號為UV762，上海精密科學(xué)儀器有限公司；雷磁pH 計，上海精密科學(xué)儀器有限公司。

1.3 試驗處理

試驗共設(shè)置四個處理組；T1：對照組，玉米秸稈不加腐熟劑；T2：玉米秸稈加優(yōu)菌康有機肥發(fā)酵劑；T3：玉米秸稈加金秸稈腐熟劑；T4：玉米秸稈加農(nóng)家肥發(fā)酵菌。

將玉米秸稈收集、晾曬、挑揀后粉碎至3～5 cm，調(diào)節(jié)水分含量在60%左右，用手捏緊物料指縫有水但不流出為宜，堆料按照C/N=25∶1 的比例添加輔料尿素，翻混均勻，分成4 等份，在不同處理中添加相應(yīng)秸稈腐熟劑，秸稈腐熟劑按使用說明推薦量添加（秸稈腐熟劑與秸稈質(zhì)量比T2 為1/50 000、T3 為1/25 000、T4 為1/4 000），物料混合均勻后堆制成2.0 m 寬、1.5～2 m 高、長度不限的長條堆，堆制成功后開始高溫好氧堆肥。

1.4 測定指標(biāo)與方法

堆料溫度初始每天測試，18 d 后每3～4 d 測量1次，每次取3 個重復(fù)；顏色、氣味、軟化程度每7 d 測量1次，每次取3 個重復(fù)；玉米秸稈腐熟物體積約每個月測量一次，每次取3 個重復(fù)；全氮、全鉀、全磷、有機質(zhì)、pH、碳氮比、總養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)和種子發(fā)芽指數(shù)（GI）在試驗結(jié)束時測量，每次均取3 個重復(fù)。

有機質(zhì)用重鉻酸鉀外加熱法測定；全氮采用SKALAR 間隔流動分析儀測定；全磷用鉬銻抗比色法測定；全鉀用火焰分光光度計測定；pH 值使用pH 計測定；總養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)以烘干基計算氮、五氧化二磷、氧化鉀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。總養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)計算公式見式（1）。

式中，Δω為總養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；ω1為氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；ω2為五氧化二磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；ω3為氧化鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

種子發(fā)芽指數(shù)采用發(fā)芽率、根長法進行測定，分別用秸稈腐熟浸提液和蒸餾水培養(yǎng)玉米種子，測定發(fā)芽率和根長，計算出種子發(fā)芽指數(shù)[8]。種子發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽率計算公式見式（2）（3）。

式中，GI為種子發(fā)芽指數(shù)，%；A為堆肥浸提液的種子發(fā)芽率，%；B為蒸餾水的種子發(fā)芽率%；l1為種子根長，mm；l0為種子根長，mm。

式中，GE為發(fā)芽率，%；AC為總發(fā)芽數(shù)；At為參與發(fā)芽的種子的總數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2007 和SPSS 17.0 軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同腐熟劑對秸稈腐熟過程中溫度的影響

玉米秸稈腐熟過程中溫度的變化如圖1（見下頁）所示，從圖中可以看出，在前5 d 的時間內(nèi)，4 個處理組的溫度均快速上升，5～28 d 時，溫度整體維持在一個較高的水平，從第32 天開始，溫度急劇下降，其中T4 處理組的溫度下降最為迅速，溫度反映了微生物活動的活躍程度，可見T4 處理組中的微生物活動最為迅速，同時T4 處理組微生物活動下降的時間也最快，說明T4 組所用的腐熟劑可以縮短玉米秸稈降解所用的時間。T2、T3 處理組在前期溫度高于對照組T1，但在第35 天后溫度變化減慢。總體上來看，T4 處理組對玉米秸稈腐熟的促進作用最為明顯。

圖1 不同腐熟劑對秸稈腐熟過程中溫度的影響Fig.1 The influence of different decomposing agents on the temperature during the decomposing process of stalk

2.2 不同腐熟劑對秸稈腐熟過程的影響

2.2.1 不同腐熟劑對腐熟過程中秸稈顏色的影響

一般來說，秸稈腐熟越充分顏色越深，從微黃色變?yōu)楹诤稚伾兓梢苑从吵鼋斩挼母斐潭萚9]。玉米秸稈腐熟過程中不同腐熟劑對顏色的影響如表1 所示。從表中可以看出，3 種腐熟劑中，T4（農(nóng)家肥發(fā)酵菌腐熟劑）處理組的顏色變化速度最快，在第49 天時秸稈變成黑褐色，其次為未處理組T1，在第56 天變?yōu)楹诤稚缓鬄門3（金秸稈腐熟劑）為第63 天，T2（優(yōu)菌康有機肥發(fā)酵劑）處理組顏色變化速度最慢，在第72 天變?yōu)楹诤稚@說明不同腐熟劑由于其中微生物含量的不同，對玉米秸稈的影響也不同。從整個顏色變化過程來看，T4 處理組的秸稈腐熟速度最快，T2 和T3 處理組對秸稈腐熟過程的促進作用不明顯。

表1 不同腐熟劑對秸稈腐熟過程中顏色的影響Table 1 Effect of different decomposing agents on the color of stalk during decomposing

2.2.2 不同腐熟劑對秸稈腐熟過程中氣味的影響

不同腐熟劑對玉米秸稈腐熟過程中氣味的影響如表2 所示。從表中可以看出，3 種腐熟劑中，T4 處理組的氣味消散速度最快，在第35 天時秸稈已經(jīng)沒有氣味；其次為T3 處理組，在第49 天沒有氣味；然后為對照組T1 在第56 天；T2 處理組氣味變化速度最慢，在第72 天氣味消散完。從整個氣味消散過程來看，T4 處理組的秸稈腐熟速度最快，其次為T3 處理組，整體看T2、T1 處理組對秸稈腐熟過程的促進作用不明顯。

表2 不同腐熟劑對秸稈腐熟過程中氣味的影響Table 2 Effect of different decomposing agents on the odor during the decomposing process of stalk

2.2.3 不同腐熟劑對秸稈腐熟過程中硬度的影響

不同腐熟劑對玉米秸稈腐熟過程中硬度的影響如表3 所示。從表中可以看出，3 種腐熟劑中，T4 處理組、T1對照組和T2 處理組硬度下降的速度較快，在第35 天時秸稈已經(jīng)完全變軟，T3 處理組的速度最慢，在第56 天時完全變軟。從整個實驗過程來看，T4 處理組腐爛速度最快，在第56 天時完全腐爛，其余3 組均在第63 天完全腐爛。從整個硬度變化過程來看，T4 處理組的秸稈腐熟速度最快，T3 處理組對秸稈腐熟過程的促進作用不明顯。

表3 不同腐熟劑對秸稈腐熟過程中硬度的影響Table 3 Effectof different decomposing agents on the hardness of stalk during maturation

2.2.4 不同腐熟劑對秸稈腐熟過程中體積的影響

不同腐熟劑對玉米秸稈腐熟過程中體積的影響如表4 所示。從表中可以看出，在整個過程中，T4 處理組秸稈體積下降速度最快，體積變化最大，在第72 天時下降了45.0%，T2 處理組和T3 處理組下降速度和體積變化都較為相似（P＜0.05），T3 處理組下降了28.3%，T2 處理組下降了26.7%，對照組T1 的體積變化最小，在第72 天時僅下降了18.3%。從體積變化來看，T4 組的腐熟劑對秸稈腐熟過程中體積變化的影響最明顯，其次為T3、T2處理組。

表4 不同腐熟劑對秸稈腐熟過程中體積的影響Table 4 Effect of different decomposing agents on the volume of stalk during decomposing

2.3 不同腐熟劑對秸稈腐熟過程中養(yǎng)分釋放的影響

不同腐熟劑對玉米秸稈腐熟過程中秸稈養(yǎng)分釋放的影響如表5 所示。由表可以看出，在秸稈腐熟完全后，整體上土壤pH 呈現(xiàn)出弱堿性，特別是T3 處理組，腐熟后pH 值可達(dá)到9.23，對照組pH 值8.93，也呈現(xiàn)弱堿性。與對照組相比，T4 處理組對秸稈腐熟中全氮、全磷和有機質(zhì)的釋放有明顯的促進作用，對照組的全氮、全磷、有機質(zhì)釋放量分別為13.8 g/kg、9.0 g/kg、255.2 g/kg，而T4處理組的全氮、全磷及有機質(zhì)釋放量達(dá)到16.1 g/kg、9.3 g/kg、292.0 g/kg，明顯高于對照組。表5 還顯示T2 和T3 處理組抑制了全氮和全磷的釋放。從全鉀的釋放量來看，T4 和T3、T2 三個處理均有促進作用，其中T4 的促進作用最為明顯，釋放量達(dá)到28.0 g/kg，T3、T2 也分別達(dá)到了22.2 g/kg 和21.5 g/kg，均高于對照組（20.4 g/kg）。

表5 不同腐熟劑對秸稈腐熟過程中養(yǎng)分釋放的影響Table 5 The effect of different decomposing agents on the nutrient release of stalk during maturation

碳氮比是指物質(zhì)中碳元素、氮元素的含量比值。土壤淺層（上部15 cm）有機質(zhì)碳氮比一般在8∶1 到15∶1，中間值為10∶1 到12∶1。若養(yǎng)分中碳氮比過高或過低，都會影響植物的生長[10]。在秸稈腐熟完成后，四個處理組的碳氮比均位于中間值，與土壤耕層碳氮比的中間值接近，非常適合還田。在本次的4 個處理組中，與對照組（4.3%）相比，T4 的總養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到了5.3%，說明T4處理組中施用的腐熟劑對于秸稈腐熟過程中養(yǎng)分的釋放有極大的促進；而T3、T2 的總養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.2%，均低于對照組，說明T2、T3 處理組中所使用的腐熟劑并不適用于試驗地玉米秸稈腐熟。

2.4 不同腐熟劑腐熟物料對種子發(fā)芽指數(shù)的影響

發(fā)芽指數(shù)是種子的活性指標(biāo)，發(fā)芽指數(shù)越高，活性越高。目前，種子發(fā)芽試驗被認(rèn)為是評價堆肥產(chǎn)品無害最有說服力的方法[10]。種子萌發(fā)指數(shù)綜合反映堆肥的藥害，是堆肥物料腐熟度最具代表性的評價指標(biāo)。一般情況下，如果發(fā)芽指數(shù)大于50%，就可以認(rèn)為堆肥對種子基本無毒，在80%～85%之間則說明物料已完全腐熟。考慮到堆肥腐熟度的實用意義，植物生長試驗應(yīng)是評價堆肥腐熟度的最終和最具說服力的方法[11]。從表6 中可以看出，4個處理中T2 和T4 的GI較高，均達(dá)到95%以上，完全滿足了秸稈還田的腐熟程度，但結(jié)合養(yǎng)分釋放率等試驗結(jié)果來看，最適宜用于玉米秸稈的腐熟劑為T4 處理組；T1和T3 的種子發(fā)芽指數(shù)GI小于50%，說明玉米秸稈的腐熟程度不足以達(dá)到還田的程度。

表6 玉米秸稈腐熟物料對種子發(fā)芽的影響Table 6 Effects of corn stalk decomposed materials on seed germination

3 結(jié)論

秸稈腐熟過程中，會利用微生物的分解代謝作用將秸稈中的纖維素等不易吸收成分轉(zhuǎn)化為簡單化合物，使秸稈腐爛、降解，進而增加土壤肥力。微生物分解代謝是一個分解、代謝、增殖等綜合作用過程[12-14]，是指在微生物的作用下經(jīng)歷氧化、放熱和酶促降解過程，降解結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大分子；在合成代謝中，微生物利用分解代謝中釋放的養(yǎng)分和能量產(chǎn)生還原吸熱和酶合成過程，使微生物得以生長和增殖，溫度、氣味、硬度會不斷變化。另外，相關(guān)研究顯示，秸稈還田使用腐熟劑后，土壤中養(yǎng)分含量及土壤孔隙度提高，土壤容重降低，對于后來播種的作物有明顯的增產(chǎn)效果[15-17]。總養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于等于5.0 為優(yōu)良的肥料。

本文研究不同的腐熟劑對秸稈的腐熟、養(yǎng)分釋放的作用，結(jié)果表明，不同的秸稈腐熟劑對玉米秸稈的腐熟的作用不同。從4 個處理對于玉米秸稈腐熟過程的作用來看，效果最好的為T4 處理組的腐熟劑，在促進秸稈腐熟速度及養(yǎng)分釋放量及釋放率等方面比其他兩種腐熟劑優(yōu)勢更明顯。T2、T3 處理組對于本試驗中的玉米秸稈腐熟作用效果不好，甚至在全氮、全磷釋放中起到抑制作用。另外，結(jié)合種子發(fā)芽指數(shù)的測定結(jié)果，T3 處理組腐熟程度不達(dá)標(biāo)，T2 和T4 的腐熟程度達(dá)標(biāo)，但T4 的氮磷鉀等養(yǎng)分釋放率要明顯優(yōu)于T3 處理組，因此，本次實驗的3 種腐熟劑中以農(nóng)家肥發(fā)酵菌為最優(yōu)選。

在秸稈腐熟過程中，影響因素有很多，秸稈的種類、數(shù)量、還田的方式、微生物活性及田間管理措施等也都是腐熟過程中的影響因素。今后應(yīng)綜合考慮各種因素，設(shè)置更多的對照實驗，以探求最為有效的秸稈腐熟劑及秸稈腐熟最佳效果。