低溫復合菌系HT20對冀東稻區秸稈腐解及土壤養分動態變化的影響

孫建平 趙子婧 戴相林 路垚 何宗均 劉雅輝*

（1河北省農林科學院 濱海農業研究所，河北 唐山 063299；2天津市農業科學院，天津 300000；第一作者：bhssjp@163.com；*通訊作者：bhslyh@126.com）

農作物秸稈作為農業生產中的主要副產品，具有豐富的大量、中量、微量營養元素，及纖維素、半纖維素、木質素和蛋白質等有機物質，是一種可資源化利用的固體廢棄物。秸稈直接還田作為一種重要的農藝措施[1]，在作物增產提質[2-3]、土壤培肥[4-5]，提高土壤酶活性和微生物活性[6-7]等方面發揮著重要作用。我國水稻秸稈還田目前主要集中在安徽、福建、云南、江西、江蘇、廣東等光熱水資源豐富的稻區[8-10]，河北、吉林、遼寧、黑龍江等單季稻區由于水稻收獲后即將進入冬季封凍期，土壤溫度低，秸稈直接還田分解速度緩慢，操作不當會影響春季稻田墑情、播種、插秧質量及水稻產量[11]。冀東稻區是河北省水稻主產區，年產秸稈數量大，但是由于溫度低，秸稈還田后不易腐解，限制了秸稈還田的推廣應用，因此，加快還田秸稈腐解進程是該區域亟待解決的問題。

低溫秸稈降解菌具有在低溫環境中分解纖維素的優勢，不僅能夠降低微生物菌劑對較高溫度的依賴，也節省了微生物在培養過程中對熱量的消耗[12]。國內外學者對低溫菌進行了一些研究。田中真紀夫[13]和LEE等[14]分別在冬季枯死的植物和南極淡水中分離出嗜冷菌，印度科學家BAJAJ等[15]發現，耐低溫菌能夠在低溫環境中降解有機污染物。張鑫等[16]以玉米秸稈為碳源篩選獲得的復合菌系M44在低溫（15℃）條件下具有高效降解玉米秸稈的能力。關法春等[17]以青藏高原極端環境下的微生物為主，制成耐低溫生物菌劑，應用于冬季稻田內水稻秸稈的原位發酵，效果明顯。本課題組針對冀東稻區溫度及土壤特點，自主研發了一種低溫復合菌系HT20，并研究了在其作用下水稻秸稈的腐解因素[18]。為進一步明確HT20作用下還田秸稈的腐解特征及水稻產量效應，本試驗以HT20為研究對象，以商品腐熟劑和秸稈直接還田作為對照，采用尼龍網袋填埋法探索水稻全生育期內稻稈腐解、養分釋放、土壤肥力等動態變化特征，多角度、多方面對HT20的效用進行評估，以期為HT20在田間應用及北方稻區秸稈還田提供理論依據和科學指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

盆栽試驗于2019年11月至2020年10月在河北省農林科學院濱海農業綜合試驗站（39°17′40″N、118°27′22″E）進行，試驗站海拔2.5 m，屬暖溫帶半濕潤季風性氣候，年日照時數2 393～2 862 h，年均氣溫11.4℃，積溫4 598.3℃，無霜期189～220 d，年降水量635.9 mm（集中在7—8月份）。種植模式是單季稻。土壤類型為鹽漬型濱海粘壤土，耕層土壤基本理化性質：有機質8.54 g/kg，堿解氮30.56 mg/kg，有效磷19.90 mg/kg，速效鉀227.71 mg/kg，pH值7.65。

1.2 試驗材料

以常規粳稻品種濱稻18秸稈為供試材料。秸稈養分含量如下：全氮0.68%、全磷0.13%、全鉀1.34%，C/N=67。供試低溫復合菌系HT20由天津市農業科學院提供；農富康購自農富康生物科技有限公司。試驗中所用肥料購于當地農資市場。

1.3 試驗設計

本研究采用隨機區組設計，設置3個處理：CK，秸稈還田，不施任何處理劑；JF，秸稈還田配施農富康；JH，秸稈還田配施HT20。盆栽試驗位于微區內，每個微區面積7.2 m2（6 m×2 m×0.6 m），將塑料桶置于微區內，每個微區擺放24個塑料桶，桶四周及底部扎孔保證土壤透氣與水分流出，桶與桶之間的縫隙用土填滿，每個處理安排在一個微區中，防止微區之間竄水竄肥和菌劑污染，每個處理5次重復。試驗采用尼龍網袋填埋法，將秸稈粉碎成長約5 cm后裝入尼龍網袋中，尼龍網袋規格為50 cm×45 cm、孔徑0.178 mm。每袋裝秸稈262 g（按10 500 kg/hm2秸稈全量還田計算）。各處理于2019年11月25日施入土壤深耕，2020年5月28日移栽水稻秧苗，每盆5叢，每叢5株。各處理施肥、鋤草、灌溉、病蟲害防治等生產管理按當地習慣進行。2020年10月10收獲水稻。

1.4 測定項目及方法

分別于水稻移栽期（2020年5月28日）、分蘗期（2020年6月15日）、拔節期（2020年6月28日）、孕穗期（2020年7月25日）、抽穗期（2020年8月5日）、乳熟期（2020年8月20日）和成熟期（2020年10月8日）破壞性采集秸稈腐解樣品和土壤樣品。每次各取5盆，秸稈腐解樣品于65℃下烘干至恒質量，計算水稻秸稈殘留率，磨細過0.25 mm篩測定秸稈養分含量；土壤樣品風干過篩測定土壤養分含量。各處理隨機標記3盆用于水稻考種。

采用H2SO4-H2O2消煮，凱氏定氮儀測定秸稈全氮含量；采用鉬銻鈧比色法測定秸稈全磷含量；采用1M NH4OAc浸提，原子吸收分光光度計測定秸稈全鉀含量[15]。采用重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機質含量；采用堿解擴散法測定土壤堿解氮含量；采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定土壤速效磷含量；采用原子吸收分光光度計法測定土壤速效鉀含量；采用PHSJ-4A型pH計測定土壤pH（水土比=5∶1）；采用DDSJ-308F電導率儀測定土壤電導率（EC）[19]。移栽后每個處理選擇5盆生長均勻的稻株進行標記，每7 d觀察記載1次水稻分蘗情況。水稻成熟后，每個處理取5盆稻株，調查有效穗數，考察單株性狀，脫粒，測定千粒重，實測水稻產量。

1.5 數據處理

試驗數據采用Microsoft Excel 2010軟件進行整理和作圖，采用SPSS 19.0軟件進行單因素方差分析（P＜0.05）。

質量殘留率（%）=Mt/M0，式中M0為秸稈腐解前的初始質量，Mt為分解t時秸稈腐解后剩余質量[16]。養分殘留率（%）=（Dt×Mt）/（D0×M0），式中M0為秸稈腐解前的初始質量，Mt為分解t時秸稈腐解后剩余質量，D0為初始秸稈的養分含量，Dt為t時秸稈養分含量[20]。

2 結果與分析

2.1 水稻秸稈質量殘留率變化

由圖1和表1可以看出，各處理秸稈質量殘留率均隨秸稈腐解時間的延長而下降，且表現出前期腐解快，后期逐漸緩慢的特征，不同處理間差異顯著。與JF處理和CK相比，JH處理秸稈質量殘留率在水稻移栽期分別低10.13%和24.08%；移栽期至抽穗期為秸稈腐解緩慢期，秸稈質量殘留率分別低4.68%～11.31%和9.01%～12.47%；抽穗期至成熟期為腐解停滯期，秸稈質量殘留率分別低5.13%～5.55%和10.57%～10.67%。可見，施用HT20能夠加速還田秸稈的腐解進程，使秸稈快速腐解期提前至水稻移栽前，移栽后進入秸稈緩慢腐解期，而對照的秸稈快速腐解期一直持續到拔節期。與CK和JF處理相比，從生育期具體時間來算，施用HT20可使秸稈提前45～60 d進入腐解緩慢期，降低了由于秸稈快速腐解產生有害氣體對秧苗生長的危害，減少了腐解過程中微生物與水稻爭奪養分的影響。

圖1 不同處理水稻秸稈腐解質量殘留特征

表1 水稻不同時期秸稈腐解質量殘留特征單因素方差分析

2.2 水稻秸稈氮素殘留變化

從圖2和表2可見，不同處理間秸稈氮素殘留率變化趨勢不同，處理間差異顯著。CK總體上隨生育期的推進表現出緩慢下降的趨勢，沒有明顯拐點，與其秸稈腐解規律一致，即隨著秸稈腐解而逐步釋放氮素；JH和JF處理隨生育期推進表現出快速下降然后再上升之后緩慢下降的趨勢。JH處理拐點出現在孕穗期，JF處理拐點出現在抽穗期。拔節期時，JH處理氮素釋放率為53.45%，折合氮量為38.10 kg/hm2；JF處理氮素釋放率為37.8%，折合氮量為27.00 kg/hm2；CK氮素釋放率為26.90%，折合氮量為19.20 kg/hm2；與JF處理和CK相比，JH處理氮素殘留率低15.56%～24.94%和26.54%～36.31%。成熟期時，JH處理氮素殘留率為79.11%，折合氮量為56.4 kg/hm2；JF處理氮素殘留率為59.94%，折合氮量為42.75 kg/hm2；CK氮素殘留率為61.92%，折合氮量為44.10 kg/hm2；說明JH處理在水稻關鍵生育期（分蘗、拔節和乳熟期）快速釋放氮，在孕穗期和成熟期吸收多余的土壤氮，減少了氮的流失。

表2 不同時期水稻秸稈腐解氮素殘留特征單因素方差分析

圖2 不同處理水稻秸稈腐解氮素殘留特征

2.3 水稻秸稈殘留磷素變化

從圖3可見，隨著秸稈腐解時間的延長，水稻秸稈中磷素殘留變化整體呈現先下降后上升再下降的趨勢。JH處理在移栽前快速釋放磷元素，移栽后至拔節期緩慢釋放磷元素；JF處理和CK在分蘗期前快速釋放磷元素。在分蘗期各處理磷素釋放量達到最大，JH處理磷素釋放率為92.03.%，折合磷量為12.60 kg/hm2；JF處理磷素釋放率82.36%，折合磷量為11.25 kg/hm2；CK磷素釋放率80.75%，折合磷量為10.95 kg/hm2。隨后秸稈磷殘留率逐漸增加，至成熟期時，JH處理磷素殘留率70.20%，折合磷量為9.60 kg/hm2；JF處理磷素殘留率22.10%，折合磷量為3.00 kg/hm2；CK磷素殘留率41.24%，折合磷量為5.70 kg/hm2，呈現了負增長現象，JH處理與CK差異不顯著（表3）。說明移栽后因溫度上升，微生物活動活躍，腐熟劑對磷的釋放快慢效果不明顯，但是秸稈還田可以減少土壤磷素流失。

圖3 不同處理水稻秸稈腐解磷素殘留特征

表3 不同時期水稻秸稈腐解磷素殘留特征單因素方差分析

2.4 水稻秸稈殘留鉀素變化

從圖4可見，隨著腐解時間的增加，水稻秸稈中鉀素殘留率呈現驟然下降再緩慢上升的趨勢，至分蘗期秸稈鉀殘留率達到最低，從拔節期開始水稻秸稈鉀素殘留率緩慢回升。由表4可知，在移栽期、拔節期、孕穗期和成熟期JH處理與JF處理和CK相比差異顯著。表明秸稈中鉀素的快速釋放與秸稈腐解程度無關，添加腐熟劑對秸稈鉀素殘留率的釋放效果不顯著。

表4 不同時期水稻秸稈腐解鉀素殘留特征單因素方差分析

圖4 不同處理水稻秸稈腐解過程中鉀素殘留特征

2.5 秸稈還田對土壤養分的影響

從圖5和表5可見，不同處理土壤堿解氮和速效磷隨生育期上下變動幅度不大。JH處理土壤堿解氮含量在拔節期最高，與JF處理和CK相比，增加了22.73%，差異顯著；JH處理速效磷在拔節期和抽穗期含量較高，分別較JF處理和CK增加45.01%～65.80%和138.14%～195.62%，差異顯著；JH處理速效鉀含量分別較JF處理和CK增加7.64%～168.87%和29.34%～179.30%，差異顯著。說明秸稈配施HT20可以增加不同生育期的土壤養分供應量。

表5 不同時期土壤養分指標的單因素方差分析

圖5 不同處理土壤養分變化

2.6 秸稈還田對水稻分蘗及產量結構的影響

水稻莖蘗數呈拋物線變化的趨勢，在7月1日達到分蘗最高峰。如表6顯示，在水稻分蘗高峰階段，JH處理分蘗數顯著高于CK和JF處理14.10%～16.57%，說明施用HT20后促進了水稻的分蘗，這可能與秸稈快速腐解期提前至移栽前有關。各處理成穗率、千粒重和產量存在顯著差異，與JF處理和CK相比，JH處理成穗率分別增加9.39%和20.0%，千粒重分別增加11.95%和25.44%，產量分別增加11.25%和17.11%。說明秸稈還田配施HT20可以增加水稻產量。

表6 水稻分蘗及產量結構的變化

3 討論與結論

秸稈直接還田經微生物作用可以將秸稈纖維素、半纖維素、木質素等轉化為土壤可利用資源[21]。土壤微生物是參與秸稈降解、轉化和利用過程的重要驅動因素，特別是秸稈還田在短時間內大量植物殘渣歸還于土壤的同時還可能通過改變土壤微環境，從而對秸稈腐解產生較大的影響[22-24]。本研究結果顯示，與秸稈配施農富康和秸稈直接還田相比，秸稈配施低溫復合菌系HT20可以加速秸稈腐解（移栽前可腐解33.17%），秸稈腐解率提高10.54%～264.88%。這可能有兩方面的原因，一方面是冀東濱海地區水稻收獲至移栽前月均氣溫為11.4℃，而HT20啟動溫度為5℃[18]，農富康最適合溫度為20℃左右；另一方面HT20是從當地長期秸稈堆制土和秸稈還田土壤中篩選分離得到，相比于農富康，HT20更適應當地氣候條件和菌群互作關系，進而充分發揮腐解功能。秸稈還田配施HT20，氮釋放率為53.45%（折合氮量為38.10 kg/hm2），磷釋放率為92.03%（折合磷量為12.60 kg/hm2），鉀釋放率為90.00%左右。依據土壤化學性質可知，在分蘗期和拔節期顯著增加土壤堿解氮含量（22.73%），在拔節期和抽穗期顯著增加土壤速效磷含量（45.01%～195.62%）；在取樣生育期顯著增加土壤速效鉀含量（7.64%～179.30%）。結合表6可知，HT20提高了水稻千粒重和產量。說明HT20通過增加腐解微生物數量和種群，進一步提高秸稈腐解各類酶的活性，將秸稈中豐富的碳、氮、磷、鉀等營養元素轉化為土壤腐殖質[25]，補償作物的吸收，改善了土壤養分供應和作物需求之間的平衡，進而提高水稻產量[26-28]。秸稈中的氮磷鉀殘留率后期有回升的現象，可能是因為化肥的施入導致秸稈氮磷鉀質量殘留率反向增加，隨著水稻在后期需要營養形成稻谷，又逐漸被消耗掉。有研究表明，秸稈還田可以增加養分的吸持[29-30]。

綜上所述，冀東稻區秸稈還田配施低溫復合菌系HT20可加快秸稈腐解，促進秸稈養分釋放和土壤養分積累，更有利于增加水稻有效分蘗和水稻產量。本研究為水稻秸稈還田技術推廣、提高養分利用率及肥料減施方面奠定了理論基礎。今后可從胞外酶和分子水平繼續研究HT20對秸稈腐熟的作用機理。