不同腐熟剂对玉米秸秆腐熟的作用

唐彩梅，张小静，杨 洁，杨建禄，张建祥，袁安明

（定西市农业科学研究院，甘肃定西 743000）

秸秆是农产品收获后闲置的副产品，我国是粮食大国，各种秸秆种类多、数量大[1]。目前，大部分秸秆来自玉米、水稻和小麦。据统计，2014 年我国秸秆总量约为8 亿t，利用秸秆还田已成为世界各国关注的重要问题[2-4]。农作物秸秆含有氮、磷、钾及微量元素等营养成分，是一种可持续的生物资源。秸秆还田可以增加土壤有机质含量，是促进农业生态系统良性循环的重要措施之一。但在自然状态下，秸秆的降解速度相对较慢[5-7]；模拟作物秸秆还田，可以探索秸秆腐解及养分释放过程，了解秸秆腐熟过程中的腐熟速度及养分释放规律，从而对秸秆还田后施肥等田间管理提供数据支持。鉴于此，本研究采用堆腐法通过研究高温好氧发酵过程，分析了秸秆的腐解速率及有机碳、氮、磷、钾等养分释放特征，了解秸秆腐熟物料对种子发芽率的影响，检验玉米秸秆腐熟后是否达到还田标准，以期为合理选用腐熟剂及对秸秆进行综合利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

腐熟作物材料和发芽率所使用的玉米种子为甘肃金源种业股份有限公司生产的‘甘甜糯2 号’玉米秸秆。

辅料：尿素，郑州金峰达化工产品有限公司。秸秆腐熟微生物菌剂：优菌康有机肥发酵剂（长沙泰莱生物科技有限公司）、金秸秆腐熟剂（北京康源绿洲生物科技有限公司）、农家肥发酵菌（山东渃杰生物科技有限公司）。

1.2 试验仪器

TOC 分析仪，Multi N/C 2100S，德国耶拿分析仪器股份公司；SKALAR 间隔流动分析仪，荷兰SKALAR 公司；火焰分光光度计，型号为FP6410，上海精密科学仪器有限公司；紫外分光光度计，型号为UV762，上海精密科学仪器有限公司；雷磁pH 计，上海精密科学仪器有限公司。

1.3 试验处理

试验共设置四个处理组；T1：对照组，玉米秸秆不加腐熟剂；T2：玉米秸秆加优菌康有机肥发酵剂；T3：玉米秸秆加金秸秆腐熟剂；T4：玉米秸秆加农家肥发酵菌。

将玉米秸秆收集、晾晒、挑拣后粉碎至3～5 cm，调节水分含量在60%左右，用手捏紧物料指缝有水但不流出为宜，堆料按照C/N=25∶1 的比例添加辅料尿素，翻混均匀，分成4 等份，在不同处理中添加相应秸秆腐熟剂，秸秆腐熟剂按使用说明推荐量添加（秸秆腐熟剂与秸秆质量比T2 为1/50 000、T3 为1/25 000、T4 为1/4 000），物料混合均匀后堆制成2.0 m 宽、1.5～2 m 高、长度不限的长条堆，堆制成功后开始高温好氧堆肥。

1.4 测定指标与方法

堆料温度初始每天测试，18 d 后每3～4 d 测量1次，每次取3 个重复；颜色、气味、软化程度每7 d 测量1次，每次取3 个重复；玉米秸秆腐熟物体积约每个月测量一次，每次取3 个重复；全氮、全钾、全磷、有机质、pH、碳氮比、总养分质量分数和种子发芽指数（GI）在试验结束时测量，每次均取3 个重复。

有机质用重铬酸钾外加热法测定；全氮采用SKALAR 间隔流动分析仪测定；全磷用钼锑抗比色法测定；全钾用火焰分光光度计测定；pH 值使用pH 计测定；总养分质量分数以烘干基计算氮、五氧化二磷、氧化钾的质量分数。总养分质量分数计算公式见式（1）。

式中，Δω为总养分质量分数，%；ω1为氮质量分数，%；ω2为五氧化二磷质量分数，%；ω3为氧化钾质量分数，%。

种子发芽指数采用发芽率、根长法进行测定，分别用秸秆腐熟浸提液和蒸馏水培养玉米种子，测定发芽率和根长，计算出种子发芽指数[8]。种子发芽指数、发芽率计算公式见式（2）（3）。

式中，GI为种子发芽指数，%；A为堆肥浸提液的种子发芽率，%；B为蒸馏水的种子发芽率%；l1为种子根长，mm；l0为种子根长，mm。

式中，GE为发芽率，%；AC为总发芽数；At为参与发芽的种子的总数。

1.5 数据分析

试验数据采用Excel 2007 和SPSS 17.0 软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同腐熟剂对秸秆腐熟过程中温度的影响

玉米秸秆腐熟过程中温度的变化如图1（见下页）所示，从图中可以看出，在前5 d 的时间内，4 个处理组的温度均快速上升，5～28 d 时，温度整体维持在一个较高的水平，从第32 天开始，温度急剧下降，其中T4 处理组的温度下降最为迅速，温度反映了微生物活动的活跃程度，可见T4 处理组中的微生物活动最为迅速，同时T4 处理组微生物活动下降的时间也最快，说明T4 组所用的腐熟剂可以缩短玉米秸秆降解所用的时间。T2、T3 处理组在前期温度高于对照组T1，但在第35 天后温度变化减慢。总体上来看，T4 处理组对玉米秸秆腐熟的促进作用最为明显。

图1 不同腐熟剂对秸秆腐熟过程中温度的影响Fig.1 The influence of different decomposing agents on the temperature during the decomposing process of stalk

2.2 不同腐熟剂对秸秆腐熟过程的影响

2.2.1 不同腐熟剂对腐熟过程中秸秆颜色的影响

一般来说，秸秆腐熟越充分颜色越深，从微黄色变为黑褐色，颜色变化可以反映出秸秆的腐熟程度[9]。玉米秸秆腐熟过程中不同腐熟剂对颜色的影响如表1 所示。从表中可以看出，3 种腐熟剂中，T4（农家肥发酵菌腐熟剂）处理组的颜色变化速度最快，在第49 天时秸秆变成黑褐色，其次为未处理组T1，在第56 天变为黑褐色，然后为T3（金秸秆腐熟剂）为第63 天，T2（优菌康有机肥发酵剂）处理组颜色变化速度最慢，在第72 天变为黑褐色，这说明不同腐熟剂由于其中微生物含量的不同，对玉米秸秆的影响也不同。从整个颜色变化过程来看，T4 处理组的秸秆腐熟速度最快，T2 和T3 处理组对秸秆腐熟过程的促进作用不明显。

表1 不同腐熟剂对秸秆腐熟过程中颜色的影响Table 1 Effect of different decomposing agents on the color of stalk during decomposing

2.2.2 不同腐熟剂对秸秆腐熟过程中气味的影响

不同腐熟剂对玉米秸秆腐熟过程中气味的影响如表2 所示。从表中可以看出，3 种腐熟剂中，T4 处理组的气味消散速度最快，在第35 天时秸秆已经没有气味；其次为T3 处理组，在第49 天没有气味；然后为对照组T1 在第56 天；T2 处理组气味变化速度最慢，在第72 天气味消散完。从整个气味消散过程来看，T4 处理组的秸秆腐熟速度最快，其次为T3 处理组，整体看T2、T1 处理组对秸秆腐熟过程的促进作用不明显。

表2 不同腐熟剂对秸秆腐熟过程中气味的影响Table 2 Effect of different decomposing agents on the odor during the decomposing process of stalk

2.2.3 不同腐熟剂对秸秆腐熟过程中硬度的影响

不同腐熟剂对玉米秸秆腐熟过程中硬度的影响如表3 所示。从表中可以看出，3 种腐熟剂中，T4 处理组、T1对照组和T2 处理组硬度下降的速度较快，在第35 天时秸秆已经完全变软，T3 处理组的速度最慢，在第56 天时完全变软。从整个实验过程来看，T4 处理组腐烂速度最快，在第56 天时完全腐烂，其余3 组均在第63 天完全腐烂。从整个硬度变化过程来看，T4 处理组的秸秆腐熟速度最快，T3 处理组对秸秆腐熟过程的促进作用不明显。

表3 不同腐熟剂对秸秆腐熟过程中硬度的影响Table 3 Effectof different decomposing agents on the hardness of stalk during maturation

2.2.4 不同腐熟剂对秸秆腐熟过程中体积的影响

不同腐熟剂对玉米秸秆腐熟过程中体积的影响如表4 所示。从表中可以看出，在整个过程中，T4 处理组秸秆体积下降速度最快，体积变化最大，在第72 天时下降了45.0%，T2 处理组和T3 处理组下降速度和体积变化都较为相似（P＜0.05），T3 处理组下降了28.3%，T2 处理组下降了26.7%，对照组T1 的体积变化最小，在第72 天时仅下降了18.3%。从体积变化来看，T4 组的腐熟剂对秸秆腐熟过程中体积变化的影响最明显，其次为T3、T2处理组。

表4 不同腐熟剂对秸秆腐熟过程中体积的影响Table 4 Effect of different decomposing agents on the volume of stalk during decomposing

2.3 不同腐熟剂对秸秆腐熟过程中养分释放的影响

不同腐熟剂对玉米秸秆腐熟过程中秸秆养分释放的影响如表5 所示。由表可以看出，在秸秆腐熟完全后，整体上土壤pH 呈现出弱碱性，特别是T3 处理组，腐熟后pH 值可达到9.23，对照组pH 值8.93，也呈现弱碱性。与对照组相比，T4 处理组对秸秆腐熟中全氮、全磷和有机质的释放有明显的促进作用，对照组的全氮、全磷、有机质释放量分别为13.8 g/kg、9.0 g/kg、255.2 g/kg，而T4处理组的全氮、全磷及有机质释放量达到16.1 g/kg、9.3 g/kg、292.0 g/kg，明显高于对照组。表5 还显示T2 和T3 处理组抑制了全氮和全磷的释放。从全钾的释放量来看，T4 和T3、T2 三个处理均有促进作用，其中T4 的促进作用最为明显，释放量达到28.0 g/kg，T3、T2 也分别达到了22.2 g/kg 和21.5 g/kg，均高于对照组（20.4 g/kg）。

表5 不同腐熟剂对秸秆腐熟过程中养分释放的影响Table 5 The effect of different decomposing agents on the nutrient release of stalk during maturation

碳氮比是指物质中碳元素、氮元素的含量比值。土壤浅层（上部15 cm）有机质碳氮比一般在8∶1 到15∶1，中间值为10∶1 到12∶1。若养分中碳氮比过高或过低，都会影响植物的生长[10]。在秸秆腐熟完成后，四个处理组的碳氮比均位于中间值，与土壤耕层碳氮比的中间值接近，非常适合还田。在本次的4 个处理组中，与对照组（4.3%）相比，T4 的总养分质量分数达到了5.3%，说明T4处理组中施用的腐熟剂对于秸秆腐熟过程中养分的释放有极大的促进；而T3、T2 的总养分质量分数为4.2%，均低于对照组，说明T2、T3 处理组中所使用的腐熟剂并不适用于试验地玉米秸秆腐熟。

2.4 不同腐熟剂腐熟物料对种子发芽指数的影响

发芽指数是种子的活性指标，发芽指数越高，活性越高。目前，种子发芽试验被认为是评价堆肥产品无害最有说服力的方法[10]。种子萌发指数综合反映堆肥的药害，是堆肥物料腐熟度最具代表性的评价指标。一般情况下，如果发芽指数大于50%，就可以认为堆肥对种子基本无毒，在80%～85%之间则说明物料已完全腐熟。考虑到堆肥腐熟度的实用意义，植物生长试验应是评价堆肥腐熟度的最终和最具说服力的方法[11]。从表6 中可以看出，4个处理中T2 和T4 的GI较高，均达到95%以上，完全满足了秸秆还田的腐熟程度，但结合养分释放率等试验结果来看，最适宜用于玉米秸秆的腐熟剂为T4 处理组；T1和T3 的种子发芽指数GI小于50%，说明玉米秸秆的腐熟程度不足以达到还田的程度。

表6 玉米秸秆腐熟物料对种子发芽的影响Table 6 Effects of corn stalk decomposed materials on seed germination

3 结论

秸秆腐熟过程中，会利用微生物的分解代谢作用将秸秆中的纤维素等不易吸收成分转化为简单化合物，使秸秆腐烂、降解，进而增加土壤肥力。微生物分解代谢是一个分解、代谢、增殖等综合作用过程[12-14]，是指在微生物的作用下经历氧化、放热和酶促降解过程，降解结构复杂的大分子；在合成代谢中，微生物利用分解代谢中释放的养分和能量产生还原吸热和酶合成过程，使微生物得以生长和增殖，温度、气味、硬度会不断变化。另外，相关研究显示，秸秆还田使用腐熟剂后，土壤中养分含量及土壤孔隙度提高，土壤容重降低，对于后来播种的作物有明显的增产效果[15-17]。总养分质量分数大于等于5.0 为优良的肥料。

本文研究不同的腐熟剂对秸秆的腐熟、养分释放的作用，结果表明，不同的秸秆腐熟剂对玉米秸秆的腐熟的作用不同。从4 个处理对于玉米秸秆腐熟过程的作用来看，效果最好的为T4 处理组的腐熟剂，在促进秸秆腐熟速度及养分释放量及释放率等方面比其他两种腐熟剂优势更明显。T2、T3 处理组对于本试验中的玉米秸秆腐熟作用效果不好，甚至在全氮、全磷释放中起到抑制作用。另外，结合种子发芽指数的测定结果，T3 处理组腐熟程度不达标，T2 和T4 的腐熟程度达标，但T4 的氮磷钾等养分释放率要明显优于T3 处理组，因此，本次实验的3 种腐熟剂中以农家肥发酵菌为最优选。

在秸秆腐熟过程中，影响因素有很多，秸秆的种类、数量、还田的方式、微生物活性及田间管理措施等也都是腐熟过程中的影响因素。今后应综合考虑各种因素，设置更多的对照实验，以探求最为有效的秸秆腐熟剂及秸秆腐熟最佳效果。