半干旱区玉米秸秆快速腐解技术研究

时间：2024-05-23

刘方明　窦金刚　高玉山　孙云云　侯中华　刘慧涛

摘要：为完善半干旱区秸秆还田技术，构建适宜当地农业生产条件的秸秆还田快速腐解技术模式，采用尼龙网袋法研究秸秆腐解菌剂种类和尿素、有机肥用量对秸秆腐解率、腐解速率和玉米产量的影响。结果表明，秸秆还田配施尿素75 kg/hm2和有机肥45 t/hm2可显著提高秸秆腐解率和腐解速率（P<0.05），增加玉米产量（11.84%，P<0.05）;在5种秸秆腐解菌剂中，以吉林省农业科学院所制菌剂效果较好，能显著促进秸秆腐解（P<0.05），增加玉米产量（1.34%，P>0.05）。

关键词：玉米秸秆还田;快速腐解;腐解菌剂;尿素;有机肥;半干旱区

中图分类号：S141.4 文献标识码：A

文章编号：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

吉林省作为中国粮食主产区之一，每年秸秆产量约4 000万t[1]。秸秆还田作为肥沃耕层、改良土壤的一项重要措施，可以提高黑土地土壤有机质，提高作物产量[2，3]。吉林省西部属半干旱区，年降雨量较少而蒸发量较大[4];冬季气温较低，干旱尤为严重，秸秆腐解较慢。目前，研制和推广切实可行的玉米秸秆还田技术，解决黑土地土壤有机质下降问题以及秸秆焚烧导致的环境污染问题，是吉林省进行农业供给侧结构性改革的一项重要措施[5]。

秸秆还田中还田深度、还田量[6，7]、有机物物料组成[8]、气候和土壤条件[9-11]等均会影响秸秆腐解规律，为促进玉米秸秆腐解和养分释放，需要采取技术措施改变其自然腐解过程。目前关于秸秆还田后的腐解研究主要集中在外源添加物对腐解速率和养分释放的影响。前人研究结果表明，秸秆腐解菌剂、氮肥及有机肥具有促进秸秆腐解的作用[12-16]。赵金花等[3]对黄淮海平原激发式秸秆深还方式的还田效果研究发现，激发式秸秆深还明显提高土壤养分和冬小麦产量。但适宜东北半干旱区的秸秆快速腐解技术研究较少。本研究采用尼龙网袋法，研究秸秆腐解菌剂种类和尿素、有机肥用量对秸秆腐解规律和玉米产量的影响，深入研究秸秆腐解规律，初步构建快速腐解技术，为完善半干旱区秸秆还田技术模式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于吉林省松原市乾安县（123°21′16″—124°22′50″E，44°37′47″—45°18′08″N）。该地区为温带大陆性季风气候，年平均气温5.6 ℃，日照时间为2 866.6 h，≥10 ℃积温为2 884.5 ℃，平均无霜期为146 d，气候特点是干旱多风，降雨量在400 mm左右，平均蒸发量为1 500～1 900 mm。2018年1—11月降水量为436 mm（乾安县气象局统计）。土壤类型为黑钙土。

1.2 试验设计

试验于2018年5月21日在吉林省农业科学院乾安试验基地抗旱棚内进行。试验地面积600 m2，长50 m，宽12 m。设36个秸秆填埋小区，秸秆填埋小区面积4.25 m2，长8.5 m，宽0.5 m，深0.3 m。将收获后的风干玉米秸秆13 000 kg/hm2均匀铺撒在小区底部。各小区之间东西间隔70 cm，南北间隔100 cm，小区四周用厚的不透水塑料膜进行隔离。

试验采用尼龙网袋研究方法，网袋长20 cm×宽30 cm，网袋孔径100目。网袋装入秸秆后，铺设于小区底部。

1.2.1 尿素和有机肥用量对秸秆腐解的影响将72袋风干的全株秸秆样品（60 g/袋）铺入12个小区底部，6袋/区。在秸秆网袋上撒施中国农业科学院所研制菌剂后，再撒施尿素和有机肥（对照不施加）后填埋。施加尿素和有机肥用量设为4水平，随机区组排列，分别为处理1（N0F0，CK）、处理2（N1F1，尿素25 kg/hm2+有机肥15 t/hm2）、处理3（N2F2，尿素50 kg/hm2+有机肥30 t/hm2）;处理4（N3F3，尿素75 kg/hm2+有机肥45 t/hm2）。取样时间为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 秸秆腐解菌剂种类的筛选将144袋风干全株秸秆样品（60 g/袋）铺入24个小区底部，6袋/区。腐解菌剂筛选设6个处理，随机区组排列，分别为不施加腐解菌对照（CK）、菌剂S（吉林省农业科学院菌剂）、菌剂R（俄罗斯木霉）、菌剂C（中国农业科学院菌剂）、菌剂H（山东绿陇公司哈茨木霉）、菌剂F（山东绿陇公司有机肥发酵剂）。各菌剂撒施于秸秆网袋后加入75 kg/hm2尿素调节碳氮比后填埋。取样时间与尿素和有机肥用量试验相同，4次重复。

供试玉米品种为富民108，5月27日播种，底施磷酸二铵13 kg/hm2，硫酸钾7.2 kg/hm2。采用膜下滴灌施肥方式，水肥管理依据《半干旱区玉米水肥一体化技术规程DB22-T 2383—2015标准》。

1.3 试验指标与方法

玉米秸秆取样后样品经洗净、80 ℃烘干，利用失重法测定秸秆腐解率[17]。

秸秆腐解率=（M0-Mt）×100%M0 （1）

式中，M0为加入秸秆干重（g）;Mt为腐解时间为t时的秸秆干重（g）;t为腐解时间（d）。

秸秆腐解速率：v=Y×（A-B）÷（A×t）（2）

式中，v为秸秆腐解速率[g/（g·年）];Y为365（d/年）;A为阶段初始的秸秆质量（g）;B为阶段结束的秸秆质量（g）;t为腐解时间（d）。

玉米产量：子粒成熟期测产，每小区玉米全部测产，10个果穗称鲜重，并带回风干，风干后考种，折标准水（14%）计算单位面积产量。

1.4 数据分析

采用SPSS 19.0分析软件和 Excel 2007软件进行统计分析，采用LSD法进行多重比较。根据玉米秸秆质量残留量随时间变化关系作回归分析，采用指数方程y=b×e-kt拟合。式中，y为某时刻秸秆残留质量占初始质量的比例;b为秸秆的损失量;k为腐解速率常数，其数值大小表示秸秆腐解质量減少的快慢，t为腐解时间。

2 结果与分析

2.1 尿素和有机肥不同用量对玉米产量的影响

施加不同用量的尿素和有机肥用量对玉米产量的影响见图1。N0F0（CK）、N1F1（尿素25 kg/hm2+有机肥15 t/hm2）、N2F2（尿素50 kg/hm2+有机肥30 t/hm2）和N3F3（尿素75 kg/hm2+有机肥45 t/hm2）处理的玉米产量分别为8 698、9 015、9 581、9 728 kg/hm2，3个尿素和有机肥处理产量比N0F0（CK）分别提高了3.64%、10.15%和11.84%，尿素75 kg/hm2+有机肥45 t/hm2（N3F3）与对照差异显著（P<0.05）。

2.2 尿素和有机肥不同用量对秸秆腐解规律的影响

秸秆还田施加尿素和有机肥可影响秸秆腐解率，结果见图2。由图2可知，与N0F0（CK）相比，N3F3对秸秆的腐解率提高效果最优，提高了4.02%～16.80%，7月9日至9月11日与N0F0（CK）差异显著（P<0.05）;其次为N2F2和N1F1，秸秆腐解率分别提高了2.09%～12.12%和2.09%～12.02%，7月9日至9月11日与N0F0（CK）差异显著（P<0.05）。N3F3与N2F2、N1F1对秸秆的腐解率在试验初期（7月9日和7月24日）差异显著，后期差异不显著。这说明秸秆还田施入一定量的尿素和有机肥可以提高秸秆腐解量，较高量的尿素和有机肥效果明显。

从图2还可以看出，4个处理的秸秆腐解率变化趋势表现一致，均表现为随腐解时间的增加而增加，7月9日至9月11日各处理秸秆腐解率增加明显（P<0.01），而后期9月28日和10月16日秸秆腐解率随时间的推后而增速变缓。秸秆腐解规律表现出前期腐解多、后期腐解少的特点。

分析尿素和有机肥用量各处理的秸秆残留量（y）随秸秆腐解时间（t）的变化，利用指数方程进行拟合，得到CK、N1F1、N2F2、N3F3的指数方程分别为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），拟合度较高。

秸秆还田施加尿素和有机肥对秸秆腐解速率的影响见图3。与N0F0（CK）相比，N3F3对秸秆的腐解速率提高了0.06～0.48 g/（g·年），7月9日至9月11日显著高于CK（P<0.05）;N2F2和N1F1对秸秆的腐解速率分别提高了0.06～0.44 g/（g·年）和0.03～0.25 g/（g·年），7月9日至9月11日显著高于N0F0（CK）（P<0.05）。N3F3与N2F2、N1F1对秸秆的腐解速率前期（7月9日和7月24日）差异显著（P<0.05），后期（8月21日至10月16日）差异不显著（P>0.05）。这说明秸秆还田施入一定量的尿素和有机肥可以提高秸秆腐解速率，施入较高量的尿素和有机肥效果明显。

从图3可以看出，各处理秸秆腐解速率随腐解时间变化趋势表现一致，均随腐解时间增加而降低，前期（7月9日至8月21日）秸秆腐解较快（P<0.01），而后期（9月11日之后）秸秆腐解速率变慢。秸秆腐解规律表现出前期腐解较快、后期腐解较慢的特点。

2.3 秸秆腐解菌剂种类对玉米产量的影响

秸秆腐解菌剂对玉米产量的影响见图4。CK、菌剂S、菌剂R、菌剂C、菌剂H和菌剂F处理玉米产量分别为8 496、8 609、8 591、8 572、8 536、8 593 kg/hm2。秸秆腐解菌剂具有增加玉米产量的趋势，提高玉米产量0.47%～1.34%，但对玉米产量影响不显著（P>0.05）。

2.4 秸秆腐解菌剂种类对秸秆腐解规律的影响

施加秸秆腐解菌剂对秸秆腐解率产生影响，结果见图5。与CK相比，菌剂S（吉林省农业科学院）对秸秆的腐解率提高了4.07%～11.62%，7月24日至9月11日显著高于CK（P<0.05）;菌剂R（俄罗斯木霉）对秸秆的腐解率提高了0.08%～5.54%;菌剂C（中国农业科学院）对秸秆的腐解率提高了0.76%～6.14%，9月11日显著高于CK（P<0.05）;菌剂H（山东绿陇公司哈茨木霉）和菌剂F（有机肥发酵剂）对秸秆的腐解率影响不显著（P>0.05）。这说明吉林省农业科学院所制菌剂提高秸秆腐解率效果明显，其次为中国农业科学院所制菌剂。

各处理秸秆腐解率随时间变化趋势一致，均表现为随时间增加而明显增加，腐解时间对秸秆腐解率影响极显著（P<0.01）。

分析CK、菌剂S、菌剂R、菌剂C、菌剂H和菌剂F处理的秸秆残留量（y）随秸秆腐解时间（t）的变化，利用指数方程进行拟合，得到指数方程，分别为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），拟合度较高。

施加秸秆腐解菌剂对秸秆腐解速率产生影响，结果见图6。与CK相比，菌剂S对秸秆的腐解速率提高了0.10～0.34 g/（g·年），7月24日至9月11日与CK差异显著（P<0.05）;菌剂R对秸秆的腐解速率提高了0.02～0.16 g/（g·年）;菌剂C对秸秆的腐解速率提高了0.02～0.17 g/（g·年），9月11日显著高于CK（P<0.05）;菌剂H和菌剂F对秸秆的腐解速率影响不显著（P>0.05）。这说明吉林省农业科学院所制菌剂提高腐解速率效果明显，其次为中国农业科学院所制菌剂。

各处理秸秆腐解速率随时间变化趋势一致，均表現为随时间增加而明显降低，腐解时间对秸秆腐解速率影响极显著（P<0.01）。

3 小结与讨论

3.1 讨论

本研究发现，秸秆腐解具有前期快、后期慢的特征，尿素和有机肥用量各处理的秸秆残留量随秸秆腐解时间的变化符合指数方程，拟合程度较高。与其他研究者的研究结果相一致，研究者对水稻、小麦、玉米、蚕豆、油菜等多种作物秸秆腐解规律进行研究[8，14，17]，均发现秸秆腐解过程具有前期快、后期慢的特点。

本研究发现，玉米秸秆还田施加尿素25～75 kg/hm2配施有机肥15～45 t/hm2可促进秸秆腐解，增加玉米产量。秸秆还田施加尿素和有机肥促进秸秆腐解，提高玉米产量。陈亚斯等[14]采用淹水培试验研究氮素对小麦秸秆物质分解的影响，结果发现，施加氮素可以促进秸秆纤维素分解，但对木质素的影响不明显。匡恩俊等[15]采用砂滤管法研究有机物料分解规律，结果表明，调节C/N可以提高有机碳分解速率。张珺穜等[16]秸秆预处理方法的试验表明，施加尿素可以促进氮素、磷素的释放，有助于提高作物产量。赵金花等[3]提出秸秆与无机氮肥或有机氮肥配施进行深埋（激发式秸秆深还）可以增加土壤有机质、土壤全氮和土壤硝态氮含量等，从而提高冬小麦产量。虽然肥料的投入增加了农业成本，但施加适量肥料可以提高农业生产的经济效益[18]。因此，半干旱秸秆还田技术中还应分析农业产投比，确定尿素和有机肥用量投入的经济阈值。

本研究发现，不同种类腐熟剂效果存在差异，吉林省农业科学院所制菌剂（菌剂S）效果较好，促进秸秆腐解，提高玉米产量（1.34%，P>0.05）。原因可能是菌剂S为本单位研制产品，在适应当地气候和土壤环境等方面具有明显优势。有研究表明，玉米秸秆施加该种腐解剂30 d后秸秆降解率可达40.2%[19]。匡恩俊等[20]对3种玉米秸秆腐解菌剂施用效果的研究发现，当地自产的3号腐熟剂处理的秸秆生物量失重率及秸秆氮、磷、钾释放较高;还有学者提出，有机废物发酵菌曲、菌剂E（有效成分为纤维素酶、真菌，助剂为氮素、保水剂和微肥）效果较好[12，13]。秸秆腐解菌剂的影响因素较多，选用适宜当地环境条件的菌剂可以促进秸秆中有机碳、氮和磷的释放[12]，提高土壤活性有机质、碱解氮和有效磷含量[21]，有利于提高作物产量。今后研究中应逐步完善秸秆还田快速腐解技术体系，确定尿素和有机肥的适宜用量，配施适宜的秸秆腐解菌剂，结合合理的滴灌和镇压等技术措施，构建完善的技术体系模式，以促进秸秆快速腐解，增加土壤有机质，提高半干旱区玉米产量。

秸秆还田秸秆腐解过程对土壤生物学特征也会产生影响，秸秆用量过高对土壤细菌和放线菌数量有负效应[22]。今后的研究中可以探讨秸秆腐解菌剂对土壤微生物和土壤动物群落多样性和稳定性的影响，评价土壤生态系统的稳定性和土壤健康状况，有利于评价秸秆还田对生态系统的作用，探求科学合理的秸秆还田途径。

3.2 小结

吉林西部半干旱区秸秆还田过程中，秸秆腐解量随腐解时间增加而明显增加，腐解速率表现出前期快、后期慢的特点。本试验条件下，秸秆还田配施尿素75 kg/hm2和有机肥45 t/hm2可以促进秸秆腐解，明显提高玉米产量。不同种类的腐熟剂效果存在差异，其中吉林省农业科学院所制菌剂效果较好，具有提高玉米产量的趋势。研究半干旱秸秆还田快速腐解技术，分析玉米秸秆腐解影响因素，对半干旱区秸秆还田技术模式的实施和田间管理具有重要意义。

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