GET技术应用中农家肥与水稻秸秆混合发酵对土壤肥力的影响

耿启明,黄永文,陈芳清

(1.湖北省正江环保科技有限公司 研究生工作站/三峡大学，湖北 宜昌 443002；2.湖北省三峡地区生态保护与治理国际合作研究中心/三峡大学，湖北 宜昌 443002)

水稻是我国主要的粮食作物，占我国农作物产量的36%以上，在农业生产中占有举足轻重的地位[1]。我国超过30%的水稻田因土壤肥力的不足或失衡而减产，水稻田土壤肥力是限制我国水稻产量的关键因素[2]。孟赐福[3]通过对我国近30 a典型水稻田土壤肥力特征研究发现，常规条件下，早稻、晚稻和单季稻产量与土壤肥力呈显著正相关，提高与增强水稻田的土壤肥力对于水稻的增产与稳产起着至关重要的作用。秸秆还田和增施农家肥可以有效增加土壤有机质含量，改善土壤理化性状，提高作物产量和改善作物品质，被认为是一种有效的农田培肥措施，也是一种经济且可持续的秸秆资源利用方式[4-6]。然而，由于秸秆还田降解速率慢，以及秸秆还田和增施农家肥均存在为病虫提供寄生来源、产生与排放大量温室气体等问题，其应用受到了一定程度的限制[7-9]。

将秸秆与农家肥混合进行厌氧发酵，生产用于田间施用的有机肥，既能协调发酵过程中碳、氮元素的含量和比例，促进秸秆的降解，提高肥料的营养成分含量，还能通过营造的无氧环境，杀灭秸秆和农家肥中所寄生的病虫[10]，是一种现代生态农业所提倡的水稻田肥力补充的办法。秸秆与农家肥混合厌氧发酵一般使用沼气池和工业发酵罐的方法进行。其中，工业发酵罐的方法生产速率快，但是投入高，经济效益不理想，而沼气池方法虽然投入相对较低，但生产速率慢[11-12]。同时，这2种方法还存在运输成本高、出渣难、发酵液易造成环境污染等问题[11-12]。上述问题的存在较大程度地限制了沼气池和工业发酵罐方法在较大范围的推广与应用。日本名城大学田村广人教授开发出在农闲季节，利用水稻田的土壤与水稻秸秆混合厌氧发酵直接生产生物甲烷的技术[13]，简称GET(Methane gas as renewable energy at rice fields tian)技术。该技术是在水稻收割后，将水稻秸秆夹杂农田土壤中，分层堆积成垄，然后用特制薄膜覆盖，再通过水淹基部土壤创造无氧环境，使堆积的秸秆进行发酵分解，产生生物甲烷，最后加以收集与利用。该技术既能把秸秆转换为无害的生物燃料，减少温室气体排放，又能改善土壤结构，增强土壤肥力，还能通过厌氧发酵杀死秸秆中的病原虫卵，避免秸秆还田引起稻田病虫害的发生。由于该技术减少了其他秸秆发酵技术中所需的秸秆与有机肥的运输、发酵废渣的清理环节，被认为是一种水稻秸秆的无害化生态利用方式，具有较好的应用前景。目前，仅日本利用GET技术进行了使用单一水稻秸秆生产生物甲烷与改善土壤肥力的研究[13]，尚未见有利用GET技术进行水稻秸秆与农家肥混合发酵，生产生物甲烷与改善土壤肥力的研究。鉴于此，在休耕期开展了基于GET技术，将水稻秸秆与牛粪、猪粪混合厌氧发酵，生产生物甲烷、改善稻田土壤肥力的试验，研究农家肥种类、水稻秸秆施用量、农家肥与水稻秸秆配比(质量比)对土壤肥力的影响，以期为GET技术在我国的推广应用提供理论依据和技术参考。

1 材料和方法

1.1 试验样地与材料

试验在湖北宜昌农科院枝江试验站(34°34′N、110°48′E)进行。所用试验地为该试验站的标准农田，面积960 m2。试验用的水稻秸秆和农家肥来自于试验田与周围养殖场，其中，农家肥试验前均进行去杂处理。各种试验材料的基本特性见表1。供试水稻田土壤基本农化性状：pH 值5.93～6.20、全氮含量 2.21 g/kg、全磷含量 0.96 g/kg、有机质含量 19.31 g/kg。

表1 试验材料的基本特性Tab.1 Basic properties of tested substance

1.2 田间试验设计

试验单元为垄，每垄面积为14 m2(长7 m×宽2 m)。包括水稻秸秆施用量和农家肥类型2个试验因子。其中，农家肥有牛粪、猪粪2种当地常见的类型。每种农家肥类型分别设置了120、100、80、70 kg/垄4个处理水平。相关研究认为，水稻秸秆与农家肥配比(质量比)在1∶1左右时，无氧发酵产生物甲烷效果最佳[14]。本试验在各农家肥类型中，对应地设置了125、100、85、70 kg/垄4个水稻秸秆施用量处理水平，同时在每个秸秆施用量处理水平分别设置了不添加农家肥的仅水稻秸秆发酵处理。每个处理4个组合各3个重复，共计36个组合(表2)。另外，为了与不进行GET试验的农田土壤进行比较，还调查、取样了未施用秸秆与农家肥的稻田土壤，作为整体试验的对照(CK)。将上述各处理的水稻秸秆与农家肥均匀混合后，分3层进行堆积，每层间隔有5～10 cm厚的水稻田土壤，垄高约40 cm。成垄后覆盖试验膜并灌水，使田间水淹深度在20～30 cm，以保证试验期间的厌氧环境。整个试验持续90 d(2017年10月29日—2018年1月26日)。GET发酵试验结束后，将每个试验单元平均划分成3等份，每等份区间内随机选取1点，以环刀采取0～40 cm的土柱作为试验样品，带回实验室处理分析。每个试验单元共采集3份样品，总计111份样品。

表2 农家肥与水稻秸秆不同配比发酵基质的全氮、全磷、有机质含量Tab.2 Contents of total nitrogen, total phasphorus and organic matter in fermentation substance with different proportions of livestock manure and rice straw

1.3 测定方法

猪粪、牛粪各称取5 g，均匀平摊，自然风干后测定其干物质含量；水稻秸秆剪碎呈3 cm小段，称取5 g放入铝盒内，105 ℃烘干24 h，测定其干物质含量。将猪粪、牛粪和所采集的土壤样品去杂处理后，经自然风干研磨过筛，然后进行有机质、全氮、全磷含量测定；水稻秸秆剪碎烘干后，研磨过筛进行有机质、全氮、全磷含量测定。其中，有机质含量采用重铬酸钾容量法测定，全氮、全磷含量采用San++流动分析仪测定。

1.4 数据分析

以每个试验单元为统计分析单位，以不同农家肥类型、水稻秸秆施用量为变量，以土壤全氮、全磷、有机质含量为因变量，用统计软件SPSS 22.0进行多因素方差分析，分析农家肥类型、水稻秸秆施用量以及水稻秸秆施用量与农家肥类型交互作用对土壤肥力的影响。当多因素方差分析显示各影响因子及其交互作用对土壤肥力的影响达到显著水平时，再进行单因子方差分析，并进行多重比较，分析各因子各处理水平之间的差异显著性，研判各种农家肥与水稻秸秆的最优配比。

2 结果与分析

2.1 各试验因子对GET技术应用中土壤肥力的影响

如表3所示，多因素方差分析显示，农家肥类型和水稻秸秆施用量对土壤有机质含量均有极显著影响(P<0.01)，水稻秸秆施用量对土壤全磷含量有显著影响(P<0.05)，农家肥类型与水稻秸秆施用量的交互作用对土壤全磷、全氮含量均有极显著影响(P<0.01)。

表3 农家肥类型、水稻秸秆施用量及其交互作用对土壤肥力的影响Tab.3 Effects of livestock manure type, rice straw application quantity, and the interaction between the two on soil fertility

2.2 农家肥类型对GET技术应用中土壤肥力的影响

如图1所示，GET技术的应用能显著改善土壤肥力，其中，对土壤有机质含量的增加效应达到显著水平，水稻秸秆、牛粪+水稻秸秆、猪粪+水稻秸秆3个处理的土壤有机质含量分别比对照增加109.27%、152.39%、171.76%。各处理中，以猪粪+水稻秸秆的土壤有机质含量最高，其土壤有机质含量比牛粪+水稻秸秆、水稻秸秆分别提高7.67%、29.86%,表明GET技术应用中，猪粪对土壤有机质含量的提升效果最好。农家肥类型对土壤全氮、全磷含量无显著影响，但水稻秸秆、牛粪+水稻秸秆、猪粪+水稻秸秆3个处理在一定程度上增加了土壤全氮、全磷含量。其中，水稻秸秆、牛粪+水稻秸秆、猪粪+水稻秸秆处理土壤全氮含量与对照相比，分别增加35.72%、18.62%、30.08%；水稻秸秆、牛粪+水稻秸秆、猪粪+水稻秸秆处理土壤全磷含量与对照相比，分别增加59.97%、51.58%、49.11%。

不同字母表示同一指标在不同处理之间差异显著(P<0.05)，下同

2.3 水稻秸秆施用量对GET技术应用中土壤肥力的影响

如图2所示，GET技术应用中的水稻秸秆施用量对土壤全磷、有机质含量的影响达显著水平。水稻秸秆施用量70、85、100、125 kg/垄处理水平的土壤有机质含量分别比对照增加了135.94%、136.31%、146.81%、156.15%，水稻秸秆施用量70、85、100、125 kg/垄处理水平的土壤全磷含量分别比对照增加了43.23%、46.79%、63.52%、71.12%。而水稻秸秆施用量100、125 kg/垄的土壤全氮、全磷、有机质含量均差异不显著，表明水稻秸秆施用量增加到一定水平后，土壤有机质含量不再增加。随着水稻秸秆施用量的增加，能一定程度增加土壤全氮含量，但是各处理之间的差异不显著。70、85、100、125 kg/垄处理水平的土壤全氮含量分别比对照增加7.64%、11.11%、14.62%、24.70%。

图2 水稻秸秆施用量对土壤肥力的影响 Fig.2 Effects of rice straw application quantity on soil fertility

2.4 农家肥+水稻秸秆配比对GET技术应用中土壤肥力的影响

2.4.1 牛粪+水稻秸秆配比对土壤肥力的影响 如图3所示，土壤全氮、全磷、有机质含量均以牛粪+水稻秸秆配比120∶125处理水平最高，其后依次为100∶100、80∶85、70∶70、对照。其中，牛粪+水稻秸秆配比120∶125、100∶100、80∶85、70∶70 处理水平的土壤有机质含量分别比对照高174.90%、149.90%、147.88%、136.88%，土壤全磷含量分别比对照高75.81%、65.74%、20.49%、11.46%，土壤全氮含量分别比对照高30.63%、24.42%、14.91%、6.95%。

图3 牛粪+水稻秸秆配比对土壤肥力的影响 Fig.3 Effects of cow dung and rice straw ratio on soil fertility

2.4.2 猪粪+水稻秸秆配比对土壤肥力的影响 如图4所示，猪粪+水稻秸秆配比对土壤全磷、有机质含量均有显著影响。土壤全磷、有机质含量均以猪粪+水稻秸秆配比120∶125处理水平最高，其后依次为100∶100、80∶85、70∶70处理水平。猪粪+水稻秸秆配比120∶125、100∶100、80∶85、70∶70各处理水平的土壤有机质含量分别比对照高181.15%、176.71%、165.06%、164.09%，土壤全磷含量分别比对照高65.51%、58.22%、51.63%、36.23%。猪粪+水稻秸秆配比各处理水平对土壤全氮含量无显著影响，但土壤全氮含量随着猪粪+水稻秸秆质量的增加而增加。猪粪+水稻秸秆配比120∶125、100∶100、80∶85、70∶70各处理水平的土壤全氮含量比对照分别高27.91%、24.03%、11.26%、9.10%。

图4 猪粪+水稻秸秆配比对土壤肥力影响Fig.4 Effects of pig manure and rice straw ratio on soil fertility

3 结论与讨论

GET技术的应用在获得生物甲烷这一清洁能源的同时，还能有效提升水稻田的土壤肥力。本试验中，不同农家肥类型各处理水平的土壤有机质、全氮、全磷含量均高于对照，其中，土壤有机质含量的增加效应达到显著水平，水稻秸秆、牛粪+水稻秸秆、猪粪+水稻秸秆处理的土壤有机质含量相比对照增加109.27%～171.76%。GET技术的应用对土壤肥力的提升首先源自于无氧发酵基质中农家肥所含有的营养养分，但由于不同农家肥营养物质含量不同，对土壤养分的直接贡献有较大的差异[15]。本试验所采用的2种农家肥中，有机质含量以牛粪较高、猪粪较低，全氮、全磷含量均以猪粪较高、牛粪较低。农家肥养分含量的差异直接导致不同农家肥类型各处理之间的土壤养分含量有较大差异，并均高于对照。关于农家肥改善农田肥力，以及不同农家肥增肥效应的差异，目前已有较为充分的报道，如陈贵等[16]研究发现，施用等量猪粪对土壤全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量的增加程度高于牛粪，土壤有机质含量增幅差异相对较小。姜丽娜等[17]研究发现，由于猪粪的氮、磷、钾含量较高，牛粪的有机质含量较高，氮、磷、钾含量较低，从而导致施用猪粪对土壤肥力的提升效果好于牛粪。在施用猪粪时，由于其氮的缓释性，会在较长时间内增加土壤氮含量[18]，更有助于作物增产。

GET技术应用中，不同农家肥类型各处理水平土壤有机质、全氮、全磷含量的差异，还与水稻秸秆在无氧发酵过程中的降解和营养物质的释放有关。由于GET技术营造了无氧环境，水稻田土壤和农家肥所含有的促进水稻秸秆分解和转换生物甲烷的微生物群落得以快速增长，促进了水稻秸秆的降解和营养物质的释放。GET技术应用中，水稻秸秆在农闲期间的降解率一般可以达到53.92%以上[13]，远高于水稻秸秆的直接还田。在水稻秸秆降解过程中，半纤维素、纤维素等易降解的成分可以在相对较短的时间内得以分解，而木质素等难降解的成分则需要经历较长时间才能完成[19]。由于农闲时间的限制，即使是在GET技术所营造的无氧条件下，单位面积土地上水稻秸秆的降解量还是有限。本试验中，当水稻秸秆施用量达到100 kg/垄以上时，土壤肥力的增加效应就不再明显。表明水稻秸秆施用量超过该值时，水稻秸秆的降解量不再增加。单位面积土地内水稻秸秆降解量的受限，主要是因为水稻秸秆厌氧发酵进程与发酵体微生物群落形成和发育密切相关[20-22]。相关研究表明，发酵体微生物群落的形成与发育与发酵基质的碳氮比密切相关，比较理想的碳氮比为25∶1[23]。由于水稻秸秆的氮含量较低，随着施用量的增加，发酵体系内碳含量不断增加，当超过一定阈值时，微生物群落的形成与发育反而会受到影响，并进一步影响到水稻秸秆的降解。

王艳芹等[19]研究发现，施用牛粪可有效提高秸秆纤维素降解率，并在牛粪+玉米秸秆配比为1∶1时达到最高。艾平等[24]研究发现，猪粪与秸秆混合可有效促进秸秆降解，且在猪粪+水稻秸秆配比为1∶1时降解率最高。本试验中，猪粪全氮含量较高，达到21.00 g/kg，施用猪粪+水稻秸秆后土壤全氮、全磷、有机质含量相比对照分别增加30.08%、49.11%、171.76%。牛粪的全氮含量17.80 g/kg，相对较低，施用牛粪+水稻秸秆后土壤全氮、全磷、有机质含量相比对照分别增加18.62%、51.58%、152.39%。因此，牛粪+水稻秸秆不同配比对土壤肥力的促进潜力低于猪粪+水稻秸秆。

利用GET技术，将水稻秸秆和农家肥混合发酵生产生物甲烷，可获得可再生能源，并能减少因秸秆还田和农家肥直接施用造成的温室气体排放和病虫害发生的危险，还可有效增加土壤肥力、改善土壤质量。本研究结果显示，利用农家肥与水稻秸秆混合厌氧发酵生产生物甲烷的过程中，农家肥和水稻秸秆的配合使用能有效提高土壤肥力，在所设定的农家肥与水稻秸秆的配比中，以农家肥∶水稻秸秆120∶125对土壤肥力的增加效果较好。