秸秆腐熟剂对小麦秸秆的腐熟及还田效应的影响

杨晓燕， 叶伟伟， 张 龙， 顾 超， 高 波， 黄 俊*

1. 山东劲牛集团股份有限公司， 山东济南 250000； 2. 济南市土壤肥料站， 山东济南 250000

根据中华人民共和国2018年国民经济和社会发展统计公报[1]数据统计显示，2018年我国主要粮食产量为 6.58亿吨，其中以稻谷、玉米、小麦为主，分别为2.12亿吨、2.57亿吨和1.31亿吨。小麦是中国北方地区主要粮食作物，麦秸是中国秸秆的主要资源[2]，其秸秆主要由纤维素和木质素组成，其含有丰富的有机质、氮、磷、钾和微量元素，是农作物生长所需的有机肥重要来源之一[3]。秸秆还田是土壤改良的重要措施，也是废弃秸秆重要的资源化途径[4],秸秆还田能够把农作物吸收的大部分营养元素归还到土壤，减少了秸秆焚烧造成的环境污染，减轻了劳动强度，具有良好的社会和生态效益[5]。秸秆还田增加土壤有机质的同时，促进了土壤微粒的团聚作用，改善了土壤物理性状及其渗透性和保水能力[6，7]。尽管已有的报道大多肯定秸秆还田的养分效应、作物增产作用、环境以及生态效应，但未经完全腐熟分解的秸秆进入土壤后造成的有机酸积累、腐解缓慢以及对耕作与农艺操作等的不利影响还是限制了它的推广；而加快土壤中秸秆的腐解成为秸秆还田技术中的研究热点，在诸多技术中，添加秸秆腐熟剂因其成本低，操作简单等而深受欢迎[8]。有研究表明，有机物料腐熟剂具有提高秸秆腐解速率、促进秸秆养分释放、改善土壤质量、提高作物产量的作用[9]。秸秆腐熟剂是由多种能将秸秆快速腐熟降解的微生物群落组成，主要包括真菌、细菌和放线菌；利用微生物的分解代谢作用快速将秸秆中的纤维素、半纤维素和木质素等成分转化为富含营养元素的简单化合物，使秸秆降解为腐殖质，同时，消除秸秆中的病原菌、虫卵、杂草种子等有害物质，进而增加土壤肥力。另外，施用腐熟剂也加快了小麦秸秆的腐解速度，而且腐熟剂施用90 d后，土壤中全磷、速效磷及速效钾的含量均有不同程度的增加[10]。秸秆还田条件下，施用秸秆腐熟剂在短期内可减弱农田地力用与养的矛盾，提高土壤肥力[11，12]。采用秸秆还田技术可以大面积以地养地，是低耗持续的农业生产方式，对提高土壤有机质、氮、磷、钾和微量元素的含量、改善土壤物理性状、培肥地力、增加土壤微生物活性、提高农作物增产的潜力、防止耕地土壤沙化和改善农业生态环境有重要作用[13]。本研究为探索较好的小麦秸秆还田方法，特进行小麦秸秆腐熟和秸秆还田试验研究，为小麦秸秆还田技术大面积推广应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

实验地点位于公司试验田，属于暖温带半湿润大陆性季风气候。试验地土壤类型为褐色、表层质地为中壤；土壤含水量为40%；土壤温度为23 ℃～32 ℃。

1.2 试验材料

1.2.1供试腐熟剂

供试腐熟剂为本公司生产的秸秆腐熟剂(粉剂)，产品含有枯草芽孢杆菌，地衣芽孢杆菌，长枝木霉菌，有效活菌量≥5×108CFU/g，纤维素酶活≥50 U/g。

1.2.2供试秸秆

小麦秸秆采自本公司试验田。试验前将收集到的秸秆经机器把整株剪成约3 cm～5 cm的小段，混合均匀，备用。

1.3 试验设计

1.3.1小麦秸秆腐解效果试验

每份称取50 g左右小段放入40目尼龙网袋中，共准备35份。共设3个处理，即：

处理1(CK1)：取出5份样品，在烘箱中85 ℃条件下烘6 h，记录每袋重量取平均值为G0。

处理2(CK2)：翻土深度15 cm，翻耕后土壤含水量≥40%，保证秸秆有一定含水量，以利于秸秆腐熟，各处理秸秆含水量基本一致；把15个样品分别放入土壤内，覆土。袋子平铺，每个袋子之间相隔同样的间距，以免互相产生干扰。分别在10 d、20 d、30 d后各取出5份重复，均用清水冲洗，直至水滴为无色状态；然后放置4 ℃的冰箱内3 d后，在烘箱中85 ℃条件下烘干6 h，记录每袋重量，最后取平均值分别为2G10、2G20和2G30。

处理3：在小麦秸秆其余15份样品中加入本公司生产的秸秆腐熟剂，其他条件和处理情况同处理2的操作，最后记录值为腐熟后3G10、3G20和3G30。

1.3.2小麦秸秆还田种植白菜试验

试验田设4个处理，每个处理重复三次，小区面积30m2，随机排列，小区设立保护行2米。具体处理如下：

处理A(CK1)：空白处理；

处理B(CK2)：常规施肥处理；

处理C(CK3)：常规施肥处理+全量秸秆还田。

处理D：常规施肥处理+全量秸秆还田+供试秸秆腐熟剂2.0 kg/亩(与小麦麸皮拌匀后均匀撒施在粉碎后的秸秆上)，小麦秸秆切碎为3 cm ～5 cm后全量还田，耕翻还田深度15 cm，秸秆还田量350 kg/亩。

试验期间田间管理措施一致；收获时每小区单独采收、称重、记产。

1.4 秸秆腐熟剂对小麦秸秆腐熟的效果

分别在第10 d，第20 d和第30 d将处理2和处理3的埋袋取出，处理后称重，并计算不同阶段的失重率。

1.5 秸秆腐熟剂对土壤有机质及氮磷钾含量的影响

土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定；土壤碱解氮采用碱解扩散法测定；土壤速效磷采用碳酸氢钠法测定；土壤速效钾采用醋酸铵火焰光度计法测定[14]。

1.6 小麦秸秆还田对白菜叶绿素含量的影响

采用SPAD叶绿素计测定白菜叶绿素含量[15]。SPAD是一种测量叶绿素浓度的方法。即叶绿素含量SPAD指用SPAD这种方法测量的叶绿素浓度。

1.7 小麦秸秆还田对白菜生物学性状和产量的影响

收获期，在每小区中部位置随机取10株白菜植株观测其生物学性状：单株重、株高、球茎、叶绿素含量，取样后小区测产，并进行经济效益分析。

1.8 数据统计分析

采用SPSS和EXCEL软件对实验数据进行分析。

2 结果与分析

2.1 秸秆腐熟剂对小麦秸秆的腐熟

2.1.1秸秆腐熟剂对小麦秸秆的腐熟效果

通过表1和表2对比得出，第10 d时，不加腐熟剂的处理2失重率为10.05%，加腐熟剂的处理3失重率为12.02%，处理3比处理2的失重率提高1.97%；第20 d时，处理2和处理3的失重率分别为21.3%和27.92%，处理3比处理2的失重率提高6.62%；第30 d时，处理2和处理3的失重率分别为30.06%和37.69%，处理3比处理2的失重率提高7.63%。可以看出，随时间的延长，处理3与处理2腐熟程度逐步增大，差距最大是第30 d，失重率之差为7.63%。

加腐熟剂的处理3，试验的30 d过程中0 d ～10 d腐熟了12.02%，11 d ～20 d腐熟了14.9%，21 d ～30 d腐熟了9.77%，腐熟速度最快的是中间10 d；处理2在0 d ～10 d腐熟了10.05%，11 d ～20 d腐熟了11.25%，21 d～30 d腐熟了8.76%，腐熟速度比较平缓。说明本公司的腐熟剂在第11 d ～20 d时作用达到最大，这与试验的气候，温度和土壤含水率也有关系。

表1 不同处理的小麦秸秆腐熟情况记录 (单位：g)

表2 不同处理的小麦秸秆的腐熟失重率 (单位：%)

备注：失重率Wx=100(G0-Gx)/G0,计算结果保留两位小数。

2.1.2秸秆腐熟剂对小麦秸秆腐熟效果的统计分析

为对比不同处理最终的腐熟度差异，对30 d后取出的样品重量统计并进行方差分析，结果如表3和表4。

表3 样品重量统计 单位：g

表4 方差分析

数据显示，不同处理间差异极显著，重复间差异不显著。通过进行多重比较，处理1(CK1)、处理2(CK2)、处理3均达到差异显著水平，说明该秸秆腐熟剂对小麦秸秆的腐熟效果比较明显。

2.2 小麦秸秆还田对土壤及白菜的影响

2.2.1小麦秸秆还田对土壤有机质的影响

小麦秸秆还田对土壤有机质的影响如图1所示。与处理A相比，处理B、C、D的土壤有机质质量分数分别提高了9.75%、13.04%、20%；与处理C相比，处理D的土壤有机质提高了6.15%；由此说明小麦秸秆还田显著提高了土壤有机质的含量，差异显著(P<0.05)。

图1 不同处理的土壤有机质质量分数

2.2.2小麦秸秆还田对土壤速效养分的影响

小麦秸秆还田对土壤速效养分的影响如图2所示。与处理A相比，处理B、C、D的土壤碱解氮分别提高了4.76%、11.1%、16.70%；处理D的土壤碱解氮比处理C提高了5.04%，差异显著(P<0.05)。

与处理A相比，处理B、C、D的土壤速效磷分别提高了10.55%、15.14%、26.83%；处理D的土壤速效磷比处理C提高了10.16%，差异显著(P<0.05)。

与处理A相比，处理B、C、D的土壤速效钾分别提高了16.47%、23.44%、30.01%；处理D的土壤速效磷比处理C提高了5.33%，差异显著(P<0.05)。

图2 不同处理的土壤速效养分质量分数(mg/kg)

2.2.3小麦秸秆还田对白菜叶绿素含量的影响

小麦秸秆还田对白菜叶绿素含量的影响如图3所示。各处理顺序取10株白菜植株检测其叶绿素的含量，处理D叶绿素含量比处理C增加5SPAD，其余各项处理指标均低于处理C。

图3 白菜叶绿素含量(SPAD)

2.2.4小麦秸秆还田对白菜生物学性状的影响

小麦秸秆还田对白菜生物学性状的影响如图4所示。各处理顺序取10株白菜植株观测其生物学性状，处理D平均单株重比处理C增加0.34 kg，株高增加7.7 cm，球茎增加0.8 cm，其余处理各项指标均低于处理C。

图4 白菜单株重及品质指标调查图

2.2.5小麦秸秆还田对白菜产量的影响

小麦秸秆还田对白菜产量的影响如图5所示。处理D使白菜亩产量比处理C增产937.7 kg，增产率达到了10.71%；较处理B产量增加了1 075.5 kg，增产率12.48%。

图5 白菜小区产量统计图

不同试验小区产量方差分析表明，处理D的白菜产量显著高于其余处理，说明小麦秸秆中添加腐熟剂还田后对白菜有明显增产效果，见表5。

用SPSS软件进行单因素方差分析如表5。

表5 用LSD法进行单因素方差比较

2.2.6试验经济效益分析

对不同处理白菜的经济效益进行了分析，如图6所示，处理D比处理C每亩增收624.8元。

图6 亩产量和效益情况分析表

3 结论与讨论

通过试验研究发现，小麦秸秆腐熟剂对小麦秸秆的腐解有明显的效果，可以加快小麦秸秆的腐解速度，提高腐解率，秸秆腐解率提高了7.63%，且在秸秆腐解过程中第10 d～20 d的促进效果最为明显。添加腐熟剂后小麦秸秆还田，土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾的质量分数分别增加6.15%、5.04%、10.16%和5.33%；小麦秸秆还田后，白菜的单株重、株高、球茎、叶绿素和产量分别提高11.68%、22.13%、4.37%、21.74%和10.71%。本论文采用的秸秆腐熟剂主要由枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、长枝木霉菌组成。秸秆中木质纤维素的成分多样、结构复杂，构成了抵抗微生物及其酶攻击的天然屏障，40%～50%的纤维素大分子被木质纤维素包裹，而木质纤维素分子很稳定，不易降解，这使得秸秆中的纤维素难于被直接分解利用，腐解速度慢、腐解效果差，需要借助其他方式改变其理化结构使其更易降解。木霉菌作为一种有益真菌[16]，能够分泌纤维素酶，具有很强的纤维素分解能力，可以水解纤维素，促进纤维素的分解，进而提高小麦秸秆的腐解率，将纤维素转化为易被作物吸收利用的有机碳分子，从而增加土壤有机质的含量。芽孢类细菌尤其是枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌具有解磷、解钾、固氮的作用，能够将土壤中固化的氮磷钾物质转化为易于吸收的碱解氮、速效磷、速效钾；同时在微生物大量繁殖过程中还能产生有利于作物生长的生长素、细胞分裂素等，提高了白菜产量及品质，增加了亩产和经济收入。因此本研究利用秸秆腐熟剂进行小麦秸秆还田，更具有广泛的生产应用性，为小麦秸秆还田技术大面积推广应用提供理论依据。