粉碎和添加菌剂对红壤区自然堆沤条件下稻秆养分释放的影响

2014-12-22周柳强黄美福罗文丽区惠平黄金生谭宏伟

生态学报 2014年18期

周柳强，黄美福，罗文丽，区惠平，曾艳，黄金生，谭宏伟

(1．广西农科院农业资源与环境研究所，南宁 530007;2．广西农科院甘蔗研究所，南宁 530007)

秸秆中含有丰富的营养元素，据相关报道表明，世界上每年大约有20亿t的秸秆资源来自种植的各种谷类作物，但其中被利用的部分仅占10%左右，我国每年生产约7亿t的秸秆，其中被利用的不足2000万t，约97%的秸秆被焚烧、堆积或者遗弃［1-2］，广西农业秸秆资源年理论总产量超过5000万t，但综合利用率不足30%，经过技术处理后利用不足5%［3-4］，由于稻杆的腐化速率慢，影响稻田的机耕耘耙，许多农民在水稻收割后就地焚烧稻草秸秆，造成大量的资源浪费。因此，如何加快稻杆的腐化速率，是秸秆资源化应用重要的科学技术瓶颈问题。国内许多学者的研究结果表明，粉碎处理可以促进秸秆的腐解［2，5-7］，填埋深度不同也影响秸秆的腐解速度［8］，添加有利于秸秆腐解的微生物菌剂［9］或通过调节秸秆pH、C/N比等多种方式均可有效的促进秸秆的腐解速度［10-11］;随着水稻收割机械化的逐渐普及，秸秆粉碎已成为稻谷收获的结果，如何加速粉碎后的秸秆的自然腐解速率，并形成有效的简易技术向农民推荐，是秸秆养分有效利用需要解决的现实问题，本研究对刚收获的新鲜水稻秸秆经人工粉碎，然后通过淋农家肥液(自然菌剂)及添加商业的腐熟菌剂，探索水稻秸秆在自然环境下的腐解速率及养分释放的影响，现把本研究的结果总结如下。

1 材料与方法

1．1 试验材料

试验于2012年7月—10月在广西南宁市广西农科院试验基地的水田田面上进行堆沤处理(期间田面不再进行耕作)，土壤类型为第四纪红土发育的水稻土，供试材料为收割后第2天的新鲜水稻秸秆。

1．2 试验处理和试验条件

秸秆堆沤腐解在密闭的尼龙滤袋中进行，尼龙网袋规格为60cm×100cm，孔径200目。每个尼龙滤袋装新鲜秸秆5kg，各处理扎好后平摊置放在水田田面上，试验区四周开有排水沟，接受自然条件下的日晒雨淋;期间的日平均气温在22—29℃，极端高温为35．5℃，极端低温 16．8℃，降雨天数为 48d，降雨量0.5—215mm，总降雨量为848．6mm。设如下处理:CK(原状秸秆(大约65cm))、粉碎秸秆(秸秆长度短于2cm)、粉碎秸秆+菌剂和粉碎秸秆+农家肥。其中粉碎秸秆+菌剂处理所用腐熟剂为本地市场上随机购买的商业有机物料腐熟剂(包装袋上标注有效活菌数0．5亿/g)，每个尼龙滤袋用量为60g，兑3 kg水喷洒。粉碎秸秆+农家肥处理所用农家肥为普通农家猪粪水，按猪粪水1∶5比例兑成肥水(养分测试结果 N 712 mg/L，P2O538mg/L，K2O 650mg/L)，每个尼龙滤袋喷洒3kg肥水。CK和粉碎处理每个尼龙滤袋喷洒3 kg清水，使秸秆充分吸收水分。各处理均设3次重复。

1．3 采样和分析方法

试验于2012年7月24日开始，分别于秸秆处理后的第 0、10、28、35、51、74 天和 91 天采集腐解袋中部秸秆样品，测定含水量、干物质及氮、磷、钾养分含量，单位干物质的减轻及其N、P、K养分总量的减少部分，均被视为秸秆被微生物所腐解后，释放到自然环境中(加农家肥粪水处理及添加商品菌剂所带来的养分与秸秆腐解释放的养分相比，数量太少，忽约不计)，从而求算秸秆干物质的腐解强度、氮、磷、钾释放强度及试验期间的秸秆的腐解率。采集的秸秆样本在采样2h内测定含水量，并经110℃高温灭菌1h后，再降温到50—60℃抽风干燥箱烘干24h，粉碎制样。样本均用H2SO4-H2O2消煮，用开氏定氮法、钼锑钪比色法和火焰光度法分别测定秸秆样本中的全氮、磷、钾养分含量。

腐解率(%)=(开始腐解的干物质量－试验结束后干

物质量)/开始腐解的干物质量×100 (1)腐解强度(g kg－1d－1)= 单位腐解率(g/kg)/腐解时

间(d) (2)

1．4 统计分析

使用Excel进行数据计算和图表制作，用DPS软件对数据进行统计分析。

2 结果分析

2．1 不同秸秆处理方式对水稻秸秆干物质腐解动态的影响

新鲜水稻秸秆，经粉碎、粉碎+菌剂(农家肥和商业菌种)处理后，在腐解的初期(0—10d)，干物质的平均腐解强度明显获得增强，腐解强度提高了13.6—46．3%，以添加商品菌剂处理的腐解强度的提高幅度最为显著，这可能与微生物群落突然增加有关，粉碎处理增加秸秆与环境的接触面，环境微生物的侵入，亦可提高微生物群落数量。腐解10d以后，各处理平均腐解强度明显比前期降低，以粉碎处理的降低幅度最为明显，平均腐解强度仅为前一时期的19．8%，亦明显低于同时期的对照处理，仅为对照处理的48．6%，这一时期的腐解强度明显降低可能与微生物腐解过程中氮素供应不足有关;经过35d的自然腐解后，各处理的干物质腐解强度又明显升高，经粉碎、粉碎+菌剂(农家肥和商业菌种)处理的秸秆平均腐解强度又明显高于对照处理;在91d观测试验6次采样测试获得的数据表明，水稻秸秆的腐解强度是一种螺旋式的升高—降低—再升高—再降低并逐步降低的过程，整个试验期间，经粉碎、粉碎+菌剂(农家肥和商业菌种)处理后的干物质平均腐解强度比对照(原状)处理提高 0．73—1．79 g kg－1d－1，提高幅度为 9．5%—23．2%。本试验的结果说明，新鲜水稻秸秆经粉碎、粉碎+菌剂(农家肥和商业菌种)处理后，在腐解前期能明显促进秸秆的干物质腐解，经过腐解高峰后，各处理与对照基本趋于一致。

表1 不同秸秆处理方式下水稻秸秆干物质腐解强度的变化(g kg－1 d－1)Table 1 Rice straw decom posing intensity under different treatments

2．2 不同秸秆处理方式对水稻秸秆养分含量变化的影响

秸秆在腐解过程中，N养分含量基本呈初期显著下降，然后逐步提高的趋势;P养分含量初期稍下降，然后逐步提高的趋势;而K养分初期稍有提高，然后逐步下降的趋势。

新鲜水稻秸秆，经粉碎、粉碎+菌剂(农家肥和商业菌剂)处理后，各腐解阶段的N、P、K养分含量均明显高于对照处理，这可能与微生物群落数量提高有一定的关系;粉碎与粉碎+菌剂处理间的N、P、K养分含量差异基本不明显。

表2 不同秸秆处理方式的不同腐解时期的秸秆养分含量(g/kg)Table 2 Straw nutrient content under different treatmentsin different sampling time

续表

2．3 不同秸秆处理方式对水稻秸秆养分腐解动态的影响

秸秆的腐解与秸秆的C/N比有密切相关，有机C的腐解是NPK养分腐解的基础［10］，有机C腐解过程中的养分释放，对微生物群落的发展变化有直接的影响(图1)，不同秸秆处理后，N、P、K养分腐解27d内有明显的差异，在相同的自然环境下，粉碎处理后的秸秆，P素养分的腐解高峰期的腐解强度明显受到抑制，腐解强度比对照处理降低了43．1%，但添加菌剂后，则消除了P素腐解的被抑制作用;经粉碎、粉碎+菌剂(农家肥和商业菌种)处理后，在整个腐解试验期内(91d)的N、K养分腐解强度普遍均高于对照处理，其中K养分在腐解10d内的平均腐解强度比对照明显提高了36．3%—62．9%。

图1 不同处理方式对水稻秸秆养分腐解强度的影响Fig．1 Nutrient release of rice straw under different treatments

2．4 不同秸秆处理方式对水稻秸秆腐解率的影响

新鲜水稻秸秆，经粉碎、粉碎+菌剂(农家肥和商业菌种)处理91d后，干物质、N、P、K养分的腐解率分别比对照提高 4．2%—11．5%(绝对值，下同)、10.4%—16.2%、6.8%—21.7%、12.2%—17.5%;添加菌剂后，水稻秸秆的干物质、N、P、K养分腐解率亦提高了 6.3%—7.3%、1.0%—5.8%、11.6%—14.9%、2.2%—5.3%，可见粉碎和添加菌剂处理，均可促进水稻秸秆的腐解和养分的释放，商品性的菌剂与自然条件下的常规菌剂(农家肥水)对水稻秸秆腐解，本试验条件下无明显的优势。

表3 不同秸秆处理方式下水稻秸秆腐解率/%Table 3 Rice straw decom pose rate under different treatments

3 结论与讨论

本试验的结果说明，粉碎、添加自然菌剂均可以加速水稻秸秆的腐解，在91d内，粉碎的水稻秸秆，干物质腐解率比不处理的水稻秸秆提高4.2%(绝对值，下同)，N、P、K 养分释放率提高10.4%、6.8%、12.2%。水稻秸秆的外部形态影响干物质腐解量和腐解率，一方面粉碎后的秸秆总表面积增加，增大了与外界环境的的接触面，秸秆接触面越大，微生物繁殖生长面随之越大，微生物数量增多，促进秸秆的腐解和养分的释放;另一方面原状水稻秸秆紧密度低，水分挥发流失快，而粉碎后的秸秆紧密度高，锁水能力优于原状秸秆，腐解过程中微生物的繁殖生长需要保持一定的水分条件，水分含量低，微生物生长受阻，不利于腐解的进行和养分的释放。在粉碎的基础上，添加菌剂后的干物质腐解率提高6.3%—7.3%，N、P、K养分释放率提高 1.0%—5.8%、11.6%—14.9%、2.2%—5.3%。微生物对有机化合物分解起重要作用，外源微生物的加入，在适宜的条件下能增加秸秆微生物数量，而微生物分泌物是多种酶的来源，酶活性增加可加速各种物质分解，提高干物质腐解率和养分释放率［5，8，11］。

新鲜水稻秸秆经粉碎、粉碎+菌剂(农家肥和商业菌种)处理后，在腐解前期能明显促进秸秆的干物质腐解，经过腐解高峰后，各处理与对照基本趋于一致。水稻秸秆腐解速率总体表现为早期快后期慢的特点，最后趋于平稳［9，11，14］，在一些研究中，水稻秸秆的腐解高峰在腐解前15d［11］。秸秆外部形态不同，造成结果过程中的水分和微生物生长面不同，腐解前期，粉碎、粉碎+菌剂处理的秸秆在适宜的条件下促进微生物生长，加快秸秆组织结构的破坏，易分解物质被快速分解，腐解量明显比原状秸秆提高。随着腐解的进行，一方面易分解物质逐渐减少，粉碎、粉碎+菌剂处理的秸秆对秸秆的腐解难以有明显的提高，另一方面，原状秸秆的紧密度逐渐增加，水分条件逐渐转好，对微生物的繁殖较之前有一定的促进作用，在一定程度上可促进干物质的腐解，最后各处理间的干物质腐解量逐渐趋于一致。

粉碎后的水稻秸秆在腐解20d内P素养分的腐解高峰期的腐解强度明显受到抑制，但添加菌剂后，则消除了P素腐解的被抑制作用;N、K养分腐解强度普遍均高于对照处理。在秸秆腐解过程中，微生物不断以碳源物质为能源，利用秸秆腐解的各种养分合成自身所需物质，在微生物和酶的作用下，部分氮素被分解成铵态氮或硝态氮等无机氮形式，以气态或水溶态形式释放［15］。粉碎、粉碎+菌剂处理在腐解前期干物质腐解量明显高于对照处理，提供给微生物的能源物质增加，促进微生物生长和酶活性增加，对N素分解释放随之增加。秸秆中的钾绝大部分以离子态形式存在［12］，容易随水流失，粉碎后的秸秆增大整体表面积，K更容易随分水移动而流失。秸秆中P的腐解受酶活性影响较大，特别是磷酸酶。本试验中，原状秸秆P腐解强度比单纯的粉碎秸秆处理高，而加入外源微生物菌剂后，P腐解强度与对照无明显差异，可能是外源菌剂增加一定的微生物种群和数量在一定程度上提高了磷酸酶活性，但具体原因还有待进一步研究。

秸秆的腐熟需要一定特征的微生物群落，本试验选用的腐熟菌剂可能对水稻的腐解并未形成优势群落，虽然能在一定程度增加秸秆干物质腐解量和N、K的释放，但总体效果稍差于农家肥带有的微生物群落，因而选用商品腐熟剂时应对该菌落特征有所了解后慎重采用。

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