玉米秸秆还田及腐熟剂对小麦产量、土壤微生物数量和酶活性的影响

陈士更，宋以玲，于建，肖承泽，李玉环，丁方军*，张民

(1.土肥资源高效利用国家工程实验室，山东农业大学资源与环境学院，山东 泰安 271018；2.农业部腐植酸类肥料重点实验室，山东农大肥业科技有限公司，山东 泰安271600)

农作物秸秆是农业生产过程中产生的废弃物，但秸秆中含有大量作物生长所必需的氮、磷、钾等中、微量元素和有机质等多种营养物质[1]。目前我国秸秆产量居世界之首，但利用率低，主要通过随意丢弃或就地焚烧的方式处理，即浪费资源又污染环境[2-3]。为了减少资源浪费，实现养分循环利用，国家开始大力推行秸秆还田政策。目前已有研究表明，秸秆还田后可在土壤微生物作用下不断腐解,养分逐步释放到土壤中。秸秆深层还田还能有效避免营养元素的挥发，提高土壤养分含量，培肥土壤，改善作物生长的农田生态环境，为高产稳产打下良好基础[4-6]。此外，大量研究发现冬小麦-夏玉米轮作地区，秸秆还田不但提高了耕层土壤养分含量，还提高了土壤细菌、真菌和放线菌数以及土壤脲酶、磷酸酶和脱氢酶等活性[7-9]。然而，如果秸秆未经腐熟处理直接还田，会导致土壤过分松弛，肥效缓慢，化感物质、重金属和抗生素积累，影响种子发芽、生根；同时，秸秆中的虫卵和病原菌直接进入土壤，导致病虫害风险加重进而影响下茬作物的生长[10-12]。有机物料腐熟剂不但能加速秸秆等有机废弃物腐熟，还能促进土壤中有机质、氮、磷、钾等营养元素转化为作物容易吸收的形态，同时加速土壤中有益微生物的生长繁殖，减轻有害病原菌的侵染，提高作物抗逆性。因此，有机物料腐熟剂是一种对农作物秸秆还田有良好辅助作用的物质[13-15]。黄秋玉等[16-17]研究发现，腐熟剂能促进水稻秸秆前期快速分解，加快秸秆内养分释放，促进水稻植株生长，提高有效穗数、稻穗长度和结实率，进而显著提高产量。我国玉米种植面积大，随着机械化的大力推行，玉米收获后直接粉碎还田面积逐渐增多，但由于玉米秸秆的角质层较厚、粉碎度不均一、腐熟慢等特点，影响了后期的耕作及农艺操作，因而限制了其大面积推广和应用。本试验以济麦22为原料，探究玉米秸秆还田配施有机物料腐熟剂对其产量及土壤生物学和理化性状的影响，为有效利用玉米秸秆提供切实可行的途径及技术支持。

1.材料与方法

1.1供试材料

供试小麦品种：济麦22号；供试肥料：农大肥业科技有限公司微生物肥料车间提供的有机物料腐熟剂(水分质量分数28%)和复合肥车间提供的复合肥，各肥料特性详见表1。

表1 供试肥料的基本特性Table 1 The characteristics of fertilizer for test

1.2 试验设计

玉米秸秆机械粉碎后全量还田，秸秆中全氮 8.59 g/kg，全磷2.65 g/kg，全钾13.43 g/kg，有机质736.54 g/kg。供试土壤的基本理化性状：碱解氮 50.38 mg/kg，有机质9.76 g/kg，全氮0.91 g/kg，有效磷13.15 mg/kg，速效钾89.16 mg/kg。试验共设3个处理，各处理详见表2，每个小区50 m2，有机物料腐熟剂与复合肥一起均匀撒施到地表，翻地时同打碎的秸秆和肥料一起翻压到地下，种植后统一管理。

表2 试验设计Table 2 Experiment design

1.3 测定项目与方法

1.3.1 产量的测定

收获时小区取样测定每公顷穗数、穗粒数、千粒重，根据所取植株总产量折合亩产。

1.3.2 土壤各项指标测定

1.3.3 数据处理及分析方法

采用Excel 2003软件处理数据和绘表，采用DPS 7.05软件进行统计分析，采用最小显著极差法(LSD)进行差异显著性检验(P< 0.05)。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田配施腐熟剂对小麦产量的影响

由表3可知，秸秆还田提高了小麦穗数和穗粒数，且配施腐熟剂处理(T2)的小麦穗数被进一步提高，而穗粒数却有所降低，但与仅秸秆还田(T1)相比，差异不显著；与CK相比，T1和T2的千粒重显著提高了3.45%和18.96%，产量显著提高了10.33%和13.46%，以上结果表明秸秆还田配施有腐熟剂主要通过提高有效分蘖数和籽粒重来提高产量。

表3 不同处理对小麦产量的影响Table 3 Effects of different treatments on wheat yield

注: 同列数据后不同小写字母表示经 LSD 检验在 P < 0.05 水平上差异显著。

2.2 秸秆还田配施腐熟剂对土壤pH、电导率和容重的影响

由表4可知，秸秆还田提高了土壤pH和土壤电导率，添加腐熟剂后土壤pH和电导率又有所降低，但pH仍显著高于CK，而电导率降到了CK以下，同时降低了土壤容重。与CK相比，T1和T2的容重均显著降低了14.58%和13.89%，这表明秸秆还田有利于提高土壤孔隙度和通气性，进而提高土壤的保水保肥性。此外，配施腐熟剂还可进一步降低土壤电导率，减少因秸秆还田而带入的可溶性盐分含量，以维持土壤正常的电位平衡。

表4 不同处理对土壤pH电导率和容重的影响Table 4 Effects of different treatments on soil pH,EC and bulk density

注: 同列数据后不同小写字母表示经 LSD 检验在P< 0.05 水平上差异显著。

2.3 秸秆还田配施腐熟剂对根际土壤微生物的影响

由图1可知，各处理根际土壤细菌与放线菌数远高于根际土壤真菌数，秸秆还田和配施腐熟剂均显著提高了根际土壤细菌和放线菌数，与CK相比，细菌数提高了10.80%和23.91%，放线菌数提高了20.60%和8.40%，且T2处理的真菌数显著降低了23.58%，而T1处理与CK间差异不显著。以上结果表明，秸秆还田配施腐熟剂对根际土壤微生物的组成较仅秸秆还田效果明显，因此秸秆还田配施腐熟剂可通过改变根际微生物的组成和数量来改善根际微域环境，活化根际营养，减轻病原菌的生长和侵染，进而促进根系伸展，提高植物的抗逆性。

图中不同小写字母表示经LSD检验在P <0.05 水平上差异显著。图1 不同处理对根际土壤微生物的影响Fig.1 Effects of different treatments on microorganisms in rhizosphere soil

2.4 秸秆还田配施腐熟剂对土壤酶活性的影响

由表5可知，与CK相比，仅秸秆还田显著提高了土壤脲酶活性，同时也一定程度地提高了土壤中性磷酸酶和蔗糖酶活性，对土壤过氧化氢酶和脱氢酶的影响较小；秸秆还田配施腐熟剂后土壤脲酶、过氧化氢酶、脱氢酶、中性磷酸酶和蔗糖酶分别显著提高了35.23%、5.00%、16.13%、31.78%和9.68%，与仅秸秆还田相比，除蔗糖酶外，其余酶活性分别显著提高了22.68%、7.45%、17.07%和26.24%。以上结果表明，秸秆还田配施腐熟剂对土壤酶活性的影响较仅秸秆还田明显，因而能加速秸秆的分解腐熟以及秸秆和土壤中有效养分的释放，最终提高土壤供肥能力。

表5 不同处理对土壤酶活性的影响Table 5 Effects of different treatments on soil enzyme activities

注: 同列数据后不同小写字母表示经 LSD 检验在P< 0.05 水平上差异显著。

2.5 秸秆还田配施腐熟剂对土壤养分含量的影响

由表6可知，秸秆还田提高了土壤碱解氮、全氮、速效钾、有效磷和有机质含量，且有效磷达到显著水平。配施腐熟剂后进一步提高了土壤各养分含量，与CK相比，分别显著提高了7.60%、25.29%、27.49%和36.04%，有机质含量也提高了4.47%。此外，秸秆还田和配施腐熟剂处理的碱解氮、速效钾和有效磷分别比CK提高了1.59 mg/kg和4.44 mg/kg、13.66 mg/kg和45.00 mg/kg以及3.01 mg/kg和5.29 mg/kg。以上结果表明，秸秆还田对速效钾的提高量远大于碱解氮和有效磷，这是因为秸秆本身的钾含量高于氮、磷含量，因此秸秆还田腐熟后释放出了较多的有效钾，且添加腐熟剂后加速了秸秆的腐熟和土壤中有效养分的活化，因而土壤中有效养分含量高于仅秸秆还田处理。秸秆还田提高了土壤有机质的原因可能是秸秆中含有大量的碳源，并且腐熟剂中微生物的代谢活动加速了秸秆中碳水化合物的转化。此外，碳源主要提供能量，目前整个土壤环境中的能量和养分平衡失调，能量缺乏现象严重，因此秸秆还田均衡了土壤的能量与养分，进而加速了微生物的繁殖代谢，提高了养分的转化和利用率，最终提高了小麦的产量。

表6 不同处理对土壤养分含量的影响Table 6 Effects of different treatments on soil nutrient content

注: 同列数据后不同小写字母表示经 LSD 检验在P< 0.05 水平上差异显著。

3 讨论与结论

土壤酸碱度和电导率与肥料种类、施肥方式、土壤微生物的代谢以及作物根系分泌物等因素息息相关，本研究发现秸秆还田提高了土壤pH和电导率，配施腐熟剂后土壤pH和电导率又有所降低，这可能是秸秆还田时带入了本身含有的部分可溶性盐离子，腐熟过程中不断向土壤中释放，因而提高了土壤电导率。此外，根际环境的改变又会影响到根系的分泌和根际微生物的活性及代谢分泌，进而影响到根际土壤酸碱度。配施腐熟剂可提高根际有益微生物数量，促进微生物分泌，增强根际土壤缓冲能力，因而对根际土壤pH和电导率的影响较仅秸秆还田小。与对照相比，秸秆还田及配施腐熟剂后土壤容重显著降低了14.58%和13.89%，此结果与刘晓霞等[21-22]的研究结果相似，这表明秸秆还田有利于提高土壤疏松度，改善土壤孔隙度和通气性，提高土壤的保水保肥性，利于作物根系呼吸和伸展，进而通过提高小麦有效分蘖数、穗粒数和千粒重来提高小麦产量。Bai等[23]发现，长期全量秸秆还田可提高小麦-玉米轮作条件下的产量和钾素循环利用率。Chen等研究也表明,在旋、深耕结合条件下，秸秆还田可提高氮素利用率和小麦产量[24]。

土壤微生物组成直接影响土壤的生物学特性、土壤养分转化以及土壤团粒的结构的形成，然而微生物的生长繁殖又会受土壤结构、水肥状况和通气情况等因素的影响[25]。本研究发现秸秆还田降低了土壤容重，提高了土壤通气性，同时影响了土壤酸碱度和电导率，进而影响了土壤微生物的繁殖代谢。与对照相比，秸秆还田和配施腐熟剂处理的根际细菌数显著提高了10.80%和23.91%，放线菌数显著提高了20.60%和8.40%，此结果与前人所研究的棉花、玉米和大豆秸秆还田对根际土壤细菌和放线菌数的影响结果相似[26-27]。徐一兰等[28]研究发现，秸秆还田配施化肥提高了土壤微生物群落的多样性和丰富度。此外，冀保毅等[29]发现深耕配施玉米秸秆还田更有利于土壤微生物数量的增加，这表明土壤微生物数量的变化会同时受秸秆还田方式、配施肥料种类和土壤类型等条件的影响。本研究还发现秸秆还田配施腐熟剂在显著提高根际细菌和放线菌数的同时降低了真菌数，且对根际土壤微生物的组成和数量上较仅秸秆还田效果明显。高大响等[30]在水稻秸秆还田配施有机物料腐熟剂的研究中发现了类似的结果，这是由于腐熟剂本身含有大量芽孢杆菌类和曲霉类等有益细菌型和真菌型微生物，这些微生物施入土壤后在根际定殖、环境适宜的条件下大量繁殖，形成优势群落，通过竞争作用和产生一些有机活性物质来杀死土壤中的病原真菌和细菌，减轻病原菌的生长和侵染，改善根际微域环境，活化根际营养，促进植物生长，提高植物抗逆性，最终提高产量和品质。

土壤酶主要来源于土壤微生物，其活性与土壤微生物的种类和数量密切相关。本研究发现，秸秆还田和秸秆还田配施腐熟剂均提高了土壤脲酶、中性磷酸酶、蔗糖酶、过氧化氢酶和脱氢酶活性，这与刘艳慧等[26]所研究结果相似。陶波等[31]研究发现大豆秸秆还田处理土壤脲酶、蔗糖酶和脱氢酶活性均高于未还田处理，黄容等[32]发现秸秆还田与不同比例的化肥减量配施均能提高土壤脲酶、过氧化氢酶和磷酸酶活性。此外，本研究还发现秸秆还田配施腐熟剂对土壤酶活性的影响较仅秸秆还田明显，这可能是配施腐熟剂加速了玉米秸秆中有机物和纤维素等大分子物质的分解，提高了土壤C/N，在氮源充足的条件下，加速了碳源(能源)的供给，因此土壤微生物的数量和代谢能力会随土壤碳源的增加而增加[33]。此外，秸秆和腐熟剂本身含有大量与纤维素降解有关的有益微生物，施入土壤后在植物根际定殖，环境条件适宜时开始大量繁殖代谢，以提高根际土壤微生物的总量及分泌能力，进而提高包括土壤酶在内的分泌物量[34]，增强土壤酶活性。随着土壤酶活性的提高又可加速秸秆的腐熟分解和土壤养分的活化、释放，提高土壤有机碳和养分含量[35]，在提高土壤供肥能力的同时，持续不断地为微生物的繁殖代谢提供能量和营养。本研究同样发现，秸秆还田提高了土壤有效养分及有机质含量，且配施腐熟剂的效果更明显。

综上所述，秸秆还田配施腐熟剂可通过优化根际土壤微生物数量和结构来加速秸秆的腐熟降解，同时提高土壤酶活性，促进土壤养分活化和释放以及土壤有机碳的形成。此外，土壤微生物的代谢分泌促进了土壤团粒结构的形成，改善了土壤pH和电导率，改善了小麦根际生长环境，促进根系对矿质营养和水分的吸收，提高小麦的有效分蘖数、穗粒数和千粒重。与秸秆未还田相比，秸秆还田和秸秆还田配施腐熟剂的小麦产量分别显著提高了10.33%和13.46%，因此，秸秆还田配施腐熟剂是一项值得推广和应用的关键技术。

参考文献：

[1]WANG Y J，BI Y Y ,GAO C Y.The assessment and utilization of straw resources in China[J].Agricultural Sciences in China,2010,9(12): 1807-1815．

[2]曹稳根,高贵珍,方雪梅,等．新型户用下吸式秸秆气化炉的研究与应用[J]．安徽农业科学,2008,36(30):13328-13329．

[3]张启元.无人机航摄技术在高原峡谷区水利工程中的应用[J]．青海师范大学学报 (自然科学版),2013,29 (3) :65-68.

[4]杨宪龙,路永莉,同延安,等.长期施氮和秸秆还田对小麦-玉米轮作体系土壤氮素平衡的影响[J].植物营养与肥料学报,2013,19(1): 65-73.

[5]李纯燕,杨恒山,萨如拉,等.不同耕作措施下秸秆还田对土壤速效养分和微生物量的影响[J].水土保持学报,2017,31 (1):197-201.

[6]王喜艳,张亚文,冯燕,等.玉米秸秆深层还田技术对土壤肥力和玉米产量的影响研究[J].干旱地区农业研究,2013,31 (6):103-107.

[7]赵亚丽,郭海斌,薛志伟,等.耕作方式与秸秆还田对土壤微生物数量、酶活性及作物产量的影响[J].应用生态学报,2015,26(6):1785-1792.

[8]路怡青,朱安宁,张佳宝,等.免耕和秸秆还田对土壤酶活性和微生物群落的影响[J].土壤通报,2014,45(1):85-90.

[9]韩錦泽,匡恩俊,迟凤琴,等.秸秆深还田对土壤微生物特征及其影响因素的研究[J].土壤通报,2016,47(5):1154-1161.

[10]张雅洁,陈晨,陈曦,等.小麦-水稻秸秆还田对土壤有机质组成及不同形态氮含量的影响[J].农业环境科学学报,2015,34(11):2155-2161.

[11]李洪林,刘凤艳,龚振平,等.稻秆还田对水稻主要病害发生的影响[J].作物研究,2012,26(1): 7-10.

[12]MacDONALD L M,FARRELL M,van ZWIETEN L,et al.Plant growth responses to biochar addition: An Australian soils perspective[J].Biology and Fertility of Soils,2014,50(7): 1035-1045.

[13]曾金寿,刘国华,潘冬平,等.不同秸秆腐熟剂在晚稻上的应用效果研究[J].现代农业科技,2010 (5):25-26.

[14]姚绘华.秸秆腐熟剂对秸秆腐熟度的影响研究[J].现代农业科技,2012(19):209.

[15]林志南,罗金保,曾九苟,等.秸秆腐熟剂处理还田稻草效果研究[J].现代农业科技,2012(3):109-112.

[16]黄秋玉,王才仁,袁箬裴,等.早稻秸秆还田配施腐熟剂对土壤理化性状及晚稻生产的影响[J].湖南农业科学,2015 (1):45-47.

[17]陈培党,唐庆,庞统燕,等.水稻秸秆还田及秸秆腐熟剂应用效果研究[J].现代农业科技,2015(2):219.

[18]何绍江,陈雯莉.微生物学实验[M].北京:中国农业出版社,2007: 45-48.

[19]鲍士旦.土壤农化分析[M].北京:中国农业出版社,2005:14-114.

[20]关松荫.土壤酶及其研究法[M].北京:农业出版社,1986:294-297.

[21]刘晓霞,吴东涛,朱伟锋,等.外源添加生物炭对水稻产量和土壤性质的影响[J].浙江农业科学,2016,57(11):1776 - 1779.

[22]韩晓君,张先政.不同作物秸秆腐熟还田对土壤理化性质及作物产量的影响分析[J].安徽农学通报,2013,19 (16):80-82.

[23]BAI Y L,WANG L,LU Y L,et al.Effects of long-term full straw return on yield and potassium response in wheat-maize rotation[J].Journal of Integrative Agriculture,2015,14(12): 2467-2476.

[24]CHEN J,ZHENG M J,PANG D W,et al.Straw return and appropriate tillage method improve grain yield and nitrogen efficiency of winter wheat [J].Journal of Integrative Agriculture 2017,16(8): 1708-1719.

[25]王光华,齐晓宁,金剑,等.施肥对黑土农田土壤全碳、微生物量碳及土壤酶活性的影响[J].土壤通报,2007,38(4) : 661-666．

[26]刘艳慧,王双磊,李金埔,等.棉花秸秆还田对土壤速效养分及微生物特性的影响[J].作物学报,2016,42(7):1037-1046.

[27]刘四义,贾淑霞,张晓平,等.玉米和大豆秸秆还田对黑土微生物量及呼吸的影响[J].土壤与作物,2014,3(3):105-111.

[28]徐一兰,唐海明,程爱武,等.长期施肥对大麦-双季稻种植方式中大麦根际土壤微生物群落功能多样性的影响[J].四川农业大学学报,2017,35(2):144-150.

[29]冀保毅,赵亚丽,郭海斌,等.深耕条件下秸秆还田对不同质地土壤肥力的影响[J].玉米科学,2015,23(4): 104-109.

[30]高大响,黄小忠,王亚萍.秸秆还田及腐熟剂对土壤微生物特性和酶活性的影响[J].江苏农业科学,2016,44(12):468-471．

[31]陶波,王小琴,李相全,等.转基因大豆秸秆还田对土壤酶活性的影响[J].江苏农业科学,2016,44(7):503-505.

[32]黄容,高明,万毅林,等.秸秆还田与化肥减量配施对稻-菜轮作下土壤养分及酶活性的影响[J].环境科学,2016,37 (11):4446-4456.

[33]陈珊,丁咸庆,祝贞科,等.秸秆还田对外源氮在土壤中转化及其微生物响应的影响[J].环境科学,2017,38(4): 1613-1621.

[34]BANDICK A K，DICK R P.Field management effects on soil enzyme activities[J].Soil Biology and Biochemistry，1999,31(11):1471-1479.

[35]WANG X H,YANG H S,LIU J,et al.Effects of ditch-buried straw return on soil organic carbon and rice yields in a rice-wheat rotation system[J].Catena,2015,127: 56-63.