低温菌对冬季水稻秸秆发酵腐解特性的影响

关法春，刘 亮，苗彦军，刘会芳，张永锋，吴玉德，贺延国

(1.吉林省农业科学院，吉林 长春 130033；2.西藏农牧学院，西藏 林芝 860000；3 佳木斯大学生命科学学院，黑龙江 佳木斯 154007；4 中水东北勘测设计研究有限责任公司科学研究院，长春 吉林 130061)

东北地区农作物秸秆总量大、密度高，每年均有大量秸秆闲置，处理困难.秸秆还田是物质回流土壤、改善土壤质量的重要途径[1]，但是受东北地区长达半年的冰冻低温等因素影响，秸秆原位直接还田面临腐解程度差、土壤保墒低、病虫害流行等突出问题[2]，致使应用受限.针对东北地区秸秆的巨大规模，应用耐低温生物菌来实现秸秆冬季发酵堆肥后还田，是彻底实现秸秆消纳、培肥土壤的根本途径[3].耐低温菌可以在低温条件下氧化外源物质，从而降低了发酵堆启动温度，但以往有限的低温菌系堆肥研究多主要在菌剂研发[4]、堆肥成分变化[5]、堆肥过程监测[6]等方面，而在高寒地区冬季低温条件下的秸秆低温发酵堆肥，尤其是在东北冬季酷寒条件下的秸秆发酵方面，相关报道则较为有限.

从极端环境中采集耐低温细菌，并进行筛选、鉴定和培养，是培育适合冬季低温下秸秆发酵菌的重要途径.本文以青藏高原极端低温环境下的微生物为主，制成低温生物菌剂，应用于冬季稻田内水稻秸秆的原位堆制发酵，研究水稻秸秆在冬季施用生物菌剂进行低温发酵后的质量和养分变化，明确低温发酵菌剂对冬季水稻秸秆原位低温发酵的腐解效果，并采用投影寻踪方法对不同时期的发酵效果予以量化直观评价，以期提供一条解决高寒地区冬季秸秆原位直接还田腐解困难问题的技术途径.

1 材料与方法

1.1 试验材料

稻草秸秆来自吉林省柳河县姜家店乡蛙田米业公司基地秋收的普通水稻秸秆，未进行任何粉碎和提前加工，供试秸秆共计10 吨.

低温发酵菌系采集地点位于西藏山南地区浪卡子县(29°13'16.5"N 90°20'56.5"E)，海拔高度5016m，从高山石窝下累积的植物半腐解凋落物中分离低温菌系，经筛选、培养后，与市售酵母菌、芽孢杆菌、固氮菌等按一定比例复配制成低温菌剂，

1.2 试验设计

2018 年11 月27 日进行冬季水稻秸秆低温发酵试验(白天气温为-17 ℃).首先将低温发酵菌剂40 kg、稻糠250 kg、红糖30 kg、尿素50 kg 混合，作为发酵底料；然后将水稻秸秆平摊在4 m×8 m 的稻田地面上，边摊秸秆边喷水、边撒入发酵底料，逐层添加，最终使水分达到60 ～65%左右，堆积成长方形发酵垛，覆盖塑料棚膜，完成发酵堆的构建.2019 年1 月10 日翻堆一次，并再次覆盖好塑料棚膜，直至4 月下旬春季整地前发酵试验完成.

分别于2018 年11 月27 日、2019 年1 月26 日和4 月24 日从发酵垛中心随机抽取秸秆发酵样，3 次重复，按照采样时间顺序样品依次编码为A1127、A0126、A0424；将样品自然风干后装袋备测，并按照NYT 2722-2015 中的方法测定秸秆失重率(weight loss rate，WLR).总有机质、全氮、全磷、全钾等成分含量分别按照NY525-2012、NY2542-2014、NY2541-2014、NY2540-2014 标准，委托吉林省农业科学院农业质量标准与检测技术研究所检测中心进行测定；碳氮比(C/N)为秸秆总有机质与全氮的比值.

1.3 数据处理

利用Excel 2003 统计处理数据，SPSS 17.0 单因素方差分析判断差异显著性，置信水平95%；对水稻秸秆发酵各指标进行综合性的量化评价采用投影寻踪模型进行评判，其具体建模步骤参见文献[7]和文献[8].

2 结果与分析

2.1 低温发酵对秸秆养分含量的影响

随着秸秆低温发酵时间的延长，水稻秸秆的总有机质含量逐渐呈现降低的趋势(见表1).2018 年11月27 日、2019 年1 月26 日和4 月24 日三次取样的总有机质平均含量分别为56.47%、54.97%和50.93%，不同时期测定结果间差异极显著(P ＜0.01，n=3).说明低温发酵对秸秆总有机质含量影响显著.

而水稻秸秆全氮、全磷和全钾则随着秸秆低温发酵时间的延长，呈现逐步增加的趋势(见表1).2018年11 月27 日、2019 年1 月26 日和4 月24 日，三次取样时期的全氮平均含量1.26%、1.26%和2.78%，全磷平均含量0.27%、0.31%和0.43%，全钾平均含量3.91%、4.18%和5.29%，上述全氮、全磷和全钾指标不同时期测定结果间差异极显著(P ＜0.01，n=3).

表1 秸秆养分含量指标Table 1 Nutrient content index of straw

2.2 低温发酵对秸秆失重率和碳氮比的影响

图1 低温发酵过程中的秸秆失重率和碳氮比变化A:秸秆失重率；B:碳氮比Fig.1 Weight loss rate and C/N ratio of straw during low-temperature fermentation

低温发酵的不同阶段，水稻秸秆的失重率差异明显(见图1-A).取样秸秆腐解速度较慢，1 月26 日取样测定的秸秆失重率仅为11.53%，发酵结束后，水稻秸秆的失重率为58.26%，不同时期测定结果间差异极显著(P≤0.01，n=3)水稻秸秆载发酵后单位体积密度大幅减少.经过5 个月的发酵后，水稻秸秆的平均失重速度为11.65%/月.

C/N 比反映了秸秆腐解的基本特征，是堆肥质量和腐熟程度的常用指示因子之一.从结果来看(见图1-B)，2018 年11 月27 日、2019 年1 月26 日和4 月24日三次取样的碳氮比平均数值为44.82%、31.84%和18.34%，不同时期测定结果间差异极显著(P ＜0.01，n=3).

2.3 秸秆C/N 比与失重率的相关性分析

随着发酵进程，秸秆失重逐渐增加而秸秆秸秆C/N 比则逐步降低，C/N 比与其失重率呈极显著负相关(r=-0.947，P ＜0.01)，说明秸秆发酵过程中，其失重率越大，秸秆C/N 比则越低.

2.4 不同时期水稻秸秆发酵的综合质量量化评价

以总有机质、碳氮比、全氮、全磷、全钾、失重率等六个指标，建立水稻秸秆发酵的综合质量量化评价指标体系，其中对于全氮、全磷、全钾、失重率等指标采用公式(1-a)归一化处理，对有机质、碳氮比指标采用公式(1-b)进行归一化处理[7-8].

采用MATLAB 6.5 软件编程处理数据，选定父代初始种群规模为n=400，交叉概率pc=0.80，变异概率pm=0.80，优秀个体数目选定为20 个，α=0.05，加速次数为20，得出最大投影指标值为:0.3976，各个状态变量的最佳投影方向a∗=(0.0344，0.4432，0.4494，0.4645，0.4577，0.4185)，将a∗代入式(2)，即得各样本综合评价的函数投影值z∗(j) =(0.0344，0.6534，2.2644)(见图2).

图2 不同时期水稻秸秆发酵综合质量函数投影值Fig.1 Projection values of fermentation quality of rice straw at different periods

水稻秸秆发酵的综合质量量化评价结果表明(图2)，不同时期水稻秸秆发酵的综合质量之间差异非常明显，随着发酵时间的延长，水稻秸秆发酵综合质量函数投影值逐渐提高，A1127、A0126 和A0424 秸秆发酵质量的函数投影值大小依次为为0.0344、0.6534 和2.2644，A0424 的函数投影值分别比A0126和A1127 高1.6110 和2.2300.

3 讨论

在高寒高海拔环境中孕育的低温微生物往往比中温、嗜热微生物发挥更有效的作用[9].本试验低温生物菌采集自海拔五千米以上砾石密布、植被稀疏的临近雪线区，其耐低温细菌对低温抗性强，将其筛选并扩繁后构建低温生物菌群，低温生物菌可将秸秆分解、转化成小分子有机物质，并释放CO2及大量热量[10]，直接导致秸秆失重率的提高，并为后续其他生物菌的萌动和扩繁奠定养料和温度基础，从而启动整个秸秆堆的发酵进程，秸秆中木质素、纤维素和半纤维素等成分在分解过程中大量转化成CO2等气体释放，秸秆失重率增加，秸秆总有机碳含量下降，而全氮、全磷、全钾浓度上升，进而秸秆C/N 比减低，这与以往研究结果相似[11-12].

C/N 比是衡量秸秆腐熟程度的关键指标，本试验堆肥后期水稻秸秆C/N 比稳定后，其C/N 比平均值为18.34%，一般认为C/N 比为15 ～20 时堆肥腐熟[13-14]，可以认为本试验的水稻秸秆经过冬春5 个月的低温发酵后，已经可以腐熟还田.秸秆中难分解的物质、木质素、纤维素等含量较高，而氮素含量有限，以致C/N 比较高，限制了秸秆的分解和利用[15].在本试验中C/N 比与失重率呈极显著负相关，说明水稻秸秆在低温生物菌剂发酵过程中失重逐渐增加而C/N 比逐渐降低，这在其他同类研究中也得到类似结果[16].

综合水稻秸秆发酵质量各指标来看，通过投影寻踪模型对不同时期水稻秸秆发酵的综合质量进行量化评价，能够准确反映出不同时期水稻秸秆发酵的综合质量，其结果更加直观.

4 结论

在整个发酵过程中，水稻秸秆的平均失重速度为11.65%/月；随着秸秆低温发酵时间的延长，水稻秸秆的总有机质含量逐渐呈现降低，而水稻秸秆全氮、全磷和全钾则逐步增加，不同时期的总有机质、全氮、全磷和全钾指标，结果之间差异极显著(P ＜0.01，n=3)；试验末期测得水稻秸秆C/N 比为18.34%，达到腐熟标准；同时C/N 与失重率呈极显著负相关(r=-0.947，P ＜0.01).不同发时期水稻秸秆发酵的综合质量投影值的量化分析结果也表明，A0424 秸秆发酵综合质量最好，其函数投影值为2.2644，远远高于A0126 和A1127 的函数投影值0.6534 和0.0344.低温生物菌剂对水稻秸秆的冬季发酵取得了良好的应用效果，这对于东北高寒地区低温时节的秸秆快速腐解具有重要价值.