低温腐熟土著菌对土壤肥力及秸秆腐熟效果的影响

孟祥海 王佰成 王延锋

摘要 为了明确玉米秸秆还田下低温秸秆腐熟土著菌剂（菌剂A）田间秸秆促腐应用效果，采取小区定位试验和网袋翻埋研究方法，于上茬玉米秋季收获后，原田表面喷施清水（CK）、低温秸秆腐熟菌（菌剂A）和对照腐熟菌剂（菌剂B、菌剂C），采用3种秸秆还田深度（10、20、30 cm），针对玉米秸秆还田后的土壤肥力、秸秆腐解率及秸秆残余物组分含量展开研究。结果表明，不同菌剂在秸秆还田10 cm可显著增加耕层土壤有机质含量，菌剂A效果最佳，分别较菌剂B、菌剂C增加2.72%、2.21%，深层还田20、30 cm土壤肥力各项指标增加不显著，菌剂对土壤肥力优化效果呈现菌剂A>菌剂C>菌剂B，菌剂A和菌剂C能够较好地释放秸秆中的养分，改良土壤，提高地力;菌剂A秸秆促腐熟效果显著好于对照，秸秆降解率提高比率呈先升高再降低的趋势，且以8月份降解率增幅最大;菌处秸秆残余物的粗纤维、半纤维素、全磷和全钾含量与对照相比显著降低，降低幅度分别是6.81%～15.35%、3.53%～23.55%、7.06%～37.04%和21.93%～39.83%。

关键词 玉米秸秆;低温腐熟;土著菌;土壤肥力;腐熟效果

Abstract In order to clarify the corrosion promotion effect of low-temperature decomposed indigenous bacteria （agent A）on field straw，adopting the research methods of plot positioning test and net bag burial， after the autumn harvest of the previous crop of corn， spraying clear water （CK）， low-temperature straw decomposing fungus （microbial agentc A） and control decomposing fungus （microbial agent B， fungus agent C） on the surface of the original field，three depths of straw returning to the field （10， 20， 30 cm） were used to study the soil fertility， straw decomposing rate and the content of straw residues after corn straw returning to the field.The results showed that the different bacteria agent in straw counters-field 10 cm could significantly increase the top layer of soil organic matter content， bacteria agent A had the best effect，increased by 2.72%， 2.211% compared with the bacteria agent B and C respectively，and the deep returning 20 cm， 30 cm each index of soil fertility increase was not significant， bacterium agent to soil fertility optimization results showed bacterium agent A > bacterium agent C > bacterium agent B， bacteria agent A and bacterium agent C could better release the nutrient in the straw， soil improvement， to improve soil fertility.The effect of bactericidal agent A on straw ripening was significantly better than that of the control group， and the increase rate of straw degradation rate showed a trend of first increasing and then decreasing， and the increase rate of straw degradation rate was the largest in August. The contents of crude fiber， hemicellulose， total phosphorus and total potassium in the straw residues were significantly reduced compared with the control group， with the reduction ranges of 6.81%-15.35%， 3.53%-23.55%， 7.06%-37.04% and 21.93%-39.83%， respectively.

Key words Corn stalks;Low-temperature decomposing;Indigenous bacteria;Soil fertility;Decomposing effect

秸稈如何简单和合理利用已经成为困扰农民及政府的一个大难题，传统玉米秸秆多以离田焚烧为主，严重浪费大量农业生物质资源的同时更造成了严重的环境污染[1]。尤其对低山丘陵地块的玉米种植区，玉米秸秆的焚烧也为林区火灾埋下了隐患。玉米秸秆作为一种优质的有机肥源如不能以腐殖质化形式归还土壤，势必降低土壤基础肥力[2]，从而造成作物养分供给失衡，作物产量及品质难以提升。秸秆原位还田是培肥地力、改良土壤、优化土壤环境的主要措施，不仅解决了焚烧秸秆所造成的大气污染，又达到了作物增产提质的作用[3-4]。但由于北方秋冬季气温低等因素，秸秆腐熟速率低[5]，还田效果差，同时严重影响下茬作物的耕作质量[6]。因此，寻找玉米秸秆低温促腐熟的土著复合菌系，明确其最佳使用方法，是有效提高土壤中秸秆降解效果的重要方法。该试验以自主筛选的玉米秸秆低温腐熟土著菌为试验材料，采取定位试验和网袋翻埋调查相结合的研究方法，开展不同秸秆还田深度（10、20、30 cm）下的秸秆腐熟效果试验研究，同时采用市场常规菌剂B和C为对照菌种，明确玉米秸秆低温腐熟土著菌A对土壤肥力的影响、秸秆的促腐熟能力及秸秆残余物养分变化特征，以提高寒地玉米秸秆还田促腐熟效果，实现秸秆腐熟不受低温限制，达到全量还田和增加土壤有机质目的，为寒地玉米种植区秋季秸秆还田促腐熟提供技术指导与理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在黑龙江省牡丹江市温春镇黑龙江省农业科学院牡丹江分院试验地（129°58′E、44°60′N）进行，该区属于中纬度温带大陆性季风气候，年平均太阳辐射总量为502.3 kJ/cm3，海拔250.6 m，年平均气温5.0 ℃，降雨主要集中在6—8月，年平均降雨量500～600 mm，常年农业以旱作农业为主，年平均日照总时数2 295.1 h，无霜期141 d，年平均蒸发总量1 262.3 mm，年平均相对湿度66%，平均活动积温2 300～2 500 ℃·d，属于二、三积温带。土壤类型为草甸土，质地为壤质黏土，田间持水量平均为25.5%，饱和土壤含水量平均为37.2%。容重1.36 g/cm3，有机质33.28 g/kg，全氮1.51 g/kg，全磷0.71 g/kg，全钾2.53 g/kg，碱解氮117.6 mg/kg，速效磷19.2 mg/kg，有效钾235 mg/kg，pH 7.63。

1.2 试验材料

玉米品种为当地适宜品种绿单2号，播种量为25 kg/hm2，株距28 cm，行距65 cm，种植密度为5.5万～6.0万株/hm2。氮肥选用尿素（N46%），磷肥选用磷酸氢二铵（N18%，P2O546%），钾肥选用氯化钾（K2O 60%）。腐熟剂A为自主筛选复合菌系，腐熟剂B为阿姆斯生物公司提供，腐熟剂C为汇邦生物科技有限公司提供。

1.3 试验设计

1.3.1 小區试验。该试验为玉米连作区，采用裂区设计，随机区组排列，共设12个处理，分别为空白对照CK1、CK2、CK3（1、2、3分别代表10、20、30 cm，下同），腐熟菌A1、A2、A3，腐熟菌B1、B2、B3，腐熟菌C1、C2、C3。每小区面积为20.0 m×7.8 m，3次重复，总计36个小区5 616 m2。试验于2019年秋季收获后整地，在玉米收获后，利用6B1404约翰迪尔（六缸）拖拉机和灭茬机（1JH-350型秸秆粉碎还田机），在联合收割机灭茬的基础上，继续将玉米根茬口和未粉碎的秸秆进行二次灭茬，将玉米秸秆粉碎5～10 cm。按照试验处理要求进行菌剂均匀喷施（喷施菌剂的秸秆简称为菌处秸秆），对照处理喷施等量的清水。然后利用7M-2204约翰迪尔拖拉机+德国雷肯液压五铧翻转犁（EurO pa18/5型），将秸秆耕翻埋于不同深度（10、20、30 cm）土层中。

该试验采用秸秆全部还田，试验期间不进行任何灌溉，所有处理的施肥、品种及其他管理措施（耙地、旋地、起垄、播种镇压、除草和防病等）均相同，各处理施肥量为N 160 kg/hm2、P2O5 115 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2，即底肥50 kg/hm2尿素、250 kg/hm2磷酸氢二铵、150 kg/hm2氯化钾，追肥200 kg/hm2尿素。

1.3.2 秸秆腐熟度测定试验。

试验于2020年4—10月在海林市长汀镇秸秆还田示范基地开展，选取粗细与长度接近的完整的玉米秸秆，将其裁成3～5 cm小段。称50 g左右秸秆小段放入尼龙网袋中，准备好试验所需要秸秆样品若干袋（60袋）并进行编号。将编号后的样品置85 ℃下烘干6 h后（要求烘至恒重），准确称重并记录每袋的重量N0。试验设置施用腐熟菌剂（A）和不施腐熟菌剂（CK）2个处理，每处理重复30次;按秸秆还田要求和腐熟菌剂用量喷施菌剂于秸秆表面，并混合均匀，将上述秸秆样品（尼龙网袋）埋入10 cm土层，分别在试验的30、40、50、60 d随机取出样品5袋（每次取样单独记为AN、CKN，N表示第几次取样），4 ℃冰箱存放，样品应在3 d内进行清洗和烘干，称重为NX[7]。

1.4 测定项目及方法

1.4.1

土样采集。不同处理小区选择3块具有代表性的区域，于秋季分别采集耕层0～20 cm土壤混合样品，采用四分法取1 kg进行土样风干和制备。

1.4.2

土壤基础养分含量测定。土壤碱解氮的测定采用碱解扩散法;土壤有效磷的测定采用碳酸氢钠浸提，钼蓝比色法;土壤速效钾的测定采用醋酸铵浸提，火焰光度法;土壤有机质的测定采用重铬酸钾容量法-外加热法。土壤全氮含量采用开氏法测定，全磷和全钾含量采用 NaOH熔融法测定[8]。

1.4.3

秸秆腐熟度（失重率）测定。采用失重率法测定秸秆腐解度。秸秆失重率= （N0-NX）/N0×100%[7]。

1.4.4

秸秆养分含量测定。还田秸秆全氮含量采用凯氏定氮法（硫酸-过氧化氢消煮）测定，秸秆全磷含量采用钼锑抗比色法（硫酸-固体催化剂消煮）测定，秸秆全钾含量采用火焰光度法（硫酸-过氧化氢消煮）测定，秸秆总有机碳含量采用硫酸亚铁滴定法测定[9-10]，秸秆纤维素、半纤维素和木质素含量分别采用酸性洗涤法、HCL水解法、紫外分光光度法测定[11-12]。

1.5 数据处理

试验数据采用Excel软件进行数据初步整理;用SPSS 20软件对试验数据进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 菌处秸秆不同深度还田对土壤肥力的影响

从表1可以看出，同种秸秆还田方式下，与对照相比不同菌剂的喷施对土壤肥力部分指标有一定的提升作用，其中以碱解氮、有机质、全磷和全钾提高最为明显，对其他指标影响规律性不明显。秸秆还田10 cm下，3种菌剂喷施后除有效磷外其他肥力指标均有所提高，A1、B1、C1处理的全氮含量较对照分别提高了8.21%、2.83%、4.46%，全磷含量较对照分别提高了9.98%、6.02%、0.95%，全钾含量较对照分别提高了1.77%、0.48%、1.04%，有机质含量较对照分别提高了5.32%、2.53%、3.03%，碱解氮含量较对照分别提高了7.51%、3.98%、4.09%，速效钾含量较对照分别提高了2.31%、6.34%、12.84%，菌剂效果表现为A1>C1>B1; 秸秆还田20 cm下，3种菌剂喷施后除有效磷和速效钾外肥力指标均有提高，A2、B2、C2处理的全氮含量较对照分别提高了4.42%、2.99%、14.34%，全磷含量较对照分别提高了17.15%、13.47%、21.40%，全钾含量较对照分别提高了10.06%、3.11%、4.30%，有机质含量较对照分别提高了6.65%、3.95%、6.66%，碱解氮含量较对照分别提高了7.54%、6.62%、15.13%，菌剂效果表现为C2>A2>B2;秸秆还田30 cm下，3种菌剂喷施肥力指标中全磷、全钾、有机质、碱解氮均有提高，A3、B3、C3处理的全磷含量较对照分别提高了14.45%、2.99%、6.81%，全钾含量较对照分别提高了6.79%、3.24%、4.95%，有机质含量较对照分别提高了19.83%、16.67%、20.47%，碱解氮含量较对照分别提高了2.94%、5.73%、2.96%，菌剂效果表现为A3可显著提高全磷含量，B3可显著提高碱解氮含量，C3可显著提高有机质含量。

通过上述分析可知，不同菌剂处理下，秸秆还田10 cm时土壤有机质显著高于秸秆还田20、30 cm，提高幅度分别为17.25%、3.84%，说明秸秆表面还田有助于增加耕层土壤有机质含量。还田深度10 cm下，菌剂A提高有机质含量显著好于菌剂B和C，增加幅度分别为2.72%、2.21%，深层还田增加不明显。3种菌剂的不同秸秆还田方式均可以提高耕层土壤全磷、全钾、有机质、碱解氮含量，其中秸秆浅层还田时菌剂A效果最佳，深层次秸秆还田时菌剂C效果最佳。土壤有机质是土壤中各种营养元素特别是氮、磷的重要来源，能吸附较多的阳离子，使土壤具有保肥力和缓冲性，是土壤肥力的重要指标之一[13-14]。故处理A1和C2可以显著地提高土壤肥力，表明低温土著复合菌剂A与对照菌剂C能够较好地释放秸秆中的养分，改良土壤，提高地力。

2.2 菌处秸秆还田后秸秆腐熟效果比较

作物秸秆在一定条件下经过微生物等的综合降解作用，其所含的有机物逐步被分解，秸秆重量亦逐渐降低[7，15]。通过测定秸秆失重率就能反映其腐解程度并由此进行秸秆腐熟剂效果的比较和评价[7]。4月23日将装有秸秆与土壤混合样品的网兜埋入土壤，由于春季，降雨量偏少，土壤耕层含水量不足15%，故第1次取样时间延迟至7月18日，从表2可以看出，经过菌剂A处理的秸秆降解率为50.74%，比喷施清水的对照处理（49.85%）降解率提高了1.79%，但差异性不显著。8月18日和9月18日的喷施菌剂A的秸秆降解率分别为68.80%、67.95%，显著高于同时期对照处理（56.15%和60.69%），分别显著提高22.53%、11.96%，10月18日喷施菌剂A的秸秆降解率达到最高（77.66%），极显著高于同时期对照处理（P<0.01），降解率提高了10.61%。

2.3 菌处秸秆残余物养分含量变化

在秸秆降解率试验同时，按照上述的4个取样时间对残余的秸秆段进行了养分测定，残余秸秆的养分含量越少，说明被微生物降解得越好，而进入土壤中的养分越多，土壤肥力提升效果越明显。从表3可以看出，秸秆埋入土中86 d后，经菌剂A处理的秸秆养分中全磷、全钾、粗纤维、半纤维素和木质素含量显著低于对照处理且分别降低了13.72%、39.83%、8.07%、15.34%和23.52%，说明菌剂对全磷、全钾、粗纤维、半纤维素和木质素的降解效果较好，但对全氮和总有机碳含量降解效果不佳。

秸秆埋入土中117 d后，经菌剂A处理的秸秆养分中全氮、全磷、全钾、粗纤维、半纤维素含量均低于对照处理，分别降低了6.09%、37.03%、21.94%、6.81%和23.55%，说明菌剂对全氮、全磷、全钾、粗纤维、半纤维素的降解效果较好，但对木质素和总有机碳含量降解效果不佳。

秸秆埋入土中148 d后，经菌剂A处理的秸秆养分中全磷、全钾、粗纤维、半纤维素含量均低于对照处理，分别降低了7.06%、27.92%、15.35%和4.50%，说明菌剂对全磷、全钾、粗纤维、半纤维素的降解效果较好，但对全氮、木质素和总有机碳含量降解效果不佳。

秸秆埋入土中179 d后，经菌剂A处理的秸秆养分中粗纤维、半纤维素、木质素和总有机碳含量均低于对照处理，分别降低了8.75%、3.53%、5.81%和2.49%，说明菌剂对粗纤维、半纤维素、木质素和总有机碳的降解效果较好，但对全氮、全磷、全钾含量降解效果不佳。

3 讨论

3.1 菌处秸秆不同深度还田对土壤肥力的影响

该研究结果表明，秸秆表面还田有助于增加耕层土壤有机质含量，即还田深度10 cm时土壤有机质显著高于秸秆还田20、30 cm，其中菌剂A提高有机质含量显著好于菌剂B和C，增加幅度分别为2.72%、2.21%，此时菌剂对土壤肥力优化效果表现为A1>C1>B1，即自主筛选的秸秆低温腐熟菌田间促腐熟效果显著好于对照菌剂;而秸秆还田深度大于20 cm时，菌剂A优化土壤肥力效果不明显，菌剂C效果较好。同种秸秆还田方式下，与对照相比不同菌剂的喷施对土壤肥力部分指标有一定的提升作用，其中以碱解氮、有机质、全磷和全钾提高最为明显，对其他指标影响规律性不明显，这与田平等[16-17]的研究结果一致。

3.2 菌处秸秆还田后秸秆腐熟效果的比较

该试验结果显示，低温秸秆腐熟菌剂（菌剂A）促腐熟效果显著好于对照，秸秆降解率提高比率呈先升高再降低的趋势，且以8月份降解率增幅最大。菌剂A的秸秆降解率为50.74%～77.66%，噴施清水的对照处理秸秆降解率为49.85%～70.21%，菌剂A相比对照处理降解率显著提高了0.89～7.45百分点，即秸秆降解效果显著，8—10月正是高温、高湿的季节，菌剂A表现出较强的秸秆分解能力。由于这部分试验秸秆还田深度是5～10 cm，因此证明菌剂A在秸秆表层还田时喷施秸秆促腐熟效果较好，这也正是秸秆还田10 cm时土壤肥力显著提高的原因，这与冯长城等[18]的研究结果一致。

3.3 菌处秸秆残余物养分含量变化

玉米秸秆的主要物质组成是粗纤维、半纤维素、木质素和总有机碳，占秸秆总量的91.24%，而8—10月是秸秆降解的高峰期，此时温度和降雨条件适宜微生物的生存。由所测定的数据分析后得知，秸秆残余物的粗纤维和半纤维素含量是逐渐降低的（7—10月），同比对照秸秆养分减少率分别为6.81%～15.35%、3.53%～23.55%。而秸秆残余物的全磷和全钾含量于7—9月逐渐降低的，同比对照秸秆养分减少率分别为7.06%～37.04%、21.93%～39.83%，这与该试验中菌处秸秆对土壤肥力指标的影响结果相符。秸秆残余物中其他组分降解率并未呈递增趋势，规律不明显，这可能与秸秆物质组分分布不均有关，也可能是对该组分的降解率不明显，具体有待进一步深入分析。

4 结论

菌剂A（玉米秸秆低温腐熟菌）秸秆还田10 cm可显著增加耕层土壤有机质含量;菌剂A秸秆促腐熟效果显著好于对照，秸秆腐熟度提高比率呈先升高再降低的趋势，且在8月份增幅最大;菌剂A处理后的秸秆残余物的粗纤维、半纤维素、全磷和全钾含量与对照相比显著降低，表明菌剂A能够较好地释放秸秆中的养分，改良土壤，提高地力，而深还田效果不理想。

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