水稻脆性秸秆降解特性及其对土壤团聚体的影响

谢 建，刘 鑫，杨 阳，任 艳，何 丹，姜鸿瑞，叶亚峰，陶亮之，金 青*，吴跃进，张从合，刘斌美*

（1.安徽农业大学生命科学学院，安徽 合肥 230036；2.中国科学院合肥物质科学研究院，安徽 合肥 230031；3.安徽荃银高科种业股份有限公司，安徽 合肥 230088）

随着农业科技的发展，粮食的产量大幅度增加，秸秆是粮食的附属产物，秸秆的数量也在逐年增加。据报道，世界秸秆总产量每年达到约22亿t。我国是粮食生产的大国，在我国每年秸秆总产量约为7亿t，其中水稻秸秆产量约为2亿t［1］。由于秸秆量大韧性强，为了快速清理掉秸秆，很多农户选择就地焚烧，焚烧秸秆产生的CO2、CH4、N2O等温室气体是引起全球变暖的关键因素，焚烧产生的CO、NO、NO2等气体对环境造成巨大的危害。焚烧秸秆不仅对环境造成巨大的危害，而且也是对资源的浪费［2-3］。秸秆的主要成分是纤维素、半纤维素、木质素等，还含有少量的糖、蛋白等［4］。秸秆中含有丰富的碳、氮、磷、钾和中微量元素，所以秸秆还田对于改善农田生态环境、培肥地力、提高作物品质与产量具有非常重要的意义［5］。秸秆还田不仅可有效降低稻田杂草的密度、生物量和多样性，而且会影响农田土壤容重、温度和水分，提高土壤氮、磷、钾和土壤有机质含量［6］。

秸秆还田存在秸秆不易粉碎，粉碎后难降解等难题。培育和推广脆茎水稻品种是破解秸秆还田困难的重要途径。Nagao等［7］在1963年发现的第一个脆茎性状基因bcl，时至今日脆茎突变体已经有50多年的发展历史了。Li等［8］主要研究了bcl突变体细胞壁的组成和结构，bcl基因编码的COBRA相似蛋白通过图位克隆法被鉴定了出来。显性脆杆不育系“中脆A”被彭应财等［9］培育出来。汪海峰等［10］利用脆茎全株水稻作为新的饲料资源用于配合生长肥育猪日粮。近年来，已经有10多个水稻脆茎基因被陆续鉴定［11］，水稻细胞壁的合成和茎秆机械强度形成机理得到部分解释［12］。许学等［13］、刘斌美等［14］利用低能离子束和重离子等物理诱变获得了一系列水稻脆茎突变体，丰富了脆茎突变体的遗传资源。其中脆秆基因cef2表现出时间特异性，在开花后期表达，抗倒伏能力强，不影响产量与品质［15］。利用cef2脆秆基因培育的科辐粳7号已经通过水稻品种审定，对于从品种解决秸秆还田难题提供了材料保障。

本试验通过对科辐粳7号水稻多方面的研究，验证脆茎突变体秸秆的降解优势。由于关于脆茎突变体秸秆降解的研究较少，脆茎突变体秸秆在土壤中降解后对土壤团聚体的相关研究更是少之又少，所以本研究通过不同处理从不同粉碎程度、秸秆降解率、降解后对土壤团聚体的影响几个方面对秸秆降解进行了综合描述，旨在探讨利用水稻脆茎突变体解决水稻秸秆直接粉碎还田的可能性。

1 材料与方法

1.1 试验材料

水稻材料选用科辐粳7号（脆秆品种）和扬粳113（野生型对照），种植于合肥物质科学研究院技术生物与农业工程研究所试验基地（117°18′E，31°52′N），正常栽培和肥水管理。

1.2 试验设计

1.2.1 厌氧降解试验

将成熟后的水稻秸秆收割后，用收割机将收割的秸秆进行打碎，然后将打碎后的秸秆按照长度不同，分成长、中、短3个等级。计算出不同品种水稻秸秆长中短的比例。水稻秸秆的腐解过程采用尼龙网袋培养法。为更好地还原秸秆还田，由收割机粉碎的秸秆分为长中短3类，按照比例混合为6.00 g放入孔径为0.15 mm，长×宽为20 cm×20 cm的尼龙袋，封口后放入底面直径为30 cm、高为40 cm的塑料圆桶中。于桶底部先铺3 cm土壤，把尼龙网袋竖直均匀的放在桶中，网袋周围用土壤填充后，在上方覆盖3 cm土壤，加水使土壤上方维持1 cm水层，于温室中培养。培养时，在每个培养盆中添加尿素，以调整小麦秸秆腐解过程中C/N。一周补水2次，以保持土壤含水量相对恒定。埋入秸秆前先将装好的4种秸秆分别取3个重复作为0 d的培养，然后分别于培养至0.5、1、3、6个月进行采样，测定水稻秸秆残留质量，通过化学法测定纤维素、半纤维素和木质素含量［16-19］。

纤维素降解率=（降解前纤维素总含量-N天纤维素总含量）/降解前纤维素含量

N天纤维素含量=N天纤维素比例×N天秸秆剩余质量

1.2.2 有氧降解试验

选取扬粳113水稻、科辐粳7号2种水稻材料，分别通过空白不加水稻秸秆处理（O）、科辐粳7号秸秆剪段处理（K1）、科辐粳7号秸秆粉碎处理（K2）、扬粳113秸秆剪段处理（Y1）、扬粳113秸秆粉碎处理（Y2）（其中剪段处理为剪至2～3 cm长度秸秆，粉碎处理为小于0.42 mm粉末）5种处理方式（300 g水稻土，800 mL塑料瓶，6 g秸秆）进行培养，定期进行破坏性取样，每个处理3个重复。补加蒸馏水至田间饱和持水量的60%，瓶内放入NaOH吸收瓶进行测定CO2吸收量，无菌封口，保持一定的通透性，置于30℃培养箱中进行培养，期间每隔一周称重补充2次水分，分别于15、30、60 d进行破坏性取样。

1.3 指标测定方法

1.3.1 细胞壁组分含量分析［20-23］

将没有处理过的秸秆，置于地面自然风干，然后将其分成茎、叶、鞘3种。将样品于65℃烘24 h，旋风磨粉碎茎秆后将样品过0.45 mm筛，装入干净样品袋中备用。根据张冬玲等［24］、Van Soest等［25］的方法测定细胞壁组分含量。

1.3.2 生物质降解效率的测定

将分拣好的茎秆、叶鞘、叶片通过化学法测定生物质降解效率。利用不同酸碱预处理及纤维素复合酶酶解测定生物质降解效率［26-27］：

1.3.3 水稳性团聚体测定

水稳性团聚体测定采用萨维诺夫法［28-29］，利用各粒级团聚体数据，计算平均重量直径（MWD）、土壤破坏率（PAD）。

式中，MWD为团聚体平均重量直径（mm）；Xi为团聚体各粒径的平均直径（mm）；Wi为团聚体各粒径的百分含量。

式中，PAD为>0.25 mm团聚体破坏率，DR0.25是通过干筛称重统计>0.25 mm机械稳定性团聚体的含量，WR0.25是通过湿筛称重统计>0.25 mm水稳定性土壤团聚体的含量［30-31］。

1.4 数据处理方法

试验数据采用Excel 2016、Origin 2018软件统计并绘制图表，采用SPSS 19.0进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 秸秆理化性质测定

将科辐粳7号和扬粳113的水稻秸秆进行收割机粉碎。粉碎结果（表1）表明，粉碎后长段秸秆占比最大，粉碎后脆茎突变体科辐粳7号较扬粳113长段秸秆减少了10.4%，中等长度秸秆较扬粳113增加了12.0%，说明突变体较扬粳113更易于粉碎。

表1 不同秸秆粉碎分级 （%）

通过对秸秆中茎秆、叶鞘、叶片中主要成分进行测定与分析，结果（表2）显示水稻中茎秆、叶片、叶鞘中木质纤维素存在微弱差异，其中秸秆茎秆中纤维素含量最低，叶鞘、叶片中含量相对较高。科辐粳7号与扬粳113水稻秸秆相比，纤维素含量显著降低，半纤维素含量显著升高，木质素含量没有显著差异。其中，科辐粳7号纤维素含量与扬粳113相比，在茎秆、叶鞘、叶片中分别降低8.6%、5.1%、6.5%（P<0.05）；半纤维素含量科辐粳7号较扬粳113在茎秆、叶鞘、叶片中分别升高10.1%、6.6%、16.8%（P<0.05）。

表2 茎秆、叶鞘、叶片中木质纤维素含量 （%）

2.2 化学处理酶解

通过对秸秆粉碎处理，利用一定浓度的酸（1%）和碱（1%）处理后进行纤维素复合酶解，通过产糖量计算纤维素的降解率。可以看出酸碱降解科辐粳7号，在茎秆、叶鞘、叶片中降解率都显著高于扬粳113。其中在酸性处理中科辐粳7号的茎秆、叶鞘、叶片中秸秆降解率较扬粳113分别提高了15.11%、5.66%、9.27%（P<0.05）；在碱性降解过程中科辐粳7号的茎秆、叶鞘、叶片中秸秆降解率较扬粳113分别提高了13.18%、12.31%、11.01%（P<0.05）（图1）。

图1 茎秆、叶片、叶鞘酸碱处理酶解的分析

2.3 厌氧降解

秸秆剩余量是表征秸秆降解的最直观指标。试验 分别时隔0.5、1、3、6个月进行 取样。图2可以看出水稻秸秆在降解过程中降解速度有快、慢、快三阶段的特点，后面降解速率基本保持平稳。科辐粳7号在3个阶段的降解速 率分 别 为1.34、0.35、0.54 g/月。扬 粳113降解3阶段速率分别为0.97、0.07、0.49 g/月。可以看出秸秆降解速率快慢顺序为科辐粳7号>扬粳113。

图2 厌氧降解秸秆降解趋势分析

在厌氧降解过程中时隔0.5、1、3、6个月分别取样测定秸秆中成分含量比例，对应秸秆剩余量，计算出不同成分降解率。从表3可以看出时隔1、3、6个月取样，科辐粳7号水稻秸秆纤维素降解率显著高于扬粳113，分别提高了3.34%、3.49%、4.51%（P<0.05）。时隔1、3、6个月取样，科辐粳7号秸秆纤维素降解率显著高于扬粳113，分别提高了2.62%、3.86%、5.84%（P<0.05）。2种水稻在木质素降解率上没有显著差异。

表3 木质纤维素降解率 （%）

2.4 有氧降解

对培养后的土壤进行湿筛和干筛处理。从表4可以看出，土壤在降解15 d时主要分布在1～0.25、0.25～0.053、<0.053 mm范围内，在培养到60 d后土壤粒径分布状况有了明显改善，其中未加入秸秆的处理中粒径<0.053 mm范围土壤含量依旧占据不小的比例，加入秸秆后培养的土壤在粒径<0.053 mm的土壤占比明显降低，1～0.25 mm土壤占比明显增高。土壤团聚体（>0.25 mm）占比用来评价团聚体的质量，提高大团聚体的比例有助于土壤团聚体的稳定性。可以看出在15、30、60 d的处理中科辐粳7号秸秆降解的土壤团聚体含量顺序为K2>Y2>K1>Y1>O。可以看出，在同种秸秆处理中粉碎处理土壤团聚体显著高于剪段处理。在秸秆相同尺寸处理中，科辐粳7号处理的土壤团聚体含量显著高于扬粳113处理的土壤团聚体。

表4 不同时间处理添加不同秸秆湿筛水稳定性团聚体构成 （%）

由图3可以看出随着时间的增长土壤平均重量直径变大。粉碎处理显著优于剪段处理，科辐粳7号与扬粳113相比粉碎和剪段2种处理30、60 d科辐粳7号土壤平均重量直径都显著高于扬粳113处理。剪段处理中，科辐粳7号较扬粳113 MWD值于15、30、60 d分别提高了10%（P>0.05）、14.3%（P<0.05）、17.3%（P<0.05）。粉碎处理中，科辐粳7号较扬粳113其MWD值于15、30、60 d分别提高了19.2%、18.1%（P<0.05）、7.5%（P<0.05），说明加入秸秆后科辐粳7号土壤结构更优良。

图3 土壤平均重量直径分析

从图4可以看出随着时间的增长土壤破坏率逐渐降低，空白对照破坏率最高，剪段处理居中，粉碎处理最低。剪段和粉碎2种处理中科辐粳7号较扬粳113土壤破坏率都有显著性降低。在剪段处理中，科辐粳7号较扬粳113于15、30、60 d处理分别降低11.2%、20.9%、11.5%；粉碎处理中，科辐粳7号较扬粳113于15、30、60 d处理分别降低24.2%、12.0%、23.5%，表明科辐粳7号处理具有更好的水稳定性。

图4 土壤破坏率分析

3 讨论

纤维素是秸秆中含量最高的有机物，是由葡萄糖组成的大分子多糖，不溶于水及一般有机溶剂。通常与半纤维素、果胶和木质素结合在一起组成植物细胞壁，是植物中最难降解的物质之一［32］。木质纤维素的降解是秸秆降解过程中的重要影响因素。酸碱处理酶解试验中可以发现碱性降解速率要优于酸性降解速率，这与陈华等［33］研究结果相一致。科辐粳7号秸秆的茎、叶、鞘中纤维素含量都显著低于扬粳113，半纤维素含量显著高于扬粳113水稻秸秆。通过对茎、叶、鞘分别处理，发现科辐粳7号的秸秆降解速率都显著高于扬粳113水稻。

本研究发现科辐粳7号秸秆较扬粳113水稻更容易粉碎；秸秆厌氧降解过程中降解速率呈现快、慢、较慢的趋势，这与信彩云等［34］研究结果相符。这是由于降解初期降解秸秆中存在少量的蛋白质、糖类等易于降解的物质，当蛋白质、糖类等物质降解到一定程度后就单一进行秸秆中木质纤维素的缓慢降解，伴随着土壤中木质纤维素降解相关酶类的增加，秸秆降解速度稍有加快，待土壤中酶类饱和，秸秆降解速率趋于平缓。试验中科辐粳7号纤维素、半纤维素降解率都显著高于扬粳113。

平均重量直径（MWD）、土壤破坏率（PDA）是评价土壤团聚体稳定性的重要指标。作为表征土壤团聚体粒级分布状况的指标，MWD值越大，土壤团聚体水稳定性越高，土壤结构状况越好。PDA与之相反，其值越小土壤稳定团粒越多，土壤结构状况越好［35-36］。研究结果表明，土壤MWD随时间增加而增大，PDA随时间增加而减小，这与王文鑫等［37］研究相符。由数据分析可以看出剪段处理秸秆MWD和PAD值分别显著低于和高于粉碎处理，科辐粳7号秸秆MWD和PAD值分别显著高于和低于传统扬粳113水稻秸秆，说明秸秆破坏程度、秸秆内部组成成分都是影响秸秆降解速率的重要因素。

秸秆中木质纤维素的组成与秸秆降解速率有着密切的联系。综合以上试验可以解释科辐粳7号秸秆较传统水稻更容易粉碎降解。本试验主要是对于秸秆降解速率以及对土壤团聚体的研究，针对秸秆降解后对土壤酶活性、土壤有机质变化的影响以及间接还田（过腹还田、发酵还田等）［38-40］还有待深入研究。

4 结论

本试验以脆茎突变体科辐粳7号和传统扬粳113水稻秸秆为研究对象，探究科辐粳7号的降解优势。通过对秸秆在有氧、厌氧条件下的降解特性，以及对土壤团聚形成的影响进行研究，结果表明，科辐粳7号秸秆更易于降解、利于团聚体形成，为脆茎突变体解决水稻秸秆直接粉碎还田的可能性提供依据。