大球盖菇—玉米轮作对秸秆降解、土壤理化性质、作物产量及经济效益的影响

刘高远，和爱玲，杜 君，薛广原，杨焕焕，杨占平，潘秀燕，许纪东，张玉亭

（1. 河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所，河南郑州 450002；2. 遂平县农业科学试验站，河南遂平 463199）

秸秆是宝贵的可再生资源[1]。据统计，2017 年我国玉米、水稻、小麦三大粮食作物秸秆资源量分别为37.2亿、19.1亿、14.7亿t，共占全国秸秆资源总量的84.8%[2]。秸秆还田降解后能够改善耕层土壤结构[3‑4]、提高土壤养分含量[5]、增加土壤微生物多样性[6]及促进作物养分吸收[7‑8]。然而，受气候因素和土壤类型的制约，大田条件下秸秆降解率普遍较低，尤其是在低温干旱区[9]。秸秆降解率低不但达不到培肥效果，而且还会破坏耕层土壤结构，导致下茬作物出苗率降低[10‑11]；同时，残留秸秆能够为病原菌提供良好的越冬场所，加重下茬作物病害的发生[12]。因此，解决秸秆降解率低的问题是促进秸秆资源化利用及土壤肥力提升的重要环节。

大球盖菇(Stropharia rugosoannulata)又名赤松茸，属于担子菌门、层菌纲、伞菌目、球盖菇科、球盖菇属，其子实体中含有多种营养成分(粗蛋白质、氨基酸等)，是联合国粮农组织推荐的主要草腐食用菌品种之一[13]。大球盖菇具有较强的环境适应性、抗杂菌能力[14]，能够以作物秸秆为培养料直接进行种植[15‑16]，并在菌丝生长过程中分泌多种木质纤维素降解酶(β-葡萄糖苷酶、纤维素酶、漆酶等)，促进秸秆养分转化与释放[17]。大球盖菇与其他作物种植相结合是解决秸秆问题的一种有效途径。研究表明，大球盖菇与玉米、草莓、水稻等作物轮作能够促进秸秆中纤维素与木质素的降解，增强土壤酶活性，提高养分库容量与速效养分含量，进而提高作物产量与经济效益[18‑23]；大球盖菇与柑橘、玉米、小麦等作物间作、套作能够提高土壤养分库容量及活性有机碳含量，降低土壤容重、增加土壤孔隙度，调节土壤pH 值，进而提高作物产量与经济效益[24‑27]。然而，由于种植模式、培养料配方的差异，大球盖菇与其他作物轮作、套作、间作对秸秆降解及土壤性质的影响也存在很大差异，其内容仍需进一步研究[28‑30]。

河南是农业大省，秸秆资源极其丰富。在三大粮食作物秸秆中，玉米秸秆降解难度较高且引发的生产问题也较多，加之冬季气温低、干旱少雨，严重影响了秸秆降解。目前，关于河南省利用秸秆种植大球盖菇的报道相对较少，且集中在设施大棚内[31]、林下[32]，缺乏与其他作物轮作的相关报道。为此，以河南省小麦—玉米轮作为对照，分析大球盖菇—玉米轮作(小麦季休耕利用玉米秸秆种植大球盖菇，接茬玉米轮作)对玉米秸秆降解、土壤肥力及经济效益的影响，以期为促进秸秆高效转化及耕地高强度利用下土壤肥力提升提供新思路。

1 材料和方法

1.1 试验地概况和试验材料

试验于2019—2020 年在河南省驻马店市遂平县农业科学试验站（113°97′E、33°15′N）开展。该区海拔70 m，年均气温14.9℃，年均降雨量972 mm，无霜期220 d，属暖温带大陆性季风气候。降雨主要集中在6—8月，占全年降雨量的70%以上。该区土壤类型为石灰性砂姜黑土，0～50 cm 土质为黏壤土及壤质黏土，耕层质地黏重。试验开展前0～20 cm土层基本性质：土壤容重1.60 g/cm3、有机质12.2 g/kg、全氮0.14 g/kg、速效磷18.4 mg/kg、速效钾108.4 mg/kg，pH值6.7。

试验所用大球盖菇品种为兴农1 号，栽培种购自河南金隆菇业有限公司；小麦和玉米品种分别为遂麦139 和郑单1002，分别由遂平县农业科学试验站和河南省农业科学院粮食作物研究所提供；肥料分别为尿素（含N 46%）、过磷酸钙（含P2O512%）和硫酸钾（含K2O 60%）。

1.2 试验设计

试验设置2 种轮作方式：大球盖菇—玉米轮作（SM）和小麦—玉米轮作（WM）。SM处理：采用大区试验，面积140 m2（7 m×20 m），大球盖菇季玉米秸秆投入量为120 t/hm2，接茬玉米轮作；WM 处理：小麦季玉米秸秆还田量分别为3 t/hm2（WM3）、6 t/hm2（WM6）、9 t/hm2（WM9），3次重复，共9 个小区，小区面积为5 m×6 m=30 m2，接茬玉米轮作。

1.2.1 小麦—玉米轮作管理措施 小麦季N、P2O5、K2O用量分别为180、100、60 kg/hm2，其中磷、钾肥基施，70%氮肥基施，其余氮肥于起身期追施；玉米季N、P2O5、K2O 用量分别为225、45、60 kg/hm2，种肥同播。小麦秸秆全量粉碎覆盖还田，玉米秸秆于小麦播种前分别称质量，粉碎（长度约5 cm）并翻压至各小区，深度15 cm左右。同时，将风干的玉米秸秆6、12、18 g（对应还田量3、6、9 t/hm2）分别装入200 cm2的尼龙网袋（长20 cm×宽10 cm）并编号，原位平铺、填埋于15 cm 土层中。小麦播种量180 t/hm2，2019年10 月21 日播种，2020 年6 月2 日收获；玉米株行距25 cm×60 cm，密度67 500 株/hm2，2020 年6月12 日播种，当年9 月23 日收获。其他管理措施（除草、施药等）同当地农户保持一致。

1.2.2 大球盖菇—玉米轮作管理措施 大球盖菇栽培参考许彬等[15]和马瑜等[33]的报道，并根据当地露地栽培简便性与可行性的原则进行适当调整。收集粉碎的玉米秸秆（长度<10 cm）120 t/hm2，添加麸皮180 g/kg、生石灰20 g/kg 及少量尿素（<1 g/kg），混匀，堆成宽60 cm、高40 cm 的畦垄，行距80 cm。同时，用6 块塑料板（60 cm×40 cm）将畦垄秸秆切割成3处长50 cm的微区（塑料板纵向横切），称质量后添加辅料。培养料含水量在70%左右时有氧发酵5 d。于2019 年10 月31 日接种，双层撒播，下层菌种距地面25 cm，下层菌种距上层菌种10 cm，上层菌种加盖培养料5 cm，接种量800 g/m2。接种后补水1 次，培养料含水量在70%左右时覆土，厚度约3 cm。大球盖菇田间栽培情况见图1。覆土后至发菌期，培养料含水量在40%左右时，一般不需要补水。于3 月上旬（出菇初期）搭建简易遮阳网遮阴，3 月中下旬—4上旬、4月上中旬、4月中下旬进入第1、2、3 潮菇出菇期，之后出菇量大量减少。病虫害防控措施、采收形态与方法及其他管理措施参考马瑜等[33]的报道。大球盖菇采收结束后，菇渣全部覆盖还田。玉米播种前，大区试验田被划分出面积相等的3 个试验小区，小区面积与布置均同小麦—玉米轮作相一致。于2020年5月14日播种玉米，品种及其他管理措施同小麦—玉米轮作相一致。

图1 大球盖菇田间栽培试验设计Fig.1 Experiment design of S.rugosoannulata cultivation in the field

1.3 样品采集

1.3.1 秸秆样品 于小麦收获后，采用长50 cm 小型工具铲取出装有秸秆样品的9 个尼龙网袋，去除样袋表面杂物，带回实验室；同时，于大球盖菇采收结束后，采用小型工具铲采集3 个微区内秸秆样品各1.000 kg，去除杂物、装入网袋并带回实验室。在实验室内，将采集的样品分别用蒸馏水清洗干净，置于60 ℃下烘干至恒质量，用于分析秸秆降解率及木质纤维素组分。

1.3.2 土壤样品 于玉米收获后，采用五点取样法用直径5 cm土钻分别采集各小区0～20 cm土样，同一小区土样去除杂物后混合均匀，作为1个土样，每个小区3 次重复，共计12 个样品。样品自然风干后过孔径0.25 mm 筛，用于测定土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量。同时，用体积100 g/cm3的环刀采集各小区0～20 cm 土样，密封保存，带回实验室，用于分析含水量、容重和孔隙度。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 秸秆降解率 秸秆降解率采用公式（1）计算：

式中，SDR、SR 和SW 分别表示秸秆降解率、残留质量和初始质量。

1.4.2 秸秆木质纤维素组分 采用范式（Van Soest）纤维洗涤分析法[34]分析残留秸秆中纤维素、半纤维素和木质素含量。

1.4.3 土壤理化性质 土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量的测定参考鲍士旦[35]的方法。土壤含水量和容重的测定采用烘干法。土壤孔隙度采用公式（2）计算：

式中，SP、SBD 和SSW 分别表示土壤孔隙度、容重和比重，其中SSW 参考值取一般耕地表土比重（2.65 g/cm3）。

1.4.4 产量 在小麦—玉米轮作下，各小区小麦和玉米全部人工收获，晒干后（含水量12%左右）分别称质量、计产。在大球盖菇—玉米轮作下，大球盖菇每垄随机选取5 m2进行标记、计产，计产方式为第1、2、3 潮鲜菇总质量；玉米小区计产方式与小麦—玉米轮作一致。

1.4.5 经济效益 通过总收入、总支出和净收入评价经济效益。在小麦—玉米轮作下，总支出为种子、农药、化肥等农资及人工费用之和；在大球盖菇—玉米轮作下，总支出除玉米季投入费用外，还包括大球盖菇栽培过程中农药、菌种、辅料、遮阳网等农资及人工费用。小麦、玉米、大球盖菇均采用当年价格（分别为2.4、2.2、5.0元/kg）计算收入。

1.5 数据处理

采用Excel 2013 整理数据。采用SPSS 22.0 通过单因素方差分析法（One-way ANOVA）和Duncan’s新复极差法进行方差分析和多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同处理对秸秆降解率及木质纤维素组分的影响

由表1 可以看出，SM 处理秸秆降解率分别较WM3、WM6、WM9 处理显著提高了35.4、39.3、46.7个百分点。与WM处理相比，SM处理显著降低了残留秸秆中纤维素、半纤维素和木质素含量，降幅分别为40.7%～57.1%、29.9%～50.2%和12.1%～17.3%。在WM 处理中，秸秆降解率随秸秆还田量的增加而降低，而纤维素、半纤维素、木质素含量随还田量的增加而增加。

表1 不同处理对玉米秸秆降解率及木质纤维素组分的影响Tab.1 Effects of different treatments on the degradation rate and lignocellulosic components of maize straw

2.2 不同处理对土壤理化性质的影响

2.2.1 土壤含水量、容重及孔隙度 由表2 可知，SM 处理土壤含水量分别较WM3、WM6、WM9 处理显著提高了8.7、5.8、5.4 个百分点；SM 处理土壤容重分别较WM3、WM6 处理显著降低了9.4%、6.5%，土壤孔隙度分别较WM3、WM6 处理显著提高了5.7、4.0 个百分点。在WM 处理中，不同秸秆还田量下土壤含水量、容重、孔隙度均无显著差异。

表2 不同处理对土壤含水量、容重及孔隙度的影响Tab.2 Effect of different treatments on soil water content，bulk density and porosity

2.2.2 土壤养分含量 由表3可以看出，SM 处理较WM 处理显著提高了土壤有机质、速效磷和速效钾含量。其中，SM 处理土壤有机质含量分别较WM3、WM6、WM9 处理提高了31.1%、20.1%、17.7%，速效磷含量分别较WM3、WM6、WM9 处理提高了65.9%、47.7%、42.2%，速效钾含量分别较WM3、WM6、WM9 处理提高了24.5%、21.6%、14.2%。SM处理土壤碱解氮含量较WM3 处理显著提高了18.5%，但与WM6、WM9 处理之间无显著差异。在WM 处理中，不同秸秆还田量下土壤养分含量差异均未达到显著水平。

表3 不同处理对土壤养分含量的影响Tab.3 Effect of different treatments on soil nutrient content

2.3 不同处理对作物产量的影响

由表4可知，SM 处理大球盖菇和玉米产量分别为33 543.1、10 266.9 kg/hm2，其中，玉米产量分别较WM3、WM6、WM9 处理显著提高了22.9%、14.4%、13.9%。在WM 处理中，不同秸秆还田量下小麦、玉米产量差异均不显著。

表4 不同处理对作物产量的影响Tab.4 Effect of different treatments on crop yields kg/hm2

2.4 不同处理对作物经济效益的影响

不同处理对作物经济效益的影响结果（表5）表明，SM 处理净收入为12.56 万元/hm2，WM 处理净收入为2.65 万～2.90 万元/hm2，SM 处理净收入较WM增加了9.66万～9.91万元/hm2。

表5 不同处理对经济效益的影响 万元/hm2Tab.5 Effect of different treatments on economic benefit ×104 Yuan/ha

3 结论与讨论

利用秸秆种植食用菌是促进秸秆转化的一种有效手段，也是秸秆循环利用的一种重要途径[36]。在本研究中，SM处理较WM处理显著提高了秸秆降解率，且降低了残留秸秆木质纤维素组分含量，这一方面是由于培养料含水量高有利于秸秆降解；另一方面是由于大球盖菇以秸秆为碳源进行生长发育，生物转化率高[15]，且菌丝能够产生木质纤维素降解酶[37]，促进了秸秆降解。此外，种植大球盖菇能够改善土壤理化性质及提高微生物群落丰度[28]，这也有助于秸秆降解。

秸秆中含有丰富的有机质及营养元素，还田降解后能够改善土壤理化性质[38]。本研究发现，SM 处理较WM 处理显著提高了土壤含水量，该结果是由于大球盖菇生育期内补充了水分且采用了休耕制度，进而降低了水分消耗[39‑40]。在本研究中，SM 处理分别较WM3 和WM6 处理显著降低了土壤容重、增加了孔隙度，这可能是由于SM 处理秸秆投入量大且降解率高，加之菇渣原位还田，改善了土壤通透性[41]所致；同时，有研究指出，增加秸秆还田量能够提高土壤>0.25 mm 粒级团聚体数量，这对降低土壤容重也具有积极作用[42]。然而，与WM9 处理相比，SM 处理土壤容重和孔隙度变化均不显著，这可能与WM9 处理秸秆降解率较低和残留秸秆中木质纤维素组分含量较高有关。

研究表明，大球盖菇与草莓[19]、水稻[20]和辣椒[43]轮作均能够改善土壤养分状况，本研究也得到了相似的结论，即SM 处理较WM 处理显著提高了土壤有机质、速效磷和速效钾含量。值得注意的是，与WM 处理相比，SM 处理土壤速效磷含量显著提高了42.2%～65.9%，其原因可能有4 个方面：玉米季需磷量较少[44]且SM 处理采用休耕制度，降低了磷消耗；玉米秸秆磷含量高[45]且SM处理秸秆降解率高，促进了磷释放；SM 处理改善了土壤理化性质，有利于土壤溶液中维持较高的磷酸根[46]，减少了磷固定；食用菌培养料中含有大量的解磷微生物[47]，增强了有机磷转化。本研究还发现，SM 处理较WM3 处理显著提高了土壤碱解氮含量，但与WM6、WM9 处理差异不显著，该结果可能是由于大球盖菇生长发育及土壤微生物繁殖均需要一定数量的氮源供给[48‑49]，加之SM 处理玉米产量显著增加，一定程度上也会增加土壤氮素消耗所致。然而，这也可能是由秸秆降解过快而引起的氮损失所致，下一步将会对该假设进行验证。

农田秸秆高效利用的实质是通过一系列秸秆还田技术改善土壤理化性质，提升土壤肥力，进而提高作物产量[50‑51]。本研究发现，SM 处理大幅度提高了经济效益，且玉米产量显著高于WM 处理。其中，经济效益的差异主要来自于轮作方式；玉米产量的差异主要由于种植大球盖菇提高了秸秆降解率及养分释放，加之菇渣还田改善了土壤理化性质，这些措施均有利于玉米产量形成。受环境、种植制度等因素的影响，露地种植大球盖菇的产量也各不相同，但总体介于30～60 t/hm2[52‑54]。在本研究中，SM 处理大球盖菇产量为33 543.1 kg/hm2，在露地栽培大球盖菇的产量范围内，但仍相对较低，需要通过技术改良使之增产。

综上所述，大球盖菇—玉米轮作不仅能够促进秸秆降解、提高土壤肥力，而且还能够提高经济效益，是实现秸秆资源化高效利用及土壤肥力提升的一种有效措施。