低温复合菌系HT20对冀东稻区秸秆腐解及土壤养分动态变化的影响

孙建平 赵子婧 戴相林 路垚 何宗均 刘雅辉*

（1河北省农林科学院 滨海农业研究所，河北 唐山 063299；2天津市农业科学院，天津 300000；第一作者：bhssjp@163.com；*通讯作者：bhslyh@126.com）

农作物秸秆作为农业生产中的主要副产品，具有丰富的大量、中量、微量营养元素，及纤维素、半纤维素、木质素和蛋白质等有机物质，是一种可资源化利用的固体废弃物。秸秆直接还田作为一种重要的农艺措施[1]，在作物增产提质[2-3]、土壤培肥[4-5]，提高土壤酶活性和微生物活性[6-7]等方面发挥着重要作用。我国水稻秸秆还田目前主要集中在安徽、福建、云南、江西、江苏、广东等光热水资源丰富的稻区[8-10]，河北、吉林、辽宁、黑龙江等单季稻区由于水稻收获后即将进入冬季封冻期，土壤温度低，秸秆直接还田分解速度缓慢，操作不当会影响春季稻田墒情、播种、插秧质量及水稻产量[11]。冀东稻区是河北省水稻主产区，年产秸秆数量大，但是由于温度低，秸秆还田后不易腐解，限制了秸秆还田的推广应用，因此，加快还田秸秆腐解进程是该区域亟待解决的问题。

低温秸秆降解菌具有在低温环境中分解纤维素的优势，不仅能够降低微生物菌剂对较高温度的依赖，也节省了微生物在培养过程中对热量的消耗[12]。国内外学者对低温菌进行了一些研究。田中真纪夫[13]和LEE等[14]分别在冬季枯死的植物和南极淡水中分离出嗜冷菌，印度科学家BAJAJ等[15]发现，耐低温菌能够在低温环境中降解有机污染物。张鑫等[16]以玉米秸秆为碳源筛选获得的复合菌系M44在低温（15℃）条件下具有高效降解玉米秸秆的能力。关法春等[17]以青藏高原极端环境下的微生物为主，制成耐低温生物菌剂，应用于冬季稻田内水稻秸秆的原位发酵，效果明显。本课题组针对冀东稻区温度及土壤特点，自主研发了一种低温复合菌系HT20，并研究了在其作用下水稻秸秆的腐解因素[18]。为进一步明确HT20作用下还田秸秆的腐解特征及水稻产量效应，本试验以HT20为研究对象，以商品腐熟剂和秸秆直接还田作为对照，采用尼龙网袋填埋法探索水稻全生育期内稻秆腐解、养分释放、土壤肥力等动态变化特征，多角度、多方面对HT20的效用进行评估，以期为HT20在田间应用及北方稻区秸秆还田提供理论依据和科学指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

盆栽试验于2019年11月至2020年10月在河北省农林科学院滨海农业综合试验站（39°17′40″N、118°27′22″E）进行，试验站海拔2.5 m，属暖温带半湿润季风性气候，年日照时数2 393～2 862 h，年均气温11.4℃，积温4 598.3℃，无霜期189～220 d，年降水量635.9 mm（集中在7—8月份）。种植模式是单季稻。土壤类型为盐渍型滨海粘壤土，耕层土壤基本理化性质：有机质8.54 g/kg，碱解氮30.56 mg/kg，有效磷19.90 mg/kg，速效钾227.71 mg/kg，pH值7.65。

1.2 试验材料

以常规粳稻品种滨稻18秸秆为供试材料。秸秆养分含量如下：全氮0.68%、全磷0.13%、全钾1.34%，C/N=67。供试低温复合菌系HT20由天津市农业科学院提供；农富康购自农富康生物科技有限公司。试验中所用肥料购于当地农资市场。

1.3 试验设计

本研究采用随机区组设计，设置3个处理：CK，秸秆还田，不施任何处理剂；JF，秸秆还田配施农富康；JH，秸秆还田配施HT20。盆栽试验位于微区内，每个微区面积7.2 m2（6 m×2 m×0.6 m），将塑料桶置于微区内，每个微区摆放24个塑料桶，桶四周及底部扎孔保证土壤透气与水分流出，桶与桶之间的缝隙用土填满，每个处理安排在一个微区中，防止微区之间窜水窜肥和菌剂污染，每个处理5次重复。试验采用尼龙网袋填埋法，将秸秆粉碎成长约5 cm后装入尼龙网袋中，尼龙网袋规格为50 cm×45 cm、孔径0.178 mm。每袋装秸秆262 g（按10 500 kg/hm2秸秆全量还田计算）。各处理于2019年11月25日施入土壤深耕，2020年5月28日移栽水稻秧苗，每盆5丛，每丛5株。各处理施肥、锄草、灌溉、病虫害防治等生产管理按当地习惯进行。2020年10月10收获水稻。

1.4 测定项目及方法

分别于水稻移栽期（2020年5月28日）、分蘖期（2020年6月15日）、拔节期（2020年6月28日）、孕穗期（2020年7月25日）、抽穗期（2020年8月5日）、乳熟期（2020年8月20日）和成熟期（2020年10月8日）破坏性采集秸秆腐解样品和土壤样品。每次各取5盆，秸秆腐解样品于65℃下烘干至恒质量，计算水稻秸秆残留率，磨细过0.25 mm筛测定秸秆养分含量；土壤样品风干过筛测定土壤养分含量。各处理随机标记3盆用于水稻考种。

采用H2SO4-H2O2消煮，凯氏定氮仪测定秸秆全氮含量；采用钼锑钪比色法测定秸秆全磷含量；采用1M NH4OAc浸提，原子吸收分光光度计测定秸秆全钾含量[15]。采用重铬酸钾外加热法测定土壤有机质含量；采用碱解扩散法测定土壤碱解氮含量；采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定土壤速效磷含量；采用原子吸收分光光度计法测定土壤速效钾含量；采用PHSJ-4A型pH计测定土壤pH（水土比=5∶1）；采用DDSJ-308F电导率仪测定土壤电导率（EC）[19]。移栽后每个处理选择5盆生长均匀的稻株进行标记，每7 d观察记载1次水稻分蘖情况。水稻成熟后，每个处理取5盆稻株，调查有效穗数，考察单株性状，脱粒，测定千粒重，实测水稻产量。

1.5 数据处理

试验数据采用Microsoft Excel 2010软件进行整理和作图，采用SPSS 19.0软件进行单因素方差分析（P＜0.05）。

质量残留率（%）=Mt/M0，式中M0为秸秆腐解前的初始质量，Mt为分解t时秸秆腐解后剩余质量[16]。养分残留率（%）=（Dt×Mt）/（D0×M0），式中M0为秸秆腐解前的初始质量，Mt为分解t时秸秆腐解后剩余质量，D0为初始秸秆的养分含量，Dt为t时秸秆养分含量[20]。

2 结果与分析

2.1 水稻秸秆质量残留率变化

由图1和表1可以看出，各处理秸秆质量残留率均随秸秆腐解时间的延长而下降，且表现出前期腐解快，后期逐渐缓慢的特征，不同处理间差异显著。与JF处理和CK相比，JH处理秸秆质量残留率在水稻移栽期分别低10.13%和24.08%；移栽期至抽穗期为秸秆腐解缓慢期，秸秆质量残留率分别低4.68%～11.31%和9.01%～12.47%；抽穗期至成熟期为腐解停滞期，秸秆质量残留率分别低5.13%～5.55%和10.57%～10.67%。可见，施用HT20能够加速还田秸秆的腐解进程，使秸秆快速腐解期提前至水稻移栽前，移栽后进入秸秆缓慢腐解期，而对照的秸秆快速腐解期一直持续到拔节期。与CK和JF处理相比，从生育期具体时间来算，施用HT20可使秸秆提前45～60 d进入腐解缓慢期，降低了由于秸秆快速腐解产生有害气体对秧苗生长的危害，减少了腐解过程中微生物与水稻争夺养分的影响。

图1 不同处理水稻秸秆腐解质量残留特征

表1 水稻不同时期秸秆腐解质量残留特征单因素方差分析

2.2 水稻秸秆氮素残留变化

从图2和表2可见，不同处理间秸秆氮素残留率变化趋势不同，处理间差异显著。CK总体上随生育期的推进表现出缓慢下降的趋势，没有明显拐点，与其秸秆腐解规律一致，即随着秸秆腐解而逐步释放氮素；JH和JF处理随生育期推进表现出快速下降然后再上升之后缓慢下降的趋势。JH处理拐点出现在孕穗期，JF处理拐点出现在抽穗期。拔节期时，JH处理氮素释放率为53.45%，折合氮量为38.10 kg/hm2；JF处理氮素释放率为37.8%，折合氮量为27.00 kg/hm2；CK氮素释放率为26.90%，折合氮量为19.20 kg/hm2；与JF处理和CK相比，JH处理氮素残留率低15.56%～24.94%和26.54%～36.31%。成熟期时，JH处理氮素残留率为79.11%，折合氮量为56.4 kg/hm2；JF处理氮素残留率为59.94%，折合氮量为42.75 kg/hm2；CK氮素残留率为61.92%，折合氮量为44.10 kg/hm2；说明JH处理在水稻关键生育期（分蘖、拔节和乳熟期）快速释放氮，在孕穗期和成熟期吸收多余的土壤氮，减少了氮的流失。

表2 不同时期水稻秸秆腐解氮素残留特征单因素方差分析

图2 不同处理水稻秸秆腐解氮素残留特征

2.3 水稻秸秆残留磷素变化

从图3可见，随着秸秆腐解时间的延长，水稻秸秆中磷素残留变化整体呈现先下降后上升再下降的趋势。JH处理在移栽前快速释放磷元素，移栽后至拔节期缓慢释放磷元素；JF处理和CK在分蘖期前快速释放磷元素。在分蘖期各处理磷素释放量达到最大，JH处理磷素释放率为92.03.%，折合磷量为12.60 kg/hm2；JF处理磷素释放率82.36%，折合磷量为11.25 kg/hm2；CK磷素释放率80.75%，折合磷量为10.95 kg/hm2。随后秸秆磷残留率逐渐增加，至成熟期时，JH处理磷素残留率70.20%，折合磷量为9.60 kg/hm2；JF处理磷素残留率22.10%，折合磷量为3.00 kg/hm2；CK磷素残留率41.24%，折合磷量为5.70 kg/hm2，呈现了负增长现象，JH处理与CK差异不显著（表3）。说明移栽后因温度上升，微生物活动活跃，腐熟剂对磷的释放快慢效果不明显，但是秸秆还田可以减少土壤磷素流失。

图3 不同处理水稻秸秆腐解磷素残留特征

表3 不同时期水稻秸秆腐解磷素残留特征单因素方差分析

2.4 水稻秸秆残留钾素变化

从图4可见，随着腐解时间的增加，水稻秸秆中钾素残留率呈现骤然下降再缓慢上升的趋势，至分蘖期秸秆钾残留率达到最低，从拔节期开始水稻秸秆钾素残留率缓慢回升。由表4可知，在移栽期、拔节期、孕穗期和成熟期JH处理与JF处理和CK相比差异显著。表明秸秆中钾素的快速释放与秸秆腐解程度无关，添加腐熟剂对秸秆钾素残留率的释放效果不显著。

表4 不同时期水稻秸秆腐解钾素残留特征单因素方差分析

图4 不同处理水稻秸秆腐解过程中钾素残留特征

2.5 秸秆还田对土壤养分的影响

从图5和表5可见，不同处理土壤碱解氮和速效磷随生育期上下变动幅度不大。JH处理土壤碱解氮含量在拔节期最高，与JF处理和CK相比，增加了22.73%，差异显著；JH处理速效磷在拔节期和抽穗期含量较高，分别较JF处理和CK增加45.01%～65.80%和138.14%～195.62%，差异显著；JH处理速效钾含量分别较JF处理和CK增加7.64%～168.87%和29.34%～179.30%，差异显著。说明秸秆配施HT20可以增加不同生育期的土壤养分供应量。

表5 不同时期土壤养分指标的单因素方差分析

图5 不同处理土壤养分变化

2.6 秸秆还田对水稻分蘖及产量结构的影响

水稻茎蘖数呈抛物线变化的趋势，在7月1日达到分蘖最高峰。如表6显示，在水稻分蘖高峰阶段，JH处理分蘖数显著高于CK和JF处理14.10%～16.57%，说明施用HT20后促进了水稻的分蘖，这可能与秸秆快速腐解期提前至移栽前有关。各处理成穗率、千粒重和产量存在显著差异，与JF处理和CK相比，JH处理成穗率分别增加9.39%和20.0%，千粒重分别增加11.95%和25.44%，产量分别增加11.25%和17.11%。说明秸秆还田配施HT20可以增加水稻产量。

表6 水稻分蘖及产量结构的变化

3 讨论与结论

秸秆直接还田经微生物作用可以将秸秆纤维素、半纤维素、木质素等转化为土壤可利用资源[21]。土壤微生物是参与秸秆降解、转化和利用过程的重要驱动因素，特别是秸秆还田在短时间内大量植物残渣归还于土壤的同时还可能通过改变土壤微环境，从而对秸秆腐解产生较大的影响[22-24]。本研究结果显示，与秸秆配施农富康和秸秆直接还田相比，秸秆配施低温复合菌系HT20可以加速秸秆腐解（移栽前可腐解33.17%），秸秆腐解率提高10.54%～264.88%。这可能有两方面的原因，一方面是冀东滨海地区水稻收获至移栽前月均气温为11.4℃，而HT20启动温度为5℃[18]，农富康最适合温度为20℃左右；另一方面HT20是从当地长期秸秆堆制土和秸秆还田土壤中筛选分离得到，相比于农富康，HT20更适应当地气候条件和菌群互作关系，进而充分发挥腐解功能。秸秆还田配施HT20，氮释放率为53.45%（折合氮量为38.10 kg/hm2），磷释放率为92.03%（折合磷量为12.60 kg/hm2），钾释放率为90.00%左右。依据土壤化学性质可知，在分蘖期和拔节期显著增加土壤碱解氮含量（22.73%），在拔节期和抽穗期显著增加土壤速效磷含量（45.01%～195.62%）；在取样生育期显著增加土壤速效钾含量（7.64%～179.30%）。结合表6可知，HT20提高了水稻千粒重和产量。说明HT20通过增加腐解微生物数量和种群，进一步提高秸秆腐解各类酶的活性，将秸秆中丰富的碳、氮、磷、钾等营养元素转化为土壤腐殖质[25]，补偿作物的吸收，改善了土壤养分供应和作物需求之间的平衡，进而提高水稻产量[26-28]。秸秆中的氮磷钾残留率后期有回升的现象，可能是因为化肥的施入导致秸秆氮磷钾质量残留率反向增加，随着水稻在后期需要营养形成稻谷，又逐渐被消耗掉。有研究表明，秸秆还田可以增加养分的吸持[29-30]。

综上所述，冀东稻区秸秆还田配施低温复合菌系HT20可加快秸秆腐解，促进秸秆养分释放和土壤养分积累，更有利于增加水稻有效分蘖和水稻产量。本研究为水稻秸秆还田技术推广、提高养分利用率及肥料减施方面奠定了理论基础。今后可从胞外酶和分子水平继续研究HT20对秸秆腐熟的作用机理。