大球盖菇菌渣还田对水稻生长和稻田土壤环境的影响

彭新红，陈绪涛，何 虎，戴建成，胡 佳，戴 丹，孙 鹏，王 振，魏 桢，魏云辉*

（1.江西省农业科学院 农业应用微生物研究所，江西 南昌 330200；2.江西省农业科学院 水稻研究所，江西 南昌 330200；3.江西生物科技职业学院，江西 南昌 330200）

【研究意义】大球盖菇（Stropharia rugosoannulata）又名皱环球盖菇、酒红色球盖菇、斐氏球盖菇等，隶属于担子菌门（Basidiomycota）、伞菌纲（Agricomycetes）、伞菌目（Agricales）、球盖菇科（Strophariaceae）、球盖菇属（Stropharica），属草腐土生菌，含有多种必需氨基酸和生物活性物质，具有很高的营养价值和药用价值[1-2]。据统计，2020 年大球盖菇产量近2.0×105t，相比2019 年增长40.67%（中国食用菌协会统计数据）[3]，是国际菇类市场上畅销的十大菇类之一，也是联合国粮农组织（FAO）向发展中国家推荐栽培的蕈菌之一。大球盖菇对农作物秸秆具有很强的生物降解能力，可采用秸秆、木屑、谷壳等农业废弃物生料栽培和发酵料栽培，产生显著经济效益的同时，也可以为秸秆综合利用提供一条有效途径。【前人研究进展】中国是全球食用菌生产第一大国。2020 年，我国食用菌总产量达4 061.43 万t，同比增长3.2%，占全球食用菌总生产量的70%以上（中国食用菌协会统计数据）[3]。据测算，每生产1 kg食用菌约产生3.25 kg菌渣。菌渣是一种特殊的有机物料，内含丰富的氮、磷、钾、多糖、氨基酸以及微量元素等多种营养物质[4]。施用菌渣能降低土壤容重，显著提高土壤酶活性、有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量以及土壤微生物的多样性，从而增加作物产量，提升作物品质[5-7]。【本研究切入点】目前关于大球盖菇菌渣原位还田的研究主要集中在对林地、盐碱地等土壤理化性质的改良上，与稻田相关的研究较少，同时这种改良对水稻生长和产量的影响尚需探究。【拟解决的关键问题】本研究拟通过开展田间试验，在常规施肥水平下，分析菌渣原位还田和秸秆全量还田对水稻不同生育期稻田土壤养分和微生物多样性，以及水稻生长和产量的影响，为秸秆和大球盖菇菌渣的资源化利用提供理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2021 年在江西省吉安市青原区富田镇奁田村子平食用菌种植专业合作社（26°81′76″N，115°23′61″E）进行，该地区平均海拔1 204.5 m，属中亚热带湿润季风气候，全年温暖潮湿，四季分明，年平均降水量1 100 mm 左右，年平均气温为15.2 ℃。中稻供试品种为美香占2 号。试验前稻田耕作层土壤pH 5.71，有机质19.72 g/kg，全氮0.87 g/kg，全磷0.28 g/kg，全钾3.04 g/kg，碱解氮167.95 mg/kg，有效磷9.35 mg/kg，速效钾37.38 mg/kg；供试的大球盖菇菌渣pH 6.64，有机质＞100 g/kg，全氮3.45 g/kg，全磷0.40 g/kg，全钾1.70 g/kg，碱解氮289.17 mg/kg，有效磷45.28 mg/kg，速效钾＞300 mg/kg。水稻秸秆的总C、N、P2O5、K2O含量分别为393.00，6.07，0.68，11.40 g/kg。

1.2 试验设计

本研究共设置3 个处理，常规施肥（CK）、菌渣原位还田+常规施肥（JZ）和秸秆全量还田+常规施肥（JG）。于2020 年11 月开始种植大球盖菇，培养料的配比为秸秆∶木屑∶谷壳=3∶2∶1，其中秸秆用量为4.5×104kg/hm2，其余用料按比例配制，共计用料为9×104kg/hm2。2021年5月结束大球盖菇的采收工作后，将剩余菌渣（1.08×104kg/hm2）旋耕后就地还田。秸秆全量还田处理所用秸秆为上季水稻种植收获所得。2021 年5 月19 日进行水稻育秧，于6 月10 日移栽水稻，以未种植大球盖菇且秸秆不还田的田块为对照，每个小区面积为200 m2，每个处理重复3次。常规施肥方案如下：氮肥按基肥∶分蘖肥∶穗肥=5∶3∶2进行施肥，尿素总用量为391 kg/hm2（施氮量180 kg/hm2）；磷肥（过磷酸钙）全部做基肥，P2O5用量为90 kg/hm2；钾肥（氯化钾）按基肥∶穗肥=1∶1施用，K2O 总用量为120 kg/hm2。水稻生长期间，按照常规方法进行田间水分、杂草和病虫害的管理。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 水稻生长及产量构成因素测定 于水稻生长发育的关键时期（幼穗分化期、齐穗期和成熟期）每个处理各小区调查20 穴水稻植株的分蘖数，根据调查的平均分蘖数各小区取代表性的水稻植株15 穴，分茎、叶和穗3 部分，所有样品在105 ℃下杀青30 min，而后在70 ℃下烘干至恒重，测定其干物质质量。待水稻植株进入成熟期时，将每个处理不同小区水稻单独收割后，称重、测定含水量，折算干重作为水稻产量。同样，调查不同处理每个小区水稻有效穗数，根据调查的平均数每小区取代表性的水稻植株15穴，测定每株植株的有效穗数，每穗的穗长、实粒数、空瘪粒，计算结实率、千粒质量、理论产量和收获指数。

1.3.2 水稻氮、磷、钾含量测定 分别于水稻幼穗分化期、齐穗期和成熟期，按各小区的平均分蘖数各取代表性稻株5 株，分茎、叶和穗3 部分，所有样品在105 ℃下杀青30 min，而后在70 ℃下烘干至恒重并粉碎。植株各器官粉碎样品用H2SO4-H2O2在420 ℃下消化1 h，采用半微量凯氏定氮法测定全氮含量，钒钼黄比色法测定全磷含量，火焰光度计法测定K+含量[8]。氮、磷、钾吸收量为某生育期单位面积植株茎、叶、穗（氮、磷、钾）积累量的总和。

1.3.3 稻田土壤化学性质测定 于水稻移栽前和水稻生长发育的关键时期（幼穗分化期、齐穗期和成熟期）采用5点取样法用取土器取耕层土样（0～20 cm），经风干、研磨、过筛后用于土壤养分含量测定。土壤pH按土水比1∶5体积比酸度计法测定；土壤有机质采用重铬酸钾氧化-外加热法测定[9]；采用半微量凯氏定氮法测定全氮含量，钒钼黄比色法测定全磷含量，火焰光度计法测定K+含量。碱解氮采用碱解扩散法测定，有效磷采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定，速效钾采用醋酸铵浸提-火焰分光光度计法测定。

1.3.4 土壤微生物群落多样性测定 土壤微生物群落多样性测定委托武汉贝纳科技有限公司进行测定。提取样品总DNA 后，根据保守区设计得到引物，在引物末端加上测序接头，进行PCR 扩增并对其产物进行纯化、定量和均一化形成测序文库，建好的文库质检合格后用Illumina Novaseq 6000 进行测序。使用Trimmomatic v0.33软件对获得原始数据（raw reads）进行过滤；然后使用Cutadapt 1.9.1软件进行引物序列的识别与去除，得到不包含引物序列的clean reads；使用Usearch v10 软件，通过overlap 对每个样品的Clean Reads进行拼接，然后根据不同区域的长度范围对拼接后数据进行长度过滤；使用UCHIME v4.2软件，鉴定并去除嵌合体序列，得到最终有效数据（effective reads）。使用Usearch v10 软件对Reads 在97.0%的相似度水平下进行聚类、获得OTU。以SILVA为参考数据库使用朴素贝叶斯分类器对特征序列进行分类学注释，可得到每个特征对应的物种分类信息，进而在各水平（phylum，class，order，family，genus，species）统计各样品群落组成，利用QIIME软件生成不同分类水平上的物种丰度表，再利用R语言工具绘制成样品各分类学水平下的群落结构图。

1.4 数据处理与分析

采用SPSS 17.0和Excel 2021进行数据统计分析和作图。数值用平均值±标准误（Mean±SE）表示，并通过单因素方差分析（one-way ANOVA）和Duncan’s检验进行分析。P＜0.05表示数据差异显著。

2 结果与分析

2.1 菌渣原位还田对水稻生物量、产量及其构成因素的影响

幼穗分化期、齐穗期和成熟期JZ和JG 处理的水稻干物质积累量均显著高于对照CK，各时期的增加幅度分别为18.66%和11.59%、16.05%和11.41%、16.31%和19.59%（表1）。JZ 和JG 处理的收获指数低于对照CK，JG 处理的收获指数最低。由此可见，菌渣原位还田和秸秆全量还田均能促进水稻干物质的积累，但两处理干物质在籽粒中的分配比例降低。

表1 大球盖菇菌渣还田对水稻生物量的影响Tab.1 Effects of mushroom residue returning on rice biomass

与对照CK 相比，JZ和JG 处理均显著提高了水稻实际产量和理论产量，增幅分别为9.80%和9.51%、6.66%和4.89%；JZ 处理高于JG 处理，但两者间无显著差异。对产量构成因素进行分析发现，JZ 和JG 处理的有效穗数显著增加，两者的增加幅度分别为7.68%和6.92%；其他产量构成因素各处理间均无显著差异（表2）。由此可见，不同的处理方式主要影响水稻的有效穗数，菌渣原位还田处理的有效穗数增加是产量提升的主要因素。

表2 大球盖菇菌渣还田对水稻产量及产量构成因素的影响Tab.2 Effects of mushroom residue returning on rice yield and yield components

2.2 菌渣原位还田对水稻养分吸收的影响

由图1可知，随着水稻生育期的推进，各处理水稻植株的氮、磷和钾吸收量均呈逐渐升高的趋势。各个生育期水稻植株氮、磷和钾吸收量由高到低均表现为JZ、JG、CK。与对照CK 相比，在水稻幼穗分化期、齐穗期和成熟期，JZ 和JG 处理氮吸收量分别增加48.09%和15.42%、29.25%和17.40%、41.44%和31.01%。同样，与CK 相比，JZ 和JG 处理水稻不同生育时期磷吸收量分别增加43.76%和25.13%、40.93%和18.59%、48.64%和33.13%，钾吸收量增加分 别 为45.94% 和22.61%、25.02% 和15.56%、28.44%和26.74%。由此可知，菌渣原位还田和秸秆全量还田均能促进水稻对氮、磷、钾元素的吸收，其中菌渣原位还田的效果最佳。

图1 水稻不同生育时期氮、磷、钾吸收量Fig.1 N，P，and K uptake in rice at different growth stages

2.3 菌渣原位还田对土壤化学性质的影响

从图2A 可知，随着水稻生育期的发展，所有处理的稻田土壤pH 值均呈逐渐降低的趋势；在移栽前和幼穗分化期，JZ和CK处理的pH值显著高于JG处理，JZ处理的pH值最高；齐穗期和成熟期3个处理的pH 值无显著差异。说明菌渣原位还田在提高土壤pH 上为正效应，秸秆全量还田为负效应。随着水稻生育期的发展，所有处理的有机质含量均呈先升高后降低的趋势，在齐穗期达到最大值，且JZ 处理的有机质含量均高于其他两个处理；在移栽前和幼穗分化期，JZ 和JG 处理的有机质含量显著高于对照CK；在齐穗期和成熟期，JZ处理的有机质含量显著高于JG和CK处理（图2B）。可见，与常规施肥和秸秆全量还田相比，菌渣原位还田水稻生育后期土壤有机质的积累作用较强。

不同处理显著影响土壤速效养分含量（图2C-E）。与CK 相比，各生育时期JZ 处理土壤的碱解氮含量均显著升高，各时期增幅分别为12.02%、8.51%、10.18 和15.30%；在移栽前至齐穗期，JG 和CK 处理土壤碱解氮含量无显著差异，成熟期两者出现显著差异，JG 处理比CK 处理提高11.11%。JZ 和JG 处理显著提高了土壤有效磷含量，在水稻整个生育期JZ处理均高于JG和CK处理（图2C）。随着生育期的发展，CK 处理土壤有效磷含量逐渐降低，JZ 和JG 处理呈先上升后下降的趋势，且均在幼穗分化期达最大值。在移栽前、幼穗分化期、齐穗期和成熟期，相较于CK 处理，JZ 处理土壤有效磷含量分别提高了11.45%、31.01%、36.65%和20.16%，JG处理则分别提高了3.68%、24.08%、21.72%和14.28%（图2D）。随着水稻生育期的发展，各处理土壤速效钾含量均呈先升高后降低的趋势，且均在幼穗分化期达到最大值，各个生育时期土壤速效钾含量由高到低均表现为JZ、JG、CK；与CK 相比，在水稻不同生育阶段JZ 处理的土壤速效钾含量均显著升高，增幅分别为16.70%、21.73%、25.27%和19.05%；除移栽前外，其他各生育时期JG处理的土壤速效钾含量均高于CK，增幅分别为11.82%、17.47 和13.97%（图2E）。可见，菌渣原位还田和秸秆全量还田均能维持整个水稻生育时期较高的氮、磷、钾供应能力，其中菌渣原位还田最强。

图2 水稻不同生育期耕层土壤化学性质动态变化Fig.2 Dynamic changes of soil chemical properties at different growth stages of rice

2.4 大球盖菇菌渣还田对土壤细菌和真菌多样性的影响

主坐标分析（principal co-ordinates analysis，PCoA）结果显示，CK、JZ 和JG 各处理组内样本均聚在相同象限，而组间样本则分散在不同象限中，且相距较远，说明各处理组样本的组内差异小，组间差异较大，能够较好地反映样本中细菌和真菌群落结构的差异（图3A）。采用非加权配对平均法（unweighted pair-group method with arithmetic mean，UPGMA）对样品进行层次聚类分析发现，每个处理的3个重复样本都聚集在一起，而不同处理组则分别聚类在距离较远的分支中（图3B）。以上结果表明本试验样本组内重复性和组间差异性都较好。

图3 PCoA和UPGMA分析土壤样品Fig.3 PCoA and UPGMA analysis of soil samples

Shannon 指数的值越大则物种种类越多，物种越丰富。本研究中细菌的Shannon 指数在测序数量达到20 000时趋于平坦，且与CK相比，JZ和JG的Shannon指数均明显高于CK（图4），表明菌渣原位还田和秸秆全量还田均显著提高了土壤中的细菌多样性。

图4 大球盖菇菌渣原位还田对土壤中细菌多样性影响Fig.4 Effect of in situ spent S.rugosoannulata cultivation substrate return on soil bacterial and fungal diversity

土壤样品中细菌群落在属水平上的相对丰度情况如图5所示。土壤细菌在门水平上丰度排名前10的门类分别是Thermodesulfovibrionia、RBG-13-54-9、ADurb.Bin063-1、Xanthobacteraceae、SC-1-84、Subgroup_6、Acidobacteriales、Subgroup_18、Anaerolineaceae 和Subgroup_7。JZ 和JG 处理后土壤中丰度占比超过1%的细菌群落总比例呈现下降趋势，土壤的细菌群落结构发生变化。与CK相比，JZ处理中Anaerolineaceae 的相对丰度增加，Xanthobacteraceae、Acidobacteriales、SC-1-84 和Subgroup_7 的相对丰度明显降低；JG 处理中Acidobacteriales 的相对丰度明显增加，Xanthobacteraceae、ADurb.Bin063-1 和SC-1-84 的相对丰度明显降低。

图5 菌渣原位还田对土壤中细菌群落结构的影响Fig.5 Effect of in situ spent S.rugosoannulata cultivation substrate return on soil bacterial and fungal community structure

根据土壤中细菌丰度分布分析结果（图6）显示，各组样本各有其不同于其他样本的优势菌群。与CK 相比，JZ 处理组样本中部分菌群丰度减小，其中包括与土壤pH 相关的菌群如Acidimicrobiia、Koribacter等，与氮代谢相关的菌群如Phenylobacterium、Alphaproteobacteria、等，与碳代谢相关的菌群如Pajaroellobacte、Sva0485等。另有一部分菌群的丰度升高，成为JZ处理组中的优势菌群，其中包括与土壤pH相关的菌群如Lentimicrobiaceae、Singulisphaera 等，与有机质分解相关的菌群如Anaerolinea、Anaerolineaceae 等，与碳代谢相关的菌群如Methyiomonas、Syntrophus 等。与CK 相比，JG 处理样本中部分细菌的菌群丰度减小，其中包括与土壤pH 相关的菌群如Candidatus_Koribacter、Thermoanaerobaculum 等，与氮代谢相关的菌群如Aquisphaera、Beijerinckiaceae 等，与碳代谢相关的菌群包括Syntrophobacteraceae、Caulobacteraceae等。另有一部分菌群的丰度升高，成为JG处理组中的优势菌群，其中包括与土壤pH相关的菌群如Acidobacteriales、Elsterales 等，与氮代谢相关的菌群如Haliangium 等，与碳代谢相关的菌群如Latescibacteria、Bacteria 等。除此之外，还包括部分与脱硫、生物修复和重金属相关的菌群，包括Rhodanobacteraceae、Pedosphaeraceae等。

图6 菌渣原位还田后土壤中细菌丰度分布分析Fig.6 Analysis of bacterial abundance distribution in soil after spent S.rugosoannulata cultivation substrate return in situ

2.5 水稻生长与土壤化学性质和微生物多样性的相关性分析

由表3可知，水稻生长相关指标（产量、生物量）和营养吸收相关指标（N、P、K吸收量）与土壤pH值间无显著相关性，但与其他土壤化学性质相关指标（有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、全氮、全磷、全钾）和微生物多样性呈显著或极显著相关性。由此说明，菌渣原位还田和秸秆全量还田通过提升土壤肥力和增加土壤的微生物多样性增强水稻对养分的吸收，提高水稻产量。

表3 水稻生长与土壤化学性质和微生物多样性的相关性Tab.3 Correlation between soil chemical properties and microbial diversity and plant growth

3 结论与讨论

3.1 菌渣原位还田促进了水稻养分吸收和产量提升

菌渣中含有丰富的氨基酸、菌类多糖和矿物质元素，且菌渣还田后，在土壤微生物的作用下矿化分解形成腐殖质，对改良土壤、提高土壤肥力有重要作用[10]。本研究中大球盖菇菌渣和秸秆还田均显著提高了水稻对N、P、K等营养元素的吸收量，促进了水稻干物质的积累和产量提升，增幅达9.80%和6.66%，且增施菌渣促进产量提升的主要因素是有效穗数的升高。近年来，国内外很多学者研究证实菌渣还田可以促进水稻生长并提高产量。温广蝉[11]和胡杨勇[12]研究显示菌渣-化肥配施处理的水稻产量显著高于单施化肥或菌渣，且主要通过增加有效穗数和籽粒数达到增产目的。秸秆还田由于秸秆中纤维素类物质较多，存在腐解速率低、养分释放速度慢等问题，严重限制了秸秆的生产应用[13]。研究显示，秸秆可作为大球盖菇、平菇、鸡腿菇和杏鲍菇等多种食用菌的栽培基料，经充分腐熟能够加速养分释放[14-15]。本研究中，相较于秸秆全量还田，菌渣原位还田的增产幅度为2.94%，且氮、磷、钾的吸收量均显著提高。

3.2 菌渣原位还田改善了稻田土壤的化学性质

本研究结果显示菌渣原位还田土壤pH 值显著高于常规施肥和秸秆全量还田。较高的土壤pH 值，能够中和稻田中产生的有机酸及高浓度碳酸，降低还原性物质的含量；同时，能够提高土壤C、N 代谢通路中的酶活性，促进菌渣腐解和氮素释放，从而缓解土壤对碱解氮的固定，促进水稻早生快发和对氮素的吸收[16]。同时，在水稻整个生育期菌渣原位还田土壤有机质含量均明显高于秸秆全量还田和常规施肥处理。该结果与早期的研究报道结论一致，表明大球盖菇菌渣还田可以有效提高稻田土壤质量[17-19]。

研究发现大球盖菇菌渣原位还田后，土壤碱解氮、有效磷和速效钾的含量均获得显著性增长，这与前人对其他食用菌菌渣还田的土壤养分含量的研究结果相似[20-21]。同时研究发现，水稻生育前中期菌渣原位还田与秸秆全量还田的有效养分差异显著，但后期时两者无显著差异，说明菌渣原位还田促进了水稻对速效养分的吸收。土壤速效养分是产量形成的基础，在一定范围内土壤速效养分含量与水稻产量呈正相关[22-23]。由此可知，菌渣原位还田中较高的速效养分含量是水稻产量提升的重要因素。

3.3 菌渣原位还田提高了稻田土壤细菌的丰富度和多样性

细菌是土壤根际微生物的关键菌群之一，对于调节土壤生态过程具有重要的功能性作用，如有机质的分解及氮的分解和矿化过程等[24]。本研究中大球盖菇菌渣原位还田后，稻田土壤细菌多样性水平的显著提高，这一结果与其他种类的食用菌菌渣原位还田对细菌多样性的影响的结果一致[14,25-27]。且大球盖菇菌渣原位还田后，土壤中的有机质和速效养分含量都显著增加，可能是土壤中细菌量和多样性的增加促进了土壤养分的转化。

菌渣原位还田和秸秆全量还田后，土壤主要细菌类群（丰度排名前10）组成有所变化。菌渣原位还田土壤中Anaerolineaceae 丰度增加，Xanthobacteraceae 和Acidobacteriales 丰度降低；秸秆全量还田土壤中Acidobacteriales 丰度升高、Xanthobacteraceae 丰度降低。Anaerolineaceae 能够利用碳水化合物和蛋白质类碳源进行发酵代谢[28]，促进了菌渣与秸秆的养分释放。Xanthobacteraceae 属于黄色杆菌科，是稻田中的活跃固氮微生物[29]。土壤中高浓度的氮通过抑制根瘤菌侵染、根瘤原基形成和生长而降低植物结瘤数量，使固氮微生物的丰度降低[30]。Acidobacteriales 为酸杆菌属，适宜在酸性土壤和湿地、树皮和酸性矿物浸出等酸性环境中生长[31]，秸秆全量还田为其创造了更为适宜的生存环境，菌渣原位还田pH值升高则降低了该菌属的丰度。根据不同处理中丰度差异菌属的功能，笔者发现与土壤pH、有机质代谢、氮代谢和碳代谢相关的菌群占据差异菌群的绝大部分，说明微生物群落的多样性受土壤环境因素的影响。

菌渣还田对土壤质量及微生物多样性的影响是一个长期的过程，不同培养料配比产生的菌渣还田对土壤质量、微生物特征等影响效应还有待持续跟踪研究。