半干旱區(qū)玉米秸稈快速腐解技術(shù)研究

劉方明　竇金剛　高玉山　孫云云　侯中華　劉慧濤

摘要：為完善半干旱區(qū)秸稈還田技術(shù)，構(gòu)建適宜當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件的秸稈還田快速腐解技術(shù)模式，采用尼龍網(wǎng)袋法研究秸稈腐解菌劑種類和尿素、有機(jī)肥用量對(duì)秸稈腐解率、腐解速率和玉米產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明，秸稈還田配施尿素75 kg/hm2和有機(jī)肥45 t/hm2可顯著提高秸稈腐解率和腐解速率（P<0.05），增加玉米產(chǎn)量（11.84%，P<0.05）;在5種秸稈腐解菌劑中，以吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院所制菌劑效果較好，能顯著促進(jìn)秸稈腐解（P<0.05），增加玉米產(chǎn)量（1.34%，P>0.05）。

關(guān)鍵詞：玉米秸稈還田;快速腐解;腐解菌劑;尿素;有機(jī)肥;半干旱區(qū)

中圖分類號(hào)：S141.4 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2020）05-0067-05

Abstract： This experiment studied the kinds of straw decomposing agents and the applying amounts of urea and organic fertilizer on the decomposition ration， decomposition rate and maize yield with nylon mesh bag method， in order to improve the technology of returning straw in semi-arid and construct the returning straw model of accelerating decomposition suitable for local production conductions. The results showed that the proper applying amount of urea 75 kg/hm2 and organic fertilizer 45 t/hm2 could significantly promote straw decomposition ration and decomposition rate（P<0.05）， and its maize yield increased 11.84% （P<0.05）. The straw decomposing agent from Jilin Academy of Agricultural Sciences had better effects， accelerated decomposition （P<0.05） and its maize yield could significantly increase 1.34% （P>0.05）.

Key words： maize straw returning; accelerating decomposition; decomposing agents; urea; organic fertilizer; semiarid area

吉林省作為中國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)之一，每年秸稈產(chǎn)量約4 000萬(wàn)t[1]。秸稈還田作為肥沃耕層、改良土壤的一項(xiàng)重要措施，可以提高黑土地土壤有機(jī)質(zhì)，提高作物產(chǎn)量[2，3]。吉林省西部屬半干旱區(qū)，年降雨量較少而蒸發(fā)量較大[4];冬季氣溫較低，干旱尤為嚴(yán)重，秸稈腐解較慢。目前，研制和推廣切實(shí)可行的玉米秸稈還田技術(shù)，解決黑土地土壤有機(jī)質(zhì)下降問題以及秸稈焚燒導(dǎo)致的環(huán)境污染問題，是吉林省進(jìn)行農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的一項(xiàng)重要措施[5]。

秸稈還田中還田深度、還田量[6，7]、有機(jī)物物料組成[8]、氣候和土壤條件[9-11]等均會(huì)影響秸稈腐解規(guī)律，為促進(jìn)玉米秸稈腐解和養(yǎng)分釋放，需要采取技術(shù)措施改變其自然腐解過程。目前關(guān)于秸稈還田后的腐解研究主要集中在外源添加物對(duì)腐解速率和養(yǎng)分釋放的影響。前人研究結(jié)果表明，秸稈腐解菌劑、氮肥及有機(jī)肥具有促進(jìn)秸稈腐解的作用[12-16]。趙金花等[3]對(duì)黃淮海平原激發(fā)式秸稈深還方式的還田效果研究發(fā)現(xiàn)，激發(fā)式秸稈深還明顯提高土壤養(yǎng)分和冬小麥產(chǎn)量。但適宜東北半干旱區(qū)的秸稈快速腐解技術(shù)研究較少。本研究采用尼龍網(wǎng)袋法，研究秸稈腐解菌劑種類和尿素、有機(jī)肥用量對(duì)秸稈腐解規(guī)律和玉米產(chǎn)量的影響，深入研究秸稈腐解規(guī)律，初步構(gòu)建快速腐解技術(shù)，為完善半干旱區(qū)秸稈還田技術(shù)模式提供理論依據(jù)。

1 ?材料與方法

1.1 ?試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于吉林省松原市乾安縣（123°21′16″—124°22′50″E，44°37′47″—45°18′08″N）。該地區(qū)為溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫5.6 ℃，日照時(shí)間為2 866.6 h，≥10 ℃積溫為2 884.5 ℃，平均無(wú)霜期為146 d，氣候特點(diǎn)是干旱多風(fēng)，降雨量在400 mm左右，平均蒸發(fā)量為1 500～1 900 mm。2018年1—11月降水量為436 mm（乾安縣氣象局統(tǒng)計(jì)）。土壤類型為黑鈣土。

1.2 ?試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2018年5月21日在吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院乾安試驗(yàn)基地抗旱棚內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)地面積600 m2，長(zhǎng)50 m，寬12 m。設(shè)36個(gè)秸稈填埋小區(qū)，秸稈填埋小區(qū)面積4.25 m2，長(zhǎng)8.5 m，寬0.5 m，深0.3 m。將收獲后的風(fēng)干玉米秸稈13 000 kg/hm2均勻鋪撒在小區(qū)底部。各小區(qū)之間東西間隔70 cm，南北間隔100 cm，小區(qū)四周用厚的不透水塑料膜進(jìn)行隔離。

試驗(yàn)采用尼龍網(wǎng)袋研究方法，網(wǎng)袋長(zhǎng)20 cm×寬30 cm，網(wǎng)袋孔徑100目。網(wǎng)袋裝入秸稈后，鋪設(shè)于小區(qū)底部。

1.2.1 ?尿素和有機(jī)肥用量對(duì)秸稈腐解的影響 ?將72袋風(fēng)干的全株秸稈樣品（60 g/袋）鋪入12個(gè)小區(qū)底部，6袋/區(qū)。在秸稈網(wǎng)袋上撒施中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院所研制菌劑后，再撒施尿素和有機(jī)肥（對(duì)照不施加）后填埋。施加尿素和有機(jī)肥用量設(shè)為4水平，隨機(jī)區(qū)組排列，分別為處理1（N0F0，CK）、處理2（N1F1，尿素25 kg/hm2+有機(jī)肥15 t/hm2）、處理3（N2F2，尿素50 kg/hm2+有機(jī)肥30 t/hm2）;處理4（N3F3，尿素75 kg/hm2+有機(jī)肥45 t/hm2）。取樣時(shí)間為7月9日、7月24日、8月21日、9月11日、9月28日和10月16日，3次重復(fù)。

1.2.2 ?秸稈腐解菌劑種類的篩選 ?將144袋風(fēng)干全株秸稈樣品（60 g/袋）鋪入24個(gè)小區(qū)底部，6袋/區(qū)。腐解菌劑篩選設(shè)6個(gè)處理，隨機(jī)區(qū)組排列，分別為不施加腐解菌對(duì)照（CK）、菌劑S（吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院菌劑）、菌劑R（俄羅斯木霉）、菌劑C（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院菌劑）、菌劑H（山東綠隴公司哈茨木霉）、菌劑F（山東綠隴公司有機(jī)肥發(fā)酵劑）。各菌劑撒施于秸稈網(wǎng)袋后加入75 kg/hm2尿素調(diào)節(jié)碳氮比后填埋。取樣時(shí)間與尿素和有機(jī)肥用量試驗(yàn)相同，4次重復(fù)。

供試玉米品種為富民108，5月27日播種，底施磷酸二銨13 kg/hm2，硫酸鉀7.2 kg/hm2。采用膜下滴灌施肥方式，水肥管理依據(jù)《半干旱區(qū)玉米水肥一體化技術(shù)規(guī)程DB22-T 2383—2015標(biāo)準(zhǔn)》。

1.3 ?試驗(yàn)指標(biāo)與方法

玉米秸稈取樣后樣品經(jīng)洗凈、80 ℃烘干，利用失重法測(cè)定秸稈腐解率[17]。

秸稈腐解率=（M0-Mt）×100%M0 ?（1）

式中，M0為加入秸稈干重（g）;Mt為腐解時(shí)間為t時(shí)的秸稈干重（g）;t為腐解時(shí)間（d）。

秸稈腐解速率：v=Y×（A-B）÷（A×t） ?（2）

式中，v為秸稈腐解速率[g/（g·年）];Y為365（d/年）;A為階段初始的秸稈質(zhì)量（g）;B為階段結(jié)束的秸稈質(zhì)量（g）;t為腐解時(shí)間（d）。

玉米產(chǎn)量：子粒成熟期測(cè)產(chǎn)，每小區(qū)玉米全部測(cè)產(chǎn)，10個(gè)果穗稱鮮重，并帶回風(fēng)干，風(fēng)干后考種，折標(biāo)準(zhǔn)水（14%）計(jì)算單位面積產(chǎn)量。

1.4 ?數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 19.0分析軟件和 Excel 2007軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用LSD法進(jìn)行多重比較。根據(jù)玉米秸稈質(zhì)量殘留量隨時(shí)間變化關(guān)系作回歸分析，采用指數(shù)方程y=b×e-kt擬合。式中，y為某時(shí)刻秸稈殘留質(zhì)量占初始質(zhì)量的比例;b為秸稈的損失量;k為腐解速率常數(shù)，其數(shù)值大小表示秸稈腐解質(zhì)量減少的快慢，t為腐解時(shí)間。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?尿素和有機(jī)肥不同用量對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

施加不同用量的尿素和有機(jī)肥用量對(duì)玉米產(chǎn)量的影響見圖1。N0F0（CK）、N1F1（尿素25 kg/hm2+有機(jī)肥15 t/hm2）、N2F2（尿素50 kg/hm2+有機(jī)肥30 t/hm2）和N3F3（尿素75 kg/hm2+有機(jī)肥45 t/hm2）處理的玉米產(chǎn)量分別為8 698、9 015、9 581、9 728 kg/hm2，3個(gè)尿素和有機(jī)肥處理產(chǎn)量比N0F0（CK）分別提高了3.64%、10.15%和11.84%，尿素75 kg/hm2+有機(jī)肥45 t/hm2（N3F3）與對(duì)照差異顯著（P<0.05）。

2.2 ?尿素和有機(jī)肥不同用量對(duì)秸稈腐解規(guī)律的影響

秸稈還田施加尿素和有機(jī)肥可影響秸稈腐解率，結(jié)果見圖2。由圖2可知，與N0F0（CK）相比，N3F3對(duì)秸稈的腐解率提高效果最優(yōu)，提高了4.02%～16.80%，7月9日至9月11日與N0F0（CK）差異顯著（P<0.05）;其次為N2F2和N1F1，秸稈腐解率分別提高了2.09%～12.12%和2.09%～12.02%，7月9日至9月11日與N0F0（CK）差異顯著（P<0.05）。N3F3與N2F2、N1F1對(duì)秸稈的腐解率在試驗(yàn)初期（7月9日和7月24日）差異顯著，后期差異不顯著。這說明秸稈還田施入一定量的尿素和有機(jī)肥可以提高秸稈腐解量，較高量的尿素和有機(jī)肥效果明顯。

從圖2還可以看出，4個(gè)處理的秸稈腐解率變化趨勢(shì)表現(xiàn)一致，均表現(xiàn)為隨腐解時(shí)間的增加而增加，7月9日至9月11日各處理秸稈腐解率增加明顯（P<0.01），而后期9月28日和10月16日秸稈腐解率隨時(shí)間的推后而增速變緩。秸稈腐解規(guī)律表現(xiàn)出前期腐解多、后期腐解少的特點(diǎn)。

分析尿素和有機(jī)肥用量各處理的秸稈殘留量（y）隨秸稈腐解時(shí)間（t）的變化，利用指數(shù)方程進(jìn)行擬合，得到CK、N1F1、N2F2、N3F3的指數(shù)方程分別為y=36.688e-0.296t（R2=0.97）、y=32.630e-0.309t（R2=0.98）、y=32.012e-0.307t（R2=0.97）、y=31.204e-0.328t（R2=0.97），擬合度較高。

秸稈還田施加尿素和有機(jī)肥對(duì)秸稈腐解速率的影響見圖3。與N0F0（CK）相比，N3F3對(duì)秸稈的腐解速率提高了0.06～0.48 g/（g·年），7月9日至9月11日顯著高于CK（P<0.05）;N2F2和N1F1對(duì)秸稈的腐解速率分別提高了0.06～0.44 g/（g·年）和0.03～0.25 g/（g·年），7月9日至9月11日顯著高于N0F0（CK）（P<0.05）。N3F3與N2F2、N1F1對(duì)秸稈的腐解速率前期（7月9日和7月24日）差異顯著（P<0.05），后期（8月21日至10月16日）差異不顯著（P>0.05）。這說明秸稈還田施入一定量的尿素和有機(jī)肥可以提高秸稈腐解速率，施入較高量的尿素和有機(jī)肥效果明顯。

從圖3可以看出，各處理秸稈腐解速率隨腐解時(shí)間變化趨勢(shì)表現(xiàn)一致，均隨腐解時(shí)間增加而降低，前期（7月9日至8月21日）秸稈腐解較快（P<0.01），而后期（9月11日之后）秸稈腐解速率變慢。秸稈腐解規(guī)律表現(xiàn)出前期腐解較快、后期腐解較慢的特點(diǎn)。

2.3 ?秸稈腐解菌劑種類對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

秸稈腐解菌劑對(duì)玉米產(chǎn)量的影響見圖4。CK、菌劑S、菌劑R、菌劑C、菌劑H和菌劑F處理玉米產(chǎn)量分別為8 496、8 609、8 591、8 572、8 536、8 593 kg/hm2。秸稈腐解菌劑具有增加玉米產(chǎn)量的趨勢(shì)，提高玉米產(chǎn)量0.47%～1.34%，但對(duì)玉米產(chǎn)量影響不顯著（P>0.05）。

2.4 ?秸稈腐解菌劑種類對(duì)秸稈腐解規(guī)律的影響

施加秸稈腐解菌劑對(duì)秸稈腐解率產(chǎn)生影響，結(jié)果見圖5。與CK相比，菌劑S（吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院）對(duì)秸稈的腐解率提高了4.07%～11.62%，7月24日至9月11日顯著高于CK（P<0.05）;菌劑R（俄羅斯木霉）對(duì)秸稈的腐解率提高了0.08%～5.54%;菌劑C（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院）對(duì)秸稈的腐解率提高了0.76%～6.14%，9月11日顯著高于CK（P<0.05）;菌劑H（山東綠隴公司哈茨木霉）和菌劑F（有機(jī)肥發(fā)酵劑）對(duì)秸稈的腐解率影響不顯著（P>0.05）。這說明吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院所制菌劑提高秸稈腐解率效果明顯，其次為中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院所制菌劑。

各處理秸稈腐解率隨時(shí)間變化趨勢(shì)一致，均表現(xiàn)為隨時(shí)間增加而明顯增加，腐解時(shí)間對(duì)秸稈腐解率影響極顯著（P<0.01）。

分析CK、菌劑S、菌劑R、菌劑C、菌劑H和菌劑F處理的秸稈殘留量（y）隨秸稈腐解時(shí)間（t）的變化，利用指數(shù)方程進(jìn)行擬合，得到指數(shù)方程，分別為y=29.851e-0.206t（R2=0.97）、y=27.876e-0.255t（R2=0.95）、y=30.400e-0.226t（R2=0.96）、y=28.887e-0.220t（R2=0.94），y=28.239e-0.196t（R2=0.98），y=27.040e-0.193t（R2=0.98），擬合度較高。

施加秸稈腐解菌劑對(duì)秸稈腐解速率產(chǎn)生影響，結(jié)果見圖6。與CK相比，菌劑S對(duì)秸稈的腐解速率提高了0.10～0.34 g/（g·年），7月24日至9月11日與CK差異顯著（P<0.05）;菌劑R對(duì)秸稈的腐解速率提高了0.02～0.16 g/（g·年）;菌劑C對(duì)秸稈的腐解速率提高了0.02～0.17 g/（g·年），9月11日顯著高于CK（P<0.05）;菌劑H和菌劑F對(duì)秸稈的腐解速率影響不顯著（P>0.05）。這說明吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院所制菌劑提高腐解速率效果明顯，其次為中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院所制菌劑。

各處理秸稈腐解速率隨時(shí)間變化趨勢(shì)一致，均表現(xiàn)為隨時(shí)間增加而明顯降低，腐解時(shí)間對(duì)秸稈腐解速率影響極顯著（P<0.01）。

3 ?小結(jié)與討論

3.1 ?討論

本研究發(fā)現(xiàn)，秸稈腐解具有前期快、后期慢的特征，尿素和有機(jī)肥用量各處理的秸稈殘留量隨秸稈腐解時(shí)間的變化符合指數(shù)方程，擬合程度較高。與其他研究者的研究結(jié)果相一致，研究者對(duì)水稻、小麥、玉米、蠶豆、油菜等多種作物秸稈腐解規(guī)律進(jìn)行研究[8，14，17]，均發(fā)現(xiàn)秸稈腐解過程具有前期快、后期慢的特點(diǎn)。

本研究發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈還田施加尿素25～75 kg/hm2配施有機(jī)肥15～45 t/hm2可促進(jìn)秸稈腐解，增加玉米產(chǎn)量。秸稈還田施加尿素和有機(jī)肥促進(jìn)秸稈腐解，提高玉米產(chǎn)量。陳亞斯等[14]采用淹水培試驗(yàn)研究氮素對(duì)小麥秸稈物質(zhì)分解的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，施加氮素可以促進(jìn)秸稈纖維素分解，但對(duì)木質(zhì)素的影響不明顯。匡恩俊等[15]采用砂濾管法研究有機(jī)物料分解規(guī)律，結(jié)果表明，調(diào)節(jié)C/N可以提高有機(jī)碳分解速率。張珺穜等[16]秸稈預(yù)處理方法的試驗(yàn)表明，施加尿素可以促進(jìn)氮素、磷素的釋放，有助于提高作物產(chǎn)量。趙金花等[3]提出秸稈與無(wú)機(jī)氮肥或有機(jī)氮肥配施進(jìn)行深埋（激發(fā)式秸稈深還）可以增加土壤有機(jī)質(zhì)、土壤全氮和土壤硝態(tài)氮含量等，從而提高冬小麥產(chǎn)量。雖然肥料的投入增加了農(nóng)業(yè)成本，但施加適量肥料可以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益[18]。因此，半干旱秸稈還田技術(shù)中還應(yīng)分析農(nóng)業(yè)產(chǎn)投比，確定尿素和有機(jī)肥用量投入的經(jīng)濟(jì)閾值。

本研究發(fā)現(xiàn)，不同種類腐熟劑效果存在差異，吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院所制菌劑（菌劑S）效果較好，促進(jìn)秸稈腐解，提高玉米產(chǎn)量（1.34%，P>0.05）。原因可能是菌劑S為本單位研制產(chǎn)品，在適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂蚝屯寥拉h(huán)境等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。有研究表明，玉米秸稈施加該種腐解劑30 d后秸稈降解率可達(dá)40.2%[19]?？锒骺〉萚20]對(duì)3種玉米秸稈腐解菌劑施用效果的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)刈援a(chǎn)的3號(hào)腐熟劑處理的秸稈生物量失重率及秸稈氮、磷、鉀釋放較高;還有學(xué)者提出，有機(jī)廢物發(fā)酵菌曲、菌劑E（有效成分為纖維素酶、真菌，助劑為氮素、保水劑和微肥）效果較好[12，13]。秸稈腐解菌劑的影響因素較多，選用適宜當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件的菌劑可以促進(jìn)秸稈中有機(jī)碳、氮和磷的釋放[12]，提高土壤活性有機(jī)質(zhì)、堿解氮和有效磷含量[21]，有利于提高作物產(chǎn)量。今后研究中應(yīng)逐步完善秸稈還田快速腐解技術(shù)體系，確定尿素和有機(jī)肥的適宜用量，配施適宜的秸稈腐解菌劑，結(jié)合合理的滴灌和鎮(zhèn)壓等技術(shù)措施，構(gòu)建完善的技術(shù)體系模式，以促進(jìn)秸稈快速腐解，增加土壤有機(jī)質(zhì)，提高半干旱區(qū)玉米產(chǎn)量。

秸稈還田秸稈腐解過程對(duì)土壤生物學(xué)特征也會(huì)產(chǎn)生影響，秸稈用量過高對(duì)土壤細(xì)菌和放線菌數(shù)量有負(fù)效應(yīng)[22]。今后的研究中可以探討秸稈腐解菌劑對(duì)土壤微生物和土壤動(dòng)物群落多樣性和穩(wěn)定性的影響，評(píng)價(jià)土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和土壤健康狀況，有利于評(píng)價(jià)秸稈還田對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的作用，探求科學(xué)合理的秸稈還田途徑。

3.2 ?小結(jié)

吉林西部半干旱區(qū)秸稈還田過程中，秸稈腐解量隨腐解時(shí)間增加而明顯增加，腐解速率表現(xiàn)出前期快、后期慢的特點(diǎn)。本試驗(yàn)條件下，秸稈還田配施尿素75 kg/hm2和有機(jī)肥45 t/hm2可以促進(jìn)秸稈腐解，明顯提高玉米產(chǎn)量。不同種類的腐熟劑效果存在差異，其中吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院所制菌劑效果較好，具有提高玉米產(chǎn)量的趨勢(shì)。研究半干旱秸稈還田快速腐解技術(shù)，分析玉米秸稈腐解影響因素，對(duì)半干旱區(qū)秸稈還田技術(shù)模式的實(shí)施和田間管理具有重要意義。

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