新型快速秸稈還田促腐菌劑對小麥秸稈還田在水稻田的施用劑量評價

李 磊，陳守保，孫小玉，甄 靜，李冠杰，岳丹丹，寧 萌慕 琦，楊金星，陳國參，高丁石，王繼雯

（1河南科學院生物研究所有限責任公司，鄭州 450008；2河南省微生物工程重點實驗室，鄭州 450008；3鄭州市現代農業科技服務中心，鄭州 450000；4河南省滑縣農業局，河南滑縣 456400）

0 引言

隨著現代農業技術的發展，中國農作物的產量大幅提高，秸稈的產量也水漲船高[1]。在農業生產中，秸稈是成熟農作物被收獲果實籽粒后主要由莖、葉組成的剩余部分，包含著農作物大量的光合產物，富含N、P、K、Ca 等多種營養元素以及大量的纖維素、半纖維素、木質素等生物大分子[2]。據統計，中國每年產生超8 億t 的秸稈[3]，主要農作物秸稈資源豐富[4]。目前，秸稈還田的方式主是直接還田（高茬還田、覆蓋還田、粉碎還田、焚燒還田）和間接還田[5-6]（堆肥或使用微生物菌劑）。秸稈直接還田會導致前茬作物致病菌誘發的再生病害；秸稈腐解較慢會影響下茬作物的出芽率以及根系和幼苗的生長；除此以外，秸稈直接還田后參與腐解秸稈的微生物還可能導致土壤微生物與種植作物進行氮源競爭，造成下茬作物營養供給不足，嚴重時造成黃苗、弱苗[7]，甚至減產。在國民經濟與社會高質量發展的今天，人們越來越重視經濟社會高速發展與保護自然環境之間的矛盾，生態農業和綠色農業成為現代化農業的發展方向?？茖W技術的發展給農業廢棄物的處理帶來了全新思路，促進了農業可持續發展的實踐進程，同時也使促腐菌劑受到了廣泛關注。大量的研究表明[8-9]，施用促腐菌劑可以有效避免上述情況的發生。秸稈促腐菌劑是一種富含高效微生物的菌系，施加在農業生產廢棄物上，能促進農業廢棄物快速腐解，加速秸稈的腐熟，不但能減輕上茬秸稈過多帶給下茬作物的負擔，還能有效可以提高土壤肥力[10]、改善土壤理化性質[11]，提高作物產量[12]。李錄久等[13]使用秸稈腐熟劑對水稻秸稈進行還田使水稻產量最高增產了41.9%。楊曉燕等[14]的研究表明，使用小麥秸稈腐熟劑后不僅使小麥秸稈的降解率提高了7.63%，土壤有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀質量分數分別增加6.15%、5.04%、10.16%和5.33%而且在還田基礎上種植的白菜各項指標也有明顯提升。李文紅等[15]研究表明，施用秸稈腐熟劑處理玉米秸稈后，‘鄭麥7698’和‘徐麥33’分別平均增產40.05%和26.27%。

目前，在河南原陽地區為小麥和水稻輪作（前茬為小麥）。通過施用促腐菌劑降解小麥秸稈來增加土地肥效，增加水稻產量對本地發展生態農業有積極意義，同時也為全國有相同輪作方式的地區提供了借鑒。因此，河南省科學院生物研究所有限責任公司研制了一種新型快速秸稈還田促腐菌劑，并研究了該促腐菌劑對小麥秸稈還田在水稻田間的最佳施用劑量和增產效果，以期對秸稈速腐劑的應用提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018年6月7日在河南省新鄉原陽縣太平鎮菜吳村旺盛合作社試驗田進行。其四周交通便利、易于觀察與管理，田塊的面積在50 hm2以上，輪廓方正、地勢平坦、且肥力均勻。周圍農業設施完備，排灌方便、種植生產水平較高，田塊的前茬作物一致。

試驗地的土壤類型為壤土。耕層土壤的養分如下：有機質3.16%、堿解氮70 mg/kg、速效磷31.86 mg/kg、速效鉀190 mg/kg。

1.2 試驗材料

供試作物為水稻，品種：‘稻鰍1 號’，試驗地前茬作物為小麥，品種‘鄭麥369’，產量約9000 kg/hm2，前茬小麥秸稈深耕還田。

新型秸稈還田促腐菌劑（粉劑），產品含有地衣芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌、黑曲霉，有效活菌數≥5×108CFU/g，由河南省科學院生物研究所有限責任公司提供。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設計 在常規施肥和小麥秸稈全部粉碎還田的基礎上，試驗共設置4個劑量處理，即：M1(CK)，M2(30 kg/hm2)，M3(75 kg/hm2)和M4(120 kg/hm2)；并且每個處理設3 次重復，小區隨機排列，每個小區面積為100 m2，小區實行單排單灌。

在試驗過程中，采用小麥秸稈全量還田模式，首先將小麥秸稈均勻覆蓋在小區地面，使得每個處理所包含的秸稈量基本相同，保持土壤濕度維持在田間持水量的60%～80%。還要使各處理小麥秸稈的含水量基本一致，這樣有利于秸稈腐熟菌劑的微生物生長和秸稈腐解。施肥過程中，同時施用基肥和促腐菌劑，其中基肥和前茬作物一致，為750 kg/hm2復合肥。最后，保證各處理田間其他農藝措施一致。

1.3.2 觀察與記錄

（1）試驗前取基礎土樣分析有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀、pH等。試驗后每個處理分別測定有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀。以小麥秸稈粉碎還田后種植一季作物為一個試驗周期。

（2）秸稈腐熟程度記載：作物播種后每隔15 天觀察記載一次小麥秸稈的外觀變化，并對秸稈表面變化用掃描電鏡進行觀察拍照。

（3）及時調查不同處理的生物學性狀及病蟲害發生情況。

（4）測產：作物成熟后各小區及時進行田間測產，計算產量。

（5）理論產量(kg/hm2)=[每公頃穗數×穗粒數×千粒重(g)]/(1000×1000)

2 結果與分析

2.1 秸稈還田促腐菌劑的不同施用劑量小麥秸稈腐解情況觀察

在水稻作物播種后，每隔15天對各個小區的小麥秸稈的外觀進行了觀察記錄。從圖1可知，30天時，小麥秸稈的外觀快速發生變化，小麥秸稈層不再呈蓬松狀，密度增大，施用新型小麥秸稈促腐菌劑的小麥秸稈外觀發生了更加明顯的變化，顏色較M1(CK)變深程度明顯，不再富有光澤。其中M2、M3和M4處理的小麥秸稈莖葉比依次明顯增大，大部分小麥秸稈的韌性明顯降低。30～45天，秸稈腐熟速率減緩，秸稈層厚度基本不變。60 天至水稻收獲，秸稈層厚度進一步減小，秸稈大部分已經腐解，腐解程度大小依次為：M3、M4、M2、M1。

圖1 小麥秸稈腐熟情況（從左到右分為M1、M2、M3、M4）

通過飛納掃描電鏡觀察發現，未經秸稈促腐菌劑處理的0天小麥秸稈表面比較光滑，纖維排列整齊、致密；施用新型小麥秸稈促腐菌劑處理30天的小麥秸稈表面變得凸凹不平，表面蠟質脫落，內部的纖維部分外露，韌性變??；腐熟45 天小麥秸稈表面纖維素基本結構被明顯破壞，內部的纖維骨架大部分已經暴露出來，可以清楚地看到稀松的孔洞（圖2）。

圖2 飛納掃描電鏡下觀察小麥秸稈的降解情況

2.2 秸稈還田促腐菌劑的不同施用劑量對水稻成產因素的影響

從表1 可知，施用不同劑量的新型快速秸稈還田促腐菌劑在小麥秸稈還田過程中對水稻公頃穗數和穗粒數影響較為顯著，但對其千粒重的影響不大，各處理千粒重之間差異不顯著(P＞0.05)。尤其是M3 的每公頃穗數與M1(CK)和M2處理相比顯著增多，且差異極顯著(P＜0.01)，而與M4相比差異不顯著(P＞0.05)；其次M3 的穗粒數與M1 和M4 相比顯著增多，差異達極顯著水平(P＜0.01)。

表1 施用不同劑量的新型快速秸稈還田促腐菌劑對水稻成產因素的影響

2.3 秸稈還田促腐菌劑的不同施用劑量對水稻產量的影響

從表2 可知，施用不同劑量的新型快速秸稈還田促腐菌劑在小麥秸稈還田過程中對水稻產量的影響較大，M3的理論產量和實際產量均最高，與其他各處理相比增產較為明顯，尤其是各處理之間的理論產量差異達極顯著水平(P＜0.01)，并且M3 與M1(CK)處理的理論產量和實際產量相比，增產率分別高達20.4%和12.94%。

表2 施用不同劑量的新型快速秸稈還田促腐菌劑對水稻產量的影響

2.4 秸稈還田促腐菌劑的不同施用劑量對水稻田土壤理化特性的影響

試驗結束后，施用不同劑量的新型快速秸稈還田促腐菌劑在小麥秸稈還田中對土壤理化特性的影響見表3，M3的堿解氮、有效磷、速效鉀以及有機質含量均最高，其中其堿解氮和速效鉀含量與M1相比均極顯著增加(P＜0.01)，其有效磷含量與其他各處理相比也顯著增加(P＜0.05)；雖然M3的有機質含量相較于其他各處理最高，但是各處理之間差異不顯著(P＞0.05)。

表3 施用不同劑量的新型快速秸稈還田促腐菌劑對土壤理化特性的影響

3 討論與結論

陳章梅等[16]的研究結果表明，小麥秸稈還田在施用腐熟劑情況下，水稻產量最高增產了544.5 kg/hm2且土壤中氮磷鉀的含量有所提高，土壤中有益微生物大量繁殖提高了土壤的有機質含量，從而使水稻增產。李本旭等[17]研究結果顯示，秸稈還田配合使用秸稈腐熟劑可以有效降解秸稈，在降解第30天其降解率到達了49.34%。在秸稈降解的同時土壤中氮含量和有機質含量提升明顯水稻產量最高增產了5.74%。陳章梅等人的試驗與本試驗都是在水稻田中降解前茬小麥秸稈從而促進水稻產量的提升，從促產效果看本試驗中水稻產量最高增產了861 kg/hm2要優于陳章梅等人的試驗。在陳章梅與李本旭的試驗中土壤中氮磷鉀和有機質含量均有所提高，而在本試驗中氮磷鉀含量雖提升較為明顯但土壤有機質含量無明顯變化，這是與其他研究結果所不同的。土壤有機質含有豐富的碳源和其他營養元素可以刺激植物根系生長，增加其抗逆性從而使植物更好的適應環境保產增產[18]。本試驗中土壤有機質含量未有增加但水稻產量卻增產明顯，筆者分析是因為水稻生長主要依靠的氮磷鉀等元素在本試驗土壤中含量較高，土壤中基礎有機質滿足水稻的生長需求，并且水稻種植是在穩定環境下進行這對其抗逆性要求不高，故在有機質沒有明顯增加的情況下實現了水稻的增產。本試驗僅是小區試驗的初步探討，還存在著些許不足之處，例如試驗規模應加大，但是規模擴大又帶來了一個新的問題，即不易保證各個小區的農藝措施保持一致，為田間管理人員帶來了不小的麻煩，希望未來的農業自動化的發展可以解決這個問題。目前已有相關文獻[19]報道了在水稻秸稈還田施用促腐菌劑可以顯著提高亞硝化細菌、硝化細菌、好氣性自生固氮菌等可培養微生物的數量，可能抑制細菌和防線菌等致病菌。這給筆者探索新型促腐菌劑對小麥秸稈還田過程中抑制致病菌及害蟲的功能提供了方向，具有深入開發的潛力，可以在進一步的研究中結合分子生物學的方法探討土壤中微生物菌落結構從而改善土壤達到增產、抗病等效果。

本次試驗在應用層面初步探究了河南省科學院生物研究所有限責任公司研發的新型快速秸稈還田促腐菌劑對小麥秸稈還田在水稻田的施用劑量，通過試驗發現，當施加的菌劑量為75 kg/hm2時，土壤中堿解氮、有效磷、速效鉀的含量分別提高了93.33%、18.13%和46.93%，水稻的產量7510.35 kg/hm2比對照提高了12.94%。試驗證明秸稈還田過程中配合使用秸稈腐熟劑能夠有效降解小麥秸稈，改善土壤的理化并增加水稻產量。這為農業廢棄物處理這一方面的生態化、綠色化、可持續化發展提供了數據支撐，也為新型快速秸稈還田菌劑的研發奠定了理論基礎。