不同腐熟劑對麥秸腐解率與稻田水環境的影響

薛穎昊 孫國峰 眭鑫梅 陳旭蕾 孫仁華 徐志宇*

（1 農業農村部農業生態與資源保護總站，北京 100125；2 江蘇省農業科學院農業資源與環境研究所，南京 210014；3 常州市新北區奔牛稻麥原種場有限公司，江蘇 常州 213001；4 中國農業生態環境保護協會，北京 100125；第一作者：xueyinghao@agri.gov.cn；*通信作者：xufanjin@126.com））

秸稈是農作物的副產物，也是重要的農業生物質資源。我國農作物秸稈資源豐富，產生量大，種類多，分布廣。近年來，我國糧食生產連年豐收，糧食產量連續7 年達到6.5 億t，2021 年糧食產量提高到6.8 億t[1]。與此同時，農作物秸稈產生量也在逐年遞增?？茖W合理地利用秸稈還田對資源高效利用及農業可持續發展具有重要意義。目前秸稈直接還田量約占全國秸稈綜合利用量的三分之二，是農作物秸稈最主要的利用方式[2]。秸稈合理還田能夠補充土壤有機質，改善耕層土壤結構，提升土壤肥力，增加作物產量[3-4]。但生產中，由于農時忙、茬口緊、秸稈粉碎程度不夠、秸稈還田量過大等因素，秸稈還田后短時間內不易腐爛，使得耕層土壤出現秸稈富集、有機酸積累等問題，影響秧苗根系生長，甚至發生僵苗現象，易造成作物減產[4-7]。所以，在部分重要農區，如何科學有效地促進農作物秸稈快速腐解，已成為一個不容忽視的問題。秸稈腐熟劑是有機物料腐熟劑中的一種，含有大量的酵母菌、霉菌、細菌和芽孢桿菌等，能利用微生物的分解代謝加速秸稈分解、腐熟，促進秸稈營養成分快速釋放并轉化為作物容易吸收利用的養分[8]。2022 年9 月，農業農村部、國家發展改革委、生態環境部、中國人民銀行、中華全國供銷合作總社等5 部門聯合印發《建設國家農業綠色發展先行區促進農業現代化示范區全面綠色轉型實施方案》，明確提出要加大秸稈腐熟菌劑和復合菌劑等配套產品開發應用，提高秸稈科學還田水平。然而，對于秸稈腐熟劑，科學界一直存在不同的聲音。有研究表明，秸稈還田時合理施用腐熟劑，能夠實現秸稈的快速腐解[9]，有利于提高土壤有機質及氮磷鉀速效養分含量和水稻產量[10-12]。然而，不同腐熟劑促進秸稈腐解效應存在較大差異[9,13]，分析這可能是腐熟劑中微生物對不同使用地土壤環境的適應性存在差異的緣故[14]，溫度、pH、含水量等環境因素及腐熟劑用量和C/N 等都會影響秸稈腐解效率[15]。也有研究認為，施用腐熟劑會影響水稻分蘗，減少有效穗數，進而降低水稻產量[16]。稻麥輪作是長江下游地區的主要種植模式，本試驗通過研究不同腐熟劑對稻田麥秸腐解率、田面水環境及水稻產量的影響，為評估麥秸還田時施用腐熟劑后可能引發的稻田水環境風險提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

于2021 年在江蘇省常州市新北區奔牛稻麥原種場開展水稻季麥秸腐解試驗。該區屬北亞熱帶季風性濕潤氣候區，年均溫度16.1 ℃，年均降雨量1 119 mm，年日照時數1 917.5 h，年均無霜期248 d，該區以小麥-水稻輪作模式為主。試驗土壤類型為沙壤土，土壤容重1.05 g/cm3，有機質12.7 g/kg，全氮1.00 g/kg，有效磷8.91 mg/kg，速效鉀35.8 mg/kg。

1.2 試驗設計

選擇生產中使用范圍較廣的4 種有機物料（秸稈）腐熟劑進行田間試驗（表1）。以麥秸不還田無腐熟劑（CF）、麥秸全量還田無腐熟劑（CFS）為對照，設置麥秸全量還田+腐熟劑Ⅰ（DA1）、麥秸全量還田+腐熟劑Ⅱ（DA2）、麥秸全量還田+腐熟劑Ⅲ（DA3）、麥秸全量還田+腐熟劑Ⅳ（DA4）共6 個處理。隨機排列，小區面積200 m2，3 次重復。前茬小麥品種為鎮麥12，秸稈還田量為7 080 kg/hm2。2021 年6 月7 日小麥秸稈滅茬后，將腐熟劑按推薦用量（DA1、DA2、DA3 為30 kg/hm2和DA4 為3 kg/hm2）人工撒施后旋耕還田。參試水稻品種為軟玉，5 月27 日播種，6 月13 日機插秧，行距30 cm、株距12 cm。N、P2O5、K2O 施用量分別為262.5、90、90 kg/hm2，在6 月9 日施用基肥[45%復合肥（N-P2O5-K2O為15-15-15，下同）375 kg/hm2]，6 月23 日施用分蘗肥（尿素225 kg/hm2），8 月2 日施用穗肥（45%復合肥225 kg/hm2和尿素150 kg/hm2）。各處理水稻季其他田間管理措施保持一致。

表1 供試腐熟劑基本信息

1.3 樣品采集與測定方法

1.3.1 秸稈腐解率

采用失重法（NY/T2722-2015）定量監測秸稈腐解率。按秸稈還田量與土地面積比值確定單位大小包裝秸稈量，即采用100 目20 cm×30 cm 尼龍網袋，每袋風干小麥秸稈量為35 g，60 ℃烘干至恒質量，每袋平均為32.32 g。在插秧后，將腐熟劑用自來水稀釋50 倍后浸潤尼龍網袋包裝的小麥秸稈，采用耕層垂直埋設方式，間隔約50 cm，之后第7、14、21、28、60 d 和水稻收獲期（136 d）時，分6 次取出尼龍網袋，5 次重復，帶回實驗室用自來水沖洗網袋粘附的泥漿，在60 ℃烘干約72 h 至恒質量，測定小麥秸稈殘余量，進而計算秸稈腐解量和腐解率。

1.3.2 稻田水環境

在腐熟劑施用后第7、14、21、28、60 d 采集各小區田面水，3 次重復，帶回實驗室置于4 ℃冰柜冷藏、及時測定。采用重鉻酸鹽法（GB11914-89）測度田面水化學需氧量（COD），采用連續流動化學分析儀（SAN++System，SKALAR，Netherlands）測定田面水全氮（TN）、總磷（TP）、銨態氮（NH4+-N）含量。

1.3.3 水稻產量及其構成因素

于10 月27 日水稻成熟期每小區選取具有代表性的水稻20 叢，調查有效穗數，測定水稻產量；每小區選取具有代表性的水稻2 叢，調查每穗實粒數和千粒重。

1.4 數據分析

采用Excel 2016 和SPSS17.0 軟件進行數據處理與作圖，處理間多重比較用LSD 法。

2 結果與分析

2.1 水稻季麥秸腐解率

水稻季麥秸腐解率如圖1 所示。各處理水稻季麥秸腐解率隨時間增長均呈現極顯著（P＜0.01）的對數增加趨勢，其中，4 種腐熟劑處理均不同程度提高了麥秸還田后4 周內秸稈腐解率。具體來看，CFS 處理水稻季麥秸腐解率為71.4%，其中麥秸還田后4 周秸稈腐解率為45.3%，占當季秸稈腐解率的63.4%。而4 種腐熟劑處理的水稻季麥秸腐解率為68.9%～73.2%，其中麥秸還田后4 周秸稈腐解率為48.3%～53.1%，較CFS 處理提高3.0～7.8 個百分點，占當季秸稈腐解率的67.0%～73.6%，較CFS 處理提高4.2～10.2 個百分點?？梢?，施用4 種秸稈腐熟劑加快了還田前期麥秸腐解速度，但處理間麥秸腐解率差異不顯著。

圖1 不同腐熟劑對水稻季麥秸腐解率的影響

如圖2 所示，麥秸還田后2 周為快速腐解期。具體來看，CFS 處理麥秸還田后2 周秸稈腐解率之和為31.4%，占當季秸稈腐解率的43.9%，4 種腐熟劑處理麥秸還田后2 周秸稈腐解率之和為33.7%～37.4%，較CFS 處理提高2.3～6.0 個百分點，占當季秸稈腐解率的46.1%～54.2%，較CFS 處理提高2.2～10.3 個百分點。

圖2 不同處理麥秸周腐解率

2.2 水稻季麥秸還田水環境風險

2.2.1 田面水COD 變化特征

如圖3 所示，與CF 處理相比，CFS 和4 種腐熟劑處理田面水COD 含量整體呈現增加趨勢。其中，CFS處理麥秸還田后田面水COD 含量較CF 處理平均提高13.7%。與CFS 處理相比，麥秸還田后4 種腐熟劑處理3 周內田面水COD 含量整體提高，增幅在17.9%～54.8%之間，平均提高28.0%。具體來看，麥秸還田后第1、3 周田面水COD 變化規律相似，整體呈現DA4＞DA1、DA2、DA3＞CFS＞CF 處理的規律。其中，DA4 處理田面水COD 含量顯著（P＜0.05）高于DA1、DA2、DA3、CFS 和CF 處理，而4 種腐熟劑處理麥秸還田4 周后田面水COD 含量與CFS、CF 處理間差異不顯著。

2.2.2 田面水TN 變化特征

如圖4 所示，與CF 處理相比，CFS 處理田面水TN含量呈先降低后增加的趨勢，其中CFS 處理麥秸還田后第1 周田面水TN 含量顯著低于CF 處理。與CFS 處理相比，4 種腐熟劑處理均增加了麥秸還田后3 周內田面水TN 含量，整體呈現DA3＞DA2＞DA4＞DA1＞CFS的規律，增幅在12.8%～68.2%之間，平均提高43.8%。具體來看，麥秸還田后第1、3 周田面水TN 變化趨勢相似，以DA3、DA2、DA4 處理田面水TN 含量較高，其中DA3、DA2 處理田面水TN 含量均顯著高于DA1、CFS處理。麥秸還田后第2 周田面水TN 含量仍以DA3 處理最高，顯著高于其他處理。麥秸還田4 周后田面水TN 含量各處理間差異均不顯著。

圖4 不同處理麥秸還田后田面水TN 變化特征

2.2.3 田面水NH4+-N 變化特征

如圖5 所示，與CF 處理相比，CFS 處理田面水NH4+-N 含量呈下降趨勢，其中麥秸還田后第1 周田面水NH4+-N 含量差異達顯著水平。與CFS 處理相比，麥秸還田后4 種腐熟劑處理3 周內田面水NH4+-N 含量呈增加趨勢，整體呈現DA3＞DA2＞DA4＞DA1＞CFS 的規律，增幅在11.1%～88.6%之間，平均提高52.9%。具體來看，麥秸還田后第1 周田面水NH4+-N 含量以DA3、DA4 處理較高，DA2、CF 處理次之，均顯著高于DA1、CFS 處理；麥秸還田后第2 周田面水NH4+-N 含量仍以DA3 處理最高，顯著高于其他處理；麥秸還田后第3 周田面水NH4+-N 含量以DA2 處理最高，顯著高于DA4、DA1、CFS 和CF 處理。麥秸還田4 周后田面水NH4+-N含量各處理間差異均不顯著。

圖5 不同處理麥秸還田后田面水NH4+-N 變化特征

2.2.4 田面水TP 變化特征

如圖6 所示，CFS 處理田面水TP 含量與TN 含量變化特征相似，較CF 處理呈先下降后上升的趨勢，處理間差異不顯著。與CFS 處理相比，4 種腐熟劑處理均增加了麥秸還田后3 周內田面水TP 含量，增幅在33.9%～208.6%之間，平均提高111.5%。具體來看，麥秸還田后2 周內田面水TP 含量以DA2 處理最高，顯著高于其他處理；麥秸還田后第3 周田面水TP 含量仍以DA2 處理最高，顯著高于DA1、CFS、CF 處理，而DA3、DA4 處理田面水TP 含量與其他處理間差異不顯著；麥秸還田后第4 周田面水TP 含量以CFS 處理最高，顯著高于各腐熟劑處理。

圖6 不同處理麥秸還田后田面水TP 變化特征

2.3 水稻產量及其構成因素

如表2 所示，與CF、CFS 處理相比，4 種腐熟劑處理對水稻產量及其構成因素均無明顯影響。其中，DA1、DA3 處理水稻產量較CF、CFS 處理增產1.5%～6.6%，平均增產4.0%；而DA2 和DA4 處理水稻產量較CF、CFS 處理略有降低。

3 討論

3.1 腐熟劑對麥秸腐解率及水稻產量的影響

腐熟劑是通過接種的功能微生物自身代謝來促進秸稈腐解[17-18]。本研究選用的4 種腐熟劑均提高了麥秸還田后4 周內秸稈腐解率，但不同腐熟劑對麥秸腐解效果存在差異，這與前人研究結論一致[9,13]。分析原因可能與不同腐熟劑所選用微生物菌株的差異和生產工藝有關。同時發現，麥秸還田后秸稈腐解率均隨還田天數增加呈現極顯著的對數增長趨勢，其中，麥秸還田后2周為快速腐解期，這與前人提出麥秸快速腐解期在還田后15 d 的結論相近[19]；但本研究不同腐熟劑處理麥秸還田后2 周的秸稈腐解率達33.7%～37.4%，這明顯高于前人研究的麥秸還田后15 d 秸稈腐解率（25.3%～30.3%）[19]，分析可能與區域氣候特征、試驗土壤肥力及腐熟劑使用方法等因素有關。然而，本研究選用的4 種腐熟劑處理水稻季麥秸腐解率在68.9%～73.2%之間，較CFS 處理（71.4%）增加了-2.5～1.8 個百分點，平均增加了0.4 個百分點，處理間差異不顯著。另外，還發現，麥秸還田時施用腐熟劑較CFS 處理水稻增產幅度在-2.8%～6.6%之間，平均增產1.3%，這與前人研究指出施用腐熟劑對水稻增產效應報道不一的結果相似[13,19]?？梢?，合理施用腐熟劑會不同程度加快還田前期的麥秸腐解速度，但其對水稻全生育期的麥秸腐解率及水稻產量影響不大。

3.2 腐熟劑對稻田水環境的影響

采用失重（網袋）法定量測定秸稈腐解率，不僅可以客觀評價腐熟劑的腐解效果，還可以用來表征秸稈主要養分（碳、氮和磷）的釋放規律[19]。同時，秸稈腐解過程中釋放于田面水的碳、氮和磷含量也可用來表征稻田因地表徑流流失而產生的水環境風險[20-22]。

本研究通過測定田面水COD、TN、NH4+-N 和TP含量變化來反應稻田水環境風險，研究結果表明，選用的4 種腐熟劑處理麥秸還田后3 周內田面水COD、TN、NH4+-N 和TP 含量較CFS 增加，表明麥秸還田時施用腐熟劑有可能增加水稻生長初期的水環境風險，但不同腐熟劑對水稻生長初期的水環境風險存在差異。分析原因可能與不同腐熟劑加快還田前期麥秸腐解速度的差異有關[9,19]。同時，NH4+-N/TN 能夠反映稻田的田面水氮轉化與流失潛力的相對水平[22]。本研究中4種腐熟劑處理麥秸還田后2 周內田面水NH4+-N/TN 較CFS 處理呈增加趨勢，增幅在6.3～34.0 個百分點，平均增加20.0 個百分點，其中DA3 和DA4 處理田面水NH4+-N/TN 均顯著高于CFS、DA1 和DA2，說明麥秸還田時施用腐熟劑增加了還田后2 周內氮素流失風險。分析是由于腐熟劑處理加快麥秸還田后2 周麥秸腐解速度，進而促進更多無機氮的釋放[19]?？梢?，施用腐熟劑會加快麥秸還田前期養分釋放，會增加水稻生長初期的水環境風險。然而，影響腐熟劑施用效果的因素眾多，建議南方水網區水稻季謹慎施用腐熟劑。

4 結論

秸稈直接還田已成為農村秸稈利用的最主要方式，也是高效直接易于實現的秸稈處理方法。但如何實現秸稈“還得好”仍然是目前秸稈直接還田面臨的主要困境。本文系統研究市面上常見的4 種腐熟劑對稻田麥秸腐解率、田面水環境及水稻產量的影響，以期對生產實際提供理論依據。

1）施用4 種腐熟劑均提高了還田前期（還田后4周）小麥秸稈腐解速度，且腐解率隨還田天數增加呈現極顯著的對數增長趨勢。不同腐熟劑對麥秸的腐解效果存在差異，還田后2 周為麥秸快速腐解期，腐熟劑DA3 和DA4 促進麥秸腐解效果較佳。

2）施用4 種腐熟劑均增加了水稻生長初期（還田后3 周）的田面水COD 及氮磷的水環境風險。其中，腐熟劑DA2、DA3 和DA4 處理麥秸還田后3 周內稻田水環境風險相對較高。綜合考慮稻田水環境風險與水稻產量，腐熟劑DA1 處理相對較佳。

3）在稻麥輪作模式下，合理施用腐熟劑可以不同程度加快小麥秸稈還田前期的腐解速度，但其對水稻全生育期的麥秸腐解率及水稻產量影響不大。同時，施用腐熟劑會加快麥秸還田前期養分釋放，會增加水稻生長初期的水環境風險。建議進一步開展長期定位監測，不斷完善秸稈還田生態效應監測指標和技術規范，科學評價秸稈還田的生態環境效應，充分考慮區域狀況、耕作方式、農民接受度、技術措施成熟度，以及扶持政策力度等，科學合理地把秸稈還到地里，發揮好秸稈在培肥土壤、保育耕地和改善生態環境方面的重要作用。