新型快速秸秆还田促腐菌剂对小麦秸秆还田在水稻田的施用剂量评价

李 磊，陈守保，孙小玉，甄 静，李冠杰，岳丹丹，宁 萌慕 琦，杨金星，陈国参，高丁石，王继雯

（1河南科学院生物研究所有限责任公司，郑州 450008；2河南省微生物工程重点实验室，郑州 450008；3郑州市现代农业科技服务中心，郑州 450000；4河南省滑县农业局，河南滑县 456400）

0 引言

随着现代农业技术的发展，中国农作物的产量大幅提高，秸秆的产量也水涨船高[1]。在农业生产中，秸秆是成熟农作物被收获果实籽粒后主要由茎、叶组成的剩余部分，包含着农作物大量的光合产物，富含N、P、K、Ca 等多种营养元素以及大量的纤维素、半纤维素、木质素等生物大分子[2]。据统计，中国每年产生超8 亿t 的秸秆[3]，主要农作物秸秆资源丰富[4]。目前，秸秆还田的方式主是直接还田（高茬还田、覆盖还田、粉碎还田、焚烧还田）和间接还田[5-6]（堆肥或使用微生物菌剂）。秸秆直接还田会导致前茬作物致病菌诱发的再生病害；秸秆腐解较慢会影响下茬作物的出芽率以及根系和幼苗的生长；除此以外，秸秆直接还田后参与腐解秸秆的微生物还可能导致土壤微生物与种植作物进行氮源竞争，造成下茬作物营养供给不足，严重时造成黄苗、弱苗[7]，甚至减产。在国民经济与社会高质量发展的今天，人们越来越重视经济社会高速发展与保护自然环境之间的矛盾，生态农业和绿色农业成为现代化农业的发展方向。科学技术的发展给农业废弃物的处理带来了全新思路，促进了农业可持续发展的实践进程，同时也使促腐菌剂受到了广泛关注。大量的研究表明[8-9]，施用促腐菌剂可以有效避免上述情况的发生。秸秆促腐菌剂是一种富含高效微生物的菌系，施加在农业生产废弃物上，能促进农业废弃物快速腐解，加速秸秆的腐熟，不但能减轻上茬秸秆过多带给下茬作物的负担，还能有效可以提高土壤肥力[10]、改善土壤理化性质[11]，提高作物产量[12]。李录久等[13]使用秸秆腐熟剂对水稻秸秆进行还田使水稻产量最高增产了41.9%。杨晓燕等[14]的研究表明，使用小麦秸秆腐熟剂后不仅使小麦秸秆的降解率提高了7.63%，土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾质量分数分别增加6.15%、5.04%、10.16%和5.33%而且在还田基础上种植的白菜各项指标也有明显提升。李文红等[15]研究表明，施用秸秆腐熟剂处理玉米秸秆后，‘郑麦7698’和‘徐麦33’分别平均增产40.05%和26.27%。

目前，在河南原阳地区为小麦和水稻轮作（前茬为小麦）。通过施用促腐菌剂降解小麦秸秆来增加土地肥效，增加水稻产量对本地发展生态农业有积极意义，同时也为全国有相同轮作方式的地区提供了借鉴。因此，河南省科学院生物研究所有限责任公司研制了一种新型快速秸秆还田促腐菌剂，并研究了该促腐菌剂对小麦秸秆还田在水稻田间的最佳施用剂量和增产效果，以期对秸秆速腐剂的应用提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018年6月7日在河南省新乡原阳县太平镇菜吴村旺盛合作社试验田进行。其四周交通便利、易于观察与管理，田块的面积在50 hm2以上，轮廓方正、地势平坦、且肥力均匀。周围农业设施完备，排灌方便、种植生产水平较高，田块的前茬作物一致。

试验地的土壤类型为壤土。耕层土壤的养分如下：有机质3.16%、碱解氮70 mg/kg、速效磷31.86 mg/kg、速效钾190 mg/kg。

1.2 试验材料

供试作物为水稻，品种：‘稻鳅1 号’，试验地前茬作物为小麦，品种‘郑麦369’，产量约9000 kg/hm2，前茬小麦秸秆深耕还田。

新型秸秆还田促腐菌剂（粉剂），产品含有地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、黑曲霉，有效活菌数≥5×108CFU/g，由河南省科学院生物研究所有限责任公司提供。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计 在常规施肥和小麦秸秆全部粉碎还田的基础上，试验共设置4个剂量处理，即：M1(CK)，M2(30 kg/hm2)，M3(75 kg/hm2)和M4(120 kg/hm2)；并且每个处理设3 次重复，小区随机排列，每个小区面积为100 m2，小区实行单排单灌。

在试验过程中，采用小麦秸秆全量还田模式，首先将小麦秸秆均匀覆盖在小区地面，使得每个处理所包含的秸秆量基本相同，保持土壤湿度维持在田间持水量的60%～80%。还要使各处理小麦秸秆的含水量基本一致，这样有利于秸秆腐熟菌剂的微生物生长和秸秆腐解。施肥过程中，同时施用基肥和促腐菌剂，其中基肥和前茬作物一致，为750 kg/hm2复合肥。最后，保证各处理田间其他农艺措施一致。

1.3.2 观察与记录

（1）试验前取基础土样分析有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、pH等。试验后每个处理分别测定有机质、碱解氮、有效磷、速效钾。以小麦秸秆粉碎还田后种植一季作物为一个试验周期。

（2）秸秆腐熟程度记载：作物播种后每隔15 天观察记载一次小麦秸秆的外观变化，并对秸秆表面变化用扫描电镜进行观察拍照。

（3）及时调查不同处理的生物学性状及病虫害发生情况。

（4）测产：作物成熟后各小区及时进行田间测产，计算产量。

（5）理论产量(kg/hm2)=[每公顷穗数×穗粒数×千粒重(g)]/(1000×1000)

2 结果与分析

2.1 秸秆还田促腐菌剂的不同施用剂量小麦秸秆腐解情况观察

在水稻作物播种后，每隔15天对各个小区的小麦秸秆的外观进行了观察记录。从图1可知，30天时，小麦秸秆的外观快速发生变化，小麦秸秆层不再呈蓬松状，密度增大，施用新型小麦秸秆促腐菌剂的小麦秸秆外观发生了更加明显的变化，颜色较M1(CK)变深程度明显，不再富有光泽。其中M2、M3和M4处理的小麦秸秆茎叶比依次明显增大，大部分小麦秸秆的韧性明显降低。30～45天，秸秆腐熟速率减缓，秸秆层厚度基本不变。60 天至水稻收获，秸秆层厚度进一步减小，秸秆大部分已经腐解，腐解程度大小依次为：M3、M4、M2、M1。

图1 小麦秸秆腐熟情况（从左到右分为M1、M2、M3、M4）

通过飞纳扫描电镜观察发现，未经秸秆促腐菌剂处理的0天小麦秸秆表面比较光滑，纤维排列整齐、致密；施用新型小麦秸秆促腐菌剂处理30天的小麦秸秆表面变得凸凹不平，表面蜡质脱落，内部的纤维部分外露，韧性变小；腐熟45 天小麦秸秆表面纤维素基本结构被明显破坏，内部的纤维骨架大部分已经暴露出来，可以清楚地看到稀松的孔洞（图2）。

图2 飞纳扫描电镜下观察小麦秸秆的降解情况

2.2 秸秆还田促腐菌剂的不同施用剂量对水稻成产因素的影响

从表1 可知，施用不同剂量的新型快速秸秆还田促腐菌剂在小麦秸秆还田过程中对水稻公顷穗数和穗粒数影响较为显著，但对其千粒重的影响不大，各处理千粒重之间差异不显著(P＞0.05)。尤其是M3 的每公顷穗数与M1(CK)和M2处理相比显著增多，且差异极显著(P＜0.01)，而与M4相比差异不显著(P＞0.05)；其次M3 的穗粒数与M1 和M4 相比显著增多，差异达极显著水平(P＜0.01)。

表1 施用不同剂量的新型快速秸秆还田促腐菌剂对水稻成产因素的影响

2.3 秸秆还田促腐菌剂的不同施用剂量对水稻产量的影响

从表2 可知，施用不同剂量的新型快速秸秆还田促腐菌剂在小麦秸秆还田过程中对水稻产量的影响较大，M3的理论产量和实际产量均最高，与其他各处理相比增产较为明显，尤其是各处理之间的理论产量差异达极显著水平(P＜0.01)，并且M3 与M1(CK)处理的理论产量和实际产量相比，增产率分别高达20.4%和12.94%。

表2 施用不同剂量的新型快速秸秆还田促腐菌剂对水稻产量的影响

2.4 秸秆还田促腐菌剂的不同施用剂量对水稻田土壤理化特性的影响

试验结束后，施用不同剂量的新型快速秸秆还田促腐菌剂在小麦秸秆还田中对土壤理化特性的影响见表3，M3的碱解氮、有效磷、速效钾以及有机质含量均最高，其中其碱解氮和速效钾含量与M1相比均极显著增加(P＜0.01)，其有效磷含量与其他各处理相比也显著增加(P＜0.05)；虽然M3的有机质含量相较于其他各处理最高，但是各处理之间差异不显著(P＞0.05)。

表3 施用不同剂量的新型快速秸秆还田促腐菌剂对土壤理化特性的影响

3 讨论与结论

陈章梅等[16]的研究结果表明，小麦秸秆还田在施用腐熟剂情况下，水稻产量最高增产了544.5 kg/hm2且土壤中氮磷钾的含量有所提高，土壤中有益微生物大量繁殖提高了土壤的有机质含量，从而使水稻增产。李本旭等[17]研究结果显示，秸秆还田配合使用秸秆腐熟剂可以有效降解秸秆，在降解第30天其降解率到达了49.34%。在秸秆降解的同时土壤中氮含量和有机质含量提升明显水稻产量最高增产了5.74%。陈章梅等人的试验与本试验都是在水稻田中降解前茬小麦秸秆从而促进水稻产量的提升，从促产效果看本试验中水稻产量最高增产了861 kg/hm2要优于陈章梅等人的试验。在陈章梅与李本旭的试验中土壤中氮磷钾和有机质含量均有所提高，而在本试验中氮磷钾含量虽提升较为明显但土壤有机质含量无明显变化，这是与其他研究结果所不同的。土壤有机质含有丰富的碳源和其他营养元素可以刺激植物根系生长，增加其抗逆性从而使植物更好的适应环境保产增产[18]。本试验中土壤有机质含量未有增加但水稻产量却增产明显，笔者分析是因为水稻生长主要依靠的氮磷钾等元素在本试验土壤中含量较高，土壤中基础有机质满足水稻的生长需求，并且水稻种植是在稳定环境下进行这对其抗逆性要求不高，故在有机质没有明显增加的情况下实现了水稻的增产。本试验仅是小区试验的初步探讨，还存在着些许不足之处，例如试验规模应加大，但是规模扩大又带来了一个新的问题，即不易保证各个小区的农艺措施保持一致，为田间管理人员带来了不小的麻烦，希望未来的农业自动化的发展可以解决这个问题。目前已有相关文献[19]报道了在水稻秸秆还田施用促腐菌剂可以显著提高亚硝化细菌、硝化细菌、好气性自生固氮菌等可培养微生物的数量，可能抑制细菌和防线菌等致病菌。这给笔者探索新型促腐菌剂对小麦秸秆还田过程中抑制致病菌及害虫的功能提供了方向，具有深入开发的潜力，可以在进一步的研究中结合分子生物学的方法探讨土壤中微生物菌落结构从而改善土壤达到增产、抗病等效果。

本次试验在应用层面初步探究了河南省科学院生物研究所有限责任公司研发的新型快速秸秆还田促腐菌剂对小麦秸秆还田在水稻田的施用剂量，通过试验发现，当施加的菌剂量为75 kg/hm2时，土壤中碱解氮、有效磷、速效钾的含量分别提高了93.33%、18.13%和46.93%，水稻的产量7510.35 kg/hm2比对照提高了12.94%。试验证明秸秆还田过程中配合使用秸秆腐熟剂能够有效降解小麦秸秆，改善土壤的理化并增加水稻产量。这为农业废弃物处理这一方面的生态化、绿色化、可持续化发展提供了数据支撑，也为新型快速秸秆还田菌剂的研发奠定了理论基础。