不同腐熟剂对麦秸腐解率与稻田水环境的影响

薛颖昊 孙国峰 眭鑫梅 陈旭蕾 孙仁华 徐志宇*

（1 农业农村部农业生态与资源保护总站，北京 100125；2 江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，南京 210014；3 常州市新北区奔牛稻麦原种场有限公司，江苏 常州 213001；4 中国农业生态环境保护协会，北京 100125；第一作者：xueyinghao@agri.gov.cn；*通信作者：xufanjin@126.com））

秸秆是农作物的副产物，也是重要的农业生物质资源。我国农作物秸秆资源丰富，产生量大，种类多，分布广。近年来，我国粮食生产连年丰收，粮食产量连续7 年达到6.5 亿t，2021 年粮食产量提高到6.8 亿t[1]。与此同时，农作物秸秆产生量也在逐年递增。科学合理地利用秸秆还田对资源高效利用及农业可持续发展具有重要意义。目前秸秆直接还田量约占全国秸秆综合利用量的三分之二，是农作物秸秆最主要的利用方式[2]。秸秆合理还田能够补充土壤有机质，改善耕层土壤结构，提升土壤肥力，增加作物产量[3-4]。但生产中，由于农时忙、茬口紧、秸秆粉碎程度不够、秸秆还田量过大等因素，秸秆还田后短时间内不易腐烂，使得耕层土壤出现秸秆富集、有机酸积累等问题，影响秧苗根系生长，甚至发生僵苗现象，易造成作物减产[4-7]。所以，在部分重要农区，如何科学有效地促进农作物秸秆快速腐解，已成为一个不容忽视的问题。秸秆腐熟剂是有机物料腐熟剂中的一种，含有大量的酵母菌、霉菌、细菌和芽孢杆菌等，能利用微生物的分解代谢加速秸秆分解、腐熟，促进秸秆营养成分快速释放并转化为作物容易吸收利用的养分[8]。2022 年9 月，农业农村部、国家发展改革委、生态环境部、中国人民银行、中华全国供销合作总社等5 部门联合印发《建设国家农业绿色发展先行区促进农业现代化示范区全面绿色转型实施方案》，明确提出要加大秸秆腐熟菌剂和复合菌剂等配套产品开发应用，提高秸秆科学还田水平。然而，对于秸秆腐熟剂，科学界一直存在不同的声音。有研究表明，秸秆还田时合理施用腐熟剂，能够实现秸秆的快速腐解[9]，有利于提高土壤有机质及氮磷钾速效养分含量和水稻产量[10-12]。然而，不同腐熟剂促进秸秆腐解效应存在较大差异[9,13]，分析这可能是腐熟剂中微生物对不同使用地土壤环境的适应性存在差异的缘故[14]，温度、pH、含水量等环境因素及腐熟剂用量和C/N 等都会影响秸秆腐解效率[15]。也有研究认为，施用腐熟剂会影响水稻分蘖，减少有效穗数，进而降低水稻产量[16]。稻麦轮作是长江下游地区的主要种植模式，本试验通过研究不同腐熟剂对稻田麦秸腐解率、田面水环境及水稻产量的影响，为评估麦秸还田时施用腐熟剂后可能引发的稻田水环境风险提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

于2021 年在江苏省常州市新北区奔牛稻麦原种场开展水稻季麦秸腐解试验。该区属北亚热带季风性湿润气候区，年均温度16.1 ℃，年均降雨量1 119 mm，年日照时数1 917.5 h，年均无霜期248 d，该区以小麦-水稻轮作模式为主。试验土壤类型为沙壤土，土壤容重1.05 g/cm3，有机质12.7 g/kg，全氮1.00 g/kg，有效磷8.91 mg/kg，速效钾35.8 mg/kg。

1.2 试验设计

选择生产中使用范围较广的4 种有机物料（秸秆）腐熟剂进行田间试验（表1）。以麦秸不还田无腐熟剂（CF）、麦秸全量还田无腐熟剂（CFS）为对照，设置麦秸全量还田+腐熟剂Ⅰ（DA1）、麦秸全量还田+腐熟剂Ⅱ（DA2）、麦秸全量还田+腐熟剂Ⅲ（DA3）、麦秸全量还田+腐熟剂Ⅳ（DA4）共6 个处理。随机排列，小区面积200 m2，3 次重复。前茬小麦品种为镇麦12，秸秆还田量为7 080 kg/hm2。2021 年6 月7 日小麦秸秆灭茬后，将腐熟剂按推荐用量（DA1、DA2、DA3 为30 kg/hm2和DA4 为3 kg/hm2）人工撒施后旋耕还田。参试水稻品种为软玉，5 月27 日播种，6 月13 日机插秧，行距30 cm、株距12 cm。N、P2O5、K2O 施用量分别为262.5、90、90 kg/hm2，在6 月9 日施用基肥[45%复合肥（N-P2O5-K2O为15-15-15，下同）375 kg/hm2]，6 月23 日施用分蘖肥（尿素225 kg/hm2），8 月2 日施用穗肥（45%复合肥225 kg/hm2和尿素150 kg/hm2）。各处理水稻季其他田间管理措施保持一致。

表1 供试腐熟剂基本信息

1.3 样品采集与测定方法

1.3.1 秸秆腐解率

采用失重法（NY/T2722-2015）定量监测秸秆腐解率。按秸秆还田量与土地面积比值确定单位大小包装秸秆量，即采用100 目20 cm×30 cm 尼龙网袋，每袋风干小麦秸秆量为35 g，60 ℃烘干至恒质量，每袋平均为32.32 g。在插秧后，将腐熟剂用自来水稀释50 倍后浸润尼龙网袋包装的小麦秸秆，采用耕层垂直埋设方式，间隔约50 cm，之后第7、14、21、28、60 d 和水稻收获期（136 d）时，分6 次取出尼龙网袋，5 次重复，带回实验室用自来水冲洗网袋粘附的泥浆，在60 ℃烘干约72 h 至恒质量，测定小麦秸秆残余量，进而计算秸秆腐解量和腐解率。

1.3.2 稻田水环境

在腐熟剂施用后第7、14、21、28、60 d 采集各小区田面水，3 次重复，带回实验室置于4 ℃冰柜冷藏、及时测定。采用重铬酸盐法（GB11914-89）测度田面水化学需氧量（COD），采用连续流动化学分析仪（SAN++System，SKALAR，Netherlands）测定田面水全氮（TN）、总磷（TP）、铵态氮（NH4+-N）含量。

1.3.3 水稻产量及其构成因素

于10 月27 日水稻成熟期每小区选取具有代表性的水稻20 丛，调查有效穗数，测定水稻产量；每小区选取具有代表性的水稻2 丛，调查每穗实粒数和千粒重。

1.4 数据分析

采用Excel 2016 和SPSS17.0 软件进行数据处理与作图，处理间多重比较用LSD 法。

2 结果与分析

2.1 水稻季麦秸腐解率

水稻季麦秸腐解率如图1 所示。各处理水稻季麦秸腐解率随时间增长均呈现极显著（P＜0.01）的对数增加趋势，其中，4 种腐熟剂处理均不同程度提高了麦秸还田后4 周内秸秆腐解率。具体来看，CFS 处理水稻季麦秸腐解率为71.4%，其中麦秸还田后4 周秸秆腐解率为45.3%，占当季秸秆腐解率的63.4%。而4 种腐熟剂处理的水稻季麦秸腐解率为68.9%～73.2%，其中麦秸还田后4 周秸秆腐解率为48.3%～53.1%，较CFS 处理提高3.0～7.8 个百分点，占当季秸秆腐解率的67.0%～73.6%，较CFS 处理提高4.2～10.2 个百分点。可见，施用4 种秸秆腐熟剂加快了还田前期麦秸腐解速度，但处理间麦秸腐解率差异不显著。

图1 不同腐熟剂对水稻季麦秸腐解率的影响

如图2 所示，麦秸还田后2 周为快速腐解期。具体来看，CFS 处理麦秸还田后2 周秸秆腐解率之和为31.4%，占当季秸秆腐解率的43.9%，4 种腐熟剂处理麦秸还田后2 周秸秆腐解率之和为33.7%～37.4%，较CFS 处理提高2.3～6.0 个百分点，占当季秸秆腐解率的46.1%～54.2%，较CFS 处理提高2.2～10.3 个百分点。

图2 不同处理麦秸周腐解率

2.2 水稻季麦秸还田水环境风险

2.2.1 田面水COD 变化特征

如图3 所示，与CF 处理相比，CFS 和4 种腐熟剂处理田面水COD 含量整体呈现增加趋势。其中，CFS处理麦秸还田后田面水COD 含量较CF 处理平均提高13.7%。与CFS 处理相比，麦秸还田后4 种腐熟剂处理3 周内田面水COD 含量整体提高，增幅在17.9%～54.8%之间，平均提高28.0%。具体来看，麦秸还田后第1、3 周田面水COD 变化规律相似，整体呈现DA4＞DA1、DA2、DA3＞CFS＞CF 处理的规律。其中，DA4 处理田面水COD 含量显著（P＜0.05）高于DA1、DA2、DA3、CFS 和CF 处理，而4 种腐熟剂处理麦秸还田4 周后田面水COD 含量与CFS、CF 处理间差异不显著。

2.2.2 田面水TN 变化特征

如图4 所示，与CF 处理相比，CFS 处理田面水TN含量呈先降低后增加的趋势，其中CFS 处理麦秸还田后第1 周田面水TN 含量显著低于CF 处理。与CFS 处理相比，4 种腐熟剂处理均增加了麦秸还田后3 周内田面水TN 含量，整体呈现DA3＞DA2＞DA4＞DA1＞CFS的规律，增幅在12.8%～68.2%之间，平均提高43.8%。具体来看，麦秸还田后第1、3 周田面水TN 变化趋势相似，以DA3、DA2、DA4 处理田面水TN 含量较高，其中DA3、DA2 处理田面水TN 含量均显著高于DA1、CFS处理。麦秸还田后第2 周田面水TN 含量仍以DA3 处理最高，显著高于其他处理。麦秸还田4 周后田面水TN 含量各处理间差异均不显著。

图4 不同处理麦秸还田后田面水TN 变化特征

2.2.3 田面水NH4+-N 变化特征

如图5 所示，与CF 处理相比，CFS 处理田面水NH4+-N 含量呈下降趋势，其中麦秸还田后第1 周田面水NH4+-N 含量差异达显著水平。与CFS 处理相比，麦秸还田后4 种腐熟剂处理3 周内田面水NH4+-N 含量呈增加趋势，整体呈现DA3＞DA2＞DA4＞DA1＞CFS 的规律，增幅在11.1%～88.6%之间，平均提高52.9%。具体来看，麦秸还田后第1 周田面水NH4+-N 含量以DA3、DA4 处理较高，DA2、CF 处理次之，均显著高于DA1、CFS 处理；麦秸还田后第2 周田面水NH4+-N 含量仍以DA3 处理最高，显著高于其他处理；麦秸还田后第3 周田面水NH4+-N 含量以DA2 处理最高，显著高于DA4、DA1、CFS 和CF 处理。麦秸还田4 周后田面水NH4+-N含量各处理间差异均不显著。

图5 不同处理麦秸还田后田面水NH4+-N 变化特征

2.2.4 田面水TP 变化特征

如图6 所示，CFS 处理田面水TP 含量与TN 含量变化特征相似，较CF 处理呈先下降后上升的趋势，处理间差异不显著。与CFS 处理相比，4 种腐熟剂处理均增加了麦秸还田后3 周内田面水TP 含量，增幅在33.9%～208.6%之间，平均提高111.5%。具体来看，麦秸还田后2 周内田面水TP 含量以DA2 处理最高，显著高于其他处理；麦秸还田后第3 周田面水TP 含量仍以DA2 处理最高，显著高于DA1、CFS、CF 处理，而DA3、DA4 处理田面水TP 含量与其他处理间差异不显著；麦秸还田后第4 周田面水TP 含量以CFS 处理最高，显著高于各腐熟剂处理。

图6 不同处理麦秸还田后田面水TP 变化特征

2.3 水稻产量及其构成因素

如表2 所示，与CF、CFS 处理相比，4 种腐熟剂处理对水稻产量及其构成因素均无明显影响。其中，DA1、DA3 处理水稻产量较CF、CFS 处理增产1.5%～6.6%，平均增产4.0%；而DA2 和DA4 处理水稻产量较CF、CFS 处理略有降低。

3 讨论

3.1 腐熟剂对麦秸腐解率及水稻产量的影响

腐熟剂是通过接种的功能微生物自身代谢来促进秸秆腐解[17-18]。本研究选用的4 种腐熟剂均提高了麦秸还田后4 周内秸秆腐解率，但不同腐熟剂对麦秸腐解效果存在差异，这与前人研究结论一致[9,13]。分析原因可能与不同腐熟剂所选用微生物菌株的差异和生产工艺有关。同时发现，麦秸还田后秸秆腐解率均随还田天数增加呈现极显著的对数增长趋势，其中，麦秸还田后2周为快速腐解期，这与前人提出麦秸快速腐解期在还田后15 d 的结论相近[19]；但本研究不同腐熟剂处理麦秸还田后2 周的秸秆腐解率达33.7%～37.4%，这明显高于前人研究的麦秸还田后15 d 秸秆腐解率（25.3%～30.3%）[19]，分析可能与区域气候特征、试验土壤肥力及腐熟剂使用方法等因素有关。然而，本研究选用的4 种腐熟剂处理水稻季麦秸腐解率在68.9%～73.2%之间，较CFS 处理（71.4%）增加了-2.5～1.8 个百分点，平均增加了0.4 个百分点，处理间差异不显著。另外，还发现，麦秸还田时施用腐熟剂较CFS 处理水稻增产幅度在-2.8%～6.6%之间，平均增产1.3%，这与前人研究指出施用腐熟剂对水稻增产效应报道不一的结果相似[13,19]。可见，合理施用腐熟剂会不同程度加快还田前期的麦秸腐解速度，但其对水稻全生育期的麦秸腐解率及水稻产量影响不大。

3.2 腐熟剂对稻田水环境的影响

采用失重（网袋）法定量测定秸秆腐解率，不仅可以客观评价腐熟剂的腐解效果，还可以用来表征秸秆主要养分（碳、氮和磷）的释放规律[19]。同时，秸秆腐解过程中释放于田面水的碳、氮和磷含量也可用来表征稻田因地表径流流失而产生的水环境风险[20-22]。

本研究通过测定田面水COD、TN、NH4+-N 和TP含量变化来反应稻田水环境风险，研究结果表明，选用的4 种腐熟剂处理麦秸还田后3 周内田面水COD、TN、NH4+-N 和TP 含量较CFS 增加，表明麦秸还田时施用腐熟剂有可能增加水稻生长初期的水环境风险，但不同腐熟剂对水稻生长初期的水环境风险存在差异。分析原因可能与不同腐熟剂加快还田前期麦秸腐解速度的差异有关[9,19]。同时，NH4+-N/TN 能够反映稻田的田面水氮转化与流失潜力的相对水平[22]。本研究中4种腐熟剂处理麦秸还田后2 周内田面水NH4+-N/TN 较CFS 处理呈增加趋势，增幅在6.3～34.0 个百分点，平均增加20.0 个百分点，其中DA3 和DA4 处理田面水NH4+-N/TN 均显著高于CFS、DA1 和DA2，说明麦秸还田时施用腐熟剂增加了还田后2 周内氮素流失风险。分析是由于腐熟剂处理加快麦秸还田后2 周麦秸腐解速度，进而促进更多无机氮的释放[19]。可见，施用腐熟剂会加快麦秸还田前期养分释放，会增加水稻生长初期的水环境风险。然而，影响腐熟剂施用效果的因素众多，建议南方水网区水稻季谨慎施用腐熟剂。

4 结论

秸秆直接还田已成为农村秸秆利用的最主要方式，也是高效直接易于实现的秸秆处理方法。但如何实现秸秆“还得好”仍然是目前秸秆直接还田面临的主要困境。本文系统研究市面上常见的4 种腐熟剂对稻田麦秸腐解率、田面水环境及水稻产量的影响，以期对生产实际提供理论依据。

1）施用4 种腐熟剂均提高了还田前期（还田后4周）小麦秸秆腐解速度，且腐解率随还田天数增加呈现极显著的对数增长趋势。不同腐熟剂对麦秸的腐解效果存在差异，还田后2 周为麦秸快速腐解期，腐熟剂DA3 和DA4 促进麦秸腐解效果较佳。

2）施用4 种腐熟剂均增加了水稻生长初期（还田后3 周）的田面水COD 及氮磷的水环境风险。其中，腐熟剂DA2、DA3 和DA4 处理麦秸还田后3 周内稻田水环境风险相对较高。综合考虑稻田水环境风险与水稻产量，腐熟剂DA1 处理相对较佳。

3）在稻麦轮作模式下，合理施用腐熟剂可以不同程度加快小麦秸秆还田前期的腐解速度，但其对水稻全生育期的麦秸腐解率及水稻产量影响不大。同时，施用腐熟剂会加快麦秸还田前期养分释放，会增加水稻生长初期的水环境风险。建议进一步开展长期定位监测，不断完善秸秆还田生态效应监测指标和技术规范，科学评价秸秆还田的生态环境效应，充分考虑区域状况、耕作方式、农民接受度、技术措施成熟度，以及扶持政策力度等，科学合理地把秸秆还到地里，发挥好秸秆在培肥土壤、保育耕地和改善生态环境方面的重要作用。