陳士更，宋以玲，于建，肖承澤，李玉環(huán)，丁方軍*，張民

(1.土肥資源高效利用國家工程實(shí)驗室，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東 泰安 271018；2.農(nóng)業(yè)部腐植酸類肥料重點(diǎn)實(shí)驗室，山東農(nóng)大肥業(yè)科技有限公司，山東 泰安271600)

農(nóng)作物秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢棄物，但秸稈中含有大量作物生長所必需的氮、磷、鉀等中、微量元素和有機(jī)質(zhì)等多種營養(yǎng)物質(zhì)[1]。目前我國秸稈產(chǎn)量居世界之首，但利用率低，主要通過隨意丟棄或就地焚燒的方式處理，即浪費(fèi)資源又污染環(huán)境[2-3]。為了減少資源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分循環(huán)利用，國家開始大力推行秸稈還田政策。目前已有研究表明，秸稈還田后可在土壤微生物作用下不斷腐解,養(yǎng)分逐步釋放到土壤中。秸稈深層還田還能有效避免營養(yǎng)元素的揮發(fā)，提高土壤養(yǎng)分含量，培肥土壤，改善作物生長的農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，為高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)打下良好基礎(chǔ)[4-6]。此外，大量研究發(fā)現(xiàn)冬小麥-夏玉米輪作地區(qū)，秸稈還田不但提高了耕層土壤養(yǎng)分含量，還提高了土壤細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)以及土壤脲酶、磷酸酶和脫氫酶等活性[7-9]。然而，如果秸稈未經(jīng)腐熟處理直接還田，會導(dǎo)致土壤過分松弛，肥效緩慢，化感物質(zhì)、重金屬和抗生素積累，影響種子發(fā)芽、生根；同時，秸稈中的蟲卵和病原菌直接進(jìn)入土壤，導(dǎo)致病蟲害風(fēng)險加重進(jìn)而影響下茬作物的生長[10-12]。有機(jī)物料腐熟劑不但能加速秸稈等有機(jī)廢棄物腐熟，還能促進(jìn)土壤中有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素轉(zhuǎn)化為作物容易吸收的形態(tài)，同時加速土壤中有益微生物的生長繁殖，減輕有害病原菌的侵染，提高作物抗逆性。因此，有機(jī)物料腐熟劑是一種對農(nóng)作物秸稈還田有良好輔助作用的物質(zhì)[13-15]。黃秋玉等[16-17]研究發(fā)現(xiàn)，腐熟劑能促進(jìn)水稻秸稈前期快速分解，加快秸稈內(nèi)養(yǎng)分釋放，促進(jìn)水稻植株生長，提高有效穗數(shù)、稻穗長度和結(jié)實(shí)率，進(jìn)而顯著提高產(chǎn)量。我國玉米種植面積大，隨著機(jī)械化的大力推行，玉米收獲后直接粉碎還田面積逐漸增多，但由于玉米秸稈的角質(zhì)層較厚、粉碎度不均一、腐熟慢等特點(diǎn)，影響了后期的耕作及農(nóng)藝操作，因而限制了其大面積推廣和應(yīng)用。本試驗以濟(jì)麥22為原料，探究玉米秸稈還田配施有機(jī)物料腐熟劑對其產(chǎn)量及土壤生物學(xué)和理化性狀的影響，為有效利用玉米秸稈提供切實(shí)可行的途徑及技術(shù)支持。

1.材料與方法

1.1供試材料

供試小麥品種：濟(jì)麥22號；供試肥料：農(nóng)大肥業(yè)科技有限公司微生物肥料車間提供的有機(jī)物料腐熟劑(水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)28%)和復(fù)合肥車間提供的復(fù)合肥，各肥料特性詳見表1。

表1 供試肥料的基本特性Table 1 The characteristics of fertilizer for test

1.2 試驗設(shè)計

玉米秸稈機(jī)械粉碎后全量還田，秸稈中全氮 8.59 g/kg，全磷2.65 g/kg，全鉀13.43 g/kg，有機(jī)質(zhì)736.54 g/kg。供試土壤的基本理化性狀：堿解氮 50.38 mg/kg，有機(jī)質(zhì)9.76 g/kg，全氮0.91 g/kg，有效磷13.15 mg/kg，速效鉀89.16 mg/kg。試驗共設(shè)3個處理，各處理詳見表2，每個小區(qū)50 m2，有機(jī)物料腐熟劑與復(fù)合肥一起均勻撒施到地表，翻地時同打碎的秸稈和肥料一起翻壓到地下，種植后統(tǒng)一管理。

表2 試驗設(shè)計Table 2 Experiment design

1.3 測定項目與方法

1.3.1 產(chǎn)量的測定

收獲時小區(qū)取樣測定每公頃穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重，根據(jù)所取植株總產(chǎn)量折合畝產(chǎn)。

1.3.2 土壤各項指標(biāo)測定

1.3.3 數(shù)據(jù)處理及分析方法

采用Excel 2003軟件處理數(shù)據(jù)和繪表，采用DPS 7.05軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用最小顯著極差法(LSD)進(jìn)行差異顯著性檢驗(P< 0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田配施腐熟劑對小麥產(chǎn)量的影響

由表3可知，秸稈還田提高了小麥穗數(shù)和穗粒數(shù)，且配施腐熟劑處理(T2)的小麥穗數(shù)被進(jìn)一步提高，而穗粒數(shù)卻有所降低，但與僅秸稈還田(T1)相比，差異不顯著；與CK相比，T1和T2的千粒重顯著提高了3.45%和18.96%，產(chǎn)量顯著提高了10.33%和13.46%，以上結(jié)果表明秸稈還田配施有腐熟劑主要通過提高有效分蘗數(shù)和籽粒重來提高產(chǎn)量。

表3 不同處理對小麥產(chǎn)量的影響Table 3 Effects of different treatments on wheat yield

注: 同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示經(jīng) LSD 檢驗在 P < 0.05 水平上差異顯著。

2.2 秸稈還田配施腐熟劑對土壤pH、電導(dǎo)率和容重的影響

由表4可知，秸稈還田提高了土壤pH和土壤電導(dǎo)率，添加腐熟劑后土壤pH和電導(dǎo)率又有所降低，但pH仍顯著高于CK，而電導(dǎo)率降到了CK以下，同時降低了土壤容重。與CK相比，T1和T2的容重均顯著降低了14.58%和13.89%，這表明秸稈還田有利于提高土壤孔隙度和通氣性，進(jìn)而提高土壤的保水保肥性。此外，配施腐熟劑還可進(jìn)一步降低土壤電導(dǎo)率，減少因秸稈還田而帶入的可溶性鹽分含量，以維持土壤正常的電位平衡。

表4 不同處理對土壤pH電導(dǎo)率和容重的影響Table 4 Effects of different treatments on soil pH,EC and bulk density

注: 同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示經(jīng) LSD 檢驗在P< 0.05 水平上差異顯著。

2.3 秸稈還田配施腐熟劑對根際土壤微生物的影響

由圖1可知，各處理根際土壤細(xì)菌與放線菌數(shù)遠(yuǎn)高于根際土壤真菌數(shù)，秸稈還田和配施腐熟劑均顯著提高了根際土壤細(xì)菌和放線菌數(shù)，與CK相比，細(xì)菌數(shù)提高了10.80%和23.91%，放線菌數(shù)提高了20.60%和8.40%，且T2處理的真菌數(shù)顯著降低了23.58%，而T1處理與CK間差異不顯著。以上結(jié)果表明，秸稈還田配施腐熟劑對根際土壤微生物的組成較僅秸稈還田效果明顯，因此秸稈還田配施腐熟劑可通過改變根際微生物的組成和數(shù)量來改善根際微域環(huán)境，活化根際營養(yǎng)，減輕病原菌的生長和侵染，進(jìn)而促進(jìn)根系伸展，提高植物的抗逆性。

圖中不同小寫字母表示經(jīng)LSD檢驗在P <0.05 水平上差異顯著。圖1 不同處理對根際土壤微生物的影響Fig.1 Effects of different treatments on microorganisms in rhizosphere soil

2.4 秸稈還田配施腐熟劑對土壤酶活性的影響

由表5可知，與CK相比，僅秸稈還田顯著提高了土壤脲酶活性，同時也一定程度地提高了土壤中性磷酸酶和蔗糖酶活性，對土壤過氧化氫酶和脫氫酶的影響較??；秸稈還田配施腐熟劑后土壤脲酶、過氧化氫酶、脫氫酶、中性磷酸酶和蔗糖酶分別顯著提高了35.23%、5.00%、16.13%、31.78%和9.68%，與僅秸稈還田相比，除蔗糖酶外，其余酶活性分別顯著提高了22.68%、7.45%、17.07%和26.24%。以上結(jié)果表明，秸稈還田配施腐熟劑對土壤酶活性的影響較僅秸稈還田明顯，因而能加速秸稈的分解腐熟以及秸稈和土壤中有效養(yǎng)分的釋放，最終提高土壤供肥能力。

表5 不同處理對土壤酶活性的影響Table 5 Effects of different treatments on soil enzyme activities

注: 同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示經(jīng) LSD 檢驗在P< 0.05 水平上差異顯著。

2.5 秸稈還田配施腐熟劑對土壤養(yǎng)分含量的影響

由表6可知，秸稈還田提高了土壤堿解氮、全氮、速效鉀、有效磷和有機(jī)質(zhì)含量，且有效磷達(dá)到顯著水平。配施腐熟劑后進(jìn)一步提高了土壤各養(yǎng)分含量，與CK相比，分別顯著提高了7.60%、25.29%、27.49%和36.04%，有機(jī)質(zhì)含量也提高了4.47%。此外，秸稈還田和配施腐熟劑處理的堿解氮、速效鉀和有效磷分別比CK提高了1.59 mg/kg和4.44 mg/kg、13.66 mg/kg和45.00 mg/kg以及3.01 mg/kg和5.29 mg/kg。以上結(jié)果表明，秸稈還田對速效鉀的提高量遠(yuǎn)大于堿解氮和有效磷，這是因為秸稈本身的鉀含量高于氮、磷含量，因此秸稈還田腐熟后釋放出了較多的有效鉀，且添加腐熟劑后加速了秸稈的腐熟和土壤中有效養(yǎng)分的活化，因而土壤中有效養(yǎng)分含量高于僅秸稈還田處理。秸稈還田提高了土壤有機(jī)質(zhì)的原因可能是秸稈中含有大量的碳源，并且腐熟劑中微生物的代謝活動加速了秸稈中碳水化合物的轉(zhuǎn)化。此外，碳源主要提供能量，目前整個土壤環(huán)境中的能量和養(yǎng)分平衡失調(diào)，能量缺乏現(xiàn)象嚴(yán)重，因此秸稈還田均衡了土壤的能量與養(yǎng)分，進(jìn)而加速了微生物的繁殖代謝，提高了養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和利用率，最終提高了小麥的產(chǎn)量。

表6 不同處理對土壤養(yǎng)分含量的影響Table 6 Effects of different treatments on soil nutrient content

注: 同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示經(jīng) LSD 檢驗在P< 0.05 水平上差異顯著。

3 討論與結(jié)論

土壤酸堿度和電導(dǎo)率與肥料種類、施肥方式、土壤微生物的代謝以及作物根系分泌物等因素息息相關(guān)，本研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田提高了土壤pH和電導(dǎo)率，配施腐熟劑后土壤pH和電導(dǎo)率又有所降低，這可能是秸稈還田時帶入了本身含有的部分可溶性鹽離子，腐熟過程中不斷向土壤中釋放，因而提高了土壤電導(dǎo)率。此外，根際環(huán)境的改變又會影響到根系的分泌和根際微生物的活性及代謝分泌，進(jìn)而影響到根際土壤酸堿度。配施腐熟劑可提高根際有益微生物數(shù)量，促進(jìn)微生物分泌，增強(qiáng)根際土壤緩沖能力，因而對根際土壤pH和電導(dǎo)率的影響較僅秸稈還田小。與對照相比，秸稈還田及配施腐熟劑后土壤容重顯著降低了14.58%和13.89%，此結(jié)果與劉曉霞等[21-22]的研究結(jié)果相似，這表明秸稈還田有利于提高土壤疏松度，改善土壤孔隙度和通氣性，提高土壤的保水保肥性，利于作物根系呼吸和伸展，進(jìn)而通過提高小麥有效分蘗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重來提高小麥產(chǎn)量。Bai等[23]發(fā)現(xiàn)，長期全量秸稈還田可提高小麥-玉米輪作條件下的產(chǎn)量和鉀素循環(huán)利用率。Chen等研究也表明,在旋、深耕結(jié)合條件下，秸稈還田可提高氮素利用率和小麥產(chǎn)量[24]。

土壤微生物組成直接影響土壤的生物學(xué)特性、土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化以及土壤團(tuán)粒的結(jié)構(gòu)的形成，然而微生物的生長繁殖又會受土壤結(jié)構(gòu)、水肥狀況和通氣情況等因素的影響[25]。本研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田降低了土壤容重，提高了土壤通氣性，同時影響了土壤酸堿度和電導(dǎo)率，進(jìn)而影響了土壤微生物的繁殖代謝。與對照相比，秸稈還田和配施腐熟劑處理的根際細(xì)菌數(shù)顯著提高了10.80%和23.91%，放線菌數(shù)顯著提高了20.60%和8.40%，此結(jié)果與前人所研究的棉花、玉米和大豆秸稈還田對根際土壤細(xì)菌和放線菌數(shù)的影響結(jié)果相似[26-27]。徐一蘭等[28]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田配施化肥提高了土壤微生物群落的多樣性和豐富度。此外，冀保毅等[29]發(fā)現(xiàn)深耕配施玉米秸稈還田更有利于土壤微生物數(shù)量的增加，這表明土壤微生物數(shù)量的變化會同時受秸稈還田方式、配施肥料種類和土壤類型等條件的影響。本研究還發(fā)現(xiàn)秸稈還田配施腐熟劑在顯著提高根際細(xì)菌和放線菌數(shù)的同時降低了真菌數(shù)，且對根際土壤微生物的組成和數(shù)量上較僅秸稈還田效果明顯。高大響等[30]在水稻秸稈還田配施有機(jī)物料腐熟劑的研究中發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果，這是由于腐熟劑本身含有大量芽孢桿菌類和曲霉類等有益細(xì)菌型和真菌型微生物，這些微生物施入土壤后在根際定殖、環(huán)境適宜的條件下大量繁殖，形成優(yōu)勢群落，通過競爭作用和產(chǎn)生一些有機(jī)活性物質(zhì)來殺死土壤中的病原真菌和細(xì)菌，減輕病原菌的生長和侵染，改善根際微域環(huán)境，活化根際營養(yǎng)，促進(jìn)植物生長，提高植物抗逆性，最終提高產(chǎn)量和品質(zhì)。

土壤酶主要來源于土壤微生物，其活性與土壤微生物的種類和數(shù)量密切相關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田和秸稈還田配施腐熟劑均提高了土壤脲酶、中性磷酸酶、蔗糖酶、過氧化氫酶和脫氫酶活性，這與劉艷慧等[26]所研究結(jié)果相似。陶波等[31]研究發(fā)現(xiàn)大豆秸稈還田處理土壤脲酶、蔗糖酶和脫氫酶活性均高于未還田處理，黃容等[32]發(fā)現(xiàn)秸稈還田與不同比例的化肥減量配施均能提高土壤脲酶、過氧化氫酶和磷酸酶活性。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)秸稈還田配施腐熟劑對土壤酶活性的影響較僅秸稈還田明顯，這可能是配施腐熟劑加速了玉米秸稈中有機(jī)物和纖維素等大分子物質(zhì)的分解，提高了土壤C/N，在氮源充足的條件下，加速了碳源(能源)的供給，因此土壤微生物的數(shù)量和代謝能力會隨土壤碳源的增加而增加[33]。此外，秸稈和腐熟劑本身含有大量與纖維素降解有關(guān)的有益微生物，施入土壤后在植物根際定殖，環(huán)境條件適宜時開始大量繁殖代謝，以提高根際土壤微生物的總量及分泌能力，進(jìn)而提高包括土壤酶在內(nèi)的分泌物量[34]，增強(qiáng)土壤酶活性。隨著土壤酶活性的提高又可加速秸稈的腐熟分解和土壤養(yǎng)分的活化、釋放，提高土壤有機(jī)碳和養(yǎng)分含量[35]，在提高土壤供肥能力的同時，持續(xù)不斷地為微生物的繁殖代謝提供能量和營養(yǎng)。本研究同樣發(fā)現(xiàn)，秸稈還田提高了土壤有效養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)含量，且配施腐熟劑的效果更明顯。

綜上所述，秸稈還田配施腐熟劑可通過優(yōu)化根際土壤微生物數(shù)量和結(jié)構(gòu)來加速秸稈的腐熟降解，同時提高土壤酶活性，促進(jìn)土壤養(yǎng)分活化和釋放以及土壤有機(jī)碳的形成。此外，土壤微生物的代謝分泌促進(jìn)了土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，改善了土壤pH和電導(dǎo)率，改善了小麥根際生長環(huán)境，促進(jìn)根系對礦質(zhì)營養(yǎng)和水分的吸收，提高小麥的有效分蘗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重。與秸稈未還田相比，秸稈還田和秸稈還田配施腐熟劑的小麥產(chǎn)量分別顯著提高了10.33%和13.46%，因此，秸稈還田配施腐熟劑是一項值得推廣和應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。

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