秸稈腐熟菌劑用量對土壤性質及小麥產量的影響

黃媛媛 ，黃亞麗，王艷群，宋水山，賈振華，付 鑫，彭正萍

（1.河北農業大學 資源與環境科學學院/河北省農田生態環境重點實驗室，河北 保定 071001；2.河北省科學院生物研究所，河北 石家莊 050081；3.河北科技大學環境科學與工程，河北 石家莊 050018；4.華北作物改良與調控國家重點實驗室，河北 保定 071001）

黃淮海是我國主要糧食產區，秸稈年產量約為2.4 億t，其中夏玉米秸稈約占總量的40%［1］。秸稈還田是目前農作物秸稈資源利用的最主要方式。秸稈還田不僅降低土壤容重、改變土壤團粒體結構、增加土壤孔隙度、還增加土壤有機質含量，提升農田土壤基礎肥力，增加農作物產量［2-3］。河北省是農業大省，采用小麥-玉米輪作方式，玉米收獲后秸稈粉碎還田，但因冬季寒冷且低溫持續時間長，秸稈腐解緩慢，秸稈還田效果不明顯。加速土壤中玉米秸稈的腐解成為秸稈還田技術中的關鍵。秸稈腐熟劑是一種能夠使秸稈等有機廢棄物快速腐熟，并轉化其中所含有機質及磷、鉀等營養元素的一類微生物菌劑，主要包括真菌、放線菌及細菌［4］。有資料報道，秸稈還田施加秸稈腐熟劑加快秸稈腐熟，改變土壤微生物數量，促進土壤肥力，影響植物生長［5-7］。Han［8］等表明將外源纖維素酶加入到土壤中可提高土壤肥力并促進作物生長。魏蔚［9］等發現施入復合纖維素降解菌改善土壤生物學特性，并增加土壤養分。秸稈腐熟劑是由多種微生物菌群構成，腐熟劑菌株組成、施用量等決定了應用效果［10-11］。近年來許多學者從不同角度對秸稈還田條件下秸稈腐熟劑的菌群組成及其復配進行了一系列研究［12-13］，但對秸稈還田后秸稈腐熟劑用量的研究較少。

作者前期篩選得到一株在16℃具有較強纖維素降解能力的真菌，將該真菌接入液體秸稈培養基15 d 時，秸稈降解率為40.45%（菌株保藏編號為CGMCC No.16280）［14］，并將該菌制成秸稈腐熟菌劑。通過連續3 年的田間定位試驗，探究秸稈腐熟菌劑用量對土壤微生物、特性及小麥產量的影響，以期在秸稈還田條件下大面積推廣高效利用的腐熟劑提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗于2017 年11 月至2020 年6 月在河北省寧晉縣鳳凰鎮孟村原種場（E114.5°，N37.4°）進行，年均氣溫12.8 ℃，平均降水量449.1 mm，日照時數2 538.1 h，無霜期198 d。供試冬小麥為‘濟麥22’，供試秸稈腐熟菌劑由河北省科學院生物研究所研制（肥料登記證號：微生物肥（2019）準字（7232）號），功能菌株為長枝木霉、地衣芽孢桿菌，顆粒劑，有效活菌數≥0.5 億/g。0～20 cm 土壤基本理化性狀：有機質25.35 g/kg，全氮3.91 g/kg，堿解氮80.38 mg/kg，有效磷50.89 mg/kg，速效鉀132.52 mg/kg。

1.2 試驗設計

在秸稈全量還田（30 000 kg/hm2）的基礎上，共設4 個處理，分別為：不施用菌劑(CK)，施加22.5 kg/hm2秸稈腐熟菌劑（T1）、45.0 kg/hm2秸稈腐熟菌劑（T2）、67.5 kg/hm2秸稈腐熟菌劑（T3），施用時向秸稈腐熟菌劑中加入75.0 kg/hm2尿素，與適量土充分混合后進行地表撒施，旋耕。每個處理重復3 次，共12 個小區，面積50 m2。各小區除了菌劑用量不同外，其他管理措施按照常規管理模式進行。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 土壤樣品采集和產量測定 于收獲期，采集2018—2020 年土壤及小麥樣品。各處理0～20 cm土壤樣品，每小區采集5 鉆，剔除土壤樣品中可見根系，混合后裝入無菌袋中密封。采集的土樣一部分儲于4 ℃，用于耕層土壤可培養微生物數量測定；一部分-80 ℃超低溫冰箱保存用于微生物多樣性測定；一部分自然風干，磨碎過1 mm 篩，用于土壤酶活性、理化性狀測定。各小區取2 m 行長 6 行的小麥穗頭測定產量。

1.3.2 測定方法 土壤物理指標測定：采用環刀法測定容重；采用環刀原狀土吸水法測定最大持水量。土壤化學指標測定［15］：有機質采用重鉻酸鉀法；全氮采用重鉻酸鉀-硫酸消化法；有效磷采用鉬藍比色法測定；速效鉀采用醋酸銨浸提火焰光度法測定。土壤酶活性測定：采用南京建成生物工程研究所試劑盒進行堿性磷酸酶、纖維素酶活性測定。土壤可培養微生物數量測定［16］：細菌和真菌分別使用LB 培養基和PDA+200 U/mL 慶大霉素培養基。

土壤微生物多樣性分析：將采集樣品送至上海派森諾生物科技有限公司，利用Illumina Miseq 高通量測序平臺進行測序。

測產：小麥穗頭風干后脫粒，稱取籽粒重，采用谷物水分測定儀（PM-8188）測定其含水量，最終折合為標準含水量為12.5%的籽粒產量。

1.4 數據統計及分析

采用 Microsoft Excel 2016 軟件進行數據處理和相關圖表繪制，使用 IBM SPSS 22.0（Duncan）進行顯著性檢驗，顯著水平為0.05。利用QIIME 2 分析流程對土壤微生物多樣性數據進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 秸稈腐熟菌劑用量對土壤物理性質的影響

連續3 年3 種用量秸稈腐熟菌劑的土壤容重與對照相比均未達顯著差異（P＞ 0.05）（圖1A），其中第1 年施用秸稈腐熟菌劑的處理較未施用菌劑增高5%左右。隨著施用年限的延長，施用秸稈腐熟菌劑處理的土壤容重呈下降趨勢。第3 年時，CK 的容重高于3 個菌劑處理0.60%～1.17%。土壤最大持水量隨腐熟菌劑施用年限增長呈增長趨勢（圖1B），第3 年時，T3 的土壤最大持水量最高為31.28%。表明施用秸稈腐熟菌劑可在一定程度上降低土壤容重，提高土壤最大持水量。

圖1 秸稈腐熟菌劑用量對土壤容重(A)和最大持水量(B)的影響Fig. 1 Effects of different dosages of straw decomposition treatments on soil bulk density (A) and maximum water holding capacity (B)

2.2 秸稈腐熟菌劑用量對土壤化學性質的影響

施用菌劑第1、2 年未顯著改善土壤有機質含量，第3 年時土壤有機質含量隨秸稈腐熟菌劑用量增加而增加，T3 處理的土壤有機質含量最高達到26.6 g/kg（圖2A）。秸稈腐熟菌劑對全氮的影響在不同施用年際間存在差異，第1 和第2 年施用秸稈腐熟菌劑的土壤全氮低于對照；第3 年T2、T3 處理的土壤全氮含量高于對照和T1（圖2B）。添加秸稈腐熟菌劑對土壤有效磷有增加作用，第1 年T3 的土壤有效磷最高，且顯著高于對照、T1 和T2 處理。T3 的土壤有效磷隨施用年限增加而增加，第3 年土壤有效磷顯著高于其他處理（圖2C）。施用秸稈腐熟菌劑還增加土壤速效鉀含量，秸稈腐熟菌劑處理第3年時土壤速效鉀顯著高于對照，以T3 的土壤速效鉀最高（圖2D）。說明施用秸稈腐熟菌劑可提高土壤有機質，顯著提高土壤有效磷和速效鉀含量。

圖2 秸稈腐熟菌劑用量對土壤化學性質的影響Fig. 2 Effects of different dosages of straw decomposition treatments on soil chemical properties

2.3 秸稈腐熟菌劑用量對土壤酶活性的影響

T3 的土壤纖維素酶活性隨施用年限的增加而增強，到第3 年T3 的土壤纖維素酶活性顯著高出CK、T1 和T2 處理8.42%～19.34%（圖3A）。施用秸稈腐熟菌劑第1 年和第2 年，對照的土壤堿性磷酸酶活性最高，而到第3 年T2、T3 的土壤堿性磷酸酶活性顯著高于CK 和T1 處理（圖3B）。

圖3 秸稈腐熟菌劑用量對土壤酶活性的影響Fig. 3 Effects of different dosages of straw decomposition agent treatments on soil enzyme activities

2.4 秸稈腐熟菌劑用量對土壤可培養微生物菌群數量的影響

施用秸稈腐熟菌劑增加土壤細菌數量，第1年，秸稈腐熟菌劑處理的細菌數量較對照增加1.69%～5.08%。第3 年時T3 的土壤細菌數量顯著高于CK、T1 和T2 處理53.89%～81.05%（表1）。隨施肥年限增加CK 的真菌數量顯現增加趨勢，第三年時CK 的真菌數量顯著高于施用秸稈腐熟菌劑處理組。土壤微生物的數量和種類受多種因素影響，施用秸稈腐熟菌劑改變土壤營養成分，使土壤微生物由真菌型向細菌型轉變，使土壤微生物變得更合理。

表1 秸稈腐熟菌劑用量對土壤可培養微生物菌群數量的影響Table 1 Effects of different dosages of straw decomposition agent on the number of cultivable microorganisms in the slil

2.5 秸稈腐熟菌劑用量對土壤微生物多樣性分析

2.5.1 秸稈腐熟菌劑用量對土壤細菌群落豐度的影響 稀釋性曲線可以用來比較測序數量不同的樣本物種的豐富度，也可以反映樣品的取樣大小是否合理。如圖4 所示，當測序量超過50 000 條時，曲線趨于平緩，說明獲得新物種的量較少測序文庫已飽和。這也反映出取樣數量的合理性。

圖4 樣品稀釋曲線Fig. 4 Rarefaction curves for samples

2.5.2 秸稈腐熟菌劑用量對土壤微生物種群分布的影響 采用Illumina 技術分析和鑒定了施用秸稈腐熟菌劑第3 年冬小麥收獲期耕層土壤中的微生物菌群組成，如圖5 所示。在目水平上，不同腐熟菌劑用量下相對豐度較高的菌目有根瘤菌 目（Rhizobiales）6.22%～6.56%、黏球菌 目（Myxococcales）5.83%～6.83%、小群（Subgroup_6）4.90%～5.44%、β-變形菌目（Betaproteobateriales）4.81%～5.20%，相對豐度低于5%的有微球菌目（Micrococcales）、嗜纖維菌目（Cytophagales）、Microtrichales、小單胞菌目（Micromonosporales）、芽單胞菌目（Gemmatimonadales）、黃色單 胞菌目（Xanthomonadales）。從排名前四位的優勢菌群所占的百分比來看，T3 處理的粘球菌目（Myxococcales）、小 群（Subgroup_6）、β-變形菌目豐度最高。CK、T1、T2、T3 處理優勢菌群所占百分比分別為26.63%、26.81%、26.33%、27.29%，說明T3 處理能更好的平衡優勢菌群含量。

圖5 秸稈腐熟菌劑用量對土壤微生物在目水平上的菌群分布圖Fig. 5 Distribution barplot in order of soil microorganism under straw decomposition agent treatments

2.6 秸稈腐熟菌劑用量對小麥產量的影響

秸稈腐熟菌劑用量及施用年限對小麥產量影響不同（圖 6），秸稈腐熟菌劑施用第1、2 年，小麥產量隨菌劑用量增加而增加，第1 年T2、T3 分別較CK 增加5.35%和11.67%。第2 年3 種菌劑用量小麥產量增幅為6.06%～11.61%。第3 年施加腐熟菌劑處理間的小麥產量無顯著差異，均顯著高于對照8.23%～9.49%。3 年間施加腐熟菌劑T1、T2 和T3 處理的小麥產量分別與CK 增產5.50%、7.36%和10.44%，T3 增產明顯。

3 討論

秸稈腐熟菌劑作為一種含有纖維素降解菌群的活性微生物制劑，已成為提升秸稈還田效果的活性增效劑，其用量影響應用效果，接種量多少會影響微生物添加劑功能的有效發揮［17］。Duan 等［18］報道，在牛糞和麥秸混合物中，接種0.5%枯草芽孢桿菌制劑降低碳代謝基因豐度，減少CO2產生，而接種量增到2%后，導致CO2排放量增加。本研究發現，不同處理間的土壤容重和最大持水量年際間無顯著差異，但隨施用腐熟菌劑時間延長，土壤容重呈下降趨勢，第3 年時土壤容重降幅7.00%～13.38%（圖1A），而土壤最大持水量則呈增長趨勢，第3年時施加67.5 kg/hm2秸稈腐熟菌劑處理的最大持水量最高（圖1B）。這主要可能是因為秸稈還田具有增溫作用，腐熟菌劑在適宜的溫度下加快秸稈腐解并釋放養分，促進土壤微粒的團聚，使土壤孔隙度增加，變松散，改變土壤結構，降低土壤容重，增強吸水能力［19］。本研究還發現，連續施用秸稈腐熟菌劑可改善土壤化學性質。CK 處理土壤有機質含量隨施用年限增長而呈下降趨勢，而施用3 種秸稈腐熟菌劑的土壤有機質含量隨施用年限呈增長趨勢，這可能是由于秸稈腐熟菌劑降解玉米秸稈后產生低分子量化合物，或是秸稈腐熟菌劑中微生物細胞壁殘留物的積累從而使土壤有機質增長［20］；第3 年時67.5 kg/hm2秸稈腐熟菌劑處理土壤有效磷、速效鉀含量最大，且顯著高于其他處理（圖2C、2D）。秸稈在腐熟菌劑作用下，所含的磷和鉀以及部分氮都釋放出來供給土壤，使土壤養分含量提高［21］。

土壤酶是由土壤微生物的相互作用產生的，它參與了物質循環和能量流動，是評價土壤肥力和土壤微生物活動的一項重要指標。酶活力與植物、微生物、土壤養分有密切聯系。本試驗發現，連續施用秸稈腐熟菌劑提高土壤酶活性，豐富土壤可培養微生物，并提高小麥產量。T3 處理，土壤纖維素酶活性隨施用年限增長而提高，第3 年時酶活最高（圖3A）；小麥3 年總產量為24 866 kg/hm2，顯著高于其他處理2.87%～10.44%（圖6）。這是因為施加的腐熟菌中長枝木霉在低溫條件下具有較高的纖維素降解能力，而地衣芽孢桿菌能產生抗活性物質，抑制致病菌的生長繁殖；受此影響，土壤酶活性和微生物數量也相應增多。微生物數量增多可以進一步加速土壤養分循環，進而促進小麥生長。

圖6 秸稈腐熟菌劑用量對冬小麥產量的影響Fig. 6 Effects of different dosages of straw decomposition agent treatments on winter wheat yield

此外，分析了秸稈腐熟菌劑對土壤微生物物種組成的影響。T3 處理，土壤優勢菌群所占百分比最高為27.29%（圖5）。優勢菌群中黏球菌目多存在于有機質較豐富的環境中，分泌多種代謝物質，具有較好的抑菌效果；β-變形菌目含有豐富的固氮細菌［22］，這些優勢菌群的增多可提高土壤固氮能力，并提升土壤抑菌性能，進而提升土壤養分含量，有利于植株生長。

4 結論

秸稈還田配施腐熟菌劑不同程度地提高土壤氮、磷和鉀養分含量、提升土壤酶活性，豐富土壤微生物細菌含量，提高土壤微生物多樣性豐度，增加小麥產量，但秸稈腐熟菌劑不同施用量配施效果存在差異。綜合土壤理化性質、酶活性、小麥產量，小麥-玉米輪作體系下秸稈全量還田配施67.5 kg/hm2秸稈腐熟菌劑效果較佳。