楊曉燕, 葉偉偉, 張 龍, 顧 超, 高 波, 黃 俊*
1. 山東勁牛集團股份有限公司, 山東濟南 250000; 2. 濟南市土壤肥料站, 山東濟南 250000
根據(jù)中華人民共和國2018年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報[1]數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示,2018年我國主要糧食產(chǎn)量為 6.58億噸,其中以稻谷、玉米、小麥為主,分別為2.12億噸、2.57億噸和1.31億噸。小麥是中國北方地區(qū)主要糧食作物,麥秸是中國秸稈的主要資源[2],其秸稈主要由纖維素和木質(zhì)素組成,其含有豐富的有機質(zhì)、氮、磷、鉀和微量元素,是農(nóng)作物生長所需的有機肥重要來源之一[3]。秸稈還田是土壤改良的重要措施,也是廢棄秸稈重要的資源化途徑[4],秸稈還田能夠把農(nóng)作物吸收的大部分營養(yǎng)元素歸還到土壤,減少了秸稈焚燒造成的環(huán)境污染,減輕了勞動強度,具有良好的社會和生態(tài)效益[5]。秸稈還田增加土壤有機質(zhì)的同時,促進了土壤微粒的團聚作用,改善了土壤物理性狀及其滲透性和保水能力[6,7]。盡管已有的報道大多肯定秸稈還田的養(yǎng)分效應(yīng)、作物增產(chǎn)作用、環(huán)境以及生態(tài)效應(yīng),但未經(jīng)完全腐熟分解的秸稈進入土壤后造成的有機酸積累、腐解緩慢以及對耕作與農(nóng)藝操作等的不利影響還是限制了它的推廣;而加快土壤中秸稈的腐解成為秸稈還田技術(shù)中的研究熱點,在諸多技術(shù)中,添加秸稈腐熟劑因其成本低,操作簡單等而深受歡迎[8]。有研究表明,有機物料腐熟劑具有提高秸稈腐解速率、促進秸稈養(yǎng)分釋放、改善土壤質(zhì)量、提高作物產(chǎn)量的作用[9]。秸稈腐熟劑是由多種能將秸稈快速腐熟降解的微生物群落組成,主要包括真菌、細菌和放線菌;利用微生物的分解代謝作用快速將秸稈中的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等成分轉(zhuǎn)化為富含營養(yǎng)元素的簡單化合物,使秸稈降解為腐殖質(zhì),同時,消除秸稈中的病原菌、蟲卵、雜草種子等有害物質(zhì),進而增加土壤肥力。另外,施用腐熟劑也加快了小麥秸稈的腐解速度,而且腐熟劑施用90 d后,土壤中全磷、速效磷及速效鉀的含量均有不同程度的增加[10]。秸稈還田條件下,施用秸稈腐熟劑在短期內(nèi)可減弱農(nóng)田地力用與養(yǎng)的矛盾,提高土壤肥力[11,12]。采用秸稈還田技術(shù)可以大面積以地養(yǎng)地,是低耗持續(xù)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式,對提高土壤有機質(zhì)、氮、磷、鉀和微量元素的含量、改善土壤物理性狀、培肥地力、增加土壤微生物活性、提高農(nóng)作物增產(chǎn)的潛力、防止耕地土壤沙化和改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境有重要作用[13]。本研究為探索較好的小麥秸稈還田方法,特進行小麥秸稈腐熟和秸稈還田試驗研究,為小麥秸稈還田技術(shù)大面積推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。
實驗地點位于公司試驗田,屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候。試驗地土壤類型為褐色、表層質(zhì)地為中壤;土壤含水量為40%;土壤溫度為23 ℃~32 ℃。
1.2.1供試腐熟劑
供試腐熟劑為本公司生產(chǎn)的秸稈腐熟劑(粉劑),產(chǎn)品含有枯草芽孢桿菌,地衣芽孢桿菌,長枝木霉菌,有效活菌量≥5×108CFU/g,纖維素酶活≥50 U/g。
1.2.2供試秸稈
小麥秸稈采自本公司試驗田。試驗前將收集到的秸稈經(jīng)機器把整株剪成約3 cm~5 cm的小段,混合均勻,備用。
1.3.1小麥秸稈腐解效果試驗
每份稱取50 g左右小段放入40目尼龍網(wǎng)袋中,共準備35份。共設(shè)3個處理,即:
處理1(CK1):取出5份樣品,在烘箱中85 ℃條件下烘6 h,記錄每袋重量取平均值為G0。
處理2(CK2):翻土深度15 cm,翻耕后土壤含水量≥40%,保證秸稈有一定含水量,以利于秸稈腐熟,各處理秸稈含水量基本一致;把15個樣品分別放入土壤內(nèi),覆土。袋子平鋪,每個袋子之間相隔同樣的間距,以免互相產(chǎn)生干擾。分別在10 d、20 d、30 d后各取出5份重復(fù),均用清水沖洗,直至水滴為無色狀態(tài);然后放置4 ℃的冰箱內(nèi)3 d后,在烘箱中85 ℃條件下烘干6 h,記錄每袋重量,最后取平均值分別為2G10、2G20和2G30。
處理3:在小麥秸稈其余15份樣品中加入本公司生產(chǎn)的秸稈腐熟劑,其他條件和處理情況同處理2的操作,最后記錄值為腐熟后3G10、3G20和3G30。
1.3.2小麥秸稈還田種植白菜試驗
試驗田設(shè)4個處理,每個處理重復(fù)三次,小區(qū)面積30m2,隨機排列,小區(qū)設(shè)立保護行2米。具體處理如下:
處理A(CK1):空白處理;
處理B(CK2):常規(guī)施肥處理;
處理C(CK3):常規(guī)施肥處理+全量秸稈還田。
處理D:常規(guī)施肥處理+全量秸稈還田+供試秸稈腐熟劑2.0 kg/畝(與小麥麩皮拌勻后均勻撒施在粉碎后的秸稈上),小麥秸稈切碎為3 cm ~5 cm后全量還田,耕翻還田深度15 cm,秸稈還田量350 kg/畝。
試驗期間田間管理措施一致;收獲時每小區(qū)單獨采收、稱重、記產(chǎn)。
分別在第10 d,第20 d和第30 d將處理2和處理3的埋袋取出,處理后稱重,并計算不同階段的失重率。
土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測定;土壤堿解氮采用堿解擴散法測定;土壤速效磷采用碳酸氫鈉法測定;土壤速效鉀采用醋酸銨火焰光度計法測定[14]。
采用SPAD葉綠素計測定白菜葉綠素含量[15]。SPAD是一種測量葉綠素濃度的方法。即葉綠素含量SPAD指用SPAD這種方法測量的葉綠素濃度。
收獲期,在每小區(qū)中部位置隨機取10株白菜植株觀測其生物學(xué)性狀:單株重、株高、球莖、葉綠素含量,取樣后小區(qū)測產(chǎn),并進行經(jīng)濟效益分析。
采用SPSS和EXCEL軟件對實驗數(shù)據(jù)進行分析。
2.1.1秸稈腐熟劑對小麥秸稈的腐熟效果
通過表1和表2對比得出,第10 d時,不加腐熟劑的處理2失重率為10.05%,加腐熟劑的處理3失重率為12.02%,處理3比處理2的失重率提高1.97%;第20 d時,處理2和處理3的失重率分別為21.3%和27.92%,處理3比處理2的失重率提高6.62%;第30 d時,處理2和處理3的失重率分別為30.06%和37.69%,處理3比處理2的失重率提高7.63%。可以看出,隨時間的延長,處理3與處理2腐熟程度逐步增大,差距最大是第30 d,失重率之差為7.63%。
加腐熟劑的處理3,試驗的30 d過程中0 d ~10 d腐熟了12.02%,11 d ~20 d腐熟了14.9%,21 d ~30 d腐熟了9.77%,腐熟速度最快的是中間10 d;處理2在0 d ~10 d腐熟了10.05%,11 d ~20 d腐熟了11.25%,21 d~30 d腐熟了8.76%,腐熟速度比較平緩。說明本公司的腐熟劑在第11 d ~20 d時作用達到最大,這與試驗的氣候,溫度和土壤含水率也有關(guān)系。
表1 不同處理的小麥秸稈腐熟情況記錄 (單位:g)
表2 不同處理的小麥秸稈的腐熟失重率 (單位:%)
備注:失重率Wx=100(G0-Gx)/G0,計算結(jié)果保留兩位小數(shù)。
2.1.2秸稈腐熟劑對小麥秸稈腐熟效果的統(tǒng)計分析
為對比不同處理最終的腐熟度差異,對30 d后取出的樣品重量統(tǒng)計并進行方差分析,結(jié)果如表3和表4。
表3 樣品重量統(tǒng)計 單位:g
表4 方差分析
數(shù)據(jù)顯示,不同處理間差異極顯著,重復(fù)間差異不顯著。通過進行多重比較,處理1(CK1)、處理2(CK2)、處理3均達到差異顯著水平,說明該秸稈腐熟劑對小麥秸稈的腐熟效果比較明顯。
2.2.1小麥秸稈還田對土壤有機質(zhì)的影響
小麥秸稈還田對土壤有機質(zhì)的影響如圖1所示。與處理A相比,處理B、C、D的土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)分別提高了9.75%、13.04%、20%;與處理C相比,處理D的土壤有機質(zhì)提高了6.15%;由此說明小麥秸稈還田顯著提高了土壤有機質(zhì)的含量,差異顯著(P<0.05)。
圖1 不同處理的土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)
2.2.2小麥秸稈還田對土壤速效養(yǎng)分的影響
小麥秸稈還田對土壤速效養(yǎng)分的影響如圖2所示。與處理A相比,處理B、C、D的土壤堿解氮分別提高了4.76%、11.1%、16.70%;處理D的土壤堿解氮比處理C提高了5.04%,差異顯著(P<0.05)。
與處理A相比,處理B、C、D的土壤速效磷分別提高了10.55%、15.14%、26.83%;處理D的土壤速效磷比處理C提高了10.16%,差異顯著(P<0.05)。
與處理A相比,處理B、C、D的土壤速效鉀分別提高了16.47%、23.44%、30.01%;處理D的土壤速效磷比處理C提高了5.33%,差異顯著(P<0.05)。
圖2 不同處理的土壤速效養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)(mg/kg)
2.2.3小麥秸稈還田對白菜葉綠素含量的影響
小麥秸稈還田對白菜葉綠素含量的影響如圖3所示。各處理順序取10株白菜植株檢測其葉綠素的含量,處理D葉綠素含量比處理C增加5SPAD,其余各項處理指標均低于處理C。
圖3 白菜葉綠素含量(SPAD)
2.2.4小麥秸稈還田對白菜生物學(xué)性狀的影響
小麥秸稈還田對白菜生物學(xué)性狀的影響如圖4所示。各處理順序取10株白菜植株觀測其生物學(xué)性狀,處理D平均單株重比處理C增加0.34 kg,株高增加7.7 cm,球莖增加0.8 cm,其余處理各項指標均低于處理C。
圖4 白菜單株重及品質(zhì)指標調(diào)查圖
2.2.5小麥秸稈還田對白菜產(chǎn)量的影響
小麥秸稈還田對白菜產(chǎn)量的影響如圖5所示。處理D使白菜畝產(chǎn)量比處理C增產(chǎn)937.7 kg,增產(chǎn)率達到了10.71%;較處理B產(chǎn)量增加了1 075.5 kg,增產(chǎn)率12.48%。
圖5 白菜小區(qū)產(chǎn)量統(tǒng)計圖
不同試驗小區(qū)產(chǎn)量方差分析表明,處理D的白菜產(chǎn)量顯著高于其余處理,說明小麥秸稈中添加腐熟劑還田后對白菜有明顯增產(chǎn)效果,見表5。
用SPSS軟件進行單因素方差分析如表5。
表5 用LSD法進行單因素方差比較
2.2.6試驗經(jīng)濟效益分析
對不同處理白菜的經(jīng)濟效益進行了分析,如圖6所示,處理D比處理C每畝增收624.8元。
圖6 畝產(chǎn)量和效益情況分析表
通過試驗研究發(fā)現(xiàn),小麥秸稈腐熟劑對小麥秸稈的腐解有明顯的效果,可以加快小麥秸稈的腐解速度,提高腐解率,秸稈腐解率提高了7.63%,且在秸稈腐解過程中第10 d~20 d的促進效果最為明顯。添加腐熟劑后小麥秸稈還田,土壤有機質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀的質(zhì)量分數(shù)分別增加6.15%、5.04%、10.16%和5.33%;小麥秸稈還田后,白菜的單株重、株高、球莖、葉綠素和產(chǎn)量分別提高11.68%、22.13%、4.37%、21.74%和10.71%。本論文采用的秸稈腐熟劑主要由枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌、長枝木霉菌組成。秸稈中木質(zhì)纖維素的成分多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,構(gòu)成了抵抗微生物及其酶攻擊的天然屏障,40%~50%的纖維素大分子被木質(zhì)纖維素包裹,而木質(zhì)纖維素分子很穩(wěn)定,不易降解,這使得秸稈中的纖維素難于被直接分解利用,腐解速度慢、腐解效果差,需要借助其他方式改變其理化結(jié)構(gòu)使其更易降解。木霉菌作為一種有益真菌[16],能夠分泌纖維素酶,具有很強的纖維素分解能力,可以水解纖維素,促進纖維素的分解,進而提高小麥秸稈的腐解率,將纖維素轉(zhuǎn)化為易被作物吸收利用的有機碳分子,從而增加土壤有機質(zhì)的含量。芽孢類細菌尤其是枯草芽孢桿菌和地衣芽孢桿菌具有解磷、解鉀、固氮的作用,能夠?qū)⑼寥乐泄袒牡租浳镔|(zhì)轉(zhuǎn)化為易于吸收的堿解氮、速效磷、速效鉀;同時在微生物大量繁殖過程中還能產(chǎn)生有利于作物生長的生長素、細胞分裂素等,提高了白菜產(chǎn)量及品質(zhì),增加了畝產(chǎn)和經(jīng)濟收入。因此本研究利用秸稈腐熟劑進行小麥秸稈還田,更具有廣泛的生產(chǎn)應(yīng)用性,為小麥秸稈還田技術(shù)大面積推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。