“黄金玉米带”使吉林成为中国主要的粮食生产省,在吉林省农业相对发达的中部,秸秆资源产量达到10.87 t/hm2,居全国首位[1-2]。面对大量的秸秆资源,秸秆直接还田是最高效低耗、快捷方便的方式,也是东北地区重点推广技术[3-4]。

秸秆还田不仅能够提高秸秆利用率,而且能够提高土壤有机质与土壤有效养分,是农产品废弃物资源化利用的主要方式[5]。秸秆中含有的微生物会在土壤中分解,增加土壤有益微生物的数量,改善土壤理化性质[6-7]。但是,由于北方低温期较长,秸秆还田后分解较慢,达不到预期的效果。因此,秸秆还田时配施降解菌剂对秸秆进行快速腐解非常有必要。秸秆降解菌剂是能够有效提高秸秆利用率的微生物活体菌剂[8]。实践表明,秸秆降解菌剂的应用对土壤理化性质和酶活性有一定的影响。

土壤酶是动植物和微生物在土壤中活动的产物。它们是极小且极其活跃的土壤成分,对物质转化、能量代谢和修复污染土壤有重要作用[9-11]。土壤酶在土壤中以稳定蛋白质的形式普遍存在,并具有生物催化能力[12-13]。由土壤微生物引起的各种生化过程都是通过它们产生的酶来实现的。土壤酶活性可作为判断土壤生化强度和评价土壤肥力的指标之一[14-15]。

虽然目前很多科研人员都在研究探索适合低温地区秸秆降解的腐熟剂,但是仍然没能完全解决,因此,本研究秸秆降解菌对秸秆降解率及土壤理化性质、土壤酶活性的影响,为秸秆降解菌剂的实际应用提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验地位于吉林农业大学培养试验田(123°20′45″ E,43°47′42″ N),年均降雨量为549.6 mm,年均蒸发量为1 490 mm,年积温2 750 ℃,年平均气温为4.9 ℃,平均最高气温29.3 ℃,最低气温-20.4 ℃,无霜期140 d[16]。供试土壤为草甸黑土,土壤pH 值为5.95,有机质含量为22.65 g/kg,碱解氮含量103.25 mg/kg,速效磷、速效钾含量分别为24.46 mg/kg、103.27 mg/kg,铵态氮、硝态氮含量分别为25.05,23.87 mg/kg。

1.2 试验设计

玉米秸秆和土壤均采自吉林农业大学试验田。试验设置5个处理： S(秸秆+土)； LB(低温菌剂+秸秆+土)； NB(常温菌剂+秸秆+土)； MB(低温菌剂+常温菌剂+秸秆+土)(注：以下将低温菌剂+常温菌剂称为混合菌剂)；另外不加菌剂和秸秆的原土作为对照CK。每个处理3次重复。

每个尼龙小袋装入1 kg黑土、4 g玉米秸秆和0.04 g菌剂,充分混匀。然后将尼龙小袋埋入地下,翻埋深度为3～5 cm。试验时间为8-11月,共为期100 d。

1.3 土样采集

分别在15,30,50,70,100 d时取样,每次每个处理取一个尼龙小袋,共取5次,分别测定尼龙小袋中的土壤理化性质、土壤酶活性以及秸秆降解率。

1.4 试验方法

秸秆降解率：将混入尼龙小袋中的秸秆挑拣出来,冲洗干净,然后80 ℃烘干至恒质量。秸秆降解率=(培养前秸秆质量-培养n d时秸秆质量)/培养前秸秆质量×100%。

采用硫代硫酸钠滴定法测定土壤转化酶活性,以24 h后1 g土壤消耗0.1 N硫代硫酸钠的毫升数表示；采用靛酚比色法测定土壤脲酶活性,以24 h后1 g土壤中NH3-N的毫克数表示；采用高锰酸钾滴定法测定土壤过氧化氢酶活性,以1 g土壤消耗0.1 mol/L高锰酸钾的毫升数表示；采用磷酸苯二钠比色法测定土壤酸性磷酸酶活性,以24 h后1 g土壤中酚的微克数表示；采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定土壤纤维素酶活性,以72 h后1 g干土生成葡萄糖的毫克数表示[17-18]。

土壤理化性质采用常规土壤农化分析方法测定[19-20]。

1.5 数据处理

数据均采用Excel 2016和SPSS 24.0进行分析。

2 结果与分析

2.1 不同菌剂对玉米秸秆降解效果的影响

从图1可知,处理LB和MB的秸秆降解率与处理S相比,有显著性差异(P<0.05)；而处理NB的秸秆降解速度较缓慢,与处理S差异性较小,但是整体都是呈上升趋势。从培养天数上看,处理LB在培养初期,秸秆降解率并没有明显的变化趋势,而在培养30 d后,降解率明显提高；处理NB和MB的秸秆降解率则随着培养天数的增加稳定提高。各个处理均在培养100 d时,秸秆降解率达到最高,具体表现为：MB(86%)>LB(81%)>NB(77%)>S(71%)。

2.2 不同菌剂处理对土壤理化性质的影响

由表1可知,随培养天数的增加,土壤中各养分含量均显著提高(P<0.05),100 d达到最大值；同一培养阶段,不同处理间的土壤速效磷、速效钾、有机质、碱解氮、铵态氮、硝态氮含量和pH值均差异性显著,表现为：MB>LB>NB>S>CK。

注：表中数据为平均值±标准差,同列数据后不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

Note： The data in the table were different lowercase letters in the same colum indicated significant difference (P<0.05).

2.3 不同菌剂处理对土壤酶的影响

2.3.1 不同菌剂处理下土壤脲酶活性的变化 从图2可以看出,处理NB在整个培养过程中,随着培养天数的增加,土壤脲酶活性增长缓慢,差异不显著；处理LB的土壤脲酶活性在培养末期达到了8.76 mg/(g·d),较培养初期高出32.13%,同时高于无菌对照87.05%。在培养过程中,发现处理MB的增长幅度最大,培养末期较培养初期增长了1.7倍；同时处理LB和NB的土壤脲酶活性也较培养初期增长了1.2,1.3倍,而无菌处理S的土壤脲酶活性变化不明显。

2.3.2 不同菌剂处理下土壤转化酶活性的变化 从图3可以看出,各个处理土壤转化酶的活性随着培养时间的增加而提高,差异性较小。处理LB的土壤转化酶的活性在培养过程中由9.82 mL/(g·d)增加到10.49 mL/(g·d),增加了6.8%；处理NB的土壤转化酶的活性由9.80 mL/(g· d)增加到10.23 mL/(g·d),增加了4.4%,2个处理的土壤转化酶活性上升幅度都较小,差异不显著；而处理MB的土壤转化酶活性由9.95 mL/(g·d)增加到11.70 mL/(g·d),提高了17.6%,提高幅度相对最大，且明显高于无菌对照S和空白对照CK。

2.3.3 不同菌剂处理下土壤酸性磷酸酶活性的变化 从图4可以看出,处理NB的土壤酸性磷酸酶活性在每一个培养阶段都略高于处理S,差异不显著,但总体稳定提高,最高值出现在培养100 d时,活性为0.51 μg/(g·d)；处理LB的土壤酸性磷酸酶活性在每一个培养阶段都明显高于处理S,但在培养过程中,随着培养天数的增加,处理LB的土壤酸性磷酸酶活性上升缓慢,培养末期仅高于初期0.25 μg/(g·d)；而处理MB的土壤酸性磷酸酶活性在培养末期显著高于其他处理,分别高于处理NB、LB、S和CK 27.45%,12.07%,47.73%,85.71%。

2.3.4 不同菌剂处理下土壤过氧化氢酶活性的变化 由图5可知,在培养初期,处理LB的过氧化氢酶活性变化不明显,只是保持平稳,在培养50 d 后过氧化氢酶活性开始显著提高,增加到5.78 mL/(g·d),较培养初期提高了19.67%；处理NB的土壤过氧化氢酶活性随着培养天数的增加由4.34 mL/(g·d) 增加到7.69 mL/(g·d),同时较处理S高出11.45%；处理MB的土壤过氧化氢酶活性由5.28 mL/(g·d)增加到8.36 mL/(g·d),增加了58.33%,差异性显著；在培养末期,各个处理的土壤转化酶活性表现为MB>LB>NB>S>CK。

2.3.5 不同菌剂处理下土壤纤维素酶活性的变化 从图6可以看出,处理LB的土壤纤维素酶活性在培养初期略高于处理S,差异不显著,但在培养50 d后开始显著提高,最高值出现在培养100 d时,活性为0.30 mg/(g·d)；处理NB的土壤纤维素酶活性随着培养天数的增加缓慢提高,培养末期高于初期0.02 mg/(g·d),同时分别高于CK和处理S 0.04,0.02 mg/(g·d)；处理MB的土壤纤维素酶活性随着培养天数的增加,呈现显著提高的趋势，100 d时活性达到0.35 mg/(g·d)。

2.4 土壤理化性质与土壤酶的关系

由表2可知,土壤过氧化氢酶活性与硝态氮、碱解氮含量呈极显著正相关,与其他理化性质无相关性；土壤磷酸酶活性与硝态氮、碱解氮、速效钾、速效磷含量呈显著正相关,而与土壤pH值和铵态氮含量没有相关性；土壤脲酶活性与铵态氮含量呈极显著正相关,与速效钾、速效磷含量和pH值呈显著正相关,而与硝态氮和碱解氮含量无相关性；土壤转化酶活性与土壤铵态氮、速效钾含量和pH值呈显著正相关,而与其他理化性质无相关性；土壤纤维素酶活性与硝态氮、铵态氮、速效钾、速效磷含量呈显著正相关,与碱解氮含量和pH值无相关性。

注：*.差异达到显著(P<0.05)；**.差异达到极显著(P<0.01)。

Note： *.Significant difference (P<0.05)；**. Extremely significant difference (P<0.01).

3 讨论与结论

本研究发现,秸秆降解菌剂配合秸秆还田到土壤中显著影响土壤理化性质,且随着培养时间的延长,土壤的理化性质变化显著。有机质、速效磷和速效钾等土壤理化性质的变化,可能是因为秸秆中本身富含有机质和养分,添加菌剂加快了秸秆的降解,从而促进了有机质和养分的释放,使土壤获得了更多的有效养分[21]。有很多研究表明,秸秆还田配施秸秆降解菌剂能够提高土壤理化性质[22-23],慕兰等[24]的研究结果表明,经过150 d的腐解,有机质等各养分含量均呈现不同的增加趋势。本研究中秸秆还田配施菌剂使土壤pH值从5.95提高至6.58,土壤碱解氮含量从103.25 mg/kg增加到122.03 mg/kg,土壤速效磷、速效钾、有机质等含量也均有不同程度的提高,这与上述研究结果一致。

李鹤[25]和青格尔等[26]的研究结果表明,与CK相比,添加降解菌剂处理后的秸秆降解率较高,表现出较好的促分解效果。本研究中,经过100 d的培养,添加低温菌剂、常温菌剂和混合菌剂处理的秸秆降解率分别为81%,77%,86%,而CK为72%,说明添加降解菌剂可有效促进秸秆的分解速率。同时研究表明,施加混合菌剂处理的分解效果优于施加低温菌剂处理和常温菌剂处理,这与上述研究结果一致。这可能是因为秸秆降解菌剂中含有大量的霉菌、细菌、酵母菌和芽孢杆菌等,秸秆还田后这些菌大量繁殖,能够有效促进作物秸秆分解[27]。

酶作为土壤中最活跃的体系,与土壤肥力关系密切,是评价土壤肥力的重要指标[28]。本研究表明,添加低温菌剂对土壤酶活性的作用比常温菌剂显著,其中效果最为明显是脲酶,在培养100 d时,施用低温菌剂的土壤脲酶活力为8.76 mg/(g·d),高于常温菌剂处理57.27%,同时研究发现,2种菌剂同时施用的混合菌剂对提高土壤酶活性的效果最佳,施用混合菌剂处理的脲酶活性在培养末期达到14.30 mg/(g·d),明显高于其他处理；本研究中,土壤过氧化氢酶、纤维素酶、转化酶和酸性磷酸酶活性提高幅度最大的均为混合菌剂处理。钱海燕等[29]的研究也表明,秸秆还田与微生物菌剂的结合可以促进土壤酶活性的提高,同时混合菌剂效果最好。本研究结果与之相一致。分析产生上述结果的原因,可能是因为添加混合菌剂,能够有效促进秸秆的腐殖化速度以及有效元素的积累,同时提高了土壤有机碳,更有利于微生物的活动与土壤酶活性的提高[30]。

本试验研究表明：与对照相比,秸秆配施降解菌剂有利于玉米秸秆的降解以及土壤速效养分和酶活性的增加。尤其是混合菌剂(低温菌剂+常温菌剂)处理,对秸秆降解效果以及土壤理化性质和土壤酶活性的影响优于低温菌剂处理和常温菌剂处理。由此可知,秸秆降解菌剂能够有效地分解作物秸秆,秸秆经菌剂发酵后,协调了土壤酸碱度和土壤氮、磷、钾养分的供应,提高土壤的保水保肥能力。

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Effects of Straw Degrading Bacteria on Straw Degradation Rate,Soil Physicochemical Properties and Enzyme Activities

CHANG Hongyan1,2, WANG Tianye1,2, HUANG Ziyuan1,2, BAI Yichen 1,2, WANG Chengyu1,2, LIU Shuxia1,2

(1.College of Resources and Environmental, Jilin Agricultural University, Changchun 130118, China;2.Key Laboratory of Soil Sustainable Utilization for Jilin Province Commodity Grain Bases, Changchun 130118, China)

Abstract： In order to solve the problem that straw is difficult to be degraded in low temperature areas in North China, this study applied straw degradation bacteria agent to rapidly decompose straw, which plays an effective role in utilizing straw resources and improving soil fertility. The effects of three different straw degrading bacteria on the degradation effect of corn straw in different culture stages, soil physical and chemical properties and enzyme activities were compared by simulating the cultivation experiment of straw returning to the field and indoor analysis. The results showed that the addition of degrading bacteria could accelerate the degradation of straw, especially the treatment with mixed bacteria agent. The degradation rate reached 86% after 100 days of culture, which was significantly higher than that of aseptic treatment.At the same time, the application of straw degrading bacteria significantly increased the soil enzyme activity, of which the increase of urease activity was the most obvious. At the end of the culture period, the urease activity of soil treated with low temperature bacteria agent, normal temperature bacteria agent and mixed bacteria agent was 1.2, 1.3 and 1.7 times that of the initial culture period.With the prolonging of culture time, the activities of catalase, invertase, acid phosphatase and cellulase all improved to different degrees, and the enzyme activities of each treatment were significantly higher than those of CK and S;The contents and pH values of soil alkali-hydrolyzed nitrogen, available phosphorus, organic matter, available potassium, nitrate nitrogen and ammonium nitrogen in each treatment showed a stable upward trend with the increase of culture days. Therefore, the degradation rate of corn straw, soil physical and chemical properties and enzyme activities can be significantly improved by straw mulching and application of degradation bacteria at low temperature.

Key words: Straw returned; Black soil; Soil nutrients; Soil enzyme activity;Straw degrading bacteria

中图分类号：S141.4

文献标识码：A

文章编号：1000-7091(2019)增刊-0161-07

doi:10.7668/hbnxb.20190347

收稿日期：2019-05-16

基金项目：国家重点研发计划项目(2017YFD0300405-4)；吉林省科技发展计划项目(20160307006NY)；吉林省自然科学基金项目(20170101077JC)

作者简介：常洪艳(1995-),女,吉林四平人,在读硕士,主要从事施肥与环境研究。

通讯作者：刘淑霞(1969-),女,吉林松原人,教授,博士,主要从事施肥与环境研究。