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田间条件下几种促腐菌对水稻秸秆腐解及胞外酶活性的影响

姚云柯 周卫 孙建光 梁国庆 刘光荣 孙刚 袁福生

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田间条件下几种促腐菌对水稻秸秆腐解及胞外酶活性的影响

    作者简介: 姚云柯 E-mail:yaoyunkeke@163.com;
    通讯作者: 周卫, E-mail:zhouwei02@caas.cn ; 孙建光, E-mail:sunjianguang@caas.cn
  • 基金项目: 国家自然科学基金项目(31772392);国家重点研发计划课题(2016YFD0200109);现代农业产业技术体系建设专项资金资助(CARS-01-23)。

Effect of different straw-decomposition inoculants on increasing the activities of extracellular enzymes and decomposition of rice straws buried into soil

    Corresponding author: ZHOU Wei, E-mail:zhouwei02@caas.cn ;SUN Jian-guang, E-mail:sunjianguang@caas.cn ;
  • 摘要:   【目的】  田间环境的复杂性影响着促腐菌种的实际效果。我们研究了三个鉴定的促腐菌种在田间条件下提高秸秆腐解相关酶活性的影响,并比较了其与商品菌剂的效果,为秸秆促腐菌剂研发及秸秆高效还田提供科学依据。  【方法】  秸秆还田田间试验采用秸秆包网袋填埋法,在江西省上高县双季稻种植区晚稻季节进行,设置水稻秸秆接种假单胞菌、芽孢杆菌、青霉、商品菌剂以及不施菌剂 (对照) 5个处理,分别于秸秆包填埋于土壤后第7、14、28、56、84天取秸秆样品,测定秸秆剩余量、养分含量及胞外酶活性,并计算秸秆的腐解率。  【结果】  1) 不论是否添加促腐菌剂,秸秆的腐解均呈现出先快后慢的趋势。添加假单胞菌处理秸秆腐解率以及C、N、P释放率在0-84天始终显著高于对照,最终分别提高5.6%、9.09%、11.66%和7.87%;添加青霉处理秸秆腐解率 (14天除外) 和氮释放率在0—84天也显著高于对照,最终分别提高5.2%和7.46%;添加商品菌剂处理秸秆腐解率仅在14天显著高于对照;而添加芽孢杆菌处理秸秆腐解率始终与对照无显著差异。2) 腐解时间是影响胞外酶活性的最重要因素,添加菌种/剂也能不同程度地提高秸秆腐解胞外酶活性。胞外酶中,乙酰氨基葡萄糖苷酶和β-葡萄糖苷酶活性是影响秸秆腐解和养分释放的重要变量,其次是纤维二糖苷酶和磷酸酶。添加假单胞菌处理乙酰氨基葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶 (14天除外) 以及磷酸酶的酶活性在0—84天内显著高于对照,添加青霉、芽孢杆菌以及商品菌剂处理相关胞外酶活表现并不稳定,添加青霉处理乙酰氨基葡萄糖苷酶活性仅在0—14天显著高于对照。3) 添加菌剂处理水稻产量较对照提高1.87%~9.92%,施假单胞菌处理增产最为显著。  【结论】  胞外酶中乙酰氨基葡萄糖苷酶和β-葡萄糖苷酶活性与秸秆腐解和养分释放关系最为密切。青霉仅在秸秆腐解的前14天显著提高了乙酰氨基葡萄糖苷酶活性,芽孢杆菌剂对胞外酶活性的促进效果不稳定,因此,其在田间条件下促进秸秆腐解、养分释放的效果也不稳定,最终没有增产效果。假单胞菌剂可在0—84天腐解周期内显著提高乙酰氨基葡萄糖苷酶和β-葡萄糖苷酶 (14天除外) 的酶活性,因而在田间条件下,假单胞菌剂可以有效促进秸秆腐解和养分释放,提高晚稻产量。
  • 图 1  秸秆碳氮磷钾养分的累积释放率

    Figure 1.  Cumulative release rate of straw’ s nutrient

    图 2  秸秆腐解相关酶活性的非度量多维尺度分析

    Figure 2.  Nonmetric multidimensional scaling analysis (NMDS) of the activities of straw-associated enzymes

    图 3  秸秆养分释放率与秸秆腐解相关酶活的冗余分析

    Figure 3.  Redundancy analyses (RDA) of the correlations between nutrient release rates and associated enzyme activities in straws

    图 4  不同腐熟菌剂处理的晚稻产量

    Figure 4.  Late rice yield under different microbial inoculants treatments

    表 1  添加不同菌剂稻秆在不同腐解时间的腐解率

    Table 1.  Mass loss rate of rice straw in different decomposition days affected by inoculants

    处理Treatment秸秆腐解率Mass loss rate (%)
    7 d14 d28 d56 d84 d
    假单胞菌Pseudomonas29.5 ± 0.9 a44.2 ± 0.9 a49.5 ± 2.3 a59.9 ± 0.5 a64.4 ± 2.2 a
    芽孢杆菌Bacillus20.1 ± 3.1 c 38.4 ± 1.0 bc 45.7 ± 1.7 bc55.7 ± 0.4 b 62.3 ± 1.3 ab
    青霉Penicillium25.6 ± 0.6 b 37.3 ± 2.7 bc 48.3 ± 2.1 ab60.9 ± 1.9 a64.2 ± 0.5 a
    商品菌剂Commercial inoculant 22.2 ± 1.7 bc39.4 ± 0.8 b44.0 ± 1.1 c56.1 ± 1.0 b 61.8 ± 0.8 ab
    不施菌剂No inoculant control19.5 ± 2.2 c36.0 ± 0.8 c43.4 ± 0.9 c55.5 ± 0.5 b61.0 ± 1.5 b
    注(Note):腐解率为取样时秸秆量相比于初始秸秆量的下降百分率 The mass loss rate was calculated by the difference of straw mass amount at the sampling day and the initial; 同列数据后不同字母代表同一取样时间秸秆减少量在处理间差异达显著性水平 (P < 0.05) Values followed by different letters indicate significant differences among treatments at the same sampling day (P < 0.05).
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    表 2  晚稻秸秆腐解过程中C、N、P循环相关酶活性的变化

    Table 2.  Activity variation of enzymes involved in C,N and P cycling during decomposition process in the late-rice season

    腐解天数
    Decomposition days
    处理
    Treatment
    α-葡萄糖苷酶
    α-Glucosidase
    β-葡萄糖苷酶
    β-Glucosidase
    β-纤维二糖苷酶
    β-Cellobiosidase
    β-木糖苷酶
    β-Xylosidase
    磷酸酶
    Phosphatase
    乙酰氨基葡萄糖苷酶
    N-Acetyl-
    glucosami-dase
    亮氨酸氨基肽酶
    L-Leucine
    aminope-ptidase
    7假单胞菌Pseudomonas107.81 ± 6.3 ab2203.97 ± 360.6 ab73.53 ± 7.9 b936.36 ± 54.8 a1616.5 ± 381.7 a232.09 ± 24.7 a189.28 ± 23.3 b
    芽孢杆菌Bacillus93.44 ± 3.9 b1766.32 ± 130.5 bc59.46 ± 0.1 bc640.76 ± 45.0 b730.75 ± 164.1 b202.58 ± 22.4 a139.74 ± 7.5 bc
    青霉Penicillium121.49 ± 17.7 a2400.24 ± 382.1 a109.02 ± 19.1 a961.63 ± 190.7 a1293.99 ± 114.1 a218.70 ± 19.6 a300.56 ± 63.5 a
    商品菌剂Commercial inoculant67.13 ± 0.9 c1685.83 ± 459 bc47.85 ± 9.3 c518.36 ± 45.4 b525.40 ± 30.1 bc166.38 ± 18.8 b158.13 ± 16.7 bc
    不施菌剂No inoculant control55.13 ± 1.2 c1494.50 ± 201.3 c46.28 ± 7.7 c291.42 ± 56.1 c320.23 ± 36.1 c130.15 ± 11 c112.08 ± 6.1 c
    14假单胞菌Pseudomonas135.34 ± 8.4 b1701.27 ± 97.5 b66.48 ± 6.4 c1465.93 ± 58 a1446.38 ± 248.2 ab959.47 ± 153.3 ab174.66 ± 8.4 c
    芽孢杆菌Bacillus96.80 ± 13.8 c1491.98 ± 148.4 b267.93 ± 48.9 a1434.25 ± 71.9 a1135.42 ± 259.9 b828.16 ± 34.0 b313.44 ± 24.0 a
    青霉Penicillium185.44 ± 20.2 a2984.44 ± 377.4 a191.81 ± 23.7 b1563.51 ± 97.6 a1598.73 ± 180.1 a1024.71 ± 59.6 a255.60 ± 42.6 b
    商品菌剂Commercial inoculant87.48 ± 18.3 c1803.44 ± 77.7 b65.89 ± 12.6 c1199.81 ± 174.4 b748.87 ± 109.1 c841.80 ± 51.6 b204.36 ± 23.8 c
    不施菌剂No inoculant control85.80 ± 11.4 c1470.71 ± 59.5 b21.33 ± 1.9 c865.35 ± 15.4 c576.45 ± 102.4 c620.18 ± 7.6 c123.87 ± 8.7 d
    28假单胞菌Pseudomonas155.63 ± 6.2 b1086.3 ± 36.3 a58.65 ± 2.0 b825.40 ± 20.7 b5782.22 ± 285.9 a687.25 ± 44.6 b264.76 ± 26.9 b
    芽孢杆菌Bacillus278.47 ± 27.1 a1234.85 ± 139.1 a104.65 ± 12.2 a1030.01 ± 76.4 a4878.20 ± 466.5 ab908.13 ± 96.9 a370.98 ± 22.1 a
    青霉Penicillium158.96 ± 18.0 b1072.03 ± 29.0 a57.49 ± 8.8 b649.27 ± 99.0 c4640.64 ± 657.0 ab475.56 ± 58.7 cd293.59 ± 30.2 b
    商品菌剂Commercial inoculant162.14 ± 13.0 b1044.31 ± 10.1 a67.10 ± 13.1 b686.53 ± 22.9 c5300.73 ± 770.9 ab576.73 ± 72.6 bc377.03 ± 56.2 a
    不施菌剂No inoculant control124.76 ± 4.0 c879.20 ± 22.8 b58.68 ± 3.7 b657.15 ± 52.8 c4214.95 ± 655.6 b440.12 ± 40.9 d174.41 ± 28.0 c
    56假单胞菌Pseudomonas75.40 ± 10.3 b669.41 ± 112.9 a36.85 ± 2.9 bc747.35 ± 34.8 a1475.89 ± 131.3 bc360.38 ± 30.1 ab177.94 ± 15.0 b
    芽孢杆菌Bacillus87.46 ± 4.0 a671.59 ± 68.9 a46.34 ± 7.3 ab657.07 ± 90.3 ab1604.22 ± 167.9 b339.59 ± 17.2 bc283.02 ± 21.8 a
    青霉Penicillium60.24 ± 4.1 c530.87 ± 76.3 ab28.48 ± 4.3 c729.79 ± 26.1 ab2353.09 ± 171.3 a275.25 ± 30.5 d169.68 ± 15.5 b
    商品菌剂Commercial inoculant73.35 ± 6.8 b638.02 ± 61.6 a53.84 ± 9.1 a637.27 ± 44.8 b1179.91 ± 331.0 cd408.7 ± 23.3 a126.06 ± 10.7 c
    不施菌剂No inoculant control54.17 ± 1.6 c461.78 ± 10.0 b29.36 ± 9.9 c380.91 ± 32.0 c1028.11 ± 213.2 d300.6 ± 41.0 cd85.72 ± 8.1 d
    84假单胞菌Pseudomonas39.08 ± 2.0 a1527.10 ± 87.4 a140.55 ± 15.6 bc331.22 ± 58.3 a2501.06 ± 142.2 a352.36 ± 35.9 a312.04 ± 7.7 b
    芽孢杆菌Bacillus19.26 ± 1.7 c1366.03 ± 294.9 a179.37 ± 6.0 a234.27 ± 33.8 bc2366.40 ± 371.2 a251.53 ± 29.5 b433.36 ± 57.8 a
    青霉Penicillium24.8 ± 2.9 b1439.17 ± 388.1 a158.76 ± 29.1 ab202.86 ± 12.3 c2506.20 ± 235.6 a275.71 ± 58.0 b219.33 ± 17.8 c
    商品菌剂Commercial inoculant25.92 ± 5.4 b1270.68 ± 234.2 a124.5 ± 5.7 cd281.16 ± 60.2 ab2145.19 ± 161.7 a253.26 ± 55.0 b204.30 ± 1.3 c
    不施菌剂No inoculant control10.87 ± 0.3 d788.00 ± 175.3 b96.10 ± 11.8 d87.23 ± 3.6 d1348.11 ± 203.6 b229.13 ± 13.3 b186.42 ± 9.6 c
    注(Note):同列数据后不同小写字母代表同一时间不同处理间差异达显著性水平 (P < 0.05) Values followed by different lowercase letters in same column indicate significant differences among treatments in the same time period (P < 0.05).
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出版历程

田间条件下几种促腐菌对水稻秸秆腐解及胞外酶活性的影响

    作者简介:姚云柯 E-mail:yaoyunkeke@163.com
    通讯作者: 周卫, zhouwei02@caas.cn
    通讯作者: 孙建光, sunjianguang@caas.cn
  • 1. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,北京 100081
  • 2. 江西省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所,南昌 330200
  • 基金项目: 国家自然科学基金项目(31772392);国家重点研发计划课题(2016YFD0200109);现代农业产业技术体系建设专项资金资助(CARS-01-23)。
  • 摘要:   【目的】  田间环境的复杂性影响着促腐菌种的实际效果。我们研究了三个鉴定的促腐菌种在田间条件下提高秸秆腐解相关酶活性的影响,并比较了其与商品菌剂的效果,为秸秆促腐菌剂研发及秸秆高效还田提供科学依据。  【方法】  秸秆还田田间试验采用秸秆包网袋填埋法,在江西省上高县双季稻种植区晚稻季节进行,设置水稻秸秆接种假单胞菌、芽孢杆菌、青霉、商品菌剂以及不施菌剂 (对照) 5个处理,分别于秸秆包填埋于土壤后第7、14、28、56、84天取秸秆样品,测定秸秆剩余量、养分含量及胞外酶活性,并计算秸秆的腐解率。  【结果】  1) 不论是否添加促腐菌剂,秸秆的腐解均呈现出先快后慢的趋势。添加假单胞菌处理秸秆腐解率以及C、N、P释放率在0-84天始终显著高于对照,最终分别提高5.6%、9.09%、11.66%和7.87%;添加青霉处理秸秆腐解率 (14天除外) 和氮释放率在0—84天也显著高于对照,最终分别提高5.2%和7.46%;添加商品菌剂处理秸秆腐解率仅在14天显著高于对照;而添加芽孢杆菌处理秸秆腐解率始终与对照无显著差异。2) 腐解时间是影响胞外酶活性的最重要因素,添加菌种/剂也能不同程度地提高秸秆腐解胞外酶活性。胞外酶中,乙酰氨基葡萄糖苷酶和β-葡萄糖苷酶活性是影响秸秆腐解和养分释放的重要变量,其次是纤维二糖苷酶和磷酸酶。添加假单胞菌处理乙酰氨基葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶 (14天除外) 以及磷酸酶的酶活性在0—84天内显著高于对照,添加青霉、芽孢杆菌以及商品菌剂处理相关胞外酶活表现并不稳定,添加青霉处理乙酰氨基葡萄糖苷酶活性仅在0—14天显著高于对照。3) 添加菌剂处理水稻产量较对照提高1.87%~9.92%,施假单胞菌处理增产最为显著。  【结论】  胞外酶中乙酰氨基葡萄糖苷酶和β-葡萄糖苷酶活性与秸秆腐解和养分释放关系最为密切。青霉仅在秸秆腐解的前14天显著提高了乙酰氨基葡萄糖苷酶活性,芽孢杆菌剂对胞外酶活性的促进效果不稳定,因此,其在田间条件下促进秸秆腐解、养分释放的效果也不稳定,最终没有增产效果。假单胞菌剂可在0—84天腐解周期内显著提高乙酰氨基葡萄糖苷酶和β-葡萄糖苷酶 (14天除外) 的酶活性,因而在田间条件下,假单胞菌剂可以有效促进秸秆腐解和养分释放,提高晚稻产量。

    English Abstract

    • 农作物秸秆含有大量可供植物生长利用的营养元素。我国为农业大国,秸秆资源极为丰富,据统计,每年产生约10亿吨秸秆[1],氮 (N)、磷 (P2O5)、钾 (K2O) 养分资源总量分别达到625.6万吨、197.9万吨和1159.5万吨[2],但只有约34%的氮、49%的磷和50%的钾返还农田[3]。目前,农业秸秆主要以肥料、饲料、燃料等方式被利用[2],然而秸秆焚烧产生的温室气体和颗粒污染物对环境的影响不容小觑[4],同时因其低蛋白质特性,只能作为动物饲料的辅助添加料[5]。秸秆还田作为最简单经济且可持续的农业废弃物处理方法之一[6],不仅可以减少化肥的施用,同时也可增加作物产量[7]。长期秸秆还田相较于单施化肥能有效增加土壤有机碳含量、减缓土壤养分流失以及提高土壤肥力[8-10]。然而,由于秸秆自身特点,还田秸秆在短时间内不能被完全腐解,种植茬口较紧时还会造成翻耕困难[11],尤其是在双季植物种植模式下[12]。因此,加快还田秸秆腐解是当前农业亟待解决的问题之一。

      有机物矿化与微生物及其代谢活动产生的胞外酶关系密切。目前,秸秆腐解微生物的研究多集中于通过限定条件对具有秸秆腐解能力的微生物进行筛选、分离,再加以鉴定、验证[13-16]。秸秆发酵试验证明,具有秸秆腐解能力的微生物能在一定程度上增加秸秆腐解相关酶活[17-18],进而提高秸秆腐解率[19]。同时,秸秆还田下配施促腐菌剂同样能加速秸秆纤维素的分解和养分的释放[20-23]。由于微生物所依赖的生存环境,不同微生物之间的协同和拮抗关系,以及微生物产酶条件的复杂性,地理条件和土壤类型差异巨大,进行实地研究更有利于理解和评价不同促腐菌剂对秸秆腐解的影响[24]

      稳定同位素探针技术 (SIP) 为进一步了解秸秆腐解微生物提供了新思路,DNA-SIP技术可作为鉴定参与秸秆腐解微生物类群的有力手段[25]。利用13C同位素标记水稻秸秆,结果发现细菌中的链霉菌目、毛虫胞菌目和棒状杆菌目以及真菌中的散囊菌目、粪壳菌目和格孢腔菌目在秸秆碳源利用中发挥重要作用[26-27]。而根据我们早期13C DNA-SIP的试验发现细菌中的假单胞菌属 (Pseudomonas) 可能是秸秆腐解的优势菌种[28],细菌中芽孢杆菌属 (Bacillus) 和真菌中青霉属 (Penicillium) 的多个种也被证明具有秸秆腐解能力[17, 29-30]。因此,本试验采用以上3类微生物,并以商品促腐菌剂为对照开展相关研究,探索不同秸秆腐熟菌剂对秸秆腐解、养分释放、酶活变化的影响,为秸秆促腐菌剂研发及秸秆高效还田提供科学依据。

      • 田间试验于2019年7月在江西省上高县试验示范基地 (31°42′N,114°54′E) 进行,该地属亚热带季风气候,年平均气温达17.3℃,年积温约5368℃,年平均降水量为1663 mm,无霜期240~307天,主要种植模式为双季稻。供试水稻品种为泰优航1573,供试土壤为当地典型红壤性水稻土,试验前土壤 (0—20 cm) pH为5.3、土壤有机碳含量18.9 g/kg、全氮2.19 g/kg、铵态氮6.28 mg/kg、硝态氮0.59 mg/kg、有效磷39.9 mg/kg、速效钾77.0 mg/kg。

      • 田间试验设置5个处理:假单胞菌、芽孢杆菌、施青霉、商品菌剂和不施菌剂对照。商品菌剂为佛山金葵子牌腐秆剂,其主要菌种包括Bacillus subtilisPaenibacilluspolymyxaBacillus brevis;细菌变形菌门假单胞菌 (Pseudomonas taiwanensisPseudomonas hunanensis)、细菌厚壁菌门芽孢杆菌 (Bacillus subtilisBacillus licheniformis) 以及真菌子囊菌门青霉 (Penicilliumsp.) 均由中国农业科学院农业资源与农业区划研究所微生物实验室提供。培养好的菌株吸附于等量的无菌草炭上制成接种菌剂,各菌剂有效活菌数均为3 × 109 cfu/g。

        试验于2019年7月27日进行。将收获的早稻秸秆翻入土壤中混匀,随后施入肥料,同一天施入菌剂。菌剂施用方法为:将制成的菌剂与同一块田地湿度适宜的500 g土壤混匀,再均匀地撒入小区内,然后用锄头再次混匀土壤。每个处理3个重复,完全随机区组排列,小区面积为40 m2,小区之间用塑料薄膜分隔防止串水串肥和菌剂污染,所有处理均施用N 165 kg/hm2 (尿素)、P2O5 90 kg/hm2 (钙镁磷肥)、K2O 150 kg/hm2 (氯化钾) 和6000 kg/hm2早稻秸秆,氮肥按基肥∶分蘖肥∶穗肥4∶3∶3施入,磷肥和钾肥作基肥一次性施用,试验于7月28日进行水稻移栽,11月1日收获,水稻种植密度及田间管理与当地农民习惯一致,收获后分小区进行水稻测产。

      • 首先将秸秆剪碎 (长约5 cm),然后在60℃烘干后装入尼龙网袋,保证每袋装入9 g秸秆,快速封好尼龙袋,于大田菌剂施入后立即进行田间埋袋,秸秆包垂直埋入耕层15 cm处。每个小区设置30个秸秆包,尼龙网袋大小为15 cm × 10 cm,孔径为48 μm。分别在秸秆包填埋后的第7、14、28、56和84天采样,每个小区取出6袋,低温保存运至实验室内进行相关指标的测定。将3袋清洗干净于60℃烘箱烘干,称重后磨碎混匀用于计算秸秆腐解率和养分释放率;另外3袋直接剪开小心取出秸杆后剪碎,存于4℃用于秸秆腐解相关胞外酶活性的测定。供试秸秆为当地早稻秸秆,秸秆养分含量为全碳388.2 g/kg、全氮12.4 g/kg、全磷0.40 g/kg、全钾15.80 g/kg。

      • 秸秆样品的全量C、N由元素分析仪测定 (ElementarAnalysenSysteme GmbH,Hanau,Germany),秸秆样品全磷、全钾含量由H2SO4-H2O2消煮后分别用钒钼黄比色―紫外分光光度计以及原子吸收分光光度计测定[31]。秸秆腐解相关水解酶酶活的测定基于模板底物通过水解作用产生的高荧光产物MUB/AMC。具体操作如下:称取一定重量的秸秆鲜样于离心管,加入50 mL的醋酸钠缓冲液 (50 mmol/L),涡旋混合均匀后倒入放有磁转的烧杯中,置于磁力搅拌器上搅拌1 min后,将悬浊液依次加入96孔酶板中,同时缓冲液、底物、荧光对照液也要加入相应孔中,在25℃避光培养4 h用酶标仪进行测定 (Scientific Fluoroskan Ascent FL,ThermoFischer Scientific,Waltham,MA)[28]

      • 秸秆腐解率:A (%) = (W1 − W2) / W1 × 100

        式中,W1为原始秸秆重 (g);W2为不同取样时间秸秆腐解后重量 (g)。

        秸秆腐解速率:B (g/g) = (Wi − Wn) Y/Wi/T

        式中,Wi 为第i天采取的样品秸秆重量 (g);Wn为第n天采取的样品秸秆重量 (g);T为第n天与第i天的时间间隔 (d);Y为365 d。

        养分元素释放率:C (%) = (W1m1 − W2m2) / (W1m1) × 100

        式中,W1和m1分别为原始秸秆重 (g) 和原始秸秆养分含量 (g/kg);W2和m2分别为不同取样时间秸秆腐解后重量 (g) 和腐解后秸秆养分含量 (g/kg)。

        采用SPSS 18.0进行差异显著性检验,采用Excel 2010进行数据计算和制表,Origin 2020b和R (3.6.1) 进行制图。

      • 表1可知,各处理秸秆腐解速率随腐解时间延长呈现由快到慢的趋势,5个取样时间添加菌剂处理的秸秆腐解率均高于不施菌剂对照,分别提高3.1%~51.2% (7天)、3.6%~22.8% (14天)、1.4%~14.1% (28天)、0.4%~9.7% (56天)、1.3%~5.6% (84天)。其中,假单胞菌处理的秸秆腐解率在0~84天始终显著高于对照 (P < 0.05),较对照分别提高51.3% (7天)、22.8% (14天)、14.1% (28天)、7.9% (56天) 和5.6% (84天);青霉处理的秸秆腐解率在除第14天外其它采样期内均显著高于对照 (P < 0.05),分别提高31.3% (7天)、11.3% (28天)、9.7% (56天) 和5.2% (84天);商品菌剂处理的秸秆腐解率仅在第14天显著高于对照 (P < 0.05),较对照提高9.4%;芽孢杆菌处理在腐解过程中秸秆腐解率始终与对照无显著差异。

        表 1  添加不同菌剂稻秆在不同腐解时间的腐解率

        Table 1.  Mass loss rate of rice straw in different decomposition days affected by inoculants

        处理Treatment秸秆腐解率Mass loss rate (%)
        7 d14 d28 d56 d84 d
        假单胞菌Pseudomonas29.5 ± 0.9 a44.2 ± 0.9 a49.5 ± 2.3 a59.9 ± 0.5 a64.4 ± 2.2 a
        芽孢杆菌Bacillus20.1 ± 3.1 c 38.4 ± 1.0 bc 45.7 ± 1.7 bc55.7 ± 0.4 b 62.3 ± 1.3 ab
        青霉Penicillium25.6 ± 0.6 b 37.3 ± 2.7 bc 48.3 ± 2.1 ab60.9 ± 1.9 a64.2 ± 0.5 a
        商品菌剂Commercial inoculant 22.2 ± 1.7 bc39.4 ± 0.8 b44.0 ± 1.1 c56.1 ± 1.0 b 61.8 ± 0.8 ab
        不施菌剂No inoculant control19.5 ± 2.2 c36.0 ± 0.8 c43.4 ± 0.9 c55.5 ± 0.5 b61.0 ± 1.5 b
        注(Note):腐解率为取样时秸秆量相比于初始秸秆量的下降百分率 The mass loss rate was calculated by the difference of straw mass amount at the sampling day and the initial; 同列数据后不同字母代表同一取样时间秸秆减少量在处理间差异达显著性水平 (P < 0.05) Values followed by different letters indicate significant differences among treatments at the same sampling day (P < 0.05).
      • 在不同腐解时间内,秸秆碳、氮、磷和钾素在0~14天大量释放,平均分别释放C 34.36%、N 51.41%、P 74.72%和K 94.67%,而在腐解15~84 d,养分释放速率减缓直至平稳 (图1)。其中,在取样时期内 (0~84天),添加假单胞菌处理秸秆碳、氮和磷的释放率分别显著高于对照处理9.09%、11.66%和7.87% (P < 0.05);添加芽孢杆菌和青霉处理秸秆氮的释放率分别显著高于对照处理3.41%和7.46% (P < 0.05);对于秸秆中钾的释放率,添加假单胞菌和青霉处理在腐解前期 (0~14 d) 显著高于对照处理 (P < 0.05),而后期差异不显著。综合而言,不同处理养分释放的变化大体相同,总体呈现假单胞菌 > 青霉 > 芽孢杆菌/商品菌剂 > 不施菌剂的趋势。

        图  1  秸秆碳氮磷钾养分的累积释放率

        Figure 1.  Cumulative release rate of straw’ s nutrient

      • 表2表明,相较于对照,施用促腐菌能有效提高相关胞外酶活性,其中添加假单胞菌处理α-葡萄糖苷酶、β-木糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶、亮氨酸胺肽基酶、以及磷酸酶的酶活性在采样期内 (0~84天) 均显著高于对照 (P < 0.05),β-葡萄糖苷酶活性除第14天以外的其它采样期内均显著高于对照 (P < 0.05)。添加青霉和芽孢杆菌处理胞外酶活性相比对照均有所增加,但并不稳定。具体而言,与对照相比,青霉处理的磷酸酶和β-木糖苷酶活性在秸秆腐解的第28天无显著差异,α-葡萄糖苷酶和β-葡萄糖苷酶在第56天无显著差异,乙酰氨基葡萄糖苷酶活性仅在0~14天显著高于对照 (P < 0.05),腐解后期差异不显著;添加芽孢杆菌处理的β-葡萄糖苷酶和亮氨酸胺肽基酶活性在秸秆腐解的第7天无显著差异,α-葡萄糖苷酶和β-葡萄糖苷酶在第14天也无显著差异,乙酰氨基葡萄糖苷酶活性在0~56天显著高于对照 (P < 0.05),腐解后期同样差异不显著。添加商品菌剂处理相较于其它菌剂处理对胞外酶活性的影响更弱,与对照相比β-纤维二糖苷酶和磷酸酶分别在0~84天和0~56天均无显著差异,同时其它相关胞外酶活性分别在7天、84天 (亮氨酸胺肽基酶)、7~14天 (α-葡萄糖苷酶和β-葡萄糖苷酶)、28天 (β-木糖苷酶)、84天 (乙酰氨基葡萄糖苷酶) 较对照无显著差异。

        表 2  晚稻秸秆腐解过程中C、N、P循环相关酶活性的变化

        Table 2.  Activity variation of enzymes involved in C,N and P cycling during decomposition process in the late-rice season

        腐解天数
        Decomposition days
        处理
        Treatment
        α-葡萄糖苷酶
        α-Glucosidase
        β-葡萄糖苷酶
        β-Glucosidase
        β-纤维二糖苷酶
        β-Cellobiosidase
        β-木糖苷酶
        β-Xylosidase
        磷酸酶
        Phosphatase
        乙酰氨基葡萄糖苷酶
        N-Acetyl-
        glucosami-dase
        亮氨酸氨基肽酶
        L-Leucine
        aminope-ptidase
        7假单胞菌Pseudomonas107.81 ± 6.3 ab2203.97 ± 360.6 ab73.53 ± 7.9 b936.36 ± 54.8 a1616.5 ± 381.7 a232.09 ± 24.7 a189.28 ± 23.3 b
        芽孢杆菌Bacillus93.44 ± 3.9 b1766.32 ± 130.5 bc59.46 ± 0.1 bc640.76 ± 45.0 b730.75 ± 164.1 b202.58 ± 22.4 a139.74 ± 7.5 bc
        青霉Penicillium121.49 ± 17.7 a2400.24 ± 382.1 a109.02 ± 19.1 a961.63 ± 190.7 a1293.99 ± 114.1 a218.70 ± 19.6 a300.56 ± 63.5 a
        商品菌剂Commercial inoculant67.13 ± 0.9 c1685.83 ± 459 bc47.85 ± 9.3 c518.36 ± 45.4 b525.40 ± 30.1 bc166.38 ± 18.8 b158.13 ± 16.7 bc
        不施菌剂No inoculant control55.13 ± 1.2 c1494.50 ± 201.3 c46.28 ± 7.7 c291.42 ± 56.1 c320.23 ± 36.1 c130.15 ± 11 c112.08 ± 6.1 c
        14假单胞菌Pseudomonas135.34 ± 8.4 b1701.27 ± 97.5 b66.48 ± 6.4 c1465.93 ± 58 a1446.38 ± 248.2 ab959.47 ± 153.3 ab174.66 ± 8.4 c
        芽孢杆菌Bacillus96.80 ± 13.8 c1491.98 ± 148.4 b267.93 ± 48.9 a1434.25 ± 71.9 a1135.42 ± 259.9 b828.16 ± 34.0 b313.44 ± 24.0 a
        青霉Penicillium185.44 ± 20.2 a2984.44 ± 377.4 a191.81 ± 23.7 b1563.51 ± 97.6 a1598.73 ± 180.1 a1024.71 ± 59.6 a255.60 ± 42.6 b
        商品菌剂Commercial inoculant87.48 ± 18.3 c1803.44 ± 77.7 b65.89 ± 12.6 c1199.81 ± 174.4 b748.87 ± 109.1 c841.80 ± 51.6 b204.36 ± 23.8 c
        不施菌剂No inoculant control85.80 ± 11.4 c1470.71 ± 59.5 b21.33 ± 1.9 c865.35 ± 15.4 c576.45 ± 102.4 c620.18 ± 7.6 c123.87 ± 8.7 d
        28假单胞菌Pseudomonas155.63 ± 6.2 b1086.3 ± 36.3 a58.65 ± 2.0 b825.40 ± 20.7 b5782.22 ± 285.9 a687.25 ± 44.6 b264.76 ± 26.9 b
        芽孢杆菌Bacillus278.47 ± 27.1 a1234.85 ± 139.1 a104.65 ± 12.2 a1030.01 ± 76.4 a4878.20 ± 466.5 ab908.13 ± 96.9 a370.98 ± 22.1 a
        青霉Penicillium158.96 ± 18.0 b1072.03 ± 29.0 a57.49 ± 8.8 b649.27 ± 99.0 c4640.64 ± 657.0 ab475.56 ± 58.7 cd293.59 ± 30.2 b
        商品菌剂Commercial inoculant162.14 ± 13.0 b1044.31 ± 10.1 a67.10 ± 13.1 b686.53 ± 22.9 c5300.73 ± 770.9 ab576.73 ± 72.6 bc377.03 ± 56.2 a
        不施菌剂No inoculant control124.76 ± 4.0 c879.20 ± 22.8 b58.68 ± 3.7 b657.15 ± 52.8 c4214.95 ± 655.6 b440.12 ± 40.9 d174.41 ± 28.0 c
        56假单胞菌Pseudomonas75.40 ± 10.3 b669.41 ± 112.9 a36.85 ± 2.9 bc747.35 ± 34.8 a1475.89 ± 131.3 bc360.38 ± 30.1 ab177.94 ± 15.0 b
        芽孢杆菌Bacillus87.46 ± 4.0 a671.59 ± 68.9 a46.34 ± 7.3 ab657.07 ± 90.3 ab1604.22 ± 167.9 b339.59 ± 17.2 bc283.02 ± 21.8 a
        青霉Penicillium60.24 ± 4.1 c530.87 ± 76.3 ab28.48 ± 4.3 c729.79 ± 26.1 ab2353.09 ± 171.3 a275.25 ± 30.5 d169.68 ± 15.5 b
        商品菌剂Commercial inoculant73.35 ± 6.8 b638.02 ± 61.6 a53.84 ± 9.1 a637.27 ± 44.8 b1179.91 ± 331.0 cd408.7 ± 23.3 a126.06 ± 10.7 c
        不施菌剂No inoculant control54.17 ± 1.6 c461.78 ± 10.0 b29.36 ± 9.9 c380.91 ± 32.0 c1028.11 ± 213.2 d300.6 ± 41.0 cd85.72 ± 8.1 d
        84假单胞菌Pseudomonas39.08 ± 2.0 a1527.10 ± 87.4 a140.55 ± 15.6 bc331.22 ± 58.3 a2501.06 ± 142.2 a352.36 ± 35.9 a312.04 ± 7.7 b
        芽孢杆菌Bacillus19.26 ± 1.7 c1366.03 ± 294.9 a179.37 ± 6.0 a234.27 ± 33.8 bc2366.40 ± 371.2 a251.53 ± 29.5 b433.36 ± 57.8 a
        青霉Penicillium24.8 ± 2.9 b1439.17 ± 388.1 a158.76 ± 29.1 ab202.86 ± 12.3 c2506.20 ± 235.6 a275.71 ± 58.0 b219.33 ± 17.8 c
        商品菌剂Commercial inoculant25.92 ± 5.4 b1270.68 ± 234.2 a124.5 ± 5.7 cd281.16 ± 60.2 ab2145.19 ± 161.7 a253.26 ± 55.0 b204.30 ± 1.3 c
        不施菌剂No inoculant control10.87 ± 0.3 d788.00 ± 175.3 b96.10 ± 11.8 d87.23 ± 3.6 d1348.11 ± 203.6 b229.13 ± 13.3 b186.42 ± 9.6 c
        注(Note):同列数据后不同小写字母代表同一时间不同处理间差异达显著性水平 (P < 0.05) Values followed by different lowercase letters in same column indicate significant differences among treatments in the same time period (P < 0.05).
      • 非度量多维尺度分析 (nonmetric multidimensional scaling,NMDS) 表明,不同促腐菌剂处理在不同腐解时间的秸秆水解酶活性在空间排列中形成不同的簇 (图2),其活性具有显著差异 (ANOSIM检验)。腐解时间对水解酶活性的影响大于菌剂的影响,其中腐解第84天与其它时期的差异最大。基于Bray-Curtis距离的Mantel test分析显示秸秆腐解养分释放率与胞外酶活性之间具有显著相关性 (r = 0.427,P = 0.001)。利用冗余分析 (Redundancy analysis,RDA) 秸秆养分释放与具体单个胞外酶活性的关系 (图3),结果表明乙酰氨基葡萄糖苷酶活性 (F = 8.2,P = 0.004) 是秸秆腐解的重要变量,解释了21.5%的养分释放的变化,其次是β-葡萄糖苷酶 (21.1%,F = 6.1,P = 0.018),β-纤维二糖苷酶 (12.7%,F = 6.0,P = 0.028) 和磷酸酶 (11.0%,F = 7.3,P = 0.01)。

        图  2  秸秆腐解相关酶活性的非度量多维尺度分析

        Figure 2.  Nonmetric multidimensional scaling analysis (NMDS) of the activities of straw-associated enzymes

        图  3  秸秆养分释放率与秸秆腐解相关酶活的冗余分析

        Figure 3.  Redundancy analyses (RDA) of the correlations between nutrient release rates and associated enzyme activities in straws

      • 秸秆促腐菌剂的添加能一定程度上提高水稻产量,较对照而言提高1.87%~9.92% (图4)。其中,添加假单胞菌和商品菌剂处理作物产量显著高于对照处理,分别增加9.92%和6.75% (P < 0.05),芽孢杆菌和青霉处理产量较对照虽有增加,但不显著。

        图  4  不同腐熟菌剂处理的晚稻产量

        Figure 4.  Late rice yield under different microbial inoculants treatments

      • 秸秆在土壤中的转化是复杂的生物化学过程,而微生物是有机物转化及养分循环的执行者。目前有关功能微生物与有机物分解相关性的报道较多[18, 30, 32]。研究表明,添加秸秆腐解菌剂在适宜的条件下能增加秸秆腐解微生物的数量,进而提高相关酶活性,促进秸秆的腐解和养分的释放[21, 33]。周柳强等[21]在红壤气候区进行大田试验发现,水稻秸秆粉碎加菌剂处理能使腐解率提高6.3%~7.3%;N、P、K养分释放率分别提高1.0%~5.8%、11.6%~14.9%、2.2%~5.3%。Liu等[25]研究了含芽孢杆菌的微生物接种剂对小麦秸秆腐解的影响,结果发现该接种剂能加快小麦秸秆在土壤中的分解,而且能影响其最终矿化程度。卢松等[34]在自然条件下将玉米秸秆接种青酶菌和黄孢原毛平革菌,结果发现接种青霉菌后秸秆纤维素得到有效降解。本研究发现,添加不同促腐菌剂秸秆腐解率与养分释放率总体呈现假单胞菌 > 青霉 > 芽孢杆菌/商品菌剂的趋势。耿丽平等[22]在壤质潮土进行大田试验发现,添加外源菌剂比不施菌剂小麦秸秆腐解率增加8.88%~13.5%,但不同外源菌剂腐解率呈现差异,这与本试验研究结果相似。然而,Gupta等[35]利用培养实验研究不同菌剂对作物秸秆腐解的影响,结果却发现添加芽孢杆菌处理秸秆降解率显著大于假单胞菌,这与本研究的结果略有差异。这可能与菌剂施用量、氮肥施用量和土壤条件密切相关[36-38]。陈帅等[36]利用培养试验探索菌剂用量、pH、温度、含水量和施氮量对秸秆促腐菌剂应用效果的影响,结果发现在不同条件下菌剂腐解效果均呈现差异。杨欣润等[39]研究发现,还田条件、秸秆种类和SOM含量也对腐熟菌剂的促腐作用影响显著。

        秸秆的腐解一般呈现为先快后慢的快速腐解期和缓慢腐解期,快速分解期主要是易矿化有机物的快速分解,是矿质养分释放的最佳时期;缓慢分解期是秸秆中难分解物质 (木质素、蜡质、单宁等) 在某些真菌和放线菌的作用下缓慢分解的时期[40-41],本研究也发现在不同腐解菌剂作用下,秸秆的腐解和养分释放同样呈现由快到慢的趋势,添加菌剂处理秸秆腐解率较对照的差异随腐解时间逐渐缩小,这与武亚男等[42]研究相似。李培培等[43]研究发现促腐菌剂作用于玉米秸秆产生的促腐效果也在早期较为明显,而且对腐解早期土壤细菌和真菌的群落结构影响较大,对后期影响逐渐减少。

      • 酶在土壤生态系统物质循环和能量转化中起着非常重要的作用,是土壤-作物体系中养分循环的主要调节者[22]。Cenini等[44]认为秸秆腐解胞外酶活性的变化可能与腐解底物的有效性有关。随着腐解的进行,秸秆养分含量和结构必然改变,因此腐解时间对秸秆腐解相关酶活性的变化具有显著影响。郭腾飞等[28]在研究水稻秸秆腐解酶活的动态变化时同样发现,腐解时间相较于施氮量对酶活的影响更大。同时,酶活性的变化与微生物作用于秸秆进行自身代谢的生物学过程息息相关[45],具有秸秆腐解能力的微生物通过定殖秸秆将其分解,从而获取生存所需的碳源和氮源。本研究发现添加菌剂处理秸秆C、N、P循环相关的胞外酶活性均高于不施菌剂处理,这与Liang等[19]和Gaind等[46]的研究相一致。倪国荣等[47]同样发现秸秆还田配施腐熟菌剂能提高与土壤碳循环相关的纤维素酶活性和与氮循环相关的脲酶活性。同时,研究发现不同菌剂处理下秸秆腐解相关酶活性也存在差异,可能与菌株的产酶种类有关[24, 30]。李水仙等[48]认为产酶能力高的菌株对水稻秸秆的腐解效果并不显著高于其他菌株。这也可能是腐解前期假单胞菌处理秸秆腐解相关酶活低于青酶的原因。徐春淼[24]在对稻秆复合菌系构建和降解效果的研究中发现,拟康宁木霉真菌中滤纸酶活、纤维素酶活以及半纤维素酶活均显著高于假单胞菌,但秸秆降解率两者差异却并不显著。

        β-葡萄糖苷酶、β-纤维二糖苷酶和乙酰氨基葡萄糖苷酶以及磷酸酶分别是与C、N、P循环相关的胞外酶类[10, 49]。本研究通过冗余分析发现乙酰氨基葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、纤维二糖苷酶和磷酸酶是影响秸秆腐解和养分释放的重要因子。通常认为β-1,4-葡萄糖苷酶主要参与纤维素的降解,β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶主要涉及几丁质或肽聚糖的降解,而酸/碱性磷酸酶涉及有机磷的降解[50]。纤维素是秸秆的重要组成成分,在秸秆的分解中,β-纤维二糖苷酶可将纤维素分解为更小的寡糖,而β-葡萄糖苷酶可将中间产物纤维二糖最终分解为葡萄糖,其是秸秆碳释放的关键步骤,对秸秆纤维素的解聚作用重大[51, 52]。同时秸秆中水溶性化合物和易分解物质是乙酰氨基葡萄糖苷酶的合适底物[53],因此,β-葡萄糖苷酶和乙酰氨基葡萄糖苷酶对秸秆的腐解具有重要作用。

      • 促腐菌剂与秸秆还田的联合应用实现了作物与土壤之间养分的循环,改善了养分供应和作物需求之间的平衡,从而有利于作物高产[12]。魏赛金等[23]研究发现秸秆还田添加促腐菌剂土壤养分含量显著增加,同时增强了原本生态势较弱的功能菌群,土壤养分循环相关微生物种群、水稻益生菌、抗致病菌的丰度增加,水稻致病菌的数量降低,最终促进了作物的生长和产量的增加。顾文杰等[54]研究认为促腐菌剂还有助于促进作物的生长,进而提高产量。于宗波等[55]在中壤土和砂壤土上研究发现,秸秆还田配施人元和中农绿康腐熟菌剂增加了玉米根干重,同时使根系膜质过氧化程度减轻,抗衰老能力提高,可为玉米生育后期根系养分的吸收提供保障。范宁杰[56]等利用盆栽试验发现秸秆与菌剂配施相较于单施秸秆有利于玉米根的伸长和株高的增加。李敏清等[57]通过大田试验研究稻秆还田配施腐熟剂对晚稻生长的影响,结果发现添加促腐菌剂能够显著增加晚稻的有效穗数、穗长、剑叶长、剑叶宽、总粒数、结实率、千粒重等生物学性状指标,产量较常规施肥提高12.23%。同时,杨欣润等[39]利用meta-analysis,系统分析了2001—2019年公开发表的有关促腐菌剂田间应用的研究论文,结果表明施用促腐菌剂可有效增加作物产量,这与本试验研究结果相一致。而不同菌剂对于土壤养分的有效性不同,在促进作物生长和增产方面同样存在差异[58-59]。本研究发现假单胞菌能够有效促进秸秆的腐解和养分的释放,这也可能是其促进作物增产的原因。

      • 胞外酶中乙酰氨基葡萄糖苷酶和β-葡萄糖苷酶活性对秸秆腐解和养分释放的影响最为显著。田间条件下,假单胞菌在整个晚稻生育期内均显著增加了乙酰氨基葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶活性 (14天除外) 和磷酸酶等5种胞外酶的酶活性,因而,其促进秸秆腐解和养分释放的效果最佳,晚稻增产显著。青霉和芽孢杆菌剂提高对胞外酶活性的效果不稳定,青霉仅在秸秆腐解的前14天显著提高了乙酰氨基葡萄糖苷酶活性,因此,其促进秸秆腐解、养分释放的效果也不稳定,最终在晚稻的增产效果不显著。

    参考文献 (59)
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