秸秆与牛粪混合发酵对秸秆降解及土壤肥力的影响

Effects of mixed fermentation with cow manure and straw on the degradation of straw and soil fertility

摘要

利用GET技术可以有效地降解秸秆生产清洁能源生物甲烷，达到无害化处理与利用秸秆的目的。本研究应用GET技术研究了发酵基质（秸秆∶牛粪）配比和温度对秸秆降解及土壤肥力的影响，以求为GET技术的推广与应用提供支撑。结果表明，各处理因素中发酵基质配比和温度及其相互作用对秸秆纤维素和半纤维素的降解有显著影响，两因数的交互作用对纤维素和半纤维素的降解也有显著作用，但对木质素的影响不显著。其中发酵基质配比以1∶1最为适宜，其纤维素和半纤维素的降解率分别为55.39%和27.75%；秸秆纤维素的降解率随着温度的升高而增加，但半纤维素降解率在30 ℃时达到最高，分别比10 ℃、20 ℃和40 ℃时高33.80%、18.37%和6.26%。发酵基质配比和温度对厌氧发酵后土壤的肥力也有显著作用，土壤有机质、全氮和全磷含量均以1∶1配比处理和30 ℃处理条件下为最高。GET技术的应用还能显著改善土壤结构，厌氧发酵后土壤微团聚体粒径组成由小团聚体转化为大团聚体为主，土壤微团聚体分形维数显著下降。

Abstract

GET (methane gas as renewable energy at rice fields) technology can effectively degrade straw and produce clean energy biomethane with the aims of harmless treatment and resource reuse. The study determined the effects of fermentation matrix (bovine manure and straw) ratio and temperature on the degradation of straw and soil fertility for the application of GET technology in China. The results showed that the fermentation substrate ratio and temperature significantly affected on the degradation of straw. The optimum ratio of fermentation raw materials was 1∶1 with 55.39% cellulose degradation and 27.75% hemicellulose degradation, respectively. The degradation of cellulose increased with the temperature rising. However, the degradation of hemicellulose reached the highest at 30 °C, which is 33.80%, 18.37% and 6.26% higher than those degradated at 10 °C, 20 °C and 40 °C, respectively. The ratio of fermentation substrate and temperature also significantly affected soil feitility after anaerobic fermentation. Soil organic matter, total nitrogen and total phosphorus content were the highest under the treatment of 1∶1 ratio and 30 °C. The application of GET technology can significantly improve soil structure. After anaerobic fermentation, the particle size composition of soil microaggregates changed from small aggregates to large aggregates, and the fractal dimension of soil microaggregates decreased significantly.

Graphical abstract

关键词

GET技术 / 水稻秸秆 / 降解率 / 土壤团聚体

Key words

GET technology / rice straw / degradation rate / soil aggregates

0 引 言

中国是世界产粮最多的国家之一，秸秆产量占世界总产量的30%以上，秸秆的无害化处理与利用对于我国农村生态环境的保护具有重要的意义。秸秆可直接用于动物饲料和食用菌基料^[1]，但是其用量比较小，大量的秸秆被用于生物质燃料、秸秆还田和沼气池发酵，但这些方式都受到各种各样的因素的影响而受到限制^[2]。其中生物质燃料的运输成本往往较高，秸秆还田产生甲烷温室气体直接排放到大气^[3]，沼气池发酵的废渣清除和废液处理难度较大。日本学者田村广人教授研发了“GET”技术（methane gas as renewable energy at rice fields）^[4]。该技术是在水稻收割后，将稻草碎成粉末还田，与土壤均匀混搅后，用薄膜覆盖并保持灌水，利用水稻田中所含有的微生物群落通过厌氧发酵分解秸秆，产生并收集生物甲烷加以利用。该技术既能产生生物甲烷为农村提供清洁能源，避免秸秆还田中生物甲烷直接排放大气的问题，又能促进改良土壤肥力，消灭部分寄生病虫害。因此被认为是一种秸秆的无害化处理技术，实现了废物处理和能源生产的有机结合。

利用动物粪便等农家肥和植物秸秆进行混合厌氧发酵，既可以提高发酵效率，增加秸秆的降解程度，还能提高农家肥的使用效率。在影响混合厌氧发酵效率的众多因素中，温度和原料混合比例是影响混合厌氧发酵效率的关键因素^[5]。王晓娇等^[6]报道混合原料发酵效果高于单一原料发酵，且低温发酵效果显著低于中温发酵。Li等^[7]通过将粪肥和秸秆按不同质量比混合进行厌氧消化，发现当质量比为5∶5时，秸秆降解程度和累积产气量最高。为了促进该技术在我国的推广与应用，基于GET系统开展了利用农家肥与秸秆混合厌氧发酵产生物甲烷的系列试验研究，本文主要就其中混合发酵基质配比（秸秆∶牛粪）和温度对秸秆降解及土壤肥力的影响进行了报道。

1 材料与方法

1.1 试验原料

试验用的水稻秸秆、牛粪和水稻土壤均取自湖北省宜昌市农科院枝江农业试验基地，经风干后，牛粪和水稻土壤进行碾碎，水稻秸秆被剪切成1~3 cm长的小段，备用。各试验材料理化特性见表1。实验用的秸秆腐熟剂为微生物复合菌剂（安徽广宇生物技术有限公司），主要含枯草芽胞杆菌、假丝酵母、绿色木霉、米曲霉等成分。

1.2 试验装置与设计

试验所采用的厌氧发酵装置由发酵瓶和集气系统组成。发酵瓶容积2 L，装料容积约为1.8 L，发酵瓶和集气系统之间通过橡胶管连接，瓶口盖上采用乳胶密封以保证厌氧环境。试验时以每个厌氧发酵装置为一个试验单元。试验共设置了发酵基质配比（m_秸秆∶m_牛粪）和温度两个试验因子。其中发酵基质配比分别设置1∶0 、1∶1 、1∶2和1∶3等四个处理水平，温度设置了10 ℃、20 ℃、30 ℃和40 ℃等四个处理水平。每个处理水平4个重复，整个试验共设置了16个处理。

试验前将水稻秸秆喷洒5%的秸秆腐熟剂进行预处理5 d。每个试验处理各称取50 g处理过的水稻秸秆，并按照试验设计中牛粪与秸秆的比例称取相应质量的牛粪，进行混合作为发酵基质，然后再称取800 g水稻田土壤作为发酵引物。将上述发酵基质与水稻田土壤分层装填到发酵瓶中，并加入不同量的蒸馏水使每个发酵瓶中的总物料重量均为1.8 kg。将发酵装置封闭后，按照试验设计分别放入不同温度的生化培养箱中进行发酵。整个发酵试验共运行100 d。

1.3 秸秆降解和土壤性质的测定

厌氧发酵前发酵基质的总固体TS、总挥发性固体VS采用烘干失重方法测定。发酵前水稻秸秆中纤维素、半纤维素和木质素的定量分析分别采用72%浓硫酸水解法、2 mol/L盐酸水解法和浓硫酸法^[8]。

厌氧发酵试验结束后，将每个试验单元的发酵基质分别取出，其中取出秸秆，用蒸馏水不断冲洗，直到筛子上没有土壤残留。自然风干，四分法取秸秆后，用粉碎机粉碎过30目筛以备用。利用上述纤维素、半纤维素和木质素含量的测定方法测定秸秆发酵后各自的含量，确定秸秆的降解率。

将各试验单元发酵基质取出秸秆后所剩余的土壤静置24 h，去除多余的水，自然风干，四分法取土后，用粉碎机粉碎过60目筛，用于测定土壤的有机质、全氮(TN)和全磷(TP)含量以及土壤团聚体组成。其中有机质含量采用重铬酸钾氧化⁃外加热法测定，全氮、全磷含量采用流动分析仪测定。土壤团聚体组成采用马尔文激光粒度分析仪测定^[9]，经筛分得到7个粒径段，即>100、 100~50、 50~20、 20~10、 10~5、 2.5~5、 <2.5 μm，分别统计每个土壤样品各粒径段质量百分比。

1.4 数据分析

秸秆降解率的计算采用失重法：

降解率（%）=\frac{m_{\mathrm{1}}-m_{\mathrm{t}}}{m_{\mathrm{1}}}×100%

式中:m₁表示秸秆降解前的初始质量，m_t表示分解t时的秸秆降解后剩余质量。

土壤分形维数（D）值作为土壤团聚体水稳定性各粒级分布的评价指标，分形维数（D）值越高表示土壤黏粒含量越高、细颗粒越多，沙粒含量越少，土壤质量改善越好，越低则表示土壤结构相对越松散、通透性越好^[10]。该指标计算方法如下：

(\mathrm{3}-D)\mathrm{l}\mathrm{g}(\frac{{\overline{d}}_{\mathrm{i}}}{d_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}})=\mathrm{l}\mathrm{g}(\frac{W}{W_{\mathrm{0}}})

式中：\overline{d_{\mathrm{i}}}为d_{\mathrm{i}+\mathrm{1}}和d_{\mathrm{i}}两相邻筛分粒级团聚体直径的平均值，μm；d_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}为最大粒径团聚体直径的平均值，μm；W_{\mathrm{0}}为土壤各粒级团聚体的重量的总和，g；W为粒径小于d_{\mathrm{i}}的团聚体的重量，g。土壤团聚体的分形维数（D）值运用回归分析法进行计算。

以发酵基质配比和温度为自变量，秸秆的纤维素、半纤维素和木质素以及土壤有机质、全氮、全磷和分形维数为因变量进行多因素方差分析（MANOVA），当因素处理效应达到显著水平时，采用SNK法进行多重比较，揭示各处理间的差异水平。同时还通过单因素方差分析法（One⁃way ANOVO）比较秸秆厌氧发酵前后以及不同因子处理下土壤粒径变化情况，揭示厌氧发酵和各处理因子对土壤质地的作用。

2 结果与分析

2.1 试验因子对秸秆降解的作用

多因子方差分析（MANOVA）结果显示发酵基质配比和温度对秸秆纤维素、半纤维素和木质素含量有极显著的影响（P<0.01）,两个因子的交互作用分析显示对秸秆纤维素和半纤维素有极显著影响（P<0.01），且对秸秆的木质素未达到显著影响（P>0.05）(表2)。

进一步的单因子方差分析显示（图1），发酵基质配比以1∶1较为适宜，该处理水平纤维素和半纤维素的降解率各为55.39%和27.75%，分别比1∶0、1∶3和1∶2处理水平纤维素的降解率高79.58%、20.60%和7.27%，比它们的半纤维素降解率高70.17%、31.37%和11.31%。但木质素的降解率以1∶3配比最高，达到15.34%，比1∶0、1∶1和1∶2处理水平分别高63.69%、6.78%和0.46%。

秸秆纤维素的降解率随着温度的升高而显著增加（P<0.05）（图2）。在40 ℃温度时，纤维素和木质素的降解率各自达到40.02%和14.04%。该处理水平的纤维素降解率分别比10 ℃、20 ℃和30 ℃处理水平高20.39%、12.54%和3.82%，木质素降解率分别比它们高24.79%、9.40%和1.56%。但半纤维素降解率在30 ℃时达到最高，分别比10 ℃、20 ℃和40 ℃高33.80%、18.37%和6.26%。

2.2 试验因子对土壤养分的作用

多因子方差分析显示发酵基质配比和温度对土壤养分有极显著影响（P<0.01）。两因子的交互作用分析显示对土壤有机质有极显著作用（P<0.01），其对土壤养分中全氮、全磷未达到显著影响（P>0.05）（表3）。

利用牛粪和秸秆混合厌氧发酵能显著提高土壤的肥力，与对照相比混合厌氧发酵对土壤有机质、全氮和全磷具有显著影响（P<0.05），见表4。各含量分别比对照高30.53%、43.64%和35.53%。在发酵基质配比中有机质、全氮和全磷含量的增加效果以1∶1处理水平最高，分别比1∶0、1∶2和1∶3处理水平高22.28%、1.04%和9.84%；比它们的全氮含量高36.54、33.65%和11.54%；比它们的全磷含量高25.61%、3.66%和9.76%。

土壤的有机质、全氮、全磷的含量随着温度的升高先增加再降低。在30 ℃时，有机质、全氮、全磷的含量各自达到28.46 g、1.89 g和0.88 g。该处理水平的有机质含量分别比10 ℃、20 ℃和40 ℃处理水平高22.42%、9.10%和5.17%，全氮含量分别比它们高28.57%、22.22%和1.06%，全磷含量分别比它们高30.33%、22.47%和1.12%。

2.3 试验因子对土壤微团聚体的作用

2.3.1 混合厌氧发酵对土壤微团聚体粒径组成的作用

混合厌氧发酵对土壤微团聚体粒径组成有明显影响（图3）。发酵前土壤微团聚体粒径组成以5~10 μm粒径微团聚体含量最高，占28.02%，其次分别为2.5~5、 10~20、 <2.5和>20 μm。发酵后，土壤微团聚体粒径组成以20~50 μm粒径微团聚体含量最高，达30.33%，其他组从高到低依次分别为10~20、 50~100、 >100、 5~10、 2.5~5和<2.5 μm，表明混合厌氧发酵促进了土壤大粒径微团聚体的形成。

2.3.2 试验因子土壤微团聚体分形维数的作用

土壤微团聚体分形维数是反映土壤团粒结构的几何形状参数，表现为黏粒含量越高，质地越细，其分形维数越高，单一粒径的集中程度对分形维数也存在重要影响^[10]。发酵前土壤微团聚体的分形维数（D值）为2.01，厌氧发酵后各处理土壤微团聚体的分形维数（D值）在1.81~1.99范围内变化，显著低于发酵前（P<0.05），见图4。发酵基质配比和温度对土壤微团聚体分形维数的处理效应均达到显著水平（P<0.05）。发酵基质配比处理的土壤微团聚体的分形维数以1∶1处理水平的最低，温度处理则以30 ℃处理水平最低。

3 讨 论

秸秆降解率是评价秸秆降解程度的关键指标，降解率越高，秸秆的降解效果越好^[11]。厌氧发酵中秸秆的降解与秸秆自身生化组成和外部环境密切相关^[12]。杨志谦等^[13]的研究表明，秸秆的C/N对作物秸秆的降解程度有显著影响，C/N值为(25~30)∶1时可满足分解过程中微生物对氮素的需要，因此理论上其降解率可以达到较高水平。混合厌氧发酵体系中秸秆的C/N可以通过发酵原料配比来调控，合适的发酵原料配比对秸秆降解具有显著的促进作用。本实验中发酵基质配比（m_秸秆∶m_牛粪）以1∶1为最适，其纤维素和半纤维素的降解率分别为55.39%和27.75%，总降解率最高。其原因是发酵基质配比1∶1的处理水平其碳氮比为25.04，而1∶0、1∶2和1∶3等其他处理水平的碳氮比分别为49.13、21.29和5.49，相比之下，1∶1的处理水平的比值比较接近于上述理论值，因此其秸秆的降解程度最高。外界环境条件也直接影响秸秆的降解程度，降解温度对秸秆腐解有较大的影响^[14]。其原因是因为厌氧发酵过程中微生物群落的增长、秸秆降解中生物酶的活性都受温度高低的影响。温度对秸秆降解的影响有一个适宜的区间范围，但不同秸秆类型和发酵技术有所差异^[15]。本试验中温度为30~40 ℃时，秸秆纤维素、半纤维素、木质素的降解较为理想。此外，本研究在各试验因素下，秸秆中纤维各组分的降解率排序为纤维素>半纤维素>木质素，这可能与秸秆中不同生化成分降解的难易程度有关。半纤维素、木质素相比纤维素结构复杂，降解难度大^[16]。

随着秸秆降解的进程，秸秆中养分逐渐释放，因此厌氧发酵所产生的代谢产物对土壤的理化性质有较好的改良作用。利用农家肥与秸秆混合发酵的改良作用更大。除了农家肥本身所含养分对土壤肥力有促进作用外，混合发酵过程秸秆降解所产生的养分也有较大的促进作用。但不同农家肥所含养分以及其与秸秆配比量的不同，其对土壤肥力的促进作用也会有较大差异^[17]。李志鹏^[18]研究表明农家肥可增加土壤有机碳含量，在发酵原料配比中牛粪比例的增加，有助于调节合适的碳氮比，促进秸秆的降解，增加土壤肥力。赵秀玲等^[19]研究发现牛粪与苜蓿秸秆配比为1∶1时有机质含量最高，由于微生物增殖需要合适的C/N，过高或者过低都会影响微生物的生长，使有机物降解速率变缓，从而影响土壤肥力。本研究中，牛粪与秸秆配比为1∶1时，其土壤有机质和全磷的含量显著高于其他处理水平。温度由于能够影响秸秆降解中酶的活性与秸秆降解率，因此其对土壤肥力也有影响。本试验中30 ℃的处理下，土壤的有机质、全氮和全磷含量均达到最高。因此，中温30 ℃最有利于提高土壤养分。

农家肥在改良土壤肥力的同时，还可以促进土壤团粒结构形成，改善土壤结构^[20]。土壤团聚体的稳定性对土壤的物理性质以及植物的生长具有极大的影响，而其数量的多少在一定程度上反映土壤供储养分、持水性、透气性等能力的高低^[21]。土壤有机质含量的增加有利于土壤团聚体形成和水稳定性提高^[22]。Puget等^[23]发现大团聚体比小团聚体含有更多的碳、氮、颗粒状有机质和不稳定性有机质，大团聚体的有机碳含量高于小团聚体。而较大的团聚体是通过较小的团聚体聚结而形成的。本研究中混合厌氧发酵后土壤大粒径微团聚体的数量与分布都多于发酵前，表明混合厌氧发酵促进了土壤大粒径微团聚体的形成，改良了土壤结构。分形维数（D）作为分析土壤团粒结构粒径分布的综合指标，常用该指数来反映土壤结构与稳定性的变化趋势^[24]。本研究中混合厌氧发酵后土壤团聚体的分形维数减小，因此混合厌氧发酵有利于土壤水稳定性小团聚体向大团聚体转化。但由于发酵基质配比和温度对秸秆降解与土壤肥力都有显著影响，两个试验因子对土壤结构的改善也有显著影响。试验中分形维数（D）值的最小值分别出现在发酵基质配比（m_秸秆∶m_牛粪）为1∶1，温度为30 ℃的处理水平，表明这个处理组合最有利于改善土壤结构。

4 结 论

①混合厌氧发酵过程中发酵基质配比（m_秸秆∶m_牛粪）对基于GET应用中秸秆纤维各组分的降解有显著影响。其中发酵基质配比1∶1处理水平的纤维素和半纤维素的降解率最高，而木质素在配比为1∶3时，降解率最高；温度为30 ℃最有利于秸秆降解。

②混合厌氧发酵能显著提高土壤的有机质、全氮和全磷的含量。各种配比中有机质、全氮和全磷含量的增加效果以1∶1处理水平为最高；温度处理因数则以30 ℃的土壤各项养分为最高。

③混合厌氧发酵能促进土壤小微团聚体向大微团聚体转化，改良土壤结构。不同试验因子对土壤团聚体分形维数（D）值的处理效应不同，其中发酵基质配比（m_秸秆∶m_牛粪）和温度的处理效应显著。分形维数（D）值最小值分别出现在发酵基质配比为1∶1，温度为30 ℃的处理水平。

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基金资助

湖北省科技创新专项重点项目(2016AHB014)