CN116784043A - 一种促进还田秸秆腐解的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于秸秆腐解及土壤改良技术领域，具体涉及一种促进还田秸秆腐解的方法。本发明通过向稻田中施用固氮蓝藻人工培育形成固氮周从生物群落，利用周从生物进行生物固氮增加土壤氮素，减少氮肥施用量；同时，周丛生物还可以通过分泌胞外酶等活性物质提高土壤中腐解菌活性，加快秸秆源碳向土壤微生物源碳的转化，调节土壤碳氮平衡，减少对作物的不利影响；另一方面可以减少温室气体排放，实现土壤有机质的快速累积及土壤肥力提升。
Description
技术领域
本发明属于秸秆腐解及土壤改良技术领域，具体涉及一种促进还田秸秆腐解的方法。
背景技术
秸秆还田是把秸秆直接或堆积腐熟后施入土壤中的一种方法，是土壤肥力培育及耕地质量提升的重要措施之一。秸秆还田方式包括直接还田、腐熟还田、过腹还田等，其中直接还田是一种最为轻简化的还田方式，其操作简便、人工投入少、成本低，但是存在腐解周期长、秸秆腐解过程中与作物争氮、土壤有机质增加缓慢等问题，秸秆还田培肥的潜力难以发挥并产生温室气体排放等问题。
现有的加快秸秆还田腐解的技术措施包括：增施氮肥调节土壤碳氮平衡、减少秸秆腐解中氮素消耗对作物的影响，但是易增加氨挥发、反硝化等氮素损失，对生态环境存在不利影响且增加成本；添加腐解菌剂，但是腐解菌活性受土壤温湿度、pH值、养分含量等影响，腐解微生物菌株的繁殖活力、发酵能力及酶活会被抑制，影响腐解效率；将绿肥与秸秆共同还田，可减少氮肥施用量，但是在稻麦轮作区种植绿肥将导致无法种植冬小麦，粮食总产量大幅减少；同时，秸秆自身碳氮比过高，秸秆还田带入过多的碳导致土壤碳氮失衡；再者，秸秆还田后引起土壤微生物大量繁殖，微生物生长代谢消耗氮，进一步加剧碳氮失衡。可见，现有的加快秸秆还田腐解的技术措施仍然存在碳氮失衡且土壤肥力无法提升的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种促进还田秸秆腐解的方法，所述方法可以促进秸秆腐解，调节碳氮平衡，提高土壤肥力。
本发明提供了一种促进还田秸秆腐解的方法，包括如下步骤：
在秸秆还田的田地中种植水稻，并保持所述田地的田面水深在2～3cm；
于水稻秧苗返青期，首次向所述田地中施用固氮蓝藻；所述固氮蓝藻的施用量不少于(1.5～2)×1011个细胞/ha；
首次施用固氮蓝藻20～25d后再次补充施用固氮蓝藻，补充施用量为(1～3)×1010个细胞/ha。
优选的，所述固氮蓝藻以固氮蓝藻悬浮液的形式施用；所述固氮蓝藻悬浮液以蓝藻培养液为溶剂，包括如下组分：有效藻细胞浓度不低于1×106个/mL的固氮蓝藻、1.0～2.0g/L的NaCl、0.05～0.1g/L的MgCl2和1.5～2.5g/L的均质剂。
优选的，所述固氮蓝藻包括念珠藻和鱼腥藻，所述念珠藻和鱼腥藻的细胞数量比为(10～15)：(5～10)。
优选的，所述均质剂包括琼脂粉、右旋糖苷和海藻酸钠，所述琼脂粉、右旋糖苷和海藻酸钠的质量比为(10～15)：(4～6)：(1～1.5)。
优选的，所述秸秆包括小麦秸秆和/或水稻秸秆。
优选的，种植水稻前还包括：在秸秆还田后依次施用基肥、旋耕和灌水。
优选的，所述旋耕的深度为8～15cm；所述灌水后，以达水深在2～3cm为准，时间为2～4天。
优选的，所述施用基肥包括施用氮肥和磷肥，所述氮肥和磷肥的施用量按照水稻种植地基肥施用标准施用。
优选的，所述固氮蓝藻悬浮液的制备方法包括：将培养至对数生长期的固氮蓝藻离心，得到固氮蓝藻藻泥；
将所述固氮蓝藻藻泥、蓝藻培养液、均质剂、NaCl和MgCl2混合，得到所述固氮蓝藻悬浮液。
优选的，所述蓝藻培养液包括WC培养基。
有益效果：
本发明提供了一种促进还田秸秆腐解的方法，包括如下步骤：在秸秆还田的田地中种植水稻，并保持所述田地的田面水深在2～3cm；于水稻秧苗返青期，向稻田中施用固氮蓝藻；所述固氮蓝藻的施用量不少于(1.5～2)×1011个细胞/ha。本发明通过向稻田中施用固氮蓝藻人工培育形成固氮周从生物群落，利用周从生物进行生物固氮增加土壤氮素，减少氮肥施用量；同时，周丛生物还可以通过分泌胞外酶等活性物质提高土壤中腐解菌活性，加快秸秆源碳向土壤微生物源碳的转化，调节土壤碳氮平衡，减少对作物的不利影响；另一方面可以减少温室气体排放，实现土壤有机质的快速累积及土壤肥力提升。
具体实施方式
本发明提供了一种促进还田秸秆腐解的方法，包括如下步骤：
在秸秆还田的田地中种植水稻，并保持所述田地的田面水深在2～3cm；
于水稻秧苗返青期，向稻田中施用固氮蓝藻；所述固氮蓝藻的施用量不少于(1.5～2)×1011个细胞/ha；
首次施用固氮蓝藻20～25d后再次补充施用固氮蓝藻，补充施用量为(1～3)×1010个细胞/ha。
本发明优选选取稻麦轮作或双季稻种植区，且在稻麦轮作种植区的小麦收获时或双季稻种植区的水稻收获时对小麦秸秆或水稻秸秆进行还田。在本发明中，进行所述还田时，优选将秸秆粉碎至3～5cm。
所述还田后，本发明优选在秸秆还田的田地上施用基肥，所述基肥优选包括氮肥和磷肥，所述基肥的施用量优选按照水稻种植地基肥施用标准施用。
所述施用基肥后，本发明优选对施用基肥的田地进行旋耕和灌水。本发明所述旋耕的深度优选为8～15cm，更优选为10cm。本发明所述灌水后的田面深度优选为2～3cm，更优选为2cm；所述灌水的时间优选为2～4天，更优选为3天。
所述灌水后，本发明优选在所述灌水的田地中移栽水稻秧苗，并保持田面水深为2～3cm。
待所述水稻秧苗返青后，本发明向稻田中施用固氮蓝藻；所述固氮蓝藻的施用量不少于(1.5～2)×1011个细胞/ha，优选为(1.8～2)×1011个细胞/ha。本发明在水稻秧苗返青期的秧苗较小，周从生物能够获得充足的光照，生长速度快，避免秧苗过大遮挡光照，不利于周从生物生长；另外，此时期也是秸秆快速腐解阶段，蓝藻固氮能补充氮素。
本发明所述固氮蓝藻优选以固氮蓝藻悬浮液的形式施用；所述固氮蓝藻悬浮液以蓝藻培养液为溶剂，包括如下组分：有效藻细胞浓度不低于1×106个/mL的固氮蓝藻、1.0～2.0g/L的NaCl、0.05～0.1g/L的MgCl2和1.5～2.5g/L的均质剂。
本发明所述固氮蓝藻优选包括念珠藻和鱼腥藻，所述念珠藻和鱼腥藻的细胞数量比优选为(10～15)：(5～10)，更优选为15：10。本发明所述蓝藻培养液优选为WC培养基。本发明所述NaCl的浓度优选为2.0g/L；MgCl2的浓度优选为0.1g/L；所述均质剂的浓度优选为2g/L。本发明所述均质剂优选包括琼脂粉、右旋糖苷和海藻酸钠，所述琼脂粉、右旋糖苷和海藻酸钠的质量比优选为(10～15)：(4～6)：(1～1.5)，更优选为12：5：1。本发明所述均质剂可以使所述固氮蓝藻悬浮液保存过程中固氮蓝藻的细胞在保存过程中保持均一的状态。以所述固氮蓝藻悬浮液计，本发明所述固氮蓝藻悬浮液的施用量优选为150～200L/ha，更优选为180～200L/ha。
本发明所述固氮蓝藻悬浮液的制备方法优选包括如下步骤：将培养至对数生长期的固氮蓝藻离心，得到固氮蓝藻藻泥；
将所述固氮蓝藻藻泥、蓝藻培养液、均质剂、NaCl和MgCl2混合，得到所述固氮蓝藻悬浮液。
本发明优选分别对念珠藻和鱼腥藻进行扩大培养至对数生长期，分别得到念珠藻培养液和鱼腥藻培养液。本发明所述念珠藻和鱼腥藻的扩大培养的培养基分别优选为WC培养基；温度分别优选为23～25℃，更分别优选为25℃和25℃；光周期分别优选为12L：12D，光照强度优选为2000～3000lux，更优选为2500lux。
得到所述念珠藻培养液和鱼腥藻培养液后，本发明优选分别对所述念珠藻培养液和鱼腥藻培养液进行离心，分别得到念珠藻藻泥和鱼腥藻藻泥。本发明对所述离心的条件没有特殊限定，采用本领域中常规离心条件即可。
得到所述念珠藻藻泥和鱼腥藻藻泥后，本发明优选将所述念珠藻藻泥、鱼腥藻藻泥、蓝藻培养液、均质剂、NaCl和MgCl2混合，调节pH值，得到所述固氮蓝藻悬浮液。本发明优选采用1:1盐酸调节所述pH值，所述pH值优选为4.5～5.5，更优选为4。
首次施用固氮蓝藻20～25d后，本发明再次补充施用固氮蓝藻，补充施用量为(1～3)×1010个细胞/ha，即以所述固氮蓝藻悬浮液进行施用，所述施用量优选为(10～30)L/ha。
本发明通过向稻田中施用固氮蓝藻人工培育形成固氮周从生物群落，利用周从生物进行生物固氮增加土壤氮素，减少氮肥施用量；同时，周丛生物还可以通过分泌胞外酶等活性物质提高土壤中腐解菌活性，加快秸秆源碳向土壤微生物源碳的转化，调节土壤碳氮平衡，减少对作物的不利影响；另一方面可以减少温室气体排放，实现土壤有机质的快速累积及土壤肥力提升，提高水稻产量。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
如无特殊说明，本发明实施例中使用的材料和试剂均为通过本领域常规市售渠道获得；在水稻生长期间，灌排时间及频率按水稻生长需求进行。
实施例1
一种促进还田秸秆腐解的方法，步骤如下：
实验在江苏省句容市的稻田内开展
(1)选取稻麦轮作区并划分为6个5m×5m的实验小区，待小麦收获后将秸秆粉碎至3～5cm，同时设置埋袋实验，埋袋试验具体为：把一定质量的秸秆装在尼龙袋中，袋子长度大约为10cm，全部埋在0～15cm表层土壤中，每个小区设置6个重复，在第30、60天各取出3个，洗净、烘干、称重，计算秸秆的腐解速率。
(2)秸秆还田后施用基肥，氮磷肥施用量参考该地区稻季常规用量，即氮肥150kgN/ha，磷肥60kg P/ha。利用旋耕机对水稻种植区域进行旋耕，旋耕深度为10cm，然后灌水，保持水深为3cm。
(3)灌水3天后往水稻种植区域移栽水稻秧苗，并保持田面水深为2cm。
(4)待水稻秧苗返青后，向田面水中均匀喷洒由念珠藻及鱼腥藻组成的固氮蓝藻悬浮液，其中念珠藻与鱼腥藻的细胞数量比为10:5，固氮蓝藻悬浮液喷洒量为200L/ha。在水稻生长期间，灌排时间及频率按水稻生长需求进行，具体为在水稻分蘖期末进行排水、晒田，3-7天后灌水，到灌浆结束时排水。
其中，固氮蓝藻悬浮液的制备步骤为：将念珠藻藻株和鱼腥藻藻株(念珠藻藻株和鱼腥藻藻株购买于中国科学院淡水藻种库)分别在WC培养基，23～25℃，12小时光照(光照强度为2500lux)，12小时黑暗培养至对数期，获得念珠藻培养液和鱼腥藻培养液；将念珠藻培养液和鱼腥藻培养液离心，取沉淀，分别得到念珠藻藻泥和鱼腥藻藻泥；将念珠藻藻泥和鱼腥藻藻泥与WC培养基混合，得到悬浮液，在悬浮液中加入均质剂(琼脂粉、右旋糖苷和海藻酸钠质量比为12:5:1)及NaCl、MgCl2并采用1:1盐酸调节悬浮液pH为4，得到固氮蓝藻悬浮液，其中念珠藻和鱼腥藻的有效藻细胞数为1.2×106个/mL，均质剂的浓度为2g/L，NaCl的浓度为2.0g/L，MgCl2的浓度为0.1g/L。
(5)喷洒固氮蓝藻悬浮液20天后补充施用固氮蓝藻悬浮液，施用量为10L/ha。
(6)首次添加固氮蓝藻悬浮液后第30、60天采集表层0-20cm土样及尼龙袋中秸秆，测定秸秆腐解率、土壤总有机碳含量，同时测定稻田中周丛生物群落组成，其中土壤总有机碳等土壤性质参考《土壤农业化学分析方法》测定；秸秆腐解率通过称量秸秆腐解前后重量变化测定；周丛生物群落组成通过扩增子测序确定。水稻收获后(添加固氮蓝藻悬浮液后第120天)测定各实验小区的水稻产量。
对比例1
按照实施例1的方法在同一种植区进行试验，以在水稻幼苗期，增施氮肥10kg/ha但未喷洒固氮蓝藻悬浮液作为对比例1，其余与实施例相同。
表1实施例1和对比例1中周丛生物加快秸秆腐解试验结果
备注：表1中对比-1、对比-2和对比-3分别表示对比例1中的三个实验小区，表示三个生物学重复，实施-1、实施-2和实施-3分别表示实施例1中的三个实验小区，表示三个生物学重复，评价技术效果时均取三个生物学重复的平均值。
由表1可知，对稻田周丛生物及秸秆腐解率、土壤总有机碳含量等的测定结果显示，喷洒固氮蓝藻悬浮液30天后实施例1中周丛生物中蓝藻相对丰度达34.7％，远高于对比例1的22.7％。
至首次喷洒60天时因烤田、水稻生长等原因周丛生物消亡，但其对秸秆腐解及土壤有机碳的影响持续存在，如水稻生长季秸秆腐解率达到76.3％，远远高于对比例1的61.3％；表层土壤总有机碳含量为18.6g/kg，显著高于对比例1的17.1g/kg。
实施例1中水稻平均产量达到9105kg/ha，高于对比例1的8952kg/ha的平均产量。
实施例2
一种促进还田秸秆腐解的方法，步骤如下：
实验在广西壮族自治区扶绥县的稻田内开展
(1)选取双季稻区并划分为6个5m×5m的实验小区，待早稻收获后将水稻秸秆粉碎至3～5cm，同时设置埋袋实验，埋袋试验具体为：把一定质量的秸秆装在尼龙袋中，袋子长度大约为10cm，全部埋在0～15cm表层土壤中，每个实验小区设置6个重复，在第30、60天各取出3个。
(2)秸秆还田后施用基肥，氮磷肥施用量参考该地区晚稻常规化肥用量，即氮肥190kg N/ha，磷肥65kg P/ha。利用旋耕机对水稻种植区域进行旋耕，旋耕深度为10cm，然后灌水，保持水深为3cm。
(3)灌水3天后往水稻种植区域移栽水稻秧苗，并保持田面水深为2cm。
(4)待水稻秧苗返青后，向田面水中均匀喷洒由念珠藻及鱼腥藻组成的活性固氮蓝藻液，其中念珠藻与鱼腥藻的数量比为15：5，活性藻液喷洒量180kg/ha。在水稻生长期间，灌排时间及频率按水稻生长需求进行，具体为在水稻分蘖期末进行排水、晒田，3～7天后灌水，到灌浆结束时排水。
其中，固氮蓝藻悬浮液的制备步骤为：将念珠藻藻株和鱼腥藻藻株(念珠藻藻株和鱼腥藻藻株购买于中国科学院淡水藻种库)分别在WC培养基，23～25℃，12小时光照(光照强度为2500lux)，12小时黑暗培养至对数期，获得念珠藻培养液和鱼腥藻培养液；将念珠藻培养液和鱼腥藻培养液离心，取沉淀，分别得到念珠藻藻泥和鱼腥藻藻泥；将念珠藻藻泥和鱼腥藻藻泥与WC培养基混合，得到悬浮液，在悬浮液中加入均质剂(琼脂粉、右旋糖苷和海藻酸钠质量比为12:5:1)及NaCl、MgCl2并采用1:1盐酸调节悬浮液pH为4，得到固氮蓝藻悬浮液，其中念珠藻和鱼腥藻的有效藻细胞数为1.3×106个/mL，均质剂的浓度为2g/L，NaCl的浓度为2.0g/L，MgCl2的浓度为0.1g/L。
(5)喷洒固氮蓝藻悬浮液25天后再次补充添加活性蓝藻藻液，添加量为20L/ha。
(6)首次添加活性蓝藻液后第30、60天采集表层0-20cm土样及尼龙袋中秸秆，以尼龙袋中秸秆测定秸秆腐解率，以土壤测定土壤总有机碳含量，同时测定稻田中周丛生物群落组成，测定方法同实施例1。水稻收获后测定各实验小区的水稻产量。
对比例2
按照实施例2的方法在同一种植区进行试验，以在水稻幼苗期增施氮肥10kg/ha但未喷洒固氮蓝藻悬浮液作为对比例2，其余与实施例相同。
表2实施例2和对比例2中周丛生物加快秸秆腐解试验结果
备注：表2中对比-1、对比-2和对比-3分别表示对比例2中的三个实验小区，表示三个生物学重复，实施-1、实施-2和实施-3分别表示实施例2中的三个实验小区，表示三个生物学重复，评价技术效果时均取三个生物学重复的平均值。
由表2可知，对稻田周丛生物及秸秆腐解率、土壤总有机碳含量等的测定结果显示，喷洒活性藻液30天后实施例2中周丛生物中蓝藻相对丰度达36.3％，远高于对比例2的21.7％。
至喷洒60天时因烤田、水稻生长等原因周丛生物消亡，但其对秸秆腐解及土壤有机碳的影响持续存在，如水稻生长季秸秆腐解率达到74.7％，远远高于对比例2的55.9％；表层土壤总有机碳含量为24.9g/kg，明显高于对比例2的23.9g/kg。
实施例2中水稻平均产量达8957kg/ha，高于对比例1的8779kg/ha的平均产量。
由以上实施例可以得出：本发明提供的方法可以有效促进秸秆腐解，调节碳氮平衡，提高土壤肥力和水稻产量。
尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。
Claims (10)
1.一种促进还田秸秆腐解的方法，其特征在于，包括如下步骤：
在秸秆还田的田地中种植水稻，保持所述田地的田面水深在2～3cm；
于水稻秧苗返青期，首次向所述田地中施用固氮蓝藻；所述固氮蓝藻的施用量不少于(1.5～2)×1011个细胞/ha；
首次施用固氮蓝藻20～25d后再次补充施用固氮蓝藻，补充施用量为(1～3)×1010个细胞/ha。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固氮蓝藻以固氮蓝藻悬浮液的形式施用；所述固氮蓝藻悬浮液以蓝藻培养液为溶剂，包括如下组分：有效藻细胞浓度不低于1×106个/mL的固氮蓝藻、1.0～2.0g/L的NaCl、0.05～0.1g/L的MgCl2和1.5～2.5g/L的均质剂。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述固氮蓝藻包括念珠藻和鱼腥藻，所述念珠藻和鱼腥藻的细胞数量比为(10～15)：(5～10)。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述均质剂包括琼脂粉、右旋糖苷和海藻酸钠，所述琼脂粉、右旋糖苷和海藻酸钠的质量比为(10～15)：(4～6)：(1～1.5)。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述秸秆包括小麦秸秆和/或水稻秸秆。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，种植水稻前还包括：在秸秆还田后依次施用基肥、旋耕和灌水。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述旋耕的深度为8～15cm；所述灌水以达水深2～3cm为准，时间为2～4天。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述施用基肥包括施用氮肥和磷肥，所述氮肥和磷肥的施用量按照水稻种植地基肥施用标准施用。
9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述固氮蓝藻悬浮液的制备方法包括：将培养至对数生长期的固氮蓝藻离心，得到固氮蓝藻藻泥；
将所述固氮蓝藻藻泥、蓝藻培养液、均质剂、NaCl和MgCl2混合，得到所述固氮蓝藻悬浮液。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述蓝藻培养液包括WC培养基。
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