利用响应曲面法优化秸秆腐熟剂的腐解条件
苏瑶1, 贾生强1,2, 何振超1, 杨艳华1,2, 喻曼1, 陈喜靖1, 沈阿林1,*
1.浙江省农业科学院 环境资源与土壤肥料研究所,浙江 杭州 310021
2.浙江农林大学 环境与资源学院,浙江 杭州311300
*通信作者,沈阿林,E-mail: shenalin_123@126.com

作者简介:苏瑶(1989—),女,四川成都人,博士,助理研究员,主要研究方向为秸秆还田的产地环境效应。E-mail: stellasu@sina.com

摘要

以水稻秸秆为代表,研究了4种腐熟剂对秸秆腐解性能的影响。基于施用腐熟剂后的秸秆腐解率和碳氮比,选择其中1种腐解性能较好的腐熟剂,采用Box-Behnken设计对其秸秆腐解条件进行优化,主要考查腐熟剂用量、温度、含水量和外加氮源(浓缩沼液)量等4个因素。结果表明,腐解温度、含水量和腐熟剂用量对腐解率的影响达到极显著水平( P<0.01),最佳腐解条件是温度29.6 ℃,含水量90%,腐熟剂和浓缩沼液氮添加量分别为秸秆质量的2.0%和0.17%。数学模型分析预测得知,在该条件下腐熟剂添加后25 d水稻秸秆腐解率可达63.25%,与验证试验结果基本相符。

关键词: 水稻秸秆; 腐熟剂; Box-Behnken设计
中图分类号:S142 文献标志码:A 文章编号:1004-1524(2019)05-0798-08
Optimization of straw decomposition with inoculants by using response surface method
SU Yao1, JIA Shengqiang1,2, HE Zhenchao1, YANG Yanhua1,2, YU Man1, CHEN Xijing1, SHEN Alin1,*
1. Institute of Environment, Resource, Soil and Fertilizer, Zhejiang Academy of Agricultural Sciences, Hangzhou 310021, China
2. College of Environment and Resources, Zhejiang A&F University, Hangzhou 311300, China;
Abstract

The rice straw was selected as typical straw to illustrate the influence of 4 straw-decomposing inoculants on the decomposition of straws. Based on the decomposition rate and ratio of carbon to nitrogen of rice straw, one inoculant with better straw decomposing capacity was selected for optimization of straw decomposing conditions by Box-Behnken design. The result demonstrated that among the four factors, namely, straw-decomposing inoculant content, temperature, water content and extra-nitrogen (biogas slurry) content, the effect of temperature, water content and straw-decomposing inoculant content on decomposition rate reached the significant level of P<0.01. The predicted optimum conditions for straw decomposing were temperature of 29.6 ℃, water contents of 90%, straw-decomposing inoculant content of 2.0% of the straw weight, and extra-nitrogen content of 0.17% of straw weight. According to the mathematical model, the maximum decomposition rate on 25th day was 63.25%, and it was consistent with the decomposition rate revealed by verification experiment under the above conditions.

Keyword: rice straw; straw-decomposing inoculants; Box-Behnken design

稻-麦轮作是我国长江中下游地区主要的农业耕作方式, 随着水稻产量的不断提升, 水稻秸秆量也逐年增加。据报道, 2016年我国长江中下游地区的水稻秸秆量约9 285万t[1]。水稻秸秆直接还田可有效提升土壤养分, 是目前秸秆资源化利用的主要手段。然而, 在实际生产中秸秆直接还田仍存在一系列问题[2, 3]:在稻-麦轮作区域, 由于茬口紧, 大量水稻秸秆无法及时腐解, 造成下茬小麦播种质量差, 严重影响小麦的出苗和植根[4, 5]; 此外, 大量秸秆还田为病原菌的休眠和繁殖创造了适宜的环境条件, 使田间土壤病原菌数量不断累积, 导致小麦病害加剧, 造成减产[6]

近年来, 国内外学者一直致力于研发加速秸秆腐解的产品和技术。大量研究结果表明, 秸秆腐熟剂的添加可有效增加土壤微生物量[7], 促进秸秆较快腐解[8], 但田间使用效果不稳定[9]。一方面, 由于腐熟剂多为微生物菌剂, 在秸秆腐解过程中会受周围环境因素, 包括温度、含水量、腐熟剂用量、碳氮比(C/N)等的影响[10, 11]; 另一方面, 当前秸秆腐熟剂品种多, 针对不同区域及秸秆类型, 其腐解效果存在较大差异[12, 13, 14]。目前, 关于水稻秸秆高效腐熟剂筛选及其最佳腐解条件的研究已有一些报道[7], 但这些研究主要通过传统的单因素试验来确定最佳条件, 不能很好地反映影响因子之间的相互作用对腐解效果的影响, 结果可靠性较低。响应曲面法(response surface method, RSM)作为优化随机过程的有效统计学试验方法, 已成熟应用于诸多复杂的反应系统和工艺条件优化, 但在腐熟剂的秸秆腐解条件优化方面应用较少。此外, 过去有关秸秆腐熟剂的应用研究中, 多以添加尿素作为调节C/N的主要方法[15]。实际上, 相对于尿素而言, 浓缩沼液中不仅含有氮、磷、钾等营养元素, 还含有钙、镁、铁、锌等微量营养元素, 以及丰富的氨基酸、生长素、维生素、植物激素等生物活性物质[16, 17, 18], 可以缩短腐熟剂中微生物的适应期, 提高其代谢活性, 进而更有效地促进秸秆的腐解[19, 20, 21]。然而, 目前有关浓缩沼液对秸秆腐熟剂作用效果的影响及其最佳使用量等的研究还相对较少。鉴于此, 本研究以水稻秸秆为研究对象, 对目前市场上的4种秸秆腐熟剂进行筛选, 选择腐解效果较好的腐熟剂, 进一步探究其在不同温度、含水量, 以及不同腐熟剂和浓缩沼液添加量条件下对秸秆腐解的影响, 并通过RSM分析、预测腐熟剂的最佳腐解条件, 以期为水稻秸秆还田的快速腐解提供数据支撑。

1 材料与方法
1.1 试验材料

试验用秸秆取自浙江省桐庐县某稻田, 采用抽选的方法从一片稻田中抽取适量水稻作为研究对象, 其总碳、氮含量分别为392、5.08 mg· g-1, 碳氮比(C/N)为77.2。待秸秆自然风干后, 剪成2~4 cm小段。

供试腐熟剂包括粗纤维降解菌剂(广州市微元生物科技有限公司, 标记为A)、有机物料腐熟菌剂150(江苏绿科生物技术有限公司, 标记为B)、有机物料腐熟剂(上海绿乐生物科技有限公司, 标记为C)、发酵剂(河南省沃宝生物科技有限公司, 标记为D)。

试验用浓缩沼液系取自浙江某养猪场膜浓缩处理后的浓缩液, 其主要理化性状如下:pH值8.25, 电导率10.52 mS· cm-1, 总氮含量4.26 mg· mL-1, 总磷含量0.16 mg· mL-1, 氨氮含量1.53 mg· mL-1, 化学需氧量(COD)5.25 g· mL-1

1.2 水稻秸秆高效腐熟剂筛选

在已灭菌的250 mL锥形瓶中加入秸秆5.000 0 g, 然后分别加入0.05 g供试的4种腐熟剂[以不加腐熟剂的作为对照(CK)]、1.5 mL沼液, 加入无菌水调节含水率至65%, 用封口膜封口, 置于30 ℃恒温培养箱中避光培养一段时间(共25 d)。腐解过程中, 每隔1 d通过计算质量差补充水分, 保持含水量。每隔5 d取样1次, 计算分析秸秆腐解率和碳氮比, 不同处理每个时间点均设置5个重复。

1.3 高效秸秆腐熟剂腐解条件优化

对1.2节得到的腐解效果相对较好的腐熟剂的腐解条件进行优化, 以温度、含水量、腐熟剂添加量、浓缩沼液添加量为试验因子, 各因子设置3个水平, 采用Design-expert 8.0.6软件中的Box-Behnken方法进行处理设计(表1)。各处理均设置5个重复。试验体系与1.2节相似, 在已灭菌的250 mL锥形瓶中加入秸秆5.000 0 g, 然后按照处理设计加入相应量的腐熟剂和沼液, 加入无菌水调节含水率, 封口膜封口, 置于相应温度的恒温培养箱中避光培养。腐解过程中每隔1 d通过计算质量差补充水分, 保持试验设置的含水量。腐解25 d后, 取出样品测定秸秆腐解率。

表1 Box-Behnken设计的不同试验处理及其响应值 Table 1 Treatment designed by Box-Behnken design and its respective value
1.4 秸秆腐解率及碳氮比测定

秸秆腐解率采用失重法测定, 秸秆全碳含量采用重铬酸钾外加热法测定, 总氮含量采用混合催化剂法测定。

1.5 数据统计分析

研究数据采用Microsoft Excel 2007进行整理, 采用SPSS 20.0软件对不同腐熟剂的腐解率及C/N结果分别进行单因素方差分析, 对有显著差异的处理采用最小显著差异法(LSD)进行多重比较。

2 结果与分析
2.1 不同腐熟剂对水稻秸秆腐解的影响

在温度为30 ℃、含水量为65%、秸秆腐熟剂用量为0.05 g、浓缩沼液用量为1.5 mL的条件下, 不同腐熟剂对秸秆样品腐解的影响如图1所示。结果显示, 秸秆在腐解第5天时, 腐解率快速增加至24.8%~34.2%, C/N快速下降。随着时间推移, 腐解速率逐渐变慢。这主要是因为秸秆中大量易分解的有机物, 包括淀粉、蔗糖、低聚糖、果糖和氨基酸等, 在前期被微生物快速矿化分解[22, 23]; 而秸秆中的慢分解碳组分, 如半纤维素、纤维素、木质素和多酚类等, 虽然也能够被微生物代谢利用, 但在较短的时间内无法实现矿化[24]。相较于不添加腐熟剂的处理, 4种腐熟剂的添加均大幅提高了秸秆的腐解率。腐解至25 d, 添加腐熟剂的各处理组对秸秆的腐解率均极显著(P< 0.01)高于CK, 分别高出14.44、11.67、11.33、10.86个百分点, 表明试验选用的腐熟剂均能有效提高水稻秸秆的腐解率。

图1 不同腐熟剂对水稻秸秆腐解的影响Fig.1 Effects of different straw-decomposing inoculants on decomposition of rice straw

对比不同腐熟剂对秸秆的腐解效果, 结果显示, 秸秆腐解至第5天时, 腐熟剂A~D对秸秆的腐解率依次为33.1%、26.6%、31.8%和34.2%, 其中, 腐熟剂A、C和D处理组的腐解率显著(P< 0.05)高于腐熟剂B, 表明腐熟剂A、C、D相对于腐熟剂B而言, 能在添加后快速实现水稻秸秆的腐解。腐解至25 d时, 4种腐熟剂添加后的水稻秸秆腐解率之间无显著差异, 但添加腐熟剂A处理的水稻秸秆C/N显著(P< 0.05)低于其他3个腐熟剂处理, 表明腐熟剂A的添加更有利于水稻秸秆后期的腐熟。因此, 综合考虑选择腐熟剂A用于后续秸秆腐解条件的优化分析。

2.2 响应曲面分析

选择秸秆腐解的温度、含水量、浓缩沼液添加量、腐熟剂添加量4个因子, 采用Box-Behnken进行处理设计, 得到各处理的秸秆腐解率为13.62%~54.55%(表1)。通过多项式回归分析, 对试验数据进行回归拟合, 建立秸秆腐解的模型方程如下:

R=-56.276 83+3.675 37A+1.140 33B+6.298 67C-66.583 33D+0.008 03AB-0.062AC+9.76AD+0.043 067BC+2.166BD+14.433 33CD-0.088 460A2-0.008 295 6B2-2.388 22C2-2 032.9D2, (1)

式(1)中:R为秸秆腐解率(%), A为温度(℃), B为含水量(%), C为浓缩沼液添加量(mL), D为腐熟剂添加量(g)。

对模型方程进行方差分析, P< 0.01, 表明本试验所选用的模型与实测值间能较好吻合(表2)。模型方程失拟项对应的F值为0.9, P值大于0.05, 说明所得的模型方程对试验数据的拟合度较好, 可用此模型来分析和解释本试验中所选影响因子对秸秆腐解率的影响。模型方程的决定系数(R2)值为0.935, 说明有93.5%的秸秆腐解率变异分布在所研究的4个因子中, 总变异中仅有6.5%不能由模型来解释; 相关系数r为0.967, 表明实测值与预测值之间的相关性较高, 误差较小。

表2 回归模型的方差分析 Table 2 ANOVA analysis of regression model

模型的极显著项(P< 0.01)有温度、含水量和腐熟剂添加量的线性项和平方项, 以及浓缩沼液添加量的平方项; 方程中的不显著项(P> 0.05)有浓缩沼液添加量的线性项, 以及除温度与腐熟剂添加量的交叉项以外的所有两因子交叉项。回归方程中具有多个显著性平方项, 说明响应值与4个因素之间具有明显的非线性关系。

对式(1)进行分析可知, 当温度、含水量分别为29.6 ℃和90%, 腐熟剂和浓缩沼液添加量分别为0.10 g和2.05 mL时, 25 d时秸秆的腐解率达到最大值, 约为63.25%。

以数学模型为基础, 通过Design-expert 8.0.6软件绘制秸秆腐解率与各因素的响应曲面(图2)。秸秆腐解率随温度、腐熟剂添加量和含水量的增加而增加。但当浓缩沼液添加量增加时, 秸秆腐解率随温度的增加先增加后降低, 原因可能是较高的温度容易引起浓缩沼液中氨氮的挥发, 造成氮素损失, 进而不能保障微生物在秸秆碳组分分解过程中对氮的需求。随着腐熟剂和浓缩沼液添加量的增加, 秸秆腐解率亦呈现先缓慢增加后降低的变化规律。这可能是由于浓缩沼液自身含有一定量的有机质[25], 当秸秆中的易分解碳组分被微生物利用后, 浓缩沼液中的有机质亦可为这类微生物提供碳源, 促进其生长代谢[26], 但却对腐熟剂中具有分解纤维素、半纤维素、木质素等秸秆有机碳组分的微生物的生长代谢产生了负面影响, 进而降低了秸秆最后的腐解率。

图2 两因素交互作用下秸秆腐解率的响应曲面分析Fig.2 Response surface plots showing effects of pairwise interaction of factors on decomposition rate of rice straws

2.3 模型验证与预测

使用Design-expert 8.0.6软件的优化功能得到腐熟剂A的秸秆腐解最佳条件:温度29.6 ℃, 含水量90%, 腐熟剂添加量0.10 g(相对秸秆质量的比例为2.0%), 浓缩沼液添加量2.05 mL(浓缩沼液氮添加量相对秸秆质量的比例为0.17%), 预测此条件下水稻秸秆25 d时的最大腐解率为63.25%。为了验证模型方程的有效性, 在优化条件下进行秸秆腐解验证试验, 结果如图3所示。秸秆腐解率随时间的延长而升高, 25 d时秸秆腐解率达62.87%, 与预测值较为接近, 表明试验结果与模型预测较为吻合。陈帅等[11]采用单因素试验研究结果显示, 水稻秸秆腐解的适宜条件为温度30 ℃、含水量80%、尿素用量和腐熟剂添加量分别为秸秆质量的1.0%和1.0%, 在该条件下, 25 d时的秸秆腐解率最高可达40.73%, 低于本研究所得最佳条件下的秸秆腐解率。这可能是由于相较于尿素, 浓缩沼液中丰富的养分、氨基酸、腐殖酸等生物活性物质能更有效地促进和保障腐熟剂中功能微生物的生长和代谢, 进而提高秸秆的腐解率。由此可见, 利用浓缩沼液作为秸秆腐解的外源氮, 有助于加速还田秸秆的腐解。

图3 水稻秸秆腐熟率随腐解时间的变化Fig.3 Dynamics of rice straw decomposition rate

相较于外源氮的选择, 在实际的田间应用中, 温度条件较难控制。假设其他因素均在秸秆腐解的最佳条件, 模拟不同温度下添加腐熟剂后25 d水稻秸秆的腐解率(图4), 结果显示:当气温在3 ℃以下时, 水稻秸秆25 d后腐解率基本为0; 温度高于3 ℃, 随温度增加, 秸秆腐解率快速上升; 当环境温度超过29.6 ℃后, 秸秆腐解率随温度上升逐渐降低。该结果对于实际秸秆还田具有一定的指导意义。以浙江稻-麦种植区域为例, 由于不同水稻品种的熟期差异及雨天的影响, 水稻收获时间有较大的跨度, 从10月上旬到12月初不等[27], 这将直接影响水稻秸秆在田间的腐解程度, 进而影响下茬作物小麦的播种与生长。以嘉兴为例, 气相资料显示, 2017年10— 12月的平均气温分别为14、9、2 ℃, 根据模型预测结果, 在最佳腐熟剂、浓缩沼液添加量及含水量条件下, 水稻秸秆还田25 d后的腐解率分别为41.6%、25.5%和0。可见, 若将水稻收获期提前至10月, 则还田的水稻秸秆可在25 d内实现大部分腐解, 有效减少对麦播及小麦生长的不利影响。因此, 在推进该区域的水稻秸秆还田时, 除了进一步开发适宜低温条件的秸秆高效腐熟剂外, 还可结合水稻种植品种的调整, 为秸秆腐熟提供较佳的环境条件, 进而保障秸秆的有效腐解。

图4 水稻秸秆腐熟率随温度的变化
三角形所在的点分别表示温度为2、9、14 ℃对应的秸秆腐解率。
Fig.4 Variation of decomposition rate of rice straws at different temperatures
△ represented decomposition rate of rice straw at the temperature of 2, 9, 14 ℃.

3 结论

本研究使用4种腐熟剂进行处理, 其中腐熟剂A(粗纤维降解菌剂)有利于水稻秸秆前期的快速腐解及后期的腐熟, 具有相对较好的水稻秸秆腐解效果。采用Box-Behnken设计和响应曲面法分析得到腐熟剂A的最优腐解条件:温度29.6 ℃, 含水量90%, 腐熟剂和浓缩沼液氮添加量分别为秸秆质量的2.0%和0.17%, 利用模型方程计算得到25 d时秸秆最佳腐解率的预测值为63.25%, 与试验验证结果62.87%基本吻合。鉴于温度对秸秆腐熟有较大影响, 为更好地提高秸秆腐解速率, 推进水稻秸秆还田技术的广泛应用, 可适当考虑通过调整水稻种植品种、缩短水稻熟期来确保秸秆还田后具有相对较高的环境温度, 以保障还田秸秆的高效腐解。

The authors have declared that no competing interests exist.

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