农业秸秆是我国三大农业废弃物之一，资源丰富但利用不充分^[1-2]。据统计，我国作为世界上农业废弃物产出量最大的国家，每年大约产出 40 亿 t，农作物秸秆 7 亿 t，其中稻草 2.3 亿 t，玉米秸秆 2.2 亿 t，豆类和杂粮作物秸秆 1.0 亿 t，花生、薯类蔓藤和甜茶叶等蔬菜废弃物 1.8 亿 t ^[3]。秸秆废弃物的处理方式常作为有机肥直接还田，这在一定程度上起到了改土培肥、提高农作物产量的作用，在促进物质能量循环和培肥地力方面都发挥了很大的促进作用，但是其缺点是自然分解速度慢，秸秆腐熟发酵过程中有可能会损坏作物根部，从而影响农作物生长，并引发土传病害及环境问题^[4-5]。间接利用是废弃物通过堆沤腐解（堆肥）、过腹还田、烧灰等方式进行还田，但存在堆腐时间长、散发恶臭、占据空间大等问题^[6]。

将农业秸秆废弃物通过生物发酵制备沼气，可有效促进生态良性循环、缓解农村能源紧张^[7]。生物发酵后产生的沼渣，不仅氮、磷、钾等营养成分保存完好，而且还含有大量的有机质及多种生物活性物质，是一种优质的有机肥料^[8-9]。研究发现，沼渣中含有有机质 28%～50%，腐殖酸 10%～20%，半纤维素 25%～34%，纤维素 11%～15%，全氮 0.8%～2.0%，全磷 0.4%～1.2%，全钾 0.6%～2.0%，另外还含有许多生物活性物质、丰富的氨基酸、微量元素、多种植物生长激素、B 族维生素、有机酸和某些抗菌素等^[10]。将沼渣深加工成肥料施用到农田，使秸秆安全有效地回归到土壤中，实现资源的有效循环利用，减轻环境污染，是秸秆回归土地一种行之有效的形式。

针对上海市目前农业秸秆利用的现状^[11]，通过小区试验的方法，以水稻、蔬菜秸秆生物发酵产生的沼渣为原料，制备成 4 种不同沼渣肥料，研究对水稻产量和土壤环境的影响。分析评估常规施肥和不同沼渣肥料对水稻生长、土壤理化性状、重金属镉（Cd）活性、微生物数量、土壤呼吸强度和土壤酶活性等的效应，为使用沼渣制备的肥料提供科学依据，为农业秸秆废弃物的合理利用和生态农业的健康发展奠定研究基础。

1 材料和方法

1.1 沼渣肥料的制备

沼渣有机肥：利用农业生产废弃蔬菜秸秆，经沼气发酵后的沼渣为原料，检测沼渣中总氮、有机碳含量，根据检测结果，添加豆饼和尿素作为氮源，调节沼渣的碳氮比至 25∶1。堆成 1.5 m 高、2 m 宽的条垛式堆肥，通过沼渣高温腐熟，杀灭材料中的有害菌、蛔虫卵等，同时降解沼渣中的粗纤维，促进材料的腐殖化。高温期每隔 10 d 翻堆 1 次，约 30 d 后物料腐熟，所获产品经检验有机质 45.07%、pH 7.41。

沼渣生物有机肥：将沼渣有机肥高温烘干至含水量 30% 以下，经过粉碎，全部过 0.5 mm 筛。添加枯草芽孢杆菌 0.4 kg/t、胶冻样类芽孢杆菌 0.04 kg/t 和哈茨木霉 0.04 kg/t，经充分搅拌混合后，采用覆膜编织袋包装，规格（40±2）kg/ 袋。产品经检验达到生物有机肥标准（NY 884-2012）。有益菌总菌数≥ 0.2 亿 /g，有机质≥ 40%，水分≤ 30.0%， pH 5.5～8.5。

沼渣有机无机复混肥料：将沼渣有机肥高温烘干至含水量 35% 以下，经过粉碎，全部过 0.5 mm 筛。尿素、磷酸一铵和氯化钾分别按 153、91、 67 kg/t 的用量添加，充分搅拌混合均匀，采用覆膜编织袋包装，规格（40±2）kg/ 袋。产品经检验符合《复混肥料（复合肥料）》（GB 15063-2009）。肥料养分含量为 N 10%、P₂O₅ 4%、K₂O 4%，水分 ≤ 5%。

沼渣复合微生物肥料：将沼渣有机肥高温烘干至含水量 30% 以下，经过粉碎，全部过 0.5 mm筛。尿素、磷酸一铵和氯化钾分别按 305、91、67 kg/t 的用量添加，充分搅拌混合均匀，再添加枯草芽孢杆菌 0.4 kg/t、胶冻样类芽孢杆菌 0.04 kg/t，充分搅拌混合均匀，采用覆膜编织袋包装，规格 （40±2）kg/ 袋。产品经检验符合《复合微生物肥料》（NY/T798-2015）。肥料养分含量 N 15%、P₂O₅ 4%、K₂O 4%，有机质≥ 20.0%，水分≤ 35.0%， pH 5.5～8.5。

1.2 试验点概况及供试材料

试验于 2020 年 6～11 月在上海市青浦区现代农业园区生产基地（30°57′N、121°1′E）进行。供试土壤为水稻土，试验前耕层 0～20 cm 土壤 pH 7.23、有机质 2.39%、水解氮 94.7 mg/kg、有效磷 16.3 mg/kg、速效钾 86.9 mg/kg。

水稻供试品种为秀水，人工插秧。沼渣肥料制品委托上海绿乐生物科技有限公司加工，复混肥 （N 24%、P₂O₅ 8%、K₂O 10%）、尿素（N 46%）购于当地农资公司。

1.3 试验设计

试验设置 6 个处理：（1）不施肥（CK），（2）当地习惯施肥（FP），（3） 沼渣有机肥（T1）， （4）沼渣生物有机肥（T2），（5）沼渣有机无机复混肥（T3），（6）沼渣复合微生物肥料（T4）。每个处理均重复 3 次，随机区组排列，各小区面积 40 m²，小区间设置小田埂，田埂宽 30 cm，高出大田 30 cm；田埂内侧嵌高密度聚乙烯防渗膜，嵌入土体深度不低于 30 cm，高出田埂 30 cm，防止相互窜肥。在各小区两头开通灌水沟和排水沟，灌排分开，沟宽约 0.3 m、深约 0.3 m。各处理施肥量见表1。

注：* 为以沼渣为原料制备的肥料。

当地常规施肥量基肥（复混肥 375 kg/hm²）、于移栽后 7 d 施第 1 次分蘖肥（尿素 150 kg/hm²）、于移栽后 17 d 施第 2 次分蘖肥（尿素 150 kg/hm²）、于 8 月初施穗肥（尿素 150 kg/hm²）4 个时期进行施肥。为获得的数据与实际生产情况相一致，试验田的管理与大田常规模式保持一致。

1.4 样品采集与分析

1.4.1 土壤团聚体组成测定

试验结束后，各小区采集耕作层土壤，分别装于密封袋中进行密封。将采集的团聚体原状土样挑去动植物残体、石砾、根系等后，按自然结构将土样轻轻掰成 1 cm³ 大小的土块，于实验室自然风干，采用湿筛法进行测定^[12]。

1.4.2 植株样品分析与水稻测产

水稻成熟期，随机选取 5 穴水稻植株样，分秸秆和籽粒 2 部分，在 105℃下迅速杀青 30 min，然后在 75℃下烘干至恒重，称重后，分别测定养分全氮含量^[12]。各小区取 30 株进行穗粒数、千粒重等考察，各小区全部收获，单打单晒，分别测产。

1.4.3 土壤与稻米镉含量测定

试验结束后，各小区采集耕作层土壤，土壤样品风干后，先用 H₂SO₄-H₂O₂ 消解，再用原子吸收分光光度法测定土壤有效态镉含量^[13]，并采集成熟期稻谷脱壳进行稻米总镉含量测定^[13]。

1.4.4 土壤微生物群落与酶活性测定

试验结束后，用土钻采集试验地土壤耕作层混合样品 2 kg，将样品分为 2 份，1 份土壤鲜样用于测定微生物数量（细菌、真菌、放线菌），另 1 份土壤鲜样用于测定土壤酶活性（多酚氧化酶、过氧化氢酶、脲酶和纤维素酶）。

用牛肉膏蛋白胨、马丁氏培养基、改良高氏一号培养基培养细菌、真菌、放线菌，再用平板培养计数法统计微生物数量^[14]。土壤多酚氧化酶、过氧化氢酶、脲酶和纤维素酶分别采用紫色没食子素比色法、高锰酸钾滴定法、苯酚-次氯酸钠比色法、二硝基水杨酸比色法测定。测定参照查同刚的方法^[15]。

1.4.5 土壤呼吸强度测定

在水稻收获期，用 LI-6400 光合作用分析仪 （配带土壤呼吸室）对试验地块进行土壤呼吸强度现场测定。

1.5 数据处理

氮吸收量（kg/hm²）=（籽粒产量 × 籽粒氮含量 + 秸秆量 × 秸秆氮含量）/1000

氮肥利用率（NRE，%）=（施氮区地上部氮素吸收量-缺氮区地上部氮素吸收量）/ 施氮量 ×100

采用 Excel 2010 对试验数据进行初步处理，采用 DPS 7.5 进行方差分析与差异显著性检验（LSD 法），使用 Orign 8.0 进行相关图形的绘制。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对水稻产量与氮素吸收的影响

由表2 可见，所有处理中，CK 处理穗粒数、结实率、千粒重、有效穗数和产量均最低。从产量来看，施肥区产量最高的为 T4 处理，达 9571 kg/hm²，最小的为 FP 处理，达 7786 kg/hm²，增幅为 22.92%，各处理产量大小为 T4>T3>T1>T2>FP，沼渣肥料处理间产量差异不显著（P >0.05）。从产量构成因素来看，穗粒数最大的为 T2 处理，最小的为 T4 处理，呈现 T2>T1>T3>FP>T4 的规律；结实率呈现 T1>T2>T3>T4>FP 的规律；千粒重呈现 T4>T1>T2>T3>FP 的规律；有效穗数呈现 FP>T1>T3>T2>T4 的规律；虽然 T4 处理有效穗数、穗粒数和结实率都不高，但千粒重最大，籽粒更加饱满，因此产量最高。

注：数据后小写字母不同，表示各处理在 0.05 水平上差异显著。下同。

由表3 可知，CK 处理籽粒氮、秸秆氮、总积累氮量均最低，各施肥处理之间的水稻籽粒氮、秸秆氮和总积累氮略有差异。籽粒氮积累量 T4 处理最高，达 100.30 kg/hm²，FP 处理最低，为 78.53 kg/hm²；秸秆氮积累量 T1 处理最高，达 71.06 kg/hm²，T4 处理最低，为 41.04 kg/hm²；总积累量呈现 T3>T1>FP>T2>T4 的规律。FP 处理氮肥利用率最低，为 23.36%，沼渣肥料处理氮肥利用率为 25.74%～34.40%，呈现 T3>T1>T4>T2 的规律，沼渣肥料处理较常规施肥处理降低施氮量 18.59%～19.70%，提高氮肥利用率 1.37%～11.04%。

2.2 不同施肥处理对土壤不同粒级团聚体组成的影响

2020 年水稻收获后各处理 0～20 cm 土层湿筛法得到的 >0.25 mm 土壤团聚体含量（WR0.25）为 51.79%～61.71%（表4）。从各处理土壤 WR_0.25 的平均含量来看，大小顺序为 T4>T1>FP>T2>T3>CK，各施肥处理均显著高于 CK 处理，施肥区 WR_0.25 仅 T4、T1 处理高于 FP 处理，其他沼渣肥料处理较 FP 处理未显著提高。

1～2、0.25～0.5、0～0.106 mm 团聚体含量各处理间均无显著性差异（P >0.05），施肥处理主要改变 0～20 cm 土层内 >2、0.5～1、0.106～0.25 mm 团聚体含量，沼渣肥料堆肥产品有使土壤小团聚体（<0.25 mm）向大团聚体（>2 mm）转变的趋势，与 FP 处理相比，T1、T2、T3、T4 处理分别使 >2 mm 大团聚体提高 229.39%、2.03%、15.54%、 57.77%，整体来看，T1 和 T4 处理对土壤大团聚体改善效果较显著。

2.3 不同施肥处理对土壤与稻米镉含量的影响

由表5 可知，与 CK 相比，施用肥料后可以降低土壤有效态镉和稻米镉含量，沼渣肥料产品的施入较常规施肥可进一步降低土壤有效态镉和稻米镉含量。T1、T2、T3、T4 处理与 CK 相比，土壤有效态镉含量分别降低 8.22%、13.70%、4.11%、10.96%，稻米镉含量分别降低 13.04%、69.57%、56.52%、34.78%。沼渣肥料处理还可以降低稻米的富集系数（稻米镉 /土壤有效态镉），与 CK 相比，T1、T2、T3、T4 处理分别降低 1.66%、20.40%、17.22%、8.43%。

2.4 不同施肥处理对土壤微生物数量的影响

土壤微生物是土壤生态系统中的重要组成部分，其群落结构组成及其变化在一定程度上反映了土壤的质量及其功能性。如表6 所示，与 CK 处理相比，施肥处理土壤微生物数量均发生显著变化，细菌、真菌、放线菌数量均明显增加。与 FP 处理相比，T1、T3、T4 处理的土壤细菌数量增加显著，分别比 FP 处理增加 43.30%、35.86%、139.47%； 真菌数量仅 T3 处理较 FP 处理增加 10.55%，T1、 T2 和 T4 处理均有一定程度的下降，下降幅度分别为 22.24%、21.07% 和 0.85%；放线菌数量 T3、T4 处理较 FP 处理分别增加 65.67%、19.15%，T1、T2 处理均未增加。综上可见，沼渣肥料处理中 T2 处理细菌、真菌、放线菌均低于常规施肥处理；T3 处理细菌、真菌、放线菌数量均高于常规施肥，T4 处理细菌和放线菌数量也高于常规施肥。

2.5 不同施肥处理对土壤酶活性的影响

土壤酶作为生化反应的催化剂，可以促进土壤中各类营养物质的转化和循环，酶活性的高低能够反映土壤中养分转化的强弱，是评价土壤肥力水平的一个重要指标。如表7 所示，过氧化氢酶、多酚氧化酶在各处理间均无显著性差异；脲酶和纤维素酶活性均是 CK 最低，与 FP 处理相比，T1、T2、 T4 处理脲酶活性分别提高了 19.44%、28.96%、 65.08%，纤维素酶活性仅 T4 处理略有提高，其余处理均低于 FP 处理。与 FP 处理相比，T1、T4 处理过氧化氢酶活性也略有提高，但未构成显著性差异（P >0.05）。整体来看，较常规施肥，施用沼渣肥料可以不同程度提高土壤脲酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶活性。

2.6 不同施肥处理对土壤呼吸强度的影响

土壤 CO2 呼吸强度可以反映土壤微生物活性和土壤通气状况，也是土壤质量变化的重要指标之一。与 CK 相比，不同的施肥处理均能增加土壤的呼吸强度，与常规施肥 FP 处理相比，施用沼渣肥料后土壤呼吸强度进一步增加，呈现 T4>T1>T2>T3>FP 的规律，施用沼渣复合微生物肥料 T4 处理土壤呼吸强度增加最为显著（P <0.05），达 4.02 μmol/（m² ·s）。

3 讨论

在保证农作物稳产、高产的前提下，减少化肥用量，提高肥料利用效率是当前农业研究的热点。从本试验来看，施入沼渣肥料处理水稻穗粒数、结实率、千粒重、有效穗数和产量较常规施肥处理都有不同程度的提高，沼渣肥料处理在减少化肥用量的同时，也能满足作物生长需求，并获得高产稳产。化肥和有机肥配施，一方面通过有机肥直接补充了稻田系统中的土壤养分，另一方面由于有机肥肥效缓慢可以调节土壤与化肥养分的释放强度和速率，使水稻各生育阶段得到更为均衡的矿质营养，从而提高了水稻产量^[16]。

养分吸收是物质生产的基础，而物质生产又是稻谷产量形成的基础^[17]。沼渣肥料的投入，可以提高土壤有机质含量及土壤微生物活性，加快养分转化，促进作物的生长，形成植物与土壤的良好协同关系^[18]。在常规施肥情况下，氮肥利用率为 23.36%，施用沼渣肥料，有效降低施氮量 18.59%～19.70%，提高氮肥利用率 1.37%～11.04%。将农业秸秆制作成沼渣肥料施入农田，实现了废弃物资源的再利用，所制作的肥料可直接或间接供给作物所需养分，满足农作物对营养元素的需求，既提高了水稻的产量，又提高了肥料利用率，有效避免了肥料浪费，减少面源污染。

土壤团聚体结构在土壤理化性质、土壤水气性状、植物生长等方面发挥着重要作用^[19]。有机质和有机碳含量与团聚体形成和团聚体数量具有正相关性^[20]。本试验中，与 FP 处理相比，T1、T2、 T3、T4 处理分别使 >2 mm 的大团聚体含量提高 229.39%、2.03%、15.54%、57.77%，沼渣肥料对 <0.106 mm 的团聚体含量影响不显著，说明沼渣肥料可以改善土壤的团聚体结构。其原因可能是，沼渣肥料的施入增加了有机碳的投入，提供了充足的团聚体形成所需的胶结物质，从而使土壤中水稳性小团聚体向大团聚体转化，这与徐国鑫等^[21]的研究结果一致。

土壤中总镉及有效态镉含量与土壤环境条件 （如 pH、有机质含量等）和外源添加物质有关^[22]。土壤镉的赋存形态在一定程度上反映了植物镉的有效性，并对水稻镉吸收产生影响。本试验结果表明，向水稻田施入沼渣肥料有利于降低土壤有效态镉和稻米镉含量。张庆沛等^[23]在成都德阳市旌阳区镉污染稻田开展的小区试验，也发现秸秆还田可降低土壤有效态镉含量，与本研究结论一致。这可能是由于农业废弃秸秆腐熟发酵后施入土壤，增加土壤胶体表面携带的负电荷量，促使土壤胶体对镉离子的吸附。另外土壤 pH、有机质、根际微生物效应等都会影响镉离子的存在形态和可吸附性。有机质含量高，土壤对镉的吸附力就大，镉容易跟有机质的很多功能团如羧基形成内层有机-镉络合物^[24]。关天霞等^[25]发现根际微生物分泌的可溶性有机物质与镉离子的络合作用导致根际土壤中镉较难解吸。本试验中以农业废弃物秸秆制作的沼渣有机肥，添加枯草芽孢杆菌和哈茨木霉菌等制作的沼渣生物有机肥 T2 处理在降低土壤有效态镉含量方面优于其他沼渣肥料，这可能与添加的微生物菌剂活化了根系对镉的吸附作用有关。

土壤中微生物的数量和群落结构对土壤肥力作用和作物生长有重要影响。本试验 T3、T4 处理较 FP 处理显著增加了细菌和放线菌数量，除 T3 处理外，真菌数量均有不同程度的下降，复配了哈茨木霉菌、枯草芽孢杆菌等菌种的沼渣生物有机肥 （T2）土壤真菌数量较低。有研究表明增施木霉菌肥能改善土壤微生物群落结构，木霉菌肥能显著降低真菌属水平上链格孢属、镰孢菌属、芽枝霉属等引起植物病害的类群^[26]，真菌数量有所下降，这与本研究结论一致。土壤微生物总量与土壤总氮、有机碳含量显著正相关，有机肥的增加为微生物提供了丰富的物质和能量，微生物又促进了碳氮循环，提升土壤生态系统服务功能^[27]。本研究中除 T2 处理外，其他沼渣肥料处理均有不同程度增加微生物数量的作用，沼渣肥料中沼渣材料为微生物的生长繁殖提供了有利的环境条件，从而促进了土壤微生物的繁殖生长，提高土壤微生物数量。

土壤酶类主要来自土壤微生物和植物根系的分泌物，其活性能够反映土壤理化性状的变化^[28]。土壤酶活性对于施肥及管理方式反应较为敏感。有机肥料大量施入能够显著增加土壤有机碳尤其是活性有机碳及土壤微生物的数量，并为微生物生长繁殖提供了大量的养分及酶促底物，从而提高了土壤酶活性^[29]。本研究结果表明，较常规施肥，施用沼渣肥料可以不同程度提高土壤脲酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶活性，而对纤维素酶除 T4 处理外，均无提高作用。有研究表明，施入有机肥或有机种植可显著提高土壤过氧化氢酶和脲酶、磷酸酶等酶的活性^[30]，但也有研究表明，施入有机肥料仅对土壤脲酶、过氧化氢酶和蛋白酶活性有显著提高作用，对多酚氧化酶和蔗糖酶则无明显差异^[31]。这可能与土壤类型、有机肥种类、成分及碳氮比等因素有关。本试验中添加了微生物菌的沼渣肥料（T2、T4 处理）对土壤酶活性的提高整体优于非添加微生物菌沼渣肥料，可能是微生物的添加提高了土壤生物活性，优化了土壤酶促反应条件，进而提高了土壤酶活性。

沼渣有机肥可增加有机碳源，为微生物活动提供能源，化肥可为土壤微生物提供氮、磷、钾等营养元素，二者复配能够促进土壤微生物和作物的生长。同时，作物生长过程中，根系产生大量的分泌物质，也为土壤微生物生长提供了营养物质，提高了土壤根区的呼吸强度^[32-33]。本试验施用沼渣肥料较常规施肥处理土壤呼吸强度均有所增加，且沼渣有机无机复混肥（T4 处理）呼吸强度最高，与常规施肥（FP 处理）有显著性差异（P <0.05）。土壤呼吸作用受碳氮营养源的双向调节，向土壤中添加氮源可在短期内增加土壤呼吸强度，但其后土壤呼吸量是否能继续增加，可能取决于土壤中碳营养的状况，若碳源充足，则促进氮素添加对于土壤呼吸的增强作用，反之则削弱氮素添加对土壤呼吸的促进作用^[34]。本研究仅监测了水稻生长后期瞬时土壤呼吸强度，植物的生理生长状况、温度、湿度等也是影响土壤呼吸的重要因素。因此还有必要对作物全生长阶段的土壤呼吸强度进行深入研究，以进一步探究不同肥料施入后各阶段土壤呼吸量及土壤呼吸作用的影响机制，为了解土壤呼吸的变异规律和农田温室气体排放清单的制定提供理论依据。

4 结论

与常规施肥相比，将农业废弃物发酵产生的沼渣制作成沼渣肥料施入水稻田，促进了水稻生长，显著提高了水稻产量和氮肥利用效率。各沼渣肥料中均含有不同比例的沼渣有机肥，有机肥的施入，增加了土壤有机碳和胶结物质含量，使土壤小团聚体向大团聚体转化，改善了土壤结构，整体促进了土壤微生物数量的增加和土壤呼吸强度的增强，并降低了真菌数量，降低了真菌病害的发生。同时沼渣肥料可以提高土壤脲酶、过氧化氢酶和多酚氧化酶活性，促使土壤胶体对镉离子的吸附，降低了土壤有效态镉含量，进而降低稻谷对镉的吸收。综合考虑水稻产量、土壤理化性质、土壤微生物群落和酶活性的提高等因素，水稻田施用沼渣有机无机复混肥不仅可以实现秸秆的资源化利用，而且可以减少化肥的施用，是较优的沼渣利用及施肥模式。

参考文献