农作物秸秆不仅含有大量的半纤维素、纤维素和木质素等富碳物质，还富含氮、磷、钾等养分资源^[1-2]。我国农作物秸秆年产量近 10 亿 t，多数以农业废弃物形式存在^[3-4]。秸秆还田是解决农业废弃物去向和实现对农田土壤养分补充的重要手段之一，亦可为下茬作物提供部分肥源。然而，秸秆直接还田缺少堆腐熟化过程，前期会与作物争夺土壤养分，尤其是氮素，造成田间幼苗生长不良，长期直接还田还会导致下茬作物病虫害发生风险加重^[5-6]。因此，提倡秸秆腐熟还田，即在前茬作物收获后直接进行秸秆还田，并通过施加腐熟剂等腐熟手段处理后进行下季作物耕种^[7]。施加腐熟剂能够解决作物秸秆自然腐解过程中存在的腐解缓慢导致的养分释放与作物养分吸收时空不匹配的问题，可充分释放秸秆养分，减少化肥施用量^[8-12]。此外，秸秆腐解亦可释放大量有益微生物，刺激作物生长、增强其抗逆性、提高作物产量和品质。麦逸辰等^[13]研究发现，水稻秸秆经腐熟剂腐解后碳、氮、磷、钾释放率可分别达 40.66%、44.76%、40.46% 和 94.10%。腐熟剂添加亦可影响后茬作物农艺性状，可使后茬作物茎秆粗壮，籽粒质量和品质显著提升，作物综合抗逆性增强^[9，14]。也有研究得出了相反的结论，秸秆还田后，土壤氮素有效性因肥料中氮素的固定而降低，抑制了作物生长，降低了产量^[15]。张洪熙等^[16]研究发现，秸秆还田后，作物出现叶面积指数降低，光合能力变弱，不利于干物质积累，影响产量及其构成的现象。此外，秸秆还田后导致下茬作物出苗率下降，出苗不齐，有时直接影响作物根系生长及下扎^[17]。前人关于秸秆腐熟还田的报道主要集中在腐解率方面，对于其养分释放过程，尤其是腐熟剂对后茬作物各关键生育时期秸秆养分释放规律的研究较少。基于此，设计不同腐熟剂用量对小麦秸秆腐解规律的调控试验，研究不同腐熟剂用量对小麦秸秆养分释放动态及对后茬作物生长发育及产量形成的影响，基于统计学原理构建模型，以期更科学有效地应用腐熟剂调控秸秆还田腐解进程，优化秸秆还田技术。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

本试验于 2020 年 6—10 月在陕西杨凌西北农林科技大学农作一站（108°10′E，34°21′N）进行，该试验区地处关中平原北部，≥ 0℃积温 4800℃， ≥ 10℃积温 4143℃，属暖温带半湿润偏旱型气候，典型的小麦-玉米轮作二熟区，多年平均降水量约为 580 mm，降水主要集中在 7—9 月。试验地地势平坦，土壤为塿土，生长季节内 0～20 cm 土层温度变化区间为 24.6～25.5℃。具体气象数据如图1 所示，播前土壤养分见表1。

1.2 试验材料

供试腐熟剂：人元秸秆腐熟剂（含细菌、放线菌、丝状菌、酵母菌等多种菌株，有效活菌数 ≥ 8.0×10⁷ cfu/g，粉状，购自河南鹤壁市人元生物技术发展有限公司）；供试玉米：郑单 958。供试秸秆初始养分见表2。

注：图中 VE、V3、V6、VT、R3、R6 分别代表夏玉米生长季节的出苗期、三叶期、拔节期、抽雄期、乳熟期、蜡熟期。下同。

1.3 试验设计

本试验共设置 5 个腐熟剂用量，即 0 kg/hm² （CK）、30 kg/hm² （T1）、45 kg/hm² （T2）、60 kg/hm² （T3）、75 kg/hm² （T4）。采用随机区组设计，3 次重复，小区面积 30 m²。选用郑单 958 玉米品种，种植密度为 67500 株 /hm²，行距 60 cm，株距 25 cm，播前一次性施入 225 kg/hm² 纯氮，不施磷、钾肥，腐熟剂拌土均匀撒在秸秆表面，秸秆翻压时间与播种同期，翻埋深度为 15～20 cm。6 月 13 日采用机械播种。小麦秸秆养分释放观测采用尼龙网袋法进行，取 50 g 粉碎的小麦秸秆（烘干后剪成 2～3 cm 小段），分别按照设置处理对应网兜平展的面积进行比例置换确定腐熟剂用量，加入氮肥 0.043 g（大田用量折算），混匀后装入 0.15 mm 尼龙网袋（规格为 25 cm×35 cm），添加原位土壤，封口后水平埋于与秸秆还田深度一致的土层中。

1.4 测定指标及项目

1.4.1 秸秆腐解率

秸秆翻埋后，于夏玉米三叶期（V3）、拔节期（V6）、抽雄期（VT）、乳熟期（R3）、蜡熟期 （R6）取样测定秸秆腐解率及剩余秸秆养分，用去离子水反复冲洗去除秸秆表面土壤，在 70℃烘箱中烘干，最后用镊子除去残余土粒、杂草等。

$\text{秸秆腐解率}=\left({\mathrm{M}}_0-{\mathrm{M}}_{\mathrm{t}}\right)/{\mathrm{M}}_0\times 100\mathrm{\%}$

式中：M₀ 为秸秆初始干重（g）；M_t 为秸秆腐解 t 时的干重（g）；t 为腐解时间（d）。

1.4.2 养分释放率

秸秆的氮、磷、钾和有机碳养分含量分别采用凯氏定氮法、钼锑抗比色法、火焰光度法和硫酸亚铁滴定法测定。

$\text{养分释放率}=\left({\mathrm{M}}_0{\mathrm{C}}_0-{\mathrm{M}}_{\mathrm{t}}{\mathrm{C}}_{\mathrm{t}}\right)/{\mathrm{M}}_0{\mathrm{C}}_0\times 100\mathrm{\%}$

式中：M₀ 为秸秆初始干重（g）；C₀ 为秸秆养分的初始含量值（mg/g）；M_t 为秸秆腐解 t 时的干重（g）； C_t 为腐解时间为 t 时的秸秆养分含量（mg/g）；t 为腐解时间（d）。

1.4.3 夏玉米农艺性状及干物质积累测定

在夏玉米 V3、V6、VT、R3、R6 生长期，每个小区随机选取 3 棵生长一致且有代表性的植株，测量株高和茎粗后，于 80℃烘干至恒重，称取干物质积累量。

1.4.4 玉米产量及其构成

待夏玉米成熟后，在每个小区收获 30 株的全部果穗进行测产，并进行穗粒数、粒重等指标计量，计算最终籽粒产量。

1.5 数据处理

利用 Excel 2019 进行数据整理，利用 SPSS 25.0 进行方差分析与多重比较，AMOS 21.0 进行路径分析，利用 Origin Pro 2022b 绘图与回归分析。

2 结果与分析

2.1 腐熟剂用量对麦秆腐解的影响

小麦秸秆的腐解率随着翻埋天数的增加逐渐增大（图2），在夏玉米 R6 时期，不同腐熟剂用量处理下，翻埋秸秆最终腐解率为 60.58%～69.28%。 V3～VT 阶段腐解较快，R3～R6 阶段腐解率缓慢降低。施用秸秆腐熟剂有利于还田小麦秸秆腐解，随着腐熟剂用量的增加，呈现先增加后降低的趋势。T2 处理相对 CK 处理腐解率有明显提升，且达显著水平（P<0.05）。在 V3 时期，腐解率随着施用腐熟剂用量增加呈线性增加，T4 处理腐解率为 28.67%，较 CK 处理提高 12.89%； 在 VT 时期， T2 处理腐解率较 CK 处理提高 10.83%；在 R6 时期，T2 处理腐解率较 CK 处理提高 11.17%；根据腐解率与施腐熟剂量的关系方程 y=-0.0018x² +0.19x+ 60.45，当施腐熟剂量在 52.78 kg/hm² 时，腐解率达到最高点（65.46%）。

注：小写字母不同表示处理间均值达到差异显著水平（P<0.05）。下同。

2.2 腐熟剂用量对麦秆养分释放的影响

2.2.1 腐熟剂用量对麦秆氮素释放的影响

施加腐熟剂促进了麦秆氮的释放，随着麦秆翻埋天数的增加，麦秆氮素释放速率基本表现为线性增加的趋势。麦秆还田配施腐熟剂显著影响夏玉米生长 V3 时期的氮素释放速率，而 R6 时期不同处理麦秆的氮素释放率基本一致（图3）。V3 时期，T4 和 T2 处理麦秆氮素释放率显著高于 CK 处理，分别增加 203.67% 和 187.05%。VT 时期，T4 处理较 CK 处理增加 63.22%。R6 时期，T2 处理麦秆氮素释放率最高，为 64.36%，高于 CK 处理 2.55%。整个腐解过程 T3 处理无明显拐点，在 R6 期达到最大释放率，为 61.30%。回归分析显示，提高腐熟剂浓度明显促进了玉米生长的 V3 和 VT 时期的氮释放率，而对 R6 时期无明显影响。

注：图中短线为 LSD 值（P=0.05，n=3）。下同。

2.2.2 腐熟剂用量对麦秆磷素释放的影响

麦秆磷素释放过程整体上表现“快-慢-快” 的变化趋势，与氮素释放趋势略显不同（图4）。在夏玉米生长的 V3 时期，T4、T2 处理磷累计释放率分别为 32.79%、26.58%，较 CK 处理分别增加 45.27%、17.72%。V3～VT 阶段为平稳释放期，各处理磷累计释放率较 V3 期均无明显变化，施加腐熟剂处理较 CK 增幅为 10.23%～39.58%。在 VT～R6 阶段，T2 处理磷累计释放率分别比 T1、T3、T4、CK 提高了 8.28%、0.39%、2.26% 和 17.87%（图4）。在 R6 时期，各施加腐熟剂处理磷累计释放率变幅为 58.18%～63.00%。回归分析显示，提高腐熟剂浓度明显促进了玉米生长的 VT 和 R6 时期的磷释放率，而对 V3 时期无明显影响。

2.2.3 腐熟剂用量对麦秆钾素释放的影响

麦秆钾素释放整体表现为“慢-快-慢”的变化趋势，且主要集中于腐解前期，在腐解后期变化幅度较小（图5）。在平稳释放阶段（0～V3）， T1 处理的钾累计释放率最大，为 24.91%，较 CK 处理增加 14.61%。V3～VT 阶段为钾的快速释放期，各腐熟剂用量处理钾累计释放率显著高于 CK 处理，各施加腐熟剂处理间差异不显著。在 VT 时期，T2、T3 处理钾累计释放率分别为 83.18%、 83.37%，较 CK 处理分别增加 5.09%、5.33%。R6 时期，T2 处理钾累计释放率最大，为 96.63%，分别比 T1、T3、T4、CK 增加了 6.37%、2.86%、0.70% 和 3.78%（图5）。回归分析显示，提高腐熟剂用量明显促进了玉米生长 VT 时期的钾释放率。

2.2.4 腐熟剂用量对麦秆有机碳释放的影响

不同腐熟剂用量处理对有机碳累计释放率调控效应，整体上与氮素释放规律相似，呈无明显拐点的线性增加（图6）。各施加腐熟剂处理中，T4 处理对有机碳累计释放促进效果最明显，V3 时期，各处理有机碳累计释放率介于 16.49%～25.53%，T1、T4 处理分别 CK 处理增加 54.29%、54.21%。VT 时期，各处理有机碳释放率为 39.98%～70.14%，施加腐熟剂处理对有机碳累计释放率调控效应显著高于 CK 处理，其中 T1 和 T3 处理在 VT 时累计释放率分别为 55.62% 和 48.94%，较 CK 处理分别增加 39.12% 和 22.42%。 R6 时期，T1 处理有机碳累计释放率为 85.77%，分别是 T3、CK 的 1.09 和 1.04 倍（图6）。回归分析显示，提高腐熟剂浓度明显促进了玉米生长 VT 时期的有机碳释放率。

2.3 腐熟剂用量对夏玉米农艺性状的影响

2.3.1 腐熟剂用量对夏玉米株高的影响

不同腐熟剂用量对夏玉米株高的调控趋势为，随着夏玉米生育期的推进而增加（图7）。V3 时期，各处理间差异不显著，T2 处理具有最大的株高，为 40.73 cm，较 CK 处理增加 11.39%。随着生育期的推进，施加腐熟剂处理玉米株高较 CK 处理显著增加。V6 时期，T3、T4 处理较 CK 处理分别增加 18.08%、12.36%。VT 时期的株高变化为整个生育期增加幅度最大的阶段。T2、T4 处理较 CK、T1 处理分别增加了 5.41%、3.54% 和 4.58%、2.73%。 R3～R6 阶段株高变化较小，R6 时期部分处理株高较 R3 时期略有降低（图7）。

2.3.2 腐熟剂用量对夏玉米茎粗的影响

不同腐熟剂用量对夏玉米茎粗调控趋势为，随着夏玉米生育期的推进逐渐增加，V3、V6 时期茎粗变化较大，变化幅度基本达到最大值，在 V3 时期，T1 处理具有最大的茎粗，为 11.33 mm，较 CK 处理增加 52.86%，在 V6 时期，T1、T2 处理具有较大的茎粗，分别较 CK 处理增加了 9.90%、 11.95%。VT～R3 阶段，各处理茎粗差异较小， R6 时期，部分处理茎粗较 R3 时期略有降低（图8）。通过回归分析发现，夏玉米茎粗变化趋势随施腐熟剂用量的增加呈“钟”形曲线的变化趋势，并且表现为与腐熟剂的用量具有较好的回归关系。最大值出现在 T2 处理，为 22.12 mm，较 CK、T4 处理分别增加了 8.59% 和 3.43%。根据茎粗与施腐熟剂量的关系方程 y=-0.00086x² +0.1x+20.4，当施腐熟剂量在 45.66 kg/hm² 时，茎粗达到最高点 （22.15 mm）。

2.3.3 腐熟剂用量对夏玉米干物质积累的影响

不同腐熟剂用量对玉米植株生物量的调控趋势为，随着夏玉米生育期的推进逐渐增加，其中 VT、 R3 时期贡献了主要的生物量（图9）。V3～V6 阶段，各处理生物量累积差异较小，V6 时 T3 处理较 CK 处理增加了 97.85%。VT～R3 阶段，各处理间差异逐渐增大，VT 时期的 T3 处理较 CK 处理增加了 4.05%，R3 时期，T3 处理较 CK 和 T4 处理分别增加 64.83% 和 20.55%。夏玉米生物量积累变化趋势随腐熟剂用量的增加呈现“钟”形曲线的变化趋势。T2 处理生物量最大，为 320.0 g/株，较 CK、 T4 处理分别增加了 17.19% 和 5.70%（图9）。回归分析显示，提高腐熟剂浓度明显促进了玉米生物量的积累。根据生物量与施腐熟剂量的关系方程 y=-0.2x² +1.67x+271.87，当施腐熟剂量在 51.23 kg/hm² 时，生物量积累达到最高点（314.32 g）。

2.4 腐熟剂用量对夏玉米产量及果穗性状的影响

不同腐熟剂用量对夏玉米产量调控效应显著，且随着腐熟剂用量的增加呈先增加后降低的趋势。 T2 处理的产量最高，为 11.6 t/hm²。T1、T2、T3 和 T4 较 CK 处理分别提高籽粒产量 6.99%、11.59%、 11.14% 和 7.94%（表3）。各施加腐熟剂处理显著影响玉米的穗长、秃尖长和行粒数。随着腐熟剂用量的增加，穗长、行粒数均呈先增加后减少的趋势，增幅分别为 1.38%～7.09% 和 0.62%～2.45%。 T2 处理的穗长、行粒数均表现出较高水平。相比 CK 处理，施加腐熟剂处理的秃尖长有所降低，T2 处理调控效果最好，分别较 CK、T1 处理降低 0.43 和 0.33 cm（表3）。对夏玉米产量及相关性状进行方差分析可知，各处理均对玉米的穗长、穗粗和穗粒数影响显著，腐熟剂对玉米的百粒重有极显著的影响（表3）。施加腐熟剂处理对籽粒产量性状有显著的改善效果，进而增加夏玉米的籽粒产量，其中以 T2、T3 处理增产效果最大。

注：不同小写字母表示不同处理间差异显著（P<0.05）；* 表示处理间均值达到差异显著水平（P<0.05），** 表示处理间均值达到差异极显著水平（P<0.01）。

2.5 路径分析

腐熟剂用量极显著影响麦秸氮素、磷素、钾素、有机碳的释放率，且均为正向影响（图10）。氮素释放率与夏玉米生物量和作物产量均为负相关关系，且均未达到显著水平。钾素释放率、有机碳释放率对生物量积累均为正向影响，其中钾素对生物量积累达到极显著水平。磷素释放率、钾素释放率对夏玉米产量均为正向影响。生物量对产量具有极显著的影响。

注：图为不同腐熟剂用量条件下，秸秆养分释放与夏玉米生物量及产量之间的关系得到的结构方程。显著值为 * P<0.05，** P<0.01 和 *** P<0.001。连接线上的数值为路径系数，方框附近的数字表示模型所解释的方差比例（R²）。

3 讨论

3.1 腐熟剂用量对秸秆腐解与养分释放的影响

添加腐解剂可改善土壤微生物环境，促进作物秸秆腐解，缩短养分转化时间并增加其释放量，不仅供作物吸收利用，还有利于维持农田生态平衡^[18-19]。秸秆分解率随着作物的生长呈上升趋势， 50%～60% 的小麦秸秆在夏玉米成熟期被分解^[18，20]，本研究发现，添加腐熟剂处理较不添加腐熟剂处理最终腐解率增加 8.7%，且腐熟剂用量显著影响秸秆腐解率，当施腐熟剂量在 52.78 kg/hm² 时，腐解率达到最高点，该值与肖承泽等^[21]的研究结果相近。主要因为腐熟剂的适量施加可以调节碳氮比，改善微生物群落环境，满足土壤微生物的繁殖代谢，促进秸秆的腐解和养分释放^[13，21]。前人对于秸秆还田腐解释放的养分规律研究的结果不尽相同，有研究认为养分释放率大小表现为钾 >磷>氮>碳^[11，22-23]，也有研究表明，作物秸秆中养分释放率大小表现为磷 >氮 >钾^[24]。本研究发现，经过 100 d 的腐解，还田秸秆养分释放表现为钾素（89.2%～94.50%）>有机碳素（78.90%～85.77%）>氮素（56.90%～64.37%）>磷素（53.45%～63.00%），这与戴志刚等^[11] 和李逢雨等^[23] 的研究结果相似，主要原因是秸秆养分的释放速率和释放阶段受其元素存在形式的影响。本研究发现，秸秆腐解释放的磷、钾累计释放率呈现阶段性的变化趋势。主要因为秸秆中 70% 的钾素为水溶态，其余部分为有机态形式，还田后极易溶于土壤水，因此腐解释放更快，磷素多以离子形式存在，其余参与细胞壁的构成，释放速率慢于钾素，且秸秆中磷素少于钾素^[25-27]。本研究发现，秸秆腐解释放的碳、氮累计释放率呈线性升高的变化趋势。这是因为碳、氮主要以木质素有机态形式存在于秸秆中，胶结程度高，不易被物理干预分解，因而腐解速率慢于其他的养分释放速度^[28-29]。腐熟剂用量对养分释放调控规律基本一致，均在 V3 时期前影响较为显著，到 R6 时期各处理间均无显著差异。通过回归分析发现，各养分释放过程中 VT 时期腐熟剂用量对养分释放特征具有较好的调控效应，这一阶段也是夏玉米的需肥关键期。

3.2 腐熟剂用量对夏玉米生长发育的影响

本研究结果表明，施加腐熟剂处理夏玉米株高显著高于 CK 处理，VT 时期，T3、T4 处理较 CK 处理分别增加 17.56%、10.91%。主要原因是秸秆还田配施腐熟剂增加了夏玉米生长前期土壤微生物的数量，促进了秸秆养分的释放，为苗期至拔节期提供了更多的养分^[30]。添加腐熟剂处理不同程度地增加了节间的茎粗，为生长发育创造了良好的农艺条件。秸秆还田配施腐熟剂能够提升地上部分的干物质积累，且对灌浆期的生物量提升最大，主要因为腐熟剂的施加促进了夏玉米植株养分利用效率，进而增加干物质积累量^[31]，对于苗期和拔节期的干物质影响较小。回归方程显示，在 51.23 kg/hm² 腐解剂用量时，夏玉米生物量最大，过量添加腐熟剂将不利于生物量积累，主要归因于秸秆分解过程中，过量添加腐熟剂可能增加微生物对速效氮的固定^[21]。随着夏玉米生长时期的推进，施加腐熟剂处理对生物量积累的促进作用逐渐增大，主要源于秸秆腐解需要同化土壤氮素和吸收速效氮，使得土壤氮素供应量有所下降^[32]，从而导致各处理的前期生长差异较小。伴随着还田秸秆逐渐腐烂，土壤提供碳、氮能力逐渐提高，以及增加了钾素的释放量，显著促进了夏玉米中后期的生长^[33]，为作物产量形成创造了良好的生长条件。

3.3 腐熟剂用量对夏玉米产量形成的影响

秸秆还田能实现作物产量的提升，并且随着秸秆还田年数的延续，增产作用也越明显，在小麦-玉米轮作系统中，秸秆还田对当季作物产量影响的研究结果并不一致^[34-35]。张云芳等^[36]在溧阳白土上进行小麦秸秆全量还田的研究结果显示，使用腐熟剂可加速秸秆腐解，下茬水稻增穗、增粒，增产幅度为 4.65%～7.52%。本研究结果表明，施加腐熟剂能够明显提高籽粒产量，45 kg/hm² 腐熟剂用量处理较对照提升了 11.59%。主要归因于秸秆碳源物质在腐解过程中被土壤微生物同化为微生物体碳，通过土壤养分转化和作物吸收利用，增加了植物体的生物量积累，与此同时，适宜的腐熟剂用量促进了秸秆的腐解进程，改善了土壤的氮素及其他元素的供应，促进作物产量形成^[37-38]。回归分析发现，作物产量的增加并非与腐熟剂用量呈线性关系，当腐熟剂施用量达到一定阈值时，继续增加腐熟剂的施用量，夏玉米产量不但不会增加，甚至开始降低。这与腐熟剂用量对麦秆腐解及其养分释放率表现一致，主要原因为作物产量不能通过增加养分利用率无限期地增加^[39]，也可能是过快地腐解释放了秸秆中的化感物质。本试验中，秸秆还田配施腐熟剂显著增加夏玉米的穗长、穗粗和行粒数，缩短秃尖长度。穗长和行粒数随着腐熟剂用量的增加呈先增加后减少的趋势。腐熟剂用量显著影响夏玉米的穗粒数、百粒重，从而提高了作物产量。

4 结论

在关中平原地区，至夏季玉米生长期结束，各施加腐熟剂处理的麦秆腐解率达到 62.85%～69.28%，秸秆中氮、磷、钾和有机碳的最大释放率分别为 64.37%、63.00%、94.50% 和 85.77%，施加腐熟剂能够促进三叶期至抽雄期的养分释放，与生产上夏玉米需肥关键期相匹配，为夏玉米的营养生长贡献更多的养分。回归分析发现，腐熟剂添加量为 45～60 kg/hm² 时具有较好的株高、茎粗等农艺性状，有利于夏玉米生物量的积累，并通过提升穗粒数、百粒重，最终获得较高的夏玉米产量。

参考文献