近年来秸秆还田作为一项养地与低耗持续的农业生产方式，得到了广泛应用^[1]。目前我国秸秆还田面积已超过0.24亿hm²，随着农村燃料矛盾的缓解、经济的发展、劳动力的转移和农业机械化程度的提高，秸秆直接还田的面积有逐年扩大的趋势^[2]。据统计数据显示，2010 年，全国稻秆综合利用率达到70.6%，其中以肥料（包括直接还田）用量最多，占秸秆资源的36.6豫^[3]。美国自20 世纪80 年代就开始大力推进秸秆还田技术的应用，且已把秸秆还田当作一项农作制度，坚持常年实施，从而使其大部分农田的有机质含量保持在2%耀3%；加拿大以小麦、玉米、大豆、马铃薯、油菜5大作物生产为主，常年风干秸秆产量在5 350万t 左右（不包括青饲料产量），这些秸秆的2/3 以上用于直接还田^[4]；日本把秸秆直接还田当作农业生产中的法律去执行，同时，积极推进秸秆腐熟菌剂应用^[5]。由此可见，秸秆还田是解决秸秆焚烧、提高土地综合生产能力及促进生态环境系统良性循环的重要举措^{[6, 7]}。

秸秆还田可以减少化肥用量，增加土壤有机质含量，改善土壤结构，但在自然条件下，秸秆腐解速率慢，在收种转换季节矛盾突出区域，会给后茬作物生长带来不利影响，不但影响作物的生根和成活，同时还对栽培管理造成诸多不便^{[8, 9]}。而有机物料腐熟剂是解决这些问题的有效途径之一^[10]，目前稻麦收割机械化已十分普及，若将有机物料腐熟剂的添加与机械收割结合起来，一次性完成稻麦收割和秸秆接种剂接种工作，既能节省人力又能节省物力。由于在机械收割、脱粒及风选过程中，秸秆与穗、茎部以及部分叶片被分离^[11]，所以本研究对麦秸的不同部位腐解速率快慢差异进行研究，旨在为腐熟菌剂接种及确定接种装置在收割机上的位置固定提供科学依据，为秸秆的资源化利用以及快速腐熟提供有力支撑。

（1）供试麦秸：采自江苏省农业科学院小麦试验基地，选取成熟干燥未腐烂的小麦秸。将麦秸分成叶片、叶鞘、穗轴、茎和根5 个部位烘干备用。麦秸各部位基本理化性状如表 1。

表 1 供试麦秸主要成分含量 Table 1 The main component contents of wheat straw

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（2）供试菌种：娄彻氏链霉菌（Streptomyces rochei），由本实验室分离所得，是一株高效纤维素降解菌。

（3）供试土壤：试验土壤取自江苏省农业科学院试验田，基本性状为：有机碳13.38 g·kg^-1，全氮1.45g·kg^-1，全磷0.80 g·kg^-1，速效钾150.21 mg·kg^-1。

将培养好的菌种接种于300 mL高氏液体培养基中，28 ℃，200 r·min^-1摇床培养48 h。将培养好的菌液离心浓缩，重悬于0.9%的生理盐水中，匀浆5 s制成浓度均一的菌液，备用。

取新鲜土壤与蒸馏水按质量1:10混合，60 r·min^-1振荡1 h，过滤，上清液即为土壤水浸提液。

设置麦秸叶片、叶鞘、穗轴、茎、根5 个处理，各称量5 g放入孔径1 cm的纱网中，捆扎后放置三角瓶中，加尿素调节C/N比至25:1，各添加60 mL 未灭菌的土壤浸提液，另设置2 个对照组，以整株秸秆为材料，CK1 加入灭菌的60 mL土壤浸提液；CK2 加入未灭菌的60 mL 土壤浸提液。各处理均添加5 mL 菌液使接种量控制在105~106·g^-1秸秆，最后添加120 mL 无菌水。每个处理3 组平行，放置人工气候箱，白天30 ℃，晚上25 ℃，湿度90%，暗室培养27 d，每隔3 d按恒重法补充水分。取样时间为：0、3、7、11、16、21、27 d。

全氮：半微量凯氏定氮法；全磷：钼锑抗比色法；速效钾：NH₄OAc 火焰光度法^[12]；钙镁铁硅：等离子发射光谱仪测定^[13]；放线菌数量：梯度平板计数法；纤维素酶活：3，5-二硝基水杨酸（DNS）显色法测定纤维素酶活^[14]；纤维素、半纤维素及木质素：采用范氏（VanSoest）洗涤法测定麦秸纤维素、半纤维素及木质素含量^[15]；纤维素结晶度：X原光谱分析^{[16, 17]}；COD：重铬酸钾法；总酚酸：磷钼酸-磷钨酸盐比色法^[18]。

变量的差异采用单因素方差分析（analysis of variance，ANOVA），均值比较采用最小显著差法（leastsignificant difference，LSD），显著性水平P=0.05。麦秸不同器官腐解过程中干物质损失率、纤维素酶活力、放线菌数量和总酚酸之间的皮尔逊相关性采用软件SPSS 16.0v 分析。

麦秸的干物质损失率动态变化如图 1 显示，腐解3 d后干物质损失率急剧增加，随着腐解时间的延长，变化幅度放缓，腐解27 d后，叶片、叶鞘、穗轴、茎、根、CK1、CK2的干物质损失率分别为：34.15%、21.77%、15.16%、8.14%、12.71%、22.98%、18.99%。从图 1可明显看出对照组CK1腐解效果较CK2好，干物质损失率高于CK2，这可能是由于CK1 是加入灭菌的土壤浸提液，除接种的娄彻氏链霉菌外并没有其他微生物竞争，而土壤浸提液中有丰富的矿物质、微量元素为娄彻氏链霉菌利用，加快了秸秆的降解。叶片的干物质损失率明显高于其他组，这与叶片的结构和成分^[19]有着重要关系，相比其他部位，叶片的质地最松软，含脂肪和蛋白质较多且其木质素含量明显低于其他处理组，最容易为微生物腐解。叶鞘包围着茎和叶的基部，其干物质损失率明显低于叶片。茎的腐解速率较其他麦秸部位都慢，是麦秸中最难降解的部分，在秸秆还田腐解菌剂接种时，应优先将菌剂接种到麦秸的茎部。麦秸各部位降解速率依次为叶片跃叶鞘跃穗轴跃根跃茎。

图 1 麦秸不同部位腐解中干物质损失率动态变化 Figure 1 The dynamic changes of dry matter loss rate duringdecomposing process of different parts of wheat straw

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纤维素酶是水解酶的一种，它可以将麦秸中较难水解的纤维素水解为纤维二糖，进而分解为葡萄糖以便于微生物利用^[20]，所以纤维素酶活力的变化可以反映降解过程中有机物的降解情况，可间接判断麦秸中有机碳的含量变化情况^[21]。如图 2 所示，除了叶片和CK2 的纤维素酶活力在第3 d 和第16 d出现2个波峰，其他几组处理均只出现1个波峰，且波动幅度不大。整体来看，各处理纤维素酶活力变化趋势为先缓慢增加，然后在11 d急速增加，第16 d达到最大值，接着急速减少，最后缓慢递减。由于麦秸不同部位结构、营养元素含量不同，被微生物利用的难易程度不同^[21]，其纤维素酶活力有所不同，最终产生的纤维素酶的量也不同。所有处理的纤维素酶活力均在第16 d达到最大值，麦秸不同部位纤维素酶活力的大小为：叶片跃叶鞘跃穗轴跃根跃茎。其中叶片的纤维素酶活力在第16d 高达2.53 U·mL^-1，而茎的纤维素酶活力只有0.85U·mL^-1。另外，纤维素酶活力的变化与微生物的数量及种类有关，不同的降解菌，产酶特性不同^[22]，如对照组CK1 纤维素酶活力整体显著高于CK2，CK2 中添加的是未灭菌的土壤浸提液，所以其微生物数量和种类均比CK1 丰富，但其纤维素酶活力却低于CK1，这也说明了系统中存在着土著微生物与接种菌间存在着竞争，降低了接种菌的功能，这表明，在生产实践中应保证一定接种量，才能发挥腐熟菌剂接种的效果。

图 2 麦秸不同部位腐解过程中纤维素酶活力的动态变化 Figure 2 The dynamic changes of cellulose enzyme activity duringdecomposing process of different parts of wheat straw

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图 3 为麦秸不同部位腐解过程中放线菌对数值的动态变化。培养前5 d 各处理的放线菌数量急剧下降，随后大量有机物的溶出促进了微生物的生长利用，在第11 d出现1 个小高峰，随后，可能由于微生物的代谢速率大于秸秆有机物的溶出速率，在第16 d放线菌数量又出现了大幅度的减少，之后有机物中易利用有机碳消耗殆尽，第20 d后放线菌数量再次急剧下降。从对照组来看，培养前11 d，CK1 的放线菌数量一直高于CK2，随后CK2 的放线菌数量慢慢超过了CK1。土壤是微生物资源最为丰富的宝藏^[23]，韩新忠等^[24]的研究表明麦秸还田后土壤微生物的总量急剧上升，而且以细菌和放线菌为主，所以CK2 的放线菌数量在前15 d仅次于叶片的放线菌数量，且在15 d后放线菌数量最多。另外，由于麦秸不同部位的组成和结构不同^[19]，有机物溶出的速率也不相同，可以看出各处理的放线菌数量也有很大差异，叶片的放线菌数量明显高于麦秸其他部位，叶鞘次之，根的放线菌数量最少。

图 3 麦秸不同部位腐解过程中放线菌数量对数值的动态变化 Figure 3 The dynamic changes of the concentration ofnumerical of actinomycetes during decomposing processof different parts of wheat straw

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秸秆主要由粗纤维和少量的碳水化合物、脂肪、粗蛋白等易降解的物质组成。粗纤维约占秸秆的70%~80%，主要包括纤维素、半纤维素和木质素等^{[25, 26]}。纤维素的结晶区通常是微生物和酶难以接触进入的区域，是限制秸秆中纤维素有效降解的首要因素，所以结晶度（CrI）经常用作表征生物质水解和生物降解程度的参数^[16]。

由表 2可以看出，麦秸不同部位的半纤维素、纤维素及木质素含量有很大的差异^[27]，不同处理间差异明显（P<0.05）。不同部位纤维含量从高到低排列依次为：半纤维素含量：茎>根>叶鞘>叶片>穗轴；纤维素含量：穗轴>茎>根>叶鞘>叶片；木质素含量：根>茎>穗轴>叶鞘>叶片。

表 2 麦秸不同部位腐解前后半纤维素、纤维素及木质素的变化 Table 2 The changes of hemicellulose,cellulose and lignin of different parts of wheat straw before and after decomposition

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腐解过程中，麦秸半纤维素、纤维素和木质素含量均有所降低。虽然穗轴中纤维素含量最高，半纤维素含量最低，但腐解前后其半纤维素腐解率最小，木质素腐解率最大。茎中半纤维素含量最高，纤维素和木质素含量也较高，但在腐解前后其纤维素腐解率最小。根中木质素含量最高，但其腐解率最小。虽然与麦秸其他部位相比，叶鞘中纤维素与木质素含量均不高，但其纤维素和木质素的腐解率在麦秸不同部位中均排第二。而叶片中纤维素和木质素含量均为最少，且其半纤维素含量也不高，但其半纤维素及纤维素的腐解率均为最大，不同部位中3 种纤维组分降解速率呈现出无规律性变化。因此，从纤维组分的分析结果可以粗略判定，叶片最容易降解，叶鞘次之，根、茎最难降解，且麦秸不同部位的木质素含量越高，越难腐解；对照组，CK1的半纤维素、纤维素及木质素相对减少量明显高于CK2，这与前面干物质损失率的结果一致。

结晶度作为描述纤维素超分子结构的一个重要参数，与木质素、纤维素和半纤维素含量密切相关^[17]。由图 4 可以看出，麦秸不同部位的结晶度有所不同，叶片、叶鞘、穗轴、茎、根的结晶度分别为46.13%、49.99%、52.47%、56.51%、51.18%。穗轴、茎和根，由于其木质化程度较高，纤维素分子排列较紧密，形成的纤维素结晶区比例也较高，从而使其纤维素的结晶度也很高。经过27 d腐解，由于微生物的降解作用，麦秸纤维素结晶区和无定形区均有破坏，而纤维素具有的还原性末端基的葡萄糖基会逐个水解，直到纤维素末端基转化为偏变糖酸基的反应稳定为止，这种反应主要发生在纤维素的无定形区^[28]，另外，纤维素结晶区也可能发生了重结晶作用，结果出现了无定形区衍射峰强度减弱，结晶区衍射峰增强的现象，导致麦秸不同部位的纤维素的结晶程度均有所增加^[29]，不同部位的相对结晶度增加幅度为：叶片>穗轴>茎>叶鞘>根，可见麦秸不同部位结晶度的变化规律和三素含量的变化略有不同，随部位的不同，呈现波动趋势。对照组CK1 的相对结晶度增加量明显高于CK2。

图 4 麦秸不同部位腐解前后纤维素结晶度的变化 Figure 4 The changes of the degree of crystallinity of cellulose ofdifferent parts of wheat straw before and after decomposition

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麦秸在降解过程中会产生一些酚酸类物质，这类酚酸物质的变化会直接影响到微生物的种群数量和微生物的纤维素酶活性，最终将影响微生物对营养元素的吸收利用^[30]。如图 5 所示，本试验7 个不同处理总酚酸含量变化趋势为前3 d急剧增加，随着纤维素酶活在第16 d达到了最大值，总酚酸含量又大幅度增加，并在第21 d达到最大值，随后由于易利用有机物消耗殆尽，总酚酸含量急剧下降。其中，叶片的总酚酸含量明显高于其他组，且在第21 d其总酚酸含量高达190.47 mg·L^-1。穗轴的总酚酸含量仅次于叶片，略高于叶鞘。茎和根的总酚酸含量较其他组略低。对照组前期CK1 和CK2 的总酚酸含量基本相同，第16d 后CK1的总酚酸含量略高于CK2，这可能与放线菌数量变化有关。

图 5 麦秸不同部位腐解过程中总酚酸含量的动态变化 Figure 5 The dynamic changes of total phenolic acid duringdecomposing process of different parts of wheat straw

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本文运用SPSS 中的Pearson 相关分析方法研究了各测定指标之间的相关性。如表 3 所示：干物质损失率与纤维素酶活力呈极显著正相关（P<0.01），且干物质损失率与总酚酸在0.05 水平（双侧）上呈显著正相关（r=0.799*，P<0.05），而干物质损失率与放线菌数量对数值无显著关系。另外，纤维素酶活力与总酚酸呈极显著正相关（r=0.891**，P<0.01）。

表 3 各测试指标相关性分析结果 Table 3 The regression analysis results of the tested index

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试验以整株秸秆设计了2 个对照组，对照组CK1纤维素酶活力整体显著高于CK2，CK2中添加的是未灭菌的土壤浸提液，虽然其微生物数量和种类均比CK1 丰富，但其纤维素酶活力却低于CK1。总体来看，对照组CK1 的干物质损失率及其他指标的处理效果均优于CK2，说明试验菌种具有一定的降解优势，这与钱玉婷^[27]的研究结果一致，同时系统中存在着土著微生物与接种菌间存在着竞争，导致试验菌的功能有所降低，所以在生产实践中应保证一定的接种量，才能发挥腐熟菌剂接种的效果。

由试验分析结果可知，叶片最容易腐解，叶鞘次之，根、茎最难腐解，且不同部位的木质素含量越高越难腐解^[20]，整体来看麦秸不同部位腐解速率快慢为：叶片>叶鞘>穗轴>根>茎，其中茎的腐解速度最慢。麦秸不同部位中纤维组分降解速率呈现出无规律性变化，结合结晶度的变化，推测麦秸不同部位其纤维组分的结合形式有所不同，导致其纤维组分降解的快慢有所不同。

相关性分析结果表明：干物质损失率与纤维素酶活力、纤维素酶活力与总酚酸都在0.01 水平上呈极显著正相关，干物质损失率与总酚酸也呈显著正相关，但放线菌数量对数值与其他指标无显著相关性。从分析结果来看，纤维素酶活对各测定指标有很大的影响，而纤维素酶活又与微生物有千丝万缕的联系^[23]，所以虽然相关性的分析结果显示放线菌数量对数值与其他各测定指标间并无显著相关性，在实际应用上我们应该把试验菌的数量及其生理生化特性考虑在内。

经过27 d的腐解，试验所用菌种有一定的降解优势，麦秸不同器官腐解速率快慢为：叶片>叶鞘>穗轴>根>茎。麦秸穗轴、茎、根的腐解速率比较慢且占整株麦秸的比重比较大，根据这一结论在收割的过程中，将接种装置固定在收割机出草口下部，尽可能将接种剂接种到麦秸比重较大的茎和穗轴部位，同时可适当增加腐熟剂接种剂量，便于加快麦秸的腐解。另外麦秸在降解过程中会产生一些酚酸类物质，这类酚酸物质的变化是否会直接影响微生物的种群数量和微生物的纤维素酶活性，还有待进一步研究。