不同還田方式下小麥秸稈的腐解特征及養(yǎng)分釋放規(guī)律

劉單卿，李順義，郭夏麗

(鄭州大學 化工與能源學院，河南 鄭州 450001)

秸稈含有大量有機質(zhì)和植物生長必需的氮、磷、鉀及微量元素，秸稈還田不僅能夠有效增加土壤有機質(zhì)含量[1]，改良土壤，提高土壤酶活性及作物產(chǎn)量[2-3]，而且還能培肥地力，提高土壤養(yǎng)分含量[4-5]，同時可改善磷、鉀化肥不足的現(xiàn)狀[6]。關(guān)于秸稈還田的腐解規(guī)律及其影響因素的研究多有開展。李新舉等[7]在探究土壤深度對還田秸稈腐解速度的影響時發(fā)現(xiàn)，埋深5 cm的秸稈腐解速度最快，埋深15 cm稍慢，覆蓋在表面的最慢，原因可能是覆蓋在表層的秸稈由于土壤水分條件較差而腐解速度較慢。胡宏祥等[8]研究發(fā)現(xiàn)，油菜秸稈在種植水稻條件下表層還田腐解速度最快，還田深度在10 cm時腐解速度最慢，20 cm深還田腐解速度居中，原因可能是水稻田土壤表層始終有水覆蓋，夏季水溫較高，加之表層水溶解氧較高，微生物活躍，因而覆蓋在表層的秸稈分解速度快。此外，秸稈的腐解特征與不同深度的土層環(huán)境密切相關(guān)。岳丹[9]探究不同秸稈種類、耕作措施、添加量、還田深度等因素對秸稈腐解的影響時發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈比小麥秸稈腐解快，且玉米秸稈中碳、氮、鉀的釋放也比小麥秸稈快，玉米秸稈腐解率及養(yǎng)分釋放率土埋處理比表面覆蓋高，傳統(tǒng)耕作下還田深度為10 cm的處理腐解最快，表明秸稈腐解及養(yǎng)分釋放不僅受還田深度影響，還受秸稈種類和耕作方式的影響[10]。

河南省是農(nóng)業(yè)大省，年產(chǎn)秸稈6 000萬～8 000萬t，焚燒秸稈會導致環(huán)境污染、土壤質(zhì)量下降等一系列問題[11]，秸稈還田作為一種農(nóng)田保護方式正在逐漸被廣大農(nóng)民所接受。鑒于此，本研究分析了不同秸稈還田方式下小麥秸稈腐解特征，以期更好地調(diào)控旱作農(nóng)田小麥秸稈還田腐解速度，推進秸稈的循環(huán)利用，為改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境提供科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于許昌縣蘇橋鎮(zhèn)南村石梁河北岸，其基本土壤理化性質(zhì)為：pH值7.38，容重1.18 g/cm3，全氮1.10 g/kg、氨態(tài)氮10.37 mg/kg、硝態(tài)氮36.90 mg/kg、全磷2.27 g/kg、有效磷58.10 mg/kg、全鉀25.98 g/kg、速效鉀240.16 mg/kg、有機質(zhì)11.23 g/kg。

1.2 供試材料

供試秸稈為小麥秸稈，其成分組成及養(yǎng)分含量見表1。

表1 小麥秸稈初始成分組成及養(yǎng)分含量

1.3 試驗設(shè)計與方法

試驗采用尼龍網(wǎng)袋法，于2016年6月19日—9月14日進行秸稈腐解試驗。尼龍網(wǎng)袋孔徑規(guī)格為35 cm×25 cm。將供試小麥秸稈剪切成5 cm左右，稱取烘干的小麥秸稈40.00 g，裝入尼龍袋中封口，播種玉米后分別覆蓋或深埋 (5～10 cm)于壟間。試驗設(shè)置4個處理：秸稈覆蓋還田(T1)、秸稈覆蓋還田+常規(guī)施肥(T2)、秸稈翻埋還田(T3)、秸稈翻埋還田+常規(guī)施肥(T4)，每個處理3次重復。每隔15 d左右取樣，每次取12個尼龍網(wǎng)袋，取回的尼龍網(wǎng)袋用自來水洗凈后烘干稱質(zhì)量。施肥處理的施肥量為N 252 kg/hm2、P2O554 kg/hm2、K2O 54 kg/hm2。

1.4 測定方法

秸稈干質(zhì)量用烘干法測定，烘干溫度為60 ℃，將秸稈烘干、研磨后過0.25 mm篩，測定秸稈組成和養(yǎng)分含量。秸稈用H2SO4-H2O2消煮，采用蒸餾法測定全氮(TN)含量，鉬銻抗比色法測定全磷(TP)含量，火焰光度計法測定全鉀(TK)含量，重鉻酸鉀-油浴法測定全碳(TOC)含量，小麥秸稈樣品中半纖維素、纖維素、木質(zhì)素含量的測定參考王玉萬等[12]的分析方法，按照下列公式計算腐解率、腐解速率、養(yǎng)分釋放率。

腐解率=(M0-Mt)/M0×100%

腐解速率=(M0-Mt)/t

養(yǎng)分釋放率=(M0C0-MtCt)/M0C0×100%

式中：M0為初始秸稈干質(zhì)量，單位g；Mt為腐解時間為t時的秸稈干質(zhì)量，單位g；t為腐解時間，單位d；C0為秸稈原始養(yǎng)分含量(%)，Ct為腐解時間為t時秸稈養(yǎng)分的含量(%)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2003進行數(shù)據(jù)計算分析，采用SPSS 21.0對數(shù)據(jù)進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同還田方式對小麥秸稈腐解特征的影響

秸稈腐解率是秸稈分解的評價標準之一，腐解率越高，腐熟效果越好。由表2可知，在整個腐解過程中，翻埋秸稈的腐解率顯著高于覆蓋秸稈，試驗結(jié)束時，T3、T4分別較T1、T2腐解率提高61.59%、67.50%。隨著時間的推移，不同處理小麥秸稈的腐解率逐漸增大，最終翻埋秸稈腐解率為61.00%～68.34%，覆蓋秸稈腐解率為37.75%～40.80%。秸稈腐解速率隨時間的延長而逐漸減小，15 d時腐解速率最大，后期逐漸減緩，可能是腐解后期秸稈中可溶性有機物減少，剩余部分主要為難分解有機物。而未施氮肥處理的秸稈腐解率和腐解速率低于配施氮肥處理，但差異不顯著，說明配施氮肥對秸稈腐解的促進作用不明顯。

表2 不同處理小麥秸稈腐解率、腐解速率

注：同列數(shù)據(jù)后不同字母表示不同處理間在0.05水平差異顯著。

2.2 不同還田方式對小麥秸稈養(yǎng)分釋放的影響

由圖1可知，隨著腐解時間的延長，不同處理秸稈的氮、磷、鉀釋放率逐漸增加。在整個腐解過程中，翻埋秸稈的氮、磷、鉀養(yǎng)分釋放率均高于覆蓋秸稈，這與秸稈腐解率的變化規(guī)律相一致。在腐解30 d 內(nèi)，氮、磷元素釋放速率較高，氮、磷釋放量分別占釋放總量的63.25%、63.10%。鉀在前45 d內(nèi)保持較高水平的釋放速率，鉀釋放量占釋放總量的70.05%。3種元素中，鉀釋放率最大，為81.60%～88.61%，其次是磷元素，為61.98%～74.71%，氮釋放率最低，為49.72%～63.84%，表明在秸稈腐解過程中，鉀相對于氮、磷更易釋放。

圖1 不同處理小麥秸稈養(yǎng)分釋放特征

2.3 不同還田方式對小麥秸稈C/N的影響

由圖2可知，不同處理的C/N隨著腐解時間的延長而逐漸降低。在小麥秸稈腐解的前45 d內(nèi)，各處理小麥秸稈的C/N均在30以上，而微生物生長的適宜C/N為18～28，因此,在小麥秸稈腐解前期，為避免秸稈生物降解與作物生長發(fā)生氮素競爭，秸稈還田一般需要配施一定量的氮肥。在秸稈腐解后期，碳素主要以木質(zhì)素形態(tài)存在，雖然秸稈C/N接近或處于微生物生長的適宜范圍，但是木質(zhì)素形態(tài)的碳素難以被微生物利用，因此,秸稈腐解速率變慢。

圖2 不同處理小麥秸稈C/N變化特征

2.4 不同還田方式對小麥秸稈主要成分含量的影響

由圖3可知，在腐解過程中，纖維素、半纖維素、木質(zhì)素腐解規(guī)律與秸稈腐解一致，即3種成分的腐解率隨時間延長逐漸增加。覆蓋秸稈(T1)纖維素、半纖維素、木質(zhì)素腐解率分別為47.89%、70.46%、24.51%，翻埋秸稈(T3)纖維素、半纖維素、木質(zhì)素腐解率分別為60.61%、84.64%、36.58%，覆蓋秸稈+常規(guī)施肥(T2)纖維素、半纖維素、木質(zhì)素腐解率分別為50.87%、75.48%、26.27%，翻埋秸稈+常規(guī)施肥(T4)纖維素、半纖維素、木質(zhì)素腐解率分別為61.16%、85.03%、37.30%。T1 纖維素、半纖維素、木質(zhì)素腐解率較T3降低27.64%、20.12%、49.25%(P<0.05)，T2 纖維素、半纖維素、木質(zhì)素腐解率較T4降低20.22%、12.65%、41.98%(P<0.05)。且30 d后，翻埋秸稈木質(zhì)素腐解率增幅高于覆蓋還田，表明翻埋還田方式對于木質(zhì)素降解有明顯的促進作用，而氮肥的施用對秸稈組成成分的降解沒有顯著影響。腐解結(jié)束后，各處理纖維素腐解率為47.89%～61.16%，半纖維素為70.46%～85.03%，木質(zhì)素為24.51%～37.30%。

圖3 不同還田方式小麥秸稈主要成分腐解特征

3 結(jié)論與討論

盧秉林等[13]對玉米秸稈不同還田方式腐解特征進行研究，劉世平等[14]對水稻秸稈不同還田方式腐解特征進行研究，結(jié)果均證實翻埋秸稈處理腐解速率高于秸稈覆蓋處理，本研究得出相似的結(jié)論，即土壤微生物在秸稈腐解中起主要作用[15-16]。覆蓋還田的秸稈由于陽光照射以及水分揮發(fā)，微生物難以在其上定殖，相對于覆蓋還田，翻埋還田增加了土壤與秸稈的接觸面積，也增加了土壤微生物與秸稈的接觸，同時土壤深層保存有適宜的水分，更能促進秸稈降解菌的降解活性，促進小麥秸稈的降解[17]。

還田秸稈的腐解與土壤環(huán)境和秸稈自身組成、結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[18]，秸稈含有少量的易降解有機質(zhì)，在秸稈腐解初期，土壤中微生物可利用易降解有機質(zhì)為碳源和能源進行快速生長，導致纖維素、木質(zhì)素復雜結(jié)構(gòu)破壞[19-20]，這也是秸稈前期快速腐解的原因之一。隨著腐解時間的延長，秸稈中易腐解的物質(zhì)逐漸減少，難降解有機質(zhì)比例增大，秸稈的腐解速率也隨之減緩。秸稈養(yǎng)分的釋放速率取決于養(yǎng)分元素的存在形式，鉀元素在秸稈中70%以水溶態(tài)存在，少部分以有機態(tài)形式存在，磷元素的60%是以離子形式存在的，而氮元素主要以木質(zhì)素有機態(tài)形式存在。本研究中，鉀釋放速率最高，氮最低，這與閆超[21]的研究結(jié)果一致。各處理的小麥秸稈腐解速率、組成成分降解、養(yǎng)分釋放均呈現(xiàn)出前期快、后期慢的趨勢，且翻埋還田處理高于覆蓋還田處理，這與李逢雨等[22]研究結(jié)果相似。本研究施肥處理對秸稈腐解速率及養(yǎng)分釋放影響不顯著，可能原因是田間施肥方式所致。試驗田采用種肥同施，即玉米種子與顆粒復合肥同時穴施，導致尼龍網(wǎng)袋里的秸稈與所施肥料不能充分結(jié)合，造成影響不顯著的結(jié)果，在以后的試驗中，應充分考慮和妥善解決此問題，使得尼龍網(wǎng)袋法更能真實反映土壤實際情況。

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