不同還田方式對玉米秸稈腐解及土壤養(yǎng)分含量的影響*

田 平, 姜 英, 孫 悅, 馬梓淇, 隋鵬祥, 梅 楠, 齊 華

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不同還田方式對玉米秸稈腐解及土壤養(yǎng)分含量的影響*

田 平, 姜 英, 孫 悅, 馬梓淇, 隋鵬祥, 梅 楠, 齊 華**

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 沈陽 110866)

通過土壤耕作和秸稈還田試驗, 以玉米秸稈為研究對象, 探討東北棕壤土區(qū)適宜的秸稈還田方式, 為秸稈資源的高效利用提供理論依據(jù)。在遼寧沈陽設(shè)置連續(xù)兩年(2014—2015年)的田間定位試驗, 采用尼龍網(wǎng)袋法研究免耕覆蓋(NTS)、旋耕還田(RTS)和翻耕還田(PTS)3種秸稈還田方式下秸稈腐解率和碳氮磷鉀養(yǎng)分釋放率, 分析秸稈還田方式對耕層土壤養(yǎng)分含量的影響。結(jié)果表明, RTS和PTS秸稈腐解速率均表現(xiàn)為前期快、后期慢, 秸稈養(yǎng)分釋放率均表現(xiàn)為鉀>磷>碳>氮。NTS、RTS和PTS處理秸稈兩年平均腐解率分別為38.8%、78.0%、65.9%, 兩年平均碳釋放率分別為56.5%、78.8%、69.4%, 氮釋放率為16.7%、53.5%、38.8%, 磷釋放率為81.3%、92.5%、89.8%, 鉀釋放率為92.0%、99.4%、98.9%。NTS處理秸稈腐解率及碳氮釋放率與還田時間符合邏輯斯蒂曲線方程, RTS和PTS處理秸稈腐解率、碳氮釋放率及3種還田方式秸稈磷鉀釋放率隨還田時間變化符合米氏方程。秸稈還田有助于提高耕層土壤有機碳和全氮含量, RTS處理土壤全磷含量顯著高于PTS處理(<0.05), 與NTS處理全磷含量差異不顯著, 3種還田方式土壤全鉀含量差異不顯著。綜合分析秸稈腐解和耕層土壤培肥效果, 東北棕壤土區(qū)建議玉米秸稈還田方式為旋耕秸稈還田。

秸稈還田; 耕作方式; 秸稈腐解率; 養(yǎng)分釋放; 土壤有機碳; 土壤養(yǎng)分

中國是世界第一秸稈大國, 秸稈總量占全球的17.3%[1], 現(xiàn)年產(chǎn)量已突破9億t[2], 2013年全國玉米()秸稈總產(chǎn)量為2.4億t, 居各類農(nóng)作物產(chǎn)量之首[3]。農(nóng)作物秸稈作為一類生物質(zhì)資源, 含有豐富的氮磷鉀元素卻沒有得到合理的利用, 大量的秸稈被焚燒、丟棄, 不僅造成了資源浪費, 還嚴重污染環(huán)境, 現(xiàn)已成為社會關(guān)注的熱點問題。東北地區(qū)制約秸稈還田一個重要因素就是秸稈腐解慢的問題。

前人對秸稈腐解進行了大量研究, 得出秸稈腐解均呈前期快、后期慢的變化規(guī)律[4-6]。作物秸稈種類、碳氮比、干濕程度以及土壤溫度、降水條件都會影響作物秸稈在土壤中的腐解率和養(yǎng)分變化[7]。江曉東等[8]研究4種耕作方式下玉米秸稈腐解規(guī)律, 結(jié)果表明秸稈腐解與溫度具有顯著的正相關(guān)性。張宇等[9]研究發(fā)現(xiàn), 不同耕作方式下玉米秸稈腐解與相應(yīng)層次的土壤含水量具有顯著的正相關(guān)關(guān)系。張紅等[10]研究發(fā)現(xiàn), 不同秸稈處理的腐解殘留率與土壤微生物群落的優(yōu)勢度呈顯著負相關(guān), 微生物群落在一定程度上影響了秸稈分解的速率。隨著腐解的進行, 秸稈中養(yǎng)分逐漸釋放。大量研究結(jié)果表明, 秸稈中養(yǎng)分累計釋放率為鉀>磷>碳>氮[11-12]; 但也有研究表明[13], 作物秸稈腐解過程中磷的釋放率最大, 其次是氮鉀。不同作物秸稈的累計腐解率及養(yǎng)分釋放率差異較大, 這可能與秸稈內(nèi)部結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分含量、外界環(huán)境及還田方式不同有關(guān)。

秸稈還田是土壤培肥的重要途徑[14-16]。矯麗娜等[17]研究結(jié)果表明, 增加秸稈還田深度, 有利于土壤有機碳的積累; 成臣等[18]研究秸稈還田條件下, 土壤有機碳、全氮、速效鉀和有效磷均呈增加的趨勢。前人在不同種植方式下研究秸稈腐解, 并已經(jīng)取得大量可靠的結(jié)果, 其中以不同的作物及不同還田量處理下秸稈的腐解研究較多, 而不同還田方式下秸稈腐解特征的研究較少, 且將秸稈腐解進行定量化分析的結(jié)果少見報道。針對以上問題, 本文通過設(shè)置免耕覆蓋、旋耕和翻耕3種秸稈還田方式, 研究秸稈腐解率、養(yǎng)分釋放率及對土壤養(yǎng)分含量的影響, 揭示不同還田方式下秸稈腐解及土壤養(yǎng)分變化的差異, 為提高東北棕壤區(qū)秸稈資源利用率提供理論依據(jù), 同時提出適宜東北棕壤土區(qū)的秸稈還田方式。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2014—2015年連續(xù)兩年在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗基地進行。供試土壤為棕壤土。耕層土壤有機碳含量9.79 g·kg-1, 全氮1.05 g·kg-1, 全磷0.85 g·kg-1, 全鉀10.58 g·kg-1, pH 5.77。玉米品種為‘鄭單958’, 分別于2014年5月22日和2015年5月13日播種, 播種時一次性施入氮肥225 kg·hm-2, 磷肥75 kg·hm-2, 鉀肥180 kg·hm-2。試驗地前茬作物為玉米, 耕作方式為平作秸稈不還田。試驗?zāi)攴萁涤昙皽囟缺O(jiān)測數(shù)據(jù)見圖1, 2014年月平均溫度9.4 ℃, 降雨量362.9 mm, 5—6月份降雨量占全年降雨量53.7%; 2015年月平均溫度9.0 ℃, 降雨量558.3 mm, 5—6月份降雨量占全年降雨量41.4%。兩年月平均溫度相近, 但2015年較2014年降雨量增加195.4 mm。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)免耕秸稈覆蓋還田(NTS)、旋耕秸稈還田(RTS)和翻耕秸稈還田(PTS)3個處理, 3次重復(fù), 秸稈還田量為6 000 kg·hm-2。分別于2014年、2015年春季進行土壤耕作和秸稈還田處理, 利用尼龍網(wǎng)袋法研究秸稈腐解特征。還田所用秸稈粉碎長度約2~5 cm, 秸稈基本性質(zhì)見表1。秸稈還田處理前稱取36 g烘干秸稈裝入150目尼龍網(wǎng)袋(20 cm′30 cm)中, 在秸稈還田作業(yè)時置于田間, 3次重復(fù)。田間網(wǎng)袋布設(shè)依據(jù)不同還田方式機械作業(yè)深度確定, 旋耕、翻耕作業(yè)深度分別為15 cm、25 cm。免耕覆蓋秸稈還田處理將網(wǎng)袋平鋪在地表, 旋耕秸稈還田處理將網(wǎng)袋傾斜平鋪于0~15 cm土層, 翻耕秸稈還田處理將秸稈堆積在網(wǎng)袋底部, 埋入25 cm土層處。

圖1 2014—2015年試驗區(qū)降水量及溫度動態(tài)變化

表1 供試秸稈基本性質(zhì)

1.3 測定項目與方法

網(wǎng)袋秸稈自還田后每30 d取1次樣, 每次取3袋為3次重復(fù), 玉米生長期共取樣5次。取樣后將樣品洗凈、置于烘箱內(nèi)70 ℃烘干至恒重。采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定秸稈全碳含量; 秸稈經(jīng)濃硫酸-過氧化氫消煮后, 全自動凱氏定氮儀(FOSS)測定全氮含量; 鉬銻抗比色法測定全磷含量; 火焰光度計法測定全鉀含量。于玉米收獲后利用直徑5 cm的土鉆采集土壤樣品, 取樣深度為0~15 cm和15~25 cm, 共2層, 3次重復(fù)。土壤樣品室內(nèi)風(fēng)干后磨細通過100目篩。有機碳含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定; 土壤樣品經(jīng)濃硫酸-硫酸銅-硫酸鉀消煮后, 全自動凱氏定氮儀(FOSS)測定全氮含量; 土壤樣品經(jīng)氫氧化鈉熔融, 鉬銻抗比色法測定全磷含量, 火焰光度計法測定全鉀含量[19]。秸稈腐解率、養(yǎng)分釋放率分別利用方程(1)、(2)計算[20]。

式中:0為加入秸稈干重(g);M為腐解時間為時的秸稈干重(g);為腐解時間(d);0為秸稈原始養(yǎng)分含量,C為腐解時間為時秸稈養(yǎng)分含量。

通過秸稈腐解率及碳、氮、磷、鉀釋放率與還田時間分別利用方程(3)、(4)進行回歸分析。

式中:(%)為秸稈腐解率(碳、氮、磷、鉀釋放率),為還田后時間(d),0、1、2均為方程參數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

運用Microsoft Excel 2010和Origin 8.0對數(shù)據(jù)進行分析及作圖, 運用DPS對秸稈腐解率、碳、氮、磷、鉀養(yǎng)分釋放率隨時間變化進行方程模擬, 采用最小顯著法(LSD)檢驗試驗數(shù)據(jù)的差異顯著性水平(<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同還田方式的秸稈腐解率與碳釋放率

由秸稈腐解率變化趨勢可以看出(圖2), RTS處理腐解率高于PTS和NTS, 兩年趨勢一致。NTS處理秸稈腐解率0~60 d為2014年高于2015年, 60~150 d為2014年低于2015年, 當(dāng)年最終腐解率分別為34.4%和43.2%, 2015年秸稈累計腐解率高于2014年20.4%。RTS和PTS處理2014年、2015年快速腐解期均為0~30 d, 30~150 d為緩慢腐解期, 30 d時RTS和PTS處理秸稈腐解率2014年為50.8%和34.6%, 2015年為54.3%和39.9%, 150 d時RTS和PTS處理秸稈腐解率2014年為80.4%和71.7%, 2015年為75.6%和60.1%, RTS和PTS處理2014年秸稈累計腐解率高于2015年6.0%和16.2%。至試驗結(jié)束, 3種還田方式下, 在2014年和2015年, RTS處理秸稈腐解率較PTS、NTS處理分別增加10.8%、57.2%和20.5%、42.9%。

圖2 不同還田方式玉米秸稈腐解率

NTS: 免耕秸稈覆蓋還田; RTS: 旋耕秸稈還田; PTS: 翻耕秸稈還田。NTS: no tillage with straw mulching; RTS: straw incorporation through rotary tillage; PTS: straw incorporation through plow tillage.

秸稈碳釋放率(圖3)與秸稈腐解率變化趨勢相同, 2014年NTS處理0~60 d秸稈全碳釋放率較高, 60 d時碳釋放率為48.2%, 至試驗結(jié)束碳釋放率為57.5%; 2015年NTS處理60~120 d秸稈全碳釋放率較高, 時間遲于2014年, 120 d時碳釋放率為52.8%, 至試驗結(jié)束碳釋放率為55.4%, 兩年最終秸稈碳釋放率接近。RTS、PTS還田方式秸稈碳快速釋放期均為0~30 d, 且兩年規(guī)律一致, 2014年RTS、PTS在30 d時碳釋放率分別為59.1%和38.7%, 至試驗結(jié)束, 秸稈碳釋放率分別為81.3%和77.2%; 2015年RTS、PTS在30 d時碳釋放率分別為54.8%和36.2%, 至試驗結(jié)束, 秸稈碳釋放率分別為77.8%和66.8%。至試驗結(jié)束, 3種還田方式下, 在2014年和2015年, RTS處理秸稈全碳釋放率較PTS、NTS處理分別增加5.0%、29.2%和14.1%、28.8%。

圖3 不同還田方式玉米秸稈碳釋放率

NTS: 免耕秸稈覆蓋還田; RTS: 旋耕秸稈還田; PTS: 翻耕秸稈還田。NTS: no tillage with straw mulching; RTS: straw incorporation through rotary tillage; PTS: straw incorporation through plow tillage.

2.2 不同還田方式的秸稈氮、磷和鉀釋放率

由不同還田方式秸稈中氮釋放率(圖4)可以看出, 3種還田方式下秸稈氮釋放率兩年趨勢一致。秸稈全氮釋放率RTS高于PTS和NTS, 2014年3種還田方式秸稈全氮無明顯快速釋放期, 至試驗結(jié)束NTS、RTS、PTS還田方式秸稈全氮釋放率分別為8.3%、55.6%、39.6%; 2015年NTS還田方式全氮釋放率變化趨勢與2014年一致, 至試驗結(jié)束全氮釋放率為24.5%, 較2014年增加66.2%, RTS、PTS還田方式0~30 d為全氮快速釋放期, 釋放率分別為41.9%、34.3%, 至試驗結(jié)束全氮釋放率分別為53.9%、39.5%, 兩年最終秸稈氮釋放率接近。至試驗結(jié)束, 3種還田方式下, 在2014年和2015年, RTS處理秸稈全氮釋放率較PTS、NTS處理分別增加28.7%、85.1%和26.8%、54.7%。

圖4 不同還田方式玉米秸稈氮釋放率

NTS: 免耕秸稈覆蓋還田; RTS: 旋耕秸稈還田; PTS: 翻耕秸稈還田。NTS: no tillage with straw mulching; RTS: straw incorporation through rotary tillage; PTS: straw incorporation through plow tillage.

3種還田方式秸稈全磷釋放率均為2014年高于2015年(圖5), 且快速釋放期均為0~30 d。2014年30 d時NTS、RTS、PTS還田方式秸稈全磷釋放率為82.6%、89.0%、81.0%, 至試驗結(jié)束釋放率達84.5%、95.5%、90.5%; 2015年30 d時NTS、RTS、PTS還田方式秸稈全磷釋放率為72.0%、86.7%、85.2%, 至試驗結(jié)束釋放率分別達74.0%、89.5%、87.3%。3種還田方式下, 在2014年和2015年, RTS處理秸稈全磷釋放率較PTS、NTS處理分別增加5.0%、11.5%和2.5%、17.3%。

圖5 不同還田方式玉米秸稈磷釋放率

NTS: 免耕秸稈覆蓋還田; RTS: 旋耕秸稈還田; PTS: 翻耕秸稈還田。NTS: no tillage with straw mulching; RTS: straw incorporation through rotary tillage; PTS: straw incorporation through plow tillage.

3種還田方式秸稈全鉀釋放率兩年趨勢相同(圖6), 快速釋放期均為0~30 d, 且2015年全鉀釋放率高于2014年。2014年30 d時NTS、RTS、PTS還田方式秸稈全鉀釋放率為86.8%、97.3%、84.6%, 至試驗結(jié)束釋放率達89.4%、99.7%、95.4%; 2015年30 d時NTS、RTS、PTS還田方式秸稈全鉀釋放率為88.0%、99.3%、98.9%, 至試驗結(jié)束釋放率達92.3%、99.3%、99.6%。2014年RTS全鉀釋放率高于PTS, 但2015年兩處理結(jié)果相近。

2.3 不同還田方式的秸稈腐解及養(yǎng)分釋放規(guī)律

還田方式間的秸稈腐解及養(yǎng)分釋放隨還田時間變化規(guī)律不盡相同。NTS秸稈腐解率及碳、氮釋放率與還田時間符合Logistic曲線方程(方程3); 不同還田方式的秸稈磷、鉀釋放率及RTS、PTS兩個處理的秸稈腐解率及碳和氮釋放率, 隨還田時間變化規(guī)律則均符合Michaelis-Menten方程(方程4)。上述模擬方程均擬合良好(表2), 且降雨量差異明顯的兩年試驗結(jié)果呈高度一致性, 真實反映了該區(qū)域不同還田方式秸稈腐解及養(yǎng)分釋放隨還田后時間變化的一般規(guī)律。

圖6 不同還田方式玉米秸稈鉀釋放率

NTS: 免耕秸稈覆蓋還田; RTS: 旋耕秸稈還田; PTS: 翻耕秸稈還田。NTS: no tillage with straw mulching; RTS: straw incorporation through rotary tillage; PTS: straw incorporation through plow tillage.

表2 不同還田方式玉米秸稈腐解率及養(yǎng)分釋放率曲線特征參數(shù)

NTS: 免耕秸稈覆蓋還田; RTS: 旋耕秸稈還田; PTS: 翻耕秸稈還田。NTS: no tillage with straw mulching; RTS: straw incorporation through rotary tillage; PTS: straw incorporation through plow tillage.

表3 不同秸稈還田方式下不同深度土壤養(yǎng)分含量

NTS: 免耕秸稈覆蓋還田; RTS: 旋耕秸稈還田; PTS: 翻耕秸稈還田。不同小寫字母表示不同還田方式間差異顯著(<0.05)。NTS: no tillage with straw mulching; RTS: straw incorporation through rotary tillage; PTS: straw incorporation through plow tillage. Different lowercase letters indicate significant difference among different straw-returning methods at< 0.05.

2.4 不同還田方式的土壤養(yǎng)分含量

由不同還田方式下土壤養(yǎng)分含量(表3)可以看出, 2015年土壤有機碳、全氮含量與2014年相比呈增加趨勢, 而土壤全磷、全鉀含量兩年結(jié)果差異不明顯。RTS處理顯著提高0~15 cm土壤有機碳和全氮含量, 2014年RTS處理較PTS和NTS處理0~15 cm有機碳含量顯著提高19.1%和13.4%, 全氮含量提高20.0%和17.6%; 2015年RTS處理較PTS和NTS處理0~15 cm有機碳含量顯著提高4.1%和13.4%, 全氮含量提高22.4%和15.4%。PTS處理顯著提高15~25 cm土壤有機碳和全氮含量, 2014年P(guān)TS處理較RTS和NTS處理15~25 cm有機碳含量顯著提高15.7%和10.7%, 全氮含量提高8.9%和8.9%; 2015年P(guān)TS處理較RTS和NTS處理15~25 cm有機碳含量顯著提高19.6%和15.5%, 全氮含量提高15.0%和18.9%。土壤0~15 cm和15~25 cm土層全磷含量RTS處理顯著高于PTS, 2014年RTS處理較PTS處理0~15 cm全磷含量高7.5%, 15~25 cm高9.0%; 2015年RTS處理較PTS處理0~15 cm全磷含量高7.6%, 15~25 cm高4.6%, 而RTS處理土壤全磷含量與NTS間差異不顯著, 各處理間全鉀含量差異不顯著。

3 討論

連續(xù)2年的試驗結(jié)果表明, 旋耕和翻耕還田秸稈腐解表現(xiàn)前期快后期慢的特征, 與多數(shù)研究結(jié)果一致[4-6,21]。3種還田方式下, 旋耕秸稈還田處理秸稈累計腐解率顯著高于翻耕秸稈還田和免耕秸稈還田, 其土壤環(huán)境有利于秸稈的腐解, 且土埋處理秸稈組織結(jié)構(gòu)的破壞程度大于露天處理[22], 這與秸稈翻埋比覆蓋腐解速度快的研究結(jié)果一致[23]。免耕秸稈還田處理, 秸稈暴露在空氣中, 缺乏與土壤和水分的充分接觸, 土壤酶和微生物活性較低, 秸稈的腐解強度較小。旋耕秸稈還田處理, 秸稈與土壤充分混拌、土壤通氣透水性好, 0~20 cm溫度高于免耕覆蓋[8], 有利于土壤微生物對秸稈的分解活動, 從而促進了秸稈的腐解。王景等[24]采用室內(nèi)模擬培養(yǎng)的方法, 研究了水稻()和玉米秸稈在好氣和厭氧條件下的腐解狀況, 結(jié)果表明好氣培養(yǎng)條件有利于作物秸稈降解和營養(yǎng)物質(zhì)的釋放。本文翻耕秸稈還田處理下, 由于單位土體秸稈密度較高, 且集中分布于25 cm土層處, 其腐解條件趨于嫌氣狀況, 故其秸稈腐解率低于旋耕秸稈還田處理。2014年免耕秸稈還田處理秸稈腐解率低于2015年, 這可能與2015年降水量高于2014年有關(guān), 免耕條件下秸稈在地表, 吸收更多的水分以利于腐解, 旋耕和翻耕秸稈還田處理秸稈腐解率為2014年高于2015年, 分析認為旋耕和翻耕條件下秸稈放置在土壤中, 較高的土壤水分條件不利于秸稈腐解。

隨著腐解的進行, 秸稈中養(yǎng)分逐漸釋放, 秸稈中養(yǎng)分的釋放規(guī)律與秸稈腐解率相同, 均為旋耕還田養(yǎng)分釋放率高于翻耕還田和免耕覆蓋還田。不同還田方式下玉米秸稈養(yǎng)分釋放率均表現(xiàn)為鉀>磷>碳>氮, 至試驗結(jié)束, 秸稈中有56.4%~81.3%的碳、8.3%~55.6%的氮、74.0%~95.5%的磷、89.4%~99.7%的鉀被釋放出來, 養(yǎng)分的釋放與其在秸稈中的存在狀態(tài)有關(guān)[6]: 秸稈中鉀以離子態(tài)存在, 易于分解釋放; 60%以上的磷以離子態(tài)存在, 其他部分以有機態(tài)形式為主, 但根系分泌的有機酸能夠促進磷元素的分解和釋放; 碳氮主要以難溶的有機態(tài)存在, 在自然狀態(tài)下分解較慢, 釋放率低。除養(yǎng)分的存在狀態(tài)以外, 氣候和土壤條件主導(dǎo)了氮磷元素的釋放, 而在腐解后期(2~3 a), 土壤生物因子對秸稈養(yǎng)分釋放起到了主導(dǎo)作用[25]。隨著腐解的進行, 玉米秸稈全鉀釋放率達到90%以上, 適當(dāng)減少鉀肥施入量或鉀肥施入時間后移[5,26], 是提高資源利用效率的最佳耕作方式。

秸稈還田促進團粒結(jié)構(gòu)形成, 提高土壤水穩(wěn)性團聚體含量, 改善土壤通透性和保肥保水性[27], 旋耕秸稈還田和翻耕秸稈還田, 增加了表層土壤有機碳和全氮含量[28], 支持本文研究結(jié)果。旋耕和翻耕還田秸稈全磷釋放率差異不明顯, 但旋耕還田耕層土壤全磷含量顯著高于翻耕還田, 土壤全磷含量與秸稈全磷釋放的關(guān)系還需進一步深入研究, 各處理秸稈全鉀釋放趨勢相同, 但土壤全鉀含量差異不顯著。

4 結(jié)論

本試驗中, 旋耕秸稈還田處理秸稈腐解率顯著高于翻耕秸稈還田和免耕覆蓋還田。秸稈中養(yǎng)分釋放率表現(xiàn)為鉀>磷>碳>氮, 且旋耕還田處理有99%以上的鉀素釋放, 玉米應(yīng)減少鉀肥施用量或施用時間后移, 提高鉀肥利用效率。旋耕秸稈還田可提高耕層土壤有機碳、全氮、全磷含量, 而各處理間全鉀含量差異不顯著。因此從還田秸稈腐解情況及土壤培肥效果分析, 在東北棕壤土區(qū)旋耕秸稈還田是適宜的還田模式。

[1] 畢于運, 王亞靜, 高春雨. 中國主要秸稈資源數(shù)量及其區(qū)域分布[J]. 農(nóng)機化研究, 2010, 32(3): 1-7 BI Y Y, WANG Y J, GAO C Y. Straw resource quantity and its regional distribution in China[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2010, 32(3): 1-7

[2] 劉曉永, 李書田. 中國秸稈養(yǎng)分資源及還田的時空分布特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2017, 33(21): 1-19 LIU X Y, LI S T. Temporal and spatial distribution characteristics of crop straw nutrient resources and returning to farmland in China[J]. Transactions of the CSAE, 2017, 33(21): 1-19

[3] 左旭, 王紅彥, 王亞靜, 等. 中國玉米秸稈資源量估算及其自然適宜性評價[J]. 中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃, 2015, 36(6): 5-10 ZUO X, WANG H Y, WANG Y J, et al. Estimation and suitability evaluation of corn straw resources in China[J]. Chinese Journal of Agricultural Resources and Regional Planning, 2015, 36(6): 5-10

[4] 李逢雨, 孫錫發(fā), 馮文強, 等. 麥稈、油菜稈還田腐解速率及養(yǎng)分釋放規(guī)律研究[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2009, 15(2): 374-380 LI F Y, SUN X F, FENG W Q, et al. Nutrient release patterns and decomposing rates of wheat and rapeseed straw[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2009, 15(2): 374-380

[5] 武際, 郭熙盛, 王允青, 等. 不同水稻栽培模式和秸稈還田方式下的油菜、小麥秸稈腐解特征[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2011, 44(16): 3351-3360 WU J, GUO X S, WANG Y Q, et al. Decomposition characteristics of rapeseed and wheat straws under different rice cultivations and straw mulching models[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2011, 44(16): 3351-3360

[6] 徐健程, 王曉維, 朱曉芳, 等. 不同綠肥種植模式下玉米秸稈腐解特征研究[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2016, 22(1): 48–58 XU J C, WANG X W, ZHU X F, et al. Study on decomposition of maize straw under different green manure cropping patterns[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2016, 22(1): 48-58

[7] 曹瑩菲, 張紅, 劉克, 等. 不同處理方式的作物秸稈田間腐解特性研究[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報, 2016, 47(9): 212-219 CAO Y F, ZHANG H, LIU K, et al. Decomposition characteristics of crop residues among different agricultural treatments[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(9): 212-219

[8] 江曉東, 遲淑筠, 王蕓, 等. 少免耕對小麥/玉米農(nóng)田玉米還田秸稈腐解的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2009, 25(10): 247-251 JIANG X D, CHI S Y, WANG Y, et al. Effect of less tillage and no-tillage patterns on decomposition of returned maize straw in wheat/maize system[J]. Transactions of the CSAE, 2009, 25(10): 247-251

[9] 張宇, 陳阜, 張海林, 等. 耕作方式對玉米秸稈腐解影響的研究[J]. 玉米科學(xué), 2009, 17(6): 68-73 ZHANG Y, CHEN F, ZHANG H L, et al. Tillage effects of decomposed ratio on corn straw[J]. Journal of Maize Sciences, 2009, 17(6): 68-73

[10] 張紅, 呂家瓏, 曹瑩菲, 等. 不同植物秸稈腐解特性與土壤微生物功能多樣性研究[J]. 土壤學(xué)報, 2014, 51(4): 743-752 ZHANG H, LYU J L, CAO Y F, et al. Decomposition characteristics of different plant straws and soil microbial functional diversity[J]. Acta Pedologica Sinica, 2014, 51(4): 743-752

[11] 岳丹, 蔡立群, 齊鵬, 等. 小麥和玉米秸稈不同還田量下腐解特征及其養(yǎng)分釋放規(guī)律[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境, 2016, 30(3): 80-85 YUE D, CAI L Q, QI P, et al. The decomposition characteristics and nutrient release laws of wheat and corn straws under different straw-returned amount[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2016, 30(3): 80-85

[12] 戴志剛, 魯劍巍, 李小坤, 等. 不同作物還田秸稈的養(yǎng)分釋放特征試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2010, 26(6): 272-276 DAI Z G, LU J W, LI X K, et al. Nutrient release characteristic of different crop straws manure[J]. Transactions of the CSAE, 2010, 26(6): 272-276

[13] 王允青, 郭熙盛. 不同還田方式作物秸稈腐解特征研究[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2008, 16(3): 607-610 WANG Y Q, GUO X S. Decomposition characteristics of crop-stalk under different incorporation methods[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2008, 16(3): 607-610

[14] 龐黨偉, 陳金, 唐玉海, 等. 玉米秸稈還田方式和氮肥處理對土壤理化性質(zhì)及冬小麥產(chǎn)量的影響[J]. 作物學(xué)報, 2016, 42(11): 1689-1699 PANG D W, CHEN J, TANG Y H, et al. Effect of returning methods of maize straw and nitrogen treatments on soil physicochemical property and yield of winter wheat[J]. Acta Agronomica Sinica, 2016, 42(11): 1689-1699

[15] YOU D B, TIAN P, SUI P X, et al. Short-term effects of tillage and residue on spring maize yield through regulating root-shoot ratio in Northeast China[J]. Scientific Reports, 2017, 7: 13314

[16] 胡宏祥, 程燕, 馬友華, 等. 油菜秸稈還田腐解變化特征及其培肥土壤的作用[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2012, 20(3): 297-302 HU H X, CHENG Y, MA Y H, et al. Decomposition characteristics of returned rapeseed straw in soil and effects on soil fertility[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2012, 20(3): 297-302

[17] 矯麗娜, 李志洪, 殷程程, 等. 高量秸稈不同深度還田對黑土有機質(zhì)組成和酶活性的影響[J]. 土壤學(xué)報, 2015, 52(3): 665-672 JIAO L N, LI Z H, YIN C C, et al. Effect of incorporation of crop straw on composition of soil organic matter and enzyme activity in black soil relative to depth and rate of the incorporation[J]. Acta Pedologica Sinica, 2015, 52(3): 665-672

[18] 成臣, 汪建軍, 程慧煌, 等. 秸稈還田與耕作方式對雙季稻產(chǎn)量及土壤肥力質(zhì)量的影響[J]. 土壤學(xué)報, 2018, 55(1): 247-257 CHENG C, WANG J J, CHENG H H, et al. Effects of straw returning and tillage system on crop yield and soil fertility quality in paddy field under double-cropping-rice system[J]. Acta Pedologica Sinica, 2018, 55(1): 247-257

[19] 鮑士旦. 土壤農(nóng)化分析[M]. 第3版. 北京: 中國農(nóng)業(yè)出版社, 2000: 30-34 BAO S D. Soil and Agricultural Chemistry Analysis[M]. 3rd ed. Beijing: China Agriculture Press, 2000: 30-34

[20] 王旭東, 陳鮮妮, 王彩霞, 等. 農(nóng)田不同肥力條件下玉米秸稈腐解效果[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2009, 25(10): 252-257 WANG X D, CHEN X N, WANG C X, et al. Decomposition of corn stalk in cropland with different fertility[J]. Transactions of the CSAE, 2009, 25(10): 252-257

[21] 代文才, 高明, 蘭木羚, 等. 不同作物秸稈在旱地和水田中的腐解特性及養(yǎng)分釋放規(guī)律[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2017, 25(2): 188-199 DAI W C, GAO M, LAN M L, et al. Nutrient release patterns and decomposition characteristics of different crop straws in drylands and paddy fields[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2017, 25(2): 188-199

[22] 匡恩俊, 遲鳳琴, 宿慶瑞, 等. 三江平原地區(qū)不同有機物料腐解規(guī)律的研究[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2010, 18(4): 736-741 KUANG E J, CHI F Q, SU Q R, et al. Decomposition regularity of organic materials in Sanjiang Plain region[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2010, 18(4): 736-741

[23] 劉世平, 陳文林, 聶新濤, 等. 麥稻兩熟地區(qū)不同埋深對還田秸稈腐解進程的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2007, 13(6): 1049-1053 LIU S P, CHEN W L, NIE X T, et al. Effect of embedding depth on decomposition course of crop residues in rice-wheat system[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2007, 13(6): 1049-1053

[24] 王景, 陳曦, 魏俊嶺. 水稻秸稈和玉米秸稈在好氣和厭氧條件下的腐解規(guī)律[J]. 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學(xué)報, 2017, 34(1): 59-65WANG J, CHEN X, WEI J L. Decomposition of rice straw and corn straw under aerobic and anaerobic conditions[J]. Journal of Agricultural Resources and Environment, 2017, 34(1): 59-65

[25] 李昌明, 王曉玥, 孫波. 不同氣候和土壤條件下秸稈腐解過程中養(yǎng)分的釋放特征及其影響因素[J]. 土壤學(xué)報, 2017, 54(5): 1206-1217 LI C M, WANG X Y, SUN B. Characteristics of nutrient release and its affecting factors during plant residue decomposition under different climate and soil conditions[J]. Acta Pedologica Sinica, 2017, 54(5): 1206-1217

[26] 傅偉, 劉坤平, 陳洪松, 等. 秸稈還田替代化學(xué)鉀肥對喀斯特峰叢洼地春玉米產(chǎn)量及土壤鉀素的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2017, 25(12): 1823-1831 FU W, LIU K P, CHEN H S, et al. Spring maize yield and soil potassium balance under replacement of potassium with straw in karst peak-cluster depression[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2017, 25(12): 1823-1831

[27] 陳尚洪, 朱鐘麟, 吳婕, 等. 紫色土丘陵區(qū)秸稈還田的腐解特征及對土壤肥力的影響[J]. 水土保持學(xué)報, 2006, 20(6): 141-144 CHEN S H, ZHU Z L, WU J, et al. Decomposition characteristics of straw return to soil and its effect on soil fertility in purple hilly region[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2006, 20(6): 141-144

[28] 隋鵬祥, 張心昱, 溫學(xué)發(fā), 等. 耕作方式和秸稈還田對棕壤土壤養(yǎng)分和酶活性的影響[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2016, 35(8): 2038-2045 SUI P X, ZHANG X Y, WEN X F, et al. Effects of tillage and straw management on nutrient contents and enzyme activities of brown soil[J]. Chinese Journal of Ecology, 2016, 35(8): 2038-2045

Effect of straw return methods on maize straw decomposition and soil nutrients contents*

TIAN Ping, JIANG Ying, SUN Yue, MA Ziqi, SUI Pengxiang, MEI Nan, QI Hua**

(College of Agronomy, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China)

By investigating the impacts of tillage and straw return methods on maize straw decomposition, a suitable approach of returning maize straw to soil was explored for straw utilization with high soil efficiency in the brown soil area of northeastern China. A two-year (2014-2015) field experiment including no-tillage with straw mulch (NTS), straw incorporation through rotary tillage(RTS) and straw incorporation through plow tillage(PTS) treatments was conducted in Shenyang, Liaoning Province. Nylon bags containing straw 2-5 cm long were buried in different depths of soil according to tillage depth of different treatments (0 cm for NTS, 15 cm for RTS and 25 cm for PTS) in the study, and the decomposition of straws and release rates of carbon (C), nitrogen (N), phosphorus (P) and potassium (K) by maize straw, along with the effects of straw return on nutrients contents of the topsoil were tested. The results showed that straw decomposition rates were high at the early phase and slowed down at the later phase under both RTS and PTS treatments, with the order of nutrients release rates in all treatments of K > P > C > N. The mean decomposition rates of straw in both years were 38.8%, 78.0% and 65.9% respectively for NTS, RTS and PTS treatments. Nutrients release rates of returned straws under NTS, RTS and PTS treatments were respectively 56.5%, 78.8% and 69.4% for C, 16.7%, 53.5% and 38.8% for N, 81.3%, 92.5% and 89.8% for P, and 92.0%, 99.4% and 98.9% for K. The tendency for straw decomposition and C and N release under NTS treatment fitted well with Logistic function, but those of RTS and PTS treatments fitted Michaelis-Menten function. Moreover, K and P nutrients release of all the three treatments changed according to the Michaelis-Menten functions. Straw return enhanced organic carbon and total nitrogen contents of the topsoil. Then total soil P content of RTS treatment was significantly higher than that of PTS (< 0.05). However, there was no significant difference in total soil P content between RTS and NTS treatments, and in total soil K content for all the treatments. Based on comprehensive analysis from straw decomposition characteristics and fertility, straw incorporation through rotary tillage was the suitable approach for maize straw return in brown soil areas in Northeast China.

Straw returning; Tillage method; Straw decomposition rate; Nutrient release; Soil organic carbon; Soil nutrient

, E-mail: qihua10@163.com

Jun. 12, 2018;

Sep. 21, 2018

S341.9

A

2096-6237(2019)01-0100-09

10.13930/j.cnki.cjea.180551

田平, 姜英, 孫悅, 馬梓淇, 隋鵬祥, 梅楠, 齊華. 不同還田方式對玉米秸稈腐解及土壤養(yǎng)分含量的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(中英文), 2019, 27(1): 100-108

TIAN P, JIANG Y, SUN Y, MA Z Q, SUI P X, MEI N, QI H. Effect of straw return methods on maize straw decomposition and soil nutrients contents[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(1): 100-108

* 公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項經(jīng)費項目(201503116)和國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFD0300103, 2016YFD0300801)資助

齊華, 主要研究方向為耕作制度原理與技術(shù)。E-mail: qihua10@163.com

田平, 研究方向為耕作制度原理與技術(shù)。E-mail: tianping23@163.com

2018-06-12

2018-09-21

* This study was supported by the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest of China (201503116) and the National Key Research and Development Project of China (2016YFD0300103, 2016YFD0300801).