秸稈腐解過程中土壤熱值與有機(jī)養(yǎng)分動(dòng)態(tài)

張 倩，張 紅

(1.甘肅農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，蘭州 730020；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌 712100)

秸稈含有大量有機(jī)質(zhì)，同時(shí)含有植物生長(zhǎng)所必需的氮、磷、鉀及其他中微量元素。關(guān)于秸稈還田對(duì)土壤碳庫等影響的研究日益受到重視[1-4]。作物秸稈在土壤中的轉(zhuǎn)化速率既與秸稈本身物質(zhì)構(gòu)成有關(guān)，也與溫度、水分、土壤性狀等環(huán)境條件有關(guān)[5]。秸稈腐解過程生成的中間產(chǎn)物不僅復(fù)雜且難于分離，傳統(tǒng)的化學(xué)分析手段很難在不改變其固有性質(zhì)的基礎(chǔ)上對(duì)殘?bào)w分解的混合物進(jìn)行測(cè)定，而熱分析作為作物殘?bào)w特征描述的一個(gè)方法，具有操作簡(jiǎn)便、需要樣品量少和樣品不需特殊分離等優(yōu)點(diǎn)[6-7]，秸稈分解產(chǎn)生的有機(jī)物組分對(duì)土壤熱解特征及其能量轉(zhuǎn)化有一定影響[8-9]，而且影響土壤養(yǎng)分在土壤中的轉(zhuǎn)化速率[10]。合理的秸稈還田不僅可以改善土壤結(jié)構(gòu)和理化性狀，提高土壤的養(yǎng)分水平，還可以避免資源浪費(fèi)和環(huán)境污染[11-14]。因此，探索秸稈還田對(duì)土壤熱值和養(yǎng)分特性的影響機(jī)制，對(duì)改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，提高和保持農(nóng)業(yè)土壤質(zhì)量具有重要的生態(tài)環(huán)境意義[15-16]。不當(dāng)?shù)慕斩掃€田進(jìn)入土壤后會(huì)引起C/N失調(diào)、有機(jī)酸累積、土壤礦質(zhì)氮降低和耕作困難等問題，導(dǎo)致秸稈還田難以推廣[17-20]，而適當(dāng)有效的秸稈還田不但可以培肥土壤，還可以加速秸稈腐解進(jìn)程、提高土壤微生物活性、改善土壤養(yǎng)分狀況和增加作物產(chǎn)量[21-26]。秸稈殘?bào)w在土壤中分解轉(zhuǎn)化過程較復(fù)雜，不同腐解時(shí)期秸稈的組分變化規(guī)律、耕作方式、秸稈還田模式以及不同量的還田處理等也在不同程度上影響土壤質(zhì)量和有效養(yǎng)分的釋放[27-28]。土壤微生物是土壤養(yǎng)分的驅(qū)動(dòng)力，影響土壤生態(tài)系統(tǒng)的功能。前期研究表明，關(guān)中土婁土區(qū)農(nóng)田微生物活性低、穩(wěn)定性差，果園土壤微生物活性高、穩(wěn)定性強(qiáng)，且不同土壤中不同處理的秸稈殘留率差異較大[29]。

目前，有關(guān)秸稈還田的研究多集中在對(duì)作物產(chǎn)量、品質(zhì)以及對(duì)農(nóng)田土壤理化性質(zhì)的影響等方面，而就不同土地利用方式下秸稈腐解期間土壤熱值及養(yǎng)分變化特征鮮見報(bào)道。本試驗(yàn)選取陜西楊凌種植不同植物(農(nóng)田、桃樹、葡萄)的長(zhǎng)期試驗(yàn)基地(耕種史在10a以上)，利用網(wǎng)袋法進(jìn)行玉米秸稈腐解試驗(yàn)，采集不同腐解時(shí)期緊貼網(wǎng)袋的土壤，分析不同腐解時(shí)期土壤熱解特征與土壤養(yǎng)分變化。揭示作物秸稈分解和轉(zhuǎn)化對(duì)土壤熱值和養(yǎng)分指標(biāo)的影響，為該地區(qū)秸稈還田的實(shí)施和秸稈資源的合理利用和土壤培肥提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)基本情況

試驗(yàn)地分別為國家黃土肥力與肥料效益野外科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站的農(nóng)田(1990年建立)、西北農(nóng)林科技大學(xué)實(shí)驗(yàn)標(biāo)本園區(qū)的桃園(2001年建立)和葡萄園(2002年建立)。其中國家黃土肥力與肥料效益野外科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站設(shè)在黃土高原南部的陜西省楊凌示范區(qū)五泉鎮(zhèn)(34°17′51″ N， 108°00′48″ E)，海拔524.7 m，年均氣溫13 ℃，積溫 4 196 ℃，年均降水量550～600 mm，主要集中在 7-9月，年均蒸發(fā)量993 mm，無霜期184～ 216 d。桃園和葡萄園相鄰，位于西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)作一站(34°29′81″ N， 108°07′11″ E)，葡萄園海拔略低為514 m，其他氣候條件與五泉鎮(zhèn)試驗(yàn)地相同。

1.2 供試材料

供試土壤為土婁土(土墊旱耕人為土)。農(nóng)田種植方式為冬小麥-夏玉米輪作，采用不施肥小區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)；桃園與葡萄園土壤表面均為覆草模式(人工播種三葉草)，生草區(qū)每年刈割3～4次，覆蓋在行間或樹盤周圍，桃園施肥帶在桃樹根部直徑 1 m內(nèi)，葡萄園施肥帶在根部20 cm內(nèi)，樣品埋放位置均避開果園施肥區(qū)。供試土壤樣地的基本理化性質(zhì)[29]見表1。供試植物殘?bào)w為玉米秸稈，采用尼龍網(wǎng)袋法進(jìn)行植物腐解試驗(yàn)。玉米秸稈原樣的全碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為402.48 g·kg-1和11.31 g·kg-1，C/N為35.59。

表1 供試土壤樣地的基本性質(zhì)Table 1 Soil basic properties of the three experiment fields

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了加速玉米秸稈的腐解速度，添加外源氮素調(diào)整玉米秸稈的C/N至25。將秸稈先風(fēng)干再60 ℃烘干至恒量，粉碎過1 mm篩備用。稱取秸稈15 g裝入350目的尼龍網(wǎng)袋中，封口，每個(gè)試驗(yàn)地重復(fù)3次，各埋60袋，一共180袋。于2011-10-31埋入3個(gè)試驗(yàn)地20 cm深處，同時(shí)在20 cm深處埋入土壤溫度記錄儀。分別于埋入后10、20、30、45、60、90、120、150、180、210、240、270、300、330、360 d取樣，共取樣15次，每次取出尼龍網(wǎng)袋之前，首先采集緊貼網(wǎng)袋的1 cm內(nèi)的土壤樣品，然后取出3袋腐解樣品。土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干、磨細(xì),用于土壤差熱和養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析。3袋秸稈樣品分別于60 ℃烘干后稱量，計(jì)算腐解殘留率。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

用德國耐馳(STA449C)熱分析儀對(duì)土壤進(jìn)行差熱分析(DSC)，測(cè)得DSC曲線[30]。pH采用(水土體積質(zhì)量比2.5∶1)320型pH計(jì)測(cè)定，土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定，土壤易氧化有機(jī)碳采用高錳酸鉀氧化比色法測(cè)定，穩(wěn)定性有機(jī)碳為土壤有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳之差，堿解氮采用硼酸擴(kuò)散吸收法測(cè)定，有效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定，速效鉀采用1.0 mol·L-1乙酸銨浸提-火焰光度法測(cè)定[31]。土壤溫度采用美國TidbiT v2溫度記錄儀測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

秸稈腐解殘留率=Xt/X0×100%

式中，X0為秸稈腐解前的初始質(zhì)量，Xt為分解t時(shí)的秸稈腐解后剩余質(zhì)量。

采用 Microsoft Excel 2007對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和制圖，采用SPSS 17.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米秸稈在不同利用模式下的殘留率變化

玉米秸稈在各試驗(yàn)地不同腐解期的殘留率變化如圖1所示。由圖1可見，殘留率在0～20 d內(nèi)迅速下降到80%左右，20～90 d內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定，3個(gè)試驗(yàn)地變化基本一致；90～240 d 3個(gè)試驗(yàn)地玉米秸稈的腐解殘留率呈下降趨勢(shì)，到240 d時(shí)，已經(jīng)基本上腐解了50%；240～360 d殘留率下降趨勢(shì)放緩，且3個(gè)試驗(yàn)地的最終腐解殘留率為葡萄園>農(nóng)田>桃園，在360 d腐解結(jié)束時(shí)，玉米秸稈在農(nóng)田、桃園、葡萄園的腐解殘留率之間的差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)，殘留率分別為41.73%、 36.11%、46.14%。

圖1 玉米秸稈在3個(gè)試驗(yàn)地不同腐解期殘留率的變化Fig.1 Corn stalks residual rates in different decomposition periods in three long experiments

2.2 不同腐解期不同利用模式下的土壤溫度變化

收集每月每日每時(shí)的數(shù)據(jù)，根據(jù)每個(gè)腐解時(shí)段的平均溫度繪制不同試驗(yàn)地不同腐解期的土壤溫度變化圖。由圖2可以看出，在玉米秸稈腐解前期(30～180 d)，不同試驗(yàn)地20 cm深處的土壤溫度變化不大，在腐解后期，尤其是在180～330 d時(shí)，土壤溫度分異比較明顯，農(nóng)田土壤溫度明顯高于果園土壤溫度。

圖2 不同試驗(yàn)地不同腐解期的平均地溫變化Fig.2 Variations of mean soil temperature in different experiment fields

2.3 不同腐解期不同利用模式下的土壤差熱 分析

差示掃描量熱法(DSC)是在程序溫度控制下，測(cè)量試樣與參比物之間單位時(shí)間內(nèi)能量差(或功率差)隨溫度變化的一種技術(shù)，能直接從DSC曲線上峰形面積得到試樣的放熱量和吸熱量。用差示掃描(DSC)將各腐解時(shí)期的土壤樣品進(jìn)行差熱分析，計(jì)算曲線中所有放熱峰的總面積確定為土壤樣品的熱值(放出的總熱量)。并將其變化趨勢(shì)顯示在圖3中。

所有樣品皆為放熱反應(yīng)，3個(gè)試驗(yàn)地在不同腐解期土壤放出的熱量呈波動(dòng)變化。其中葡萄園在20～90d內(nèi)波動(dòng)較小，桃園驟降驟升變化劇烈，農(nóng)田則先升后降。90～240 d農(nóng)田土壤的熱值基本上低于果園土壤。在240～300 d農(nóng)田土壤放熱反應(yīng)表現(xiàn)持續(xù)上升，桃園土壤開始下降，葡萄園土壤則先降后升。300～360 d，除了桃園土壤放熱反應(yīng)持續(xù)穩(wěn)定之外，葡萄園和農(nóng)田土壤保持下降趨勢(shì)?？傮w來看，整個(gè)腐解期間，3個(gè)試驗(yàn)地土壤的熱值差異較大，除了葡萄園在0～90 d波動(dòng)較小外，其他兩個(gè)試驗(yàn)地土壤的熱值波動(dòng)劇烈。前后累積釋放的熱值為桃園>葡萄園>農(nóng)田，但3個(gè)試驗(yàn)地土壤熱值無顯著差異(P>0.05)。

2.4 不同腐解期不同利用模式下的土壤pH動(dòng)態(tài)變化

3個(gè)試驗(yàn)地在不同植物秸稈腐解期的土壤pH動(dòng)態(tài)變化如圖4所示。由圖4可以看出，除了桃園在210～240 d之間的土壤pH顯著低于農(nóng)田和葡萄園之外，3個(gè)試驗(yàn)地的土壤pH變化趨勢(shì)基本一致，表現(xiàn)為農(nóng)田>葡萄園>桃園(P<0.05)，農(nóng)田和葡萄園土壤的pH與桃園土壤達(dá)到顯著差異。整個(gè)腐解期0～240 d變化波動(dòng)比較大，270～360 d保持穩(wěn)定。腐解前后農(nóng)田土壤pH基本沒變，而桃園和葡萄園的土壤pH則分別從原來的8.19和8.25降到了8.00和8.08，整體降幅為2.06%～2.32%。說明秸稈腐解對(duì)果園土壤的pH影響比農(nóng)田土壤大，這有可能是因?yàn)榻斩捀鈱?dǎo)致緊貼土壤的有機(jī)酸累積，造成土壤pH下降，與Martens[20]的研究是一致的。

圖3 3個(gè)試驗(yàn)地土壤熱值在不同腐解期的變化Fig.3 Soil heat values in three long experiments in different decomposition periods

圖4 農(nóng)田、桃園、葡萄園不同腐解期土壤pH的變化Fig.4 Soil pH in farmland,peach orchard and vineyard in different decomposition periods

2.5 不同腐解期不同利用模式下的土壤各種碳組分動(dòng)態(tài)變化

圖5 是3個(gè)試驗(yàn)地在不同腐解期的土壤各種碳組分動(dòng)態(tài)變化圖。由圖5-a可以看出: 在整個(gè)秸稈腐解期內(nèi)，隨著秸稈腐解過程的加深，3個(gè)試驗(yàn)地土壤有機(jī)碳變化表現(xiàn)趨勢(shì)基本一致，在腐解前期波動(dòng)劇烈，中后期變化趨緩。3個(gè)試驗(yàn)地土壤的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間有極顯著的差異，表現(xiàn)為桃園>葡萄園>農(nóng)田(P<0.01),而各試驗(yàn)地在不同腐解時(shí)期有機(jī)碳無顯著差異(P>0.05)。整個(gè)腐解期除了農(nóng)田土壤有機(jī)碳降低之外，桃園和葡萄園的土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不大。這可能是由于果園土壤表面被牧草覆蓋，牧草的含氮量比較高，可以補(bǔ)給秸稈在腐解過程對(duì)土壤中氮素的需求，因此對(duì)土壤有機(jī)碳的消耗并不大，整體保持均衡狀態(tài)。

圖5 3個(gè)試驗(yàn)地不同腐解期土壤有機(jī)碳(a)、易氧化有機(jī)碳(b)、穩(wěn)定性有機(jī)碳(c)的變化Fig.5 Soil organic carbon (a),soil easily oxidized organic carbon (b),soil stability of organic carbon (c) in three long experiments in different decomposition periods

圖5-b可以看出在0～210 d，3個(gè)試驗(yàn)地土壤易氧化有機(jī)碳基本在2～380 mg·kg-1之間波動(dòng)；在210～240 d，陡然升高；在240～360 d，除了農(nóng)田土壤呈階梯下降之外，果園土壤呈緩慢下降趨勢(shì)，3個(gè)試驗(yàn)地土壤在330～360 d有小幅回升，基本保持在670～1 000 mg·g-1之間。這可能是因?yàn)樵诮斩捀庵泻笃?，隨著土壤溫度逐漸升高，土壤微生物活動(dòng)頻繁，使秸稈腐解釋放的有機(jī)碳養(yǎng)分通過尼龍網(wǎng)袋逐漸釋放到土壤環(huán)境當(dāng)中，一定程度上增加了土壤的易氧化有機(jī)碳。整體來說，易氧化有機(jī)碳的趨勢(shì)為桃園>農(nóng)田>葡萄園，但3個(gè)試驗(yàn)地土壤之間無顯著差異 (P>0.05)。

圖5-c是3個(gè)試驗(yàn)地不同腐解期土壤穩(wěn)定性有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)變化圖。在0～210 d，3個(gè)試驗(yàn)地土壤的穩(wěn)定性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)前后波動(dòng)不大，相對(duì)比較穩(wěn)定；在210～240 d，急劇下降；在240～300 d時(shí)保持穩(wěn)定；300～360 d呈現(xiàn)緩慢回升狀態(tài)?？傮w來說，土壤穩(wěn)定性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的趨勢(shì)為桃園>葡萄園>農(nóng)田(P>0.05)，3個(gè)試驗(yàn)地土壤穩(wěn)定性有機(jī)碳在秸稈腐解的中后期變化趨勢(shì)基本一致，這說明，隨著秸稈腐解時(shí)間的延長(zhǎng)，透過尼龍網(wǎng)袋補(bǔ)給的土壤碳源，與土壤微生物之間爭(zhēng)奪碳源的形勢(shì)達(dá)到相對(duì)平衡的狀態(tài)。

2.6 不同腐解期不同利用模式下的土壤速效養(yǎng)分動(dòng)態(tài)變化

3個(gè)試驗(yàn)地不同腐解期土壤堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的動(dòng)態(tài)變化見圖6-a?？梢钥闯?， 植物殘?bào)w腐解過程中土壤堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化基本上呈倒“S”曲線，除了桃園在腐解前期土壤堿解氮先升后降之外，農(nóng)田和葡萄園在腐解前期土壤堿解氮均出現(xiàn)先降低后增加趨勢(shì)。3個(gè)試驗(yàn)地在腐解中期土壤堿解氮達(dá)到最高，然后迅速下降，在330～360 d出現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)。3個(gè)試驗(yàn)地土壤無顯著差異。

由圖6-b可見,整個(gè)腐解期3個(gè)試驗(yàn)地的土壤速效磷從0～210 d變化不大，210～360 d腐解期內(nèi)桃園土壤速效磷緩慢上升之外，農(nóng)田變化波動(dòng)較為劇烈，而葡萄園的土壤速效磷呈緩慢下降趨勢(shì)。這可能是因?yàn)檗r(nóng)田在270 d左右剛好度過小麥?zhǔn)斋@期，一系列的旋耕、施肥導(dǎo)致農(nóng)田土壤速效磷的變化。腐解結(jié)束后，農(nóng)田和桃園土壤速效磷分別增加了14.2%和67.5%，而葡萄園土壤速效磷降低了26.9%。3個(gè)試驗(yàn)地沒有顯著差異。

圖6 3個(gè)試驗(yàn)地不同腐解期土壤堿解氮(a)、速效磷(b)、速效鉀(c)的變化Fig.6 Soil alkalytic N (a),soil readily available P (b),soil readily available K (c) in three long experiments in different decomposition periods

3個(gè)試驗(yàn)地的土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化結(jié)果見圖6-c。整個(gè)腐解期0～210 d 3個(gè)試驗(yàn)地土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不大，在210～360 d不斷上升并趨于穩(wěn)定?？傮w來說，桃園>葡萄園>農(nóng)田，且果園與農(nóng)田土壤的速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到極顯著差異(P<0.01)。腐解結(jié)束后，3個(gè)試驗(yàn)地的土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)均有不同程度的升高，其中農(nóng)田、桃園和葡萄園的土壤速效鉀分別增加了49.9%、43.0%和89.2%。由此可以看出，玉米秸稈腐解過程可以明顯地增加土壤中速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2.7 不同利用模式下秸稈殘留率與土壤溫度、熱值和理化指標(biāo)動(dòng)態(tài)變化相關(guān)性

秸稈在不同腐解時(shí)期釋放的養(yǎng)分與周圍土壤溫度、熱值和其他理化指標(biāo)動(dòng)態(tài)變化的相關(guān)性由表2可以看出，3個(gè)試驗(yàn)地的土壤溫度與秸稈腐解殘留率之間呈極顯著相關(guān)關(guān)系，而秸稈殘留率與3個(gè)試驗(yàn)地土壤的熱值無顯著相關(guān)關(guān)系，且不同腐解期3個(gè)試驗(yàn)地土壤熱值前后變化劇烈，基本無規(guī)律可循。這可能是由于不同試驗(yàn)地土壤所含的有機(jī)組分不同，當(dāng)植物殘?bào)w通過尼龍網(wǎng)袋進(jìn)入土體后，新形成的有機(jī)物質(zhì)容易積聚在尼龍網(wǎng)袋和土壤的臨界位置，而當(dāng)試樣混合磨細(xì)后，有可能掩蓋了樣品的變化特征，導(dǎo)致在熱解過程釋放的熱量忽高忽低。通過秸稈腐解前后累積的熱值發(fā)現(xiàn)，果園土壤的熱值大于農(nóng)田土壤，說明玉米秸稈在果園土壤腐解轉(zhuǎn)化為有機(jī)質(zhì)相對(duì)農(nóng)田土壤高些。具體的轉(zhuǎn)化方式和變化特征有待于進(jìn)一步 研究。

在秸稈殘留率與土壤理化指標(biāo)相關(guān)分析結(jié)果中可以看出，3個(gè)試驗(yàn)地土壤的pH與秸稈腐解殘留率沒有關(guān)系，除了桃園土壤和葡萄園土壤之外，僅有農(nóng)田土壤的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與秸稈腐解殘留率呈顯著正相關(guān)，這可能是果園土壤的C/N比較高，秸稈施入土壤后分解較慢，很難在短期內(nèi)給土壤補(bǔ)充有機(jī)碳。3個(gè)試驗(yàn)地土壤的易氧化有機(jī)碳和穩(wěn)定性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別與秸稈的殘留率呈極顯著負(fù)相關(guān)和極顯著正相關(guān)關(guān)系。農(nóng)田土壤的堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與玉米秸稈腐解殘留率呈顯著正相關(guān)關(guān)系，而桃園土壤的速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與秸稈腐解殘留率呈負(fù)極顯著相關(guān)，這可能是由于3個(gè)試驗(yàn)地中秸稈在不同腐解時(shí)間釋放養(yǎng)分的快慢不同造成的，或者是采樣時(shí)遇上試驗(yàn)土壤的施肥期產(chǎn)生的影響。3個(gè)試驗(yàn)地的土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)則與秸稈腐解率呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)。整體來看，農(nóng)田土壤的秸稈殘留率對(duì)土壤理化指標(biāo)的影響大于2個(gè)果園土壤的影響。說明農(nóng)田土壤在玉米秸稈還田時(shí)可調(diào)控的因素比果園土壤多，如適當(dāng)調(diào)節(jié)土壤有機(jī)碳和堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可提高秸稈的腐解效果。

表2 秸稈殘留率與土壤溫度、熱值和理化指標(biāo)動(dòng)態(tài)變化的相關(guān)性Table 2 Relationships of corn residual rate with soil temperature,heat value,soil physical and chemical properties

注：“*”，“**”分別表示顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01)相關(guān)。

Note:“*” and “**” stands for significant correlation at the 5% and 1% levels,respectively.

3 討 論

秸稈腐解的速度與其自身的條件和所處的環(huán)境有關(guān)。秸稈作為有機(jī)物質(zhì)，長(zhǎng)期還田后能影響土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)，改變土壤有機(jī)碳的組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，明顯提高土壤的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)[32-33]。

3.1 玉米秸稈在不同利用模式下的腐解殘留率差異比較

本研究中玉米秸稈處理在3個(gè)試驗(yàn)地的腐解特征基本是在前期0～240 d腐解變化較快，后期240～360 d腐解較慢。這說明秸稈先將容易腐解的纖維素等物質(zhì)分解釋放，剩下的主要是難分解的有機(jī)物質(zhì)如木質(zhì)素等。經(jīng)過360 d的腐解，殘留率均小于50%，這與以往的研究結(jié)果一致[34-35]。張紅等[29]的研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田土壤微生物活性低、穩(wěn)定性差，果園土壤微生物活性高、穩(wěn)定性好，所以玉米秸稈在果園土壤中腐解速度相對(duì)快些。至于在腐解后期，葡萄園土壤的秸稈殘留率最高，這可能是由于葡萄園土壤在高溫高濕生草覆蓋條件下，土壤微生物對(duì)難分解物質(zhì)消化過慢導(dǎo)致的，也有可能與埋袋的位置有關(guān)，有待于進(jìn)一步研究。

3.2 土壤溫度、熱值和土壤理化性狀對(duì)不同利用模式下秸稈腐解殘留率的影響

溫度是土壤環(huán)境中重要的生態(tài)因子，直接影響生物新陳代謝的強(qiáng)度和生長(zhǎng)發(fā)育、繁殖的速度等，間接影響植物殘?bào)w及土壤有機(jī)質(zhì)的分解速率。土壤有機(jī)質(zhì)不僅對(duì)土壤性狀和土壤肥力具有重要影響,且在土壤中的分解、合成、轉(zhuǎn)化過程是土壤生態(tài)系統(tǒng)中一種主要能流形式。示差掃描作為一種高效、快速、靈敏的分析手段研究土壤的物理化學(xué)變化，本研究主要通過峰面積來表征土壤放出熱量的多少。各種有機(jī)碳組分、堿解氮、速效磷和速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)是土壤中可供植物直接吸收利用的基本養(yǎng)分，研究這些指標(biāo)可以反映土壤肥力狀況[36]。秸稈腐解過程在一定程度上可以改變土壤的C/N，使得土壤中的某些微生物與作物爭(zhēng)奪養(yǎng)分[37]，進(jìn)而導(dǎo)致不同試驗(yàn)地土壤養(yǎng)分在腐解期間變化不同。3個(gè)試驗(yàn)地在秸稈腐解期間的土壤pH除了農(nóng)田的基本沒變之外，果園土壤的pH均有所下降，可能是由于秸稈腐解導(dǎo)致土壤有機(jī)酸累積造成的。土壤各種碳組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本上是果園>農(nóng)田，且相互之間沒有顯著差異，其變化趨勢(shì)與許多研究[38-40]發(fā)現(xiàn)的秸稈還田可提高土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)結(jié)果不一致，這可能是因?yàn)楸狙芯坎捎镁W(wǎng)袋法，土壤與網(wǎng)袋內(nèi)秸稈之間隔離，袋中秸稈量少從而影響土壤微生物對(duì)它的分解速度。堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化比較大，這有可能是因?yàn)?個(gè)試驗(yàn)地土壤的C/N高，在春夏交替之際，為了保證植物的正常生長(zhǎng)，植物和土壤微生物爭(zhēng)奪養(yǎng)分造成的結(jié)果。整個(gè)秸稈腐解期間，除了葡萄園的速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)略有減少之外，3個(gè)試驗(yàn)地的土壤速效磷和速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)均有不同程度的增加，秸稈還田提高了對(duì)土壤部分養(yǎng)分的供給。秸稈腐解期間對(duì)3個(gè)試驗(yàn)地土壤速效養(yǎng)分的影響與戴志剛等[35]的研究結(jié)果是一致的。

由于不同的施肥方式和管理措施，農(nóng)田土壤與果園土壤在秸稈腐解過程中對(duì)土壤養(yǎng)分的相關(guān)性結(jié)果略有不同，有待于進(jìn)一步研究秸稈腐解過程對(duì)不同土地利用方式土壤養(yǎng)分供給的作用機(jī)制，探討合理的秸稈還田模式，提高秸稈的利用 效率。

4 結(jié) 論

秸稈腐解在前、中期降解較快，后期趨緩。土壤溫度、易氧化有機(jī)碳、穩(wěn)定性有機(jī)碳、速效鉀與秸稈腐解的殘留率變化呈顯著相關(guān)關(guān)系，影響玉米秸稈在土壤中的腐解速度。

果園與農(nóng)田土壤對(duì)秸稈腐解過程中土壤熱值的動(dòng)態(tài)變化影響不顯著。整個(gè)腐解過程中，果園土壤累積放熱值相對(duì)高于農(nóng)田土壤，至于如何影響土壤有機(jī)質(zhì)熱力學(xué)變化有待于進(jìn)一步研究。秸稈腐解在不同程度影響土壤有機(jī)養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化，除了一部分養(yǎng)分被作物和土壤微生物爭(zhēng)奪出現(xiàn)劇烈變化之外，能提高部分有效養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，對(duì)土壤肥力和質(zhì)量的提升起到一定的作用。

果園土壤的有機(jī)碳和速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)極顯著高于農(nóng)田土壤，說明生草可以提高果園土壤的養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，提高秸稈腐解的效果，相較于農(nóng)田來說，有效調(diào)整土壤有機(jī)碳和堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以促進(jìn)秸稈腐解的速度，為秸稈合理利用科學(xué)還田提供參考。