水旱輪作條件下稻麥秸稈腐解規(guī)律研究

信彩云 馬惠 王瑜 趙慶雷 劉奇華 楊軍 陳博聰 李景嶺 林香青

摘要：為探明水稻-小麥輪作條件下稻麥秸稈還田后的腐解規(guī)律，對水稻小麥秸稈還田后不同時期的秸稈殘余率和氮、磷、鉀、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的累積釋放率及平均釋放速率進行研究。結(jié)果表明，經(jīng)過腐解（水稻秸桿210天、小麥秸桿120天），水稻和小麥秸稈最終65%以上已腐解;水稻秸稈中氮、磷、鉀、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素分別釋放60.95%、6.77%、90.58%、38.77%、9.04%、30.97%;小麥秸稈中氮、磷、鉀、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素分別釋放24.94%、22.01%、93.64%、25.39%、24.19%、39.13%。稻麥秸稈中鉀的累積釋放率最高，均超過90%。水稻和小麥秸稈中磷的平均釋放速率變化不大，氮和鉀的平均釋放速率高峰均出現(xiàn)在前期，腐解后期呈降低趨勢;纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的平均釋放速率要高于氮磷鉀元素。

關(guān)鍵詞：水旱輪作;稻麥秸稈;腐解規(guī)律;養(yǎng)分

中圖分類號：S511.01+S512.101 ?文獻標識號：A ?文章編號：1001-4942（2019）08-0075-04

Abstract This study was aimed to investigate the decomposition law of rice and wheat straw under the condition of paddy-cereal rotation. The residual rates of straw and the cumulative release rates and average release rates of nitrogen， phosphorus， potassium， cellulose， hemicellulose and lignin of rice straw and wheat straw in different periods were analyzed. The results showed that more than 65% of straw were decomposed when the decomposing time was 210 days for rice straw and 120 days for wheat straw. The cumulative release rates of nitrogen， phosphorus， potassium， cellulose， hemicellulose and lignin of rice straw were 60.95%， 6.77%， 90.58%， 38.77%， 9.04% and 30.97%， respectively，and those of wheat straw were 24.94%， 22.01%， 93.64%， 25.39%， 24.19% and 39.13%， respectively. The cumulative release rate of potassium in rice and wheat straw were the highest and exceeded 90%. The average release rate of phosphorus in rice and wheat straw did not change significantly， and the peak of nitrogen and potassium release rate appeared at early stage， and decreased at late stage of decomposition， and the average release rates of cellulose， hemicellulose and lignin were higher than those of nitrogen， phosphorus and potassium.

Keywords Paddy-cereal rotation; Rice and wheat straw; Decomposition law; Nutrient

作物秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中主要的副產(chǎn)物，是一種重要的資源。我國土地遼闊，作物種植量龐大，作物秸稈種類有近20種，20世紀中期我國農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量就超過7×108 t，以水稻、小麥、玉米秸稈為主[1，2]。在現(xiàn)代科學技術(shù)飛速發(fā)展的大背景下，秸稈作為能源的比重大大減少[3]。收獲后的秸稈進行還田處理不僅避免了秸稈焚燒引起的一系列環(huán)境問題，還可促進生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)[4]。研究表明，秸稈還田可以改善土壤環(huán)境和養(yǎng)分狀況，有利于作物生長[5]。還田的作物秸稈可以直接提供碳、氮源，改善大田土壤結(jié)構(gòu)和肥力。秸稈還田對農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境、資源利用均有改善作用。

目前關(guān)于秸稈還田的研究多集中在其對土壤物理性狀、養(yǎng)分、微生物等方面[6-9]，有關(guān)山東地區(qū)水旱輪作稻區(qū)還田后秸稈腐解的研究較少。為此，本試驗對山東水稻-小麥輪作區(qū)還田后秸稈腐解變化特征進行研究，探明水旱輪作條件下秸稈的腐解規(guī)律，為實現(xiàn)農(nóng)作物秸稈資源的循環(huán)利用提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

山東省水稻研究所濟寧試驗站（東經(jīng)116°37′，北緯35°19′）屬于溫帶半濕潤大陸性氣候，年平均溫度13.50℃，年平均降水量697 mm，無霜期200天，是典型的水稻-小麥一年兩熟區(qū)。試驗開始前耕層（0～20 cm）土壤有機質(zhì)含量18.80 g/kg、全氮2.46 g/kg、堿解氮95.37 mg/kg、有效磷29.69 mg/kg、速效鉀196.56 mg/kg，pH值為6.70。

1.2 試驗材料與設(shè)計

水稻品種為圣稻18，小麥品種為濟麥22。供試材料為收割后的作物秸稈。

水稻于2017年6月下旬插秧，10月下旬收獲;小麥于11月下旬播種，2018年6月上旬收獲。水稻收獲后取秸稈進行烘干處理后剪至3～5 cm，稱取50 g放于尼龍網(wǎng)袋中。網(wǎng)袋規(guī)格為20 cm×15 cm，孔徑為100目。小麥播種前一天將水稻秸稈埋入大田，埋深10 cm左右。小麥收獲后秸稈處理方式同水稻。水稻移栽前一天將小麥秸稈埋入大田，埋深10 cm左右。

水稻施肥：尿素600 kg/hm2，過磷酸鈣1 125 kg/hm2，氯化鉀128 kg/hm2。氮肥分為基肥、返青肥、分蘗肥和穗肥4次施用，比例為基肥30%、返青肥20%、分蘗肥25%、穗肥25%。磷肥全部基施，鉀肥基肥和穗肥各50%。

小麥施肥：尿素600 kg/hm2，過磷酸鈣562.5 kg/hm2，氯化鉀100 kg/hm2。氮肥分基肥和返青分蘗肥各50%施用，磷鉀肥全部基施。

1.3 測定項目與方法

水稻秸稈埋入麥田后0、35、70、105、140、175、210天和小麥秸稈埋入稻田后0、15、30、45、60、75、90、105、120天取樣，分別測定其干重。取水稻秸稈腐解0、70、140、210天樣品和小麥秸稈腐解0、30、60、90、120天樣品進行氮、磷、鉀、纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量測定。

全氮采用H2SO4-H2O2消煮-蒸餾法、全磷采用鉬銻抗比色法、全鉀采用火焰光度計法測定，纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量采用分光度計比色法進行測定[10]。

計算秸稈殘余率、某物質(zhì)累積釋放率、某物質(zhì)平均釋放速率[11]：

秸稈殘余率（%）= 剩余秸稈干重/原始秸稈干重SymboltB@ 100;

某物質(zhì)累積釋放率（%）=[原始秸稈某物質(zhì)量（g）-剩余秸稈某物質(zhì)量（g）]/原始秸稈某物質(zhì)量SymboltB@ 100;

某物質(zhì)平均釋放速率（g/d）=[N天剩余秸稈某物質(zhì)量（g）-M天剩余秸稈某物質(zhì)量（g）]/M與N間隔天數(shù)。

試驗期內(nèi)，水稻秸稈腐解期間日均最高溫為35.27℃，日均最低溫為-1.00℃，月均氣溫為2.78～26.59℃，5℃以上積溫1 873.52℃，10℃以上積溫1 654.83℃。小麥秸稈腐解期間日均最高溫為36.99℃，日均最低溫為4.11℃，月均氣溫為12.21～28.91℃，5℃以上積溫2 187.15℃，10℃以上積溫2 055.79℃。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 18.0和Microsoft Excel 2010進行統(tǒng)計分析和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈腐解規(guī)律

由圖1可以看出，隨著腐解時間的延長，秸稈殘余率逐漸減少，至試驗結(jié)束時，水稻和小麥秸稈均有65%以上被腐解。并且，水稻和小麥秸稈殘余率隨腐解天數(shù)的增加呈現(xiàn)減緩趨勢。其中，小麥季水稻秸稈最終殘余率為30.73%，水稻季小麥秸稈最終殘余率為31.53%，兩者差別不大。水稻秸稈麥田中總腐解時間為210天，小麥秸稈稻田中總腐解時間為120天，相差90天，說明小麥秸稈的腐解速率比水稻秸稈高。這應(yīng)該與腐解的環(huán)境以及試驗期間的溫度有關(guān)，小麥秸稈是在水田中腐解，且水稻生育期間的日均溫相對較高，這都有利于秸稈腐解。

2.2 水稻秸稈相關(guān)指標的釋放特征

由表1可知，在整個水稻秸稈腐解過程中，秸稈中鉀累積釋放率最高，為90.58%，基本全部釋放;其次是氮，累積釋放率也達到60.95%;纖維素和木質(zhì)素的累積釋放率相差不大，分別為38.77%和30.97%;半纖維素和磷的累積釋放率最低，分別為9.04%和6.77%。

鉀的平均釋放速率高峰出現(xiàn)在腐解中期（70～140天）;氮的平均釋放速率呈現(xiàn)降低趨勢，高峰出現(xiàn)在腐解初期（0～70天）;磷的平均釋放速率變化不大，高峰出現(xiàn)在腐解后期（70～210天）;纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的平均釋放速率均較高，其中，纖維素的平均釋放速率高峰出現(xiàn)在腐解初期（0～70天），隨后呈逐漸降低趨勢。

2.3 小麥秸稈相關(guān)指標的釋放特征

小麥秸稈在稻田腐解中的累積釋放率與水稻秸稈在麥田腐解中的變化規(guī)律相似（表2）。小麥秸稈中鉀的累積釋放率達到93.64%，氮的累積釋放率較低，只有24.94%，磷的累積釋放率為22.01%，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的累積釋放率差別不大，分別為25.39%、24.19%和39.13%。

小麥秸稈中鉀的平均釋放速率出現(xiàn)在腐解前期（0～30天），隨著腐解時間的延長，平均釋放速率呈現(xiàn)降低趨勢;氮的平均釋放速率呈現(xiàn)先升高后降低趨勢，高峰出現(xiàn)在中前期（30～60天）;磷的平均釋放速率變化幅度不大，腐解前期（0～60天）平均釋放速率相對較高;纖維素和半纖維素的平均釋放速率呈現(xiàn)先降低后升高趨勢，高峰出現(xiàn)在90～120天;木質(zhì)素的平均釋放速率高峰出現(xiàn)在腐解前期（0～30天），隨后進入相對穩(wěn)定階段，腐解后期（90～120天）表現(xiàn)出升高趨勢。

3 討論與結(jié)論

秸稈中氮素大致可分為貯存性氮素和結(jié)構(gòu)性氮素，前者包括滯留在秸稈中的硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和一些小分子有機氮（氨基酸、酰胺等），后者主要是難腐解的有機氮，包括葉綠素、蛋白質(zhì)（酶）、核酸、胺類、氨基化合物和各種維生素中的氮。貯存性氮素很容易從秸稈中釋放，但占比較小;結(jié)構(gòu)性氮素是秸稈氮素的主要組分，必須先經(jīng)微生物礦化為無機氮才能逐漸釋放，且釋放速率較慢[12，13]。秸稈本身含鉀較多，且大部分以離子態(tài)存在，易溶于水，也易釋放出來，因此秸稈中鉀的釋放與水分條件密切相關(guān)。作物秸稈主要由纖維素、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)、醇溶性物質(zhì)、水溶性物質(zhì)等成分組成，其中纖維素和木質(zhì)素含量最多。C/N低的稻稈較容易分解，但對土壤有機質(zhì)的累積作用小。水稻秸稈含水量較高時即新鮮稻稈分解較快。