不同施氮量對半干旱區(qū)還田玉米秸稈腐解及養(yǎng)分釋放特征的影響

陳建英，羅超越，邱慧珍，鄧德雷，張春紅，郭亞軍，張建斌

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,甘肅省干旱生境作物學(xué)重點實驗室,甘肅省畜禽廢棄物資源化利用工程研究中心,甘肅 蘭州 730070)

我國作為一個農(nóng)業(yè)大國，秸稈資源量豐富，每年產(chǎn)生秸稈近9.0×109t，占世界秸稈總產(chǎn)量的三分之一左右[1-2]，其中絕大部分為禾谷類農(nóng)作物秸稈[3]。秸稈中含有豐富的礦質(zhì)元素，據(jù)估計，9.0×109t秸稈中約含氮3.0×106t，含磷7.0×105t，含鉀7.0×106t，相當(dāng)于我國目前化肥施用量的1/4，而且秸稈中含有大量微量元素[4-5]。據(jù)統(tǒng)計，2015年全國秸稈綜合利用率約為80%左右，仍有2.0×109t左右的秸稈通過不同途徑進行焚燒或廢棄[1]。隨意丟棄的秸稈會將其上附著的病蟲卵帶入土壤或水體，引起土傳病害和水體污染；而就地焚燒后產(chǎn)生超過5.0×108t的碳被排放到環(huán)境中，給生態(tài)環(huán)境帶來嚴重的危害[6]。

目前我國作物秸稈的綜合利用方式主要有肥料化、飼料化、能源化、材料化，其中秸稈還田作為保護性耕作技術(shù)的核心內(nèi)容，不僅可以改善土壤理化性狀，還可以提高土壤有機質(zhì)含量，培肥地力，是有效合理利用作物秸稈及改變土壤耕層結(jié)構(gòu)的重要措施之一[5,7-8]。秸稈降解后不僅可以釋放大量的氮、磷、鉀補充農(nóng)作物的生長需求[9]，還可以進入土壤碳循環(huán)，增加土壤總有機碳儲量[10]。

秸稈還田是土壤有機培肥的主要方式，其還田后的腐解過程由物理、化學(xué)和微生物作用共同參與，其中，土壤微生物活動起著決定性作用。微生物對物質(zhì)的分解具有偏嗜性和優(yōu)先性，不同的作物秸稈其結(jié)構(gòu)和組分不同，其微生物分解特性也存在較大差異。因此，作物秸稈本身的結(jié)構(gòu)和組分是秸稈腐解的內(nèi)在屬性和決定因素；土壤微生物的種類、數(shù)量及活性是外在動力，易受到外界環(huán)境因素的影響[11]。凡是能影響土壤微生物活動的因素就會對秸稈腐解產(chǎn)生影響。土壤影響微生物活動的因素主要有土壤水分、溫度、通氣性和養(yǎng)分狀況[12-15]。其中水分和溫度受環(huán)境影響較大，而通氣性和養(yǎng)分狀況受人為影響較大，尤其是養(yǎng)分狀況。有研究[15]得出，中等肥力的土壤中還田秸稈礦化率最高，在高肥力土壤中還田秸稈腐殖化效果最好。也有研究[16]發(fā)現(xiàn)，秸稈還田配施適量氮肥能顯著增加土壤微生物量碳氮和有機碳含量，提高土壤酶活性，促進秸稈的分解。不同的農(nóng)作物秸稈自身的組成成分和C/N不同，導(dǎo)致還田后分解速度存在差異。因此，可以通過添加適量的外源氮素調(diào)節(jié)C/N，促進還田秸稈的腐解和養(yǎng)分釋放，提高農(nóng)作物產(chǎn)量和經(jīng)濟效益。

目前，對還田秸稈礦化分解的研究多集中于秸稈的用量、類型和還田方式等條件下秸稈的分解狀況及其養(yǎng)分釋放特征，而關(guān)于連續(xù)施氮條件下玉米秸稈的腐解特征還鮮有報道。因此本文采用尼龍網(wǎng)袋埋置法，研究連續(xù)不同施氮水平下玉米秸稈的腐解及養(yǎng)分釋放特征，為該區(qū)合理利用秸稈資源與養(yǎng)分資源管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2018年4—10月在甘肅省定西市安定區(qū)香泉鎮(zhèn)的定位試驗點進行，該定位試驗點始于2013年4月。試驗區(qū)海拔2 053～2 556 m ，年平均氣溫6.9℃ ，年降水量400 mm 左右，年蒸發(fā)量1 531 mm，無霜期140 d。該區(qū)土壤類型為黃綿土，0～20 cm土層土壤的基本理化性狀見表1和表2。供試玉米秸稈采自附近農(nóng)戶，初始養(yǎng)分情況為有機碳423.67 g·kg-1,全氮為9.01 g·kg-1,全磷1.23 g·kg-1,全鉀18.22 g·kg-1,C/N為47.01。

表1 土壤基本理化性狀

表2 2018年播種前0～20 cm土層土壤礦質(zhì)氮含量/(mg·kg-1)

注：T1：不施氮肥(CK);T2：75 kg·hm-2;T3:150 kg·hm-2;T4:225 kg·hm-2;T5:300 kg·hm-2;T6:375 kg·hm-2。不同字母表示各處理在P<0.05水平差異顯著。下同。

Note: T1： no nitrogen fertilizer (CK); T2: 75 kg·hm-2;T3:150 kg·hm-2;T4:225 kg·hm-2;T5:300 kg·hm-2;T6:375 kg·hm-2. Different letters were significantly different among treatments at theP<0.05 level, the same below.

1.2 試驗設(shè)計

田間試驗設(shè)6個氮水平：T1:0 kg·hm-2;T2:75 kg·hm-2;T3: 150 kg·hm-2;T4: 225 kg·hm-2;T5: 300 kg·hm-2; T6: 375 kg·hm-2。N肥用尿素(N,46%),P肥用過磷酸鈣(P2O5，16%)，施用量為225 kg·hm-2，K肥用硫酸鉀鎂肥(K2O，24%)，施用量292.5 kg·hm-2,所有肥料在播種時做基肥一次性施入。每處理重復(fù)4次，隨機區(qū)組排列，小區(qū)面積為7.2 m×6 m=43.2 m2,種植作物為馬鈴薯“青薯9號”，采用寬壟雙行覆膜種植，開溝0.1 m后，溝施肥料起梯形壟，壟寬1.0 m，溝寬0.4 m，用點播器將原種整薯播種于0.15 m深處，每壟種植2行，行距0.7 m，株距0.2 m，種植密度為76 500株·hm-2，于2018年5月1日播種，10月11日收獲，在此期間采用滴灌模式進行灌溉，其余田間管理措施同當(dāng)?shù)卮筇铩?/p>

試驗采用尼龍網(wǎng)袋法，進行等量玉米秸稈腐解試驗。馬鈴薯種植之后，在每個處理的試驗地耕層(壟上，馬鈴薯種植行之間)5～10 cm深處埋置裝有42.64 g(長度5 cm左右)玉米秸稈的尼龍網(wǎng)袋(25 cm×15 cm，100目)共15個。每隔30 d取樣一次，每個處理3次重復(fù)，共取樣5次。

試驗期間通過埋設(shè)的“watchdog”芯片對網(wǎng)袋埋置層進行土壤溫度和水分的測定，取其平均值作為當(dāng)月秸稈還田層的溫度和水分含量(表3)。取樣后，尼龍網(wǎng)袋用水沖洗干凈，在80℃條件下烘干稱重，利用失重法計算秸稈腐解率。采用常規(guī)分析法[17]測定秸稈有機碳含量及養(yǎng)分含量，有機碳含量用重鉻酸鉀容量法-外加熱法，全氮含量用H2SO4-H2O2消煮-蒸餾法，全磷含量用釩鉬黃比色法，全鉀含量用火焰光度法測定，并計算養(yǎng)分釋放率。

腐解率(%)=(M0-Mt)/M0×100%

養(yǎng)分釋放率(%)=(M0C0-MtCt)/M0C0×100%

式中,M0為秸稈初始干重(g)；Mt為腐解時間為t時的干重(g)；t為腐解時間(d)；C0為秸稈原始養(yǎng)分含量，Ct為腐解時間為t時養(yǎng)分的含量。

表3 秸稈還田層的溫度和水分含量

1.3 數(shù)據(jù)處理

本研究采用SPSS 25統(tǒng)計軟件和Duncan法對數(shù)據(jù)進行處理及顯著性檢驗。采用Microsoft Excel 2016軟件進行圖表的繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮量處理下的秸稈腐解特征

通過不同施氮水平下還田玉米秸稈的腐解率可以看出(表4)，玉米秸稈的腐解率隨施氮量的增加先增加后減小，以T5處理的腐解率最高，并未表現(xiàn)出施氮量越高腐解率越高的趨勢，這可能是因為適宜的氮素添加能夠調(diào)節(jié)還田秸稈的C/N，促進腐解微生物的生長，當(dāng)?shù)剡^量時會抑制微生物的活性，減弱其腐解能力。在還田30 d時，也就是馬鈴薯苗期，T1、T2處理的腐解率分別為13.46%和13.64%，顯著低于其他施氮處理，說明不施氮或低施氮量不利于前期玉米秸稈的腐解。在還田前90 d，玉米秸稈腐解率增加較快，T1～T6處理的腐解率占總腐解率的比例分別為70.87%，75.95%，84.48%，85.21%，91.05%，90.81%，說明在本實驗條件下，無論施氮量高低，玉米秸稈的腐解主要發(fā)生在還田前90 d，究其原因，可能是因為腐解后期隨著易分解性有機物的逐漸減少，剩余部分為較難分解的有機物，且腐解后期土壤溫度下降，微生物活性降低，不利于秸稈分解[18]。還田150 d時，T1～T6處理的玉米秸稈腐解率分別為52.66%、53.02%、53.20%、52.79%、55.77%、53.34%，T5處理顯著高于其他處理，說明連續(xù)施氮量為300 kg·hm-2時有利于玉米秸稈的腐解。

表4 不同施氮水平下還田玉米秸稈的腐解率/%

注:同列不同字母表示各處理在P<0.05水平差異顯著。

Note: The different letters in the same column indicate that each treatment is significantly different atP<0.05 level.

2.2 不同施氮量處理下的秸稈養(yǎng)分釋放特征

不同施氮水平下還田玉米秸稈的碳素釋放率見圖1。在秸稈腐解過程中，秸稈中的碳素呈持續(xù)釋放狀態(tài)，在玉米秸稈腐解前期，秸稈中碳素釋放較快，隨腐解時間的延長，碳素釋放速度逐漸減緩。在還田前90 d，也就是馬鈴薯塊莖膨大期之前，各處理玉米秸稈的碳素釋放率在總釋放率中的占比均達到80%以上，其中T5和T6處理的玉米秸稈碳素釋放率分別為56.60%和53.93%，顯著高于T1、T2處理的48.18%和50.63%(P<0.05)，說明不施氮肥或低施氮量不利于腐解前期玉米秸稈碳素的釋放，而高施氮量有利于腐解前期碳素的釋放。經(jīng)過150 d的腐解，T1～T6處理的玉米秸稈碳素釋放率分別為59.29%、61.18%、61.40%、60.45%、64.12%、59.96%，T5處理顯著高于其他處理(P<0.05)。

圖2為不同施氮水平下還田玉米秸稈的氮素釋放率。從整個腐解過程來看，玉米秸稈的氮素釋放也呈逐漸增加的趨勢，隨腐解時間的延長，表現(xiàn)出前期快、后期慢的規(guī)律，且不施氮處理的玉米秸稈氮素釋放率明顯低于施氮處理，這與碳素釋放規(guī)律一致。還田前90 d，不施氮處理和施氮處理的玉米秸稈氮素釋放率分別占整個腐解過程玉米秸稈氮素釋放率的80.45%和90.11%，處理間差異顯著(P<0.05)，說明還田玉米秸稈的氮素釋放主要發(fā)生在還田后的前90 d，而且施氮處理可以促進腐解前期玉米秸稈氮素釋放。還田150 d后，玉米秸稈氮素釋放率為T5(47.89%)>T4(47.33%)>T6(46.70%)>T3(45.88%)>T2(44.56%)>T1(42.06%)，各處理之間無顯著性差異(P>0.05)。

圖1 不同施氮水平下還田玉米秸稈的碳素釋放率Fig.1 Carbon release rate of returning corn stalks under different nitrogen application levels

圖2 不同施氮水平下還田玉米秸稈的氮素釋放率Fig.2 Nitrogen release rate of corn stalks returned to the field under different nitrogen levels

圖3 不同施氮水平下還田玉米秸稈的磷素釋放率Fig.3 Phosphorus release rate of corn stalks returned to the field under different nitrogen levels

不同施氮水平下還田玉米秸稈的磷素釋放率如圖3所示。隨腐解時間的延長，玉米秸稈中磷素的釋放與碳素和氮素的釋放規(guī)律一致，呈現(xiàn)出先快后慢的整體趨勢。還田前90 d，玉米秸稈中磷素釋放率為43.12%～49.23%，其釋放量占整個腐解期磷素釋放總量的75%以上，說明玉米秸稈磷素釋放主要發(fā)生在還田前90 d。經(jīng)過150 d的腐解，玉米秸稈的磷素釋放率為52.76%～56.43%。秸稈中磷素的釋放隨施氮量變化不規(guī)律，原因可能與磷酸根離子在土壤中遷移速度慢且遷移距離短、秸稈釋放的磷仍部分吸附于秸稈上有關(guān)，但這一點仍有待進一步研究。

圖4為不同施氮水平下還田玉米秸稈的鉀素釋放率。與碳、氮、磷素釋放規(guī)律一致，玉米秸稈中鉀素的釋放也呈前期快、后期慢的特點。還田前30 d玉米秸稈中鉀素快速釋放；30～90 d，鉀素釋放緩慢；90 d以后，玉米秸稈中鉀素的釋放趨于平穩(wěn)。經(jīng)過150 d的腐解，不施氮處理玉米秸稈鉀素釋放率為93.72%，施氮處理鉀素釋放率為91.41%～94.01%，各處理間無顯著性差異(P>0.05)，說明施氮量對玉米秸稈鉀素的釋放沒有顯著性影響。秸稈中鉀素釋放率高于氮素和磷素的釋放率，這可能是由于秸稈中的鉀以離子形態(tài)存在，易溶于水，極易從秸稈中釋放。

圖4 不同施氮水平下玉米秸稈的鉀素釋放率Fig.4 Potassium release rate of corn stalk under different nitrogen levels

3 討 論

經(jīng)過150 d的腐解，不施氮處理和施氮處理的玉米秸稈腐解率均為53%左右。各處理玉米秸稈的腐解趨勢基本一致，都呈現(xiàn)出前期快、后期慢的特點，這與前人研究[19]結(jié)果一致。有研究顯示，施氮處理抑制了還田秸稈的前期腐解[20-21]，而劉單卿[22]通過對不同還田方式下小麥秸稈的腐解特征研究發(fā)現(xiàn)，配施氮肥可以促進小麥秸稈前期腐解，本研究得出相似結(jié)論，在快速腐解期(還田前90 d)不施氮處理的腐解率顯著低于施氮處理。龐荔丹[23]通過研究玉米秸稈還田腐解率發(fā)現(xiàn)，增施氮肥能夠促進玉米秸稈的腐解，且玉米秸稈腐解率隨施氮量的增加而增加，這與王靜靜等[24]的研究結(jié)果一致。趙建紅[25]通過水氮管理對還田秸稈的腐解影響研究發(fā)現(xiàn)，隨施氮量的增加，還田秸稈的腐解率呈先增加后降低的趨勢。本研究得出相似結(jié)論，施氮量為300 kg·hm-2時玉米秸稈腐解率最高，之后隨施氮量的增加腐解率降低。這可能是因為適量的外源氮素添加調(diào)節(jié)了還田秸稈的C/N，不僅為微生物的生長提供了充足的氮源，還促進了土壤中纖維素等一些碳水化合物水解酶的活性[26]，當(dāng)?shù)剡^量時會抑制微生物的活性，減弱其腐解能力。還田秸稈腐解過程中釋放的碳，或參與土壤有機物的合成，或分解為CO2排放到大氣中。整個腐解過程，玉米秸稈有機碳釋放的變化規(guī)律與腐解率趨勢基本一致，馬鈴薯生育期內(nèi)玉米秸稈中約61%的碳得到釋放。

秸稈氮素釋放與秸稈自身腐解呈近直線正相關(guān)，秸稈前期腐解量較大，故氮釋放速率也較快[11]。在玉米秸稈腐解前期(還田前90 d)，施氮處理的全氮釋放率顯著高于不施氮處理，且T5處理最高，說明施氮有利于秸稈前期氮素釋放，這與張亮[26]的研究結(jié)果一致。顧熾民[27]通過施氮對關(guān)中灌溉區(qū)秸稈還田小麥生長及秸稈腐解規(guī)律影響的研究發(fā)現(xiàn)，施用氮肥有促進秸稈腐解及氮素釋放的趨勢，但差異不顯著，這與本研究結(jié)果相似。張珊等[28]的研究得出，還田秸稈的氮素釋放隨施氮量的增加而增加。本研究結(jié)果與之存在差異，氮素的釋放隨施氮量的增加先增加后減小，這與趙建紅[25]研究結(jié)果一致。氮肥的使用促進了玉米秸稈的腐解，促進了養(yǎng)分釋放，另外也可能是外源氮素適量的添加對秸稈腐解過程中氮素的釋放有一定的激發(fā)效應(yīng)[27]。施用氮肥對磷、鉀的釋放無顯著性影響，有研究[29-30]得出，施用氮肥對秸稈碳和干物質(zhì)分解無顯著影響，但可促進秸稈中磷的釋放，抑制氮和鉀的釋放，這與本研究結(jié)果不一致。產(chǎn)生差異的原因可能是因為秸稈種類、土壤類型及氣候和溫度的不同。

秸稈腐解釋放出豐富的氮、磷、鉀及多種微量元素，可以補充作物生長過程中所需的營養(yǎng)元素。腐解150 d后，秸稈中氮、磷、鉀的釋放率分別為42.1%～47.9%、52.8%～59.7%、91.4%～94.0%，養(yǎng)分釋放率表現(xiàn)為：K>P>N，這與前人[31-33]的研究結(jié)果一致。秸稈中營養(yǎng)元素的存在形態(tài)是決定其釋放速度快慢的主要原因。秸稈中的鉀含量高且以離子形態(tài)為主，易溶于水故而釋放較快；秸稈中60%的磷素以離子形態(tài)存在，剩余部分為難分解的有機磷，且秸稈中磷素含量低于鉀含量。秸稈中的氮有一小部分是易分解的硝態(tài)氮(NO-3-N)和銨態(tài)氮(NH+4-N)，剩余的大部分都是一些難分解的有機氮，包括葉綠素、蛋白質(zhì)(酶)、核酸及氨基化合物等，難分解的有機氮經(jīng)微生物礦化為無機氮才能逐漸釋放，故而分解緩慢[34-35]。

4 結(jié) 論

1) 玉米秸稈在還田后的前90 d腐解較快，而90 d后腐解緩慢；還田150 d后，各處理下玉米秸稈的腐解率均達50%以上。

2)施氮可以顯著促進還田玉米秸稈前期的腐解，且隨施氮量的增加表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢，以施氮量為300 kg·hm-2的腐解效果最好。

3)施氮還可以顯著促進還田前期玉米秸稈中碳、氮的釋放，但對玉米秸稈中磷、鉀的釋放無明顯影響。