黃河三角洲鹽堿農(nóng)田小麥秸稈分解及養(yǎng)分釋放動(dòng)態(tài)研究

（山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 251000）

鹽堿土是鹽土和堿土以及各種鹽化和堿化土相結(jié)合的總稱，是地球上廣泛分布的一種土壤類型。鹽漬土在世界各大洲都有分布，約占地球陸地總面積的10%，達(dá)9.5億hm2，主要分布在干早和半干旱荒漠地帶。鹽堿土鹽分大、有機(jī)質(zhì)低、土壤微生物少等缺點(diǎn)造成土壤作物生長(zhǎng)困難，所以說這是目前全世界普遍存在的重要環(huán)境問題。中國(guó)人口眾多，耕地資源十分緊張，人均耕地面積僅有0.09 hm2，不到世界平均水平的40%。所以，鹽堿土是一種潛在力很大的后備土地資源，存在巨大的開發(fā)潛力。合理開發(fā)和利用鹽堿地，就能對(duì)地球生態(tài)環(huán)境、人類生活、生產(chǎn)的改善起到極大促進(jìn)作用，進(jìn)而能夠加快社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。我省黃河三角洲是鹽堿地的集中分布區(qū)，目前擁有近800萬(wàn)畝未利用鹽堿地和1100多萬(wàn)畝中低產(chǎn)田，另有黃河沖積年均造陸近1.5萬(wàn)畝，后備土地資源得天獨(dú)厚，具有發(fā)展高效生態(tài)經(jīng)濟(jì)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。但從發(fā)展的觀點(diǎn)來(lái)看，特別是從黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的角度來(lái)看，該區(qū)目前的農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)尚不能滿足高效生態(tài)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求，盡管近年來(lái)種植業(yè)結(jié)構(gòu)開始向“糧食作物—經(jīng)濟(jì)作物—飼料作物—能源作物”多元種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，但總體上仍沿襲傳統(tǒng)“糧食作物一經(jīng)濟(jì)作物”二元結(jié)構(gòu)。由于土壤含鹽量高、地下水咸等嚴(yán)重制約著高效生態(tài)農(nóng)業(yè)的深度開發(fā)利用，糧食作物與經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)量不高，耐鹽作物品種有限，成為多元種植結(jié)構(gòu)的發(fā)展障礙，這也成為黃河三角洲區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)建設(shè)的瓶頸。

中國(guó)秸稈資源總量高達(dá)7×108t（謝光輝[1]等,2010），而長(zhǎng)期以來(lái)由于田間焚燒和廢棄等未利用的達(dá)到 2.15～3.14×108t（韋茂貴[2]等,2012;Wang[3]et al.,2013），不僅造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，還污染空氣和破壞環(huán)境。秸稈覆蓋在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用為作物秸稈資源的利用提供了有效途徑，對(duì)秸稈資源利用和環(huán)境保護(hù)具有重要意義。土壤溫度作為作物生長(zhǎng)環(huán)境的重要指標(biāo)，研究表明秸稈覆蓋可以調(diào)節(jié)地溫，進(jìn)而促進(jìn)作物生長(zhǎng)和提高產(chǎn)量。程宏波[4]等（2016）研究表明，小麥秸稈覆蓋具有明顯的降溫效應(yīng)，小麥增產(chǎn)明顯。然而，匡恩俊[5]等（2017）研究表明，秸稈覆蓋導(dǎo)致玉米減產(chǎn)。秸稈作為物質(zhì)、能量和養(yǎng)分的載體，是一種寶貴的自然資源，秸稈還田可以通過增加土壤有機(jī)碳的直接輸入實(shí)現(xiàn)固碳，研究表明，秸稈還田的推廣是我國(guó)農(nóng)業(yè)表層土壤有機(jī)碳含量增加的主要原因之一，據(jù)估算，20世紀(jì)80年代以來(lái)，由于秸稈還田的實(shí)施我國(guó)土壤表層有機(jī)碳每年增加約20-30Tg（黃耀和孫文娟[6],2006）。秸稈直接還田是當(dāng)前乃至今后秸稈資源化利用的主要渠道，秸稈還田后，營(yíng)養(yǎng)元素如何變化對(duì)于指導(dǎo)施肥具有重要意義。鑒于此，2017年度，團(tuán)隊(duì)成員在山東省農(nóng)科院東營(yíng)基地核心試驗(yàn)區(qū)，主要開展了小麥秸稈分解動(dòng)態(tài)試驗(yàn)、小麥秸稈生態(tài)覆蓋對(duì)作物產(chǎn)量的影響試驗(yàn)，以期掌握秸稈全量還田后，營(yíng)養(yǎng)元素如何釋放及其秸稈不同覆蓋措施對(duì)作物產(chǎn)量的影響，以期為建立輕度鹽堿地保苗出苗及其優(yōu)化的水肥調(diào)控措施提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)域概況與研究方案

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于山東省農(nóng)科院東營(yíng)試驗(yàn)基地核心試驗(yàn)區(qū)內(nèi)，屬暖溫帶半濕潤(rùn)地區(qū)大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，雨熱同期。多年平均氣溫12.5℃，年極端最高氣溫38.5℃，極端最低氣溫－17.5℃，無(wú)霜期長(zhǎng)達(dá)206天，平均日照時(shí)數(shù)2596.1小時(shí)，年降水量550～600mm。試驗(yàn)區(qū)土壤理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)置

2017.6.10日在核心試驗(yàn)內(nèi)收集了小麥秸稈，帶回實(shí)驗(yàn)室烘干、剪碎，裝進(jìn)分解袋，每袋裝20g，共60個(gè)，分解袋由孔徑0.2 mm的尼龍網(wǎng)制成，規(guī)格為20 cm×20 cm。2017.6.18日把分解袋隨機(jī)投放到試驗(yàn)區(qū)內(nèi)，為了模擬原位分解條件，在袋子周邊或袋子上覆蓋了土壤。分別在投放后的30天、53天、138天、374天和 401天進(jìn)行了取樣，每次取3-5個(gè)，取回的分解袋立即帶回實(shí)驗(yàn)室，挑出根系、草等雜物，然后用去離子水沖洗干凈，70℃下烘干至恒質(zhì)量。稱質(zhì)量后將樣品磨碎裝袋待測(cè)。測(cè)試指標(biāo)為總碳、總氮、總磷、總硫。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

運(yùn)用Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)處理計(jì)算，Origin7.5進(jìn)行繪圖，SPSS 13.0等軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥秸稈分解過程中失重率的變化

在0-401天的分解時(shí)間內(nèi)，小麥秸稈的失重率隨著投放時(shí)間的增加而增大，為快－慢交替變化的模式 （圖1）。分解的0～30d是快速損失階段，這是易溶性物質(zhì)的淋溶階段，30d后，質(zhì)量損失率達(dá)到29.5%，之后30-374d，分解速率相對(duì)于前30d，有所降低，可能這一時(shí)期秸稈殘留的都是不易分解的成份有關(guān)。分解的374-401d內(nèi)，分解速率又增加，投放的第374d-401天，6月24日至7月25日，這段時(shí)期，氣溫較高，降雨也較多，微生物活性隨之增強(qiáng)，由此可能導(dǎo)致分解速度加快。分解401天后，小麥秸稈的干物質(zhì)損失率為80.5%。枯落物分解過程中干物質(zhì)殘留率的變化可以用指數(shù)衰減模型來(lái)描述 （Olsen[8]，1963），即：Wt/W0=ae-kt，式中 Wt為經(jīng)時(shí)間 t（d）后，秸稈分解殘留量；W0為秸稈的初始質(zhì)量，k為分解速率常數(shù)，t為分解時(shí)間（d）。擬合后得到秸稈分解模型：y=0.8806e-0.0033x(R2=0.945)，分解速率常數(shù)為0.0033d-1，根據(jù)分解模型，計(jì)算得到分解95%所需的時(shí)間為869天。

圖1 小麥秸稈分解過程中失重率的變化

2.2 小麥秸稈分解過程中元素含量的變化

枯落物分解過程中元素的積累或釋放可以用積累系數(shù)（NAI）表示：

式中Mt為秸稈在t時(shí)刻的干物質(zhì)重量，Xt為t時(shí)刻秸稈殘?bào)w中元素的濃度，Mo為秸稈的初始干物質(zhì)重量，X0為秸稈中元素的初始濃度。NAI<100%，說明秸稈分解過程元素發(fā)生了凈釋放，NAI>100%，說明秸稈分解過程元素發(fā)生了凈積累。

2.2.1 碳含量的變化

C是植物組織中碳水化合物的重要元素之一。在分解過程中，秸稈中的碳濃度呈波動(dòng)性變化（圖2），在分解的0-30d，秸稈中碳濃度迅速降低，由初始的438.6g/kg下降為381.0g/kg，之后30-53d，秸稈中的碳濃度又快速增加，之后又下降，分解138d后，秸稈中的碳濃度為384.7g/kg，為初始碳濃度的87.7%。在分解過程中，碳的絕對(duì)量均表現(xiàn)為釋放（NAI<100%），分解138d后，碳的絕對(duì)含量為初始量的42.1%。秸稈中C的變化模式與分解早期易溶性碳水化合物的快速淋溶和后期木質(zhì)素物質(zhì)的積累殘留有關(guān)。

圖2 小麥秸稈分解過程中C元素的變化

2.2.2 氮、磷含量的變化

在分解過程中，秸稈中N濃度也呈波動(dòng)性變化，在分解的0-30d，秸稈中的N濃度升高，由初始的5.28g/kg升高至13.71g/kg，升高了2.6倍，氮的絕對(duì)量也出現(xiàn)了凈積累 （NAI=183.0%>100%），這可能于秸稈初始N：P較低有關(guān)，已有的研究表明N：P是控制植物枯落物短期分解的一個(gè)重要因素（Berg，et al,1986）植物生長(zhǎng)的最適N：P 為 10-14 （Aerts,et al,1992），N：P>14 時(shí)，植物分解過程受枯落物中P含量限制，N：P<10，則受N限制（Alerts,et al,1997）。在本實(shí)驗(yàn)中，秸稈中N：P=4.7<10（圖3），說明小麥秸稈的分解受到N的限制，微生物需要從外界固定N，因此出現(xiàn)了N濃度的升高和N的積累，N：P比也隨之升高到12，介于10-14之間，為適宜分解區(qū)域。在之后30-138天，N濃度又進(jìn)入降低-升高的波動(dòng)性變化中，但N絕對(duì)量表現(xiàn)為釋放（NAI<100%）。至138天，N濃度為8.69g/kg，為初始N濃度的1.6倍，N絕對(duì)量為初始量的79.0%，表現(xiàn)為釋放。

圖3 小麥秸稈分解過程中N、P元素的變化

與N濃度的變化不同，在0-30d，秸稈中P的濃度表現(xiàn)為降低，P絕對(duì)量表現(xiàn)為釋放 （NAI=68.8%），可能與P的淋溶流失有關(guān)（Puriveth,1980），在植物組織中，P主要以磷酸根離子或化合物的形態(tài)存在，易被淋溶而損失 （Wen et al,1998）。在之后的30-138d，P濃度先升高又降低，P絕對(duì)量表現(xiàn)為積累（NAI>100%），分解138天后，P濃度為4.74g/kg，為初始濃度的4.6倍，P絕對(duì)量為初始量的200.9%，表現(xiàn)為積累。

2.2.3 C:N和C:P的變化

C/N、C/P是影響枯落物分解的重要基質(zhì)質(zhì)量指標(biāo)，反映了微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物種的控制。Berg的研究表明，枯落物營(yíng)養(yǎng)元素的變化動(dòng)態(tài)與碳/營(yíng)養(yǎng)元素的最小值有關(guān)。當(dāng)分解過程中碳與營(yíng)養(yǎng)元素的比值高于最小值時(shí)，發(fā)生微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的固定，反之則發(fā)生營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的釋放。微生物對(duì)枯落物營(yíng)養(yǎng)元素調(diào)控的結(jié)果致使分解過程殘?bào)w的化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化（Berg,1986）。在分解的138天內(nèi)，秸稈中的C：N呈波動(dòng)性變化，在0-30d，C：N降低，30-53天，C：N又升高，但仍低于初始值，在 53-138天，C：N 又降低。與 C：N 不同，C：P在0-138的分解過程中呈單調(diào)降低趨勢(shì)。

圖4 小麥秸稈分解過程中C:N、C:P元素的變化

3 研究結(jié)論

小麥秸稈的失重率隨著投放時(shí)間的增加而增大，為快－慢交替變化的模式，這種模式與早期易溶性碳水化合物的快速淋溶和后期木質(zhì)素物質(zhì)的積累殘留有關(guān)。小麥秸稈的分解符合指數(shù)模型，分解速率常數(shù)為0.0033d-1，分解95%所需的時(shí)間為869天。在分解過程中，小麥秸稈中C、N、P元素的變化不同，其中C濃度呈波動(dòng)性變化，表現(xiàn)為先降低又升高再降低的變化過程；C的絕對(duì)含量在分解過程中為釋放模式。N濃度也呈波動(dòng)性變化，表現(xiàn)為先升高、再降低又升高的變化過程；N的絕對(duì)量在分解過程中為積累-釋放的模式。P濃度也呈波動(dòng)性變化，表現(xiàn)為先降低又升高再降低的變化過程；P的絕對(duì)量在分解過程中表現(xiàn)為釋放-積累的模式。C：N和C：P是影響小麥秸稈分解的重要因素，分解前期，小麥秸稈的分解受N含量限制。根據(jù)小麥秸稈的分解和養(yǎng)分釋放特征，秸稈還田后，在前期應(yīng)施加適量N肥，后期應(yīng)施加適量P肥，通過調(diào)節(jié)N：P加快小麥秸稈的分解。鑒于此，下一步應(yīng)該開展不同肥料施加量和水分條件變化對(duì)秸稈分解的影響，以確定最佳施肥量和灌溉量，促進(jìn)秸稈快速分解腐爛。