稻田肥料減施對(duì)小麥秸稈腐解規(guī)律的影響

信彩云，王 瑜，趙慶雷，馬 惠

（山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所/山東省水稻工程技術(shù)研究中心，濟(jì)南 250100）

0 引言

化學(xué)肥料在保證作物生長(zhǎng)中發(fā)揮著重要作用[1]，是作物增產(chǎn)增收最基本的物質(zhì)保障。然而，長(zhǎng)期以來化肥的不合理施用，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了一系列的問題[2]，化肥利用率低[3]、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)富營(yíng)養(yǎng)化、部分耕地甚至遭受重金屬污染[4-5]。因此，在保證作物產(chǎn)量穩(wěn)定的前提下，優(yōu)化施肥管理、合理減施化學(xué)肥料、尋找對(duì)土壤養(yǎng)分進(jìn)行有效補(bǔ)充的便捷途徑，可以減少農(nóng)田環(huán)境壓力，對(duì)當(dāng)前農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和糧食單產(chǎn)水平的提高，作物秸稈的處理已成為一項(xiàng)重要課題，傳統(tǒng)的秸稈焚燒既浪費(fèi)了資源又加重了環(huán)境負(fù)擔(dān)，不利于生態(tài)平衡。作物秸稈是一種生物質(zhì)能資源，中國(guó)每年產(chǎn)生的農(nóng)作物秸稈大概有1/3左右還田[6]，秸稈中含有大量有機(jī)質(zhì)及植物生長(zhǎng)所必需的氮、磷、鉀和其他的一些中微量元素[7]，秸稈殘?bào)w是土壤有機(jī)質(zhì)的重要來源。通過秸稈還田可實(shí)現(xiàn)肥料化利用，不僅能減少化學(xué)肥料的施用，還有助于增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤物理性狀[8-9]，建立良好的土壤生態(tài)循環(huán)，對(duì)于節(jié)約成本、保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。秸稈在土壤中的腐解轉(zhuǎn)化速率不僅與秸稈本身的物質(zhì)構(gòu)成有關(guān)，還與周圍的溫度、水分、土壤性狀等環(huán)境條件密切相關(guān)，其中，秸稈性質(zhì)、氣溫和降雨是腐解快慢的主要影響因素[10]。在一定溫度范圍內(nèi)，土壤溫度升高可提高土壤微生物活性及呼吸率[11]，有利于加快秸稈腐解的速度[12]。此外，施肥方式對(duì)秸稈的腐解速率也有影響，尤其是一定比例的氮磷配施，及時(shí)補(bǔ)充土壤中的養(yǎng)分，可加快秸稈在土壤中的轉(zhuǎn)化，有效提高土壤地力，促進(jìn)良性循環(huán)生產(chǎn)[13]。有研究表明，秸稈還田配施一定量的氮、磷肥，可以改善土壤供氮特性，且不同形態(tài)的氮素在土壤中的固持與礦化會(huì)相互影響，既有利于土壤氮素轉(zhuǎn)化，又有利于作物吸收[14]。

前人對(duì)秸稈還田進(jìn)行過大量研究，但是多圍繞旱田（玉米、小麥）展開，主要集中在秸稈還田與施肥對(duì)土壤物理性狀、養(yǎng)分變化及作物產(chǎn)量影響[15-16]方面。本研究聚焦稻麥輪作區(qū)，探討稻田環(huán)境中肥料等量減施條件下小麥秸稈腐解的養(yǎng)分釋放特征，以期為提高作物秸稈的高效利用及化學(xué)肥料合理減施提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與地點(diǎn)

供試材料為‘圣稻18’，秸稈取前茬‘濟(jì)麥22’籽粒收獲后的剩余植株。

試驗(yàn)于2018—2019年在山東省水稻研究所濟(jì)寧試驗(yàn)站進(jìn)行。試驗(yàn)站為典型的稻麥輪作區(qū)，土壤質(zhì)地為砂土，耕層(0～20 cm)有機(jī)質(zhì)19.62 g/kg、全氮2.25 g/kg、速效氮23.29 mg/kg、速效磷31.37 mg/kg、速效鉀199.35 mg/kg、pH 6.70。2018年秸稈腐解期間最高溫36.99℃，最低溫4.11℃，日均氣溫5.67～32.55℃，5℃以上積溫2187.15℃，10℃以上積溫2055.79℃。2019年秸稈腐解期間最高溫38.03℃，最低溫1.59℃，日均氣溫8.57～30.60℃，5℃以上積溫2638.32℃，10℃以上積溫2619.80℃。

1.2 試驗(yàn)處理與方法

試驗(yàn)設(shè)不施肥對(duì)照(CK0)、常規(guī)施肥對(duì)照(CK)、常規(guī)施肥減量50%(F50)3個(gè)處理。常規(guī)施肥包括尿素600 kg/hm2、過磷酸鈣1125 kg/hm2、氯化鉀128 kg/hm2，氮肥的施用分基肥、返青肥、分蘗肥和穗肥4次施用，施用比例為基肥30%、返青肥20%、分蘗肥25%、穗肥25%。磷肥全部用作基肥施用，鉀肥作基肥和穗肥各50%施用。小區(qū)面積24 m2(4 m×6 m)，3次重復(fù)。

試驗(yàn)2年重復(fù)，2018年水稻于6月23日插秧，10月23日收獲。2019年水稻6月20日插秧，10月18日收獲。2018和2019年秸稈均于7月3日埋入大田，分別于秸稈埋入水稻田后0、15、30、45、60、75、90、105、120天取樣，選取秸稈腐解后0、60、90、120天的樣品進(jìn)行氮、磷、鉀、纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量測(cè)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(jì)法，纖維素、半纖維素、木質(zhì)素采用分光度計(jì)比色法進(jìn)行測(cè)定[17]。計(jì)算秸稈的殘余率、物質(zhì)累積釋放率、物質(zhì)平均釋放率[18]。計(jì)算如式(1)～(3)所示。

試驗(yàn)采用修正后的Olson指數(shù)衰減模型對(duì)秸稈的腐解動(dòng)態(tài)進(jìn)行擬合[18-20]，如式(4)所示。

其中，y是秸稈腐解殘余率(%)；x0、x分別為腐解初始和腐解t天的秸稈量(g)；根據(jù)式(5)和式(6)計(jì)算秸稈腐解50%(T50)和95%(T95)所需的時(shí)間(d)，k值是腐解速率常數(shù)，k值越大秸稈的腐解速度越快。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

表中數(shù)據(jù)為2年試驗(yàn)的平均值，數(shù)據(jù)采用SPSS 18.0和Microsoft Excel 2010進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈腐解規(guī)律

由表1可看出，各時(shí)期的不施肥處理(CK0)的秸稈殘余率均高于施肥處理(CK、F50)。至腐解120天，各處理秸稈均有60%以上已腐解。其中，F(xiàn)50處理秸稈殘余率顯著低于CK0處理，比CK0低16.43%，比CK高11.14%。CK和F50處理間秸稈殘余率差異不顯著。

表1 施肥處理對(duì)秸稈殘余率的影響 %

CK0處理下秸稈的腐解速度最低（表2），F(xiàn)50和CK處理秸稈腐解速度比CK0處理分別提高了18.09%和31.45%，肥料的施用可提高秸稈的腐解速度，秸稈的腐解速度隨肥料施用的增加而加快。CK0、CK和F50處理下秸稈腐解50%的理論預(yù)測(cè)時(shí)間（83、61、71天）均在實(shí)測(cè)值區(qū)間（75～90、60、60～75天）范圍內(nèi)。CK和F50處理下秸稈腐解50%的理論預(yù)測(cè)時(shí)間比CK0處理分別縮短22、12天。CK和F50處理下秸稈腐解95%的理論預(yù)測(cè)時(shí)間比CK0處理分別縮短95、59天。

表2 施肥處理下的秸稈腐解模型

2.2 秸稈中氮、磷、鉀釋放規(guī)律

各處理秸稈的氮素累積釋放率變化規(guī)律相似，如表3所示，在稻田中經(jīng)過120天的腐解后，不同處理秸稈中氮素累積釋放率為34.06%～53.02%，其中，F(xiàn)50處理秸稈中氮素累積釋放率比CK0處理提高50.65%，比CK處理降低3.23%。各處理秸稈的磷素累積釋放率變化規(guī)律與氮素相似，取樣結(jié)束時(shí)，不同處理秸稈中磷素累積釋放率為38.45%～69.48%，其中，F(xiàn)50處理秸稈中磷素累積釋放率比CK0處理提高16.70%，比CK處理降低35.42%。腐解前30天各處理秸稈中鉀素的累積釋放率為72.58%～85.33%，腐解120天時(shí)，各處理秸稈的鉀素累積釋放率為92.33%～95.88%，其中，F(xiàn)50處理秸稈中磷素累積釋放率比CK0處理提高1.42%，比CK處理降低2.34%。

表3 不同肥料處理下秸稈中物質(zhì)累積釋放率 %

如表4所示，各處理秸稈的氮磷鉀平均釋放速率高峰均出現(xiàn)在腐解前期（0～30天）。施肥處理提高秸稈氮磷鉀的平均釋放速率，在腐解前期（0～30天），F(xiàn)50處理秸稈中氮、磷和鉀的平均釋放速率比CK0處理分別提高47.13%、32.56%和15.59%，比CK處理分別降低17.42%、29.19%和1.68%。

表4 不同肥料處理下秸稈平均釋放速率 mg/(g·d)

2.3 秸稈中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素釋放規(guī)律

各處理秸稈的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的累積釋放率變化規(guī)律相似，如表5所示，在稻田中經(jīng)過120天的腐解后，不同處理秸稈中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素累積釋放率為32.75%～54.64%。其中，F(xiàn)50處理秸稈中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素累積釋放率比CK0處理分別提高25.27%、7.11%和22.19%，比CK處理分別降低9.28%、2.85%和2.99%。

表5 不同肥料處理下秸稈中物質(zhì)累積釋放率 mg/g

如表6所示，施肥處理提高了秸稈中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的平均釋放速率，與氮磷鉀相比，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的平均釋放速率在整個(gè)腐解期間一直相對(duì)較高。在腐解前期（0～30天），F(xiàn)50處理秸稈中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的平均釋放速率比CK0處理分別提高50.33%、28.60%和7.84%，比CK處理分別降低0.13%、32.71%和16.69%。

表6 不同肥料處理下秸稈平均釋放速率 mg/(g·d)

3 結(jié)論

綜上所述，稻田施用肥料會(huì)影響其中小麥秸稈的腐解與釋放。施用肥料可促進(jìn)稻田中小麥秸稈的氮、磷、鉀及纖維素類碳水化合物的累積釋放率和平均釋放速率，且各元素及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的釋放特征均不相同。稻麥輪作系統(tǒng)中，稻田的濕度和溫度均有利于秸稈的腐解，是小麥秸稈肥料化利用的重要途徑。此外，肥料的類型、配比、施用時(shí)間、稻田水層深度與持續(xù)時(shí)間等也可能會(huì)對(duì)秸稈腐解產(chǎn)生影響。

4 討論

秸稈腐解的快慢與它自身的條件和所處的環(huán)境有關(guān)，秸稈的大小、C/N、成分及周圍的環(huán)境各不相同，導(dǎo)致秸稈腐解的速度亦有差異[21-22]。張經(jīng)廷等[23-24]的研究結(jié)果表明，秸稈自身的C/N，尤其是木質(zhì)素含量是預(yù)測(cè)秸稈降解動(dòng)態(tài)的重要指標(biāo)，微生物對(duì)有機(jī)物降解的適宜C/N為25:1，C/N過高或過低均會(huì)影響微生物對(duì)秸稈的分解和秸稈養(yǎng)分的釋放。水稻和小麥等禾本科作物秸稈的碳氮比可達(dá)(60～100):1，都遠(yuǎn)大于25:1，因此，微生物分解礦化的速度較慢，同時(shí)還需要消耗土壤中的有效氮，所以，在秸稈還田的同時(shí)保證一定比例的氮磷配施，及時(shí)補(bǔ)充土壤中的養(yǎng)分，可以加快秸稈在土壤中的轉(zhuǎn)化，提高土壤地力，保證作物生產(chǎn)，進(jìn)行良性循環(huán)生產(chǎn)。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，施肥會(huì)促進(jìn)秸稈腐解，可以降低秸稈的殘余率，施肥處理(CK、F50)下秸稈腐解相對(duì)較快，CK和F50處理的秸稈殘余率顯著低于CK0，分別降低了24.80%和16.43%，且CK和F50處理間差異不顯著，CK和F50處理的秸稈腐解50%和95%的理論預(yù)測(cè)時(shí)間比CK0短，分別少了12天和22天。這與譚宏偉[18]對(duì)水稻秸稈的腐解規(guī)律（秸稈切碎后加入肥料可以促進(jìn)秸稈腐解）研究結(jié)果一致。

羅文麗[18]研究表明，秸稈中加入腐熟劑或農(nóng)家肥均能促進(jìn)其中氮磷鉀的釋放。本試驗(yàn)結(jié)果表明，施用肥料可促進(jìn)秸稈中氮磷鉀的累積釋放率，肥料減施對(duì)鉀素累積釋放率影響最小，對(duì)磷素累積釋放率影響最大，氮素和磷素的平均釋放速率受肥料的影響相對(duì)較大。有研究表明，作物秸稈中含有其所吸收的80%以上的鉀素，且秸稈中鉀也能提高土壤中速效鉀含量[25]，秸稈中鉀素較易釋放出來，這與鉀在秸稈內(nèi)以離子態(tài)存在有關(guān)。白由路[26]研究認(rèn)為，秸稈還田若再提高10個(gè)百分點(diǎn)，可以代替農(nóng)田中180萬t的鉀肥。因此，秸稈還田可有效降低農(nóng)田鉀肥的使用量。但需要考慮到秸稈腐解時(shí)對(duì)氮素的需求，結(jié)合秸稈中鉀素的釋放特征，在以秸稈中鉀素作為作物生長(zhǎng)需要的主要來源時(shí)，應(yīng)注意氮肥的配合使用。

施用肥料可提高稻田中秸稈纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的累積釋放率，其中，纖維素累積釋放率對(duì)肥料較敏感。本研究中，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素在腐解120天時(shí)，累積釋放率為32.75～54.64 mg/g，釋放周期較長(zhǎng)。這些纖維素類的碳水化合物是作物秸稈的主要成分，其中纖維素在作物秸稈中的含量更是高達(dá)40%～50%[27]，且是秸稈中最難分解的物質(zhì)，王曉玥[28]認(rèn)為，纖維素含量的高低可以顯示秸稈腐解進(jìn)程。秸稈中的這些纖維素類的富碳物質(zhì)有利于土壤腐殖質(zhì)的形成，會(huì)增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤物理性狀，因此，秸稈還田是維護(hù)農(nóng)田土壤質(zhì)量的主要措施。許多研究表明，作物秸稈的施用可促進(jìn)土壤中穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成，使土壤容重降低、總孔隙度增加，改善土壤的結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤的穩(wěn)水保肥性能。