青海高原小麥秸稈-毛葉苕子混合腐解特征

謝 帥，梁鑫宇，宋明丹,2，韓 梅，李正鵬*

（1 青海大學農林科學院，青海西寧 810016；2 國家農業(yè)環(huán)境西寧觀測實驗站，青海西寧 810016）

青海東部農業(yè)區(qū)為高寒干旱氣候區(qū)，氣候資源豐富，作物生長具有“一季有余、兩季不足”的特點。小麥作為青海省主要的糧食作物，收獲后會出現(xiàn)2～3個月空閑期，此時正值雨熱同期，為了充分利用光、水、土等資源，一般會在麥田套/復種綠肥。毛葉苕子(Vicia sativa)生物固氮能力強、適應性廣，被廣泛用于北方農田套/復種模式[1-2]。在生產實踐中，綠肥于小麥灌漿期撒播套種，小麥成熟后，機械收割將粉碎的麥秸散落在生長綠肥的麥田中，下霜后綠肥逐漸停止生長，之后殘留麥稈和凍死綠肥覆蓋地表，一直持續(xù)到第二年春播灌水，通過旋耕機將殘留的有機物料打碎與土壤充分混勻。該模式可有效利用秸稈資源，秸稈和綠肥覆蓋地表具有蓄水保墑的作用[3-4]，并有效減少了青海冬季風沙對土壤的侵蝕。

作物秸稈是農業(yè)生產中的寶貴資源，直接還田是減肥增效、土壤培肥的主要措施[5]，了解其腐解和養(yǎng)分釋放規(guī)律，對化肥減量以及后茬作物養(yǎng)分供應具有重要的意義[6]。有機物料腐解過程受秸稈自身屬性的影響[7]，初期為快速分解階段，主要是一些可溶性糖類、蛋白質、纖維素等快速分解，后期為緩慢分解時期，微生物逐步緩慢分解蠟質、木質素等物質[8]。有機物料腐解過程中，物料C/N起著重要的作用。Nicolardot等[9]、Wang等[10]研究表明，微生物分解有機物料的最優(yōu)C/N為25∶1，因此高C/N有機物料(如禾本科作物秸稈)還田后，易造成高碳低氮的土壤環(huán)境，微生物活性在腐解過程中被限制，并且還會與后茬作物競爭氮素，導致腐解初期土壤缺氮，影響后茬作物生長。李濤等[11]研究發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈和小麥秸稈單獨還田后，均降低了苗期土壤的無機氮含量，而通過氮肥調節(jié)秸稈C/N為25后，對土壤無機氮無顯著影響。邱學禮等[12]研究發(fā)現(xiàn)，單獨玉米秸稈還田會降低煙葉的總產量，原因是玉米秸稈單獨還田后與烤煙幼苗出現(xiàn)爭氮的現(xiàn)象，通過苕子、氮肥調節(jié)其C/N可顯著提高煙葉的產量和產值?？梢奀/N高的有機物料單獨還田時，需添加外源氮，來調控物料C/N。Parr等[13]認為，當有機物料含氮量大于1.5%～1.7%，C/N為25～30，即可滿足微生物對氮素的需求。豆科綠肥秸稈C/N一般較低約為15～20，單獨還田給微生物創(chuàng)造了低碳高氮的土壤環(huán)境，還田初期會提高土壤氮素含量，但作物苗期對氮素利用量低，會造成土壤氮素的無效損失。前人發(fā)現(xiàn)不同高、低C/N有機物料聯(lián)合還田會發(fā)生交互作用，表現(xiàn)出不同的腐解和養(yǎng)分釋放規(guī)律[14-15]，如夏志敏等[16]發(fā)現(xiàn)玉米秸稈與蠶豆秸稈配合后可促進秸稈碳和土壤氮礦化；宋莉等[17]發(fā)現(xiàn)紫云英與油菜秸稈配合還田，可促進油菜秸稈的分解，同時保證了土壤速效氮含量。目前，不同高、低C/N有機物料聯(lián)合還田在南方稻區(qū)研究較多，以紫云英-稻稈聯(lián)合還田為主，而在北方地區(qū)，有機物料聯(lián)合還田的腐解和養(yǎng)分釋放規(guī)律缺乏試驗和科學理論的支撐。本研究開展小麥秸稈、毛葉苕子及其混合物料腐解試驗，通過雙庫指數(shù)衰減模型量化腐解過程，混合效應值表征物料間的交互作用，從而了解不同有機物料在青海高原的腐解和養(yǎng)分釋放規(guī)律，以期為當?shù)赜袡C物料還田提供理論依據(jù)和技術指導。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

試驗點位于青海省城北區(qū)青海省農林科學試驗地 (36°56′N、101°74′E、海拔 2290 m)，屬于大陸性干旱氣候，年均氣溫、降水量、蒸發(fā)量分別為5.9℃、367.5 mm、1180.9 mm，年均日照時數(shù)、日照率、光合輻射總量為2748 h、62.8%、612.5 J/cm2，土壤為栗鈣土，0—20 cm耕層土壤基礎理化性狀為有機碳24.59 g/kg、全氮1.47 g/kg、全磷3.09 g/kg、全鉀23.2 g/kg、堿解氮120.17 mg/kg、速效磷41.67 mg/kg、速效鉀228.67 mg/kg、pH 8.33。圖1為腐解期內的日平均氣溫和降水量。

圖1 腐解期間日平均氣溫和降水量Fig. 1 Daily mean air temperature and precipitation during the period of decomposition

1.2 試驗設計

采用尼龍網(wǎng)袋法填埋有機物料，供試材料為小麥秸稈(S)和毛葉苕子(G)，小麥秸稈收獲于2020年8月1日，干物質量為7000 kg/hm2、全碳含量為47.27%、全氮含量為0.72%、C/N為66∶1。毛葉苕子來自小麥收獲后套種的綠肥樣品，收獲時間為2020年10月20日，干物質量為4200 kg/hm2、全碳含量為43.87%、全氮含量為4.00%、C/N為11∶1。根據(jù)麥稈和毛葉苕子的干物質量來配比二者混合物料，混合物料記為G+S，C/N為24∶1。試驗設3個處理分別為S、G、G+S，每個處理重復3次。各物料經旱棚晾曬后，裁剪為2 cm左右長，烘干后各稱取40 g，混勻后裝入長20 cm寬15 cm尼龍網(wǎng)袋(孔徑75 μm)，埋入20 cm深土壤中，撂荒自然腐解，填埋時間為2021年3月30日，取樣時間為填埋后第7、14、28、42、72、117、162 天，腐解期無人為因素影響。

1.3 測定指標及方法

樣品采集時，各處理均取出3個腐解袋帶回實驗室，用濕毛巾擦凈尼龍網(wǎng)袋表面附著的泥土，于60℃烘干至恒重，稱量，研磨備用。物料有機碳測定采用重鉻酸鉀容量—外加熱法，全氮采用半微量凱氏定氮法，全磷采用鉬銻抗比色法，全鉀采用火焰光度法。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

不同時期各物料累積腐解率和養(yǎng)分累積釋放率計算方法如下：

一般有機物料殘留率，碳、氮、磷、鉀養(yǎng)分殘留率隨時間的變化，可用雙庫指數(shù)衰減模型來模擬：

式中，Wt為第t天的物料各指標的殘留率；a為易分解部分比例，近似等于周年腐解率；b=1-a表示難分解部分比例；k為易分解部分的分解速率常數(shù)，則1/k為易分解部分的平均周轉天數(shù)，指分解掉其易分解部分所需要的時間。

采用物料混合效應值(RME，residue-mixing effect)表征麥稈與毛葉苕子混合后是否產生混合效應[18-19]，計算公式如下：

式中，EXP為混合物料各指標的預測值；Ri為i物料單獨腐解時，各項指標的實測值。Wi為i物料在混合物料中的比例；s為物料種類數(shù)量。OBS為混合物料各指標的實測值；RME＞0表示物料混合后存在協(xié)同效應，RME＜0表示存在拮抗效應，絕對值的大小表示混合效應的強弱。

用Excel 2019整理數(shù)據(jù)，SPSS 25.0軟件進行方差分析，LSD法進行多重比較，Origin 18.0制圖以及方程擬合。

2 結果與分析

2.1 有機物料累積腐解率和腐解速率

隨腐解進程的推進，各處理的累積腐解率逐漸升高，升高趨勢為前期(0～42天)快后期慢(圖2a)，在相同采樣時間點均表現(xiàn)為G＞G+S＞S。試驗結束時(162天)，各處理的累積腐解率分別為81.93% (G)、51.65% (S)、64.17% (G+S)，G處理顯著高于S和G+S處理(P＜0.05)。各處理腐解速率變化如圖2b，G處理在8～14天的腐解速率達到最大，為1648.10 mg/d；S處理腐解速率在0～28天內變化較小，隨后表現(xiàn)出下降的趨勢，在15～28天內腐解速率最大為347.62 mg/d；G+S處理表現(xiàn)出先下降再升高后下降的趨勢，在0～7天內腐解速率最大為488.10 mg/d。

圖2 各有機物料腐解率和腐解速率Fig. 2 Accumulated decomposition ratio and decomposition rate of each organic material

2.2 有機物料腐解過程養(yǎng)分釋放特征

隨腐解進程的推進，各處理碳、氮、磷、鉀的累積釋放率逐漸升高，升高趨勢表現(xiàn)出前期快后期慢(圖3a、b、c、d)，試驗結束時，各養(yǎng)分累積釋放率均表現(xiàn)為G＞G+S＞S。不同處理中碳、氮、磷、鉀的累積釋放率表現(xiàn)不同，毛葉苕子表現(xiàn)出：鉀＞氮＞碳＞磷；混合物料表現(xiàn)出：鉀＞磷＞氮＞碳；麥稈表現(xiàn)出：鉀＞磷＞碳＞氮。

圖3 各有機物料中碳、氮、磷、鉀累積釋放率和釋放速率Fig. 3 Accumulated release ratio and release rate of carbon, nitrogen, phosphorus, and potassium of each organic material

至試驗結束，各處理的碳素累積釋放率分別為85.30% (G)、46.66% (S)、62.77% (G+S)，G 處理顯著高于S和G+S處理(P＜0.05)，分別高82.81%、35.89%。碳素釋放速率表現(xiàn)見圖3e，隨腐解進程的推進，各處理整體表現(xiàn)出下降的趨勢，快速腐解期均為0～7天，碳素釋放速率分別為1282.83 mg/d(G)、661.25 mg/d (S)、441.59 mg/d (G+S)，G 處理的碳素釋放速率顯著高于S和G+S處理(P＜0.05)，分別高94.00%、190.50%。

氮素累積釋放率不同于碳素，在相同的采樣點內均表現(xiàn)出G＞G+S＞S (圖3b)，其中麥稈在28～42天的腐解時間段內出現(xiàn)對氮的固持，至腐解結束，各處理氮素累積釋放率分別為88.29% (G)、31.83%(S)、66.78% (G+S)。氮素釋放速率表現(xiàn)見圖3f，隨腐解時間的推移，G處理整體表現(xiàn)出下降的趨勢，快速腐解期在0～28天；S和G+S處理均表現(xiàn)出先升高再下降的趨勢，快速腐解期分別為0～14和0～28天。

磷、鉀累積釋放率有明顯的前快后慢的趨勢(圖3c、d)，至腐解結束，各處理磷素累積釋放率分別為 71.30% (G)、62.66% (S)、68.24% (G+S)，磷素的快速釋放期均為0～14天(圖3g)。鉀素累積釋放率在第42天時，各處理均已經達到了90%以上，至腐解結束，各處理鉀素累積釋放率分別為98.24%(G)、94.62% (S)、97.40% (G+S)，且鉀素快速釋放期均為 0～42天 (圖3h)。

2.3 有機物料腐解模擬

雙庫指數(shù)衰減模型(公式7)可以較好地模擬物質殘留率、養(yǎng)分殘留率與腐解時間的關系，R2均大于0.91 (表1)。S、G、G+S處理中易分解部分的質量分別約占總質量的53.62%、79.25%、64.16%，G處理顯著高于S和G+S (P＜0.05)，分別高47.80%、23.52%。各處理中碳、氮、磷的易分解部分比例均表現(xiàn)為G處理最高，鉀的易分解部分S處理最高，除鉀外G處理顯著高于S和G+S處理。

表1 不同有機物料質量和養(yǎng)分擬合參數(shù)Table 1 Mass and nutrient fitting parameters of different organic materials

2.4 有機物料混合腐解效應(RME)分析

有機物料混合填埋后，提高了易分解干物質量比例及碳、氮、磷、鉀的易分解部分比例，其中碳、氮、磷的易分解部分比例實測值顯著高于預測值，存在顯著的協(xié)同作用(P＜0.05)。物料混合后極顯著增加碳、氮的易分解部分平均周轉天數(shù)，極顯著降低磷、鉀的易分解部分平均周轉天數(shù)(P＜0.01) (表2)。混合處理碳素易分解比例的實測值顯著高于預測值，高6.02%。物料混合后易分解碳的平均周轉周期比預測值延長22.54天，延緩碳素的釋放，對碳素養(yǎng)分的釋放表現(xiàn)出極顯著的拮抗作用。混合處理氮素易分解比例的實測值顯著高于預測值，高22.77%。易分解氮的平均周轉天數(shù)比預測值延長6.65天，延緩了氮素養(yǎng)分的釋放?；旌咸幚砹姿匾追纸獗壤膶崪y值顯著高于預測值，磷素易分解比例比預測值高5.41%。易分解磷的平均周轉天數(shù)比預測值縮短1.66天，物料混合能加快磷素的釋放。鉀素易分解比例的實測值略大于預測值，兩者之間無顯著差異。易分解鉀的平均周轉天數(shù)比預測值縮短3.50天，物料混合能加快鉀素的釋放。

表2 小麥秸稈與毛葉苕子混合腐解效應 (RME) 分析Table 2 Analysis of residue-mixing effect (RME) of wheat straw and hairy vetch

3 討論

3.1 不同有機物料腐解規(guī)律差異分析

有機物料的腐解過程受氣候、土壤環(huán)境條件和有機物料自身性質的影響。隨腐解進程的推進，累積腐解率呈現(xiàn)前期快、后期慢的變化特征[20]，本研究結果與其一致。但相較前人研究結果[21-23]，本研究的快速腐解期在青海地區(qū)持續(xù)時間長，這可能是填埋時(三月)氣溫較低，降水量較少。物料累積腐解率表現(xiàn)出毛葉苕子最高，麥稈最低，是因為毛葉苕子體內可溶性有機物和無機養(yǎng)分較多，微生物可利用的養(yǎng)分多，還田后促進了微生物的生命活動，從而加速毛葉苕子的分解，而麥稈中木質素、纖維素等難分解物質較多[24-25]，且微生物在分解代謝過程中，還會產生一些難分解的中間產物，導致麥稈的腐解較慢。

有機物料的C/N也是影響腐解的關鍵因素，當物料含氮量大于1.5%～1.7%時，C/N為(25～30)∶1，即可滿足微生物對氮素的需求，進而有利于有機物料的分解。本研究發(fā)現(xiàn)，C/N為24∶1的混合物料在每個采樣時間點內，其累積腐解率均小于C/N為11∶1的毛葉苕子，這與前人的研究結果[13]相反，原因可能是受到C/N組成成分的影響。本試驗中氮素來源均為有機氮，相較于無機氮，有機氮在腐解初期難以被微生物快速利用，導致腐解緩慢，有研究表明添加尿素可促進有機物料腐解[26]，所以選擇合適的外源氮素，來調控不同物料的C/N，對有機物料的分解具有重要的意義。

3.2 物料養(yǎng)分釋放與田間養(yǎng)分管理

有機物料在腐解過程中會伴隨著養(yǎng)分的釋放，不同養(yǎng)分的累積釋放率和快速釋放期與其在物料體內的含量、存在形態(tài)和存在位置有關。本研究中不同處理的碳、氮、磷、鉀的累積釋放率表現(xiàn)不同，毛葉苕子表現(xiàn)出：鉀＞氮＞碳＞磷；混合物料表現(xiàn)出：鉀＞磷＞氮＞碳；麥稈表現(xiàn)出：鉀＞磷＞碳＞氮，這與前人研究結果[27]一致。各處理養(yǎng)分的累積釋放率整體表現(xiàn)出前快后慢的趨勢，這與潘福霞等[28]研究結果一致。各處理鉀素的累積釋放率高于其他養(yǎng)分，且主要表現(xiàn)在0～42天，前人研究[29]也發(fā)現(xiàn)，秸稈還田后的0～30天內，鉀素會爆發(fā)式的釋放，原因是有機物料中80%鉀素以離子態(tài)或水溶性鹽類存在，易溶于水，可快速釋放，受微生物活動影響小[30]。碳、氮在腐解前期釋放較快的原因是有機物料中少部分可溶性碳、氮組分的釋放，后期主要是碳、氮有機化合物的分解，故分解緩慢[31]。磷素的快速釋放主要表現(xiàn)在0～14天，是因為有機物料中有40%～80%的磷以水溶態(tài)或弱酸溶解態(tài)無機磷存在，在腐解前期容易釋放[32-33]，其余部分參與細胞壁和核酸的組成，需微生物分解才可釋放[34]。

有機物料還田后可快速釋放磷、鉀元素，前人研究發(fā)現(xiàn)有機物料還田后對土壤有效磷、速效鉀的補充具有積極的影響[23,27,35-36]，在生產前期可作為速效磷、鉀肥使用。對于碳素而言，有機物料殘體及其代謝物將以較為穩(wěn)定的形式(腐殖質)進入土壤碳庫，長期有機物料還田可以提高土壤有機質含量，有利于后茬作物生長發(fā)育。對于氮素的釋放，毛葉苕子含氮量較高，還田后其快速釋放期正值作物苗期，但此時作物所需氮量有限，會造成氮素無效損失，易引起環(huán)境污染[37]，而麥稈具有高C/N，還田后會使土壤出現(xiàn)高碳低氮的環(huán)境，迫使微生物固定土壤中的礦質態(tài)氮素，與作物競爭氮素，導致苗期作物缺氮[31]。本研究發(fā)現(xiàn)，物料混合后延緩了碳和氮的釋放速率，并且增加了碳和氮的釋放量，相較于單一物料還田更符合小麥生長的養(yǎng)分需求。然而有機物料的養(yǎng)分釋放會受到田間管理措施、土壤理化性質[38]、下茬作物根系分泌物[39]等的影響，很難完全被下茬作物吸收利用，一部分養(yǎng)分會以淋溶、徑流、轉化為氣體揮發(fā)等形式損失。在青海高原農業(yè)生產中，有機物料還田后是如何協(xié)調土壤、作物和肥料間的關系，具體可以歸還土壤多少養(yǎng)分、替代多少化肥用量以及對后茬作物生長的影響還有待進一步研究。

4 結論

毛葉苕子、小麥秸稈的累積腐解率分別為81.93% (G)、51.65% (S)，二者混合后可達64.17%，毛葉苕子中的碳、氮、磷、鉀的累積釋放率高于小麥秸稈。毛葉苕子中易分解部分的比例為79.25%，且碳、氮、磷、鉀在易分解部分中的比例高于麥稈。毛葉苕子與麥稈混合后，調節(jié)了易分解部分比例以及其中的碳、氮、磷、鉀含量，增加了碳、氮的平均周轉天數(shù)，降低了磷、鉀的平均周轉天數(shù)，更有利于后茬作物對養(yǎng)分的利用。