典型區(qū)域秸稈和有機肥混土填埋后的腐解特征

李德近，馬想,2，孫悅，徐明崗,3，段英華

典型區(qū)域秸稈和有機肥混土填埋后的腐解特征

李德近1，馬想1,2，孫悅1，徐明崗1,3，段英華1

1中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/北方干旱半干旱耕地高效利用全國重點實驗室，北京 100081；2上海市園林科學(xué)規(guī)劃研究院，上海 200232；3山西農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，太原 030031

【目的】秸稈和有機肥是我國農(nóng)田主要有機物料來源，翻壓旋耕是其主要的還田方式，明確其在我國典型農(nóng)田土壤中的腐解過程特征和驅(qū)動因素，可為更好利用秸稈資源與合理施用有機肥提供科學(xué)依據(jù)?！痉椒ā吭谖覈湫秃谕?、潮土和紅壤上開展大田有機物料混土填埋試驗。設(shè)置4種處理：小麥秸稈混土（WS+soil）、玉米秸稈混土（MS+soil）、豬糞混土（PM+soil）和牛糞混土（CM+soil），按土重﹕物料碳=100﹕4.5，稱取物料土壤混合物200 g裝于尼龍袋填埋于土壤中，填埋后1年內(nèi)采樣6次，之后2—2.5年采樣一次，滿3年采樣一次，共8次采樣。分析各混土有機物料的腐解差異，采用雙指數(shù)方程明確易分解有機碳庫和難分解有機碳庫比例和腐解速率，闡明各土壤中有機物料的快速腐解速率、慢速腐解速率及積溫轉(zhuǎn)折點，并用隨機森林模型來量化物料組成和環(huán)境因素分別對腐解速率的相對貢獻?！窘Y(jié)果】秸稈混土的腐殖化系數(shù)為22%—43%，有機肥混土的為45%—58%。有機肥混土腐解較秸稈慢，區(qū)域間差異不大，從北往南有機物料腐解加快，且秸稈腐解較有機肥快。秸稈的易分解有機碳庫比例（70%—87%）高于有機肥的易分解有機碳庫比例（57%—83%），且秸稈易分解碳庫的腐解速率k1為（1.0%·a-1—4.9%·a-1），高于有機肥的k1（0.7%·a-1—1.1%·a-1）。秸稈在3種土壤上的積溫轉(zhuǎn)折點差別不大，積溫轉(zhuǎn)折點約為3 700℃，在此積溫之前為快速腐解，之后為慢速腐解階段。而有機肥的快速腐解和慢速腐解積溫轉(zhuǎn)折點差異從北往南逐漸增大，且有機肥的積溫轉(zhuǎn)折點為秸稈的2—5倍。土壤積溫和土壤有機碳含量均是混土秸稈和有機肥腐解的主要驅(qū)動因素，對其腐解率貢獻了約17%和13%。另外，對混土秸稈腐解的最主要驅(qū)動因素為土壤碳氮比，而對混土有機肥來說是時間因素?！窘Y(jié)論】秸稈較有機肥腐解快，秸稈的易分解有機碳庫比例高和腐解速率快是造成其腐解快的主要原因之一。對于秸稈來說碳氮比是影響其腐解的主要因素，對于有機肥來說則是時間，因此秸稈還田應(yīng)多考慮土壤和物料自身碳氮比，對于有機肥則應(yīng)充分考慮其長期效應(yīng)。

秸稈；有機肥；腐解殘留率；有機碳庫比例；土壤積溫

0 引言

【研究意義】有機物料在土壤中的輸入和腐解影響土壤有機碳的積累和礦化[1-4]，是土壤有機質(zhì)的重要來源之一。農(nóng)作物秸稈和有機肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中主要的有機物料。我國每年的秸稈產(chǎn)生量約占世界總量的30%[5-6]，其中小麥秸稈、玉米秸稈和水稻秸稈占秸稈總量75%。隨著畜禽業(yè)大規(guī)模發(fā)展，有機肥產(chǎn)生量也日趨增長[7]，其中豬糞和牛糞占畜禽有機肥總量的76.6%[8]。這些有機物料的有效利用，不僅可提高耕地肥力還能提高作物產(chǎn)量。然而，由于腐解慢、養(yǎng)分含量低等原因，秸稈和有機肥的利用效率仍有待提高。探究主要有機物料的腐解特征和驅(qū)動因子對有機物料的高效利用和農(nóng)田土壤培肥具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】有機物料的腐殖化系數(shù)和腐解速率是有機物料腐解的重要指標[9]。有研究表明[9]，無論秸稈還是有機肥在紅壤中，第一個月腐解均快于第二個月。我國農(nóng)田土壤中的有機物料腐殖化系數(shù)平均為33.5%，變化范圍10%—75%[10]。有機物料腐解受到很多因素影響，如物料種類、土壤性質(zhì)和氣候差異。介曉磊等[11]在暖溫帶區(qū)的砂土中，將5種有機物料與砂土混合的腐解研究表明，腐解速率表現(xiàn)為玉米秸稈＞小麥秸稈＞雞糞＞牛糞＞豬糞，即秸稈腐解快于有機肥。馬想等[12]通過純有機物料腐解試驗發(fā)現(xiàn)，秸稈較有機肥更容易腐解，且在我國南方紅壤中的腐解較在東北黑土中更快。不同土壤類型的土壤性質(zhì)差異大，影響著土壤微生物活動進而影響有機物料腐解過程[10,13]。王曉玥等[14]通過研究有機物料在不同質(zhì)地土壤中腐解特征發(fā)現(xiàn)，微生物對秸稈腐解的碳代謝強度均表現(xiàn)為黑土最大，潮土次之，紅壤最低。土壤溫度和水分影響微生物組成和活性，從而影響有機物料的腐解過程[15]。其中土壤積溫能很好地表征有機物料腐解過程[12]。此外，有研究表明，與常規(guī)的公歷年相比，土壤積溫年（1個土壤積溫年為3 652.5℃）能更好表征有機物料的腐殖化系數(shù)。積溫可以消除區(qū)域差異，表征各有機物料腐解殘留率之間的差異[12,15-17]?！颈狙芯壳腥朦c】筆者之前的研究表明[12]，純有機物料在1年的腐解過程中，秸稈腐解快于有機肥，并且易分解有機碳庫的比例高于有機肥；秸稈和有機肥受到土壤、物料和氣候的協(xié)同作用。然而，無論是秸稈還是有機肥施入土壤，往往是與土壤充分接觸的，且很多農(nóng)田會通過翻耕等將有機物料與土壤充分混勻，這種條件下土壤的差異對有機物料腐解的貢獻會更大。因此，闡明有機物料混土后的腐解特征，尤其是長期的腐解特征及驅(qū)動因素，可為深入理解有機物料的腐解機制，推動有機肥的利用和秸稈還田提供理論依據(jù)?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究在黑土、潮土和紅壤上開展為期3年多的有機物料混土田間腐解試驗，分析小麥秸稈（WS）、玉米秸稈（MS）、豬糞（PM）和牛糞（CM）分別與土壤混合后，在填埋后1年內(nèi)采樣6次，之后2—2.5年采樣一次，滿3年采樣一次，共8次采樣，并測定土壤養(yǎng)分動態(tài)變化，并通過解析土壤積溫和降雨量與有機物料腐解率的關(guān)系進而闡明：（1）不同有機物料混土腐解殘留率在區(qū)域間差異及其與土壤積溫的定量關(guān)系。（2）物料混土后土壤性質(zhì)、氣候因子和時間因素對有機物料腐解的相對貢獻。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

腐解試驗于2012年11月至2016年10月，分別在吉林公主嶺“國家黑土肥力肥效監(jiān)測基地”（124°48′E、43°30′ N）、河南鄭州“國家潮土肥力肥效監(jiān)測基地”（113°40′ E、35°50′ N）和湖南祁陽“國家紅壤肥力肥效監(jiān)測基地”（111°52′ E、26°45′ N）進行。其中，公主嶺屬于溫帶季風(fēng)氣候，其年均氣溫5.5℃，年均降雨量520 mm，年均蒸發(fā)量 1 400 mm，≥10℃積溫為2 800℃，無霜期為135 d。鄭州屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，其年均氣溫（14.5℃）、年均降雨量（615 mm）、年蒸發(fā)量（1 450 mm）、≥10.0℃積溫（5 170 ℃）和無霜期（220 d）均高于公主嶺。祁陽屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫18.0℃，年均降雨量1 250 mm，年蒸發(fā)量1 470 mm，≥10℃積溫為5 600℃，無霜期為300 d（數(shù)據(jù)來源于中國氣象共享服務(wù)系統(tǒng)，http://cdc.cma. gov.cn/）。供試土壤分別為第四紀黃土狀沉降物母質(zhì)發(fā)育的黑土、黃河沖積物母質(zhì)發(fā)育而來的潮土和第四紀紅色黏土發(fā)育而來的紅壤。各供試土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤基礎(chǔ)性質(zhì)

*土壤質(zhì)地分類采用國際制 *International system for soil texture classification

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用尼龍網(wǎng)袋混土填埋法模擬田間有機物料還田。供試有機物料為小麥秸稈（wheat straw，WS）、玉米秸稈（maize straw，MS）、豬糞（pig manure，PM）和牛糞（cow manure，CM）。每種土壤上均設(shè)4個處理：小麥秸稈混土（WS+soil）、玉米秸稈混土（MS+soil）、豬糞混土（PM+soil）和牛糞混土（CM+soil），重復(fù)4次。3個試驗點有機物料均相同，其在60℃下烘干、過2 mm篩后，按土重﹕物料碳=100﹕4.5充分混勻，隨后稱取200 g裝入規(guī)格為長25 cm，寬15 cm，孔徑為48 μm尼龍袋中。分別于2012年11月11—14日將尼龍袋在各試驗點原位填埋，填埋深度約為20 cm。填埋后，澆水使土壤含水量達到田間持水量的80%，其余時間不澆水，依靠自然降水。在各個試驗點的填埋區(qū)內(nèi)隨機填埋兩個地溫儀（HOBO S-TMB-M006），用于采集土壤溫度（每小時記錄1次溫度），該儀器填埋深度與混合物填埋深度保持一致。分別通過試驗點附近的湖南衡陽市、河南鄭州市和吉林省公主嶺市四平縣氣象站監(jiān)測填埋期間的累計降雨量（數(shù)據(jù)來源于中國氣象共享服務(wù)系統(tǒng)，http://cdc.cma.gov. cn/）。采用傳統(tǒng)分析方法測定純有機物料、混土后的有機碳和全氮含量[18]，有機物料混土前、后初始性質(zhì)見表2。

表2 填埋前有機物料及其混土后的碳氮含量

1.3 樣品采集與測定

尼龍袋填埋后，根據(jù)各試驗點土壤積溫累積速率設(shè)置不同的采樣時間。其中，黑土的取樣時間為填埋后129、181、222、256、300、360、880和1 431 d；潮土的取樣時間為填埋后49、120、186、227、300、360、880和1 431 d；紅壤的取樣時間為填埋后49、151、212、255、304、360、730和1 431 d。每個處理取4袋，將取來的樣品風(fēng)干后過 0.15 mm 篩，測定有機碳和全氮含量。土壤有機碳（SOC）采用重鉻酸鉀容量法測定，混合物全氮（TN）采用濃硫酸消煮-凱氏定氮法測定[18]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

1.4.1 計算方法及公式

1.4.1.1不同時期各有機物料的殘留率[12]

Rt=[（Ct×Wt）/（C0×W0）]×100 （1）

式中，Rt為腐解t天殘留率（%）；Ct表示腐解t天時混合物的有機碳含量（g·kg-1），Wt為干重（kg）；C0和W0則為混合物的初始有機碳含量（g·kg-1）和重量（kg）。通常采用腐殖化系數(shù)來表征有機物的腐解程度，而根據(jù)腐殖化系數(shù)定義可知，在（1）式中，當t=365時的腐解殘留率即為腐殖化系數(shù)。

1.4.1.2 土壤積溫

AT=T1+T2+…Tn（2）

式中，AT為土壤積溫，n為腐解天數(shù)，Tn為腐解第n天的土壤日平均溫度（℃），其中僅計算大于0℃的土壤溫度，計算公式如下：

Tn=（t1+t2+…t24）/24 （3）

式中，Tn為土壤日平均溫度（℃），t1+t2+…t24為一天內(nèi)24時刻的土壤溫度總和（℃）。

1.4.1.3 積溫年與公歷年 積溫年是根據(jù)從最初使用有機物料之日起累積的度日積溫（≥0℃）計算的；達到AT= 3 652.5℃的土壤積溫為1個土壤積溫年[17]，本研究采用了雙直線模型通過腐解殘留率與積溫的擬合關(guān)系來表征有機碳腐解變化特征。因此，本研究將3 652.5℃代入雙直線模型即可得到相應(yīng)的腐解殘留率。此外，本研究中的公歷年即365 d為1個公歷年。

1.4.1.4 易分解有機碳庫與難分解有機碳庫預(yù)測 采用不同碳庫動力學(xué)方程描述有機物料隨時間腐解的動態(tài)學(xué)過程：

Rt= R1e-k1t+R2e-k2t（4）

式中，Rt是時間t（年）的剩余秸稈C（%），與（1）表示意義相同，此處由模型方程而得；R1和k1分別表征易分解有機碳庫比例和腐解速率（%·a-1），R2和k2分別表征難分解有機碳庫比例和腐解速率[19]。值得注意的是，腐解殘留率和腐解速率表征意義相反，即腐解殘留率越高腐解速率越小。

1.4.1.5 不同階段腐解速率與積溫轉(zhuǎn)折點 不同有機物料在不同腐解階段，可利用土壤積溫變化來表征有機物料腐解特征，其腐解速率和積溫轉(zhuǎn)折點由雙直線模型計算得到。

Y1=[y1×(Tt-AT)+y2×(AT-AT1)]/(Tt-AT1) （5）

Y2=[y2×(AT2-AT)+y3×(AT- Tt)]/( AT2- Tt) （6）

kq= y1- y2（7）

ks= y2- y3（8）

式中，Y1和Y2表示腐解殘留率（%），Tt表示積溫轉(zhuǎn)折點（℃），AT1代表最低土壤積溫，AT2代表最高土壤積溫，y1和y2代表斜率參數(shù)?？焖匐A段腐速率kq表示（拐點前斜率，%·℃-1），慢速腐解階段腐解速率用ks表示，（拐點后斜率，%·℃-1）（與公式（4）不同，這里腐解速率是腐解殘留率關(guān)于積溫變化的函數(shù)）；土壤積溫轉(zhuǎn)折點Tt表征快速腐解轉(zhuǎn)為慢速腐解時的臨界點。

1.4.2 數(shù)據(jù)分析 采用Microsoft Excel 2010和SPSS 22.0試驗數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析，采用單因素方差分析（One-way ANOVA），Duncan 法進行多重比較，分析不同土壤（有機物料）間的差異；采用Rstudio中的“Random Forest”包分析理化性質(zhì)、氣候及試驗時間等因素對混土殘留率的相對貢獻率；采用OriginPro 2021b繪制腐解殘留率動態(tài)圖與各因素對腐解殘留率相對貢獻分布圖，SigmaPlot14.0繪制腐解殘留率與積溫變化分段函數(shù)圖。

2 結(jié)果

2.1 混土有機物料的腐殖化系數(shù)

表3為1個公歷年和1個積溫年下有機物料的腐殖化系數(shù)。以公歷年來看，秸稈與土壤混合物的腐殖化系數(shù)較低，為22%—43%，而有機肥的較高，為45%—58%。在黑土上，秸稈和有機肥混土后腐殖化系數(shù)差異相對于潮土和紅壤變異較小，且紅壤中有機肥的腐殖化系數(shù)約為秸稈的2倍。同一土壤上，小麥秸稈和玉米秸稈之間、豬糞和牛糞之間的腐殖化系數(shù)，均沒有顯著差異。對于同一有機物料混土而言，腐殖化系數(shù)大小均為黑土最高，具體表現(xiàn)為黑土中秸稈的腐殖化系數(shù)約為紅壤中的2倍，而在潮土和紅壤中無顯著差異；豬糞在黑土中的腐殖化系數(shù)較潮土中顯著高7%，較紅壤中高12%，而牛糞在黑土和潮土中無顯著差異，較紅壤中高10%—11%。以積溫年來看，豬糞和牛糞的腐殖化系數(shù)差異不大，均在50%左右，為秸稈腐殖化系數(shù)的1.5—2倍。

2.2 混土有機物料腐解殘留率的動態(tài)變化

有機物料與土壤混合物的腐解殘留率隨時間的動態(tài)變化如圖1所示。總體上，秸稈混土腐解快于有機肥混土，秸稈混土和有機肥混土腐解均是前360 d腐解較快，而360—1 431 d腐解較慢。黑土中，秸稈和有機肥混合黑土腐解在前181 d沒有顯著差異，181 d以后腐解差異逐漸增加。潮土中，秸稈和有機肥的腐解趨勢在120 d開始有顯著的差異，在186 d前有機肥的殘留率較秸稈高22%—35%，在186 d后高17%。紅壤中，有機肥混土腐解殘留率在前49 d就顯著高于有機肥，且差異先增加后減小，從49—360 d期間，差異顯著增大，而有機肥從360—1 431 d，腐解殘留率仍有顯著降低趨勢，最終秸稈殘留率相對趨向穩(wěn)定。

表3 秸稈和有機肥在純物料和混土腐解條件下公歷年和積溫年下的腐殖化系數(shù)

數(shù)據(jù)后小寫字母表示在同一類型土壤上4種有機物料混土腐殖化系數(shù)差異顯著性（＜0.05）（縱向比較）；數(shù)據(jù)后大寫字母表示在同一有機物料與不同土壤混合腐殖化系數(shù)差異顯著性（＜0.05）（橫向比較）

The lowercase letters after the data indicated that there was a significant difference in the humification coefficient of the four kinds of organic materials in the same type of soil (＜0.05) (vertical comparison). After the data, the capital letters indicated that there was a significant difference in the humification coefficient between the same organic material and different soils (＜0.05) (horizontal comparison)

圖1 有機物料混土處理下腐解殘留率動態(tài)變化

根據(jù)有機物料分解穩(wěn)定性，可將秸稈和有機肥的有機碳庫分為易分解有機碳庫和難分解有機碳庫，有機物料隨時間的腐解過程可用雙指數(shù)方程Rt=R1e-k1t+R2e-k2t來模擬（＜0.01）（表4）。在3種土壤上，秸稈和有機肥的易分解有機碳庫比例（R1）較難分解有機碳庫比例（R2）高，且易分解有機碳腐解速率較快（k1＞k2）。但不同物料間的各碳庫比例和腐解速率在不同土壤上差異較大，秸稈的易分解有機碳庫比例（70%—87%）高于有機肥的易分解有機碳庫比例（57%—83%），且秸稈易分解有機碳庫的腐解速率k1（1.0%·a-1—4.9%·a-1）高于有機肥的k1（0.7%·a-1—1.1%·a-1）。對于易分解有機碳庫比例而言，在黑土中，秸稈易分解有機碳庫的比例較有機肥高（15%左右）；在潮土和紅壤上，秸稈和有機肥的易分解有機碳庫的比例沒有顯著差異。但難分解有機碳庫的比例在黑土和潮土上均表現(xiàn)為有機肥（17%—30%）高于秸稈（13%—15%），在紅壤上沒有顯著差異。同一有機物料在不同土壤上碳庫比例差異也較大，易分解有機碳庫的比例在3種土壤上沒有顯著差異，難分解有機碳庫比例則表現(xiàn)為紅壤＞黑土＞潮土；易分解有機碳腐解速率（k1）和穩(wěn)定碳庫腐解速率（k2）表現(xiàn)為，紅壤＞潮土＞黑土，且在紅壤上穩(wěn)定碳庫比例腐解速率較黑土和潮土高7—9數(shù)量級。由此看出，但是在同一土壤上兩個碳庫對應(yīng)的腐解速率則表現(xiàn)為，易分解有機碳庫的比例越大則腐解速率越大。

2.3 土壤積溫對有機物料混土腐解殘留率的影響

土壤積溫是影響有機物料腐解的重要因素。對混土有機物料的腐解殘留率與土壤積溫的關(guān)系進行分析發(fā)現(xiàn)，腐解過程可分為快速和緩慢階段（圖2）?？偟膩碚f，在填埋初期，隨著土壤積溫的增加，有機物料的腐解較快，等達到積溫轉(zhuǎn)折點后緩慢腐解，且秸稈的腐解速率顯著高于有機肥（圖2）。在黑土中，土壤積溫每變化1 000℃，秸稈快速腐解速率和慢速腐解速率分別為56%—71%和22%—23%，高于有機肥的47%—48%和11%—16%。潮土中除了混土豬糞的慢速腐解速率較低之外，物料之間的腐解速率差異不大。在紅壤中，土壤積溫每變化1 000℃，混土秸稈的快速腐解速率較有機肥高14%—20%，但其慢速腐解階段，有機肥腐解殘留率變化較秸稈大。不同的是，積溫轉(zhuǎn)折點在3個地點間差異較大（表5）。在黑土中，除了玉米秸稈的轉(zhuǎn)折點為2 370℃外，其他3種物料的積溫轉(zhuǎn)折點差別不大，約為3 700℃；在潮土上，秸稈的積溫轉(zhuǎn)折點為2 970—3 660℃，而有機肥為5 890℃。在紅壤上，小麥秸稈的積溫轉(zhuǎn)折點為玉米秸稈的2倍左右，而有機肥的為秸稈的2—5倍。

表4 各有機物料混土后的碳庫比例和腐解速率

R1表示易分解碳庫比例（%），R2表示難分解碳庫比例（%）；k1表示易分解有機碳庫腐解速率（%·a-1），k2表示難分解有機碳庫腐解速率（%·a-1）。數(shù)據(jù)后小寫字母表示在同一類型土壤上4種有機物料混土腐解方程參數(shù)差異顯著性，大寫字母表示同一物料混土在3種土壤上腐解方程參數(shù)差異顯著性（＜0.05）（縱向比較）；*代表在顯著性（＜0.05）水平下顯著

R1represents the proportion of easy-to-decompose carbon pool (%); R2represents the proportion of indecomposable carbon pool (%); k1represents the decay rate of easy-to-decompose carbon pool (%·a-1), and k2represents the decay rate of indecomposable carbon pool (%·a-1). The lowercase letters after the data indicated that there was a significant difference in the parameters of decomposition equation of the four kinds of organic materials in the same type of soil，Capital letters indicate significant differences in the parameters of the decomposition equation of the same material mixture on three types of soils. (＜0.05) (vertical comparison). * Stands for significant at the level of significance (＜0.05)

圖中數(shù)據(jù)點對應(yīng)相應(yīng)分段模擬雙線，且每種物料與相對應(yīng)的土壤混合腐解

2.4 有機物料混土腐解的主要驅(qū)動因子

通過隨機森林模型分析物料、土壤、環(huán)境和時間等因素對有機物料混土腐解的貢獻率（圖3）。對于混土秸稈和混土有機肥來說，土壤積溫、累計降雨量和有機碳含量為排在前5位的貢獻因素，貢獻率約為14%—20%。對于混土秸稈來說，其首要影響因素為碳氮比，貢獻率約為19%，而混土有機肥的首要影響因素為時間?？偟膩碚f，物料混土后土壤因素和環(huán)境（氣候）因素對于秸稈腐解的貢獻率分別約為59%和33%，對有機肥腐解的貢獻率分別約為52%和28%。

表5 不同腐解階段的有機物料混土腐解速率與積溫轉(zhuǎn)折點

kq, 表示快速腐解階段的腐解速率（%·℃-1）； ks, 表示慢速腐解階段的腐解速率（%·℃-1）

kq, which represents the decomposition rate of the rapid decomposition stage (%·℃-1); ks, which represents the decomposition rate of the slow decomposition stage (%·℃-1)

土壤有機碳Soil organic carbon, SOC; 土壤全氮Soil total nitrogen, TN; 土壤碳氮比C/N; 土壤質(zhì)地Soil texture, ST; 土壤積溫Soil accumulated temperature, SAT; 累計降雨量Accumulated precipitation, AcP; 時間Time, T

3 討論

3.1 有機物料混土與不混土的腐解差異

有機物料與不同類型土壤混合腐解后的腐殖化系數(shù)（表3）表明，在不同區(qū)域土壤中，秸稈的腐殖化系數(shù)（22%—43%）較有機肥的腐殖化系數(shù)（45%—58%）變異大，說明秸稈的腐解較有機肥受土壤和氣候的影響的程度更大。通過與之前[12]秸稈和有機肥在單獨填埋腐解條件下的腐解系數(shù)對比，發(fā)現(xiàn)秸稈在黑土和潮土上的腐解系數(shù)在混土和單獨填埋之間并無顯著差異，但是在紅壤上混土后明顯增加，其在單獨填埋條件下為11%，而在混土條件下為22%，這說明紅壤上秸稈單獨填埋的腐解較混土填埋更快。這可能是因為中國南方地區(qū)溫度和濕度較高，本身有利于秸稈的腐解，但與土壤混合后紅壤的酸性環(huán)境（pH=5.25）下微生物活性較低，且紅壤質(zhì)地黏重（表1），與秸稈混勻后反而不利于秸稈的腐解。李忠佩等[13]早在中國南方紅壤地區(qū)研究發(fā)現(xiàn)，有機物料在酸度較大和黏粒含量高的紅壤上殘留率要高出一般的34%。紅壤上有機肥的腐解系數(shù)在兩種填埋方式下的結(jié)果與秸稈相反，其在單獨填埋條件下為53%，而在混土條件下為45%，這說明對有機肥來說混土能加速其分解。究其原因，有機肥和土壤的碳氮比相對接近，施用后微生物活性較強，加速了有機肥的腐解[20]。對于黑土和潮土物料是否混土腐解來說，一方面可能是黑土常年積溫相對較低，微生物活性較低，物料腐解緩慢，導(dǎo)致了純物料腐解和混土腐解差異不大。另外物料腐解受到水分影響[15]，潮土雖然溫度較高，但降雨量較少，這也可能是物料腐解差異較小原因之一。因此，對于不同物料在不同土壤上的施用要綜合考慮土壤環(huán)境，尤其是水熱條件，合理施用有機物料對長期土壤培肥有一定的作用。

3.2 有機物料混土后在不同土壤上腐解殘留率的差異

通過有機物料混土后腐解殘留率動態(tài)變化發(fā)現(xiàn)，在3種土壤上，秸稈和有機肥均表現(xiàn)為前期腐解快，后期腐解慢。這是因為腐解初期，微生物對有機碳利用有偏好性，先腐解糖類和蛋白質(zhì)等小分子可溶物質(zhì)（易分解有機碳庫），后腐解木質(zhì)素和芳香化合物等難腐解的物質(zhì)（難分解有機碳庫）[21]。馬想等[12]和李玲[22]的研究發(fā)現(xiàn)秸稈腐解快于糞肥，且易分解碳庫和腐解速率常數(shù)會受到有機物料性質(zhì)的影響，本研究結(jié)果表明，無論是腐解初期還是腐解后期，總體上表現(xiàn)為秸稈腐解皆快于有機肥（腐解殘留率越高腐解越慢）（圖1）。這是因為秸稈混土腐解條件下，秸稈的易分解有機碳比例（70%—87%）高于有機肥的易分解有機碳庫比例（57%—83%）（表5）。此外我們也發(fā)現(xiàn)，秸稈易分解碳庫的腐解速率k1為1.0%·a-1—4.9%·a-1，高于有機肥的k1（0.7%·a-1—1.1%·a-1），說明有機物料的易分解碳庫越高，其腐解速率越高。對于難分解碳庫來說，秸稈的難分解碳庫比例較有機肥低3%—15%，這也是秸稈腐解快于有機肥的主要原因之一。另外，本研究中的有機肥經(jīng)堆漚腐解，秸稈取自玉米收割后直接使用，未經(jīng)過“老化”過程，盡管有研究表明[23]直接施用作物秸稈與施用腐熟有機肥的培肥效果基本相同，但兩者的腐熟程度可能也會影響其腐解速率。

進一步分析有機物料的腐解速率和積溫轉(zhuǎn)折點發(fā)現(xiàn)，不同物料在不同土壤中隨溫度的變化趨勢也各不相同。在黑土上，秸稈和有機肥的積溫轉(zhuǎn)折點差異不大，可能是因為黑土溫度較低影響較小，但是秸稈的快速腐解速率（63%·℃-1）和慢速腐解速率（22%·℃-1）均高于有機肥（47%·℃-1和14%·℃-1），說明黑土上腐解速率主要受到物料性質(zhì)的影響。有研究發(fā)現(xiàn)[24-27]，有機物料的腐解速率與物料本身的木質(zhì)素含量成反比，與半纖維素含量成正比。本研究中秸稈中木質(zhì)素含量低于有機肥的，這也進一步明確了秸稈腐解速率高于有機肥。潮土上，秸稈和有機肥的快速和慢速腐解速率差異均不大，但是有機肥的積溫轉(zhuǎn)折點5 890℃明顯高于秸稈的積溫轉(zhuǎn)折點3 300℃，說明溫度和時間對潮土有機肥來說是重要的影響因素，這與表4中有機肥潮土混合物的易分解有機碳庫腐解速率較低的結(jié)果是一致的，有機肥的長期培肥效應(yīng)尤其值得重視。紅壤上，秸稈和有機肥的慢速腐解速率差異不大，但快速腐解速率和積溫轉(zhuǎn)折點差異較大。秸稈的快速腐解速率（68%·℃-1）高于有機肥快速腐解速率（51%·℃-1），而有機肥的積溫轉(zhuǎn)折點是秸稈的積溫轉(zhuǎn)折點的2—5倍。秸稈在3個區(qū)域的積溫轉(zhuǎn)折點差別不大，但有機肥在3個區(qū)域的積溫轉(zhuǎn)折點差異較大，且在南方紅壤上最高。這是秸稈腐解過程中主要受到物料性質(zhì)的影響[12]，而本研究中，供試的秸稈是相同的，所以秸稈在3個區(qū)域內(nèi)積溫轉(zhuǎn)折點相差不大的。但對有機肥來說，有機肥本身碳氮比與土壤相近，受到土壤性質(zhì)影響較大[12]。例如土壤積溫和土壤質(zhì)地等（圖3）。

3.3 有機物料混土腐解的驅(qū)動因素

腐解殘留率越大，腐解量越少，腐解速率越大[12]。王宏燕等[28]研究表明，土壤積溫和降雨量能有效預(yù)測腐解殘留率。本研究通過將土壤積溫和降雨量作為氣候驅(qū)動因素，結(jié)合土壤性質(zhì)和腐解時間影響因素分析發(fā)現(xiàn)，無論是秸稈還是有機肥，土壤積溫都是其腐解的主要驅(qū)動因素（圖3）。對于秸稈混土腐解來說，其腐解殘留率受到土壤性質(zhì)影響最大，尤其是碳氮比，其貢獻率約19%（圖3）。在有機物料之間，相對不缺氮，碳氮比越高，則有機物料腐解速率就越快[29-31]，這也是高碳氮比的秸稈較低碳氮比有機肥腐解快的原因之一。本研究將有機物料與土壤混合后，發(fā)現(xiàn)秸稈顯著提高了土壤的有機碳和全氮含量，為土壤提供了大量的碳源，進而被微生物利用，增加了微生物活性。且隨著腐解時間的延長，秸稈混土后在微生物快速分解作用下，將產(chǎn)生的養(yǎng)分釋放到土壤中。因此，在秸稈還田過程中，可以考慮配施氮肥進行還田，降低秸稈的碳氮比，從而調(diào)節(jié)秸稈的腐解速率，促使秸稈腐解后釋放的養(yǎng)分能及時供作物吸收利用。對于有機肥來說，雖然土壤性質(zhì)也是影響有機肥腐解的最主要驅(qū)動因素，這與馬想[32]的研究結(jié)果一致，但具體而言，有機肥本身的碳氮比較低，且對有機肥殘留率的貢獻率比較低，為11%（圖3），說明土壤碳氮比不是有機肥腐解的主要驅(qū)動因素。相反，時間因素是影響有機肥腐解的重要因素，貢獻率達20%（圖3）。這是因為其易分解有機碳庫比例較低，而難分解有機碳庫比例較高，需要分解的時間較長。這說明腐解時間是限制有機肥腐解的關(guān)鍵因素。因此，有機肥的施用需要考慮長期效應(yīng)，以達到可持續(xù)培肥和改良土壤同時釋放養(yǎng)分供作物吸收利用。

4 結(jié)論

有機物料混土腐解條件下，秸稈的腐殖化系數(shù)（22%—43%）在區(qū)域間變異比有機肥混土后的腐殖化系數(shù)（45%—58%）大，秸稈較有機肥腐解更快，且呈現(xiàn)從北方到南方腐解逐漸加快的趨勢。秸稈的易分解有機碳庫比例高和腐解速率快是造成其差異的主要原因之一。而有機肥的快速分解和慢速腐解積溫轉(zhuǎn)折點差異從北往南逐漸增大，且有機肥的積溫轉(zhuǎn)折點為秸稈的2—5倍。綜合分析表明，碳氮比是影響秸稈腐解主要因素，而時間因素則是影響有機肥腐解的重要因素，因此秸稈還田應(yīng)考慮土壤和物料自身碳氮比，對于有機肥則應(yīng)充分考慮其長期效應(yīng)。

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Decomposition Characteristics of Straw and Organic Fertilizer Mixed Soil After Landfillin Typical Area

LI DeJin1, MA Xiang1, 2, SUN Yue1, XU MingGang1, 3, DUAN YingHua1

1Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/State Key Laboratory of Efficient Utilization of Arid and Semi-arid Arable Land in Northern China, Beijing 100081;2Shanghai Academy of Landscape Architecture Science and Planning, Shanghai 200232;3Engineer and Technology Academy of Ecology and Environment, Shanxi Agricultural University, Taiyuan 030031

【Objective】Straw and manure are the main sources of organic materials in China, and rotary tillage is the main way of returning farmland. In this study, the characteristics and driving factors of their decomposition process in typical farmland soils in China were investigated to provide a scientific basis for better utilization of straw resources and rational application of manure.【Method】The landfill experiment of field organic material mixed with soil was carried out on a typical black soil, fluvo-aquic soil, and red soil in China. Four treatments were set up: wheat straw plus soil (WS+Soil), maize straw plus soil (MS+Soil), pig manure plus soil (PM+Soil), and cow manure plus soil (CM+Soil). All the organic materials (8 g carbon) were mixed with 200 g of soil in a nylon mesh bag buried in soil, six samples were taken within one year after landfilling, once from 2 to 2.5 years after landfilling, and once in 3 years, then a total of eight samples were taken. The decomposition differences of organic materials in different mixtures were analyzed. The double exponential equation was used to clarify the proportion and decomposition rate of easy-to-decompose carbon pool and refractory organic carbon pool, and to clarify the fast decomposition rate, slow decomposition rate and accumulated temperature turning point of organic materials in each soil. The random forest model was used to quantify the relative contribution of material composition and environmental factors to the decomposition rate.【Result】The humification coefficient of straw pluil was ranged from 22% to 43%, and that of manure plus soil was ranged from45% to 58%. The decomposition rate of manure plus soil was slower than straw plus soil, and there was little difference between regions. Besides, the decomposition of organic materials was accelerated from north to south, and the decomposition of straw was faster than that of organic fertilizers. The proportion of decomposable organic carbon poor of straw (70%-87%) was higher than that of organic fertilizer (57%-83%), and the decomposition rate of straw decomposable carbon pool k1(1.0%·a-1-4.9%·a-1) was higher than that of organic fertilizer k1(0.7%·a-1-1.1%·a-1). There was little difference in the turning point of accumulated temperature of straw in the three types of soil. Before 3 700℃, it was the stage of rapid decomposition, and then it was the stage of slow decomposition. On the other hand, the difference in accumulated temperature at the turning point of rapid decomposition and slow decomposition of organic fertilizer gradually increased from north to south, and the accumulated temperature at the turning point of organic fertilizer was 2-5 times higher that of straw. Soil accumulated temperature and soil organic carbon content were the main driving factors of mixed soil straw and organic fertilizer, contributing about 17% and 13% of the decomposition rate, respectively. In addition, the main driving factor for mixed soil straw was the ratio of soil carbon to nitrogen, but the main driving factor for mixed soil organic fertilizer was the time.【Conclusion】Straw returning to the field decomposed faster than organic fertilizer, and the high proportion of easily decomposable organic carbon pool with fast decomposition rate of straw was one of the main reasons for the difference. For straw, the ratio of carbon to nitrogen was the main factor affecting its decomposition, and for organic fertilizer, it was time. Therefore, the ratio of carbon to nitrogen of soil and material should be considered to regulate the decomposition of straw, and the long-term effect of organic fertilizer should be fully considered.

straw; organic fertilizer; raction of carbon remaining; proportion of organic carbon pool; soil accumulated temperature

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.06.009

2022-02-24；

2022-05-18

國家重點研發(fā)計劃（2021YFD1900300、2022YFD1500301）、國家自然科學(xué)基金（42077098）

李德近，E-mail：1782362600@qq.com。通信作者段英華，E-mail：duanyinghua@caas.cn

（責(zé)任編輯 李云霞）