水旱輪作條件下還田秸稈腐解和養(yǎng)分釋放特征研究

黃菲，劉言，李繼福，歐陽玲，龍鵬，李新濤

長江大學農(nóng)學院，湖北 荊州 434025

水旱輪作條件下還田秸稈腐解和養(yǎng)分釋放特征研究

黃菲，劉言，李繼福，歐陽玲，龍鵬，李新濤

長江大學農(nóng)學院，湖北 荊州 434025

以南方稻作區(qū)主要作物(水稻、小麥和油菜)秸稈為研究對象，采用尼龍網(wǎng)袋法研究了干濕交替和還田方式對作物秸稈腐解及養(yǎng)分釋放的影響，以期為水旱輪作區(qū)秸稈資源循環(huán)利用和秸稈還田提供科學依據(jù)。結(jié)果表明，水作期經(jīng)過120d的腐解，覆蓋處理的作物秸稈累積腐解率為20.6%～27.2%，且作物種類之間差異不顯著；翻壓處理的作物秸稈累積腐解率為55.4%～69.3%，腐解效果表現(xiàn)為水稻>油菜>小麥。旱作期覆蓋或翻壓處理的秸稈腐解量和腐解率均顯著低于同期水作處理。3種作物秸稈在水旱輪作中無論覆蓋還是翻壓還田，養(yǎng)分累積釋放率均表現(xiàn)為鉀>磷>碳>氮。水作期腐解試驗結(jié)束時(120d)，覆蓋處理3種作物秸稈碳、氮、磷和鉀的平均釋放率分別為40.1%、22.4%、54.4%和75.8%；翻壓處理的養(yǎng)分平均釋放率依次分別為75.8%、44.7%、76.5%和93.8%。旱作期腐解試驗結(jié)束時(210d)，覆蓋處理水稻秸稈碳、氮、磷和鉀的釋放率分別為43.4%、30.8%、43.7%和71.0%；翻壓處理水稻秸稈養(yǎng)分釋放率依次為64.8%、46.3%、57.0%和95.2%。采用一級動力學漸進函數(shù)模型對秸稈累積腐解率進行擬合，水作期的相關(guān)系數(shù)r2介于0.981～0.991之間，均顯著相關(guān)；旱作期函數(shù)擬合相關(guān)性不顯著。因此，在水旱輪作體系中，同等腐解周期內(nèi)秸稈腐解速率表現(xiàn)為水作>旱作、翻壓>覆蓋；旱作周期相對較長仍可達到水作時的秸稈腐解效果。

水旱輪作；作物秸稈；還田方式；腐解特征；養(yǎng)分釋放

水旱輪作是我國重要的種植制度，主要分布于長江流域和淮海流域稻作區(qū)[1,2]，對全國糧食生產(chǎn)尤其南方稻區(qū)的糧食安全具有重大影響。近年來，隨著農(nóng)作物產(chǎn)量的提高，農(nóng)作物秸稈資源量也呈持續(xù)增長趨勢。然而，受限于目前秸稈綜合利用途徑，秸稈沒有得到充分合理利用所帶來的環(huán)境問題越來越突出，已成為社會關(guān)注的焦點。基于我國農(nóng)業(yè)發(fā)展實際狀況，秸稈直接還田是解決秸稈綜合利用問題最重要、最有效的途徑。國內(nèi)外學者就秸稈還田對土壤物理、化學和生物學特性的影響進行了大量研究，基本明確秸稈還田在增加農(nóng)作物產(chǎn)量、維持土壤生產(chǎn)力和避免資源浪費、減少化肥用量及環(huán)境污染等方面的積極效果[3～7]。

農(nóng)田秸稈腐解不僅與作物秸稈自身物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成有關(guān)，也與秸稈還田方式、土壤溫度、水分和性質(zhì)等密切相關(guān)[8]。張宇等[9]發(fā)現(xiàn)，耕作方式對作物秸稈的腐解特征有顯著影響，效果表現(xiàn)為翻耕>旋耕>免耕。Abro等[10]研究表明高溫環(huán)境可提高秸稈有機碳的礦化速率，低溫則利于秸稈對有機碳氮的固持和保蓄。此外，唐國勇等[11]通過水分調(diào)控試驗發(fā)現(xiàn)土壤水分飽和時還田秸稈腐解率顯著高于旱地。與旱旱輪作相比，水旱輪作會導致農(nóng)田系統(tǒng)出現(xiàn)季節(jié)性干濕交替的現(xiàn)象[12]。水熱條件的強烈轉(zhuǎn)換勢必會影響到還田秸稈的腐解速率、秸稈養(yǎng)分釋放和土壤養(yǎng)分供給能力[13]，進而影響農(nóng)作物生長及其對礦質(zhì)養(yǎng)分的吸收利用。為此，本研究以水作還田秸稈(水稻、小麥和油菜)和旱作還田秸稈(水稻)為研究對象，探討干濕交替條件下作物秸稈腐解特征和養(yǎng)分釋放規(guī)律，以期為稻作區(qū)農(nóng)業(yè)秸稈循環(huán)利用和肥料合理施用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1試驗地概況

試驗地位于湖北省荊州市荊州區(qū)太湖農(nóng)場(北緯30°25′3″、東經(jīng)112°50′47″)。耕層土壤(0～20cm)基本理化性質(zhì)為：pH 6.89，有機質(zhì)26.6g/kg，全氮2.45g/kg，堿解氮81.7mg/kg，有效磷9.2mg/kg和速效鉀147.3mg/kg。試驗田為冬油菜-水稻輪作制，前茬作物為冬油菜。

1.2供試秸稈

2015年9月和2016年5月在長江大學農(nóng)學院實驗基地附近分別采集水稻、小麥和油菜秸稈，剪成5cm小段，烘干備用。供試作物秸稈養(yǎng)分如表1所示。

表1 供試作物秸稈養(yǎng)分含量

1.3試驗設(shè)計

采用尼龍網(wǎng)袋法，模擬水旱輪作制度，研究作物秸稈在水作和旱作期的養(yǎng)分釋放特征。2016年5月20日到2016年9月20日(水稻季)，將水稻、小麥和油菜秸稈分別稱取20g裝入200目(孔徑0.075mm)的尼龍網(wǎng)袋內(nèi)(網(wǎng)袋長25cm，寬20cm)，封口[13]，翻壓或平鋪在耕層。2016年10月2日到2017年4月30日(油菜季)，按上述處理方式將水稻秸稈翻埋或平鋪在耕層。每隔30d從農(nóng)田取出尼龍網(wǎng)袋，每個處理3次重復。用純水沖洗網(wǎng)袋粘附的泥漿，在60℃下烘24h，稱干重，測定剩余秸稈中C、N、P和K的含量。試驗期間農(nóng)田月均氣溫和降雨情況如圖1所示。

圖1 試驗期農(nóng)田氣溫和降雨情況

1.4指標計算與數(shù)據(jù)處理

秸稈累積腐解量、腐解率、養(yǎng)分累積釋放率分別按下述公式[14]進行計算：

秸稈累積腐解量(g)=M0-Mt

秸稈腐解率(%)=[(M0-Mt)/M0]×100%

養(yǎng)分累積釋放率=[(M0×C0-Mt×Ct)/(M0×C0)]×100%

式中，M0為加入秸稈烘干重，g；Mt為腐解時間t時的秸稈烘干重，g；t為翻壓時間，d；C0為加入秸稈原始養(yǎng)分含量，g/kg；Ct為腐解時間t時的秸稈養(yǎng)分含量，g/kg。

采用Excel 2010和Origin 8.0軟件進行數(shù)據(jù)處理；利用LSD法檢驗P<0.05水平上的差異顯著性。其中，作物秸稈最大累積腐解率用一級漸進動力學函數(shù)模型y=a-b×e-kt進行擬合[15]。

2 結(jié)果與分析

2.1水旱輪作下秸稈腐解特征

圖1結(jié)果顯示，不同種類作物秸稈腐解過程與輪作制度、還田方式密切相關(guān)。水作期，翻壓還田的秸稈腐解過程可分為腐解快速期(0～30d)、腐解減緩期(30～90d)和腐解停滯期(90～120d)3個階段，這與李繼福等[16]研究結(jié)果一致；而覆蓋還田秸稈則處于持續(xù)的緩慢腐解狀態(tài)。旱作期，翻壓和覆蓋處理的水稻秸稈腐解規(guī)律相似。由于旱季種植油菜會經(jīng)歷越冬期，所以在冬季(0～120d)作物秸稈腐解速率較慢，而春季(120～210d)隨著溫度升高和降雨明顯增加(圖1)，作物秸稈腐解速率明顯加快。

水作覆蓋處理腐解120d時，水稻、小麥和油菜秸稈的累積腐解量分別為4.2、4.1g和5.4g；累積腐解率依次為21.2%、20.6%和27.2%；翻壓處理的累積腐解量和腐解率則依次分別為13.9、11.1、12.9g和69.3%、55.4%、64.6%。旱作覆蓋和翻壓處理腐解120d時，水稻秸稈的累積腐解量和腐解率分別為2.5、7.7g和12.7%、38.3%，均低于水作處理。旱作水稻秸稈腐解210d后，水稻秸稈覆蓋和翻壓處理的腐解率分別可達40.4%和60.9%。可見，在相同的腐解時期內(nèi)，作物秸稈翻壓處理的腐解速率>覆蓋處理，水作處理>旱作處理。

注：RM水稻秸稈覆蓋；WM小麥秸稈覆蓋；OM油菜秸稈覆蓋；RI水稻秸稈翻壓；WI小麥秸稈翻壓，OI油菜秸稈翻壓。圖3～6同。圖2 作物秸稈腐解特征

2.2秸稈碳釋放特征

作物秸稈碳的釋放特征與秸稈腐解特征有一定的差別。從圖3可以看出，水作翻壓處理秸稈碳的快速釋放期為0～30d，水稻、小麥和油菜秸稈碳的累積釋放率分別為44.9%、38.3%和41.5%。腐解30d之后，作物秸稈碳釋放速率減緩，但水稻秸稈碳累積腐解率仍顯著高于小麥和油菜秸稈。腐解120d時，水稻、小麥和油菜秸稈碳的累積釋放率依次達到81.3%、71.8%和76.5%。但在相同腐解時期內(nèi)，水作覆蓋處理的秸稈碳釋放速率無明顯差異且顯著低于同期翻壓處理。腐解120d時，覆蓋處理的作物秸稈碳累積釋放率平均為40.1%。

同樣，旱作水稻秸稈的碳累積釋放率隨腐解時期延長而呈持續(xù)增加趨勢。腐解120d時，覆蓋和翻壓處理的秸稈碳累積釋放率分別為20.6%和36.5%，均顯著低于水稻秸稈在水作期的累積釋放率。腐解120～210d，秸稈碳釋放率顯著提高；試驗結(jié)束時(210d)，旱作覆蓋和翻壓處理的秸稈碳累積釋放率分別可達43.4%和64.8%。

圖3 作物秸稈碳的釋放特征

2.3秸稈氮釋放特征

水旱輪作不同作物秸稈氮素累積釋放率變化特征如圖4所示。結(jié)果表明，水作無論覆蓋還是翻壓處理，腐解0～30d均為作物秸稈氮的快速釋放期，之后釋放速率減緩。腐解120d時，覆蓋處理的水稻、小麥和油菜秸稈氮累積釋放率分別為25.1%、14.3%和27.8%，而翻壓處理的氮累積釋放率依次分別達到45.6%、37.0%和51.6%。同樣，旱作水稻秸稈翻壓處理的氮釋放速率顯著高于同期覆蓋處理，尤其是腐解120d之后，翻壓處理的秸稈氮累積釋放率顯著提高。可見水作、翻壓處理及延長旱作腐解時間均有利于秸稈中有機氮的礦化和釋放[17]。

圖4 作物秸稈氮的釋放特征

2.4秸稈磷釋放特征

水作期，作物秸稈磷的累積釋放率與秸稈腐解規(guī)律相似，其過程也可分為腐解快速期、腐解減緩期和腐解停滯期3個階段，且作物種類之間沒有顯著差異。同樣，翻壓還田秸稈中磷的釋放速率比覆蓋還田快，腐解120d時，覆蓋處理和翻壓處理的作物秸稈磷累積釋放率平均分別為54.4%和75.8%。旱作期，腐解0～90d內(nèi)，還田方式對水稻秸稈磷釋放沒有明顯的影響；腐解90 d后，翻壓還田處理的秸稈磷釋放速率顯著提高。到210d時，覆蓋和翻壓處理的秸稈磷累積釋放率分別可達43.7%和57.0%。

圖5 作物秸稈磷的釋放特征

2.5秸稈鉀釋放特征

由圖6結(jié)果可知，水作期無論覆蓋還是翻壓處理，水稻、小麥和油菜秸稈中鉀的釋放規(guī)律趨向一致。腐解30d時，覆蓋處理和翻壓處理的作物秸稈鉀累積釋放率平均分別為68.7%和92.1%，顯著高于同期作物秸稈碳、氮和磷的累積釋放率。腐解30～120d，3種作物秸稈中剩余鉀釋放速率顯著降低，釋放率基本停滯。旱作期，水稻秸稈翻壓處理腐解90d之后，鉀素累積釋放率才能達到90%以上；而覆蓋處理腐解210d時，秸稈中鉀的累積釋放率僅為71.0%。

圖6 作物秸稈鉀的釋放特征

2.6秸稈累積腐解率與腐解天數(shù)的相關(guān)性

采用漸進函數(shù)方程y=a-b×e-kt對秸稈累積腐解率與腐解時間進行擬合[15]，結(jié)果顯示函數(shù)方程能夠很好地反映水作期的秸稈腐解規(guī)律。水作覆蓋處理的水稻、小麥和油菜秸稈最大腐解率分別為28.7%、27.9%和29.8%，這表明覆蓋處理時秸稈種類不會影響最終的腐解效果；而翻壓處理的秸稈最大腐解率依次可達71.5%、57.0%和63.4%，表明翻壓處理時秸稈種類顯著影響腐解效果。另外，k值也同樣反映出同種秸稈的翻壓還田腐解速率大于覆蓋還田。然而，旱作擬合方程參數(shù)a、b、k和r2值均表明單一漸進函數(shù)不能正確反映出秸稈的腐解規(guī)律。由于旱作周期長達210d，環(huán)境條件比水作復雜很多，秸稈腐解會經(jīng)歷低溫少雨到升溫增雨的過程。從圖2旱作秸稈腐解過程可以看出，秸稈腐解基本分為2個階段，一是0～120d，溫度持續(xù)下降、降雨減少；二是120～210d，溫度又開始回升、降雨增多。因此，應選擇更合適的模型來擬合旱作秸稈腐解規(guī)律。

表2 秸稈腐解與腐解時間關(guān)系擬合

注：y秸稈累積腐解率，%；k腐解速率，%/d；a表示當t無窮大時y趨向的值，%；t是培養(yǎng)時間，d。

3 結(jié)論

1)水作期，覆蓋處理的作物秸稈累積腐解率為20.6%～27.2%，且作物種類之間差異不顯著；翻壓處理的作物秸稈累積腐解率可達55.4%～69.3%，腐解效果表現(xiàn)為水稻>油菜>小麥。旱作期覆蓋或翻壓處理的秸稈腐解量和腐解率則顯著低于同期水作處理。

2)水稻、小麥和油菜秸稈在水旱輪作中無論覆蓋還是翻壓還田，養(yǎng)分累積釋放率均表現(xiàn)為鉀>磷>碳>氮。

3)采用一級動力學漸進函數(shù)模型對秸稈累積腐解率進行擬合，水作期的相關(guān)系數(shù)r2為0.981～0.991，均顯著相關(guān)。秸稈覆蓋處理和翻壓處理的理論秸稈最大腐解率平均分別為28.8%和64.0%。旱作期函數(shù)擬合相關(guān)性不顯著，無法得出理論秸稈最大腐解率。

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2017-05-17

科技部“十三五”國家重點研發(fā)項目(2016YFD0300907)、長江大學大學生科技創(chuàng)新項目(2016154)；湖北省土壤有機質(zhì)提升項目(2016H20014)。

黃菲(1995-)，女，現(xiàn)從事農(nóng)業(yè)廢棄物利用研究。通信作者：李繼福，jifuli@yangtzeu.edu.cn。

[引著格式]黃菲，劉言，李繼福，等.水旱輪作條件下還田秸稈腐解和養(yǎng)分釋放特征研究J.長江大學學報(自科版) ，2017，14(18)：54～60.

S141.4；X71

A

1673-1409(2017)18-0054-07

[編輯] 余文斌