不同有機物料在黃壤旱地中的腐解特性及養分釋放特征

夏東　王小利　冉曉追　趙義國

摘 要：以玉米秸稈、水稻秸稈和豬糞為研究對象，采用尼龍網袋填埋法，結合一級動力學方程擬合，研究了不同有機物料在等碳量還田條件下翻埋入黃壤旱地后的腐解特性和養分釋放特征。以期為貴州省黃壤旱地條件下有機物料還田和資源化利用提供理論依據。結果表明：經過180 d腐解后，不同有機物料腐解均表現為前期快后期慢的趨勢，三種有機物料累計腐解率為60.98%～62.69%，表現為水稻秸稈>玉米秸稈>豬糞;動力學方程擬合結果表明，玉米秸稈處理腐解率最低，達到腐解平衡的時間較短;水稻秸稈和豬糞養分釋放率均表現為鉀>磷>氮>碳，玉米秸稈養分釋放率表現為鉀>磷>氮>碳;有機物料中碳、氮、磷和鉀的釋放率分別為58.50%～78.75%、54.96%～69.26%、75.29%～91.66%和93.49%～98.07%。總體表現為秸稈類累積腐解率大于糞肥，各有機物料中鉀素釋放速率較高，施用玉米秸稈維持并提高旱作黃壤肥力的較好措施。

關鍵詞：黃壤旱地;有機物料;腐解特性;養分釋放

中圖分類號：S158

文獻標識碼：A

文章編號：1008-0457（2019）04-0059-06 國際DOI編碼：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2019.04.011

NutrientRelease Patterns and Decomposition Characteristics of Different Organic Materials in Yellow Soil Upland

XIA Dong，WANG Xiao-li *，RAN Xiao-zhui，ZHAO Yi-guo

（College of agriculture，Guizhou University，Guiyang，Guizhou 550025，China）

Abstract：：With corn straw，rice straw and pig manure as the research objects，the decomposition characteristics and nutrient release characteristics of different organic materials buried in yellow soil upland under the condition of equal carbon amount were studied by nylon mesh bag landfill method combined with first-order kinetic equation fitting.In order to provide a theoretical basis for returning organic materials to the field and resource utilization in upland yellow soil of Guizhou province.The results showed that，after 180 days of decomposition，the decomposition of different organic materials showed a trend of fast in the early stage and slow in the later stage.The cumulative decomposition rate of the three organic materials was 60.98%～62.69%，which was manifested as rice straw>maize straw>pig manure.The results of kinetic equation fitting showed that the decomposition rate of corn straw treatment was the lowest and the time to reach the decomposition equilibrium was short.The nutrient release rates of both rice straw and pig manure were? nitrogen>potassium>phosphorus>carbon，and the nutrient release rates of corn straw were potassium>phosphorus>nitrogen>carbon.The release rates of carbon，nitrogen，phosphorus and potassium in organic materials were 58.50～78.75%，54.96%～69.26%，75.29%～91.66% and 93.49%～98.07%，respectively.The results showed that the cumulative decomposition rate of straw was higher than that of manure，and the potassium release rate of organic materials was higher.Application of corn straw is a good measure to maintain and improve the fertility of yellow soil upland .

Key words：yellow soil upland，organic material，decomposition characteristics，nutrient release

農作物秸稈和糞肥是農業系統必不可少的肥料來源，我國秸稈資源豐富，已成為世界上秸稈產量大國[1]。禽畜養殖業的迅速崛起，禽畜糞便產量巨大[2]。隨著農業發展，各種農作物秸稈等有機物料越來越多，近年來，全國每年產生的農作物秸稈多達7億t，氮、磷、鉀養分含量相當于300萬t尿素70萬t過磷酸鈣，700萬t硫酸鉀[3]。如果將秸稈全部還田，歸還農田的平均養分量可高達N 54.4 kg/hm2、P2O515.5 kg/hm2和K2O88.1 kg/hm2，相當于每年氮肥用量的38.4%、磷肥用量的18.9%和鉀肥用量85.5%，但我國秸稈等有機物料的利用率較低，有效還田率不到1/3[4-5]。有機廢棄物的大量產生無法作為資源合理利用必然帶來一系列的生態破壞和環境污染問題[6]。如農作物秸稈焚燒會嚴重增加空氣污染指數，畜禽糞便未經處理隨意排放，造成嚴重的養分資源浪費并嚴重污染水體。因此，人們逐漸對秸稈、糞便等有機物料還田等農業措施的研究更加重視。有機物料對土壤培肥起著重要作用，其在土壤中的腐解狀況直接影響著土壤質量和肥力供應，了解有機物料腐解狀況對土壤肥力的調控有著極其重要的作用[7-9]。目前有關有機物料腐解特征研究比較多，研究表明腐解受物料本身屬性、土壤類型和氣候等因素的影響，有機物料腐解狀況差異性較大。腐解試驗研究至今，關于在不同土壤類型下的腐解試驗有很多[10-15]，但關于黃壤旱地下有機物料還田的腐解特征卻鮮有報道，本研究以玉米秸稈（maize straw，RS）、水稻秸稈（rice straw，RS）和豬糞（pig manure，PM）為研究對象，采用尼龍網袋填埋法和室內分析，研究不同有機物料（MS、RS、PM）在等碳量還田條件下的腐解特征，以期為貴州省旱作黃壤條件下有機物料還田和資源化利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于貴州省貴陽市花溪區青巖鎮小山村（N26°17′51″，E106°41′6″），海拔1019 m，氣候屬于中亞熱帶季風濕潤區，年平均氣溫15℃，相對濕度為81%，年平均日照數為1200～1300 h，年降雨量1100～1200 mm，全年無霜期273～280 d。試驗地土壤為黃壤（貴州黃沙泥），成土母質為砂頁巖風化物。土壤基本化學性質：pH 4.70，有機質39.65 g/kg，全氮1.78 g/kg，堿解氮125.84 mg/kg，全磷0.94 g/kg，速效磷56.74 mg/kg，全鉀15.64 g/kg，速效鉀145.30 mg/kg。

1.2 供試有機物料

有機物料：玉米秸稈（maize straw，MS）、水稻秸稈（rice straw，RS）和豬糞（pig manure，PM）均采自青巖鎮小山村。將收集的秸稈在60℃烘干至恒重，剪至1～2 cm長，將豬糞在60℃下烘干，捏碎，備用。取部分有機物料磨細過0.25 mm篩用于測定其基本養分含量，結果見表1。

1.3 試驗設計

本研究選取貴州旱作黃壤，添加常用的秸稈和有機肥，在田間條件下研究不同有機物料腐解的動態過程，探明不同有機物料還田的腐解規律。具體研究方案如下：試驗是以各有機物料等碳量還田（參照林心雄[10]），具體按照表2中用量分別稱取有機物料（MS、RS、PM）進行裝袋（尼龍網袋，規格20×30 cm，150目孔徑），封口，共3個處理，每個處理24次重復，共24×3=72袋。在旱地中分別隨機選取6個3 m×2.4 m的樣方，將上述試驗中裝有機物料的尼龍袋按隨機排列順序于2018年7月20日分別埋入樣方中（所選地不種植任何作物，不施肥）。然后將土回填，踩實，并在土壤表層澆水土混合液。填埋后的第15 d、30 d、60 d、90 d、120 d、180 d進行取樣。每次取樣均采取破壞性取樣，將整個小區內的尼龍袋全部取出，每個尼龍袋按處理分開，帶回試驗室，然后將尼龍袋外面粘有的泥土先用自來水沖洗，然后再用少量蒸餾水擦拭干凈后，60℃烘干至恒重、稱重、研磨，備用。測定有機物料中碳、氮、磷、鉀含量，并計算養分釋放率。

1.4 樣品測定與數據處理

1.4.1 樣品測定

土壤基本理化性質采用常規分析方法[16]。有機物料的有機碳采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法;有機物料通過硫酸-雙氧水消煮后，采用凱氏定氮法測定全氮;采用鉬黃比色法測定全磷含量;采用火焰光度法測定全鉀[16]。

1.4.2 數據處理

物料腐解率：指物料腐解的相對百分含量，采用重量法測定;

累積腐解率（%）=（M-M）/M×100 （1）

養分累積釋放率（%）=（M×C-M×C）/M×C（2）

式中：M為加入秸稈干重，g;M為腐解時間為t時的秸稈干重，g;t為腐解時間d;C為秸稈原始養分含量g/kg;C為腐解時間為t時秸稈養分含量 g/kg。

有機物料累積腐解率采用一級動力學方程進行擬合，即：

Y=Y×（1-e）（3）

其中：Y為經過t時間后的累計腐解率，%;Y為有機物料潛在可腐解率，%;k為腐解速率常數;t是還田天數。

數據采用Excel 2010和SPSS 21.0軟件進行處理，采用SPSS 21.0進行方差分析和鄧肯（Duncan）多重比較，比較不同處理間在 P <0.05水平的顯著性差異，用Excel 2010作圖。

2 結果與分析

2.1 不同有機物料的腐解特征

各處理有機物料累積腐解率均隨還田時間的延長呈上升趨勢（圖1），其中RS的快速腐解期為0～90 d，平均腐解速率為0.054 g/d，90～180 d為慢速腐解期，累積腐解率分別達到62.69%和67.08%。處理MS和PM快速腐解期為0～30 d，平均腐解速率分別為0.114 g/d和0.118 g/d，累積腐解率分別達到37.86%和32.15%，顯著高于處理RS。處理MS、RS和PM在0～15 d腐解最快，腐解速率分別為0.182 g/d、0.114g/d和0.142 g/d，在15 d時累積腐解率分別占還田試驗結束時的48.9%、27.2%、31.7%。試驗結束時（180 d），處理MS、RS和PM的累積腐解率分別為61.94%、62.69%、60.98% ，各處理間差異不顯著，表現為RS>MS>PM。

2.2 不同有機物料的腐解參數

有機物料累積腐解率與還田天數之間的動態變化可用一級動力學方程：Yt=Y0×（1-e-kt）進行擬合（P<0.01），Y0表示土壤潛在可腐解量（表3）。結果表明，達到腐解平衡時處理MS、RS和PM的累積腐解率分別是62.98%、66.85%和64.03%。各處理的腐解常數（k，0.015～0.023）存在差異，但未達到顯著差異水平（ P >0.05），其中，玉米秸稈比其他處理較早達到腐解平衡。

2.3 不同有機物料的碳釋放特征

不同還田有機物料處理的碳釋放特征，各處理碳素累積釋放率不同（圖2）。各處理在腐解過程中碳的累積釋放率在整體上呈先快速增加后減緩再緩慢增加的趨勢（圖2），拐點出現在30～90 d，且3個處理在拐點處的碳素累積釋放率變幅介于49.60%～56.90%。處理MS在0～30 d為碳的快速釋放階段，在30 d累積腐解率分別為41.45%，60 d后處理MS、碳釋放率呈緩慢增高趨勢，在試驗結束時達到最大值分別為58.50%。處理RS在0～90 d內實現碳的快速釋放，在90 d時累積釋放率為52.18%，占整個RS最大碳累積釋放率的72.32%。處理PM在0～120 d完成碳的快速釋放，在120 d時累積釋放率分別為72.47%，分別占最大累積釋放率的92.03%。在整個還田腐解過程中，各處理的碳素累積釋放率均在還田腐解180 d時達到最大值，表現為PM>RS>MS，且表現為處理MS碳累積釋放率顯著低于其他兩個處理。

2.4 不同有機物料的氮釋放特征

圖3是還田有機物料的氮素釋放特征，不同處理之間氮素累積釋放特征存在差異（圖3）。各處理在腐解過程中氮釋放規律與碳釋放特征類似，但也存在差異，總體表現為先快速增加后變緩慢增加趨勢（圖3），拐點出現在30～120 d，且3種處理在拐點處的氮素累積釋放率變幅介于52.54%～56.93%。0～120 d是處理PM氮的快速釋放階段，在120 d時，氮的累計釋放率為52.54%，在120 d后氮累計釋放率緩慢增加，在0～15 d內，PM實現氮快速釋放，占快速釋放階段釋放率的44.67%，占整個處理PM最大氮累積釋放率的42.70%。處理MS、RS在0～30 d實現氮的快速釋放，變幅為54.84%～55.88%，各處理氮釋放率顯著高于處理PM 。在腐解試驗結束時，各處理的氮釋放率差異較大，表現為水稻秸稈>玉米秸稈>豬糞，各處理氮累積釋放率表現為RS（69.26%）>MS（65.32%）>PM（54.96%）。

2.5 不同有機物料的磷釋放特征

隨著還田時間的延長，有機物料的磷釋放表現為前期快速提高，后期釋放率保持穩定的趨勢，這與有機物料碳、氮釋放規律明顯不同（圖4）。拐點出現在30～120 d，且3種處理在拐點處的磷累積釋放率變幅介于69.52%～84.04%。0～120 d，是處理MS磷的快速釋放期，在120 d時累積釋放率達到84.04%，120～180 d為平穩釋放期，磷釋放率無明顯提高;處理RS在0～90 d完成磷素的快速釋放，在90 d時，磷累積釋放率分別達到75.00%，90～180 d為平穩釋放期，磷釋放率無明顯提高;處理PM在0～30 d完成磷的快速釋放，在30 d時，磷累積釋放率達到83.38%，顯著高于其他處理。 在試驗結束時，各處理磷累積釋放率介于75.29%～91.66%之間，大小順序為PM>MS>RS。其中RS磷累積釋放率顯著低于其他兩個處理。

2.6 不同有機物料的鉀釋放特征

還田有機物料鉀素隨還田時間的釋放情況（圖5），鉀素的釋放規律與磷素釋放規律類似，也表現出前期快速提高達到較大值，在后期保持穩定。處理MS、RS、PM均在腐解60 d時出現拐點（圖5），且拐點處鉀累積釋放率最高為處理MS（94.93%），處理PM鉀的累積釋放率最低，為89.94%，顯著低于其他兩個處理。在腐解60 d之后，處理MS、PM鉀累積釋放率呈略微下降趨勢，但在120 d之后又呈緩慢上升趨勢。試驗結束時，各處理鉀的累積釋放率為RS>MS>PM。其中處理RS鉀累積釋放率最大為98.07%，顯著高于其他處理（ P <0.05），比處理MS、PM分別增加了0.95%、4.58%，處理PM鉀的累積釋放率最低，為93.49%，顯著低于其他處理。

3 結論與討論

大量的研究[11，13-17]表明，有機物料施入土壤后，隨著施入時間的延長而逐漸腐解，呈現出前期快、后期慢的腐解變化趨勢，這與本文研究結果一致。這主要是因為腐解前期有機物料中含有大量可溶性有機物，如多糖、氨基酸、有機酸以及無機養分，土壤微生物活性增強，易于腐解; 隨著腐解的進行，有機物料中易分解有機物逐漸減少，剩余部分主要為難分解的木質素、蠟質和單寧等，導致微生物活性降低，有機物料的腐解也隨之減慢[18-19]。介曉磊等[12]研究得出，不同有機物料的腐解程度為玉米秸稈>小麥秸稈>牛糞>豬糞，與本試驗的結果相似。代文才等[16]研究不同秸稈在旱地和水田下的腐解特征，其中水稻秸稈和玉米秸稈腐解差異與本試驗結果一致。究其原因，有機物料主要是由纖維素、半纖維素、木質素、蛋白質、醇溶性物質以及水溶性物質等成分組成[20]，但各種有機物料不同組成成分的含量是具有差異的。代靜玉等[21]對不同有機物料化學組成研究發現，稻草的木質素、纖維素、半纖維素含量明顯高于紫云英和茶葉。這也是稻草比紫云英和茶葉降解速率慢的主要因素。

前人大多數研究采用時間作為一個變量來描述有機物料的分解[22-24]。本研究表明，采用一級動力學方程描述有機物料的腐解，以還田時間作為參數的相關系數在0.8819～0.9634（ P <0.01），能進行較好的預測各處理累積腐解率變化。其模擬結果表明各處理在達到腐解平衡時的腐解率在62.98%～66.85%，表明有機物料投入對旱作黃壤有機質增加潛力大。因此，為了土壤的可持續利用，有機物料投入是維持并提高旱作黃壤肥力的較好措施，其中施用玉米秸稈效果最優。

在還田腐解過程中，有機物料的養分也不斷釋放。代文才等[15]研究指出秸稈養分釋放速率表現為鉀>磷>氮>碳，這與本研究玉米秸稈養分釋放結果結果相似。究其原因，主要與有機物料中養分元素的存在形態有關：養分元素在有機物料中的形態決定其釋放速率的大小。有機物料中鉀素主要以離子態存在，容易溶于水被釋放出來。有機物料中60%以上的磷素是以離子態存在，其余一部分參與細胞壁的構成或者以磷脂形式存在，釋放速率慢于鉀素。而碳、氮在有機物料中主要以有機態存在，構成有機物料主體部分，膠結程度高，在物理作用下不易分解，故釋放速率較慢[24]。

研究結果表明，不同有機物料（玉米秸稈、水稻秸稈和豬糞）腐解率變化規律不同，總體表現為前期快后期慢，其中玉米秸稈和豬糞埋入后0～30 d快速腐解期，30～180 d緩慢腐解期，水稻秸稈埋入后0～90 d快速腐解期，90～180 d緩慢腐解期。經過180 d腐解后，三種有機物料腐解量較大（超過60%），各處理累積腐解率大小表現為水稻秸稈>玉米秸稈>豬糞。不同有機物料在腐解初期表現為鉀迅速釋放，超過79%，水稻秸稈和豬糞養分釋放率均表現為鉀>磷>氮>碳，玉米秸稈養分釋放率表現為鉀>磷>氮>碳。

參 考 文 獻：

[1] 李 勇，張 磊，曹鴻鵬，等.農作物秸稈綜合利用現狀及對策研究[J].吉林農業，2018（20）：40.

[2] 張雪辰，鄧 雙，楊密密，等.畜禽糞便堆腐過程中有機碳組分與腐熟指標的變化[J].環境科學學報，2014，34（10）：2559-2565.

[3] 姜超強，鄭青松，祖朝龍.秸稈還田對土壤鉀素的影響及其替代鉀肥效應研究進展[J].生態學雜志，2015，34（4）：1158-1165.

[4] 宋大利，侯勝鵬，王秀斌，等.中國畜禽糞尿中養分資源數量及利用潛力[J].植物營養與肥料學報，2018，24（5）：1131-1148.

[5] 宋大利，侯勝鵬，王秀斌，等.中國秸稈養分資源數量及替代化肥潛力[J].植物營養與肥料學報，2018，24（1）：1-21.

[6] 孟令建.農業廢棄物回收利用項目管理研究[D].天津：天津大學，2006.

[7] 須湘成，張繼宏，佟國良，等.有機物料在不同土壤中腐解殘留率的研究[J].土壤通報，1985（1）：21-26.

[8] 戴志剛.秸稈養分釋放規律及秸稈還田對作物產量和土壤肥力的影響[D].武漢：華中農業大學，2009.

[9] 盧光明，芶劍渝，張遠淑，等.配施有機肥對新復墾土壤氮素及煙葉氮含量的影響[J].山地農業生物學報，2018，37（5）：25-30，61.

[10] 林心雄，文啟孝.廣州地區土壤中植物殘體的分解速率[J].土壤學報，1985，22（1）：47-55.

[11] 匡恩俊，遲鳳琴，宿慶瑞，等.三江平原地區不同有機物料腐解規律的研究[J].中國生態農業學報，2010，18（4）：736-741.

[12] 介曉磊，寇太記，劉 芳，等.有機物料在砂土中不同時段的腐解狀況研究[J].河南農業大學學報，2006（3）：266-269.

[13] 李昌明，王曉玥，孫 波.不同氣候和土壤條件下秸稈腐解過程中養分的釋放特征及其影響因素[J].土壤學報，2017，54（5）：1206-1217.

[14] 李 玲.典型農田土壤中有機物料分解特性及影響因素[D].北京：中國農業科學院，2018.

[15] 鮑士旦.土壤農化分析[M].北京：中國農業出版社，2000.

[16] 代文才，高 明，蘭木羚，等.不同作物秸稈在旱地和水田中的腐解特性及養分釋放規律[J].中國生態農業學報，2017，25（2）：188-199.

[17] Zhang Xin Y，Wang Wei.The decomposition of fine and coarse roots：their global patterns and controlling factors[J]. Scientific Reports ，2015，5：9940.

[18] 崔順吉，姚 敏，梁嘉陵，等.白漿土土壤有機質變化規律及平衡提高措施的研究[J].土壤肥料，1989（1）：13-16.

[19] 胡宏祥，汪玉芳，何 方，等.水稻秸稈的腐解特征及其培肥增產作用研究[J].中國水土保持，2012（7）：51-53.

[20] 黃昌勇，徐建明.土壤學（第三版）[M].北京：中國農業出版社，2010：33-34.

[21] 代靜玉，周江敏，秦淑平.幾種有機物料分解過程中溶解性有機物質化學成分的變化[J].土壤通報，2004（6）：724-727.

[22] Cindy E.Prescott.Litter decomposition：what controls it and how can we alter it to sequester more carbon in forest soils？[J]. Biogeochemistry ，2010，101（1-3）：133-149.

[23] Edward G.Gregorich，Henry Janzen， et al .Litter decay controlled by temperature，not soil properties，affecting future soil carbon[J]. Global Change Biology ，2017，23（4）：1725-1734.

[24] 武 際，郭熙盛，王允青，等.不同水稻栽培模式和秸稈還田方式下的油菜、小麥秸稈腐解特征[J].中國農業科學，2011，44（16）：3351-3360.