不同耕作方式下水稻田麥秸降解效果

王延鵬，汪小旵，施印炎，魏天翔，楊四軍，丁啟朔

不同耕作方式下水稻田麥秸降解效果

王延鵬1,2，汪小旵1,2※，施印炎1,2，魏天翔1,2，楊四軍3，丁啟朔1

（1. 南京農業大學工學院，南京 210031；2. 江蘇省現代設施農業技術與裝備工程實驗室，南京 210031；3. 江蘇省農業科學院農業資源與環境研究所/農業部長江下游平原農業環境重點實驗室，南京 210014）

為研究稻麥輪作區不同耕作方式下水稻田麥秸的降解效果，在淮河中下游砂姜黑土區，試驗測試了“耕翻+旋耕+泡田”（PRP）、“旋耕+泡田”（RP）、“泡田+旋耕”（PR）三種耕作方式下麥秸在45和90 d中的降解率、組分、養分殘存量等參數變化情況，并在顯微條件下觀察了秸稈表面形態特征。結果表明：1）幾種還田方式下，麥秸降解率都是先快后慢，到還田45 d時，其降解率達45%～55%，還田90 d時最高降解率也不超過58.27%。2）還田時間對麥秸碳（C）、氮（N）、磷（P）、鉀（K），微觀凹坑徑向長度（L）、微觀凹坑軸向長度（L），力學強度有顯著影響（<0.05），對麥秸組分變化有影響。覆蓋還田麥秸C、N、P、木質素、半纖維素隨還田時間分別上升至其初始值的1.01～1.33、1.81～3.45、1.15～1.82、1.15～1.39、1.45～2.77倍，而麥秸K、纖維素則下降至其初始值的0.04～0.11、0.77～0.95倍；L和L隨還田時間變化上升至其初始值的5.65～13.60、2.48～9.18倍；麥秸剪切、彎曲及壓縮強度隨還田時間下降至其初始值的0.07～0.34、0.26～0.58、0.43～0.76倍。3）耕作方式對覆蓋還田麥秸N、P、K殘存量影響顯著（<0.05），對組分變化有影響。PRP比RP、PR更能促進麥秸N、P、K、纖維素含量下降，提高木質素含量，而半纖維素隨耕作方式變化無明顯規律。因此，PRP是覆蓋還田麥秸降解的較佳選擇，其有助于還田麥秸力學強度下降，易引起秸稈表面崩解并形成微觀凹坑，促進秸稈腐解及養分釋放。

降解；力學特性；耕作；麥秸還田；微觀結構

0 引 言

稻麥輪作制是江淮地區最為普遍的種植制度之一，具有較高的產量和收益[1-3]。然而長期的“重用輕養”導致江淮地區土壤養分含量降低，耕層土壤結構惡化，不利于農業可持續發展[4]。秸稈含碳（C）、氮（N）、磷（P）、鉀（K）等多種養分，具有特定的力學強度和形態，秸稈還田可有效補充土壤養分，改善土壤耕層結構[5]。但高復種指數下稻麥輪作區的秸稈還田存在兩大難點，其一換茬期間秸稈迅速大量產出，短時難降解[6]，其二麥稻換茬使得田間水量急劇增加，導致秸稈短時釋放酚酸等有害物質，不利于水稻的正常生長[7]。而加速秸稈降解、規避麥秸生化他感危害最直接的方式是秸稈還田與耕作措施相結合，即通過耕作措施阻止還田秸稈與稻田水交流[8-9]，旋耕機械二次破碎還田秸稈，促進作物生長[10]。因而，可研究耕作措施對還田秸稈降解的影響，以尋求更適合秸稈降解的耕作方式。

秸稈還田與耕作方式相結合的典型模式是耕翻+旋耕埋草（也叫犁翻或翻耕埋草）、旋耕混草[11-13]。翻耕埋草是將秸稈翻埋入土，然后旋耕機碎土，旋耕混草是利用旋耕機將土壤和秸稈混合，通過秸稈與土壤水分、微生物的充分混合，促進秸稈的降解[14-15]。耕翻埋草、旋耕混草有效的促進了秸稈降解，在旱田研究中比較多見。而稻麥輪作是水旱輪作制的最典型代表，麥-稻換茬后由旱田轉水田，田間持水量持續升高，要想通過耕作措施加速秸稈降解和降低還田秸稈化感危害，需考慮犁翻埋草、旋耕混草和泡田的先后順序。先泡田形成泡田+犁翻+旋耕和泡田+旋耕等模式，泡田后旋耕機攪漿，埋草率下降，秸稈處于水田淺表層概率增加，麥秸與稻田水充分混合釋放有機酸，進而影響水稻幼苗生長；優點是先泡田后攪漿，秸稈軟化，降低了作業功耗，加速秸稈破碎降解[16]。后泡田形成犁翻+旋耕+泡田和旋耕+泡田等模式，耕翻、旋耕與旱田操作差異不大，優勢是泡田前將秸稈與土壤進行了掩埋或混合，使得泡田時秸稈與水分的接觸減小，有害物質釋放減緩，缺點是旱地耕作增加了作業功耗，易損壞旋耕刀。泡田在中間形成犁翻+泡田+旋耕，犁翻將秸稈初步掩埋，泡田后旋耕機再次將秸稈帶回土壤淺表層，影響秸稈掩埋效果，優勢是降低化感效應和機械作業功耗。綜上所述，泡田時序與秸稈還田、耕作方式的結合各有優劣。泡田后犁翻，容易浪費資源，意義不大。耕翻可能起到隔絕土壤和水分作用，減緩秸稈土壤混合進程，一般和旋耕接續使用，降低旋耕阻力，因此泡田與傳統耕作（耕翻+旋耕或旋耕）的時序可轉化為泡田+耕作和耕作+泡田兩個大類，研究耕作和泡田措施對秸稈降解影響具有重要意義。更進一步，研究水旱轉換制度下的耕作對還田秸稈降解具有更重要意義，更有助于明確還田秸稈對下茬作物生長，土壤耕作的負面影響，為科學還田提供指導。

本文提出在耕翻+旋耕+泡田、旋耕+泡田和泡田+旋耕方式下，測定麥秸在相同耕作、還田時間條件下的麥秸降解率、養分和組分殘存量、力學強度及微觀紋理，探索水稻季覆蓋還田麥秸的降解、力學強度和微觀結構隨耕作方式的變化趨勢，以期說明麥秸在土壤表層的降解機理，麥秸力學強度對耕作的潛在影響，為協調“耕作措施-水旱輪作-麥秸還田”提供部分理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗田位于江蘇省農業科學院泗洪稻麥科技綜合示范基地（118°15′21.90″E～118°15′42.38″E，33°21′47.50″N～33°22′04.53″N）。試驗地氣候屬東亞季風區，年均氣溫14.6 ℃，年均降水893.9 mm，降雪日9.2 d，無霜期213 d，年均日照2 326.7 h，年均風速3.7 m/s；試驗期間累積降水687.0 mm，月極端最高、最低氣溫分別為37.8 、12.7 ℃，月平均氣溫26.5 ℃。試驗地土壤為砂姜黑土，麥秸掩埋時稻田內平均水位8.44 cm，曬田時土壤表層無流動水。

1.2 供試秸稈

小麥為江蘇省農業科學院農業資源與環境研究所育成的遷麥088，取本季小麥采收后成熟秸稈，首先采用久保田588Q進行前茬小麥收獲，初次測試（收獲）時麥秸初始組分、養分、力學強度參考值依次為：木質素、纖維素和半纖維素為28.85%、83.50 g/kg和4.04 g/kg；C、N、P和K分別為38.34%、0.36%，0.0491%和1.31%；剪切、彎曲和壓縮強度分別為40.04、141.47和0.87 MPa，取樣時取土壤表層麥秸，取樣3次，取樣時間依次為2018-06-29、2018-08-14和2018-09-27。

1.3 試驗設計

試驗采用單因素試驗方法，于江蘇省農業科學院泗洪稻麥科技綜合示范基地的長期定位田進行，試驗田外圍約121 m×52 m，單個小田塊約40 m×11 m，小田塊之間、田塊與隔離帶之間以PVC覆膜隔斷。試驗田由南到北按參與研究順序編號1-3（如圖1），水稻季進行麥秸全量還田，小麥產量6 000 kg/hm2左右，以長江中下游麥秸草谷比1.39計算得全量還田麥秸約8 340 kg/hm2[17]，其中1田耕翻+旋耕+泡田，具體操作流程為：前茬作物收獲后，采用拖拉機（久保田M1004，中國，久保田農業機械（蘇州）有限公司）懸掛三鏵犁翻土（1LS-330，中國，淮安淮犁機械有限公司），然后旋耕機（1GQNGK-250，中國，河北春耕機械制造有限公司）碎土，最后放水泡田，泡田時間大于2 d，至少大于40 h。2田旋耕+泡田：采用拖拉機拖動旋耕機直接碎土，然后放水泡田，泡田時間與1田模式一致。3田泡田+旋耕：先放水泡田，泡田時間與1、2田泡田時間一致，然后拖拉機拖動旋耕機攪漿。

試驗實施的基本流程為，該地區每年5月底進行小麥收獲，收獲后在當季不還田組進行麥秸收集，切割至15 cm、稱量200 g裝于55 cm×35 cm、網孔直徑0.42 mm的網袋。而后于6月5日－6月15日左右進行土壤耕作，按照前述的1～3田操作流程進行。土壤耕作完成后按1.2中所述第1次時間將用于測試的麥秸置于田塊土壤表層，即土壤上表面的水層位置。基于2節氣/月，配合試驗工作量等，選擇15 d整數倍天數用于取樣，按照1.2中所述時間進行第2、3次取樣。取樣后將麥秸置于清水清洗3～5 min或浸提50次。然后將麥秸放入烘箱80 ℃烘干至質量恒定，冷卻至室溫進行干質量測量，截取10 cm、無節點、相對完整的麥秸進行力學強度和微觀形態檢測，最后麥秸粉碎過0.150 mm篩，以備麥秸養分、組分檢測。

1.4 測定指標及計算方法

秸稈降解率也叫腐解率、失重率或分解率，是衡量秸稈降解效果的重要指標之一，一般是指還田前后秸稈質量之差與還田時間前秸稈質量之比（公式1）[18]。單次測量時，選擇粗細均勻，長度一致的秸稈，測量秸稈的總質量、長度和寬度，單組20根，重復3次。

式中D為秸稈降解率，%；0為未還田秸稈樣品質量，g；M為次取樣秸稈質量，g。

秸稈組分主要包括木質素、纖維素和半纖維素，分別采用硫代硫酸鈉滴定法、60%硫酸提取蒽酮比色法和鹽酸水解DNS比色法測定，按照1.2所述時間分3次取樣，單次取樣麥秸木質素、纖維素和半纖維素各測試1次；麥秸養分包括C、N、P、K，分別采用重鉻酸鉀容量法—濃硫酸外加熱法、凱式定氮法、鉬銻抗比色法、火焰光度計法，按照1.2所述時間分3次取樣，C、N、P、K等參數測試3次；麥秸的剪切、彎曲和壓縮力-位移/時間變化采用食品物性分析儀（TMS-PRO，美國，FTC）測定[19]，按照1.2所述時間分3次取樣，剪切、彎曲和壓縮力測試重復3次。

OLS4100激光共聚焦顯微鏡（OLS4100，日本，奧林巴斯公司）觀察麥秸的表面，并確定其表面是否有深坑，確定深坑的基本形態參數[20]。麥秸的選取原則是麥秸形態完整，以正常人眼5.0視力觀察無明顯裂痕及損傷。觀察麥秸時，用美工刀將麥秸從軸向切為兩半，兩端壓扁并在顯微鏡下放大20倍觀察特征明顯的凹坑，觀察在麥秸裸露的外表面進行，不同麥秸同一長度位置各標定1次，共計標定2次，結果取均值。如圖2所示，顯微確定凹坑的向或徑向長度（L），向或軸向長度（L），徑向兩點間線粗糙度（R），軸向兩點間線粗糙度（R）；圖3是實際測試未還田麥秸微觀結構圖及采樣區域，初次測試時凹坑L、L、R和R均值分別為27.72、45.33、4.61和1.22m。

本研究所有數據均采用WPS 2017-2020 Excel進行預處理及初步統計，采用SPSS 20.0軟件進行方差分析，通過Duncan法檢驗數據的顯著性（=0.05）；采用Origin 9.0進行數據信息圖像化表示。

2 結果與分析

2.1 方差分析

還田時間反應的是秸稈可能被降解的進程；耕作方式能改變秸稈形態或土壤水、肥、氣、熱和微生物條件，進而影響秸稈的降解進程；還田時間及耕作方式對秸稈的降解有重要影響。如表1方差分析，縱向比較，還田時間對麥秸C、N、P、K，L、L，剪切、彎曲及壓縮強度有顯著影響（<0.05），而對降解率、R和R無顯著影響（>0.05）。耕作方式對麥秸N、P、K殘存量有顯著影響（<0.05），而對麥秸降解率，C，L、L、R、R，剪切、彎曲和壓縮強度等參數無顯著影響（>0.05）。還田時間×耕作方式對N、K殘存量有顯著影響（<0.05），而對麥秸降解率，C、P，L、L、R、R，剪切、彎曲和壓縮強度參數無顯著影響（>0.05）。

橫向比較，還田時間對麥秸C、N、P、K，L、L，剪切、彎曲及壓縮強度等9個參數有顯著影響（<0.05），耕作方式對麥秸N、P、K殘存量等3個參數有顯著影響（<0.05），還田時間×耕作方式對麥秸N、K殘存量等2個參數有顯著影響（<0.05），各因子對麥秸降解參數影響的數量逐步降低，說明影響秸稈降解進程的各因子排序可能為：還田時間>耕作方式>還田時間×耕作方式。

表1 還田時間、耕作方式及其交互對還田麥秸降解、養分釋放、微觀參數、力學強度的方差分析

注：ns表示不顯著，*表示<0.05，**表示<0.01。

Note: ns means not significant, * means<0.05, ** means<0.01.

2.2 麥秸降解率分析

秸稈降解率是反映秸稈降解程度的最重要指標之一，直接反映秸稈的降解進程。圖4所示為不同耕作方式下還田麥秸降解率隨還田時間變化動態，各耕作方式下還田45和90 d的麥秸降解率均未表現出差異顯著性。從圖4分析其差異不顯著的原因，耕翻+旋耕+泡田、旋耕+泡田及泡田+旋耕3種方式下，到還田45 d時，麥秸降解率從未降解上升到45%～55%，而還田90 d時，最高降解率也不超過58.27%。這表明還田麥秸在還田0～45 d降解較快，而在45～90 d麥秸降解較慢，降解率變化不大，導致還田45～90 d麥秸降解率差異不顯著。

2.3 麥秸養分殘存量分析

秸稈養分包括C、N、P、K等物質，養分含量變化是衡量秸稈養分是否釋放的重要指標，本部分以養分殘存量來表示。圖5所示為不同耕作方式下覆蓋還田麥秸C、N、P、K殘存量隨還田時間的變化狀況。

從還田時間角度分析，圖5a～5d中小寫字母（abc）所示，不論何種耕作方式，覆蓋還田麥秸C、N、P、K殘存量隨還田時間變化均存在顯著性差異（<0.05）。圖5a分析可知，還田0～45 d時，覆蓋還田麥秸C含量上升至初始值的1.22～1.33倍，還田45～90 d時，還田45 d麥秸C含量比還田90 d麥秸C含量略有下降，但仍高于其初始值，為其初始值的1.01～1.22倍。圖5b～5c分析可知，還田0～90 d，麥秸N、P含量持續上升，分別為其初始值的1.81～3.45、1.15～1.82倍。圖5d分析可知，還田0～45 d時，麥秸K含量迅速下降至其初始值的0.05～0.07倍，還田45～90 d時麥秸K含量變化波動變化，仍遠低于其初始值，為其初始值的0.04～0.11倍。

從耕作方式角度分析，圖5a～5d大寫字母（ABC）所示，還田0～90 d時，覆蓋還田麥秸C含量隨耕作方式變化均無顯著性差異（>0.05），麥秸N、P、K含量隨耕作方式變化均存在顯著性差異（0.05）。圖5b分析可知，還田45和90 d時，麥秸N含量隨耕作方式變化均表現為：旋耕+泡田（0.79%、0.91%）、泡田+旋耕（0.72%、1.23%）>耕翻+旋耕+泡田（0.65%、0.70%）。圖5c分析可知，還田45和90 d時，麥秸P含量隨耕作方式變化均表現為：旋耕+泡田（0.069 6%、0.077 9%）、泡田+旋耕（0.067 2%、0.089 6%）>耕翻+旋耕+泡田（0.056 6%、0.069 4%）。圖5d分析可知，還田45和90 d時，麥秸K含量隨耕作方式變化均表現為：泡田+旋耕（0.09%、0.15%）、旋耕+泡田（0.08%、0.09%）>耕翻+旋耕+泡田（0.07%、0.05%）。秸稈還田的肥料化目標是釋放養分，秸稈養分理論上應該越少，從上述圖5b～5d分析可知，耕翻+旋耕+泡田更有利于麥秸N、P、K含量下降，但還田后麥秸N、P含量仍高于其初始值0.36%、0.0491%，K含量低于其初始值1.31%。

2.4 麥秸組分殘存量分析

秸稈組分主要包括木質素、纖維素和半纖維素等組分，自然狀況下秸稈木質素與細胞壁多糖之間緊密的理化結合，限制了木質素的水解，導致秸稈自然分解過程比較緩慢。本部分從麥秸組分殘存含量變化來分析麥秸的腐解進程，木質素、纖維素和半纖維素變化越大，秸稈發生的降解的可能性越大。

表2所示為不同耕作方式下覆蓋還田麥秸組分隨還田時間的變化狀況。從還田時間角度來分析，還田45 d時，覆蓋還田麥秸木質素、半纖維素含量分別上升至其初始值的1.18～1.37、1.45～2.67倍，纖維素含量下降至其初始值的0.77～0.91倍。還田90 d時，麥秸木質素、半纖維素含量分別為其初始值的1.15～1.39、1.78～2.77倍，麥秸纖維素為其初始值的0.80～0.95倍；其中還田90 d時麥秸木質素含量與還田45 d木質素含量基本持平或略有降低，麥秸半纖維素含量比還田45 d含量主要表現為上升，纖維素含量比還田45 d纖維素含量略有上升，但麥秸木質素、半纖維素均高于其初始值，麥秸纖維素低于其初始值。

表2 不同耕作方式下覆蓋麥秸殘存組分隨還田時間變化

注：45/0表示還田45 d與還田0 d數據之比，90/0表示還田90 d與還田0 d數據之比。

Note:45/0means the ratio of the values at 45 days and 0 day,90/0means the ratio of the values at 90 days and 45 days.

從耕作方式變化來分析，如表2所示，還田45和90 d時，麥秸木質素含量隨耕作方式變化表現為：耕翻+旋耕+泡田（39.52%、40.07%）>泡田+旋耕（36.35%、33.07%）、旋耕+泡田（34.09%、33.54%）。還田45和90 d時，麥秸纖維素含量隨耕作方式變化表現為：旋耕+泡田（76.31、79.25 g/kg）、泡田+旋耕（73.81、71.74 g/kg）>耕翻+旋耕+泡田（64.17、66.74 g/kg）。還田45 d時，麥秸半纖維素含量隨耕作方式變化表現為：耕翻+旋耕+泡田（10.77 g/kg）>泡田+旋耕（7.68 g/kg）>旋耕+泡田（5.87 g/kg）；還田90 d時，其麥秸半纖維素含量為：泡田+旋耕（11.19 g/kg）>旋耕+泡田（8.49 g/kg）>耕翻+旋耕+泡田（7.21 g/kg）。從上述分析可知，耕翻+旋耕+泡田更有助于木質素含量上升，促進纖維素含量下降，耕作方式對半纖維素含量變化無規律，但還田后麥秸木質素、半纖維素含量均高于初始值28.85%、4.04 g/kg，纖維素含量均低于初始值83.50 g/kg。

2.5 麥秸微觀結構分析

宏觀力學強度變化與材料內部結構、加載測試情況緊密相關，因此有必要深入研究材料的微觀結構特征，微觀結構研究常采用微觀圖像進行定性說明，本部分對還田麥秸表觀凹坑的大小、粗糙度進行初步量化說明。圖6為不同耕作方式下還田麥秸微觀參數隨還田時間的變化。

圖6a～6b分析可知，還田45 d時，各耕作方式下L和L分別上升至其初始值的11.40～13.60、4.71～9.14倍；還田90 d時，各耕作方式下L和L分別為其初始值的5.65～11.44、2.48～9.18倍。這說明微觀凹坑隨著還田時間逐步擴大，且在X方向上擴大倍數（最大、最小倍數分別為13.60和5.65倍）高于Y方向上擴大倍數（最大、最小倍數分別為9.18和2.48倍），還田麥秸在徑向的纖維束之間的粘結層區域容易受到破壞，擴大麥秸的微觀凹坑，原因是還田時間影響微生物對麥秸降解的可能性和進程，秸稈材料為各向異性有機材料，時空差異比較大，因而造成上述差異[21-22]。

圖6c～6d分析可知，還田45d時，各耕作方式下R和R分別為其初始值的0.80～1.61、0.65～1.68倍；還田90 d時，各耕作方式下R和R分別為其初始值的0.91～1.08、0.59～1.97倍。這說明麥秸微觀凹坑粗糙度R和R隨著還田時間并未出現劇烈變化，粗糙度變化在2倍以內；造成R和R差異的原因可能是秸稈材料各向異性和降解差異，麥秸是各向異性材料[23]，時空差異比較大[24]，造成了不同耕作方式、還田時間下麥秸R和R的差異[25-26]。

2.6 麥秸力學強度分析

秸稈力學強度是相同面積或跨度條件下剪切、彎曲、壓縮力的大小，反映了秸稈中各成分被微生物菌降解的程度，降解度越大，秸稈斷裂力或秸稈力學強度越小。樣本為取樣0、45和90 d的麥秸，收獲期為0 d，腐解期為45和90 d。圖7a～7c為不同耕作方式下還田時間對覆蓋還田麥秸力學強度的影響，分析可知，不論何種耕作方式，腐解期麥秸力學強度與收獲期麥秸力學強度差異顯著（<0.05），表明還田麥秸力學強度隨還田時間（0～45 d）會發生較大程度的變化。

圖7a～7b分析可知，還田45 d時，各耕作方式下覆蓋還田麥秸剪切、彎曲強度下降至其初始值的0.25～0.34、0.26～0.58倍；還田90 d時，麥秸剪切、彎曲強度為其初始值的0.07～0.20、0.27～0.34倍，各耕作方式下還田90 d麥秸剪切、彎曲強度低于還田45 d時剪切、彎曲強度。圖7c分析可知，還田45 d時，各耕作方式下覆蓋還田麥秸壓縮強度下降至其初始值的0.49～0.76倍；還田90 d時，麥秸壓縮強度為其初始值的0.43～0.73倍，還田90 d時麥秸壓縮強度與還田45 d時麥秸壓縮強度相差不太大，還田45～90 d麥秸壓縮強度下降較小。以上數據分析表明，還田麥秸力學強度下降較大，降解程度較高，原因可能是麥秸與土壤微生物接觸較充分，麥秸降解的較充分，最終導致麥秸力學強度數值越小[27-28]。

3 討 論

3.1 耕作方式及還田時間變化的方差分析

秸稈的降解本質上是微生物對秸稈的腐蝕，可能是厭氧、好氧或兼性發酵等過程。一般而言，時間是衡量秸稈降解進度的重要指標，然而方差分析表明，還田時間對麥秸降解率、R和R的變化影響并不顯著。這說明秸稈的降解可能是非連續性的，或者說秸稈的降解是分階段進行的，本研究得出初步結論，還田0～45 d還田麥秸降解較快，還田45～90 d麥秸降解較慢，這使得還田45和90 d還田麥秸部分參數變化差異不顯著。

方差分析表明耕作方式對麥秸N、P、K殘存量變化影響顯著，對其他參數變化影響不顯著。然而實際采樣的麥秸與耕作未發生直接作用。這說明耕作確實引起了土壤微生物、水分的變化，進而誘發微生物對麥秸中易降解N、P的腐蝕，麥秸K從麥秸中釋放，但是耕作引起土壤微生物、水分的間接變化對秸稈降解的大部分參數影響不大，僅僅局限于麥秸中N、P、K等易于降解的物質。

3.2 還田麥秸養分、組分變化差異性

本研究中麥秸N隨著還田時間為先上升后略有下降，但取值仍高于N初始值，呈現上升趨勢，麥秸P含量隨還田時間的變化呈現上升趨勢，還田45～90 d麥秸K緩慢上升或波動變化，這不符合降解規律。可能是因為耕作造成麥秸微生物的再分配差異，土壤微生物在土壤中一般為比較穩定的狀態，耕翻、旋耕等操作會打亂原有的微生物群落、數量平衡，對麥秸、土壤、微生物進行再次分配，再分配的結果可能會造成微生物群體的生長、穩定或衰落，多數情況下微生物可能在麥秸上定殖不成功，由此引起微生物對麥秸N、P的變化差異，也可能是因為土壤本體的N、P養分含量大于麥秸本體，造成土壤中的N、P養分因水泡處理遷移至麥秸表面；K素含量差異可能是由于麥秸所處的水環境相關，造成了麥秸K含量在有限的時間內釋放出來，然后又回歸到麥秸中，麥秸中的游離態K和稻田水中的K實現了動態平衡，導致了麥秸K的殘存量略有上升。

本文研究覆蓋麥秸降解率較高，麥秸P和K含量更低，這說明麥秸中的相對易降解成分（P、K、纖維素、半纖維素）在覆蓋層更容易降解。P和K在麥秸中屬于60%或100%的無機物，在水環境中更容易被降解，對降解微生物的依賴程度相對較小。而秸稈翻埋、旋耕混草處理的麥秸C、N、纖維素、半纖維素比覆蓋麥秸C、N殘存量更低，這說明秸稈翻埋、旋耕混草更有利于麥秸C和N的降解。造成這種現象的主要原因可能與麥秸C、N的組成結構相關。麥秸C、N多存在于木質素、纖維素和半纖維素等有機物中，與氨基酸、可溶性物質相比，短時間內木質素等組分降解更難一些，翻埋秸稈比覆蓋秸稈接觸微生物的概率、數量、群體更高，更有可能促進麥秸C、N的降解[29]。麥秸纖維素和半纖維素屬于多糖類物質，相對于木質素這類含芳香族化合物的結構，纖維素、半纖維素更容易降解一些[30]，龔振平等[31]研究了玉米秸稈的木質素、纖維素等的降解規律，也得出了同樣的規律，即秸稈纖維素、半纖維素比木質素更容易降解，纖維素、半纖維素含量變化引起木質素含量變化。

3.3 還田麥秸組分-微觀-力學關聯變化

不論是何種耕作方式和還田時間，還田麥秸木質素、纖維素和半纖維素均出現了差異。還田麥秸組分隨時間變化說明了麥秸降解進程差異，說明微生物可能會對麥秸的組分變化起到了一定的促進作用，組分的變化可能導致麥秸微觀差異，甚至是麥秸力學強度的變化。

麥秸微觀結構變化受觀測、麥秸降解等多種因素的影響。還田時間對麥秸L和L有顯著影響，微觀凹坑隨著還田時間逐步擴大，還田麥秸在X向或徑向的纖維束之間的粘結層區域容易受到破壞，擴大麥秸的微觀凹坑。這說明微生物對麥秸的降解可能是堆積性的，集中于粘結層的薄弱位置對麥秸進行腐蝕，麥秸微觀凹坑持續擴大。若微觀參數持續擴大，可能會影響到麥秸的力學強度參數變化，微觀結構差異引起宏觀力學強度、形態變化。

還田時間對麥秸力學強度有顯著影響，且各耕作方式下還田麥秸力學強度隨時間變化規律不一致。這說明力學強度的變化是由麥秸降解進程引起的，麥秸降解可能是由組成成分差異和微觀結構變化引起的。其降解過程可能是由收獲時麥秸相對完整，微觀結構開始出現凹坑，并隨著還田時間延長逐步擴大，直到麥秸的纖維與軟組織破裂，麥秸骨架開始破壞，麥秸力學強度出現較大程度的下降，麥秸由較完整的整體破裂為較小的散碎麥秸部分，與范春輝等關于麥秸的降解的研究有一定的相似性，還田后麥秸殘體的形態學變化可能為“結構致密—表面崩解—骨架破壞”，力學強度、微觀凹坑檢測在一定程度上可解釋麥秸的降解過程[32-33]。

4 結 論

1）耕翻+旋耕+泡田、旋耕+泡田和泡田+旋耕方式下的覆蓋麥秸還田，其降解率變化都是先快后慢，到還田45 d時，其降解率達45%～55%；還田90 d時，最高降解率也不超過58.27%。

2）還田時間對麥秸碳（C）、氮（N）、磷（P）、鉀（K），微觀凹坑徑向長度（L）、微觀凹坑軸向長度（L），剪切、彎曲及壓縮強度有顯著影響（<0.05），對組分變化有影響。還田麥秸C、N、P、木質素、半纖維素隨還田時間分別上升至其初始值的1.01～1.33、1.81～3.45、1.15～1.82、1.15～1.39、1.45～2.77倍，麥秸K、纖維素則下降至其初始值的0.04～0.11、0.77～0.95倍；L和L隨還田時間變化上升至其初始值的5.65～13.60、2.48～9.18倍；剪切、彎曲及壓縮強度下降至其初始值的0.07～0.34、0.26～0.58、0.43～0.76倍；還田麥秸表面崩解并形成微觀凹坑，力學強度下降較大。

3）耕作方式對覆蓋還田麥秸N、P、K含量影響顯著（<0.05），對組分變化有影響。耕翻+旋耕+泡田比旋耕+泡田、泡田+旋耕更能促進麥秸N、P、K、纖維素含量下降，提高木質素含量，而半纖維素隨耕作方式變化無明顯規律。耕翻+旋耕+泡田是覆蓋還田麥秸降解的較佳選擇，其有助于還田麥秸力學強度下降，易引起秸稈表面崩解并形成微觀凹坑，促進秸稈腐解及養分釋放。

[1] Chao Yan, Shuang Shuangyan, Tian Yujia, et al. Decomposition characteristics of rice straw returned to the soil in northeast China[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2019, 114: 211-244.

[2] Zhu Liqun, Hu Naijuan, Yang Minfang, et al. Effects of different tillage and straw return on soil organic carbon in a rice-wheat rotation system[J]. PLoS ONE, 2017, 9(2): 1-7.

[3] Yan Fengjun, SunYongjian, Hui Xu, et al. The effect of straw mulch on nitrogen, phosphorus and potassium uptake and use in hybrid rice[J]. Paddy and Water Environment, 2019, 17(1): 23-33.

[4] 朱杰. 直播稻田土壤耕作深度和秸稈還田的生態效應研究[D]. 南京：南京農業大學，2006.

Zhu Jie. Study on Ecologic Effect of Soil Tillage Depth and Straw Recycling in Directly Sowing Rice Field[D]. Nanjing: Nanjing Agricultural University, 2006. (in Chinese with English abstract)

[5] 王旭東，陳鮮妮，王彩霞，等. 農田不同肥力條件下玉米秸稈腐解效果[J]. 農業工程學報，2009，25(10)：252-257.

Wang Xudong, Chen Xianni, Wang Caixia, et al. Decomposition of corn stalk in cropland with different fertility[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2009, 25(10): 252-257. (in Chinese with English abstract)

[6] Ma Erdeng, Zhang Guangbin, Ma Jing, et al. Effects of rice straw returning methods on N2O emission during wheat-growing season[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2010, 88(3): 463-469.

[7] 劉瑞顯，張國偉，楊長琴，等. 小麥秸稈浸提液和腐解液對棉花種子發芽及幼苗生長的化感效應[J]. 棉花學報，2016，28(4)：375-383.

Liu Ruixian, Zhang Guowei, Yang Changqin, et al. Allelopathic effects of wheat straw extract and decomposition liquid on cotton seed germination and seedling growth[J]. Cotton Science, 2016, 28(4): 375-383. (in Chinese with English abstract)

[8] Ma Jing, Xu Hua, Yagi Kazuyuki, et al. Methane emission from paddy soils as affected by wheat straw returning mode[J]. Plant and Soil, 2008, 313(1): 167-174.

[9] Nakajima, Cheng, Tang, et al. Modeling aerobic decomposition of rice straw during the off-rice season in an Andisol paddy soil in a cold temperate region of Japan: Effects of soil temperature and moisture[J]. Soil Science and Plant Nutrition, 2016, 62(1): 90-98.

[10] Ma Linjie, Kong Fanxuan, Wang Zhi, et al. Growth and yield of cotton as affected by different straw returning modes with an equivalent carbon input[J]. Field Crops Research, 2019, 243: 107616.

[11] 龔靜靜，胡宏祥，朱昌雄，等. 秸稈還田對農田生態環境的影響綜述[J]. 江蘇農業科學，2018，46(23)：1-5.

[12] 常志州，陳新華，楊四軍，等. 稻麥秸稈直接還田技術發展現狀及展望[J]. 江蘇農業學報，2014，30(4)：909-914.

Chang Zhizhou, Chen Xinhua, Yang Sijun, et al. A review on technique for rice and wheat straws returning and utilization[J]. Jiangsu Journal of Agricultural Sciences, 2014, 30(4): 909-914. (in Chinese with English abstract)

[13] Eisa Adam Eisa Belal. 稻麥輪作制旋耕埋草評價及其對土壤質量及生產力效應研究[D]. 南京：南京農業大學，2018.

Eisa Adam Eisa Belal. Characterization of Rotor-Tiller Straw Incorporation and Management Effects on Soil Quality and Productivity in A Rice-Wheat Rotating System[D]. Nanjing: Nanjing Agricultural University, 2018. (in English with Chinese abstract)

[14] 田平，姜英，孫悅，等. 不同還田方式對玉米秸稈腐解及土壤養分含量的影響[J]. 中國生態農業學報（中英文），2019，27(1)：100-108.

Tian Ping, Jiang Ying, Sun Yue, et al. Effect of straw return methods on maize straw decomposition and soil nutrients contents[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(1): 100-108. (in Chinese with English abstract)

[15] 趙博，汪小旵，楊四軍，等. 水稻滅茬機扶茬機構設計與試驗[J]. 華南農業大學學報，2018，39(4)：100-104.

Zhao Bo, Wang Xiaochan, Yang Sijun, et al. Design and experiment of lifting mechanism of rice stubble cleaner[J]. Journal of South China Agricultural University, 2018, 39(4): 100-104. (in Chinese with English abstract)

[16] 薛菊金，項忠蘭，王建軍，等. 江蘇丘陵地區麥秸機械還田輕簡稻作技術規范與效果[J]. 江蘇農業科學，2009(1)：74-75.

[17] 劉曉永. 中國農業生產中的養分平衡與需求研究[D]. 北京：中國農業科學院，2018.

Liu Xiaoyong. Study on Nutrients Balance and Requirement in Agricultural Production in China[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2018. (in Chinese with English abstract)

[18] 方志超，劉玉濤，丁為民，等. 微生物菌噴施對集溝還田稻麥秸稈的影響[J]. 農業工程學報，2015，31(23)：187-194.

Fang Zhichao, Liu Yutao, Ding Weimin, et al. Effect of microbial spraying on wheat and rice straw returning to ditch[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(23): 187-194. (in Chinese with English abstract)

[19] 宗望遠，黃小毛，徐愛英，等. 棉花幼苗莖稈彎曲及剪切性能試驗[J]. 農業工程學報，2012，28(增刊2)：118-124.

Zong Wangyuan, Huang Xiaomao, Xu Aiying, et al. Bending and shearing characteristics of cotton seedling stem[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(Supp.2): 118-124.(in Chinese with English abstract)

[20] Lu Juncheng, Wang Xingsheng, Ma Chenbin, et al. Influence of blended textures generated by laser surface texturing on friction behavior in soft tissue cutting[J]. Tribology International, 2019, 134: 1-6.

[21] 劉兆朋，謝方平，吳明亮. 成熟期油菜莖稈力學特性試驗研究[J]. 農機化研究，2009，31(2)：147-149.

Liu Zhaopeng, Xie Fangping, Wu Mingliang. Experiemntal study on mechanics characteristic for mature rape stalk[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2009, 31(2): 147-149. (in Chinese with English abstract)

[22] 沈成，李顯旺，田昆鵬，等. 苧麻莖稈力學模型的試驗分析[J]. 農業工程學報，2015，31(20)：26-33.

Shen Cheng, Li Xianwang, Tian Kunpeng, et al. Experimental analysis on mechanical model of ramie stalk[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(20): 26-33. (in Chinese with English abstract)

[23] 田瀟瑜，侯振東，徐楊. 玉米秸稈成型塊微觀結構研究[J]. 農業機械學報，2011，42(3)：105-108.

Tian Xiaoyu, Hou Zhendong, Xu Yang. Microstructure of corn stover briquette[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(3): 105-108. (in Chinese with English abstract)

[24] 華云龍，張偉，董務民. 力學可以為農業現代化作貢獻[J]. 力學進展，1998，28(3)：2-11.

Hua Yunlong, Zhang Wei, Dong Wumin. The role of mechanics in agricultural modernization[J]. Advances in Mechanics, 1998, 28(3): 2-11. (in Chinese with English abstract)

[25] 王芬娥，黃高寶，郭維俊，等. 小麥莖稈力學性能與微觀結構研究[J]. 農業機械學報，2009，40(5)：92-95.

Wang Fen’e, Huang Gaobao, Guo Weijun, et al. Mechanical properties and micro-structure of wheat stems[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2009, 40(5): 92-95. (in Chinese with English abstract)

[26] 梁莉，郭玉明. 作物莖稈生物力學性質與形態特性相關性研究[J]. 農業工程學報，2008，24(7)：1-6.

Liang Li, Guo Yuming. Correlation study of biomechanical properties and morphological characteristics of crop stalks[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2008, 24(7): 1-6. (in Chinese with English abstract)

[27] 韓亞. 黑土區玉米秸稈腐解特征及其改土效果的研究[D]. 北京：中國農業科學院，2019.

Han Ya. Decomposition Chracteristics of Maize Straw and Its Effect on Soil Biological and Physical Properties in the Mollisol Region[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2019. (in Chinese with English abstract)

[28] 王忠江，王澤宇，司愛龍，等. 秸稈與沼肥同步翻埋還田對秸稈腐解特性的影響[J]. 農業機械學報，2017，48(6)：271-277.

Wang Zhongjiang, Wang Zeyu, Si Ailong, et al. Effect of synchronously burying and returning straw and biogas slurry to soil on straw decomposition[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(6): 271-277. (in Chinese with English abstract)

[29] 張經廷，張麗華，呂麗華，等. 還田作物秸稈腐解及其養分釋放特征概述[J]. 核農學報，2018，32(11)：2274-2280.

Zhang Jingting, Zhang Lihua, Lv Lihua, et al. Overview of the characteristics of crop straw decomposition and nutrients release of returned field crops[J]. Journal of Nuclear Agricultural Sciences, 2018, 32(11): 2274-2280. (in Chinese with English abstract)

[30] 鄭丹. 不同條件下作物秸稈養分釋放規律的研究[D]. 哈爾濱：東北農業大學，2012.

Zheng Dan. The Nutrient Releasing Regularity of Crop Stalks Under Different Conditions[D]. Harbin: Northeast Agricultural University, 2012. (in Chinese with English abstract)

[31] 龔振平，鄧乃榛，宋秋來，等. 基于長期定位試驗的松嫩平原還田玉米秸稈腐解特征研究[J]. 農業工程學報，2018，34(8)：139-145.

Gong Zhenping, Deng Naizhen, Song Qiulai, et al. Decomposing characteristics of maize straw returning in Songnen Plain in long-time located experiment[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(8): 139-145. (in Chinese with English abstract)

[32] 范春輝，張穎超，許吉婷，等. 復合污染旱田黃土中還田秸稈動態腐解的光譜學特性[J]. 光譜學與光譜分析，2014，34(4)：1045-1049.

Fan Chunhui, Zhang Yingchao, Xu Jiting, et al. Spectral properties of releasing dynamics for returning straw to the dried chinese yellow soil polluted by composites[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2014, 34(4): 1045-1049. (in Chinese with English abstract)

[33] Ming Liu, Dinesh Fernando, Geoffrey Daniel, et al. Effect of harvest time and field retting duration on the chemical composition, morphology and mechanical properties of hemp fibers[J]. Industrial Crops and Products, 2015, 69: 29-39.

Decomposition of wheat stalk under different tillages in rice field

Wang Yanpeng1,2, Wang Xiaochan1,2※, Shi Yinyan1,2, Wei Tianxiang1,2, Yang Sijun3, Ding Qishuo1

(1.,,210031,; 2.,210031,; 3.,/,,210014,)

Straw returning has widely been used in circular agriculture and soil conservation tillage in recent years. This study aims to explore the decomposition impacts of the wheat stalk under three tillage modes on the paddy filed in the summer rice and winter wheat system. A field experiment was conducted at the Shajiang black soil zone in the middle-lower reaches of Huaihe River. Three tillage treatments were set in the paddy filed, including “ploughing+rotary+puddling (PRP)”, “rotary+puddling (RP)”, and “puddling+rotary (PR)”. The decomposing parameters were then measured, such as the decomposing rates, the residual contents of the wheat stalk nutrients and components from 0 to 90 days (45 days as step length). A laser confocal scanning microscopy (OLS-4100, Olympus) was selected to characterize the microstructure of wheat stalk. The results showed that: 1) The decomposition rate varied fast in the early stage, but slowly in the late stage. Specifically, the decomposition rate rapidly reached 45%-55% during 0-45 days, while the maximum value of the decomposition rate was less than 58.27% under different tillage and straw returning modes at 90 days. 2) There were significant effects of returning time on the parameters, such as wheat stalk nutrients (including carbon (C), nitrogen (N), phosphorus (P), and potassium (K)), micro structures (including radial or-direction length (L), axial or-direction length (L)), and mechanical properties (including shearing strength (SS), bending strength (BS), compressive strength (CS)) (<0.05). The influence of returning time was found on the wheat stalk components (including Lignin (L), cellulose (Ce), Hemicellulose (He)). The residual contents of the wheat stalk components and nutrients such as C, N, P, L, and He increased to 1.01-1.33, 1.81-3.45, 1.15-1.82, 1.15-1.39, 1.45-2.77 times than those of the indexes at 0 day. Meanwhile the residual contents of the wheat stalk K and Ce decreased to 0.04-0.11, 0.77-0.95 times than those of the indexes at 0 day. TheLandLof micro-structure parameters were 5.65-13.60, 2.48-9.18 times than those of the indexes at 0 day. The wheat stalk SS, BS, and CS at 45 and 90 days would decreased to 0.07-0.34, 0.26-0.58 and 0.43-0.76 times than those of the initial parameters at 0 day. 3) There were significant effects of tillage on the residual contents of the wheat stalk N, P and K (<0.05), while impacts on the residual contents of the wheat stalk L, Ce and He. Comparing with the treatment of RP and PR, the treatment of PRP rapidly reduced the residual contents of the wheat stalk N, P, K, and Ce, but quickly increased residual contents of the wheat stalk L, while there was no reasonable order of residual He. Consequently, the PRP treatment presented a better performance for straw degradation in this case. This finding can greatly contribute to reduce the mechanical strength of wheat stalk and release nutrients when returning wheat straw to the field in sustainable agriculture.

decomposition; mechanical properties;tillage; wheat straw returning; micro structure

王延鵬，汪小旵，施印炎，等. 不同耕作方式下水稻田麥秸降解效果[J]. 農業工程學報，2021，37(15)：239-247.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.15.029 http://www.tcsae.org

Wang Yanpeng, Wang Xiaochan, Shi Yinyan, et al. Decomposition of wheat stalk under different tillages in rice field[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(15): 239-247. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.15.029 http://www.tcsae.org

2021-01-21

2021-07-08

江蘇省農業科技自主創新資金（CX（17）1002）

王延鵬，博士生，研究方向為農業生物環境檢測與評估。Email：2017212010@njau.edu.cn

汪小旵，博士，教授，研究方向為農業生物環境模擬與調控。Email：wangxiaochan@njau.edu.cn 中國農業工程學會會員：汪小旵（E041200345S）

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.15.029

S210.3

A

1002-6819(2021)-15-0239-09