代文才,高 明**,兰木羚,黄 容,王金柱,王子芳,韩晓飞

(1.西南大学资源环境学院/重庆市三峡库区农业面源污染控制研究中心 重庆 400715; 2.广安市环境保护局 广安638500; 3.重庆市农业技术推广总站 重庆 401121)

不同作物秸秆在旱地和水田中的腐解特性及养分释放规律*

代文才1,高 明1**,兰木羚2,黄 容1,王金柱1,王子芳1,韩晓飞3

(1.西南大学资源环境学院/重庆市三峡库区农业面源污染控制研究中心 重庆 400715; 2.广安市环境保护局 广安638500; 3.重庆市农业技术推广总站 重庆 401121)

以水稻、小麦、玉米秸秆和油菜、蚕豆青秆为研究对象,采用尼龙网袋法,研究了不同秸秆翻埋入旱地和水田后的腐解特性及养分释放规律,以期为紫色丘陵区农业秸秆循环利用和秸秆还田技术提供理论依据。结果表明: 秸秆翻埋还田后,5种供试秸秆腐解速率均表现为前期(0～60 d)快、后期(60～360 d)慢。经过360 d的腐解,旱地秸秆累积腐解率为 52.88%～75.80%,表现为油菜＞水稻＞玉米＞小麦＞蚕豆趋势,且蚕豆青秆累积腐解率显著低于其余秸秆; 水田中秸秆累积腐解率为45.01%～62.12%,表现为水稻＞玉米＞小麦＞油菜＞蚕豆趋势。5种秸秆在旱地和水田中养分释放率均表现为钾＞磷＞氮＞碳,在试验终点,旱地中秸秆碳、氮、磷和钾释放率分别为65.50%～87.37%、54.64%～69.72%、89.65%～98.96%和 79.92%～96.63%,且油菜秸秆养分释放率高于其他 4种秸秆; 水田中秸秆碳、氮、磷、钾释放率变幅分别为49.95%～69.57%、32.89%～77.11%、90.70%～96.80%、77.45%～90.47%。总体表现为秸秆在旱地土壤中的累积腐解率和养分释放率均大于水田,旱地油菜和水稻秸秆较易腐解,水田水稻和玉米秸秆较易腐解释; 秸秆中钾素释放速率较高。

作物秸秆; 腐解特征; 养分释放; 旱地; 水田

中国是农业大国,每年作物秸秆的产量超过 8亿 t[1],且秸秆中富含有机碳、氮、磷、钾以及中微量元素,是一种重要的生物资源。但我国秸秆的利用率低,有效还田率不到 1/3[2],绝大部分被焚烧或者遗弃,不仅造成了资源的极大浪费,而且对生态环境造成了严重影响,进而影响了人类的生活质量[3]。因此,作物秸秆的合理利用成为一个亟待解决的农业问题。已有研究表明,作物秸秆还田后在微生物和酶的共同作用下进行腐解[4-5],不仅能改善土壤物理性质[6],还能释放氮、磷、钾等营养元素供植物吸收利用,提高土壤肥力[7]。近年来,为解决农业资源浪费和缓解化肥过量施用带来的土壤退化及农业面源污染问题[8-10],利用秸秆等农业废弃物腐解释放养分,减少化肥施用量,已成为国内外学者关注的热点之一[11-15]。

前人对于还田秸秆的腐解规律进行了大量的研究。李新举等[16]研究表明,在不同填埋深度下秸秆腐解速率不同,表现为埋深5 cm最快,埋深15 cm次之,覆盖在地表最慢。张宇等[17]发现,耕作方式对还田秸秆的腐解规律有显著的影响,腐解率表现为翻耕＞旋耕＞免耕。Abro等[18]指出,温度较低时有利于秸秆对有机碳和微生物量碳、氮的固持与保蓄,而在温度较高时会加速秸秆中有机碳的矿化。唐国勇等[19]通过对不同水分条件下14C秸秆降解研究发现淹水条件下水稻秸秆的分解率显著高于旱地。戴志刚等[15]研究表明,不同秸秆腐解率不同,在快速腐解期表现为油菜秸秆腐解率大于水稻秸秆和小麦秸秆,可能与秸秆的组织结构不同有关。前人对于还田秸秆的养分释放规律也进行了大量研究,但结果不尽相同,有研究发现,还田秸秆氮磷钾释放速率表现为钾素＞磷素＞氮素[20]。也有研究表明,作物秸秆中磷的释放率最大,氮次之,钾最小[21]。目前,大量研究集中在单一土地利用方式[22-23]、单一作物生长期[24-25]对还田秸秆腐解特征的影响上,且研究秸秆种类少[26],而对紫色丘陵区不同土地利用方式下秸秆还田的腐解特征研究还鲜见报道。为此,本研究采用尼龙网袋法,以紫色丘陵区常见作物[水稻(Oryza sativa)、油菜(Brassica campestris)、玉米(Zea mays)、蚕豆(Vicia faba)、小麦(Triticum aestivum)]秸秆为研究对象,探讨不同土地利用方式下不同还田秸秆周年腐解特征和养分释放规律,以期为该地区农业秸秆循环利用和秸秆还田技术的确定提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在国家紫色土土壤肥力与肥料效益监测站进行,监测站位于重庆市北碚区西南大学试验农场(30°26′N,106°26′E),属紫色丘陵区,方山浅丘坳谷地形,海拔 266.3 m,属亚热带季风气候,年均温18.4 ℃,年降水量1 105.5 mm,日照1 276.7 h。试验年(2014年)夏季平均温21.6 ℃,冬季平均温14.2 ℃,高温集中在7、8月份,降雨主要集中在夏季和冬季,全年微风。供试土壤为侏罗纪沙溪庙组紫色泥页岩发育形成的紫色土,中性紫色土亚类,灰棕紫泥属。供试土壤基本理化性质见表1。

1.2 供试秸秆

于2014年5月在重庆市北碚区西南大学周边农村采集5种成熟作物秸秆(水稻秸秆、小麦秸秆、玉米秸秆、油菜青秆、蚕豆青秆),实验室洗净,油菜和蚕豆青秆杀青,全部风干,剪成5～8 cm小段,再60 ℃烘干至恒重,一部分保存用于还田试验,另一部分粉碎过1 mm筛用于测定养分含量。秸秆样品基本性质见表2。

表1 供试土壤基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of the tested soil

表2 供试秸秆基本性质Table 2 Basic properties of the tested straw samples

1.3 试验设计

试验选取旱地(D)和水田(P)两种土壤,旱地种植制度为玉米-油菜套作,水田种植制度为水稻-小麦轮作,作物品种为当地主栽品种,种植作物期间施氮、磷、钾肥分别为尿素、过磷酸钙、硫酸钾,其中,种植水稻小麦以 60%氮肥和全部磷钾肥做基肥,40%氮肥为追肥,种植玉米油菜以 50%氮肥和全部磷钾肥做基肥,50%氮肥为追肥。作物品种、种植时间及施肥量见表3。

分别称取10 g左右5～8 cm的水稻秸秆(D-SD、P-SD)、小麦秸秆(D-XM、P-XM)、玉米秸秆(D-YM、 P-YM)、油菜青秆(D-YC、P-YC)、蚕豆青秆(D-CD、P-CD)分别装在孔径为40目的纯尼龙袋中,共10个处理。在水田和旱地中分别随机选取3个5 m×5 m的样方,于2014年5月30日将装好秸秆的尼龙袋翻埋入旱地和水田的样方中,埋深5 cm。每个样方中埋入5种秸秆尼龙袋各7个,不同秸秆填埋间距1 m,分别在埋入后第10 d、30 d、60 d、90 d、150 d、240 d和360 d取样,每次在每个样方中随机取出5种秸秆各一袋,先用自来水冲净网袋上粘附的泥浆,再用蒸馏水冲洗3次,60 ℃烘干至恒重,称重,磨碎过1 mm 筛后测定秸秆中的碳、氮、磷、钾含量,并计算养分释放率。

表3 作物种植时间及施肥量Table 3 Planting time and fertilization rates of crops

1.4 样品测定与数据处理

1.4.1 样品测定

土壤基本理化性质采用常规分析方法[27]。秸秆有机碳采用重铬酸钾容量法-外加热法测定; 秸秆通过H2SO4-H2O2溶液消煮后,采用凯氏定氮法测定全氮含量,采用钒钼黄比色法测定全磷含量,采用火焰光度法测定全钾含量[28]。

1.4.2 数据处理

秸秆累计腐解率、养分累计释放率[23]计算公式为:

式中:Mo为加入秸秆干重,g;Mt为腐解时间t时的秸秆干重,g;t为腐解时间,d;Co为秸秆原始养分含量,g·kg-1;Ct为腐解时间为t时秸秆养分含量,g·kg-1。

数据采用Microsoft Excel 2010和SPSS 20.0软件进行处理,采用LSD法和T-检验对试验数据进行检验(P＜0.05),采用Microsoft Excel 2010绘图。

2 结果分析

2.1 不同种类秸秆在旱地和水田中的腐解特征

由图1a可以看出,5种作物秸秆在旱地土壤中的累计腐解率均随腐解时间的延长而增大,且表现出前期腐解速率快,后期缓慢的规律,其中D-XM、D-SD快速腐解期为 0～60 d,平均腐解速率分别为0.091 g·d-1和0.095 g·d-1,90～360 d为缓慢期,累计腐解率分别达67.02%和74.23%; D-YC、D-CD快速腐解期为0～30 d,在30 d累计腐解率分别达44.55%和40.64%,显著高于D-XM、D-SD和D-YM(表4); 0～10 d为D-YM的快速腐解期,腐解速率达0.138 g·d-1,30～360 d为缓慢期,腐解速率变幅为0.020～0.064 1 g·d-1。5种还田秸秆累计腐解率在试验结束时达高值,大小顺序表现为D-YC(75.80%)＞D-SD(74.23%)＞D-YM (69.34%)＞D-XM(67.02%)＞D-CD(52.88%),且 D-CD显著低于其他4种秸秆(表4)。

由图1b可看出,5种作物秸秆在水田土壤中的腐解规律与旱地土壤中类似,也表现为前期腐解快,后期逐渐平稳的规律,但是快速腐解期与旱地土壤中的还田秸秆有差异。P-XM和P-YM快速腐解期为0～90 d,其中P-XM还田10 d后腐解率达38.09%,后逐渐提高,在90 d时达最大累计腐解率54.12%; 而P-YM在还田90 d后累计腐解率为59.45%,比P-XM提高了9.84%。P-SD、P-YC和P-CD快速腐解期为0～60 d,在60 d时累计腐解率分别为 55.75%、46.82%和 49.09%,且P-SD显著高于P-YC和P-CD (表4)。P-XM、P-SD、P-YM、P-YC和P-CD在0～10 d腐解最快,腐解速率分别为0.382 g·d-1、0.299 g·d-1、0.228 g·d-1、0.325 g·d-1和0.361 g·d-1,累计腐解率分别占试验结束时的 78.34%、46.84%、35.18%、64.36%和77.29%。5种秸秆在试验结束时累计腐解率表现为P-SD＞P-YM＞P-XM＞P-YC＞P-CD,且P-SD显著大于其余4种秸秆(表4)。

图1 不同作物秸秆在旱地(a)和水田(b)中腐解率的变化特征Fig.1 Variations of straw decomposition rates of different crops straws in dryland (a) and paddy field (b)

同时,还田秸秆在旱地和水田中腐解率也存在差异。P-XM在腐解90 d达最大累计腐解率54.12%,是 D-XM 在 90 d腐解率的 1.35倍,且显著低于D-XM在腐解360 d达最大累计腐解率67.02%(表4); P-SD、P-YM和P-YC均在试验结束时分别达最大腐解率62.12%、60.59%和48.58%,分别为旱地土壤中相同秸秆最大累计腐解率的 83.68%、87.38%和64.08%。试验结束时,旱地土壤中 D-XM、D-SD、D-YM、D-YC和D-CD累计腐解率均高于水田,分别是水田土壤中的1.37倍、1.19倍、1.14倍、1.56倍和1.17倍。表明旱地土壤更有利于小麦、水稻、玉米、油菜和蚕豆秸秆的腐解。

2.2 不同种类秸秆在旱地和水田中的碳释放特征

5种还田秸秆在旱地和水田中的碳释放特征如图2。不同秸秆之间累计碳释放率不同,旱地和水田中秸秆的碳释放率也不同。由图2a所示,5种秸秆在旱地土壤中翻埋腐解后碳累计释放率整体上呈现先快速提高后缓慢提高的趋势,拐点出现在 60～90 d,且5种秸秆在拐点处碳累计释放率变幅介于52.99%～70.60%。D-XM在腐解10 d后碳释放率为40.32%,0～60 d为其碳快速释放期,60 d后碳释放率缓慢提高,且在试验结束时达最大值75.98%。D-SD、D-YM和D-YC在0～90 d内实现碳的快速释放,在90 d时累计释放率分别为 66.02%、63.45%和70.6%,分别占旱地土壤中水稻秸秆碳释放量的89.34%、85.22%和80.81%。在整个腐解过程中,D-XM、D-SD、D-YM、D-YC和D-CD的碳累计释放量均在腐解360 d后达最大值,表现为 D-YC＞D-XM＞D-YM＞D-SD＞D-CD,且D-YC碳累计释放量显著高于其余4种秸秆(表5),分别是D-XM、D-YM、D-SD和D-CD的1.14倍、1.18倍、1.17倍和1.33倍。

表4 不同秸秆在旱地和水田中不同时间的腐解率差异显著性分析Table 4 Significance of difference in decomposition rates of different crops straws at different times in dryland and paddy field

由图2b所示,水田中5种秸秆碳累计释放率也呈现随腐解时间的增加先快速提高后缓慢提高的规律,且5种秸秆碳快速释放期为0～60 d,缓慢释放期为60～360 d。P-XM、P-SD、P-YM、P-YC和P-CD在腐解60 d后碳累计释放率为50.92%、62.13%、 43.84%、47.93%和51.86%,分别占秸秆最大碳累计释放量的 80.91%、89.31%、66.72%、92.19%和84.12%。P-YM 在快速释放期碳释放量低于其余 4种秸秆,但在腐解90 d和240 d其碳释放量高于其余秸秆,且在腐解 240 d后分别比 P-XM、P-SD、P-YC和 P-CD提高了 10.72%、8.75%、26.24%和8.02%。在试验结束后P-SD碳释放量显著高于其余4种秸秆,大小顺序表现为 P-SD(69.57%)＞P-YM (65.70%)＞P-XM(52.51%)＞P-YC(51.99%)＞P-CD(49.95%)。

图2 不同秸秆在旱地(a)和水田(b)中碳释放率的变化特征Fig.2 Variations of carbon release rates of different crops straws in dryland (a) and paddy field (b)

不同土地利用方式下还田秸秆碳释放规律也不尽相同。0～10 d 5种秸秆碳释放率差异不大,除油菜秸秆外,均表现出水田中释放率大于旱地中。小麦秸秆在水田土壤中腐解150 d达到最大碳累计释放率,而在旱地土壤中腐解360 d达到最大值,且显著高于水田土壤中碳释放率(表 5)。在整个试验阶段,表现出秸秆在旱地土壤中的碳累计释放量高于水田土壤,且在试验结束时,旱地土壤中小麦、水稻、玉米、油菜和蚕豆秸秆碳累计释放量分别比水田增加44.69%、6.21%、13.31%、68.05%和31.13%,可能是旱地微生物活性更强,使秸秆碳释放量大于水田。

2.3 不同种类秸秆在旱地和水田中的氮释放特征

5种还田秸秆在旱地和水田中氮释放规律如图3所示,氮释放特征总体上与碳类似,但也存在差异。从图3a可看出,5种供试秸秆在旱地土壤中翻埋腐解过程中,其氮累计释放率总体上随腐解时间的增加表现出先快速提高后缓慢下降的趋势。D-YC在整个腐解过程无明显拐点,氮累计释放率在腐解10 d后为29.95%,在腐解360 d后达最大值63.60%,分别是30 d、60 d、90 d、150 d、240 d累计释放率的4.02倍、2.19倍、2.07倍、1.36倍、1.95倍。D-XM、 D-SD、D-YM、D-CD在0～30 d实现氮的快速释放,变幅为52.30%～76.62%。在试验结束时,5种秸秆氮累计释放率差异较大,表现为 D-CD(69.72%)＞D-SD (68.45%)＞D-YC(63.60%)＞D-YM(57.28%)＞D-XM(54.64%),且D-XM显著低于其余4种秸秆(表6)。

如图3b所示,5种秸秆氮快速释放期为0～30 d,缓慢释放期为60～360 d。在快速释放期氮释放率表现为 P-YC＞P-SD＞P-CD＞P-YM＞P-XM,其中 P-YC氮释放率是P-XM的1.21倍。在试验结束时,5种供试秸秆氮累计释放率差异达显著水平(表6),蚕豆秸秆氮释放率最大为77.11%,其次是水稻秸秆64.15%,油菜秸秆最小,仅为 32.89%,小麦、水稻、玉米、油菜和蚕豆秸秆氮累计释放率分别占秸秆氮释放率的70.98%、100%、86.43%、52.39%和95.99%。

表5 不同秸秆在旱地和水田中不同时间碳释放率显著性差异分析Table 5 Significance of difference in carbon release rates of different crops straws at different times in dryland and paddy field

图3 不同秸秆在旱地(a)和水田(b)中氮释放率的变化特征Fig.3 Variations of nitrogen release rates of different crops straws in dryland (a) and paddy field (b)

表6 不同秸秆在旱地和水田中不同时间氮释放率显著性差异分析Table 6 Significance of difference in nitrogen release rates of different crops straws at different times in dryland and paddy field

旱地和水田中还田秸秆氮释放特征存在差异。油菜秸秆翻埋腐解 30 d后,在水田土壤中氮累计释放率为 62.77%,而在旱地土壤中为 15.82%,仅为水田的25.20%。在腐解360 d后,小麦秸秆在旱地中累计腐解率为54.64%,是水田中的1.48倍。总体上,试验结束时,5种供试秸秆在旱地中氮累计释放率大于水田,这可能是旱地中秸秆腐解量大于水田导致的。

2.4 不同种类秸秆在旱地和水田中的磷释放特征

如图4所示,秸秆腐解后磷释放率随腐解时间的增加表现前期快速提高,后期基本保持稳定的规律,与碳、氮释放规律明显不同。由图4a可看出,秸秆在旱地中翻埋腐解后,0～60 d为磷素快速释放期,D-XM、D-SD、D-YM、D-YC和D-CD磷累计释放率分别为83.95%、95.59%、95.64%、97.22%和95.68%,且小麦秸秆磷累计释放率显著低于其余4种秸秆(表7)。在60～360 d为平稳释放期,5种秸秆磷累计释放率均无明显变化。在试验结束时,磷累计释放率变幅为89.65%～98.96%,大小顺序为 D-YC＞D-YM＞D-SD＞D-CD＞D-XM。在整个试验过程中,D-XM秸秆磷累计释放率始终低于其余 4种秸秆,这可能与秸秆本身的结构有关。

如图4b所示,秸秆在水田中磷释放特征与旱地中相似,0～60 d为快速释放阶段,在快速释放阶段几乎实现秸秆磷的完全释放,是因为60～360 d秸秆腐解量很少。在快速腐解阶段 5种秸秆磷累计释放率差异不大,变幅为92.04%～97.16%。在试验结束时5种秸秆磷累计释放率变化差异仅为 6.10%,但达显著水平(表 7),P-YM 磷累计释放率最大为 96.50%,分别比P-YC、P-CD、P-SD、P-XM提高了6.73%、2.11%、0.31%和1.49%。

图4 不同秸秆在旱地(a)和水田(b)中磷释放率的变化特征Fig.4 Variations of phosphorus release rates of different crops straws in dryland (a) and paddy field (b)

表7 不同秸秆在旱地和水田中不同时间磷释放率显著性差异分析Table 7 Significance of difference in phosphorus release rates of different crops straws at different times in dryland and paddy field

秸秆在旱地和水田的磷释放特征均在腐解60 d后几乎实现磷的完全释放,但在旱地和水田中磷的累计释放率不同,其中小麦秸秆腐解60 d后,在水田中磷累计释放率为 92.04%,比旱地中的提高了9.64%。在腐解10 d后,秸秆在水田中磷的释放率大于旱地中,5种秸秆增加量变化为 3.05%～25.21%;在试验结束时秸秆在旱地和水田中磷累计释放速率无明显差异。

2.5 不同种类秸秆在旱地和水田中的钾释放特征

从图5可看出,秸秆钾释放特征与磷类似,也表现钾累计释放率在快速释放期达较大值,在后期无明显变化。由图5a所示,D-YC在腐解60 d出现拐点,D-XM、D-SD、D-YM、D-CD在腐解30 d出现拐点,且拐点处钾累计释放率无明显差异,变幅为 89.39%～ 99.06%。在平稳释放阶段,D-XM钾累计释放率显著低于其余4种秸秆(P＜0.05)。试验结束时,D-YC钾累计释放率最大为96.63%,分别比D-XM、D-SD、D-YM、D-CD增加了20.91%、5.84%、6.67%和5.19%。

由图5b可看出,5种秸秆在水田中钾快速释放期为0～30 d,60～360 d为平稳释放期。腐解30 d后,P-XM、P-SD、P-YM、P-YC、P-CD钾累计释放率分别为96.54%、95.53%、96.30%、99.03%、98.66%。在腐解 150 d后,钾累计腐解率出现略微下降的趋势。在试验结束时P-XM、P-SD、P-YM、P-YC、P-CD分别占其最大钾累计释放率的 80.22%、92.33%、88.73%、91.20%、91.69%,且大小顺序表现为P-CD＞P-YC＞P-SD＞P-YM＞P-XM,其中小麦秸秆累计钾释放率显著低于其余秸秆(表8)。

图5 不同秸秆在旱地(a)和水田(b)中钾释放率的变化特征Fig.5 Variations of potassium release rates of different crop straws in dryland (a) and paddy field (b)

表8 不同秸秆在旱地和水田中不同时间钾释放率显著性差异分析Table 8 Analysis on difference of potassium release rates of different crop straws at different times in dryland and paddy field

3 讨论

3.1 不同土地利用方式对不同种类秸秆腐解特征的影响

影响作物还田腐解率和各期平均腐解量的因素众多,包括秸秆自身性状、耕作方式、还田深度、土壤理化性质、气候等。秸秆腐解过程主要靠微生物的分解作用,在众多影响因素中,有直接因素,也有些通过影响微生物的活动来影响秸秆腐解过程的间接因素。已有研究表明,作物秸秆在土壤中的腐解过程通常分为快速腐解期和缓慢腐解期两个阶段。快速腐解阶段是指腐解开始的前期一段时间,由于作物秸秆中可溶性有机化合物以及部分类似有机物的分解促使作物秸秆质量的大幅度减少,缓慢腐解阶段则是相对于快速腐解阶段的试验后期,由第一阶段未受到分解或分解不完全的木质素、单宁和蜡质等物质通过物理化学变化进行逐步缓慢分解的过程,往往可长达一年或更长时间[20-21,29]。

本研究中,5种秸秆腐解率随腐解时间的增加整体上呈上升趋势,这与前人研究结果一致[22]。有研究表明,秸秆腐解率随着腐解时间的增加呈稳定增加的趋势,但本研究中秸秆腐解率随着腐解时间的增加会出现轻微降低的情况,这可能是由于供试秸秆大小、重量不一致,而体积小的秸秆,比表面积大,更容易与土壤环境中微生物和酶接触,分解速率更快,这与Hassink[30]的研究结果相似。旱地土壤中小麦、水稻秸秆腐解率表现为前期快(0～60 d),后期平稳(60～360 d),水田土壤中小麦、水稻、玉米和油菜秸秆在60 d后达到腐解平稳,而蚕豆秸秆在90 d后达到。主要是因为试验前60 d(6～8月)气温较高,尤其是地面温度,从而导致土壤温度较高,微生物活动较强,并且此阶段降雨丰富,因此能够促进秸秆快速腐解,9月以后气温逐渐回落,土壤温度随之降低,微生物活动也大大减弱,使秸秆分解速度减慢,进入越冬期间秸秆几乎停止腐解,到来年的3、4月份气温虽然回升,但由于秸秆自身的蛋白质、水溶性物和半纤维素等易分解物质几乎分解殆尽,残留的木质素、纤维素等难分解物质使秸秆腐解率不再提高。另外,无论是在水田还是旱地环境下,玉米秸秆腐解率在快速腐解期均明显低于其余 4种秸秆,这与前人研究结论不一样[23,31]。由于秸秆的 C/N也会影响其腐解速率[31],本试验中玉米秸秆C/N高于水稻、油菜和蚕豆秸秆,而与小麦秸秆腐解率的差异还需进一步研究。

旱地和水田环境相比较,5种秸秆腐解率均表现为旱地＞水田。旱地环境下土壤处于好气状态,水田环境则处于厌氧状态。王景等[32]研究发现,小麦秸秆中的纤维素、半纤维素和木质素残留量总体均随培养时间延长逐渐降低,且好气条件更有利于纤维素、半纤维素和木质素的降解。因此,旱地较水田环境更有利于作物秸秆腐解。

3.2 不同土地利用方式对不同秸秆养分释放特征的影响

秸秆还田后通过土壤微生物的作用进行腐解并释放出供作物吸收利用的氮、磷、钾养分以及中微量营养元素[33]。因此,秸秆还田已被广泛认为是改善土壤理化性状以及提高土壤肥力的有效措施。有研究发现,豆科绿肥在土壤中腐解前期(1个月)养分呈暴发式释放[34-35],这与本研究所得结果相似,作物秸秆在旱地环境下腐解释放碳、氮、磷、钾养分的快速阶段分别为0～90 d、0～30 d、0～60 d和0～30 d,水田环境下腐解释放碳、氮、磷、钾养分的快速阶段分别为0～60 d、0～30 d、0～60 d和0～30 d。本研究中,秸秆释放碳、氮、磷、钾养分总体上随腐解时间增加呈现升高并趋于稳定的趋势,这与前人研究结果一致[15],但碳氮养分随腐解时间的增加也出现下降的情况,这可能是由于在该阶段施用化肥(尿素),为微生物提供了大量的碳源和养分,微生物对秸秆中养分的需求较弱[36],导致养分释放率降低。

已有研究认为秸秆还田腐解养分释放速率表现为钾＞磷＞氮＞碳[15,23],这与本研究结果一致。营养元素在秸秆中的形态是决定其释放速度快慢的关键。钾素在秸秆中含量较高且多以离子态存在,磷素中60%以离子态存在,其余参与细胞壁的构成,释放速率慢于钾素,且秸秆中磷素少于钾素。而碳、氮在秸秆中主要以有机态存在,以秸秆主体部分存在,胶结程度高,在物理作用下不易分解,因此释放较慢[22,37]。而试验结束作物秸秆最终元素释放以磷的释放最多,其次是钾、碳和氮释放相对较少。

王景等[32]研究发现,好气条件相对于厌氧更有利于小麦秸秆的碳、氮的释放。是因为厌氧条件抑制土壤中好氧微生物的活性,降低微生物的呼吸强度,从而导致秸秆养分释放速率较低。对比本研究中旱地和水田环境碳、氮、磷、钾最终释放大小顺序,可得出相似结论。

4 结论

在本试验中,不同秸秆(小麦秸秆、水稻秸秆、玉米秸秆、油菜青秆、蚕豆青秆)在旱地和水田中腐解率不同,埋入后30～60 d为快速腐解期,试验结束后,5种秸秆累计腐解量较大(超过50%),旱地秸秆累计腐解率大小表现为油菜＞水稻＞玉米＞小麦＞蚕豆,水田表现为水稻＞玉米＞小麦＞油菜＞蚕豆,且秸秆在旱地中累计腐解率均大于水田。

不同秸秆在腐解初期磷钾释放迅速,超过 90%,在旱地和水田中养分释放率表现为钾＞磷＞氮＞碳,且在旱地中累计释放率高于水田。

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Nutrient release patterns and decomposition characteristics of different crop straws in drylands and paddy fields*

DAI Wencai1,GAO Ming1**,LAN Muling2,HUANG Rong1,WANG Jinzhu1,WANG Zifang1,HAN Xiaofei3
(1.College of Resources and Environment,Southwest University /Engineering Research Center for Agricultural Non-point Source Pollution Control in the Three Gorges Reservoir Area,Chongqing 400715,China; 2.Guang’an Environmental Protection Agency,Guang’an 638500,China; 3.Chongqing Agricultural Technology Extension Station,Chongqing 401121,China)

To provide theoretical basis for crop straws recycling and straw use in agricultural fields,the characteristics of decomposition and release of nutrients of different crop straws [rice,wheat,corn,rapeseed (green stalk) and broad bean (green stalk)]were studied using the nylon net bag method in drylands and paddy fields.The results showed that the decomposition rate of straw was high at the early phase (0–60 d) which then dropped at the later phase (60–360 d).After 360 d,the cumulative decomposition rates of straw were 52.88%–75.80% and 45.01%–62.12% in drylands and paddy fields,respectively.The cumulative decomposition rate of broad bean was significantly lower than that of other crops in the two fields.Furthermore,rapeseed and rice decomposed faster in drylands and paddy fields.At the endpoint of the experiment,the sequence of nutrient release rate of straw in the two fields was K ＞ P ＞ N ＞ C.The rate of carbon release by rice,corn,wheat,rapeseed and broad bean straws was up to 87.37% in dryland and 69.57% in paddy field.The rates of carbon release by rapeseed and rice were significantly higher than those of other crop straws in dryland and paddy field.The average rate of nitrogen release by the five straws tracked the following trend: broad bean (69.72%) ＞ rice (68.45%) ＞ rapeseed (63.60%) ＞corn (57.28%) ＞ wheat (54.64%) in dryland.The rate of nitrogen release by broad bean was the highest (77.11%) in the paddy field.The rates of release of phosphorus by straw were 89.65%–98.96% and 90.70%–96.80% in dryland and paddy field,respectively.Then the rate of release of phosphorus by wheat was persistently lower than that of any other straw in both fields.The rate of release of potassium by rapeseed was respectively 20.91%,5.84%,6.67% and 5.19% higher than that of wheat,rice,corn and broad bean in dryland.Also the rate of release of potassium by wheat was significantly lower than the others.Overall,the decomposition and nutrient release rates in dryland were higher than those in paddy field.Rapeseed green straw in dryland,and rice and maize straws in paddy field were more easily decomposed than other crops straws.The release rate of potassium was highest in all the tested elements.

Crop straw; Decomposition characteristic; Nutrients release; Dryland; Paddy field

S141.4

: A

: 1671-3990(2017)02-0188-12

10.13930/j.cnki.cjea.160748

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* 国家“十二五”科技支撑计划课题(2012BAD14B18)资助

** 通讯作者: 高明,主要从事土壤质量与环境和土地整理方面的研究。E-mail: gaoming@swu.edu.cn

2016-08-23 接受日期: 2016-11-07

* Supported by the National Key Technologies R&D Program of China (2012BAD14B18)

** Corresponding author,E-mail: gaoming@swu.edu.cn

Received Aug.23,2016; accepted Nov.7,2016