代文才,高 明**,蘭木羚,黃 容,王金柱,王子芳,韓曉飛

(1.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院/重慶市三峽庫(kù)區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染控制研究中心 重慶 400715; 2.廣安市環(huán)境保護(hù)局 廣安638500; 3.重慶市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站 重慶 401121)

不同作物秸稈在旱地和水田中的腐解特性及養(yǎng)分釋放規(guī)律*

代文才1,高 明1**,蘭木羚2,黃 容1,王金柱1,王子芳1,韓曉飛3

(1.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院/重慶市三峽庫(kù)區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染控制研究中心 重慶 400715; 2.廣安市環(huán)境保護(hù)局 廣安638500; 3.重慶市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站 重慶 401121)

以水稻、小麥、玉米秸稈和油菜、蠶豆青稈為研究對(duì)象,采用尼龍網(wǎng)袋法,研究了不同秸稈翻埋入旱地和水田后的腐解特性及養(yǎng)分釋放規(guī)律,以期為紫色丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)秸稈循環(huán)利用和秸稈還田技術(shù)提供理論依據(jù)。結(jié)果表明: 秸稈翻埋還田后,5種供試秸稈腐解速率均表現(xiàn)為前期(0～60 d)快、后期(60～360 d)慢。經(jīng)過(guò)360 d的腐解,旱地秸稈累積腐解率為 52.88%～75.80%,表現(xiàn)為油菜＞水稻＞玉米＞小麥＞蠶豆趨勢(shì),且蠶豆青稈累積腐解率顯著低于其余秸稈; 水田中秸稈累積腐解率為45.01%～62.12%,表現(xiàn)為水稻＞玉米＞小麥＞油菜＞蠶豆趨勢(shì)。5種秸稈在旱地和水田中養(yǎng)分釋放率均表現(xiàn)為鉀＞磷＞氮＞碳,在試驗(yàn)終點(diǎn),旱地中秸稈碳、氮、磷和鉀釋放率分別為65.50%～87.37%、54.64%～69.72%、89.65%～98.96%和 79.92%～96.63%,且油菜秸稈養(yǎng)分釋放率高于其他 4種秸稈; 水田中秸稈碳、氮、磷、鉀釋放率變幅分別為49.95%～69.57%、32.89%～77.11%、90.70%～96.80%、77.45%～90.47%。總體表現(xiàn)為秸稈在旱地土壤中的累積腐解率和養(yǎng)分釋放率均大于水田,旱地油菜和水稻秸稈較易腐解,水田水稻和玉米秸稈較易腐解釋; 秸稈中鉀素釋放速率較高。

作物秸稈; 腐解特征; 養(yǎng)分釋放; 旱地; 水田

中國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó),每年作物秸稈的產(chǎn)量超過(guò) 8億 t[1],且秸稈中富含有機(jī)碳、氮、磷、鉀以及中微量元素,是一種重要的生物資源。但我國(guó)秸稈的利用率低,有效還田率不到 1/3[2],絕大部分被焚燒或者遺棄,不僅造成了資源的極大浪費(fèi),而且對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重影響,進(jìn)而影響了人類(lèi)的生活質(zhì)量[3]。因此,作物秸稈的合理利用成為一個(gè)亟待解決的農(nóng)業(yè)問(wèn)題。已有研究表明,作物秸稈還田后在微生物和酶的共同作用下進(jìn)行腐解[4-5],不僅能改善土壤物理性質(zhì)[6],還能釋放氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素供植物吸收利用,提高土壤肥力[7]。近年來(lái),為解決農(nóng)業(yè)資源浪費(fèi)和緩解化肥過(guò)量施用帶來(lái)的土壤退化及農(nóng)業(yè)面源污染問(wèn)題[8-10],利用秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物腐解釋放養(yǎng)分,減少化肥施用量,已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)之一[11-15]。

前人對(duì)于還田秸稈的腐解規(guī)律進(jìn)行了大量的研究。李新舉等[16]研究表明,在不同填埋深度下秸稈腐解速率不同,表現(xiàn)為埋深5 cm最快,埋深15 cm次之,覆蓋在地表最慢。張宇等[17]發(fā)現(xiàn),耕作方式對(duì)還田秸稈的腐解規(guī)律有顯著的影響,腐解率表現(xiàn)為翻耕＞旋耕＞免耕。Abro等[18]指出,溫度較低時(shí)有利于秸稈對(duì)有機(jī)碳和微生物量碳、氮的固持與保蓄,而在溫度較高時(shí)會(huì)加速秸稈中有機(jī)碳的礦化。唐國(guó)勇等[19]通過(guò)對(duì)不同水分條件下14C秸稈降解研究發(fā)現(xiàn)淹水條件下水稻秸稈的分解率顯著高于旱地。戴志剛等[15]研究表明,不同秸稈腐解率不同,在快速腐解期表現(xiàn)為油菜秸稈腐解率大于水稻秸稈和小麥秸稈,可能與秸稈的組織結(jié)構(gòu)不同有關(guān)。前人對(duì)于還田秸稈的養(yǎng)分釋放規(guī)律也進(jìn)行了大量研究,但結(jié)果不盡相同,有研究發(fā)現(xiàn),還田秸稈氮磷鉀釋放速率表現(xiàn)為鉀素＞磷素＞氮素[20]。也有研究表明,作物秸稈中磷的釋放率最大,氮次之,鉀最小[21]。目前,大量研究集中在單一土地利用方式[22-23]、單一作物生長(zhǎng)期[24-25]對(duì)還田秸稈腐解特征的影響上,且研究秸稈種類(lèi)少[26],而對(duì)紫色丘陵區(qū)不同土地利用方式下秸稈還田的腐解特征研究還鮮見(jiàn)報(bào)道。為此,本研究采用尼龍網(wǎng)袋法,以紫色丘陵區(qū)常見(jiàn)作物[水稻(Oryza sativa)、油菜(Brassica campestris)、玉米(Zea mays)、蠶豆(Vicia faba)、小麥(Triticum aestivum)]秸稈為研究對(duì)象,探討不同土地利用方式下不同還田秸稈周年腐解特征和養(yǎng)分釋放規(guī)律,以期為該地區(qū)農(nóng)業(yè)秸稈循環(huán)利用和秸稈還田技術(shù)的確定提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在國(guó)家紫色土土壤肥力與肥料效益監(jiān)測(cè)站進(jìn)行,監(jiān)測(cè)站位于重慶市北碚區(qū)西南大學(xué)試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)(30°26′N(xiāo),106°26′E),屬紫色丘陵區(qū),方山淺丘坳谷地形,海拔 266.3 m,屬亞熱帶季風(fēng)氣候,年均溫18.4 ℃,年降水量1 105.5 mm,日照1 276.7 h。試驗(yàn)?zāi)?2014年)夏季平均溫21.6 ℃,冬季平均溫14.2 ℃,高溫集中在7、8月份,降雨主要集中在夏季和冬季,全年微風(fēng)。供試土壤為侏羅紀(jì)沙溪廟組紫色泥頁(yè)巖發(fā)育形成的紫色土,中性紫色土亞類(lèi),灰棕紫泥屬。供試土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

1.2 供試秸稈

于2014年5月在重慶市北碚區(qū)西南大學(xué)周邊農(nóng)村采集5種成熟作物秸稈(水稻秸稈、小麥秸稈、玉米秸稈、油菜青稈、蠶豆青稈),實(shí)驗(yàn)室洗凈,油菜和蠶豆青稈殺青,全部風(fēng)干,剪成5～8 cm小段,再60 ℃烘干至恒重,一部分保存用于還田試驗(yàn),另一部分粉碎過(guò)1 mm篩用于測(cè)定養(yǎng)分含量。秸稈樣品基本性質(zhì)見(jiàn)表2。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of the tested soil

表2 供試秸稈基本性質(zhì)Table 2 Basic properties of the tested straw samples

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選取旱地(D)和水田(P)兩種土壤,旱地種植制度為玉米-油菜套作,水田種植制度為水稻-小麥輪作,作物品種為當(dāng)?shù)刂髟云贩N,種植作物期間施氮、磷、鉀肥分別為尿素、過(guò)磷酸鈣、硫酸鉀,其中,種植水稻小麥以 60%氮肥和全部磷鉀肥做基肥,40%氮肥為追肥,種植玉米油菜以 50%氮肥和全部磷鉀肥做基肥,50%氮肥為追肥。作物品種、種植時(shí)間及施肥量見(jiàn)表3。

分別稱(chēng)取10 g左右5～8 cm的水稻秸稈(D-SD、P-SD)、小麥秸稈(D-XM、P-XM)、玉米秸稈(D-YM、 P-YM)、油菜青稈(D-YC、P-YC)、蠶豆青稈(D-CD、P-CD)分別裝在孔徑為40目的純尼龍袋中,共10個(gè)處理。在水田和旱地中分別隨機(jī)選取3個(gè)5 m×5 m的樣方,于2014年5月30日將裝好秸稈的尼龍袋翻埋入旱地和水田的樣方中,埋深5 cm。每個(gè)樣方中埋入5種秸稈尼龍袋各7個(gè),不同秸稈填埋間距1 m,分別在埋入后第10 d、30 d、60 d、90 d、150 d、240 d和360 d取樣,每次在每個(gè)樣方中隨機(jī)取出5種秸稈各一袋,先用自來(lái)水沖凈網(wǎng)袋上粘附的泥漿,再用蒸餾水沖洗3次,60 ℃烘干至恒重,稱(chēng)重,磨碎過(guò)1 mm 篩后測(cè)定秸稈中的碳、氮、磷、鉀含量,并計(jì)算養(yǎng)分釋放率。

表3 作物種植時(shí)間及施肥量Table 3 Planting time and fertilization rates of crops

1.4 樣品測(cè)定與數(shù)據(jù)處理

1.4.1 樣品測(cè)定

土壤基本理化性質(zhì)采用常規(guī)分析方法[27]。秸稈有機(jī)碳采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定; 秸稈通過(guò)H2SO4-H2O2溶液消煮后,采用凱氏定氮法測(cè)定全氮含量,采用釩鉬黃比色法測(cè)定全磷含量,采用火焰光度法測(cè)定全鉀含量[28]。

1.4.2 數(shù)據(jù)處理

秸稈累計(jì)腐解率、養(yǎng)分累計(jì)釋放率[23]計(jì)算公式為:

式中:Mo為加入秸稈干重,g;Mt為腐解時(shí)間t時(shí)的秸稈干重,g;t為腐解時(shí)間,d;Co為秸稈原始養(yǎng)分含量,g·kg-1;Ct為腐解時(shí)間為t時(shí)秸稈養(yǎng)分含量,g·kg-1。

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010和SPSS 20.0軟件進(jìn)行處理,采用LSD法和T-檢驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)(P＜0.05),采用Microsoft Excel 2010繪圖。

2 結(jié)果分析

2.1 不同種類(lèi)秸稈在旱地和水田中的腐解特征

由圖1a可以看出,5種作物秸稈在旱地土壤中的累計(jì)腐解率均隨腐解時(shí)間的延長(zhǎng)而增大,且表現(xiàn)出前期腐解速率快,后期緩慢的規(guī)律,其中D-XM、D-SD快速腐解期為 0～60 d,平均腐解速率分別為0.091 g·d-1和0.095 g·d-1,90～360 d為緩慢期,累計(jì)腐解率分別達(dá)67.02%和74.23%; D-YC、D-CD快速腐解期為0～30 d,在30 d累計(jì)腐解率分別達(dá)44.55%和40.64%,顯著高于D-XM、D-SD和D-YM(表4); 0～10 d為D-YM的快速腐解期,腐解速率達(dá)0.138 g·d-1,30～360 d為緩慢期,腐解速率變幅為0.020～0.064 1 g·d-1。5種還田秸稈累計(jì)腐解率在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)達(dá)高值,大小順序表現(xiàn)為D-YC(75.80%)＞D-SD(74.23%)＞D-YM (69.34%)＞D-XM(67.02%)＞D-CD(52.88%),且 D-CD顯著低于其他4種秸稈(表4)。

由圖1b可看出,5種作物秸稈在水田土壤中的腐解規(guī)律與旱地土壤中類(lèi)似,也表現(xiàn)為前期腐解快,后期逐漸平穩(wěn)的規(guī)律,但是快速腐解期與旱地土壤中的還田秸稈有差異。P-XM和P-YM快速腐解期為0～90 d,其中P-XM還田10 d后腐解率達(dá)38.09%,后逐漸提高,在90 d時(shí)達(dá)最大累計(jì)腐解率54.12%; 而P-YM在還田90 d后累計(jì)腐解率為59.45%,比P-XM提高了9.84%。P-SD、P-YC和P-CD快速腐解期為0～60 d,在60 d時(shí)累計(jì)腐解率分別為 55.75%、46.82%和 49.09%,且P-SD顯著高于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,腐解速率分別為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,累計(jì)腐解率分別占試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的 78.34%、46.84%、35.18%、64.36%和77.29%。5種秸稈在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)累計(jì)腐解率表現(xiàn)為P-SD＞P-YM＞P-XM＞P-YC＞P-CD,且P-SD顯著大于其余4種秸稈(表4)。

圖1 不同作物秸稈在旱地(a)和水田(b)中腐解率的變化特征Fig.1 Variations of straw decomposition rates of different crops straws in dryland (a) and paddy field (b)

同時(shí),還田秸稈在旱地和水田中腐解率也存在差異。P-XM在腐解90 d達(dá)最大累計(jì)腐解率54.12%,是 D-XM 在 90 d腐解率的 1.35倍,且顯著低于D-XM在腐解360 d達(dá)最大累計(jì)腐解率67.02%(表4); P-SD、P-YM和P-YC均在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)分別達(dá)最大腐解率62.12%、60.59%和48.58%,分別為旱地土壤中相同秸稈最大累計(jì)腐解率的 83.68%、87.38%和64.08%。試驗(yàn)結(jié)束時(shí),旱地土壤中 D-XM、D-SD、D-YM、D-YC和D-CD累計(jì)腐解率均高于水田,分別是水田土壤中的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麥、水稻、玉米、油菜和蠶豆秸稈的腐解。

2.2 不同種類(lèi)秸稈在旱地和水田中的碳釋放特征

5種還田秸稈在旱地和水田中的碳釋放特征如圖2。不同秸稈之間累計(jì)碳釋放率不同,旱地和水田中秸稈的碳釋放率也不同。由圖2a所示,5種秸稈在旱地土壤中翻埋腐解后碳累計(jì)釋放率整體上呈現(xiàn)先快速提高后緩慢提高的趨勢(shì),拐點(diǎn)出現(xiàn)在 60～90 d,且5種秸稈在拐點(diǎn)處碳累計(jì)釋放率變幅介于52.99%～70.60%。D-XM在腐解10 d后碳釋放率為40.32%,0～60 d為其碳快速釋放期,60 d后碳釋放率緩慢提高,且在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)達(dá)最大值75.98%。D-SD、D-YM和D-YC在0～90 d內(nèi)實(shí)現(xiàn)碳的快速釋放,在90 d時(shí)累計(jì)釋放率分別為 66.02%、63.45%和70.6%,分別占旱地土壤中水稻秸稈碳釋放量的89.34%、85.22%和80.81%。在整個(gè)腐解過(guò)程中,D-XM、D-SD、D-YM、D-YC和D-CD的碳累計(jì)釋放量均在腐解360 d后達(dá)最大值,表現(xiàn)為 D-YC＞D-XM＞D-YM＞D-SD＞D-CD,且D-YC碳累計(jì)釋放量顯著高于其余4種秸稈(表5),分別是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 不同秸稈在旱地和水田中不同時(shí)間的腐解率差異顯著性分析Table 4 Significance of difference in decomposition rates of different crops straws at different times in dryland and paddy field

由圖2b所示,水田中5種秸稈碳累計(jì)釋放率也呈現(xiàn)隨腐解時(shí)間的增加先快速提高后緩慢提高的規(guī)律,且5種秸稈碳快速釋放期為0～60 d,緩慢釋放期為60～360 d。P-XM、P-SD、P-YM、P-YC和P-CD在腐解60 d后碳累計(jì)釋放率為50.92%、62.13%、 43.84%、47.93%和51.86%,分別占秸稈最大碳累計(jì)釋放量的 80.91%、89.31%、66.72%、92.19%和84.12%。P-YM 在快速釋放期碳釋放量低于其余 4種秸稈,但在腐解90 d和240 d其碳釋放量高于其余秸稈,且在腐解 240 d后分別比 P-XM、P-SD、P-YC和 P-CD提高了 10.72%、8.75%、26.24%和8.02%。在試驗(yàn)結(jié)束后P-SD碳釋放量顯著高于其余4種秸稈,大小順序表現(xiàn)為 P-SD(69.57%)＞P-YM (65.70%)＞P-XM(52.51%)＞P-YC(51.99%)＞P-CD(49.95%)。

圖2 不同秸稈在旱地(a)和水田(b)中碳釋放率的變化特征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還田秸稈碳釋放規(guī)律也不盡相同。0～10 d 5種秸稈碳釋放率差異不大,除油菜秸稈外,均表現(xiàn)出水田中釋放率大于旱地中。小麥秸稈在水田土壤中腐解150 d達(dá)到最大碳累計(jì)釋放率,而在旱地土壤中腐解360 d達(dá)到最大值,且顯著高于水田土壤中碳釋放率(表 5)。在整個(gè)試驗(yàn)階段,表現(xiàn)出秸稈在旱地土壤中的碳累計(jì)釋放量高于水田土壤,且在試驗(yàn)結(jié)束時(shí),旱地土壤中小麥、水稻、玉米、油菜和蠶豆秸稈碳累計(jì)釋放量分別比水田增加44.69%、6.21%、13.31%、68.05%和31.13%,可能是旱地微生物活性更強(qiáng),使秸稈碳釋放量大于水田。

2.3 不同種類(lèi)秸稈在旱地和水田中的氮釋放特征

5種還田秸稈在旱地和水田中氮釋放規(guī)律如圖3所示,氮釋放特征總體上與碳類(lèi)似,但也存在差異。從圖3a可看出,5種供試秸稈在旱地土壤中翻埋腐解過(guò)程中,其氮累計(jì)釋放率總體上隨腐解時(shí)間的增加表現(xiàn)出先快速提高后緩慢下降的趨勢(shì)。D-YC在整個(gè)腐解過(guò)程無(wú)明顯拐點(diǎn),氮累計(jì)釋放率在腐解10 d后為29.95%,在腐解360 d后達(dá)最大值63.60%,分別是30 d、60 d、90 d、150 d、240 d累計(jì)釋放率的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實(shí)現(xiàn)氮的快速釋放,變幅為52.30%～76.62%。在試驗(yàn)結(jié)束時(shí),5種秸稈氮累計(jì)釋放率差異較大,表現(xiàn)為 D-CD(69.72%)＞D-SD (68.45%)＞D-YC(63.60%)＞D-YM(57.28%)＞D-XM(54.64%),且D-XM顯著低于其余4種秸稈(表6)。

如圖3b所示,5種秸稈氮快速釋放期為0～30 d,緩慢釋放期為60～360 d。在快速釋放期氮釋放率表現(xiàn)為 P-YC＞P-SD＞P-CD＞P-YM＞P-XM,其中 P-YC氮釋放率是P-XM的1.21倍。在試驗(yàn)結(jié)束時(shí),5種供試秸稈氮累計(jì)釋放率差異達(dá)顯著水平(表6),蠶豆秸稈氮釋放率最大為77.11%,其次是水稻秸稈64.15%,油菜秸稈最小,僅為 32.89%,小麥、水稻、玉米、油菜和蠶豆秸稈氮累計(jì)釋放率分別占秸稈氮釋放率的70.98%、100%、86.43%、52.39%和95.99%。

表5 不同秸稈在旱地和水田中不同時(shí)間碳釋放率顯著性差異分析Table 5 Significance of difference in carbon release rates of different crops straws at different times in dryland and paddy field

圖3 不同秸稈在旱地(a)和水田(b)中氮釋放率的變化特征Fig.3 Variations of nitrogen release rates of different crops straws in dryland (a) and paddy field (b)

表6 不同秸稈在旱地和水田中不同時(shí)間氮釋放率顯著性差異分析Table 6 Significance of difference in nitrogen release rates of different crops straws at different times in dryland and paddy field

旱地和水田中還田秸稈氮釋放特征存在差異。油菜秸稈翻埋腐解 30 d后,在水田土壤中氮累計(jì)釋放率為 62.77%,而在旱地土壤中為 15.82%,僅為水田的25.20%。在腐解360 d后,小麥秸稈在旱地中累計(jì)腐解率為54.64%,是水田中的1.48倍?？傮w上,試驗(yàn)結(jié)束時(shí),5種供試秸稈在旱地中氮累計(jì)釋放率大于水田,這可能是旱地中秸稈腐解量大于水田導(dǎo)致的。

2.4 不同種類(lèi)秸稈在旱地和水田中的磷釋放特征

如圖4所示,秸稈腐解后磷釋放率隨腐解時(shí)間的增加表現(xiàn)前期快速提高,后期基本保持穩(wěn)定的規(guī)律,與碳、氮釋放規(guī)律明顯不同。由圖4a可看出,秸稈在旱地中翻埋腐解后,0～60 d為磷素快速釋放期,D-XM、D-SD、D-YM、D-YC和D-CD磷累計(jì)釋放率分別為83.95%、95.59%、95.64%、97.22%和95.68%,且小麥秸稈磷累計(jì)釋放率顯著低于其余4種秸稈(表7)。在60～360 d為平穩(wěn)釋放期,5種秸稈磷累計(jì)釋放率均無(wú)明顯變化。在試驗(yàn)結(jié)束時(shí),磷累計(jì)釋放率變幅為89.65%～98.96%,大小順序?yàn)?D-YC＞D-YM＞D-SD＞D-CD＞D-XM。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中,D-XM秸稈磷累計(jì)釋放率始終低于其余 4種秸稈,這可能與秸稈本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)。

如圖4b所示,秸稈在水田中磷釋放特征與旱地中相似,0～60 d為快速釋放階段,在快速釋放階段幾乎實(shí)現(xiàn)秸稈磷的完全釋放,是因?yàn)?0～360 d秸稈腐解量很少。在快速腐解階段 5種秸稈磷累計(jì)釋放率差異不大,變幅為92.04%～97.16%。在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)5種秸稈磷累計(jì)釋放率變化差異僅為 6.10%,但達(dá)顯著水平(表 7),P-YM 磷累計(jì)釋放率最大為 96.50%,分別比P-YC、P-CD、P-SD、P-XM提高了6.73%、2.11%、0.31%和1.49%。

圖4 不同秸稈在旱地(a)和水田(b)中磷釋放率的變化特征Fig.4 Variations of phosphorus release rates of different crops straws in dryland (a) and paddy field (b)

表7 不同秸稈在旱地和水田中不同時(shí)間磷釋放率顯著性差異分析Table 7 Significance of difference in phosphorus release rates of different crops straws at different times in dryland and paddy field

秸稈在旱地和水田的磷釋放特征均在腐解60 d后幾乎實(shí)現(xiàn)磷的完全釋放,但在旱地和水田中磷的累計(jì)釋放率不同,其中小麥秸稈腐解60 d后,在水田中磷累計(jì)釋放率為 92.04%,比旱地中的提高了9.64%。在腐解10 d后,秸稈在水田中磷的釋放率大于旱地中,5種秸稈增加量變化為 3.05%～25.21%;在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)秸稈在旱地和水田中磷累計(jì)釋放速率無(wú)明顯差異。

2.5 不同種類(lèi)秸稈在旱地和水田中的鉀釋放特征

從圖5可看出,秸稈鉀釋放特征與磷類(lèi)似,也表現(xiàn)鉀累計(jì)釋放率在快速釋放期達(dá)較大值,在后期無(wú)明顯變化。由圖5a所示,D-YC在腐解60 d出現(xiàn)拐點(diǎn),D-XM、D-SD、D-YM、D-CD在腐解30 d出現(xiàn)拐點(diǎn),且拐點(diǎn)處鉀累計(jì)釋放率無(wú)明顯差異,變幅為 89.39%～ 99.06%。在平穩(wěn)釋放階段,D-XM鉀累計(jì)釋放率顯著低于其余4種秸稈(P＜0.05)。試驗(yàn)結(jié)束時(shí),D-YC鉀累計(jì)釋放率最大為96.63%,分別比D-XM、D-SD、D-YM、D-CD增加了20.91%、5.84%、6.67%和5.19%。

由圖5b可看出,5種秸稈在水田中鉀快速釋放期為0～30 d,60～360 d為平穩(wěn)釋放期。腐解30 d后,P-XM、P-SD、P-YM、P-YC、P-CD鉀累計(jì)釋放率分別為96.54%、95.53%、96.30%、99.03%、98.66%。在腐解 150 d后,鉀累計(jì)腐解率出現(xiàn)略微下降的趨勢(shì)。在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)P-XM、P-SD、P-YM、P-YC、P-CD分別占其最大鉀累計(jì)釋放率的 80.22%、92.33%、88.73%、91.20%、91.69%,且大小順序表現(xiàn)為P-CD＞P-YC＞P-SD＞P-YM＞P-XM,其中小麥秸稈累計(jì)鉀釋放率顯著低于其余秸稈(表8)。

圖5 不同秸稈在旱地(a)和水田(b)中鉀釋放率的變化特征Fig.5 Variations of potassium release rates of different crop straws in dryland (a) and paddy field (b)

表8 不同秸稈在旱地和水田中不同時(shí)間鉀釋放率顯著性差異分析Table 8 Analysis on difference of potassium release rates of different crop straws at different times in dryland and paddy field

3 討論

3.1 不同土地利用方式對(duì)不同種類(lèi)秸稈腐解特征的影響

影響作物還田腐解率和各期平均腐解量的因素眾多,包括秸稈自身性狀、耕作方式、還田深度、土壤理化性質(zhì)、氣候等。秸稈腐解過(guò)程主要靠微生物的分解作用,在眾多影響因素中,有直接因素,也有些通過(guò)影響微生物的活動(dòng)來(lái)影響秸稈腐解過(guò)程的間接因素。已有研究表明,作物秸稈在土壤中的腐解過(guò)程通常分為快速腐解期和緩慢腐解期兩個(gè)階段?？焖俑怆A段是指腐解開(kāi)始的前期一段時(shí)間,由于作物秸稈中可溶性有機(jī)化合物以及部分類(lèi)似有機(jī)物的分解促使作物秸稈質(zhì)量的大幅度減少,緩慢腐解階段則是相對(duì)于快速腐解階段的試驗(yàn)后期,由第一階段未受到分解或分解不完全的木質(zhì)素、單寧和蠟質(zhì)等物質(zhì)通過(guò)物理化學(xué)變化進(jìn)行逐步緩慢分解的過(guò)程,往往可長(zhǎng)達(dá)一年或更長(zhǎng)時(shí)間[20-21,29]。

本研究中,5種秸稈腐解率隨腐解時(shí)間的增加整體上呈上升趨勢(shì),這與前人研究結(jié)果一致[22]。有研究表明,秸稈腐解率隨著腐解時(shí)間的增加呈穩(wěn)定增加的趨勢(shì),但本研究中秸稈腐解率隨著腐解時(shí)間的增加會(huì)出現(xiàn)輕微降低的情況,這可能是由于供試秸稈大小、重量不一致,而體積小的秸稈,比表面積大,更容易與土壤環(huán)境中微生物和酶接觸,分解速率更快,這與Hassink[30]的研究結(jié)果相似。旱地土壤中小麥、水稻秸稈腐解率表現(xiàn)為前期快(0～60 d),后期平穩(wěn)(60～360 d),水田土壤中小麥、水稻、玉米和油菜秸稈在60 d后達(dá)到腐解平穩(wěn),而蠶豆秸稈在90 d后達(dá)到。主要是因?yàn)樵囼?yàn)前60 d(6～8月)氣溫較高,尤其是地面溫度,從而導(dǎo)致土壤溫度較高,微生物活動(dòng)較強(qiáng),并且此階段降雨豐富,因此能夠促進(jìn)秸稈快速腐解,9月以后氣溫逐漸回落,土壤溫度隨之降低,微生物活動(dòng)也大大減弱,使秸稈分解速度減慢,進(jìn)入越冬期間秸稈幾乎停止腐解,到來(lái)年的3、4月份氣溫雖然回升,但由于秸稈自身的蛋白質(zhì)、水溶性物和半纖維素等易分解物質(zhì)幾乎分解殆盡,殘留的木質(zhì)素、纖維素等難分解物質(zhì)使秸稈腐解率不再提高。另外,無(wú)論是在水田還是旱地環(huán)境下,玉米秸稈腐解率在快速腐解期均明顯低于其余 4種秸稈,這與前人研究結(jié)論不一樣[23,31]。由于秸稈的 C/N也會(huì)影響其腐解速率[31],本試驗(yàn)中玉米秸稈C/N高于水稻、油菜和蠶豆秸稈,而與小麥秸稈腐解率的差異還需進(jìn)一步研究。

旱地和水田環(huán)境相比較,5種秸稈腐解率均表現(xiàn)為旱地＞水田。旱地環(huán)境下土壤處于好氣狀態(tài),水田環(huán)境則處于厭氧狀態(tài)。王景等[32]研究發(fā)現(xiàn),小麥秸稈中的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素殘留量總體均隨培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)逐漸降低,且好氣條件更有利于纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的降解。因此,旱地較水田環(huán)境更有利于作物秸稈腐解。

3.2 不同土地利用方式對(duì)不同秸稈養(yǎng)分釋放特征的影響

秸稈還田后通過(guò)土壤微生物的作用進(jìn)行腐解并釋放出供作物吸收利用的氮、磷、鉀養(yǎng)分以及中微量營(yíng)養(yǎng)元素[33]。因此,秸稈還田已被廣泛認(rèn)為是改善土壤理化性狀以及提高土壤肥力的有效措施。有研究發(fā)現(xiàn),豆科綠肥在土壤中腐解前期(1個(gè)月)養(yǎng)分呈暴發(fā)式釋放[34-35],這與本研究所得結(jié)果相似,作物秸稈在旱地環(huán)境下腐解釋放碳、氮、磷、鉀養(yǎng)分的快速階段分別為0～90 d、0～30 d、0～60 d和0～30 d,水田環(huán)境下腐解釋放碳、氮、磷、鉀養(yǎng)分的快速階段分別為0～60 d、0～30 d、0～60 d和0～30 d。本研究中,秸稈釋放碳、氮、磷、鉀養(yǎng)分總體上隨腐解時(shí)間增加呈現(xiàn)升高并趨于穩(wěn)定的趨勢(shì),這與前人研究結(jié)果一致[15],但碳氮養(yǎng)分隨腐解時(shí)間的增加也出現(xiàn)下降的情況,這可能是由于在該階段施用化肥(尿素),為微生物提供了大量的碳源和養(yǎng)分,微生物對(duì)秸稈中養(yǎng)分的需求較弱[36],導(dǎo)致養(yǎng)分釋放率降低。

已有研究認(rèn)為秸稈還田腐解養(yǎng)分釋放速率表現(xiàn)為鉀＞磷＞氮＞碳[15,23],這與本研究結(jié)果一致。營(yíng)養(yǎng)元素在秸稈中的形態(tài)是決定其釋放速度快慢的關(guān)鍵。鉀素在秸稈中含量較高且多以離子態(tài)存在,磷素中60%以離子態(tài)存在,其余參與細(xì)胞壁的構(gòu)成,釋放速率慢于鉀素,且秸稈中磷素少于鉀素。而碳、氮在秸稈中主要以有機(jī)態(tài)存在,以秸稈主體部分存在,膠結(jié)程度高,在物理作用下不易分解,因此釋放較慢[22,37]。而試驗(yàn)結(jié)束作物秸稈最終元素釋放以磷的釋放最多,其次是鉀、碳和氮釋放相對(duì)較少。

王景等[32]研究發(fā)現(xiàn),好氣條件相對(duì)于厭氧更有利于小麥秸稈的碳、氮的釋放。是因?yàn)閰捬鯒l件抑制土壤中好氧微生物的活性,降低微生物的呼吸強(qiáng)度,從而導(dǎo)致秸稈養(yǎng)分釋放速率較低。對(duì)比本研究中旱地和水田環(huán)境碳、氮、磷、鉀最終釋放大小順序,可得出相似結(jié)論。

4 結(jié)論

在本試驗(yàn)中,不同秸稈(小麥秸稈、水稻秸稈、玉米秸稈、油菜青稈、蠶豆青稈)在旱地和水田中腐解率不同,埋入后30～60 d為快速腐解期,試驗(yàn)結(jié)束后,5種秸稈累計(jì)腐解量較大(超過(guò)50%),旱地秸稈累計(jì)腐解率大小表現(xiàn)為油菜＞水稻＞玉米＞小麥＞蠶豆,水田表現(xiàn)為水稻＞玉米＞小麥＞油菜＞蠶豆,且秸稈在旱地中累計(jì)腐解率均大于水田。

不同秸稈在腐解初期磷鉀釋放迅速,超過(guò) 90%,在旱地和水田中養(yǎng)分釋放率表現(xiàn)為鉀＞磷＞氮＞碳,且在旱地中累計(jì)釋放率高于水田。

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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

代文才,高明,蘭木羚,黃容,王金柱,王子芳,韓曉飛.不同作物秸稈在旱地和水田中的腐解特性及養(yǎng)分釋放規(guī)律[J].中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2017,25(2): 188-199

Dai W C,Gao M,Lan M L,Huang R,WANG J Z,Wang Z F,Han X F.Nutrient release patterns and decomposition characteristics of different crop straws in drylands and paddy fields[J].Chinese Journal of Eco-Agriculture,2017,25(2): 188-199

* 國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃課題(2012BAD14B18)資助

** 通訊作者: 高明,主要從事土壤質(zhì)量與環(huán)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