油菜秸秆腐解进程及碳氮释放规律研究

胡宏祥，汪玉芳，邸云飞，刘 晶，马友华

（安徽农业大学 资源与环境学院，安徽 合肥230036）

随着我国农业科学技术的提高，粮食产量增加，秸秆产生量也随之骤然增加。我国每年生产约7亿t秸秆，占世界秸秆总量的30%。7亿t秸秆被利用的不足2 000万t，约97%的秸秆被焚烧、堆积或者遗弃［1-2］。农作物秸秆是重要生物资源，富含纤维素、木质素以及氮、磷、钾等多种营养元素，秸秆还田有利于土壤腐殖质的更新、土壤有机质平衡的维持和土壤的改良，并且能达到培肥地力的作用［3-5］。对秸秆的不恰当处置不仅造成资源极大的浪费，更是对环境的破坏，从而也就影响了交通安全、社会生产和人民的生活［6-8］。油菜属于十字花科植物，是重要的油料作物，在我国南北均有分布，多集中于长江流域。2009年中国油菜播种面积达700万hm2，占世界油菜播种面积的25%以上，当前每年油菜秸秆的产量可达2 000万t［9-11］。因此，如何做好油菜秸秆就地转化也成为一个急需解决的农业问题。然而，当前制约秸秆就地还田的一个重要因素就是秸秆腐解速度问题，因为中国很多地方都是两季或两季以上作物轮作，前后季作物之间的时间间隙很小，前季作物秸秆还田后往往来不及腐解，从而影响下季作物的正常播种或生长，因此秸秆腐解速度慢制约了农民实行秸秆就地还田的积极性。目前，关于秸秆还田的研究，主要集中在秸秆还田后的初态与终态及对作物产量的影响上［3，5，12］，关于秸秆养分 释 放 研 究 主 要 集 中 在 对 水 稻和小麦秸秆上［13-14］，而关于油菜秸秆分解进程及养分释放的详细规律研究很少［15］。在此针对江淮地区水稻-油菜轮作的特点，研究油菜秸秆腐解进程及碳氮释放规律，为调控还田秸秆腐解速度，实现秸秆的资源化循环利用提供技术参数。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

试验于2009年11月～2011年9月在安徽农业大学农翠园试验地和盆钵场进行。实验点为北亚热带季风气候，年平均降雨量998mm，多集中在6月到8月，年平均气温15.7℃，地形为波状平原，地带性土壤类型为黄褐土。供试土壤的初始性状：土壤容重1.42g／cm3，有机质17.05g／kg，全氮1.22g／kg，碱解氮99.19mg／kg，全磷0.39g／kg，有效磷7.50 mg／kg，，全钾16.45g／kg，速效钾92.05mg／kg，pH为6.35。

1.2 研究方法

1.2.1 试验设计

利用大田种植水稻作物，采用尼龙网袋法进行油菜秸秆还田。大田种植水稻，将油菜秸秆粉碎成长度为1cm的小段，根据尼龙网袋面积（20×30cm2）计算出的装入尼龙网袋中的秸秆。根据油菜籽粒2 400kg·hm-2，油菜秸秆与油菜籽粒质量比为3∶1，计算获得油菜秸秆全部产量为7 200kg·hm-2，所以每公顷油菜秸秆的全量、2／3量、1／2量、1／3量分别为7 200kg、4 800kg、3 600kg和2 400 kg。装入尼龙网袋（面积20×30cm2）的秸秆全量、2／3量、1／2量、1／3量分别是43.2g、28.8g、21.6g和14.4g。试验设置不同还田量处理和不同还田深度处理两大类。

不同还田量处理设置：按照全量、2／3量、1／2量、1／3量的形式装入尼龙网袋（面积20×30cm2）中，埋入大田土中，埋深10cm。均设置3次重复

不同还田深度处理设置：油菜秸秆1／2量还田，深度设计有表层还田0cm、10cm深和20cm还田。均设置3次重复。

由于大田接受自然降雨和灌溉水，水稻田一直保持过饱和状态，表层始终有一层水。

1.2.2 试验样品采集与测定

样品采集：在油菜秸秆还田后15d、30d、60d、90d、120d分别采集秸秆样品，烘干称量秸秆的质量，采用百分之一天平称量。

分析方法：有机碳采用重铬酸钾容量法；水分含量采用烘箱法；全氮采用半微量开氏法。

1.2.3 结果计算

秸秆腐解率指秸秆腐解的相对百分含量。

秸秆腐解率＝100×（初始秸秆质量-阶段剩余秸秆质量）÷初始秸秆质量。

养分释放率＝（初始秸秆养分量-阶段剩余秸秆养分量）×100÷初始秸秆养分量。其中，秸秆养分量＝秸秆质量×秸秆碳或氮的含量。

1.2.4 数据统计分析

应用EXCEL 2003软件和SPSS13.0数据处理系统进行数据计算与统计分析。

2 结果与分析

2.1 油菜秸秆还田腐解率的变化

2.1.1 油菜秸秆不同量还田腐解率的变化

通过图1可以看出，油菜秸秆在不同处理下的不同时期都有一定的腐解量，并且随着时间的推移，秸秆累积腐解率呈增加趋势，腐解率在前期增加的快，后期增加的缓慢。这说明秸秆腐解总体表现出前期快、后期慢的特点，其中前30d腐解率达到30%左右，经过90d腐解后，秸秆腐解率可达50%以上。不同秸秆还田量，其在不同阶段秸秆的腐解率大小略有不同，总体表现出秸秆腐解率与秸秆还田量呈反相关的关系。图1的腐解率显示，全量还田＜2／3量还田＜1／2量还田＜1／3量还田。

图1 油菜秸秆不同量还田后的腐解量

2.1.2 油菜秸秆不同深度还田腐解率的变化

图2显示，油菜秸秆同时还田后的相同时间段，10cm深度还田秸秆腐解率最小，除前半个月外，表层还田的腐解率最大，20cm深度还田的秸秆腐解量居中。例如到30d时，10cm、20cm及表层还田秸秆的腐解率分别是36.76%、45.37%和46.30%；到120d时3种深度还田秸秆的腐解率分别为60.28%、68.52%和72.69%。这与各深度土层的水热等条件，尤其水分条件有很大关系。

图2 1／2量油菜秸秆不同深度还田的腐解率变化

2.2 油菜秸秆还田养分释放率的变化

2.2.1 油菜秸秆不同量还田的养分释放率变化

图3 油菜秸秆不同量还田后碳素的释放率

油菜秸秆中碳素的释放规律如图3，秸秆腐解过程中，秸秆中的碳素呈持续释放状态，均在60d时，碳释放率达到50%以上。在还田初期，油菜秆碳释放较快，随着培养时间的延长，碳释放速度减缓。就不同量还田的秸秆碳释放率来说，1／3量还田的秸秆释放碳速度相对平稳，在15d时碳释放就达37.49%，但在120d时碳释放仅为65.89%；而1／2量还田的秸秆释放碳的速度相对变化最大，在15d时碳释放仅达26.34%，但在120d时碳释放上升到74.91%。

油菜秸秆中氮素的释放规律如图4，秸秆腐解过程中，秸秆中的氮素释放率也呈增大趋势，在还田期间，油菜秆氮释呈现先快后慢的整体趋势。就不同量还田的秸秆氮释放率来说，呈现出与碳素释放相似的变化规律：在1／3量还田的秸秆释放氮速度相对平稳，在15d时氮释放就达34.98%，但在120d时氮释放仅为54.04%；而1／2量还田的秸秆释放氮的速度相对变化最大，在15d时碳释放仅达5.73%，但在120d时碳释放上升到65.01%。

图4 油菜秸秆不同量还田后氮素的释放率

2.2.2 油菜秸秆不同深度还田的养分释放率变化

不同深度还田的油菜秸秆碳与氮素释放率均呈增加趋势，均随时间延长而释放率增加的幅度逐渐减小，但不同深度之间略有差异（图5、图6）。就碳素释放来说，秸秆表层还田的释放最快，从30d开始，其碳素释放率就一直明显高于10cm及20cm深度还田的对应碳素释放率，而10cm深度还田的碳素释最慢。就氮素释放来说，10cm深度还田的秸秆氮素释放呈现稳定态势，氮素释放率呈稳定上升趋势；而表层还田和20cm深度还田的秸秆氮素释放则先快后慢更加明显，在30d时，表层还田和20cm深度还田的秸秆氮素释放率分别达到36.65%和29.99%，而10cm深度还田的仅为22.23%，到了120d时，则分别为63.75%、67.69%和65.01%。

图5 1／2量油菜秸秆不同深度还田后碳素的释放率

图6 1／2量油菜秸秆不同深度还田后氮素的释放率

2.3 油菜秸秆C／N的变化

2.3.1 不同量还田的油菜秸秆C／N变化

碳氮比是影响秸秆分解的重要因素。由图7可以看出，供试油菜秸秆中含有更高的碳氮比，但是随着秸秆的腐解，油菜秸秆中碳氮比的变化幅度不大，总体呈波动下降趋势。就不同的还田量来说，1／3量还田与1／2量还田的秸秆中碳氮比下降的幅度较大，而全量还田与2／3量还田的秸秆中碳氮比下降的幅度较小。秸秆中碳氮比初始时均为75.16，但到120 d时，1／3量还田与1／2量还田的秸秆中碳氮比下降为55.78和53.90，而全量还田与2／3量还田的秸秆中碳氮比仅下降到69.56和69.45。

图7 油菜秸秆不同量还田后碳氮比的时间变化

2.3.2 不同深度还田的油菜秸秆C／N变化

不同埋深对秸秆碳氮比有一定的影响，随着时间的推移，秸秆C／N比逐渐下降。从图8可以看出，表层还田处理的秸秆碳氮比下降的更快，10cm深度还田的秸秆碳氮比下降的相对平稳。在60d时，表层还田处理的秸秆碳氮比已经下降到50以下，甚至到了120d表层还田处理的秸秆碳氮比低到仅为45.22；但在120d时，10cm深度和20cm深度还田的秸秆碳氮比均保持在53.9以上。

图8 1／2量油菜秸秆不同深度还田后碳氮比的时间变化

3 讨论与结论

不同方式还田的油菜秸秆腐解率、碳氮元素释放率均呈增加趋势，但增加的速度逐渐减小。这主要是因为在腐解前期秸秆中的可溶性有机物如多糖、氨基酸、有机酸以及无机养分较多，为微生物提供了大量的碳源（能源）和养分，微生物数量增多，活性增强；随着腐解的进行，秸秆中可溶性有机物逐渐减少，剩余部分主要为难分解的有机物质，导致微生物活性降低，秸秆的腐解也随之变慢［16］，秸秆先快后慢的分解特点决定了秸秆腐解率、碳氮元素释放率增加的速度逐渐减小。

油菜秸秆表层还田腐解率最大，碳氮释放速度最快，10cm深度还田时秸秆腐解率最小，碳氮释放速度最慢。在夏季，水田表层不仅温度高，而且表层土壤中微生物比较活跃，油菜秸秆接触表层土壤时，会接触到很多活性微生物，分解速度较快；在20 cm深度，虽然土壤温度相对较低，但水稻根系泌氧作用、根部通气作用和微生物活性都较强［17-18］，还田秸秆的分解速度也相对比表层慢，但比10cm处快；10cm深度土层水热组合一般，微生物活动性较弱，不利于秸秆的腐解，从而腐解率相对最小。从油菜秸秆的腐解率来看，水稻田中油菜秸秆不宜埋入10 cm深度还田，表层秸秆还田腐解率大，理论上最好，但是种植水稻期间，若田间水面上漂浮秸秆等物，就会被风吹动导致秧苗被压倒，因此实行油菜秸秆水稻田表层还田在农村暂时还没有办法实际推行，建议利用农耕埋入15～20cm深度还田，这在农业实际生产中最可能推行。

随着还田秸秆的腐解，秸秆碳氮比降低。一季后稻田油菜秸秆的碳氮比还在45以上，比土壤腐殖质的碳氮比高，说明一季后秸秆不能完成其腐殖化过程。一般来说，碳氮比大的秸秆矿化较困难或速度很慢。原因是当微生物分解有机物时，同化5份碳时约需要同化1份氮来构成它自身细胞体，因为微生物自身的碳氮比大约是5∶1。而在同化（吸收利用）1份碳时需要消耗4份有机碳来取得能量，所以微生物吸收利用1份氮时需要消耗利用25份有机碳。也就是说，微生物对有机质正常分解的碳氮比为25∶1。如果碳氮比过大，微生物的分解作用就慢，且要消耗土壤中的有效态氮素，所以在施用碳氮比大的有机肥（如秸秆等）或用碳氮比大的材料作堆沤肥时，应该补充含氮多的肥料以调节碳氮比。

［1］张福锁.我国肥料产业与科学施肥战略研究报告［M］.北京：中国农业大学出版社，2008.

［2］张庆玲.水稻秸秆还田现状与分析［J］.农机化研究，2006，（8）：223-224.

［3］杨志臣，吕贻忠，张凤荣，等.秸秆还田和腐熟有机肥对水稻土培肥效果对比分析［J］.农业工程学报，2008，24（3）：214-218.

［4］Dezhi Yan，Dejian Wang，Linzhang Yang.Long-term effect of chemical fertilizer，straw，and manure on labile organic matter fractions in a paddy soil［J］.Biology and Fertility of Soils，2007，44（1）：93-101.

［5］陈尚洪，朱钟麟，吴婕，等.紫色土丘陵区秸秆还田的腐解特征及对土壤肥力的影响［J］.水土保持学报，2006，20（6）：141-144.

［6］Michael A Blazier，William B Patterson，Steven L Hotard.Straw harvesting，fertilization，and fertilizer type alter soil microbiological and physical properties in a loblolly pine plantation in the mid-south USA［J］.Biology and Fertility of Soils，2008，45（2）：145-153.

［7］Stewart B Wuest，Caesar-TonThat T C，Sara F Wright，et al.Organic matter addition，N，and residue burning effects on infiltration，biological，and physical properties of an intensively tilled silt-loam soil［J］.Soil ＆ Tillage Research，2005，84：154-167.

［8］Li LingJun，Wang Ying，Zhang Qiang，et al.Wheat straw burning and its associated impacts on Beijing air quality［J］.Science in China Series D：Earth Sciences，2008，51（3）：403-414.

［9］王汉中.我国油菜产需形势分析及产业发展对策［J］.中国油料作物学报，2007，29（1）：101-105.

［10］宋新南，房仁军，王新忠，等.油菜秸秆资源化利用技术研究［J］.自然资源学报，2009，24（6）：984-991.

［11］中华人民共和国国家统计局.中国统计年鉴［M］.北京：中国统计出版社，2010.

［12］李新举，张志国，李贻学.土壤深度对还田秸秆腐解速度的影响［J］.土壤学报，2001，38（1）：136-138.

［13］刘世平，陈文林，聂新涛，等.麦稻两熟地区不同埋深对还田秸秆腐解进程的影响［J］.植物营养与肥料学报，2007，13（6）：1049-1053.

［14］沈佳音，张悟民.稻秆深施与面施对养分释放的影响及其增产效果［J］.土壤肥料，1999，（3）：42-43.

［15］李逢雨，孙锡发，冯文强，等.麦秆、油菜秆还田腐解速率及养分释放规律研究［J］.植物营养与肥料学报，2009，15（2）：374-380.

［16］何念祖，林咸永，林荣新，等.面施和深施对秸秆中氮磷钾释放的影响［J］.土壤通报，1995，26（7）：420-421.

［17］Zhang Y S，Lin X Y，Luo A C.Chemical behavior of phosphorus in paddy soil as affected by O2secretion from rice root［J］.Chinese Journal of Rice Science，2000，14（4）：208-212.

［18］汪晓丽，司江英，陈冬梅，等.低pH条件下不同氮源对水稻根通气组织形成的影响［J］.扬州大学学报（农业与生命科学版），2005，26（2）：66-70.