施用氮肥对还田水稻秸秆腐解的影响

王麒 宋秋来 冯延江 孙羽 曾宪楠 来永才

摘要：针对黑龙江省水稻秸秆量大、利用率低的问题，开展秸秆腐解规律研究，以期为解决秸秆综合利用问题提供理论依据。以水稻为试验材料，在秸秆还田条件下研究氮肥施用量对水稻秸秆腐解及养分释放速率的影响。结果表明：水稻秸秆在冬季腐解缓慢，水稻生长季腐解迅速，还田1年后累积腐解率为49.95%，还田2年累积腐解率为7877%；施氮量在103～133 kg/hm2时，秸秆腐解率较高。秸秆还田1年后磷、碳、氮含量分别降低了62.5%、540%、2.94%；腐解2年后磷、碳、氮含量分别降低了56.25%、12.73%、10.29%。在水稻还田1年后，不施氮肥提高了还田秸秆的碳氮比；而与不施氮肥相比，在适当施用氮肥的情况下水稻秸秆的氮磷比高。

关键词：水稻；秸秆还田；腐解规律；氮肥

中图分类号： S141.4文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）11-0197-04[HS）][HT9.SS]

水稻是黑龙江省重要的粮食作物，2015年种植面积达400多万hm2，在国家粮食安全中占有极其重要的地位。但是水稻收获的同时其剩余产品稻草的处理却成为一大难题，大部分稻草都在田间被焚烧处理，这不仅浪费宝贵的自然资源，还造成大气污染[1]。提高秸秆的利用率、扩大秸秆的利用途径是农业发展面临的重要问题[2]。稻草中含有的很多元素是农业生产上重要的肥料来源，还田后受到土壤微生物的影响开始腐解，其中的氮、磷、钾等养分被释放出来，能够被作物吸收利用，可以相对减少化肥使用量，提高经济效益[3]。徐国伟认为随着生长发育的进行，腐解秸秆释放出的养分对水稻生长产生有利的影响[4]。李朝苏等在免耕条件下的秸秆还田试验表明，水稻分蘖数量及干物质积累不受秸秆还田的影响，但却延长开花后的绿叶功能期，在产量形成中光合产物积累所占比例也有所提高[5]。马宗国等也认为，秸秆腐解使水稻前期的生长发育受到抑制，但有益于水稻后期生长[6]。综上所述，很多学者针对水稻秸秆还田对作物生长及土壤养分的影响进行了大量研究，但是由于黑龙江省地处寒地，对水稻秸秆还田方面系统的研究相对较少[7]。因此，本研究针对黑龙江省水稻生产实际，研究水稻秸秆腐解规律，以期为解决黑龙江省水稻秸秆综合利用问题提供理论依据。

1材料与方法

1.1材料

试验于2012—2014年在黑龙江省国家现代农业示范区（哈尔滨市道外区民主乡）进行，采用小区试验，每个小区 24 m2，供试土壤为黑土，有机质含量29.56 g/kg，速效氮含量7956 mg/kg，速效磷含量55.84 mg/kg，速效钾含量 168.42 mg/kg。供试水稻秸秆为2012年秋季收获的，其总碳含量40.39%，全氮含量0.68%，全磷含量0.16%，全钾含量1.86%。供试尿素（总氮含量≥46.4%）为大庆石化公司生产；磷酸二铵（N：18%，P2O5：46%）为宜昌东禾化肥有限公司生产；硫酸钾（K2O≥50%）为青上化工（青岛）有限公司生产。

1.2方法

供试水稻秸秆自然风干后，将秸秆剪成5 cm的小段放入尼龙网袋（孔径0.150 mm，长30 cm，寬20 cm）中，每袋装入水稻秸秆40 g（干质量），封住袋口。将网袋于2012年10月15日翻地后埋入10～15 cm土层。

试验设置6个氮肥处理：不施氮肥0 kg/hm2（Ⅰ）、总施氮量73 kg/hm2（Ⅱ）、总施氮量103 kg/hm2（Ⅲ）、总施氮量133 kg/hm2（地方施氮标准Ⅳ）、总施氮量163 kg/hm2（Ⅴ）和总施氮量193 kg/hm2（Ⅵ）。磷钾肥施用量均为纯磷（P2O5）46 kg/hm2，纯钾（K2O）75 kg/hm2。氮肥按基肥（50%）、返青肥（30%）和分蘖肥（20%）分3次施用；磷肥作为基肥一次性施用；钾肥按基肥（60%）、分蘖肥（40%）分别施用。试验设3次重复。

秸秆埋入稻田土壤后，从埋入后第7个月开始，每个月采样1次，连续采集6个月；从第19个月开始，每个月采样1次，连续采集6个月，即每年的10月至第2年的5月之间不进行取样，在处理后的每年5—10月进行取样。

1.2.1不同氮肥施用量下水稻秸秆腐解质量的动态变化秸秆取出后用水冲洗干净，去除秸秆以外的杂物，在80 ℃下烘干至恒质量，计算腐解率：

秸秆腐解率=（秸秆原始干质量-取样时秸秆烘干质量）/秸秆原始质量×100%。

1.2.2不同氮肥施用量下水稻秸秆腐解过程中的养分释放每次取样后测定水稻秸秆烘干质量，将秸秆粉碎后，测定秸秆碳、氮、磷、钾含量。碳含量采用重铬酸钾容量法-外加热法测定；使用H2SO4和H2O2联合消煮，采用凯氏定氮仪测定植株氮素含量；使用H2SO4和H2O2联合消煮，采用钼锑抗比色法测定植株磷素含量[8]。

秸秆氮（磷）素质量=秸秆质量×秸秆氮（磷）素含量；

碳氮比（C/N）=碳素质量/氮素质量；

氮磷比（N/P）=氮素质量/磷素质量。

2结果与分析

[HTK]2.1不同氮肥施用量下秸秆腐解的质量动态变化特征[HT]

由表1可知，水稻秸秆腐解率呈现逐渐增加的过程，各施氮处理变化规律基本一致，均呈现出慢—快—慢—快的过程。秸秆还入农田9个月内腐解缓慢，秸秆残余量较大，不同氮肥施用量处理在腐解9个月时的腐解率分别为8.50%、933%、10.17%、9.17%、9.67%、9.25%，施氮量103 kg/hm2（Ⅲ）处理的腐解率最高，不施氮处理的腐解率最低，平均腐解率为9.35%；之后随着温度的升高、降水量的增加，腐解速率加快，至还田后12个月，水稻还田后的第1个生长季结束，此时期不施氮处理的腐解率最高，施氮量103 kg/hm2（Ⅲ）处理的腐解率最低，6个处理平均腐解率达49.95%；之后进入冬季，秸秆腐解基本停滞，至还田后20个月6个不同氮肥施用量处理的平均腐解率为51.16%，整个冬季仅腐解了121%，不同氮肥处理比较可知，施氮量133 kg/hm2（Ⅳ）处理的腐解率最高，施氮量 103 kg/hm2（Ⅲ）处理的腐解率最低。还田20个月后，水稻开始了第2个生长季，秸秆腐解速度加快，但明显低于第1年腐解速度，至取样结束6个处理秸秆平均腐解率为78.77%；不同氮肥处理比较可知，施氮量103 kg/hm2（Ⅲ）处理的腐解率最高，施氮量133 kg/hm2（Ⅳ）处理的腐解率最低。综上可知，不同取样时期秸秆腐解率表现出明显的时间变化规律，施氮量在103～133 kg/hm2秸秆腐解率较高。[FL）]

2.2不同氮肥施用量下水稻秸秆腐解过程中的养分释放[HT]

2.2.1总碳含量变化由表2可知，还田水稻秸秆碳素含量的动态变化呈现波动性下降，秸秆腐解7个月后各处理碳素含量相对原始样品分别降低了3.69%、1.46%、257%、312%、2.85%、8.27%，平均下降3.66%，处理Ⅵ（193 kg/hm2）下降最快，处理Ⅱ（73 kg/hm2）降低最少。至2013年10月，秸秆腐解1年后各处理碳素含量相对原始样品分别降低了6.91%、2.20%、6.78%、9.06%、3.44%、406%，平均下降5.40%，此时处理Ⅳ下降最快，处理Ⅱ碳含量仍然降低最少。到取样结束（腐解2年后）各处理碳素含量相对原始样品分别降低了12.21%、13.72%、12.95%、1258%、12.78%、12.21%，处理Ⅱ（73 kg/hm2）碳含量降低速度加快，其秸秆最终碳素含量低于其他处理，不同氮肥处理碳含量平均下降12.73%。可以看出，水稻秸秆碳含量降低主要出现在水稻生长季，此阶段温度较高、降水充沛，有利于秸稈腐解，而在秋冬季节水稻秸秆的碳含量降低很少，甚至出现碳含量升高的情况。

2.2.2氮素含量及碳氮比变化由表3可知，还田水稻秸秆腐解过程中氮素含量的动态变化亦呈现波动性下降，至2013年5月，秸秆腐解7个月后各处理氮素含量较原始氮素含量分别降低1.47%、10.29%、2.94%、-1.47%、147%、-1.47%，平均下降1.47%，氮素含量降低较小，不同氮肥处理间波动较大，处理Ⅱ（73 kg/hm2）降低最多，处理Ⅳ（133 kg/hm2）和Ⅵ（193 kg/hm2）的秸秆氮含量甚至有所升高，出现了富集。至2013年10月，秸秆腐解1年后各处理氮素含量较原始氮素含量分别降低23.53%、-11.76%、1324%、17.65%、-19.12%、-1.47%，平均下降2.94%，此时处理Ⅱ、处理Ⅴ和处理Ⅵ均出现不同程度的富集。到取样结束（腐解2年后）各氮肥处理氮含量较原始氮素含量分别降低了10.29%、-5.88%、16.18%、13.24%、14.71%、1029%，处理Ⅲ（103 kg/hm2）氮含量降低最多，处理Ⅱ（73 kg/hm2）出现了氮富集现象，各处理氮含量平均下降1029%，此时水稻秸秆平均氮含量为0.61%。可见，水稻秸秆在腐解过程中氮含量整体下降，但在不同阶段又出现氮含量的升高，可能是水稻秸秆从环境中吸收了氮素。

由表4可知，水稻秸秆腐解前C/N为59.40，经过1年的腐解后，各氮肥处理C/N发生了明显变化，各施氮处理的 C/N 大小依次为Ⅰ>Ⅳ>Ⅲ>Ⅵ>Ⅱ>Ⅴ，不施氮处理（Ⅰ）

的C/N最高，为71.86，明显高于其他处理，而高施氮肥处理Ⅴ（163 kg/hm2）的C/N最低。秸秆腐解2年后，各处理C/N有了不同程度的变化，低施氮量处理（Ⅰ、Ⅱ）的C/N均出现了不同程度的下降，而施氮量在103～163 kg/hm2的各氮肥处理C/N均出现了不同程度的升高。可见，水稻秸秆C/N受氮肥施用影响明显。[FL）]

2.2.3磷素含量变化由表5可知，水稻秸秆磷素含量整体呈现下降的过程，秸秆腐解前期磷素含量下降较快，至秸秆腐解9个月后，磷素含量平均下降56.25%，之后磷素含量一直没有明显变化，保持在0.07%左右的水平。不同氮肥处理间比较，秸秆腐解2年后，施氮处理Ⅵ（193 kg/hm2）磷素含量最高，显著高于其他处理。

由表6可知，水稻秸秆腐解前N/P为4.25，经过1年的腐解后，各氮肥处理N/P明显提高，不同氮肥处理N/P大小依次为Ⅱ>Ⅴ>Ⅲ>Ⅵ>Ⅳ>Ⅰ，施氮量73 kg/hm2时N/P最大，而不施氮肥处理N/P最小，各氮肥处理平均N/P为10.93。秸秆腐解2年后，部分处理的N/P较还田1年时有所降低，施氮量103 kg/hm2时N/P最大，而施氮量达到 193 kg/hm2 时N/P最小，各氮肥处理平均N/P为9.38。综[JP2]上所述，不同施氮处理N/P受氮肥影响较大，但在不同腐解时期其规律并不一致，整体表现为不施氮处理和过量施氮处理的N/P较低，可见，适当施用氮肥，能够提高水稻秸秆的N/P。[JP]

3讨论与结论

秸秆直接还田能培肥地力，增加土壤有机碳含量，可使养分得到循环利用[9]。土壤微生物对进入农田的秸秆进行分解，使作物能够利用秸秆中释放出的氮、磷、钾等养分。水稻秸秆还田腐解总体上表现为生长季腐解速度快而非生长季缓慢的特点。本研究中秸秆腐解随时间的变化表现为“慢—快—慢—快”，即在水稻还田初期腐解缓慢，进入水稻生长季后腐解加速，还田1年后累积腐解率为49.95%，秸秆约腐解了一半，还田第2年腐解率为28.82%，2年累积腐解率为7877%。而闫超对哈尔滨市的研究表明，第1个水稻生育季结束后还田秸秆腐解率达50%以上，在试验进行的第2年秸秆腐解速率明显降低，2年累积腐解率为67.13%[7]，与本研究中结果较为接近，第1年腐解速率快，而第2年腐解速率明显降低，其2年累积腐解率较本研究低10%左右，可能是秸秆埋入农田时间及水稻晒田期间土壤水分条件不同所致。

而不同氮肥处理间比较可知，施氮量在103～133 kg/hm2秸秆腐解速率较高，与张姗等的研究结果[10]不尽相同，他们在小麦田中的试验表明水稻秸秆腐解率随施氮量的增加而显著增加，造成差异的原因主要是由于水旱环境不同，水田中氮肥对秸秆的作用时间短造成的。而不同氮肥处理下水稻秸秆中的碳、氮、磷含量并未因氮肥的施入而发生规律性的变化；而含量随时间发生了明显变化，磷含量降低最为明显，秸秆还田1年后磷、碳、氮含量分别降低62.50%、5.40%、2.94%，腐解2年后磷含量降低56.25%，而碳、氮含量降低趋势较为接近，分别降低了1273%、10.29%。土壤C/N是衡量水稻生长发育的一项关键指标，一般研究认为土壤C/N过高会影响水稻生长发育[11]，而土壤C/N变化是受还田秸秆养分含量变化影响的。本研究发现，在水稻还田1年后，不施氮肥处理的C/N比最高，明显高于施氮肥的5个处理；而还田2年后，氮肥的施用对不同氮肥处理的秸秆C/N影响并不一致，可[CM（25]见氮肥对水稻秸秆C/N的影响主要表现在第1年。水稻[CM）]

秸稈N/P随着还田时间的增加呈现波动性上升的趋势，这与秸秆中磷素含量下降快，而氮素变化平缓有关；N/P受氮肥的影响也较大，适当施用氮肥（73～163 kg/hm2），能够提高水稻秸秆的N/P，而不施氮处理和过量施氮处理的N/P较低。

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