水旱轮作条件下还田秸秆腐解和养分释放特征研究

2017-11-13黄菲刘言李继福欧阳玲龙鹏李新涛

长江大学学报(自科版) 2017年18期

关键词：水旱轮作旱作油菜

黄菲，刘言，李继福，欧阳玲，龙鹏，李新涛

长江大学农学院，湖北荆州 434025

水旱轮作条件下还田秸秆腐解和养分释放特征研究

黄菲，刘言，李继福，欧阳玲，龙鹏，李新涛

长江大学农学院，湖北荆州 434025

以南方稻作区主要作物(水稻、小麦和油菜)秸秆为研究对象，采用尼龙网袋法研究了干湿交替和还田方式对作物秸秆腐解及养分释放的影响，以期为水旱轮作区秸秆资源循环利用和秸秆还田提供科学依据。结果表明，水作期经过120d的腐解，覆盖处理的作物秸秆累积腐解率为20.6%～27.2%，且作物种类之间差异不显著；翻压处理的作物秸秆累积腐解率为55.4%～69.3%，腐解效果表现为水稻>油菜>小麦。旱作期覆盖或翻压处理的秸秆腐解量和腐解率均显著低于同期水作处理。3种作物秸秆在水旱轮作中无论覆盖还是翻压还田，养分累积释放率均表现为钾>磷>碳>氮。水作期腐解试验结束时(120d)，覆盖处理3种作物秸秆碳、氮、磷和钾的平均释放率分别为40.1%、22.4%、54.4%和75.8%；翻压处理的养分平均释放率依次分别为75.8%、44.7%、76.5%和93.8%。旱作期腐解试验结束时(210d)，覆盖处理水稻秸秆碳、氮、磷和钾的释放率分别为43.4%、30.8%、43.7%和71.0%；翻压处理水稻秸秆养分释放率依次为64.8%、46.3%、57.0%和95.2%。采用一级动力学渐进函数模型对秸秆累积腐解率进行拟合，水作期的相关系数r2介于0.981～0.991之间，均显著相关；旱作期函数拟合相关性不显著。因此，在水旱轮作体系中，同等腐解周期内秸秆腐解速率表现为水作>旱作、翻压>覆盖；旱作周期相对较长仍可达到水作时的秸秆腐解效果。

水旱轮作；作物秸秆；还田方式；腐解特征；养分释放

水旱轮作是我国重要的种植制度，主要分布于长江流域和淮海流域稻作区[1,2]，对全国粮食生产尤其南方稻区的粮食安全具有重大影响。近年来，随着农作物产量的提高，农作物秸秆资源量也呈持续增长趋势。然而，受限于目前秸秆综合利用途径，秸秆没有得到充分合理利用所带来的环境问题越来越突出，已成为社会关注的焦点。基于我国农业发展实际状况，秸秆直接还田是解决秸秆综合利用问题最重要、最有效的途径。国内外学者就秸秆还田对土壤物理、化学和生物学特性的影响进行了大量研究，基本明确秸秆还田在增加农作物产量、维持土壤生产力和避免资源浪费、减少化肥用量及环境污染等方面的积极效果[3～7]。

农田秸秆腐解不仅与作物秸秆自身物质结构组成有关，也与秸秆还田方式、土壤温度、水分和性质等密切相关[8]。张宇等[9]发现，耕作方式对作物秸秆的腐解特征有显著影响，效果表现为翻耕>旋耕>免耕。Abro等[10]研究表明高温环境可提高秸秆有机碳的矿化速率，低温则利于秸秆对有机碳氮的固持和保蓄。此外，唐国勇等[11]通过水分调控试验发现土壤水分饱和时还田秸秆腐解率显著高于旱地。与旱旱轮作相比，水旱轮作会导致农田系统出现季节性干湿交替的现象[12]。水热条件的强烈转换势必会影响到还田秸秆的腐解速率、秸秆养分释放和土壤养分供给能力[13]，进而影响农作物生长及其对矿质养分的吸收利用。为此，本研究以水作还田秸秆(水稻、小麦和油菜)和旱作还田秸秆(水稻)为研究对象，探讨干湿交替条件下作物秸秆腐解特征和养分释放规律，以期为稻作区农业秸秆循环利用和肥料合理施用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1试验地概况

试验地位于湖北省荆州市荆州区太湖农场(北纬30°25′3″、东经112°50′47″)。耕层土壤(0～20cm)基本理化性质为：pH 6.89，有机质26.6g/kg，全氮2.45g/kg，碱解氮81.7mg/kg，有效磷9.2mg/kg和速效钾147.3mg/kg。试验田为冬油菜-水稻轮作制，前茬作物为冬油菜。

1.2供试秸秆

2015年9月和2016年5月在长江大学农学院实验基地附近分别采集水稻、小麦和油菜秸秆，剪成5cm小段，烘干备用。供试作物秸秆养分如表1所示。

表1 供试作物秸秆养分含量

1.3试验设计

采用尼龙网袋法，模拟水旱轮作制度，研究作物秸秆在水作和旱作期的养分释放特征。2016年5月20日到2016年9月20日(水稻季)，将水稻、小麦和油菜秸秆分别称取20g装入200目(孔径0.075mm)的尼龙网袋内(网袋长25cm，宽20cm)，封口[13]，翻压或平铺在耕层。2016年10月2日到2017年4月30日(油菜季)，按上述处理方式将水稻秸秆翻埋或平铺在耕层。每隔30d从农田取出尼龙网袋，每个处理3次重复。用纯水冲洗网袋粘附的泥浆，在60℃下烘24h，称干重，测定剩余秸秆中C、N、P和K的含量。试验期间农田月均气温和降雨情况如图1所示。

图1 试验期农田气温和降雨情况

1.4指标计算与数据处理

秸秆累积腐解量、腐解率、养分累积释放率分别按下述公式[14]进行计算：

秸秆累积腐解量(g)=M0-Mt

秸秆腐解率(%)=[(M0-Mt)/M0]×100%

养分累积释放率=[(M0×C0-Mt×Ct)/(M0×C0)]×100%

式中，M0为加入秸秆烘干重，g；Mt为腐解时间t时的秸秆烘干重，g；t为翻压时间，d；C0为加入秸秆原始养分含量，g/kg；Ct为腐解时间t时的秸秆养分含量，g/kg。

采用Excel 2010和Origin 8.0软件进行数据处理；利用LSD法检验P<0.05水平上的差异显著性。其中，作物秸秆最大累积腐解率用一级渐进动力学函数模型y=a-b×e-kt进行拟合[15]。

2 结果与分析

2.1水旱轮作下秸秆腐解特征

图1结果显示，不同种类作物秸秆腐解过程与轮作制度、还田方式密切相关。水作期，翻压还田的秸秆腐解过程可分为腐解快速期(0～30d)、腐解减缓期(30～90d)和腐解停滞期(90～120d)3个阶段，这与李继福等[16]研究结果一致；而覆盖还田秸秆则处于持续的缓慢腐解状态。旱作期，翻压和覆盖处理的水稻秸秆腐解规律相似。由于旱季种植油菜会经历越冬期，所以在冬季(0～120d)作物秸秆腐解速率较慢，而春季(120～210d)随着温度升高和降雨明显增加(图1)，作物秸秆腐解速率明显加快。

水作覆盖处理腐解120d时，水稻、小麦和油菜秸秆的累积腐解量分别为4.2、4.1g和5.4g；累积腐解率依次为21.2%、20.6%和27.2%；翻压处理的累积腐解量和腐解率则依次分别为13.9、11.1、12.9g和69.3%、55.4%、64.6%。旱作覆盖和翻压处理腐解120d时，水稻秸秆的累积腐解量和腐解率分别为2.5、7.7g和12.7%、38.3%，均低于水作处理。旱作水稻秸秆腐解210d后，水稻秸秆覆盖和翻压处理的腐解率分别可达40.4%和60.9%。可见，在相同的腐解时期内，作物秸秆翻压处理的腐解速率>覆盖处理，水作处理>旱作处理。

注：RM水稻秸秆覆盖；WM小麦秸秆覆盖；OM油菜秸秆覆盖；RI水稻秸秆翻压；WI小麦秸秆翻压，OI油菜秸秆翻压。图3～6同。图2 作物秸秆腐解特征

2.2秸秆碳释放特征

作物秸秆碳的释放特征与秸秆腐解特征有一定的差别。从图3可以看出，水作翻压处理秸秆碳的快速释放期为0～30d，水稻、小麦和油菜秸秆碳的累积释放率分别为44.9%、38.3%和41.5%。腐解30d之后，作物秸秆碳释放速率减缓，但水稻秸秆碳累积腐解率仍显著高于小麦和油菜秸秆。腐解120d时，水稻、小麦和油菜秸秆碳的累积释放率依次达到81.3%、71.8%和76.5%。但在相同腐解时期内，水作覆盖处理的秸秆碳释放速率无明显差异且显著低于同期翻压处理。腐解120d时，覆盖处理的作物秸秆碳累积释放率平均为40.1%。

同样，旱作水稻秸秆的碳累积释放率随腐解时期延长而呈持续增加趋势。腐解120d时，覆盖和翻压处理的秸秆碳累积释放率分别为20.6%和36.5%，均显著低于水稻秸秆在水作期的累积释放率。腐解120～210d，秸秆碳释放率显著提高；试验结束时(210d)，旱作覆盖和翻压处理的秸秆碳累积释放率分别可达43.4%和64.8%。

图3 作物秸秆碳的释放特征

2.3秸秆氮释放特征

水旱轮作不同作物秸秆氮素累积释放率变化特征如图4所示。结果表明，水作无论覆盖还是翻压处理，腐解0～30d均为作物秸秆氮的快速释放期，之后释放速率减缓。腐解120d时，覆盖处理的水稻、小麦和油菜秸秆氮累积释放率分别为25.1%、14.3%和27.8%，而翻压处理的氮累积释放率依次分别达到45.6%、37.0%和51.6%。同样，旱作水稻秸秆翻压处理的氮释放速率显著高于同期覆盖处理，尤其是腐解120d之后，翻压处理的秸秆氮累积释放率显著提高。可见水作、翻压处理及延长旱作腐解时间均有利于秸秆中有机氮的矿化和释放[17]。

图4 作物秸秆氮的释放特征

2.4秸秆磷释放特征

水作期，作物秸秆磷的累积释放率与秸秆腐解规律相似，其过程也可分为腐解快速期、腐解减缓期和腐解停滞期3个阶段，且作物种类之间没有显著差异。同样，翻压还田秸秆中磷的释放速率比覆盖还田快，腐解120d时，覆盖处理和翻压处理的作物秸秆磷累积释放率平均分别为54.4%和75.8%。旱作期，腐解0～90d内，还田方式对水稻秸秆磷释放没有明显的影响；腐解90 d后，翻压还田处理的秸秆磷释放速率显著提高。到210d时，覆盖和翻压处理的秸秆磷累积释放率分别可达43.7%和57.0%。

图5 作物秸秆磷的释放特征

2.5秸秆钾释放特征

由图6结果可知，水作期无论覆盖还是翻压处理，水稻、小麦和油菜秸秆中钾的释放规律趋向一致。腐解30d时，覆盖处理和翻压处理的作物秸秆钾累积释放率平均分别为68.7%和92.1%，显著高于同期作物秸秆碳、氮和磷的累积释放率。腐解30～120d，3种作物秸秆中剩余钾释放速率显著降低，释放率基本停滞。旱作期，水稻秸秆翻压处理腐解90d之后，钾素累积释放率才能达到90%以上；而覆盖处理腐解210d时，秸秆中钾的累积释放率仅为71.0%。

图6 作物秸秆钾的释放特征

2.6秸秆累积腐解率与腐解天数的相关性

采用渐进函数方程y=a-b×e-kt对秸秆累积腐解率与腐解时间进行拟合[15]，结果显示函数方程能够很好地反映水作期的秸秆腐解规律。水作覆盖处理的水稻、小麦和油菜秸秆最大腐解率分别为28.7%、27.9%和29.8%，这表明覆盖处理时秸秆种类不会影响最终的腐解效果；而翻压处理的秸秆最大腐解率依次可达71.5%、57.0%和63.4%，表明翻压处理时秸秆种类显著影响腐解效果。另外，k值也同样反映出同种秸秆的翻压还田腐解速率大于覆盖还田。然而，旱作拟合方程参数a、b、k和r2值均表明单一渐进函数不能正确反映出秸秆的腐解规律。由于旱作周期长达210d，环境条件比水作复杂很多，秸秆腐解会经历低温少雨到升温增雨的过程。从图2旱作秸秆腐解过程可以看出，秸秆腐解基本分为2个阶段，一是0～120d，温度持续下降、降雨减少；二是120～210d，温度又开始回升、降雨增多。因此，应选择更合适的模型来拟合旱作秸秆腐解规律。

表2 秸秆腐解与腐解时间关系拟合

注：y秸秆累积腐解率，%；k腐解速率，%/d；a表示当t无穷大时y趋向的值，%；t是培养时间，d。

3 结论

1)水作期，覆盖处理的作物秸秆累积腐解率为20.6%～27.2%，且作物种类之间差异不显著；翻压处理的作物秸秆累积腐解率可达55.4%～69.3%，腐解效果表现为水稻>油菜>小麦。旱作期覆盖或翻压处理的秸秆腐解量和腐解率则显著低于同期水作处理。

2)水稻、小麦和油菜秸秆在水旱轮作中无论覆盖还是翻压还田，养分累积释放率均表现为钾>磷>碳>氮。

3)采用一级动力学渐进函数模型对秸秆累积腐解率进行拟合，水作期的相关系数r2为0.981～0.991，均显著相关。秸秆覆盖处理和翻压处理的理论秸秆最大腐解率平均分别为28.8%和64.0%。旱作期函数拟合相关性不显著，无法得出理论秸秆最大腐解率。

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2017-05-17

科技部“十三五”国家重点研发项目(2016YFD0300907)、长江大学大学生科技创新项目(2016154)；湖北省土壤有机质提升项目(2016H20014)。

黄菲(1995-)，女，现从事农业废弃物利用研究。通信作者：李继福，jifuli@yangtzeu.edu.cn。