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基于长期定位试验的松嫩平原还田玉米秸秆腐解特征研究

2018-05-13龚振平邓乃榛宋秋来李中韬

农业工程学报 2018年8期
关键词:木质素纤维素养分

龚振平,邓乃榛,宋秋来,李中韬

(1. 东北农业大学农学院,哈尔滨 150030;2. 黑龙江省农业科学院耕作栽培研究所,哈尔滨 150086)

0 引 言

松嫩平原位于黑龙江和吉林两省境内,是中国重要的春玉米产区,2015年两省玉米种植面积为 582.11和379.99万hm2,产量分别为3 544.14和2 805.73万t[1],按谷草比1∶1.2计算玉米秸秆量分别达到了4 252.97和3 366.88万t。由于玉米秸秆资源过剩,导致大量秸秆露天焚烧,对环境产生严重污染[2-6],同时秸秆焚烧造成的氮损失达到了 80%[7]、磷为 25%[8]、钾为 21%[9]和硫为4%~60%[10]。秸秆粉碎直接还田既可以解决焚烧秸秆造成的环境污染问题,又将秸秆中含有的各种营养元素直接归还土壤,增加土壤养分的供应,保持土壤肥力,改善土壤结构[11-16]。秸秆还田是玉米生产的发展方向,研究玉米秸秆腐解特征对农业发展具有重要意义。

作物秸秆腐解具有普遍的共性特征,表现为“先快后慢”的变化动态[17-19],但秸秆腐解又受气候和地域等环境因素的影响。南雄雄等[20]通过室内模拟培养试验表明,适宜水分条件有利于秸秆腐解过程中秸秆碳向无机碳方向转化,而不利于向土壤有机碳方向转化。王旭东等[21]在陕西关中采用砂滤管法对高、中、低肥力的土壤进行了480 d的玉米秸秆腐解试验,中等肥力田块上玉米秸秆矿化率最高、低肥力田块上的最低。Ghidey等[22]在美国密西西比州砂壤土研究不同作物秸秆放置位置的腐解规律发现,玉米、大豆、小麦、高粱和棉花秸秆悬于地表上15 cm、放置地表和翻埋15 cm,一年内,玉米秸秆减少了41%、66%和78%;大豆秸秆减少了37%、66%和 79%;小麦秸秆减少了 17%、36%和69%;高粱秸秆减少了 45%、66%和 80%;棉花秸秆减少了 40%、58%和 76%。李庆康等[23]在江苏省通过大田和盆栽试验得出秸秆腐解剂能促进水稻和小麦秸秆较快腐解,并且可以提高土壤养分含量。秸秆中的氮、磷、钾养分释放速率,秸秆深施比表面覆盖的快,而且秸秆分解的速率随温度的升高而增加[24-26]。李新举等[27]在山东省滕州市的 3种土壤质地进行玉米秸秆腐解试验,表现为埋深5 cm的腐解速度最快,埋深15 cm稍慢,覆盖在表面的最慢。岳丹等[28]在甘肃省定西市采用尼龙网袋装秸秆埋土试验,经过 100 d的腐解,玉米秸秆累积腐解率为 59.50%~64.15%。

关于秸秆腐解学者们进行了诸多研究,但主要是研究秸秆在还田当年的腐解规律,而对玉米秸秆进行连续多年的腐解研究较少。本文针对松嫩平原的玉米生产,采用尼龙网袋法,较系统地研究了玉米秸秆还田多年的腐解特征和养分释放规律,为玉米秸秆的科学还田提供理论依据和参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于东北农业大学香坊植物学试验实习基地进行。该基地位于松嫩平原中部、隶属于黑龙江省哈尔滨市香坊区幸福乡,地理坐标为 126°22'~126°50'E,45°34'~45°46'N。气候特征:属于寒温带大陆性气候,雨热同季,年降水量500~550 mm之间,无霜期140 d左右,≥10 ℃积温2 700 ℃左右。试验期间降雨量和温度见图1。

1.2 试验方法

处理方法:采用尼龙网袋法。尼龙网袋的大小为 34 cm×36 cm,孔径为80目。将压扁并截成5~10 cm小段的玉米秸秆烘干后,称取80 g放入尼龙网袋中,用尼龙线缝好封口。试验设置埋土和覆盖地表 2种处理,埋土处理是用铁锹等工具在垄体挖一个沟,长、宽、深分别为36、3、35 cm,将尼龙网袋垂直埋入垄体,填土并压实,网袋上端与地表持平,与生产上秸秆混拌还田深度基本一致,覆盖地表处理是将装有秸秆的尼龙网袋平铺于垄沟中,用铁丝加以固定。2种处理田间均种植玉米,采用免耕方式种植,每年5月1日左右播种,行距65 cm,株距27 cm。该地区为雨养农业,无灌溉。田间施肥量为:尿素(N:46%)300 kg/hm2,磷酸氢二铵(N:18%,P2O5:46%)150 kg/hm2,硫酸钾(K2O:50%)75 kg/hm2。供试玉米秸秆养分组成见表1。

取样方法:2011年11月5日埋入样品,分别于2012、2013、2014、2015年11月5日各取1次样;每个处理各取3袋,取后用清水冲洗干净,挑净进入网袋里的杂物,烘干称质量,粉碎后对残余秸秆中的养分含量加以测定。

图1 试验地气温和降雨量(数据来源中国气象台网站)Fig.1 Experimental temperature and rainfall (data from China Meteorological Station website)

表1 残余秸秆组成的变化Table 1 Changes of composition in residual straw

秸秆腐解率(%)=(试验前秸秆质量-残余秸秆质量)/试验前秸秆质量×100%。

养分释放率(%)=(试验前秸秆养分含量-残余秸秆养分含量)/试验前秸秆养分含量×100%。

1.3 分析测定

秸秆氮含量测定:凯氏定氮法(H2SO4-H2O2消煮);秸秆磷含量测定:钼锑抗比色法(H2SO4-固体催化剂消煮);秸秆钾含量测定:火焰光度法(H2SO4-H2O2消煮);秸秆碳含量测定:重铬酸钾容量法;秸秆纤维素、半纤维素、木质素含量测定:ANKOM A200i型半自动纤维分析仪测定。

2 结果与分析

2.1 玉米秸秆的腐解特征分析

2.1.1 玉米秸秆腐解率的变化

图2是还田玉米秸秆在2种还田方式下连续4 a的腐解结果。从图2中可以看出,还田秸秆在第1年的腐解速率最快,以后腐解速率减慢,特别是第 4年腐解速率非常慢;第 1年埋土和覆盖处理的秸秆腐解率分别为60.63%和 45.53%,第 2年腐解率分别为 19.01%和31.55%,第3年腐解率分别为12.06%和11.88%,3 a累计腐解率达到91.70%和81.96%。随着秸秆腐解时间(年)的增加,秸秆腐解率的增加量逐渐减少,秸秆进入缓慢腐解阶段。秸秆腐解4 a后,腐解率达到92.40%和82.48%。埋土处理秸秆腐解速度明显快于覆盖处理。埋土处理相比覆盖处理,秸秆与土壤接触更加充分,能够为还田秸秆提供相对平稳的温湿度环境,有利于微生物生物量增加、微生物活性和呼吸率增强,进而加速还田作物秸秆的分解。

图2 还田秸秆腐解率的变化Fig.2 Change of decomposition rate of returning straw

2.1.2 玉米秸秆组成特征变化

表 1是还田残余秸秆的组成变化。埋土和覆盖地表秸秆中碳质量分数的初始值为42.83%,之后3 a内秸秆中碳质量分数略有升高,但初始值比未达到差异显著水平,在秸秆腐解 4 a后碳质量分数明显降低,分别为25.66%和31.82%。还田秸秆中氮质量分数初始值为7.04 mg/g,腐解2 a后分别达到12.50和9.74 mg/g,显著高于秸秆的初始氮质量分数,而后2a氮含量逐渐降低,秸秆腐解4 a后氮质量分数分别降低至3.93和6.63 mg/g,埋土秸秆氮含量显著低于初始氮含量,而覆盖处理没有达到差异显著水平。还田秸秆中初始磷质量分数为 1.18 mg/g,腐解1 a后,埋土秸秆磷质量分数为1.15 mg/g,而覆盖秸秆降至最低为0.88 mg/g;之后磷质量分数都逐渐升高,到第4年分别达到了1.53和1.72 mg/g,且与各年间磷含量差异达到显著水平。还田秸秆中钾质量分数初始值为12.97 mg/g,腐解1 a后降至1.23和3.37 mg/g,与初始值差异达到显著水平;而后3 a埋土秸秆钾质量分数稳定在0.87~1.40 mg/g之间,覆盖处理钾质量分数逐渐降低至1.00 mg/g。还田玉米秸秆中C/N随着年限的变化结果为:埋土秸秆还田第2年C/N为38.26,显著低于初始值,而后逐渐升高;而覆盖处理C/N差异不显著,到第4年C/N降低至48.40,与初始值差异不显著。

还田玉米秸秆纤维素初始质量分数为37.59%,埋土秸秆腐解1 a后纤维素质量分数增加至最大值为38.87%,之后3 a维持在34.93%~36.14%之间,各年份间差异不显著;覆盖秸秆腐解 2 a后纤维素质量分数达到最大为43.96%,之后 2 a逐渐降低,腐解 4 a后质量分数为32.97%,与初始值差异不显著。秸秆中半纤维素初始值为31.37%,埋土和覆盖秸秆随着腐解时间的增加半纤维素含量逐渐减少,腐解4 a后秸秆中半纤维素质量分数降至 9.49%和 11.70%,明显低于初始值。秸秆中木质素质量分数初始值为3.00%,埋土处理秸秆腐解1 a后木质素质量分数增至最大为14.97%,覆盖秸秆腐解2 a后木质素质量分数达到13.10%。之后逐渐降低,腐解4 a后秸秆中木质素质量分数为9.27%和10.93%,明显高于初始值。

2.2 秸秆组成的释放率

2.2.1 秸秆中养分释放率

图3是还田秸秆养分释放率的变化动态。从图3可以看出:秸秆中C、N、P和K的释放率逐渐增加,养分的释放第1年较快,而且秸秆中C、N、P、K的释放率,秸秆埋土处理明显快于覆盖处理。其中图3a是秸秆中碳的释放动态,还田秸秆在第 1年的释放速率最快,埋土和覆盖处理碳释放率分别为57.58%和45.32%,在4 a的秸秆腐解过程中,埋土的秸秆中碳累计释放率一直大于覆盖地表的秸秆中碳累计释放率。4 a腐解碳累计释放率为95.46%和86.98%。

秸秆中氮释放率见图 3b,秸秆中氮素的释放主要集中在还田前3 a,第1年和第2年埋土和覆盖处理氮释放率分别达到了52.65%和41.33%,70.66%和65.55%。第3年当年释放率为18.77%和11.27%,占第2年释放后氮素剩余量的63.97%和32.71%,第4年当年释放率为5.34%和 6.68%,占第 3年释放后氮素剩余量的 50.52%和28.82%。在4 a的释放过程中埋土处理的氮素累计释放率始终高于覆盖处理的氮素释放率。

图3c是还田秸秆中磷释放率的变化动态。埋土和覆盖处理在第 1年磷素得到快速的释放,磷素的释放率超过了50%,分别为61.63%和54.30%;第2年和第3年释放速率明显减慢,到第 4年埋土处理磷素的释放率为93.21%,覆盖处理的释放率为84.58%,秸秆经过4 a的腐解,其磷素累计释放率表现为埋土处理始终比覆盖处理快。

图 3 还田秸秆养分释放率Fig.3 Nutrient release rate of returning straw

秸秆中钾释放率的变化动态见图 3d。埋土和覆盖处理的钾素在第1年的释放率就达到了96.26%和84.04%,后3 a进入缓慢释放阶段。二者的差距随着时间的推移在缩小,最后会趋于一致。经过4 a的腐解秸秆中钾累计释放率达到了99.49%和98.65%。

2.2.2 玉米秸秆中纤维组成的腐解率

图 4是秸秆中纤维组分腐解率的变化动态。从图 4中可见,埋土处理玉米秸秆中的纤维组成腐解率明显快于覆盖处理。从图4a可见,秸秆中纤维素腐解主要集中在还田的前2年,其中埋土和覆盖秸秆纤维素在第1年腐解率达到了59.29%和45.31%, 2 a腐解率达到80.42%和70.86%,经过3 a腐解率为92.29%和81.41%,之后秸秆中纤维素进入缓慢腐解阶段,腐解4 a纤维素腐解率达到92.94%和84.83%。

图 4 还田秸秆中纤维组成的腐解率Fig.4 Decomposition rate of fiber composition in return straw

秸秆中半纤维素占秸秆总量的31.37%(表1),含量少于纤维素,但半纤维素的腐解率高于纤维素。从图 4b中可以看出秸秆中的半纤维素腐解也主要集中在还田的前2年,其中第1年埋土和覆盖秸秆中半纤维素腐解率达到了73.70%和54.72%,腐解2 a后半纤维素腐解率为88.78%和 86.30%,腐解 3 a秸秆中半纤维素腐解率为95.46%和90.80%,腐解4 a腐解率为97.71%和93.46%。

图 4c是秸秆中木质素腐解速率变化动态。从图 4c中可见,秸秆中木质素占秸秆总量的 3.00%(表 1),显著低于秸秆中纤维素和半纤维素的含量。在秸秆腐解第1年,埋土和覆盖处理秸秆木质素腐解率达到了28.10%和23.65%,2 a木质素腐解率达到46.64%和40.65%,腐解3 a后木质素腐解率为78.63%和66.48%,经过4 a的腐解,秸秆中木质素的腐解率达到了87.21%和74.00%。

从图 4可见,秸秆中半纤维素腐解速度最快,纤维素次之,木质素腐解速度最慢。秸秆还田的前 2年埋土和覆盖处理秸秆累计腐解率为79.64%和70.08%,秸秆中半纤维素为 88.78%和 86.30%,纤维素为 80.42%和70.86%,木质素为46.64%和40.65%,说明秸秆还田的前2年秸秆纤维组成的腐解主要是纤维素和半纤维素的腐解。秸秆还田第3年和第4年,埋土和覆盖处理秸秆累计腐解率为 12.76%和 12.40%,半纤维素为 8.93%和7.16%,纤维素为12.52%和13.97%,木质素为40.57%和33.35%。说明秸秆还田后期,秸秆纤维组成的腐解主要是木质素的腐解。

3 讨 论

还田秸秆进入土壤中,在土壤微生物和酶的作用下进行漫长而复杂的腐解过程。微生物分解有机物受秸秆自身化学组成及周围土壤环境的湿度,温度的调节[29-30]。本试验地点在松嫩平原,冬季低温寒冷,严重抑制秸秆腐解,夏季高温多雨是秸秆腐解的主要时期。诸多学者认为,在秸秆腐解的过程中整体呈现“先快后慢”的过程[31-34],这与本文研究的结果一致。埋土和覆盖地表的秸秆腐解主要集中在还田的前3年,在第1年腐解速率最快,埋土和覆盖处理腐解率达到60.63%和45.53%,此后逐年变慢,前 3年埋土和覆盖处理秸秆累计腐解率达到91.70%和81.96%。Ghidey等[22]在美国密西西比州的试验表明,玉米秸秆在埋入土壤15 cm和放于地表2种处理条件下,1 a腐解了78%和66%,较本试验结果略高。

秸秆腐解释放出丰富的碳、氮、磷、钾以及多种微量元素可以作为土壤中植物所需营养物质的有效补充。戴志刚等[17]在湖北省武汉采用尼龙网袋法研究秸秆养分释放特征的试验表明,经过124 d的腐解,水稻秸秆、小麦秸秆、油菜秸秆的碳释放率分别为 7.53%、66.58%、52.54%;氮分别为42.05%、49.26%、57.83%;磷分别为68.28%、59.93%、67.32%;钾在培养12 d后释放率均达到 98%,秸秆中养分释放速率均表现为 K>P>C>N。本试验秸秆养分释放速率快慢与其相同,这与营养元素在秸秆中的存在形态有关。其中,钾主要以离子态存在,易溶于水,故释放最快;而磷以难溶的有机态形式为主,但由于种植作物后,作物根系可能分泌一定量的有机酸,能促进磷元素的溶解和释放[35]。秸秆中氮主要以难溶性有机物为主,在自然状态下分解较慢[36]。秸秆中的碳则主要以各种化合物形式存在与生物体内,分解速率差别较大[37]。本研究连续4 a监测还田玉米秸秆中养分含量的变化动态,通过对秸秆中养分释放速率比较发现,秸秆中碳、氮和磷的释放主要集中在还田的前 3年,埋土和覆盖处理第1年碳释放率达到了57.58%和45.32%,3 a累计释放率为 90.96%和 82.06%;第 1年氮释放率达到52.65%和 41.33%,3 a累计释放率达到了 91.70%和81.96%;第1年磷释放率为61.63%和54.30%,3 a累计释放率为92.03%和83.29%。而钾的释放则主要在还田第1年,释放率达到了96.26%和84.04%。

玉米秸秆的C/N高,而微生物分解有机物适宜的C/N在20~30之间,秸秆还田提高了土壤环境的C/N[38]。本研究中玉米秸秆C/N的初始值为60.90,腐解2 a后埋土和覆盖地表处理的C/N降低至38.26和47.36,之后C/N升高,这是由于秸秆还田使微生物大量繁殖,微生物代谢所需的氮源相对不足,需要从土壤中补充所致,导致无机氮被固定[39]。

秸秆腐解的过程中养分的快速释放期主要集中在还田的前期[17-19],其原因可能是在腐解前期秸秆中的可溶性糖等有机物(多糖、有机酸、氨基酸和无机养分)释放较多,释放较快,为微生物提供了大量的碳源和养分,使微生物数量增多,活性增强。本试验表明,秸秆纤维组成成分在秸秆还田的第一年腐解率最大,随着还田年限的增加腐解率逐渐变慢。还田秸秆纤维组成快速腐解时间和腐解速率存在明显差别,还田秸秆前期纤维组成腐解率表现为:半纤维素>纤维素>木质素。随着腐解时间的进一步延长,纤维素和半纤维素消耗殆尽,秸秆中的木质素腐解缓慢进行,在腐解后期(第 4年)腐解速率则表现为:木质素显著大于纤维素和半纤维素。

4 结 论

1)还田玉米秸秆的腐解速率和养分释放率都表现为埋土处理大于覆盖处理。秸秆腐解主要集中在还田的前3年,在第 1年腐解速率最快,埋土和覆盖处理秸秆总量腐解率达到 60.63%和 45.53%,3 a腐解率为 91.70%和81.96%。

2)还田玉米秸秆中养分释放的快慢顺序为K>P>C>N。埋土和覆盖处理秸秆中钾的释放主要在还田第1年,释放率达到了96.26%和84.04%;第1年磷释放率为61.63%和54.30%,3 a磷释放率为92.03%和83.29%;第 1年碳释放率为 57.58%和 45.32%,3 a碳释放率为90.96%和82.06%;第1年氮释放率为52.65%和41.33%,3 a氮释放率为91.70%和81.96%。

3)还田玉米秸秆中半纤维素的腐解速度快于纤维素,木质素最慢。其中埋土和覆盖处理秸秆半纤维素第1年腐解率为 73.70%和 54.72%,2 a腐解率为 88.78%和86.30%;纤维素在第1年腐解率为59.29%和45.31%,2 a腐解率为 80.42%和 70.86%;木质素第 1年腐解率为28.10%和23.65%,2 a腐解率为46.64%和40.65%,3 a腐解率为78.63%和66.48%。

[参 考 文 献]

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