氮素形态对油菜秸秆腐解及养分释放规律的影响*

李晓韦, 韩 上, 雷之萌, 武 际**, 石祖梁, 孙志祥, 李 敏, 王 慧, 唐 杉, 程文龙, 朱 林



氮素形态对油菜秸秆腐解及养分释放规律的影响*

李晓韦1, 韩 上2, 雷之萌1, 武 际2**, 石祖梁3, 孙志祥1, 李 敏2, 王 慧2, 唐 杉2, 程文龙2, 朱 林1

(1. 安徽农业大学资源与环境学院 合肥 230036; 2. 安徽省农业科学院土壤肥料研究所/养分循环与资源环境安徽省重点实验室 合肥 230031; 3. 农业农村部农业生态与资源保护总站 北京 100125)

采用尼龙网袋研究法, 研究了不同形态氮素对油菜秸秆腐解及养分释放规律的影响, 以期为农业秸秆循环利用和改善秸秆还田效果提供理论依据。试验设置4个处理: 不添加氮素(CK)、添加尿素(PU)、添加尿素硝酸铵(UAN)和添加石灰氮(CaCN2), 周期120 d。结果表明, 油菜秸秆腐解表现为前期快(0~30 d)、后期慢(30~120 d)的特征。120 d时, 油菜秸秆累积腐解率为46.08%~52.34%, 碳、氮、磷和钾的释放率分别为44.25%~51.52%、51.19%~54.87%、52.82%~58.45%和96.61%~97.46%。添加氮素可以显著促进油菜秸秆腐解。120 d时, 添加氮素处理较CK处理油菜秸秆的累积腐解率提高10.80%~13.59%。不同形态氮素对秸秆的腐解特征和碳氮磷钾释放速率的效应不同。其中, PU处理秸秆腐解过程分两个阶段, 快速腐解(0~30 d)和缓慢腐解(30~120 d); 30 d时油菜秸秆的腐解率达40.39%, 30 d后腐解速率逐渐趋于稳定, 120 d时腐解率达51.06%。UAN处理腐解过程分3个阶段, 快速腐解(0~30 d)、腐解减缓(30~60 d)和缓慢腐解(30~120 d); 30 d时腐解率达40.67%, 30~60 d腐解率上升7.54%, 120 d时腐解率为51.63%。CaCN2处理的秸秆腐解过程分两个阶段, 快速腐解(0~30 d)和缓慢腐解(30~120 d); 其促进腐解作用主要表现在60 d后, 60 d时油菜秸秆腐解率达44.37%, 120 d时腐解率为52.34%。与不施氮处理相比, 120 d时UAN处理秸秆累积腐解率提高12.04%, 碳、氮和磷累积释放率分别提高9.33%、7.19%和6.97%。各处理对秸秆钾的释放率影响不显著。综合来看, 以UAN促进油菜秸秆腐解的效果较为显著。

氮素形态; 油菜秸秆; 腐解; 养分释放

农作物秸秆含有丰富的有机无机营养成分, 其中含氮量约5 g∙kg-1, 含磷量约1.2 g∙kg-1, 含钾量约10 g∙kg-1, 此外还含有大量的微量元素及有机质[1]。我国每年大约产秸秆7亿t, 但回收利用的不足3%[2]。现代化肥的使用, 使得农业对秸秆所制肥料的需求大大减少, 秸秆处理成为一大难题。如秸秆不及时处理, 会影响后茬作物的播种及生长。秸秆过剩问题突出, 致使秸秆焚烧现象时而发生, 不仅对环境造成严重污染, 影响居民生活, 同时也是资源的一大浪费。油菜(L.)秸秆中富含氮、磷、钾等养分, 若能合理利用, 将有利于培肥土壤和改善农田环境。已有研究表明, 秸秆还田后可在微生物和酶的共同作用下腐解[3-6], 在改善土壤理化性质的同时, 还能释放出氮、磷、钾等营养元素供植物吸收利用, 提高土壤肥力[7-9]。

前人对还田秸秆的腐解规律进行了大量的研究。武际等[3]研究表明, 节水栽培模式下小麦(L.)秸秆还田腐解率和养分释放率均显著高于常规栽培。李新举等[10]指出, 在不同填埋深度下秸秆腐解速率不同, 5 cm时腐解速度最快, 埋深15 cm稍慢, 覆盖在表面的最慢, 且秸秆在不同质地的土壤中腐解速度也不同。前人研究表明, 秸秆还田后, 由于秸秆本身碳氮比过高, 影响氮素供应, 从而对作物的前期生长造成影响, 因此在还田同时需要配合施用一定量的氮肥, 以调节土壤碳氮比, 促进秸秆的腐解[11-13]。然而, 大量前人的研究都集中于不同的氮素施用比例对秸秆腐解的影响[12,14-16], 目前针对不同形态氮素对秸秆腐解的影响鲜有报道[8]。为探究秸秆在腐解过程中对不同形态氮素的响应, 本研究采用尼龙网袋结合田间试验的方法, 在油菜秸秆翻压还田的同时结合施用不同形态氮素, 定期取样分析秸秆的腐解情况, 探讨不同形态氮素的施用对油菜秸秆腐解量、养分释放的影响, 以期更好地了解油菜秸秆腐解特征, 改善秸秆还田效果, 为进一步推进油菜秸秆的资源化、可持续化利用, 降低秸秆焚烧对环境产生的不可逆负面效应, 改善农业生态环境提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2016年在安徽省六安市舒城县桃溪现代综合产业园示范区开展。供试土壤为水稻土, 0~20 cm耕作层土壤基本化学性质如下: 有机质16.53 g∙kg-1, 全氮1.14 g∙kg-1, 速效磷7.82 mg∙kg-1, 速效钾109.02 mg∙kg-1, pH 5.47。供试秸秆为上季油菜成熟收获后秸秆, 风干样养分含量: 全碳431.92 g∙kg-1, 全氮9.82 g∙kg-1, 全磷0.38 g∙kg-1, 全钾18.35 g∙kg-1。

1.2 试验设计

试验设4个处理: 1)不添加氮素(CK); 2)添加尿素(PU, 酰胺态氮); 3)添加尿素硝酸铵(UAN, 含硝态氮、铵态氮及酰胺态氮); 4)添加石灰氮(CaCN2, 氰氨态氮)。本试验N施用量为90 kg∙hm-2, 处理2、3和4的不同形态氮素(PU、UAN和CaCN2)含N量分别为46%、35%和20%, 其用量根据N用量折算。试验采用尼龙网袋研究方法。网袋长25 cm, 宽15 cm, 孔径0.048 mm。供试秸秆风干后, 剪成2~3 cm小段, 混匀后装入尼龙网袋, 每袋25 g, 用封口机封好, 埋入土中, 每个处理无间隔埋入18包。田间填埋时, 开4条沟, 一条沟对应一个处理, 每条沟宽25 cm, 长2.7 m。将沟内20 cm深的土壤全部取出, 破碎土块。不添加氮素处理将一半土样回填至10 cm厚, 然后水平无间隔铺放尼龙网袋, 再将剩余土壤全部填回; 施氮各处理先将土壤与供试氮肥充分混匀, 再按同样的方法埋入网袋。整个试验周期为120 d, 分别于埋袋后的第5 d、10 d、30 d、60 d、90 d、120 d取样, 取样方法为毁灭性取样, 每次一个处理取3个网袋, 一个网袋即一个重复。各处理间用PVC板隔开, 试验期间水分及其他管理措施均模拟常规稻田管理。

1.3 样品测定项目及方法

用水冲净网袋黏附的泥浆, 60 ℃下烘干, 利用失重法测定秸秆腐解率。样品烘干后称重、磨碎, 测定其氮、磷、钾和碳含量, 并计算干物质和养分的释放率、释放速率。

秸秆样品经H2SO4-H2O2消化, 半微量开氏法测定全氮含量, 钼锑抗比色法测定全磷含量, 火焰光度计法测定全钾含量, 重铬酸钾容量法-外加热法测定全碳含量。

1.4 计算方法

秸秆腐解量指秸秆腐解的相对百分含量, 用秸秆腐解率表示[17]。

秸秆腐解率(%)=(原始秸秆重-秸秆残留量)/原始秸秆重×100 (1)

碳释放率(%)=(原始秸秆碳量-剩余秸秆碳量)/原始秸秆碳量×100 (2)

氮、磷和钾释放率计算与碳相同[5]。

秸秆腐解速率:=(-)/(3)

式中:为秸秆腐解速率(g∙d-1),为阶段初始的秸秆质量(g),为阶段结束的秸秆质量(g),为腐解时间(d)[4]。

1.5 数据分析

采用Microsoft Excel 2010进行数据分析, Origin 8.0进行绘图处理, SPSS 17.0软件进行方差分析、Duncan多重比较(<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同形态氮素对油菜秸秆腐解特征的影响

2.1.1 腐解百分率变化

由图1a可以看出, 随着腐解天数增加, 各处理的秸秆累积腐解率均呈上升趋势, 且均呈现为前期快后期慢的特点。但不同处理在不同时期累积腐解率不同。施氮的3个处理中, 添加尿素处理(PU)前30 d释放速率最快, 自30 d后变慢并逐渐趋于稳定, 0~30 d累积腐解率为38.09%, 30 d后每个时期腐解率上升值均小于7%, 说明PU处理秸秆快速腐解期为0~30 d。添加尿素硝酸铵处理(UAN)0~10 d释放速率最快, 10~30 d为腐解减缓阶段, 两个阶段的腐解率分别为31.85%、8.82%, 腐解速率在60 d后缓慢趋于稳定, 60 d时累积腐解率为47.27%, 60~120 d腐解率仅上升1.11%。添加石灰氮处理(CaCN2)前30 d腐解最快, 而后腐解速率下降, 保持一定的腐解速率直至试验终点, 120 d时累积腐解率高于其他处理, 达52.34%。CK处理前30 d腐解最快，随后速率逐渐变小, 试验终点时CK处理累积腐解率最低, 仅46.08%。各处理相比较发现, 前5 d各处理间无显著性差异; 10 d时, PU处理与UAN处理的累积腐解率显著高于CK处理; 60 d与90 d时, UAN处理累积腐解率显著高于CK处理; 终点时3个施氮处理累积腐解率均显著高于CK处理。

图1 不同形态氮素对油菜秸秆干物质累积腐解率(a)和腐解速率(b)的影响

CK: 不施用氮素; PU: 尿素; UAN: 尿素硝酸铵; CaCN2: 石灰氮。CK: no nitrogen; PU: urea; UAN: urea ammonium nitrate; CaCN2: lime nitrogen.

2.1.2 腐解速率变化特征

4个处理的油菜秸秆腐解速率均随腐解天数增加而逐渐减小, 且不同处理之间略有差异(图1b)。总体表现为前5 d油菜秸秆腐解速度最大, 各处理的腐解速率都在1.013 g∙d-1以上; 5 d后腐解速率逐渐下降, 90 d后腐解速率均趋于平缓, 90~120 d腐解速率一般降到0.029 g∙d-1以下。其中, UAN处理腐解速率前5 d最大, 达1.207 g∙d-1, 5~10 d腐解速率显著下降, 10 d后腐解速率下降趋势逐渐变缓, 60~90 d时的腐解速率基本达最低值, 为0.017 g∙d-1。PU处理0~10 d腐解速率下降幅度最大, 由1.200 g∙d-1下降到0.320 g∙d-1, 30~60 d时速率下降到最低点, 此后趋于平缓, 30~60 d时速率为0.024 g∙d-1。CaCN2处理腐解速率前5 d较小, 仅1.020 g∙d-1, 5 d之后速率变化趋势与UAN处理相似。

2.2 不同形态氮素对油菜秸秆碳释放特征的影响

2.2.1 碳释放百分率变化

通过图2a可以看出, 碳累积释放率变化与干物质累积腐解率相似。总体表现为施氮处理均比空白处理碳释放率高的特征。其中PU处理的碳释放率前10 d最高, 达29.81%, 10 d后逐渐降低, 60~90 d速率略有回升, 最终释放率为50.29%。UAN处理前5 d释放速率最快, 5~60 d速率较为稳定, 60 d后碳释放率趋向于平缓, 60 d时释放率为47.27%。CaCN2处理前5 d释放较快, 5 d后每个阶段释放速率都仅有小幅降低, 碳释放率稳定升高, 120 d时CaCN2处理碳释放率最高, 达51.52%。分析不同时期各处理的碳累积释放率发现, 0~5 d时4个处理间无显著性差异; 10 d时PU处理显著大于CK处理, 30 d时PU处理和UAN处理显著高于CK处理, 60 d时UAN处理显著高于PU处理与CK处理, 90 d与120 d时3个施氮处理显著高于CK处理且3个施氮处理间无明显差异性。

图2 不同形态氮素对油菜秸秆碳累积释放率(a)和释放速率(b)的影响

CK: 不施用氮素; PU: 尿素; UAN: 尿素硝酸铵; CaCN2: 石灰氮。CK: no nitrogen; PU: urea; UAN: urea ammonium nitrate; CaCN2: lime nitrogen.

2.2.2 碳释放速率变化

从图2b可以看出, 随时间延长, 秸秆碳释放速率逐渐减小, 不同处理的释放速率不同, 且释放速率的降低幅度随着时间延长逐渐变缓, 最终趋于稳定。其中, UAN处理前5 d释放速率最大且在所有处理中最高, 达0.477 g∙d-1, 5~60 d速率持续变小, 60 d后速率趋于平缓, 30~60 d时释放速率为0.031 g∙d-1。PU处理前10 d释放速率较高, 30 d后基本趋于稳定, 略有波动, 10~30 d的释放速率为0.042 g∙d-1。CaCN2处理前5 d释放速率最大, 5~90 d缓慢减小, 90 d后趋于平缓, 60~90 d的释放速率为0.012 g∙d-1。CK处理前10 d释放速率很大, 但速率的降低幅度很大, 10~30 d时速率仅0.038 g∙d-1, 30 d后逐渐减小并趋于平缓。

2.3 不同形态氮素对油菜秸秆氮释放特征的影响

2.3.1 氮释放百分率变化

从图3a可以看出, 各处理的氮累积释放率与干物质、碳释放率变化类似。UAN处理在前30 d释放速率均较大, 30 d时氮累积释放率达48.76%, 30 d后释放速度变缓, 90~120 d释放趋于饱和, 120 d时释放率达54.87%。PU处理前30 d释放速率较大, 为46.21%, 30 d后上升幅度开始变缓, 释放率逐渐趋于稳定。CaCN2处理在前10 d释放速率最大, 10 d时达到34.83%, 10 d后腐解速率略微放缓, 累积释放率稳步增高。CK处理在前30 d释放速率较大, 30 d后速率趋于平缓, 120 d时累积释放率相较其他处理最低, 仅51.19%。分析发现, 前10 d各处理间无显著性差异, 30 d时UAN处理显著高于CK与CaCN2处理, 60 d时各处理间无显著差异, 90 d时UAN处理显著高于其余3个处理, 120 d时UAN处理显著高于PU与CK处理。

图3 不同形态氮素对油菜秸秆氮养分累积释放率(a)及释放速率(b)的影响

CK: 不施用氮素; PU: 尿素; UAN: 尿素硝酸铵; CaCN2: 石灰氮。CK: no nitrogen; PU: urea; UAN: urea ammonium nitrate; CaCN2: lime nitrogen.

2.3.2 氮释放速率变化

从图3b可以看出秸秆氮的释放速率变化规律与干物质释放速率相似, 呈随时间逐渐减小的规律。其中, UAN处理0~5 d时释放速率最大, 达0.014 g∙d-1, 但10 d内速率降低幅度最大, 30~60 d速率基本降到最低值, 60 d后趋于平缓, 30~60 d时释放速率为1×10-4g∙d-1。PU处理0~5 d时释放速率最大, 为0.012 g∙d-1, 5~30 d速率逐渐变慢, 30~60 d速率降低到最低值, 为2×10-4g∙d-1。CaCN2处理释放速率前5 d最大, 为0.011 g∙d-1, 0~30 d释放速率基本保持平稳下降, 30 d后缓慢降低并趋于平缓, 90~120 d时速率为2×10-4g∙d-1。CK处理前5 d释放速率为0.011 g∙d-1, 60 d后速率趋向于平缓, 在2×10-4g∙d-1以下。

2.4 不同形态氮素对油菜秸秆磷释放特征的影响

2.4.1 磷释放百分率变化

从图4a可以看出, 各处理的磷累积释放率与干物质腐解规律类似, 释放率前期较快, 后期较慢。其中UAN处理0~30 d释放速率维持在较高水平, 达43.82%, 30 d后才开始略微变缓, 30~120 d释放速率保持稳定, 120 d时释放率为58.45%。PU处理、CaCN2处理和CK处理快速释放期仅前10 d, 10 d后磷累积释放率变缓直至试验终点, 120 d时释放率分别为55.45%、52.82%和54.64%。对比发现, 前30 d各处理间无明显差异, 60 d 时UAN处理显著高于CaCN2处理, 90 d时各处理间无明显差异, 120 d时UAN处理显著高于CaCN2处理。

2.4.2 磷释放速率变化

从图4b可以看出, 4个处理磷释放速率均随时间延长逐渐变低, 且前期变化大, 后期趋于平缓。UAN处理0~5 d释放速率最大, 达0.45g∙d-1, 5~30 d速率逐渐下降, 30~60 d期间释放速率达最低值, 为0.01g∙d-1, 60 d后趋于稳定。PU处理释放速率变化基本与UAN处理一致, 0~30 d速率较高, 30~60 d达到最低值为0.02g∙d-1。CaCN2处理前30 d释放速率最快, 30~60 d速率达到最低值为0.01g∙d-1。CK处理释放速率变化与CaCN2相似, 30~60 d速率达到最低。120 d时, 除CK外, 其余处理的磷养分释放速率略有回升, 速率均在0.02 g∙d-1左右。

2.5 不同形态氮素对油菜秸秆钾养分释放特征的影响

从图5可以看出, 各处理的钾养分累积释放率规律比较特殊, 与其他养分以及干物质均不同, 钾释放速度很快, 在填埋5 d后基本释放完毕, 各处理钾累积释放率达96.14%~97.4%, 120 d时, 各处理钾累积腐解率无显著差异, 处于 96.61%~97.46%。

CK: 不施用氮素; PU: 尿素; UAN: 尿素硝酸铵; CaCN2: 石灰氮。CK: no nitrogen; PU: urea; UAN: urea ammonium nitrate; CaCN2: lime nitrogen.

图5 不同形态氮素对油菜秸秆钾养分累积释放特征的影响

CK: 不施用氮素; PU: 尿素; UAN: 尿素硝酸铵; CaCN2: 石灰氮。CK: no nitrogen; PU: urea; UAN: urea ammonium nitrate; CaCN2: lime nitrogen.

2.6 120 d时不同形态氮素对油菜秸秆腐解的影响及显著性分析

从表1可以看出, 试验终点时, 添加氮素处理的秸秆累积腐解率显著高于空白处理, 不同氮素处理之间效果不同但差异不显著。碳素释放率表现出与累积腐解率相似的特征。UAN处理的氮养分释放率显著高于PU、CK处理, 试验终点时PU处理的氮释放率基本与空白处理一致。UAN处理的磷养分释放率显著高于CaCN2处理。对比发现CaCN2处理的秸秆累积腐解率最高, UAN处理的养分释放效果最好。PU处理与CK处理相比较, 仅碳释放率和秸秆累积腐解率有显著优势。钾养分释放率在不同处理无显著差异。

3 讨论

影响秸秆腐解的因素很多, 包括作物秸秆种类、耕作方式、栽培模式、填埋深度等[3-4,9-10]。已有研究指出, 秸秆在土壤中的腐解过程通常分快速腐解期和缓慢腐解期两个阶段[4,9]。本研究结果表明, 油菜秸秆随时间延长而腐解量上升, 前期快, 后期慢, 最终趋于平缓。这与前人关于油菜秸秆腐解的研究结果一致[4,17-19]。3个施氮处理累积腐解率均显著高于CK处理, 这可能是由于氮素的施入调节了土壤中的C/N比, 为微生物提供了充足的氮源, 从而加快了腐解进程[6]。

不同形态氮素对油菜秸秆腐解的效应不同, 据此可将不同处理下秸秆腐解的过程分为不同的阶段。PU处理分快速腐解(0~30 d)和缓慢腐解(30~120 d)两个阶段; 一方面PU所含易水解的有机氮仅酰胺态氮一种, 在土壤中经过脲酶作用水解成碳酸铵或碳酸氢铵后可被微生物吸收利用; 另一方面酰胺态氮在水解前以分子形式在土壤中存在, 只有少量能被土壤吸附[20], 容易淋失, 不易在土壤中保存, 腐解过程中外源氮消耗快, 因此仅前30 d腐解速率较快。UAN处理可分为快速腐解(0~30 d)、腐解减缓(30~60 d)和缓慢腐解(30~120 d)3个阶段; 0~30 d腐解速率最快; 30~60 d时腐解速率略有减缓, 但相较其他处理腐解速率依旧保持着较高水平, 这可能是由于UAN所含速效氮的形态多样, 施入农田后迅速被微生物利用, 促进了秸秆的腐解; 同时UAN含有铵态氮, 容易被土壤胶体吸附, 不易流失, 这也可能是UAN处理在30 d后腐解速率得到维持的原因。CaCN2处理可分为快速腐解(0~30 d)、缓慢腐解(30~120 d)两个阶段; 对比发现, CaCN2处理在0~30 d与CK处理的趋势基本一致, 较CK处理没有优势; 30~60 d腐解速率开始逐步与CK处理拉开差距, 60~120 d累积腐解率相较0~60 d降幅为82.04%, 而CK处理60~120 d累积腐解率相较0~60 d降幅为90.91%; 说明CaCN2对秸秆的促腐作用表现在后期(60 d后)。0~60 d腐解速率不具优势的原因可能是腐解前期CaCN2的氮素释放较为缓慢, 其C/N比没有得到有效调节, 微生物活性不高导致腐解速度受限; 腐解中后期氮养分释放后, 变化的C/N比更适宜微生物的生存与活动, 使得累积释放率显著提高。胡庆发[21]指出, 石灰氮单独施用时, 能显著提高土壤脲酶、蔗糖酶和纤维素酶活性。韩玮等[22]的研究指出, 添加外源纤维素酶对土壤中秸秆的降解有明显促进作用, 且纤维素酶的活性与腐解速率呈显著正相关。因此, 酶活性的提高也可能是CaCN2处理累积腐解率高的原因。

表1 不同形态氮素对油菜秸秆累积腐解率及养分累积释放率的影响

秸秆填埋后在土壤微生物作用下腐解并释放出供作物吸收利用的氮、磷、钾养分以及中、微量营养元素[23]。秸秆腐解后能成为较为稳定的有机组分, 对增加土壤有机质、培肥土壤至关重要[24]。秸秆还田已被广泛认为是改善土壤理化性状以及提高土壤肥力的有效措施。本研究中, 碳、氮、磷的释放规律与秸秆累积释放规律基本吻合。CK、PU、UAN处理下的油菜秸秆碳氮磷钾的释放率均表现为钾显著大于碳、氮、磷, 这与已有的研究结果一致[17,19,25-26]。这是由于秸秆中的钾主要是以水溶态存在, 容易释放; 磷一部分以离子态存在, 另一部分以难分解的有机态存在; 而碳、氮主要都是以难腐解的有机态存在, 因此释放速率慢[18,25]。

水稻(L.)-油菜轮作是本研究区域的主要轮作方式, 分析油菜秸秆还田后的腐解规律对于水稻的生长发育具有重要的指导意义。施用CaCN2不仅可以供氮, 而且CaCN2所含的氮是氰氨态, 故可探究施用CaCN2后在氮素形态转化成铵态氮前杀灭水稻田稗草[27]的作用。但适宜江淮地区水稻-油菜轮作体系的具体提前施用时期, 还有待进一步研究和完善。

4 结论

添加各种形态氮素均可以促进油菜秸秆腐解。试验结束时, 施氮处理较未施氮处理油菜秸秆的累积腐解率提高10.80%~13.59%。不同形态氮素对油菜秸秆的促腐效应不同, PU处理和CaCN2处理的秸秆腐解过程可分为快速腐解和缓慢腐解两个阶段, UAN处理的秸秆腐解分为快速腐解、腐解减缓和缓慢腐解3个阶段。

综合来看, 以UAN促进油菜秸秆养分释放的效果较为显著。与不施氮处理相比, 120 d时UAN处理秸秆累积腐解率提高12.04%, 碳、氮、磷累积释放率分别提高9.33%、7.19%、6.97%。各施氮处理对钾的释放率影响不显著。

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Effects of nitrogen forms on decomposition and nutrient releaseof rapeseed straw*

LI Xiaowei1, HAN Shang2, LEI Zhimeng1, WU Ji2**, SHI Zuliang3, SUN Zhixiang1, LI Min2, WANG Hui2, TANG Shan2, CHENG Wenlong2, ZHU Lin1

(1. College of Resources and Environment, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China; 2. Institute of Soil and Fertilizer, Anhui Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of Nutrient Cycling and Resource Environment of Anhui Province, Hefei 230031, China; 3. Rural Energy and Environment Agency, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100125, China)

Excess rape straw causes unreasonable straw processing, such as burning, resulting in resource waste and serious environmental pollution. Returning straw to the soil is an effective way to improve this situation. Previous studies have found that nitrogen can regulate the soil microbial carbon-nitrogen ratio to promote straw decomposition. At present, much research has focused on the effects of nitrogen rate on straw decomposition, whereas the effects of different forms of nitrogen have rarely been proposed. In this experiment, rape straw was returned to soil for 120 days with different forms of nitrogen: urea (PU), urea ammonium nitrate (UAN), and lime nitrogen (CaCN2), at a 90 kg∙hm-2application rate in nylon net bags. The effects of different forms of nitrogen on the decomposition and nutrient release of rape straw were studied. The straw weight and carbon, nitrogen, phosphorus, and potassium contents of straw residues were investigated at 5, 10, 30, 60, 90, and 120 d after straw mixtures were buried into soil to explore characteristics of straw decomposition and nutrient release with the application of different nitrogen forms. The aim of the study was to optimize straw incorporation into soil to improve straw utilization efficiency. The results showed that the decomposition of rape straw was fast in the early stage (0-30 d) and slow in the later stage (30-120 d). At 120 d, the cumulative decomposition rate of rape straw was 46.08%-52.34%. The release rates of carbon, nitrogen, phosphorus and potassium were 44.25%-51.52%, 51.19%-54.87%, 52.82%-58.45%, and 96.61%-97.46%, respectively. The addition of nitrogen significantly promoted the decomposition of rape straw. At 120 d, the cumulative decomposition rate of nitrogen treatments increased by 10.80%-13.59% than that of the control treatment. Different forms of nitrogen have different effects on straw decomposition and release rates of carbon, nitrogen, phosphorus and potassium. Among them, the PU treatment decomposition process was divided into two stages, rapid decomposition (0-30 d) and slow decomposition (30-120 d); at 30 d, the decomposition rate of rape straw reached 40.39%. After 30 d, the decomposition rate gradually became stable and reached 51.06% at 120 d. The UAN treatment decomposition process was divided into three stages, rapid decomposition (0-30 d), slowing decomposition (30-60 d), and slow decomposition (30-120 d); the decomposition rate reached 40.67% at 30 d. The decomposition rate increased by 7.54% from 30 to 60 d, and it was 51.63% at 120 d. The decomposition effect of the CaCN2treatment was mainly manifested after 60 d. At 60 d, the decomposition rate of rape straw reached 44.37%, and was 52.34% at 120 d. Overall, the effect of UAN was more significant. Compared with no nitrogen treatment, the cumulative decomposition rate of straw in the UAN treatment increased by 12.04%; the cumulative release rates of carbon, nitrogen, phosphorus increased by 9.33%, 7.19%, and 6.97%, respectively. The effect of each treatment on the potassium release rate of straw was not significant. Therefore, this study provided the basis for enhancing rape straw decomposition to promote straw resource utilization.

Nitrogen forms; Rape straw; Decomposing; Nutrient release

, E-mail: wuji338@163.com

Aug. 30, 2018;

Dec. 3, 2018

S38; 146+.1

A

2096-6237(2019)05-0717-09

10.13930/j.cnki.cjea.180810

李晓韦, 韩上, 雷之萌, 武际, 石祖梁, 孙志祥, 李敏, 王慧, 唐杉, 程文龙, 朱林. 氮素形态对油菜秸秆腐解及养分释放规律的影响[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2019, 27(5): 717-725

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* 公益性行业(农业)科研专项(201503122-06)、安徽省对外科技合作项目(1604b0602022)、安徽省科技重大专项(17030701055)和国家重点研发计划项目(2018YFD0200905)资助

武际, 主要从事土壤培肥和作物高效施肥技术研究。E-mail: wuji338@163.com

李晓韦, 主要研究方向为土壤学。E-mail: 786709314@qq.com

2018-08-30

2018-12-03

* This study was supported by the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest of China (201503122-06), the Foreign Science and Technology Cooperation Project of Anhui Province (1604b0602022), Anhui Provincial Science and Technology Major Project (17030701055), and the National Key Research and Development Program of China (2018YFD0200905).