黑龙江垦区玉米秸秆腐解规律试验研究

刘少东，汪 春，张 伟，王汉羊

(1.黑龙江八一农垦大学 a.工程学院；b. 电气与信息学院，黑龙江 大庆 163319；2.中国热带农业科学院 南亚热带作物研究所，广东 湛江 524091)

0 引言

东北地区是我国玉米的适宜种植区和最大主产区[1]，玉米播种面积占全国玉米总播种面积的30%以上，春玉米产量占全国玉米总产量的29%[2]。黑龙江垦区是我国机械化程度最高的商品粮生产基地，2013年玉米种植面积达到89万hm2，占黑龙江省玉米播种面积13%以上[3～4]。秸秆是重要农产品，农业投入要素的50%左右转化为农作物秸秆[5]。秸秆是大量水肥光气热等资源的生物转化产物，但在我国仅有10%的秸秆还与农田，被废弃和焚烧的损失量高达21%[6]。丢弃或焚烧均是对农业资源的巨大浪费，且会造成环境污染。目前，秸秆肥料化、饲料化和燃料化是国内秸秆利用的主要方式。然而，考虑到次年玉米种植抢农时需要，垦区玉米收获后必须在土壤封冻前完成翻松和起垄，实现“黑色越冬”，因此需要在极短时间内处理掉海量玉米秸秆。受制于快速打捆运输和存放场地条件，饲料化与燃料化方法均难以实现。近年来，随着黑龙江垦区农业生产年限的增加，黑土中所含有机质减少，土壤肥力下降，土地退化情况日益严重。秸秆含有碳、氮、磷、钾及各种微量元素，还田后可以培肥地力，改善土壤结构和理化性能，提升土壤有机质，增强土壤保蓄水能力[7]。黄毅[8]、王喜艳[9]等的研究表明：玉米秸秆翻埋还田更能有效避免营养元素的挥发，改善土壤理化性质和作物生长的农田生态环境。因此，秸秆破碎后直接翻埋还田，是当前黑龙江垦区玉米秸秆处理的最合理方式。

由于种植习惯及气候条件差异，目前黑龙江农垦不同管理局旱作区玉米种植模式与机械化耕作模式多种形式并存。体现在秸秆粉碎还田模式上，各农场玉米收获后在秸秆粉碎方式、粉碎程度及秸秆翻埋深度等方面还在耕作实践中摸索经验，尚未形成统一共识，秸秆还田模式尚有优化空间。

秸秆还田方法与种植成本息息相关，合理的耕作模式是产出与成本之间的最佳平衡点。找到在不同翻埋深度、不同土壤含水量及不同破碎程度条件下玉米秸秆的腐解规律和养分释放规律，可为找到秸秆还田效果和耕作成本上最佳结合点，进而为黑龙江垦区玉米秸秆还田模式乃至玉米耕作模式提供依据。

1 方法与材料

本试验采用正交试验设计方法，综合分析影响秸秆还田效果影响因素[10]，选取秸秆长度、秸秆埋置深度、土壤含水量及腐解时间为试验因素。经多个农场现场调研，目前黑龙江垦区还田玉米秸秆破碎程度为长度6cm左右，秸秆平均埋深为20cm，耕深极限值为30cm。文献[11]给出了黑龙江各地土壤质量含水率变化范围为11%～36%。以上述各因素的均值或范围为参考，不考虑因素间交互作用，采用4因素3水平正交试验设计方案，各因素及其水平取值情况如表1所示。

表1 验 正交试验因素水平表

选取L9(34)正交设计表进行试验组合，各试验组因素及水平安排如表2所示。

表2 正交试验方案及实验结果表

供试秸秆取自黑龙江垦区北安管局建设农场，玉米品种为德美亚2号。取样时间为玉米收获期，选择若干径粗3.5cm左右玉米秆，从根部截断整株取回并去除叶片及叶鞘后，截取较难腐解的秸秆下段(从根部向上30cm)，作为供试材料。按正交试验需要，将秸秆分别切为3、6、9cm小段后用烘箱烘干备用。

供试土壤为取自北安管局建设农场0～20cm耕层土壤。土壤取回后过筛剔除小石块及植物根系等杂物，经风干后充分拌和混匀，从中随机取样测试土壤养分情况为：有机质含量7.7 g/kg，碱解氮含量159.2mg/kg，速效磷含量17.3mg/kg，速效钾含量72.8mg/kg，pH值为5.64。将土样分为3份，分别将其加水调制为质量含水率10%、20%和30%，然后装满尺寸为L50cm×W50cm×H50cm的9个自制木质试验箱，并将试验箱按照正交试验方案中含水量水平编号后备用。

秸秆腐解率测定采用尼龙袋法。具体做法是：将不同长度烘干秸秆段各取30g，装入60目尼龙袋内(尺寸为15cm×10cm)并编号，按试验方案埋入方案中的预定深度。尼龙袋埋入试验箱前，分别在袋内装入足量对应含水量的土壤后混匀，确保秸秆与土壤充分接触。此外，埋入位置距箱体四壁至少10cm，避免土与箱壁接缝影响试验结果。

在室内培养条件下进行，试验地点位于黑龙江八一农垦大学农业水土实验室，室内装有空调装置用于控温。试验箱按正交试验设计表编号后置于实验室内，并按照称重补水法确保箱内土壤总体含水量保持不变，室内温度保持在(25±3℃)。试验箱内尼龙袋按表2中预定时间，分别在30、90、150天时测取秸秆腐解率。

腐解率测试方法：将尼龙袋取出后，分离土壤与秸秆残余物，将秸秆残余物冲洗并烘干后称重，用失重法[12]计算秸秆腐解率Rd。具体计算公式为

Rd=(Wi-Wf)/Wi×100%

式中Wi—秸秆初始干重；

Wf—秸秆腐解残余物干重。

2 试验结果与分析

表2中，试验结果所列腐解率数据为重复3次试验(同条件下同时埋入3袋，确保重复试验条件相同)的腐解率平均值。

2.1 级差分析

计算各因素各水平的极差(见表2)。可以看到：土壤含水量极差RA为31.3，腐解时间极差RB为16.3，秸秆长度极差RC为7.2，翻埋深度极差RD为10.7。因素极差越大，表示该因素水平变化对试验结果的影响也就越大。在本试验所选的因素中，土壤含水量级差远高于其它因素的极差，即土壤含水量对秸秆腐解程度影响最大。秸秆破碎长度对秸秆腐解速率的影响最小，但埋置深度与秸秆长度对腐解率的影响程度较为接近。从数值上看，各因素主次顺序为：土壤含水量>腐解时间>埋置深度>秸秆长度。

从各因素变化趋势看，秸秆腐解率随土壤含水量和腐解时间正向变化，而与秸秆长度和秸秆埋置深度呈反向变化。

2.2 各因素的影响分析

根据正交试验“均衡分散、整齐可比”的特性，绘制各因素对秸秆腐解速率的影响趋势曲线，如图1所示。

由图1可以看出：随着土壤含水量的增加，秸秆腐解率总体呈现增大趋势。这是因为土壤中90%的有机质是由土壤微生物群落分解的[13]，而土壤水分变化对土壤微生物活性影响极为显著，土壤微生物总量随土壤含水量降低而减少[14]。由此表明，土壤含水量较大时，更有利于秸秆腐解。

从变化速率来看，腐解率随土壤含水量的增加呈现非线性增加态势。土壤含水量由10%变为20%时，腐解率由38.3%变为64.8%，增加了26.5%，增幅较大；而含水量由20%增加为30%时，腐解率仅增加4.8%，增幅变缓明显。左玉萍[15-16]发现在关中娄土中土壤含水量对秸秆降解率影响极为显著，并给出了秸秆腐解的适宜土壤含水量区间为15%～22.5%。由图1曲线变化趋势可以推测，秸秆在黑土中腐解也存在最适宜含水量条件。受限于本试验土壤含水量水平数量，无法清晰给出秸秆腐解率随土壤水分变化的曲线路径；但可推断，腐解率峰值可能出现在土壤含水量20%和30%间，亦可能出现在30%之后。显然，本试验中秸秆腐解适宜含水量整体水平高于关中娄土秸秆腐解适宜含水量水平。鉴于土壤含水量对秸秆腐解效果影响的显著性，同时考虑到东北黑土与西北地区土壤在结构质地、成分构成及生物群落种类等方面均存在较大差异， 秸秆腐解适宜含水量区间可开展进一步研究。

腐解率与腐解时间关系曲线如图2所示。图2中，秸秆腐解率随腐解时间增长而增加。秸秆腐解最快的时期为翻埋还田早期，秸秆埋入土中后30天，秸秆腐解率达到47.1%；秸秆还田90天秸秆腐解率达到62.1；在30～90天时间段，相比前30天，腐解时间增加1倍，但腐解率仅增加了15%；及至150天，秸秆腐解率达到63.4%，仅增加1.3%，腐解速度明显减慢。胡宏祥[17]等对水稻秸秆进行还田试验亦得到相同结论，证实了这一规律的普遍性。张成娥[18]、曹莹菲[19]分别从秸秆腐解过程中微生物群落演替及物质腐解难易程度的角度对此进行了解释。此外，前期新鲜秸秆与土壤接触充分，微生物分解活动活跃，故而秸秆腐解较快；腐解到一定程度后，秸秆残存木质素与粗纤维状态疏松，与土壤接触不充分，因而分解较慢。

图2 腐解率与腐解时间关系曲线

本试验中，将秸秆长度分别设置为3、6、9cm等3个水平。随着长度的增加，秸秆腐解率变化趋势如图3所示。

图3 腐解率与秸秆长度关系曲线

由图3可知：破碎尺寸较小时，秸秆腐解率较高；随着秸秆长度的增加，秸秆腐解率逐渐降低。这是因为秸秆粉碎程度越高，秸秆与土壤结合越紧密，越有利于微生物的分解活动。纵海英[20]试验分析了玉米秸秆粉碎程度对次年小麦产量的影响，结果表明：玉米粉碎越细，次年小麦产量越高。从腐解率变幅看，秸秆长度为9cm时，秸秆腐解率均值为53.4%；秸秆长度为6cm时，秸秆腐解率均值58.6；秸秆长度为3cm时，秸秆腐解率均值为60.6；秸秆长度由9cm变为6cm时，腐解率提高5.2%。秸秆长度6cm与3cm时的秸秆腐解率极为接近，3cm长秸秆段比6cm秸秆段腐解率仅提高2%。通过对秸秆长度因素分析可以看出：过短的秸秆长度对秸秆分解速率提高影响并不显著；秸秆长度短于6cm后，秸秆长度对腐解率的影响极为微小。此外，前文极差分析已获知在本试验选定因素中秸秆粉碎长度对秸秆腐解率影响最小。因此，在秸秆还田作业中不宜追求过细的秸秆粉碎度。

腐解率与秸秆埋深关系曲线如图4所示。图4中，随着翻埋深度增加，秸秆腐解速率下降。李新举[21]对小麦秸秆进行腐解试验，指出秸秆腐解主要靠土壤中的微生物作用，土壤微生物主要集中在较浅土层中，故埋藏浅的秸秆腐解率较高，显然在玉米秸秆腐解也存在近似规律。从腐解率变化幅度看，翻埋深度由30cm减为20cm，秸秆腐解率由51.3%提高至59.3%，提高幅度相对较大；埋深由20cm减为10cm，秸秆腐解率仅提高2.7%，减缓明显。埋深10cm时，秸秆腐解率为62%。由曲线变化趋势可以推测：埋深小于10cm时，秸秆腐解率会进一步提高，但增幅会进一步减缓。文献[22]指出玉米秸秆翻埋腐解率高于免耕覆盖情形。据此推测，腐解率最高的秸秆翻埋深度可能出现在0～10cm的耕层范围内。

图4 腐解率与秸秆埋深关系曲线

3 结论

1)土壤水分状态对秸秆腐解的影响最为显著。在本试验设定的土壤含水量范围内，秸秆腐解率与土壤含水量呈正相关关系，土壤含水量越大，秸秆腐解越快。

2)在培养条件下，腐解时间对秸秆腐解有重要影响。秸秆腐解最快的时间段是秸秆埋入土中的前90天，此后随时间增长，腐解率增幅变慢。本试验中，供试材料为较难腐解的秸秆中下段，在大田耕作实践中，秸秆叶穗皮混掺且被收获机械深度破碎，故其实际腐解程度应会高于试验数据。

3)在本试验所选的因素及水平组合中，秸秆翻埋深度与秸秆长度对秸秆腐解率影响相对较小，但其影响规律清晰。秸秆埋深越浅，其腐解率越高，秸秆埋深为10cm时，秸秆腐解率达到较高值。秸秆腐解率随秸秆段长度减短而增加，当秸秆长度短于6cm时，其腐解率提高幅度不大。

4 讨论

玉米在黑龙江垦区各管理局均有种植，分布于第一、第二、第三、第四和第五积温带[23]，遍布于黑龙江省东西部的12个地市，各区域土壤含水量差异显著。此外，垦区东西部管理局玉米收获时间与秸秆还田形式也不尽相同，各农场秸秆还田在腐解时间、破碎程度和翻埋深度等方面存在差异。考虑到上述因素均会影响秸秆还田效果，耕作中应根据各农场实际条件建立因地制宜的秸秆还田模式。

前述结论中，土壤含水量对秸秆腐解效果的影响显著，可以根据土壤含水量调整作业方法。达到某一具体腐解率要求、土壤含水量较高的区域，可以减少或降低秸秆破碎还田次数或作业强度，从而降低作业成本。从秸秆段长度看，秸秆破碎到6cm左右即可。过短的秸秆长度会增加作业成本，但秸秆腐解率并不能得到有效提高。此外，秸秆翻埋深度较浅时，可以降低作业难度和节省油耗，同时获得较高的秸秆腐解率。因此，在秸秆还田实践中，在不影响其它耕作效果和种植要求的前提下，建议浅埋。