水旱轮作条件下稻麦秸秆腐解规律研究

信彩云 马惠 王瑜 赵庆雷 刘奇华 杨军 陈博聪 李景岭 林香青

摘要：为探明水稻-小麦轮作条件下稻麦秸秆还田后的腐解规律，对水稻小麦秸秆还田后不同时期的秸秆残余率和氮、磷、钾、纤维素、半纤维素、木质素的累积释放率及平均释放速率进行研究。结果表明，经过腐解（水稻秸杆210天、小麦秸杆120天），水稻和小麦秸秆最终65%以上已腐解;水稻秸秆中氮、磷、钾、纤维素、半纤维素、木质素分别释放60.95%、6.77%、90.58%、38.77%、9.04%、30.97%;小麦秸秆中氮、磷、钾、纤维素、半纤维素、木质素分别释放24.94%、22.01%、93.64%、25.39%、24.19%、39.13%。稻麦秸秆中钾的累积释放率最高，均超过90%。水稻和小麦秸秆中磷的平均释放速率变化不大，氮和钾的平均释放速率高峰均出现在前期，腐解后期呈降低趋势;纤维素、半纤维素、木质素的平均释放速率要高于氮磷钾元素。

关键词：水旱轮作;稻麦秸秆;腐解规律;养分

中图分类号：S511.01+S512.101  文献标识号：A  文章编号：1001-4942（2019）08-0075-04

Abstract This study was aimed to investigate the decomposition law of rice and wheat straw under the condition of paddy-cereal rotation. The residual rates of straw and the cumulative release rates and average release rates of nitrogen， phosphorus， potassium， cellulose， hemicellulose and lignin of rice straw and wheat straw in different periods were analyzed. The results showed that more than 65% of straw were decomposed when the decomposing time was 210 days for rice straw and 120 days for wheat straw. The cumulative release rates of nitrogen， phosphorus， potassium， cellulose， hemicellulose and lignin of rice straw were 60.95%， 6.77%， 90.58%， 38.77%， 9.04% and 30.97%， respectively，and those of wheat straw were 24.94%， 22.01%， 93.64%， 25.39%， 24.19% and 39.13%， respectively. The cumulative release rate of potassium in rice and wheat straw were the highest and exceeded 90%. The average release rate of phosphorus in rice and wheat straw did not change significantly， and the peak of nitrogen and potassium release rate appeared at early stage， and decreased at late stage of decomposition， and the average release rates of cellulose， hemicellulose and lignin were higher than those of nitrogen， phosphorus and potassium.

Keywords Paddy-cereal rotation; Rice and wheat straw; Decomposition law; Nutrient

作物秸稈是农业生产中主要的副产物，是一种重要的资源。我国土地辽阔，作物种植量庞大，作物秸秆种类有近20种，20世纪中期我国农作物秸秆产量就超过7×108 t，以水稻、小麦、玉米秸秆为主[1，2]。在现代科学技术飞速发展的大背景下，秸秆作为能源的比重大大减少[3]。收获后的秸秆进行还田处理不仅避免了秸秆焚烧引起的一系列环境问题，还可促进生态系统循环[4]。研究表明，秸秆还田可以改善土壤环境和养分状况，有利于作物生长[5]。还田的作物秸秆可以直接提供碳、氮源，改善大田土壤结构和肥力。秸秆还田对农业、生态环境、资源利用均有改善作用。

目前关于秸秆还田的研究多集中在其对土壤物理性状、养分、微生物等方面[6-9]，有关山东地区水旱轮作稻区还田后秸秆腐解的研究较少。为此，本试验对山东水稻-小麦轮作区还田后秸秆腐解变化特征进行研究，探明水旱轮作条件下秸秆的腐解规律，为实现农作物秸秆资源的循环利用提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

山东省水稻研究所济宁试验站（东经116°37′，北纬35°19′）属于温带半湿润大陆性气候，年平均温度13.50℃，年平均降水量697 mm，无霜期200天，是典型的水稻-小麦一年两熟区。试验开始前耕层（0～20 cm）土壤有机质含量18.80 g/kg、全氮2.46 g/kg、碱解氮95.37 mg/kg、有效磷29.69 mg/kg、速效钾196.56 mg/kg，pH值为6.70。

1.2 试验材料与设计

水稻品种为圣稻18，小麦品种为济麦22。供试材料为收割后的作物秸秆。

水稻于2017年6月下旬插秧，10月下旬收获;小麦于11月下旬播种，2018年6月上旬收获。水稻收获后取秸秆进行烘干处理后剪至3～5 cm，称取50 g放于尼龙网袋中。网袋规格为20 cm×15 cm，孔径为100目。小麦播种前一天将水稻秸秆埋入大田，埋深10 cm左右。小麦收获后秸秆处理方式同水稻。水稻移栽前一天将小麦秸秆埋入大田，埋深10 cm左右。

水稻施肥：尿素600 kg/hm2，过磷酸钙1 125 kg/hm2，氯化钾128 kg/hm2。氮肥分为基肥、返青肥、分蘖肥和穗肥4次施用，比例为基肥30%、返青肥20%、分蘖肥25%、穗肥25%。磷肥全部基施，钾肥基肥和穗肥各50%。

小麦施肥：尿素600 kg/hm2，过磷酸钙562.5 kg/hm2，氯化钾100 kg/hm2。氮肥分基肥和返青分蘖肥各50%施用，磷钾肥全部基施。

1.3 测定项目与方法

水稻秸秆埋入麦田后0、35、70、105、140、175、210天和小麦秸秆埋入稻田后0、15、30、45、60、75、90、105、120天取样，分别测定其干重。取水稻秸秆腐解0、70、140、210天样品和小麦秸秆腐解0、30、60、90、120天样品进行氮、磷、钾、纤维素、半纤维素和木质素含量测定。

全氮采用H2SO4-H2O2消煮-蒸馏法、全磷采用钼锑抗比色法、全钾采用火焰光度计法测定，纤维素、半纤维素、木质素含量采用分光度计比色法进行测定[10]。

计算秸秆残余率、某物质累积释放率、某物质平均释放速率[11]：

秸秆残余率（%）= 剩余秸秆干重/原始秸秆干重SymboltB@ 100;

某物质累积释放率（%）=[原始秸秆某物质量（g）-剩余秸秆某物质量（g）]/原始秸秆某物质量SymboltB@ 100;

某物质平均释放速率（g/d）=[N天剩余秸秆某物质量（g）-M天剩余秸秆某物质量（g）]/M与N间隔天数。

试验期内，水稻秸秆腐解期间日均最高温为35.27℃，日均最低温为-1.00℃，月均气温为2.78～26.59℃，5℃以上积温1 873.52℃，10℃以上积温1 654.83℃。小麦秸秆腐解期间日均最高温为36.99℃，日均最低温为4.11℃，月均气温为12.21～28.91℃，5℃以上积温2 187.15℃，10℃以上积温2 055.79℃。

1.4 数据处理与分析

试验数据采用SPSS 18.0和Microsoft Excel 2010进行统计分析和作图。

2 结果与分析

2.1 秸秆腐解规律

由图1可以看出，随着腐解时间的延长，秸秆残余率逐渐减少，至试验结束时，水稻和小麦秸秆均有65%以上被腐解。并且，水稻和小麦秸秆残余率随腐解天数的增加呈现减缓趋势。其中，小麦季水稻秸秆最终残余率为30.73%，水稻季小麦秸秆最终残余率为31.53%，两者差别不大。水稻秸秆麦田中总腐解时间为210天，小麦秸秆稻田中总腐解时间为120天，相差90天，说明小麦秸秆的腐解速率比水稻秸秆高。这应该与腐解的环境以及试验期间的温度有关，小麦秸秆是在水田中腐解，且水稻生育期间的日均温相对较高，这都有利于秸秆腐解。

2.2 水稻秸秆相关指标的释放特征

由表1可知，在整个水稻秸秆腐解过程中，秸秆中钾累积释放率最高，为90.58%，基本全部释放;其次是氮，累积释放率也达到60.95%;纤维素和木质素的累积释放率相差不大，分别为38.77%和30.97%;半纤维素和磷的累积释放率最低，分别为9.04%和6.77%。

钾的平均释放速率高峰出现在腐解中期（70～140天）;氮的平均释放速率呈现降低趋势，高峰出现在腐解初期（0～70天）;磷的平均释放速率变化不大，高峰出现在腐解后期（70～210天）;纤维素、半纤维素和木质素的平均释放速率均较高，其中，纤维素的平均释放速率高峰出现在腐解初期（0～70天），随后呈逐渐降低趋势。

2.3 小麦秸秆相关指标的释放特征

小麦秸秆在稻田腐解中的累积释放率与水稻秸秆在麦田腐解中的变化规律相似（表2）。小麦秸秆中钾的累积释放率达到93.64%，氮的累积释放率较低，只有24.94%，磷的累积释放率为22.01%，纤维素、半纤维素和木质素的累积释放率差别不大，分别为25.39%、24.19%和39.13%。

小麦秸秆中钾的平均释放速率出现在腐解前期（0～30天），随着腐解时间的延长，平均释放速率呈现降低趋势;氮的平均释放速率呈现先升高后降低趋势，高峰出现在中前期（30～60天）;磷的平均释放速率变化幅度不大，腐解前期（0～60天）平均释放速率相对较高;纤维素和半纤维素的平均释放速率呈现先降低后升高趋势，高峰出现在90～120天;木质素的平均释放速率高峰出现在腐解前期（0～30天），随后进入相对稳定阶段，腐解后期（90～120天）表现出升高趋势。

3 讨论与结论

秸秆中氮素大致可分为贮存性氮素和结构性氮素，前者包括滞留在秸秆中的硝态氮、铵态氮和一些小分子有机氮（氨基酸、酰胺等），后者主要是难腐解的有机氮，包括叶绿素、蛋白质（酶）、核酸、胺类、氨基化合物和各种维生素中的氮。贮存性氮素很容易从秸秆中释放，但占比较小;结构性氮素是秸秆氮素的主要组分，必须先经微生物矿化为无机氮才能逐渐释放，且释放速率较慢[12，13]。秸秆本身含钾较多，且大部分以离子态存在，易溶于水，也易释放出来，因此秸秆中钾的释放与水分条件密切相关。作物秸秆主要由纤维素、木质素、蛋白质、醇溶性物质、水溶性物质等成分组成，其中纤维素和木質素含量最多。C/N低的稻秆较容易分解，但对土壤有机质的累积作用小。水稻秸秆含水量较高时即新鲜稻秆分解较快。