不同施氮量对半干旱区还田玉米秸秆腐解及养分释放特征的影响

2020-04-29陈建英罗超越邱慧珍邓德雷张春红郭亚军张建斌

干旱地区农业研究 2020年1期

陈建英，罗超越，邱慧珍，邓德雷，张春红，郭亚军，张建斌

(甘肃农业大学资源与环境学院,甘肃省干旱生境作物学重点实验室,甘肃省畜禽废弃物资源化利用工程研究中心,甘肃兰州 730070)

我国作为一个农业大国，秸秆资源量丰富，每年产生秸秆近9.0×109t，占世界秸秆总产量的三分之一左右[1-2]，其中绝大部分为禾谷类农作物秸秆[3]。秸秆中含有丰富的矿质元素，据估计，9.0×109t秸秆中约含氮3.0×106t，含磷7.0×105t，含钾7.0×106t，相当于我国目前化肥施用量的1/4，而且秸秆中含有大量微量元素[4-5]。据统计，2015年全国秸秆综合利用率约为80%左右，仍有2.0×109t左右的秸秆通过不同途径进行焚烧或废弃[1]。随意丢弃的秸秆会将其上附着的病虫卵带入土壤或水体，引起土传病害和水体污染；而就地焚烧后产生超过5.0×108t的碳被排放到环境中，给生态环境带来严重的危害[6]。

目前我国作物秸秆的综合利用方式主要有肥料化、饲料化、能源化、材料化，其中秸秆还田作为保护性耕作技术的核心内容，不仅可以改善土壤理化性状，还可以提高土壤有机质含量，培肥地力，是有效合理利用作物秸秆及改变土壤耕层结构的重要措施之一[5,7-8]。秸秆降解后不仅可以释放大量的氮、磷、钾补充农作物的生长需求[9]，还可以进入土壤碳循环，增加土壤总有机碳储量[10]。

秸秆还田是土壤有机培肥的主要方式，其还田后的腐解过程由物理、化学和微生物作用共同参与，其中，土壤微生物活动起着决定性作用。微生物对物质的分解具有偏嗜性和优先性，不同的作物秸秆其结构和组分不同，其微生物分解特性也存在较大差异。因此，作物秸秆本身的结构和组分是秸秆腐解的内在属性和决定因素；土壤微生物的种类、数量及活性是外在动力，易受到外界环境因素的影响[11]。凡是能影响土壤微生物活动的因素就会对秸秆腐解产生影响。土壤影响微生物活动的因素主要有土壤水分、温度、通气性和养分状况[12-15]。其中水分和温度受环境影响较大，而通气性和养分状况受人为影响较大，尤其是养分状况。有研究[15]得出，中等肥力的土壤中还田秸秆矿化率最高，在高肥力土壤中还田秸秆腐殖化效果最好。也有研究[16]发现，秸秆还田配施适量氮肥能显著增加土壤微生物量碳氮和有机碳含量，提高土壤酶活性，促进秸秆的分解。不同的农作物秸秆自身的组成成分和C/N不同，导致还田后分解速度存在差异。因此，可以通过添加适量的外源氮素调节C/N，促进还田秸秆的腐解和养分释放，提高农作物产量和经济效益。

目前，对还田秸秆矿化分解的研究多集中于秸秆的用量、类型和还田方式等条件下秸秆的分解状况及其养分释放特征，而关于连续施氮条件下玉米秸秆的腐解特征还鲜有报道。因此本文采用尼龙网袋埋置法，研究连续不同施氮水平下玉米秸秆的腐解及养分释放特征，为该区合理利用秸秆资源与养分资源管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018年4—10月在甘肃省定西市安定区香泉镇的定位试验点进行，该定位试验点始于2013年4月。试验区海拔2 053～2 556 m ，年平均气温6.9℃ ，年降水量400 mm 左右，年蒸发量1 531 mm，无霜期140 d。该区土壤类型为黄绵土，0～20 cm土层土壤的基本理化性状见表1和表2。供试玉米秸秆采自附近农户，初始养分情况为有机碳423.67 g·kg-1,全氮为9.01 g·kg-1,全磷1.23 g·kg-1,全钾18.22 g·kg-1,C/N为47.01。

表1 土壤基本理化性状

表2 2018年播种前0～20 cm土层土壤矿质氮含量/(mg·kg-1)

注：T1：不施氮肥(CK);T2：75 kg·hm-2;T3:150 kg·hm-2;T4:225 kg·hm-2;T5:300 kg·hm-2;T6:375 kg·hm-2。不同字母表示各处理在P<0.05水平差异显著。下同。

Note: T1： no nitrogen fertilizer (CK); T2: 75 kg·hm-2;T3:150 kg·hm-2;T4:225 kg·hm-2;T5:300 kg·hm-2;T6:375 kg·hm-2. Different letters were significantly different among treatments at theP<0.05 level, the same below.

1.2 试验设计

田间试验设6个氮水平：T1:0 kg·hm-2;T2:75 kg·hm-2;T3: 150 kg·hm-2;T4: 225 kg·hm-2;T5: 300 kg·hm-2; T6: 375 kg·hm-2。N肥用尿素(N,46%),P肥用过磷酸钙(P2O5，16%)，施用量为225 kg·hm-2，K肥用硫酸钾镁肥(K2O，24%)，施用量292.5 kg·hm-2,所有肥料在播种时做基肥一次性施入。每处理重复4次，随机区组排列，小区面积为7.2 m×6 m=43.2 m2,种植作物为马铃薯“青薯9号”，采用宽垄双行覆膜种植，开沟0.1 m后，沟施肥料起梯形垄，垄宽1.0 m，沟宽0.4 m，用点播器将原种整薯播种于0.15 m深处，每垄种植2行，行距0.7 m，株距0.2 m，种植密度为76 500株·hm-2，于2018年5月1日播种，10月11日收获，在此期间采用滴灌模式进行灌溉，其余田间管理措施同当地大田。

试验采用尼龙网袋法，进行等量玉米秸秆腐解试验。马铃薯种植之后，在每个处理的试验地耕层(垄上，马铃薯种植行之间)5～10 cm深处埋置装有42.64 g(长度5 cm左右)玉米秸秆的尼龙网袋(25 cm×15 cm，100目)共15个。每隔30 d取样一次，每个处理3次重复，共取样5次。

试验期间通过埋设的“watchdog”芯片对网袋埋置层进行土壤温度和水分的测定，取其平均值作为当月秸秆还田层的温度和水分含量(表3)。取样后，尼龙网袋用水冲洗干净，在80℃条件下烘干称重，利用失重法计算秸秆腐解率。采用常规分析法[17]测定秸秆有机碳含量及养分含量，有机碳含量用重铬酸钾容量法-外加热法，全氮含量用H2SO4-H2O2消煮-蒸馏法，全磷含量用钒钼黄比色法，全钾含量用火焰光度法测定，并计算养分释放率。

腐解率(%)=(M0-Mt)/M0×100%

养分释放率(%)=(M0C0-MtCt)/M0C0×100%

式中,M0为秸秆初始干重(g)；Mt为腐解时间为t时的干重(g)；t为腐解时间(d)；C0为秸秆原始养分含量，Ct为腐解时间为t时养分的含量。

表3 秸秆还田层的温度和水分含量

1.3 数据处理

本研究采用SPSS 25统计软件和Duncan法对数据进行处理及显著性检验。采用Microsoft Excel 2016软件进行图表的绘制。

2 结果与分析

2.1 不同施氮量处理下的秸秆腐解特征

通过不同施氮水平下还田玉米秸秆的腐解率可以看出(表4)，玉米秸秆的腐解率随施氮量的增加先增加后减小，以T5处理的腐解率最高，并未表现出施氮量越高腐解率越高的趋势，这可能是因为适宜的氮素添加能够调节还田秸秆的C/N，促进腐解微生物的生长，当氮素过量时会抑制微生物的活性，减弱其腐解能力。在还田30 d时，也就是马铃薯苗期，T1、T2处理的腐解率分别为13.46%和13.64%，显著低于其他施氮处理，说明不施氮或低施氮量不利于前期玉米秸秆的腐解。在还田前90 d，玉米秸秆腐解率增加较快，T1～T6处理的腐解率占总腐解率的比例分别为70.87%，75.95%，84.48%，85.21%，91.05%，90.81%，说明在本实验条件下，无论施氮量高低，玉米秸秆的腐解主要发生在还田前90 d，究其原因，可能是因为腐解后期随着易分解性有机物的逐渐减少，剩余部分为较难分解的有机物，且腐解后期土壤温度下降，微生物活性降低，不利于秸秆分解[18]。还田150 d时，T1～T6处理的玉米秸秆腐解率分别为52.66%、53.02%、53.20%、52.79%、55.77%、53.34%，T5处理显著高于其他处理，说明连续施氮量为300 kg·hm-2时有利于玉米秸秆的腐解。

表4 不同施氮水平下还田玉米秸秆的腐解率/%

注:同列不同字母表示各处理在P<0.05水平差异显著。

Note: The different letters in the same column indicate that each treatment is significantly different atP<0.05 level.

2.2 不同施氮量处理下的秸秆养分释放特征

不同施氮水平下还田玉米秸秆的碳素释放率见图1。在秸秆腐解过程中，秸秆中的碳素呈持续释放状态，在玉米秸秆腐解前期，秸秆中碳素释放较快，随腐解时间的延长，碳素释放速度逐渐减缓。在还田前90 d，也就是马铃薯块茎膨大期之前，各处理玉米秸秆的碳素释放率在总释放率中的占比均达到80%以上，其中T5和T6处理的玉米秸秆碳素释放率分别为56.60%和53.93%，显著高于T1、T2处理的48.18%和50.63%(P<0.05)，说明不施氮肥或低施氮量不利于腐解前期玉米秸秆碳素的释放，而高施氮量有利于腐解前期碳素的释放。经过150 d的腐解，T1～T6处理的玉米秸秆碳素释放率分别为59.29%、61.18%、61.40%、60.45%、64.12%、59.96%，T5处理显著高于其他处理(P<0.05)。

图2为不同施氮水平下还田玉米秸秆的氮素释放率。从整个腐解过程来看，玉米秸秆的氮素释放也呈逐渐增加的趋势，随腐解时间的延长，表现出前期快、后期慢的规律，且不施氮处理的玉米秸秆氮素释放率明显低于施氮处理，这与碳素释放规律一致。还田前90 d，不施氮处理和施氮处理的玉米秸秆氮素释放率分别占整个腐解过程玉米秸秆氮素释放率的80.45%和90.11%，处理间差异显著(P<0.05)，说明还田玉米秸秆的氮素释放主要发生在还田后的前90 d，而且施氮处理可以促进腐解前期玉米秸秆氮素释放。还田150 d后，玉米秸秆氮素释放率为T5(47.89%)>T4(47.33%)>T6(46.70%)>T3(45.88%)>T2(44.56%)>T1(42.06%)，各处理之间无显著性差异(P>0.05)。

图1 不同施氮水平下还田玉米秸秆的碳素释放率Fig.1 Carbon release rate of returning corn stalks under different nitrogen application levels

图2 不同施氮水平下还田玉米秸秆的氮素释放率Fig.2 Nitrogen release rate of corn stalks returned to the field under different nitrogen levels

图3 不同施氮水平下还田玉米秸秆的磷素释放率Fig.3 Phosphorus release rate of corn stalks returned to the field under different nitrogen levels

不同施氮水平下还田玉米秸秆的磷素释放率如图3所示。随腐解时间的延长，玉米秸秆中磷素的释放与碳素和氮素的释放规律一致，呈现出先快后慢的整体趋势。还田前90 d，玉米秸秆中磷素释放率为43.12%～49.23%，其释放量占整个腐解期磷素释放总量的75%以上，说明玉米秸秆磷素释放主要发生在还田前90 d。经过150 d的腐解，玉米秸秆的磷素释放率为52.76%～56.43%。秸秆中磷素的释放随施氮量变化不规律，原因可能与磷酸根离子在土壤中迁移速度慢且迁移距离短、秸秆释放的磷仍部分吸附于秸秆上有关，但这一点仍有待进一步研究。

图4为不同施氮水平下还田玉米秸秆的钾素释放率。与碳、氮、磷素释放规律一致，玉米秸秆中钾素的释放也呈前期快、后期慢的特点。还田前30 d玉米秸秆中钾素快速释放；30～90 d，钾素释放缓慢；90 d以后，玉米秸秆中钾素的释放趋于平稳。经过150 d的腐解，不施氮处理玉米秸秆钾素释放率为93.72%，施氮处理钾素释放率为91.41%～94.01%，各处理间无显著性差异(P>0.05)，说明施氮量对玉米秸秆钾素的释放没有显著性影响。秸秆中钾素释放率高于氮素和磷素的释放率，这可能是由于秸秆中的钾以离子形态存在，易溶于水，极易从秸秆中释放。

图4 不同施氮水平下玉米秸秆的钾素释放率Fig.4 Potassium release rate of corn stalk under different nitrogen levels

3 讨论

经过150 d的腐解，不施氮处理和施氮处理的玉米秸秆腐解率均为53%左右。各处理玉米秸秆的腐解趋势基本一致，都呈现出前期快、后期慢的特点，这与前人研究[19]结果一致。有研究显示，施氮处理抑制了还田秸秆的前期腐解[20-21]，而刘单卿[22]通过对不同还田方式下小麦秸秆的腐解特征研究发现，配施氮肥可以促进小麦秸秆前期腐解，本研究得出相似结论，在快速腐解期(还田前90 d)不施氮处理的腐解率显著低于施氮处理。庞荔丹[23]通过研究玉米秸秆还田腐解率发现，增施氮肥能够促进玉米秸秆的腐解，且玉米秸秆腐解率随施氮量的增加而增加，这与王静静等[24]的研究结果一致。赵建红[25]通过水氮管理对还田秸秆的腐解影响研究发现，随施氮量的增加，还田秸秆的腐解率呈先增加后降低的趋势。本研究得出相似结论，施氮量为300 kg·hm-2时玉米秸秆腐解率最高，之后随施氮量的增加腐解率降低。这可能是因为适量的外源氮素添加调节了还田秸秆的C/N，不仅为微生物的生长提供了充足的氮源，还促进了土壤中纤维素等一些碳水化合物水解酶的活性[26]，当氮素过量时会抑制微生物的活性，减弱其腐解能力。还田秸秆腐解过程中释放的碳，或参与土壤有机物的合成，或分解为CO2排放到大气中。整个腐解过程，玉米秸秆有机碳释放的变化规律与腐解率趋势基本一致，马铃薯生育期内玉米秸秆中约61%的碳得到释放。

秸秆氮素释放与秸秆自身腐解呈近直线正相关，秸秆前期腐解量较大，故氮释放速率也较快[11]。在玉米秸秆腐解前期(还田前90 d)，施氮处理的全氮释放率显著高于不施氮处理，且T5处理最高，说明施氮有利于秸秆前期氮素释放，这与张亮[26]的研究结果一致。顾炽民[27]通过施氮对关中灌溉区秸秆还田小麦生长及秸秆腐解规律影响的研究发现，施用氮肥有促进秸秆腐解及氮素释放的趋势，但差异不显著，这与本研究结果相似。张珊等[28]的研究得出，还田秸秆的氮素释放随施氮量的增加而增加。本研究结果与之存在差异，氮素的释放随施氮量的增加先增加后减小，这与赵建红[25]研究结果一致。氮肥的使用促进了玉米秸秆的腐解，促进了养分释放，另外也可能是外源氮素适量的添加对秸秆腐解过程中氮素的释放有一定的激发效应[27]。施用氮肥对磷、钾的释放无显著性影响，有研究[29-30]得出，施用氮肥对秸秆碳和干物质分解无显著影响，但可促进秸秆中磷的释放，抑制氮和钾的释放，这与本研究结果不一致。产生差异的原因可能是因为秸秆种类、土壤类型及气候和温度的不同。

秸秆腐解释放出丰富的氮、磷、钾及多种微量元素，可以补充作物生长过程中所需的营养元素。腐解150 d后，秸秆中氮、磷、钾的释放率分别为42.1%～47.9%、52.8%～59.7%、91.4%～94.0%，养分释放率表现为：K>P>N，这与前人[31-33]的研究结果一致。秸秆中营养元素的存在形态是决定其释放速度快慢的主要原因。秸秆中的钾含量高且以离子形态为主，易溶于水故而释放较快；秸秆中60%的磷素以离子形态存在，剩余部分为难分解的有机磷，且秸秆中磷素含量低于钾含量。秸秆中的氮有一小部分是易分解的硝态氮(NO-3-N)和铵态氮(NH+4-N)，剩余的大部分都是一些难分解的有机氮，包括叶绿素、蛋白质(酶)、核酸及氨基化合物等，难分解的有机氮经微生物矿化为无机氮才能逐渐释放，故而分解缓慢[34-35]。