不同耕作方式下水稻田麦秸降解效果

王延鹏，汪小旵，施印炎，魏天翔，杨四军，丁启朔

不同耕作方式下水稻田麦秸降解效果

王延鹏1,2，汪小旵1,2※，施印炎1,2，魏天翔1,2，杨四军3，丁启朔1

（1. 南京农业大学工学院，南京 210031；2. 江苏省现代设施农业技术与装备工程实验室，南京 210031；3. 江苏省农业科学院农业资源与环境研究所/农业部长江下游平原农业环境重点实验室，南京 210014）

为研究稻麦轮作区不同耕作方式下水稻田麦秸的降解效果，在淮河中下游砂姜黑土区，试验测试了“耕翻+旋耕+泡田”（PRP）、“旋耕+泡田”（RP）、“泡田+旋耕”（PR）三种耕作方式下麦秸在45和90 d中的降解率、组分、养分残存量等参数变化情况，并在显微条件下观察了秸秆表面形态特征。结果表明：1）几种还田方式下，麦秸降解率都是先快后慢，到还田45 d时，其降解率达45%～55%，还田90 d时最高降解率也不超过58.27%。2）还田时间对麦秸碳（C）、氮（N）、磷（P）、钾（K），微观凹坑径向长度（L）、微观凹坑轴向长度（L），力学强度有显著影响（<0.05），对麦秸组分变化有影响。覆盖还田麦秸C、N、P、木质素、半纤维素随还田时间分别上升至其初始值的1.01～1.33、1.81～3.45、1.15～1.82、1.15～1.39、1.45～2.77倍，而麦秸K、纤维素则下降至其初始值的0.04～0.11、0.77～0.95倍；L和L随还田时间变化上升至其初始值的5.65～13.60、2.48～9.18倍；麦秸剪切、弯曲及压缩强度随还田时间下降至其初始值的0.07～0.34、0.26～0.58、0.43～0.76倍。3）耕作方式对覆盖还田麦秸N、P、K残存量影响显著（<0.05），对组分变化有影响。PRP比RP、PR更能促进麦秸N、P、K、纤维素含量下降，提高木质素含量，而半纤维素随耕作方式变化无明显规律。因此，PRP是覆盖还田麦秸降解的较佳选择，其有助于还田麦秸力学强度下降，易引起秸秆表面崩解并形成微观凹坑，促进秸秆腐解及养分释放。

降解；力学特性；耕作；麦秸还田；微观结构

0 引 言

稻麦轮作制是江淮地区最为普遍的种植制度之一，具有较高的产量和收益[1-3]。然而长期的“重用轻养”导致江淮地区土壤养分含量降低，耕层土壤结构恶化，不利于农业可持续发展[4]。秸秆含碳（C）、氮（N）、磷（P）、钾（K）等多种养分，具有特定的力学强度和形态，秸秆还田可有效补充土壤养分，改善土壤耕层结构[5]。但高复种指数下稻麦轮作区的秸秆还田存在两大难点，其一换茬期间秸秆迅速大量产出，短时难降解[6]，其二麦稻换茬使得田间水量急剧增加，导致秸秆短时释放酚酸等有害物质，不利于水稻的正常生长[7]。而加速秸秆降解、规避麦秸生化他感危害最直接的方式是秸秆还田与耕作措施相结合，即通过耕作措施阻止还田秸秆与稻田水交流[8-9]，旋耕机械二次破碎还田秸秆，促进作物生长[10]。因而，可研究耕作措施对还田秸秆降解的影响，以寻求更适合秸秆降解的耕作方式。

秸秆还田与耕作方式相结合的典型模式是耕翻+旋耕埋草（也叫犁翻或翻耕埋草）、旋耕混草[11-13]。翻耕埋草是将秸秆翻埋入土，然后旋耕机碎土，旋耕混草是利用旋耕机将土壤和秸秆混合，通过秸秆与土壤水分、微生物的充分混合，促进秸秆的降解[14-15]。耕翻埋草、旋耕混草有效的促进了秸秆降解，在旱田研究中比较多见。而稻麦轮作是水旱轮作制的最典型代表，麦-稻换茬后由旱田转水田，田间持水量持续升高，要想通过耕作措施加速秸秆降解和降低还田秸秆化感危害，需考虑犁翻埋草、旋耕混草和泡田的先后顺序。先泡田形成泡田+犁翻+旋耕和泡田+旋耕等模式，泡田后旋耕机搅浆，埋草率下降，秸秆处于水田浅表层概率增加，麦秸与稻田水充分混合释放有机酸，进而影响水稻幼苗生长；优点是先泡田后搅浆，秸秆软化，降低了作业功耗，加速秸秆破碎降解[16]。后泡田形成犁翻+旋耕+泡田和旋耕+泡田等模式，耕翻、旋耕与旱田操作差异不大，优势是泡田前将秸秆与土壤进行了掩埋或混合，使得泡田时秸秆与水分的接触减小，有害物质释放减缓，缺点是旱地耕作增加了作业功耗，易损坏旋耕刀。泡田在中间形成犁翻+泡田+旋耕，犁翻将秸秆初步掩埋，泡田后旋耕机再次将秸秆带回土壤浅表层，影响秸秆掩埋效果，优势是降低化感效应和机械作业功耗。综上所述，泡田时序与秸秆还田、耕作方式的结合各有优劣。泡田后犁翻，容易浪费资源，意义不大。耕翻可能起到隔绝土壤和水分作用，减缓秸秆土壤混合进程，一般和旋耕接续使用，降低旋耕阻力，因此泡田与传统耕作（耕翻+旋耕或旋耕）的时序可转化为泡田+耕作和耕作+泡田两个大类，研究耕作和泡田措施对秸秆降解影响具有重要意义。更进一步，研究水旱转换制度下的耕作对还田秸秆降解具有更重要意义，更有助于明确还田秸秆对下茬作物生长，土壤耕作的负面影响，为科学还田提供指导。

本文提出在耕翻+旋耕+泡田、旋耕+泡田和泡田+旋耕方式下，测定麦秸在相同耕作、还田时间条件下的麦秸降解率、养分和组分残存量、力学强度及微观纹理，探索水稻季覆盖还田麦秸的降解、力学强度和微观结构随耕作方式的变化趋势，以期说明麦秸在土壤表层的降解机理，麦秸力学强度对耕作的潜在影响，为协调“耕作措施-水旱轮作-麦秸还田”提供部分理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验田位于江苏省农业科学院泗洪稻麦科技综合示范基地（118°15′21.90″E～118°15′42.38″E，33°21′47.50″N～33°22′04.53″N）。试验地气候属东亚季风区，年均气温14.6 ℃，年均降水893.9 mm，降雪日9.2 d，无霜期213 d，年均日照2 326.7 h，年均风速3.7 m/s；试验期间累积降水687.0 mm，月极端最高、最低气温分别为37.8 、12.7 ℃，月平均气温26.5 ℃。试验地土壤为砂姜黑土，麦秸掩埋时稻田内平均水位8.44 cm，晒田时土壤表层无流动水。

1.2 供试秸秆

小麦为江苏省农业科学院农业资源与环境研究所育成的迁麦088，取本季小麦采收后成熟秸秆，首先采用久保田588Q进行前茬小麦收获，初次测试（收获）时麦秸初始组分、养分、力学强度参考值依次为：木质素、纤维素和半纤维素为28.85%、83.50 g/kg和4.04 g/kg；C、N、P和K分别为38.34%、0.36%，0.0491%和1.31%；剪切、弯曲和压缩强度分别为40.04、141.47和0.87 MPa，取样时取土壤表层麦秸，取样3次，取样时间依次为2018-06-29、2018-08-14和2018-09-27。

1.3 试验设计

试验采用单因素试验方法，于江苏省农业科学院泗洪稻麦科技综合示范基地的长期定位田进行，试验田外围约121 m×52 m，单个小田块约40 m×11 m，小田块之间、田块与隔离带之间以PVC覆膜隔断。试验田由南到北按参与研究顺序编号1-3（如图1），水稻季进行麦秸全量还田，小麦产量6 000 kg/hm2左右，以长江中下游麦秸草谷比1.39计算得全量还田麦秸约8 340 kg/hm2[17]，其中1田耕翻+旋耕+泡田，具体操作流程为：前茬作物收获后，采用拖拉机（久保田M1004，中国，久保田农业机械（苏州）有限公司）悬挂三铧犁翻土（1LS-330，中国，淮安淮犁机械有限公司），然后旋耕机（1GQNGK-250，中国，河北春耕机械制造有限公司）碎土，最后放水泡田，泡田时间大于2 d，至少大于40 h。2田旋耕+泡田：采用拖拉机拖动旋耕机直接碎土，然后放水泡田，泡田时间与1田模式一致。3田泡田+旋耕：先放水泡田，泡田时间与1、2田泡田时间一致，然后拖拉机拖动旋耕机搅浆。

试验实施的基本流程为，该地区每年5月底进行小麦收获，收获后在当季不还田组进行麦秸收集，切割至15 cm、称量200 g装于55 cm×35 cm、网孔直径0.42 mm的网袋。而后于6月5日－6月15日左右进行土壤耕作，按照前述的1～3田操作流程进行。土壤耕作完成后按1.2中所述第1次时间将用于测试的麦秸置于田块土壤表层，即土壤上表面的水层位置。基于2节气/月，配合试验工作量等，选择15 d整数倍天数用于取样，按照1.2中所述时间进行第2、3次取样。取样后将麦秸置于清水清洗3～5 min或浸提50次。然后将麦秸放入烘箱80 ℃烘干至质量恒定，冷却至室温进行干质量测量，截取10 cm、无节点、相对完整的麦秸进行力学强度和微观形态检测，最后麦秸粉碎过0.150 mm筛，以备麦秸养分、组分检测。

1.4 测定指标及计算方法

秸秆降解率也叫腐解率、失重率或分解率，是衡量秸秆降解效果的重要指标之一，一般是指还田前后秸秆质量之差与还田时间前秸秆质量之比（公式1）[18]。单次测量时，选择粗细均匀，长度一致的秸秆，测量秸秆的总质量、长度和宽度，单组20根，重复3次。

式中D为秸秆降解率，%；0为未还田秸秆样品质量，g；M为次取样秸秆质量，g。

秸秆组分主要包括木质素、纤维素和半纤维素，分别采用硫代硫酸钠滴定法、60%硫酸提取蒽酮比色法和盐酸水解DNS比色法测定，按照1.2所述时间分3次取样，单次取样麦秸木质素、纤维素和半纤维素各测试1次；麦秸养分包括C、N、P、K，分别采用重铬酸钾容量法—浓硫酸外加热法、凯式定氮法、钼锑抗比色法、火焰光度计法，按照1.2所述时间分3次取样，C、N、P、K等参数测试3次；麦秸的剪切、弯曲和压缩力-位移/时间变化采用食品物性分析仪（TMS-PRO，美国，FTC）测定[19]，按照1.2所述时间分3次取样，剪切、弯曲和压缩力测试重复3次。

OLS4100激光共聚焦显微镜（OLS4100，日本，奥林巴斯公司）观察麦秸的表面，并确定其表面是否有深坑，确定深坑的基本形态参数[20]。麦秸的选取原则是麦秸形态完整，以正常人眼5.0视力观察无明显裂痕及损伤。观察麦秸时，用美工刀将麦秸从轴向切为两半，两端压扁并在显微镜下放大20倍观察特征明显的凹坑，观察在麦秸裸露的外表面进行，不同麦秸同一长度位置各标定1次，共计标定2次，结果取均值。如图2所示，显微确定凹坑的向或径向长度（L），向或轴向长度（L），径向两点间线粗糙度（R），轴向两点间线粗糙度（R）；图3是实际测试未还田麦秸微观结构图及采样区域，初次测试时凹坑L、L、R和R均值分别为27.72、45.33、4.61和1.22m。

本研究所有数据均采用WPS 2017-2020 Excel进行预处理及初步统计，采用SPSS 20.0软件进行方差分析，通过Duncan法检验数据的显著性（=0.05）；采用Origin 9.0进行数据信息图像化表示。

2 结果与分析

2.1 方差分析

还田时间反应的是秸秆可能被降解的进程；耕作方式能改变秸秆形态或土壤水、肥、气、热和微生物条件，进而影响秸秆的降解进程；还田时间及耕作方式对秸秆的降解有重要影响。如表1方差分析，纵向比较，还田时间对麦秸C、N、P、K，L、L，剪切、弯曲及压缩强度有显著影响（<0.05），而对降解率、R和R无显著影响（>0.05）。耕作方式对麦秸N、P、K残存量有显著影响（<0.05），而对麦秸降解率，C，L、L、R、R，剪切、弯曲和压缩强度等参数无显著影响（>0.05）。还田时间×耕作方式对N、K残存量有显著影响（<0.05），而对麦秸降解率，C、P，L、L、R、R，剪切、弯曲和压缩强度参数无显著影响（>0.05）。

横向比较，还田时间对麦秸C、N、P、K，L、L，剪切、弯曲及压缩强度等9个参数有显著影响（<0.05），耕作方式对麦秸N、P、K残存量等3个参数有显著影响（<0.05），还田时间×耕作方式对麦秸N、K残存量等2个参数有显著影响（<0.05），各因子对麦秸降解参数影响的数量逐步降低，说明影响秸秆降解进程的各因子排序可能为：还田时间>耕作方式>还田时间×耕作方式。

表1 还田时间、耕作方式及其交互对还田麦秸降解、养分释放、微观参数、力学强度的方差分析

注：ns表示不显著，*表示<0.05，**表示<0.01。

Note: ns means not significant, * means<0.05, ** means<0.01.

2.2 麦秸降解率分析

秸秆降解率是反映秸秆降解程度的最重要指标之一，直接反映秸秆的降解进程。图4所示为不同耕作方式下还田麦秸降解率随还田时间变化动态，各耕作方式下还田45和90 d的麦秸降解率均未表现出差异显著性。从图4分析其差异不显著的原因，耕翻+旋耕+泡田、旋耕+泡田及泡田+旋耕3种方式下，到还田45 d时，麦秸降解率从未降解上升到45%～55%，而还田90 d时，最高降解率也不超过58.27%。这表明还田麦秸在还田0～45 d降解较快，而在45～90 d麦秸降解较慢，降解率变化不大，导致还田45～90 d麦秸降解率差异不显著。

2.3 麦秸养分残存量分析

秸秆养分包括C、N、P、K等物质，养分含量变化是衡量秸秆养分是否释放的重要指标，本部分以养分残存量来表示。图5所示为不同耕作方式下覆盖还田麦秸C、N、P、K残存量随还田时间的变化状况。

从还田时间角度分析，图5a～5d中小写字母（abc）所示，不论何种耕作方式，覆盖还田麦秸C、N、P、K残存量随还田时间变化均存在显著性差异（<0.05）。图5a分析可知，还田0～45 d时，覆盖还田麦秸C含量上升至初始值的1.22～1.33倍，还田45～90 d时，还田45 d麦秸C含量比还田90 d麦秸C含量略有下降，但仍高于其初始值，为其初始值的1.01～1.22倍。图5b～5c分析可知，还田0～90 d，麦秸N、P含量持续上升，分别为其初始值的1.81～3.45、1.15～1.82倍。图5d分析可知，还田0～45 d时，麦秸K含量迅速下降至其初始值的0.05～0.07倍，还田45～90 d时麦秸K含量变化波动变化，仍远低于其初始值，为其初始值的0.04～0.11倍。

从耕作方式角度分析，图5a～5d大写字母（ABC）所示，还田0～90 d时，覆盖还田麦秸C含量随耕作方式变化均无显著性差异（>0.05），麦秸N、P、K含量随耕作方式变化均存在显著性差异（0.05）。图5b分析可知，还田45和90 d时，麦秸N含量随耕作方式变化均表现为：旋耕+泡田（0.79%、0.91%）、泡田+旋耕（0.72%、1.23%）>耕翻+旋耕+泡田（0.65%、0.70%）。图5c分析可知，还田45和90 d时，麦秸P含量随耕作方式变化均表现为：旋耕+泡田（0.069 6%、0.077 9%）、泡田+旋耕（0.067 2%、0.089 6%）>耕翻+旋耕+泡田（0.056 6%、0.069 4%）。图5d分析可知，还田45和90 d时，麦秸K含量随耕作方式变化均表现为：泡田+旋耕（0.09%、0.15%）、旋耕+泡田（0.08%、0.09%）>耕翻+旋耕+泡田（0.07%、0.05%）。秸秆还田的肥料化目标是释放养分，秸秆养分理论上应该越少，从上述图5b～5d分析可知，耕翻+旋耕+泡田更有利于麦秸N、P、K含量下降，但还田后麦秸N、P含量仍高于其初始值0.36%、0.0491%，K含量低于其初始值1.31%。

2.4 麦秸组分残存量分析

秸秆组分主要包括木质素、纤维素和半纤维素等组分，自然状况下秸秆木质素与细胞壁多糖之间紧密的理化结合，限制了木质素的水解，导致秸秆自然分解过程比较缓慢。本部分从麦秸组分残存含量变化来分析麦秸的腐解进程，木质素、纤维素和半纤维素变化越大，秸秆发生的降解的可能性越大。

表2所示为不同耕作方式下覆盖还田麦秸组分随还田时间的变化状况。从还田时间角度来分析，还田45 d时，覆盖还田麦秸木质素、半纤维素含量分别上升至其初始值的1.18～1.37、1.45～2.67倍，纤维素含量下降至其初始值的0.77～0.91倍。还田90 d时，麦秸木质素、半纤维素含量分别为其初始值的1.15～1.39、1.78～2.77倍，麦秸纤维素为其初始值的0.80～0.95倍；其中还田90 d时麦秸木质素含量与还田45 d木质素含量基本持平或略有降低，麦秸半纤维素含量比还田45 d含量主要表现为上升，纤维素含量比还田45 d纤维素含量略有上升，但麦秸木质素、半纤维素均高于其初始值，麦秸纤维素低于其初始值。

表2 不同耕作方式下覆盖麦秸残存组分随还田时间变化

注：45/0表示还田45 d与还田0 d数据之比，90/0表示还田90 d与还田0 d数据之比。

Note:45/0means the ratio of the values at 45 days and 0 day,90/0means the ratio of the values at 90 days and 45 days.

从耕作方式变化来分析，如表2所示，还田45和90 d时，麦秸木质素含量随耕作方式变化表现为：耕翻+旋耕+泡田（39.52%、40.07%）>泡田+旋耕（36.35%、33.07%）、旋耕+泡田（34.09%、33.54%）。还田45和90 d时，麦秸纤维素含量随耕作方式变化表现为：旋耕+泡田（76.31、79.25 g/kg）、泡田+旋耕（73.81、71.74 g/kg）>耕翻+旋耕+泡田（64.17、66.74 g/kg）。还田45 d时，麦秸半纤维素含量随耕作方式变化表现为：耕翻+旋耕+泡田（10.77 g/kg）>泡田+旋耕（7.68 g/kg）>旋耕+泡田（5.87 g/kg）；还田90 d时，其麦秸半纤维素含量为：泡田+旋耕（11.19 g/kg）>旋耕+泡田（8.49 g/kg）>耕翻+旋耕+泡田（7.21 g/kg）。从上述分析可知，耕翻+旋耕+泡田更有助于木质素含量上升，促进纤维素含量下降，耕作方式对半纤维素含量变化无规律，但还田后麦秸木质素、半纤维素含量均高于初始值28.85%、4.04 g/kg，纤维素含量均低于初始值83.50 g/kg。

2.5 麦秸微观结构分析

宏观力学强度变化与材料内部结构、加载测试情况紧密相关，因此有必要深入研究材料的微观结构特征，微观结构研究常采用微观图像进行定性说明，本部分对还田麦秸表观凹坑的大小、粗糙度进行初步量化说明。图6为不同耕作方式下还田麦秸微观参数随还田时间的变化。

图6a～6b分析可知，还田45 d时，各耕作方式下L和L分别上升至其初始值的11.40～13.60、4.71～9.14倍；还田90 d时，各耕作方式下L和L分别为其初始值的5.65～11.44、2.48～9.18倍。这说明微观凹坑随着还田时间逐步扩大，且在X方向上扩大倍数（最大、最小倍数分别为13.60和5.65倍）高于Y方向上扩大倍数（最大、最小倍数分别为9.18和2.48倍），还田麦秸在径向的纤维束之间的粘结层区域容易受到破坏，扩大麦秸的微观凹坑，原因是还田时间影响微生物对麦秸降解的可能性和进程，秸秆材料为各向异性有机材料，时空差异比较大，因而造成上述差异[21-22]。

图6c～6d分析可知，还田45d时，各耕作方式下R和R分别为其初始值的0.80～1.61、0.65～1.68倍；还田90 d时，各耕作方式下R和R分别为其初始值的0.91～1.08、0.59～1.97倍。这说明麦秸微观凹坑粗糙度R和R随着还田时间并未出现剧烈变化，粗糙度变化在2倍以内；造成R和R差异的原因可能是秸秆材料各向异性和降解差异，麦秸是各向异性材料[23]，时空差异比较大[24]，造成了不同耕作方式、还田时间下麦秸R和R的差异[25-26]。

2.6 麦秸力学强度分析

秸秆力学强度是相同面积或跨度条件下剪切、弯曲、压缩力的大小，反映了秸秆中各成分被微生物菌降解的程度，降解度越大，秸秆断裂力或秸秆力学强度越小。样本为取样0、45和90 d的麦秸，收获期为0 d，腐解期为45和90 d。图7a～7c为不同耕作方式下还田时间对覆盖还田麦秸力学强度的影响，分析可知，不论何种耕作方式，腐解期麦秸力学强度与收获期麦秸力学强度差异显著（<0.05），表明还田麦秸力学强度随还田时间（0～45 d）会发生较大程度的变化。

图7a～7b分析可知，还田45 d时，各耕作方式下覆盖还田麦秸剪切、弯曲强度下降至其初始值的0.25～0.34、0.26～0.58倍；还田90 d时，麦秸剪切、弯曲强度为其初始值的0.07～0.20、0.27～0.34倍，各耕作方式下还田90 d麦秸剪切、弯曲强度低于还田45 d时剪切、弯曲强度。图7c分析可知，还田45 d时，各耕作方式下覆盖还田麦秸压缩强度下降至其初始值的0.49～0.76倍；还田90 d时，麦秸压缩强度为其初始值的0.43～0.73倍，还田90 d时麦秸压缩强度与还田45 d时麦秸压缩强度相差不太大，还田45～90 d麦秸压缩强度下降较小。以上数据分析表明，还田麦秸力学强度下降较大，降解程度较高，原因可能是麦秸与土壤微生物接触较充分，麦秸降解的较充分，最终导致麦秸力学强度数值越小[27-28]。

3 讨 论

3.1 耕作方式及还田时间变化的方差分析

秸秆的降解本质上是微生物对秸秆的腐蚀，可能是厌氧、好氧或兼性发酵等过程。一般而言，时间是衡量秸秆降解进度的重要指标，然而方差分析表明，还田时间对麦秸降解率、R和R的变化影响并不显著。这说明秸秆的降解可能是非连续性的，或者说秸秆的降解是分阶段进行的，本研究得出初步结论，还田0～45 d还田麦秸降解较快，还田45～90 d麦秸降解较慢，这使得还田45和90 d还田麦秸部分参数变化差异不显著。

方差分析表明耕作方式对麦秸N、P、K残存量变化影响显著，对其他参数变化影响不显著。然而实际采样的麦秸与耕作未发生直接作用。这说明耕作确实引起了土壤微生物、水分的变化，进而诱发微生物对麦秸中易降解N、P的腐蚀，麦秸K从麦秸中释放，但是耕作引起土壤微生物、水分的间接变化对秸秆降解的大部分参数影响不大，仅仅局限于麦秸中N、P、K等易于降解的物质。

3.2 还田麦秸养分、组分变化差异性

本研究中麦秸N随着还田时间为先上升后略有下降，但取值仍高于N初始值，呈现上升趋势，麦秸P含量随还田时间的变化呈现上升趋势，还田45～90 d麦秸K缓慢上升或波动变化，这不符合降解规律。可能是因为耕作造成麦秸微生物的再分配差异，土壤微生物在土壤中一般为比较稳定的状态，耕翻、旋耕等操作会打乱原有的微生物群落、数量平衡，对麦秸、土壤、微生物进行再次分配，再分配的结果可能会造成微生物群体的生长、稳定或衰落，多数情况下微生物可能在麦秸上定殖不成功，由此引起微生物对麦秸N、P的变化差异，也可能是因为土壤本体的N、P养分含量大于麦秸本体，造成土壤中的N、P养分因水泡处理迁移至麦秸表面；K素含量差异可能是由于麦秸所处的水环境相关，造成了麦秸K含量在有限的时间内释放出来，然后又回归到麦秸中，麦秸中的游离态K和稻田水中的K实现了动态平衡，导致了麦秸K的残存量略有上升。

本文研究覆盖麦秸降解率较高，麦秸P和K含量更低，这说明麦秸中的相对易降解成分（P、K、纤维素、半纤维素）在覆盖层更容易降解。P和K在麦秸中属于60%或100%的无机物，在水环境中更容易被降解，对降解微生物的依赖程度相对较小。而秸秆翻埋、旋耕混草处理的麦秸C、N、纤维素、半纤维素比覆盖麦秸C、N残存量更低，这说明秸秆翻埋、旋耕混草更有利于麦秸C和N的降解。造成这种现象的主要原因可能与麦秸C、N的组成结构相关。麦秸C、N多存在于木质素、纤维素和半纤维素等有机物中，与氨基酸、可溶性物质相比，短时间内木质素等组分降解更难一些，翻埋秸秆比覆盖秸秆接触微生物的概率、数量、群体更高，更有可能促进麦秸C、N的降解[29]。麦秸纤维素和半纤维素属于多糖类物质，相对于木质素这类含芳香族化合物的结构，纤维素、半纤维素更容易降解一些[30]，龚振平等[31]研究了玉米秸秆的木质素、纤维素等的降解规律，也得出了同样的规律，即秸秆纤维素、半纤维素比木质素更容易降解，纤维素、半纤维素含量变化引起木质素含量变化。

3.3 还田麦秸组分-微观-力学关联变化

不论是何种耕作方式和还田时间，还田麦秸木质素、纤维素和半纤维素均出现了差异。还田麦秸组分随时间变化说明了麦秸降解进程差异，说明微生物可能会对麦秸的组分变化起到了一定的促进作用，组分的变化可能导致麦秸微观差异，甚至是麦秸力学强度的变化。

麦秸微观结构变化受观测、麦秸降解等多种因素的影响。还田时间对麦秸L和L有显著影响，微观凹坑随着还田时间逐步扩大，还田麦秸在X向或径向的纤维束之间的粘结层区域容易受到破坏，扩大麦秸的微观凹坑。这说明微生物对麦秸的降解可能是堆积性的，集中于粘结层的薄弱位置对麦秸进行腐蚀，麦秸微观凹坑持续扩大。若微观参数持续扩大，可能会影响到麦秸的力学强度参数变化，微观结构差异引起宏观力学强度、形态变化。

还田时间对麦秸力学强度有显著影响，且各耕作方式下还田麦秸力学强度随时间变化规律不一致。这说明力学强度的变化是由麦秸降解进程引起的，麦秸降解可能是由组成成分差异和微观结构变化引起的。其降解过程可能是由收获时麦秸相对完整，微观结构开始出现凹坑，并随着还田时间延长逐步扩大，直到麦秸的纤维与软组织破裂，麦秸骨架开始破坏，麦秸力学强度出现较大程度的下降，麦秸由较完整的整体破裂为较小的散碎麦秸部分，与范春辉等关于麦秸的降解的研究有一定的相似性，还田后麦秸残体的形态学变化可能为“结构致密—表面崩解—骨架破坏”，力学强度、微观凹坑检测在一定程度上可解释麦秸的降解过程[32-33]。

4 结 论

1）耕翻+旋耕+泡田、旋耕+泡田和泡田+旋耕方式下的覆盖麦秸还田，其降解率变化都是先快后慢，到还田45 d时，其降解率达45%～55%；还田90 d时，最高降解率也不超过58.27%。

2）还田时间对麦秸碳（C）、氮（N）、磷（P）、钾（K），微观凹坑径向长度（L）、微观凹坑轴向长度（L），剪切、弯曲及压缩强度有显著影响（<0.05），对组分变化有影响。还田麦秸C、N、P、木质素、半纤维素随还田时间分别上升至其初始值的1.01～1.33、1.81～3.45、1.15～1.82、1.15～1.39、1.45～2.77倍，麦秸K、纤维素则下降至其初始值的0.04～0.11、0.77～0.95倍；L和L随还田时间变化上升至其初始值的5.65～13.60、2.48～9.18倍；剪切、弯曲及压缩强度下降至其初始值的0.07～0.34、0.26～0.58、0.43～0.76倍；还田麦秸表面崩解并形成微观凹坑，力学强度下降较大。

3）耕作方式对覆盖还田麦秸N、P、K含量影响显著（<0.05），对组分变化有影响。耕翻+旋耕+泡田比旋耕+泡田、泡田+旋耕更能促进麦秸N、P、K、纤维素含量下降，提高木质素含量，而半纤维素随耕作方式变化无明显规律。耕翻+旋耕+泡田是覆盖还田麦秸降解的较佳选择，其有助于还田麦秸力学强度下降，易引起秸秆表面崩解并形成微观凹坑，促进秸秆腐解及养分释放。

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Decomposition of wheat stalk under different tillages in rice field

Wang Yanpeng1,2, Wang Xiaochan1,2※, Shi Yinyan1,2, Wei Tianxiang1,2, Yang Sijun3, Ding Qishuo1

(1.,,210031,; 2.,210031,; 3.,/,,210014,)

Straw returning has widely been used in circular agriculture and soil conservation tillage in recent years. This study aims to explore the decomposition impacts of the wheat stalk under three tillage modes on the paddy filed in the summer rice and winter wheat system. A field experiment was conducted at the Shajiang black soil zone in the middle-lower reaches of Huaihe River. Three tillage treatments were set in the paddy filed, including “ploughing+rotary+puddling (PRP)”, “rotary+puddling (RP)”, and “puddling+rotary (PR)”. The decomposing parameters were then measured, such as the decomposing rates, the residual contents of the wheat stalk nutrients and components from 0 to 90 days (45 days as step length). A laser confocal scanning microscopy (OLS-4100, Olympus) was selected to characterize the microstructure of wheat stalk. The results showed that: 1) The decomposition rate varied fast in the early stage, but slowly in the late stage. Specifically, the decomposition rate rapidly reached 45%-55% during 0-45 days, while the maximum value of the decomposition rate was less than 58.27% under different tillage and straw returning modes at 90 days. 2) There were significant effects of returning time on the parameters, such as wheat stalk nutrients (including carbon (C), nitrogen (N), phosphorus (P), and potassium (K)), micro structures (including radial or-direction length (L), axial or-direction length (L)), and mechanical properties (including shearing strength (SS), bending strength (BS), compressive strength (CS)) (<0.05). The influence of returning time was found on the wheat stalk components (including Lignin (L), cellulose (Ce), Hemicellulose (He)). The residual contents of the wheat stalk components and nutrients such as C, N, P, L, and He increased to 1.01-1.33, 1.81-3.45, 1.15-1.82, 1.15-1.39, 1.45-2.77 times than those of the indexes at 0 day. Meanwhile the residual contents of the wheat stalk K and Ce decreased to 0.04-0.11, 0.77-0.95 times than those of the indexes at 0 day. TheLandLof micro-structure parameters were 5.65-13.60, 2.48-9.18 times than those of the indexes at 0 day. The wheat stalk SS, BS, and CS at 45 and 90 days would decreased to 0.07-0.34, 0.26-0.58 and 0.43-0.76 times than those of the initial parameters at 0 day. 3) There were significant effects of tillage on the residual contents of the wheat stalk N, P and K (<0.05), while impacts on the residual contents of the wheat stalk L, Ce and He. Comparing with the treatment of RP and PR, the treatment of PRP rapidly reduced the residual contents of the wheat stalk N, P, K, and Ce, but quickly increased residual contents of the wheat stalk L, while there was no reasonable order of residual He. Consequently, the PRP treatment presented a better performance for straw degradation in this case. This finding can greatly contribute to reduce the mechanical strength of wheat stalk and release nutrients when returning wheat straw to the field in sustainable agriculture.

decomposition; mechanical properties;tillage; wheat straw returning; micro structure

王延鹏，汪小旵，施印炎，等. 不同耕作方式下水稻田麦秸降解效果[J]. 农业工程学报，2021，37(15)：239-247.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.15.029 http://www.tcsae.org

Wang Yanpeng, Wang Xiaochan, Shi Yinyan, et al. Decomposition of wheat stalk under different tillages in rice field[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(15): 239-247. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.15.029 http://www.tcsae.org

2021-01-21

2021-07-08

江苏省农业科技自主创新资金（CX（17）1002）

王延鹏，博士生，研究方向为农业生物环境检测与评估。Email：2017212010@njau.edu.cn

汪小旵，博士，教授，研究方向为农业生物环境模拟与调控。Email：wangxiaochan@njau.edu.cn 中国农业工程学会会员：汪小旵（E041200345S）

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.15.029

S210.3

A

1002-6819(2021)-15-0239-09