双季稻地区不同类型水稻秸秆与还田深度对还田秸秆腐解进程的影响

王子阳，陈婉华，袁 伟，马贤超，周正萍，刘世平

（江苏省作物遗传生理重点实验室，江苏省作物栽培生理重点实验室，江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心，扬州大学，江苏 扬州 225009）

我国是粮食生产大国，生产粮食的同时，大量农作物秸秆也随之产生。2017 年底，我国作物可收集资源量已达8 亿～9 亿t，水稻、小麦、玉米三大作物的秸秆总量占全国秸秆资源总量的84.8%［1-3］。秸秆是农业生产中的副产品，作物收获后的秸秆焚烧、随意丢弃会增加环境治理压力［4-5］。作物秸秆含有丰富的氮、磷、钾等作物生长所必需的营养元素，秸秆还田可以减少化肥的使用量，提高作物产量和资源的利用效率［6-9］。秸秆还田后能否很好地分解，将影响到下季作物的生长发育，研究秸秆在土壤中的腐解规律，有助于制定合理的还田工艺。秸秆施入土壤后其腐解速度与养分释放受到秸秆的化学组成、土壤性质和分解的环境等多种因素的影响［10-11］。有关小麦-玉米、小麦（油菜）-水稻种植方式秸秆腐解的研究较多，杨志谦等［12］的研究表明，作物秸秆碳氮比在一定程度上影响作物秸秆腐解的速度。张素瑜等［13］认为，秸秆腐解速度的快慢与土壤中水分含量的多少有关，腐解速度随着土壤水分含量的增加而增加；也有研究者认为，还田深度与秸秆腐解、养分释放有所关联，一定的还田深度更利于秸秆的腐解与养分释放［14-15］。双季稻秸秆腐解的研究相对较少，针对不同类型水稻秸秆的研究还未见报道。张洪程等［16］在江西省探索“籼改粳”的研究工作已取得较大进展，双季晚粳稻表现出较大的高产和稳产潜力，双季稻一般为早籼晚籼和早籼晚粳组合，随着粳稻在双季稻地区的推广应用，晚粳面积将不断扩大，秸秆的类型将越来越多。秸秆还田作为一项秸秆综合利用的有效途径，为探讨双季稻地区不同类型水稻秸秆还田的腐解进程，进行了本试验研究。

1 材料与方法

1.1 研究地区概况

研究在江西省上高县现代农业综合示范区试验田内进行。地理位置为东经115°12′，北纬28°27′，年日照时长为1725 h，年平均气温为18.9 ℃，年降水量为1683.5 mm。

1.2 供试材料和方法

试验于2017 年4 月至2017 年11 月进行，两季水稻，供试土壤为红壤土，土壤的有机质含量为29.30 g/kg，全氮含量为1.92 g/kg，碱解氮、有效磷、速效钾含量分别为154.0、16.3 和125.5 mg/kg，pH 为5.3。

供试早稻品种为株两优308，晚稻品种为甬优538，通过根袋试验研究双季稻秸秆的腐解进程和碳氮变化。秸秆腐解量采用尼龙网袋法测定，尼龙网袋长×宽为15 cm×10 cm，孔径1 mm。早稻季还田包括隆香优130（L，杂交籼稻）和甬优538（Y，杂交粳稻）两种秸秆，晚稻季还田包括江早361（J，常规籼稻）和株两优308（Z，杂交籼稻）两种秸秆。80 ℃烘干后，剪切成1 cm 左右放入尼龙网袋中，每袋装4.0 g，每个处理3 次重复，预埋0 和10 cm 两个深度，L0 为隆香优130，埋深0 cm；L10 为隆香优130，埋深10 cm；Y0 为甬优538，埋深0 cm；Y10 为甬优538，埋深10 cm；J0 为江早361，埋深0 cm；J10 为江早361，埋深10 cm；Z0 为株两优308，埋深0 cm；Z10 为株两优308，埋深10 cm。秸秆埋后15、30、60、90 d 定期收回根袋（晚稻增加至120 d），取样后样品经洗净，80 ℃烘干。利用失重法测定秸秆腐解速度，并测定秸秆的含氮率及有机碳率。秸秆全氮用半微量凯氏法，有机碳用重铬酸钾容量法测定［17］。

1.3 参数计算

秸秆腐解率（%）=（试验前网袋内秸秆质量－网袋内秸秆残留质量）/试验前网袋内秸秆质量×100。

分别测定水稻秸秆原始样的全碳、全氮含量。每次取样后测定秸秆的全碳、全氮含量，计算秸秆养分释放率。

秸秆氮碳释放率（%）=（试验前网袋内秸秆氮碳含量－第t 天网袋内秸秆氮碳含量）/试验前网袋内秸秆氮碳含量×100。

1.4 数据处理方法

数据采用SPSS 16.0 进行统计分析，LSD 法进行多重比较（α=0.05）；采用Excel 2007 绘制图表。

2 结果与分析

2.1 双季稻不同水稻类型秸秆和埋深对秸秆腐解率的影响

双季稻不同水稻类型秸秆和埋深对秸秆腐解率的影响如图1 所示，早稻季秸秆还田各处理秸秆腐解均表现为前30 d 秸秆腐解速率最快，至秸秆还田后第30 d，L0 和L10 处理秸秆腐解率分别 为38.75%和38.08%，Y0 和Y10 处 理 秸 秆 腐解率分别为32.83%和30.25%。秸秆腐解率均表现为L0＞L10、Y0＞Y10。秸秆还田后30 到90 d，所有处理秸秆腐解速度呈现递减的趋势，秸秆腐解速率变缓。秸秆还田后第90 d，秸秆腐解率为61.25%～66.0%，平均为64.0%，秸秆腐解速率仍表现为L0＞L10、Y0＞Y10，差异不显著。

图1 双季稻不同水稻秸秆还田的腐解率

早稻季秸秆还田腐解率杂交籼稻高于杂交粳稻，不同埋深早稻秸秆腐解率差异不大，在土壤表层腐解速率略快，秸秆还田后30 到90 d，秸秆腐解速率增速变缓。

晚稻季秸秆还田各处理秸秆腐解均表现为前30 d 秸秆腐解速率最快，至秸秆还田后30 d，J0 和J10 处理秸秆腐解率分别为54.64%和54.37%，Z0和Z10 处理秸秆腐解率分别为35.25%和31.97%。秸秆腐解率均表现为J0＞J10、Z0＞Z10。秸秆还田后30 到90 d，所有处理秸秆腐解速度呈现递减的趋势，秸秆腐解速率变缓。秸秆还田后90 d，J0 和J10 处理秸秆腐解率分别为75.41%和71.31%，表层秸秆腐解速率略快，也快于早稻秸秆。Z0 和Z10处理秸秆腐解速率分别为65.57%和58.2%，表现为J0＞Z0、J10＞Z10。秸秆还田后120 d 晚稻季秸秆腐解率常规籼稻为75.96%～80.05%，杂交籼稻为65.57%～68.31%，两种秸秆腐解率平均为72.47%，表层秸秆腐解速率略快。

晚稻季秸秆还田腐解速率常规籼稻快于杂交籼稻，土壤表层腐解速率更快，秸秆还田后第90 d 晚稻秸秆腐解速率比早稻要快，这可能与晚稻生长环境温度较高有关。晚稻处理中杂交籼稻的腐解速度较慢，这可能是与秸秆的结构组成有关。

总的来看，秸秆腐解速率晚稻季快于早稻季，常规籼稻快于杂交籼稻，杂交籼稻快于杂交粳稻，表层秸秆腐解速率略快于下层秸秆。同时呈现前期快，中后期逐渐放缓的趋势。

2.2 双季稻秸秆还田后氮释放率的变化

随着秸秆腐解，秸秆含氮率会发生一定的变化，秸秆有机氮逐渐释放。由图2 可见，早稻季秸秆在还田后到30 d 秸秆氮释放相对较慢，开始可能还有吸收固氮的过程。Y0 在秸秆还田后15 d 秸秆氮释放最慢，释放率为17.22%。Y0 在秸秆还田后30 d 秸秆氮释放率达到36.84%，秸秆氮释放率最高。秸秆还田30 到60 d，秸秆氮释放率增长呈现上升趋势。到90 d，秸秆氮释放率增长趋于平缓，各处理秸秆氮释放率达60%左右，各处理间无明显差异。

图2 双季稻水稻秸秆还田后氮释放率

早稻季秸秆在还田初期秸秆氮释放较缓，这可能与吸收固氮有关。在秸秆还田30 d 后秸秆氮释放率增长较快，到90 d 秸秆氮释放率增长趋于平缓。秸秆还田初期，不同埋深秸秆氮释放率无明显差异，在秸秆还田30 d 后，Y0 的秸秆氮释放率均高于土壤下层（Y10）秸秆，说明早稻季杂交粳稻秸秆表层还田氮释放更快，与秸秆腐解速率不同，杂交籼稻固定氮的能力较强。

晚稻季秸秆还田后，秸秆氮释放率呈现为J0＞Z0、J10＞Z10。在秸秆还田后30 d 秸秆氮释放率差异最为明显。同一类型不同埋深秸秆氮释放率差异不显著。秸秆还田30 d 后，土壤表层秸秆氮释放率高于下层。Z0 和Z10 处理在秸秆还田后15 d 时最小，分别为11.68%和10.43%。秸秆还田后30到60 d，Z0 和Z10 处理秸秆氮释放率呈现上升趋势，达到40%以上，并在60 d 后上升趋势趋于平缓。到秸秆还田后120 d，各处理秸秆氮释放率达60%左右。

晚稻季常规籼稻秸秆氮释放率高于杂交籼稻秸秆，在秸秆还田后30 d 差异最为明显。在秸秆还田30 d 时，不同埋深秸秆氮释放率无明显差异，而在60 d 后土壤表层秸秆氮释放率略高于下层，可能与秸秆还田初期吸收固氮的过程有关。晚稻季秸秆表层还田氮释放更快。

2.3 双季稻水稻秸秆还田后碳释放率的变化

秸秆含有大量的化学能，是土壤微生物生命活动的能源。秸秆还田为土壤微生物活动繁殖提供了充足的能源和碳源，可以增强各种微生物的活性，促进纤维的分解。秸秆还田后不同埋深对碳释放率的影响，由图3 可见，随着秸秆还田时间的推移，早稻季秸秆碳释放率呈现平缓上升趋势。在秸秆还田后30 d，秸秆碳释放率达60%。

图3 双季稻水稻秸秆还田后碳释放率

不同埋深对秸秆碳释放率影响不大，土壤表层秸秆碳释放率较土壤下层略高。秸秆还田后90 d，秸秆碳释放率达80%左右。

早稻季各处理碳释放率随着还田天数的推移增长平缓，不同埋深对早稻季秸秆碳释放率影响不显著。

随着晚稻季秸秆还田天数的推移，晚稻季秸秆碳释放率呈现平缓上升趋势。秸秆还田后30 d，常规籼稻秸秆碳释放率达60%以上，杂交籼稻秸秆碳释放率达50%以上。不同埋深对秸秆碳释放率影响不大，土壤表层秸秆碳释放率较土壤下层略高。秸秆还田后90 d，常规籼稻秸秆碳释放率达80%以上，杂交籼稻秸秆碳释放率达70%以上。

晚稻季秸秆还田后碳释放率与早稻季变化相似。常规籼稻秸秆碳释放率高于杂交籼稻秸秆。不同埋深对晚稻秸秆碳释放率影响不显著，表层碳释放略快。

3 讨论

3.1 不同水稻类型秸秆和埋深对秸秆腐解率的影响

本研究结果显示，双季稻秸秆在土壤表层的腐解速度更快，这与胡宏祥等［18］研究结果一致，而与旱作作物的研究结果有一定差异。李新举等［19］研究结果显示，覆盖在表层的小麦秸秆腐解速度较慢，主要原因为表层土壤水分条件较差，且土壤水分不易留存。本试验所处地区土壤水分充足，秸秆水分饱和，土壤表层温度较高，更有利于微生物的繁殖，同时在水稻生育初期，田间保持浅水层，土壤中微生物较为活跃，在一定程度上加速了秸秆的腐解［20-21］。不同埋深、不同类型的秸秆腐解都呈现前期快、中后期放缓这一特点，多数研究者的研究也印证了这一点［22-24］。水稻秸秆主要是由易分解的可溶性化合物与不易分解的纤维素、半纤维素、木质素、单宁和蜡质等构成［25-26］。随着还田时间的增加，秸秆中易分解物质减少，在90 d 时，早稻的秸秆平均腐解率可达64.00%，而同期晚稻秸秆的平均腐解率为67.62%，晚稻秸秆的腐解率略高于早稻秸秆，究其原因可能是由于晚稻生育期内的气温要高于早稻，同时，由于在晚稻秸秆还田时，早稻秸秆已先期腐解，田间微生物量、微生物群落数量维持在一定水平，更利于晚稻秸秆的腐解［27］。晚稻秸秆由于腐解时间更长，其腐解率在120 d 时常规籼稻为75.96%～80.05%，杂交籼稻为65.57%～68.31%，两种不同类型的秸秆可能在组成成分与组成成分的含量不同导致了两者腐解率具有差异，而剩余未分解部分，如木质素、蜡质等属于短期内难以分解的部分，完全分解可能需要一年甚至更长的时间［28］。

3.2 双季稻秸秆还田后氮和碳释放率的变化

双季稻的氮释放过程呈现为前期较慢，中期增长，后期放缓的一个过程。一般水稻移栽时，在大田中会施用大量的氮肥作为基肥，氮肥作为速效养分，易于被土壤中的微生物吸收固定，而秸秆中的氮元素分解矿化的过程较长，导致在秸秆还田初期，秸秆中的氮释放速度较慢，微生物难以获得秸秆中的氮素。随着还田时间的延长，土壤中的微生物数量与活性提高，秸秆的氮释放速度随之提高。晚稻秸秆的氮释放率在秸秆还田的前期要快于早稻，这可能是由于晚稻的移栽是紧接着早稻收获后进行的，且气温较高，土壤中的微生物量与活性都维持在较高水平有关。秸秆还田30 d 后土壤表层秸秆氮释放率均高于土壤下层，这可能与微生物多在土壤表层，同时与其需要吸收氮素进行固氮的过程有关。不同埋深对双季稻秸秆氮释放率影响不显著。但有学者的研究结果显示，秸秆深埋的氮释放要高于秸秆表层覆盖，这可能与气候、秸秆类型和田间是否有浅水层有关［29-30］。

双季稻秸秆还田的碳释放整体呈现前期释放迅速、中期逐渐放缓的过程。秸秆中的双季稻早稻季秸秆还田碳释放率在15 d 时即达到50%以上。秸秆中的碳元素主要以有机态存在，微生物在繁殖过程中需要大量碳源物质，对有机碳需求较高，使得秸秆还田初期碳释放迅速［31］。随着还田时间的增加，整体呈平缓上升的趋势。

4 结论

双季稻秸秆还田秸秆腐解过程总体呈前期快、中后期平缓的状态。不同埋深对早稻秸秆腐解率影响不显著。杂交籼稻腐解率高于杂交粳稻。晚稻季表层秸秆腐解率高于深层，常规籼稻秸秆的腐解率高于杂交籼稻。

双季稻秸秆腐解过程中氮释放呈现前期慢、中期快、后期缓的状态。常规籼稻秸秆的氮释放率高于杂交粳稻。

双季稻秸秆腐解过程中，秸秆的碳释放呈现前期快，中后期缓的状态。不同埋深对秸秆碳释放的影响不显著，常规籼稻秸秆的碳释放率高于杂交籼稻。