不同碳氮比下秸秆腐解与养分释放的动力学特征

李然，徐明岗，孙楠，王晋峰，王斐，李建华

不同碳氮比下秸秆腐解与养分释放的动力学特征

李然1, 2，徐明岗，孙楠，王晋峰1，王斐1，李建华1

1山西农业大学生态环境产业技术研究院/土壤环境与养分资源山西省重点实验室，太原 030031；2中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/北方干旱半干旱耕地高效利用全国重点实验室/农业农村部耕地质量监测与评价重点实验室，北京 100081

【目的】研究不同碳氮比下秸秆腐解和养分释放的动力学特征及其影响因素，为秸秆资源充分利用和煤矿区复垦耕地质量提升提供理论依据。【方法】依托山西煤矿复垦试验基地，开展大田填埋试验。供试玉米和小麦秸秆烘干过2 mm筛，通过添加尿素将玉米和小麦秸秆C/N比分别调节为25和10，以不添加尿素的秸秆（其C/N比分别为52和74）为对照，秸秆均按有机碳8 g称取后混匀，装于尼龙网袋（0.38 µm孔径）内，水平埋入试验基地15 cm深的土壤中。在埋入土壤后的第12、23、55、218、281、365天采集尼龙袋内样品，分析玉米和小麦秸秆的干物质残留量、养分（碳、氮、磷和钾）释放的动态变化。【结果】前55 d，添加氮肥加快了玉米秸秆的腐解，以C/N比为25时腐解效果最佳。添加氮肥加快了小麦秸秆的腐解，以C/N比为10时腐解效果最佳。氮的添加可以显著促进前55 d玉米秸秆碳、磷的释放；氮的添加可以显著加快小麦秸秆碳、氮和磷的释放，对小麦秸秆中钾释放的促进作用不显著。小麦和玉米秸秆腐解及氮钾释放的一级动力学方程用积温拟合优于用时间拟合，秸秆磷的释放不适用衰减指数方程拟合。当积温为年积温（4 600 ℃）时，小麦和玉米秸秆碳、氮、磷和钾释放率的平均值分别为49.2%、39.5%、40.8%和90.3%；当累积积温达到1 125 ℃时，秸秆钾素释放85%以上。秸秆的腐解主要受温度、有机碳、木质素和半纤维素影响。【结论】施氮能加快玉米秸秆前期的腐解和碳、磷的释放，可以显著加快小麦秸秆的腐解和碳、氮、磷的释放。用温度拟合的方程比时间方程更能反映秸秆的腐解和氮钾释放过程。秸秆腐解主要受土壤温度，秸秆中有机碳、木质素和半纤维素含量的影响。因此，应结合煤矿区的水热条件，进行实时实地秸秆还田并配施适量的尿素，以提高复垦土壤的氮磷钾含量。

C/N比；秸秆；腐解；养分释放；动力学方程；煤矿复垦区

0 引言

【研究意义】山西煤炭资源的过度开采使耕地资源破坏严重，而煤矿复垦过程中对土壤的巨大扰动会导致土壤有机碳含量极度下降[1]。提升复垦耕地有机碳最直接有效的途径就是输入外源有机碳[2]，如添加农作物秸秆。我国农作物秸秆种类多、总量大，占全球秸秆资源量的1/5左右[3]，其中以玉米和小麦秸秆为主。农作物秸秆中氮磷钾养分含量高且含有丰富的木质素、纤维素等有机物。适量的秸秆还田既能增加土壤有机质、改良土壤结构和促进作物根系的发育，又能减少化肥施用量并避免其露天焚烧对环境的负作用[4]。如果秸秆还田过大会造成出苗不齐和土壤中速效养分竞争，也会造成土壤养分失调和作物减产。因此，明确秸秆腐解和养分释放的动力学过程对煤矿区复垦土壤培肥具有重要指导意义。【前人研究进展】秸秆腐解主要受其初始C/N比、秸秆类型和化学组成等性质的影响[5-6]。秸秆初始C/N比不同和组成差异会导致还田秸秆的腐解速率不同，而通过添加适量外源氮素调节C/N比可以调控还田秸秆的腐解和养分释放过程[7-9]。有研究表明，当C/N比调节为20—30时，微生物最为活跃，秸秆腐解最快[10-11]。在相同水热条件下小麦秸秆的腐解速率快于玉米秸秆[12]。小麦秸秆配施适量氮肥能显著加速其腐解，并提升土壤有机碳含量[13]；而玉米秸秆配施氮肥则会抑制其自身腐解[14]，这可能是因为外源氮肥促进了水解酶（如纤维素酶）活性的同时会抑制氧化酶的活性，最终导致秸秆腐解程度和速率不同[15]。而且，配施氮肥促进了秸秆N、P、K的释放，但添加外源氮量不同会导致结果差异很大[16]。秸秆化学组成也会导致其还田后的腐解速率差异较大。有研究表明，秸秆自身的木质素含量或木质素与氮的比值与其腐解速率成反比[17]。【本研究切入点】虽然前人对秸秆腐解和养分释放特征进行了一些研究，但这些研究多集中于秸秆C、N、P、K的释放总量，对秸秆C、N、P、K释放的动力学过程的研究相对较少。秸秆还田配施氮肥后这些养分释放的动力学过程和秸秆腐解的调控机制鲜见报道。并且，这些研究多集中于常规农田秸秆腐解和养分释放特征，煤矿区复垦耕地中秸秆腐解和养分释放动力学过程的研究则更为缺乏。【拟解决的关键问题】本研究以山西典型煤矿复垦区长期定位试验为基础，开展为期一年的秸秆填埋腐解试验，结合试验期间水热条件和秸秆性质，探讨秸秆还田配施不同量氮肥后玉米和小麦秸秆的腐解及养分释放动力学过程的差异特征，为秸秆资源合理利用和煤矿区复垦耕地质量快速提升提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于山西省典型煤矿复垦区长治市襄垣县王桥镇（113°01′E，36°27′N），为黄土塬地貌。该区属暖温带大陆性季风气候，雨热同步、昼夜温差较大。全年积温为4 600 ℃，年均降水量500—550 mm，在7—9月降雨较多，年均蒸发量达1 768 mm，无霜期约为160 d。由于长期的井工开采煤矿后导致原有农田呈锅底状塌陷，无法耕种。项目组于2008年采用混推复垦的方式进行土地复垦，开展长期定位试验。试验区种植作物为春玉米，种植密度为60 000株/hm2，每年种植一季（5月左右播种，10月左右收获），且在收获时将玉米秸秆全部粉碎、翻压还田。土壤为石灰性褐土，黄土母质，耕层（0—20 cm）土壤的基本理化性质为：有机碳9.70 g·kg-1、全氮0.87 g·kg-1、全磷0.51 g·kg-1、碱解氮49.40 mg·kg-1、有效磷7.25 mg·kg-1、pH7.98。秸秆腐解填埋试验于2018年开始，秸秆腐解期间的降雨及土壤温度情况参考文献[18]。

1.2 试验设计与供试材料

试验采用尼龙网袋法（网袋规格为15 cm×25 cm，孔径为38 μm）。供试玉米和小麦秸秆均采自于当地农田，秸秆60℃烘干，粉碎，并过2 mm筛备用。玉米和小麦秸秆的全氮含量分别为（7.83±0.08）和（5.01± 0.01）g·kg-1，差异显著；半纤维素含量分别为（298.20± 1.77）和（311.90±2.06）g·kg-1，差异显著；木质素含量分别为（57.25±0.29）和（72.36±0.15）g·kg-1，差异显著。而两种秸秆的有机碳和纤维素含量无显著差异。

试验为等有机碳量大田填埋试验，秸秆按有机碳8 g称量。玉米秸秆均称取18.30 g，分别添加尿素0、0.36、1.39 g，添加氮后秸秆的C/N比依次为52（MN0）、25（MN1）和10（MN2）；小麦秸秆均称取18.00 g，分别添加尿素0、0.45、1.48 g，添加氮后秸秆的C/N比依次为74（WN0）、25（WN1）、10（WN2）。试验共6个处理，3次重复，每个处理24袋，共144袋。将称量好的样品混匀后置于尼龙袋中并封口，在2018年9月13日水平填埋于试验区（4 m×3 m）土壤15 cm深处。填埋后，补充地表含水量为田间持水量的70%左右，其他时段的水分管理与周边大田一致。在秸秆填埋试验区，于尼龙网袋同一深度随机水平埋入3个地温仪（EL-USB-1-PRO），地温仪每小时读取一次土壤温度，24 h气温平均值为日平均温度。填埋区不种植任何作物，试验期间处于撂荒状态。

1.3 样品采集与分析

试验周期为1年，分6次破坏性取样，根据当地地面积温（＞0℃）情况，按照累积积温梯度，在累积积温为260、454、754、1 228、2 504、4 600℃时（对应的取样时间为样品填埋后第12、23、55、218、281、365天）进行取样。采样时，每个处理均取出4袋。采样后，用蒸馏水将尼龙网袋表面附着的土壤、根系等冲洗干净后，60℃烘干，取部分样品过0.5 mm筛，用于有机碳、氮、磷、钾、木质素、纤维素和半纤维素含量的测定。各项指标的测定方法见参考文献[18]。

1.4 数据处理与分析方法

秸秆在不同取样时期的残留率为秸秆剩余量与初始加入秸秆量的比值（质量、有机碳、氮、磷、钾、木质素、纤维素和半纤维素）；腐解率（或释放率）与残留率之和为100%；秸秆的腐殖化系数为秸秆腐解一年后秸秆量的残留率；土壤活动积温为秸秆腐解时间内逐日活动温度的总和。

秸秆腐解残留率在一年内的变化符合一级动力学方程模型：S=0+1e，其中，是天数或活动积温（＞0℃），0是稳定碳库比率（%），1是易分解碳库比率（%），S是一定天数或活动积温下的腐解残留率（%），是易分解碳库的分解速率常数，1/是易分解碳库周转一次的天数或积温[18]。秸秆养分的释放过程符合衰减指数拟合方程：R=ae，其中，R为秸秆养分残留率，是活动积温（＞0℃）或天数，是衰减方程常数，是养分释放速率常数[19]。

试验结果采用Excel 2016，SigmaPlot 14.0，SPSS 22等软件进行统计与分析。不同处理之间的差异采用最小显著差数法（LSD）进行显著性检验（＜0.05）。采用随机森林（Random Forest）分析各因素对秸秆腐解的影响大小。所有结果均以3次测定结果的平均值和标准差表示。

2 结果

2.1 不同碳氮比下秸秆的腐解与碳素残留特征

2.1.1 秸秆腐解与碳素残留率的变化 在整个腐解过程中不同处理下玉米和小麦秸秆的腐解均呈前期快速腐解、后期缓慢腐解的特点（图1）。在前55 d，玉米和小麦秸秆腐解率分别为25.2%和31.1%；在55—365 d，腐解率分别为14.7%和19.9%。玉米秸秆腐解第12、23和55天，MN1和MN2的腐解速率之间无显著差异，却显著快于MN0，平均快3.3%、4.7%和2.3%；腐解第218、281和365天，MN0、MN1和MN2之间的腐解残留率无显著差异，玉米秸秆残留率的平均值分别为75.2%、68.0%、60.1%。小麦秸秆腐解第12和218天，WN1处理的腐解速率显著快于WN0，分别快4.1%、4.8%；腐解第23和55天，WN1和WN2处理的腐解残留率均显著低于WN0处理，分别降低5.0%、4.6%，而WN1和WN2之间无显著差异；腐解第281天，WN0、WN1和WN2之间的腐解残留率无显著差异，均值为60.4%；腐解第365天，WN1和WN2的腐解残留率均显著低于WN0处理，且WN1和WN2之间差异显著。

秸秆碳的腐解率与秸秆的腐解率变化趋势基本相同，也是前期腐解快速、后期腐解缓慢（图1）。玉米秸秆腐解第12和55天，MN1碳的腐解快于MN0，分别快3.7%、2.5%，MN1和MN2之间无显著差异；腐解第23和218天，MN2碳的腐解速率快于MN0，分别快4.4%、2.9%，MN1和MN2之间无显著差异；腐解第281天，MN0、MN1和MN2之间的碳腐解残留率无显著差异，均值为65.6%。小麦秸秆腐解12和281 d时，小麦秸秆碳腐解残留率分别为83.7%— 85.9%、60.9%—62.1%，WN0、WN1和WN2之间无显著差异；腐解23、55和281 d，WN1显著低于WN0，但WN1和WN2之间差异不显著；腐解365 d， WN1和WN2之间差异显著。

图1 秸秆腐解残留率和碳素残留率的变化

2.1.2 秸秆腐解残留率动力学方程的比较与选择 用时间或积温方程S=S01e拟合秸秆的腐解过程较好（＜0.05）（表1，表2）。拟合方程的决定系数（2）均达显著水平，但积温方程的2均明显大于时间方程，表明积温方程的拟合效果好于时间方程。秸秆还田配施氮肥后，秸秆的腐解过程用时间或积温的拟合效果相同。当累积积温为4 600℃即腐解时间为1年时，玉米秸秆的残留率约为63.6%，小麦秸秆约为55.4%。与MN0相比（时间或积温），MN1和MN2的稳定碳占比（0）和易分解碳占比（1）均无显著差异；MN1和MN2的易分解碳库的分解速率常数（）均显著增加，但两者之间无显著差异。与WN0相比（积温或时间），WN2的0、1和均无显著差异，而WN1的均显著增加。

表1 秸秆腐解的时间方程（St =S0+S1e-kx）参数

表2 秸秆腐解的积温方程（St=S0+S1e-kx）参数

*:＜0.05

2.2 不同碳氮比下秸秆的养分释放动力学特征

2.2.1 秸秆氮、磷、钾素的释放特征 由图2可知，玉米秸秆氮素均表现为直接释放，添加氮肥加快了玉米秸秆氮素的释放。281 d前，MN0、MN1和MN2之间无显著差异；腐解365 d，MN0处理的氮素释放率为41.3%，且与MN1和MN2氮素释放率（均值为45.1%）差异显著。小麦秸秆氮素也表现为直接释放过程，218 d前WN0氮素的释放速率显著快于WN1和WN2，218 d后WN0、WN1和WN2氮素的释放率无显著差异；腐解365 d，小麦秸秆氮素释放率的均值为41.6%。

玉米秸秆磷素表现为先富集后释放，而添加氮肥后，表现为直接释放。在218 d内，添加氮肥后使玉米秸秆磷素释放加快，MN1和MN2的磷素释放率显著高于MN0处理，且MN1和MN2之间差异显著。在218 d后，MN1的磷素释放率显著高于MN0。腐解365 d，MN0的磷素释放率为32.2%，MN1和MN2的均值为37.2%。小麦秸秆磷素均表现直接释放过程，前12 d快速释放；12—55 d，WN1和WN2的磷素释放率显著低于WN0，但WN1和WN2之间差异不显著。55 d后，WN2的磷素释放变缓，只有WN1显著低于WN0。365 d时，WN1和WN2的释放率（均值为47.6%）高于WN0（42.9%）。

玉米和小麦秸秆的钾素均为快速的直接释放过程，添加氮肥对秸秆钾素的释放无显著影响。在腐解55 d玉米和小麦秸秆的平均释放率分别为75.3%、82.5%；在腐解55—365 d，玉米秸秆的释放率基本上保持不变，小麦秸秆钾的释放变平缓，腐解365 d为98.2%。

总的来说，小麦和玉米秸秆中氮素和磷素释放过程比较相似，表现出缓慢的直接释放特征，添加氮肥加快了玉米和小麦秸秆氮素和磷素的释放。秸秆钾素均为快速的直接释放过程，添加氮肥对秸秆钾素的释放无显著影响，秸秆钾的平均释放速率大于氮素和磷素。

图2 秸秆氮、磷和钾残留率的变化

2.2.2 秸秆氮、磷、钾的衰减指数拟合方程比较 秸秆养分（N、P、K）残留量（R）与腐解时间（）或积温（）可以用衰减指数方程R=ae拟合，且达到显著水平（＜0.05）；秸秆调节碳氮比后，秸秆氮素和钾素的释放率可以用时间或腐解积温衰减指数方程R=ae拟合，拟合方程均达到显著水平（表3和表4）。而只有小麦秸秆磷的释放率能用时间或腐解积温衰减指数方程拟合。秸秆氮素和钾素的拟合用积温的拟合效果普遍好于时间，秸秆氮素的平均释放率为0.13 %·d-1或0.01 %·℃-1；而小麦秸秆钾素的平均释放率（6.39 %·d-1或0.30 %·℃-1）显著快于玉米秸秆（3.61 %·d-1或0.19 %·℃-1）。小麦秸秆磷素的平均释放率（0.14 %·d-1或0.01 %·℃-1），且用时间和用积温的拟合效果相同。

2.3 秸秆腐解的驱动因素

由随机森林结果可知（图3），玉米和小麦秸秆的腐解，从元素组成看主要受秸秆中有机碳含量的影响；从结构组成来看主要受秸秆中木质素和半纤维素含量的影响。此外，土壤温度对玉米和小麦秸秆腐解的影响也较大。

表3 秸秆氮、磷、钾素残留量的时间衰减指数拟合方程（Rt=ae-bx）

表4 秸秆氮、磷、钾素残留量的积温衰减指数拟合方程（Rt=ae-bx）

*:＜0.05

图3 秸秆腐解的影响因素

3 讨论

3.1 不同碳氮比下秸秆残留量及腐解差异特征

在一年的腐解过程中不同施氮下玉米和小麦秸秆均前期快速腐解、后期缓慢腐解：在前55 d，玉米和小麦秸秆腐解率平均分别为25.2%和31.1%；在55—365 d，分别为14.7%和19.9%。这与前人的研究结果一致，陈兵等[20]利用微区试验对粪肥和秸秆腐解的研究发现，有机物料腐解均前期快和后期慢。这可能是因为腐解前期温度较高和水分适宜，秸秆的小分子物质先被快速分解，腐解较快；分解后期有3个月左右的时间土壤温度低于0℃，秸秆的小分子被利用完，开始利用大分子物质，腐解缓慢[21]。腐解前55 d配施氮肥能加快玉米秸秆的腐解，腐解55 d后配施氮肥对玉米秸秆腐解速率无显著影响。这主要是因为人为添加氮肥为土壤补充了氮源，使微生物活性增加，土壤酶活性提高，从而有助于玉米秸秆的腐解[5]；而在腐解后期，氮肥被利用或挥发完后，微生物利用玉米秸秆本身的氮和土壤中的氮，因此腐解后期施氮肥对玉米秸秆的腐解速率无显著影响。在小麦秸秆整个腐解过程中（281 d除外），WN1的腐解均快于WN0。这可能是因为本试验中小麦秸秆C/N比高、氮含量低，配施氮肥可为土壤补充氮源，增加微生物活性，提高纤维素和半纤维素酶的活性[15]，从而促进小麦秸秆的腐解。而281 d时，一方面由于当地长时间不降雨，土壤含水量很低，限制了土壤微生物的作用；另一方面，随着腐解进程，难分解物质如木质素等的积累，减缓了微生物对秸秆残留物的分解，使得各处理小麦秸秆的腐解速率变慢。秸秆碳的腐解与秸秆的腐解的变化趋势一致，且腐解过程也相同。这与前人结果相似，GREGORICH等[22]在加拿大农场对植物凋落物研究发现，植物凋落物的腐解与其碳的腐解过程完全一样。其主要是因为秸秆的腐解过程实质就是秸秆的矿化过程，配施低量氮肥后，秸秆的稳定有机碳占比和易分解有机碳占比无显著差异，易分解有机碳的分解速率常数显著增加。其可能原因是腐解前期秸秆本身包含的氮和复垦土壤低量的氮不能满足相关腐解微生物的需要，配施适量的氮肥使其C/N比降低，为相关腐解微生物提供了充足氮源，提高了微生物活性，从而加快了秸秆前期的腐解[23]，但高量的氮肥会提高无机氮素的浓度，抑制微生物活性[8]，进而减缓秸秆腐解。秸秆的腐解过程能较好地用积温或时间方程拟合，但是用积温拟合的效果更好。可能是因为温度是秸秆腐解的主要影响因素，用积温进行秸秆腐解过程拟合可以消除季节性差异，更能指导秸秆科学还田。

3.2 不同碳氮比下秸秆养分释放的差异特征

配施氮肥后，玉米和小麦秸秆腐解释放氮、磷、钾素的过程不相同。玉米秸秆还田配施氮肥后，对氮素前期的释放无影响，而加快了后期的释放。主要因为分解前期，玉米秸秆腐解较快，其利用自身氮素，其残余物吸附能力增强，氮肥被吸附在玉米秸秆中[24]，而导致测定结果中玉米秸秆氮含量偏高；分解后期，玉米秸秆中氮素不足，从而利用氮肥和土壤中氮素，进而导致添加氮肥后期玉米秸秆氮素释放速率增加。总的来说，添加氮肥加快了玉米秸秆中氮素的释放。小麦秸秆配施氮肥后，氮素释放加快。可能因为小麦秸秆C/N比较高，适量的氮肥使其C/N比调整为微生物利用最佳值，微生物活动快[25]，从而加快了小麦秸秆氮素的释放。配施氮肥加快了秸秆磷素的释放，可能是因为其加快了秸秆的腐解，提高了微生物数量，增加了秸秆中无机磷的释放[26]，从而促进了秸秆磷的释放。添加氮肥对秸秆钾素的释放无显著影响。主要是因为秸秆中的钾素主要以水溶态的形式存在[27]，释放迅速，腐解初期土壤的温度和水分适宜，秸秆腐解本来就比较快，添加氮肥虽然能加快秸秆钾素的释放，但是无显著影响。从时间或积温衰减指数方程R=e-bx拟合来看，秸秆氮素和钾素的拟合用积温的拟合效果普遍好于时间。秸秆养分释放速率常数与平均温度之间有很强的线性关系[12,28-29]，故用积温代替时间更能反映秸秆氮素和钾素的释放过程。长治市襄垣县每亩（667 m2）地玉米秸秆还田量约为500 kg，并配施20 kg左右的尿素。按玉米秸秆氮素的积温衰减指数方程R=96.81×e-0.0001x计算，长治襄垣县的年积温为4 600℃，当累积积温分别达到1 150、2 300、4 600℃时，玉米秸秆分别大致可以释放氮素0.54、0.90、1.77 kg。按照玉米秸秆钾素的积温衰减指数方程R=96.43×e-0.0019x计算，长治襄垣县的年积温为4 600℃，当累积积温为1 150℃时，玉米秸秆钾素释放80%以上，约为3.87 kg。长治市襄垣县每亩地小麦秸秆还田量也按约500 kg，并配施20 kg左右的尿素计算。按小麦秸秆氮素的积温衰减指数方程R= 95.66×e-0.0001x计算，长治襄垣县的年积温为4 600℃，当累积积温分别达到1 150、2 300、4 600℃时，小麦秸秆分别大约可以释放氮素0.37、0.60、1.07 kg。按照小麦秸秆钾素的积温衰减指数方程R=99.14× e-0.0030x计算，长治襄垣县的年积温为4 600℃，当累积积温为1 150℃时，小麦秸秆钾素释放90%以上，约为11.10 kg。按小麦秸秆磷素的积温衰减指数方程R= 92.01×e-0.0001x计算，长治襄垣县的年积温为4 600 ℃，当累积积温分别达到1 150、2 300、4 600℃时，小麦秸秆分别大约可以释放磷素0.07、0.11、0.19 kg。在施肥过程中，应该考虑还田秸秆腐解释放的氮磷钾养分量，特别是氮和钾养分的释放量较高，为合理施肥提供了基础数据。

3.3 秸秆腐解的影响因素

随机森林结果可知，从元素组成看，玉米和小麦秸秆的腐解主要受有机碳的影响；从结构组成来看，玉米和小麦秸秆的腐解主要受木质素和半纤维素的影响，而且温度和降雨一直在秸秆腐解中占着重要作用。前人研究表明[30]，秸秆有机碳释放的变化规律与腐解率趋势基本一致，说明有机碳主导秸秆的腐解，添加氮肥对秸秆的腐殖化系数无显著影响，说明氮肥对秸秆的腐解影响较小。木质素比较稳定，半纤维素较木质素易分解，秸秆的结构组成决定了其腐殖化系数[20,31]。在不同区域、不同的温度梯度下开展的秸秆腐解试验结果认为，温度升高秸秆的腐解加快[12,22,27]。但是，本试验中温度对秸秆腐解影响较弱，这主要是因为本试验在同一个区域开展，同一时间点各处理的温度相同，这使得秸秆本身性质对秸秆腐解的影响更加突显。

秸秆的腐解受水热条件和秸秆本身性质等共同的影响。在同一地域进行的一年腐解试验中，秸秆本身的性质在腐解中起关键作用。秸秆的种类不同，腐解的关键影响因素也不同。添加氮肥能够加快玉米秸秆前期的腐解速率和磷素的释放，玉米秸秆有机碳的释放的变化规律与腐解率趋势基本一致，温度、木质素和半纤维素主要影响着玉米秸秆的腐解，因此，应结合当地的气候条件，进行玉米秸秆还田并配施适当的氮肥，以加快其初期的腐解和磷素和钾素的释放，进而增加复垦土壤养分和减少对下季作物的影响。添加氮肥能加快小麦秸秆的腐解和提高氮磷养分的释放，温度、有机碳和全氮主要控制着小麦秸秆的腐解，因此，应结合当地的气候条件进行小麦秸秆还田并配施适当的尿素，在腐解后期也应追施尿素，以加快小麦秸秆的腐解和氮磷钾素的释放，从而提高复垦土壤肥力。

4 结论

施氮可以显著加快玉米秸秆前期的腐解和碳、磷的释放，且以调节C/N比为25时腐解效果最好。施氮可以显著加快小麦秸秆的腐解和碳氮磷的释放，以调节C/N比为10时腐解效果最好。用积温拟合方程能更好地反映秸秆的腐解和秸秆氮素、钾素的释放过程；当积温达到1 125℃，秸秆氮磷释放率为20%左右，而秸秆钾素释放85%以上。秸秆的腐解主要受温度、有机碳、木质素和半纤维素影响。

[1] 张志权, 束文圣, 廖文波, 蓝崇钰. 豆科植物与矿业废弃地植被恢复. 生态学杂志, 2002, 21(2): 47-52.

ZHANG Z Q, SHU W S, LIAO W B, LAN C Y. Role of legume species in revegetation of mined wastelands. Chinese Journal of Ecology, 2002, 21(2): 47-52. (in Chinese)

[2] ZHANG W J, WANG X J, XU M G, HUANG S M, LIU H, PENG C. Soil organic carbon dynamics under long-term fertilizations in arable land of Northern China. Biogeosciences, 2010, 7(2): 409-425.

[3] 叶胜兰. 我国建筑垃圾综合利用的现状及发展趋势. 绿色科技, 2018(18): 124-127.

YE S L. Analysis on the present situation and treatment of comprehensive utilization of construction waste in China. Journal of Green Science and Technology, 2018(18): 124-127. (in Chinese)

[4] 虞轶俊, 马军伟, 陆若辉, 邬奇峰, 朱伟锋, 孔海民, 王峰. 有机肥对土壤特性及农产品产量和品质影响研究进展. 中国农学通报, 2020, 36(35): 64-71.

YU Y J, MA J W, LU R H, WU Q F, ZHU W F, KONG H M, WANG F. Effect of organic fertilizer on soil characteristics, yield and quality of agricultural products: Research progress. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2020, 36(35): 64-71. (in Chinese)

[5] WALELA C, DANIEL H, WILSON B, LOCKWOOD P, COWIE A, HARDEN S. The initial lignin: nitrogen ratio of litter from above and below ground sources strongly and negatively influenced decay rates of slowly decomposing litter carbon pools. Soil Biology and Biochemistry, 2014, 77: 268-275.

[6] YAN Z Y, SONG Z L, LI D, YUAN Y X, LIU X F, ZHENG T. The effects of initial substrate concentration, C/N ratio, and temperature on solid-state anaerobic digestion from composting rice straw. Bioresource Technology, 2015, 177: 266-273.

[7] 石琳, 金梦灿, 单旭东, 高敏, 陈曦, 郜红建. 不同形态氮素对玉米秸秆腐解与养分释放的影响. 农业资源与环境学报, 2021, 38(2): 277-285.

SHI L, JIN M C, SHAN X D, GAO M, CHEN X, GAO H J. Influences of different forms of nitrogen fertilizer on the decompositionand release of nutrients from corn straw residue. Journal of Agricultural Resources and Environment, 2021, 38(2): 277-285. (in Chinese)

[8] LI X G, JIA B, LV J T, MA Q J, KUZYAKOV Y, LI F M. Nitrogen fertilization decreases the decomposition of soil organic matter and plant residues in planted soils. Soil Biology and Biochemistry, 2017, 112: 47-55.

[9] WANG D D, ZHU Z K, SHAHBAZ M, CHEN L, LIU S L, INUBUSHI K, WU J S, GE T D. Split N and P addition decreases straw mineralization and the priming effect of a paddy soil: A 100-day incubation experiment. Biology and Fertility of Soils, 2019, 55(7): 701-712.

[10] 李帆, 王静, 武际, 叶寅, 刘泽, 朱宏斌. 尿素硝酸铵调节碳氮比促进小麦秸秆堆肥腐熟. 植物营养与肥料学报, 2019, 25(5): 832-840.

LI F, WANG J, WU J, YE Y, LIU Z, ZHU H B. Fast production of wheat straw aerobic compost through regulating C/N ratio with urea ammonium nitrate solution. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2019, 25(5): 832-840. (in Chinese)

[11] LI X W, HAN S, LEI Z M, WU J, SHI Z L, SUN Z X, LI M, WANG H, TANG S, CHENG W L, ZHU L. Effects of nitrogen forms on decomposition and nutrient release of rapeseed straw. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(5): 717-725.

[12] WANG X Y, SUN B, MAO J D, SUI Y Y, CAO X Y. Structural convergence of maize and wheat straw during two-year decomposition under different climate conditions. Environmental Science & Technology, 2012, 46(13): 7159-7165.

[13] 曾莉, 张鑫, 张水清, 王秀斌, 梁国庆, 周卫, 艾超, 张跃强. 不同施氮量下潮土中小麦秸秆腐解特性及其养分释放和结构变化特征. 植物营养与肥料学报, 2020, 26(9): 1565-1577.

ZENG L, ZHANG X, ZHANG S Q, WANG X B, LIANG G Q, ZHOU W, AI C, ZHANG Y Q. Characteristics of decomposition, nutrient release and structure change of wheat straw in a fluvo-aquic soil under different nitrogen application rates. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2020, 26(9): 1565-1577. (in Chinese)

[14] 张学林, 周亚男, 李晓立, 侯小畔, 安婷婷, 王群. 氮肥对室内和大田条件下作物秸秆分解和养分释放的影响. 中国农业科学, 2019, 52(10): 1746-1760. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2019.10.008.

ZHANG X L, ZHOU Y N, LI X L, HOU X P, AN T T, WANG Q. Effects of nitrogen fertilizer on crop residue decomposition and nutrient release under lab incubation and field conditions. Scientia Agricultura Sinica, 2019, 52(10): 1746-1760. doi: 10.3864/j.issn. 0578-1752.2019.10.008. (in Chinese)

[15] RIGGS C E, HOBBIE S E. Mechanisms driving the soil organic matter decomposition response to nitrogen enrichment in grassland soils. Soil Biology and Biochemistry, 2016, 99: 54-65.

[16] 郑文魁, 卢永健, 邓晓阳, 齐范, 毕小媛, 刘艳丽. 控释氮肥对玉米秸秆腐解及潮土有机碳组分的影响. 水土保持学报, 2020, 34(5): 292-298.

ZHENG W K, LU Y J, DENG X Y, QI F, BI X Y, LIU Y L. Effects of controlled-release nitrogen fertilizer on decomposition of maize straw and organic carbon fractions in fluvo-aquic soil. Journal of Soil and Water Conservation, 2020, 34(5): 292-298. (in Chinese)

[17] DANNEHL T, LEITHOLD G, BROCK C. The effect of C: N ratios on the fate of carbon from straw and green manure in soil. European Journal of Soil Science, 2017, 68(6): 988-998.

[18] 李然, 徐明岗, 邬磊, 申华平, 孙楠, 蔡岸冬, 王斌, 艾天成, 靳东升, 张强, 洪坚平. 煤矿区复垦土壤中秸秆和生物炭的分解特征. 植物营养与肥料学报, 2021, 27(7): 1129-1140.

LI R, XU M G, WU L, SHEN H P, SUN N, CAI A D, WANG B, AI T C, JIN D S, ZHANG Q, HONG J P. Decomposition characteristics of straw and biochar in a reclaimed soil from coal mining area. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2021, 27(7): 1129-1140. (in Chinese)

[19] 李昌明, 王晓玥, 孙波. 不同气候和土壤条件下秸秆腐解过程中养分的释放特征及其影响因素. 土壤学报, 2017, 54(5): 1206-1217.

LI C M, WANG X Y, SUN B. Characteristics of nutrient release and its affecting factors during plant residue decomposition under different climate and soil conditions. Acta Pedologica Sinica, 2017, 54(5): 1206-1217. (in Chinese)

[20] 陈兵, 王小利, 徐明岗, 李然, 李建华, 靳东升, 段英华, 孙楠. 煤矿复垦区不同有机物料的分解特征. 植物营养与肥料学报, 2020, 26(6): 1126-1134.

CHEN B, WANG X L, XU M G, LI R, LI J H, JIN D S, DUAN Y H, SUN N. Decomposition characteristics of different organic materials in coal mine reclamation area. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2020, 26(6): 1126-1134. (in Chinese)

[21] CARVALHO A M, BUSTAMANTE M M C, ALCÂNTARA F A, RESCK I S, LEMOS S S. Characterization by solid-state CPMAS13C NMR spectroscopy of decomposing plant residues in conventional and no-tillage systems in Central Brazil. Soil and Tillage Research, 2009, 102(1): 144-150.

[22] GREGORICH E G, JANZEN H, ELLERT B H, HELGASON B L, QIAN B D, ZEBARTH B J, ANGERS D A, BEYAERT R P, DRURY C F, DUGUID S D, MAY W E, MCCONKEY B G, DYCK M F. Litter decay controlled by temperature, not soil properties, affecting future soil carbon. Global Change Biology, 2017, 23(4): 1725-1734.

[23] SHAUKAT A A, TIAN X H, WANG X D, WU F Q, JUMOKE E K. Decomposition characteristics of maize (. L.) straw with different carbon to nitrogen (C/N) ratios under various moisture regimes. African Journal of Biotechnology, 2011, 10(50): 10149-10156.

[24] 赵娜, 赵护兵, 鱼昌为, 曹群虎, 李敏, 曹卫东, 高亚军. 旱地豆科绿肥腐解及养分释放动态研究. 植物营养与肥料学报, 2011, 17(5): 1179-1187.

ZHAO N, ZHAO H B, YU C W, CAO Q H, LI M, CAO W D, GAO Y J. Nutrient releases of leguminous green manures in rainfed lands. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2011, 17(5): 1179-1187. (in Chinese)

[25] 霍竹, 付晋锋, 王璞. 秸秆还田和氮肥施用对夏玉米氮肥利用率的影响. 土壤, 2005, 37(2): 202-204.

HUO Z, FU J F, WANG P. Effects of application of N-fertilizer and crop residues as manure on summer maize n recovery rate. Soils, 2005, 37(2): 202-204. (in Chinese)

[26] 代文才, 高明, 兰木羚, 黄容, 王金柱, 王子芳, 韩晓飞. 不同作物秸秆在旱地和水田中的腐解特性及养分释放规律. 中国生态农业学报, 2017, 25(2): 188-199.

DAI W C, GAO M, LAN M L, HUANG R, WANG J Z, WANG Z F, HAN X F. Nutrient release patterns and decomposition characteristics of different crop straws in drylands and paddy fields. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2017, 25(2): 188-199. (in Chinese)

[27] 马想, 徐明岗, 赵惠丽, 段英华. 我国典型农田土壤中有机物料腐解特征及驱动因子. 中国农业科学, 2019, 52(9): 1564-1573. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2019.09.008.

MA X, XU M G, ZHAO H L, DUAN Y H. Decomposition characteristics and driving factors of organic materials in typical farmland soils in China. Scientia Agricultura Sinica, 2019, 52(9): 1564-1573. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2019.09.008. (in Chinese)

[28] ZHANG D Q, HUI D F, LUO Y Q, ZHOU G Y. Rates of litter decomposition in terrestrial ecosystems: Global patterns and controlling factors. Journal of Plant Ecology, 2008, 1(2): 85-93.

[29] BRADFORD M A, BERG B, MAYNARD D S, WIEDER W R, WOOD S A. Understanding the dominant controls on litter decomposition. Journal of Ecology, 2016, 104(1): 229-238.

[30] CAI A D, LIANG G P, ZHANG X B, ZHANG W J, LI L, RUI Y C, XU M G, LUO Y Q. Long-term straw decomposition in agro- ecosystems described by a unified three-exponentiation equation with thermal time. Science of the Total Environment, 2018, 636: 699-708.

[31] MOORHEAD D L, LASHERMES G, SINSABAUGH R L, WEINTRAUB M N. Calculating co-metabolic costs of lignin decay and their impacts on carbon use efficiency. Soil Biology and Biochemistry, 2013, 66: 17-19.

Dynamics Characteristic of Straw Decomposition and Nutrient Release Under Different C/N Ratio

LI Ran1, 2, XU MingGang, SUN Nan, WANG JinFeng1, WANG Fei1, LI JianHua1

1Institute of Eco-Environment and Industrial Technology, Shanxi Agricultural University/Shanxi Province Key Laboratory of Soil Environment and Nutrient Resources, Taiyuan 030031;2Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/State Key Laboratory of Efficient Utilization of Arid and Semi-arid Arable Land in Northern China/Key Laboratory of Arable Land Quality Monitoring and Evaluation, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100081

【Objective】The decomposition, nutrient release characteristics and driving factors of straw under different C/N ratio were studied based on coal mining area, so as to provide as theoretical basis for the full utilization of straw resources and reclaimed soil fertility improvement.【Method】Air-dried maize straw and wheat straw were cut into 2 mm pieces and were selected for decomposition experiment of a coal mining reclamation area in Shanxi Province.Two C/N ratio levels of 25 and 10 were designed in maize straw and wheat straw by supplementing urea, taking no nitrogen application that C/N ratio levels was 52 and 74 as the control. All the straws (8 g in organic carbon) were put into a nylon mesh bag (0.38 µm aperture), and horizontally buried into 15 cm deep of soil. On the 12, 23, 55, 218, 281 and 365 days after buried, samples were collected from the bags to analyze the dynamic of the dry matter residue and nutrient (carbon, nitrogen, phosphorus and potassium). 【Result】During the first 55 days, the adjusting the C/N on 25 with the application N was the best way to accelerate the decomposition of maize straw. Meanwhile, the adjusting the C/N on 10 was the best way to accelerate the decomposition of wheat straw. Application N could significantly promote the release of carbon and phosphorus from maize straw during the first 55 days. Application N could significantly accelerate the release of carbon, nitrogen and phosphorus from wheat straw, but had no significant effect on the release of potassium. The thermal equation of straw decomposition and nitrogen and potassium release was better than the temporal equation, and phosphorus release from straw was not suitable for the exponential decay equation. When the accumulated temperature was 4 600 ℃, the average release rates of carbon, nitrogen, phosphorus and potassium from straw were 49.2%, 39.5%, 40.8% and 90.3%, respectively; When the accumulated temperature reached 1 125 ℃, more than 85% the potassium of straw was released. The decomposition of straw was mainly influenced by the temperature, organic carbon, lignin and hemicellulose. 【Conclusion】Application N could accelerate the decomposition of maize straw and the release of carbon and phosphorus in the early stage, which could significantly accelerate the wheat straw decomposition and the release of carbon, nitrogen and phosphorus too. Temperature could better reflect the process of straw decomposition and nitrogen, potassium release than time, the decomposition of straw was mainly regulated by the temperature, organic carbon, lignin and hemicellulose. Therefore, combined with the hydrothermal conditions in the coal mining area, the straw with an appropriate amount of urea should be returned to the field in the right time to improve the content of nitrogen, phosphorus and potassium of the reclaimed soil.

C/N ratio; straw; decomposition; nutrient release; dynamics equation; coal mining reclamation area

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.11.007

2022-05-05；

2022-08-09

国家自然科学基金联合基金项目（U1710255）、山西省科技重大专项计划“揭榜挂帅”项目（202201140601028）

李然，E-mail：799930704@qq.com。通信作者徐明岗，E-mail：xuminggang@caas.cn。通信作者孙楠，E-mail：sunnan@caas.cn

（责任编辑 李云霞）