带膜还田时玉米秸秆的腐解率和还田层的温湿度变化趋势

卢秉林,包兴国,车宗贤,张久东,杨新强,王　平

(1.甘肃农业大学资源与环境学院， 甘肃 兰州 730070；

2.甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所， 甘肃 兰州 730070；

3.农业部甘肃耕地保育与农业环境科学观测实验站， 甘肃 兰州 730070)



带膜还田时玉米秸秆的腐解率和还田层的温湿度变化趋势

卢秉林1,2,3,包兴国2,3,车宗贤2,3,张久东2,3,杨新强2,3,王平1

(1.甘肃农业大学资源与环境学院， 甘肃 兰州 730070；

2.甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所， 甘肃 兰州 730070；

3.农业部甘肃耕地保育与农业环境科学观测实验站， 甘肃 兰州 730070)

摘要：采用尼龙网袋法对河西绿洲灌区带膜还田时玉米秸秆的腐解率及其还田层的温、湿度变化趋势进行分析，旨在为当地玉米秸秆还田提供理论依据和技术支撑。结果表明，秸秆还田在早晨8∶00左右可以提高土壤表层温度，在傍晚8∶00左右可以减缓土壤温度降低，其中翻压带膜还田时，秸秆还田层的日均相对湿度、最大相对湿度和最小相对湿度均高于覆盖带膜还田，但是相对湿度的日较差却低于覆盖带膜还田。同时，还田层的日最低温度高于覆盖带膜还田，而日均温度、最高温度和温度日较差却低于覆盖带膜还田。还田层温度、相对湿度和腐解时间是还田秸秆腐解的主要影响因子，其中还田层的温度影响最大，相对湿度和腐解时间其次。秸秆覆盖带膜还田时，还田层温度和相对湿度对还田秸秆的腐解起主要作用，腐解时间起次要作用。秸秆翻压带膜还田时，还田层温度、相对湿度和腐解时间三者对还田秸秆的腐解率均起主要作用。翻压带膜还田30天进入秸秆腐解高峰期，月腐解率达15%～16%，覆盖带膜还田60天进入腐解高峰期，月腐解率达11%～16%。经过180天的腐解后，翻压带膜还田的秸秆累积腐解率为72.5%，覆盖带膜还田秸秆的累积腐解率为56.0%。可见，在河西绿洲灌区进行秸秆带膜还田时，翻压带膜还田要好于覆盖带膜还田。

关键词：带膜还田；玉米秸秆；腐解速率；土壤温度；土壤湿度；通径分析；河西绿洲灌区

秸秆还田是保护性耕作技术的核心内容，在蓄水保墒、培肥土壤、提高产量、保护环境和节本增效方面效果明显，对实现农业可持续发展意义重大，其中直接还田是目前秸秆还田的主要方式[1-6]。许多研究表明，小麦和玉米秸秆在传统翻压和覆盖还田时，半年后的腐解率在50%左右，完全腐解则需要一年或更长时间[7-9]。而在我国西北绿洲灌区，种植玉米的休闲期只有6个月左右，常规的全地翻压和覆盖还田无法使秸秆完全腐解，翌年会影响作物的播种和生长。为此，本研究团队提出了在河西绿洲灌区进行秸秆带膜还田的理念，秸秆带膜还田就是将秸秆呈带状还于作物种植行之间，上面覆膜，这种还田模式将秸秆还田带和种植带进行有效分离，避免了秸秆腐解期与作物生长期同时同位而造成的争水、争氮矛盾，给秸秆提供了更长的腐解期限，同时因为覆膜，给还田秸秆提供了相对适宜的温湿度环境，加快了秸秆腐解速度[10]。虽然这种“种”“还”分离的带膜还田有望解决西北绿洲灌区秸秆还田难的问题，但是在带膜还田过程中，秸秆的腐解速率及其秸秆还田层温湿度的变化规律还不清楚，为此，本试验采用尼龙网袋法对河西绿洲灌区大田玉米种植过程中，玉米秸秆带膜还田时的腐解速率及其秸秆还田层的温湿度变化规律进行了研究，旨在为当地玉米秸秆还田提供理论依据和技术支撑。

1材料与方法

1.1试验设计

试验于2013年在甘肃省农科院土壤肥料与节水农业研究所武威绿洲农业试验站进行，地理位置38°37′N，102°40′E，海拔1 504 m，无霜期150 d左右，年降雨量150 mm，年蒸发量2 021 mm，年均气温7.7℃，年日照时数3 023 h，≥10℃的有效积温为3 016℃，年太阳辐射总量140～158 kJ·cm-2。供试环境为大田平作玉米，玉米为4月16日播种，10月15日收获，种植密度为75 000 株·hm-2，采用宽窄行种植，玉米带行距为40 cm，带间距为80 cm，还田秸秆为玉米秸秆，还田方式采用带膜还田，还田时间为玉米播种后第二天。试验共设3个处理，3次重复，小区面积为6 m×5 m=30 m2。处理1：不还田(CK)；处理2：粉碎全量翻压(CB)；处理3：粉碎全量覆盖(CM)，其中秸秆还田量为干重13 500 kg·hm-2，粉碎长度为5～10 cm。秸秆还田时用2%的尿素溶液将其喷湿，翻压处理是先将秸秆翻压于玉米种植带之间的10 cm土层下，然后在上面覆地膜，覆盖处理是将秸秆铺设于玉米种植带之间，直接在上面覆地膜，同时每小区埋设装有200 g秸秆的尼龙网袋(200目)8个，用于取样检测。

1.2测定项目与方法

在试验期间，利用8721型手持式温湿度计在每月20—23日的8∶00、11∶00、14∶00、17∶00和20∶00对各处理网袋埋设层的温度(T)和相对湿度(RH)进行测定，取其平均值代表当月秸秆还田层的温度和相对湿度，同时在每月24日进行取样，样品洗净后80℃烘干,利用失重法测定秸秆腐解速率(DR)。

DR=(Wi-Wf)/Wi×100

式中，DR为对应时期的秸秆腐解速率(%)，Wi为对应时期的秸秆初始质量(kg)；Wf为对应时期的秸秆残留量(kg)。

1.3数据处理

文中数据采用Excel和DPS 3.01软件进行处理和统计分析。

2结果与分析

2.1秸秆带膜还田时秸秆还田层温度的变化规律

从秸秆带膜还田时秸秆还田层温度的变化规律(图1)可以看出，在整个试验期间，秸秆翻压和覆盖带膜还田时秸秆还田层温度的日变化趋势为早晨和傍晚低，中午高的单峰曲线。随着还田时间的延续，还田处理和不还田处理之间还田层温度的差异逐渐变小，这主要是因为随着还田时间的延续，玉米逐渐长大，玉米植株对秸秆还田带的遮阴所致。在环境温度相对较低的早晨(8∶00)和傍晚(20∶00)，不还田处理的温度均低于还田处理，说明秸秆还田具有稳定和缓冲土壤温度变化的能力，具有一定的“增温效应”，在早晨可以提高土壤表层温度，在傍晚可以减缓土壤温度降低，这与李玲玲[11]、郑华平[12]的研究结果相一致。蔡立群[13]连续7年的试验结果表明，黄土高原秸秆翻压还田和免耕覆盖处理14∶00时0～20 cm土壤温度均低于传统耕作处理，而且个别年份的差异达到5%显著水平。而本研究结果表明，在环境温度相对较高的中午(14∶00)，翻压带膜还田层土壤温度总低于不还田处理，这与蔡立群的研究结果相一致，而覆盖带膜还田层土壤温度总高于不还田处理，这与蔡立群的研究结果不尽相同，究其原因，主要是因为在本研究中，秸秆覆盖还田时，在所还秸秆上面进行了覆膜。从平均温度来看，覆盖带膜还田处理秸秆还田层的平均温度均为最高，比翻压带膜还田处理高0℃～14.4℃，比环境温度高0.8℃～12.6℃，而翻压带膜还田处理除9、10月份比环境温度高1.2℃～1.6℃外，5—8月份却要比环境温度低0.6℃～1.4℃。从最高温来看，覆盖带膜还田方式下秸秆还田层的温度均为最高，比环境温度高3℃～25℃，比翻压处理高1℃～33℃，而翻压处理同样除9、10月份高于环境温度2℃外，5—8月份低于环境温度3℃～8℃。从最低温来看，覆盖带膜还田方式下秸秆还田层的最低温度基本与环境温度相当，低于翻压带膜还田处理0℃～2℃。同时，在整个试验观测期间，秸秆覆盖带膜还田处理秸秆还田层温度的日较差最大，为10℃～48℃，高于环境1℃～25℃，高于翻压带膜还田1℃～35℃。可见，在整个还田期间，虽然覆盖带膜还田相对翻压带膜还田为秸秆提供了相对较高的温度环境，但是其温度的日较差较大，不利于微生物的存活，说明翻压带膜还田相比覆盖带膜还田为还田秸秆提供了更为有利的腐解温度。

注：CK：不还田；CM：粉碎全量覆盖；CB：粉碎全量翻压。下同。

Note: CK：No straw returned to field; CM: total of straw-crushed and straw-mulched; CB: total of straw-crushed and straw-buried, and hereinafter.

图1秸秆带膜还田时秸秆还田层温度的变化规律

Fig.1Changes of temperature at the straw returned layer under straw returning to blank strips above cover plastic film model

2.2秸秆带膜还田时秸秆还田层相对湿度的变化规律

从秸秆带膜还田时秸秆还田层相对湿度的变化规律(图2)可以看出，翻压和覆盖带膜还田处理秸秆还田层相对湿度的日变化规律与环境相对湿度相同，均为早晨和傍晚高，中午低。其中翻压带膜还田方式下秸秆还田层的日均相对湿度、最大相对湿度和最小相对湿度在整个观测期(4—10月)均为最高，分别高于覆盖带膜还田处理3.51%～27.52%、0～13.95%和4.55%～94.44%，分别高于环境相对湿度10.06%～142.44%、6.02%～34.29%和13.11%～1066.67%。但是覆盖带膜还田处理秸秆还田层相对湿度的日较差却要高于翻压还田处理5.26%～163.64%。可见，秸秆翻压带膜还田相对覆盖带膜还田能够为还田秸秆提供相对较高，而且相对平稳的湿度环境，更有利于微生物的存活和发挥微生物的活性，加快秸秆的腐解。

图2秸秆带膜还田时秸秆还田层相对湿度的变化规律

Fig.2Changes of relative humidity at the straw returned layer under straw returning to blank strips above cover plastic film model

2.3带膜还田时秸秆的月腐解率

从秸秆带膜还田时秸秆月腐解率的变化规律(图3)可以看出，覆盖和翻压带膜还田时秸秆月腐解率在整个试验期间均呈先增后降的单峰变化趋势，而且还田秸秆的腐解主要发生在还田后的前4个月，后期将逐渐变慢并趋于相对平稳，这与李逢雨[14]、胡宏祥等[15]人的研究结果相一致。这主要是因为在腐解前期秸秆中的可溶性有机物如多糖、氨基酸、有机酸以及无机养分较多，为微生物提供了大量的碳源(能源)和养分，微生物数量增多，活性增强，随着腐解的进行，秸秆中可溶性有机物逐渐减少，剩余部分主要为难分解的有机物质，导致微生物活性降低，秸秆的腐解也随之变慢[16]。翻压带膜还田30天进入秸秆腐解高峰期，月腐解率达15%～16%，而覆盖带膜还田60天进入腐解高峰期，月腐解率达11%～16%。这是因为翻压带膜还田相比覆盖带膜还田，秸秆与土壤接触更加充分，温湿度相对适宜，有利于微生物活性的提高，进而加快了秸秆的腐解。经过180天的腐解后，翻压带膜还田的累积腐解率为72.5%，覆盖带膜还田秸秆的累积腐解率为56.0%。说明翻压带膜还田的秸秆腐解效果要好于覆盖带膜还田。

图3带膜还田时秸秆的月腐解率

Fig.3The monthly decomposition rates of straw under straw

returning to blank strips above cover plastic film model

2.4还田秸秆月腐解率与还田层温度、相对湿度及腐解时间的相关系数

还田秸秆月腐解率与还田层温度、相对湿度及腐解时间的关系可用线性方程来表示，以月腐解率(MDR)为因变量，还田层温度(T)、相对湿度(RH)和腐解时间(D)为自变量，进行多元线性回归分析得出，在秸秆覆盖带膜还田时，其回归方程为：MDR=-15.085+0.258T+0.188RH+0.036D(r=0.65904，P<0.01)；在秸秆翻压带膜还田时，其回归方程为：MDR=4.960+0.209T+0.096RH-0.053D(r=0.9624，P<0.01)，可见，还田层温度、相对湿度和腐解时间是河西绿洲灌区秸秆翻压和覆盖带膜还田时的主要影响因子，而且相关性达到了极显著水平，说明在当地秸秆带膜还田时，可用还田层温度、相对湿度和腐解时间对月腐解率进行评估。

从还田秸秆月腐解率与还田层温度、相对湿度及腐解时间的相关系数(表1)可以看出，无论是翻压还是覆盖带膜还田，还田层的温度与腐解率之间的相关性均达到了显著水平，而相对湿度，无论是翻压还是覆盖带膜还田，与腐解率之间的相关性均不显著，说明秸秆带膜还田时，秸秆还田层的温度是还田秸秆腐解的主要限制因子，而还田层相对湿度对秸秆腐解率的影响相对较小。这是因为相对较高的土壤温度能提高土壤微生物的活性，加速秸秆的分解，而当地气候虽然比较干燥，但是为了保证作物的正常生长所需，整个试验期间进行了多次灌水，秸秆还田层的水分未出现亏缺，而且在带膜还田过程中，其中一项关键的措施，就是在还田秸秆上面进行了覆膜，这样可以有效地减少水分散失，较长时间地为还田秸秆提供相对较高的湿度环境，从而使湿度不再是秸秆腐解的限制因素。秸秆覆盖带膜还田时，腐解时间与秸秆月腐解率之间的相关性不显著，而秸秆翻压还田时却达到了极显著的负相关性，说明覆盖带膜还田时，还田时间不再是秸秆腐解的决定因素，而翻压还田时秸秆的月腐解率随时间的延长而减小，这主要是因为随着还田时间的延长，秸秆中可溶性有机物逐渐减少，残留物是越来越难分解的有机物质，从而导致微生物活性降低，秸秆腐解速率变慢。

表1　还田秸秆月腐解率与还田层温度、相对湿度及腐解时间的相关系数

注：CM: 粉碎全量覆盖；CB: 粉碎全量翻压。*P<0.05; **P<0.01，下同。

Note: CK：No straw return to field; CM: the total of straw-crushed and straw-mulched; CB: the total of straw-crushed and straw-buried, and hereinafter.

2.5还田秸秆月腐解率与还田层温度、相对湿度及腐解时间的通径系数

从秸秆带膜还田时还田秸秆月腐解率与还田层温度、相对湿度及腐解时间的通径系数(表2)可以看出，在河西绿洲灌区进行秸秆翻压和覆盖带膜还田时，对秸秆月腐解率影响最大的因子是温度，其次是还田层的相对湿度和腐解时间。其中秸秆覆盖带膜还田时，还田层温度和相对湿度对秸秆月腐解率的直接通径系数均大于其通过其它因子所得到的间接通径系数，表明还田层温度和相对湿度对秸秆覆盖带膜还田时还田秸秆的腐解起主要作用。腐解时间对秸秆月腐解率的直接通径系数小于其通过还田层温度得到的间接通径系数，表明腐解时间对秸秆月腐解率的直接影响小于其通过还田层温度所起到的间接作用，说明秸秆腐解时间对秸秆覆盖带膜还田时还田秸秆的腐解不起主要作用。秸秆翻压带膜还田时，还田层温度、相对湿度和腐解时间对秸秆月腐解率的直接通径系数均大于其通过其它因子所得到的间接通径系数，表明三者在秸秆翻压带膜还田时对还田秸秆的月腐解率均起主要作用。

表2　还田秸秆月腐解率与还田层温度、相对湿度及腐解时间的通径系数

3结论

1) 秸秆还田对秸秆还田层具有一定的“增温效应”，在早晨可以提高土壤表层温度，在傍晚可以减缓土壤温度降低。其中翻压带膜还田时，秸秆还田层的日均相对湿度、最大相对湿度和最小相对湿度均高于覆盖带膜还田，但是相对湿度的日较差却低于覆盖带膜还田。同时，还田层的日最低温度高于覆盖带膜还田，而日均温度、最高温度和温度日较差却低于覆盖带膜还田。

2) 在河西绿洲进行玉米秸秆覆盖和翻压带膜还田时，还田秸秆的腐解主要发生在还田后的前120天，其中翻压带膜还田30天进入秸秆腐解高峰期，月腐解率达15%～16%，覆盖带膜还田60天进入腐解高峰期，月腐解率达11%～16%。经过180天的腐解后，翻压带膜还田的秸秆腐解效果要好于覆盖带膜还田，累积腐解率达到了72.5%，而覆盖带膜还田秸秆的累积腐解率为56.0%。

3) 在河西绿洲灌区进行秸秆翻压和覆盖带膜还田时，还田层温度、相对湿度和腐解时间是还田秸秆腐解的主要影响因子，在当地秸秆带膜还田时，可用还田层温度、相对湿度和腐解时间对月腐解率进行评估。对秸秆腐解影响最大的因子是还田层的温度，其次是相对湿度和腐解时间。其中秸秆覆盖带膜还田时，还田层温度和相对湿度对还田秸秆的腐解起主要作用，秸秆腐解时间起次要作用。秸秆翻压带膜还田时，还田层温度、相对湿度和腐解时间三者对还田秸秆的腐解率均起主要作用。

4) 可见，在河西绿洲灌区进行秸秆带膜还田时，翻压带膜还田要好于覆盖带膜还田。

参 考 文 献：

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Variation trends in decomposition rate of corn straw and in temperature and relative humidity of straw returned layer when returning straw to blank strips above plastic film

LU Bing-lin1,2,3, BAO Xing-guo2,3, CHE Zong-xian2,3, ZHANG Jiu-dong2,3, YANG Xin-qiang2,3, WANG Ping1

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou,Gansu730070,China;2.InstituteofSoil,FertilizerandWaterSavingAgricultural,GansuAcademyofAgriculturalSciences,Lanzhou,Gansu730070,China;3.GansuScientificObservingandExperimentStationofAgeo-EnvironmentandArableLandConservation,MinistryofAgriculture,P.R.China,Lanzhou,Gansu730070,China)

Abstract：To provide a theoretical basis and technical support for returning corn straw to field in local areas, variation trends in decomposition rate of corn straw, and temperature and relative humidity of straw returned layer when returning straw to blank strips above plastic film were studied by using nylon net bags in Hexi oasis irrigation. The results showed that straw returning could increase topsoil temperature at around 8 am but alleviate the soil temperature decline at around 8 pm. Daily average relative humidity, maximum relative humidity and minimum relative humidity at the straw returned layer under straw-buried to blank strips above the plastic film were higher than those with the straw-mulching treatment, but the diurnal relative humidity was lower. Meanwhile, daily minimum temperature at the straw returned layer by the straw-buried treatment was higher than that by straw-mulching, but the average daily temperature, maximum temperature and diurnal temperature were lower than those by straw-mulching to blank strips above cover plastic film. The temperature, relative humidity and decomposition time of straw returning layer were the main influencing factors for corn straw decomposition. Temperature at the straw returned layer had the greatest effect on the decomposition of corn straw, followed by relative humidity and decomposition time. The temperature and relative humidity at the straw returned layer played major roles in the decomposition of straw and the decomposition time played a secondary role under straw-mulcheing to blank strips above plastic film. The temperature, relative humidity and decomposition time played major roles in the decomposition rate of corn straw under straw-buried to blank strips above cover plastic film model. Straw-buried treatment entered the peak stage of straw decomposition after 30 days, while the monthly decomposition rate of corn straw reached to 15%～16%. Straw-mulched treatment entered the peak stage of straw decomposition after 60 days, while the monthly decomposition rate of corn straw reached to 11%～16%. After 180 days decomposition, cumulative decomposition rate of straw-buried reached 72.5%, and cumulative decomposition rate of straw-mulched reached to 56.0%. Therefore, straw-buried to blank strips above cover plastic film and separating it from seed rows model is better than straw-mulching in the Hexi oasis irrigation area.

Keywords:straw return to blank strips above cover plastic film; corn straw; decomposition rate; soil temperature; soil humidity; path analysis; hexi oasis irrigation

中图分类号：S141.4

文献标志码：A

作者简介：卢秉林(1979—)，甘肃民勤人，在读硕士，副研究员，主要研究方向为土壤肥料与生态农业。 E-mail:lblhappy@163.com。通信作者：王平，E-mail: wp1826@126.com。

基金项目：“十二五”农村领域国家科技计划(2012BAD05B03-2)

收稿日期：2015-02-07

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.02.06

文章编号：1000-7601(2016)02-0038-06