梨园秸秆还田腐解特征及对土壤性状的影响研究①

赵　鹏，王　硕，叶素银，王　洁，董彩霞*，徐阳春

（1 南京农业大学资源与环境科学学院，南京　210095；2 江苏省有机固体废弃物资源化协同创新中心，南京　210095）



梨园秸秆还田腐解特征及对土壤性状的影响研究①

赵鹏1，2，王硕1，叶素银1，王洁1，董彩霞1，2*，徐阳春1，2

（1 南京农业大学资源与环境科学学院，南京210095；2 江苏省有机固体废弃物资源化协同创新中心，南京210095）

摘要：为探究梨园秸秆还田腐解特征及对土壤理化性状和生物性状的影响，在梨园布置覆膜对照（CK）、秸秆覆盖（S）、秸秆覆盖+腐解菌肥（S-BM）、双倍秸秆覆盖+腐解菌肥（2S-BM）田间试验。结果表明：秸秆覆盖 150 天后，S-BM处理的腐解率为62.4%，S和2S-BM处理的腐解率均为50%，氮、钾释放率以S-BM处理最高；秸秆覆盖提高了土壤最低温，降低了土壤最高温，减小了土壤温度振幅；2S-BM处理显著降低了土壤体积质量，提高了土壤水溶性有机碳含量；秸秆覆盖显著增加了0 ～ 5 cm土层有机碳含量，2S-BM处理对0 ～ 15 cm土层速效养分含量的提升效果显著，S和S-BM处理显著提高了0 ～ 5 cm土层速效钾含量；2S-BM处理的土壤细菌、真菌数量以及微生物生物量碳、氮含量在梨树生育后期明显提高；2S-BM、S-BM和S处理分别能增产86.9%、17.8% 和28.7%。秸秆覆盖对土壤的改善是由上到下的，当梨园秸秆还田量为45 000 kg/hm2时，土壤的改良效果非常明显。

关键词：秸秆覆盖；腐解特征；土壤微生物；土壤养分

在果园管理过程中由于生产者对产量和品质的过分追求，不合理施用肥料，导致土壤酸化，肥力降低，严重影响到果园的可持续发展，对生态环境造成了一定的危害［1-2］，因此需要采取措施减少肥料的施用，提升地力，促进树体的生长发育，保证果树的优质高产。秸秆覆盖由于能够调节土壤水热状况［3-4］，改良土壤，促进根系生长［5-6］，在果园中得到了推广应用。周江涛等［7］在苹果园中的试验研究表明，秸秆覆盖能起到保水、调节地温和改良酸性土壤的作用，对土壤有机质和速效养分含量也有不同程度的提高；赵德英等［8］研究还发现，秸秆覆盖明显增加了细菌和真菌种群的多样性和丰富度，显著提高了土壤酶活性，并且能够起到提高根系活力、改善果实品质和增加产量的作用。目前，国内外对于果园中秸秆腐解特征和土壤生物性状的动态变化研究相对较少，本文在梨园中设置不同的秸秆覆盖方式，研究不同还田方式下的秸秆腐解特征和不同土层深度的土壤养分含量，以及不同生育时期的土壤生物性状，以期为果园中秸秆的合理应用提供理论依据。

1　材料与方法

1.1试验地概况

试验地位于江苏省金坛市薛埠镇超群生态园（31°65′N，119°37′E），地处茅山东麓，属北亚热带季风气候，年平均气温16.2℃，降水量1 063.6 mm，无霜期229 天，日照时间2 151 h。土壤为黏壤土，犁地层距地表20 cm，梨树品种为幸水，树龄5 年，株行距2 m × 3 m。供试土壤0 ～ 20 cm土层基本养分：全氮含量0.88 g/kg，碱解氮含量99.4 mg/kg，速效磷含量62.8 mg/kg，速效钾含量186.2 mg/kg，有机质含量15.8 g/kg，pH为5.17。供试水稻秸秆基本养分：全氮含量13.8 g/kg，全磷含量1.64 g/kg，全钾含量17.2 g/kg。

1.2试验设计

试验于2013年3月进行，设置覆膜对照（CK）、秸秆覆盖（S）、秸秆覆盖+腐解菌肥（S-BM）、双倍秸秆覆盖+腐解菌肥（2S-BM）4个处理。S和S-BM处理秸秆用量均为22 500 kg/hm2，2S-BM处理秸秆用量为45 000 kg/hm2，将秸秆均匀覆盖在梨园地表，S-BM 和2S-BM处理撒入腐解菌肥，浇水，4个处理均覆盖黑色聚乙烯塑料膜。腐解菌肥为金坛阿波罗生物制品有限公司生产的阿波罗生物有机肥。试验进行 2年并于每年8月份揭去地膜，11月份将残余秸秆翻入土壤，第二年 3月份重新布置，每个处理均设 3个重复，试验面积为90 m2，土壤管理条件一致。

采用尼龙网袋法［9］进行秸秆腐解的研究，网袋长30 cm，宽20 cm，孔径为0.12 mm，设置S、S-BM 和2S-BM 3个处理，秸秆和菌肥用量按照梨园用量成比例缩小，S处理：40 g秸秆；S-BM处理：40 g秸秆 + 0.25 g菌肥；2S-BM处理：80 g秸秆 + 0.25 g菌肥。供试水稻秸秆经80℃ 烘干后，剪至5 ～ 8 cm寸段放入网袋中，扎紧袋口，喷水浸湿后置于梨园内各处理秸秆覆盖下层，贴近地表，树冠垂直投影内0.5 m处。试验进行1年，每个处理设置3个重复，田间管理情况同大田试验一致。

1.3样品采集与处理

2013年在网袋置入梨园后的第10、20、30、60、90、120、150 天取样，整个生育期共取样7次，每次每处理取样3个，洗净，80℃ 烘干后称重，粉碎后测定秸秆的全氮、全磷、全钾养分含量。2014年在梨树幼果期（花后 10 天）、第一次膨大期（花后 40天）、第二次膨大期（花后70 天）、成熟期（花后110 天）和落叶期（花后200 天）分别采集各处理树盘下土壤。在树冠垂直投影内0.5 m处对角线采集0 ～ 20 cm混合土壤，新鲜土样用于土壤微生物计数、土壤微生物生物量碳氮以及水溶性有机碳的测定，果实成熟期分层采集0 ～ 5、5 ～ 10、10 ～ 15 cm土壤样品风干后测定土壤养分。

1.4测定指标与方法

秸秆腐解指标：全氮采用H2SO4-H2O2消煮法，用AA3连续流动分析仪测定；全磷采用钼锑抗比色法测定；全钾采用火焰分光光度法测定［10］。秸秆腐解率（%）=（原始秸秆重量-秸秆残留重量）/原始秸秆重量×100；养分释放率（%）=（原始秸秆养分含量-剩余秸秆养分含量）/原始秸秆养分含量×100［11］。

微生物指标：微生物计数用涂布法接种，稀释平板法测数。细菌培养采用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基，真菌采用马丁孟加拉红培养基，放线菌采用改良高氏一号培养基［12］。微生物生物量碳氮采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法测定［13］。

土壤指标：采用HOBO U12-008型温度记录仪测定5 cm深度处土壤温度；土壤含水量采用烘干法测定；土壤体积质量采用环刀法测定；有机碳采用重铬酸钾-硫酸氧化法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；速效磷采用钼锑抗比色法测定；速效钾采用醋酸铵浸提-火焰光度计法测定；pH采用0.01 mol/L氯化钙溶液浸提，PB-10型pH计测定［10］。

1.5数据分析

应用Microsoft Excel 2007，SPSS 16.0软件进行数据分析，采用DUCAN法进行多重比较，运用Origin 8.5 软件进行图表制作。

2　结果与分析

2.1不同还田处理对秸秆腐解率及养分释放率的影响

由图1A可以看出，0 ～ 10 天秸秆腐解较快，10 ～20 天腐解缓慢，S-BM 处理从 20 天时开始快速腐解，而S和2S-BM处理从30 天时才开始快速腐解，并且S-BM和2S-BM处理在30 ～ 120 天的秸秆腐解率均显著高于S处理，120 天后3个处理的腐解速率减缓，150 天时S-BM处理的秸秆腐解率最高，达到62.4%，S和2S-BM处理的秸秆腐解率均为50.0%。

秸秆氮在前期快速释放（图1B），60 天时各处理秸秆氮释放16% ～ 19%，60 天后秸秆氮释放速率减缓，150天时S-BM处理的氮释放率最高，为27.5%，2S-BM和S处理的氮释放率分别为26.1%和24.0%。秸秆磷在前60 天迅速释放33% ～ 41%（图1C），各处理的变化趋势基本一致，150 天后磷释放率为37% ～42%。秸秆钾从 20 天开始迅速释放（图 1D），S-BM处理的钾释放速率最快，在30 ～ 150 天内均显著高于其他处理，150 天后钾释放率为85.2%，2S-BM和S处理的钾释放率分别为74.4% 和68.5%。

2.2不同还田处理对梨园土壤温度和物理性状的影响

2.2.1土壤温度秸秆覆盖能够显著影响土壤温度，在每天测定温度的6个时间点中，6：00的土壤温度最低，由于受到地膜和秸秆覆盖的双重影响，18：00的土壤温度最高，因此分别选取了6：00和18：00的土壤温度代表土壤的最低温和最高温（图2A、B）。在 6：00气温最低时，秸秆覆盖提高了土壤温度，各处理间无显著差异；18：00时不同还田处理的土壤温度差异明显，CK处理一直处于最高水平，6月15日前差异显著，后期差异不明显，2S-BM处理在4月15日前最低，之后与S和S-BM处理无明显差异。图 2C为不同还田处理的温度日较差，表示在连续24 h时间段内最高温度与最低温度的差值，可以看出S、S-BM和2S-BM处理的温度日较差均明显小于CK处理和气温，各处理间差异不明显，说明秸秆覆盖能够起到调节土壤温度的作用，有效地减小了土壤温度振幅。

2.2.2土壤物理性状由表1可知，各处理的土壤含水量无显著差异，2S-BM处理的土壤体积质量较CK处理下降13.2%，差异显著；S和S-BM处理的土壤体积质量与CK处理无显著差异。表明在秸秆用量为45 000 kg/hm2时秸秆覆盖会对土壤体积质量产生显著影响。

图1　不同还田处理对秸秆腐解率及养分释放率的影响Fig. 1　Effects of different treatments on decomposition rates and nutrient release rates of straws

2.3不同还田处理对梨园土壤速效养分含量的影响

不同土壤深度处的碱解氮、速效磷和速效钾含量差异相似（图 3），除了在 10 ～ 15 cm土壤深度处2S-BM处理与 S-BM处理的速效钾含量无显著差异外，2S-BM处理在0 ～ 5、5 ～ 10、10 ～ 15 cm土壤深度处的碱解氮、速效磷和速效钾含量均显著高于其他各处理；0 ～ 5 cm土壤速效氮、磷、钾含量较CK处理分别增加41.8%、92.4% 和54.6%。S处理的土壤碱解氮含量在0 ～ 5 cm处显著高于CK和S-BM处理，较CK处理增加20.7%。S和S-BM处理的土壤速效钾含量在0 ～ 5 cm处显著高于CK处理，分别增加19.6% 和24.7%。

2.4不同还田处理对梨园土壤有机碳含量的影响

2.4.1不同土壤深度处土壤有机碳含量从图 4可以看出，不同还田处理对土壤有机碳含量有明显的提升效果，S、S-BM和2S-BM处理0 ～ 5 cm土壤深度处土壤有机碳含量显著高于CK处理，分别较CK处理提高 22.4%、21.0% 和 39.4 %；此外，2S-BM处理0 ～ 5 cm土壤深度处有机碳含量显著高于S-BM处理，5 ～ 10 cm土壤深度处有机碳含量显著高于其他各处理。10 ～ 15 cm土壤深度处各处理的土壤有机碳含量无显著差异。

2.4.2不同生育时期土壤水溶性有机碳含量由表2可知，幼果期各处理的土壤水溶性有机碳含量无显著差异；2S-BM 处理的水溶性有机碳含量从第一次膨大期到落叶期均显著高于CK处理，提高幅度分别为40.8%、31.0%、70.5% 和52.0%；S和S-BM处理的水溶性有机碳含量在第一次膨大期、第二次膨大期和成熟期时与 CK处理均无显著差异，落叶期S-BM处理的水溶性有机碳含量较CK处理提高45.0%，差异显著。

2.5不同还田处理对梨园土壤生物性状的影响

2.5.1土壤微生物数量从图5A中可以看出，各处理土壤真菌数量差异明显，幼果期时CK处理显著高于秸秆覆盖处理；2S-BM处理在第一次膨大期时显著高于 CK处理，在第二次膨大期时显著高于S-BM 处理，在成熟期和落叶期时显著高于 CK和S-BM 处理。土壤放线菌数量变化幅度相对较小（图5B），2S-BM处理土壤放线菌数量在幼果期时显著低于其他处理，在第一次膨大期时显著低于S和S-BM处理，成熟期时显著高于CK处理，第二次膨大期和落叶期时各处理间无显著差异。土壤细菌数量在幼果期和第一次膨大期时 CK处理较低（图 5C），幼果期CK处理显著低于其他各处理，第一次膨大期时显著低于S-BM处理；从第二次膨大期开始，2S-BM处理的土壤细菌数量一直处于较高水平，第二次膨大期时显著高于S处理，成熟期时显著高于其他各处理，落叶期时显著高于CK和S-BM处理。

图2　不同还田处理对梨园土壤温度的影响Fig. 2　Effects of different treatments on soil temperatures in pear orchard

表1　不同还田处理对梨园土壤物理性状的影响Table 1　Effects of different treatments on soil physical properties in pear orchard

2.5.2土壤微生物生物量碳、氮各处理的土壤微生物生物量碳含量在不同生育期表现出不同的差异（图6A）。S-BM处理在幼果期显著高于2S-BM处理，第一次膨大期时显著高于CK和2S-BM处理；第二次膨大期时2S-BM处理显著高于CK和S-BM处理；成熟期时 CK 处理显著低于其他处理；落叶期时2S-BM处理显著高于CK和S-BM处理。2S-BM处理的土壤微生物生物量碳含量在幼果期和第一次膨大期时较低，在第二次膨大期、成熟期和落叶期时较高；S-BM 处理的土壤微生物生物量碳含量变化趋势与2S-BM相反，前两个时期较高，后3个时期较低。

图3　不同还田处理对梨园土壤速效氮、磷、钾含量的影响Fig. 3　Effects of different treatments on contents of soil available N， P and K in pear orchard

图4　不同还田处理对梨园土壤有机碳含量的影响Fig. 4　Effects of different application treatments on contents of soil organic carbon in pear orchard

2S-BM 处理的土壤微生物生物量氮含量与微生物生物量碳含量变化相似（图 6B），幼果期时显著低于S-BM处理，第一次膨大期时显著低于S和S-BM处理，第二次膨大期、成熟期和落叶时均为最高，其中第二次膨大期和落叶期时显著高于其他各处理，成熟期时显著高于CK处理。S-BM处理的土壤微生物量生物氮含量变化趋势与微生物生物量碳含量的变化趋势相同。

表2　不同还田处理对梨园土壤水溶性有机碳含量的影响 （mg/kg）Table 2　Effects of different treatments on contents of water soluble organic carbon in pear orchard

图5　不同还田处理对梨园土壤微生物数量的影响Fig. 5　Effects of different treatments on quantity of soil microorganisms in pear orchard

2.6不同还田处理对梨产量的影响

由图7可知，2013年各处理的梨产量无显著差异，在12.7 ～ 13.4 t/hm2范围内。2014年各处理的梨产量有了显著增长，较上年产量增加63.0% ～ 214%，这与梨幼树树体的生长和 2014年单果重的提高有关，2S-BM处理显著高于其他各处理，2S-BM、S-BM 和S处理的梨产量较CK处理分别增加86.9%、17.8% 和28.7%，2S-BM处理的增产效果非常显著。

图6　不同还田处理对梨园土壤微生物生物量碳、氮含量的影响Fig. 6　Effects of different treatments on contents of soil microbial biomass carbon and nitrogen in pear orchard

图7　不同还田处理对梨产量的影响Fig. 7　Effects of different treatments on pear yields

3　讨论

3.1梨园秸秆还田条件下的秸秆腐解特征

秸秆腐解受到多种因素影响，水分和温度是影响其腐解速率的两个关键因素［14］。在高温淹水条件下，90 天秸秆腐解率可达50% 以上，并且秸秆中的氮、磷、钾养分释放迅速，钾的释放率可达90% 以上［15-17］；而在常温、土壤非淹水状态下，秸秆的腐解需要更长的时间，钾素释放缓慢［18-19］。本试验中，网袋浸湿后10 天内秸秆有一定程度的腐解，之后由于水分和温度的限制，秸秆腐解缓慢，而当30 天后气温回升，雨水增多，微生物活性提高，秸秆开始快速腐解，120天后秸秆中易分解的纤维素、半纤维素等物质基本分解完全，秸秆腐解速率减缓，腐解率达50% 及以上。秸秆中氮主要以有机态存在，释放较慢；磷含量较少，离子态的磷在前期迅速释放；钾含量很多，主要以离子态存在，在秸秆腐解过程中持续释放［17］。加入腐解菌肥可以促进秸秆腐解，秸秆的腐解率和氮、钾释放率都有不同程度的提高，但对磷的释放率没有影响；而当秸秆用量增加时，腐解率和钾的释放率会下降，氮、磷的释放率没有显著差异。

3.2梨园秸秆还田对土壤理化性状的影响

秸秆还田量不同影响到梨园的土壤理化性状，蔡太义等［20］研究表明，不同量秸秆覆盖还田对土壤有机碳的影响不同；矫丽娜等［21］认为，土壤有机碳含量和酶活性会随秸秆添加量的增加而提高。在本试验中，当秸秆还田量在45 000 kg/hm2时，0 ～ 10 cm土层的有机碳含量显著增加，梨树不同生育时期的土壤水溶性有机碳含量提高幅度在31.0% ～ 70.5%，土壤体积质量减小，孔隙度增加；而当秸秆还田量在 22 500 kg/hm2时，0 ～ 5 cm土层的有机碳含量增加幅度只为前者的一半，5 ～ 10 cm土层的有机碳含量没有明显增加，落叶期前的土壤水溶性有机碳含量提高幅度不显著，土壤体积质量基本没有变化。

不同土壤深度处的养分含量不同，本试验中土壤碱解氮、速效磷、速效钾和有机碳含量随着土壤深度的增加逐渐降低，与闫瑞瑞等［22］研究报道一致。45 000 kg/hm2秸秆还田处理下土壤的速效养分含量在0 ～ 5、5 ～ 10和10 ～ 15 cm土壤深度处均得到显著提高，而22 500 kg/hm2秸秆还田处理下只有土壤速效钾含量和未施用腐解菌肥处理的土壤碱解氮含量在0 ～ 5 cm土壤深度处显著提高，施用腐解菌肥的处理由于秸秆快速腐解对氮的需求使得土壤碱解氮的提升效果不明显。因此，在梨园中进行秸秆覆盖还田，45 000 kg/hm2的秸秆用量可以较为明显地提高土壤有机碳含量，降低体积质量，增加土壤养分含量，而22 500 kg/hm2的秸秆用量可能需要超过两年的时间才能产生比较明显的效果。

3.3梨园秸秆还田对土壤生物性状和梨产量的影响

土壤微生物对增加土壤肥力、改善土壤结构、促进自然界的物质循环具有重要作用［23］，土壤微生物生物量碳、氮与土壤微生物数量密切相关，是评价土壤肥力的一项重要指标［24］。秸秆还田可以为微生物提供碳源和氮源，增加微生物生物量，提高微生物的活性［25］，不同还田处理对土壤微生物和微生物生物量碳、氮的影响各不相同。45 000 kg/hm2秸秆还田处理的土壤放线菌数量在幼果期和第一次膨大期时显著低于其他两个秸秆处理，土壤细菌数量从第二次膨大期时开始明显高于其他处理，土壤微生物生物量碳、氮含量变化趋势表现为前两2个时期较低，后3个时期较高。其原因是大量的秸秆覆盖使得春季土壤温度升温较慢（图2），影响到微生物的数量和活性，从而限制了微生物生物量碳、氮含量的提高，随着土壤温度的提高，秸秆大量腐解，微生物数量和微生物生物量碳、氮含量得到明显增加。22 500 kg/hm2秸秆还田施用腐解菌肥处理的土壤真菌数量在生育后期有明显的下降，可能是因为其在秸秆腐解过程中细菌的竞争作用导致的。施用腐解菌肥对土壤微生物生物量碳、氮含量的影响不明显。

在第二年试验中45 000 kg/hm2秸秆还田处理的梨产量有了极为明显的增加，与其土壤养分的提高和质地的改良密切相关。试验地梨园土壤黏重，犁底层坚实，高量秸秆还田增加了土壤的有机碳含量，减小了土壤体积质量，促进了根系的下扎和树体的生长，从而提高了产量。由于树龄较小，挂果量低，梨树以营养生长为主，不同秸秆还田处理对果实品质的影响没有显著差异，经过长期试验后可能会有不同的影响。

4　结论

秸秆覆盖量影响其对土壤的改良效果，当秸秆用量在45 000 kg/hm2时覆盖会显著提高梨园土壤养分含量，降低土壤体积质量，同时还能够提高梨果产量。秸秆覆盖对土壤的改良效果是由上到下的，本试验中0 ～ 5 cm土壤的养分含量提升效果更为明显。此外，大量秸秆覆盖在梨树生育前期由于延缓土壤温度提高，会明显影响土壤微生物的数量和活性，这一状况在梨树生育后期会得到改变。在梨园管理过程中，可以根据当地的土壤状况，选择合适的秸秆覆盖量，在经过较长时间的腐解后将秸秆翻入土壤中，达到改良土壤的目的。

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Effects of Straw Decomposition Characteristics on Soil Properties of Pear Orchard

ZHAO Peng1，2， WANG Shuo1， YE Suying1， WANG Jie1， DONG Caixia1，2*， XU Yangchun1，2
（1 College of Resourcses and Environmental Sciences， Nanjing Agricultural University， Nanjing210095， China；2 Jiangsu Collaborative Innovation Center for Solid Organic Waste Resource Utilization， Nanjing210095， China）

Abstract：In order to investigate the effects of the straw decomposition on soil physical， chemical properties and biological properties of pear orchard， field experiments were carried out， treatments were included plastic mulching（CK）， straw mulching（S），straw mulching + decomposing bacterial manure（S-BM）， double straw mulching + decomposing bacterial manure（2S-BM）. The results showed that the decomposition rate was 62.4% for S-BM treatment， while were 50% for S and 2S-BM treatments. Release rates of nitrogen and potassium of S-BM treatment were the highest under straw mulching after 150 d. Straw mulching increased soil lowest temperature， decreased soil highest temperature and temperature amplitude. The content of soil dissolved organic carbon increased while soil bulk density decreased significantly in 2S-BM treatment. Straw mulching increased soil organic carbon content at 0 - 5 cm， 2S-BM treatment enhanced soil available nutrient content at 0 - 15 cm， and S and S-BM increased soil available potassium content at 0 - 5 cm， significantly. 2S-BM treatment increased the number of soil bacteria， fungi and the contents of soil microbial biomass carbon and nitrogen in the late growth stage of pear tree. In addition， pear yields of 2S-BM，S-BM and S treatments were 86.9%， 17.8% and 28.7% higher than the CK respectively. Straw mulching improved soil properties from top to bottom， and the effect of soil improvement was very obvious when the amount of returning straw was 45 000 kg/hm2in pear orchard.

Key words：Straw mulching； Decomposition characteristics； Soil microorganisms； Soil nutrients

中图分类号：S661.2

DOI：10.13758/j.cnki.tr.2016.021.010

基金项目：①农业部948项目（2011-G27）和农业部公益性行业（农业）科研专项（2012013007）资助。

* 通讯作者（cxdong@njau.edu.cn）

作者简介：赵鹏（1991—），男，山西太原人，硕士研究生，主要从事梨树矿质营养研究。E-mail： 2012103122@njau.edu.cn