秸秆颗粒化还田加速腐解速率提高培肥效果

王 婧，张 莉，逄焕成，张珺穜



秸秆颗粒化还田加速腐解速率提高培肥效果

王 婧，张 莉，逄焕成※，张珺穜

（中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081）

为了探索将玉米秸秆压缩成颗粒后还田培肥土壤的可行性，研创新型秸秆还田方式，采用尼龙网袋埋藏法，研究秸秆颗粒化还田与常规粉碎秸秆还田（对照）在盆栽培养条件下的腐解与养分释放特征，以及对土壤呼吸的影响。结果表明，相同质量的秸秆颗粒化后其堆积密度为对照的4.8倍，可显著改善其还田性，提高土壤消纳秸秆的能力。秸秆颗粒化后还田可显著提升秸秆的腐解速率，培养期内前60 d，秸秆颗粒平均腐解速率比对照提升31.68%；培养300 d后，其累积腐解率达80.81%，比对照高出8.7个百分点；估算可比对照提前30 d腐解超过50%，提前14 d完全腐解。秸秆颗粒化还田可显著提升秸秆养分释放速率，培养期前60 d尤为明显；培养300 d后，秸秆颗粒的碳（C，carbon）和氮（N，nitrogen）累积释放率比对照分别提高了11.0和13.2个百分点，但磷素（P，phosphorus）和钾（K，kalium）累积释放率与对照无显著差异（>0.05）；估算C、N、P、K养分分别释放超过50%的时间比对照提前15～125 d，提前9 d释放全部养分。此外，秸秆颗粒化还田在培养期前260 d可显著提高土壤呼吸速率，培养期间平均土壤呼吸速率比对照提高18.03%。因此，秸秆颗粒化还田可实现高效快速的培肥土壤，在农业生产中具有较高的推广应用价值。

秸秆；腐解；养分；土壤呼吸

0 引 言

中国广大农区每年产生超过7亿t的农作物秸秆[1]，“用则利，弃则害”，秸秆合理还田不但可改善土壤结构，提高土壤质量，还可有效减少秸秆乱烧乱放等浪费和污染现象。目前，中国秸秆收获时多采用粉碎后翻压或覆盖还田等方式，后茬作物易发生缺苗断垄、扎根困难、病虫害多发、减产等问题[2]，影响农民进行秸秆还田的积极性。这导致中国秸秆每年还田量仅占其总量的20%左右，仍有大量秸秆资源尚未有效利用[1]。秸秆还田困难的根本原因是秸秆资源量多，体积大，季节性集中还田超过土壤消纳能力，不科学的还田方式不但影响机械作业效果，而且土秸混合度差，耕层内部形成孔洞，腐解缓慢[1-4]。因此，针对中国粮食产量稳定和提升，秸秆资源量进一步加大的态势，伴随经济发展和农业机械研究进步的需求和现状，构建秸秆消纳量大、腐解快、利于机械操作、可安全有效快速培肥的秸秆还田方式，对中国推进秸秆还田，大幅度提升耕地质量和综合生产能力，实现“藏粮于地”，具有重要意义。

目前，国内外学术界对于可大量还田进行安全有效土壤培肥的新型秸秆还田方式的研究主要有2个方向，一是通过加工改变秸秆属性和促腐，实现秸秆的大量还田。Koullas等[3]认为，提高秸秆粉碎度可促进腐解；陈温福等[4]研究认为，将秸秆加工成生物碳后还田，具有还田量增加，碳输入程度高等优点。也有研究指出，堆沤与腐解添加物均可提高秸秆的腐解速度，提升秸秆的还田性能[5-6]。二是通过改变秸秆还田数量、深度和还田方式来实现秸秆的大量还田。张静等[2]研究认为，在一定范围内提升秸秆还田量对提高秸秆消纳能力和作物增产具有重要意义。刘世平等[7-8]研究认为，增加秸秆埋深可以提升秸秆腐解速度，实现大量还田。王允青等[9]研究认为，还田配合水淹可提高秸秆的腐解速度，增强还田有效性。然而，这些方案大多操作复杂、处理时间长，更重要的是田间机械化操作实现度差，不适于现代农业发展的需求。

鉴于此，本课题组于2013年研发了秸秆颗粒肥，创新提出秸秆颗粒化还田技术模式，并在中国北方粮食主产区开展了中试试验。其工厂化制作工艺流程如下：将农作物秸秆风干至含水率15%左右，用切碎机将秸秆粉碎至0.5～1.0 cm规格，由输送机送入配料箱内，按照5%～15%的比例添加水，并可根据需求选择添加其他添加物质，进行混合搅拌。混拌好的原料被螺旋轴推入压缩室，通过偏心压辊的挤压推向压模孔，挤出后形成秸秆颗粒。成品颗粒经过冷却、烘干、输送后包装。目前，秸秆颗粒压缩时大多添加工业添加剂且主要用于生物质能源，有关秸秆颗粒化还田培肥的研究鲜有报道。本研究采用尼龙网袋法，以粉碎秸秆为对照，研究秸秆颗粒属性，还田后的腐解和养分释放特征，及其对土壤呼吸的影响，旨在采用室内试验初步研究探索秸秆颗粒化还田新方式，并为进一步探讨农田培肥新模式与合理秸秆颗粒化还田数量与还田深度，构建安全有效快速培肥的秸秆还田技术体系提供数据支持和理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤为采自内蒙古五原县的粉砂壤土，为黄河冲积物发育形成。采样深度为0～20cm。通过比重计法测得土壤中各粒组质量分数为砂粒（>0.02～2 mm）35.81%、粉粒（>0.002～0.02 mm）53.64%、黏粒（0～0.002 mm）10.55%。采集后的土壤进行风干，剔除其中的石块、作物根系，除去杂物后过2 mm筛。用环刀法装土水饱和后烘干测得饱和含水率为38.40%，用威尔克斯法测得田间持水量为25.40%。供试土壤基本理化性质为：pH值8.45，土壤容重1.46 g/cm³，土壤有机质质量分数为10.84 g/kg，速效氮33.75 mg/kg，速效磷4.18 mg/kg，速效钾138.05 mg/kg。

2013年作物收获后采集玉米秸秆，其中，粉碎秸秆是将收集到的含茎叶在内的整株秸秆风干后剪成3～5 cm，贮存备用；秸秆颗粒取用实验室小型机械少量制作的成品，是指取风干后的整株玉米秸秆，使用粉碎机粉碎至0.5～1.0 cm，添加适当水分后放入小型造粒机，在调质器蒸气压约0.4MPa条件下造粒，制造成粒后风干，收贮。成粒为直径约0.4mm，长度约1～2cm的圆柱体。

1.2 试验方法

采用尼龙网袋法，研究秸秆养分释放特征。培养试验在北京中国农业科学院试验场温室进行，采用高45 cm；直径25 cm的塑料盆，每盆装土14 kg。试验设2个处理，分别为粉碎玉米秸秆与玉米秸秆颗粒，3 次重复。取粉碎秸秆与秸秆颗粒，分次称取10 g，分别装入孔径0.074 mm的尼龙网袋内（网袋大小为长10 cm，宽8 cm，厚0.8～1.0 cm），封口。将网袋铺入塑料盆土样中，埋深15 cm，用土掩埋，每盆埋网袋8个，加水1.2 kg。为了保持温度和水分，并模拟北方农田覆膜种植模式，试验覆膜。2014年5月10日开始培养，培养过程中每10日采取恒重法向盆中加水，试验过程中所用水均为蒸馏水。分别在培养后第30、60、100、140、180、220、260、300天测定土壤呼吸和取样，共8次。取样时随机从每盆选取一个网袋，用水冲净网袋粘附的泥浆，在60 ℃下烘干，称质量，磨碎至0.074 mm，测定剩余秸秆中碳、氮、磷、钾含量，并计算养分释放率。

秸秆腐解率=（初始培养秸秆质量−取样时秸秆质量）/初始培养秸秆质量×100%；

秸秆腐解速率=（初始培养秸秆质量−取样时秸秆质量）/培养天数；

养分释放率=（试验前秸秆养分量−剩余秸秆养分量）/试验前秸秆养分量×100%；

养分释放速率=（试验前秸秆养分量−剩余秸秆养分量）/培养天数。

1.3 测定方法

秸秆有机碳含量采用重铬酸钾容量-外加热法，称取0.01 g秸秆样品于试管中，用移液管加入5.00 mL浓度为0.80 mol/L的重铬酸钾溶液和5.00 mL浓硫酸，在170 ℃下加热至沸腾并保持5 min，待样品冷却后用0.20 mol/L的硫酸亚铁溶液进行滴定，采用邻菲罗啉作为指示剂指示滴定终点[10]。秸秆养分元素的测定首先采用硫酸-双氧水高温消煮[10]，待得到清亮消煮液后，将样品冷却、定容。消煮液采用荷兰SKALAR流动分析仪测定秸秆全氮、全磷、全钾的含量。

土壤呼吸测定采用红外气体分析（IRGA）法，采用美国LI-COR公司生产的Li-6400便携式光合仪和Li-6400-09土壤呼吸室。测定时间在预定日当天8:00～10:00，此时土壤呼吸速率最接近24 h均值[11]。测定前24 h将测定PVC基座放置入培养盆中央，插入土壤深度为2 cm，连接Li-6400的呼吸探头，测定后仪器直接输出结果。

1.4 数据统计

所得数据采用SPSS13.0及EXCEL软件进行统计分析和图表制作。采用最小显著法（LSD）检验试验数据的差异显著性水平（<0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同处理秸秆性状分析

由表1可知，秸秆压缩成颗粒后，主要可显著减小其体积，主要表现为：秸秆颗粒的堆积密度是粉碎秸秆的4.8倍，从而使其还田性能大幅提升。此外，秸秆颗粒的吸水速率也比粉碎秸秆有所提高，吸水1 h后含水率提高2.1个百分点，但差异不显著（>0.05）。秸秆颗粒的养分含量无明显变化，其中，其碳、氮、磷、钾含量与粉碎秸秆基本一致。

表1 不同处理后的秸秆性状

注：同一列不同小写字母表示处理间差异显著（<0.05），下同。

Note: Different lowercases in same column indicate significant differences at 0.05 level among treatments, the same below.

2.2 不同处理秸秆腐解率变化特征

由图1可知，秸秆颗粒化有利于秸秆的快速腐解。结果显示，秸秆颗粒与粉碎秸秆的腐解过程均可分为快速腐解期与缓慢腐解期。其中，快速腐解期约在培养期前60 d，此时秸秆颗粒的平均腐解速率达0.068 g/d，比粉碎秸秆提高31.68%。快速腐解期结束时，秸秆颗粒的腐解率已达40.60%，比粉碎秸秆高出9.8个百分点，达显著水平（<0.05）。培养60 d后，秸秆颗粒与粉碎秸秆的腐解速率有所降低，进入缓慢腐解期，在此期间，秸秆颗粒的腐解率一直高于粉碎秸秆。经过300 d的培养，秸秆颗粒腐解率达80.81%，比粉碎秸秆高出8.7个百分点，达显著水平（<0.05）。

2.3 不同处理秸秆养分元素释放特征

由图2可知，经过300 d的培养，秸秆颗粒有利于C素与N、P、K等养分元素的快速释放，在腐解前期效果更为显著。与粉碎秸秆相比，秸秆颗粒在整个培养期可显著提高碳素的释放率（图2a）。其中，培养期前30 d，秸秆颗粒的碳素释放速率达0.063 g/d，约是粉碎秸秆的1.8倍；培养300 d后，秸秆颗粒的碳素释放率已达96.47%，比粉碎秸秆提高了11.0个百分点，达显著水平（<0.05）。

秸秆颗粒在整个培养期内也显著提升了氮素的释放率（图2b），在培养期前30d，各处理氮素释放速率差异不显著（＞0.05），培养30～60 d，秸秆颗粒氮素释放速率较快，达0.79 mg/d，为粉碎秸秆的2.5倍之多，培养60 d时释放出46.97%的氮素，比粉碎秸秆处理高出27.0个百分点，达极显著水平（<0.01）；经过300 d的培养，秸秆颗粒氮素累积释放率为89.70%，比粉碎秸秆高出13.2个百分点，达显著水平（<0.05）。与粉碎秸秆相比，秸秆颗粒在培养期前220 d可促进磷素的释放（图2c），在培养期前30d，各处理磷素释放速率差异不显著（＞0.05），培养30～60 d，秸秆颗粒磷素释放速率达0.098 mg/d，约是粉碎秸秆的1.8倍。随后，秸秆颗粒的磷素开始缓慢释放，而粉碎秸秆则保持了相对高的磷素释放速率；培养300 d后，二者磷素释放率均在82%以上，差异不显著（＞0.05）。此外，秸秆颗粒在培养期前30 d可明显提高钾素的释放（图2d），其钾素释放速率达1.64 mg/d，约是粉碎秸秆的1.5倍；培养60 d时，秸秆颗粒与粉碎秸秆均释放了70%以上的钾素；培养300 d后，秸秆颗粒钾素累积释放率达到79.95%，粉碎秸秆也达78.98%，二者无显著差异（＞0.05）。

研究结果显示，秸秆制作成颗粒后，其碳素释放高峰期主要在培养期内前100 d，氮素释放高峰期主要在培养期内30～140 d，磷素与钾素的释放高峰期均在培养期内前60 d。培养300 d后，秸秆颗粒更有利于碳素、氮素的释放，磷素与钾素的释放率与粉碎秸秆无显著差异（>0.05）。

2.4 不同处理秸秆对土壤呼吸速率的影响

如图3所示，2种不同处理的秸秆在培养期间的土壤呼吸速率均表现为先升高后降低的态势。在培养期前260 d，秸秆颗粒的土壤呼吸速率均显著（<0.05）高于粉碎秸秆。2种处理的土壤呼吸速率的峰值均出现在培养100 d左右，其中，秸秆颗粒的呼吸速率为2.53mol/m2·s，比粉碎秸秆提升20.31%。此后，秸秆颗粒与粉碎秸秆的土壤呼吸速率差异逐渐减小，培养260 d后，二者的土壤呼吸速率基本相同。在整个培养期内，秸秆颗粒的土壤呼吸速率平均比粉碎秸秆高18.03%。

2.5 不同处理秸秆腐解过程相关关系分析与养分释放预测

由粉碎秸秆与秸秆颗粒腐解过程中简单相关关系分析结果（表2）可知，秸秆养分的释放率与腐解率正相关，尤其碳素、氮素、磷素的释放率，均与腐解率极显著或显著正相关。与粉碎秸秆相比，秸秆颗粒的腐解率与养分元素尤其是碳、氮、磷素的释放关系相关性更为显著。而土壤呼吸速率与秸秆的腐解率及养分的释放率均成正相关关系，但不显著，可能受其他因素共同作用的影响。与粉碎秸秆相比，秸秆颗粒腐解率及养分的释放率与土壤呼吸速率的相关性更低。

表2 不同因素间简单相关关系分析

注：*、**分别表示在0.05和0.01水平上显著相关。

Note: *, * * mean significant correlation at 0.05 and 0.01 level, respectively.

对秸秆颗粒和粉碎秸秆的腐解时间与养分释放率进行回归分析（表3），结果表明，时间与秸秆腐解率具有显著的相关性，可根据回归曲线对秸秆腐解规律进行估算与预测。估算结果显示，秸秆颗粒约比粉碎秸秆提前30 d左右腐解率超过50%。其对养分元素释放的促进作用有较大差异，释放C、N、P、K元素超过50%的时间分别比粉碎秸秆提前25、30、125、15 d。而从预测结果看，粉碎秸秆腐解346 d后，腐解率可达99%以上，养分元素基本释放完毕，与粉碎秸秆相比，秸秆颗粒的腐解进程可提前14 d。此外，根据预测结果，按释放最慢的养分元素完全释放计，粉碎秸秆与秸秆颗粒氮磷钾养分全部完全释放的时间分别为367和358 d，秸秆颗粒有利于秸秆养分的快速释放，比粉碎秸秆提前9 d完全释放秸秆中的养分。

表3 不同处理秸秆腐解时间与养分释放率的回归分析

3 讨 论

3.1 秸秆颗粒化还田促进腐解与养分释放

作物秸秆主要由纤维素、半纤维素、木质素组成，其他组分包括糖类及氨基酸等水溶性物质，脂肪、蜡质等苯-醇溶性物质、单宁、灰分等[12-13]。玉米秸秆表皮组织主要分为硅细胞和木栓细胞，含有较多的硅化物和蜡质[14]，难以被土壤微生物快速分解[15]。试验结果显示，秸秆颗粒会促进秸秆的快速腐解，应主要与粉碎与挤压过程有关。将秸秆制作成颗粒，即是人为破除秸秆的原始组织结构，磨碎秸秆外表面的角质层，使得各种难分解的木质素等物质与土壤的接触面大大增加。此外，有研究显示，挤压对秸秆的作用是瞬时和不连续的，会改变秸秆强度的延伸率、断裂韧性等[16]，秸秆颗粒在制作过程中，秸秆原料发生一系列理化反应[17]。徐广印等[14]研究发现，玉米秸秆由表皮组织、基本薄壁组织和维管束部分组成，挤压后，秸秆的表皮组织会受到破坏，横截面上的维管束发生扭曲，基本薄壁组织破碎无完形。也有研究显示，粉碎、挤压后，秸秆有机成份会发生变化，木质素出现软化粘结作用[18]，秸秆中的淀粉和糖类物质会发生酶化反应[17]。不同粉碎度与挤压力度造粒的作用效果是否有变化仍需深入研究。

研究显示，秸秆养分释放与腐解率显著正相关，秸秆颗粒提升了秸秆的腐解率，从而造成养分释放率显著提升。营养元素在秸秆中的形态决定其释放的快慢，培养天数越长，可释放的养分释放率越高[19]。秸秆中钾素释放最快，主要是因为秸秆中钾素含量较高并且主要以离子态存在[20]，易释放。秸秆中含磷量较低，60%以上以离子态存在，释放较快，其余部分参与细胞壁的构成，和木质素胶结[21]，不能立即分解。碳、氮主要以有机态存在，是秸秆主体部分，胶结程度高[22-23]，前期不易分解，后期释放率较大，这与本研究结果一致。试验结果显示，秸秆制作成颗粒后，其对秸秆碳、氮的释放更为有利，这应与颗粒破除了秸秆原组织的胶结程度有关，组织结构破碎后，养分元素尤其碳、氮释放率提升。随着培养时间的增加，秸秆碳氮比呈下降的趋势，但比值依然较大，有可能导致微生物分解秸秆作用减弱[22]，造成后期养分释放速率降低。

3.2 秸秆颗粒化还田提高土壤呼吸速率

秸秆造粒后，粉碎度提升，增加了其与外界接触的表面积，且挤压等原因造成纤维素束形态改变[14]，会促进木质素的分解，这势必加速秸秆的矿化与腐殖化进程。研究显示，秸秆颗粒腐解过程中，其平均土壤呼吸速率比粉碎秸秆处理提高18.03%。这应与秸秆颗粒腐解速率加快有关，但相关性分析结果显示，与粉碎秸秆相比，秸秆颗粒还田后的土壤呼吸速率与秸秆的腐解及养分的释放的正相关性较低，说明秸秆颗粒还田虽然提高腐解速率，但并不一定显著提升土壤呼吸速率。有研究显示，碳氮管理措施会改变土壤呼吸速率[24]，秸秆还田可促进土壤中CO2向空气中扩散，主要是由于秸秆还田后不但促进有机质的分解，还可增强土壤微生物的呼吸，并增加土壤总孔隙度[25]。这与本研究结果有一定差异，应与土壤质地、温度、水分等其他因素的作用有关。

3.3 秸秆颗粒化还田的优势分析

一般农作物秸秆都具有疏松、密度小、单位体积大、营养元素含量不均等缺点[26]。将秸秆制作成颗粒后，其体积减小，密度增大，这应是由于压辊的推力、压模的阻力、秸秆间相互摩擦及变形等阻力共同作用的结果[17]，其还田后利于和土壤均匀混合，减少土壤“空洞”现象。而堆积密度高有利于运输、存放等[27]，不但可解决秸秆区域分布不均的问题，还可提高单位面积农田还田量。此外，有研究发现，提高粉碎度后挤压，会提高秸秆营养元素的均匀性[28]。本研究结果还显示，秸秆制作成颗粒后，其吸水更快，应更有利于土壤保墒。因此，与粉碎秸秆相比，秸秆颗粒的可还田性能有显著提升。这种还田性能的提升使秸秆颗粒的可还田量大幅提升。目前，对于不同地区农田秸秆的适宜还田量与还田量阈值尚无明确的研究结论，有研究认为，适宜秸秆还田量在5 000～9000 kg/hm2不等，随着秸秆用量的增加，田间操作进一步困难，下茬作物会出现植株出苗量减少，降低产量等现象[6,29-30]。这些研究主要是基于目前粉碎秸秆及其还田效果得出的，试验结果显示，秸秆压缩成颗粒后，其还田性能提升，土秸混合度更好，更利于土壤田间耕作，其还田量在一定范围内提升，将不会对田间耕作和下茬作物生长产生负面影响。

本研究结论主要基于培养试验得出，秸秆颗粒在不同农区大田的具体还田操作流程及其对土壤理化性质和环境效应的影响仍有待深入探讨。

3.4 秸秆颗粒化还田的可行性分析

中国秸秆资源十分丰富，然而其过量的体积和巨大的数量已经成为中国大面积推行机械化秸秆还田的障碍。秸秆颗粒将秸秆进行细致粉碎后造粒，可以压缩秸秆体积至原来的1/5左右，这大大提升了秸秆的还田性能，不但可根据实际提升秸秆的还田量，还可依照颗粒肥的标准实现全程机械化，并可进行深层还田。由于其结构紧凑，不但不会影响还田效果，还可提高与土壤的结合度。其吸水性更好，腐解速度与养分释放更快，具有极佳的应用前景。

目前，机械化秸秆颗粒制作使用的设备一般分为大、小2种类型。大型成套设备主要由秸秆切碎设备、上料设备、辅助物质定量添加装置、混料装置、挤压轧制装置、冷却输送设备、机电装置、烘干设备等部件组成，配套齐全，自动化程度高，生产效率高（1～1.5 t/h），但投资较大，占用场地大。小型设备以秸秆造粒机为主要设备，采取人工上料、人工输送等辅助作业，生产率低（0.1～0.3 t/h），劳动强度高，但投入较小，占用场地少。不同生产设备制作的秸秆颗粒是否会对其培肥效果产生显著影响，目前仍需探讨。根据前期调研，制作秸秆颗粒的成本高于粉碎秸秆，但如果国家将土壤有机质提升补贴和秸秆还田补贴的主体改为有机肥生产企业，其生产成本会有大幅降低，同时，秸秆颗粒化还田消纳秸秆、培肥土壤、利于机械化操作等优点带来的生态环境效益与节本成效等远高于目前常规的粉碎秸秆还田方式。

4 结 论

秸秆制作成颗粒后，堆积密度约为粉碎秸秆的4.8倍，吸水速率也有所提高，还田性能显著提升。秸秆颗粒还田可显著提升秸秆腐解速率，培养期前100 d，其腐解速率比粉碎秸秆提升31.68%，培养结束时，玉米粉碎秸秆与秸秆颗粒的累积腐解率分别为72.11%和80.81%。秸秆颗粒可显著提升秸秆养分释放速率，培养300 d后，其C和N的累积释放率比粉碎秸秆提高了11.0和13.2个百分点。秸秆颗粒培养期内平均土壤呼吸速率比粉碎秸秆处理提高18.03%。秸秆颗粒体积小，运输方便，不但可解决秸秆区域分布不均的问题，还可提高单位面积农田秸秆还田量，更可依照颗粒肥的标准实现全程机械化，并可进行深层还田。其吸水更迅速，还田性能好，利于其和土壤均匀混合，且腐解速度与养分释放更快，具有极佳的应用前景。

[1] 毕于运，高春雨，王亚静，等. 中国秸秆资源数量估算[J]. 农业工程学报，2009，25(12)：211－217.

Bi Yuyun, Gao Chunyu, Wang Yajing, et al. Estimation of straw resources in China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2009, 25(12): 211－217. (in Chinese with English abstract)

[2] 张静，温晓霞，廖允成，等. 不同玉米秸秆还田量对土壤肥力及冬小麦产量的影响[J]. 植物营养与肥料学报，2010，16(3)：612－619.

Zhang Jing, Wen Xiaoxia, Liao Yuncheng, et al. Effects of different amount of maize straw returning on soil fertility and yield of winter wheat[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2010, 16(3): 612－619. (in Chinese with English abstract)

[3] Koullas D P, Christakopoulos P, Kekos D, et al. Correlating the effect of pretreatment on the enzymatic hydrolysis of straw[J]. Biotechnology and Bioengineering, 1992, 39(1): 113－116.

[4] 陈温福，张伟明，孟军. 农用生物炭研究进展与前景[J]. 中国农业科学，2013，46(16)：3324－3333.

Chen Wenfu, Zhang Weiming, Meng Jun. Advances and prospects in research of biochar utilization in agriculture[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2013, 46(16): 3324－3333. (in Chinese with English abstract)

[5] Sun Y, Cheng J. Hydrolysis of lingo cellulosic materials for ethanol production: A review[J]. Bioresource technology, 2002, 83(1): 1－11.

[6] 常娟，卢敏，尹清强，等. 秸秆资源预处理研究进展[J]. 中国农学通报，2012，28(11)：1－8.

Chang Juan, Lu Min, Yin Qingqiang, et al. Progress of research on pretreatment of corn stover[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2012, 28(11): 1－8. (in Chinese with English abstract)

[7] 刘世平，陈文林，聂新涛，等. 麦稻两熟地区不同埋深对还田秸秆腐解进程的影响[J]. 植物营养与肥料学报，2007，13(6)：1049－1053.

Liu Shiping, Chen Wenlin, Nie Xintao, et al. Effect of embedding depth on decomposition course of crop residues in rice-wheat system[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2007, 13(6): 1049－1053. (in Chinese with English abstract)

[8] 李新举，张志国，李贻学. 土壤深度对还田秸秆腐解速度的影响[J]. 土壤学报，2001，38(1)：135－138.

Li Xinju, Zhang Zhiguo, Li Yixue. Effects of soil depth on decay speed of straw[J]. Acta Pedologica Sinica, 2001, 38(1): 135－138. (in Chinese with English abstract)

[9] 王允青，郭熙盛. 不同还田方式作物秸秆腐解特征研究[J]. 中国农业生态学报，2008，16(3)：607－610.

Wang Yunqing, Guo Xisheng. Decomposition characteristics of crop-stalk under different incorporation methods[J]. Chinese journal of eco-agriculture, 2008, 16(3): 607－610. (in Chinese with English abstract)

[10] 鲍士旦. 土壤农化分析（第3版）[M]. 北京：中国农业出版社，2005.

[11] 张丁辰，蔡典雄，代快，等. 旱作农田不同耕作土壤呼吸及其对水热因子的响应[J]. 生态学报，2013，33(6)：1916－1925.

Zhang Dingchen, Cai Dianxiong, Dai Kuai, et al. Soil respiration and its responses to soil moisture and temperature under different tillage systems in dryland maize fields[J]. Acta Ecologica Sinica, 2013, 33(6): 1916－1925. (in Chinese with English abstract)

[12] 吴景贵，席时权，曾广赋，等. 玉米秸秆腐解过程的红外光谱研究[J]. 土壤学报，1999，36(1)：91－100.

Wu Jinggui, Xi Shiquan, Zeng Guangfu, et al. Study on decomposed corn straw residue by fourier transform infrared spectroscopy[J]. Acta Pedologica Sinica, 1999, 36(1): 91－100. (in Chinese with English abstract)

[13] 倪文海，刘欢，刘振涛，等. 水稻秸杆腐解过程溶解性有机质红外光谱研究[J]. 土壤，2013，45(2)：220－226.

Ni Wenhai, Liu Huan, Liu Zhentao, et al. Study on fourier transform infrared spectra of dissolved organic matters extracted from rice straw at different decay stages[J]. Soils, 2013, 45(2): 220－226. (in Chinese with English abstract)

[14] 徐广印，沈胜强，胡建军，等. 秸秆冷态压缩成型微观结构变化的实验研究[J]. 太阳能学报，2010，31(3)：273－278.

Xu Guangyin, Shen Shengqiang, Hu Jianjun, et al. Experimental study on the micro structure changes in the process of cold molding with straw[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2010, 31(3): 273－278. (in Chinese with English abstract)

[15] 张杰. 秸秆、木质素及生物炭对土壤有机碳氮和微生物多样性的影响[D]. 北京：中国农业科学院，2015.

Zhang Jie. Effects of Incorporation of Straw, Lignin and Biochar on Organic Carbon, Nitrogen and Microbial Diversity[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2015. (in Chinese with English abstract)

[16] 孟海波，韩鲁佳. 秸秆物料的特性及其加工利用研究现状与应用前景[J]. 中国农业大学学报，2003，8(6)：38－41.

Meng Haibo, Han Lujia. Analysis of application and prospects and study status of the processing properties of straw materials[J]. Journal of China Agricultural University, 2003, 8(6): 38－41. (in Chinese with English abstract)

[17] 宋林平. 我国机械化秸秆压块饲料技术发展前景与对策（综述）[J]. 河北职业技术师范学院学报，2003，17(4)：72－74.

Song Linping. Development prospect and countermeasures of mechanical stalk lumping fodder technology: A review[J]. Journal of Hebei Vocation-Technical Teachers College, 2003, 17(4): 72－74. (in Chinese with English abstract)

[18] 田潇瑜，侯振东，徐杨. 玉米秸秆成型块微观结构研究[J]. 农业机械学报，2011，42(3)：105－108.

Tian Xiaoyu, Hou Zhendong, Xu Yang. Micro-structure of corn stover briquette[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(3): 105－108. (in Chinese with English abstract)

[19] 孙凯宁，于君宝，宁凯，等. 棉花秸秆堆腐特性及腐熟度评价[J]. 农业环境科学学报，2013，32(2)：393－399.

Sun Kaining, Yu Junbao, Ning Kai, et al. The composting characteristics of cotton straws and maturity evaluation[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2013, 32(2): 393－399. (in Chinese with English abstract)

[20] 李继福，任涛，鲁剑巍，等. 水稻秸秆钾与化肥钾释放与分布特征模拟研究[J]. 土壤，2013，45(6)：1017－1022.

Li Jifu, Ren Tao, Lu Jianwei, et al. Study on characteristics of release and distribution of rice straw potassium and chemical potassium by lab simulation[J]. Soils, 2013, 45(6): 1017－1022. (in Chinese with English abstract)

[21] 戴志刚，鲁剑巍，李小坤，等. 不同作物还田秸秆的养分释放特征试验[J]. 农业工程学报，2010，26(6)：272－276.

Dai Zhigang, Lu Jianwei, Li Xiaokun, et al. Nutrient release characteristics of different crop straws manure[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2010, 26(6): 272－276. (in Chinese with English abstract)

[22] 陈兴丽，周建斌，刘建亮，等. 不同施肥处理对玉米秸秆碳氮比及其矿化特性的影响[J]. 应用生态学报，2009，20(2)：314－319.

Chen Xingli, Zhou Jianbin, Liu Jianliang, et al. Effects of fertilization on carbon/nitrogen ratio of maize straw and its mineralization in soil[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2009, 20(2): 314－319. (in Chinese with English abstract)

[23] 丁雪丽，何红波，李小波，等. 不同供氮水平对玉米秸秆降解初期碳素矿化及微生物量的影响[J]. 土壤通报，2008，39(4)：784－788.

Ding Xueli, He Hongbo, Li Xiaobo, et al. Effect of nitrogen level on carbon mineralization and microbial biomass during initial decomposition of maize straw[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2008, 39(4): 784－788. (in Chinese with English abstract)

[24] 黄涛，仇少君，杜娟，等. 碳氮管理措施对冬小麦/夏玉米轮作体系作物产量、秸秆腐解、土壤CO2排放的影响[J]. 中国农业科学，2013，46(4)：756－768.

Huang Tao, Qiu Shaojun, Du Juan, et al. Effects of different carbon and nitrogen managements on yield, straw decomposition, soil CO2flux of the winter wheat/summer maize[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2013, 46(4): 756－768. (in Chinese with English abstract)

[25] 李玮，张佳宝，张丛志. 秸秆还田方式和氮肥类型对黄淮海平原夏玉米土壤呼吸的影响[J]. 中国生态农业学报，2012，20(7)：842－849.

Li Wei, Zhang Jiabao, Zhang Congzhi. Effects of straw incorporation and N fertilization on soil respiration during maize (L.) growth in Huanghuaihai Plain[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2012, 20(7): 842－849. (in Chinese with English abstract)

[26] 霍丽丽，孟海波，田宜水，等. 秸秆固体成型燃料与颗粒饲料的对比[J]. 中国农学通报，2011，27(8)：328－333.

Huo Lili, Meng Haibo, Tian Yishui, et al. Comparison of biomass pellet of straw and pellet feed[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2011, 27(8): 328－333. (in Chinese with English abstract)

[27] 田宜水，姚宗路，欧阳双平，等. 切碎农作物秸秆理化特性试验[J]. 农业机械学报，2011，42(9)：124－128.

Tian Yishui, Yao Zonglu, Ouyang Shuangping, et al. Physical and chemical characterization of biomass crushed straw[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(9): 124－128. (in Chinese with English abstract)

[28] 霍丽丽，孟海波，田宜水，等. 粉碎秸秆类生物质原料物理特性试验[J]. 农业工程学报，2012，28(11)：189－195.

Huo Lili, Meng Haibo, Tian Yishui, et al. Experimental study on physical property of smashed crop straw[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(11): 189－195. (in Chinese with English abstract)

[29] 刘义国，刘永红，刘洪军，等. 秸秆还田量对土壤理化性状及小麦产量的影响[J]. 中国农学通报，2013，29(3)：131－135.

Liu Yiguo, Liu Yonghong, Liu Hongjun, et al. Effects of straw returning amount on soil physical and chemical properties and yield of wheat[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2013, 29(3): 131－135. (in Chinese with English abstract)

[30] 张彬，何红波，赵晓霞，等. 秸秆还田量对免耕黑土速效养分和玉米产量的影响[J]. 玉米科学，2010，18(2)：81－84.

Zhang Bin, He Hongbo, Zhao Xiaoxia, et al. Effects of crop-residue incorporation on no-tillage soil available nutrients and corn yield[J]. Journal of Maize Sciences，2010, 18(2): 81－84. (in Chinese with English abstract)

Returning granulated straw for accelerating decomposition rate and improving soil fertility

Wang Jing, Zhang Li, Pang Huancheng※, Zhang Juntong

(,,100081,)

Returning crop straw into the soils is one of the important steps towards sustaining and improving soil fertility. As a large agricultural country, China has more than 700 million tons crop straw engendered annually. Various practices of returning straw, such as chopping, mulching and deep burying, have been invented and used widely in rural areas. However, low yield of crop always occurs in the next season if excessive amount of straw has been returned, which even leads to plant disease and insect pest. Further, environmental issues increase due to a lot of crop straw returning to the field. Thus, effective techniques for returning crop straw and increasing soil productivity should be developed to cope with these challenges. As an innovative way of returning straw, we granulated the maize straw with the help of a straw granulated machine and then returned them into the soils. To evaluate the effects of granulated straw and chopped straw (standing for the control) on straw decomposition, nutrient release and soil respiration, a successive laboratory incubation experiment was conducted at Chinese Academy of Agricultural Sciences inBeijing, China. After granulating, the bulk density of maize straw was 254.09 kg/m3, 4.8 times the value of the control. As a result, the rates of straw returning increased considerably in a unit soil. In this experiment, both the granulated and chopped straw were put in several nylon bags and then buried into soils at a depth of 15 cm. In the course of the experiments, they were sampled randomly and determined. In the earlier 60 d, the mean decomposition rate of granulated straw was 31.68% higher than that of the control. After 300 d, the cumulative decomposition rate of granulated straw was 80.81%, 8.7percentage points higher than that of the control. Based on the regression analysis between nutrient releasing rate and decomposition time for different pre-treatments of maize straw, the granulated straw treatment was 30 or 14 d earlier than the chopped straw treatment when they half or completely decayed, respectively. In addition, the granulated straw treatment significantly increased the nutrient release rate throughout the entire incubation period, especially in the early 60 d. After 300 d, the granulated straw treatment increased the cumulative release amount of C (carbon) and N (nitrogen) by 11.0 percentage points and 13.2 percentage points compared to the corresponding level of the control, respectively. However, no significant differences were found for the cumulative release amount of P (phosphorus) and K (potassium) between the granulated and chopped straw treatment. According to the results of data fitting, the time of more than 50% releasing nutrient for the granulated straw treatment was 15-125 d earlier than the control; in contrast, it was 9 d earlier than the control when its nutrient was released completely. In addition, the mean value of soil respiration rate for the granulated straw treatment was 18.03% greater than the control in the earlier 260 d. In conclusion, maize straw that was granulated before returning into soils can fast and effectively improve soil fertility; and thus, it is worthy widely applying in agricultural production.

straw; decomposition; nutrients; soil respiration

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.06.023

S14

A

1002-6819(2017)-06-0177-07

2016-07-26

2017-03-07

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目（IARRP-2014-12）；公益性行业（农业）科研专项项目（201303130）；国家自然科学基金资助项目（41501314）

王 婧，女，满族，山东临沂人，副研究员，研究方向为土壤培肥。北京 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，100081。Email：wangjing02@caas.cn

逄焕成，男，汉族，山东高密人，研究员。研究方向为土壤耕作与培肥。北京 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，100081。Email：panghuancheng@caas.cn