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

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

张学林，周亚男，李晓立，侯小畔，安婷婷，王群

（河南农业大学农学院/省部共建小麦玉米作物学国家重点实验室/2011河南粮食作物协同创新中心，郑州 450002）

【目的】明确室内和大田条件下小麦和玉米秸秆分解和养分释放的影响因素，能够为作物秸秆合理还田及其养分管理提供理论依据。【方法】采用尼龙网袋法于室内培养和大田试验相结合研究氮肥用量（0，CK；180 kg N·hm-2，N180和360 kg N·hm-2，N360）作用下作物秸秆分解特征，其中室内主要研究氮肥用量和土壤类型（砂姜黑土和潮土）对小麦和玉米秸秆分解的影响；2015年6月至2016年6月冬小麦-夏玉米大田研究氮肥用量和秸秆还田深度（地表和20 cm）对小麦和玉米秸秆分解的影响。【结果】室内研究发现，秸秆类型和土壤类型显著影响秸秆分解常数、有机碳释放量、氮释放量和磷释放量。随氮肥用量增加，小麦秸秆分解常数在两种土壤类型上均呈增加趋势，玉米秸秆呈降低趋势；小麦和玉米秸秆氮释放量呈降低趋势（小麦秸秆在潮土上呈增加趋势）。小麦秸秆在潮土上的分解常数及其碳、氮、磷释放量均显著高于砂姜黑土，而土壤类型对玉米秸秆分解影响较小。室内相同培养条件下（180 d），小麦秸秆碳释放量均值为370 g·kg-1、氮为4 g·kg-1、磷为3.6 g·kg-1；玉米秸秆碳释放量为560 g·kg-1、氮11 g·kg-1、磷3.3 g·kg-1。大田条件下，秸秆还田深度显著影响小麦和玉米秸秆分解常数及其碳、氮、磷释放量；其中秸秆还田20 cm处理的分解常数及其养分释放量均显著高于地表处理。随氮肥用量增加，地表处理小麦秸秆分解常数和全碳释放量逐渐降低，玉米秸秆呈增加趋势；20 cm处理小麦分解常数及其碳、氮和磷释放量均随氮肥用量呈增加趋势，而玉米秸秆呈降低趋势。地表处理小麦秸秆经过一个玉米生长季能分解40%，释放碳150 g·kg-1、氮2 g·kg-1、磷3.5 g·kg-1左右；翻埋到地下20 cm可以分解80%，释放碳360 g·kg-1、氮4 g·kg-1、磷3.8 g·kg-1。玉米秸秆还田到地表，经过一个小麦生长季只能分解40%，释放碳210 g·kg-1、氮5 g·kg-1、磷2 g·kg-1；而还田于土层20 cm处理可以分解60%，释放碳360 g·kg-1、氮6 g·kg-1、磷2.5 g·kg-1。主成分分析结果表明，室内条件下小麦秸秆分解常数与土壤无机氮、脲酶、秸秆氮含量呈显著正相关，与蔗糖酶和秸秆碳氮比呈显著负相关，而玉米秸秆分解常数与土壤无机氮呈显著负相关。大田条件下小麦秸秆分解常数与土壤脲酶、蔗糖酶、秸秆碳氮比、秸秆碳、氮含量均显著负相关；玉米秸秆分解常数与土壤硝态氮、无机氮含量、脲酶、蔗糖酶以及秸秆碳氮比均呈显著负相关，而与秸秆氮、磷含量呈显著正相关。【结论】室内培养试验和大田试验均表明，小麦和玉米秸秆分解常数和养分释放特征存在差异，增施氮肥促进小麦秸秆分解但对玉米秸秆分解的影响较小；潮土和砂姜黑土显著影响小麦秸秆分解而对玉米秸秆分解的影响较小，秸秆还田深埋入土能够显著促进小麦和玉米秸秆的分解及其养分释放。生产上作物秸秆应该还田入土，并根据土壤类型和作物类型采取合适的肥料用量促进秸秆分解。

作物秸秆；秸秆分解常数；氮肥管理；砂姜黑土；潮土

0 引言

【研究意义】秸秆还田是培肥地力、促进养分循环利用、发展可持续农业的重要措施。秸秆分解是农田生态系统物质和能量相互转化的重要生物化学循环过程之一，该过程一方面释放出作物可利用性氮素和作物生长需要的其他矿质养分、培肥地力；另一方面增加土壤有机质含量、改善土壤理化性状、提升耕地质量[1-3]。我国每年主要农作物秸秆生产量在6—8亿吨左右，其中小麦和玉米秸秆总量占到25%— 40%[4-6]，这些秸秆含有丰富的碳、氮、磷等营养元素，研究小麦和玉米秸秆分解及其养分释放特征，对农业可持续发展具有重要意义。【前人研究进展】普遍认为，秸秆分解受自身特性、气候环境、土壤类型及农田管理技术等因素的影响[7-9]。XU等[2]、南雄雄等[7]、AGEHARA等[10]采用大田试验和室内培养试验研究发现秸秆特性如碳氮比的差异显著影响其分解，其中玉米秸秆分解和碳氮等养分释放量显著高于小麦；土壤水分和温度对秸秆分解的影响随秸秆类型的变化而不同，最大田间持水量条件下小麦和玉米秸秆分解较快；李昌明等[11]大田研究则认为，气候和土壤条件主导着秸秆氮磷的释放，其中土壤类型间由于通气性、机械组成、养分状况等差异，显著影响秸秆分解过程中养分的释放，相同条件下，黑土中氮磷主要表现为直接释放，而潮土和红壤多表现为先富集后释放[11-12]。农田管理技术尤其是氮肥用量是影响秸秆分解和养分释放的重要因素。大量研究表明作物秸秆分解配合施用氮肥，能够避免微生物在分解秸秆过程中与作物竞争土壤中的氮素，促进秸秆分解，提高养分释放量[13-14]；但是LI等采用盆栽试验研究发现增施氮肥抑制玉米秸秆分解[15-17]；还有研究认为氮肥对作物秸秆分解的作用随秸秆特性、氮肥用量和土壤特性变化而不同[18-20]。秸秆还田方式如地表覆盖和深埋入土，是目前生产上大面积推广的技术，也是诸多学者关注的焦点[7-8,11]。秸秆深埋入土有利于增加深层土壤有机质含量，提升土壤有机质和轻组有机碳总量，改善土壤理化性质[14]。【本研究切入点】秸秆分解的研究方式主要为室内培养和大田试验，室内培养具有研究条件可控、研究结果受外界因素影响小、接近最佳状态等特点，能够有针对性明确某种因素对作物秸秆分解的影响程度，其缺点是研究结果与生产实际有一定差距[17,21-22]；大田试验能够再现自然条件下作物秸秆的分解特征，但由于影响因素变化复杂，很难明确影响作物秸秆分解的主导因素。因此，室内培养与大田试验相结合是探讨秸秆分解和养分释放量及其影响因素的最佳研究策略。【拟解决的关键问题】室内培养与大田研究相结合，探讨土壤类型、氮肥用量、还田深度等因素对不同作物秸秆分解及养分释放的影响，以期为制定秸秆还田技术、合理施肥、科学养地提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 室内培养试验：氮肥用量和土壤类型对秸秆分解及养分释放的影响

1.1.1 土壤和秸秆收集 培养试验选用黄淮海农田两种代表性土壤类型：砂姜黑土（ST）和潮土（FT）。砂姜黑土取自驻马店西平县二郎乡张尧镇试验站（114.02E，33.38N），潮土取自河南农业大学郑州实验农场（113.59E，34.86N）。两种土壤均取自农田0—20 cm土层，风干过筛后用于进行培养试验，同时测定其基本理化特性（表1）。2015年6—10月在西平试验站分别收集小麦秸秆和玉米秸秆。小麦秸秆主要为茎叶混合样品（碳448.13 g·kg-1、氮6.19 g·kg-1、磷3.8 g·kg-1、C﹕N为72.39）；玉米秸秆为茎叶混合样品（碳598.39 g·kg-1、氮12.07 g·kg-1、磷3.4 g·kg-1、C﹕N为49.60），这些样品于70°C烘干至恒重后切成长度为1 cm段用于分解试验。

表1 室内培养试验所用潮土和砂姜黑土基础养分、机械组成等特性比较

*和**表示0.05和0.01水平的差异显著性，NS表示差异不显著 *and**: Indicated the significant difference at 0.05 and 0.01 levels, NS: not significant

1.1.2 试验设计和室内培养 培养试验为秸秆类型（小麦和玉米）、土壤类型（砂姜黑土和潮土）、氮肥用量（SCK：0，SN180：180 kg N·hm-2和 SN360：360 kg N·hm-2）三因素设计。其中氮肥用量是根据黄淮海生产实际设置的最低值、适宜值和最高值3个梯度，氮肥选用尿素，所有处理均重复4次。

采用尼龙网分解袋+培养瓶法在室内25℃培养箱内进行秸秆分解试验，具体作法为：选用容积为1 L的广口培养瓶，先在培养瓶底部平铺100 g土壤，后将重量为10 g的小麦秸秆或玉米秸秆分解袋（分解袋为10 cm×10 cm，网孔1 mm2）放入培养瓶内；再在分解袋上部添加400 g土，根据培养瓶容积和土壤重量，计算出培养瓶内土壤容重1.2 g·cm-3条件下的装土高度，进而调整分解袋与土壤在培养瓶内的紧实度。基于每个培养瓶装土量为500 g，按照每公顷土壤2 000 000 kg，计算出每个氮肥处理每个培养瓶内的氮肥施用量，在试验开始第一天把定量尿素溶于蒸馏水，均匀喷洒于培养土壤的表层；随后添加相应水分使培养瓶内保持在田间持水量的60%左右。秸秆分解期间采用称重法调控土壤含水量，每2—3 d添加一次蒸馏水。秸秆分解试验持续180 d，每30 d取一次样品，取出来的样品在托盘内用蒸馏水小心清洗干净，烘干至恒重，称重，测定并计算秸秆分解率及碳、氮、磷等养分释放量。

1.2 大田试验：氮肥用量和秸秆还田深度对秸秆分解及养分释放的影响

1.2.1 研究地点和试验设计 小麦和玉米秸秆大田分解试验分别于2015年6—10月（玉米生育期）和2015年10月至2016年6月（小麦生育期）在驻马店西平县二郎乡张尧镇试验站进行。该站地处北亚热带向暖温带过渡地带，属亚湿润大陆性季风型气候，年均日照时数2 157.2 h，平均气温14.8℃，无霜期221 d，降雨量852 mm，属典型雨养农业区，土壤类型为砂姜黑土[23]。试验期间大气温度、降雨量如图（图1）所示。小麦和玉米秸秆大田分解试验为氮肥用量和还田深度两因素设计，其中氮肥用量处理同室内培养试验，即：0 kg N·hm-2（CK）、180 kg N·hm-2（N180）和360 kg N·hm-2（N360）；两个秸秆还田深度处理分别为：秸秆放置在地表（Surface）和秸秆埋入地下20 cm深度（20 cm）处理，试验小区面积80 m2，4次重复。

箭头表示玉米季和小麦季施肥时间及施肥比例The arrows represent N application time and their ratio during maize or wheat growth periods

1.2.2 秸秆收集与取样 2015年6月收获小麦地上部茎叶混合样，烘干至恒重后切成长度为1 cm段后，装入10 cm×15 cm分解袋内（网孔为1 mm2），每袋15 g，于玉米生育期进行试验。玉米试验田品种为生产上大面积推广的“伟科702”，播种时间为2015年6月5日，种植密度为67 500株/hm2；同日将地表处理小麦秸秆放入玉米行间；20 cm处理则将小麦秸秆埋入玉米行间地下20 cm处，随后每30 d取一次样，取样时间分别为30 d （7月5日），60 d （8月4日），90 d（9月3日）和120 d （10月3日）。玉米生育期的施肥时间和追施比例根据当地生产实际进行：氮肥分别于玉米苗期（4片完全展开叶）（50%）和大喇叭口期（50%）两次开沟施入 5 cm 土层并覆盖，磷肥（90 kg·hm-2）和钾肥（120 kg·hm-2）于苗期（4叶）一次性施入（图1所示），氮肥采用尿素，磷肥采用过磷酸钙，钾肥采用氯化钾。

2015年10月玉米收获后收集地上部茎叶混合样品，烘干、切段、装袋，每袋15 g，于小麦生育期进行玉米秸秆分解试验。小麦试验田品种为生产上大面积推广的“郑麦9023”，播种时间为2015年10月15日，10月27日把玉米秸秆分解袋放入试验田，其中地表处理的分解袋放入小区麦行间；20 cm处理分解袋埋入小麦行间地下20 cm处。根据黄淮海生产实际，取样时间分别为60 d （2015年12月 26日），120 d（2016年2月24日），150 d（2016年3月26日），180 d（2016年4月25日）和210 d（2016年5月25日）。样品收集后的秸秆处理同室内试验进行清洗、烘干、称重，计算分解量并测定残留秸秆养分含量。小麦生育期氮肥分别于基施（50%）和拔节期（50%）两次施入，磷肥（120 kg·hm-2）和钾肥（90 kg·hm-2）作为基肥一次性施入。氮肥采用尿素，磷肥采用过磷酸钙，钾肥采用氯化钾，追肥为开沟施入5 cm土层并覆盖。小麦和玉米秸秆分解期间同时测定土壤含水量，其中小麦和玉米分解期20 cm处理含水量平均值分别比0 cm处理高90%和18%（图2）。

*，**，***分别表示处理之间0.05，0.01和0.001水平的差异显著性。下同

1.3 作物秸秆养分和土壤特性测定

室内培养和大田试验开始前，均留一部分秸秆作为初始样品(0 d)，初始样品和秸秆分解期间所取样品均于70°C烘干至恒重，测定其养分含量，其中采用重铬酸钾-硫酸外加热法测定秸秆全碳含量[24]；采用凯氏定氮法测定全氮[25]；采用钼锑抗比色法测定全磷[26]。室内培养和大田试验期间，同时测定土壤硝态氮、无机氮、脲酶和蔗糖酶活性，其中土壤硝态氮和无机氮含量采用2 mol·L-1KCl浸提后用流动分析仪测定，土壤脲酶和蔗糖酶采用关松荫[27]的方法测定。

1.4 计算

根据不同分解时间秸秆残留量和养分含量计算各分解阶段秸秆生物量干重剩余率（L）、秸秆分解常数（k）、养分剩余率（Ft）和养分释放量（Dt）[11]：

L (%) = (Wt)/W0 × 100% （1）

Wt/W0= e-kt（2）

Ft(%)= Ct×Wt/(C0×W0) （3）

Dt(g·kg-1秸秆)=C0×W0-Ct×Wt （4）

式中，L为作物秸秆干重剩余率，W0为秸秆最初重量，Wt为某次收获的秸秆烘干重；k为秸秆分解常数。Ft为养分剩余率，即某个取样时间点残留秸秆养分含量（Ct）与干物重乘积占最初秸秆养分含量（C0）与干物重乘积的百分比（%）。每千克秸秆养分释放量（Dt）为分解初期养分含量（C0）与干物重（W0）乘积减去试验结束时残留秸秆养分含量（Ct）与干物重（Wt）乘积。

1.5 统计分析

所有数据均采用SPSS19.0（SPSS Inc., Chicago, IL, USA）进行分析，并用SigmaPlot 12.5进行作图。不同处理之间秸秆干重剩余率（L）、秸秆分解常数（k）、养分剩余率（Ft）和养分释放量（Dt）进行方差分析，并采用LSD法进行多重比较。室内培养条件下两种土壤类型以及两种作物秸秆类型之间的分解常数k值差异显著性采用paired t-test进行检验；大田试验不同还田深度之间的差异显著性采用paired t-test进行检验，采用Canoco5软件进行主成分分析秸秆分解常数与其他植株和土壤特性之间的关系。

2 结果

2.1 室内培养试验

方差分析结果表明（表2），秸秆类型和土壤类型均显著影响秸秆分解常数及其碳、氮、磷（土壤类型除外）释放量，其中玉米秸秆分解常数和养分释放量均显著高于小麦秸秆；潮土条件下小麦秸秆分解常数及其养分释放量显著高于砂姜黑土。氮肥用量显著影响秸秆碳、氮释放量，其中小麦秸秆分解常数在两种土壤类型上均随氮肥用量增加呈增加趋势，玉米秸秆呈降低趋势；小麦和玉米秸秆碳释放量在砂姜黑土上均随氮肥用量增加呈降低趋势，氮释放量呈降低趋势（小麦秸秆在潮土上呈增加趋势）。

表2 室内培养条件下不同处理之间小麦和玉米秸秆分解常数（k）、养分释放量（Dt）比较

Cr：作物；S：土壤；F：肥料；Tr：处理。均值后不同字母表示处理之间0.05水平上差异显著性。*，**，*** 分别表示0.05，0.01和0.001水平差异显著性；NS表示差异不显著。表3同

Cr: Crop; S: Soil; F: Fertilizer; Tr: Treatment. Different letters in same column indicated a statistically significant difference among treatments (< 0.05). *, **, *** Indicated the significant difference at 0.05, 0.01 and 0.001 levels, respectively; NS: Not significant. The same as Table 3

由表3看出，与培养初期相比，相同培养条件下，小麦和玉米秸秆生物量干重均呈降低趋势，至培养结束，砂姜黑土和潮土条件下小麦秸秆的剩余率分别为20%和12%，玉米秸秆剩余率为6%左右。秸秆分解期间，小麦和玉米秸秆残留部分的养分含量变化趋势不同（图3）：小麦残留秸秆碳含量在两种土壤上均呈增加趋势，说明小麦秸秆分解慢，秸秆内碳在残留部分中所占比例增加，与培养初期相比，砂姜黑土和潮土条件下小麦秸秆碳在残留秸秆中的比例分别提高了7.5%和10%。玉米残留秸秆中碳含量呈降低趋势；与分解初期相比，该含量分别降低了17.3%和10.2%。小麦和玉米秸秆氮在残留秸秆的含量在两种土壤类型上均呈增加趋势，小麦秸秆含量在砂姜黑土和潮土上分别增加68.8%和88.8%，玉米分别增加30.2%和26%。小麦和玉米秸秆全磷在残留秸秆的含量在砂姜黑土和潮土上呈降低趋势，其中小麦秸秆分别减少72.4%和70.2%，玉米秸秆减少25.3%和17.8%。

室内培养条件下，小麦和玉米秸秆碳、氮、磷等养分在砂姜黑土和潮土上逐渐释放出来，其剩余率呈降低趋势（图4），其中小麦秸秆在两种土壤类型上的全碳剩余率分别为18.5%和13.3%，全氮剩余率分别为38.2%和22.5%，全磷剩余率为5%左右。玉米全碳剩余率分别为5.3%和5.6%，全氮剩余率为7.4%和4.5%，全磷剩余率为5%左右。其中每千克玉米秸秆碳（560 g左右）和氮（11 g左右）释放量均值均显著高于小麦碳（370 g左右）、氮（4 g左右）释放量，而磷释放量（3.3 g左右）显著低于小麦（3.6 g左右）。

图3 室内培养条件下小麦和玉米秸秆分解过程中残留部分碳、氮、磷含量动态变化

表3 室内培养条件下小麦和玉米秸秆干重剩余率（L）的变化

图4 室内培养条件下小麦和玉米秸秆分解过程中碳、氮、磷剩余率（Ft）动态变化

2.2 大田秸秆分解试验

2.2.1 小麦秸秆分解 方差分析结果（表4）表明，秸秆还田深度显著影响小麦秸秆分解常数及其碳、氮、磷养分释放量，其中20 cm处理的小麦秸秆分解常数及其养分释放量均显著高于地表处理。随氮肥用量增加，地表处理小麦秸秆分解常数和碳释放量逐渐降低，而20 cm处理分解常数、秸秆碳、氮、磷释放量均呈增加趋势。

小麦秸秆分解期间其生物量干重逐渐减少（表5），至培养结束时地表处理秸秆剩余率为60%左右，20 cm处理为20%左右，t- test比较结果表明20 cm处理剩余率显著低于地表处理。小麦秸秆分解期间其碳、氮在残留部分的含量均呈增加趋势，而磷呈降低趋势（图5）。与分解初期相比，培养结束时地表处理和20 cm处理碳含量分别提高17.4%和14.7%；氮分别提高26.4%和90%；磷减少73%，且磷不受还田深度的影响。地表处理和20 cm处理小麦秸秆分解期间其碳、氮、磷剩余率均呈降低趋势（图6）；与秸秆分解初期相比，地表处理和20 cm处理小麦秸秆碳剩余率分别为68.5%和33.6%；氮剩余率为72.7%和48. 6%；磷剩余率为15.2%和8.3%；地表处理和20 cm处理每千克小麦秸秆碳释放量为150 g和360 g左右；氮释放量为2 g和4 g左右；磷释放量为3.5 g和3.8g左右。

图5 大田条件下小麦和玉米秸秆分解过程中残留秸秆内碳、氮、磷含量的动态变化

表4 大田条件下不同处理之间小麦和玉米秸秆分解常数（k）、养分释放量（Dt）比较

D：深度Depth。均值后字母表示同一土层处理间0.05水平差异显著性

Different letters in same column indicated a statistically significant difference among treatments of the same soil layer (< 0.05)

图6 大田条件下小麦和玉米秸秆分解过程中碳、氮、磷剩余率（Ft）动态变化

表5 大田条件下小麦和玉米秸秆分解期间干重剩余率（L）变化

均值后字母表示同一土层处理间0.05水平差异显著性。*，**，***分别表示两个还田深度处理间0.05，0.01和0.001水平差异显著性

Different letters in same column indicated a statistically significant difference among treatments of the same soil layer (<0.05). *, **, *** Indicated the significant difference between two residue returning depth treatments at 0.05, 0.01 and 0.001 levels, respectively

2.2.2 玉米秸秆分解 方差分析结果表明（表4），秸秆还田深度显著影响玉米秸秆分解常数及其碳、氮、磷养分释放量，其中20 cm处理秸秆分解常数及其养分释放量均显著高于地表处理。地表处理秸秆分解常数及秸秆碳、氮、磷释放量均随氮肥用量增加呈增加趋势，但差异不显著；20 cm处理秸秆分解常数及碳、氮、磷释放量均随氮肥用量增加呈降低趋势。

玉米秸秆分解期间其干重逐渐降低（表5），至培养结束时地表处理秸秆剩余率为60%左右，20 cm处理为40%左右；20 cm处理剩余率显著低于地表处理。玉米秸秆分解期间残留部分氮含量呈增加趋势，而磷呈降低趋势（图5）；与培养初期相比，培养结束时地表处理秸秆残留部分氮含量减少10.2%，20 cm处理氮增加20.2%；磷分别减少36.1%和24.1%。整个分解期间，地表处理和20 cm处理玉米秸秆碳、氮和磷剩余率均呈降低趋势（图6）；与分解初期相比，培养结束时地表处理和20 cm处理玉米秸秆碳剩余率分别为64.4%和39.1%；氮剩余率分别为60.4%和47.5%；磷剩余率分别为46%和30.4%；地表处理和20 cm处理每千克玉米秸秆全碳释放量为210 g和360 g左右，氮释放量为5 g和6 g左右，磷释放量为2 g和2.5 g左右。

2.3 室内和大田条件下秸秆分解常数与土壤和秸秆特性的主成分分析

主成分分析结果可以看出（图7），室内培养条件下，小麦秸秆分解常数与土壤硝态氮、无机氮、脲酶、秸秆氮含量呈显著正相关，与土壤蔗糖酶和秸秆碳氮比呈显著负相关；玉米秸秆与土壤硝态氮和无机氮呈显著负相关。大田条件下小麦秸秆分解常数与土壤脲酶、蔗糖酶、秸秆碳氮比、秸秆碳、氮含量均显著负相关；玉米秸秆分解常数与土壤硝态氮、无机氮含量、脲酶、蔗糖酶以及秸秆碳氮比均呈显著负相关，而与秸秆氮、磷含量呈显著正相关。

3 讨论

室内培养和大田研究均表明，小麦和玉米秸秆分解期间其养分释放速率表现为磷>氮>碳，这与徐健程等[12]的研究结果基本一致。秸秆养分释放过程中残留秸秆中氮所占比重增加、表现为氮含量呈增加趋势，而磷呈降低趋势，这主要是秸秆分解期间，微生物活动加剧并固持氮素，导致秸秆碳氮比降低，全氮含量增加[28-29]；作物秸秆磷含量降低是由于分解期间可溶性磷迅速释放所致[16]，且作物秸秆分解初期会不同程度的固持磷元素，致使磷含量呈现波峰变化，但固持磷的最大量不会超过秸秆自身最初的磷含量。

不同作物秸秆类型之间分解速率和养分释放存在显著差异。秸秆分解过程主要受秸秆理化特性、秸秆分解微环境、土壤特性等因素的影响程度不同[28]。室内条件下玉米秸秆分解速率比小麦秸秆快，其原因一方面是秸秆分解微环境和土壤特性基本一致，影响作物秸秆分解的因素主要是秸秆特性，尤其是秸秆碳、氮含量及其C/N 比[30]，C/N 较低的秸秆更适合土壤微生物的新陈代谢，利于作物秸秆的腐解和土壤有机碳的矿化，而较高的则相反[30-31]。本试验中小麦秸秆碳氮比高、氮含量低、分解较慢，玉米秸秆养分含量特别是氮含量高、碳氮比低、分解快的研究结果也证明了前人的观点[16,31]。另一方面是，玉米秸秆含有大量易分解的可溶性糖等成分，这些碳素大部分容易被微生物利用，进而加快秸秆分解[29]。大田条件下，小麦秸秆分解比玉米快，这与黄涛等[32]的华北地区冬小麦生育期低温干燥、玉米秸秆分解较慢、夏玉米季高温多雨、小麦秸秆腐解较快的研究结果一致。大田条件下作物秸秆分解受到土壤特性、气象因素和秸秆特性综合作用的影响[13, 33]，尤其是土壤含水量、土壤温度等非生物因素的作用相对较大[2,34-35]。玉米生育期进行分解的小麦秸秆经历了降雨量月份之间的不均匀分配以及夏季温度相对较高等复杂因素的综合影响进而加速秸秆分解；而小麦生育期分解的玉米秸秆经历的是冬季低温、不良的通气、降雨量相对较低等条件，这可能是玉米秸秆分解较慢的主要原因[34-36]

土壤无机氮Soil inorganic N (INN)，植物碳含量Plant C，植物氮含量Plant N，植物磷含量Plant P

氮肥用量对不同作物秸秆分解的影响程度不同。室内试验和大田试验（20 cm处理）均表明，增施氮肥促进小麦秸秆分解而抑制玉米秸秆分解；这与 LI 等[15]的尿素降低玉米秸秆分解的结果基本一致。增施氮肥促进小麦秸秆分解的一个原因是，小麦秸秆纤维素含量相对较高，增施氮肥后秸秆纤维素等碳水化合物水解酶的活性增强，促进了秸秆中可溶性物质及纤维素等碳水化合物的分解；另一个原因是微生物分解有机体以C/N为25﹕1为最佳，其中微生物体C/N 为5﹕1，其他20 个单位的碳素作为能源消耗，氮素就成为影响参与秸秆分解的微生物的活性的重要限制因素，小麦秸秆C/N相对较高、氮含量含对较低，参与分解秸秆的微生物利用氮肥的同时也可直接吸收利用小麦秸秆含氮有机分子，进而加速其分解[19, 31, 37]。玉米秸秆分解受氮肥抑制或作用不显著的主要原因是，玉米木质素含量相对较高，增施氮肥抑制了木质素裂解酶活性，因此其分解较慢；其次是含氮量大于1.5%—1.7%的秸秆如玉米秸秆不需外源氮素即可满足分解过程中微生物对氮素的需要，增施氮肥后，营养素供应水平很高，减少了微生物生物量需求，降低了土壤中细菌群落多样性和丰富度，如白腐菌（木质素主要分解菌）活性降低，抑制了秸秆腐解[13,20]。

土壤类型和还田深度均显著影响小麦秸秆分解。土壤类型的作用主要与土壤理化性质如黏土、壤土等特性有关，其中秸秆分解速率与土壤中黏粒含量呈负相关[38]，这可能是潮土小麦秸秆分解常数比砂姜黑土高的原因。秸秆还田入土20 cm显著促进小麦和玉米秸秆分解，是因为作物秸秆还田到地表时，地表水分、温度、光照等环境条件比较恶劣，不利于微生物活动，也就不利于秸秆分解[22]；作物秸秆埋入土壤后，地下土壤环境具有很强的缓冲性，温度和湿度随恶劣天气的急剧变化相对较慢，为土壤微生物活动创造了有利的微环境，增加了微生物与秸秆之间的交换，刺激秸秆的分解[3,39-40]。作物秸秆分解是一个需水过程，当土壤水分为16%—20%时，秸秆的分解速率最快[35]，翻埋入土的秸秆所处的土壤含水量相对比较稳定，变幅较小，也促进了秸秆的分解。另外，秸秆还田入土降低土壤容重，增加土壤孔隙度、田间持水量等，改善了土壤水、气、热传导和孔隙中 O2等土壤理化性状，进而影响微生物活动，促进秸秆分解[38, 40-41]。

4 结论

小麦和玉米秸秆分解期间其养分释放速率为磷>氮>碳。室内相同土壤类型、相同培养时间、相同氮肥用量条件下，玉米秸秆分解速率比小麦快，秸秆分解速率主要是受秸秆碳、氮含量及碳氮比等特性的影响；大田条件下玉米秸秆比小麦秸秆分解慢，主要是秸秆分解期间温度和降雨量等气象因素起着主导作用。增施氮肥促进小麦秸秆分解，但抑制玉米秸秆分解。潮土和砂姜黑土均显著影响小麦秸秆分解及其养分的释放；与砂姜黑土相比，潮土由于其粉粒较高、黏粒较低等特性促进小麦秸秆分解，但两种土壤类型对玉米秸秆分解的影响不显著。与秸秆还田到土壤表层相比，秸秆还田入土20 cm能加速其分解及养分释放。因此，黄淮海地区小麦和玉米秸秆应还田入土，并根据不同类型秸秆在潮土和砂姜黑土上的分解特征，采取适宜的氮肥管理措施促进秸秆分解。

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（责任编辑 李云霞）

Effects of Nitrogen Fertilizer on Crop Residue Decomposition and Nutrient Release Under Lab Incubation and Field Conditions

ZHANG XueLin, ZHOU YaNan, LI XiaoLi, HOU XiaoPan, AN TingTing, WANG Qun

(AgronomyCollege, Henan Agricultural University/State Key Laboratory of Wheat and Maize Crop Science/Collaborative Innovation Center of Henan Grain Crops for 2011, Zhengzhou 450002)

【Objective】 The study was carried out to investigate factors affecting the decomposition and nutrient release of wheat and maize residue under indoor and field conditions, so as to provide a theoretical basis for the rational return of crop residue and its suitable nutrient management practices. 【Method】 We conducted indoor incubation experiment with nylon bag and field experiment to study residue decomposition characteristics of wheat and maize under various nitrogen (N) fertilizer dosages (0, CK; 180 kg N·hm-1, N180; 360 kg N·hm-2, N360). In indoor environment, we focused on the effects of N dosage and soil types (Shajiang black soil: ST, Fluvo-aquic soil: FT), while in field condition, we emphasized on the effects of N dosages and burying depth (surface and 20 cm depth treatment) of the residue. 【Result】 Laboratory studies found that both residue types and soil types significantly affected residue decay constant, C, N, and P release. With the increasing of N application rate, the decay constant of wheat residue increased in both soil types, while the maize residue decreased. The N releases of maize and wheat residue decreased (the wheat residue increased in FT soil). The decay constant of wheat residue of the FT soil and the release of C, N, and P were significantly higher than those of the ST soil, while the soil types had little effect on the decomposition of maize residue. Under the lab incubation condition (180d), the average C releases of wheat residue were 370 g·kg-1, N was 4 g·kg-1, and P was 3.6 g·kg-1; maize residue C release was 560 g·kg-1, N was 11 g·kg-1, and P was 3.3 g·kg-1. Under field condition, the depth of residue returning significantly affected the decay constants of wheat and maize residue and the release of C, N and P. The decay constant and nutrient releases of residues treated with 20 cm were significantly higher than that of surface treatment. For surface treatment, the decay constant and C release of wheat residue declined gradually with the increase of N fertilizer application rate, but the maize residue increased. For 20 cm treatment, the decay constant of wheat residue and the release of C, N, and P increased with the amount of N fertilizer, while maize residue showed a decreasing trend. Under field condition, surface wheat residue biomass could decompose 40% after a maize growing season (June - October 2015), releasing 150 g C·kg-1, 2 g N·kg-1and 3.5 g P·kg-1; burying underground to 20 cm could decompose 80%, releasing 360 g C·kg-1, 4 g N·kg-1, and 3.8 g P·kg-1. Maize residues biomass could only decompose 40% after a wheat growth season (October 2015-June 2016) when the residues being returned to the surface, releasing 210 g C·kg-1, 5 g N·kg-1, and 2 g P·kg-1, but the 20 cm treatment could decompose 60%, releasing 360 g C·kg-1, 6 g N·kg-1, and 2.5 g P·kg-1. Principal component analysis showed that the decay constant of wheat residue under indoor conditions was significantly positively correlated with soil inorganic N, urease and straw N content, and negatively correlated with soil sucrase and straw C/N ratio, while maize residue decay constant was negatively correlated with soil inorganic N. Under field conditions, the decay constant of wheat residue was negatively correlated with soil urease, soil invertase, residue C content, N content and residue C/N ratio, while maize residue decay constant was negatively correlated with soil inorganic N content, soil urease, invertase and residue C/N ratio, and positively correlated with residue N and P content.【Conclusion】Both indoor and field experiment showed that the decay constants and nutrient release characteristics of wheat and maize residue were different. The application of N fertilizer promoted the decomposition of wheat residue but had little effect on the decomposition of maize residue. The soil types (ST and FT) significantly affected the decomposition of wheat residue, but the effects on maize residue decomposition were small. Returning crop residue to the soil could significantly promote the decomposition of wheat and maize residue and its nutrient release. In production, the crop residue should be returned to the soil, and appropriate N dosage should be adopted to soil types and residue types to promote the decomposition of straw.

crop residue; residue decay constant; nitrogen fertilizer management; Shajiang black soil; Fluvo-aquic soil

10.3864/j.issn.0578-1752.2019.10.008

2018-11-21；

2019-01-18

河南省高等学校重点科研项目（18A210019）、国家重点研发计划课题（2018YFD0200605）、国家现代农业产业技术体系建设专项（CARS-02-19）

张学林，Tel：13643867669；E-mail：xuelinzhang1998@163.com；zxl1998@henau.edu.cn