秸秆腐解过程中土壤热值与有机养分动态

张 倩，张 红

(1.甘肃农业职业技术学院，兰州 730020；2.西北农林科技大学 资源环境学院，陕西杨凌 712100)

秸秆含有大量有机质，同时含有植物生长所必需的氮、磷、钾及其他中微量元素。关于秸秆还田对土壤碳库等影响的研究日益受到重视[1-4]。作物秸秆在土壤中的转化速率既与秸秆本身物质构成有关，也与温度、水分、土壤性状等环境条件有关[5]。秸秆腐解过程生成的中间产物不仅复杂且难于分离，传统的化学分析手段很难在不改变其固有性质的基础上对残体分解的混合物进行测定，而热分析作为作物残体特征描述的一个方法，具有操作简便、需要样品量少和样品不需特殊分离等优点[6-7]，秸秆分解产生的有机物组分对土壤热解特征及其能量转化有一定影响[8-9]，而且影响土壤养分在土壤中的转化速率[10]。合理的秸秆还田不仅可以改善土壤结构和理化性状，提高土壤的养分水平，还可以避免资源浪费和环境污染[11-14]。因此，探索秸秆还田对土壤热值和养分特性的影响机制，对改善农业生产环境，提高和保持农业土壤质量具有重要的生态环境意义[15-16]。不当的秸秆还田进入土壤后会引起C/N失调、有机酸累积、土壤矿质氮降低和耕作困难等问题，导致秸秆还田难以推广[17-20]，而适当有效的秸秆还田不但可以培肥土壤，还可以加速秸秆腐解进程、提高土壤微生物活性、改善土壤养分状况和增加作物产量[21-26]。秸秆残体在土壤中分解转化过程较复杂，不同腐解时期秸秆的组分变化规律、耕作方式、秸秆还田模式以及不同量的还田处理等也在不同程度上影响土壤质量和有效养分的释放[27-28]。土壤微生物是土壤养分的驱动力，影响土壤生态系统的功能。前期研究表明，关中土娄土区农田微生物活性低、稳定性差，果园土壤微生物活性高、稳定性强，且不同土壤中不同处理的秸秆残留率差异较大[29]。

目前，有关秸秆还田的研究多集中在对作物产量、品质以及对农田土壤理化性质的影响等方面，而就不同土地利用方式下秸秆腐解期间土壤热值及养分变化特征鲜见报道。本试验选取陕西杨凌种植不同植物(农田、桃树、葡萄)的长期试验基地(耕种史在10a以上)，利用网袋法进行玉米秸秆腐解试验，采集不同腐解时期紧贴网袋的土壤，分析不同腐解时期土壤热解特征与土壤养分变化。揭示作物秸秆分解和转化对土壤热值和养分指标的影响，为该地区秸秆还田的实施和秸秆资源的合理利用和土壤培肥提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验点基本情况

试验地分别为国家黄土肥力与肥料效益野外科学观测试验站的农田(1990年建立)、西北农林科技大学实验标本园区的桃园(2001年建立)和葡萄园(2002年建立)。其中国家黄土肥力与肥料效益野外科学观测试验站设在黄土高原南部的陕西省杨凌示范区五泉镇(34°17′51″ N， 108°00′48″ E)，海拔524.7 m，年均气温13 ℃，积温 4 196 ℃，年均降水量550～600 mm，主要集中在 7-9月，年均蒸发量993 mm，无霜期184～ 216 d。桃园和葡萄园相邻，位于西北农林科技大学农作一站(34°29′81″ N， 108°07′11″ E)，葡萄园海拔略低为514 m，其他气候条件与五泉镇试验地相同。

1.2 供试材料

供试土壤为土娄土(土垫旱耕人为土)。农田种植方式为冬小麦-夏玉米轮作，采用不施肥小区进行试验；桃园与葡萄园土壤表面均为覆草模式(人工播种三叶草)，生草区每年刈割3～4次，覆盖在行间或树盘周围，桃园施肥带在桃树根部直径 1 m内，葡萄园施肥带在根部20 cm内，样品埋放位置均避开果园施肥区。供试土壤样地的基本理化性质[29]见表1。供试植物残体为玉米秸秆，采用尼龙网袋法进行植物腐解试验。玉米秸秆原样的全碳和全氮质量分数分别为402.48 g·kg-1和11.31 g·kg-1，C/N为35.59。

表1 供试土壤样地的基本性质Table 1 Soil basic properties of the three experiment fields

1.3 试验设计

为了加速玉米秸秆的腐解速度，添加外源氮素调整玉米秸秆的C/N至25。将秸秆先风干再60 ℃烘干至恒量，粉碎过1 mm筛备用。称取秸秆15 g装入350目的尼龙网袋中，封口，每个试验地重复3次，各埋60袋，一共180袋。于2011-10-31埋入3个试验地20 cm深处，同时在20 cm深处埋入土壤温度记录仪。分别于埋入后10、20、30、45、60、90、120、150、180、210、240、270、300、330、360 d取样，共取样15次，每次取出尼龙网袋之前，首先采集紧贴网袋的1 cm内的土壤样品，然后取出3袋腐解样品。土壤样品经自然风干、磨细,用于土壤差热和养分质量分数分析。3袋秸秆样品分别于60 ℃烘干后称量，计算腐解残留率。

1.4 测定项目及方法

用德国耐驰(STA449C)热分析仪对土壤进行差热分析(DSC)，测得DSC曲线[30]。pH采用(水土体积质量比2.5∶1)320型pH计测定，土壤有机碳采用重铬酸钾外加热法测定，土壤易氧化有机碳采用高锰酸钾氧化比色法测定，稳定性有机碳为土壤有机碳和易氧化有机碳之差，碱解氮采用硼酸扩散吸收法测定，有效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定，速效钾采用1.0 mol·L-1乙酸铵浸提-火焰光度法测定[31]。土壤温度采用美国TidbiT v2温度记录仪测定。

1.5 数据处理

秸秆腐解残留率=Xt/X0×100%

式中，X0为秸秆腐解前的初始质量，Xt为分解t时的秸秆腐解后剩余质量。

采用 Microsoft Excel 2007对试验数据进行处理和制图，采用SPSS 17.0 软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 玉米秸秆在不同利用模式下的残留率变化

玉米秸秆在各试验地不同腐解期的残留率变化如图1所示。由图1可见，残留率在0～20 d内迅速下降到80%左右，20～90 d内相对稳定，3个试验地变化基本一致；90～240 d 3个试验地玉米秸秆的腐解残留率呈下降趋势，到240 d时，已经基本上腐解了50%；240～360 d残留率下降趋势放缓，且3个试验地的最终腐解残留率为葡萄园>农田>桃园，在360 d腐解结束时，玉米秸秆在农田、桃园、葡萄园的腐解残留率之间的差异达到显著水平(P<0.05)，残留率分别为41.73%、 36.11%、46.14%。

图1 玉米秸秆在3个试验地不同腐解期残留率的变化Fig.1 Corn stalks residual rates in different decomposition periods in three long experiments

2.2 不同腐解期不同利用模式下的土壤温度变化

收集每月每日每时的数据，根据每个腐解时段的平均温度绘制不同试验地不同腐解期的土壤温度变化图。由图2可以看出，在玉米秸秆腐解前期(30～180 d)，不同试验地20 cm深处的土壤温度变化不大，在腐解后期，尤其是在180～330 d时，土壤温度分异比较明显，农田土壤温度明显高于果园土壤温度。

图2 不同试验地不同腐解期的平均地温变化Fig.2 Variations of mean soil temperature in different experiment fields

2.3 不同腐解期不同利用模式下的土壤差热 分析

差示扫描量热法(DSC)是在程序温度控制下，测量试样与参比物之间单位时间内能量差(或功率差)随温度变化的一种技术，能直接从DSC曲线上峰形面积得到试样的放热量和吸热量。用差示扫描(DSC)将各腐解时期的土壤样品进行差热分析，计算曲线中所有放热峰的总面积确定为土壤样品的热值(放出的总热量)。并将其变化趋势显示在图3中。

所有样品皆为放热反应，3个试验地在不同腐解期土壤放出的热量呈波动变化。其中葡萄园在20～90d内波动较小，桃园骤降骤升变化剧烈，农田则先升后降。90～240 d农田土壤的热值基本上低于果园土壤。在240～300 d农田土壤放热反应表现持续上升，桃园土壤开始下降，葡萄园土壤则先降后升。300～360 d，除了桃园土壤放热反应持续稳定之外，葡萄园和农田土壤保持下降趋势。总体来看，整个腐解期间，3个试验地土壤的热值差异较大，除了葡萄园在0～90 d波动较小外，其他两个试验地土壤的热值波动剧烈。前后累积释放的热值为桃园>葡萄园>农田，但3个试验地土壤热值无显著差异(P>0.05)。

2.4 不同腐解期不同利用模式下的土壤pH动态变化

3个试验地在不同植物秸秆腐解期的土壤pH动态变化如图4所示。由图4可以看出，除了桃园在210～240 d之间的土壤pH显著低于农田和葡萄园之外，3个试验地的土壤pH变化趋势基本一致，表现为农田>葡萄园>桃园(P<0.05)，农田和葡萄园土壤的pH与桃园土壤达到显著差异。整个腐解期0～240 d变化波动比较大，270～360 d保持稳定。腐解前后农田土壤pH基本没变，而桃园和葡萄园的土壤pH则分别从原来的8.19和8.25降到了8.00和8.08，整体降幅为2.06%～2.32%。说明秸秆腐解对果园土壤的pH影响比农田土壤大，这有可能是因为秸秆腐解导致紧贴土壤的有机酸累积，造成土壤pH下降，与Martens[20]的研究是一致的。

图3 3个试验地土壤热值在不同腐解期的变化Fig.3 Soil heat values in three long experiments in different decomposition periods

图4 农田、桃园、葡萄园不同腐解期土壤pH的变化Fig.4 Soil pH in farmland,peach orchard and vineyard in different decomposition periods

2.5 不同腐解期不同利用模式下的土壤各种碳组分动态变化

图5 是3个试验地在不同腐解期的土壤各种碳组分动态变化图。由图5-a可以看出: 在整个秸秆腐解期内，随着秸秆腐解过程的加深，3个试验地土壤有机碳变化表现趋势基本一致，在腐解前期波动剧烈，中后期变化趋缓。3个试验地土壤的有机碳质量分数之间有极显著的差异，表现为桃园>葡萄园>农田(P<0.01),而各试验地在不同腐解时期有机碳无显著差异(P>0.05)。整个腐解期除了农田土壤有机碳降低之外，桃园和葡萄园的土壤有机碳质量分数变化不大。这可能是由于果园土壤表面被牧草覆盖，牧草的含氮量比较高，可以补给秸秆在腐解过程对土壤中氮素的需求，因此对土壤有机碳的消耗并不大，整体保持均衡状态。

图5 3个试验地不同腐解期土壤有机碳(a)、易氧化有机碳(b)、稳定性有机碳(c)的变化Fig.5 Soil organic carbon (a),soil easily oxidized organic carbon (b),soil stability of organic carbon (c) in three long experiments in different decomposition periods

图5-b可以看出在0～210 d，3个试验地土壤易氧化有机碳基本在2～380 mg·kg-1之间波动；在210～240 d，陡然升高；在240～360 d，除了农田土壤呈阶梯下降之外，果园土壤呈缓慢下降趋势，3个试验地土壤在330～360 d有小幅回升，基本保持在670～1 000 mg·g-1之间。这可能是因为在秸秆腐解中后期，随着土壤温度逐渐升高，土壤微生物活动频繁，使秸秆腐解释放的有机碳养分通过尼龙网袋逐渐释放到土壤环境当中，一定程度上增加了土壤的易氧化有机碳。整体来说，易氧化有机碳的趋势为桃园>农田>葡萄园，但3个试验地土壤之间无显著差异 (P>0.05)。

图5-c是3个试验地不同腐解期土壤稳定性有机碳的动态变化图。在0～210 d，3个试验地土壤的稳定性有机碳质量分数前后波动不大，相对比较稳定；在210～240 d，急剧下降；在240～300 d时保持稳定；300～360 d呈现缓慢回升状态。总体来说，土壤稳定性有机碳质量分数的趋势为桃园>葡萄园>农田(P>0.05)，3个试验地土壤稳定性有机碳在秸秆腐解的中后期变化趋势基本一致，这说明，随着秸秆腐解时间的延长，透过尼龙网袋补给的土壤碳源，与土壤微生物之间争夺碳源的形势达到相对平衡的状态。

2.6 不同腐解期不同利用模式下的土壤速效养分动态变化

3个试验地不同腐解期土壤碱解氮质量分数的动态变化见图6-a。可以看出， 植物残体腐解过程中土壤碱解氮质量分数变化基本上呈倒“S”曲线，除了桃园在腐解前期土壤碱解氮先升后降之外，农田和葡萄园在腐解前期土壤碱解氮均出现先降低后增加趋势。3个试验地在腐解中期土壤碱解氮达到最高，然后迅速下降，在330～360 d出现缓慢上升趋势。3个试验地土壤无显著差异。

由图6-b可见,整个腐解期3个试验地的土壤速效磷从0～210 d变化不大，210～360 d腐解期内桃园土壤速效磷缓慢上升之外，农田变化波动较为剧烈，而葡萄园的土壤速效磷呈缓慢下降趋势。这可能是因为农田在270 d左右刚好度过小麦收获期，一系列的旋耕、施肥导致农田土壤速效磷的变化。腐解结束后，农田和桃园土壤速效磷分别增加了14.2%和67.5%，而葡萄园土壤速效磷降低了26.9%。3个试验地没有显著差异。

图6 3个试验地不同腐解期土壤碱解氮(a)、速效磷(b)、速效钾(c)的变化Fig.6 Soil alkalytic N (a),soil readily available P (b),soil readily available K (c) in three long experiments in different decomposition periods

3个试验地的土壤速效钾质量分数的变化结果见图6-c。整个腐解期0～210 d 3个试验地土壤速效钾质量分数变化不大，在210～360 d不断上升并趋于稳定。总体来说，桃园>葡萄园>农田，且果园与农田土壤的速效钾质量分数达到极显著差异(P<0.01)。腐解结束后，3个试验地的土壤速效钾质量分数均有不同程度的升高，其中农田、桃园和葡萄园的土壤速效钾分别增加了49.9%、43.0%和89.2%。由此可以看出，玉米秸秆腐解过程可以明显地增加土壤中速效钾质量分数。

2.7 不同利用模式下秸秆残留率与土壤温度、热值和理化指标动态变化相关性

秸秆在不同腐解时期释放的养分与周围土壤温度、热值和其他理化指标动态变化的相关性由表2可以看出，3个试验地的土壤温度与秸秆腐解残留率之间呈极显著相关关系，而秸秆残留率与3个试验地土壤的热值无显著相关关系，且不同腐解期3个试验地土壤热值前后变化剧烈，基本无规律可循。这可能是由于不同试验地土壤所含的有机组分不同，当植物残体通过尼龙网袋进入土体后，新形成的有机物质容易积聚在尼龙网袋和土壤的临界位置，而当试样混合磨细后，有可能掩盖了样品的变化特征，导致在热解过程释放的热量忽高忽低。通过秸秆腐解前后累积的热值发现，果园土壤的热值大于农田土壤，说明玉米秸秆在果园土壤腐解转化为有机质相对农田土壤高些。具体的转化方式和变化特征有待于进一步 研究。

在秸秆残留率与土壤理化指标相关分析结果中可以看出，3个试验地土壤的pH与秸秆腐解残留率没有关系，除了桃园土壤和葡萄园土壤之外，仅有农田土壤的有机碳质量分数与秸秆腐解残留率呈显著正相关，这可能是果园土壤的C/N比较高，秸秆施入土壤后分解较慢，很难在短期内给土壤补充有机碳。3个试验地土壤的易氧化有机碳和稳定性有机碳质量分数分别与秸秆的残留率呈极显著负相关和极显著正相关关系。农田土壤的碱解氮质量分数与玉米秸秆腐解残留率呈显著正相关关系，而桃园土壤的速效磷质量分数与秸秆腐解残留率呈负极显著相关，这可能是由于3个试验地中秸秆在不同腐解时间释放养分的快慢不同造成的，或者是采样时遇上试验土壤的施肥期产生的影响。3个试验地的土壤速效钾质量分数则与秸秆腐解率呈显著或极显著负相关。整体来看，农田土壤的秸秆残留率对土壤理化指标的影响大于2个果园土壤的影响。说明农田土壤在玉米秸秆还田时可调控的因素比果园土壤多，如适当调节土壤有机碳和碱解氮质量分数，可提高秸秆的腐解效果。

表2 秸秆残留率与土壤温度、热值和理化指标动态变化的相关性Table 2 Relationships of corn residual rate with soil temperature,heat value,soil physical and chemical properties

注：“*”，“**”分别表示显著(P<0.05)和极显著(P<0.01)相关。

Note:“*” and “**” stands for significant correlation at the 5% and 1% levels,respectively.

3 讨 论

秸秆腐解的速度与其自身的条件和所处的环境有关。秸秆作为有机物质，长期还田后能影响土壤有机碳周转，改变土壤有机碳的组成和结构特点，明显提高土壤的有机质质量分数[32-33]。

3.1 玉米秸秆在不同利用模式下的腐解残留率差异比较

本研究中玉米秸秆处理在3个试验地的腐解特征基本是在前期0～240 d腐解变化较快，后期240～360 d腐解较慢。这说明秸秆先将容易腐解的纤维素等物质分解释放，剩下的主要是难分解的有机物质如木质素等。经过360 d的腐解，残留率均小于50%，这与以往的研究结果一致[34-35]。张红等[29]的研究发现，农田土壤微生物活性低、稳定性差，果园土壤微生物活性高、稳定性好，所以玉米秸秆在果园土壤中腐解速度相对快些。至于在腐解后期，葡萄园土壤的秸秆残留率最高，这可能是由于葡萄园土壤在高温高湿生草覆盖条件下，土壤微生物对难分解物质消化过慢导致的，也有可能与埋袋的位置有关，有待于进一步研究。

3.2 土壤温度、热值和土壤理化性状对不同利用模式下秸秆腐解残留率的影响

温度是土壤环境中重要的生态因子，直接影响生物新陈代谢的强度和生长发育、繁殖的速度等，间接影响植物残体及土壤有机质的分解速率。土壤有机质不仅对土壤性状和土壤肥力具有重要影响,且在土壤中的分解、合成、转化过程是土壤生态系统中一种主要能流形式。示差扫描作为一种高效、快速、灵敏的分析手段研究土壤的物理化学变化，本研究主要通过峰面积来表征土壤放出热量的多少。各种有机碳组分、碱解氮、速效磷和速效钾质量分数是土壤中可供植物直接吸收利用的基本养分，研究这些指标可以反映土壤肥力状况[36]。秸秆腐解过程在一定程度上可以改变土壤的C/N，使得土壤中的某些微生物与作物争夺养分[37]，进而导致不同试验地土壤养分在腐解期间变化不同。3个试验地在秸秆腐解期间的土壤pH除了农田的基本没变之外，果园土壤的pH均有所下降，可能是由于秸秆腐解导致土壤有机酸累积造成的。土壤各种碳组分质量分数基本上是果园>农田，且相互之间没有显著差异，其变化趋势与许多研究[38-40]发现的秸秆还田可提高土壤有机碳质量分数结果不一致，这可能是因为本研究采用网袋法，土壤与网袋内秸秆之间隔离，袋中秸秆量少从而影响土壤微生物对它的分解速度。碱解氮质量分数的变化比较大，这有可能是因为3个试验地土壤的C/N高，在春夏交替之际，为了保证植物的正常生长，植物和土壤微生物争夺养分造成的结果。整个秸秆腐解期间，除了葡萄园的速效磷质量分数略有减少之外，3个试验地的土壤速效磷和速效钾质量分数均有不同程度的增加，秸秆还田提高了对土壤部分养分的供给。秸秆腐解期间对3个试验地土壤速效养分的影响与戴志刚等[35]的研究结果是一致的。

由于不同的施肥方式和管理措施，农田土壤与果园土壤在秸秆腐解过程中对土壤养分的相关性结果略有不同，有待于进一步研究秸秆腐解过程对不同土地利用方式土壤养分供给的作用机制，探讨合理的秸秆还田模式，提高秸秆的利用 效率。

4 结 论

秸秆腐解在前、中期降解较快，后期趋缓。土壤温度、易氧化有机碳、稳定性有机碳、速效钾与秸秆腐解的残留率变化呈显著相关关系，影响玉米秸秆在土壤中的腐解速度。

果园与农田土壤对秸秆腐解过程中土壤热值的动态变化影响不显著。整个腐解过程中，果园土壤累积放热值相对高于农田土壤，至于如何影响土壤有机质热力学变化有待于进一步研究。秸秆腐解在不同程度影响土壤有机养分质量分数的变化，除了一部分养分被作物和土壤微生物争夺出现剧烈变化之外，能提高部分有效养分质量分数，对土壤肥力和质量的提升起到一定的作用。

果园土壤的有机碳和速效钾质量分数极显著高于农田土壤，说明生草可以提高果园土壤的养分质量分数，提高秸秆腐解的效果，相较于农田来说，有效调整土壤有机碳和碱解氮质量分数可以促进秸秆腐解的速度，为秸秆合理利用科学还田提供参考。