不同还田方式下北方旱作小麦秸秆腐解规律研究

王 娜 李 萍 宗毓铮 张东升 郝兴宇

(山西农业大学农学院,山西 太谷 030801)

我国北方旱地小麦的种植面积占北方小麦种植面积的60%左右,且随着农业生产的发展以及液化气技术的推广,农业区秸秆利用问题突现。秸秆还田作为一种直接、高效利用秸秆的方式,已在我国北方旱作农业区广泛应用。作物秸秆归还田后,在腐解过程中可以释放作物生长所必需的氮、磷、钾及其他微量元素；合理的秸秆还田可以协调土壤中水、肥、气、热之间的关系,提高土壤蓄水能力、改善土壤理化性质和土壤养分状况、促进土壤酶活性、影响土壤有机质的积累与固碳能力[1-5]。秸秆还田对土壤肥力影响的研究日益受到重视。

有学者就秸秆还田后的腐解规律和养分释放情况开展了相关研究。王允青等[6]在探究小麦、油菜秸秆腐解特征时发现,土埋处理的秸秆腐解速度最快,水泡处理的秸秆腐解较慢,原因可能是土埋处理为有氧条件,有利于微生物对秸秆的腐解。刘单卿等[7]研究发现在秸秆腐解过程中,翻埋还田在秸秆的腐解与组成成分降解方面优于覆盖还田,原因可能是其土壤耕层秸秆水分高于土表覆盖秸秆中水分,有利于秸秆降解菌活性提高,促进秸秆降解。也有研究发现,秸秆翻压在土壤中比覆盖在表层腐解速率快,表明秸秆腐解与养分组成释放受还田深度与通气情况的影响[8-9]。综上可知,秸秆腐解速率与土壤结构、以及土壤中的水分和养分密切相关,而不同还田方式不仅影响秸秆腐解速率,而且会对土壤结构和养分产生影响,但其具体秸秆腐解规律和机制有待深入研究。气候、土壤条件特殊的黄土高原旱作农业区每年都有大量的小麦秸秆产生,但关于黄土高原半干旱地区麦田秸秆腐解的相关研究尚鲜见报道。为提高该农作区土壤质量,本研究拟开展黄土高原旱作一年一熟种植制度下不同秸秆还田方式小麦秸秆腐解的动态变化及秸秆腐解过程中有机碳矿化和氮素释放规律的研究,并探讨该种植制度下不同秸秆还田方式对土壤肥力的影响与保护性耕作的优势效应,以期为北方旱作小麦秸秆还田模式提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验区概况

1.1.1 供试材料 供试小麦秸秆为试验地风干的冬小麦秸秆,其成分组成及养分含量见表1。

表1 小麦秸秆的理化性质Table 1 Physical and chemical properties of wheat straw

1.1.2 试验区概况 试验地位于山西省临汾市尧都区县底镇城隍村保护性耕作长期定点试验区(36.04°N,111.30°E),该地区海拔450 m,属暖温带大陆性季风气候,年平均气温12.6℃,无霜期190 d[10],年平均降雨量为527 mm,集中在7-9月份。土壤为褐土、有机质含量低、略显碱性。

试验安排在该实验站的固定道试验区,固定道试验区拖拉机和其他作业机械的轮子都被限制在永久固定车道上,车道上不耕作也不种植作物,车道之间的作物生长带不受车轮压实[11]。试验田基本情况和0～20 cm 土层土壤物理化学性质和预埋的基本情况见表2(2014年6月14日取样测定结果)。

表2 不同耕作方式实验地基础地力Table 2 Basic fertility of the experimental land under different tillage practices

1.2 试验设计

试验设置2 个处理,秸秆还田旋耕(SRT)、秸秆覆盖免耕(SNT)。采用尼龙网袋法[12]测定秸秆腐解,2014年6月14日,将风干的小麦秸秆剪成20 cm 左右长,装入300 目尼龙袋(30 cm×30 cm,3 层),每袋放置小麦秸秆45 g。6月15日将装有秸秆的尼龙袋埋入农田土壤。按水与原土质量比为1.5∶1配制土壤悬浊液,每个尼龙袋浇入150 g 上述土壤悬浊液,侵秸秆与土壤充分接触。SNT 将样品袋放置于土壤表层,SRT将样品袋埋入土壤10 cm 处,预埋地点做好标记。每个处理3 次重复,共设5 个取样时期(埋入后70、99、194、280 和375 d),共30 个样品袋,秸秆腐解日数对应的取样时间如表3所示。取出后清理秸秆表面附土,烘干、称重,测定秸秆失重情况,计算秸秆的腐解率,并测定秸秆纤维素、半纤维素、木质素、有机碳、全氮含量变化,计算有机碳矿化特征,氮素释放特征。

表3 秸秆腐解日数与对应取样时间Table 3 Number of days of straw decomposition and corresponding sampling date

1.3 测定项目与方法

1.3.1 秸秆腐解率计算 按照公式计算秸秆腐解率[8]：

1.3.2 纤维素、半纤维素和木质素含量与腐解率测定

参考王金主等[13]的方法,纤维素含量采用硫酸与重铬酸钾氧化法测定；半纤维素含量采用HCl 水解法测定；木质素含量采用醋酸提取,再用KI 溶液和硫代硫酸钠滴定法测定。并按照公式计算各组分的腐解率[8]：

1.3.3 秸秆有机碳含量与有机碳矿化率测定 有机碳含量采用硫酸-重铬酸钾外加热方法测定[14]。并按照公式计算有机碳矿化率[15]：

1.3.4 秸秆全氮含量与氮素释放率测定 全氮含量采用硫酸-过氧化氢消煮后,利用凯氏定氮法测定[14]。并按照公式计算氮素释放率[15]：

1.4 数据处理

利用SPSS 22.0 软件进行数据处理和统计分析,采用单因素ANOVA 分析法比较不同处理间的差异性。

2 结果与分析

2.1 不同耕作方式对小麦秸秆腐解率的影响

SRT 小麦秸秆的腐解率高于SNT(图1)。随着时间的推移,SRT 和SNT 小麦秸秆均呈现出一定程度的腐解,腐解第194 和第375 天时,SRT 小麦秸秆腐解率分别较SNT 显著高11 和19 个百分点。经过一年的腐解,最终SRT、SNT 秸秆腐解率分别为50%、31%。综上,秸秆还田旋耕有利于小麦秸秆的腐解。

图1 不同耕作方式对旱作小麦秸秆腐解率的影响Fig.1 Effects of different tillage practices on the decomposition rate of rain-red wheat straw

2.2 不同耕作方式对小麦秸秆主要成分含量的影响

经过一年的腐解,SNT 前期纤维素含量较SRT高,后期则相反；半纤维素含量在两处理间无显著差异。在秸秆腐解第70 和第99 天时,SNT 的纤维素含量较SRT 高4 和5 个百分点。腐解第375 天,SNT 小麦秸秆纤维素含量较SRT 低3 个百分点(图2-A、B)。

木质素含量前期表现为SNT 较SRT 高,腐解280 d 时SRT 显著高于SNT,但腐解375 d 时两处理差异不显著；腐解第70 天,SNT 小麦秸秆木质素含量较SRT 高5 个百分点,差异显著,而在腐解第280 天较SRT 显著低6 个百分点(图2-C)。

在秸秆的腐解过程中,纤维素、半纤维素腐解规律整体与秸秆腐解规律一致,均随腐解时间的推移而增加,且SRT 腐解率大于SNT。腐解过程中,SRT 的纤维素、半纤维素平均腐解率分别为65%、45%,SNT 的平均腐解率分别为56%、30%,且腐解280 d 后,SRT 半纤维素腐解率增幅高于SNT。腐解结束后,SRT 和SNT 的纤维素、半纤维素腐解率分别为88%、61%和83%、38%(图3-A、B)。

2 种处理的木质素腐解率均呈先降低后升高的趋势,且SRT 腐解率大于SNT。SRT 秸秆木质素平均腐解率为53%,SNT 为39%。腐解第375 天,SRT、SNT木质素腐解率分别为74%、58%(图3-C)。

2.3 不同耕作方式对小麦秸秆有机碳含量与全N 含量的影响

腐解前期SNT 小麦秸秆的有机碳含量较高,腐解第194 天,SNT 小麦秸秆的有机碳含量较SRT 显著低4 个百分点；腐解第280 天,SNT 的有机碳含量较SRT极显著高9 个百分点；但腐解约一年(375 d)后,SNT和SRT 对小麦秸秆有机碳含量的影响无显著差异(图4-A)。

小麦秸秆的初始全氮含量为40%。腐解前期小麦秸秆全氮含量呈小幅度下降趋势。腐解194 d 后,小麦秸秆全氮含量开始增加,SRT 增幅较大,SNT 秸秆全氮含量极显著低于SRT。腐解第375 天,SNT 秸杆全氮含量较SRT 低37 个百分点(图4-B)。

2.4 不同耕作方式对小麦秸秆有机碳矿化率与秸秆氮素释放特征的影响

SRT 和SNT 小麦秸秆有机碳矿化率随腐解时间的推移均呈增加趋势(图5-A)。SRT 秸秆有机碳矿化率高于SNT。在整个腐解期间SRT 秸秆有机碳平均矿化率为42%,SNT 为31%。腐解第375 天,SRT、SNT 秸秆有机碳矿化率分别为57%、40%。因此,SRT更有利于秸秆有机碳的矿化。

秸秆的腐解过程中,SNT 小麦秸秆全氮释放率总体变化较平缓,SRT 则呈先增加后降低再增加的趋势。在整个腐解期间SRT 秸秆全氮平均释放率为25%,SNT 为41%。腐解第70、第194、第280 和第375 天,SNT 秸秆全氮释放率分别较SRT 高16、11、40 和21 个百分点,且腐解194～375 d 期间两处理间差异显著或极显著(图5-B)。

图2 不同耕作方式对旱作小麦残留秸秆纤维素、半纤维素和木质素含量的影响Fig.2 Effect of different tillage practices on cellulose， hemicellulose and lignin content of rain-fed wheat straw

3 讨论

耕作方式会影响秸秆的腐解速率,但整体规律基本一致,即前期分解较快,后期分解速率逐渐缓慢[16-17]。本试验结果表明,小麦秸秆在还田194 d 前快速腐解,194 d 后随着时间的延长腐解速率趋于平缓。这主要由于在腐解前期,秸秆中易降解的物质较多,其中含有大量的碳源可供微生物利用,使秸秆快速分解；腐解后期微生物活性降低,秸秆腐解趋缓[18-19]。此外,由于SNT 秸秆缺少与土壤的充分接触以及较多的水分挥发,使其含水量及微生物丰度均小于SRT,所以SNT 秸秆的分解小于SRT[20-22]。本研究中小麦秸秆纤维素、半纤维素、木质素腐解率均表现为SRT 大于SNT。这可能是由于SRT 的纤维素分解菌数量与纤维素酶活性明显高于SNT[23]。

在整个腐解期间,SRT 秸秆有机碳矿化率均高于同时期的SNT,秸秆还田后一部分碳通过矿化分解以CO2的形式释放,另一部分碳在微生物以及酶的作用下逐步分解转化形成腐殖质在土壤中积累[24]。旋耕处理有利于微生物呼吸,消耗较多的有机质为微生物活动提供能量[25],因此,SRT 小麦秸秆有机碳矿化率较高。

本研究中,SNT 秸秆的全氮含量后期显著低于SRT。有研究发现分解氮的微生物需要有氧环境[26],SNT 秸秆位于土表,氧气较充足,有利于土壤中与分解氮相关的微生物活动,全氮释放率较高且氮素释放较稳定；而SRT 秸秆在土壤内部,氧气不足,不利于土壤中与分解氮相关的微生物活动,降低了秸秆氮素向土壤中的净释放量[2,27]。本研究秸秆氮素释放规律与刘单卿等[7]的研究结果存在一定的差异,可能与试验田土壤理化性质、降雨、温度、湿度差异有关,其机理有待深入研究。

图3 不同耕作方式对旱作小麦秸秆主要成分腐解特征的影响Fig.3 Effect of different tillage practices on decomposition characteristics of main components of rain-red wheat straw

图4 不同耕作方式对旱作小麦秸秆有机碳和全氮含量的影响Fig.4 Effect of different tillage practices on organic carbon content and total nitrogen content of rain-red wheat straw

SNT 秸秆有机碳矿化率较SRT 低,一定程度上可以提高农田土壤碳库存储,减少农田碳排放[28]。小麦秸秆腐解过程中,释放的秸秆氮素有大部分将残留在土壤中或以其他途径损失[27,29],也有研究表明秸秆还田可提高耕层土壤的氮素含量[28],SNT 小麦秸秆氮素释放率较高,可补充土壤氮素供作物生长需求,并减少农田氮素投入。

4 结论

本研究表明,黄土高原旱作小麦区,SRT 较SNT小麦秸秆腐解率更大。SNT 小麦秸秆有机碳矿化率较低,可一定程度减少农田碳排放,提高土壤碳库,同时该处理下还田小麦秸秆有较高的氮素释放率,可在一定程度上减少农田氮素投入。综上,在黄土高原旱作小麦区秸秆覆盖免耕对土壤肥力与环境具有一定的优势效应。

图5 不同耕作方式对旱作小麦秸秆有机碳矿化率与氮素释放特征的影响Fig.5 Effect of different tillage practices on the releasing characteristics of organic carbon and total nitrogen of rain-red wheat straw