黄河三角洲盐碱农田小麦秸秆分解及养分释放动态研究

（山东农业工程学院，山东 济南 251000）

盐碱土是盐土和碱土以及各种盐化和碱化土相结合的总称，是地球上广泛分布的一种土壤类型。盐渍土在世界各大洲都有分布，约占地球陆地总面积的10%，达9.5亿hm2，主要分布在干早和半干旱荒漠地带。盐碱土盐分大、有机质低、土壤微生物少等缺点造成土壤作物生长困难，所以说这是目前全世界普遍存在的重要环境问题。中国人口众多，耕地资源十分紧张，人均耕地面积仅有0.09 hm2，不到世界平均水平的40%。所以，盐碱土是一种潜在力很大的后备土地资源，存在巨大的开发潜力。合理开发和利用盐碱地，就能对地球生态环境、人类生活、生产的改善起到极大促进作用，进而能够加快社会经济发展。我省黄河三角洲是盐碱地的集中分布区，目前拥有近800万亩未利用盐碱地和1100多万亩中低产田，另有黄河冲积年均造陆近1.5万亩，后备土地资源得天独厚，具有发展高效生态经济的独特优势。但从发展的观点来看，特别是从黄河三角洲高效生态经济建设的角度来看，该区目前的农业结构尚不能满足高效生态经济发展的要求，尽管近年来种植业结构开始向“粮食作物—经济作物—饲料作物—能源作物”多元种植结构调整，但总体上仍沿袭传统“粮食作物一经济作物”二元结构。由于土壤含盐量高、地下水咸等严重制约着高效生态农业的深度开发利用，粮食作物与经济作物产量不高，耐盐作物品种有限，成为多元种植结构的发展障碍，这也成为黄河三角洲区域经济发展和生态建设的瓶颈。

中国秸秆资源总量高达7×108t（谢光辉[1]等,2010），而长期以来由于田间焚烧和废弃等未利用的达到 2.15～3.14×108t（韦茂贵[2]等,2012;Wang[3]et al.,2013），不仅造成资源的严重浪费，还污染空气和破坏环境。秸秆覆盖在农业生产上的应用为作物秸秆资源的利用提供了有效途径，对秸秆资源利用和环境保护具有重要意义。土壤温度作为作物生长环境的重要指标，研究表明秸秆覆盖可以调节地温，进而促进作物生长和提高产量。程宏波[4]等（2016）研究表明，小麦秸秆覆盖具有明显的降温效应，小麦增产明显。然而，匡恩俊[5]等（2017）研究表明，秸秆覆盖导致玉米减产。秸秆作为物质、能量和养分的载体，是一种宝贵的自然资源，秸秆还田可以通过增加土壤有机碳的直接输入实现固碳，研究表明，秸秆还田的推广是我国农业表层土壤有机碳含量增加的主要原因之一，据估算，20世纪80年代以来，由于秸秆还田的实施我国土壤表层有机碳每年增加约20-30Tg（黄耀和孙文娟[6],2006）。秸秆直接还田是当前乃至今后秸秆资源化利用的主要渠道，秸秆还田后，营养元素如何变化对于指导施肥具有重要意义。鉴于此，2017年度，团队成员在山东省农科院东营基地核心试验区，主要开展了小麦秸秆分解动态试验、小麦秸秆生态覆盖对作物产量的影响试验，以期掌握秸秆全量还田后，营养元素如何释放及其秸秆不同覆盖措施对作物产量的影响，以期为建立轻度盐碱地保苗出苗及其优化的水肥调控措施提供基础数据。

1 研究区域概况与研究方案

1.1 研究区域概况

研究区位于山东省农科院东营试验基地核心试验区内，属暖温带半湿润地区大陆性季风气候，四季分明，雨热同期。多年平均气温12.5℃，年极端最高气温38.5℃，极端最低气温－17.5℃，无霜期长达206天，平均日照时数2596.1小时，年降水量550～600mm。试验区土壤理化性质见表1。

表1 试验区土壤基本理化性质

1.2 试验设置

2017.6.10日在核心试验内收集了小麦秸秆，带回实验室烘干、剪碎，装进分解袋，每袋装20g，共60个，分解袋由孔径0.2 mm的尼龙网制成，规格为20 cm×20 cm。2017.6.18日把分解袋随机投放到试验区内，为了模拟原位分解条件，在袋子周边或袋子上覆盖了土壤。分别在投放后的30天、53天、138天、374天和 401天进行了取样，每次取3-5个，取回的分解袋立即带回实验室，挑出根系、草等杂物，然后用去离子水冲洗干净，70℃下烘干至恒质量。称质量后将样品磨碎装袋待测。测试指标为总碳、总氮、总磷、总硫。

1.3 数据处理与分析

运用Excel 2003进行数据处理计算，Origin7.5进行绘图，SPSS 13.0等软件对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 小麦秸秆分解过程中失重率的变化

在0-401天的分解时间内，小麦秸秆的失重率随着投放时间的增加而增大，为快－慢交替变化的模式 （图1）。分解的0～30d是快速损失阶段，这是易溶性物质的淋溶阶段，30d后，质量损失率达到29.5%，之后30-374d，分解速率相对于前30d，有所降低，可能这一时期秸秆残留的都是不易分解的成份有关。分解的374-401d内，分解速率又增加，投放的第374d-401天，6月24日至7月25日，这段时期，气温较高，降雨也较多，微生物活性随之增强，由此可能导致分解速度加快。分解401天后，小麦秸秆的干物质损失率为80.5%。枯落物分解过程中干物质残留率的变化可以用指数衰减模型来描述 （Olsen[8]，1963），即：Wt/W0=ae-kt，式中 Wt为经时间 t（d）后，秸秆分解残留量；W0为秸秆的初始质量，k为分解速率常数，t为分解时间（d）。拟合后得到秸秆分解模型：y=0.8806e-0.0033x(R2=0.945)，分解速率常数为0.0033d-1，根据分解模型，计算得到分解95%所需的时间为869天。

图1 小麦秸秆分解过程中失重率的变化

2.2 小麦秸秆分解过程中元素含量的变化

枯落物分解过程中元素的积累或释放可以用积累系数（NAI）表示：

式中Mt为秸秆在t时刻的干物质重量，Xt为t时刻秸秆残体中元素的浓度，Mo为秸秆的初始干物质重量，X0为秸秆中元素的初始浓度。NAI<100%，说明秸秆分解过程元素发生了净释放，NAI>100%，说明秸秆分解过程元素发生了净积累。

2.2.1 碳含量的变化

C是植物组织中碳水化合物的重要元素之一。在分解过程中，秸秆中的碳浓度呈波动性变化（图2），在分解的0-30d，秸秆中碳浓度迅速降低，由初始的438.6g/kg下降为381.0g/kg，之后30-53d，秸秆中的碳浓度又快速增加，之后又下降，分解138d后，秸秆中的碳浓度为384.7g/kg，为初始碳浓度的87.7%。在分解过程中，碳的绝对量均表现为释放（NAI<100%），分解138d后，碳的绝对含量为初始量的42.1%。秸秆中C的变化模式与分解早期易溶性碳水化合物的快速淋溶和后期木质素物质的积累残留有关。

图2 小麦秸秆分解过程中C元素的变化

2.2.2 氮、磷含量的变化

在分解过程中，秸秆中N浓度也呈波动性变化，在分解的0-30d，秸秆中的N浓度升高，由初始的5.28g/kg升高至13.71g/kg，升高了2.6倍，氮的绝对量也出现了净积累 （NAI=183.0%>100%），这可能于秸秆初始N：P较低有关，已有的研究表明N：P是控制植物枯落物短期分解的一个重要因素（Berg，et al,1986）植物生长的最适N：P 为 10-14 （Aerts,et al,1992），N：P>14 时，植物分解过程受枯落物中P含量限制，N：P<10，则受N限制（Alerts,et al,1997）。在本实验中，秸秆中N：P=4.7<10（图3），说明小麦秸秆的分解受到N的限制，微生物需要从外界固定N，因此出现了N浓度的升高和N的积累，N：P比也随之升高到12，介于10-14之间，为适宜分解区域。在之后30-138天，N浓度又进入降低-升高的波动性变化中，但N绝对量表现为释放（NAI<100%）。至138天，N浓度为8.69g/kg，为初始N浓度的1.6倍，N绝对量为初始量的79.0%，表现为释放。

图3 小麦秸秆分解过程中N、P元素的变化

与N浓度的变化不同，在0-30d，秸秆中P的浓度表现为降低，P绝对量表现为释放 （NAI=68.8%），可能与P的淋溶流失有关（Puriveth,1980），在植物组织中，P主要以磷酸根离子或化合物的形态存在，易被淋溶而损失 （Wen et al,1998）。在之后的30-138d，P浓度先升高又降低，P绝对量表现为积累（NAI>100%），分解138天后，P浓度为4.74g/kg，为初始浓度的4.6倍，P绝对量为初始量的200.9%，表现为积累。

2.2.3 C:N和C:P的变化

C/N、C/P是影响枯落物分解的重要基质质量指标，反映了微生物对营养物种的控制。Berg的研究表明，枯落物营养元素的变化动态与碳/营养元素的最小值有关。当分解过程中碳与营养元素的比值高于最小值时，发生微生物对营养元素的固定，反之则发生营养物质的释放。微生物对枯落物营养元素调控的结果致使分解过程残体的化学性质发生变化（Berg,1986）。在分解的138天内，秸秆中的C：N呈波动性变化，在0-30d，C：N降低，30-53天，C：N又升高，但仍低于初始值，在 53-138天，C：N 又降低。与 C：N 不同，C：P在0-138的分解过程中呈单调降低趋势。

图4 小麦秸秆分解过程中C:N、C:P元素的变化

3 研究结论

小麦秸秆的失重率随着投放时间的增加而增大，为快－慢交替变化的模式，这种模式与早期易溶性碳水化合物的快速淋溶和后期木质素物质的积累残留有关。小麦秸秆的分解符合指数模型，分解速率常数为0.0033d-1，分解95%所需的时间为869天。在分解过程中，小麦秸秆中C、N、P元素的变化不同，其中C浓度呈波动性变化，表现为先降低又升高再降低的变化过程；C的绝对含量在分解过程中为释放模式。N浓度也呈波动性变化，表现为先升高、再降低又升高的变化过程；N的绝对量在分解过程中为积累-释放的模式。P浓度也呈波动性变化，表现为先降低又升高再降低的变化过程；P的绝对量在分解过程中表现为释放-积累的模式。C：N和C：P是影响小麦秸秆分解的重要因素，分解前期，小麦秸秆的分解受N含量限制。根据小麦秸秆的分解和养分释放特征，秸秆还田后，在前期应施加适量N肥，后期应施加适量P肥，通过调节N：P加快小麦秸秆的分解。鉴于此，下一步应该开展不同肥料施加量和水分条件变化对秸秆分解的影响，以确定最佳施肥量和灌溉量，促进秸秆快速分解腐烂。