青藏高原小麦秸秆和箭筈豌豆混合腐解规律和养分释放特征

李正鹏，宋明丹,2※，李 飞，詹舒婷，韩 梅

（1.青海大学农林科学院，西宁 810016；2.国家农业环境西宁观测实验站，西宁 810016）

0 引 言

青藏高原东部农业区位于青藏高原和黄土高原的过渡地带，是青海省主要的粮食产区[1]，小麦是青海省主要的粮食作物之一，其秸秆年产量约63.3万t。秸秆还田是提高土壤质量，减缓温室气体排放的重要措施[2-3]。箭筈豌豆是该地区麦后复种的常见绿肥种类，绿肥种植能充分利用麦收后空闲期的光热水和土地资源，减少土壤侵蚀、养分流失，翻压还田还能减少化肥投入，促进后茬作物的生长[4-5]。秸秆和绿肥是该地区土壤有机碳和养分的重要来源，了解其腐解及养分释放规律，对于发挥秸秆和绿肥还田的地力培育、固碳减排和减肥增效作用具有重要指导意义。

有机物料的腐解过程受气候、土壤、物料性质和田间管理等多种因素的共同影响[6]，其中物料性质和气候因素被认为是影响物料腐解的主要因素。马想等[7]的研究表明秸秆腐殖化系数为11%～39%，粪肥为50%～57%，秸秆比粪肥更容易腐解。陈兵等[8]在黄土丘陵区的研究表明小麦秸秆填埋后 365 d的腐解率为 50.2%，玉米秸秆为44.9%，物料的分解速率与氮磷和木质素含量相关。温度和降水是影响物料腐解的主要气候因素[9]，Wang等[10]的研究表明腐解速率常数随温度升高而线性增加。王金洲等[11]整合了中国近30 a农田有机物料的腐解试验，结果表明气候因素和物料性质对腐解的贡献率均小于15%。

物料腐解是各因子协同作用的过程，在不同土壤和生态气候区差异很大，因此有必要在不同地区开展有机物料腐解试验。青藏高原气候冷凉，昼夜温差大，其独特的气候特征必然对有机物料腐解和养分释放产生影响。有研究表明稻草和紫云英共同还田能缩短物料完全腐解的时间，驱动碳氮协同释放[12]。不同物料的化学组成存在差异，物料混合会产生非加和效应，导致其腐解加快或减慢[13]，进而影响生态系统的养分循环和碳素固持。目前关于物料混合分解效应研究主要集中于森林生态系统，而农田生态系统研究较少。麦秆具有较高的C/N比，腐解慢、还田早期易与作物争氮；绿肥具有较低C/N比，腐解快、易造成养分的无效损失，小麦收获后复种绿肥模式在该地区的应用越来越广泛，关于两者混合腐解和养分释放特征尚需进一步明确。因此，本研究通过开展麦秆、箭筈豌豆及其混合物料的腐解和养分释放规律试验，采用双库指数衰减模型对腐解过程进行定量化，采用混合效应值表征物料混合的交互作用，掌握不同有机物料在青藏高原东部农业区的分解及养分释放规律，以期为该地区秸秆还田的实施提供理论和技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

试验在青海大学农林科学院试验园进行，位于青海省西宁市城北区莫家泉湾村（101°45′E，36°43′N），海拔 2 314 m，属高原大陆性半干旱气候，年平均气温6.1 ℃，作物生长期为180～240 d。全年平均气温日较差为 13.5 ℃，年平均降水量 413.6 mm，年均蒸发量为1 180.9 mm[14]。土壤类型为栗钙土，0～20 cm耕层土壤有机质为24.59 g/kg，全氮1.47 g/kg，速效磷41.67 mg/kg，速效钾228.67 mg/kg，pH值为8.3，前茬作物为春小麦。

1.2 试验设计

有机物物料腐解采用尼龙网袋填埋法。供试有机物料为：麦秆（S）、箭筈豌豆（J）。根据当地小麦留茬高度不同，设计低量和高量麦秆与绿肥的混合物料。低量麦秆留茬20 cm，2018年麦秆干物质量1 193 kg/hm2，绿肥干物质量4 087 kg/hm2，低量麦秆与箭筈豌豆的配比（质量）为0.29∶1，记为SH1J；高量麦秆留茬40 cm，2018年麦秆干物质量2 207 kg/hm2，绿肥4 183 kg/hm2，高量麦秆与箭筈豌豆的配比（质量）为0.53∶1，记为SH2J。腐解试验共4个处理，分别为S、J、SH1J、SH2J，S和J为对照处理，小区面积3 m×5 m，3个重复，共12个小区。各处理物料均来自试验地2018年收获样品，样品收获后在旱棚悬挂晾晒，试验开始前各物料剪成2 cm寸段，在60 ℃下烘干至恒质量。麦秆的氮、磷、钾含量分别为0.66%、0.06%和 1.64%，箭筈豌豆的氮、磷、钾含量分别为3.77%、0.38%和2.67%。根据处理配比称取混合物料10 g，混匀后装入长20 cm，宽15 cm的200目（孔径75µm）尼龙网袋，每小区埋6袋，于小麦播种后埋腐解袋，埋深15 cm。小麦于2019年4月26日进行人工播种，播种前进行旋耕，深度15 cm。供试品种为青春38，行距 30 cm，播量为 225 kg/hm2，小麦生长季施纯氮120 kg/hm2，P2O590 kg/hm2，全部以底肥施入。所有处理苗期灌水1次，灌水量40 mm。2019年8月1日小麦收获，之后复种绿肥并于2019年10月20日收获。

分别于埋袋后第33（2019-05-29，小麦拔节期）、66（2019-07-01，小麦灌浆期）、97（2019-08-01，小麦收获期）、148（2019-09-21，绿肥分枝期）、181（2019-10-24，绿肥收获期）、333（2020-03-24，翻耕期）天进行 6次破坏性采样，每小区随机取1袋，用少量清水轻刷网袋，去除表面泥土和杂物，于60 ℃下烘干至恒质量。然后将样品磨碎，备用。腐解期间的逐日气温和降水量如图1所示，腐解期间平均气温为6.3 ℃，降水量为390 mm。

1.3 测定指标与方法

腐解样品烘干后称质量，植株全氮采用蒸馏-滴定法测定，全磷采用高氯酸-浓硫酸消煮-钼锑抗比色法测定，全钾采用火焰光度法测定[15]。

1.4 腐解过程的计算和模拟

物料的累积腐解率、养分释放率和腐解残留率计算公式如下：

式中Dt为物料腐解第t天的累积腐解率，%；M0为物料初始质量，g；Mt为腐解第t天的物料质量，g；RNt、RPt、RKt分别为物料腐解第t天的N、P、K养分累积释放率，%；N0、P0、K0分别为物料初始的N、P、K养分含量，g/g；Nt、Pt、Kt分别为腐解第t天时物料的N、P、K养分含量，g/g；Rt为物料腐解第t天的残留率，%。

本研究中麦秆、绿肥以及混合物料的干物质量、氮素、磷素残留率采用改进的双库指数衰减模型[6-7]来表征，公式如下：

式中W(t)为腐解第t天的物料各指标的残留率；a为易分解部分比例，近似等于周年腐解率；b为难分解部分比例；k为易分解部分的分解速率常数，1/k为易分解部分的平均周转天数，b=1−a。当t=365时，干物质量的残留率即为物料的腐殖化系数。

1.5 秸秆和绿肥的混合效应

采用物料混合效应值（RME，Residue-Mixing Effects）表征麦秆与箭筈豌豆混合后是否产生混合效应，计算公式[16-17]如下：

式中OBS为混合物料混合效应指标的观测值，EXP为混合物料混合效应指标的预测值，Ri为i物料单独腐解各项指标的观测值，Wi为i物料在混合物料中的比例，s为物料种类数量。RME>0表示混合物料中麦秆和箭筈豌豆存在协同效应，RME<0则表示存在拮抗作用，绝对值越大表明混合效应越强。

方差分析在 SPSS 20.0 软件中完成，多重比较采用Duncan法进行；方程拟合在 Origin18.0中进行；采用Microsoft Excel 2010 进行数据处理、绘图。

2 结果与分析

2.1 绿肥和麦秆混合还田的腐解特征

随着腐解进程的推进，各处理累积腐解率逐渐增大，累积腐解率增长呈现前期快后期慢的特点（图2a）。麦秆、箭筈豌豆、低量和高量麦秆与绿肥混合物料第33 天的累积腐解率分别为27.7%、68.8%、59.7%和55.9%，箭筈豌豆显著高于混合物料，混合物料显著高于麦秆（P<0.05）（表1）；第97 天（小麦收获），各处理的累积腐解率分别为43.4%、76.0%、71.9%和 67.3%；至腐解结束，各处理的累积腐解率分别为51.5%、82.2%、78.6%和75.2%，麦秆的累积腐解率最低，箭筈豌豆的累积腐解率最高，麦秆显著低于其他处理（P<0.05）（图2a、表1）。麦秆、箭筈豌豆、低量和高量麦秆混合物料在 0～33 d的腐解速率分别为 83.8、208.5、180.8和169.3 mg/d，箭筈豌豆的腐解速率显著高于其他处理（P<0.05）（图2b），在34～66 d，各处理的腐解速率分别32.3、18.5、33.3和25.2，麦秆显著高于箭筈豌豆，低量麦秆混合显著高于高量麦秆混合（P<0.05）；在67～97 d，各处理的腐解速率分别为 16.4、3.6、4.0和10.0 mg/d，麦秆显著高于其他处理（P<0.05）（图2b）；98～333 d，各处理间无显著差异（图2b）。

2.2 绿肥和麦秆混合还田的养分释放特征

各处理下的氮、磷、钾累积释放率和释放速率如表1和图3所示，养分累积释放率增长均呈现前期快后期慢的变化特征。经过333 d的腐解，S、J、SH1J和SH2J处理有机物料氮素累积释放率分别为 21.3%、81.5%、79.3%和79.0%，箭筈豌豆及其混合物料的氮素释放率显著高于麦秆（P<0.05）（图3a、表1）。0～33 d的氮释放速率最高，该阶段的氮素释放量占整个腐解期总释放量的70%～83%。S、J、SH1J和SH2J处理在0～33 d的氮素释放速率分别为0.3、7.7、5.2和4.5 mg/d，箭筈豌豆显著高于其他处理（P<0.05）；34～66 d，各处理的氮素释放速率分别为0.1、0.7、1.2和0.8 mg/d，低量麦秆与绿肥混合处理显著高于其他处理（P<0.05）；67～97 d，各处理间无显著差异；98～181 d，高量麦秆与绿肥混合处理释放速率最高，约为0.35 mg/d（图3d）。

表1 不同处理下有机物料腐解和养分释放特征Table 1 Decomposition rate and nutrient release characteristics of organic materials under different treatments

至腐解结束，S、J、SH1J和SH2J处理的磷素累积释放率分别为60.1%、76.2%、74.2%和82.2%，高量麦秆与绿肥混合处理的磷素释放率最高（图3b、表1）。箭筈豌豆及其混合物料的最大磷素释放速率出现在0～33 d，麦秆出现在 67～97 d，箭筈豌豆及其混合物料的磷释放主要在前33 d，麦秆的磷释放主要在前97 d（图3e）。S、J、SH1J和SH2J处理0～33 d的磷素释放速率分别为0.04、0.76、0.45和 0.41 mg/d，箭筈豌豆显著高于其他处理（P<0.05）；34～66 d，麦秆与绿肥混合物料的磷素释放速率显著高于单一物料处理（P<0.05）。

至腐解结束，各处理的钾素累积释放率为 96.1%～99.1%，各处理间无明显差异（图3c、表1）。S、J、SH1J和SH2J处理在0~33 d的钾素释放速率分别为4.6、7.8、7.2和 6.8 mg/d，箭筈豌豆及其混合物料显著高于麦秆（P<0.05），该阶段的钾素释放量占总释放量的95%以上，钾素的释放主要集中于填埋后前33 d（图3f）。

经过333 d的腐解，不同处理下的有机物料均释放了95%以上的钾素、60.1%～82.2%的磷素、21.3%～81.5%的氮素，氮素的释放率最低，且受物料性质影响最大。麦秆的氮素释放率为 21.3%，低于其他处理（80%左右）。麦秆的养分释放率从大到小为 K、P、N，箭筈豌豆表现为 K、N、P，高量麦秆与绿肥混合处理的表现和麦秆相同，低量麦秆与绿肥混合处理的表现和箭筈豌豆相同。不同处理有机物料养分释放的差异主要体现在氮和磷上，这可能与原始物料本身的养分含量有关。在腐解的0～33 d，除麦秆外，其他物料的氮、磷释放率均接近或超过50%。

2.3 腐解过程的模拟与分析

由表2可以看出，双库指数衰减模型可以很好地表征物料腐解过程的质量、氮素和磷素的残留过程，方程的决定系数均大于 0.93。从腐解质量来看，麦秆易分解和难分解部分各占 50%左右，易分解部分的平均周转天数为45 d；箭筈豌豆易分解部分的比例接近80%，平均周转天数为18 d，绿肥的易分解部分比麦秆高约30%，平均周转天数约短 27 d；混合物料的易分解部分占总质量的70%以上，平均周转天数为22～25 d，2种混合比例的腐解参数无显著差异。

表2 不同处理有机物料腐解和养分残留率的拟合参数Table 2 Fitting parameters of decomposition and nutrient remaining ratio of organic materials under different treatments

从物料氮素残留来看，麦秆易分解氮素占总量的20%左右，箭筈豌豆及其混合物料中易分解氮库占总氮库的 70%以上。麦秆、箭筈豌豆的易分解氮库平均周转天数分别为23和18 d，混合物料的平均周转天数有增大的趋势，为24～26 d，物料混合对氮素释放有延缓效果。2种比例的混合物料的氮素残留特征参数无显著差异。

从磷素残留来看，麦秆易分解磷库占总量的 60%以上，箭筈豌豆中易分解磷库为72.5%，麦秆和绿肥混合有提高易分解磷库的趋势，其中高量麦秆与绿肥混合的易分解磷库比例最高，为83.4%。麦秆的易分解磷库平均周转天数为77 d，绿肥为13 d，随着麦秆比例的提高，混合物料的易分解磷库平均周转天数增加，高量麦秆混合物料为 38 d。高量麦秆与绿肥的混合物料的磷素释放特征参数与低量麦秆添加存在显著差异（P<0.05）。

2.4 绿肥和麦秆的混合效应分析

由表3可知，麦秆和绿肥混合后有提高干物质量、氮素和磷素易分解比例的趋势。物料混合处理干质量易分解比例的观测值比预测值略有提高，高了 3%～4%左右，平均周转天数缩短了2 d。混合处理氮素易分解比例的观测值显著大于预测值，其中低量麦秆与绿肥混合处理的易分解比例比预测值提高了 14%，高量麦秆与绿肥混合处理的提高了 25%，麦秆和绿肥的协同效应极显著（P<0.01）。麦秆添加量的增大，有利于氮素的释放，但是平衡氮素释放率和释放量的适宜秸秆添加量需要进一步的确定。物料混合处理的易分解氮库的平均周转周期比预测值延长 5～6 d，物料混合能延缓氮素的释放，麦秆和绿肥的拮抗作用显著。物料混合处理的磷素易分解比例在低量麦秆添加下效果不显著，高量麦秆添加极显著提高了磷素易分解比例，比预测值高 21%，而磷素平均周转天数无显著影响。

表3 有机物料质量腐解、氮素和磷素释放的混合效应分析Table 3 Analysis of residue-mixing effects of organic materials on mass decomposition, nitrogen and phosphorus release

3 讨 论

3.1 有机物料还田的腐解规律

麦秆和绿肥还田后的腐解规律均遵循前期快、后期慢、最后趋于稳定的变化特征。翻压后0～33 d为快速腐解期，34～97 d为慢速腐解期，98～333 d为稳定腐解期。这是由于腐解早期，秸秆中水溶性有机物如多糖和氨基酸等物质丰富，微生物的活性强，腐解速率快，随腐解进行，有机物料中难分解物质的比例增大，微生物活性降低，腐解速率变慢[18-19]。武际等[20-22]的研究表明麦秆在0～3个月的腐解比例在 50%～60%左右，最高能达到70%，中国麦秆在下茬作物生长季的累积腐解率平均为60.0%。本研究中至小麦收获（第 97天），麦秆的累积腐解率为43.4%，低于前人研究结果。青藏高原东部农区属于一年一熟制区域，以种植春小麦为主，麦秆腐解试验于春小麦播种时开始，春小麦生长阶段的4-7月平均气温为13.5 ℃，总降水量为203 mm，温度相对较低，降水较少，土壤微生物活性弱，从而麦秆腐解较慢[23-24]。其他研究区的麦秆腐解试验多分布于冬小麦-夏玉米/水稻种植区，麦秆腐解试验一般是在雨热充沛的6-10月份进行，微生物活跃，麦秆腐解较快。

箭筈豌豆翻压后33 d腐解率为68.8%，至小麦收获（第97天）累积腐解率为76.0%，绿肥腐解率显著高于麦秆（P<0.05）。这主要是因为翻压的绿肥为盛花期样品，C/N比在10左右，含有的易分解或可溶性的碳水化合物较多，而麦秆为成熟期样品，C/N比在90左右，含有更多的难分解的纤维素、木质素等，而且麦秆外面有一层蜡质层，分解难度较绿肥大[25-26]。大量研究表明绿肥翻压后11～15 d即可腐解50%以上，在下茬作物生长季可腐解 70%以上[27-30]，本研究也得到相似结论。本研究中麦秆在小麦生长季的累积腐解量低于前人研究结果，而绿肥的腐解率基本相当，可见物料性质与其在不同区域的腐解差异密切相关[11]，麦秆对于气候特征和土壤性质更为敏感。

3.2 有机物料还田的养分释放特征

有机物料进入土壤后，被土壤微生物分解利用，腐解过程同时伴随着养分的释放。潘福霞等[28,30]研究均表明有机物料干物质的累积腐解率和碳素释放率变化趋势基本一致，这可能与秸秆中碳占干物质的比重最大有关。李廷亮等[22,31]表明中国小麦秸秆在下茬作物生长季的平均氮、磷释放率分别为50%和63%左右。本研究中，在下茬小麦收获时（埋后第97天），麦秆氮、磷的累积释放率分别为18.51%和54.35%，其中氮素释放率远低于全国平均水平。这可能是由于麦秆C/N比高，碳源丰富，而氮源相对缺乏，微生物同化土壤和肥料中的氮素满足自身合成及物料的矿化分解，从而使土壤和肥料中的氮素进入秸秆被吸附，导致麦秆氮素释放率降低，降低的程度主要与土壤中可利用的速效氮有关[32]。黄婷苗等[30]采用15N同位素示踪法区分了秸秆自身氮素和总氮素释放率，结果表明玉米秸秆自身氮释放率为 33%左右，总氮量减少了 15%左右。此外，温度也可能是氮素释放率低的原因。李昌明等[33]的研究表明在黑龙江海伦小麦秸秆氮素释放量较少，翻压3 a的累积释放率为22.1%。

本研究中，箭筈豌豆在埋后33 d氮磷释放率分别为67.6%和67.1%，氮磷养分释放主要集中在翻压后1个月，与前人研究基本一致。潘福霞等[28]研究表明绿肥中的氮磷在翻压后11～15 d即可释放60%～70%。本研究中麦秆和绿肥埋后33 d钾素释放率分别为91.6%和96.6%，3种养分中钾素释放最快。大量研究表明有机物物料中的钾素在翻压后即可大量释放，主要由于K主要以离子态存在，易溶于水，释放过程不需要微生物的参与。而有机物料N和P主要以有机化合物的形式存在，其释放过程需要微生物的参与，而微生物的活性受物料、土壤和气候等的影响，从而导致N和P释放比K慢[23]。

3.3 有机物料腐解的数学模拟和混合效应

有机物料腐解的数学模拟对于评估和预测农田生态系统碳循环和养分有效性具有重要意义。本研究中麦秆和绿肥干物质中易分解比例分别是48.7%和79.9%，腐解速率常数分别为0.022和0.057，绿肥的易分解比例高而且腐解速率高。前人研究表明不同物料腐解速率的差异可能与N含量显著相关[34]，本研究中干物质分解速率常数（y）与有机物料的氮素含量（x）符合指数函数关系：y=0.017 9exp（0.304x），R2=0.99。物料初始氮素含量越高，分解速率越快。物料的腐解伴随着养分的释放，本研究中磷素的分解速率常数（y）与物料初始氮含量（x）呈指数关系：y=0.008 2exp（0.524x），R2=0.91。氮素的分解速率常数与物料氮素含量无显著相关性（R2=0.15）。关于腐解中氮素释放的控制因素还需要进一步研究。

一般认为有机物物料C/N比为25时，最有利于微生物分解利用[35]，C/N比过高，微生物同化土壤的氮素，易造成作物早期的生长不良；C/N比过低，物料养分释放快，易造成无效损失。周国朋[12]的研究表明紫云英和稻草共同还田能促进干物质量腐解，延缓氮素的矿化。本研究中麦秆和箭筈豌豆的C/N比分别是90和10，物料混合显著提高了氮素的释放率，提高了易分解氮库的比例，延缓了易分解氮库的平均周转天数，物料混合提高了供植物利用的总氮量，而且使氮素矿化的时间推后，更有利于春小麦的吸收利用。

4 结 论

本研究通过尼龙网袋填埋法研究了小麦秸秆、箭筈豌豆及其混合物料的腐解和养分释放规律，所得主要结论如下：

1）各有机物料的腐解均呈现前期快后期慢的变化规律，翻压后 0～33 d为快速腐解期，占当季总腐解量的50%以上，34～97 d为慢速腐解期，98～333 d为稳定腐解期。至腐解结束，麦秆、箭筈豌豆、低量和高量麦秆与绿肥混合处理的累积腐解率分别为 51.5%、82.2%、78.6%和75.2%。

2）物料中氮素的释放主要集中在填埋后 0～33 d，该阶段的氮素释放量占总释放量的70%～83%；至腐解结束，麦秆、箭筈豌豆、低量和高量麦秆与绿肥混合处理的氮素累积释放率分别为21.3%、81.5%、79.3%和79.0%。箭筈豌豆中磷素的释放主要集中于0～33 d，麦秆主要在0～97 d，至腐解结束，麦秆、箭筈豌豆、低量和高量麦秆与绿肥混合处理的磷素释放率分别为60.1%、76.2%、74.2%和82.2%。物料中钾素的释放主要集中于填埋后0～33 d，该阶段的钾释放量占总释放量的95%以上。

3）双库指数衰减模型可以很好地表征物料腐解过程中干物质量、氮素和磷素的残留过程，方程的决定系数均大于0.93。

4）麦秆与绿肥混合显著提高了氮素的易分解比例，低量和高量麦秆与绿肥混合分别比预测值提高了 14%和25%，同时延长了易分解氮库的平均周转周期，比预测值延长 5～6 d。高量麦秆与绿肥混合显著提高了磷素的易分解比例，比预测值提高21%。