青海高原小麦秸秆-毛叶苕子混合腐解特征

谢 帅，梁鑫宇，宋明丹,2，韩 梅，李正鹏*

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

青海东部农业区为高寒干旱气候区，气候资源丰富，作物生长具有“一季有余、两季不足”的特点。小麦作为青海省主要的粮食作物，收获后会出现2～3个月空闲期，此时正值雨热同期，为了充分利用光、水、土等资源，一般会在麦田套/复种绿肥。毛叶苕子(Vicia sativa)生物固氮能力强、适应性广，被广泛用于北方农田套/复种模式[1-2]。在生产实践中，绿肥于小麦灌浆期撒播套种，小麦成熟后，机械收割将粉碎的麦秸散落在生长绿肥的麦田中，下霜后绿肥逐渐停止生长，之后残留麦秆和冻死绿肥覆盖地表，一直持续到第二年春播灌水，通过旋耕机将残留的有机物料打碎与土壤充分混匀。该模式可有效利用秸秆资源，秸秆和绿肥覆盖地表具有蓄水保墒的作用[3-4]，并有效减少了青海冬季风沙对土壤的侵蚀。

作物秸秆是农业生产中的宝贵资源，直接还田是减肥增效、土壤培肥的主要措施[5]，了解其腐解和养分释放规律，对化肥减量以及后茬作物养分供应具有重要的意义[6]。有机物料腐解过程受秸秆自身属性的影响[7]，初期为快速分解阶段，主要是一些可溶性糖类、蛋白质、纤维素等快速分解，后期为缓慢分解时期，微生物逐步缓慢分解蜡质、木质素等物质[8]。有机物料腐解过程中，物料C/N起着重要的作用。Nicolardot等[9]、Wang等[10]研究表明，微生物分解有机物料的最优C/N为25∶1，因此高C/N有机物料(如禾本科作物秸秆)还田后，易造成高碳低氮的土壤环境，微生物活性在腐解过程中被限制，并且还会与后茬作物竞争氮素，导致腐解初期土壤缺氮，影响后茬作物生长。李涛等[11]研究发现，玉米秸秆和小麦秸秆单独还田后，均降低了苗期土壤的无机氮含量，而通过氮肥调节秸秆C/N为25后，对土壤无机氮无显著影响。邱学礼等[12]研究发现，单独玉米秸秆还田会降低烟叶的总产量，原因是玉米秸秆单独还田后与烤烟幼苗出现争氮的现象，通过苕子、氮肥调节其C/N可显著提高烟叶的产量和产值。可见C/N高的有机物料单独还田时，需添加外源氮，来调控物料C/N。Parr等[13]认为，当有机物料含氮量大于1.5%～1.7%，C/N为25～30，即可满足微生物对氮素的需求。豆科绿肥秸秆C/N一般较低约为15～20，单独还田给微生物创造了低碳高氮的土壤环境，还田初期会提高土壤氮素含量，但作物苗期对氮素利用量低，会造成土壤氮素的无效损失。前人发现不同高、低C/N有机物料联合还田会发生交互作用，表现出不同的腐解和养分释放规律[14-15]，如夏志敏等[16]发现玉米秸秆与蚕豆秸秆配合后可促进秸秆碳和土壤氮矿化；宋莉等[17]发现紫云英与油菜秸秆配合还田，可促进油菜秸秆的分解，同时保证了土壤速效氮含量。目前，不同高、低C/N有机物料联合还田在南方稻区研究较多，以紫云英-稻秆联合还田为主，而在北方地区，有机物料联合还田的腐解和养分释放规律缺乏试验和科学理论的支撑。本研究开展小麦秸秆、毛叶苕子及其混合物料腐解试验，通过双库指数衰减模型量化腐解过程，混合效应值表征物料间的交互作用，从而了解不同有机物料在青海高原的腐解和养分释放规律，以期为当地有机物料还田提供理论依据和技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

试验点位于青海省城北区青海省农林科学试验地 (36°56′N、101°74′E、海拔 2290 m)，属于大陆性干旱气候，年均气温、降水量、蒸发量分别为5.9℃、367.5 mm、1180.9 mm，年均日照时数、日照率、光合辐射总量为2748 h、62.8%、612.5 J/cm2，土壤为栗钙土，0—20 cm耕层土壤基础理化性状为有机碳24.59 g/kg、全氮1.47 g/kg、全磷3.09 g/kg、全钾23.2 g/kg、碱解氮120.17 mg/kg、速效磷41.67 mg/kg、速效钾228.67 mg/kg、pH 8.33。图1为腐解期内的日平均气温和降水量。

图1 腐解期间日平均气温和降水量Fig. 1 Daily mean air temperature and precipitation during the period of decomposition

1.2 试验设计

采用尼龙网袋法填埋有机物料，供试材料为小麦秸秆(S)和毛叶苕子(G)，小麦秸秆收获于2020年8月1日，干物质量为7000 kg/hm2、全碳含量为47.27%、全氮含量为0.72%、C/N为66∶1。毛叶苕子来自小麦收获后套种的绿肥样品，收获时间为2020年10月20日，干物质量为4200 kg/hm2、全碳含量为43.87%、全氮含量为4.00%、C/N为11∶1。根据麦秆和毛叶苕子的干物质量来配比二者混合物料，混合物料记为G+S，C/N为24∶1。试验设3个处理分别为S、G、G+S，每个处理重复3次。各物料经旱棚晾晒后，裁剪为2 cm左右长，烘干后各称取40 g，混匀后装入长20 cm宽15 cm尼龙网袋(孔径75 μm)，埋入20 cm深土壤中，撂荒自然腐解，填埋时间为2021年3月30日，取样时间为填埋后第7、14、28、42、72、117、162 天，腐解期无人为因素影响。

1.3 测定指标及方法

样品采集时，各处理均取出3个腐解袋带回实验室，用湿毛巾擦净尼龙网袋表面附着的泥土，于60℃烘干至恒重，称量，研磨备用。物料有机碳测定采用重铬酸钾容量—外加热法，全氮采用半微量凯氏定氮法，全磷采用钼锑抗比色法，全钾采用火焰光度法。

1.4 数据处理方法

不同时期各物料累积腐解率和养分累积释放率计算方法如下：

一般有机物料残留率，碳、氮、磷、钾养分残留率随时间的变化，可用双库指数衰减模型来模拟：

式中，Wt为第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=1-a表示难分解部分比例；k为易分解部分的分解速率常数，则1/k为易分解部分的平均周转天数，指分解掉其易分解部分所需要的时间。

采用物料混合效应值(RME，residue-mixing effect)表征麦秆与毛叶苕子混合后是否产生混合效应[18-19]，计算公式如下：

式中，EXP为混合物料各指标的预测值；Ri为i物料单独腐解时，各项指标的实测值。Wi为i物料在混合物料中的比例；s为物料种类数量。OBS为混合物料各指标的实测值；RME＞0表示物料混合后存在协同效应，RME＜0表示存在拮抗效应，绝对值的大小表示混合效应的强弱。

用Excel 2019整理数据，SPSS 25.0软件进行方差分析，LSD法进行多重比较，Origin 18.0制图以及方程拟合。

2 结果与分析

2.1 有机物料累积腐解率和腐解速率

随腐解进程的推进，各处理的累积腐解率逐渐升高，升高趋势为前期(0～42天)快后期慢(图2a)，在相同采样时间点均表现为G＞G+S＞S。试验结束时(162天)，各处理的累积腐解率分别为81.93% (G)、51.65% (S)、64.17% (G+S)，G处理显著高于S和G+S处理(P＜0.05)。各处理腐解速率变化如图2b，G处理在8～14天的腐解速率达到最大，为1648.10 mg/d；S处理腐解速率在0～28天内变化较小，随后表现出下降的趋势，在15～28天内腐解速率最大为347.62 mg/d；G+S处理表现出先下降再升高后下降的趋势，在0～7天内腐解速率最大为488.10 mg/d。

图2 各有机物料腐解率和腐解速率Fig. 2 Accumulated decomposition ratio and decomposition rate of each organic material

2.2 有机物料腐解过程养分释放特征

随腐解进程的推进，各处理碳、氮、磷、钾的累积释放率逐渐升高，升高趋势表现出前期快后期慢(图3a、b、c、d)，试验结束时，各养分累积释放率均表现为G＞G+S＞S。不同处理中碳、氮、磷、钾的累积释放率表现不同，毛叶苕子表现出：钾＞氮＞碳＞磷；混合物料表现出：钾＞磷＞氮＞碳；麦秆表现出：钾＞磷＞碳＞氮。

图3 各有机物料中碳、氮、磷、钾累积释放率和释放速率Fig. 3 Accumulated release ratio and release rate of carbon, nitrogen, phosphorus, and potassium of each organic material

至试验结束，各处理的碳素累积释放率分别为85.30% (G)、46.66% (S)、62.77% (G+S)，G 处理显著高于S和G+S处理(P＜0.05)，分别高82.81%、35.89%。碳素释放速率表现见图3e，随腐解进程的推进，各处理整体表现出下降的趋势，快速腐解期均为0～7天，碳素释放速率分别为1282.83 mg/d(G)、661.25 mg/d (S)、441.59 mg/d (G+S)，G 处理的碳素释放速率显著高于S和G+S处理(P＜0.05)，分别高94.00%、190.50%。

氮素累积释放率不同于碳素，在相同的采样点内均表现出G＞G+S＞S (图3b)，其中麦秆在28～42天的腐解时间段内出现对氮的固持，至腐解结束，各处理氮素累积释放率分别为88.29% (G)、31.83%(S)、66.78% (G+S)。氮素释放速率表现见图3f，随腐解时间的推移，G处理整体表现出下降的趋势，快速腐解期在0～28天；S和G+S处理均表现出先升高再下降的趋势，快速腐解期分别为0～14和0～28天。

磷、钾累积释放率有明显的前快后慢的趋势(图3c、d)，至腐解结束，各处理磷素累积释放率分别为 71.30% (G)、62.66% (S)、68.24% (G+S)，磷素的快速释放期均为0～14天(图3g)。钾素累积释放率在第42天时，各处理均已经达到了90%以上，至腐解结束，各处理钾素累积释放率分别为98.24%(G)、94.62% (S)、97.40% (G+S)，且钾素快速释放期均为 0～42天 (图3h)。

2.3 有机物料腐解模拟

双库指数衰减模型(公式7)可以较好地模拟物质残留率、养分残留率与腐解时间的关系，R2均大于0.91 (表1)。S、G、G+S处理中易分解部分的质量分别约占总质量的53.62%、79.25%、64.16%，G处理显著高于S和G+S (P＜0.05)，分别高47.80%、23.52%。各处理中碳、氮、磷的易分解部分比例均表现为G处理最高，钾的易分解部分S处理最高，除钾外G处理显著高于S和G+S处理。

表1 不同有机物料质量和养分拟合参数Table 1 Mass and nutrient fitting parameters of different organic materials

2.4 有机物料混合腐解效应(RME)分析

有机物料混合填埋后，提高了易分解干物质量比例及碳、氮、磷、钾的易分解部分比例，其中碳、氮、磷的易分解部分比例实测值显著高于预测值，存在显著的协同作用(P＜0.05)。物料混合后极显著增加碳、氮的易分解部分平均周转天数，极显著降低磷、钾的易分解部分平均周转天数(P＜0.01) (表2)。混合处理碳素易分解比例的实测值显著高于预测值，高6.02%。物料混合后易分解碳的平均周转周期比预测值延长22.54天，延缓碳素的释放，对碳素养分的释放表现出极显著的拮抗作用。混合处理氮素易分解比例的实测值显著高于预测值，高22.77%。易分解氮的平均周转天数比预测值延长6.65天，延缓了氮素养分的释放。混合处理磷素易分解比例的实测值显著高于预测值，磷素易分解比例比预测值高5.41%。易分解磷的平均周转天数比预测值缩短1.66天，物料混合能加快磷素的释放。钾素易分解比例的实测值略大于预测值，两者之间无显著差异。易分解钾的平均周转天数比预测值缩短3.50天，物料混合能加快钾素的释放。

表2 小麦秸秆与毛叶苕子混合腐解效应 (RME) 分析Table 2 Analysis of residue-mixing effect (RME) of wheat straw and hairy vetch

3 讨论

3.1 不同有机物料腐解规律差异分析

有机物料的腐解过程受气候、土壤环境条件和有机物料自身性质的影响。随腐解进程的推进，累积腐解率呈现前期快、后期慢的变化特征[20]，本研究结果与其一致。但相较前人研究结果[21-23]，本研究的快速腐解期在青海地区持续时间长，这可能是填埋时(三月)气温较低，降水量较少。物料累积腐解率表现出毛叶苕子最高，麦秆最低，是因为毛叶苕子体内可溶性有机物和无机养分较多，微生物可利用的养分多，还田后促进了微生物的生命活动，从而加速毛叶苕子的分解，而麦秆中木质素、纤维素等难分解物质较多[24-25]，且微生物在分解代谢过程中，还会产生一些难分解的中间产物，导致麦秆的腐解较慢。

有机物料的C/N也是影响腐解的关键因素，当物料含氮量大于1.5%～1.7%时，C/N为(25～30)∶1，即可满足微生物对氮素的需求，进而有利于有机物料的分解。本研究发现，C/N为24∶1的混合物料在每个采样时间点内，其累积腐解率均小于C/N为11∶1的毛叶苕子，这与前人的研究结果[13]相反，原因可能是受到C/N组成成分的影响。本试验中氮素来源均为有机氮，相较于无机氮，有机氮在腐解初期难以被微生物快速利用，导致腐解缓慢，有研究表明添加尿素可促进有机物料腐解[26]，所以选择合适的外源氮素，来调控不同物料的C/N，对有机物料的分解具有重要的意义。

3.2 物料养分释放与田间养分管理

有机物料在腐解过程中会伴随着养分的释放，不同养分的累积释放率和快速释放期与其在物料体内的含量、存在形态和存在位置有关。本研究中不同处理的碳、氮、磷、钾的累积释放率表现不同，毛叶苕子表现出：钾＞氮＞碳＞磷；混合物料表现出：钾＞磷＞氮＞碳；麦秆表现出：钾＞磷＞碳＞氮，这与前人研究结果[27]一致。各处理养分的累积释放率整体表现出前快后慢的趋势，这与潘福霞等[28]研究结果一致。各处理钾素的累积释放率高于其他养分，且主要表现在0～42天，前人研究[29]也发现，秸秆还田后的0～30天内，钾素会爆发式的释放，原因是有机物料中80%钾素以离子态或水溶性盐类存在，易溶于水，可快速释放，受微生物活动影响小[30]。碳、氮在腐解前期释放较快的原因是有机物料中少部分可溶性碳、氮组分的释放，后期主要是碳、氮有机化合物的分解，故分解缓慢[31]。磷素的快速释放主要表现在0～14天，是因为有机物料中有40%～80%的磷以水溶态或弱酸溶解态无机磷存在，在腐解前期容易释放[32-33]，其余部分参与细胞壁和核酸的组成，需微生物分解才可释放[34]。

有机物料还田后可快速释放磷、钾元素，前人研究发现有机物料还田后对土壤有效磷、速效钾的补充具有积极的影响[23,27,35-36]，在生产前期可作为速效磷、钾肥使用。对于碳素而言，有机物料残体及其代谢物将以较为稳定的形式(腐殖质)进入土壤碳库，长期有机物料还田可以提高土壤有机质含量，有利于后茬作物生长发育。对于氮素的释放，毛叶苕子含氮量较高，还田后其快速释放期正值作物苗期，但此时作物所需氮量有限，会造成氮素无效损失，易引起环境污染[37]，而麦秆具有高C/N，还田后会使土壤出现高碳低氮的环境，迫使微生物固定土壤中的矿质态氮素，与作物竞争氮素，导致苗期作物缺氮[31]。本研究发现，物料混合后延缓了碳和氮的释放速率，并且增加了碳和氮的释放量，相较于单一物料还田更符合小麦生长的养分需求。然而有机物料的养分释放会受到田间管理措施、土壤理化性质[38]、下茬作物根系分泌物[39]等的影响，很难完全被下茬作物吸收利用，一部分养分会以淋溶、径流、转化为气体挥发等形式损失。在青海高原农业生产中，有机物料还田后是如何协调土壤、作物和肥料间的关系，具体可以归还土壤多少养分、替代多少化肥用量以及对后茬作物生长的影响还有待进一步研究。

4 结论

毛叶苕子、小麦秸秆的累积腐解率分别为81.93% (G)、51.65% (S)，二者混合后可达64.17%，毛叶苕子中的碳、氮、磷、钾的累积释放率高于小麦秸秆。毛叶苕子中易分解部分的比例为79.25%，且碳、氮、磷、钾在易分解部分中的比例高于麦秆。毛叶苕子与麦秆混合后，调节了易分解部分比例以及其中的碳、氮、磷、钾含量，增加了碳、氮的平均周转天数，降低了磷、钾的平均周转天数，更有利于后茬作物对养分的利用。