稻麦轮作制还田秸秆腐解和养分释放特征

张志毅，何 剑，范先鹏*，夏 颖，张富林，刘冬碧，吴茂前

（1．湖北省农业科学院植保土肥研究所，国家农业环境潜江观测实验站，湖北省农业面源污染防治工程技术研究中心，农业农村部潜江农业环境与耕地保育科学观测实验站，农业农村部废弃物肥料化利用重点实验室，湖北 武汉 430064；2．丹江口市农业环境保护站，湖北 丹江口 442700）

作物秸秆含有大量氮、磷、钾等营养元素，秸秆还田具有增加土壤养分［1］、改善土壤结构［2］、提升耕地质量等作用［3］。秸秆腐解剂作为新型生物产品，被广泛用于促进还田秸秆的腐解［4］。研究秸秆腐解剂参与下还田秸秆的腐解和养分释放过程对指导秸秆还田后土壤养分管理和腐解剂的科学应用具有重要意义。

我国秸秆资源丰富，年秸秆总量为8.42×108t，其中水稻和小麦秸秆占总量的1/3［5］。秸秆还田后的腐解速率和养分释放特点是秸秆还田能否发挥作用的关键。配施腐解剂可以不同程度地提高作物秸秆的腐解速率和氮、磷、钾的释放［6］。Li等［7］在安徽合肥黄褐土上的研究结果表明，秸秆腐解剂施用后小麦秸秆腐解速率和玉米产量分别提高了20.5%和21.6%。水旱轮作下，小麦秸秆还田后，在0～30 d腐解较快，后期腐解速率逐渐变慢，90 d时累积腐解率达到了48.9%～61.3%。秸秆中养分释放速率表现为K＞P＞N≈C［8］。然而，也有研究发现，秸秆腐解剂不能促进秸秆腐解，甚至有可能降低秸秆的腐解率［9-10］。还田秸秆的降解和养分转化受区域气候、秸秆种类、还田条件和土壤状况等的影响［11］。李昌明等［12］研究表明，气候和土壤条件主导氮、磷的释放，其相对贡献率分别达19.5%、15.2%。

稻麦轮作制是我国长江中下游的主要种植模式，存在水田和旱地2种土壤水分条件，稻麦轮作下小麦和水稻秸秆腐解规律不同于单纯的旱作或水田。已有研究往往关注小麦秸秆在旱地或水稻秸秆在水田中的腐解过程［13-14］，鲜有稻麦轮作模式下秸秆腐解过程的研究，且已有的研究采样间隔较大（多为30 d）［8，15］，不利于完整反映秸秆快速、中速、缓慢腐解期秸秆腐解和养分释放的特征。本文采用网袋法，研究大田实际生产条件下，水旱轮作中水稻秸秆在旱作条件下、小麦秸秆在水田中的秸秆腐解及养分释放动态变化，明确秸秆还田后腐解过程和碳及氮、磷、钾养分的释放特征，以期为稻麦轮作区秸秆还田后腐熟剂的应用和养分管理提供理论依据。

1材料与方法

1.1 供试材料

本试验于位于江汉平原腹地的农业农村部潜江农业环境与耕地保育科学观测实验站内（湖北省潜江市浩口镇柳洲村，112°37′ E，30°22′ N）进行。试验点所在区域属亚热带季风气候区，年平均气温16.1℃，年均降水量1100～1300 mm。土壤为潴育型水稻土，质地是砂质黏壤土。土壤耕层基本理化性质：容重1.20 g·cm-3，有机质20.32 g·kg-1，全氮0.15%，有效磷12.18 mg·kg-1，速效钾84.77 mg·kg-1，pH 6.70。

水稻于2018年6月11日移栽，品种为晶两优1377；小麦于同年10月31日播种，品种为郑麦9023。水稻和小麦施肥量分别为N 180 kg·hm-2、P2O575 kg·hm-2、K2O 120 kg·hm-2和N 150 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2、K2O 75 kg·hm-2。氮肥、磷肥和钾肥分别为尿素（N 46%）、磷酸二氢钙（P2O512%）和氯化钾（K2O 60%）。磷肥和钾肥全部作基肥一次施入，氮肥分基肥（70%）和追肥（30%）施用。水稻季追肥于水稻移栽后第7 d撒施，小麦季追肥于拔节期撒施。

1.2 研究方法

利用尼龙网袋法进行秸秆腐解的研究。取刚收获的水稻和小麦秸秆，剪成2～3 cm段装入孔径为0.15 mm的尼龙网袋（规格：20 cm×25 cm）中，每一袋中装入40℃烘干的秸秆9.5 g。于水稻移栽和小麦播种后倾斜45℃埋入表层（0～20 cm）土壤。设置4个处理：（1）小麦秸秆（CK-W）；（2）小麦秸秆添加秸秆腐熟剂（SDA-W）；（3）水稻秸秆（CK-R）；（4）水稻秸秆添加秸秆腐熟剂（SDA-R）。每个处理3次重复。腐熟剂为市售常规秸秆腐熟剂（添加量为0.1%），主要成分为枯草芽孢杆菌、黑曲霉和木霉菌。麦秆还田后分别于第5、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110 d取样，共12次，取72袋；稻秸还田后分别于第5、10、20、30、40、50、60、80、100、120、140、160、180、200 d时 取 样，共14次，取84袋。每次取样均为3个重复。取样后，样品经洗净、60℃烘干，利用失重法测定秸秆腐解速率。分别采用重铬酸钾消化法、半微量凯氏定氮法、钼锑钪比色法和HF-HClO4消煮-火焰光度法测定碳、氮、磷和钾的含量［16］。

综合热分析仪采用Netzsch STA449F3（德国），从30℃开始升温至500℃，升温速率为10℃·min-1，加热过程中通入N2，速率为20 mL·min-1，分别获得热重（TG）曲线和热重微分（DTG）曲线。TG表示样品随温度的变化使重量发生的变化，DTG曲线的峰值表示质量变化速度最大的温度，对应于TG曲线上的拐点。

1.3 数据处理

根据不同腐解时间的秸秆残留量和养分含量计算各腐解阶段的秸秆腐解速率、秸秆残留量、秸秆累积腐解率、养分残留量和养分释放速率常数（k）：

式中，C0为初始秸秆的养分含量（mg·g-1）；Ct为腐解t天后残留秸秆中的养分含量（mg·g-1）；M0为初始秸秆的重量（g）；Mt为腐解t天后残留秸秆的重量（g）；t为腐解时间（d）。

为进一步比较不同处理秸秆腐解动态，本研究采用修正后的Olson指数衰减模型来拟合［17］，其形式为：

式中，y为分解残留率；k为分解速率常数；a为修正参数。根据公式（5）中的k来计算秸秆分解50%（T50）和95%（T95）所需的时间（d），计算公式为：

2 结果与分析

2.1 秸秆腐解特征

添加和未添加腐解剂的小麦秸秆腐解速率、残留量、累积腐解率的变化趋势基本一致。根据腐解速率的快慢，小麦秸秆腐解过程可以分为3个时期：快速腐解期（0～10 d）、中速腐解期（10～30 d）、缓慢腐解期（30～110 d）（图1a）。水稻生育期内，CK-W和SDA-W处理小麦秸秆平均腐解速率分别为0.72和0.75 %·d-1，腐解剂在一定程度上提高了小麦秸秆的平均腐解速率。由图1b可知，小麦秸秆快速腐解期干物质残留量快速减少，在埋袋第5 d时各处理干物质残留量约为7.55 g，累积腐解率约为20.56%。埋袋后5～20 d，CK-W和SDA-W的干物质残留量分别降低至5.73和5.67 g，累积腐解率达到39.72%和40.28%。埋袋后20～110 d，CK-W和SDA-W的干物质残留量分别在4.03～5.47和3.87～5.38 g之间，在第110 d CK-W和SDA-W处理的累积腐解率分别达57.58%和59.26%。秸秆腐解剂略微降低缓慢腐解期的小麦秸秆残留量，整体上在水稻生育期内，秸秆腐解剂对小麦秸秆的促腐效果较弱。

图1 小麦秸秆腐解速率、残留量和累积腐解率

各处理水稻秸秆前期腐解速率远低于小麦秸秆，其快速腐解期为0～10 d，中速腐解期为10～50 d，缓慢腐解期为50～200 d（图2a）。小麦生育期内，CK-R和SDA-R处理的水稻秸秆平均腐解速率分别为0.84和0.87 %·d-1，秸秆腐解菌剂并未显著提高水稻秸秆的平均腐解速率。由图2b可 知，在 埋 袋 后10 d时CK-R和SDA-R干物质残留量分别为7.48和7.52 g，累积腐解率分别为21.21%和20.84%。埋袋后11～50 d，CK-R和SDA-R的干物质残留量分别降低至5.83和5.63 g，累积腐解率达到38.68%和40.74%。埋袋后50～200 d，CK-R和SDA-R的干物质平均残留量分别为4.45和4.20 g，累积腐解率平均值分别为53.18%和55.83%。说明秸秆腐解剂在一定程度上降低了缓慢腐解期的水稻秸秆残留量，提高了累积腐解率。

图2 水稻秸秆腐解速率、残留量和累积腐解率

为进一步比较各处理秸秆的腐解动态，应用修正的Olson指数衰减模型进行拟合，k为秸秆分解速率常数（k值越大，分解速度越快）［18］。小麦和水稻秸秆残留率指数模型显示，当考虑秸秆全部腐解，添加腐解剂处理的秸秆腐解速率高于未添加腐解剂处理，小麦秸秆腐解速率高于水稻秸秆，各处理秸秆腐解速率依次为SDA-W＞CKW＞SDA-R＞CK-R。SDA-W处理秸秆腐解速率比CK-W处理提高了12.2%，SDA-R处理秸秆腐解速率比CK-R处理提高了9.1%。秸秆腐解50%和95%所需的时间与秸秆腐解速率相关，秸秆腐解速率越大，腐解所需时间越短。小麦秸秆腐解50%和95%所需时间分别为73～81和352～390 d，水稻秸秆腐解50%和95%所需时间分别为93～101和480～516 d。添加秸秆腐解剂后，秸秆腐解50%和95%所需时间比CK处理分别减少约8和38 d，时间减少比率分别约为10%和8%。以上说明，秸秆腐解剂对秸秆促腐效果是一个长期过程。

表1 秸秆残留率指数模型

2.2 秸秆养分释放特征

小麦秸秆养分释放特征见图3。秸秆还田前20 d是碳素的快速释放阶段，碳素释放量达到约37%后进入缓慢释放阶段。整个水稻生育期内小麦秸秆总碳释放量约55%，秸秆腐解剂未对麦秆碳素释放产生影响。在水稻生育期内麦秆氮素释放率主要存在2个阶段，第一阶段为快速释放阶段，麦秆还田后0～20 d，释放率约为47%；第二阶段为吸附-释放阶段，麦秆还田20 d后，麦秆会缓慢吸附土壤中的氮素，从而引起氮素释放率降低的现象，麦秆还田20～70 d，麦秆氮素释放率由47%逐渐降低至25%左右；麦秆还田70 d以后，麦秆中氮素逐渐释放，最终释放量达到29%～37%。水稻生育期内，麦秆磷素释放特征与氮素相似，秸秆还田20 d后，磷素释放率约为70%，之后会缓慢吸收土壤中的磷素，导致磷素累积释放量逐渐降低，最终维持在35.6%～44.0%之间。麦秆钾素还田后会直接释放，腐解前10 d钾素释放量便超过98%。

图3 小麦秸秆养分残留率随腐解时间的变化

水稻秸秆养分释放特征见图4。秸秆还田前20 d是碳素的快速释放阶段，碳素释放量达到约30%之后进入缓慢释放阶段。整个小麦生育期内稻秆总碳释放量约为75%，秸秆腐解剂对稻秆碳素释放影响不大。在小麦生育期内稻秆氮素释放量约为40%，主要存在3个阶段：第一阶段为快速释放阶段（0～40 d），氮素释放率可达21.4%～31.88%；第二阶段为稳定阶段（40～140 d），该阶段氮素基本不再释放；第三阶段为缓慢释放阶段（140～200 d），该阶段氮素释放量约为20%。秸秆腐解剂主要提高氮素第一阶段和第二阶段释放量，提升幅度约为10%，并一直维持至140 d。在小麦生育期内，稻秆磷素释放量约为59%，前80 d为快速释放阶段，释放量约为50%，80～200 d为缓慢释放阶段，释放量约为9%。腐解菌剂提高稻秆50～100 d磷素的释放量，但并未提高磷素总释放量。对于钾素而言，稻秆还田10 d后钾素释放量便超过90%，总释放量超过98%。

图4 水稻秸秆养分残留率随腐解时间的变化

图5 小麦秸秆TG-DTG曲线

2.3 秸秆TG-DTG曲线变化

所有样品的热解起始温度在200～250℃之间，质量变化主要发生在250～400℃之间，之后样品质量有少量降低。根据DTG曲线中质量变化最大速率峰来划分作物秸秆TG曲线的热反应阶段［19］。小麦秸秆分为4个失重阶段，分别为85、200～310、310～400、400～500℃。85℃左右的失重是由作物秸秆中水分散失造成的［20］；200～300℃之间的失重是因为半纤维素发生分解造成的；300～400℃是纤维素发生分解造成的［21］；木质素较难分解，400～500℃阶段的失重是由于木质素等难分解的物质分解、挥发造成的［22］。小麦秸秆200～310℃阶 段 失 重18.12%～21.72%，310～400℃阶 段失 重38.46%～49.46%，400～500℃阶 段 失 重4.84%～6.36%。CK-W和SDA-W各腐解时期最大失重速率分别为8.67～9.74和6.86～8.27 %·min-1，添加腐解菌剂后会降低小麦秸秆的最大失重速率。

200～310℃范围小麦秸秆失重量与秸秆腐解时间呈线性关系，SDA-W处理失重量略高于CK-W处理，添加秸秆腐解剂后小麦秸秆失重量提高约2%（图6a）。说明SDA-W处理半纤维素含量较低，腐解剂促进小麦秸秆半纤维素的分解。310～400℃范围内，CK-W处理失重量在秸秆腐解前期升高后期降低，而SDA-W处理该阶段失重量前期稳定后期降低，该范围内SDA-W比CK-W处理的失重量降低约5%（图6b）。说明小麦秸秆纤维素腐解主要集中在缓慢腐解期，秸秆腐解剂提高纤维素的腐解量。400～500℃范围内，木质素含量相对稳定，各腐解时期失重量变幅在0.5%左右（图6c）。

图6 小麦秸秆各阶段失重百分比随腐解时间的变化

DTG曲线中除埋袋5 d时的样品外，水稻秸秆各个峰顶点的温度分别为305和355℃，大致分为4个失重阶段，分别为75（或85）、200～305、305～355、355～400℃。水稻秸秆200～305℃阶段失重15.56%～20.76%、305～355℃阶段失重19.05%～26.75%、355～400℃阶段失重6.27%～16.46%。305～355℃是水稻秸秆主要的失重阶段，CK-R和SDA-R的最大失重速率分别为7.00和6.85 %·min-1，添加腐解菌剂对水稻秸秆最大失重速率的影响较小。

200～305和305～400℃范 围，各 腐 解 阶段CK-R处理失重量均低于SDA-R处理，不同腐解时期失重量的变化趋势呈二项式分布。其中，200～305℃范围失重量先快速降低后稳定，而305～400℃范围失重量前期稳定后期快速降低。说明水稻秸秆半纤维素腐解主要发生在快速和中速腐解期，纤维素腐解主要在缓慢腐解期。400～500℃失重量随着埋袋时间的增加呈增加的趋势。说明在小麦生育期内，水稻秸秆中木质素因腐解缓慢而保留，随着纤维素和半纤维素的快速腐解，木质素的比重随腐解时间的增加而逐渐升高。TG-DTG曲线与作物秸秆种类和腐解时期有关，各阶段组分的百分含量与作物秸秆种类、干湿程度、C/N及土壤温度和降水有关。由于小麦秸秆还田到水稻季，土壤湿度、气温和降水等较高；而水稻秸秆还田到小麦季，土壤湿度、气温、降水等较低。因此，造成小麦和水稻秸秆间热重曲线差异的原因需进一步研究。

图7 水稻秸秆TG-DTG曲线

图8 水稻秸秆各阶段失重百分比随腐解时间的变化

3 讨论

秸秆腐解释放氮、磷、钾养分的过程一般分为3种模式，分别为淋溶-富集-释放、富集-释放、直接释放［12，23］。水稻生育期内，小麦秸秆中氮和磷表现为淋溶-富集-释放，秸秆碳和钾表现为直接释放（图3）；小麦生育期内，水稻秸秆中碳、氮、磷、钾均表现为直接释放（图4）。土壤干湿条件变化是引起秸秆养分释放过程差异的重要原因之一。水稻季长期淹水，小麦秸秆会吸附水溶液中的铵态氮，引起秸秆氮素含量升高。未经处理秸秆作为吸附材料已经被广泛用于吸附领域［24］。在主要作物秸秆吸附水的研究中表明，作物秸秆吸附水的性能与其内部孔隙度密切相关。例如，水稻秸秆腐解半个月后，其表面易降解物质降解和脱落，秸秆内部表面变得更粗糙，孔隙度增加，吸附水性能增强。因此，秸秆还田后，可以吸附土壤中的水溶液［25］，从而储存部分氮素。秸秆发生吸附反应的类型主要包括物理吸附、化学吸附和离子交换吸附3种类型［26］。物理吸附的主要区域位于细胞壁，主要成分为纤维素、半纤维素和木质素等，化学吸附和离子交换吸附主要来自秸秆中含有的羟基、羧基等官能团的大分子物质［27］。本文中，小麦秸秆还田后0～10 d秸秆中氮素迅速释放，在秸秆腐解20～60 d出现秸秆氮素含量缓慢上升。热重分析能够表征秸秆各组分变化，80℃左右的失重是由作物秸秆中水分散失造成的［20］，200～300℃之间的失重是由于半纤维素发生分解，该物质较易被热解，产生的挥发性物质；300～400℃是纤维素发生分解，该阶段的失重峰强度最大，表示作物秸秆中的纤维素含量比例较多，纤维素较半 纤 维 素 稳 定［21］。小 麦 秸 秆200～300℃失 重量低于300～400℃区间，各腐解阶段小麦秸秆200～300℃缓慢降低，300～400℃区间失重量前期稳定后期缓慢降低。表明腐解前期小麦秸秆半纤维素等易降解物质开始腐解，纤维素比半纤维素难腐解，纤维素在秸秆缓慢腐解期降解。信彩云等［15］研究表明，小麦秸秆纤维素和半纤维素的平均释放速率呈现先降低后升高的趋势，高峰出现在90～120 d之间。因此，在小麦秸秆腐解前期，水稻季淹水条件下秸秆粗糙表面内的纤维素和半纤维素出现吸附土壤溶液氮素的现象，导致20～50 d秸秆氮素含量升高。小麦秸秆腐解60 d时，310～400℃小麦秸秆失重量均出现降低的趋势，随着小麦秸秆纤维素开始腐解，半纤维素进一步降解，小麦秸秆氮素含量也表现出降低的趋势。小麦秸秆腐解期内磷素释放率的规律与氮素相似，出现淋溶-富集-释放的过程，这也与李昌明等［12］研究结果一致，寒温带及红壤和潮土秸秆腐解中氮素和磷素的动态特征为先富集再释放。在小麦季，土壤中水分含量较低，水稻秸秆氮、磷、钾和碳含量均随腐解时间增加而降低，这与暖温带、中亚热带黑土旱地中秸秆养分释放规律一致［12］。对比2种类型秸秆腐解过程发现，水稻秸秆腐解速率低于小麦秸秆，但水稻秸秆不同处理间具有更明显的养分释放差异。大量研究表明，秸秆还田配施秸秆腐解菌剂有助于提高秸秆腐解速率［7］，但是腐解菌剂促腐效果与气候类型、土壤状况、秸秆种类和还田条件密切相关。杨欣润等［11］通过整合分析表明，秸秆腐解菌剂在旱地（效应值1.17～2.61）对还田秸秆的促腐效果显著高于水田（效应值0.253～1.12），对小麦秸秆（效应值1.54～3.28）的促腐效果高于水稻秸秆（效应值0.141～1.02）。本文中，小麦季水稻秸秆腐解前30～60 d大田气温较低，土壤微生物活性弱，腐解菌剂促腐效果不明显。秸秆还田0～30和60～120 d，SDA-R处理秸秆残留量和养分残留量逐渐低于CK-R处理；其中SDA-R处理氮和磷素养分残留量明显低于CK-R处理。60～120 d期间，SDA-R处理氮素和磷素平均残留量分别减少了10.0%和4.7%。在水稻季，腐解前期气温和土壤湿度高，腐解菌剂的促腐效果提前至40 d，SDA-W处理小麦秸秆累积腐解量较CK-W处理提高了0.35%～6.39%。但是，由于水稻季淹水条件下小麦秸秆对养分富集过程，秸秆腐解菌剂并未明显促进小麦秸秆养分的释放。因此，稻麦轮作制秸秆腐熟剂主要促进旱作条件下水稻秸秆的养分释放。

4 结论

根据秸秆腐解速率，可以将2种秸秆腐解过程分为3个时期，分别为快速腐解期、中速腐解期、缓慢腐解期。小麦秸秆3个时期依次为0～10、10～20、20～110 d，水稻秸秆依次为0～10、10～50、50～200 d。在秸秆腐解剂作用下，秸秆腐解率达50%和95%的时间分别缩短约8和38 d。水稻生育期内，小麦秸秆累积腐解率达到57%，秸秆氮和磷养分表现为淋溶-富集-释放，碳和钾表现为直接释放，释放率依次为钾（92%）＞碳（55%）＞磷（36%～44%）＞氮（29%～37%）。小麦生育期内，水稻秸秆累积腐解率达到73%，秸秆养分均表现为直接释放，释放率依次为钾（98%）＞碳（75%）＞磷（59%）＞氮（41%～51%）。水稻季还田秸秆在20～60 d，会吸附-富集土壤溶液中的氮和磷，伴随着秸秆中纤维素和半纤维素逐渐腐解，富集的部分氮、磷会再释放到土壤中。秸秆腐解剂提高了小麦季水稻秸秆缓慢腐解期氮和磷的释放量和释放速率，氮素和磷素释放量分别提高了10.0%和4.7%，秸秆腐解剂主要加速小麦和水稻秸秆半纤维素和纤维素的腐解。