稻麥輪作制還田秸稈腐解和養分釋放特征

張志毅，何 劍，范先鵬*，夏 穎，張富林，劉冬碧，吳茂前

（1．湖北省農業科學院植保土肥研究所，國家農業環境潛江觀測實驗站，湖北省農業面源污染防治工程技術研究中心，農業農村部潛江農業環境與耕地保育科學觀測實驗站，農業農村部廢棄物肥料化利用重點實驗室，湖北 武漢 430064；2．丹江口市農業環境保護站，湖北 丹江口 442700）

作物秸稈含有大量氮、磷、鉀等營養元素，秸稈還田具有增加土壤養分［1］、改善土壤結構［2］、提升耕地質量等作用［3］。秸稈腐解劑作為新型生物產品，被廣泛用于促進還田秸稈的腐解［4］。研究秸稈腐解劑參與下還田秸稈的腐解和養分釋放過程對指導秸稈還田后土壤養分管理和腐解劑的科學應用具有重要意義。

我國秸稈資源豐富，年秸稈總量為8.42×108t，其中水稻和小麥秸稈占總量的1/3［5］。秸稈還田后的腐解速率和養分釋放特點是秸稈還田能否發揮作用的關鍵。配施腐解劑可以不同程度地提高作物秸稈的腐解速率和氮、磷、鉀的釋放［6］。Li等［7］在安徽合肥黃褐土上的研究結果表明，秸稈腐解劑施用后小麥秸稈腐解速率和玉米產量分別提高了20.5%和21.6%。水旱輪作下，小麥秸稈還田后，在0～30 d腐解較快，后期腐解速率逐漸變慢，90 d時累積腐解率達到了48.9%～61.3%。秸稈中養分釋放速率表現為K＞P＞N≈C［8］。然而，也有研究發現，秸稈腐解劑不能促進秸稈腐解，甚至有可能降低秸稈的腐解率［9-10］。還田秸稈的降解和養分轉化受區域氣候、秸稈種類、還田條件和土壤狀況等的影響［11］。李昌明等［12］研究表明，氣候和土壤條件主導氮、磷的釋放，其相對貢獻率分別達19.5%、15.2%。

稻麥輪作制是我國長江中下游的主要種植模式，存在水田和旱地2種土壤水分條件，稻麥輪作下小麥和水稻秸稈腐解規律不同于單純的旱作或水田。已有研究往往關注小麥秸稈在旱地或水稻秸稈在水田中的腐解過程［13-14］，鮮有稻麥輪作模式下秸稈腐解過程的研究，且已有的研究采樣間隔較大（多為30 d）［8，15］，不利于完整反映秸稈快速、中速、緩慢腐解期秸稈腐解和養分釋放的特征。本文采用網袋法，研究大田實際生產條件下，水旱輪作中水稻秸稈在旱作條件下、小麥秸稈在水田中的秸稈腐解及養分釋放動態變化，明確秸稈還田后腐解過程和碳及氮、磷、鉀養分的釋放特征，以期為稻麥輪作區秸稈還田后腐熟劑的應用和養分管理提供理論依據。

1材料與方法

1.1 供試材料

本試驗于位于江漢平原腹地的農業農村部潛江農業環境與耕地保育科學觀測實驗站內（湖北省潛江市浩口鎮柳洲村，112°37′ E，30°22′ N）進行。試驗點所在區域屬亞熱帶季風氣候區，年平均氣溫16.1℃，年均降水量1100～1300 mm。土壤為潴育型水稻土，質地是砂質黏壤土。土壤耕層基本理化性質：容重1.20 g·cm-3，有機質20.32 g·kg-1，全氮0.15%，有效磷12.18 mg·kg-1，速效鉀84.77 mg·kg-1，pH 6.70。

水稻于2018年6月11日移栽，品種為晶兩優1377；小麥于同年10月31日播種，品種為鄭麥9023。水稻和小麥施肥量分別為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、磷肥和鉀肥分別為尿素（N 46%）、磷酸二氫鈣（P2O512%）和氯化鉀（K2O 60%）。磷肥和鉀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，小麥季追肥于拔節期撒施。

1.2 研究方法

利用尼龍網袋法進行秸稈腐解的研究。取剛收獲的水稻和小麥秸稈，剪成2～3 cm段裝入孔徑為0.15 mm的尼龍網袋（規格：20 cm×25 cm）中，每一袋中裝入40℃烘干的秸稈9.5 g。于水稻移栽和小麥播種后傾斜45℃埋入表層（0～20 cm）土壤。設置4個處理：（1）小麥秸稈（CK-W）；（2）小麥秸稈添加秸稈腐熟劑（SDA-W）；（3）水稻秸稈（CK-R）；（4）水稻秸稈添加秸稈腐熟劑（SDA-R）。每個處理3次重復。腐熟劑為市售常規秸稈腐熟劑（添加量為0.1%），主要成分為枯草芽孢桿菌、黑曲霉和木霉菌。麥稈還田后分別于第5、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110 d取樣，共12次，取72袋；稻秸還田后分別于第5、10、20、30、40、50、60、80、100、120、140、160、180、200 d時 取 樣，共14次，取84袋。每次取樣均為3個重復。取樣后，樣品經洗凈、60℃烘干，利用失重法測定秸稈腐解速率。分別采用重鉻酸鉀消化法、半微量凱氏定氮法、鉬銻鈧比色法和HF-HClO4消煮-火焰光度法測定碳、氮、磷和鉀的含量［16］。

綜合熱分析儀采用Netzsch STA449F3（德國），從30℃開始升溫至500℃，升溫速率為10℃·min-1，加熱過程中通入N2，速率為20 mL·min-1，分別獲得熱重（TG）曲線和熱重微分（DTG）曲線。TG表示樣品隨溫度的變化使重量發生的變化，DTG曲線的峰值表示質量變化速度最大的溫度，對應于TG曲線上的拐點。

1.3 數據處理

根據不同腐解時間的秸稈殘留量和養分含量計算各腐解階段的秸稈腐解速率、秸稈殘留量、秸稈累積腐解率、養分殘留量和養分釋放速率常數（k）：

式中，C0為初始秸稈的養分含量（mg·g-1）；Ct為腐解t天后殘留秸稈中的養分含量（mg·g-1）；M0為初始秸稈的重量（g）；Mt為腐解t天后殘留秸稈的重量（g）；t為腐解時間（d）。

為進一步比較不同處理秸稈腐解動態，本研究采用修正后的Olson指數衰減模型來擬合［17］，其形式為：

式中，y為分解殘留率；k為分解速率常數；a為修正參數。根據公式（5）中的k來計算秸稈分解50%（T50）和95%（T95）所需的時間（d），計算公式為：

2 結果與分析

2.1 秸稈腐解特征

添加和未添加腐解劑的小麥秸稈腐解速率、殘留量、累積腐解率的變化趨勢基本一致。根據腐解速率的快慢，小麥秸稈腐解過程可以分為3個時期：快速腐解期（0～10 d）、中速腐解期（10～30 d）、緩慢腐解期（30～110 d）（圖1a）。水稻生育期內，CK-W和SDA-W處理小麥秸稈平均腐解速率分別為0.72和0.75 %·d-1，腐解劑在一定程度上提高了小麥秸稈的平均腐解速率。由圖1b可知，小麥秸稈快速腐解期干物質殘留量快速減少，在埋袋第5 d時各處理干物質殘留量約為7.55 g，累積腐解率約為20.56%。埋袋后5～20 d，CK-W和SDA-W的干物質殘留量分別降低至5.73和5.67 g，累積腐解率達到39.72%和40.28%。埋袋后20～110 d，CK-W和SDA-W的干物質殘留量分別在4.03～5.47和3.87～5.38 g之間，在第110 d CK-W和SDA-W處理的累積腐解率分別達57.58%和59.26%。秸稈腐解劑略微降低緩慢腐解期的小麥秸稈殘留量，整體上在水稻生育期內，秸稈腐解劑對小麥秸稈的促腐效果較弱。

圖1 小麥秸稈腐解速率、殘留量和累積腐解率

各處理水稻秸稈前期腐解速率遠低于小麥秸稈，其快速腐解期為0～10 d，中速腐解期為10～50 d，緩慢腐解期為50～200 d（圖2a）。小麥生育期內，CK-R和SDA-R處理的水稻秸稈平均腐解速率分別為0.84和0.87 %·d-1，秸稈腐解菌劑并未顯著提高水稻秸稈的平均腐解速率。由圖2b可 知，在 埋 袋 后10 d時CK-R和SDA-R干物質殘留量分別為7.48和7.52 g，累積腐解率分別為21.21%和20.84%。埋袋后11～50 d，CK-R和SDA-R的干物質殘留量分別降低至5.83和5.63 g，累積腐解率達到38.68%和40.74%。埋袋后50～200 d，CK-R和SDA-R的干物質平均殘留量分別為4.45和4.20 g，累積腐解率平均值分別為53.18%和55.83%。說明秸稈腐解劑在一定程度上降低了緩慢腐解期的水稻秸稈殘留量，提高了累積腐解率。

圖2 水稻秸稈腐解速率、殘留量和累積腐解率

為進一步比較各處理秸稈的腐解動態，應用修正的Olson指數衰減模型進行擬合，k為秸稈分解速率常數（k值越大，分解速度越快）［18］。小麥和水稻秸稈殘留率指數模型顯示，當考慮秸稈全部腐解，添加腐解劑處理的秸稈腐解速率高于未添加腐解劑處理，小麥秸稈腐解速率高于水稻秸稈，各處理秸稈腐解速率依次為SDA-W＞CKW＞SDA-R＞CK-R。SDA-W處理秸稈腐解速率比CK-W處理提高了12.2%，SDA-R處理秸稈腐解速率比CK-R處理提高了9.1%。秸稈腐解50%和95%所需的時間與秸稈腐解速率相關，秸稈腐解速率越大，腐解所需時間越短。小麥秸稈腐解50%和95%所需時間分別為73～81和352～390 d，水稻秸稈腐解50%和95%所需時間分別為93～101和480～516 d。添加秸稈腐解劑后，秸稈腐解50%和95%所需時間比CK處理分別減少約8和38 d，時間減少比率分別約為10%和8%。以上說明，秸稈腐解劑對秸稈促腐效果是一個長期過程。

表1 秸稈殘留率指數模型

2.2 秸稈養分釋放特征

小麥秸稈養分釋放特征見圖3。秸稈還田前20 d是碳素的快速釋放階段，碳素釋放量達到約37%后進入緩慢釋放階段。整個水稻生育期內小麥秸稈總碳釋放量約55%，秸稈腐解劑未對麥稈碳素釋放產生影響。在水稻生育期內麥稈氮素釋放率主要存在2個階段，第一階段為快速釋放階段，麥稈還田后0～20 d，釋放率約為47%；第二階段為吸附-釋放階段，麥稈還田20 d后，麥稈會緩慢吸附土壤中的氮素，從而引起氮素釋放率降低的現象，麥稈還田20～70 d，麥稈氮素釋放率由47%逐漸降低至25%左右；麥稈還田70 d以后，麥稈中氮素逐漸釋放，最終釋放量達到29%～37%。水稻生育期內，麥稈磷素釋放特征與氮素相似，秸稈還田20 d后，磷素釋放率約為70%，之后會緩慢吸收土壤中的磷素，導致磷素累積釋放量逐漸降低，最終維持在35.6%～44.0%之間。麥稈鉀素還田后會直接釋放，腐解前10 d鉀素釋放量便超過98%。

圖3 小麥秸稈養分殘留率隨腐解時間的變化

水稻秸稈養分釋放特征見圖4。秸稈還田前20 d是碳素的快速釋放階段，碳素釋放量達到約30%之后進入緩慢釋放階段。整個小麥生育期內稻稈總碳釋放量約為75%，秸稈腐解劑對稻稈碳素釋放影響不大。在小麥生育期內稻稈氮素釋放量約為40%，主要存在3個階段：第一階段為快速釋放階段（0～40 d），氮素釋放率可達21.4%～31.88%；第二階段為穩定階段（40～140 d），該階段氮素基本不再釋放；第三階段為緩慢釋放階段（140～200 d），該階段氮素釋放量約為20%。秸稈腐解劑主要提高氮素第一階段和第二階段釋放量，提升幅度約為10%，并一直維持至140 d。在小麥生育期內，稻稈磷素釋放量約為59%，前80 d為快速釋放階段，釋放量約為50%，80～200 d為緩慢釋放階段，釋放量約為9%。腐解菌劑提高稻稈50～100 d磷素的釋放量，但并未提高磷素總釋放量。對于鉀素而言，稻稈還田10 d后鉀素釋放量便超過90%，總釋放量超過98%。

圖4 水稻秸稈養分殘留率隨腐解時間的變化

圖5 小麥秸稈TG-DTG曲線

2.3 秸稈TG-DTG曲線變化

所有樣品的熱解起始溫度在200～250℃之間，質量變化主要發生在250～400℃之間，之后樣品質量有少量降低。根據DTG曲線中質量變化最大速率峰來劃分作物秸稈TG曲線的熱反應階段［19］。小麥秸稈分為4個失重階段，分別為85、200～310、310～400、400～500℃。85℃左右的失重是由作物秸稈中水分散失造成的［20］；200～300℃之間的失重是因為半纖維素發生分解造成的；300～400℃是纖維素發生分解造成的［21］；木質素較難分解，400～500℃階段的失重是由于木質素等難分解的物質分解、揮發造成的［22］。小麥秸稈200～310℃階 段 失 重18.12%～21.72%，310～400℃階 段失 重38.46%～49.46%，400～500℃階 段 失 重4.84%～6.36%。CK-W和SDA-W各腐解時期最大失重速率分別為8.67～9.74和6.86～8.27 %·min-1，添加腐解菌劑后會降低小麥秸稈的最大失重速率。

200～310℃范圍小麥秸稈失重量與秸稈腐解時間呈線性關系，SDA-W處理失重量略高于CK-W處理，添加秸稈腐解劑后小麥秸稈失重量提高約2%（圖6a）。說明SDA-W處理半纖維素含量較低，腐解劑促進小麥秸稈半纖維素的分解。310～400℃范圍內，CK-W處理失重量在秸稈腐解前期升高后期降低，而SDA-W處理該階段失重量前期穩定后期降低，該范圍內SDA-W比CK-W處理的失重量降低約5%（圖6b）。說明小麥秸稈纖維素腐解主要集中在緩慢腐解期，秸稈腐解劑提高纖維素的腐解量。400～500℃范圍內，木質素含量相對穩定，各腐解時期失重量變幅在0.5%左右（圖6c）。

圖6 小麥秸稈各階段失重百分比隨腐解時間的變化

DTG曲線中除埋袋5 d時的樣品外，水稻秸稈各個峰頂點的溫度分別為305和355℃，大致分為4個失重階段，分別為75（或85）、200～305、305～355、355～400℃。水稻秸稈200～305℃階段失重15.56%～20.76%、305～355℃階段失重19.05%～26.75%、355～400℃階段失重6.27%～16.46%。305～355℃是水稻秸稈主要的失重階段，CK-R和SDA-R的最大失重速率分別為7.00和6.85 %·min-1，添加腐解菌劑對水稻秸稈最大失重速率的影響較小。

200～305和305～400℃范 圍，各 腐 解 階段CK-R處理失重量均低于SDA-R處理，不同腐解時期失重量的變化趨勢呈二項式分布。其中，200～305℃范圍失重量先快速降低后穩定，而305～400℃范圍失重量前期穩定后期快速降低。說明水稻秸稈半纖維素腐解主要發生在快速和中速腐解期，纖維素腐解主要在緩慢腐解期。400～500℃失重量隨著埋袋時間的增加呈增加的趨勢。說明在小麥生育期內，水稻秸稈中木質素因腐解緩慢而保留，隨著纖維素和半纖維素的快速腐解，木質素的比重隨腐解時間的增加而逐漸升高。TG-DTG曲線與作物秸稈種類和腐解時期有關，各階段組分的百分含量與作物秸稈種類、干濕程度、C/N及土壤溫度和降水有關。由于小麥秸稈還田到水稻季，土壤濕度、氣溫和降水等較高；而水稻秸稈還田到小麥季，土壤濕度、氣溫、降水等較低。因此，造成小麥和水稻秸稈間熱重曲線差異的原因需進一步研究。

圖7 水稻秸稈TG-DTG曲線

圖8 水稻秸稈各階段失重百分比隨腐解時間的變化

3 討論

秸稈腐解釋放氮、磷、鉀養分的過程一般分為3種模式，分別為淋溶-富集-釋放、富集-釋放、直接釋放［12，23］。水稻生育期內，小麥秸稈中氮和磷表現為淋溶-富集-釋放，秸稈碳和鉀表現為直接釋放（圖3）；小麥生育期內，水稻秸稈中碳、氮、磷、鉀均表現為直接釋放（圖4）。土壤干濕條件變化是引起秸稈養分釋放過程差異的重要原因之一。水稻季長期淹水，小麥秸稈會吸附水溶液中的銨態氮，引起秸稈氮素含量升高。未經處理秸稈作為吸附材料已經被廣泛用于吸附領域［24］。在主要作物秸稈吸附水的研究中表明，作物秸稈吸附水的性能與其內部孔隙度密切相關。例如，水稻秸稈腐解半個月后，其表面易降解物質降解和脫落，秸稈內部表面變得更粗糙，孔隙度增加，吸附水性能增強。因此，秸稈還田后，可以吸附土壤中的水溶液［25］，從而儲存部分氮素。秸稈發生吸附反應的類型主要包括物理吸附、化學吸附和離子交換吸附3種類型［26］。物理吸附的主要區域位于細胞壁，主要成分為纖維素、半纖維素和木質素等，化學吸附和離子交換吸附主要來自秸稈中含有的羥基、羧基等官能團的大分子物質［27］。本文中，小麥秸稈還田后0～10 d秸稈中氮素迅速釋放，在秸稈腐解20～60 d出現秸稈氮素含量緩慢上升。熱重分析能夠表征秸稈各組分變化，80℃左右的失重是由作物秸稈中水分散失造成的［20］，200～300℃之間的失重是由于半纖維素發生分解，該物質較易被熱解，產生的揮發性物質；300～400℃是纖維素發生分解，該階段的失重峰強度最大，表示作物秸稈中的纖維素含量比例較多，纖維素較半 纖 維 素 穩 定［21］。小 麥 秸 稈200～300℃失 重量低于300～400℃區間，各腐解階段小麥秸稈200～300℃緩慢降低，300～400℃區間失重量前期穩定后期緩慢降低。表明腐解前期小麥秸稈半纖維素等易降解物質開始腐解，纖維素比半纖維素難腐解，纖維素在秸稈緩慢腐解期降解。信彩云等［15］研究表明，小麥秸稈纖維素和半纖維素的平均釋放速率呈現先降低后升高的趨勢，高峰出現在90～120 d之間。因此，在小麥秸稈腐解前期，水稻季淹水條件下秸稈粗糙表面內的纖維素和半纖維素出現吸附土壤溶液氮素的現象，導致20～50 d秸稈氮素含量升高。小麥秸稈腐解60 d時，310～400℃小麥秸稈失重量均出現降低的趨勢，隨著小麥秸稈纖維素開始腐解，半纖維素進一步降解，小麥秸稈氮素含量也表現出降低的趨勢。小麥秸稈腐解期內磷素釋放率的規律與氮素相似，出現淋溶-富集-釋放的過程，這也與李昌明等［12］研究結果一致，寒溫帶及紅壤和潮土秸稈腐解中氮素和磷素的動態特征為先富集再釋放。在小麥季，土壤中水分含量較低，水稻秸稈氮、磷、鉀和碳含量均隨腐解時間增加而降低，這與暖溫帶、中亞熱帶黑土旱地中秸稈養分釋放規律一致［12］。對比2種類型秸稈腐解過程發現，水稻秸稈腐解速率低于小麥秸稈，但水稻秸稈不同處理間具有更明顯的養分釋放差異。大量研究表明，秸稈還田配施秸稈腐解菌劑有助于提高秸稈腐解速率［7］，但是腐解菌劑促腐效果與氣候類型、土壤狀況、秸稈種類和還田條件密切相關。楊欣潤等［11］通過整合分析表明，秸稈腐解菌劑在旱地（效應值1.17～2.61）對還田秸稈的促腐效果顯著高于水田（效應值0.253～1.12），對小麥秸稈（效應值1.54～3.28）的促腐效果高于水稻秸稈（效應值0.141～1.02）。本文中，小麥季水稻秸稈腐解前30～60 d大田氣溫較低，土壤微生物活性弱，腐解菌劑促腐效果不明顯。秸稈還田0～30和60～120 d，SDA-R處理秸稈殘留量和養分殘留量逐漸低于CK-R處理；其中SDA-R處理氮和磷素養分殘留量明顯低于CK-R處理。60～120 d期間，SDA-R處理氮素和磷素平均殘留量分別減少了10.0%和4.7%。在水稻季，腐解前期氣溫和土壤濕度高，腐解菌劑的促腐效果提前至40 d，SDA-W處理小麥秸稈累積腐解量較CK-W處理提高了0.35%～6.39%。但是，由于水稻季淹水條件下小麥秸稈對養分富集過程，秸稈腐解菌劑并未明顯促進小麥秸稈養分的釋放。因此，稻麥輪作制秸稈腐熟劑主要促進旱作條件下水稻秸稈的養分釋放。

4 結論

根據秸稈腐解速率，可以將2種秸稈腐解過程分為3個時期，分別為快速腐解期、中速腐解期、緩慢腐解期。小麥秸稈3個時期依次為0～10、10～20、20～110 d，水稻秸稈依次為0～10、10～50、50～200 d。在秸稈腐解劑作用下，秸稈腐解率達50%和95%的時間分別縮短約8和38 d。水稻生育期內，小麥秸稈累積腐解率達到57%，秸稈氮和磷養分表現為淋溶-富集-釋放，碳和鉀表現為直接釋放，釋放率依次為鉀（92%）＞碳（55%）＞磷（36%～44%）＞氮（29%～37%）。小麥生育期內，水稻秸稈累積腐解率達到73%，秸稈養分均表現為直接釋放，釋放率依次為鉀（98%）＞碳（75%）＞磷（59%）＞氮（41%～51%）。水稻季還田秸稈在20～60 d，會吸附-富集土壤溶液中的氮和磷，伴隨著秸稈中纖維素和半纖維素逐漸腐解，富集的部分氮、磷會再釋放到土壤中。秸稈腐解劑提高了小麥季水稻秸稈緩慢腐解期氮和磷的釋放量和釋放速率，氮素和磷素釋放量分別提高了10.0%和4.7%，秸稈腐解劑主要加速小麥和水稻秸稈半纖維素和纖維素的腐解。