龔振平,鄧乃榛,宋秋來(lái),李中韜
(1. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,哈爾濱 150030;2. 黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作栽培研究所,哈爾濱 150086)
松嫩平原位于黑龍江和吉林兩省境內(nèi),是中國(guó)重要的春玉米產(chǎn)區(qū),2015年兩省玉米種植面積為 582.11和379.99萬(wàn)hm2,產(chǎn)量分別為3 544.14和2 805.73萬(wàn)t[1],按谷草比1∶1.2計(jì)算玉米秸稈量分別達(dá)到了4 252.97和3 366.88萬(wàn)t。由于玉米秸稈資源過(guò)剩,導(dǎo)致大量秸稈露天焚燒,對(duì)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重污染[2-6],同時(shí)秸稈焚燒造成的氮損失達(dá)到了 80%[7]、磷為 25%[8]、鉀為 21%[9]和硫?yàn)?%~60%[10]。秸稈粉碎直接還田既可以解決焚燒秸稈造成的環(huán)境污染問(wèn)題,又將秸稈中含有的各種營(yíng)養(yǎng)元素直接歸還土壤,增加土壤養(yǎng)分的供應(yīng),保持土壤肥力,改善土壤結(jié)構(gòu)[11-16]。秸稈還田是玉米生產(chǎn)的發(fā)展方向,研究玉米秸稈腐解特征對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義。
作物秸稈腐解具有普遍的共性特征,表現(xiàn)為“先快后慢”的變化動(dòng)態(tài)[17-19],但秸稈腐解又受氣候和地域等環(huán)境因素的影響。南雄雄等[20]通過(guò)室內(nèi)模擬培養(yǎng)試驗(yàn)表明,適宜水分條件有利于秸稈腐解過(guò)程中秸稈碳向無(wú)機(jī)碳方向轉(zhuǎn)化,而不利于向土壤有機(jī)碳方向轉(zhuǎn)化。王旭東等[21]在陜西關(guān)中采用砂濾管法對(duì)高、中、低肥力的土壤進(jìn)行了480 d的玉米秸稈腐解試驗(yàn),中等肥力田塊上玉米秸稈礦化率最高、低肥力田塊上的最低。Ghidey等[22]在美國(guó)密西西比州砂壤土研究不同作物秸稈放置位置的腐解規(guī)律發(fā)現(xiàn),玉米、大豆、小麥、高粱和棉花秸稈懸于地表上15 cm、放置地表和翻埋15 cm,一年內(nèi),玉米秸稈減少了41%、66%和78%;大豆秸稈減少了37%、66%和 79%;小麥秸稈減少了 17%、36%和69%;高粱秸稈減少了 45%、66%和 80%;棉花秸稈減少了 40%、58%和 76%。李慶康等[23]在江蘇省通過(guò)大田和盆栽試驗(yàn)得出秸稈腐解劑能促進(jìn)水稻和小麥秸稈較快腐解,并且可以提高土壤養(yǎng)分含量。秸稈中的氮、磷、鉀養(yǎng)分釋放速率,秸稈深施比表面覆蓋的快,而且秸稈分解的速率隨溫度的升高而增加[24-26]。李新舉等[27]在山東省滕州市的 3種土壤質(zhì)地進(jìn)行玉米秸稈腐解試驗(yàn),表現(xiàn)為埋深5 cm的腐解速度最快,埋深15 cm稍慢,覆蓋在表面的最慢。岳丹等[28]在甘肅省定西市采用尼龍網(wǎng)袋裝秸稈埋土試驗(yàn),經(jīng)過(guò) 100 d的腐解,玉米秸稈累積腐解率為 59.50%~64.15%。
關(guān)于秸稈腐解學(xué)者們進(jìn)行了諸多研究,但主要是研究秸稈在還田當(dāng)年的腐解規(guī)律,而對(duì)玉米秸稈進(jìn)行連續(xù)多年的腐解研究較少。本文針對(duì)松嫩平原的玉米生產(chǎn),采用尼龍網(wǎng)袋法,較系統(tǒng)地研究了玉米秸稈還田多年的腐解特征和養(yǎng)分釋放規(guī)律,為玉米秸稈的科學(xué)還田提供理論依據(jù)和參考。
試驗(yàn)于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)香坊植物學(xué)試驗(yàn)實(shí)習(xí)基地進(jìn)行。該基地位于松嫩平原中部、隸屬于黑龍江省哈爾濱市香坊區(qū)幸福鄉(xiāng),地理坐標(biāo)為 126°22'~126°50'E,45°34'~45°46'N。氣候特征:屬于寒溫帶大陸性氣候,雨熱同季,年降水量500~550 mm之間,無(wú)霜期140 d左右,≥10 ℃積溫2 700 ℃左右。試驗(yàn)期間降雨量和溫度見(jiàn)圖1。
處理方法:采用尼龍網(wǎng)袋法。尼龍網(wǎng)袋的大小為 34 cm×36 cm,孔徑為80目。將壓扁并截成5~10 cm小段的玉米秸稈烘干后,稱取80 g放入尼龍網(wǎng)袋中,用尼龍線縫好封口。試驗(yàn)設(shè)置埋土和覆蓋地表 2種處理,埋土處理是用鐵鍬等工具在壟體挖一個(gè)溝,長(zhǎng)、寬、深分別為36、3、35 cm,將尼龍網(wǎng)袋垂直埋入壟體,填土并壓實(shí),網(wǎng)袋上端與地表持平,與生產(chǎn)上秸稈混拌還田深度基本一致,覆蓋地表處理是將裝有秸稈的尼龍網(wǎng)袋平鋪于壟溝中,用鐵絲加以固定。2種處理田間均種植玉米,采用免耕方式種植,每年5月1日左右播種,行距65 cm,株距27 cm。該地區(qū)為雨養(yǎng)農(nóng)業(yè),無(wú)灌溉。田間施肥量為:尿素(N:46%)300 kg/hm2,磷酸氫二銨(N:18%,P2O5:46%)150 kg/hm2,硫酸鉀(K2O:50%)75 kg/hm2。供試玉米秸稈養(yǎng)分組成見(jiàn)表1。
取樣方法:2011年11月5日埋入樣品,分別于2012、2013、2014、2015年11月5日各取1次樣;每個(gè)處理各取3袋,取后用清水沖洗干凈,挑凈進(jìn)入網(wǎng)袋里的雜物,烘干稱質(zhì)量,粉碎后對(duì)殘余秸稈中的養(yǎng)分含量加以測(cè)定。
圖1 試驗(yàn)地氣溫和降雨量(數(shù)據(jù)來(lái)源中國(guó)氣象臺(tái)網(wǎng)站)Fig.1 Experimental temperature and rainfall (data from China Meteorological Station website)
表1 殘余秸稈組成的變化Table 1 Changes of composition in residual straw
秸稈腐解率(%)=(試驗(yàn)前秸稈質(zhì)量-殘余秸稈質(zhì)量)/試驗(yàn)前秸稈質(zhì)量×100%。
養(yǎng)分釋放率(%)=(試驗(yàn)前秸稈養(yǎng)分含量-殘余秸稈養(yǎng)分含量)/試驗(yàn)前秸稈養(yǎng)分含量×100%。
秸稈氮含量測(cè)定:凱氏定氮法(H2SO4-H2O2消煮);秸稈磷含量測(cè)定:鉬銻抗比色法(H2SO4-固體催化劑消煮);秸稈鉀含量測(cè)定:火焰光度法(H2SO4-H2O2消煮);秸稈碳含量測(cè)定:重鉻酸鉀容量法;秸稈纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量測(cè)定:ANKOM A200i型半自動(dòng)纖維分析儀測(cè)定。
2.1.1 玉米秸稈腐解率的變化
圖2是還田玉米秸稈在2種還田方式下連續(xù)4 a的腐解結(jié)果。從圖2中可以看出,還田秸稈在第1年的腐解速率最快,以后腐解速率減慢,特別是第 4年腐解速率非常慢;第 1年埋土和覆蓋處理的秸稈腐解率分別為60.63%和 45.53%,第 2年腐解率分別為 19.01%和31.55%,第3年腐解率分別為12.06%和11.88%,3 a累計(jì)腐解率達(dá)到91.70%和81.96%。隨著秸稈腐解時(shí)間(年)的增加,秸稈腐解率的增加量逐漸減少,秸稈進(jìn)入緩慢腐解階段。秸稈腐解4 a后,腐解率達(dá)到92.40%和82.48%。埋土處理秸稈腐解速度明顯快于覆蓋處理。埋土處理相比覆蓋處理,秸稈與土壤接觸更加充分,能夠?yàn)檫€田秸稈提供相對(duì)平穩(wěn)的溫濕度環(huán)境,有利于微生物生物量增加、微生物活性和呼吸率增強(qiáng),進(jìn)而加速還田作物秸稈的分解。
圖2 還田秸稈腐解率的變化Fig.2 Change of decomposition rate of returning straw
2.1.2 玉米秸稈組成特征變化
表 1是還田殘余秸稈的組成變化。埋土和覆蓋地表秸稈中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的初始值為42.83%,之后3 a內(nèi)秸稈中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)略有升高,但初始值比未達(dá)到差異顯著水平,在秸稈腐解 4 a后碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯降低,分別為25.66%和31.82%。還田秸稈中氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)初始值為7.04 mg/g,腐解2 a后分別達(dá)到12.50和9.74 mg/g,顯著高于秸稈的初始氮質(zhì)量分?jǐn)?shù),而后2a氮含量逐漸降低,秸稈腐解4 a后氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別降低至3.93和6.63 mg/g,埋土秸稈氮含量顯著低于初始氮含量,而覆蓋處理沒(méi)有達(dá)到差異顯著水平。還田秸稈中初始磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 1.18 mg/g,腐解1 a后,埋土秸稈磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.15 mg/g,而覆蓋秸稈降至最低為0.88 mg/g;之后磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)都逐漸升高,到第4年分別達(dá)到了1.53和1.72 mg/g,且與各年間磷含量差異達(dá)到顯著水平。還田秸稈中鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)初始值為12.97 mg/g,腐解1 a后降至1.23和3.37 mg/g,與初始值差異達(dá)到顯著水平;而后3 a埋土秸稈鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)穩(wěn)定在0.87~1.40 mg/g之間,覆蓋處理鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低至1.00 mg/g。還田玉米秸稈中C/N隨著年限的變化結(jié)果為:埋土秸稈還田第2年C/N為38.26,顯著低于初始值,而后逐漸升高;而覆蓋處理C/N差異不顯著,到第4年C/N降低至48.40,與初始值差異不顯著。
還田玉米秸稈纖維素初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37.59%,埋土秸稈腐解1 a后纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至最大值為38.87%,之后3 a維持在34.93%~36.14%之間,各年份間差異不顯著;覆蓋秸稈腐解 2 a后纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到最大為43.96%,之后 2 a逐漸降低,腐解 4 a后質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32.97%,與初始值差異不顯著。秸稈中半纖維素初始值為31.37%,埋土和覆蓋秸稈隨著腐解時(shí)間的增加半纖維素含量逐漸減少,腐解4 a后秸稈中半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至 9.49%和 11.70%,明顯低于初始值。秸稈中木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)初始值為3.00%,埋土處理秸稈腐解1 a后木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至最大為14.97%,覆蓋秸稈腐解2 a后木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到13.10%。之后逐漸降低,腐解4 a后秸稈中木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.27%和10.93%,明顯高于初始值。
2.2.1 秸稈中養(yǎng)分釋放率
圖3是還田秸稈養(yǎng)分釋放率的變化動(dòng)態(tài)。從圖3可以看出:秸稈中C、N、P和K的釋放率逐漸增加,養(yǎng)分的釋放第1年較快,而且秸稈中C、N、P、K的釋放率,秸稈埋土處理明顯快于覆蓋處理。其中圖3a是秸稈中碳的釋放動(dòng)態(tài),還田秸稈在第 1年的釋放速率最快,埋土和覆蓋處理碳釋放率分別為57.58%和45.32%,在4 a的秸稈腐解過(guò)程中,埋土的秸稈中碳累計(jì)釋放率一直大于覆蓋地表的秸稈中碳累計(jì)釋放率。4 a腐解碳累計(jì)釋放率為95.46%和86.98%。
秸稈中氮釋放率見(jiàn)圖 3b,秸稈中氮素的釋放主要集中在還田前3 a,第1年和第2年埋土和覆蓋處理氮釋放率分別達(dá)到了52.65%和41.33%,70.66%和65.55%。第3年當(dāng)年釋放率為18.77%和11.27%,占第2年釋放后氮素剩余量的63.97%和32.71%,第4年當(dāng)年釋放率為5.34%和 6.68%,占第 3年釋放后氮素剩余量的 50.52%和28.82%。在4 a的釋放過(guò)程中埋土處理的氮素累計(jì)釋放率始終高于覆蓋處理的氮素釋放率。
圖3c是還田秸稈中磷釋放率的變化動(dòng)態(tài)。埋土和覆蓋處理在第 1年磷素得到快速的釋放,磷素的釋放率超過(guò)了50%,分別為61.63%和54.30%;第2年和第3年釋放速率明顯減慢,到第 4年埋土處理磷素的釋放率為93.21%,覆蓋處理的釋放率為84.58%,秸稈經(jīng)過(guò)4 a的腐解,其磷素累計(jì)釋放率表現(xiàn)為埋土處理始終比覆蓋處理快。
圖 3 還田秸稈養(yǎng)分釋放率Fig.3 Nutrient release rate of returning straw
秸稈中鉀釋放率的變化動(dòng)態(tài)見(jiàn)圖 3d。埋土和覆蓋處理的鉀素在第1年的釋放率就達(dá)到了96.26%和84.04%,后3 a進(jìn)入緩慢釋放階段。二者的差距隨著時(shí)間的推移在縮小,最后會(huì)趨于一致。經(jīng)過(guò)4 a的腐解秸稈中鉀累計(jì)釋放率達(dá)到了99.49%和98.65%。
2.2.2 玉米秸稈中纖維組成的腐解率
圖 4是秸稈中纖維組分腐解率的變化動(dòng)態(tài)。從圖 4中可見(jiàn),埋土處理玉米秸稈中的纖維組成腐解率明顯快于覆蓋處理。從圖4a可見(jiàn),秸稈中纖維素腐解主要集中在還田的前2年,其中埋土和覆蓋秸稈纖維素在第1年腐解率達(dá)到了59.29%和45.31%, 2 a腐解率達(dá)到80.42%和70.86%,經(jīng)過(guò)3 a腐解率為92.29%和81.41%,之后秸稈中纖維素進(jìn)入緩慢腐解階段,腐解4 a纖維素腐解率達(dá)到92.94%和84.83%。
圖 4 還田秸稈中纖維組成的腐解率Fig.4 Decomposition rate of fiber composition in return straw
秸稈中半纖維素占秸稈總量的31.37%(表1),含量少于纖維素,但半纖維素的腐解率高于纖維素。從圖 4b中可以看出秸稈中的半纖維素腐解也主要集中在還田的前2年,其中第1年埋土和覆蓋秸稈中半纖維素腐解率達(dá)到了73.70%和54.72%,腐解2 a后半纖維素腐解率為88.78%和 86.30%,腐解 3 a秸稈中半纖維素腐解率為95.46%和90.80%,腐解4 a腐解率為97.71%和93.46%。
圖 4c是秸稈中木質(zhì)素腐解速率變化動(dòng)態(tài)。從圖 4c中可見(jiàn),秸稈中木質(zhì)素占秸稈總量的 3.00%(表 1),顯著低于秸稈中纖維素和半纖維素的含量。在秸稈腐解第1年,埋土和覆蓋處理秸稈木質(zhì)素腐解率達(dá)到了28.10%和23.65%,2 a木質(zhì)素腐解率達(dá)到46.64%和40.65%,腐解3 a后木質(zhì)素腐解率為78.63%和66.48%,經(jīng)過(guò)4 a的腐解,秸稈中木質(zhì)素的腐解率達(dá)到了87.21%和74.00%。
從圖 4可見(jiàn),秸稈中半纖維素腐解速度最快,纖維素次之,木質(zhì)素腐解速度最慢。秸稈還田的前 2年埋土和覆蓋處理秸稈累計(jì)腐解率為79.64%和70.08%,秸稈中半纖維素為 88.78%和 86.30%,纖維素為 80.42%和70.86%,木質(zhì)素為46.64%和40.65%,說(shuō)明秸稈還田的前2年秸稈纖維組成的腐解主要是纖維素和半纖維素的腐解。秸稈還田第3年和第4年,埋土和覆蓋處理秸稈累計(jì)腐解率為 12.76%和 12.40%,半纖維素為 8.93%和7.16%,纖維素為12.52%和13.97%,木質(zhì)素為40.57%和33.35%。說(shuō)明秸稈還田后期,秸稈纖維組成的腐解主要是木質(zhì)素的腐解。
還田秸稈進(jìn)入土壤中,在土壤微生物和酶的作用下進(jìn)行漫長(zhǎng)而復(fù)雜的腐解過(guò)程。微生物分解有機(jī)物受秸稈自身化學(xué)組成及周圍土壤環(huán)境的濕度,溫度的調(diào)節(jié)[29-30]。本試驗(yàn)地點(diǎn)在松嫩平原,冬季低溫寒冷,嚴(yán)重抑制秸稈腐解,夏季高溫多雨是秸稈腐解的主要時(shí)期。諸多學(xué)者認(rèn)為,在秸稈腐解的過(guò)程中整體呈現(xiàn)“先快后慢”的過(guò)程[31-34],這與本文研究的結(jié)果一致。埋土和覆蓋地表的秸稈腐解主要集中在還田的前3年,在第1年腐解速率最快,埋土和覆蓋處理腐解率達(dá)到60.63%和45.53%,此后逐年變慢,前 3年埋土和覆蓋處理秸稈累計(jì)腐解率達(dá)到91.70%和81.96%。Ghidey等[22]在美國(guó)密西西比州的試驗(yàn)表明,玉米秸稈在埋入土壤15 cm和放于地表2種處理?xiàng)l件下,1 a腐解了78%和66%,較本試驗(yàn)結(jié)果略高。
秸稈腐解釋放出豐富的碳、氮、磷、鉀以及多種微量元素可以作為土壤中植物所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的有效補(bǔ)充。戴志剛等[17]在湖北省武漢采用尼龍網(wǎng)袋法研究秸稈養(yǎng)分釋放特征的試驗(yàn)表明,經(jīng)過(guò)124 d的腐解,水稻秸稈、小麥秸稈、油菜秸稈的碳釋放率分別為 7.53%、66.58%、52.54%;氮分別為42.05%、49.26%、57.83%;磷分別為68.28%、59.93%、67.32%;鉀在培養(yǎng)12 d后釋放率均達(dá)到 98%,秸稈中養(yǎng)分釋放速率均表現(xiàn)為 K>P>C>N。本試驗(yàn)秸稈養(yǎng)分釋放速率快慢與其相同,這與營(yíng)養(yǎng)元素在秸稈中的存在形態(tài)有關(guān)。其中,鉀主要以離子態(tài)存在,易溶于水,故釋放最快;而磷以難溶的有機(jī)態(tài)形式為主,但由于種植作物后,作物根系可能分泌一定量的有機(jī)酸,能促進(jìn)磷元素的溶解和釋放[35]。秸稈中氮主要以難溶性有機(jī)物為主,在自然狀態(tài)下分解較慢[36]。秸稈中的碳則主要以各種化合物形式存在與生物體內(nèi),分解速率差別較大[37]。本研究連續(xù)4 a監(jiān)測(cè)還田玉米秸稈中養(yǎng)分含量的變化動(dòng)態(tài),通過(guò)對(duì)秸稈中養(yǎng)分釋放速率比較發(fā)現(xiàn),秸稈中碳、氮和磷的釋放主要集中在還田的前 3年,埋土和覆蓋處理第1年碳釋放率達(dá)到了57.58%和45.32%,3 a累計(jì)釋放率為 90.96%和 82.06%;第 1年氮釋放率達(dá)到52.65%和 41.33%,3 a累計(jì)釋放率達(dá)到了 91.70%和81.96%;第1年磷釋放率為61.63%和54.30%,3 a累計(jì)釋放率為92.03%和83.29%。而鉀的釋放則主要在還田第1年,釋放率達(dá)到了96.26%和84.04%。
玉米秸稈的C/N高,而微生物分解有機(jī)物適宜的C/N在20~30之間,秸稈還田提高了土壤環(huán)境的C/N[38]。本研究中玉米秸稈C/N的初始值為60.90,腐解2 a后埋土和覆蓋地表處理的C/N降低至38.26和47.36,之后C/N升高,這是由于秸稈還田使微生物大量繁殖,微生物代謝所需的氮源相對(duì)不足,需要從土壤中補(bǔ)充所致,導(dǎo)致無(wú)機(jī)氮被固定[39]。
秸稈腐解的過(guò)程中養(yǎng)分的快速釋放期主要集中在還田的前期[17-19],其原因可能是在腐解前期秸稈中的可溶性糖等有機(jī)物(多糖、有機(jī)酸、氨基酸和無(wú)機(jī)養(yǎng)分)釋放較多,釋放較快,為微生物提供了大量的碳源和養(yǎng)分,使微生物數(shù)量增多,活性增強(qiáng)。本試驗(yàn)表明,秸稈纖維組成成分在秸稈還田的第一年腐解率最大,隨著還田年限的增加腐解率逐漸變慢。還田秸稈纖維組成快速腐解時(shí)間和腐解速率存在明顯差別,還田秸稈前期纖維組成腐解率表現(xiàn)為:半纖維素>纖維素>木質(zhì)素。隨著腐解時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng),纖維素和半纖維素消耗殆盡,秸稈中的木質(zhì)素腐解緩慢進(jìn)行,在腐解后期(第 4年)腐解速率則表現(xiàn)為:木質(zhì)素顯著大于纖維素和半纖維素。
1)還田玉米秸稈的腐解速率和養(yǎng)分釋放率都表現(xiàn)為埋土處理大于覆蓋處理。秸稈腐解主要集中在還田的前3年,在第 1年腐解速率最快,埋土和覆蓋處理秸稈總量腐解率達(dá)到 60.63%和 45.53%,3 a腐解率為 91.70%和81.96%。
2)還田玉米秸稈中養(yǎng)分釋放的快慢順序?yàn)镵>P>C>N。埋土和覆蓋處理秸稈中鉀的釋放主要在還田第1年,釋放率達(dá)到了96.26%和84.04%;第1年磷釋放率為61.63%和54.30%,3 a磷釋放率為92.03%和83.29%;第 1年碳釋放率為 57.58%和 45.32%,3 a碳釋放率為90.96%和82.06%;第1年氮釋放率為52.65%和41.33%,3 a氮釋放率為91.70%和81.96%。
3)還田玉米秸稈中半纖維素的腐解速度快于纖維素,木質(zhì)素最慢。其中埋土和覆蓋處理秸稈半纖維素第1年腐解率為 73.70%和 54.72%,2 a腐解率為 88.78%和86.30%;纖維素在第1年腐解率為59.29%和45.31%,2 a腐解率為 80.42%和 70.86%;木質(zhì)素第 1年腐解率為28.10%和23.65%,2 a腐解率為46.64%和40.65%,3 a腐解率為78.63%和66.48%。
[參 考 文 獻(xiàn)]
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