氮素形態(tài)對油菜秸稈腐解及養(yǎng)分釋放規(guī)律的影響*

李曉韋, 韓 上, 雷之萌, 武 際**, 石祖梁, 孫志祥, 李 敏, 王 慧, 唐 杉, 程文龍, 朱 林

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氮素形態(tài)對油菜秸稈腐解及養(yǎng)分釋放規(guī)律的影響*

李曉韋1, 韓 上2, 雷之萌1, 武 際2**, 石祖梁3, 孫志祥1, 李 敏2, 王 慧2, 唐 杉2, 程文龍2, 朱 林1

(1. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 合肥 230036; 2. 安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所/養(yǎng)分循環(huán)與資源環(huán)境安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 合肥 230031; 3. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護(hù)總站 北京 100125)

采用尼龍網(wǎng)袋研究法, 研究了不同形態(tài)氮素對油菜秸稈腐解及養(yǎng)分釋放規(guī)律的影響, 以期為農(nóng)業(yè)秸稈循環(huán)利用和改善秸稈還田效果提供理論依據(jù)。試驗(yàn)設(shè)置4個處理: 不添加氮素(CK)、添加尿素(PU)、添加尿素硝酸銨(UAN)和添加石灰氮(CaCN2), 周期120 d。結(jié)果表明, 油菜秸稈腐解表現(xiàn)為前期快(0~30 d)、后期慢(30~120 d)的特征。120 d時, 油菜秸稈累積腐解率為46.08%~52.34%, 碳、氮、磷和鉀的釋放率分別為44.25%~51.52%、51.19%~54.87%、52.82%~58.45%和96.61%~97.46%。添加氮素可以顯著促進(jìn)油菜秸稈腐解。120 d時, 添加氮素處理較CK處理油菜秸稈的累積腐解率提高10.80%~13.59%。不同形態(tài)氮素對秸稈的腐解特征和碳氮磷鉀釋放速率的效應(yīng)不同。其中, PU處理秸稈腐解過程分兩個階段, 快速腐解(0~30 d)和緩慢腐解(30~120 d); 30 d時油菜秸稈的腐解率達(dá)40.39%, 30 d后腐解速率逐漸趨于穩(wěn)定, 120 d時腐解率達(dá)51.06%。UAN處理腐解過程分3個階段, 快速腐解(0~30 d)、腐解減緩(30~60 d)和緩慢腐解(30~120 d); 30 d時腐解率達(dá)40.67%, 30~60 d腐解率上升7.54%, 120 d時腐解率為51.63%。CaCN2處理的秸稈腐解過程分兩個階段, 快速腐解(0~30 d)和緩慢腐解(30~120 d); 其促進(jìn)腐解作用主要表現(xiàn)在60 d后, 60 d時油菜秸稈腐解率達(dá)44.37%, 120 d時腐解率為52.34%。與不施氮處理相比, 120 d時UAN處理秸稈累積腐解率提高12.04%, 碳、氮和磷累積釋放率分別提高9.33%、7.19%和6.97%。各處理對秸稈鉀的釋放率影響不顯著。綜合來看, 以UAN促進(jìn)油菜秸稈腐解的效果較為顯著。

氮素形態(tài); 油菜秸稈; 腐解; 養(yǎng)分釋放

農(nóng)作物秸稈含有豐富的有機(jī)無機(jī)營養(yǎng)成分, 其中含氮量約5 g?kg-1, 含磷量約1.2 g?kg-1, 含鉀量約10 g?kg-1, 此外還含有大量的微量元素及有機(jī)質(zhì)[1]。我國每年大約產(chǎn)秸稈7億t, 但回收利用的不足3%[2]?，F(xiàn)代化肥的使用, 使得農(nóng)業(yè)對秸稈所制肥料的需求大大減少, 秸稈處理成為一大難題。如秸稈不及時處理, 會影響后茬作物的播種及生長。秸稈過剩問題突出, 致使秸稈焚燒現(xiàn)象時而發(fā)生, 不僅對環(huán)境造成嚴(yán)重污染, 影響居民生活, 同時也是資源的一大浪費(fèi)。油菜(L.)秸稈中富含氮、磷、鉀等養(yǎng)分, 若能合理利用, 將有利于培肥土壤和改善農(nóng)田環(huán)境。已有研究表明, 秸稈還田后可在微生物和酶的共同作用下腐解[3-6], 在改善土壤理化性質(zhì)的同時, 還能釋放出氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素供植物吸收利用, 提高土壤肥力[7-9]。

前人對還田秸稈的腐解規(guī)律進(jìn)行了大量的研究。武際等[3]研究表明, 節(jié)水栽培模式下小麥(L.)秸稈還田腐解率和養(yǎng)分釋放率均顯著高于常規(guī)栽培。李新舉等[10]指出, 在不同填埋深度下秸稈腐解速率不同, 5 cm時腐解速度最快, 埋深15 cm稍慢, 覆蓋在表面的最慢, 且秸稈在不同質(zhì)地的土壤中腐解速度也不同。前人研究表明, 秸稈還田后, 由于秸稈本身碳氮比過高, 影響氮素供應(yīng), 從而對作物的前期生長造成影響, 因此在還田同時需要配合施用一定量的氮肥, 以調(diào)節(jié)土壤碳氮比, 促進(jìn)秸稈的腐解[11-13]。然而, 大量前人的研究都集中于不同的氮素施用比例對秸稈腐解的影響[12,14-16], 目前針對不同形態(tài)氮素對秸稈腐解的影響鮮有報(bào)道[8]。為探究秸稈在腐解過程中對不同形態(tài)氮素的響應(yīng), 本研究采用尼龍網(wǎng)袋結(jié)合田間試驗(yàn)的方法, 在油菜秸稈翻壓還田的同時結(jié)合施用不同形態(tài)氮素, 定期取樣分析秸稈的腐解情況, 探討不同形態(tài)氮素的施用對油菜秸稈腐解量、養(yǎng)分釋放的影響, 以期更好地了解油菜秸稈腐解特征, 改善秸稈還田效果, 為進(jìn)一步推進(jìn)油菜秸稈的資源化、可持續(xù)化利用, 降低秸稈焚燒對環(huán)境產(chǎn)生的不可逆負(fù)面效應(yīng), 改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2016年在安徽省六安市舒城縣桃溪現(xiàn)代綜合產(chǎn)業(yè)園示范區(qū)開展。供試土壤為水稻土, 0~20 cm耕作層土壤基本化學(xué)性質(zhì)如下: 有機(jī)質(zhì)16.53 g?kg-1, 全氮1.14 g?kg-1, 速效磷7.82 mg?kg-1, 速效鉀109.02 mg?kg-1, pH 5.47。供試秸稈為上季油菜成熟收獲后秸稈, 風(fēng)干樣養(yǎng)分含量: 全碳431.92 g?kg-1, 全氮9.82 g?kg-1, 全磷0.38 g?kg-1, 全鉀18.35 g?kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)4個處理: 1)不添加氮素(CK); 2)添加尿素(PU, 酰胺態(tài)氮); 3)添加尿素硝酸銨(UAN, 含硝態(tài)氮、銨態(tài)氮及酰胺態(tài)氮); 4)添加石灰氮(CaCN2, 氰氨態(tài)氮)。本試驗(yàn)N施用量為90 kg?hm-2, 處理2、3和4的不同形態(tài)氮素(PU、UAN和CaCN2)含N量分別為46%、35%和20%, 其用量根據(jù)N用量折算。試驗(yàn)采用尼龍網(wǎng)袋研究方法。網(wǎng)袋長25 cm, 寬15 cm, 孔徑0.048 mm。供試秸稈風(fēng)干后, 剪成2~3 cm小段, 混勻后裝入尼龍網(wǎng)袋, 每袋25 g, 用封口機(jī)封好, 埋入土中, 每個處理無間隔埋入18包。田間填埋時, 開4條溝, 一條溝對應(yīng)一個處理, 每條溝寬25 cm, 長2.7 m。將溝內(nèi)20 cm深的土壤全部取出, 破碎土塊。不添加氮素處理將一半土樣回填至10 cm厚, 然后水平無間隔鋪放尼龍網(wǎng)袋, 再將剩余土壤全部填回; 施氮各處理先將土壤與供試氮肥充分混勻, 再按同樣的方法埋入網(wǎng)袋。整個試驗(yàn)周期為120 d, 分別于埋袋后的第5 d、10 d、30 d、60 d、90 d、120 d取樣, 取樣方法為毀滅性取樣, 每次一個處理取3個網(wǎng)袋, 一個網(wǎng)袋即一個重復(fù)。各處理間用PVC板隔開, 試驗(yàn)期間水分及其他管理措施均模擬常規(guī)稻田管理。

1.3 樣品測定項(xiàng)目及方法

用水沖凈網(wǎng)袋黏附的泥漿, 60 ℃下烘干, 利用失重法測定秸稈腐解率。樣品烘干后稱重、磨碎, 測定其氮、磷、鉀和碳含量, 并計(jì)算干物質(zhì)和養(yǎng)分的釋放率、釋放速率。

秸稈樣品經(jīng)H2SO4-H2O2消化, 半微量開氏法測定全氮含量, 鉬銻抗比色法測定全磷含量, 火焰光度計(jì)法測定全鉀含量, 重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定全碳含量。

1.4 計(jì)算方法

秸稈腐解量指秸稈腐解的相對百分含量, 用秸稈腐解率表示[17]。

秸稈腐解率(%)=(原始秸稈重-秸稈殘留量)/原始秸稈重×100 (1)

碳釋放率(%)=(原始秸稈碳量-剩余秸稈碳量)/原始秸稈碳量×100 (2)

氮、磷和鉀釋放率計(jì)算與碳相同[5]。

秸稈腐解速率:=(-)/(3)

式中:為秸稈腐解速率(g?d-1),為階段初始的秸稈質(zhì)量(g),為階段結(jié)束的秸稈質(zhì)量(g),為腐解時間(d)[4]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)分析, Origin 8.0進(jìn)行繪圖處理, SPSS 17.0軟件進(jìn)行方差分析、Duncan多重比較(<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同形態(tài)氮素對油菜秸稈腐解特征的影響

2.1.1 腐解百分率變化

由圖1a可以看出, 隨著腐解天數(shù)增加, 各處理的秸稈累積腐解率均呈上升趨勢, 且均呈現(xiàn)為前期快后期慢的特點(diǎn)。但不同處理在不同時期累積腐解率不同。施氮的3個處理中, 添加尿素處理(PU)前30 d釋放速率最快, 自30 d后變慢并逐漸趨于穩(wěn)定, 0~30 d累積腐解率為38.09%, 30 d后每個時期腐解率上升值均小于7%, 說明PU處理秸稈快速腐解期為0~30 d。添加尿素硝酸銨處理(UAN)0~10 d釋放速率最快, 10~30 d為腐解減緩階段, 兩個階段的腐解率分別為31.85%、8.82%, 腐解速率在60 d后緩慢趨于穩(wěn)定, 60 d時累積腐解率為47.27%, 60~120 d腐解率僅上升1.11%。添加石灰氮處理(CaCN2)前30 d腐解最快, 而后腐解速率下降, 保持一定的腐解速率直至試驗(yàn)終點(diǎn), 120 d時累積腐解率高于其他處理, 達(dá)52.34%。CK處理前30 d腐解最快，隨后速率逐漸變小, 試驗(yàn)終點(diǎn)時CK處理累積腐解率最低, 僅46.08%。各處理相比較發(fā)現(xiàn), 前5 d各處理間無顯著性差異; 10 d時, PU處理與UAN處理的累積腐解率顯著高于CK處理; 60 d與90 d時, UAN處理累積腐解率顯著高于CK處理; 終點(diǎn)時3個施氮處理累積腐解率均顯著高于CK處理。

圖1 不同形態(tài)氮素對油菜秸稈干物質(zhì)累積腐解率(a)和腐解速率(b)的影響

CK: 不施用氮素; PU: 尿素; UAN: 尿素硝酸銨; CaCN2: 石灰氮。CK: no nitrogen; PU: urea; UAN: urea ammonium nitrate; CaCN2: lime nitrogen.

2.1.2 腐解速率變化特征

4個處理的油菜秸稈腐解速率均隨腐解天數(shù)增加而逐漸減小, 且不同處理之間略有差異(圖1b)?？傮w表現(xiàn)為前5 d油菜秸稈腐解速度最大, 各處理的腐解速率都在1.013 g?d-1以上; 5 d后腐解速率逐漸下降, 90 d后腐解速率均趨于平緩, 90~120 d腐解速率一般降到0.029 g?d-1以下。其中, UAN處理腐解速率前5 d最大, 達(dá)1.207 g?d-1, 5~10 d腐解速率顯著下降, 10 d后腐解速率下降趨勢逐漸變緩, 60~90 d時的腐解速率基本達(dá)最低值, 為0.017 g?d-1。PU處理0~10 d腐解速率下降幅度最大, 由1.200 g?d-1下降到0.320 g?d-1, 30~60 d時速率下降到最低點(diǎn), 此后趨于平緩, 30~60 d時速率為0.024 g?d-1。CaCN2處理腐解速率前5 d較小, 僅1.020 g?d-1, 5 d之后速率變化趨勢與UAN處理相似。

2.2 不同形態(tài)氮素對油菜秸稈碳釋放特征的影響

2.2.1 碳釋放百分率變化

通過圖2a可以看出, 碳累積釋放率變化與干物質(zhì)累積腐解率相似。總體表現(xiàn)為施氮處理均比空白處理碳釋放率高的特征。其中PU處理的碳釋放率前10 d最高, 達(dá)29.81%, 10 d后逐漸降低, 60~90 d速率略有回升, 最終釋放率為50.29%。UAN處理前5 d釋放速率最快, 5~60 d速率較為穩(wěn)定, 60 d后碳釋放率趨向于平緩, 60 d時釋放率為47.27%。CaCN2處理前5 d釋放較快, 5 d后每個階段釋放速率都僅有小幅降低, 碳釋放率穩(wěn)定升高, 120 d時CaCN2處理碳釋放率最高, 達(dá)51.52%。分析不同時期各處理的碳累積釋放率發(fā)現(xiàn), 0~5 d時4個處理間無顯著性差異; 10 d時PU處理顯著大于CK處理, 30 d時PU處理和UAN處理顯著高于CK處理, 60 d時UAN處理顯著高于PU處理與CK處理, 90 d與120 d時3個施氮處理顯著高于CK處理且3個施氮處理間無明顯差異性。

圖2 不同形態(tài)氮素對油菜秸稈碳累積釋放率(a)和釋放速率(b)的影響

CK: 不施用氮素; PU: 尿素; UAN: 尿素硝酸銨; CaCN2: 石灰氮。CK: no nitrogen; PU: urea; UAN: urea ammonium nitrate; CaCN2: lime nitrogen.

2.2.2 碳釋放速率變化

從圖2b可以看出, 隨時間延長, 秸稈碳釋放速率逐漸減小, 不同處理的釋放速率不同, 且釋放速率的降低幅度隨著時間延長逐漸變緩, 最終趨于穩(wěn)定。其中, UAN處理前5 d釋放速率最大且在所有處理中最高, 達(dá)0.477 g?d-1, 5~60 d速率持續(xù)變小, 60 d后速率趨于平緩, 30~60 d時釋放速率為0.031 g?d-1。PU處理前10 d釋放速率較高, 30 d后基本趨于穩(wěn)定, 略有波動, 10~30 d的釋放速率為0.042 g?d-1。CaCN2處理前5 d釋放速率最大, 5~90 d緩慢減小, 90 d后趨于平緩, 60~90 d的釋放速率為0.012 g?d-1。CK處理前10 d釋放速率很大, 但速率的降低幅度很大, 10~30 d時速率僅0.038 g?d-1, 30 d后逐漸減小并趨于平緩。

2.3 不同形態(tài)氮素對油菜秸稈氮釋放特征的影響

2.3.1 氮釋放百分率變化

從圖3a可以看出, 各處理的氮累積釋放率與干物質(zhì)、碳釋放率變化類似。UAN處理在前30 d釋放速率均較大, 30 d時氮累積釋放率達(dá)48.76%, 30 d后釋放速度變緩, 90~120 d釋放趨于飽和, 120 d時釋放率達(dá)54.87%。PU處理前30 d釋放速率較大, 為46.21%, 30 d后上升幅度開始變緩, 釋放率逐漸趨于穩(wěn)定。CaCN2處理在前10 d釋放速率最大, 10 d時達(dá)到34.83%, 10 d后腐解速率略微放緩, 累積釋放率穩(wěn)步增高。CK處理在前30 d釋放速率較大, 30 d后速率趨于平緩, 120 d時累積釋放率相較其他處理最低, 僅51.19%。分析發(fā)現(xiàn), 前10 d各處理間無顯著性差異, 30 d時UAN處理顯著高于CK與CaCN2處理, 60 d時各處理間無顯著差異, 90 d時UAN處理顯著高于其余3個處理, 120 d時UAN處理顯著高于PU與CK處理。

圖3 不同形態(tài)氮素對油菜秸稈氮養(yǎng)分累積釋放率(a)及釋放速率(b)的影響

CK: 不施用氮素; PU: 尿素; UAN: 尿素硝酸銨; CaCN2: 石灰氮。CK: no nitrogen; PU: urea; UAN: urea ammonium nitrate; CaCN2: lime nitrogen.

2.3.2 氮釋放速率變化

從圖3b可以看出秸稈氮的釋放速率變化規(guī)律與干物質(zhì)釋放速率相似, 呈隨時間逐漸減小的規(guī)律。其中, UAN處理0~5 d時釋放速率最大, 達(dá)0.014 g?d-1, 但10 d內(nèi)速率降低幅度最大, 30~60 d速率基本降到最低值, 60 d后趨于平緩, 30~60 d時釋放速率為1×10-4g?d-1。PU處理0~5 d時釋放速率最大, 為0.012 g?d-1, 5~30 d速率逐漸變慢, 30~60 d速率降低到最低值, 為2×10-4g?d-1。CaCN2處理釋放速率前5 d最大, 為0.011 g?d-1, 0~30 d釋放速率基本保持平穩(wěn)下降, 30 d后緩慢降低并趨于平緩, 90~120 d時速率為2×10-4g?d-1。CK處理前5 d釋放速率為0.011 g?d-1, 60 d后速率趨向于平緩, 在2×10-4g?d-1以下。

2.4 不同形態(tài)氮素對油菜秸稈磷釋放特征的影響

2.4.1 磷釋放百分率變化

從圖4a可以看出, 各處理的磷累積釋放率與干物質(zhì)腐解規(guī)律類似, 釋放率前期較快, 后期較慢。其中UAN處理0~30 d釋放速率維持在較高水平, 達(dá)43.82%, 30 d后才開始略微變緩, 30~120 d釋放速率保持穩(wěn)定, 120 d時釋放率為58.45%。PU處理、CaCN2處理和CK處理快速釋放期僅前10 d, 10 d后磷累積釋放率變緩直至試驗(yàn)終點(diǎn), 120 d時釋放率分別為55.45%、52.82%和54.64%。對比發(fā)現(xiàn), 前30 d各處理間無明顯差異, 60 d 時UAN處理顯著高于CaCN2處理, 90 d時各處理間無明顯差異, 120 d時UAN處理顯著高于CaCN2處理。

2.4.2 磷釋放速率變化

從圖4b可以看出, 4個處理磷釋放速率均隨時間延長逐漸變低, 且前期變化大, 后期趨于平緩。UAN處理0~5 d釋放速率最大, 達(dá)0.45g?d-1, 5~30 d速率逐漸下降, 30~60 d期間釋放速率達(dá)最低值, 為0.01g?d-1, 60 d后趨于穩(wěn)定。PU處理釋放速率變化基本與UAN處理一致, 0~30 d速率較高, 30~60 d達(dá)到最低值為0.02g?d-1。CaCN2處理前30 d釋放速率最快, 30~60 d速率達(dá)到最低值為0.01g?d-1。CK處理釋放速率變化與CaCN2相似, 30~60 d速率達(dá)到最低。120 d時, 除CK外, 其余處理的磷養(yǎng)分釋放速率略有回升, 速率均在0.02 g?d-1左右。

2.5 不同形態(tài)氮素對油菜秸稈鉀養(yǎng)分釋放特征的影響

從圖5可以看出, 各處理的鉀養(yǎng)分累積釋放率規(guī)律比較特殊, 與其他養(yǎng)分以及干物質(zhì)均不同, 鉀釋放速度很快, 在填埋5 d后基本釋放完畢, 各處理鉀累積釋放率達(dá)96.14%~97.4%, 120 d時, 各處理鉀累積腐解率無顯著差異, 處于 96.61%~97.46%。

CK: 不施用氮素; PU: 尿素; UAN: 尿素硝酸銨; CaCN2: 石灰氮。CK: no nitrogen; PU: urea; UAN: urea ammonium nitrate; CaCN2: lime nitrogen.

圖5 不同形態(tài)氮素對油菜秸稈鉀養(yǎng)分累積釋放特征的影響

CK: 不施用氮素; PU: 尿素; UAN: 尿素硝酸銨; CaCN2: 石灰氮。CK: no nitrogen; PU: urea; UAN: urea ammonium nitrate; CaCN2: lime nitrogen.

2.6 120 d時不同形態(tài)氮素對油菜秸稈腐解的影響及顯著性分析

從表1可以看出, 試驗(yàn)終點(diǎn)時, 添加氮素處理的秸稈累積腐解率顯著高于空白處理, 不同氮素處理之間效果不同但差異不顯著。碳素釋放率表現(xiàn)出與累積腐解率相似的特征。UAN處理的氮養(yǎng)分釋放率顯著高于PU、CK處理, 試驗(yàn)終點(diǎn)時PU處理的氮釋放率基本與空白處理一致。UAN處理的磷養(yǎng)分釋放率顯著高于CaCN2處理。對比發(fā)現(xiàn)CaCN2處理的秸稈累積腐解率最高, UAN處理的養(yǎng)分釋放效果最好。PU處理與CK處理相比較, 僅碳釋放率和秸稈累積腐解率有顯著優(yōu)勢。鉀養(yǎng)分釋放率在不同處理無顯著差異。

3 討論

影響秸稈腐解的因素很多, 包括作物秸稈種類、耕作方式、栽培模式、填埋深度等[3-4,9-10]。已有研究指出, 秸稈在土壤中的腐解過程通常分快速腐解期和緩慢腐解期兩個階段[4,9]。本研究結(jié)果表明, 油菜秸稈隨時間延長而腐解量上升, 前期快, 后期慢, 最終趨于平緩。這與前人關(guān)于油菜秸稈腐解的研究結(jié)果一致[4,17-19]。3個施氮處理累積腐解率均顯著高于CK處理, 這可能是由于氮素的施入調(diào)節(jié)了土壤中的C/N比, 為微生物提供了充足的氮源, 從而加快了腐解進(jìn)程[6]。

不同形態(tài)氮素對油菜秸稈腐解的效應(yīng)不同, 據(jù)此可將不同處理下秸稈腐解的過程分為不同的階段。PU處理分快速腐解(0~30 d)和緩慢腐解(30~120 d)兩個階段; 一方面PU所含易水解的有機(jī)氮僅酰胺態(tài)氮一種, 在土壤中經(jīng)過脲酶作用水解成碳酸銨或碳酸氫銨后可被微生物吸收利用; 另一方面酰胺態(tài)氮在水解前以分子形式在土壤中存在, 只有少量能被土壤吸附[20], 容易淋失, 不易在土壤中保存, 腐解過程中外源氮消耗快, 因此僅前30 d腐解速率較快。UAN處理可分為快速腐解(0~30 d)、腐解減緩(30~60 d)和緩慢腐解(30~120 d)3個階段; 0~30 d腐解速率最快; 30~60 d時腐解速率略有減緩, 但相較其他處理腐解速率依舊保持著較高水平, 這可能是由于UAN所含速效氮的形態(tài)多樣, 施入農(nóng)田后迅速被微生物利用, 促進(jìn)了秸稈的腐解; 同時UAN含有銨態(tài)氮, 容易被土壤膠體吸附, 不易流失, 這也可能是UAN處理在30 d后腐解速率得到維持的原因。CaCN2處理可分為快速腐解(0~30 d)、緩慢腐解(30~120 d)兩個階段; 對比發(fā)現(xiàn), CaCN2處理在0~30 d與CK處理的趨勢基本一致, 較CK處理沒有優(yōu)勢; 30~60 d腐解速率開始逐步與CK處理拉開差距, 60~120 d累積腐解率相較0~60 d降幅為82.04%, 而CK處理60~120 d累積腐解率相較0~60 d降幅為90.91%; 說明CaCN2對秸稈的促腐作用表現(xiàn)在后期(60 d后)。0~60 d腐解速率不具優(yōu)勢的原因可能是腐解前期CaCN2的氮素釋放較為緩慢, 其C/N比沒有得到有效調(diào)節(jié), 微生物活性不高導(dǎo)致腐解速度受限; 腐解中后期氮養(yǎng)分釋放后, 變化的C/N比更適宜微生物的生存與活動, 使得累積釋放率顯著提高。胡慶發(fā)[21]指出, 石灰氮單獨(dú)施用時, 能顯著提高土壤脲酶、蔗糖酶和纖維素酶活性。韓瑋等[22]的研究指出, 添加外源纖維素酶對土壤中秸稈的降解有明顯促進(jìn)作用, 且纖維素酶的活性與腐解速率呈顯著正相關(guān)。因此, 酶活性的提高也可能是CaCN2處理累積腐解率高的原因。

表1 不同形態(tài)氮素對油菜秸稈累積腐解率及養(yǎng)分累積釋放率的影響

秸稈填埋后在土壤微生物作用下腐解并釋放出供作物吸收利用的氮、磷、鉀養(yǎng)分以及中、微量營養(yǎng)元素[23]。秸稈腐解后能成為較為穩(wěn)定的有機(jī)組分, 對增加土壤有機(jī)質(zhì)、培肥土壤至關(guān)重要[24]。秸稈還田已被廣泛認(rèn)為是改善土壤理化性狀以及提高土壤肥力的有效措施。本研究中, 碳、氮、磷的釋放規(guī)律與秸稈累積釋放規(guī)律基本吻合。CK、PU、UAN處理下的油菜秸稈碳氮磷鉀的釋放率均表現(xiàn)為鉀顯著大于碳、氮、磷, 這與已有的研究結(jié)果一致[17,19,25-26]。這是由于秸稈中的鉀主要是以水溶態(tài)存在, 容易釋放; 磷一部分以離子態(tài)存在, 另一部分以難分解的有機(jī)態(tài)存在; 而碳、氮主要都是以難腐解的有機(jī)態(tài)存在, 因此釋放速率慢[18,25]。

水稻(L.)-油菜輪作是本研究區(qū)域的主要輪作方式, 分析油菜秸稈還田后的腐解規(guī)律對于水稻的生長發(fā)育具有重要的指導(dǎo)意義。施用CaCN2不僅可以供氮, 而且CaCN2所含的氮是氰氨態(tài), 故可探究施用CaCN2后在氮素形態(tài)轉(zhuǎn)化成銨態(tài)氮前殺滅水稻田稗草[27]的作用。但適宜江淮地區(qū)水稻-油菜輪作體系的具體提前施用時期, 還有待進(jìn)一步研究和完善。

4 結(jié)論

添加各種形態(tài)氮素均可以促進(jìn)油菜秸稈腐解。試驗(yàn)結(jié)束時, 施氮處理較未施氮處理油菜秸稈的累積腐解率提高10.80%~13.59%。不同形態(tài)氮素對油菜秸稈的促腐效應(yīng)不同, PU處理和CaCN2處理的秸稈腐解過程可分為快速腐解和緩慢腐解兩個階段, UAN處理的秸稈腐解分為快速腐解、腐解減緩和緩慢腐解3個階段。

綜合來看, 以UAN促進(jìn)油菜秸稈養(yǎng)分釋放的效果較為顯著。與不施氮處理相比, 120 d時UAN處理秸稈累積腐解率提高12.04%, 碳、氮、磷累積釋放率分別提高9.33%、7.19%、6.97%。各施氮處理對鉀的釋放率影響不顯著。

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Effects of nitrogen forms on decomposition and nutrient releaseof rapeseed straw*

LI Xiaowei1, HAN Shang2, LEI Zhimeng1, WU Ji2**, SHI Zuliang3, SUN Zhixiang1, LI Min2, WANG Hui2, TANG Shan2, CHENG Wenlong2, ZHU Lin1

(1. College of Resources and Environment, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China; 2. Institute of Soil and Fertilizer, Anhui Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of Nutrient Cycling and Resource Environment of Anhui Province, Hefei 230031, China; 3. Rural Energy and Environment Agency, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100125, China)

Excess rape straw causes unreasonable straw processing, such as burning, resulting in resource waste and serious environmental pollution. Returning straw to the soil is an effective way to improve this situation. Previous studies have found that nitrogen can regulate the soil microbial carbon-nitrogen ratio to promote straw decomposition. At present, much research has focused on the effects of nitrogen rate on straw decomposition, whereas the effects of different forms of nitrogen have rarely been proposed. In this experiment, rape straw was returned to soil for 120 days with different forms of nitrogen: urea (PU), urea ammonium nitrate (UAN), and lime nitrogen (CaCN2), at a 90 kg?hm-2application rate in nylon net bags. The effects of different forms of nitrogen on the decomposition and nutrient release of rape straw were studied. The straw weight and carbon, nitrogen, phosphorus, and potassium contents of straw residues were investigated at 5, 10, 30, 60, 90, and 120 d after straw mixtures were buried into soil to explore characteristics of straw decomposition and nutrient release with the application of different nitrogen forms. The aim of the study was to optimize straw incorporation into soil to improve straw utilization efficiency. The results showed that the decomposition of rape straw was fast in the early stage (0-30 d) and slow in the later stage (30-120 d). At 120 d, the cumulative decomposition rate of rape straw was 46.08%-52.34%. The release rates of carbon, nitrogen, phosphorus and potassium were 44.25%-51.52%, 51.19%-54.87%, 52.82%-58.45%, and 96.61%-97.46%, respectively. The addition of nitrogen significantly promoted the decomposition of rape straw. At 120 d, the cumulative decomposition rate of nitrogen treatments increased by 10.80%-13.59% than that of the control treatment. Different forms of nitrogen have different effects on straw decomposition and release rates of carbon, nitrogen, phosphorus and potassium. Among them, the PU treatment decomposition process was divided into two stages, rapid decomposition (0-30 d) and slow decomposition (30-120 d); at 30 d, the decomposition rate of rape straw reached 40.39%. After 30 d, the decomposition rate gradually became stable and reached 51.06% at 120 d. The UAN treatment decomposition process was divided into three stages, rapid decomposition (0-30 d), slowing decomposition (30-60 d), and slow decomposition (30-120 d); the decomposition rate reached 40.67% at 30 d. The decomposition rate increased by 7.54% from 30 to 60 d, and it was 51.63% at 120 d. The decomposition effect of the CaCN2treatment was mainly manifested after 60 d. At 60 d, the decomposition rate of rape straw reached 44.37%, and was 52.34% at 120 d. Overall, the effect of UAN was more significant. Compared with no nitrogen treatment, the cumulative decomposition rate of straw in the UAN treatment increased by 12.04%; the cumulative release rates of carbon, nitrogen, phosphorus increased by 9.33%, 7.19%, and 6.97%, respectively. The effect of each treatment on the potassium release rate of straw was not significant. Therefore, this study provided the basis for enhancing rape straw decomposition to promote straw resource utilization.

Nitrogen forms; Rape straw; Decomposing; Nutrient release

, E-mail: wuji338@163.com

Aug. 30, 2018;

Dec. 3, 2018

S38; 146+.1

A

2096-6237(2019)05-0717-09

10.13930/j.cnki.cjea.180810

李曉韋, 韓上, 雷之萌, 武際, 石祖梁, 孫志祥, 李敏, 王慧, 唐杉, 程文龍, 朱林. 氮素形態(tài)對油菜秸稈腐解及養(yǎng)分釋放規(guī)律的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2019, 27(5): 717-725

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* 公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201503122-06)、安徽省對外科技合作項(xiàng)目(1604b0602022)、安徽省科技重大專項(xiàng)(17030701055)和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2018YFD0200905)資助

武際, 主要從事土壤培肥和作物高效施肥技術(shù)研究。E-mail: wuji338@163.com

李曉韋, 主要研究方向?yàn)橥寥缹W(xué)。E-mail: 786709314@qq.com

2018-08-30

2018-12-03

* This study was supported by the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest of China (201503122-06), the Foreign Science and Technology Cooperation Project of Anhui Province (1604b0602022), Anhui Provincial Science and Technology Major Project (17030701055), and the National Key Research and Development Program of China (2018YFD0200905).