不同界面玉米秸稈腐解特征及其碳釋放量動態(tài)變化

馬琳 吳景貴 陳曉東

摘要 [目的]探究不同界面玉米秸稈腐解規(guī)律。[方法]從秸稈腐解的3個界面-避光厭氧的近土層（SC）、避光厭氧的中層（ZC）、見光好氧的上層（XC）的腐解特征進行對比探討。[結果]隨腐解時間的增加玉米秸稈的質(zhì)量殘留量呈先快速降低后緩慢降低的變化趨勢。其中前期2個月為快速腐解期，第3個月為緩慢腐解期，而在第3個月以后則進入了穩(wěn)定腐解期。根據(jù)玉米秸稈腐解過程中的質(zhì)量殘留量計算腐解率，XC的玉米秸稈腐解率明顯優(yōu)于SC和ZC，不同界面玉米秸稈中碳的釋放量呈先快速增加后逐漸減緩最后趨于穩(wěn)定的趨勢。在玉米秸稈腐解的各個時間節(jié)點，XC 中碳的釋放量顯著高于其他界面。此外，一級動力學方程表明XC 中的玉米秸稈有較高的碳礦化能力。[結論]玉米秸稈在避光厭氧的近土層的腐解效果優(yōu)于避光厭氧的中層以及見光好氧的上層，更有利于玉米秸稈中碳的釋放，向土壤歸還碳元素。

關鍵詞 玉米秸稈;腐解;不同界面;碳釋放;變化特征

Abstract [Objective]The research aimed to explore the decomposition rule of maize straw at different interfaces.[Method]The decomposing characteristics of the three interfaces of straw degradation： dark anaerobic nearly soil （SC）， middle （ZC） dark anaerobic， see the light of the aerobic decomposing and characteristics of the upper （XC） exposed to light aerobic are compared and discussed.[Result]With the increase of the decay time for the quality of maize straw residue have been rapidly reduced down slowly.The first 2 months were rapid decay， the third month was slow decay， and the third month was stable decay.According to the calculation of decomposition rate based on the mass residue in the decomposition process of maize straw， the decomposition rate of XC maize straw was significantly better than that of SC and ZC. The carbon emission of maize straw at different interfaces increased rapidly at first， then slowed down gradually， and finally became stable.At each time point of maize stalk decomposition， carbon release in XC was significantly higher than that at other interfaces.In addition， the firstorder kinetic equation indicated that corn straw in XC had higher carbon mineralization capacity.[Conclusion]The decomposition effect of corn straw in the near soil layer that avoids light and anaerobic is better than that in the middle layer that avoids light and anaerobic and that in the upper layer that sees light and aerobic， which is more conducive to the release of carbon in corn straw and the return of carbon elements to the soil.

Key words Maize straw;Decomposing;Different interfaces;Carbon release;Change characteristics

隨著我國農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，每年收獲大量農(nóng)產(chǎn)品的同時，大量的作物秸稈也隨之而來[1]。據(jù)報道，我國主要的作物秸稈年產(chǎn)量均在7億t以上[2]， 這些秸稈含有豐富的養(yǎng)分，從養(yǎng)分歸還學說的角度來說秸稈還田是高效利用作物秸稈方式之一[3]， 一方面， 秸稈還田可以固著大量的碳， 顯著增加土壤有機質(zhì)含量， 改善土壤基本理化性狀，減少土壤重金屬及相關有機污染， 減少溫室氣體排放，減少溫室效應， 提升耕地質(zhì)量和增加土壤凈生產(chǎn)力[4-6];另一方面， 秸稈還田可以將秸稈本身的養(yǎng)分歸還到土壤中， 促進作物的吸收與利用， 促進作物對養(yǎng)分的利用與平衡[7]，同時也能減少對與化學肥料的施用[8]。因此，秸稈還田是綠色、高效、可持續(xù)、友好的，具有深遠意義的。

目前對于秸稈還田的研究主要是集中在不同方式秸稈還田、對比秸稈與秸稈生物碳還田效果以及秸稈配施不同梯度化肥還田等方面。馬建輝等[9]研究玉米秸稈直接全量還田與全量過腹還田對麥田碳平衡的影響，通過對比2種不同秸稈還田方式，發(fā)現(xiàn)在豫北地區(qū)全量過腹還田模式麥田土壤碳平衡貢獻優(yōu)于直接全量還田。黃容等[10]對比秸稈還田配施化肥與常規(guī)施用化肥發(fā)現(xiàn)，秸稈與化肥配施較常規(guī)施肥處理可以減少溫室氣體的排放。喬丹丹等[11]研究發(fā)現(xiàn)生物碳還田效果較秸稈還田更有利于黃褐土團聚體穩(wěn)定性及有機碳積累。然而，目前關于秸稈還田的界面有所爭論。壽春光等[12]研究秸稈覆蓋還田發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋還田有助于土壤保墑保水;也有研究認為玉米秸稈覆蓋還田，殘留的玉米秸稈不易腐解，殘留在地表，影響下一茬作物種植[13];韓錦澤等[14]認為秸稈深還田有利于增加土壤酶的含量和活性以及增加土壤微生物的豐度活性與功能等。為進一步明確不同界面玉米秸稈腐解及其碳釋放規(guī)律，筆者采用尼龍網(wǎng)袋法從秸稈腐解的3個界面（避光厭氧的近土層、避光厭氧的中層、見光好氧的上層）的腐解特征進行對比分析，進一步揭示玉米秸稈還田的腐解規(guī)律，為秸稈還田提供進一步的科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地點位于吉林省長春市凈月區(qū)吉林農(nóng)業(yè)大學試驗基地，屬于半干燥半濕潤交替的季風氣侯。年積溫為2 950～3 500 ℃·d， 年降水量為600 mm左右，無霜期為145 d左右。土壤類型為黑土， 耕層土壤基本肥力性狀為有機碳20.91 g/kg、全氮1.14 g/kg、全磷0.61 g/kg、全鉀3.33 g/kg。

1.2 試驗設計 此次試驗開始于2018年6月，試驗選擇玉米秸稈作為供試有機物料，其基本性質(zhì)為有機碳492.18 g/kg、全氮8.36 g/kg、全磷1.15 g/kg、全鉀12.38 g/kg。采用尼龍網(wǎng)袋法進行試驗，按重復3次埋入網(wǎng)袋。從秸稈腐解的3個界面——避光厭氧的近土層（SC）、避光厭氧的中層（ZC）、見光好氧的上層（XC）的腐解特征進行對比探討，每個月從各個層面取出3個網(wǎng)袋進行分析。

1.3 試驗方法

于2018年6月稱取20 g玉米秸稈裝于尼龍網(wǎng)袋中，密封。每隔30 d從避光厭氧的近土層（SC）、避光厭氧的中層（ZC）、見光好氧的上層（XC）中各取出3個網(wǎng)袋進行分析。將網(wǎng)袋內(nèi)玉米秸稈去除雜質(zhì)后烘干至恒重后進行稱重，然后采用重鉻酸鉀外加熱法對網(wǎng)袋內(nèi)玉米秸稈有機碳進行測定[15]。

1.4 數(shù)據(jù)處理 采用SPSS 18.0軟件對數(shù)據(jù)進行分析統(tǒng)計，數(shù)據(jù)的整理、計算以及繪圖采用Excel 2016和Origin 9.0軟件。

質(zhì)量殘留量為網(wǎng)袋內(nèi)玉米秸稈殘留質(zhì)量;腐解率計算公式為：腐解率=網(wǎng)袋內(nèi)玉米秸袋內(nèi)玉米量初始玉米秸稈質(zhì)量×100%。

采用 Olson 衰減模型計算玉米秸稈降解速率：y=exp-kt，式中，y為玉米秸稈殘留率（%）;k為降解常數(shù);t 為降解時間（d） 。玉米秸稈殘留率（y）=1-腐解率。由降解模型可得玉米秸稈腐解的半衰期（ 50%降解率） 計算公式：t（0.5）=ln 0.5/（-k）;完全降解時間（ 95%降解率） 計算公式為：t（0.95）=ln 0.05/（-k）。

碳釋放量為初始秸稈含碳量與不同時期網(wǎng)袋內(nèi)秸稈含碳量之差。不同界面玉米碳釋放量與腐解時期的一級動力學擬合方程為：Ct=C0×（1-e-k0t），式中，Ct為玉米秸稈某時期累積礦化碳量（g）;C0為玉米秸稈碳素的礦化潛力，即玉米秸稈所能釋放的最大值;k0為碳釋放速率常數(shù)。

2 結果與分析

2.1 不同界面玉米秸稈腐解過程質(zhì)量殘留量的動態(tài)變化

從圖1可以看出，隨著腐解時間的增加，玉米秸稈的質(zhì)量殘留量呈先快速降低后緩慢降低的變化趨勢。其中0～60 d為快速腐解期，60～90 d 為緩慢腐解期，而在90 d 以后則進入了穩(wěn)定腐解期。

根據(jù)玉米秸稈腐解過程中的質(zhì)量殘留量計算腐解率，計算結果如表1。從表1可看出，XC的玉米秸稈腐解率明顯優(yōu)于SC和ZC，在30、60、90、120、150 d時的腐解率分別為24.7%、49.8%、57.6%、62.7%、64.6%。SC腐解率在30 d時為18.6%，較ZC腐解率略快，而在60、90、120、150 d時SC腐解率則均低于ZC腐解率，與ZC腐解率相比分別低了1.0%、8.8%、8.2%、13.2%。

2.2 不同界面玉米秸稈腐解過程質(zhì)量殘留量與腐解時間的線性擬合方程

如圖2 所示，采用線性方程對不同界面玉米秸稈腐解過程質(zhì)量殘留量與腐解時間進行擬合，結果發(fā)現(xiàn)，SC、ZC、XC擬合方程的R2分別為0.938、0.975、0.857，表明不同界面玉米秸稈腐解過程質(zhì)量殘留量與腐解時間之間有較好的線性相關關系。由線性方程可知，在不同界面（SC、ZC、XC）中玉米秸稈腐解50%所需時間分別為132、107、87 d。

2.3 不同界面玉米秸稈腐解Olson 衰減模型 進一步采用Olson 衰減模型對不同界面玉米秸稈腐解特征進行分析，由表2 可知，SC、ZC、XC不同界面玉米秸稈腐解常數(shù)分別為0.006 4、0.006 6、0.011 5。腐解常數(shù)越大表征著其腐解周期越短。在SC、ZC、XC不同界面玉米秸稈腐解50%所需時間分別為108、105、60 d，玉米秸稈腐解95%所需時間分別為468、453、260 d。其中XC界面玉米秸稈腐解過程所需天數(shù)明顯少于其他2個界面，SC界面玉米秸稈腐解所需時間最長。

2.4 不同界面玉米秸稈腐解過程碳釋放動態(tài)變化

由圖3可知，隨著玉米秸稈腐解時間的增加，不同界面玉米秸稈中碳的釋放量呈先快速增加后逐漸減緩變慢最后趨于穩(wěn)定的趨勢。在玉米秸稈腐解的各個時間節(jié)點，XC 中碳的釋放量顯著高于其他界面。0～60 d 玉米秸稈中碳的釋放較快，占碳總釋放量（150 d 時釋放量）的 57.01%～59.26%;60～120 d 碳釋放逐漸緩慢，120 d后逐漸趨于穩(wěn)定。在150 d 時， SC、ZC、XC的碳釋放量分別為 1.14、1.42和 1.62 g，其中XC較ZC、SC界面碳釋放量分別增加0.20、0.48 g。

整體來看，玉米秸稈在不同界面中的腐解速率從高到低依次為XC、ZC、SC。其主要原因一方面是由于玉米秸稈與土壤表層接觸，使得土壤中的土壤動物、土壤微生物可以更好地參與到玉米秸稈的腐解，還田玉米秸稈的腐解過程中， 除了物理因素、化學因素影響其腐解進程外， 土壤動物以及土壤微生物因素也起著至關重要的作用[19-20]。付榮恕等[21]研究發(fā)現(xiàn)玉米秸稈腐解過程中會增加土壤動物群落豐度，反之土壤動物對玉米秸稈的破碎也會影響玉米秸稈的腐解進程。楊麗麗等[22]研究發(fā)現(xiàn)微生物有利于玉米秸稈的腐解，促進玉米秸稈腐解，釋放養(yǎng)分。另一方面，XC、ZC界面相對與SC界面其環(huán)境溫度、濕度等更加穩(wěn)定。玉米秸稈本身的結構性質(zhì)以及化學組成組分屬于是秸稈腐解的內(nèi)在因素， 一般不易改變， 而土壤微生物的豐度及活性是外在動力， 易受到外界環(huán)境因素的影響[23]，這也使得XC、ZC較SC的玉米秸稈腐解速度快。

玉米秸稈碳的釋放受其本身的性質(zhì)、結構以及環(huán)境等因素的共同作用[24]。該試驗玉米秸稈在不同界面中的碳釋放量從高到低依次為XC、ZC、SC。玉米秸稈碳釋放量與腐解時間的一級動力學方程也說明XC、ZC較SC有更高的碳礦化能力。這主要原因是：一方面，玉米秸稈的腐解過程中，單糖物質(zhì)、纖維素或半纖維素以及有機物質(zhì)分解轉(zhuǎn)化釋放碳源物質(zhì)[25]，分解速度的快慢也就影響著玉米秸稈碳釋放速度的快慢，該試驗玉米秸稈腐解率高低排序與玉米秸稈碳釋放量高低排序一致;另一方面，玉米秸稈碳的釋放主要是由于微生物對玉米秸稈的利用與分解[26]，玉米秸稈與土壤表層接觸，使得土壤微生物可以高效、快速有效的利用，促進玉米秸稈碳的釋放。

綜上所述，通過此次試驗發(fā)現(xiàn)玉米秸稈在避光厭氧的近土層的腐解效果優(yōu)于避光厭氧的中層和見光好氧的上層，更有利于玉米秸稈中碳的釋放，向土壤歸還碳元素。

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