不同還田方式下北方旱作小麥秸稈腐解規(guī)律研究

王 娜 李 萍 宗毓錚 張東升 郝興宇

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,山西 太谷 030801)

我國(guó)北方旱地小麥的種植面積占北方小麥種植面積的60%左右,且隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展以及液化氣技術(shù)的推廣,農(nóng)業(yè)區(qū)秸稈利用問題突現(xiàn)。秸稈還田作為一種直接、高效利用秸稈的方式,已在我國(guó)北方旱作農(nóng)業(yè)區(qū)廣泛應(yīng)用。作物秸稈歸還田后,在腐解過程中可以釋放作物生長(zhǎng)所必需的氮、磷、鉀及其他微量元素；合理的秸稈還田可以協(xié)調(diào)土壤中水、肥、氣、熱之間的關(guān)系,提高土壤蓄水能力、改善土壤理化性質(zhì)和土壤養(yǎng)分狀況、促進(jìn)土壤酶活性、影響土壤有機(jī)質(zhì)的積累與固碳能力[1-5]。秸稈還田對(duì)土壤肥力影響的研究日益受到重視。

有學(xué)者就秸稈還田后的腐解規(guī)律和養(yǎng)分釋放情況開展了相關(guān)研究。王允青等[6]在探究小麥、油菜秸稈腐解特征時(shí)發(fā)現(xiàn),土埋處理的秸稈腐解速度最快,水泡處理的秸稈腐解較慢,原因可能是土埋處理為有氧條件,有利于微生物對(duì)秸稈的腐解。劉單卿等[7]研究發(fā)現(xiàn)在秸稈腐解過程中,翻埋還田在秸稈的腐解與組成成分降解方面優(yōu)于覆蓋還田,原因可能是其土壤耕層秸稈水分高于土表覆蓋秸稈中水分,有利于秸稈降解菌活性提高,促進(jìn)秸稈降解。也有研究發(fā)現(xiàn),秸稈翻壓在土壤中比覆蓋在表層腐解速率快,表明秸稈腐解與養(yǎng)分組成釋放受還田深度與通氣情況的影響[8-9]。綜上可知,秸稈腐解速率與土壤結(jié)構(gòu)、以及土壤中的水分和養(yǎng)分密切相關(guān),而不同還田方式不僅影響秸稈腐解速率,而且會(huì)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分產(chǎn)生影響,但其具體秸稈腐解規(guī)律和機(jī)制有待深入研究。氣候、土壤條件特殊的黃土高原旱作農(nóng)業(yè)區(qū)每年都有大量的小麥秸稈產(chǎn)生,但關(guān)于黃土高原半干旱地區(qū)麥田秸稈腐解的相關(guān)研究尚鮮見報(bào)道。為提高該農(nóng)作區(qū)土壤質(zhì)量,本研究擬開展黃土高原旱作一年一熟種植制度下不同秸稈還田方式小麥秸稈腐解的動(dòng)態(tài)變化及秸稈腐解過程中有機(jī)碳礦化和氮素釋放規(guī)律的研究,并探討該種植制度下不同秸稈還田方式對(duì)土壤肥力的影響與保護(hù)性耕作的優(yōu)勢(shì)效應(yīng),以期為北方旱作小麥秸稈還田模式提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)區(qū)概況

1.1.1 供試材料 供試小麥秸稈為試驗(yàn)地風(fēng)干的冬小麥秸稈,其成分組成及養(yǎng)分含量見表1。

表1 小麥秸稈的理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of wheat straw

1.1.2 試驗(yàn)區(qū)概況 試驗(yàn)地位于山西省臨汾市堯都區(qū)縣底鎮(zhèn)城隍村保護(hù)性耕作長(zhǎng)期定點(diǎn)試驗(yàn)區(qū)(36.04°N,111.30°E),該地區(qū)海拔450 m,屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年平均氣溫12.6℃,無(wú)霜期190 d[10],年平均降雨量為527 mm,集中在7-9月份。土壤為褐土、有機(jī)質(zhì)含量低、略顯堿性。

試驗(yàn)安排在該實(shí)驗(yàn)站的固定道試驗(yàn)區(qū),固定道試驗(yàn)區(qū)拖拉機(jī)和其他作業(yè)機(jī)械的輪子都被限制在永久固定車道上,車道上不耕作也不種植作物,車道之間的作物生長(zhǎng)帶不受車輪壓實(shí)[11]。試驗(yàn)田基本情況和0～20 cm 土層土壤物理化學(xué)性質(zhì)和預(yù)埋的基本情況見表2(2014年6月14日取樣測(cè)定結(jié)果)。

表2 不同耕作方式實(shí)驗(yàn)地基礎(chǔ)地力Table 2 Basic fertility of the experimental land under different tillage practices

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置2 個(gè)處理,秸稈還田旋耕(SRT)、秸稈覆蓋免耕(SNT)。采用尼龍網(wǎng)袋法[12]測(cè)定秸稈腐解,2014年6月14日,將風(fēng)干的小麥秸稈剪成20 cm 左右長(zhǎng),裝入300 目尼龍袋(30 cm×30 cm,3 層),每袋放置小麥秸稈45 g。6月15日將裝有秸稈的尼龍袋埋入農(nóng)田土壤。按水與原土質(zhì)量比為1.5∶1配制土壤懸濁液,每個(gè)尼龍袋澆入150 g 上述土壤懸濁液,侵秸稈與土壤充分接觸。SNT 將樣品袋放置于土壤表層,SRT將樣品袋埋入土壤10 cm 處,預(yù)埋地點(diǎn)做好標(biāo)記。每個(gè)處理3 次重復(fù),共設(shè)5 個(gè)取樣時(shí)期(埋入后70、99、194、280 和375 d),共30 個(gè)樣品袋,秸稈腐解日數(shù)對(duì)應(yīng)的取樣時(shí)間如表3所示。取出后清理秸稈表面附土,烘干、稱重,測(cè)定秸稈失重情況,計(jì)算秸稈的腐解率,并測(cè)定秸稈纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、有機(jī)碳、全氮含量變化,計(jì)算有機(jī)碳礦化特征,氮素釋放特征。

表3 秸稈腐解日數(shù)與對(duì)應(yīng)取樣時(shí)間Table 3 Number of days of straw decomposition and corresponding sampling date

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 秸稈腐解率計(jì)算 按照公式計(jì)算秸稈腐解率[8]：

1.3.2 纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量與腐解率測(cè)定

參考王金主等[13]的方法,纖維素含量采用硫酸與重鉻酸鉀氧化法測(cè)定；半纖維素含量采用HCl 水解法測(cè)定；木質(zhì)素含量采用醋酸提取,再用KI 溶液和硫代硫酸鈉滴定法測(cè)定。并按照公式計(jì)算各組分的腐解率[8]：

1.3.3 秸稈有機(jī)碳含量與有機(jī)碳礦化率測(cè)定 有機(jī)碳含量采用硫酸-重鉻酸鉀外加熱方法測(cè)定[14]。并按照公式計(jì)算有機(jī)碳礦化率[15]：

1.3.4 秸稈全氮含量與氮素釋放率測(cè)定 全氮含量采用硫酸-過氧化氫消煮后,利用凱氏定氮法測(cè)定[14]。并按照公式計(jì)算氮素釋放率[15]：

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 22.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析,采用單因素ANOVA 分析法比較不同處理間的差異性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作方式對(duì)小麥秸稈腐解率的影響

SRT 小麥秸稈的腐解率高于SNT(圖1)。隨著時(shí)間的推移,SRT 和SNT 小麥秸稈均呈現(xiàn)出一定程度的腐解,腐解第194 和第375 天時(shí),SRT 小麥秸稈腐解率分別較SNT 顯著高11 和19 個(gè)百分點(diǎn)。經(jīng)過一年的腐解,最終SRT、SNT 秸稈腐解率分別為50%、31%。綜上,秸稈還田旋耕有利于小麥秸稈的腐解。

圖1 不同耕作方式對(duì)旱作小麥秸稈腐解率的影響Fig.1 Effects of different tillage practices on the decomposition rate of rain-red wheat straw

2.2 不同耕作方式對(duì)小麥秸稈主要成分含量的影響

經(jīng)過一年的腐解,SNT 前期纖維素含量較SRT高,后期則相反；半纖維素含量在兩處理間無(wú)顯著差異。在秸稈腐解第70 和第99 天時(shí),SNT 的纖維素含量較SRT 高4 和5 個(gè)百分點(diǎn)。腐解第375 天,SNT 小麥秸稈纖維素含量較SRT 低3 個(gè)百分點(diǎn)(圖2-A、B)。

木質(zhì)素含量前期表現(xiàn)為SNT 較SRT 高,腐解280 d 時(shí)SRT 顯著高于SNT,但腐解375 d 時(shí)兩處理差異不顯著；腐解第70 天,SNT 小麥秸稈木質(zhì)素含量較SRT 高5 個(gè)百分點(diǎn),差異顯著,而在腐解第280 天較SRT 顯著低6 個(gè)百分點(diǎn)(圖2-C)。

在秸稈的腐解過程中,纖維素、半纖維素腐解規(guī)律整體與秸稈腐解規(guī)律一致,均隨腐解時(shí)間的推移而增加,且SRT 腐解率大于SNT。腐解過程中,SRT 的纖維素、半纖維素平均腐解率分別為65%、45%,SNT 的平均腐解率分別為56%、30%,且腐解280 d 后,SRT 半纖維素腐解率增幅高于SNT。腐解結(jié)束后,SRT 和SNT 的纖維素、半纖維素腐解率分別為88%、61%和83%、38%(圖3-A、B)。

2 種處理的木質(zhì)素腐解率均呈先降低后升高的趨勢(shì),且SRT 腐解率大于SNT。SRT 秸稈木質(zhì)素平均腐解率為53%,SNT 為39%。腐解第375 天,SRT、SNT木質(zhì)素腐解率分別為74%、58%(圖3-C)。

2.3 不同耕作方式對(duì)小麥秸稈有機(jī)碳含量與全N 含量的影響

腐解前期SNT 小麥秸稈的有機(jī)碳含量較高,腐解第194 天,SNT 小麥秸稈的有機(jī)碳含量較SRT 顯著低4 個(gè)百分點(diǎn)；腐解第280 天,SNT 的有機(jī)碳含量較SRT極顯著高9 個(gè)百分點(diǎn)；但腐解約一年(375 d)后,SNT和SRT 對(duì)小麥秸稈有機(jī)碳含量的影響無(wú)顯著差異(圖4-A)。

小麥秸稈的初始全氮含量為40%。腐解前期小麥秸稈全氮含量呈小幅度下降趨勢(shì)。腐解194 d 后,小麥秸稈全氮含量開始增加,SRT 增幅較大,SNT 秸稈全氮含量極顯著低于SRT。腐解第375 天,SNT 秸桿全氮含量較SRT 低37 個(gè)百分點(diǎn)(圖4-B)。

2.4 不同耕作方式對(duì)小麥秸稈有機(jī)碳礦化率與秸稈氮素釋放特征的影響

SRT 和SNT 小麥秸稈有機(jī)碳礦化率隨腐解時(shí)間的推移均呈增加趨勢(shì)(圖5-A)。SRT 秸稈有機(jī)碳礦化率高于SNT。在整個(gè)腐解期間SRT 秸稈有機(jī)碳平均礦化率為42%,SNT 為31%。腐解第375 天,SRT、SNT 秸稈有機(jī)碳礦化率分別為57%、40%。因此,SRT更有利于秸稈有機(jī)碳的礦化。

秸稈的腐解過程中,SNT 小麥秸稈全氮釋放率總體變化較平緩,SRT 則呈先增加后降低再增加的趨勢(shì)。在整個(gè)腐解期間SRT 秸稈全氮平均釋放率為25%,SNT 為41%。腐解第70、第194、第280 和第375 天,SNT 秸稈全氮釋放率分別較SRT 高16、11、40 和21 個(gè)百分點(diǎn),且腐解194～375 d 期間兩處理間差異顯著或極顯著(圖5-B)。

圖2 不同耕作方式對(duì)旱作小麥殘留秸稈纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量的影響Fig.2 Effect of different tillage practices on cellulose， hemicellulose and lignin content of rain-fed wheat straw

3 討論

耕作方式會(huì)影響秸稈的腐解速率,但整體規(guī)律基本一致,即前期分解較快,后期分解速率逐漸緩慢[16-17]。本試驗(yàn)結(jié)果表明,小麥秸稈在還田194 d 前快速腐解,194 d 后隨著時(shí)間的延長(zhǎng)腐解速率趨于平緩。這主要由于在腐解前期,秸稈中易降解的物質(zhì)較多,其中含有大量的碳源可供微生物利用,使秸稈快速分解；腐解后期微生物活性降低,秸稈腐解趨緩[18-19]。此外,由于SNT 秸稈缺少與土壤的充分接觸以及較多的水分揮發(fā),使其含水量及微生物豐度均小于SRT,所以SNT 秸稈的分解小于SRT[20-22]。本研究中小麥秸稈纖維素、半纖維素、木質(zhì)素腐解率均表現(xiàn)為SRT 大于SNT。這可能是由于SRT 的纖維素分解菌數(shù)量與纖維素酶活性明顯高于SNT[23]。

在整個(gè)腐解期間,SRT 秸稈有機(jī)碳礦化率均高于同時(shí)期的SNT,秸稈還田后一部分碳通過礦化分解以CO2的形式釋放,另一部分碳在微生物以及酶的作用下逐步分解轉(zhuǎn)化形成腐殖質(zhì)在土壤中積累[24]。旋耕處理有利于微生物呼吸,消耗較多的有機(jī)質(zhì)為微生物活動(dòng)提供能量[25],因此,SRT 小麥秸稈有機(jī)碳礦化率較高。

本研究中,SNT 秸稈的全氮含量后期顯著低于SRT。有研究發(fā)現(xiàn)分解氮的微生物需要有氧環(huán)境[26],SNT 秸稈位于土表,氧氣較充足,有利于土壤中與分解氮相關(guān)的微生物活動(dòng),全氮釋放率較高且氮素釋放較穩(wěn)定；而SRT 秸稈在土壤內(nèi)部,氧氣不足,不利于土壤中與分解氮相關(guān)的微生物活動(dòng),降低了秸稈氮素向土壤中的凈釋放量[2,27]。本研究秸稈氮素釋放規(guī)律與劉單卿等[7]的研究結(jié)果存在一定的差異,可能與試驗(yàn)田土壤理化性質(zhì)、降雨、溫度、濕度差異有關(guān),其機(jī)理有待深入研究。

圖3 不同耕作方式對(duì)旱作小麥秸稈主要成分腐解特征的影響Fig.3 Effect of different tillage practices on decomposition characteristics of main components of rain-red wheat straw

圖4 不同耕作方式對(duì)旱作小麥秸稈有機(jī)碳和全氮含量的影響Fig.4 Effect of different tillage practices on organic carbon content and total nitrogen content of rain-red wheat straw

SNT 秸稈有機(jī)碳礦化率較SRT 低,一定程度上可以提高農(nóng)田土壤碳庫(kù)存儲(chǔ),減少農(nóng)田碳排放[28]。小麥秸稈腐解過程中,釋放的秸稈氮素有大部分將殘留在土壤中或以其他途徑損失[27,29],也有研究表明秸稈還田可提高耕層土壤的氮素含量[28],SNT 小麥秸稈氮素釋放率較高,可補(bǔ)充土壤氮素供作物生長(zhǎng)需求,并減少農(nóng)田氮素投入。

4 結(jié)論

本研究表明,黃土高原旱作小麥區(qū),SRT 較SNT小麥秸稈腐解率更大。SNT 小麥秸稈有機(jī)碳礦化率較低,可一定程度減少農(nóng)田碳排放,提高土壤碳庫(kù),同時(shí)該處理下還田小麥秸稈有較高的氮素釋放率,可在一定程度上減少農(nóng)田氮素投入。綜上,在黃土高原旱作小麥區(qū)秸稈覆蓋免耕對(duì)土壤肥力與環(huán)境具有一定的優(yōu)勢(shì)效應(yīng)。

圖5 不同耕作方式對(duì)旱作小麥秸稈有機(jī)碳礦化率與氮素釋放特征的影響Fig.5 Effect of different tillage practices on the releasing characteristics of organic carbon and total nitrogen of rain-red wheat straw