中国是世界第一秸秆大国, 秸秆总量占全球的17.3%^[1], 现年产量已突破9亿t^[2], 2013年全国玉米(Zea mays)秸秆总产量为2.4亿t, 居各类农作物产量之首^[3]。农作物秸秆作为一类生物质资源, 含有丰富的氮磷钾元素却没有得到合理的利用, 大量的秸秆被焚烧、丢弃, 不仅造成了资源浪费, 还严重污染环境, 现已成为社会关注的热点问题。东北地区制约秸秆还田一个重要因素就是秸秆腐解慢的问题。

前人对秸秆腐解进行了大量研究, 得出秸秆腐解均呈前期快、后期慢的变化规律^[4-6]。作物秸秆种类、碳氮比、干湿程度以及土壤温度、降水条件都会影响作物秸秆在土壤中的腐解率和养分变化^[7]。江晓东等^[8]研究4种耕作方式下玉米秸秆腐解规律, 结果表明秸秆腐解与温度具有显著的正相关性。张宇等^[9]研究发现, 不同耕作方式下玉米秸秆腐解与相应层次的土壤含水量具有显著的正相关关系。张红等^[10]研究发现, 不同秸秆处理的腐解残留率与土壤微生物群落的优势度呈显著负相关, 微生物群落在一定程度上影响了秸秆分解的速率。随着腐解的进行, 秸秆中养分逐渐释放。大量研究结果表明, 秸秆中养分累计释放率为钾 > 磷 > 碳 > 氮^[11-12]; 但也有研究表明^[13], 作物秸秆腐解过程中磷的释放率最大, 其次是氮钾。不同作物秸秆的累计腐解率及养分释放率差异较大, 这可能与秸秆内部结构、养分含量、外界环境及还田方式不同有关。

秸秆还田是土壤培肥的重要途径^[14-16]。矫丽娜等^[17]研究结果表明, 增加秸秆还田深度, 有利于土壤有机碳的积累; 成臣等^[18]研究秸秆还田条件下, 土壤有机碳、全氮、速效钾和有效磷均呈增加的趋势。前人在不同种植方式下研究秸秆腐解, 并已经取得大量可靠的结果, 其中以不同的作物及不同还田量处理下秸秆的腐解研究较多, 而不同还田方式下秸秆腐解特征的研究较少, 且将秸秆腐解进行定量化分析的结果少见报道。针对以上问题, 本文通过设置免耕覆盖、旋耕和翻耕3种秸秆还田方式, 研究秸秆腐解率、养分释放率及对土壤养分含量的影响, 揭示不同还田方式下秸秆腐解及土壤养分变化的差异, 为提高东北棕壤区秸秆资源利用率提供理论依据, 同时提出适宜东北棕壤土区的秸秆还田方式。

1 材料与方法 1.1 试验区概况

试验于2014—2015年连续两年在沈阳农业大学试验基地进行。供试土壤为棕壤土。耕层土壤有机碳含量9.79 g·kg^-1, 全氮1.05 g·kg^-1, 全磷0.85 g·kg^-1, 全钾10.58 g·kg^-1, pH 5.77。玉米品种为‘郑单958’, 分别于2014年5月22日和2015年5月13日播种, 播种时一次性施入氮肥225 kg·hm^-2, 磷肥75 kg·hm^-2, 钾肥180 kg·hm^-2。试验地前茬作物为玉米, 耕作方式为平作秸秆不还田。试验年份降雨及温度监测数据见图 1, 2014年月平均温度9.4 ℃, 降雨量362.9 mm, 5—6月份降雨量占全年降雨量53.7%; 2015年月平均温度9.0 ℃, 降雨量558.3 mm, 5—6月份降雨量占全年降雨量41.4%。两年月平均温度相近, 但2015年较2014年降雨量增加195.4 mm。

1.2 试验设计

试验设免耕秸秆覆盖还田(NTS)、旋耕秸秆还田(RTS)和翻耕秸秆还田(PTS)3个处理, 3次重复, 秸秆还田量为6 000 kg·hm^-2。分别于2014年、2015年春季进行土壤耕作和秸秆还田处理, 利用尼龙网袋法研究秸秆腐解特征。还田所用秸秆粉碎长度约2~5 cm, 秸秆基本性质见表 1。秸秆还田处理前称取36 g烘干秸秆装入150目尼龙网袋(20 cm×30 cm)中, 在秸秆还田作业时置于田间, 3次重复。田间网袋布设依据不同还田方式机械作业深度确定, 旋耕、翻耕作业深度分别为15 cm、25 cm。免耕覆盖秸秆还田处理将网袋平铺在地表, 旋耕秸秆还田处理将网袋倾斜平铺于0~15 cm土层, 翻耕秸秆还田处理将秸秆堆积在网袋底部, 埋入25 cm土层处。

1.3 测定项目与方法

网袋秸秆自还田后每30 d取1次样, 每次取3袋为3次重复, 玉米生长期共取样5次。取样后将样品洗净、置于烘箱内70 ℃烘干至恒重。采用重铬酸钾容量法-外加热法测定秸秆全碳含量; 秸秆经浓硫酸-过氧化氢消煮后, 全自动凯氏定氮仪(FOSS)测定全氮含量; 钼锑抗比色法测定全磷含量; 火焰光度计法测定全钾含量。于玉米收获后利用直径5 cm的土钻采集土壤样品, 取样深度为0~15 cm和15~25 cm, 共2层, 3次重复。土壤样品室内风干后磨细通过100目筛。有机碳含量采用重铬酸钾容量法-外加热法测定; 土壤样品经浓硫酸-硫酸铜-硫酸钾消煮后, 全自动凯氏定氮仪(FOSS)测定全氮含量; 土壤样品经氢氧化钠熔融, 钼锑抗比色法测定全磷含量, 火焰光度计法测定全钾含量^[19]。秸秆腐解率、养分释放率分别利用方程(1)、(2)计算^[20]。

$ 腐解率\left( \% \right) = \left( {{M_0} - {M_t}} \right) \times 100{\rm{\% /}}{M_0} $

(1)

$ 养分率放率\left( \% \right) = \left( {{M_0} \times {C_0} - {M_t} \times {C_t}} \right) \times 100\% /\left( {{M_0} \times {C_0}} \right) $

(2)

式中: M₀为加入秸秆干重(g); M_t为腐解时间为t时的秸秆干重(g); t为腐解时间(d); C₀为秸秆原始养分含量, C_t为腐解时间为t时秸秆养分含量。

通过秸秆腐解率及碳、氮、磷、钾释放率与还田时间分别利用方程(3)、(4)进行回归分析。

$ Y = {b_0}/\left[ {1 + {{\rm{e}}^{\left( {{b_1} - {b_2} \times D} \right)}}} \right] $

(3)

$ Y = {b_0} \times D/\left( {D + {b_1}} \right) \times 100\% $

(4)

式中: Y(%)为秸秆腐解率(碳、氮、磷、钾释放率), D为还田后时间(d), b₀、b₁、b₂均为方程参数。

1.4 数据处理与分析

运用Microsoft Excel 2010和Origin 8.0对数据进行分析及作图, 运用DPS对秸秆腐解率、碳、氮、磷、钾养分释放率随时间变化进行方程模拟, 采用最小显著法(LSD)检验试验数据的差异显著性水平(P < 0.05)。

2 结果与分析 2.1 不同还田方式的秸秆腐解率与碳释放率

由秸秆腐解率变化趋势可以看出(图 2), RTS处理腐解率高于PTS和NTS, 两年趋势一致。NTS处理秸秆腐解率0~60 d为2014年高于2015年, 60~150 d为2014年低于2015年, 当年最终腐解率分别为34.4%和43.2%, 2015年秸秆累计腐解率高于2014年20.4%。RTS和PTS处理2014年、2015年快速腐解期均为0~30 d, 30~150 d为缓慢腐解期, 30 d时RTS和PTS处理秸秆腐解率2014年为50.8%和34.6%, 2015年为54.3%和39.9%, 150 d时RTS和PTS处理秸秆腐解率2014年为80.4%和71.7%, 2015年为75.6%和60.1%, RTS和PTS处理2014年秸秆累计腐解率高于2015年6.0%和16.2%。至试验结束, 3种还田方式下, 在2014年和2015年, RTS处理秸秆腐解率较PTS、NTS处理分别增加10.8%、57.2%和20.5%、42.9%。

秸秆碳释放率(图 3)与秸秆腐解率变化趋势相同, 2014年NTS处理0~60 d秸秆全碳释放率较高, 60 d时碳释放率为48.2%, 至试验结束碳释放率为57.5%; 2015年NTS处理60~120 d秸秆全碳释放率较高, 时间迟于2014年, 120 d时碳释放率为52.8%, 至试验结束碳释放率为55.4%, 两年最终秸秆碳释放率接近。RTS、PTS还田方式秸秆碳快速释放期均为0~30 d, 且两年规律一致, 2014年RTS、PTS在30 d时碳释放率分别为59.1%和38.7%, 至试验结束, 秸秆碳释放率分别为81.3%和77.2%; 2015年RTS、PTS在30 d时碳释放率分别为54.8%和36.2%, 至试验结束, 秸秆碳释放率分别为77.8%和66.8%。至试验结束, 3种还田方式下, 在2014年和2015年, RTS处理秸秆全碳释放率较PTS、NTS处理分别增加5.0%、29.2%和14.1%、28.8%。

2.2 不同还田方式的秸秆氮、磷和钾释放率

由不同还田方式秸秆中氮释放率(图 4)可以看出, 3种还田方式下秸秆氮释放率两年趋势一致。秸秆全氮释放率RTS高于PTS和NTS, 2014年3种还田方式秸秆全氮无明显快速释放期, 至试验结束NTS、RTS、PTS还田方式秸秆全氮释放率分别为8.3%、55.6%、39.6%; 2015年NTS还田方式全氮释放率变化趋势与2014年一致, 至试验结束全氮释放率为24.5%, 较2014年增加66.2%, RTS、PTS还田方式0~30 d为全氮快速释放期, 释放率分别为41.9%、34.3%, 至试验结束全氮释放率分别为53.9%、39.5%, 两年最终秸秆氮释放率接近。至试验结束, 3种还田方式下, 在2014年和2015年, RTS处理秸秆全氮释放率较PTS、NTS处理分别增加28.7%、85.1%和26.8%、54.7%。

3种还田方式秸秆全磷释放率均为2014年高于2015年(图 5), 且快速释放期均为0~30 d。2014年30 d时NTS、RTS、PTS还田方式秸秆全磷释放率为82.6%、89.0%、81.0%, 至试验结束释放率达84.5%、95.5%、90.5%; 2015年30 d时NTS、RTS、PTS还田方式秸秆全磷释放率为72.0%、86.7%、85.2%, 至试验结束释放率分别达74.0%、89.5%、87.3%。3种还田方式下, 在2014年和2015年, RTS处理秸秆全磷释放率较PTS、NTS处理分别增加5.0%、11.5%和2.5%、17.3%。

3种还田方式秸秆全钾释放率两年趋势相同(图 6), 快速释放期均为0~30 d, 且2015年全钾释放率高于2014年。2014年30 d时NTS、RTS、PTS还田方式秸秆全钾释放率为86.8%、97.3%、84.6%, 至试验结束释放率达89.4%、99.7%、95.4%; 2015年30 d时NTS、RTS、PTS还田方式秸秆全钾释放率为88.0%、99.3%、98.9%, 至试验结束释放率达92.3%、99.3%、99.6%。2014年RTS全钾释放率高于PTS, 但2015年两处理结果相近。

2.3 不同还田方式的秸秆腐解及养分释放规律

还田方式间的秸秆腐解及养分释放随还田时间变化规律不尽相同。NTS秸秆腐解率及碳、氮释放率与还田时间符合Logistic曲线方程(方程3);不同还田方式的秸秆磷、钾释放率及RTS、PTS两个处理的秸秆腐解率及碳和氮释放率, 随还田时间变化规律则均符合Michaelis-Menten方程(方程4)。上述模拟方程均拟合良好(表 2), 且降雨量差异明显的两年试验结果呈高度一致性, 真实反映了该区域不同还田方式秸秆腐解及养分释放随还田后时间变化的一般规律。

2.4 不同还田方式的土壤养分含量

由不同还田方式下土壤养分含量(表 3)可以看出, 2015年土壤有机碳、全氮含量与2014年相比呈增加趋势, 而土壤全磷、全钾含量两年结果差异不明显。RTS处理显著提高0~15 cm土壤有机碳和全氮含量, 2014年RTS处理较PTS和NTS处理0~15 cm有机碳含量显著提高19.1%和13.4%, 全氮含量提高20.0%和17.6%; 2015年RTS处理较PTS和NTS处理0~15 cm有机碳含量显著提高4.1%和13.4%, 全氮含量提高22.4%和15.4%。PTS处理显著提高15~25 cm土壤有机碳和全氮含量, 2014年PTS处理较RTS和NTS处理15~25 cm有机碳含量显著提高15.7%和10.7%, 全氮含量提高8.9%和8.9%; 2015年PTS处理较RTS和NTS处理15~25 cm有机碳含量显著提高19.6%和15.5%, 全氮含量提高15.0%和18.9%。土壤0~15 cm和15~25 cm土层全磷含量RTS处理显著高于PTS, 2014年RTS处理较PTS处理0~15 cm全磷含量高7.5%, 15~25 cm高9.0%; 2015年RTS处理较PTS处理0~15 cm全磷含量高7.6%, 15~25 cm高4.6%, 而RTS处理土壤全磷含量与NTS间差异不显著, 各处理间全钾含量差异不显著。

3 讨论

连续2年的试验结果表明, 旋耕和翻耕还田秸秆腐解表现前期快后期慢的特征, 与多数研究结果一致^{[4-6, 21]}。3种还田方式下, 旋耕秸秆还田处理秸秆累计腐解率显著高于翻耕秸秆还田和免耕秸秆还田, 其土壤环境有利于秸秆的腐解, 且土埋处理秸秆组织结构的破坏程度大于露天处理^[22], 这与秸秆翻埋比覆盖腐解速度快的研究结果一致^[23]。免耕秸秆还田处理, 秸秆暴露在空气中, 缺乏与土壤和水分的充分接触, 土壤酶和微生物活性较低, 秸秆的腐解强度较小。旋耕秸秆还田处理, 秸秆与土壤充分混拌、土壤通气透水性好, 0~20 cm温度高于免耕覆盖^[8], 有利于土壤微生物对秸秆的分解活动, 从而促进了秸秆的腐解。王景等^[24]采用室内模拟培养的方法, 研究了水稻(Oryza sativa)和玉米秸秆在好气和厌氧条件下的腐解状况, 结果表明好气培养条件有利于作物秸秆降解和营养物质的释放。本文翻耕秸秆还田处理下, 由于单位土体秸秆密度较高, 且集中分布于25 cm土层处, 其腐解条件趋于嫌气状况, 故其秸秆腐解率低于旋耕秸秆还田处理。2014年免耕秸秆还田处理秸秆腐解率低于2015年, 这可能与2015年降水量高于2014年有关, 免耕条件下秸秆在地表, 吸收更多的水分以利于腐解, 旋耕和翻耕秸秆还田处理秸秆腐解率为2014年高于2015年, 分析认为旋耕和翻耕条件下秸秆放置在土壤中, 较高的土壤水分条件不利于秸秆腐解。

随着腐解的进行, 秸秆中养分逐渐释放, 秸秆中养分的释放规律与秸秆腐解率相同, 均为旋耕还田养分释放率高于翻耕还田和免耕覆盖还田。不同还田方式下玉米秸秆养分释放率均表现为钾 > 磷 > 碳 > 氮, 至试验结束, 秸秆中有56.4%~81.3%的碳、8.3%~55.6%的氮、74.0%~95.5%的磷、89.4%~99.7%的钾被释放出来, 养分的释放与其在秸秆中的存在状态有关^[6]:秸秆中钾以离子态存在, 易于分解释放; 60%以上的磷以离子态存在, 其他部分以有机态形式为主, 但根系分泌的有机酸能够促进磷元素的分解和释放; 碳氮主要以难溶的有机态存在, 在自然状态下分解较慢, 释放率低。除养分的存在状态以外, 气候和土壤条件主导了氮磷元素的释放, 而在腐解后期(2~3 a), 土壤生物因子对秸秆养分释放起到了主导作用^[25]。随着腐解的进行, 玉米秸秆全钾释放率达到90%以上, 适当减少钾肥施入量或钾肥施入时间后移^{[5, 26]}, 是提高资源利用效率的最佳耕作方式。

秸秆还田促进团粒结构形成, 提高土壤水稳性团聚体含量, 改善土壤通透性和保肥保水性^[27], 旋耕秸秆还田和翻耕秸秆还田, 增加了表层土壤有机碳和全氮含量^[28], 支持本文研究结果。旋耕和翻耕还田秸秆全磷释放率差异不明显, 但旋耕还田耕层土壤全磷含量显著高于翻耕还田, 土壤全磷含量与秸秆全磷释放的关系还需进一步深入研究, 各处理秸秆全钾释放趋势相同, 但土壤全钾含量差异不显著。

4 结论

本试验中, 旋耕秸秆还田处理秸秆腐解率显著高于翻耕秸秆还田和免耕覆盖还田。秸秆中养分释放率表现为钾 > 磷 > 碳 > 氮, 且旋耕还田处理有99%以上的钾素释放, 玉米应减少钾肥施用量或施用时间后移, 提高钾肥利用效率。旋耕秸秆还田可提高耕层土壤有机碳、全氮、全磷含量, 而各处理间全钾含量差异不显著。因此从还田秸秆腐解情况及土壤培肥效果分析, 在东北棕壤土区旋耕秸秆还田是适宜的还田模式。