分类：论文范文 发表时间：2021-11-17 11:32
摘要：掌握麦秆、绿肥混合腐解和养分释放规律，对于青藏高原东部农区的地力培育和减肥增效具有重要意义。该研究在田间设置麦秆、箭筈豌豆、低量和高量麦秆与箭筈豌豆混合4个处理，研究有机物料的腐解和养分释放规律。结果表明，各处理下有机物料的腐解呈现前期快后期慢的变化规律，至腐解结束，麦秆、箭筈豌豆、低量和高量麦秆与绿肥混合处理的累积腐解率分别为51.5%、82.2%、78.6%和75.2%，氮素释放率分别为21.3%、81.5%、79.3%和79.0%，磷素释放率分别为60.1%、76.2%、74.2%和82.2%。物料中氮素和钾素释放主要集中在填埋后0～33d，占总释放量的70%～83%和95%以上。箭筈豌豆磷素释放主要集中于0～33d，麦秆主要在0～97d。双库指数衰减模型可以很好地表征物料腐解过程的干物质量、氮素和磷素的残留过程，方程的决定系数大于0.93。物料混合显著提高了氮素的易分解比例（P<0.01），延长了易分解氮素的平均周转周期，低量和高量麦秆与箭筈豌豆混合的氮素易分解比例分别比预测值提高了14%和25%，周转天数延长了5和6d。高量麦秆与绿肥混合使磷素的易分解比例提高了21%。物料混合显著改善了氮素和磷素的释放特征，其中高量麦秆和绿肥混合提高了氮素和磷素的可利用率，延长了氮素释放周期，更有利于后茬作物的吸收利用。研究结果可为青藏高原东部农区秸秆还田的实施提供理论和技术指导。
关键词：秸秆；腐解；养分；混合效应；周转周期；双库指数衰减模型
0引言
青藏高原东部农业区位于青藏高原和黄土高原的过渡地带，是青海省主要的粮食产区[1]，小麦是青海省主要的粮食作物之一，其秸秆年产量约63.3万t。秸秆还田是提高土壤质量，减缓温室气体排放的重要措施[2-3]。箭筈豌豆是该地区麦后复种的常见绿肥种类，绿肥种植能充分利用麦收后空闲期的光热水和土地资源，减少土壤侵蚀、养分流失，翻压还田还能减少化肥投入，促进后茬作物的生长[4-5]。秸秆和绿肥是该地区土壤有机碳和养分的重要来源，了解其腐解及养分释放规律，对于发挥秸秆和绿肥还田的地力培育、固碳减排和减肥增效作用具有重要指导意义。
1材料与方法
1.1试验点概况
试验在青海大学农林科学院试验园进行，位于青海省西宁市城北区莫家泉湾村（101°45′E，36°43′N），海拔2314m，属高原大陆性半干旱气候，年平均气温6.1℃，作物生长期为180～240d。全年平均气温日较差为13.5℃，年平均降水量413.6mm，年均蒸发量为1180.9mm[14]。土壤类型为栗钙土，0～20cm耕层土壤有机质为24.59g/kg，全氮1.47g/kg，速效磷41.67mg/kg，速效钾228.67mg/kg，pH值为8.3，前茬作物为春小麦。
1.2试验设计
有机物物料腐解采用尼龙网袋填埋法。供试有机物料为：麦秆（S）、箭筈豌豆（J）。根据当地小麦留茬高度不同，设计低量和高量麦秆与绿肥的混合物料。低量麦秆留茬20cm，2018年麦秆干物质量1193kg/hm2，绿肥干物质量4087kg/hm2，低量麦秆与箭筈豌豆的配比（质量）为0.29∶1，记为SH1J；高量麦秆留茬40cm，2018年麦秆干物质量2207kg/hm2，绿肥4183kg/hm2，高量麦秆与箭筈豌豆的配比（质量）为0.53∶1，记为SH2J。腐解试验共4个处理，分别为S、J、SH1J、SH2J，S和J为对照处理，小区面积3m×5m，3个重复，共12个小区。各处理物料均来自试验地2018年收获样品，样品收获后在旱棚悬挂晾晒，试验开始前各物料剪成2cm寸段，在60℃下烘干至恒质量。麦秆的氮、磷、钾含量分别为0.66%、0.06%和1.64%，箭筈豌豆的氮、磷、钾含量分别为3.77%、0.38%和2.67%。根据处理配比称取混合物料10g，混匀后装入长20cm，宽15cm的200目（孔径75μm）尼龙网袋，每小区埋6袋，于小麦播种后埋腐解袋，埋深15cm。小麦于2019年4月26日进行人工播种，播种前进行旋耕，深度15cm。供试品种为青春38，行距30cm，播量为225kg/hm2，小麦生长季施纯氮120kg/hm2，P2O590kg/hm2，全部以底肥施入。所有处理苗期灌水1次，灌水量40mm。2019年8月1日小麦收获，之后复种绿肥并于2019年10月20日收获。
2结果与分析
2.1绿肥和麦秆混合还田的腐解特征
随着腐解进程的推进，各处理累积腐解率逐渐增大，累积腐解率增长呈现前期快后期慢的特点（图2a）。麦秆、箭筈豌豆、低量和高量麦秆与绿肥混合物料第33天的累积腐解率分别为27.7%、68.8%、59.7%和55.9%，箭筈豌豆显著高于混合物料，混合物料显著高于麦秆（P<0.05）（表1）；第97天（小麦收获），各处理的累积腐解率分别为43.4%、76.0%、71.9%和67.3%；至腐解结束，各处理的累积腐解率分别为51.5%、82.2%、78.6%和75.2%，麦秆的累积腐解率最低，箭筈豌豆的累积腐解率最高，麦秆显著低于其他处理（P<0.05）（图2a、表1）。麦秆、箭筈豌豆、低量和高量麦秆混合物料在0～33d的腐解速率分别为83.8、208.5、180.8和169.3mg/d，箭筈豌豆的腐解速率显著高于其他处理（P<0.05）（图2b），在34～66d，各处理的腐解速率分别32.3、18.5、33.3和25.2，麦秆显著高于箭筈豌豆，低量麦秆混合显著高于高量麦秆混合（P<0.05）；在67～97d，各处理的腐解速率分别为16.4、3.6、4.0和10.0mg/d，麦秆显著高于其他处理（P<0.05）（图2b）；98～333d，各处理间无显著差异（图2b）。
2.2绿肥和麦秆混合还田的养分释放特征
各处理下的氮、磷、钾累积释放率和释放速率如表1和图3所示，养分累积释放率增长均呈现前期快后期慢的变化特征。经过333d的腐解，S、J、SH1J和SH2J处理有机物料氮素累积释放率分别为21.3%、81.5%、79.3%和79.0%，箭筈豌豆及其混合物料的氮素释放率显著高于麦秆（P<0.05）（图3a、表1）。0～33d的氮释放速率最高，该阶段的氮素释放量占整个腐解期总释放量的70%～83%。S、J、SH1J和SH2J处理在0～33d的氮素释放速率分别为0.3、7.7、5.2和4.5mg/d，箭筈豌豆显著高于其他处理（P<0.05）；34～66d，各处理的氮素释放速率分别为0.1、0.7、1.2和0.8mg/d，低量麦秆与绿肥混合处理显著高于其他处理（P<0.05）；67～97d，各处理间无显著差异；98～181d，高量麦秆与绿肥混合处理释放速率最高，约为0.35mg/d（图3d）。
3讨论
3.1有机物料还田的腐解规律
麦秆和绿肥还田后的腐解规律均遵循前期快、后期慢、最后趋于稳定的变化特征。翻压后0～33d为快速腐解期，34～97d为慢速腐解期，98～333d为稳定腐解期。这是由于腐解早期，秸秆中水溶性有机物如多糖和氨基酸等物质丰富，微生物的活性强，腐解速率快，随腐解进行，有机物料中难分解物质的比例增大，微生物活性降低，腐解速率变慢[18-19]。武际等[20-22]的研究表明麦秆在0～3个月的腐解比例在50%～60%左右，最高能达到70%，麦秆在下茬作物生长季的累积腐解率平均为60.0%。本研究中至小麦收获（第97天），麦秆的累积腐解率为43.4%，低于前人研究结果。青藏高原东部农区属于一年一熟制区域，以种植春小麦为主，麦秆腐解试验于春小麦播种时开始，春小麦生长阶段的4-7月平均气温为13.5℃，总降水量为203mm，温度相对较低，降水较少，土壤微生物活性弱，从而麦秆腐解较慢[23-24]。其他研究区的麦秆腐解试验多分布于冬小麦-夏玉米/水稻种植区，麦秆腐解试验一般是在雨热充沛的6-10月份进行，微生物活跃，麦秆腐解较快。
3.2有机物料还田的养分释放特征
有机物料进入土壤后，被土壤微生物分解利用，腐解过程同时伴随着养分的释放。潘福霞等[28,30]研究均表明有机物料干物质的累积腐解率和碳素释放率变化趋势基本一致，这可能与秸秆中碳占干物质的比重最大有关。李廷亮等[22,31]表明小麦秸秆在下茬作物生长季的平均氮、磷释放率分别为50%和63%左右。本研究中，在下茬小麦收获时（埋后第97天），麦秆氮、磷的累积释放率分别为18.51%和54.35%，其中氮素释放率远低于全国平均水平。这可能是由于麦秆C/N比高，碳源丰富，而氮源相对缺乏，微生物同化土壤和肥料中的氮素满足自身合成及物料的矿化分解，从而使土壤和肥料中的氮素进入秸秆被吸附，导致麦秆氮素释放率降低，降低的程度主要与土壤中可利用的速效氮有关[32]。黄婷苗等[30]采用15N同位素示踪法区分了秸秆自身氮素和总氮素释放率，结果表明玉米秸秆自身氮释放率为33%左右，总氮量减少了15%左右。此外，温度也可能是氮素释放率低的原因。李昌明等[33]的研究表明在黑龙江海伦小麦秸秆氮素释放量较少，翻压3a的累积释放率为22.1%。
3.3有机物料腐解的数学模拟和混合效应
有机物料腐解的数学模拟对于评估和预测农田生态系统碳循环和养分有效性具有重要意义。本研究中麦秆和绿肥干物质中易分解比例分别是48.7%和79.9%，腐解速率常数分别为0.022和0.057，绿肥的易分解比例高而且腐解速率高。前人研究表明不同物料腐解速率的差异可能与N含量显著相关[34]，本研究中干物质分解速率常数（y）与有机物料的氮素含量（x）符合指数函数关系：y=0.0179exp（0.304x），R2=0.99。物料初始氮素含量越高，分解速率越快。物料的腐解伴随着养分的释放，本研究中磷素的分解速率常数（y）与物料初始氮含量（x）呈指数关系：y=0.0082exp（0.524x），R2=0.91。氮素的分解速率常数与物料氮素含量无显著相关性（R2=0.15）。关于腐解中氮素释放的控制因素还需要进一步研究。
4结论
本研究通过尼龙网袋填埋法研究了小麦秸秆、箭筈豌豆及其混合物料的腐解和养分释放规律，所得主要结论如下：
1）各有机物料的腐解均呈现前期快后期慢的变化规律，翻压后0～33d为快速腐解期，占当季总腐解量的50%以上，34～97d为慢速腐解期，98～333d为稳定腐解期。至腐解结束，麦秆、箭筈豌豆、低量和高量麦秆与绿肥混合处理的累积腐解率分别为51.5%、82.2%、78.6%和75.2%。
2）物料中氮素的释放主要集中在填埋后0～33d，该阶段的氮素释放量占总释放量的70%～83%；至腐解结束，麦秆、箭筈豌豆、低量和高量麦秆与绿肥混合处理的氮素累积释放率分别为21.3%、81.5%、79.3%和79.0%。箭筈豌豆中磷素的释放主要集中于0～33d，麦秆主要在0～97d，至腐解结束，麦秆、箭筈豌豆、低量和高量麦秆与绿肥混合处理的磷素释放率分别为60.1%、76.2%、74.2%和82.2%。物料中钾素的释放主要集中于填埋后0～33d，该阶段的钾释放量占总释放量的95%以上。
3）双库指数衰减模型可以很好地表征物料腐解过程中干物质量、氮素和磷素的残留过程，方程的决定系数均大于0.93。
4）麦秆与绿肥混合显著提高了氮素的易分解比例，低量和高量麦秆与绿肥混合分别比预测值提高了14%和25%，同时延长了易分解氮库的平均周转周期，比预测值延长5～6d。高量麦秆与绿肥混合显著提高了磷素的易分解比例，比预测值提高21%。
[参考文献]
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[3]LiH,DaiMW,DaiSL,etal.CurrentstatusandenvironmentimpactofdirectstrawreturninChina’scropland–Areview[J].Ecotoxicologyandenvironmentalsafety,2018,159:293-300.
李正鹏1，宋明丹1,2※，李飞1，詹舒婷1，韩梅1
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