王 婧，張 莉，逄煥成，張珺穜

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秸稈顆粒化還田加速腐解速率提高培肥效果

王 婧，張 莉，逄煥成※，張珺穜

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081）

為了探索將玉米秸稈壓縮成顆粒后還田培肥土壤的可行性，研創(chuàng)新型秸稈還田方式，采用尼龍網(wǎng)袋埋藏法，研究秸稈顆?；€田與常規(guī)粉碎秸稈還田（對照）在盆栽培養(yǎng)條件下的腐解與養(yǎng)分釋放特征，以及對土壤呼吸的影響。結(jié)果表明，相同質(zhì)量的秸稈顆?；笃涠逊e密度為對照的4.8倍，可顯著改善其還田性，提高土壤消納秸稈的能力。秸稈顆?；筮€田可顯著提升秸稈的腐解速率，培養(yǎng)期內(nèi)前60 d，秸稈顆粒平均腐解速率比對照提升31.68%；培養(yǎng)300 d后，其累積腐解率達(dá)80.81%，比對照高出8.7個百分點；估算可比對照提前30 d腐解超過50%，提前14 d完全腐解。秸稈顆?；€田可顯著提升秸稈養(yǎng)分釋放速率，培養(yǎng)期前60 d尤為明顯；培養(yǎng)300 d后，秸稈顆粒的碳（C，carbon）和氮（N，nitrogen）累積釋放率比對照分別提高了11.0和13.2個百分點，但磷素（P，phosphorus）和鉀（K，kalium）累積釋放率與對照無顯著差異（>0.05）；估算C、N、P、K養(yǎng)分分別釋放超過50%的時間比對照提前15～125 d，提前9 d釋放全部養(yǎng)分。此外，秸稈顆粒化還田在培養(yǎng)期前260 d可顯著提高土壤呼吸速率，培養(yǎng)期間平均土壤呼吸速率比對照提高18.03%。因此，秸稈顆?；€田可實現(xiàn)高效快速的培肥土壤，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有較高的推廣應(yīng)用價值。

秸稈；腐解；養(yǎng)分；土壤呼吸

0 引 言

中國廣大農(nóng)區(qū)每年產(chǎn)生超過7億t的農(nóng)作物秸稈[1]，“用則利，棄則害”，秸稈合理還田不但可改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤質(zhì)量，還可有效減少秸稈亂燒亂放等浪費(fèi)和污染現(xiàn)象。目前，中國秸稈收獲時多采用粉碎后翻壓或覆蓋還田等方式，后茬作物易發(fā)生缺苗斷壟、扎根困難、病蟲害多發(fā)、減產(chǎn)等問題[2]，影響農(nóng)民進(jìn)行秸稈還田的積極性。這導(dǎo)致中國秸稈每年還田量僅占其總量的20%左右，仍有大量秸稈資源尚未有效利用[1]。秸稈還田困難的根本原因是秸稈資源量多，體積大，季節(jié)性集中還田超過土壤消納能力，不科學(xué)的還田方式不但影響機(jī)械作業(yè)效果，而且土秸混合度差，耕層內(nèi)部形成孔洞，腐解緩慢[1-4]。因此，針對中國糧食產(chǎn)量穩(wěn)定和提升，秸稈資源量進(jìn)一步加大的態(tài)勢，伴隨經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)業(yè)機(jī)械研究進(jìn)步的需求和現(xiàn)狀，構(gòu)建秸稈消納量大、腐解快、利于機(jī)械操作、可安全有效快速培肥的秸稈還田方式，對中國推進(jìn)秸稈還田，大幅度提升耕地質(zhì)量和綜合生產(chǎn)能力，實現(xiàn)“藏糧于地”，具有重要意義。

目前，國內(nèi)外學(xué)術(shù)界對于可大量還田進(jìn)行安全有效土壤培肥的新型秸稈還田方式的研究主要有2個方向，一是通過加工改變秸稈屬性和促腐，實現(xiàn)秸稈的大量還田。Koullas等[3]認(rèn)為，提高秸稈粉碎度可促進(jìn)腐解；陳溫福等[4]研究認(rèn)為，將秸稈加工成生物碳后還田，具有還田量增加，碳輸入程度高等優(yōu)點。也有研究指出，堆漚與腐解添加物均可提高秸稈的腐解速度，提升秸稈的還田性能[5-6]。二是通過改變秸稈還田數(shù)量、深度和還田方式來實現(xiàn)秸稈的大量還田。張靜等[2]研究認(rèn)為，在一定范圍內(nèi)提升秸稈還田量對提高秸稈消納能力和作物增產(chǎn)具有重要意義。劉世平等[7-8]研究認(rèn)為，增加秸稈埋深可以提升秸稈腐解速度，實現(xiàn)大量還田。王允青等[9]研究認(rèn)為，還田配合水淹可提高秸稈的腐解速度，增強(qiáng)還田有效性。然而，這些方案大多操作復(fù)雜、處理時間長，更重要的是田間機(jī)械化操作實現(xiàn)度差，不適于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的需求。

鑒于此，本課題組于2013年研發(fā)了秸稈顆粒肥，創(chuàng)新提出秸稈顆?；€田技術(shù)模式，并在中國北方糧食主產(chǎn)區(qū)開展了中試試驗。其工廠化制作工藝流程如下：將農(nóng)作物秸稈風(fēng)干至含水率15%左右，用切碎機(jī)將秸稈粉碎至0.5～1.0 cm規(guī)格，由輸送機(jī)送入配料箱內(nèi)，按照5%～15%的比例添加水，并可根據(jù)需求選擇添加其他添加物質(zhì)，進(jìn)行混合攪拌。混拌好的原料被螺旋軸推入壓縮室，通過偏心壓輥的擠壓推向壓?？?，擠出后形成秸稈顆粒。成品顆粒經(jīng)過冷卻、烘干、輸送后包裝。目前，秸稈顆粒壓縮時大多添加工業(yè)添加劑且主要用于生物質(zhì)能源，有關(guān)秸稈顆?；€田培肥的研究鮮有報道。本研究采用尼龍網(wǎng)袋法，以粉碎秸稈為對照，研究秸稈顆粒屬性，還田后的腐解和養(yǎng)分釋放特征，及其對土壤呼吸的影響，旨在采用室內(nèi)試驗初步研究探索秸稈顆粒化還田新方式，并為進(jìn)一步探討農(nóng)田培肥新模式與合理秸稈顆?；€田數(shù)量與還田深度，構(gòu)建安全有效快速培肥的秸稈還田技術(shù)體系提供數(shù)據(jù)支持和理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤為采自內(nèi)蒙古五原縣的粉砂壤土，為黃河沖積物發(fā)育形成。采樣深度為0～20cm。通過比重計法測得土壤中各粒組質(zhì)量分?jǐn)?shù)為砂粒（>0.02～2 mm）35.81%、粉粒（>0.002～0.02 mm）53.64%、黏粒（0～0.002 mm）10.55%。采集后的土壤進(jìn)行風(fēng)干，剔除其中的石塊、作物根系，除去雜物后過2 mm篩。用環(huán)刀法裝土水飽和后烘干測得飽和含水率為38.40%，用威爾克斯法測得田間持水量為25.40%。供試土壤基本理化性質(zhì)為：pH值8.45，土壤容重1.46 g/cm3，土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.84 g/kg，速效氮33.75 mg/kg，速效磷4.18 mg/kg，速效鉀138.05 mg/kg。

2013年作物收獲后采集玉米秸稈，其中，粉碎秸稈是將收集到的含莖葉在內(nèi)的整株秸稈風(fēng)干后剪成3～5 cm，貯存?zhèn)溆?；秸稈顆粒取用實驗室小型機(jī)械少量制作的成品，是指取風(fēng)干后的整株玉米秸稈，使用粉碎機(jī)粉碎至0.5～1.0 cm，添加適當(dāng)水分后放入小型造粒機(jī)，在調(diào)質(zhì)器蒸氣壓約0.4MPa條件下造粒，制造成粒后風(fēng)干，收貯。成粒為直徑約0.4mm，長度約1～2cm的圓柱體。

1.2 試驗方法

采用尼龍網(wǎng)袋法，研究秸稈養(yǎng)分釋放特征。培養(yǎng)試驗在北京中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗場溫室進(jìn)行，采用高45 cm；直徑25 cm的塑料盆，每盆裝土14 kg。試驗設(shè)2個處理，分別為粉碎玉米秸稈與玉米秸稈顆粒，3 次重復(fù)。取粉碎秸稈與秸稈顆粒，分次稱取10 g，分別裝入孔徑0.074 mm的尼龍網(wǎng)袋內(nèi)（網(wǎng)袋大小為長10 cm，寬8 cm，厚0.8～1.0 cm），封口。將網(wǎng)袋鋪入塑料盆土樣中，埋深15 cm，用土掩埋，每盆埋網(wǎng)袋8個，加水1.2 kg。為了保持溫度和水分，并模擬北方農(nóng)田覆膜種植模式，試驗覆膜。2014年5月10日開始培養(yǎng)，培養(yǎng)過程中每10日采取恒重法向盆中加水，試驗過程中所用水均為蒸餾水。分別在培養(yǎng)后第30、60、100、140、180、220、260、300天測定土壤呼吸和取樣，共8次。取樣時隨機(jī)從每盆選取一個網(wǎng)袋，用水沖凈網(wǎng)袋粘附的泥漿，在60 ℃下烘干，稱質(zhì)量，磨碎至0.074 mm，測定剩余秸稈中碳、氮、磷、鉀含量，并計算養(yǎng)分釋放率。

秸稈腐解率=（初始培養(yǎng)秸稈質(zhì)量?取樣時秸稈質(zhì)量）/初始培養(yǎng)秸稈質(zhì)量×100%；

秸稈腐解速率=（初始培養(yǎng)秸稈質(zhì)量?取樣時秸稈質(zhì)量）/培養(yǎng)天數(shù)；

養(yǎng)分釋放率=（試驗前秸稈養(yǎng)分量?剩余秸稈養(yǎng)分量）/試驗前秸稈養(yǎng)分量×100%；

養(yǎng)分釋放速率=（試驗前秸稈養(yǎng)分量?剩余秸稈養(yǎng)分量）/培養(yǎng)天數(shù)。

1.3 測定方法

秸稈有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀容量-外加熱法，稱取0.01 g秸稈樣品于試管中，用移液管加入5.00 mL濃度為0.80 mol/L的重鉻酸鉀溶液和5.00 mL濃硫酸，在170 ℃下加熱至沸騰并保持5 min，待樣品冷卻后用0.20 mol/L的硫酸亞鐵溶液進(jìn)行滴定，采用鄰菲羅啉作為指示劑指示滴定終點[10]。秸稈養(yǎng)分元素的測定首先采用硫酸-雙氧水高溫消煮[10]，待得到清亮消煮液后，將樣品冷卻、定容。消煮液采用荷蘭SKALAR流動分析儀測定秸稈全氮、全磷、全鉀的含量。

土壤呼吸測定采用紅外氣體分析（IRGA）法，采用美國LI-COR公司生產(chǎn)的Li-6400便攜式光合儀和Li-6400-09土壤呼吸室。測定時間在預(yù)定日當(dāng)天8:00～10:00，此時土壤呼吸速率最接近24 h均值[11]。測定前24 h將測定PVC基座放置入培養(yǎng)盆中央，插入土壤深度為2 cm，連接Li-6400的呼吸探頭，測定后儀器直接輸出結(jié)果。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

所得數(shù)據(jù)采用SPSS13.0及EXCEL軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析和圖表制作。采用最小顯著法（LSD）檢驗試驗數(shù)據(jù)的差異顯著性水平（<0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理秸稈性狀分析

由表1可知，秸稈壓縮成顆粒后，主要可顯著減小其體積，主要表現(xiàn)為：秸稈顆粒的堆積密度是粉碎秸稈的4.8倍，從而使其還田性能大幅提升。此外，秸稈顆粒的吸水速率也比粉碎秸稈有所提高，吸水1 h后含水率提高2.1個百分點，但差異不顯著（>0.05）。秸稈顆粒的養(yǎng)分含量無明顯變化，其中，其碳、氮、磷、鉀含量與粉碎秸稈基本一致。

表1 不同處理后的秸稈性狀

注：同一列不同小寫字母表示處理間差異顯著（<0.05），下同。

Note: Different lowercases in same column indicate significant differences at 0.05 level among treatments, the same below.

2.2 不同處理秸稈腐解率變化特征

由圖1可知，秸稈顆?；欣诮斩挼目焖俑狻＝Y(jié)果顯示，秸稈顆粒與粉碎秸稈的腐解過程均可分為快速腐解期與緩慢腐解期。其中，快速腐解期約在培養(yǎng)期前60 d，此時秸稈顆粒的平均腐解速率達(dá)0.068 g/d，比粉碎秸稈提高31.68%?？焖俑馄诮Y(jié)束時，秸稈顆粒的腐解率已達(dá)40.60%，比粉碎秸稈高出9.8個百分點，達(dá)顯著水平（<0.05）。培養(yǎng)60 d后，秸稈顆粒與粉碎秸稈的腐解速率有所降低，進(jìn)入緩慢腐解期，在此期間，秸稈顆粒的腐解率一直高于粉碎秸稈。經(jīng)過300 d的培養(yǎng)，秸稈顆粒腐解率達(dá)80.81%，比粉碎秸稈高出8.7個百分點，達(dá)顯著水平（<0.05）。

2.3 不同處理秸稈養(yǎng)分元素釋放特征

由圖2可知，經(jīng)過300 d的培養(yǎng)，秸稈顆粒有利于C素與N、P、K等養(yǎng)分元素的快速釋放，在腐解前期效果更為顯著。與粉碎秸稈相比，秸稈顆粒在整個培養(yǎng)期可顯著提高碳素的釋放率（圖2a）。其中，培養(yǎng)期前30 d，秸稈顆粒的碳素釋放速率達(dá)0.063 g/d，約是粉碎秸稈的1.8倍；培養(yǎng)300 d后，秸稈顆粒的碳素釋放率已達(dá)96.47%，比粉碎秸稈提高了11.0個百分點，達(dá)顯著水平（<0.05）。

秸稈顆粒在整個培養(yǎng)期內(nèi)也顯著提升了氮素的釋放率（圖2b），在培養(yǎng)期前30d，各處理氮素釋放速率差異不顯著（＞0.05），培養(yǎng)30～60 d，秸稈顆粒氮素釋放速率較快，達(dá)0.79 mg/d，為粉碎秸稈的2.5倍之多，培養(yǎng)60 d時釋放出46.97%的氮素，比粉碎秸稈處理高出27.0個百分點，達(dá)極顯著水平（<0.01）；經(jīng)過300 d的培養(yǎng)，秸稈顆粒氮素累積釋放率為89.70%，比粉碎秸稈高出13.2個百分點，達(dá)顯著水平（<0.05）。與粉碎秸稈相比，秸稈顆粒在培養(yǎng)期前220 d可促進(jìn)磷素的釋放（圖2c），在培養(yǎng)期前30d，各處理磷素釋放速率差異不顯著（＞0.05），培養(yǎng)30～60 d，秸稈顆粒磷素釋放速率達(dá)0.098 mg/d，約是粉碎秸稈的1.8倍。隨后，秸稈顆粒的磷素開始緩慢釋放，而粉碎秸稈則保持了相對高的磷素釋放速率；培養(yǎng)300 d后，二者磷素釋放率均在82%以上，差異不顯著（＞0.05）。此外，秸稈顆粒在培養(yǎng)期前30 d可明顯提高鉀素的釋放（圖2d），其鉀素釋放速率達(dá)1.64 mg/d，約是粉碎秸稈的1.5倍；培養(yǎng)60 d時，秸稈顆粒與粉碎秸稈均釋放了70%以上的鉀素；培養(yǎng)300 d后，秸稈顆粒鉀素累積釋放率達(dá)到79.95%，粉碎秸稈也達(dá)78.98%，二者無顯著差異（＞0.05）。

研究結(jié)果顯示，秸稈制作成顆粒后，其碳素釋放高峰期主要在培養(yǎng)期內(nèi)前100 d，氮素釋放高峰期主要在培養(yǎng)期內(nèi)30～140 d，磷素與鉀素的釋放高峰期均在培養(yǎng)期內(nèi)前60 d。培養(yǎng)300 d后，秸稈顆粒更有利于碳素、氮素的釋放，磷素與鉀素的釋放率與粉碎秸稈無顯著差異（>0.05）。

2.4 不同處理秸稈對土壤呼吸速率的影響

如圖3所示，2種不同處理的秸稈在培養(yǎng)期間的土壤呼吸速率均表現(xiàn)為先升高后降低的態(tài)勢。在培養(yǎng)期前260 d，秸稈顆粒的土壤呼吸速率均顯著（<0.05）高于粉碎秸稈。2種處理的土壤呼吸速率的峰值均出現(xiàn)在培養(yǎng)100 d左右，其中，秸稈顆粒的呼吸速率為2.53mol/m2·s，比粉碎秸稈提升20.31%。此后，秸稈顆粒與粉碎秸稈的土壤呼吸速率差異逐漸減小，培養(yǎng)260 d后，二者的土壤呼吸速率基本相同。在整個培養(yǎng)期內(nèi)，秸稈顆粒的土壤呼吸速率平均比粉碎秸稈高18.03%。

2.5 不同處理秸稈腐解過程相關(guān)關(guān)系分析與養(yǎng)分釋放預(yù)測

由粉碎秸稈與秸稈顆粒腐解過程中簡單相關(guān)關(guān)系分析結(jié)果（表2）可知，秸稈養(yǎng)分的釋放率與腐解率正相關(guān)，尤其碳素、氮素、磷素的釋放率，均與腐解率極顯著或顯著正相關(guān)。與粉碎秸稈相比，秸稈顆粒的腐解率與養(yǎng)分元素尤其是碳、氮、磷素的釋放關(guān)系相關(guān)性更為顯著。而土壤呼吸速率與秸稈的腐解率及養(yǎng)分的釋放率均成正相關(guān)關(guān)系，但不顯著，可能受其他因素共同作用的影響。與粉碎秸稈相比，秸稈顆粒腐解率及養(yǎng)分的釋放率與土壤呼吸速率的相關(guān)性更低。

表2 不同因素間簡單相關(guān)關(guān)系分析

注：*、**分別表示在0.05和0.01水平上顯著相關(guān)。

Note: *, * * mean significant correlation at 0.05 and 0.01 level, respectively.

對秸稈顆粒和粉碎秸稈的腐解時間與養(yǎng)分釋放率進(jìn)行回歸分析（表3），結(jié)果表明，時間與秸稈腐解率具有顯著的相關(guān)性，可根據(jù)回歸曲線對秸稈腐解規(guī)律進(jìn)行估算與預(yù)測。估算結(jié)果顯示，秸稈顆粒約比粉碎秸稈提前30 d左右腐解率超過50%。其對養(yǎng)分元素釋放的促進(jìn)作用有較大差異，釋放C、N、P、K元素超過50%的時間分別比粉碎秸稈提前25、30、125、15 d。而從預(yù)測結(jié)果看，粉碎秸稈腐解346 d后，腐解率可達(dá)99%以上，養(yǎng)分元素基本釋放完畢，與粉碎秸稈相比，秸稈顆粒的腐解進(jìn)程可提前14 d。此外，根據(jù)預(yù)測結(jié)果，按釋放最慢的養(yǎng)分元素完全釋放計，粉碎秸稈與秸稈顆粒氮磷鉀養(yǎng)分全部完全釋放的時間分別為367和358 d，秸稈顆粒有利于秸稈養(yǎng)分的快速釋放，比粉碎秸稈提前9 d完全釋放秸稈中的養(yǎng)分。

表3 不同處理秸稈腐解時間與養(yǎng)分釋放率的回歸分析

3 討 論

3.1 秸稈顆?；€田促進(jìn)腐解與養(yǎng)分釋放

作物秸稈主要由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素組成，其他組分包括糖類及氨基酸等水溶性物質(zhì)，脂肪、蠟質(zhì)等苯-醇溶性物質(zhì)、單寧、灰分等[12-13]。玉米秸稈表皮組織主要分為硅細(xì)胞和木栓細(xì)胞，含有較多的硅化物和蠟質(zhì)[14]，難以被土壤微生物快速分解[15]。試驗結(jié)果顯示，秸稈顆粒會促進(jìn)秸稈的快速腐解，應(yīng)主要與粉碎與擠壓過程有關(guān)。將秸稈制作成顆粒，即是人為破除秸稈的原始組織結(jié)構(gòu)，磨碎秸稈外表面的角質(zhì)層，使得各種難分解的木質(zhì)素等物質(zhì)與土壤的接觸面大大增加。此外，有研究顯示，擠壓對秸稈的作用是瞬時和不連續(xù)的，會改變秸稈強(qiáng)度的延伸率、斷裂韌性等[16]，秸稈顆粒在制作過程中，秸稈原料發(fā)生一系列理化反應(yīng)[17]。徐廣印等[14]研究發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈由表皮組織、基本薄壁組織和維管束部分組成，擠壓后，秸稈的表皮組織會受到破壞，橫截面上的維管束發(fā)生扭曲，基本薄壁組織破碎無完形。也有研究顯示，粉碎、擠壓后，秸稈有機(jī)成份會發(fā)生變化，木質(zhì)素出現(xiàn)軟化粘結(jié)作用[18]，秸稈中的淀粉和糖類物質(zhì)會發(fā)生酶化反應(yīng)[17]。不同粉碎度與擠壓力度造粒的作用效果是否有變化仍需深入研究。

研究顯示，秸稈養(yǎng)分釋放與腐解率顯著正相關(guān)，秸稈顆粒提升了秸稈的腐解率，從而造成養(yǎng)分釋放率顯著提升。營養(yǎng)元素在秸稈中的形態(tài)決定其釋放的快慢，培養(yǎng)天數(shù)越長，可釋放的養(yǎng)分釋放率越高[19]。秸稈中鉀素釋放最快，主要是因為秸稈中鉀素含量較高并且主要以離子態(tài)存在[20]，易釋放。秸稈中含磷量較低，60%以上以離子態(tài)存在，釋放較快，其余部分參與細(xì)胞壁的構(gòu)成，和木質(zhì)素膠結(jié)[21]，不能立即分解。碳、氮主要以有機(jī)態(tài)存在，是秸稈主體部分，膠結(jié)程度高[22-23]，前期不易分解，后期釋放率較大，這與本研究結(jié)果一致。試驗結(jié)果顯示，秸稈制作成顆粒后，其對秸稈碳、氮的釋放更為有利，這應(yīng)與顆粒破除了秸稈原組織的膠結(jié)程度有關(guān)，組織結(jié)構(gòu)破碎后，養(yǎng)分元素尤其碳、氮釋放率提升。隨著培養(yǎng)時間的增加，秸稈碳氮比呈下降的趨勢，但比值依然較大，有可能導(dǎo)致微生物分解秸稈作用減弱[22]，造成后期養(yǎng)分釋放速率降低。

3.2 秸稈顆?；€田提高土壤呼吸速率

秸稈造粒后，粉碎度提升，增加了其與外界接觸的表面積，且擠壓等原因造成纖維素束形態(tài)改變[14]，會促進(jìn)木質(zhì)素的分解，這勢必加速秸稈的礦化與腐殖化進(jìn)程。研究顯示，秸稈顆粒腐解過程中，其平均土壤呼吸速率比粉碎秸稈處理提高18.03%。這應(yīng)與秸稈顆粒腐解速率加快有關(guān)，但相關(guān)性分析結(jié)果顯示，與粉碎秸稈相比，秸稈顆粒還田后的土壤呼吸速率與秸稈的腐解及養(yǎng)分的釋放的正相關(guān)性較低，說明秸稈顆粒還田雖然提高腐解速率，但并不一定顯著提升土壤呼吸速率。有研究顯示，碳氮管理措施會改變土壤呼吸速率[24]，秸稈還田可促進(jìn)土壤中CO2向空氣中擴(kuò)散，主要是由于秸稈還田后不但促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的分解，還可增強(qiáng)土壤微生物的呼吸，并增加土壤總孔隙度[25]。這與本研究結(jié)果有一定差異，應(yīng)與土壤質(zhì)地、溫度、水分等其他因素的作用有關(guān)。

3.3 秸稈顆?；€田的優(yōu)勢分析

一般農(nóng)作物秸稈都具有疏松、密度小、單位體積大、營養(yǎng)元素含量不均等缺點[26]。將秸稈制作成顆粒后，其體積減小，密度增大，這應(yīng)是由于壓輥的推力、壓模的阻力、秸稈間相互摩擦及變形等阻力共同作用的結(jié)果[17]，其還田后利于和土壤均勻混合，減少土壤“空洞”現(xiàn)象。而堆積密度高有利于運(yùn)輸、存放等[27]，不但可解決秸稈區(qū)域分布不均的問題，還可提高單位面積農(nóng)田還田量。此外，有研究發(fā)現(xiàn)，提高粉碎度后擠壓，會提高秸稈營養(yǎng)元素的均勻性[28]。本研究結(jié)果還顯示，秸稈制作成顆粒后，其吸水更快，應(yīng)更有利于土壤保墑。因此，與粉碎秸稈相比，秸稈顆粒的可還田性能有顯著提升。這種還田性能的提升使秸稈顆粒的可還田量大幅提升。目前，對于不同地區(qū)農(nóng)田秸稈的適宜還田量與還田量閾值尚無明確的研究結(jié)論，有研究認(rèn)為，適宜秸稈還田量在5 000～9000 kg/hm2不等，隨著秸稈用量的增加，田間操作進(jìn)一步困難，下茬作物會出現(xiàn)植株出苗量減少，降低產(chǎn)量等現(xiàn)象[6,29-30]。這些研究主要是基于目前粉碎秸稈及其還田效果得出的，試驗結(jié)果顯示，秸稈壓縮成顆粒后，其還田性能提升，土秸混合度更好，更利于土壤田間耕作，其還田量在一定范圍內(nèi)提升，將不會對田間耕作和下茬作物生長產(chǎn)生負(fù)面影響。

本研究結(jié)論主要基于培養(yǎng)試驗得出，秸稈顆粒在不同農(nóng)區(qū)大田的具體還田操作流程及其對土壤理化性質(zhì)和環(huán)境效應(yīng)的影響仍有待深入探討。

3.4 秸稈顆?；€田的可行性分析

中國秸稈資源十分豐富，然而其過量的體積和巨大的數(shù)量已經(jīng)成為中國大面積推行機(jī)械化秸稈還田的障礙。秸稈顆粒將秸稈進(jìn)行細(xì)致粉碎后造粒，可以壓縮秸稈體積至原來的1/5左右，這大大提升了秸稈的還田性能，不但可根據(jù)實際提升秸稈的還田量，還可依照顆粒肥的標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)全程機(jī)械化，并可進(jìn)行深層還田。由于其結(jié)構(gòu)緊湊，不但不會影響還田效果，還可提高與土壤的結(jié)合度。其吸水性更好，腐解速度與養(yǎng)分釋放更快，具有極佳的應(yīng)用前景。

目前，機(jī)械化秸稈顆粒制作使用的設(shè)備一般分為大、小2種類型。大型成套設(shè)備主要由秸稈切碎設(shè)備、上料設(shè)備、輔助物質(zhì)定量添加裝置、混料裝置、擠壓軋制裝置、冷卻輸送設(shè)備、機(jī)電裝置、烘干設(shè)備等部件組成，配套齊全，自動化程度高，生產(chǎn)效率高（1～1.5 t/h），但投資較大，占用場地大。小型設(shè)備以秸稈造粒機(jī)為主要設(shè)備，采取人工上料、人工輸送等輔助作業(yè)，生產(chǎn)率低（0.1～0.3 t/h），勞動強(qiáng)度高，但投入較小，占用場地少。不同生產(chǎn)設(shè)備制作的秸稈顆粒是否會對其培肥效果產(chǎn)生顯著影響，目前仍需探討。根據(jù)前期調(diào)研，制作秸稈顆粒的成本高于粉碎秸稈，但如果國家將土壤有機(jī)質(zhì)提升補(bǔ)貼和秸稈還田補(bǔ)貼的主體改為有機(jī)肥生產(chǎn)企業(yè)，其生產(chǎn)成本會有大幅降低，同時，秸稈顆?；€田消納秸稈、培肥土壤、利于機(jī)械化操作等優(yōu)點帶來的生態(tài)環(huán)境效益與節(jié)本成效等遠(yuǎn)高于目前常規(guī)的粉碎秸稈還田方式。

4 結(jié) 論

秸稈制作成顆粒后，堆積密度約為粉碎秸稈的4.8倍，吸水速率也有所提高，還田性能顯著提升。秸稈顆粒還田可顯著提升秸稈腐解速率，培養(yǎng)期前100 d，其腐解速率比粉碎秸稈提升31.68%，培養(yǎng)結(jié)束時，玉米粉碎秸稈與秸稈顆粒的累積腐解率分別為72.11%和80.81%。秸稈顆?？娠@著提升秸稈養(yǎng)分釋放速率，培養(yǎng)300 d后，其C和N的累積釋放率比粉碎秸稈提高了11.0和13.2個百分點。秸稈顆粒培養(yǎng)期內(nèi)平均土壤呼吸速率比粉碎秸稈處理提高18.03%。秸稈顆粒體積小，運(yùn)輸方便，不但可解決秸稈區(qū)域分布不均的問題，還可提高單位面積農(nóng)田秸稈還田量，更可依照顆粒肥的標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)全程機(jī)械化，并可進(jìn)行深層還田。其吸水更迅速，還田性能好，利于其和土壤均勻混合，且腐解速度與養(yǎng)分釋放更快，具有極佳的應(yīng)用前景。

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Returning granulated straw for accelerating decomposition rate and improving soil fertility

Wang Jing, Zhang Li, Pang Huancheng※, Zhang Juntong

(,,100081,)

Returning crop straw into the soils is one of the important steps towards sustaining and improving soil fertility. As a large agricultural country, China has more than 700 million tons crop straw engendered annually. Various practices of returning straw, such as chopping, mulching and deep burying, have been invented and used widely in rural areas. However, low yield of crop always occurs in the next season if excessive amount of straw has been returned, which even leads to plant disease and insect pest. Further, environmental issues increase due to a lot of crop straw returning to the field. Thus, effective techniques for returning crop straw and increasing soil productivity should be developed to cope with these challenges. As an innovative way of returning straw, we granulated the maize straw with the help of a straw granulated machine and then returned them into the soils. To evaluate the effects of granulated straw and chopped straw (standing for the control) on straw decomposition, nutrient release and soil respiration, a successive laboratory incubation experiment was conducted at Chinese Academy of Agricultural Sciences inBeijing, China. After granulating, the bulk density of maize straw was 254.09 kg/m3, 4.8 times the value of the control. As a result, the rates of straw returning increased considerably in a unit soil. In this experiment, both the granulated and chopped straw were put in several nylon bags and then buried into soils at a depth of 15 cm. In the course of the experiments, they were sampled randomly and determined. In the earlier 60 d, the mean decomposition rate of granulated straw was 31.68% higher than that of the control. After 300 d, the cumulative decomposition rate of granulated straw was 80.81%, 8.7percentage points higher than that of the control. Based on the regression analysis between nutrient releasing rate and decomposition time for different pre-treatments of maize straw, the granulated straw treatment was 30 or 14 d earlier than the chopped straw treatment when they half or completely decayed, respectively. In addition, the granulated straw treatment significantly increased the nutrient release rate throughout the entire incubation period, especially in the early 60 d. After 300 d, the granulated straw treatment increased the cumulative release amount of C (carbon) and N (nitrogen) by 11.0 percentage points and 13.2 percentage points compared to the corresponding level of the control, respectively. However, no significant differences were found for the cumulative release amount of P (phosphorus) and K (potassium) between the granulated and chopped straw treatment. According to the results of data fitting, the time of more than 50% releasing nutrient for the granulated straw treatment was 15-125 d earlier than the control; in contrast, it was 9 d earlier than the control when its nutrient was released completely. In addition, the mean value of soil respiration rate for the granulated straw treatment was 18.03% greater than the control in the earlier 260 d. In conclusion, maize straw that was granulated before returning into soils can fast and effectively improve soil fertility; and thus, it is worthy widely applying in agricultural production.

straw; decomposition; nutrients; soil respiration

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.06.023

S14

A

1002-6819(2017)-06-0177-07

2016-07-26

2017-03-07

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項資金項目（IARRP-2014-12）；公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項項目（201303130）；國家自然科學(xué)基金資助項目（41501314）

王 婧，女，滿族，山東臨沂人，副研究員，研究方向為土壤培肥。北京 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，100081。Email：wangjing02@caas.cn

逄煥成，男，漢族，山東高密人，研究員。研究方向為土壤耕作與培肥。北京 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，100081。Email：panghuancheng@caas.cn