王忠江 王澤宇 司愛龍 張 正 吳 婧 王麗麗,3

(1.東北農業(yè)大學工程學院， 哈爾濱 150030； 2.農業(yè)部生豬養(yǎng)殖設施工程重點實驗室， 哈爾濱 150030；3.寒地農業(yè)可再生資源利用技術與裝備黑龍江省重點實驗室， 哈爾濱 150030)

秸稈與沼肥同步翻埋還田對秸稈腐解特性的影響

王忠江1,2王澤宇1司愛龍1張 正1吳 婧1王麗麗1,3

(1.東北農業(yè)大學工程學院， 哈爾濱 150030； 2.農業(yè)部生豬養(yǎng)殖設施工程重點實驗室， 哈爾濱 150030；3.寒地農業(yè)可再生資源利用技術與裝備黑龍江省重點實驗室， 哈爾濱 150030)

為探討秸稈和沼肥同步翻埋還田對秸稈腐解的影響規(guī)律，在室溫條件下，105 d試驗周期內，采用網袋法模擬翻埋還田，系統(tǒng)研究添加沼肥和自來水對秸稈腐解的影響，以及添加沼肥后不同土壤類型和不同秸稈長度對秸稈腐解過程各主要參數的影響規(guī)律。結果表明，沼肥對秸稈腐解具有顯著的促進作用，添加自來水組的秸稈降解率為33.61%，而添加沼肥組的秸稈降解率則達到42.37%；配施沼肥后，秸稈的降解主要集中在前70 d，試驗結束時各試驗組的秸稈降解率均高于42%，秸稈長度20 mm試驗組的秸稈降解率高于10 mm秸稈，試驗結束時20 mm試驗組的秸稈降解率達到52%；秸稈長度對半纖維素的降解影響較明顯，而土壤類型則對纖維素和木質素降解具有較顯著的影響。

沼肥； 秸稈還田； 土壤種類； 秸稈長度； 秸稈腐解

引言

我國是一個農業(yè)大國，每年產生約7億t的農作物秸稈亟待處理和利用[1-3]。針對這一問題近年來人們加大了對秸稈利用的研究力度，開發(fā)出一系列秸稈利用技術[4-7]，如秸稈厭氧發(fā)酵技術、秸稈壓塊技術等，在眾多的秸稈利用技術中秸稈還田由于同時具有增加土壤中有機質含量，改善土壤肥力狀況，提高農田生態(tài)環(huán)境質量和利用量大等特點，成為近年來應用和研究的熱點[7-10]。但目前秸稈還田技術仍存在秸稈分解腐熟速度慢、影響后續(xù)耕作等問題，阻礙了秸稈還田技術的應用和推廣，造成在部分地區(qū)，尤其在一些城郊地區(qū)農作物秸稈被大量無效焚燒，致使土壤肥力逐年下降，農田生態(tài)平衡遭受破壞，空氣質量下降，農業(yè)生態(tài)環(huán)境不斷惡化[11-15]，因此，探索加快秸稈還田后腐解速率的方法成為一個亟待解決的問題。造成秸稈分解腐熟速度慢的原因，一方面是由于收獲后的秸稈碳氮比較高[16-19]，需要施入一定的氮素來調整碳氮比，但由于成本原因，在秸稈還田時很少有農戶同時施用尿素等氮素肥料[20-21]；另一方面是由于作物收割時秸稈中的水分較少[4]，加之收割后秸稈并沒有立即翻入土中，而是粉碎以后覆蓋于地表，使秸稈中殘留的水分很快散失，待秸稈翻入土壤后秸稈不易腐爛，影響后續(xù)耕作。所以秸稈還田過程中補水、補氮并及時翻入土壤成為加快秸稈腐解速度的關鍵。

目前我國已建成2萬余處大中型沼氣工程[22-23]，這些沼氣工程在處理廢棄物并產生新能源沼氣的同時，也產生大量的發(fā)酵后副產物——沼肥[24]，這些沼肥因未達到直接排放河道的國家標準而需要作進一步處理，進而增加了相應的處理成本。另一方面，雖然沼肥中養(yǎng)分全面，含有豐富的腐殖酸等有機質，是一種優(yōu)質的有機肥料源[25-27]，但由于目前普遍推廣規(guī)?；託夤こ蹋臃实漠a生量非常大[28]，而且沼肥的施用具有明顯的季節(jié)性，施用時間主要集中在春季和夏季，秋季的施用量很少，進而造成秋季時沼肥的大量累積，如果得不到及時處理和利用，將使沼肥這種水分含量較高并富含氮素等營養(yǎng)物質的資源變成污染源，對周邊環(huán)境造成潛在威脅，進而阻礙沼氣工程的應用和推廣進程。所以如何拓寬沼肥的利用途徑，實現沼肥周年利用，成為沼肥資源化的關鍵。

本文針對目前秸稈還田和沼肥利用過程中存在的關鍵問題，利用沼肥水分含量大并富含氮素的特點，通過秸稈和沼肥的同步翻埋還田，實現對還田后秸稈的補水補氮，加快秸稈的腐解速度，同時還可以拓寬沼肥施用淡季的利用途徑，充分實現沼肥的資源化。

1 材料與方法

1.1 試驗時間及供試材料

表1 土壤特性參數

1.2 供試秸稈

試驗用玉米秸稈取自東北農業(yè)大學東門實驗田，玉米品種為東農253。用粉碎機將取回后的秸稈粉碎成10 mm和20 mm長的秸稈段，風干，貯存?zhèn)溆?。試驗前測定的供試秸稈相關理化指標為：總固體質量分數93.58%、碳質量分數44.01%、氮質量分數0.69%。

1.3 試驗設計

在室溫20℃條件下，采用尼龍網袋法進行不同長度秸稈在不同土壤中的腐解試驗。尼龍網袋的長和寬分別為25 cm和20 cm。根據不同長度秸稈對自來水、沼肥的吸附能力，測得每100 g秸稈可吸附200 g自來水或沼肥。將不同長度秸稈分別與自來水、沼肥混合后，裝入尼龍網袋并封口。每袋裝混合秸稈100 g，埋入試驗土槽5～15 cm處。試驗共設5個處理，試驗各處理如下：①10 mm秸稈600 g+沼肥1 200 g+黑壤土。②20 mm秸稈600 g+自來水1 200 g+黑壤土。③ 20 mm秸稈600 g+沼肥1 200 g+黑壤土。④10 mm秸稈600 g+沼肥1 200 g+砂壤土。⑤20 mm秸稈600 g+沼肥1 200 g+砂壤土。其中沼肥和水對秸稈腐解的影響研究部分采用的秸稈長度為20 mm，所用土壤為黑壤土。

1.4 試驗方法

試驗采用2個3 cm厚的聚氯乙烯板制成的長120 cm、寬50 cm、高60 cm的土槽，均用聚氯乙烯板隔成3個區(qū)域，分別填入供試黑壤土和砂壤土，底土厚度為30 cm。將裝有秸稈和沼肥(或自來水)混合物的尼龍網袋封口并朝上豎直埋入土壤中，上層覆土5 cm。試驗過程中每隔7 d取樣，共取15次。取樣后將尼龍網袋加套網袋，在蒸餾水中上下浸提50次，沖洗干凈并在100℃條件下干燥(纖維素等組分的測定需要100℃高溫干燥)，之后測定秸稈質量以及纖維素、半纖維素、木質素質量分數。定期用噴壺向試驗土壤表面噴施自來水，保持土壤表面濕潤、不板結。

秸稈質量用烘干法測定[29]；秸稈中的纖維素、半纖維素和木質素質量分數用ANKOM半自動纖維分析儀測定。

數據處理與分析軟件為Microsoft Excel 2013、Origin 9.1和SPSS 22.0。

2 結果與討論

2.1 沼肥和水對秸稈腐解的影響

2.1.1 玉米秸稈降解率

還田后秸稈降解率隨時間的變化如圖1所示。

圖1 20 mm秸稈降解率變化曲線Fig.1 Changing curves of degradation rate of straw with length of 20 mm

從圖中可以看出，兩組的秸稈降解率變化規(guī)律基本一致，即試驗開始后先快速上升，在試驗的中后期秸稈降解速度逐漸減慢，降解率緩慢上升并逐漸趨于穩(wěn)定。從圖中還可以看出，添加沼肥組的秸稈降解率從還田開始就高于自來水組，試驗中期2組的差距逐漸增大，試驗結束時添加自來水組的秸稈降解率為33.61%，添加沼肥組的降解率達到42.37%。這主要是由于沼氣發(fā)酵是在厭氧條件下進行的，而且厭氧微生物主要利用發(fā)酵原料中的碳素，致使氮元素在厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中累積，而且氮素主要是以銨態(tài)氮的形式存在[17,30]，所以厭氧發(fā)酵后沼肥中的氨氮含量較高，這些富含氮素的沼肥與碳素含量較高的秸稈混合后起到調節(jié)還田秸稈碳氮比的作用，利于后續(xù)秸稈降解微生物的代謝，進而加快秸稈的降解，而添加自來水組的對照組僅有補水的作用而沒有補氮的作用，所以出現添加沼肥組的秸稈降解率明顯高于添加自來水組的現象。

2.1.2 玉米秸稈殘余半纖維素含量

還田后秸稈的半纖維素質量分數隨時間的變化如圖2所示。

圖2 20 mm秸稈殘余半纖維素質量分數變化曲線Fig.2 Changing curves of content of residual hemicellulose in straw with length of 20 mm

從圖中可以看出，沼肥組和自來水組的半纖維素質量分數的變化規(guī)律基本一致，呈現先上升后穩(wěn)定再下降的趨勢，這與王旭東等[31]發(fā)現的半纖維素的變化規(guī)律相一致，這主要是由于秸稈中除纖維素、半纖維素和木質素以外，還含有一定比例的淀粉、蔗糖、低聚糖、果糖和氨基酸等水溶性組分，這些水溶性組分與纖維素、半纖維素和木質素相比更容易被微生物降解和利用，所以試驗初期這些物質迅速被微生物降解，其質量分數迅速降低，使試驗初期秸稈中較難降解的半纖維素、纖維素和木質素的相對質量分數均出現升高的現象，而試驗的中后期較容易降解的水溶性組分已經降解殆盡，而此時相對比較容易降解的半纖維素得到迅速降解，使剩余秸稈中的半纖維素質量分數又呈現逐漸下降的趨勢。從圖中還可以看出，在整個試驗過程中沼肥組的半纖維素含量均低于對應的自來水組，試驗開始時各試驗組秸稈的半纖維素質量分數為24.47%，而試驗結束時添加沼肥組的半纖維素質量分數為19.71%，添加自來水組的半纖維素質量分數為22.59%，兩個試驗組的半纖維素質量分數均低于試驗開始時的半纖維素質量分數，這說明秸稈還田后秸稈中的半纖維素相對比較容易降解[31]，而且添加沼肥能顯著加快半纖維素的降解。

2.1.3 玉米秸稈殘余纖維素含量

還田后秸稈的纖維素質量分數隨時間的變化如圖3所示。

圖3 20 mm秸稈殘余纖維素質量分數變化曲線Fig.3 Changing curves of content of residual cellulose in straw with length of 20 mm

由圖中可以看出，2個試驗組纖維素質量分數的變化規(guī)律基本一致，即試驗前期迅速上升，試驗中后期纖維素質量分數變化較小，基本保持穩(wěn)定。從圖中還可以看出，在整個試驗過程中除第35天時自來水組的纖維素質量分數略低于沼肥組，在其他的試驗過程中自來水組的纖維素質量分數均高于沼肥組，試驗結束時自來水組和沼肥組的纖維素質量分數由試驗開始的43.59%變化為58.39%和56.18%，相對含量略有上升，說明纖維素在秸稈還田后也容易降解，但與半纖維素相比，半纖維素更容易降解[32]。

2.1.4 玉米秸稈殘余木質素含量

還田后秸稈的木質素質量分數隨時間的變化如圖4所示。

圖4 20 mm秸稈殘余木質素質量分數變化曲線Fig.4 Changing curves of content of residual lignin in straw with length of 20 mm

從圖中可以看出，沼肥組和自來水組的木質素質量分數的變化規(guī)律基本一致，沼肥組從試驗開始后木質素質量分數呈現較穩(wěn)定的上升趨勢，而自來水組除第35天和第70天木質素質量分數略有下降之外，其他時間均保持上升趨勢。試驗開始時2個試驗組的木質素質量分數為8.34%，而試驗結束時沼肥組的木質素質量分數為20.45%，自來水組的木質素質量分數為17.78%， 2個試驗組的木質素相對質量分數在整個試驗過程中均顯著增加，這主要是由于秸稈還田后，秸稈中較容易降解的半纖維素等首先降解，使剩余秸稈中的半纖維素質量分數下降，而較難降解的木質素質量分數相對升高，這與匡恩俊等[33]的研究結果一致。

2.2 秸稈長度和土壤類型對秸稈腐解的影響

在添加沼肥條件下對比研究長度為10 mm和20 mm的秸稈在黑壤土和砂壤土中的腐解特性。圖5～8中B+10 mm表示黑壤土、秸稈長度10 mm；B+20 mm表示黑壤土、秸稈長度20 mm；S+10 mm表示砂壤土、秸稈長度10 mm；S+20 mm表示砂壤土、秸稈長度20 mm。

2.2.1 玉米秸稈降解率

還田后秸稈降解率的變化如圖5所示。

圖5 不同長度秸稈在不同土壤中的降解率Fig.5 Degradation rate of straw of different sizes returning to different soils

從圖5中可以看出，4個試驗組的整體變化規(guī)律基本一致，即試驗開始后先快速上升，70 d后秸稈降解速度減慢，降解率緩慢上升并逐漸趨于穩(wěn)定，試驗結束時各試驗組的秸稈降解率維持在42%～52%。從圖中還可以看出在整個試驗過程中秸稈長度為20 mm的2個試驗組的秸稈降解率均高于其他2個秸稈長度為10 mm的試驗組，試驗結果表明在配施沼肥的條件下并不是秸稈長度越小秸稈降解速度越快，這可能是由于翻埋還田后的秸稈降解是一個兼氧過程，氧氣的參與可以顯著加快秸稈的降解速度，但由于翻埋后秸稈的上部覆蓋5 cm土壤使秸稈無法與空氣中的氧氣充分接觸，而10 mm的秸稈與20 mm的秸稈相比尺寸更小，秸稈間的空隙也更小，進一步阻礙了秸稈降解微生物與氧氣的接觸機會，進而阻礙了秸稈降解進程，所以才會出現20 mm秸稈試驗組的秸稈降解速率高于10 mm秸稈試驗組的現象。

2.2.2 玉米秸稈殘余半纖維素含量

還田后秸稈半纖維素質量分數的變化如圖6所示。

圖6 不同長度秸稈在不同土壤中的殘余半纖維素質量分數變化曲線Fig.6 Changing curves of content of residual hemicellulose in different sizes straw returning to different soils

從圖中可以看出，黑壤土2個試驗組和砂壤土2個試驗組的半纖維素質量分數變化規(guī)律基本一致，即試驗開始后各試驗組的半纖維素質量分數先上升，之后達到各組的較高值后又開始逐漸下降，84 d之后各試驗組的半纖維素質量分數逐漸趨于穩(wěn)定。從圖中還可以看出，秸稈長度為10 mm的2個試驗組秸稈的半纖維素質量分數在整個試驗過程中均低于秸稈長度為20 mm的對照組，經顯著性分析，其差異達到極顯著(P<0.01)。此外從圖中還可以看出，砂壤土2個試驗組秸稈的半纖維素質量分數在整個試驗過程中變化規(guī)律及差值的差異均較小，而黑壤土2個試驗組秸稈的半纖維素質量分數在整個試驗過程中的差值則較大，特別是試驗的中后期，經顯著性分析，其差異達到極顯著(P<0.01)，所以在黑壤土中進行秸稈還田時應對秸稈的長度進行合理的選擇。試驗結束時4個試驗組的半纖維素質量分數從試驗開始時的24.47%下降到19%～22%，含量有所下降。

2.2.3 玉米秸稈殘余纖維素含量

還田后秸稈纖維素質量分數的變化如圖7所示。

圖7 不同長度秸稈在不同土壤中的殘余纖維素質量分數變化曲線Fig.7 Changing curves of content of residual cellulose in different sizes straw returning to different soils

從圖中可以看出，黑壤土2個不同長度試驗組在整個試驗過程中均呈現10 mm試驗組秸稈的纖維素質量分數高于20 mm試驗組的現象，而砂壤土2個不同長度試驗組則在試驗前56 d呈現10 mm試驗組秸稈的纖維素質量分數高于20 mm試驗組的現象，而56 d之后則呈現出20 mm試驗組秸稈的纖維素質量分數高于10 mm試驗組的現象。從圖中還可以看出，砂壤土試驗組和黑壤土試驗組在試驗中后期秸稈的纖維素質量分數變化規(guī)律存在一定差異，黑壤土試驗組秸稈的纖維素質量分數呈現平穩(wěn)小幅上升的趨勢，而砂壤土試驗組秸稈的纖維素質量分數則呈現先快速下降后逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢，這與王旭東等[31]研究中發(fā)現的不同肥力土壤對纖維素降解率的影響規(guī)律相一致，主要是由于秸稈在還田后的180 d內纖維素在低肥力的砂壤土中的礦化分解速度高于高肥力的黑壤土，進而出現本試驗的現象。試驗結束時兩個黑壤土試驗組秸稈的纖維素質量分數維持在56%附近，而砂壤土兩個試驗組則維持在49%附近，但4個試驗組的纖維素質量分數均較試驗開始時有所上升。

2.2.4 玉米秸稈殘余木質素含量

還田后秸稈木質素質量分數的變化如圖8所示。

圖8 不同長度秸稈在不同土壤中的殘余木質素質量分數變化曲線Fig.8 Changing curves of content of residual lignin in different sizes straw returning to different soils

從圖中可以看出，黑壤土2個試驗組秸稈的木質素質量分數在整個試驗過程均呈現出20 mm試驗組高于10 mm試驗組的現象，而砂壤土2個試驗組秸稈的木質素質量分數除在42～56 d間10 mm試驗組高于20 mm試驗組外，在其他的試驗時間內均呈現20 mm試驗組高于10 mm試驗組的現象。從圖中還可以看出，砂壤土2個試驗組和黑壤土2個試驗組秸稈的木質素質量分數的整體變化規(guī)律在試驗的中后期存在一定差異，黑壤土2個試驗組秸稈的木質素質量分數在試驗的中后期出現小幅上升，而砂壤土2個試驗組則呈現小幅下降趨勢，試驗結束時黑壤土2個試驗組秸稈的木質素質量分數維持在20%左右，而砂壤土2個試驗組則維持在15%左右，但4個試驗組試驗結束時的木質素質量分數均高于試驗開始時的8.34%。

3 結論

(1)沼肥對秸稈還田后的腐解具有顯著的促進作用，在105 d的試驗周期內添加自來水組的秸稈降解率為33.61%，而添加沼肥組的秸稈降解率則達到42.37%，秸稈和沼肥同步還田能顯著加快秸稈的腐解速率，且腐解后添加沼肥試驗組秸稈的纖維素和半纖維素質量分數低于添加自來水組，而木質素質量分數則高于自來水組。

(2)配施沼肥后，秸稈的降解主要集中在前70 d，試驗結束時各試驗組的秸稈降解率均高于42%，且秸稈長度20 mm試驗組的秸稈降解率高于10 mm秸稈，試驗結束時20 mm試驗組的秸稈降解率達到52%；秸稈長度對半纖維素的降解影響較明顯，長度越小半纖維素降解速度越快；而土壤類型則對纖維素和木質素降解具有較顯著的影響，砂壤土更利于還田后秸稈中纖維素和木質素的降解。

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Effect of Synchronously Burying and Returning Straw and Biogas Slurry to Soil on Straw Decomposition

WANG Zhongjiang1,2WANG Zeyu1SI Ailong1ZHANG Zheng1WU Jing1WANG Lili1,3

(1.CollegeofEngineering,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China2.KeyLaboratoryofPig-breedingFacilitiesEngineering,MinistryofAgriculture,Harbin150030,China3.HeilongjiangKeyLaboratoryofTechnologyandEquipmentfortheUtilizationofAgriculturalRenewableResources,Harbin150030,China)

In order to make an investigation on the effect of synchronously burying and returning straw and biogas slurry to the soil on straw decomposition, the research was conducted under normal condition at 20℃ by simulating burying and returning to soil by net bag method. In the 105 d experimental period, effects of biogas slurry produced by anaerobic fermentation of cattle manure or tape water on straw decomposition were systematically studied; influences of different soil types and different straw lengths on the decomposition rate of straw, the contents of cellulose, hemicelluloses, and lignin in straw decomposition after adding biogas slurry were also explored. The experimental results showed that biogas slurry could greatly accelerate straw decomposition. The straw decomposition rate in groups of tape water added was 33.61%, while that in groups of biogas slurry added was 42.37%. The straw decomposition mainly occurred in the first 70 d after adding biogas slurry. When the experiment was over, the straw decomposition rate of each experimental group was higher than 42%. The straw decomposition rate in the experimental groups of straw length being 20 mm was higher than that of being 10 mm. When the experiment was over, the straw decomposition rate in the experimental groups of straw length being 20 mm could reach 52%. Hemicelluloses decomposition could apparently be affected by straw lengths, and the shorter the straw length was, the quicker hemicelluloses decomposition was. However, cellulose and lignin decomposition could obviously be influenced by soil types. Compared with black loam soil, sandy loam soil was more active for the decomposition of cellulose and lignin in straw after its returning to soil. This research may lay a theoretical foundation for quick decomposition of straw in its returning to soil, as well as promote the widespread application of technique in straw returning to soil.

biogas slurry; straw returning; soil types; straw lengths; straw decomposition

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.06.035

2017-04-13

2017-04-30

國家自然科學基金項目(51406032)、黑龍江省自然科學基金項目(E201406)、教育部留學回國人員科研啟動基金項目(20131792)和黑龍江省博士后科研啟動基金項目(LBH-Q10148)

王忠江(1978—)，男，教授，主要從事農業(yè)生物環(huán)境與能源工程研究，E-mail： neauwzj@126.com

S141.4

A

1000-1298(2017)06-0271-07