王 娜 李 萍 宗毓錚 張東升 郝興宇

(山西農業(yè)大學農學院,山西 太谷 030801)

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

有學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研究。王允青等[6]在探究小麥、油菜秸稈腐解特征時發(fā)現,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,有利于微生物對秸稈的腐解。劉單卿等[7]研究發(fā)現在秸稈腐解過程中,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,促進秸稈降解。也有研究發(fā)現,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構、以及土壤中的水分和養(yǎng)分密切相關,而不同還田方式不僅影響秸稈腐解速率,而且會對土壤結構和養(yǎng)分產生影響,但其具體秸稈腐解規(guī)律和機制有待深入研究。氣候、土壤條件特殊的黃土高原旱作農業(yè)區(qū)每年都有大量的小麥秸稈產生,但關于黃土高原半干旱地區(qū)麥田秸稈腐解的相關研究尚鮮見報道。為提高該農作區(qū)土壤質量,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態(tài)變化及秸稈腐解過程中有機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土壤肥力的影響與保護性耕作的優(yōu)勢效應,以期為北方旱作小麥秸稈還田模式提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗區(qū)概況

1.1.1 供試材料 供試小麥秸稈為試驗地風干的冬小麥秸稈,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Table 1 Physical and chemical properties of wheat straw

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

試驗安排在該實驗站的固定道試驗區(qū),固定道試驗區(qū)拖拉機和其他作業(yè)機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帶不受車輪壓實[11]。試驗田基本情況和0～20 cm 土層土壤物理化學性質和預埋的基本情況見表2(2014年6月14日取樣測定結果)。

表2 不同耕作方式實驗地基礎地力Table 2 Basic fertility of the experimental land under different tillage practices

1.2 試驗設計

試驗設置2 個處理,秸稈還田旋耕(SRT)、秸稈覆蓋免耕(SNT)。采用尼龍網袋法[12]測定秸稈腐解,2014年6月14日,將風干的小麥秸稈剪成20 cm 左右長,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田土壤。按水與原土質量比為1.5∶1配制土壤懸濁液,每個尼龍袋澆入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,預埋地點做好標記。每個處理3 次重復,共設5 個取樣時期(埋入后70、99、194、280 和375 d),共30 個樣品袋,秸稈腐解日數對應的取樣時間如表3所示。取出后清理秸稈表面附土,烘干、稱重,測定秸稈失重情況,計算秸稈的腐解率,并測定秸稈纖維素、半纖維素、木質素、有機碳、全氮含量變化,計算有機碳礦化特征,氮素釋放特征。

表3 秸稈腐解日數與對應取樣時間Table 3 Number of days of straw decomposition and corresponding sampling date

1.3 測定項目與方法

1.3.1 秸稈腐解率計算 按照公式計算秸稈腐解率[8]：

1.3.2 纖維素、半纖維素和木質素含量與腐解率測定

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定；半纖維素含量采用HCl 水解法測定；木質素含量采用醋酸提取,再用KI 溶液和硫代硫酸鈉滴定法測定。并按照公式計算各組分的腐解率[8]：

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

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

1.4 數據處理

利用SPSS 22.0 軟件進行數據處理和統(tǒng)計分析,采用單因素ANOVA 分析法比較不同處理間的差異性。

2 結果與分析

2.1 不同耕作方式對小麥秸稈腐解率的影響

SRT 小麥秸稈的腐解率高于SNT(圖1)。隨著時間的推移,SRT 和SNT 小麥秸稈均呈現出一定程度的腐解,腐解第194 和第375 天時,SRT 小麥秸稈腐解率分別較SNT 顯著高11 和19 個百分點。經過一年的腐解,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 不同耕作方式對小麥秸稈主要成分含量的影響

經過一年的腐解,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顯著差異。在秸稈腐解第70 和第99 天時,SNT 的纖維素含量較SRT 高4 和5 個百分點。腐解第375 天,SNT 小麥秸稈纖維素含量較SRT 低3 個百分點(圖2-A、B)。

木質素含量前期表現為SNT 較SRT 高,腐解280 d 時SRT 顯著高于SNT,但腐解375 d 時兩處理差異不顯著；腐解第70 天,SNT 小麥秸稈木質素含量較SRT 高5 個百分點,差異顯著,而在腐解第280 天較SRT 顯著低6 個百分點(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 種處理的木質素腐解率均呈先降低后升高的趨勢,且SRT 腐解率大于SNT。SRT 秸稈木質素平均腐解率為53%,SNT 為39%。腐解第375 天,SRT、SNT木質素腐解率分別為74%、58%(圖3-C)。

2.3 不同耕作方式對小麥秸稈有機碳含量與全N 含量的影響

腐解前期SNT 小麥秸稈的有機碳含量較高,腐解第194 天,SNT 小麥秸稈的有機碳含量較SRT 顯著低4 個百分點；腐解第280 天,SNT 的有機碳含量較SRT極顯著高9 個百分點；但腐解約一年(375 d)后,SNT和SRT 對小麥秸稈有機碳含量的影響無顯著差異(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。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 個百分點(圖4-B)。

2.4 不同耕作方式對小麥秸稈有機碳礦化率與秸稈氮素釋放特征的影響

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

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。在整個腐解期間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 個百分點,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 不同耕作方式對旱作小麥殘留秸稈纖維素、半纖維素和木質素含量的影響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]。本試驗結果表明,小麥秸稈在還田194 d 前快速腐解,194 d 后隨著時間的延長腐解速率趨于平緩。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、木質素腐解率均表現為SRT 大于SNT。這可能是由于SRT 的纖維素分解菌數量與纖維素酶活性明顯高于SNT[23]。

在整個腐解期間,SRT 秸稈有機碳礦化率均高于同時期的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化形成腐殖質在土壤中積累[24]。旋耕處理有利于微生物呼吸,消耗較多的有機質為微生物活動提供能量[25],因此,SRT 小麥秸稈有機碳礦化率較高。

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的微生物活動,全氮釋放率較高且氮素釋放較穩(wěn)定；而SRT 秸稈在土壤內部,氧氣不足,不利于土壤中與分解氮相關的微生物活動,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]的研究結果存在一定的差異,可能與試驗田土壤理化性質、降雨、溫度、濕度差異有關,其機理有待深入研究。

圖3 不同耕作方式對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 不同耕作方式對旱作小麥秸稈有機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 秸稈有機碳礦化率較SRT 低,一定程度上可以提高農田土壤碳庫存儲,減少農田碳排放[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,可補充土壤氮素供作物生長需求,并減少農田氮素投入。

4 結論

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 小麥秸稈有機碳礦化率較低,可一定程度減少農田碳排放,提高土壤碳庫,同時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)秸稈覆蓋免耕對土壤肥力與環(huán)境具有一定的優(yōu)勢效應。

圖5 不同耕作方式對旱作小麥秸稈有機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