信彩云，王 瑜，趙慶雷，馬 惠

（山東省農業(yè)科學院水稻研究所/山東省水稻工程技術研究中心，濟南 250100）

0 引言

化學肥料在保證作物生長中發(fā)揮著重要作用[1]，是作物增產增收最基本的物質保障。然而，長期以來化肥的不合理施用，給農業(yè)生產帶來了一系列的問題[2]，化肥利用率低[3]、農田生態(tài)系統(tǒng)富營養(yǎng)化、部分耕地甚至遭受重金屬污染[4-5]。因此，在保證作物產量穩(wěn)定的前提下，優(yōu)化施肥管理、合理減施化學肥料、尋找對土壤養(yǎng)分進行有效補充的便捷途徑，可以減少農田環(huán)境壓力，對當前農業(yè)發(fā)展具有重要意義。

隨著經濟的發(fā)展和糧食單產水平的提高，作物秸稈的處理已成為一項重要課題，傳統(tǒng)的秸稈焚燒既浪費了資源又加重了環(huán)境負擔，不利于生態(tài)平衡。作物秸稈是一種生物質能資源，中國每年產生的農作物秸稈大概有1/3左右還田[6]，秸稈中含有大量有機質及植物生長所必需的氮、磷、鉀和其他的一些中微量元素[7]，秸稈殘體是土壤有機質的重要來源。通過秸稈還田可實現(xiàn)肥料化利用，不僅能減少化學肥料的施用，還有助于增加土壤有機質含量，改善土壤物理性狀[8-9]，建立良好的土壤生態(tài)循環(huán)，對于節(jié)約成本、保護生態(tài)環(huán)境具有重要意義。秸稈在土壤中的腐解轉化速率不僅與秸稈本身的物質構成有關，還與周圍的溫度、水分、土壤性狀等環(huán)境條件密切相關，其中，秸稈性質、氣溫和降雨是腐解快慢的主要影響因素[10]。在一定溫度范圍內，土壤溫度升高可提高土壤微生物活性及呼吸率[11]，有利于加快秸稈腐解的速度[12]。此外，施肥方式對秸稈的腐解速率也有影響，尤其是一定比例的氮磷配施，及時補充土壤中的養(yǎng)分，可加快秸稈在土壤中的轉化，有效提高土壤地力，促進良性循環(huán)生產[13]。有研究表明，秸稈還田配施一定量的氮、磷肥，可以改善土壤供氮特性，且不同形態(tài)的氮素在土壤中的固持與礦化會相互影響，既有利于土壤氮素轉化，又有利于作物吸收[14]。

前人對秸稈還田進行過大量研究，但是多圍繞旱田（玉米、小麥）展開，主要集中在秸稈還田與施肥對土壤物理性狀、養(yǎng)分變化及作物產量影響[15-16]方面。本研究聚焦稻麥輪作區(qū)，探討稻田環(huán)境中肥料等量減施條件下小麥秸稈腐解的養(yǎng)分釋放特征，以期為提高作物秸稈的高效利用及化學肥料合理減施提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與地點

供試材料為‘圣稻18’，秸稈取前茬‘濟麥22’籽粒收獲后的剩余植株。

試驗于2018—2019年在山東省水稻研究所濟寧試驗站進行。試驗站為典型的稻麥輪作區(qū)，土壤質地為砂土，耕層(0～20 cm)有機質19.62 g/kg、全氮2.25 g/kg、速效氮23.29 mg/kg、速效磷31.37 mg/kg、速效鉀199.35 mg/kg、pH 6.70。2018年秸稈腐解期間最高溫36.99℃，最低溫4.11℃，日均氣溫5.67～32.55℃，5℃以上積溫2187.15℃，10℃以上積溫2055.79℃。2019年秸稈腐解期間最高溫38.03℃，最低溫1.59℃，日均氣溫8.57～30.60℃，5℃以上積溫2638.32℃，10℃以上積溫2619.80℃。

1.2 試驗處理與方法

試驗設不施肥對照(CK0)、常規(guī)施肥對照(CK)、常規(guī)施肥減量50%(F50)3個處理。常規(guī)施肥包括尿素600 kg/hm2、過磷酸鈣1125 kg/hm2、氯化鉀128 kg/hm2，氮肥的施用分基肥、返青肥、分蘗肥和穗肥4次施用，施用比例為基肥30%、返青肥20%、分蘗肥25%、穗肥25%。磷肥全部用作基肥施用，鉀肥作基肥和穗肥各50%施用。小區(qū)面積24 m2(4 m×6 m)，3次重復。

試驗2年重復，2018年水稻于6月23日插秧，10月23日收獲。2019年水稻6月20日插秧，10月18日收獲。2018和2019年秸稈均于7月3日埋入大田，分別于秸稈埋入水稻田后0、15、30、45、60、75、90、105、120天取樣，選取秸稈腐解后0、60、90、120天的樣品進行氮、磷、鉀、纖維素、半纖維素和木質素含量測定。全氮采用H2SO4-H2O2消煮-蒸餾法，全磷采用鉬銻抗比色法，全鉀采用火焰光度計法，纖維素、半纖維素、木質素采用分光度計比色法進行測定[17]。計算秸稈的殘余率、物質累積釋放率、物質平均釋放率[18]。計算如式(1)～(3)所示。

試驗采用修正后的Olson指數(shù)衰減模型對秸稈的腐解動態(tài)進行擬合[18-20]，如式(4)所示。

其中，y是秸稈腐解殘余率(%)；x0、x分別為腐解初始和腐解t天的秸稈量(g)；根據式(5)和式(6)計算秸稈腐解50%(T50)和95%(T95)所需的時間(d)，k值是腐解速率常數(shù)，k值越大秸稈的腐解速度越快。

1.3 統(tǒng)計分析

表中數(shù)據為2年試驗的平均值，數(shù)據采用SPSS 18.0和Microsoft Excel 2010進行統(tǒng)計分析和作圖。

2 結果與分析

2.1 秸稈腐解規(guī)律

由表1可看出，各時期的不施肥處理(CK0)的秸稈殘余率均高于施肥處理(CK、F50)。至腐解120天，各處理秸稈均有60%以上已腐解。其中，F(xiàn)50處理秸稈殘余率顯著低于CK0處理，比CK0低16.43%，比CK高11.14%。CK和F50處理間秸稈殘余率差異不顯著。

表1 施肥處理對秸稈殘余率的影響 %

CK0處理下秸稈的腐解速度最低（表2），F(xiàn)50和CK處理秸稈腐解速度比CK0處理分別提高了18.09%和31.45%，肥料的施用可提高秸稈的腐解速度，秸稈的腐解速度隨肥料施用的增加而加快。CK0、CK和F50處理下秸稈腐解50%的理論預測時間（83、61、71天）均在實測值區(qū)間（75～90、60、60～75天）范圍內。CK和F50處理下秸稈腐解50%的理論預測時間比CK0處理分別縮短22、12天。CK和F50處理下秸稈腐解95%的理論預測時間比CK0處理分別縮短95、59天。

表2 施肥處理下的秸稈腐解模型

2.2 秸稈中氮、磷、鉀釋放規(guī)律

各處理秸稈的氮素累積釋放率變化規(guī)律相似，如表3所示，在稻田中經過120天的腐解后，不同處理秸稈中氮素累積釋放率為34.06%～53.02%，其中，F(xiàn)50處理秸稈中氮素累積釋放率比CK0處理提高50.65%，比CK處理降低3.23%。各處理秸稈的磷素累積釋放率變化規(guī)律與氮素相似，取樣結束時，不同處理秸稈中磷素累積釋放率為38.45%～69.48%，其中，F(xiàn)50處理秸稈中磷素累積釋放率比CK0處理提高16.70%，比CK處理降低35.42%。腐解前30天各處理秸稈中鉀素的累積釋放率為72.58%～85.33%，腐解120天時，各處理秸稈的鉀素累積釋放率為92.33%～95.88%，其中，F(xiàn)50處理秸稈中磷素累積釋放率比CK0處理提高1.42%，比CK處理降低2.34%。

表3 不同肥料處理下秸稈中物質累積釋放率 %

如表4所示，各處理秸稈的氮磷鉀平均釋放速率高峰均出現(xiàn)在腐解前期（0～30天）。施肥處理提高秸稈氮磷鉀的平均釋放速率，在腐解前期（0～30天），F(xiàn)50處理秸稈中氮、磷和鉀的平均釋放速率比CK0處理分別提高47.13%、32.56%和15.59%，比CK處理分別降低17.42%、29.19%和1.68%。

表4 不同肥料處理下秸稈平均釋放速率 mg/(g·d)

2.3 秸稈中纖維素、半纖維素、木質素釋放規(guī)律

各處理秸稈的纖維素、半纖維素和木質素的累積釋放率變化規(guī)律相似，如表5所示，在稻田中經過120天的腐解后，不同處理秸稈中纖維素、半纖維素和木質素累積釋放率為32.75%～54.64%。其中，F(xiàn)50處理秸稈中纖維素、半纖維素和木質素累積釋放率比CK0處理分別提高25.27%、7.11%和22.19%，比CK處理分別降低9.28%、2.85%和2.99%。

表5 不同肥料處理下秸稈中物質累積釋放率 mg/g

如表6所示，施肥處理提高了秸稈中纖維素、半纖維素和木質素的平均釋放速率，與氮磷鉀相比，纖維素、半纖維素和木質素的平均釋放速率在整個腐解期間一直相對較高。在腐解前期（0～30天），F(xiàn)50處理秸稈中纖維素、半纖維素和木質素的平均釋放速率比CK0處理分別提高50.33%、28.60%和7.84%，比CK處理分別降低0.13%、32.71%和16.69%。

表6 不同肥料處理下秸稈平均釋放速率 mg/(g·d)

3 結論

綜上所述，稻田施用肥料會影響其中小麥秸稈的腐解與釋放。施用肥料可促進稻田中小麥秸稈的氮、磷、鉀及纖維素類碳水化合物的累積釋放率和平均釋放速率，且各元素及營養(yǎng)物質的釋放特征均不相同。稻麥輪作系統(tǒng)中，稻田的濕度和溫度均有利于秸稈的腐解，是小麥秸稈肥料化利用的重要途徑。此外，肥料的類型、配比、施用時間、稻田水層深度與持續(xù)時間等也可能會對秸稈腐解產生影響。

4 討論

秸稈腐解的快慢與它自身的條件和所處的環(huán)境有關，秸稈的大小、C/N、成分及周圍的環(huán)境各不相同，導致秸稈腐解的速度亦有差異[21-22]。張經廷等[23-24]的研究結果表明，秸稈自身的C/N，尤其是木質素含量是預測秸稈降解動態(tài)的重要指標，微生物對有機物降解的適宜C/N為25:1，C/N過高或過低均會影響微生物對秸稈的分解和秸稈養(yǎng)分的釋放。水稻和小麥等禾本科作物秸稈的碳氮比可達(60～100):1，都遠大于25:1，因此，微生物分解礦化的速度較慢，同時還需要消耗土壤中的有效氮，所以，在秸稈還田的同時保證一定比例的氮磷配施，及時補充土壤中的養(yǎng)分，可以加快秸稈在土壤中的轉化，提高土壤地力，保證作物生產，進行良性循環(huán)生產。本試驗結果顯示，施肥會促進秸稈腐解，可以降低秸稈的殘余率，施肥處理(CK、F50)下秸稈腐解相對較快，CK和F50處理的秸稈殘余率顯著低于CK0，分別降低了24.80%和16.43%，且CK和F50處理間差異不顯著，CK和F50處理的秸稈腐解50%和95%的理論預測時間比CK0短，分別少了12天和22天。這與譚宏偉[18]對水稻秸稈的腐解規(guī)律（秸稈切碎后加入肥料可以促進秸稈腐解）研究結果一致。

羅文麗[18]研究表明，秸稈中加入腐熟劑或農家肥均能促進其中氮磷鉀的釋放。本試驗結果表明，施用肥料可促進秸稈中氮磷鉀的累積釋放率，肥料減施對鉀素累積釋放率影響最小，對磷素累積釋放率影響最大，氮素和磷素的平均釋放速率受肥料的影響相對較大。有研究表明，作物秸稈中含有其所吸收的80%以上的鉀素，且秸稈中鉀也能提高土壤中速效鉀含量[25]，秸稈中鉀素較易釋放出來，這與鉀在秸稈內以離子態(tài)存在有關。白由路[26]研究認為，秸稈還田若再提高10個百分點，可以代替農田中180萬t的鉀肥。因此，秸稈還田可有效降低農田鉀肥的使用量。但需要考慮到秸稈腐解時對氮素的需求，結合秸稈中鉀素的釋放特征，在以秸稈中鉀素作為作物生長需要的主要來源時，應注意氮肥的配合使用。

施用肥料可提高稻田中秸稈纖維素、半纖維素和木質素的累積釋放率，其中，纖維素累積釋放率對肥料較敏感。本研究中，纖維素、半纖維素和木質素在腐解120天時，累積釋放率為32.75～54.64 mg/g，釋放周期較長。這些纖維素類的碳水化合物是作物秸稈的主要成分，其中纖維素在作物秸稈中的含量更是高達40%～50%[27]，且是秸稈中最難分解的物質，王曉玥[28]認為，纖維素含量的高低可以顯示秸稈腐解進程。秸稈中的這些纖維素類的富碳物質有利于土壤腐殖質的形成，會增加土壤有機質含量，改善土壤物理性狀，因此，秸稈還田是維護農田土壤質量的主要措施。許多研究表明，作物秸稈的施用可促進土壤中穩(wěn)性團聚體的形成，使土壤容重降低、總孔隙度增加，改善土壤的結構，增強土壤的穩(wěn)水保肥性能。