稻田肥料减施对小麦秸秆腐解规律的影响

信彩云，王 瑜，赵庆雷，马 惠

（山东省农业科学院水稻研究所/山东省水稻工程技术研究中心，济南 250100）

0 引言

化学肥料在保证作物生长中发挥着重要作用[1]，是作物增产增收最基本的物质保障。然而，长期以来化肥的不合理施用，给农业生产带来了一系列的问题[2]，化肥利用率低[3]、农田生态系统富营养化、部分耕地甚至遭受重金属污染[4-5]。因此，在保证作物产量稳定的前提下，优化施肥管理、合理减施化学肥料、寻找对土壤养分进行有效补充的便捷途径，可以减少农田环境压力，对当前农业发展具有重要意义。

随着经济的发展和粮食单产水平的提高，作物秸秆的处理已成为一项重要课题，传统的秸秆焚烧既浪费了资源又加重了环境负担，不利于生态平衡。作物秸秆是一种生物质能资源，中国每年产生的农作物秸秆大概有1/3左右还田[6]，秸秆中含有大量有机质及植物生长所必需的氮、磷、钾和其他的一些中微量元素[7]，秸秆残体是土壤有机质的重要来源。通过秸秆还田可实现肥料化利用，不仅能减少化学肥料的施用，还有助于增加土壤有机质含量，改善土壤物理性状[8-9]，建立良好的土壤生态循环，对于节约成本、保护生态环境具有重要意义。秸秆在土壤中的腐解转化速率不仅与秸秆本身的物质构成有关，还与周围的温度、水分、土壤性状等环境条件密切相关，其中，秸秆性质、气温和降雨是腐解快慢的主要影响因素[10]。在一定温度范围内，土壤温度升高可提高土壤微生物活性及呼吸率[11]，有利于加快秸秆腐解的速度[12]。此外，施肥方式对秸秆的腐解速率也有影响，尤其是一定比例的氮磷配施，及时补充土壤中的养分，可加快秸秆在土壤中的转化，有效提高土壤地力，促进良性循环生产[13]。有研究表明，秸秆还田配施一定量的氮、磷肥，可以改善土壤供氮特性，且不同形态的氮素在土壤中的固持与矿化会相互影响，既有利于土壤氮素转化，又有利于作物吸收[14]。

前人对秸秆还田进行过大量研究，但是多围绕旱田（玉米、小麦）展开，主要集中在秸秆还田与施肥对土壤物理性状、养分变化及作物产量影响[15-16]方面。本研究聚焦稻麦轮作区，探讨稻田环境中肥料等量减施条件下小麦秸秆腐解的养分释放特征，以期为提高作物秸秆的高效利用及化学肥料合理减施提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料与地点

供试材料为‘圣稻18’，秸秆取前茬‘济麦22’籽粒收获后的剩余植株。

试验于2018—2019年在山东省水稻研究所济宁试验站进行。试验站为典型的稻麦轮作区，土壤质地为砂土，耕层(0～20 cm)有机质19.62 g/kg、全氮2.25 g/kg、速效氮23.29 mg/kg、速效磷31.37 mg/kg、速效钾199.35 mg/kg、pH 6.70。2018年秸秆腐解期间最高温36.99℃，最低温4.11℃，日均气温5.67～32.55℃，5℃以上积温2187.15℃，10℃以上积温2055.79℃。2019年秸秆腐解期间最高温38.03℃，最低温1.59℃，日均气温8.57～30.60℃，5℃以上积温2638.32℃，10℃以上积温2619.80℃。

1.2 试验处理与方法

试验设不施肥对照(CK0)、常规施肥对照(CK)、常规施肥减量50%(F50)3个处理。常规施肥包括尿素600 kg/hm2、过磷酸钙1125 kg/hm2、氯化钾128 kg/hm2，氮肥的施用分基肥、返青肥、分蘖肥和穗肥4次施用，施用比例为基肥30%、返青肥20%、分蘖肥25%、穗肥25%。磷肥全部用作基肥施用，钾肥作基肥和穗肥各50%施用。小区面积24 m2(4 m×6 m)，3次重复。

试验2年重复，2018年水稻于6月23日插秧，10月23日收获。2019年水稻6月20日插秧，10月18日收获。2018和2019年秸秆均于7月3日埋入大田，分别于秸秆埋入水稻田后0、15、30、45、60、75、90、105、120天取样，选取秸秆腐解后0、60、90、120天的样品进行氮、磷、钾、纤维素、半纤维素和木质素含量测定。全氮采用H2SO4-H2O2消煮-蒸馏法，全磷采用钼锑抗比色法，全钾采用火焰光度计法，纤维素、半纤维素、木质素采用分光度计比色法进行测定[17]。计算秸秆的残余率、物质累积释放率、物质平均释放率[18]。计算如式(1)～(3)所示。

试验采用修正后的Olson指数衰减模型对秸秆的腐解动态进行拟合[18-20]，如式(4)所示。

其中，y是秸秆腐解残余率(%)；x0、x分别为腐解初始和腐解t天的秸秆量(g)；根据式(5)和式(6)计算秸秆腐解50%(T50)和95%(T95)所需的时间(d)，k值是腐解速率常数，k值越大秸秆的腐解速度越快。

1.3 统计分析

表中数据为2年试验的平均值，数据采用SPSS 18.0和Microsoft Excel 2010进行统计分析和作图。

2 结果与分析

2.1 秸秆腐解规律

由表1可看出，各时期的不施肥处理(CK0)的秸秆残余率均高于施肥处理(CK、F50)。至腐解120天，各处理秸秆均有60%以上已腐解。其中，F50处理秸秆残余率显著低于CK0处理，比CK0低16.43%，比CK高11.14%。CK和F50处理间秸秆残余率差异不显著。

表1 施肥处理对秸秆残余率的影响 %

CK0处理下秸秆的腐解速度最低（表2），F50和CK处理秸秆腐解速度比CK0处理分别提高了18.09%和31.45%，肥料的施用可提高秸秆的腐解速度，秸秆的腐解速度随肥料施用的增加而加快。CK0、CK和F50处理下秸秆腐解50%的理论预测时间（83、61、71天）均在实测值区间（75～90、60、60～75天）范围内。CK和F50处理下秸秆腐解50%的理论预测时间比CK0处理分别缩短22、12天。CK和F50处理下秸秆腐解95%的理论预测时间比CK0处理分别缩短95、59天。

表2 施肥处理下的秸秆腐解模型

2.2 秸秆中氮、磷、钾释放规律

各处理秸秆的氮素累积释放率变化规律相似，如表3所示，在稻田中经过120天的腐解后，不同处理秸秆中氮素累积释放率为34.06%～53.02%，其中，F50处理秸秆中氮素累积释放率比CK0处理提高50.65%，比CK处理降低3.23%。各处理秸秆的磷素累积释放率变化规律与氮素相似，取样结束时，不同处理秸秆中磷素累积释放率为38.45%～69.48%，其中，F50处理秸秆中磷素累积释放率比CK0处理提高16.70%，比CK处理降低35.42%。腐解前30天各处理秸秆中钾素的累积释放率为72.58%～85.33%，腐解120天时，各处理秸秆的钾素累积释放率为92.33%～95.88%，其中，F50处理秸秆中磷素累积释放率比CK0处理提高1.42%，比CK处理降低2.34%。

表3 不同肥料处理下秸秆中物质累积释放率 %

如表4所示，各处理秸秆的氮磷钾平均释放速率高峰均出现在腐解前期（0～30天）。施肥处理提高秸秆氮磷钾的平均释放速率，在腐解前期（0～30天），F50处理秸秆中氮、磷和钾的平均释放速率比CK0处理分别提高47.13%、32.56%和15.59%，比CK处理分别降低17.42%、29.19%和1.68%。

表4 不同肥料处理下秸秆平均释放速率 mg/(g·d)

2.3 秸秆中纤维素、半纤维素、木质素释放规律

各处理秸秆的纤维素、半纤维素和木质素的累积释放率变化规律相似，如表5所示，在稻田中经过120天的腐解后，不同处理秸秆中纤维素、半纤维素和木质素累积释放率为32.75%～54.64%。其中，F50处理秸秆中纤维素、半纤维素和木质素累积释放率比CK0处理分别提高25.27%、7.11%和22.19%，比CK处理分别降低9.28%、2.85%和2.99%。

表5 不同肥料处理下秸秆中物质累积释放率 mg/g

如表6所示，施肥处理提高了秸秆中纤维素、半纤维素和木质素的平均释放速率，与氮磷钾相比，纤维素、半纤维素和木质素的平均释放速率在整个腐解期间一直相对较高。在腐解前期（0～30天），F50处理秸秆中纤维素、半纤维素和木质素的平均释放速率比CK0处理分别提高50.33%、28.60%和7.84%，比CK处理分别降低0.13%、32.71%和16.69%。

表6 不同肥料处理下秸秆平均释放速率 mg/(g·d)

3 结论

综上所述，稻田施用肥料会影响其中小麦秸秆的腐解与释放。施用肥料可促进稻田中小麦秸秆的氮、磷、钾及纤维素类碳水化合物的累积释放率和平均释放速率，且各元素及营养物质的释放特征均不相同。稻麦轮作系统中，稻田的湿度和温度均有利于秸秆的腐解，是小麦秸秆肥料化利用的重要途径。此外，肥料的类型、配比、施用时间、稻田水层深度与持续时间等也可能会对秸秆腐解产生影响。

4 讨论

秸秆腐解的快慢与它自身的条件和所处的环境有关，秸秆的大小、C/N、成分及周围的环境各不相同，导致秸秆腐解的速度亦有差异[21-22]。张经廷等[23-24]的研究结果表明，秸秆自身的C/N，尤其是木质素含量是预测秸秆降解动态的重要指标，微生物对有机物降解的适宜C/N为25:1，C/N过高或过低均会影响微生物对秸秆的分解和秸秆养分的释放。水稻和小麦等禾本科作物秸秆的碳氮比可达(60～100):1，都远大于25:1，因此，微生物分解矿化的速度较慢，同时还需要消耗土壤中的有效氮，所以，在秸秆还田的同时保证一定比例的氮磷配施，及时补充土壤中的养分，可以加快秸秆在土壤中的转化，提高土壤地力，保证作物生产，进行良性循环生产。本试验结果显示，施肥会促进秸秆腐解，可以降低秸秆的残余率，施肥处理(CK、F50)下秸秆腐解相对较快，CK和F50处理的秸秆残余率显著低于CK0，分别降低了24.80%和16.43%，且CK和F50处理间差异不显著，CK和F50处理的秸秆腐解50%和95%的理论预测时间比CK0短，分别少了12天和22天。这与谭宏伟[18]对水稻秸秆的腐解规律（秸秆切碎后加入肥料可以促进秸秆腐解）研究结果一致。

罗文丽[18]研究表明，秸秆中加入腐熟剂或农家肥均能促进其中氮磷钾的释放。本试验结果表明，施用肥料可促进秸秆中氮磷钾的累积释放率，肥料减施对钾素累积释放率影响最小，对磷素累积释放率影响最大，氮素和磷素的平均释放速率受肥料的影响相对较大。有研究表明，作物秸秆中含有其所吸收的80%以上的钾素，且秸秆中钾也能提高土壤中速效钾含量[25]，秸秆中钾素较易释放出来，这与钾在秸秆内以离子态存在有关。白由路[26]研究认为，秸秆还田若再提高10个百分点，可以代替农田中180万t的钾肥。因此，秸秆还田可有效降低农田钾肥的使用量。但需要考虑到秸秆腐解时对氮素的需求，结合秸秆中钾素的释放特征，在以秸秆中钾素作为作物生长需要的主要来源时，应注意氮肥的配合使用。

施用肥料可提高稻田中秸秆纤维素、半纤维素和木质素的累积释放率，其中，纤维素累积释放率对肥料较敏感。本研究中，纤维素、半纤维素和木质素在腐解120天时，累积释放率为32.75～54.64 mg/g，释放周期较长。这些纤维素类的碳水化合物是作物秸秆的主要成分，其中纤维素在作物秸秆中的含量更是高达40%～50%[27]，且是秸秆中最难分解的物质，王晓玥[28]认为，纤维素含量的高低可以显示秸秆腐解进程。秸秆中的这些纤维素类的富碳物质有利于土壤腐殖质的形成，会增加土壤有机质含量，改善土壤物理性状，因此，秸秆还田是维护农田土壤质量的主要措施。许多研究表明，作物秸秆的施用可促进土壤中稳性团聚体的形成，使土壤容重降低、总孔隙度增加，改善土壤的结构，增强土壤的稳水保肥性能。