秸稈腐解過程中土壤熱值與有機養分動態

張 倩，張 紅

(1.甘肅農業職業技術學院，蘭州 730020；2.西北農林科技大學 資源環境學院，陜西楊凌 712100)

秸稈含有大量有機質，同時含有植物生長所必需的氮、磷、鉀及其他中微量元素。關于秸稈還田對土壤碳庫等影響的研究日益受到重視[1-4]。作物秸稈在土壤中的轉化速率既與秸稈本身物質構成有關，也與溫度、水分、土壤性狀等環境條件有關[5]。秸稈腐解過程生成的中間產物不僅復雜且難于分離，傳統的化學分析手段很難在不改變其固有性質的基礎上對殘體分解的混合物進行測定，而熱分析作為作物殘體特征描述的一個方法，具有操作簡便、需要樣品量少和樣品不需特殊分離等優點[6-7]，秸稈分解產生的有機物組分對土壤熱解特征及其能量轉化有一定影響[8-9]，而且影響土壤養分在土壤中的轉化速率[10]。合理的秸稈還田不僅可以改善土壤結構和理化性狀，提高土壤的養分水平，還可以避免資源浪費和環境污染[11-14]。因此，探索秸稈還田對土壤熱值和養分特性的影響機制，對改善農業生產環境，提高和保持農業土壤質量具有重要的生態環境意義[15-16]。不當的秸稈還田進入土壤后會引起C/N失調、有機酸累積、土壤礦質氮降低和耕作困難等問題，導致秸稈還田難以推廣[17-20]，而適當有效的秸稈還田不但可以培肥土壤，還可以加速秸稈腐解進程、提高土壤微生物活性、改善土壤養分狀況和增加作物產量[21-26]。秸稈殘體在土壤中分解轉化過程較復雜，不同腐解時期秸稈的組分變化規律、耕作方式、秸稈還田模式以及不同量的還田處理等也在不同程度上影響土壤質量和有效養分的釋放[27-28]。土壤微生物是土壤養分的驅動力，影響土壤生態系統的功能。前期研究表明，關中土婁土區農田微生物活性低、穩定性差，果園土壤微生物活性高、穩定性強，且不同土壤中不同處理的秸稈殘留率差異較大[29]。

目前，有關秸稈還田的研究多集中在對作物產量、品質以及對農田土壤理化性質的影響等方面，而就不同土地利用方式下秸稈腐解期間土壤熱值及養分變化特征鮮見報道。本試驗選取陜西楊凌種植不同植物(農田、桃樹、葡萄)的長期試驗基地(耕種史在10a以上)，利用網袋法進行玉米秸稈腐解試驗，采集不同腐解時期緊貼網袋的土壤，分析不同腐解時期土壤熱解特征與土壤養分變化。揭示作物秸稈分解和轉化對土壤熱值和養分指標的影響，為該地區秸稈還田的實施和秸稈資源的合理利用和土壤培肥提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗點基本情況

試驗地分別為國家黃土肥力與肥料效益野外科學觀測試驗站的農田(1990年建立)、西北農林科技大學實驗標本園區的桃園(2001年建立)和葡萄園(2002年建立)。其中國家黃土肥力與肥料效益野外科學觀測試驗站設在黃土高原南部的陜西省楊凌示范區五泉鎮(34°17′51″ N， 108°00′48″ E)，海拔524.7 m，年均氣溫13 ℃，積溫 4 196 ℃，年均降水量550～600 mm，主要集中在 7-9月，年均蒸發量993 mm，無霜期184～ 216 d。桃園和葡萄園相鄰，位于西北農林科技大學農作一站(34°29′81″ N， 108°07′11″ E)，葡萄園海拔略低為514 m，其他氣候條件與五泉鎮試驗地相同。

1.2 供試材料

供試土壤為土婁土(土墊旱耕人為土)。農田種植方式為冬小麥-夏玉米輪作，采用不施肥小區進行試驗；桃園與葡萄園土壤表面均為覆草模式(人工播種三葉草)，生草區每年刈割3～4次，覆蓋在行間或樹盤周圍，桃園施肥帶在桃樹根部直徑 1 m內，葡萄園施肥帶在根部20 cm內，樣品埋放位置均避開果園施肥區。供試土壤樣地的基本理化性質[29]見表1。供試植物殘體為玉米秸稈，采用尼龍網袋法進行植物腐解試驗。玉米秸稈原樣的全碳和全氮質量分數分別為402.48 g·kg-1和11.31 g·kg-1，C/N為35.59。

表1 供試土壤樣地的基本性質Table 1 Soil basic properties of the three experiment fields

1.3 試驗設計

為了加速玉米秸稈的腐解速度，添加外源氮素調整玉米秸稈的C/N至25。將秸稈先風干再60 ℃烘干至恒量，粉碎過1 mm篩備用。稱取秸稈15 g裝入350目的尼龍網袋中，封口，每個試驗地重復3次，各埋60袋，一共180袋。于2011-10-31埋入3個試驗地20 cm深處，同時在20 cm深處埋入土壤溫度記錄儀。分別于埋入后10、20、30、45、60、90、120、150、180、210、240、270、300、330、360 d取樣，共取樣15次，每次取出尼龍網袋之前，首先采集緊貼網袋的1 cm內的土壤樣品，然后取出3袋腐解樣品。土壤樣品經自然風干、磨細,用于土壤差熱和養分質量分數分析。3袋秸稈樣品分別于60 ℃烘干后稱量，計算腐解殘留率。

1.4 測定項目及方法

用德國耐馳(STA449C)熱分析儀對土壤進行差熱分析(DSC)，測得DSC曲線[30]。pH采用(水土體積質量比2.5∶1)320型pH計測定，土壤有機碳采用重鉻酸鉀外加熱法測定，土壤易氧化有機碳采用高錳酸鉀氧化比色法測定，穩定性有機碳為土壤有機碳和易氧化有機碳之差，堿解氮采用硼酸擴散吸收法測定，有效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定，速效鉀采用1.0 mol·L-1乙酸銨浸提-火焰光度法測定[31]。土壤溫度采用美國TidbiT v2溫度記錄儀測定。

1.5 數據處理

秸稈腐解殘留率=Xt/X0×100%

式中，X0為秸稈腐解前的初始質量，Xt為分解t時的秸稈腐解后剩余質量。

采用 Microsoft Excel 2007對試驗數據進行處理和制圖，采用SPSS 17.0 軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 玉米秸稈在不同利用模式下的殘留率變化

玉米秸稈在各試驗地不同腐解期的殘留率變化如圖1所示。由圖1可見，殘留率在0～20 d內迅速下降到80%左右，20～90 d內相對穩定，3個試驗地變化基本一致；90～240 d 3個試驗地玉米秸稈的腐解殘留率呈下降趨勢，到240 d時，已經基本上腐解了50%；240～360 d殘留率下降趨勢放緩，且3個試驗地的最終腐解殘留率為葡萄園>農田>桃園，在360 d腐解結束時，玉米秸稈在農田、桃園、葡萄園的腐解殘留率之間的差異達到顯著水平(P<0.05)，殘留率分別為41.73%、 36.11%、46.14%。

圖1 玉米秸稈在3個試驗地不同腐解期殘留率的變化Fig.1 Corn stalks residual rates in different decomposition periods in three long experiments

2.2 不同腐解期不同利用模式下的土壤溫度變化

收集每月每日每時的數據，根據每個腐解時段的平均溫度繪制不同試驗地不同腐解期的土壤溫度變化圖。由圖2可以看出，在玉米秸稈腐解前期(30～180 d)，不同試驗地20 cm深處的土壤溫度變化不大，在腐解后期，尤其是在180～330 d時，土壤溫度分異比較明顯，農田土壤溫度明顯高于果園土壤溫度。

圖2 不同試驗地不同腐解期的平均地溫變化Fig.2 Variations of mean soil temperature in different experiment fields

2.3 不同腐解期不同利用模式下的土壤差熱 分析

差示掃描量熱法(DSC)是在程序溫度控制下，測量試樣與參比物之間單位時間內能量差(或功率差)隨溫度變化的一種技術，能直接從DSC曲線上峰形面積得到試樣的放熱量和吸熱量。用差示掃描(DSC)將各腐解時期的土壤樣品進行差熱分析，計算曲線中所有放熱峰的總面積確定為土壤樣品的熱值(放出的總熱量)。并將其變化趨勢顯示在圖3中。

所有樣品皆為放熱反應，3個試驗地在不同腐解期土壤放出的熱量呈波動變化。其中葡萄園在20～90d內波動較小，桃園驟降驟升變化劇烈，農田則先升后降。90～240 d農田土壤的熱值基本上低于果園土壤。在240～300 d農田土壤放熱反應表現持續上升，桃園土壤開始下降，葡萄園土壤則先降后升。300～360 d，除了桃園土壤放熱反應持續穩定之外，葡萄園和農田土壤保持下降趨勢。總體來看，整個腐解期間，3個試驗地土壤的熱值差異較大，除了葡萄園在0～90 d波動較小外，其他兩個試驗地土壤的熱值波動劇烈。前后累積釋放的熱值為桃園>葡萄園>農田，但3個試驗地土壤熱值無顯著差異(P>0.05)。

2.4 不同腐解期不同利用模式下的土壤pH動態變化

3個試驗地在不同植物秸稈腐解期的土壤pH動態變化如圖4所示。由圖4可以看出，除了桃園在210～240 d之間的土壤pH顯著低于農田和葡萄園之外，3個試驗地的土壤pH變化趨勢基本一致，表現為農田>葡萄園>桃園(P<0.05)，農田和葡萄園土壤的pH與桃園土壤達到顯著差異。整個腐解期0～240 d變化波動比較大，270～360 d保持穩定。腐解前后農田土壤pH基本沒變，而桃園和葡萄園的土壤pH則分別從原來的8.19和8.25降到了8.00和8.08，整體降幅為2.06%～2.32%。說明秸稈腐解對果園土壤的pH影響比農田土壤大，這有可能是因為秸稈腐解導致緊貼土壤的有機酸累積，造成土壤pH下降，與Martens[20]的研究是一致的。

圖3 3個試驗地土壤熱值在不同腐解期的變化Fig.3 Soil heat values in three long experiments in different decomposition periods

圖4 農田、桃園、葡萄園不同腐解期土壤pH的變化Fig.4 Soil pH in farmland,peach orchard and vineyard in different decomposition periods

2.5 不同腐解期不同利用模式下的土壤各種碳組分動態變化

圖5 是3個試驗地在不同腐解期的土壤各種碳組分動態變化圖。由圖5-a可以看出: 在整個秸稈腐解期內，隨著秸稈腐解過程的加深，3個試驗地土壤有機碳變化表現趨勢基本一致，在腐解前期波動劇烈，中后期變化趨緩。3個試驗地土壤的有機碳質量分數之間有極顯著的差異，表現為桃園>葡萄園>農田(P<0.01),而各試驗地在不同腐解時期有機碳無顯著差異(P>0.05)。整個腐解期除了農田土壤有機碳降低之外，桃園和葡萄園的土壤有機碳質量分數變化不大。這可能是由于果園土壤表面被牧草覆蓋，牧草的含氮量比較高，可以補給秸稈在腐解過程對土壤中氮素的需求，因此對土壤有機碳的消耗并不大，整體保持均衡狀態。

圖5 3個試驗地不同腐解期土壤有機碳(a)、易氧化有機碳(b)、穩定性有機碳(c)的變化Fig.5 Soil organic carbon (a),soil easily oxidized organic carbon (b),soil stability of organic carbon (c) in three long experiments in different decomposition periods

圖5-b可以看出在0～210 d，3個試驗地土壤易氧化有機碳基本在2～380 mg·kg-1之間波動；在210～240 d，陡然升高；在240～360 d，除了農田土壤呈階梯下降之外，果園土壤呈緩慢下降趨勢，3個試驗地土壤在330～360 d有小幅回升，基本保持在670～1 000 mg·g-1之間。這可能是因為在秸稈腐解中后期，隨著土壤溫度逐漸升高，土壤微生物活動頻繁，使秸稈腐解釋放的有機碳養分通過尼龍網袋逐漸釋放到土壤環境當中，一定程度上增加了土壤的易氧化有機碳。整體來說，易氧化有機碳的趨勢為桃園>農田>葡萄園，但3個試驗地土壤之間無顯著差異 (P>0.05)。

圖5-c是3個試驗地不同腐解期土壤穩定性有機碳的動態變化圖。在0～210 d，3個試驗地土壤的穩定性有機碳質量分數前后波動不大，相對比較穩定；在210～240 d，急劇下降；在240～300 d時保持穩定；300～360 d呈現緩慢回升狀態。總體來說，土壤穩定性有機碳質量分數的趨勢為桃園>葡萄園>農田(P>0.05)，3個試驗地土壤穩定性有機碳在秸稈腐解的中后期變化趨勢基本一致，這說明，隨著秸稈腐解時間的延長，透過尼龍網袋補給的土壤碳源，與土壤微生物之間爭奪碳源的形勢達到相對平衡的狀態。

2.6 不同腐解期不同利用模式下的土壤速效養分動態變化

3個試驗地不同腐解期土壤堿解氮質量分數的動態變化見圖6-a。可以看出， 植物殘體腐解過程中土壤堿解氮質量分數變化基本上呈倒“S”曲線，除了桃園在腐解前期土壤堿解氮先升后降之外，農田和葡萄園在腐解前期土壤堿解氮均出現先降低后增加趨勢。3個試驗地在腐解中期土壤堿解氮達到最高，然后迅速下降，在330～360 d出現緩慢上升趨勢。3個試驗地土壤無顯著差異。

由圖6-b可見,整個腐解期3個試驗地的土壤速效磷從0～210 d變化不大，210～360 d腐解期內桃園土壤速效磷緩慢上升之外，農田變化波動較為劇烈，而葡萄園的土壤速效磷呈緩慢下降趨勢。這可能是因為農田在270 d左右剛好度過小麥收獲期，一系列的旋耕、施肥導致農田土壤速效磷的變化。腐解結束后，農田和桃園土壤速效磷分別增加了14.2%和67.5%，而葡萄園土壤速效磷降低了26.9%。3個試驗地沒有顯著差異。

圖6 3個試驗地不同腐解期土壤堿解氮(a)、速效磷(b)、速效鉀(c)的變化Fig.6 Soil alkalytic N (a),soil readily available P (b),soil readily available K (c) in three long experiments in different decomposition periods

3個試驗地的土壤速效鉀質量分數的變化結果見圖6-c。整個腐解期0～210 d 3個試驗地土壤速效鉀質量分數變化不大，在210～360 d不斷上升并趨于穩定。總體來說，桃園>葡萄園>農田，且果園與農田土壤的速效鉀質量分數達到極顯著差異(P<0.01)。腐解結束后，3個試驗地的土壤速效鉀質量分數均有不同程度的升高，其中農田、桃園和葡萄園的土壤速效鉀分別增加了49.9%、43.0%和89.2%。由此可以看出，玉米秸稈腐解過程可以明顯地增加土壤中速效鉀質量分數。

2.7 不同利用模式下秸稈殘留率與土壤溫度、熱值和理化指標動態變化相關性

秸稈在不同腐解時期釋放的養分與周圍土壤溫度、熱值和其他理化指標動態變化的相關性由表2可以看出，3個試驗地的土壤溫度與秸稈腐解殘留率之間呈極顯著相關關系，而秸稈殘留率與3個試驗地土壤的熱值無顯著相關關系，且不同腐解期3個試驗地土壤熱值前后變化劇烈，基本無規律可循。這可能是由于不同試驗地土壤所含的有機組分不同，當植物殘體通過尼龍網袋進入土體后，新形成的有機物質容易積聚在尼龍網袋和土壤的臨界位置，而當試樣混合磨細后，有可能掩蓋了樣品的變化特征，導致在熱解過程釋放的熱量忽高忽低。通過秸稈腐解前后累積的熱值發現，果園土壤的熱值大于農田土壤，說明玉米秸稈在果園土壤腐解轉化為有機質相對農田土壤高些。具體的轉化方式和變化特征有待于進一步 研究。

在秸稈殘留率與土壤理化指標相關分析結果中可以看出，3個試驗地土壤的pH與秸稈腐解殘留率沒有關系，除了桃園土壤和葡萄園土壤之外，僅有農田土壤的有機碳質量分數與秸稈腐解殘留率呈顯著正相關，這可能是果園土壤的C/N比較高，秸稈施入土壤后分解較慢，很難在短期內給土壤補充有機碳。3個試驗地土壤的易氧化有機碳和穩定性有機碳質量分數分別與秸稈的殘留率呈極顯著負相關和極顯著正相關關系。農田土壤的堿解氮質量分數與玉米秸稈腐解殘留率呈顯著正相關關系，而桃園土壤的速效磷質量分數與秸稈腐解殘留率呈負極顯著相關，這可能是由于3個試驗地中秸稈在不同腐解時間釋放養分的快慢不同造成的，或者是采樣時遇上試驗土壤的施肥期產生的影響。3個試驗地的土壤速效鉀質量分數則與秸稈腐解率呈顯著或極顯著負相關。整體來看，農田土壤的秸稈殘留率對土壤理化指標的影響大于2個果園土壤的影響。說明農田土壤在玉米秸稈還田時可調控的因素比果園土壤多，如適當調節土壤有機碳和堿解氮質量分數，可提高秸稈的腐解效果。

表2 秸稈殘留率與土壤溫度、熱值和理化指標動態變化的相關性Table 2 Relationships of corn residual rate with soil temperature,heat value,soil physical and chemical properties

注：“*”，“**”分別表示顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01)相關。

Note:“*” and “**” stands for significant correlation at the 5% and 1% levels,respectively.

3 討 論

秸稈腐解的速度與其自身的條件和所處的環境有關。秸稈作為有機物質，長期還田后能影響土壤有機碳周轉，改變土壤有機碳的組成和結構特點，明顯提高土壤的有機質質量分數[32-33]。

3.1 玉米秸稈在不同利用模式下的腐解殘留率差異比較

本研究中玉米秸稈處理在3個試驗地的腐解特征基本是在前期0～240 d腐解變化較快，后期240～360 d腐解較慢。這說明秸稈先將容易腐解的纖維素等物質分解釋放，剩下的主要是難分解的有機物質如木質素等。經過360 d的腐解，殘留率均小于50%，這與以往的研究結果一致[34-35]。張紅等[29]的研究發現，農田土壤微生物活性低、穩定性差，果園土壤微生物活性高、穩定性好，所以玉米秸稈在果園土壤中腐解速度相對快些。至于在腐解后期，葡萄園土壤的秸稈殘留率最高，這可能是由于葡萄園土壤在高溫高濕生草覆蓋條件下，土壤微生物對難分解物質消化過慢導致的，也有可能與埋袋的位置有關，有待于進一步研究。

3.2 土壤溫度、熱值和土壤理化性狀對不同利用模式下秸稈腐解殘留率的影響

溫度是土壤環境中重要的生態因子，直接影響生物新陳代謝的強度和生長發育、繁殖的速度等，間接影響植物殘體及土壤有機質的分解速率。土壤有機質不僅對土壤性狀和土壤肥力具有重要影響,且在土壤中的分解、合成、轉化過程是土壤生態系統中一種主要能流形式。示差掃描作為一種高效、快速、靈敏的分析手段研究土壤的物理化學變化，本研究主要通過峰面積來表征土壤放出熱量的多少。各種有機碳組分、堿解氮、速效磷和速效鉀質量分數是土壤中可供植物直接吸收利用的基本養分，研究這些指標可以反映土壤肥力狀況[36]。秸稈腐解過程在一定程度上可以改變土壤的C/N，使得土壤中的某些微生物與作物爭奪養分[37]，進而導致不同試驗地土壤養分在腐解期間變化不同。3個試驗地在秸稈腐解期間的土壤pH除了農田的基本沒變之外，果園土壤的pH均有所下降，可能是由于秸稈腐解導致土壤有機酸累積造成的。土壤各種碳組分質量分數基本上是果園>農田，且相互之間沒有顯著差異，其變化趨勢與許多研究[38-40]發現的秸稈還田可提高土壤有機碳質量分數結果不一致，這可能是因為本研究采用網袋法，土壤與網袋內秸稈之間隔離，袋中秸稈量少從而影響土壤微生物對它的分解速度。堿解氮質量分數的變化比較大，這有可能是因為3個試驗地土壤的C/N高，在春夏交替之際，為了保證植物的正常生長，植物和土壤微生物爭奪養分造成的結果。整個秸稈腐解期間，除了葡萄園的速效磷質量分數略有減少之外，3個試驗地的土壤速效磷和速效鉀質量分數均有不同程度的增加，秸稈還田提高了對土壤部分養分的供給。秸稈腐解期間對3個試驗地土壤速效養分的影響與戴志剛等[35]的研究結果是一致的。

由于不同的施肥方式和管理措施，農田土壤與果園土壤在秸稈腐解過程中對土壤養分的相關性結果略有不同，有待于進一步研究秸稈腐解過程對不同土地利用方式土壤養分供給的作用機制，探討合理的秸稈還田模式，提高秸稈的利用 效率。

4 結 論

秸稈腐解在前、中期降解較快，后期趨緩。土壤溫度、易氧化有機碳、穩定性有機碳、速效鉀與秸稈腐解的殘留率變化呈顯著相關關系，影響玉米秸稈在土壤中的腐解速度。

果園與農田土壤對秸稈腐解過程中土壤熱值的動態變化影響不顯著。整個腐解過程中，果園土壤累積放熱值相對高于農田土壤，至于如何影響土壤有機質熱力學變化有待于進一步研究。秸稈腐解在不同程度影響土壤有機養分質量分數的變化，除了一部分養分被作物和土壤微生物爭奪出現劇烈變化之外，能提高部分有效養分質量分數，對土壤肥力和質量的提升起到一定的作用。

果園土壤的有機碳和速效鉀質量分數極顯著高于農田土壤，說明生草可以提高果園土壤的養分質量分數，提高秸稈腐解的效果，相較于農田來說，有效調整土壤有機碳和堿解氮質量分數可以促進秸稈腐解的速度，為秸稈合理利用科學還田提供參考。