黑龍江省玉米秸稈還田腐解規律的研究

王 蕾,王福林,段彤彤,梁旭光

(東北農業大學 工程學院,哈爾濱 150030)

0 引言

隨著經濟的快速發展和國民環保意識的不斷提高,秸稈還田逐漸成為處理秸稈的主要措施。據統計,我國每年可生產6億t多的農作物秸稈,其蘊含著豐富的營養物質和能量,經過科學處理,這些營養物質和能量能得到有效利用。因此,秸稈還田技術的發展前景非常廣闊[1]。秸稈還田可以緩解關于農田過度使用化肥[2]及有機質持續下降的問題,增肥增產,改善土壤結構[3];減少秸稈焚燒,解決其造成的大氣環境污染等生態環境污染問題;還可形成有機質覆蓋,蓄水[4]保墑[5],構建土壤的良性生態環境。盡管秸稈還田具有較好的社會效益及廣闊的推廣應用前景[6],但秸稈腐解速度的緩慢制約了農民實行秸稈就地還田的積極性[7]。由于不同地區的還田環境有一定的特殊性,導致其相應地區的秸稈腐解速度和腐解特征會存在一定差異[8],各因素及其交互作用都對秸稈還田腐解過程有不同的影響,因此對還田秸稈腐解的研究是十分必要的。目前,關于秸稈還田腐解規律的研究主要集中于單因素對秸稈腐解率的影響或秸稈腐解變化與還田時間的規律曲線,而關于秸稈莖部不同部位的腐解規律及秸稈不同長度、不同還田深度、莖部不同部位之間的交互作用規律研究較少。因此,試驗采用室外直接還田的方式,將不同方式處理后的秸稈分別還田于不同深度,通過一年的定期取樣,分析秸稈的腐解變化規律及交互作用的影響,得到秸稈還田在自然條件下的最優處理方式,為秸稈就地還田提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區及樣本概況

試驗于2017年10月-2018年10月在東北農業大學試驗田進行。試驗區位于東經126°72',北緯45°74',氣候屬于中溫帶大陸性季風氣候,四季分明,春、秋季氣溫變化快,夏季炎熱短暫,冬季寒冷漫長,全年平均氣溫2～4 ℃,平均相對濕度65%～70%,平均降水量為569.1mm。以玉米秸稈為試驗對象,秸稈類型為鄭58玉米秸稈,土壤類型為黑土。試驗取樣時期對應的月平均濕度和月平均溫度如表1所示。

表1 月平均濕度和月平均溫度

1.2 試驗設計

試驗共設3個因素:還田深度(D)設為5個水平(5、10、15、20、25cm),秸稈長度(L)設為5個水平(5、10、15、20、25cm),秸稈部位(P)設為15個水平(根部以上0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～70、70～80、80～90、90～100、100～110、110～120、120～130、130～140、140～150cm)。2017年10月玉米收獲后,選取長度150cm及以上的玉米秸稈作為試驗秸稈,為保證隨機性,長度試驗按照以下方式處理:第1根從莖部底部以5、10、15、20、25、5、10、15、20、25cm的方式處理秸稈,第2根從莖部底部以10、15、20、25、5、10、15、20、25、5cm方式處理秸稈,第3根從莖部底部以15、20、25、5、10、15、20、25、5、10cm的方式處理秸稈,第4根從莖部底部以20、25、5、10、15、20、25、5、10、15cm的方式處理秸稈,第5根從莖部底部以25、5、10、15、20、25、5、10、15、20cm的方式處理秸稈,第6根從莖部底部以5、10、15、20、25、5、10、15、20、25cm的方式處理秸稈。以此類推,處理用于長度試驗的秸稈,長度5、10、15、20、25cm的秸稈標號分別為L1、L2、L3、L4、L5;部位試驗按照以下方式處理,將秸稈莖部從0～150cm(根莖交接處為0起點)依次切成10cm長度,將秸稈莖部不同部位分別標記為P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9、P10、P11、P12、P13、P14、P15。將處理后的秸稈裝入200目尼龍網袋并封口,以85℃烘干至恒重后稱重,再將尼龍網袋分別埋于深度為5、10、15、20、25cm的土壤中,分別于2018年5-10月取樣,每月1次,共6次,封凍期不取樣。

1.3 測定項目和方法

試驗采用尼龍網袋法進行秸稈還田。尼龍袋法[9]簡單方便,不影響袋內秸稈和土壤環境的物質交換,可以得到外界環境、微生物及土壤動物等因子綜合作用的結果,且能滿足在特定時間間隔內準確測定腐解率的需求[10]。

將取回的秸稈用清水沖洗干凈(帶尼龍網袋),使用電熱鼓風干燥箱以恒溫85℃烘干至恒重后,再使用電子天平稱重,以秸稈干重為試驗依據進行測量。由于本試驗側重于測量腐爛的規律,不關注秸稈或土壤營養成分的變化,因此以干重為腐解依據,可以更直觀地看到秸稈還田后的結果,且更經濟便利。

秸稈腐解率=[(還田前秸稈質量-還田后秸稈質量)/還田前秸稈質量]×100 %

1.4 數據處理

將測出的數據根據編號進行記錄整理,運用Microsoft Excel 2013對數據進行分析及作圖,采用最小顯著法(LSD)檢驗試驗數據的差異顯著性水平(P<0.05),通過DPS和MatLab,得到秸稈腐解率隨不同處理方式而變化的規律曲線。

2 結果分析

2.1 不同長度秸稈在不同埋深下的腐解率

取樣期間,不同長度秸稈在不同埋深下的腐解率比較情況如圖1所示。從圖1中可以看出:不同處理下的秸稈腐解率在整個取樣期間均表現為前期快后期慢的趨勢,5-7月為快速腐解期,9-10月腐解率增加緩慢;取樣前期不同埋深的秸稈腐解率差距明顯,不同埋深進行比較,隨還田深度的增加,腐解率基本呈下降趨勢,隨著時間的延長,埋深5～15cm秸稈的腐解率較佳,且在此深度區間下的秸稈腐解率差距減小;在整個取樣期間,不同長度秸稈間的腐解率差距較為明顯,隨秸稈長度的增加,腐解率呈下降趨勢;最終至試驗結束,不同長度秸稈在不同埋深下的腐解率為49.07%～60.06%。

(a) 埋深5cm

2.2 不同長度與不同埋深的交互作用

通過多因素方差分析不同長度秸稈在不同埋深下隨著時間變化的交互影響作用,如表2所示。結果表明:在秸稈腐解的整個時期中,秸稈長度、還田深度對秸稈的腐解率均有顯著影響(P<0.01),但是秸稈長度與還田深度的交互作用對秸稈腐解率的影響較小。

表2 不同長度、埋深影響秸稈腐解率多因素方差分析

利用回歸分析,將不同長度秸稈在不同還田深度下的腐解率隨還田時間(以農作物收獲后為0時間起點)變化的規律曲線以y=c0+c1x+c2x2進行擬合,其中,x為還田時間(天)(以農作物收獲后為0時間起點),結果如表3所示。

表3 秸稈腐解率與還田時間的關系擬合

2.3 秸稈莖部不同部位在不同埋深下的腐解率

取樣期間,秸稈莖部不同部位在不同埋深下的腐解率比較情況如圖2所示。從圖2中可以看出:不同處理下的秸稈腐解率在整個取樣期間均表現為前期快后期慢的趨勢,5-7月為快速腐解期,9-10月腐解率增加緩慢;取樣前期不同埋深處理的秸稈腐解率的差距較為明顯,隨深埋深度的增加,腐解率呈下降趨勢,埋深5～15cm秸稈的腐解率較佳,且在此深度下的秸稈腐解率差距減小;取樣前期不同部位的秸稈腐解率的差距較為明顯,表現為越接近莖部頂部(P15)的秸稈腐解率越高;隨著時間的延長,接近莖部頂部(P15)處的秸稈腐解率明顯減緩,接近莖部底部(P1)處的秸稈腐解率增加速度相較于頂部(P15)更快,在取樣后期基本表現為莖部底部處的秸稈腐解率略高于莖部頂部的秸稈腐解率;最終至試驗結束,秸稈莖部不同部位在不同埋深下的腐解率為52.68%～60.99%。

(a) 埋深5cm

2.4 莖部不同部位與不同埋深的交互作用

通過多因素方差分析秸稈莖部不同部位在不同埋深下隨著時間變化的交互影響作用,如表4所示。結果表明:在秸稈腐解的整個過程中,莖部部位、還田深度對秸稈的腐解率均有顯著影響(P<0.05),莖部不同部位與還田深度的相互影響作用達到極顯著水平(P<0.01)。

表4 不同部位、埋深影響秸稈腐解率多因素方差分析

表5 秸稈腐解率與還田時間的關系擬合

表6 秸稈腐解率與還田深度和還田時間的關系擬合

3 討論

1)從取樣的整個過程來看,秸稈的腐解率趨勢均表現為前期快,后期慢,最后趨于平穩,其中5-7月為腐解高峰期,而在6月腐解速率最大。這與前人研究結果基本一致,田平等[11]同樣使用玉米秸稈對3種還田方式下秸稈的腐解情況進行研究,均表現出前期快后期慢的特征。這可能是因為在整個秸稈腐解過程中,首先經過一段時間的腐解消耗,秸稈中易分解的組成成分如低分子碳水化合物等物質快速分解;至試驗后期,由于粗纖維如纖維素和木質素等的穩定性,使秸稈的腐解速率下降[12]。而且,秸稈的腐解速率也可能與溫度和濕度[13]有關,導致在逐漸升溫和降水增多的季節中,腐解的速度變快。

2)秸稈長度的不同會對秸稈的腐解速率產生影響。李長龍[14]在大田試驗中設置還田玉米秸稈的對照組,長度分別為5mm、5cm、10cm,結果表明:在120天內秸稈的腐解率表現為5cm秸稈腐解率最慢, 5mm秸稈分解率最快;但從試驗的全過程來看,90天時各個處理間腐解率的差距開始縮小, 330天時不同處理間腐解率的差距已經極小,因此秸稈粉碎程度的提高對提高秸稈腐解效果并不是很明顯。在本試驗中,秸稈腐解率隨秸稈長度的增加而下降,隨著還田時間的延長,不同程度秸稈腐解率的差距逐漸縮小但仍存在。以上研究中不同秸稈長度的腐解率的差異趨勢與本試驗結果基本一致,不同之處是經過一年的腐解之后,不同長度秸稈的腐解率仍有些差異,也許是因為不同地區的氣候降水等方面的差異,也可能是因為試驗中秸稈長度的最小水平與最大水平相差較大。

3)還田深度也會影響對秸稈的腐解率。劉少東[15]等研究玉米秸稈在黑土條件下的腐解規律,結果表明:翻埋深度越小,秸稈的腐解率越高,且當翻埋深度由30cm減為20cm,腐解率的提高幅度相對較大。本試驗進一步證明:秸稈腐解率隨還田深度的增加而減小,隨著時間的延長,不同埋深的秸稈腐解率差距減小,且5、10、15cm對照組的差距極小。產生這種結果的原因可能是與細菌等在土壤中的垂直分布[16]有關,土壤中微生物總數、細菌和真菌的數量均呈現出隨土壤深度的增加而逐漸減少的趨勢;而不同試驗的最終結果有些許差異的原因可能是因為還田時間不同,微生物等對秸稈中碳源的分解進度不同。

4)目前在莖部不同部位的研究很少,但有少部分關于秸稈粒徑的研究。本試驗研究發現:取樣前期越接近莖部頂部的秸稈腐解率越高;隨著時間的延長,接近莖部頂部處的秸稈腐解率明顯減緩,在取樣后期基本表現為莖部底部處的秸稈腐解率略高于莖部頂部的秸稈腐解率。這可能是因為接近頂部的秸稈較細,所含的易腐解物質較少,在腐解前期,微生物等數量也較少,因此腐解速度較快;隨著還田時間增加,微生物等數量增加,接近底部處的秸稈與土壤的接觸面較接近頂部秸稈的接觸面大,且頂部秸稈的易腐解成分接近腐解完畢,所以在取樣后期接近底部秸稈的腐解率基本比接近頂部秸稈的腐解率大。

5)秸稈腐解受到多種因素共同的影響和限制,但研究不同因素交互作用影響秸稈腐解率的規律較少。本試驗研究了還田深度與秸稈長度及秸稈莖部部位交互作用下對秸稈腐解率的影響。結果表明:在秸稈長度和還田深度的試驗中,各單因素的影響差異性顯著,而在秸稈長度和還田深度交互作用下,各因素不同水平的組合對秸稈腐解率影響的差異不顯著;在秸稈莖部部位和還田深度的試驗中,還田深度對腐解率的影響差異性顯著,而還田深度與莖部部位的交互作用影響極顯著。因此,根據兩個交互作用試驗的結果分析,在進行秸稈還田時,應綜合考慮多種因素的影響。

6)目前,在研究秸稈腐解的規律曲線時,多數是以還田時間作為單一自變量,且還田時間是以經過冰凍期的4月或5月開始,這樣計算還田時間的起點意味著將收獲后的秸稈儲存整個冬季,在將要播種時還田,顯然并不合理。因此,本試驗中將還田時間的起點設置為農作物收獲后即還田。

4 結論

經過冰凍期,在取樣期間,還田秸稈的腐解率趨勢均表現為前期快,后期慢,最后趨于平穩,最終腐解率可達49.07%～60.99%。其中,5-7月為腐解高峰期,而在6月腐解速率最大。不同長度秸稈的腐解率基本表現為隨秸稈長度的增加而下降;不同還田深度秸稈的腐解率基本表現為隨還田深度秸稈增加而下降;取樣前期越接近莖部頂部的秸稈腐解率越高,取樣后期為莖部底部處的秸稈腐解率略高于莖部頂部的秸稈腐解率。各單因素對秸稈腐解率的影響顯著,但不同因素之間的交互作用影響差異性并不是全部顯著,說明在不同因素作用下經過足夠的還田時間,秸稈腐解率的差距可能并不明顯。因此,根據試驗結果,通過對玉米秸稈腐解率情況的分析,經過直接還田后,不同處理下的秸稈強度均降低,這對當前推進落實秸稈還田的應用提供了理論依據。