水肥調控對水稻季小麥秸稈腐解及養分釋放的影響

中圖分類號：S512.1 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2025）09-0111-08

Effects of Water and Fertilizer Regulation on Decomposition and Nutrient Release of Wheat Straw in Rice Season

Zhao Qinglei，Yang Jun，Wang Yu， Sun Zhaowen，Liu Qihua （State KeyLaboratoryofNutrient Useand Management/Instituteof Wetland AgricultureandEcology，Shandong Academyof Agricultural Sciences/Shandong ProvincialEngineeingand TechnologyResearch CenterforRice，Jinan 25Oloo，China） AbstractIn order to explore the optimal water and fertilizer control measures for wheat straw decomposi

tion and nutrient release during the rice season in the Huanghuai rice-wheat rotation area，this experiment a

dopted a split-plot design with the main plot consisted of four nitrogen fertilizer management measures for rice，

namely theapplicationratiosof basal fertilizer，tillring fertilizer，panicle fertilizer，and heading fertilizer

（ N1=0：2.8：3.6：3.6 ， N2=2.0：2.2：2.9：2.9 ， N3=4.0：1.8：2.1：2.1 ， N4=6.0：1.2：1.4：1.4 ），and the sub

plot included three water layer management measures（S），namely the field drying measures after straw incorporation （S1： drying the field naturally for15 days after flooding and then re-irigating after 3 days； S2：drying the field naturally for 25 days after flooding and then re-irigating after3 days; S3：no field drying）. A total of 12 treatments were combined to study the effects of different water and fertilizer management practices on the decomposition and nutrient release characteristics of wheat straw.The results showed that the water management measures and nitrogen fertilizer operation significantly afected the process of straw decomposition. The cumulative decomposition rate of straw in the current season was 43.67% to 65.84% . The S1 treatmeat was the best to promote straw decomposition with the highest increase in straw decomposition rate of 27.09% . The treatments of N3 and N4 had relatively beter promoting effects on straw decomposition，and the maximum increase in straw decomposition rate of N4 reached 21.36% . The cumulative nitrogen release rate of straw in the current season was 29.78% to 62.47% . The S1 treatment was the best for straw nitrogen release，and the maximum increase in cumulative nitrogen release rate was 64.88% . N3 and N4 were both beneficial to the release of nitrogen from straw，and their efects were equivalent;the maximum increase inthe cumulative nitrogen release rate was 43.79% in N4. The cumulative phosphorus release rate of straw in the current season was （204號 50.55% to 74.29% . Water layer management measure was the first factor affecting the phosphorus release from straw，and nitrogen fertilizer management was an important factor affcting phosphorus release at the later stage of straw decomposition.The S1 treatment was beneficial to the release of phosphorus from straw with the highest increase in cumulative phosphorus release rate of 32.07% . N3 and N4 were both beneficial to the release of phosphorus from straw. Water layer management measures and nitrogen fertilizer management had no significant impact on the potassium release process from straw. In summary，water layer management measures and nitrogen fertilizer management were the main factors affecting the decomposition process of straw and the release of nitrogen and phosphorus nutrients in straw. Considering rice growth and straw decomposition as a whole，drying the field naturallyfor15days afterfloodingand then re-irrigating after3daysand nitrogen fertilizer application ratio of 4.0：1.8：2.1：2.1 were the ideal water and fertilizer control measures in rice season in the Huanghuai rice-wheat rotation area.

KeywordsRice-wheat rotation；Water and fertilizer regulation； Nitrogen fertilizer management; Water layer management; Straw decomposition； Nutrient release

秸稈是一種重要的生物質資源[1]，秸稈還田是實現秸稈資源化利用最有效的途徑之一[2]。研究表明，秸稈還田可以顯著增加土壤中的有機質含量，改善土壤的理化性狀和生物學特性[3-4]減少氮素流失風險[5]，提高土壤供肥能力[6]，秸稈分解后釋放的養分還可以部分替代化肥，是實現化肥零增長的重要途徑[7]。然而在我國黃淮稻麥輪作區，由于缺乏與秸稈還田相配套的高效栽培技術，小麥秸稈在還田后腐解慢、周期長，影響了水稻正常栽植和健康生長，阻礙了秸稈還田的普及應用。據統計，黃淮稻麥輪作區稻、麥秸稈的還田率僅為 17.48% ，稻麥輪作區稻、麥秸稈的還田率僅為 11.46%^[8] 。因此，研發兼顧秸稈快速腐解和作物健康生長的高效秸稈還田技術仍是當前黃淮稻麥輪作區亟需解決的問題。

已有的研究表明，土壤水分和秸稈C/N比（土壤環境C/N比）是影響作物秸稈分解的主要因素。關于土壤水分對秸稈腐解進度及養分釋放特征的影響，已有的研究表明：淹水厭氧條件降低秸稈分解率[9]，濕潤灌溉[10]或高濕條件[1]更有利于秸稈的腐解及秸稈中養分的釋放。秸稈C/N比與秸稈分解的關系也有較多的研究報道：有研究表明，作物殘體的分解速率與C/N比存在負相關關系，而施氮可調節C/N比至合適比例[12]適宜的秸稈C/N比，增加了微生物豐度并可改變主要微生物群的組成[13]，加快與秸稈相關微生物的繁殖速度和與微生物碳、氮相關基因豐度[14]而微生物的繁殖又刺激和促進了秸稈的分解。但秸稈還田后過量施氮會增加土壤碳的排放[15]。

在黃淮稻麥輪作區，小麥秸稈還田后如何合理運籌氮肥以實現秸稈快速腐解和養分釋放尚缺乏系統研究。相比淹灌，節水栽培模式更利于秸稈腐解和養分釋放，但該模式并不適用于所有稻區。稻區多位于低洼易澇區，水稻生長前期（抽穗前）是當地雨季，降水量充沛，水稻全生育期實施節水栽培模式難度大、成本高，在水稻生長期適時晾田實現土壤短期好氧狀態以加快秸稈腐解更符合當地實際，但何時晾田及不同的晾田時間如何影響秸稈腐解和養分釋放尚未見相關報道。因此，在黃淮稻麥輪作區系統研究氮肥運籌和晾田時間對還田小麥秸稈腐解及養分釋放的影響具有現實意義。本試驗研究不同水肥調控條件下小麥秸稈在土壤中的腐解規律及養分釋放特征，以期為稻麥輪作區秸稈還田工作提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與材料

試驗于2019年和2020年連續兩年在省濟寧市任城區農豐農作物種植專業合作社（ 116^° 27^′E，35^°18^′N? 地塊上進行。該地地處魯中南泰沂蒙山麓傾斜平原與魯西南黃泛平原交接洼地的中心地帶，屬暖溫帶季風氣候，年均氣溫 13～14°C ，年降水量 600～800mm ，年均日照時數 2391.4h ，無霜期 200d 。供試土壤為砂姜黑土，試驗前 0～ 20cm 土層土壤基本理化性質： pH 值7.02，有機質含量 29.47g/kg 速效氮 82.34mg/kg 速效磷37.57mg/kg 速效鉀 197.00mg/kg 。供試秸稈養分含量為全碳 346.25g/kg 、全氮 5.01g/kg 、全磷1.96g/kg 、全鉀 21.34g/kg 。供試水稻品種為圣稻18。供試化肥為尿素、過磷酸鈣和氯化鉀。

1.2 試驗設計及方法

試驗采用裂區設計，主區設4種水稻氮肥運籌措施（N），即基肥、返青肥、分蘗肥和穗肥的施用比例分別為： N1=0：2.8：3.6：3.6，N2=2.0：2.2： 2.9 ：2.9，N3=4.0：1.8：2.1：2.1，N4=6.0：1.2：1.4： 1.4；副區設3種水層管理措施（S），即秸稈還田后的晾田措施，分別為：S1為泡田后 15d 自然耗干晾田、3d后復水，S2為泡田后 25d 自然耗干晾田、3d后復水，S3為不晾田。共組合為12個處理，分別為N1S1、N1S2、N1S3、N2S1、N2S2、N2S3、N3S1、N3S2、N3S3、N4S1、N4S2、N4S3。

種植方式為稻麥輪作，小麥秸稈全量還田。水稻育秧開始時間為5月20日，小麥收獲時間為6月10日。6月19日，將小麥秸稈粉碎還田，施基肥后旋耕，使秸稈、肥料和土壤混勻。各處理小區單排單灌，中間設灌排水溝，小區分設兩邊，小區之間及其與排水溝之間筑埂 30cm 并包膜以防串灌。水稻插秧時間為6月23日，行距 30cm ，株距 12cm，4～6 株/穴。水稻收獲時間為10月20日。肥料總施用量分別為： N276kg/hm²?P₂O₅135kg/hm²?K₂O78 kg/hm² 。氮肥按照設計用量及比例作基肥、返青肥、分蘗肥和穗肥4次施用，磷肥全部基施，鉀肥作基肥和穗肥各 50% 施用。水稻插秧時保持淹水 1～2cm ，插秧后 7d 內保持淹水 5～8cm ，分蘗期、孕穗期及揚花期均保持淹水 3cm 左右，是否晾田及晾田時間按試驗處理的具體要求操作，水稻灌漿期后采用干濕交替法灌水，收獲前 10d 停止灌水，晾田待收。

秸稈腐解采用尼龍網袋法處理：供試小麥秸稈經 60^°C 烘干后剪至 3～5cm 小段，將秸稈充分混勻后放人長 20cm 寬 10cm 孔徑為 0.12mm 的長方形尼龍網袋中，每網袋裝秸稈 30g ，然后將其埋入上述各處理 10～20cm 土層中。小麥秸稈埋入時間為水稻插秧前泡田時，每小區埋入網袋15個。

1.3 樣品采集與測定

在秸稈埋入土壤后的15、30、60、90d和110d取樣，每次取3個尼龍網袋樣品。取樣后將樣品洗凈、烘干、稱重、粉碎，計算秸稈累積腐解率。稱取一定量上述粉碎的秸稈加入消煮管中用H₂SO₄-H₂O₂ 法消煮，分別用凱氏定氮法、鉬銻抗比色分光光度法和火焰光度法[16]測定剩余秸稈中氮、磷、鉀含量，并計算養分累積釋放率。

秸稈累積腐解率 （%）= （原秸稈量-秸稈殘留量）／原秸稈量 ×100 ;

養分累積釋放率 （%）= （原秸稈養分含量-殘留秸稈養分含量）/原秸稈養分含量 ×100 0

1.4 數據處理與分析

試驗數據均采用MicrosoftExcel2013和SPSS19.0軟件進行處理及統計分析。因兩年數據規律基本一致，文中以2020年數據為主分析。

2 結果與分析

2.1 不同水肥調控措施對小麥秸稈腐解特征的影響

由表1可知，秸稈累積腐解率隨腐解時間的延長逐漸提高，但增長速度逐漸降低。秸稈埋入土壤后 30d 內是秸稈快速腐解期，腐解 30d 時累積腐解率為 29.00%～45.00% ；之后秸稈腐解速率逐漸降低，腐解至 90d 基本達到峰值，累積腐解率為 43.17%～65.84% ，之后秸稈進入緩慢腐解期，腐解結束時累積腐解率為 43.67%～65.84% 。

相同的氮肥運籌下，水層管理措施在秸稈腐解全程對秸稈累積腐解率均具有極顯著影響：S3處理促腐效果最差，與S3處理相比，S1處理秸稈累積腐解率提高幅度最大，腐解結束時提高幅度最大為 27.09% 。相同的水層管理措施下，氮肥運籌在秸稈腐解全程對秸稈累積腐解率均具有極顯著影響：N1處理腐解最慢，累積腐解率最低，N4和N3處理對秸稈累積腐解率提高幅度較大，促腐效果相當，腐解結束時N4累積腐解率較N1處理提高幅度最大為 21.36% 。

以上分析表明，秸稈埋入土壤后腐解速度呈先快后慢的態勢。水層管理措施和氮肥運籌都是影響秸稈腐解進程的重要因素。秸稈累積腐解率整體隨基施氮肥量的增加先升高后保持穩定；泡田后 15d 晾田排氣最利于秸稈快速腐解。

表1不同水肥調控措施下秸稈隨腐解時間延長的累積腐解率

注;表中數據為平均值 ± 標準差，同列數據后不同小寫字母表示處理間在 Plt;0.05 水平上差異顯著; * 表示差異顯著（ Plt;0.05 ）， ^** 表示差異極顯著（ Plt;0.01 ，下同。

2.2 不同水肥調控措施對小麥秸稈氮素釋放特征的影響

由表2可知，氮素在秸稈腐解 15d 內快速釋放：腐解 15d 時氮素累積釋放率達 15.66%～29.76% 秸稈腐解 15～60d 氮素進人緩慢釋放期，腐解60d時氮素累積釋放率為 22.03%～43.82% ；秸稈腐解 60～90d 氮素釋放速度再次加快，腐解 90d 時氮素累積釋放率為 26.24%～61.66% ；之后氮素進入緩慢釋放期，腐解 110d 時氮素累積釋放率為29.78%～62.47% 。

相同的氮肥運籌下，水層管理措施對秸稈氮素累積釋放率全程都有極顯著影響：S3處理對秸稈氮素釋放效果最差，腐解結束時S1處理秸稈氮素累積釋放率較S3提高幅度最大為 64.88% 。相同的水層管理措施下，氮肥運籌在秸稈腐解全過程對秸稈氮素累積釋放率均有極顯著影響，N1處理氮素釋放效果最差，與N1處理相比，N4和N3處理對秸稈氮素累積釋放率提高幅度較大，效果相當，腐解結束時N4處理累積釋放率提高幅度最大為 43.79% 。

以上分析表明，秸稈氮素累積釋放率隨腐解時間延長呈“快一慢一快一慢”的變化趨勢；水層管理措施和氮肥運籌均極顯著影響秸稈氮素釋放：在設定的施氮量下，氮素累積釋放率隨基施氮肥量的增加先增大后保持穩定；泡田后15d晾田 排氣對秸稈氮素釋放效果最佳。

表2不同水肥調控措施下秸稈氮素隨腐解時間延長的累積釋放率

2.3 不同水肥調控措施對小麥秸稈磷素釋放特 征的影響

由表3可知，秸稈磷素累積釋放率隨秸稈腐解時間的延長逐漸增大，但增長速度隨時間的延長逐漸降低：秸稈腐解 30d 內快速釋放：腐解30d時磷素累積釋放率為 39.67%～50.33% ；之后秸稈磷素釋放速度逐漸降低，腐解 90d 后秸稈磷素進入緩慢釋放期，腐解試驗結束（110d）時磷素累積釋放率為 50.55%～74.29% 。

相同的氮肥運籌下，水層管理措施極顯著影響秸稈磷素釋放：S3促進秸稈磷素釋放效果最差，S1處理對秸稈磷素釋放效果最好，腐解試驗結束（110d）時 S1 較 S3處理提高幅度最大為32.07% 。相同的水層管理措施下，秸稈腐解 30d 內氮肥運籌對秸稈磷素釋放影響大多不顯著，腐解60d后，N2、N3和N4處理促進秸稈磷素釋放的效果優于N1處理。

以上分析表明，秸稈埋入土壤后磷素釋放呈先快后慢趨勢。水層管理措施是影響秸稈磷素釋放的主要因素，泡田后 15d 晾田排氣最利于秸稈磷素釋放；氮肥運籌措施也是影響秸稈磷素釋放的重要因素。

表3不同水肥調控措施下秸稈磷素隨腐解時間延長的累積釋放率

2.4 不同水肥調控措施對小麥秸稈鉀素釋放特征的影響

由表4可知，秸稈鉀在秸稈埋入土壤后迅速釋放，秸稈鉀累積釋放率在秸稈腐解15d即達到90% 以上，而后隨時間的延長基本保持不變。腐解15d 時鉀累積釋放率為 92.88%～96.86% ，腐解結束時，鉀累積釋放率為 95.07%～97.99% 。氮肥運籌、水層管理措施對秸稈鉀累積釋放率均無顯著影響。

表4不同水肥調控措施下秸稈鉀素隨腐解時間延長的累積釋放率

3 討論

3.1 氮肥運籌對秸稈腐解及養分釋放進程的影響

秸稈腐解進程受秸稈碳氮比[17]、土壤水分及環境條件等的影響[18]。秸稈腐解的適宜碳氮比為 25：1^[19] ，禾本科作物秸稈的碳氮比普遍較高，如小麥秸稈的碳氮比通常高達 60：1～80：1 ，這就需要在秸稈還田時施入一定量的氮肥以調節碳氮比至合適比例。本研究中，合理提高基施氮肥量明顯提高了小麥秸稈的腐解速度，且促進了秸稈中氮素的釋放，這與石琳等[20]的研究結果一致。原因可能有三個方面，一是小麥秸稈碳氮比高，提高基施氮肥量調節碳氮比至合適比例，促進了腐解秸稈微生物的繁殖和小麥秸稈表觀結構的分解[21]；二是提高基施氮肥量能夠減少淹水條件下秸稈腐解過程中有機酸的積累[22]，改善微生物的繁殖環境，提高纖維素降解酶的活性[23]，促進了秸稈中有機氮的分解；三是隨著秸稈腐解量的增加，微生物數量和豐度急劇增大，微生物繁殖對氮素的需求量增大，這種需求又反過來促進了秸稈中氮素的釋放[24]。本研究中，各氮肥運籌措施對秸稈的促腐效果以N3（基施 40% 氮肥）和N4（基施 60% 氮肥）處理最好，二者促腐效果相當，但N4處理基施氮肥偏多，氮素流失和碳排放風險增大[15]，養分利用率和稻谷產量也相對較低[25]黃婷苗等[26]研究表明，施用氮肥對玉米秸稈腐解進程無影響，這是由于供試玉米秸稈碳氮比較低，接近適宜降解的秸稈碳氮比值，所以施氮對秸稈腐解進程影響有限。

本研究中，經過 110d 的腐解，供試小麥秸稈中 29.78%～62.47% 的氮 .50.55%～74.29% 的磷、95.07%～97.99% 的鉀被釋放出來，這些養分可以作為作物生長的有效肥源替代部分化肥，這說明秸稈還田是實現化肥減施的重要途徑。本研究中秸稈養分累積釋放率表現為鉀 gt; 磷 gt; 氮，這與已有的研究結果[27]一致。秸稈中的鉀主要以離子狀態存在，極易溶于水被釋放出來[28]，這可能也是本研究中秸稈鉀素釋放進程不受氮肥運籌影響的原因。本研究中秸稈磷素釋放進程前期不受氮肥運籌的影響，但后期受氮肥運籌極顯著影響，這是由于秸稈中 60% 以上的磷素以離子形態存在，這部分磷素在前期較易釋放，釋放過程基本不受氮肥運籌的影響，而秸稈中剩余的磷素主要以難分解的有機態存在，這部分磷隨著秸稈腐解進程的深入而在腐解后期緩慢釋放，釋放過程受氮肥運籌的影響。而秸稈中的氮素主要以難分解的有機態存在，其在秸稈的腐解過程中緩慢釋放，釋放進程受氮肥運籌的影響較大。

3.2 水層管理措施對秸稈腐解及養分釋放進程的影響

本研究表明，水層管理措施是影響秸稈腐解及養分釋放的主要因素之一：水稻移栽后適時晾田可明顯促進秸稈腐解，提高秸稈累積腐解率，顯著提高秸稈中氮素和磷素的累積釋放率。武際等[28]研究表明，節水栽培模式提高了秸稈腐解率，促進了秸稈中氮素和磷素的釋放，這與本研究結果一致。分析可能的原因有三個方面，一是由于晾田過程中排出了 CH₄，N₂O 等對微生物繁殖不利的氣體，二是長期淹水環境抑制了好氧微生物的繁殖和酶的活性，而適時晾田或采用節水栽培模式將土壤環境由厭氧狀態改為好氧狀態，改善了土壤的通氣狀況，促進了好氧微生物的繁殖[29]與酶活性的提高，三是晾田過程改善了水稻的生長環境，消除或減輕了有毒氣體對稻根的傷害，促進了水稻對氮、磷的吸收。

本研究中，秸稈氮素養分累積釋放率在秸稈腐解至 60～90d 時較 30～60d 時明顯提高，這可能與本研究采用的水層管理措施有關，本研究在水稻灌漿期后采用干濕交替法灌水，促進了好氧型微生物的繁殖和脲酶的分泌，進而促進有機氮的分解和釋放。

4結論

水層管理措施和氮肥運籌是影響小麥秸稈腐解及其氮素釋放的主要因素；水層管理措施是影響秸稈磷素釋放的第一要素，氮肥運籌只在秸稈腐解后期對磷素釋放有影響；氮肥運籌和水層管理措施對鉀素釋放進程無影響。泡田后 15d 自然耗干晾田、3d后復水的水層管理措施和基肥、返青肥、分蘗肥和穗肥施用比例為 4.0：1.8：2.1：2.1 的氮肥運籌措施提高了小麥秸稈的腐解速率，促進秸稈中氮、磷養分的釋放，是黃淮稻麥輪作區水稻季小麥秸稈還田后理想的水肥調控措施。

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