謝 帥，梁鑫宇，宋明丹,2，韓 梅，李正鵬*

（1 青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院，青海西寧 810016；2 國(guó)家農(nóng)業(yè)環(huán)境西寧觀(guān)測(cè)實(shí)驗(yàn)站，青海西寧 810016）

青海東部農(nóng)業(yè)區(qū)為高寒干旱氣候區(qū)，氣候資源豐富，作物生長(zhǎng)具有“一季有余、兩季不足”的特點(diǎn)。小麥作為青海省主要的糧食作物，收獲后會(huì)出現(xiàn)2～3個(gè)月空閑期，此時(shí)正值雨熱同期，為了充分利用光、水、土等資源，一般會(huì)在麥田套/復(fù)種綠肥。毛葉苕子(Vicia sativa)生物固氮能力強(qiáng)、適應(yīng)性廣，被廣泛用于北方農(nóng)田套/復(fù)種模式[1-2]。在生產(chǎn)實(shí)踐中，綠肥于小麥灌漿期撒播套種，小麥成熟后，機(jī)械收割將粉碎的麥秸散落在生長(zhǎng)綠肥的麥田中，下霜后綠肥逐漸停止生長(zhǎng)，之后殘留麥稈和凍死綠肥覆蓋地表，一直持續(xù)到第二年春播灌水，通過(guò)旋耕機(jī)將殘留的有機(jī)物料打碎與土壤充分混勻。該模式可有效利用秸稈資源，秸稈和綠肥覆蓋地表具有蓄水保墑的作用[3-4]，并有效減少了青海冬季風(fēng)沙對(duì)土壤的侵蝕。

作物秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的寶貴資源，直接還田是減肥增效、土壤培肥的主要措施[5]，了解其腐解和養(yǎng)分釋放規(guī)律，對(duì)化肥減量以及后茬作物養(yǎng)分供應(yīng)具有重要的意義[6]。有機(jī)物料腐解過(guò)程受秸稈自身屬性的影響[7]，初期為快速分解階段，主要是一些可溶性糖類(lèi)、蛋白質(zhì)、纖維素等快速分解，后期為緩慢分解時(shí)期，微生物逐步緩慢分解蠟質(zhì)、木質(zhì)素等物質(zhì)[8]。有機(jī)物料腐解過(guò)程中，物料C/N起著重要的作用。Nicolardot等[9]、Wang等[10]研究表明，微生物分解有機(jī)物料的最優(yōu)C/N為25∶1，因此高C/N有機(jī)物料(如禾本科作物秸稈)還田后，易造成高碳低氮的土壤環(huán)境，微生物活性在腐解過(guò)程中被限制，并且還會(huì)與后茬作物競(jìng)爭(zhēng)氮素，導(dǎo)致腐解初期土壤缺氮，影響后茬作物生長(zhǎng)。李濤等[11]研究發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈和小麥秸稈單獨(dú)還田后，均降低了苗期土壤的無(wú)機(jī)氮含量，而通過(guò)氮肥調(diào)節(jié)秸稈C/N為25后，對(duì)土壤無(wú)機(jī)氮無(wú)顯著影響。邱學(xué)禮等[12]研究發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)玉米秸稈還田會(huì)降低煙葉的總產(chǎn)量，原因是玉米秸稈單獨(dú)還田后與烤煙幼苗出現(xiàn)爭(zhēng)氮的現(xiàn)象，通過(guò)苕子、氮肥調(diào)節(jié)其C/N可顯著提高煙葉的產(chǎn)量和產(chǎn)值?？梢?jiàn)C/N高的有機(jī)物料單獨(dú)還田時(shí)，需添加外源氮，來(lái)調(diào)控物料C/N。Parr等[13]認(rèn)為，當(dāng)有機(jī)物料含氮量大于1.5%～1.7%，C/N為25～30，即可滿(mǎn)足微生物對(duì)氮素的需求。豆科綠肥秸稈C/N一般較低約為15～20，單獨(dú)還田給微生物創(chuàng)造了低碳高氮的土壤環(huán)境，還田初期會(huì)提高土壤氮素含量，但作物苗期對(duì)氮素利用量低，會(huì)造成土壤氮素的無(wú)效損失。前人發(fā)現(xiàn)不同高、低C/N有機(jī)物料聯(lián)合還田會(huì)發(fā)生交互作用，表現(xiàn)出不同的腐解和養(yǎng)分釋放規(guī)律[14-15]，如夏志敏等[16]發(fā)現(xiàn)玉米秸稈與蠶豆秸稈配合后可促進(jìn)秸稈碳和土壤氮礦化；宋莉等[17]發(fā)現(xiàn)紫云英與油菜秸稈配合還田，可促進(jìn)油菜秸稈的分解，同時(shí)保證了土壤速效氮含量。目前，不同高、低C/N有機(jī)物料聯(lián)合還田在南方稻區(qū)研究較多，以紫云英-稻稈聯(lián)合還田為主，而在北方地區(qū)，有機(jī)物料聯(lián)合還田的腐解和養(yǎng)分釋放規(guī)律缺乏試驗(yàn)和科學(xué)理論的支撐。本研究開(kāi)展小麥秸稈、毛葉苕子及其混合物料腐解試驗(yàn)，通過(guò)雙庫(kù)指數(shù)衰減模型量化腐解過(guò)程，混合效應(yīng)值表征物料間的交互作用，從而了解不同有機(jī)物料在青海高原的腐解和養(yǎng)分釋放規(guī)律，以期為當(dāng)?shù)赜袡C(jī)物料還田提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

試驗(yàn)點(diǎn)位于青海省城北區(qū)青海省農(nóng)林科學(xué)試驗(yàn)地 (36°56′N(xiāo)、101°74′E、海拔 2290 m)，屬于大陸性干旱氣候，年均氣溫、降水量、蒸發(fā)量分別為5.9℃、367.5 mm、1180.9 mm，年均日照時(shí)數(shù)、日照率、光合輻射總量為2748 h、62.8%、612.5 J/cm2，土壤為栗鈣土，0—20 cm耕層土壤基礎(chǔ)理化性狀為有機(jī)碳24.59 g/kg、全氮1.47 g/kg、全磷3.09 g/kg、全鉀23.2 g/kg、堿解氮120.17 mg/kg、速效磷41.67 mg/kg、速效鉀228.67 mg/kg、pH 8.33。圖1為腐解期內(nèi)的日平均氣溫和降水量。

圖1 腐解期間日平均氣溫和降水量Fig. 1 Daily mean air temperature and precipitation during the period of decomposition

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用尼龍網(wǎng)袋法填埋有機(jī)物料，供試材料為小麥秸稈(S)和毛葉苕子(G)，小麥秸稈收獲于2020年8月1日，干物質(zhì)量為7000 kg/hm2、全碳含量為47.27%、全氮含量為0.72%、C/N為66∶1。毛葉苕子來(lái)自小麥?zhǔn)斋@后套種的綠肥樣品，收獲時(shí)間為2020年10月20日，干物質(zhì)量為4200 kg/hm2、全碳含量為43.87%、全氮含量為4.00%、C/N為11∶1。根據(jù)麥稈和毛葉苕子的干物質(zhì)量來(lái)配比二者混合物料，混合物料記為G+S，C/N為24∶1。試驗(yàn)設(shè)3個(gè)處理分別為S、G、G+S，每個(gè)處理重復(fù)3次。各物料經(jīng)旱棚晾曬后，裁剪為2 cm左右長(zhǎng)，烘干后各稱(chēng)取40 g，混勻后裝入長(zhǎng)20 cm寬15 cm尼龍網(wǎng)袋(孔徑75 μm)，埋入20 cm深土壤中，撂荒自然腐解，填埋時(shí)間為2021年3月30日，取樣時(shí)間為填埋后第7、14、28、42、72、117、162 天，腐解期無(wú)人為因素影響。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

樣品采集時(shí)，各處理均取出3個(gè)腐解袋帶回實(shí)驗(yàn)室，用濕毛巾擦凈尼龍網(wǎng)袋表面附著的泥土，于60℃烘干至恒重，稱(chēng)量，研磨備用。物料有機(jī)碳測(cè)定采用重鉻酸鉀容量—外加熱法，全氮采用半微量凱氏定氮法，全磷采用鉬銻抗比色法，全鉀采用火焰光度法。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

不同時(shí)期各物料累積腐解率和養(yǎng)分累積釋放率計(jì)算方法如下：

一般有機(jī)物料殘留率，碳、氮、磷、鉀養(yǎng)分殘留率隨時(shí)間的變化，可用雙庫(kù)指數(shù)衰減模型來(lái)模擬：

式中，Wt為第t天的物料各指標(biāo)的殘留率；a為易分解部分比例，近似等于周年腐解率；b=1-a表示難分解部分比例；k為易分解部分的分解速率常數(shù)，則1/k為易分解部分的平均周轉(zhuǎn)天數(shù)，指分解掉其易分解部分所需要的時(shí)間。

采用物料混合效應(yīng)值(RME，residue-mixing effect)表征麥稈與毛葉苕子混合后是否產(chǎn)生混合效應(yīng)[18-19]，計(jì)算公式如下：

式中，EXP為混合物料各指標(biāo)的預(yù)測(cè)值；Ri為i物料單獨(dú)腐解時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值。Wi為i物料在混合物料中的比例；s為物料種類(lèi)數(shù)量。OBS為混合物料各指標(biāo)的實(shí)測(cè)值；RME＞0表示物料混合后存在協(xié)同效應(yīng)，RME＜0表示存在拮抗效應(yīng)，絕對(duì)值的大小表示混合效應(yīng)的強(qiáng)弱。

用Excel 2019整理數(shù)據(jù)，SPSS 25.0軟件進(jìn)行方差分析，LSD法進(jìn)行多重比較，Origin 18.0制圖以及方程擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)物料累積腐解率和腐解速率

隨腐解進(jìn)程的推進(jìn)，各處理的累積腐解率逐漸升高，升高趨勢(shì)為前期(0～42天)快后期慢(圖2a)，在相同采樣時(shí)間點(diǎn)均表現(xiàn)為G＞G+S＞S。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)(162天)，各處理的累積腐解率分別為81.93% (G)、51.65% (S)、64.17% (G+S)，G處理顯著高于S和G+S處理(P＜0.05)。各處理腐解速率變化如圖2b，G處理在8～14天的腐解速率達(dá)到最大，為1648.10 mg/d；S處理腐解速率在0～28天內(nèi)變化較小，隨后表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，在15～28天內(nèi)腐解速率最大為347.62 mg/d；G+S處理表現(xiàn)出先下降再升高后下降的趨勢(shì)，在0～7天內(nèi)腐解速率最大為488.10 mg/d。

圖2 各有機(jī)物料腐解率和腐解速率Fig. 2 Accumulated decomposition ratio and decomposition rate of each organic material

2.2 有機(jī)物料腐解過(guò)程養(yǎng)分釋放特征

隨腐解進(jìn)程的推進(jìn)，各處理碳、氮、磷、鉀的累積釋放率逐漸升高，升高趨勢(shì)表現(xiàn)出前期快后期慢(圖3a、b、c、d)，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，各養(yǎng)分累積釋放率均表現(xiàn)為G＞G+S＞S。不同處理中碳、氮、磷、鉀的累積釋放率表現(xiàn)不同，毛葉苕子表現(xiàn)出：鉀＞氮＞碳＞磷；混合物料表現(xiàn)出：鉀＞磷＞氮＞碳；麥稈表現(xiàn)出：鉀＞磷＞碳＞氮。

圖3 各有機(jī)物料中碳、氮、磷、鉀累積釋放率和釋放速率Fig. 3 Accumulated release ratio and release rate of carbon, nitrogen, phosphorus, and potassium of each organic material

至試驗(yàn)結(jié)束，各處理的碳素累積釋放率分別為85.30% (G)、46.66% (S)、62.77% (G+S)，G 處理顯著高于S和G+S處理(P＜0.05)，分別高82.81%、35.89%。碳素釋放速率表現(xiàn)見(jiàn)圖3e，隨腐解進(jìn)程的推進(jìn)，各處理整體表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，快速腐解期均為0～7天，碳素釋放速率分別為1282.83 mg/d(G)、661.25 mg/d (S)、441.59 mg/d (G+S)，G 處理的碳素釋放速率顯著高于S和G+S處理(P＜0.05)，分別高94.00%、190.50%。

氮素累積釋放率不同于碳素，在相同的采樣點(diǎn)內(nèi)均表現(xiàn)出G＞G+S＞S (圖3b)，其中麥稈在28～42天的腐解時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)對(duì)氮的固持，至腐解結(jié)束，各處理氮素累積釋放率分別為88.29% (G)、31.83%(S)、66.78% (G+S)。氮素釋放速率表現(xiàn)見(jiàn)圖3f，隨腐解時(shí)間的推移，G處理整體表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，快速腐解期在0～28天；S和G+S處理均表現(xiàn)出先升高再下降的趨勢(shì)，快速腐解期分別為0～14和0～28天。

磷、鉀累積釋放率有明顯的前快后慢的趨勢(shì)(圖3c、d)，至腐解結(jié)束，各處理磷素累積釋放率分別為 71.30% (G)、62.66% (S)、68.24% (G+S)，磷素的快速釋放期均為0～14天(圖3g)。鉀素累積釋放率在第42天時(shí)，各處理均已經(jīng)達(dá)到了90%以上，至腐解結(jié)束，各處理鉀素累積釋放率分別為98.24%(G)、94.62% (S)、97.40% (G+S)，且鉀素快速釋放期均為 0～42天 (圖3h)。

2.3 有機(jī)物料腐解模擬

雙庫(kù)指數(shù)衰減模型(公式7)可以較好地模擬物質(zhì)殘留率、養(yǎng)分殘留率與腐解時(shí)間的關(guān)系，R2均大于0.91 (表1)。S、G、G+S處理中易分解部分的質(zhì)量分別約占總質(zhì)量的53.62%、79.25%、64.16%，G處理顯著高于S和G+S (P＜0.05)，分別高47.80%、23.52%。各處理中碳、氮、磷的易分解部分比例均表現(xiàn)為G處理最高，鉀的易分解部分S處理最高，除鉀外G處理顯著高于S和G+S處理。

表1 不同有機(jī)物料質(zhì)量和養(yǎng)分?jǐn)M合參數(shù)Table 1 Mass and nutrient fitting parameters of different organic materials

2.4 有機(jī)物料混合腐解效應(yīng)(RME)分析

有機(jī)物料混合填埋后，提高了易分解干物質(zhì)量比例及碳、氮、磷、鉀的易分解部分比例，其中碳、氮、磷的易分解部分比例實(shí)測(cè)值顯著高于預(yù)測(cè)值，存在顯著的協(xié)同作用(P＜0.05)。物料混合后極顯著增加碳、氮的易分解部分平均周轉(zhuǎn)天數(shù)，極顯著降低磷、鉀的易分解部分平均周轉(zhuǎn)天數(shù)(P＜0.01) (表2)。混合處理碳素易分解比例的實(shí)測(cè)值顯著高于預(yù)測(cè)值，高6.02%。物料混合后易分解碳的平均周轉(zhuǎn)周期比預(yù)測(cè)值延長(zhǎng)22.54天，延緩碳素的釋放，對(duì)碳素養(yǎng)分的釋放表現(xiàn)出極顯著的拮抗作用?；旌咸幚淼匾追纸獗壤膶?shí)測(cè)值顯著高于預(yù)測(cè)值，高22.77%。易分解氮的平均周轉(zhuǎn)天數(shù)比預(yù)測(cè)值延長(zhǎng)6.65天，延緩了氮素養(yǎng)分的釋放?；旌咸幚砹姿匾追纸獗壤膶?shí)測(cè)值顯著高于預(yù)測(cè)值，磷素易分解比例比預(yù)測(cè)值高5.41%。易分解磷的平均周轉(zhuǎn)天數(shù)比預(yù)測(cè)值縮短1.66天，物料混合能加快磷素的釋放。鉀素易分解比例的實(shí)測(cè)值略大于預(yù)測(cè)值，兩者之間無(wú)顯著差異。易分解鉀的平均周轉(zhuǎn)天數(shù)比預(yù)測(cè)值縮短3.50天，物料混合能加快鉀素的釋放。

表2 小麥秸稈與毛葉苕子混合腐解效應(yīng) (RME) 分析Table 2 Analysis of residue-mixing effect (RME) of wheat straw and hairy vetch

3 討論

3.1 不同有機(jī)物料腐解規(guī)律差異分析

有機(jī)物料的腐解過(guò)程受氣候、土壤環(huán)境條件和有機(jī)物料自身性質(zhì)的影響。隨腐解進(jìn)程的推進(jìn)，累積腐解率呈現(xiàn)前期快、后期慢的變化特征[20]，本研究結(jié)果與其一致。但相較前人研究結(jié)果[21-23]，本研究的快速腐解期在青海地區(qū)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，這可能是填埋時(shí)(三月)氣溫較低，降水量較少。物料累積腐解率表現(xiàn)出毛葉苕子最高，麥稈最低，是因?yàn)槊~苕子體內(nèi)可溶性有機(jī)物和無(wú)機(jī)養(yǎng)分較多，微生物可利用的養(yǎng)分多，還田后促進(jìn)了微生物的生命活動(dòng)，從而加速毛葉苕子的分解，而麥稈中木質(zhì)素、纖維素等難分解物質(zhì)較多[24-25]，且微生物在分解代謝過(guò)程中，還會(huì)產(chǎn)生一些難分解的中間產(chǎn)物，導(dǎo)致麥稈的腐解較慢。

有機(jī)物料的C/N也是影響腐解的關(guān)鍵因素，當(dāng)物料含氮量大于1.5%～1.7%時(shí)，C/N為(25～30)∶1，即可滿(mǎn)足微生物對(duì)氮素的需求，進(jìn)而有利于有機(jī)物料的分解。本研究發(fā)現(xiàn)，C/N為24∶1的混合物料在每個(gè)采樣時(shí)間點(diǎn)內(nèi)，其累積腐解率均小于C/N為11∶1的毛葉苕子，這與前人的研究結(jié)果[13]相反，原因可能是受到C/N組成成分的影響。本試驗(yàn)中氮素來(lái)源均為有機(jī)氮，相較于無(wú)機(jī)氮，有機(jī)氮在腐解初期難以被微生物快速利用，導(dǎo)致腐解緩慢，有研究表明添加尿素可促進(jìn)有機(jī)物料腐解[26]，所以選擇合適的外源氮素，來(lái)調(diào)控不同物料的C/N，對(duì)有機(jī)物料的分解具有重要的意義。

3.2 物料養(yǎng)分釋放與田間養(yǎng)分管理

有機(jī)物料在腐解過(guò)程中會(huì)伴隨著養(yǎng)分的釋放，不同養(yǎng)分的累積釋放率和快速釋放期與其在物料體內(nèi)的含量、存在形態(tài)和存在位置有關(guān)。本研究中不同處理的碳、氮、磷、鉀的累積釋放率表現(xiàn)不同，毛葉苕子表現(xiàn)出：鉀＞氮＞碳＞磷；混合物料表現(xiàn)出：鉀＞磷＞氮＞碳；麥稈表現(xiàn)出：鉀＞磷＞碳＞氮，這與前人研究結(jié)果[27]一致。各處理養(yǎng)分的累積釋放率整體表現(xiàn)出前快后慢的趨勢(shì)，這與潘福霞等[28]研究結(jié)果一致。各處理鉀素的累積釋放率高于其他養(yǎng)分，且主要表現(xiàn)在0～42天，前人研究[29]也發(fā)現(xiàn)，秸稈還田后的0～30天內(nèi)，鉀素會(huì)爆發(fā)式的釋放，原因是有機(jī)物料中80%鉀素以離子態(tài)或水溶性鹽類(lèi)存在，易溶于水，可快速釋放，受微生物活動(dòng)影響小[30]。碳、氮在腐解前期釋放較快的原因是有機(jī)物料中少部分可溶性碳、氮組分的釋放，后期主要是碳、氮有機(jī)化合物的分解，故分解緩慢[31]。磷素的快速釋放主要表現(xiàn)在0～14天，是因?yàn)橛袡C(jī)物料中有40%～80%的磷以水溶態(tài)或弱酸溶解態(tài)無(wú)機(jī)磷存在，在腐解前期容易釋放[32-33]，其余部分參與細(xì)胞壁和核酸的組成，需微生物分解才可釋放[34]。

有機(jī)物料還田后可快速釋放磷、鉀元素，前人研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)物料還田后對(duì)土壤有效磷、速效鉀的補(bǔ)充具有積極的影響[23,27,35-36]，在生產(chǎn)前期可作為速效磷、鉀肥使用。對(duì)于碳素而言，有機(jī)物料殘?bào)w及其代謝物將以較為穩(wěn)定的形式(腐殖質(zhì))進(jìn)入土壤碳庫(kù)，長(zhǎng)期有機(jī)物料還田可以提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，有利于后茬作物生長(zhǎng)發(fā)育。對(duì)于氮素的釋放，毛葉苕子含氮量較高，還田后其快速釋放期正值作物苗期，但此時(shí)作物所需氮量有限，會(huì)造成氮素?zé)o效損失，易引起環(huán)境污染[37]，而麥稈具有高C/N，還田后會(huì)使土壤出現(xiàn)高碳低氮的環(huán)境，迫使微生物固定土壤中的礦質(zhì)態(tài)氮素，與作物競(jìng)爭(zhēng)氮素，導(dǎo)致苗期作物缺氮[31]。本研究發(fā)現(xiàn)，物料混合后延緩了碳和氮的釋放速率，并且增加了碳和氮的釋放量，相較于單一物料還田更符合小麥生長(zhǎng)的養(yǎng)分需求。然而有機(jī)物料的養(yǎng)分釋放會(huì)受到田間管理措施、土壤理化性質(zhì)[38]、下茬作物根系分泌物[39]等的影響，很難完全被下茬作物吸收利用，一部分養(yǎng)分會(huì)以淋溶、徑流、轉(zhuǎn)化為氣體揮發(fā)等形式損失。在青海高原農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，有機(jī)物料還田后是如何協(xié)調(diào)土壤、作物和肥料間的關(guān)系，具體可以歸還土壤多少養(yǎng)分、替代多少化肥用量以及對(duì)后茬作物生長(zhǎng)的影響還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

毛葉苕子、小麥秸稈的累積腐解率分別為81.93% (G)、51.65% (S)，二者混合后可達(dá)64.17%，毛葉苕子中的碳、氮、磷、鉀的累積釋放率高于小麥秸稈。毛葉苕子中易分解部分的比例為79.25%，且碳、氮、磷、鉀在易分解部分中的比例高于麥稈。毛葉苕子與麥稈混合后，調(diào)節(jié)了易分解部分比例以及其中的碳、氮、磷、鉀含量，增加了碳、氮的平均周轉(zhuǎn)天數(shù)，降低了磷、鉀的平均周轉(zhuǎn)天數(shù)，更有利于后茬作物對(duì)養(yǎng)分的利用。