不同還田方式下木薯莖稈腐解及養(yǎng)分的釋放規(guī)律,農(nóng)藝學論文

不同還田方式下木薯莖稈腐解及養(yǎng)分的釋放規(guī)律,農(nóng)藝學論文在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，長期以來過量施用化肥導致土壤中氮、磷含量過高，有機質(zhì)、鉀含量缺乏;使土壤酸化、團粒構造受損、保肥供肥能力減弱，肥料利用率降低，進而引起連作障礙、缺素性生理病害普遍發(fā)生，導致農(nóng)作物減產(chǎn)及品質(zhì)下降等問題［1－3］。將農(nóng)作物秸稈等廢棄物還田，不僅能夠減少土地生產(chǎn)投入，還能夠維持土壤有機碳含量，改善土壤肥力水平并提高土壤生物活性［4］，是實現(xiàn)生態(tài)農(nóng)業(yè)與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關鍵技術之一［5］。因而，推廣與應用秸稈安全還田技術，可改善土壤團粒構造和理化性狀，提高土壤肥力，增加作物產(chǎn)量，節(jié)約化肥用量，是發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)的一項重要措施。作物秸稈在土壤中腐解并釋放養(yǎng)分是一個復雜的經(jīng)過，國內(nèi)外學者針對作物秸稈還田及其養(yǎng)分釋放規(guī)律的研究已經(jīng)做了一些工作，Murungu等研究了南非冬季覆蓋野豌豆、飼料豌豆和燕麥后其氮、磷的釋放規(guī)律以及對來年種植豆科作物的影響［6］，匡恩俊研究了東北不同還田方式下大豆秸稈的腐解特征［7］，遲鳳琴等研究了東北地區(qū)不同還田方式下玉米秸稈和大豆秸稈有機碳的分解規(guī)律［8］，李逢雨等研究了西南地區(qū)麥稈、油菜稈還田腐解速率及養(yǎng)分釋放規(guī)律［9］。以往的研究主要是針對溫帶、寒溫帶地區(qū)重要的糧食作物，而熱帶地區(qū)具有豐富的光、溫、水條件，使熱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有生物量大、農(nóng)業(yè)廢棄物含水量高等特點，造成了農(nóng)業(yè)廢棄物的利用率低且閑置狀況嚴重的現(xiàn)在狀況，但是關于熱區(qū)作物秸稈還田及養(yǎng)分釋放規(guī)律的研究還未見報道。木薯(Manihotes-culenta)亦稱樹薯，大戟科(Euphorbiaceae)植物，原產(chǎn)于美洲熱帶地區(qū)的亞馬遜河流域，是世界7大作物之一，與馬鈴薯、紅薯并列為世界3大薯類作物，分布于華南地區(qū)，以廣西、廣東和海南栽培最多，福建、臺灣、云南、江西、四川和貴州等省的南部地區(qū)亦有栽培［10］，廣西是木薯產(chǎn)量大區(qū)，木薯年產(chǎn)量占全國70%以上，木薯稈產(chǎn)量在400萬t以上［11］。木薯是熱帶、亞熱帶地區(qū)重要的糧食、飼料作物，也是重要的工業(yè)原料［12］。考慮到在廣西、海南等地種植木薯常采用覆地膜的方式保水、防治雜草。因而，結(jié)合生產(chǎn)實際情況，本文研究了不同還田方式下木薯莖稈腐解及養(yǎng)分的釋放規(guī)律，為熱區(qū)農(nóng)業(yè)廢棄物無害化處理、資源化利用提供理論根據(jù)和技術支撐。1材料與方式方法1.1試驗材料木薯莖稈來源于中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院作物品種資源研究所十隊的木薯研究基地，試驗地土壤屬花崗巖發(fā)育的磚紅壤，pH值為6.7，土壤總有機碳含量為5.4g/kg，全氮含量為0.61g/kg，有效磷(P)含量為40.4mg/kg、速效鉀(K)含量為60.1mg/kg。木薯莖稈粉碎后含水率為28.5%，總碳含量為44.1%，全氮含量為1.4%，全磷(P)含量為0.22%，全鉀(K)含量為1.1%。1.2試驗設計將收獲后的木薯莖稈粉碎為直徑1～2cm的塊狀物，分別裝入孔徑為0.048mm的尼龍網(wǎng)袋(長30cm，寬15cm)，每袋裝入20.00g。于2020年5月，分別以覆土(在兩行木薯之間開溝，深度為20cm，寬度為15cm。保持粉碎的木薯莖稈均勻分布在網(wǎng)袋中，將網(wǎng)袋平鋪于溝內(nèi)覆土)、覆土覆膜(與覆土處理一致，并在覆土后在外表覆蓋地膜)和覆膜(保持粉碎的木薯莖稈均勻分布在網(wǎng)袋中，將網(wǎng)袋平鋪于兩行木薯之間，并直接覆蓋地膜)3種方式還田，每個處理20袋。之后分別在試驗第30、60、120、180和240d取樣，每次每個處理取樣3袋，樣品洗凈后80℃烘干，并用微型植物粉碎機(FZ102)粉碎。同時在取樣期間監(jiān)測土壤含水量。1.3測定方式方法采用H2S04H202消煮植物樣品，用凱氏定氮儀(UDK159，VELP)測定樣品全氮含量，用釩鉬黃比色法測定樣品全磷(P)含量，用多元素火焰光度計(M410，Sherwood)測定樣品全鉀(K)含量［13］。使用總有機碳分析儀(MULTIN/C3100，Jena)根據(jù)使用講明測定樣品總碳含量。1.4數(shù)據(jù)分析質(zhì)量累積減少量(g)=0d木薯莖稈干物質(zhì)量－取樣烘干后木薯莖稈干物質(zhì)量質(zhì)量累積減少率(%)=(0d木薯莖稈干物質(zhì)量－取樣烘干后木薯莖稈干物質(zhì)量)/0d木薯莖稈干物質(zhì)量100質(zhì)量平均減少率(%)=［N次木薯莖稈干物質(zhì)量－(N+1)次木薯莖稈干物質(zhì)量］/質(zhì)量累積減少量/腐解時間100平均腐解速率(mg/d)=(0d木薯莖稈干物質(zhì)量－取樣烘干后木薯莖稈干物質(zhì)量)/腐解時間養(yǎng)分平均釋放率(mg/d)=［N次木薯莖稈養(yǎng)分含量－(N+1)次木薯莖稈養(yǎng)分含量］/腐解時間養(yǎng)分累積釋放率(%)=(0d木薯莖稈養(yǎng)分量－取樣時木薯莖稈養(yǎng)分量)/0d木薯莖稈養(yǎng)分量100養(yǎng)分釋放量(mg)=0d木薯莖稈養(yǎng)分含量－240d木薯莖稈養(yǎng)分含量采用Excel2018分析數(shù)據(jù)并繪圖，采用SPSS19.0進行方差分析，差異顯著性檢驗用Duncan法。2結(jié)果與分析2.1木薯莖稈質(zhì)量累積減少率變化特征在覆土、覆土覆膜和僅覆膜處理下，木薯莖稈還田60d后，質(zhì)量累積減少率分別為38.7%、29.9%和30.8%，表現(xiàn)為覆土處理下，木薯莖稈累積減少率最高(圖1);在還田240d后，木薯莖稈的質(zhì)量累積減少率分別為69.9%、80.8%和73.8%，質(zhì)量累積減少量分別為10.3、11.9和10.9g，表現(xiàn)為覆土覆膜處理下木薯莖稈累積減少率最高，覆膜處理次之，覆土處理最低(P＜0.05)(圖1)。覆土處理、覆土覆膜處理和僅覆膜處理下0～30d木薯莖稈的平均腐解速率分別為33.3、22.5和2.5mg/d;30～60d木薯莖稈的平均腐解速率分別為156.7、124.2和148.5mg/d，表現(xiàn)為覆土＞覆膜＞覆土覆膜，這一階段的質(zhì)量減少量分別占240d內(nèi)木薯莖稈質(zhì)量減少量的45.5%、31.3%和40.1%;60～240d其平均腐解速率分別為25.5、41.6和35.2mg/d，表現(xiàn)為覆土覆膜＞覆膜＞覆土。3種還田方式下木薯莖稈30～60d的平均腐解速率分別是60～240d的6.15、2.98和4.22倍，講明30～60d是木薯莖稈的快速腐解期。30～240d土壤含水率的變化情況見圖2，30～70d、110～240d土壤含水率的水平保持在13%～18%，由于70～110d降雨較多，不同還田方式下土壤的含水率一直處于40%以上。比擬土壤含水率和木薯莖稈質(zhì)量平均減少率的變化趨勢(圖2)，發(fā)現(xiàn)當土壤含水率較高(在40%以上)時，木薯莖稈的質(zhì)量平均減少率處于較低水平，僅為1%～2%，講明較高的土壤含水率并沒有促進木薯莖稈的腐解，分析其原因可能是高的土壤含水率導致土壤構成厭氧環(huán)境而影響了土壤中促進木薯莖稈腐解的微生物的活動。2.2木薯莖稈碳的釋放特征木薯莖稈還田后，覆土、覆土覆膜和僅覆膜處理下30～60d木薯莖稈碳的平均釋放率分別為76.3、58.5和65.3mg/d，期間碳的釋放量分別占240d內(nèi)碳釋放量的39.6%、31.6%和37.7%(圖3)。60～240d碳的平均釋放率分別為17.8、19.6和18.3mg/d。3種還田方式下，30～60d木薯莖稈碳的平均釋放率分別是60～240d的4.28、2.98和3.56倍。因而，30～60d為木薯莖稈碳的快速釋放期，60～240d為木薯莖稈碳的緩慢釋放期。在240d時，覆土處理、覆土覆膜處理和僅覆膜處理下木薯莖稈碳的累積釋放率分別為89.1%、85.4%和79.9%;釋放量分別為5782.4、5547.9和5187.7mg，表現(xiàn)為覆土＞覆土覆膜＞覆膜，各處理間差異顯著(P＜0.05)。2.3木薯莖稈氮的釋放特征木薯莖稈氮的釋放主要分為下面3個階段。覆土、覆土覆膜和僅覆膜處理下，0～30d氮的平均釋放率分別為2.0、2.2和2.6mg/d，分別占240d內(nèi)氮釋放量的39.6%、31.6%和37.7%;30～120d氮的平均釋放率分別為0.32、0.19和0.25mg/d，分別占240d內(nèi)氮釋放量的15.5%、8.7%和13.8%;120～240d氮的平均釋放率分別為0.82、0.92和0.51mg/d，分別占240d內(nèi)氮釋放量的52.6%、57.3%和38.4%(圖4)。由此可知，木薯莖稈氮的釋放經(jīng)歷了快速釋放期、緩慢釋放期、較快速釋放期。在240d時，覆土、覆土覆膜和僅覆膜處理下木薯莖稈氮的累積釋放率分別為90.1%、94.2%和78.1%;釋放量分別為186.8、193.4和160.5mg，表現(xiàn)為覆土覆膜＞覆土＞覆膜，覆土和覆土覆膜處理顯著高于覆膜處理(P＜0.05)，但覆土與覆土覆膜處理間差異不顯著(P＞0.05)。2.4木薯莖稈磷的釋放特征不同還田方式下，僅覆膜處理時0～60d木薯莖稈磷的釋放與覆土、覆土覆膜處理表現(xiàn)不同，磷的平均釋放量僅為13.8%，遠低于其他兩種處理方式的41.4%和37.7%。在120～240d，覆土、覆土覆膜和僅覆膜處理下磷的平均釋放量分別占240d內(nèi)磷釋放量的50.1%、55.7%和84.5%(圖5)。在240d時，覆土、覆土覆膜和僅覆膜處理下木薯莖稈磷的累積釋放率分別為90.6%、93.5%和87.3%，釋放量分別為29.9、30.9和28.8mg，表現(xiàn)為覆土覆膜＞覆土＞覆膜，各處理間差異不顯著(P＞0.05)。2.5木薯莖稈鉀的釋放特征不同還田方式下，木薯莖稈鉀的釋放趨勢基本一致。覆土、覆土覆膜和僅覆膜處理下0～30d木薯莖稈鉀的平均釋放率分別為3.8、3.5和3.3mg/d，期間鉀的釋放量分別占240d內(nèi)鉀釋放量的73.6%、69.1%和65.8%;30～210d木薯莖稈鉀的平均釋放率分別為0.19、0.23和0.25mg/d，期間鉀的釋放量分別占240d內(nèi)鉀釋放量的26.3%、30.8%和34.2%(圖6)。因而，0～30d為木薯莖稈鉀的快速釋放期，30～240d為木薯莖稈鉀的緩慢釋放期。在240d時，覆土、覆土覆膜和僅覆膜處理下木薯莖稈鉀的累積釋放率分別為98.7%、98.5%和97.4%，釋放量分別為154.3、153.9和152.1mg，表現(xiàn)為覆土＞覆土覆膜＞覆膜，各處理間并未表現(xiàn)出顯著差異(P＞0.05)。2.6不同還田方式下木薯莖稈碳氮比的變化特征不同還田方式下，0～180d木薯莖稈的碳氮比均表現(xiàn)為先升后降的趨勢。在0～30d呈現(xiàn)上升趨勢，30d到達最高值，覆土、覆土覆膜和僅覆膜處理下碳氮比分別是42.6、44.6和50.9，在30～180d均呈現(xiàn)下降趨勢，在240d時不同還田方式表現(xiàn)出較大的差異，覆土和覆土覆膜處理呈現(xiàn)上升趨勢，十分是覆土覆膜處理碳氮比升至79.2(圖7)。3討論研究表示清楚，不同還田方式下木薯莖稈在30～60d腐解速度較快，之后隨時間延長緩慢腐解，60d時木薯莖稈的腐解率在30%～38%之間?？锒骺≡谘芯坎煌€田方式下大豆秸稈腐解特征時發(fā)現(xiàn)，在還田0～60d露天及土埋處理分解均較快，60d后分解緩慢，60d時不同處理大豆秸稈腐解率在20%～55%之間［7］。武際等在研究不同水稻栽培形式和秸稈還田方式下的油菜、小麥秸稈腐解特征時發(fā)現(xiàn)，小麥秸稈和油菜秸稈的腐解率均表現(xiàn)為前期快，后期慢的特點，前期不同處理的腐解率在30%～35%之間［14］。潘福霞等在3種不同綠肥的腐解和養(yǎng)分釋放特征研究中發(fā)現(xiàn)，在翻壓15d后箭筈豌豆、苕子和山薰豆的腐解率均到達50%以上，15～70d腐解緩慢［15］，表示清楚不同的作物均表現(xiàn)出前期腐解速率快，后期較慢的特征，但是進入快速分解期的時間不同，腐解率也不同。這可能與作物種類以及土壤環(huán)境差異有關。而匡恩俊等在研究玉米腐解特征時發(fā)現(xiàn)，隨著時間的延長腐解率緩慢增加，在試驗經(jīng)過中腐解速率并未表現(xiàn)出明顯的增減［16］。本研究在木薯莖稈腐解經(jīng)過中同時監(jiān)測了土壤含水量的變化，發(fā)現(xiàn)當土壤含水率處于較高的水平(40%以上)時，木薯莖稈的質(zhì)量平均減少率處于較低的水平，碳、氮的平均釋放率也處于較低的水平。王曉玥等應用Biolog方式方法研究田間條件下小麥和玉米秸稈腐解經(jīng)過中微生物群落的變化時發(fā)現(xiàn)，腐解半年和一年的平均吸光度值與腐解期均溫、采樣月溫度以及月均降雨量等氣候因素呈顯著負相關［17］，也就是講腐解期均溫、采樣月溫度以及月均降雨量的增高并沒有促進土壤微生物的代謝活性。由于降雨量的增加導致土壤含水率的增加，對土壤微生物活動的影響主要表如今兩個方面，一方面，土壤濕度的改變會影響一些微生物的生長繁衍和生理機能［18］;另一方面，還會影響可溶性有機物的含量造成底物供應的差異，導致了微生物群落的活性和功能的差異［19，20］。本研究中，木薯莖稈在高土壤含水率的情況下腐解速度減慢可能是由于微生物群落活動的活性改變造成的。腐解經(jīng)過中養(yǎng)分的釋放速率表現(xiàn)為K＞P＞NC，養(yǎng)分累積釋放率到達60%以上的時間分別是30、120、180和180d。這與以往的研究結(jié)果一致［7，9，14，15］。原因是作物秸稈中的鉀主要是以離子形態(tài)存在，易溶于水，容易被釋放出來;磷一部分以離子態(tài)存在，另一部分以難分解的有機態(tài)存在;而碳、氮主要是以較難分解的有機態(tài)存在［14］。在木薯莖稈氮的釋放經(jīng)過中，表現(xiàn)出快－慢－快的趨勢，由于腐解速率與作物殘體的化學組分有關，水溶性物、苯醇溶性物和粗蛋白物質(zhì)分解最快，半纖維素次之，纖維素更次之，木質(zhì)素最難分解［15］。0～30d木薯莖稈中一些容易分解的粗蛋白和小分子化合物分解并釋放出氮素;在30～120d，一些難分解的復雜的有機化合物，分解成為易分解的小分子化合物，并緩慢釋放出一部分氮素;在120～240d，之前分解得到的小分子化合物進一步分解并釋放氮素。其養(yǎng)分釋放機理有待進一步研究。本研究中，不同還田方