不同界面玉米秸秆腐解特征及其碳释放量动态变化

来源:用户上传      作者:马琳 吴景贵 陈晓东

　　摘要 [目的]探究不同界面玉米秸秆腐解规律。[方法]从秸秆腐解的3个界面-避光厌氧的近土层（SC）、避光厌氧的中层（ZC）、见光好氧的上层（XC）的腐解特征进行对比探讨。[结果]随腐解时间的增加玉米秸秆的质量残留量呈先快速降低后缓慢降低的变化趋势。其中前期2个月为快速腐解期，第3个月为缓慢腐解期，而在第3个月以后则进入了稳定腐解期。根据玉米秸秆腐解过程中的质量残留量计算腐解率，XC的玉米秸秆腐解率明显优于SC和ZC，不同界面玉米秸秆中碳的释放量呈先快速增加后逐渐减缓最后趋于稳定的趋势。在玉米秸秆腐解的各个时间节点，XC 中碳的释放量显著高于其他界面。此外，一级动力学方程表明XC 中的玉米秸秆有较高的碳矿化能力。[结论]玉米秸秆在避光厌氧的近土层的腐解效果优于避光厌氧的中层以及见光好氧的上层，更有利于玉米秸秆中碳的释放，向土壤归还碳元素。
　　关键词 玉米秸秆;腐解;不同界面;碳释放;变化特征
　　Abstract [Objective]The research aimed to explore the decomposition rule of maize straw at different interfaces.[Method]The decomposing characteristics of the three interfaces of straw degradation： dark anaerobic nearly soil （SC）， middle （ZC） dark anaerobic， see the light of the aerobic decomposing and characteristics of the upper （XC） exposed to light aerobic are compared and discussed.[Result]With the increase of the decay time for the quality of maize straw residue have been rapidly reduced down slowly.The first 2 months were rapid decay， the third month was slow decay， and the third month was stable decay.According to the calculation of decomposition rate based on the mass residue in the decomposition process of maize straw， the decomposition rate of XC maize straw was significantly better than that of SC and ZC. The carbon emission of maize straw at different interfaces increased rapidly at first， then slowed down gradually， and finally became stable.At each time point of maize stalk decomposition， carbon release in XC was significantly higher than that at other interfaces.In addition， the firstorder kinetic equation indicated that corn straw in XC had higher carbon mineralization capacity.[Conclusion]The decomposition effect of corn straw in the near soil layer that avoids light and anaerobic is better than that in the middle layer that avoids light and anaerobic and that in the upper layer that sees light and aerobic， which is more conducive to the release of carbon in corn straw and the return of carbon elements to the soil.
　　Key words Maize straw;Decomposing;Different interfaces;Carbon release;Change characteristics
　　隨着我国农业的迅速发展，每年收获大量农产品的同时，大量的作物秸秆也随之而来[1]。据报道，我国主要的作物秸秆年产量均在7亿t以上[2]， 这些秸秆含有丰富的养分，从养分归还学说的角度来说秸秆还田是高效利用作物秸秆方式之一[3]， 一方面， 秸秆还田可以固着大量的碳， 显著增加土壤有机质含量， 改善土壤基本理化性状，减少土壤重金属及相关有机污染， 减少温室气体排放，减少温室效应， 提升耕地质量和增加土壤净生产力[4-6];另一方面， 秸秆还田可以将秸秆本身的养分归还到土壤中， 促进作物的吸收与利用， 促进作物对养分的利用与平衡[7]，同时也能减少对与化学肥料的施用[8]。因此，秸秆还田是绿色、高效、可持续、友好的，具有深远意义的。
　　目前对于秸秆还田的研究主要是集中在不同方式秸秆还田、对比秸秆与秸秆生物碳还田效果以及秸秆配施不同梯度化肥还田等方面。马建辉等[9]研究玉米秸秆直接全量还田与全量过腹还田对麦田碳平衡的影响，通过对比2种不同秸秆还田方式，发现在豫北地区全量过腹还田模式麦田土壤碳平衡贡献优于直接全量还田。黄容等[10]对比秸秆还田配施化肥与常规施用化肥发现，秸秆与化肥配施较常规施肥处理可以减少温室气体的排放。乔丹丹等[11]研究发现生物碳还田效果较秸秆还田更有利于黄褐土团聚体稳定性及有机碳积累。然而，目前关于秸秆还田的界面有所争论。寿春光等[12]研究秸秆覆盖还田发现秸秆覆盖还田有助于土壤保墒保水;也有研究认为玉米秸秆覆盖还田，残留的玉米秸秆不易腐解，残留在地表，影响下一茬作物种植[13];韩锦泽等[14]认为秸秆深还田有利于增加土壤酶的含量和活性以及增加土壤微生物的丰度活性与功能等。为进一步明确不同界面玉米秸秆腐解及其碳释放规律，笔者采用尼龙网袋法从秸秆腐解的3个界面（避光厌氧的近土层、避光厌氧的中层、见光好氧的上层）的腐解特征进行对比分析，进一步揭示玉米秸秆还田的腐解规律，为秸秆还田提供进一步的科学依据。 　　1 材料与方法
　　1.1 试验地概况
　　试验地点位于吉林省长春市净月区吉林农业大学试验基地，属于半干燥半湿润交替的季风气侯。年积温为2 950～3 500 ℃·d， 年降水量为600 mm左右，无霜期为145 d左右。土壤类型为黑土， 耕层土壤基本肥力性状为有机碳20.91 g/kg、全氮1.14 g/kg、全磷0.61 g/kg、全钾3.33 g/kg。
　　1.2 试验设计 此次试验开始于2018年6月，试验选择玉米秸秆作为供试有机物料，其基本性质为有机碳492.18 g/kg、全氮8.36 g/kg、全磷1.15 g/kg、全钾12.38 g/kg。采用尼龙网袋法进行试验，按重复3次埋入网袋。从秸秆腐解的3个界面——避光厌氧的近土层（SC）、避光厌氧的中层（ZC）、见光好氧的上层（XC）的腐解特征进行对比探讨，每个月从各个层面取出3个网袋进行分析。
　　1.3 试验方法
　　于2018年6月称取20 g玉米秸秆装于尼龙网袋中，密封。每隔30 d从避光厌氧的近土层（SC）、避光厌氧的中层（ZC）、见光好氧的上层（XC）中各取出3个网袋进行分析。将网袋内玉米秸秆去除杂质后烘干至恒重后进行称重，然后采用重铬酸钾外加热法对网袋内玉米秸秆有机碳进行测定[15]。
　　1.4 数据处理 采用SPSS 18.0软件对数据进行分析统计，数据的整理、计算以及绘图采用Excel 2016和Origin 9.0软件。
　　质量残留量为网袋内玉米秸秆残留质量;腐解率计算公式为：腐解率=网袋内玉米秸袋内玉米量初始玉米秸秆质量×100%。
　　采用 Olson 衰减模型计算玉米秸秆降解速率：y=exp-kt，式中，y为玉米秸秆残留率（%）;k为降解常数;t 为降解时间（d） 。玉米秸秆残留率（y）=1-腐解率。由降解模型可得玉米秸秆腐解的半衰期（ 50%降解率） 计算公式：t（0.5）=ln 0.5/（-k）;完全降解时间（ 95%降解率） 计算公式为：t（0.95）=ln 0.05/（-k）。
　　碳釋放量为初始秸秆含碳量与不同时期网袋内秸秆含碳量之差。不同界面玉米碳释放量与腐解时期的一级动力学拟合方程为：Ct=C0×（1-e-k0t），式中，Ct为玉米秸秆某时期累积矿化碳量（g）;C0为玉米秸秆碳素的矿化潜力，即玉米秸秆所能释放的最大值;k0为碳释放速率常数。
　　2 结果与分析
　　2.1 不同界面玉米秸秆腐解过程质量残留量的动态变化
　　从图1可以看出，随着腐解时间的增加，玉米秸秆的质量残留量呈先快速降低后缓慢降低的变化趋势。其中0～60 d为快速腐解期，60～90 d 为缓慢腐解期，而在90 d 以后则进入了稳定腐解期。
　　根据玉米秸秆腐解过程中的质量残留量计算腐解率，计算结果如表1。从表1可看出，XC的玉米秸秆腐解率明显优于SC和ZC，在30、60、90、120、150 d时的腐解率分别为24.7%、49.8%、57.6%、62.7%、64.6%。SC腐解率在30 d时为18.6%，较ZC腐解率略快，而在60、90、120、150 d时SC腐解率则均低于ZC腐解率，与ZC腐解率相比分别低了1.0%、8.8%、8.2%、13.2%。
　　2.2 不同界面玉米秸秆腐解过程质量残留量与腐解时间的线性拟合方程
　　如图2 所示，采用线性方程对不同界面玉米秸秆腐解过程质量残留量与腐解时间进行拟合，结果发现，SC、ZC、XC拟合方程的R2分别为0.938、0.975、0.857，表明不同界面玉米秸秆腐解过程质量残留量与腐解时间之间有较好的线性相关关系。由线性方程可知，在不同界面（SC、ZC、XC）中玉米秸秆腐解50%所需时间分别为132、107、87 d。
　　2.3 不同界面玉米秸秆腐解Olson 衰减模型 进一步采用Olson 衰减模型对不同界面玉米秸秆腐解特征进行分析，由表2 可知，SC、ZC、XC不同界面玉米秸秆腐解常数分别为0.006 4、0.006 6、0.011 5。腐解常数越大表征着其腐解周期越短。在SC、ZC、XC不同界面玉米秸秆腐解50%所需时间分别为108、105、60 d，玉米秸秆腐解95%所需时间分别为468、453、260 d。其中XC界面玉米秸秆腐解过程所需天数明显少于其他2个界面，SC界面玉米秸秆腐解所需时间最长。
　　2.4 不同界面玉米秸秆腐解过程碳释放动态变化
　　由图3可知，随着玉米秸秆腐解时间的增加，不同界面玉米秸秆中碳的释放量呈先快速增加后逐渐减缓变慢最后趋于稳定的趋势。在玉米秸秆腐解的各个时间节点，XC 中碳的释放量显著高于其他界面。0～60 d 玉米秸秆中碳的释放较快，占碳总释放量（150 d 时释放量）的 57.01%～59.26%;60～120 d 碳释放逐渐缓慢，120 d后逐渐趋于稳定。在150 d 时， SC、ZC、XC的碳释放量分别为 1.14、1.42和 1.62 g，其中XC较ZC、SC界面碳释放量分别增加0.20、0.48 g。
　　整体来看，玉米秸秆在不同界面中的腐解速率从高到低依次为XC、ZC、SC。其主要原因一方面是由于玉米秸秆与土壤表层接触，使得土壤中的土壤动物、土壤微生物可以更好地参与到玉米秸秆的腐解，还田玉米秸秆的腐解过程中， 除了物理因素、化学因素影响其腐解进程外， 土壤动物以及土壤微生物因素也起着至关重要的作用[19-20]。付荣恕等[21]研究发现玉米秸秆腐解过程中会增加土壤动物群落丰度，反之土壤动物对玉米秸秆的破碎也会影响玉米秸秆的腐解进程。杨丽丽等[22]研究发现微生物有利于玉米秸秆的腐解，促进玉米秸秆腐解，释放养分。另一方面，XC、ZC界面相对与SC界面其环境温度、湿度等更加稳定。玉米秸秆本身的结构性质以及化学组成组分属于是秸秆腐解的内在因素， 一般不易改变， 而土壤微生物的丰度及活性是外在动力， 易受到外界环境因素的影响[23]，这也使得XC、ZC较SC的玉米秸秆腐解速度快。 　　玉米秸稈碳的释放受其本身的性质、结构以及环境等因素的共同作用[24]。该试验玉米秸秆在不同界面中的碳释放量从高到低依次为XC、ZC、SC。玉米秸秆碳释放量与腐解时间的一级动力学方程也说明XC、ZC较SC有更高的碳矿化能力。这主要原因是：一方面，玉米秸秆的腐解过程中，单糖物质、纤维素或半纤维素以及有机物质分解转化释放碳源物质[25]，分解速度的快慢也就影响着玉米秸秆碳释放速度的快慢，该试验玉米秸秆腐解率高低排序与玉米秸秆碳释放量高低排序一致;另一方面，玉米秸秆碳的释放主要是由于微生物对玉米秸秆的利用与分解[26]，玉米秸秆与土壤表层接触，使得土壤微生物可以高效、快速有效的利用，促进玉米秸秆碳的释放。
　　综上所述，通过此次试验发现玉米秸秆在避光厌氧的近土层的腐解效果优于避光厌氧的中层和见光好氧的上层，更有利于玉米秸秆中碳的释放，向土壤归还碳元素。
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