棉花秸秆腐解特征及其对小麦产量的影响_杨丽荣.pdf

第42卷 第4期2023年 7月华中农业大学学报Journal of Huazhong Agricultural UniversityVol.42 No.4July 2023，132139棉花秸秆腐解特征及其对小麦产量的影响杨丽荣，吕娜，张钊，刘安达，马学峰，杨国正华中农业大学植物科学技术学院，武汉 430070 摘要 为探讨还田的棉花秸秆腐解动态及不同还田量的棉花秸秆对小麦产量的影响，于2018-2020年冬小麦播种后，将棉花秸秆机械粉碎覆盖还田，设置全量还田（all stalk returning，AS）、半量还田（half stalk returning，HS）（移出一半秸秆后机械粉碎）、不还田（zero stalk returning，ZS）（移出全部秸秆）3个处理，分析不同还田量棉花秸秆的腐解、养分释放及其结构组分变化规律。结果显示，秸秆腐解速率表现为先快后慢，还田后20 d腐解最快，此后腐解速率逐渐下降；还田后170 d，2018-2019年半量还田和全量还田秸秆腐解率分别为73.4%和66.8%，2019-2020年分别为77.6%和60.4%。秸秆中不同结构组分的释放率存在差异，经过170 d腐解，棉花秸秆可溶性糖释放率为70.7%81.38%，纤维素腐解率为57.3%60.7%，木质素腐解率为44.1%50.3%；秸秆N、P、K释放率也存在差异，N、P、K释放率分别为66.5%74.7%、71.4%80.5%和83.1%87.9%。本研究结果表明，棉花秸秆还田增加了小麦有效穗数，进而提高小麦产量。可见，棉花秸秆还田有利于改善土壤养分状况，提高冬季作物（小麦）产量，其中以全量秸秆还田更好。关键词 棉花；秸秆还田；土壤养分；腐解；小麦；产量中图分类号 S562.09.9 文献标识码 A 文章编号 1000-2421（2023）04-0132-08我国棉花总产量位居世界第一，如何充分、合理地利用棉花秸秆成为亟待解决的难题。秸秆还田作为当前秸秆利用最重要、最广泛的技术途径之一，秸秆中N、P、K等多种营养物质释放到土壤中，可以补偿作物对土壤养分的消耗，减少肥料投入，防止因焚烧造成的空气污染1。而秸秆还田后在自然条件下的腐解特征，如腐解速度、腐解量等，不仅关系到秸秆还田技术，而且关系到对后茬作物生长发育及其产量形成的影响。因此，了解棉花秸秆还田后，秸秆腐解过程、土壤肥力状况、后茬作物产量等非常必要，这对于科学利用农作物秸秆具有重要意义。农作物秸秆的化学组成主要包括纤维素、半纤维素、木质素、可溶性糖等富碳物质以及丰富的N、P、K等营养元素2。半纤维素和木质素以共价键连接，共同包裹纤维素3，三者之间存在复杂的关系。秸秆自身物质组成也对其腐解进程起重要作用，作物秸秆碳氮比和氮磷比会分别影响氮和磷在土壤中的释放4-6，适宜的碳氮比（25 1）有利于微生物分解，秸秆碳氮比过高，还田后微生物和当季作物争夺土壤中的氮，导致秸秆腐解变慢，养分释放受限，作物产量降低7-8。此外，多酚类物质、木质素含量9、氮素含量10均是影响秸秆腐解和养分释放的重要因素。秸秆在土壤中的腐解大致分为3个阶段，秸秆还田后易矿化组分率先被白霉菌和无芽孢细菌分解利用，之后相对易分解的纤维素类物质被纤维素分解菌和芽孢细菌分解，最后某些真菌和放线菌缓慢分解利用木质素、单宁等难分解组分2，11-12。前人研究结果表明，秸秆还田可以提高土壤有机碳和微生物量碳含量、培肥地力13-14、提高作物产量15-17。相较于小麦、玉米、水稻，关于棉花秸秆还田的研究较少，且研究内容多集中于棉秆还田对棉花产量15-17、土壤养分13以及棉花秸秆还田与其他肥料配施对后茬作物产量和土壤理化性质的影响15，鲜少有对棉花秸秆还田后自身腐解特征的研究。本研究基于湖北省普遍采用的棉花-小麦复种模式，研究不同还田量棉花秸秆的腐解、养分释放过程及其结构组分变化规律，分析秸秆还田后的腐解收稿日期：2022 11 09基金项目：中央高校基本科研业务费专项（2662021PY003）；湖北洪山实验室项目（2021hszd006）杨丽荣，E-mail：通信作者：杨国正，E-mail：杨丽荣，吕娜，张钊，等.棉花秸秆腐解特征及其对小麦产量的影响 J.华中农业大学学报，2023，42（4）：132139.DOI：10.13300/ki.hnlkxb.2023.04.015特征及其对后茬作物（小麦）产量的影响，以期为棉花秸秆的合理利用提供理论依据。1材料与方法1.1试验区概况试验于2018年11月至2020年6月在华中农业大学试验农场进行。供试土壤为黄棕壤，耕层（020 cm）土壤含碱解氮 52.4 mg/kg、速效磷 33.6 mg/kg、速效钾144.7 mg/kg。条播种植冬小麦后，棉花秸秆（机械）粉碎覆盖还田。棉花品种为华棉3109，小麦品种为郑麦9023，均为湖北省推广应用品种。棉花秸秆还田后，冬小麦生长季（秸秆还田腐解期 间）降 雨 量 分 别 为 2018-2019 年 475.6 mm、2019-2020年463.8 mm（数据来源于本试验田附近100 m 内）自 动 气 象 站（Campbell Scientific.Inc.，USA，包括 CR800 数据采集器、HMP45C 空气温湿度传感器、LI-200X总辐射传感器、TE525MM雨量计传感器、034B风速风向传感器）。1.2试验设计棉花秸秆还田量设置3个水平，0 kg/hm2（秸秆不还田，ZS）、1 300 kg/hm2（半量还田，HS）、2 600 kg/hm2（全量还田，AS）。完全随机区组设计，3次重复，共9个小区，小区面积30.4 m2（10 m3.04 m）。棉花10月底收获后，棉花秸秆（机械）粉粹（不还田处理全部移出、半量还田处理移出一半棉花秸秆），秸秆粉碎长度58 cm，均匀覆盖厢面。开沟条播小麦（2018 年 11 月 8 日播种，2019 年 5 月 21 日收获；2019年11月18日播种，2020年5月22日收获），小麦田间管理按常规措施进行。1.3采样与测定方法1）秸秆取样。2018-2019年每20 d 采样1次，2019-2020 年于 0、20、50、170 d 取 0.25 m2棉花秸秆，装入网袋，清理秸秆表面泥土后烘干称质量，磨碎后分别过孔径0.150 mm筛（测定全氮、全磷、全钾、可溶性糖含量）和孔径0.425 mm筛（测定纤维素、木质素含量）。2）秸秆腐解率与腐解速率。棉花秸秆还田t 时间后的腐解率和腐解速率按下式计算：秸秆腐解率=（M0-Mt）100%/M0秸秆腐解速率=（Mt-1-Mt）t/A式中，Mt为还田后t 时间秸秆质量，g；M0为还田当日的秸秆质量，g；t为连续2次取样的间隔时间，d；A为面积，m2。3）秸秆成分。参照文献 18-19 ，采用硫酸与重铬酸钾氧化法测定纤维素含量，采用浓硫酸法测定木质素含量，采用浓硫酸-蒽酮乙酸乙酯法测定可溶性糖含量。组织成分腐解率=（M0-Mt）100%/M0式中，Mt为还田后 t 时间秸秆成分含量，g/kg；M0为还田当日的秸秆成分含量，g/kg。4）秸秆全氮、全磷、全钾测定。称取棉花秸秆样品0.200 g于消煮管，加浓硫酸5 mL摇匀，静置过夜。在消煮炉中消解12 h，期间加12次高氯酸，每次加510滴，消煮后冷却，过滤并定容到100 mL容量瓶中，同时消煮空白对照。待测液稀释5倍后用流动分析仪测定植株N、P含量，用火焰光度法测定棉花秸秆K含量。养分释放率=（X0-Xt）/X0100%式中，Xt为还田后 t 时间秸秆 N（P、K）含量，g/kg；X0为还田当日的养分含量，g/kg。1.4数据处理和分析采用 Excel 2013 进行数据整理，Statistix 8.1 和Spss 24进行统计分析。2结果与分析2.1小麦产量及其构成因素由表1可见，棉花秸秆还田较不还田提高了小麦产量，且全量还田比半量还田增产幅度大。各处理小麦产量，全量还田处理最高，增产（较不还田处理）48.8%；半量还田处理次之，较不还田处理增产2.9%。半量还田、全量还田处理每平方米穗数均显著高于不还田处理，且随还田量增加而增加。还田量对千粒重无影响。2019-2020年，小麦产量随秸秆还田量增加而增加，其中全量还田处理较不还田处理增产59.8%，较半量还田处理增产6.6%。2.2棉花秸秆腐解率和腐解速率不同还田量棉花秸秆腐解率差异显著（图1）。还田170 d后，2018-2019半量还田和全量还田处理中棉花秸秆的腐解率分别为 73.4%和 66.8%，2019-2020年分别为77.6%和60.4%，且半量还田处理棉花秸秆腐解率均显著大于全量还田处理，表明还田量小的处理，棉花秸秆的腐解率较大。2019-2020年半量还田处理的腐解率比2018-2019年增加了6%，而全量还田处理的腐解率降低了10%。棉花秸秆腐解速率整体呈“快-慢-快”的变化趋势，腐解前期还田量少的处理腐解速率快，后期还田量大的处理腐解速率高（图2）。2018-2020年不同还田量第 4 期杨丽荣 等：棉花秸秆腐解特征及其对小麦产量的影响特征及其对后茬作物（小麦）产量的影响，以期为棉花秸秆的合理利用提供理论依据。1材料与方法1.1试验区概况试验于2018年11月至2020年6月在华中农业大学试验农场进行。供试土壤为黄棕壤，耕层（020 cm）土壤含碱解氮 52.4 mg/kg、速效磷 33.6 mg/kg、速效钾144.7 mg/kg。条播种植冬小麦后，棉花秸秆（机械）粉碎覆盖还田。棉花品种为华棉3109，小麦品种为郑麦9023，均为湖北省推广应用品种。棉花秸秆还田后，冬小麦生长季（秸秆还田腐解期 间）降 雨 量 分 别 为 2018-2019 年 475.6 mm、2019-2020年463.8 mm（数据来源于本试验田附近100 m 内）自 动 气 象 站（Campbell Scientific.Inc.，USA，包括 CR800 数据采集器、HMP45C 空气温湿度传感器、LI-200X总辐射传感器、TE525MM雨量计传感器、034B风速风向传感器）。1.2试验设计棉花秸秆还田量设置3个水平，0 kg/hm2（秸秆不还田，ZS）、1 300 kg/hm2（半量还田，HS）、2 600 kg/hm2（全量还田，AS）。完全随机区组设计，3次重复，共9个小区，小区面积30.4 m2（10 m3.04 m）。棉花10月底收获后，棉花秸秆（机械）粉粹（不还田处理全部移出、半量还田处理移出一半棉花秸秆），秸秆粉碎长度58 cm，均匀覆盖厢面。开沟条播小麦（2018 年 11 月 8 日播种，2019 年 5 月 21 日收获；2019年11月18日播种，2020年5月22日收获），小麦田间管理按常规措施进行。1.3采样与测定方法1）秸秆取样。2018-2019年每20 d 采样1次，2019-2020 年于 0、20、50、170 d 取 0.25 m2棉花秸秆，装入网袋，清理秸秆表面泥土后烘干称质量，磨碎后分别过孔径0.150 mm筛（测定全氮、全磷、全钾、可溶性糖含量）和孔径0.425 mm筛（测定纤维素、木质素含量）。2）秸秆腐解率与腐解速率。棉花秸秆还田t 时间后的腐解率和腐解速率按下式计算：秸秆腐解率=（M0-Mt）100%/M0秸秆腐解速率=（Mt-1-Mt）t/A式中，Mt为还田后t 时间秸秆质量，g；M0为还田当日的秸秆质量，g；t为连续2次取样的间隔时间，d；A为面积，m2。3）秸秆成分。参照文献 18-19 ，采用硫酸与重铬酸钾氧化法测定纤维素含量，采用浓硫酸法测定木质素含量，采用浓硫酸-蒽酮乙酸乙酯法测定可溶性糖含量。组织成分腐解率=（M0-Mt）100%/M0式中，Mt为还田后 t 时间秸秆成分含量，g/kg；M0为还田当日的秸秆成分含量，g/kg。4）秸秆全氮、全磷、全钾测定。称取棉花秸秆样品0.200 g于消煮管，加浓硫酸5 mL摇匀，静置过夜。在消煮炉中消解12 h，期间加12次高氯酸，每次加510滴，消煮后冷却，过滤并定容到100 mL容量瓶中，同时消煮空白对照。待测液稀释5倍后用流动分析仪测定植株N、P含量，用火焰光度法测定棉花秸秆K含量。养分释放率=（X0-Xt）/X0100%式中，Xt为还田后 t 时间秸秆 N（P、K）含量，g/kg；X0为还田当日的养分含量，g/kg。1.4数据处理和分析采用 Excel 2013 进行数据整理，Statistix 8.1 和Spss 24进行统计分析。2结果与分析2.1小麦产量及其构成因素由表1可见，棉花秸秆还田较不还田提高了小麦产量，且全量还田比半量还田增产幅度大。各处理小麦产量，全量还田处理最高，增产（较不还田处理）48.8%；半量还田处理次之，较不还田处理增产2.9%。半量还田、全量还田处理每平方米穗数均显著高于不还田处理，且随还田量增加而增加。还田量对千粒重无影响。2019-2020年，小麦产量随秸秆还田量增加而增加，其中全量还田处理较不还田处理增产59.8%，较半量还田处理增产6.6%。2.2棉花秸秆腐解率和腐解速率不同还田量棉花秸秆腐解率差异显著（图1）。还田170 d后，2018-2019半量还田和全量还田处理中棉花秸秆的腐解率分别为 73.4%和 66.8%，2019-2020年分别为77.6%和60.4%，且半量还田处理棉花秸秆腐解率均显著大于全量还田处理，表明还田量小的处理，棉花秸秆的腐解率较大。2019-2020年半量还田处理的腐解率比2018-2019年增加了6%，而全量还田处理的腐解率降低了10%。棉花秸秆腐解速率整体呈“快-慢-快”的变化趋势，腐解前期还田量少的处理腐解速率快，后期还田量大的处理腐解速率高（图2）。2018-2020年不同还田量133第 42 卷 华 中 农 业 大 学 学 报棉花秸秆腐解速率最大的时期均为还田后 20 d，2018-2019年半量还田和全量还田处理棉花秸秆腐解速率分别为3.20、2.42 g/（m2 d），2019-2020年半量还田和全量还田处理棉花秸秆腐解速率分别为3.85、3.58 g/（m2 d）。棉花秸秆还田后20150 d，各处理腐解速率逐渐下降，150 d后棉花秸秆腐解速率相对变快。还田后90 d，半量还田处理棉花秸秆平均腐解速率高于全量还田处理；110170 d，全量还田处理秸秆平均腐解速率高于半量还田处理。腐解过程中半量还田处理的平均腐解速率均高于全量还田处理，不同还田量处理第2年棉花秸秆平均腐解速率均高于第1年。棉花秸秆半量还田比全量还田达到一定累计腐解率所需时间短，2018-2019年半量还田和全量还田处理达到30%、50%、80%的累计腐解率所需时间分别相差 42、35、23 d。累计腐解率从 30%到 50%和从50%到80%，半量还田分别需要64 d和96 d，全量还田需要57 d和84 d。2.3棉花秸秆纤维素、木质素的腐解及可溶性糖的释放 不同还田量棉花秸秆纤维素、木质素腐解及可溶性糖释放规律相似（图3）。棉花秸秆纤维素腐解缓慢，170 d后半量还田和全量还田处理棉花秸秆纤维素腐解率2018-2019年分别达到 59.5%、58.3%，2019-2020年分别为60.7%、57.3%。还田量对棉花秸秆纤维素腐解无显著影响，但显著影响木质素分解。2018-2019年半量还田和全量还田处理棉花秸秆木质素腐解率前期上升快后期变缓，170 d后腐解率分别达到 51.1%、44.1%，但其中还田后70 d的腐图2 还田量对棉花秸秆腐解速率的影响Fig.2 Cotton stalk decomposition rates under different returning stalk amounts表1还田量对小麦产量及其构成因素的影响Table 1Yield and its components of wheat under different stalk treatments处理TreatmentZSHSAS有效穗数/m-2Spike number2018-2019218.0c236.0b247.0a2019-2020205.0c265.0b374.3a穗粒数Grain number per spike2018-201925.8b19.6c34.7a2019-202030.07a24.19b25.08b千粒重/g1000-grain weight2018-201946.6a48.5a25.08b2019-202041.3a42.3a44.6a产量/(kg/hm2)Grain yield2018-20192 663.3c2 741.8b3 962.4a2019-20202 542.4b2 710.2b4 062.9a注：ZS：秸秆不还田；HS：半量还田，1 300 kg/hm2；AS：全量还田，2 600 kg/hm2；不同小写字母表示差异显著（P 0.05）。下同。Note：ZS：Zero stalk returning；HS：Half stalk returning，1 300 kg/hm2；AS：All stalk returning，2 600 kg/hm2.Different letters indicate significant difference（P纤维素木质素，这与前人研究结果一致 22-23。纤维素和木质素结构复杂，且相互交织在一起，微生物难以破坏其结构24，故导致其腐解速率较慢，腐解率较低，需要较长时间才能腐解完毕，且还田量高的处理各组分腐解率低。秸秆N、P、K均表现为直接释放，还田70 d释放量可占最终释放量的 50%以上，呈“快-慢”释放规律，平均腐解速率表现为KPN，这与前人研究结果一致25-26。还田后170 d，不同还田量棉花秸秆均表现为全钾释放率较高，为 83.1%83.9%；其次是全 磷，为 74.3%80.5%；全 氮 释 放 率 较 低，为66.5%74.4%。营养元素释放快慢与其存在形式密切相关，秸秆钾主要是K+，易溶于水被释放出来；而秸秆磷中有约40%的磷是难分解的有机磷；秸秆氮主要是结构性氮素，易释放的贮存性氮占比很小，结构性氮素需要被微生物矿化为无机氮才能逐渐释放，且释放比较慢27。秸秆还田对小麦有一定的增产效果28-29。本试验中，与棉花秸秆不还田处理相比，棉花秸秆还田处理产量提高了 2.9%59.8%，且不同年份全量还 田 处 理 比 半 量 还 田 处 理 分 别 增 产 44.5%和49.9%，但 2 a小麦产量无显著差异。还田秸秆被分解后向土壤中释放各种营养元素，可以有效提高冬小麦叶绿素含量，从而使旗叶的蒸腾作用和光合作用增强，促进光合物质向籽粒转运，且冬小麦生长前期气温较低，覆盖在土壤表面的棉花秸秆可起到增温保墒的作用。张娟霞30连续5 a试验结果证明，玉米秸秆还田可有效增加冬小麦单位面积穗数，但对其他产量构成因素无显著影响；殷文等31研究结果也证明，秸秆还田可以提高冬小麦穗数和穗粒数，与本研究结果一致。综上，棉花秸秆还田后170 d（小麦生长季）内，生物质腐解 66.8%73.4%，可溶性糖可释放 80%，纤维素腐解 60%，而木质素腐解仅为 44.1%51.1%。还田量对纤维素、木质素和可溶性糖的释放速度均无显著影响，棉花秸秆中K释放率最高，可为土壤提供更多的K元素，故秸秆还田后可适当减少钾肥施用量。参考文献References 1石祖梁，王飞，王久臣，等.我国农作物秸秆资源利用特征、技术模式及发展建议 J.中国农业科技导报，2019，21（5）：8-16.SHI Z L，WANG F，WANG J C，et al.Utilization characteristics，technical model and development suggestion on crop straw in China J.Journal of agricultural science and technology，2019，21（5）：8-16（in Chinese with English abstract）.2陈尚洪.还田秸秆腐解特征及其对稻田土壤碳库的影响研究D.雅安：四川农业大学，2007.CHEN S H.Study on decomposition 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