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作物秸秆是农作物产生的一种农业废弃物。我国秸秆量常年保持在8亿t以上[1]，具有秸秆数量多、分布广的特点[2-3]。秸秆直接还田是最为经济有效的方式，秸秆自身含有丰富的营养元素[4-5]，随着国家对秸秆还田推行力度不断加大，作物秸秆中的养分也随之释放到土壤中[6-7]。研究表明，长期秸秆还田能够提高土壤有机质含量[8]，改善土壤物理性质[9]，促进微生物活动[10]，有利于土壤养分库容量的增加[11]。可见，秸秆直接还田不仅提高了资源循环利用[12-14]，也有利于我国实现碳中和、碳达峰的阶段目标。油菜是我国重要的油料作物，每年油菜秸秆资源量可达4000万t [1，15]。由于腾茬时间较紧，油菜秸秆的腐解速率是影响轮作区秸秆还田可行性的一个重要因素[5，16-17]。
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关于秸秆腐解和养分释放特征的研究较多，如戴志刚[18]通过室内模拟试验比较了水稻、小麦和油菜秸秆的腐解速率差异；宋莉等[19]通过盆栽试验模拟稻田秸秆混合绿肥的腐解养分释放；武际等[20]通过大田试验比较节水栽培和常规栽培对不同秸秆腐解的影响；黄菲等[21]采用尼龙网袋法研究了干湿交替和还田方式对作物秸秆腐解及养分释放的影响。以上研究主要集中在不同管理方式对秸秆腐解和养分释放特征的影响。然而，在生产实际过程中，农户施肥量差异较大，导致产生的秸秆养分含量不同，秸秆的碳氮比（C/N）差异较大，进而可能影响秸秆腐解及养分释放。为此，本研究通过尼龙网袋法，以不同C/N的油菜秸秆为研究对象，探究模拟水田中不同C/N油菜秸秆腐解特征和养分释放规律，为秸秆还田合理利用提供理论依据。
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1 材料与方法
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1.1 试验点概况
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试验于2019年8～12月在湖北省武汉市华中农业大学微量元素研究中心遮雨棚中开展。供试秸秆为华中农业大学长期定位不同氮梯度试验田的油菜收获秸秆，不同C/N的油菜秸秆基本性质见表1。供试土壤为湖北省黄冈市蕲春县向桥乡由花岗片麻岩发育的红壤性砂土，供试土壤的有机质25.6g/kg，全氮1.4g/kg，有效磷6.2mg/kg，速效钾78.0mg/kg，pH 5.4。
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1.2 试验设计
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试验共设3个处理：即C/N 136（施氮量60kg/hm2 种植的油菜收获的茎干和角壳）、C/N 116（施氮量180kg/hm2 种植的油菜收获的茎干和角壳）和C/N 92（施氮量240kg/hm2 种植的油菜收获的茎干和角壳）。油菜秸秆的腐解采用尼龙网袋法，取风干后长度为5cm的油菜茎干和角壳（1∶1）共20g，装入长25cm、宽15cm、孔径为0.074mm的网袋中。圆柱形塑料桶（高16cm、直径17cm）内装土1kg后放入1个网袋，并用1kg土填埋。每盆初始加水1.5L，使水完全淹没土壤，培养过程中不定期（每隔2～3d）向盆中加水，始终保持水面淹过土层1～2cm。
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1.3 样品测定与数据处理
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1.3.1 样品采集与测定
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分别于培养的第0、1、3、5、10、20、30、40、 50、65、80、100、120d取样，取样时随机从各处理中选取3个网袋作为重复，用水冲净网袋粘附的泥浆，在60℃下烘干，称重、磨碎，用于测定剩余秸秆中碳、氮、磷含量。秸秆有机碳含量采用重铬酸钾容量法-外加热法测定[22]，秸秆氮、磷含量采用浓硫酸-双氧水消煮，用德国SEAL公司AA3型连续流动分析仪测定[23]。
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1.3.2 数据处理
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秸秆质量和碳、氮、磷累积减少率、残留量和累积释放率采用以下公式计算：
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秸秆累积减少率（%）=（初始质量-取样时质量）/初始质量 ×100（1）
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养分残留量（g）=取样时秸秆质量 × 样品的养分含量（2）
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养分累积释放率（%）=（初始养分量-剩余养分量）/初始养分量 ×100（3）
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试验数据采用Excel 2013统计计算、Origin 2017作图并进行方差分析，采用最小显著法（LSD）检验试验数据的差异显著性水平（P<0.05）。
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2 结果与分析
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2.1 不同C/N秸秆的质量腐解特征
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如图1所示，在淹水环境下秸秆残留量随腐解时间推移呈现出指数型降低的趋势。在120d的田间腐解试验中，不同C/N秸秆腐解的质量残留量为11.94～12.32g，腐解率为38.40%～40.40%。其中1～10d为秸秆快速腐解期，平均腐解速度为0.65g/d，累积腐解率为30.73%～33.59%，占总腐解率的80.03%～83.14%。第11～30d为油菜秸秆缓速腐解期，平均腐解速度仅为0.05g/d，累积腐解率为5.10%～6.42%，占总腐解率的13.28%～16.42%。第31～120d为慢速腐解期，腐解率仅占总腐解率的4.50%，平均腐解速度不足0.01g/d，且不同C/N秸秆在各腐解期的腐解速率差异不显著（P>0.05）。
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图1 不同C/N秸秆腐解残留量动态变化特征与秸秆累积腐解率
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2.2 不同C/N秸秆碳、氮、磷含量变化特征
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如图2a所示，不同C/N的秸秆碳含量变化总体上呈先升高后降低的趋势，快速腐解期（1～10d）内秸秆碳含量由第0d的43.36%增加至第10d的47.05%，增幅达3.69个百分点，此后随着腐解时间的推进，秸秆中碳含量逐渐降低，到培养结束时，秸秆含碳量降低至41.31%～43.75%。不同处理在1～10d差异不显著，在21～60d秸秆中碳含量表现为C/N 92> C/N 116> C/N 136。不同C/N秸秆氮含量变化差异显著（图2b），秸秆含氮量在前一周呈指数型降低趋势，表明秸秆氮素的释放集中在快速腐解期。在快速腐解期，C/N 92秸秆含氮量从47.23%下降到32.76%后趋于稳定，降低了14.47个百分点，降幅显著高于C/N 116 （降低7.0个百分点）和C/N 136（降低4.5个百分点）。整个腐解过程中，不同秸秆含氮量在各个时期有显著差异，秸秆氮素释放量随着C/N的升高而降低。秸秆含磷量变化趋势（图2c）与含氮量变化趋势相似，在淹水3d内秸秆磷素迅速释放，秸秆含磷量变化在C/N 136、C/N 116和C/N 92处理间没有显著差异。
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图2 不同C/N秸秆腐解过程中碳、氮、磷含量动态变化特征
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2.3 不同C/N秸秆碳、氮、磷累积释放率差异
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如图3所示，不同C/N的秸秆碳、氮、磷累积释放率均呈前期（0～10d）快速释放，中期 （11～30d）缓慢释放，后期（31～120d）基本处于停滞状态，整体趋势与质量腐解一致。整个过程中碳累积释放率（图3a）为39.17%～41.38%， 3个时期的碳累积释放率分别为28.63%、5.73%和6.58%，分别占总累积释放率的69.70%、13.41%和16.89%，且整个过程中不同处理秸秆碳的释放在各时期差异均不显著。秸秆氮素在整个过程中共释放2.97～5.57g，如图3b所示，主要集中在快速腐解期，C/N 92、C/N 116和C/N 136秸秆氮素累积释放率在第10d分别迅速达到53.76%、46.49%和38.60%，分别占总累积释放率的98.58%、86.32%和83.51%，各处理在31～50d出现小幅度下降，降幅为3.68%。在整个腐解过程中，不同C/N的秸秆氮累积释放率在快速腐解末期开始出现显著差异，秸秆氮素累积释放率随着C/N升高而降低，且到试验结束均保持差异显著状态。磷素累积释放率整体趋势与氮素相似（图3c），5d内秸秆磷素迅速释放，且到第5d各处理累积释放率达到67.99%～80.36%，快速释放5d后各处理出现差异，至试验结束时各处理秸秆磷素累积释放率大小保持为C/N 136> C/N 116>C/N 92。
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图3 不同C/N秸秆碳、氮、磷累积释放率
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2.4 秸秆C/N、C/P、N/P变化特征
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如图4所示，在整个腐解过程中秸秆C/N、 C/P、N/P均为先快速增高后缓慢降低最后趋于稳定的趋势。快速腐解期（1～10d）内秸秆C/N由初始计量比增加至第10d的142.51～166.13（图4a），增幅达21.40%～54.27%，此后，不同处理秸秆C/N均出现缓慢降低，在65d达到拐点，降幅仅为6.46%，到培养结束时秸秆C/N趋于稳定，最终秸秆C/N稳定在130.23～158.81之间；不同处理秸秆C/P在腐解过程中差异不显著（图4b）；秸秆N/P在快速腐解期由初始的5.56～14.04迅速上升，至第5d达到最大值（16.20～21.86），此后，秸秆N/P呈下降趋势，降幅为11.54%～17.70%，至慢速腐解期，各处理秸秆N/P无显著变化。
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图4 不同C/N秸秆腐解过程中C/N、C/P、N/P动态变化特征
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3 讨论
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油菜秸秆淹水腐解过程中养分的释放趋势均为前期（0～10d）迅速腐解，中期（11～30d）缓速腐解，后期（31～120d）慢速腐解。秸秆养分的释放速度逐渐减缓，这主要是因为在秸秆还田初期，其中有较多的易分解成分，比如多糖、氨基酸、有机酸等可溶性有机物及无机养分，为微生物提供了大量的能源和养分，刺激微生物活动旺盛[16]，秸秆中微生物偏嗜性高的可溶性糖类、蛋白质和（半）纤维素等物质的快速分解，导致秸秆进入快速腐解的时期。随着腐解进程的进行，快速分解时期未被分解的、微生物利用程度不高的木质素和蜡质等物质通过物理、化学作用逐步缓慢地分解[23-24]。秸秆腐解整体趋势与宋莉等[19]的研究一致，同时，不同C/N的秸秆养分释放率表现为磷> 氮> 碳，其原因是秸秆中的磷以离子态和有机态两种形态存在，有机态难分解；碳和氮则主要以有机态存在，因此碳和氮的释放率低于磷[20]。有研究发现，外源施氮调节秸秆C/N后，秸秆磷素释放率升高[25]，因此，施氮可能增加了无机磷的释放率。秸秆分解主要依赖于微生物的生命活动，微生物自身有机物质的C/N大约为25，在分解土壤有机物质时每同化1份氮需同化25份碳，其中5份碳用于合成微生物体的有机物质，20份碳被呼吸氧化成CO2 释放能量供微生物生命活动。如果有机物料C/N过大，适当添加氮素可促进微生物对其的分解[19]。在实际农业生产活动中，施加氮肥是一个重要的生产环节，也是确保作物高产的基础，由于施加氮肥导致秸秆C/N发生变化，从而影响秸秆的腐解速率。
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4 结论
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在120d的淹水条件下，不同C/N的油菜秸秆腐解速率无差异，在腐解过程中均表现为前期（0～10d）快速释放、中期（11～30d）缓慢释放、后期 （31～120d）释放基本停滞的特征。相较于高C/N，低C/N的油菜秸秆具有更高的氮素释放率，而磷素的释放速率则降低。田间淹水条件下秸秆养分在前10d能够快速腐解释放，有利于土壤碳、氮、磷的补充。
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摘要
由于农户施肥量差异较大，导致产生的秸秆养分含量尤其是秸秆碳氮比（C/N）不同，可能影响秸秆还田腐解。为探究不同 C/N 油菜秸秆腐解动态及养分释放特征，开展室内培养试验。试验选取 C/N 92、C/N 116 和 C/N 136 的油菜秸秆作为 3 个处理，采用尼龙网袋法淹水培养 120 d。结果表明：不同 C/N 秸秆均表现为前期（0 ～ 10 d）迅速腐解（累积腐解率 30.73% ～ 33.59%）、中期（11 ～ 30 d）缓速腐解（累积腐解率 5.10% ～ 6.42%）、后期（31 ～ 120 d）慢速腐解（累积腐解率仅占总腐解率的 4.50%）。不同 C/N 秸秆碳、氮、磷平均释放率分别为 28.32%、46.28%、73.05%，元素释放率表现为磷 > 氮 > 碳。不同 C/N 秸秆养分释放差异表现在快速腐解期，其中 C/N 92 秸秆的氮素累积释放率相较于 C/N 116 和 C/N 136 分别高 7.27% 和 15.16%，磷素释放率则表现为 C/N 136 秸秆较 C/N 116 和 C/N 92 分别高 1.91% 和 13.53%，而不同 C/N 秸秆碳素在整个腐解期均无显著差异。综上所述，低 C/N 的油菜秸秆氮素具有更高的释放率，而高 C/N 秸秆磷素的释放率则高于低 C/N 的秸秆。
Abstract
Due to large difference in the amount of fertilizer applied by farmers，the nutrient content of straw，especially the carbon-nitrogen ratio（C/N）of straw，may affect the straw returning to the field．In order to explore the decomposition dynamics and nutrient release characteristics of different C/N oilseed rape straw，an incubation experiment was carried out．In this experiment，three different C/N of oilseed rape straw treatments were set up，including C/N 92，C/N 116 and C/N 136，and the nylon net bag method was used to submerged-culture for 120 days．The results showed that the straw with different C/N showed rapid decay（30.73%～33.59%）in the early stage（0～10 d），slow decay（5.10%～6.42%）in the middle stage（11～30 d）， and extremely slow decay（4.50% of the total decay）in the late stage（31 ～ 120 d）．Under different C/N conditions，the average release rate of straw was 28.32%，the average release rate of nitrogen was 46.28%，and the average release rate of phosphorus was 73.05%．The release rate of carbon was slower than that of nitrogen and phosphorus，and the final release rate was phosphorus > nitrogen > carbon．Nutrient release of different C/N stalks was different in the rapid decomposition stage．The nitrogen cumulative release rate of C/N 92 stalks was 7.27% and 15.16% higher than that of C/N 116 and C/N 136，respectively，while the phosphorus release rate of C/N 136 stalks was 1.91% and 13.53% higher than that of C/N 116 and C/N 92 stalks，respectively．However，the carbon content of straw with different C/N had no significant difference during the whole decomposition period．In conclusion，the nitrogen release rate of oilseed rape straw with low C/N was higher，while the phosphorus release rate of oilseed rape straw with high C/N was higher than that of straw with low C/N.