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我国是一个粮食作物生产大国，每年有大量农作物秸秆产生。秸秆是一种宝贵的能源物质，含有大量养分元素，将这些秸秆变废为宝合理利用能减少化肥的投入，避免资源浪费，有助于推进农业农村现代化步伐[1]。据统计，我国每年产生的农作物秸秆量达到 9 亿 t，加工得到的副产物有 5.8 亿 t [2]，是世界上秸秆产出最多的国家。由于受到农业生产条件以及农村经济发展水平等综合因素的影响，中国农作物秸秆资源供给显现出了阶段性、区域性和结构性过剩的现象[3]，导致了大量秸秆遗留野外或者就地露天焚烧，环境问题日益严重。
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磷是农业生态系统生产力的限制性营养素[4]。磷肥利用率通常在 10%～20% 之间，大多数磷由于化学沉淀和表面吸附而被固定，不能被植物吸收利用[5]，经常过量施用磷肥会导致磷在农田土壤中的积累[6]，而土壤中积累的磷可能通过侵蚀、地表径流和淋溶的方式进入地表水和地下水环境，引发水体富营养化并破坏生态系统平衡。
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秸秆还田是一种提高磷素生物有效性的实用方法，它主要通过释放磷素、提供碳源刺激微生物生长、释放有机酸竞争土壤磷吸附位点 3 种方式来提高稻田土壤磷的有效性[7]。当秸秆还田至土壤中，其腐解速率和磷素释放规律受土壤通气性、酸碱度、湿度、微生物活性等多种因素影响[8]，而不同土层具备其特有的土壤特性，因此秸秆的还田深度是影响秸秆腐解释放养分的最重要因素之一，目前的研究多关注于表层、耕层的秸秆分解规律，以及秸秆还田方式或还田量对磷素形态的影响，而秸秆不同还田深度下的释磷、供磷特征尚不明确。本文通过土柱模拟实验，探讨秸秆还田深度对磷生物有效性的影响，为秸秆施用提供科学依据。
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1 材料与方法
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1.1 试验材料
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1.1.1 供试土壤
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供试土壤采于湖北省荆门市掇刀区团林铺镇莲花村某水稻田（112°2′N，30°41′E），土壤类型为黄棕壤性潴育型水稻土，该地区雨量充沛，阳光充足，无霜期长，地处中纬度北亚热带季风气候带，具有春温湿、夏炎热、秋干凉、冬寒冷的气候特征，年平均气温为 15.6～16.3℃，年平均降水量 804～1067 mm。利用多点取样法原位采取 0～10、 10～20、20～30、30～40 cm 4 个土层土壤分别保存，挑出各土层中根系和沙砾，各层土壤基本化学性质如表1。
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1.1.2 供试秸秆
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供试稻草采自湖北省荆门市掇刀区团林铺镇莲花村某农户。秸秆于 90℃ 下烘 3 h 杀青，随后在 60℃下烘干，待烘至恒重后取出磨碎，过 2.00 mm 筛备用。
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1.1.3 供试腐熟剂
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所用腐熟剂是“沃宝”牌复合型生物菌剂，富含对纤维素、半纤维素、木质素分解效果较好的酵母菌、丝状真菌、芽孢杆菌等菌株。
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1.2 试验设计
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将 10.00 g 过 2 mm 筛水稻秸秆装至 0.025 mm 尼龙网袋中，在 PVC 管（ 直径 10 cm，高度 50 cm）中按顺序放入原土层土壤，然后将装有秸秆的尼龙网袋分别埋于 PVC 管表层 0 cm（S0）、10 cm（S10）、20 cm（S20）、30 cm（S30） 深度处，设置添加 0.1%（ 重量） 腐熟剂（S0+F、S10+F、 S20+F、S30+F）和不添加腐熟剂两种条件，同时布置 4 个土层无秸秆空白对照（CK0、CK10、CK20、 CK30），总共 12 个处理，每组 3 个重复。每隔 3 d 利用称重法控制各处理含水量为 60% 田间持水量，培养试验在华中农业大学进行。
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1.3 样品采集与测定
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1.3.1 样品采集
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培养试验共持续 12 周，分别在培养的第 1、6、 12 周取秸秆样和各处理尼龙网袋上下 2 cm 土壤样品，表层还田处理只有下 2 cm 土壤，各阶段土壤采集后，风干，过 0.85、0.15 mm 筛备用，秸秆从网袋中取出冲洗土壤后烘干，过 1.70 mm 筛备用。
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1.3.2 样品测定
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秸秆全磷采用 H2SO4-H2O2 消煮、电感耦合等子体发射光谱仪测定；秸秆组成成分采用 Ringbio 全自动纤维分析仪测定[9]。
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秸秆腐解率（%）=（试验前秸秆干重-残余秸秆干重）/ 试验前秸秆干重 ×100
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磷素释放率（%）=（试验前秸秆含磷量-秸秆残余含磷量）/ 试验前秸秆含磷量 ×100
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基于生物有效磷分级方法（BBP 法）：HCl-P 表示吸附到矿物表面或存在于无机物析出物中的中稳性无机磷组分，Citrate-P 代表能被有机酸活化释放的活性无机磷组分，CaCl2-P 代表土壤当中能被植物直接吸收的水溶性磷组分，而 Enzyme-P 代表易被酸性磷酸酶和植酸酶矿化的活性有机磷。
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称取 0.5000 g 待测新鲜土壤于 50 mL 离心管中，分别加入 10 mL 提取剂（0.01 mol/L CaCl2、0.01 mol/L 柠檬酸、1 mol/L HCl 以及 0.02 EU/mL 酶试剂），充分混匀，置于往复振荡箱中，室温条件 180 r/min 振荡 3 h，提取土壤磷素，然后于 5000 r/min 离心 10 min，将浸提上清液过 0.45 μm 滤膜后测定。
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磷含量测定：取 2 mL 待测液加入 1 mL 去离子水和 1 mL 钼锑抗混合显色剂，充分混匀，室温显色 30 min 后利用分光光度计（波长 883 nm）测定吸光度。
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1.4 数据统计与分析
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所有数据均通过 Excel 2019、SPSS 21.0 进行处理，图表均通过 Origin 18.0 制作。采用 Duncan 多重比较法（P<0.05）检验各指标平均值间差异显著性。
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2 结果与分析
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2.1 不同深度还田秸秆腐解过程动态分析
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2.1.1 秸秆腐熟率
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秸秆腐熟率试验结果如图1 所示，秸秆不同还田深度下的腐熟率随时间变化有显著性差异。第 1 周 S30、S30+F 处理腐熟率较低，分别为 1.57%、 2.38%，其他处理秸秆腐熟率达到 20% 左右，S0+F 处理腐解率最高，为 22.46%，此外，添加腐熟剂效果不明显。
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培养 6 周后，各处理的腐熟率在 40%～60% 之间，其中 S10 和 S10+F 处理的腐熟率最高，分别达到 58.49%、58.47%，30 cm 还田处理腐解程度最低，此时部分深度还田处理添加腐熟剂要比未添加腐熟剂效果要好。
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培养 12 周后，各处理秸秆腐熟率进一步提高，但增幅有所减小，S0、S10、S20 和 S10+F 处理秸秆腐熟率均达到 60% 以上，S30 处理腐熟率最低，仅为 50.31%。不同土层的秸秆腐解基本上呈现出前期快、后期慢、最后趋于平稳的特点，且秸秆还田至适当深度能提高秸秆腐熟率，其中还田 10 cm 处理在培养各时期其腐解率基本上都最高。
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图1 各处理秸秆腐熟率随时间变化
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注：W1、W6、W12 分别为培养第 1 周、第 6 周、第 12 周。下同。柱上凡具不同标记字母的为差异显著（P<0.05），图3 同。
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2.1.2 秸秆组成成分
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纤维素、半纤维素、木质素 3 种多聚物含量共占所用水稻秸秆生物量的 84.94%。各处理 3 组分含量变化如图2 所示，总体而言，3 组分含量随时间变化均呈现下降的趋势，但各处理不同时期之间差异不同。培养 1 周，各处理 3 组分降解程度不大；从第 1 周到第 6 周，各处理纤维素含量降低了 12.04%～18.60%，其中 S10+F 处理降低幅度最大，S30 处理降低幅度最小，各处理半纤维素含量降低了 4.22%～8.10%，木质素含量降低了 0.70%～1.50%，说明此时主要分解的是纤维素和半纤维素；秸秆分解第 6 周到第 12 周，各处理3组分含量分别减少了 2.51%～8.39%、 4.86%～7.85%、0.60%～5.49%，此时纤维素、半纤维素仍有分解，但是分解速率变慢，而木质素分解的速率有很大提高，此时主要分解的是木质素。说明秸秆分解的前、中期主要是分解纤维素和半纤维素，后期主要降解的是木质素。
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秸秆分解 12 周后，纤维素分解最多的处理是 S10+F，达到 29.71%，其次是 S20+F，最少的处理是 S30；半纤维素分解最多的处理是 S20+F，达到 16.99%，其次是 S10+F，最少的处理是 S30；木质素分解最多的处理是 S20+F，达到 7.99%，说明 10 cm 还田和 20 cm 还田有利于秸秆 3 组分的降解。
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图2 各处理秸秆纤维素、半纤维素、木质素含量变化
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注：W0 为培养第 0 周。下同。
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2.1.3 秸秆磷素释放率
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秸秆磷素的释放具有先快后慢的特点，与秸秆腐解类似（图3）。秸秆还田 1 周后，各处理磷释放率为 32.62%～51.64%，其中 S0+F 处理磷素释放率最高，S30 处理释放率最低；培养第 6 周，各处理磷累计释放率仍有增加，但幅度放缓，其中 S0、S0+F、S10+F 释放率最高，S30 以及 S30+F 处理释放率最低；还田 12 周后，此时 S10+F 磷素释放率最高，达到了 61.85%，极大增加了土壤中磷素有效性，与其他处理差异显著，还田 30 cm 的秸秆磷释放率最低。各时期 S10+F 处理磷释放率均最高，说明 10 cm 还田配施腐熟剂更有助于磷素的释放，与秸秆腐解特征相吻合。
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图3 各处理秸秆磷素释放率随时间变化
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2.2 秸秆还田不同深度对稻田土壤磷生物有效性的影响
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2.2.1 全磷和有效磷
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由图4 可知，秸秆还田以及秸秆配施腐熟剂均能提高土壤中全磷含量，土壤全磷含量随土层深度增加而减少。秸秆还田 1 周后，0、10、20 cm 土层秸秆还田均能快速提高全磷含量，与秸秆磷释放速度快的特点相一致，其中 S10、S10+F 处理全磷含量比 CK10 提高了 0.14、0.15 g/kg，分别达到 0.42、0.43 g/kg，S0、S0+F、S20、S20+F 处理分别比 CK0、CK20 增加 0.01、0.02、0.08、0.11 g/kg，秸秆还田 10 cm 处理增幅最大，S30 处理全磷含量与 CK30 没有显著差异，这可能与秸秆腐解率低、磷素未释放有关。
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培养 6 周后，秸秆磷释放速度放缓，但累计释放率仍增加，因此各处理全磷含量继续增加，但变化量不大； 秸秆还田 12 周后，S0、 S0+F、S10、S10+F、S20、S20+F、S30、S30+F 处理全磷量分别比对应空白显著提高了 0.05、 0.08、0.17、0.18、0.07、0.10、0.03、0.06 g/kg，且添加腐熟剂与未添加腐熟剂之间有显著差异，说明了秸秆 10 cm 土层还田配施腐熟剂对土壤全磷含量提升幅度最大，其次是表层 0 和 20 cm 土层还田，30 cm 土层还田处理的提高幅度最小。
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有效磷含量结果如图5 所示，秸秆适当深度还田能有效提高稻田土壤中有效磷含量，提高磷的有效性。培养 1 周后，0、10、20 cm 土层还田的处理相比较于对应空白均能显著提高有效磷含量，30 cm 土层还田处理与 CK30 没有明显差异，其中 0 cm 土层还田有效磷含量增幅最大，S0、 S0+F 处理有效磷含量分别比 CK0 增加 9.70、13.20 mg/kg，其次是秸秆还田 10 cm 土层的处理，S10、 S10+F 处理有效磷含量分别比 CK10 增加了 8.28、 8.69 mg/kg。
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培养 6 周后，0、10、30 cm 土层还田处理有效磷含量均较第 1 周进一步提高，20 cm 土层秸秆还田处理较第 1 周略有下降；秸秆还田 12 周后，各处理有效磷含量进一步提高，其中 0、10 cm 土层还田配施腐熟剂处理有效磷含量增幅较大，S0、 S0+F 处理分别比 CK0 提高了 23.81、29.14 mg/kg，含量达到 42.25、47.58 mg/kg，S10、S10+F 处理分别比 CK10 提高了 17.38、29.97 mg/kg，含量达到 27.72、40.31 mg/kg，其次是 20 cm 土层还田处理， S20、S20+F 较 CK20 增幅较小，最差的是 30 cm 土层秸秆还田，S30、S30+F 处理与 CK30 没有显著差异。
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图4 全磷含量随秸秆还田深度以及还田时间变化
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注：a：0 cm 土层、b：10 cm 土层、c：20 cm 土层、d：30 cm 土层。下同。凡同一时期柱上具不同标记字母的为差异显著（P<0.05），图5、6 同。
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图5 有效磷含量随秸秆还田深度以及还田时间变化
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2.2.2 稻田土壤生物有效磷分级各组分含量变化
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各土层秸秆还田下 4 种基于 BBP 法磷组分含量随时间变化结果如图6 所示，BBP 分级中 4种磷形态含量存在极大差异，各组分含量大小为 HCl-P>Citrate-P>Enzyme-P>CaCl2-P，各组分含量随还田时间变化都有不同程度增减，规律各异。
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图6 生物有效磷分级各组分含量随秸秆还田深度以及还田时间变化
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秸秆还田后，主要提高了 HCl-P 和 Citrate-P 的含量，说明秸秆分解能显著提高土壤中有效磷含量，CaCl2-P 和 Enzyme-P 基本上呈现先上升后下降的趋势，变化量不大。秸秆还田 12 周后，还田 10 cm 土层提升的幅度最大，S10、S10+F 处理 HCl-P 含量比 CK10 分别提高了 44.04、50.48 mg/ kg，且添加腐熟剂与未添加腐熟剂之间有显著性差异，Citrate-P 含量分别增加了 19.06、27.04 mg/kg； 其次是 0 cm 还田的处理；其他土层秸秆还田各组分含量变化不大。
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2.2.3 生物有效磷各组分与有效磷相关性分析
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分析 BBP 磷各组分与有效磷之间的关系可见 （图7），CaCl2-P、Citrate-P、HCl-P 和 Enzyme-P 4 种磷形态与有效磷均呈正相关关系，相关系数分别为 0.7495、0.7309、0.8162、0.6066，其中 HCl-P 的相关系数最高，Enzyme-P 的相关性最弱，说明秸秆还田后稻田土壤有效磷含量主要来自于 HCl-P 的质子化补充。
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图7 生物有效磷分级各组分与有效磷之间相关关系
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3 讨论
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3.1 秸秆还田深度与腐解过程
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前人研究表明，秸秆腐解速度以及养分释放速度受多种因素综合影响，秸秆本身碳氮比、秸秆种类、干湿交替、土壤质地以及水热条件等都会影响秸秆分解的快慢[10]，而不同的土层有其特殊的物理-化学-生物综合效应，秸秆还田至不同深度下，其腐解特征会有显著不同。
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近年来对于不同还田深度下秸秆腐解特征有了以下基本认识：（1）秸秆腐解速度先快后慢，逐渐趋于稳定，秸秆自身所含钾磷碳氮养分释放速率快慢不同；（2）秸秆还田后，分解最快的成分是纤维素，其次是半纤维素，最后才分解木质素；（3）秸秆翻埋至一定深度后，其腐解率明显高于表层覆盖还田，但最适深度各有不同，因试验材料、方法而异[11]。本研究也证实了以上结果，水稻秸秆还田 12 周时间内，各处理腐解速度呈现先快后慢、最后平稳的趋势，可能原因是腐解过程中秸秆的可溶性有机物为微生物提供了大量的碳源，导致微生物的数量和种类增多、活性增强[12]，其中还田至 10 cm 土层并添加腐熟剂的处理各取样时期其腐解率最高，秸秆释放磷的速率也最高，主要原因可能是覆盖在表层的秸秆与土壤接触不充分，并且水分条件较差；深层次秸秆还田，其结构紧实、通气性较差，因此不利于秸秆腐解[13]，而适当的土层深度，如 10 cm 土层，拥有良好的水气条件，微生物活动频繁，更有利于酶促反应的进行，再加上腐熟剂的催化作用，因此提高了腐解速率和养分释放速率[14]。值得注意的是，虽然表层覆盖的秸秆分解速度以及释放养分速率较慢，但这并不影响表层土壤的基础养分含量，表层土壤基础肥力要比深层次土壤肥力更高。
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3.2 秸秆不同还田深度下磷素生物有效性特征
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磷是植物各种生理过程所必需的营养元素之一，包括光合作用、抗病性、根部发育、能量转移等，并以三磷酸腺苷和二磷酸腺苷两个细胞内含磷分子的形式储存。土壤中磷的有效性通常由磷的形态和含量直接决定，因此客观合理评价稻田土壤中磷赋存形态以及各组分对有效磷的贡献大小具有重要意义。BBP 磷分级是近年来提出的一种可应用于大尺度复杂景观的磷素提取方法，鉴于水稻土含水量较高的特性，该方法利用新鲜土壤进行测定，使分析结果与实际情况更贴近，增加了利用 BBP 法研究稻田土壤磷素形态组成的可行性[15]。
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本研究中秸秆不同深度还田 12 周后，各处理有效磷、全磷的含量均有不同程度增加，但其赋存形态以及含量大小各有不同，其中稻田土壤 Citrate-P 和 HCl-P 含量的增加量最大，并且还田 10 cm 的处理效果更明显，可能原因是秸秆腐解过程中释放出有机酸和质子，可溶解土壤中难溶态的无机磷，提高了 Citrate-P 和 HCl-P 的含量[16]。通过相关性分析可知，各组分含量虽差异较大，但 4 种磷组分均与有效磷含量呈显著正相关，其中以质子酸化的相对稳定无机磷对有效磷的贡献率最大。
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4 结论
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（1）水稻秸秆在不同深度下还田 12 周时间内，各土层秸秆均表现为前期腐解速度快，后期慢，最后趋于平稳，秸秆磷的释放率与秸秆腐解规律类似。前期主要降解的秸秆成分是纤维素和半纤维素，后期主要分解的是木质素。还田 10 cm 土层并添加腐熟剂的处理各取样时期腐解率和磷释放率均为最高。
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（2）秸秆还田不同深度能提高对应土层中全磷、有效磷的含量，添加腐熟剂比未添加腐熟剂增幅更大，还田 10 cm 同时添加腐熟剂相比于其他土层秸秆还田效果更好。稻田土壤 BBP 磷分级 4 种组分含量大小为 HCl-P >Citrate-P >Enzyme-P >CaCl2-P，且含量大小与土层深度成反比关系，秸秆还田后主要提高的是 Citrate-P 和 HCl-P 含量，并且 10 cm 土层处理增幅最大。
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综上所述，在供试水稻土中，秸秆还田 10 cm 同时添加适量腐熟剂更能促进秸秆的分解、磷素的释放，更有利于提高耕层土壤磷素生物有效性，因此在该地区秸秆还田 10 cm 深配施腐熟剂效果最好。
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摘要
研究水稻秸秆还田深度对稻田土壤磷生物有效性的影响，探索黄棕壤性水稻土最适秸秆还田深度，可为提高秸秆利用率和改善土壤理化性质提供科学依据。通过室内培养试验，设置水稻秸秆还田 0 cm（S0）、10 cm （S10）、20 cm（S20）、30 cm（S30）土层，以及添加腐熟剂（F）和不添加腐熟剂两种条件。结果表明：还田至 10 cm 土层并添加腐熟剂的处理（S10+F）各取样期的腐解率最高，秸秆释放磷的速率也最高；秸秆还田后提高了磷生物有效性，其中主要提高各土层中稳性无机磷和活性无机磷的含量，秸秆还田 12 周后，10 cm 土层秸秆还田提升磷生物有效性的幅度最大，S10、S10+F 处理的中稳性无机磷含量比 10 cm 土层无秸秆对照分别提高了 44.04、 50.48 mg/kg，30 cm 还田提升的幅度最小。因此在该地区秸秆还田 10 cm 深并配施腐熟剂效果最好。
Abstract
This study is aimed to investigate the effect of rice straw returning depth on soil phosphorus bioavailability in paddy field，and explore the optimum straw returning depth for yellow-brown paddy soil，and provide scientific basis for improving straw utilization rate and soil physicochemical properties. Through the indoor culture experiment，the rice straw was returned to the field at 0，10，20 and 30 cm soil layer，and two conditions were set up：adding decomposing agent and not adding decomposing agent. The results showed that the decomposing rate was basically the highest in each sampling period in the treatment of returning to the field to 10 cm soil layer and adding decomposing agent，and the rate of phosphorus release from straw was also the highest. The bioavailability of phosphorus was improved after the straw was returned，and the content of stable inorganic phosphorus and active inorganic phosphorus in each soil layer was mainly improved. After 12 weeks of straw returning to the field，the 10 cm soil layer treatment showed the largest increase in phosphorus bioavailability，compared with no straw control of 10 cm soil layer，the moderately stable inorganic phosphorus content in the S10 and S10+F treatments were increased by 44.04 and 50.48 mg/kg，respectively. The 30 cm return to the field had the smallest improvement. Therefore，the best effect is to apply decomposing agent at a depth of 10 cm when straw is returned to the field.
Keywords
rice straw ； straw return depth ； phosphorus ； bioavailability