摘要
南方稻油轮作区还田秸秆量大，在土壤中存在与作物争氮的问题，通过配施氮肥调节还田秸秆碳氮比，是优化秸秆还田条件下养分综合管理的重要支撑。采用田间尼龙网袋法，将秸秆与尿素混合调节目标碳氮比至 35、25 和 15，研究配施氮肥对还田秸秆腐解及碳、氮释放的影响。结果表明，在近 1 年的腐解周期中，油菜和水稻秸秆均表现为先快速腐解，随后分别在第 30 d 和第 45 d 进入慢速腐解期，不同处理间秸秆腐解规律一致。油菜秸秆累积腐解率以 3 个配施氮肥处理（52.81% ～ 56.13%）显著高于对照处理（47.84%），水稻秸秆则以配施氮肥 25 kg/hm2 时累积腐解率（82.91%）显著高于其他处理。秸秆碳、氮释放结果显示，油菜和水稻秸秆碳以及水稻秸秆氮均表现为逐渐释放的特征，而油菜秸秆氮则整体表现为释放－吸附的动态特征；油菜秸秆碳和氮均是以配施氮肥 40 kg/hm2 时累积释放率最高，分别为 72.29% 和 18.26%，而水稻秸秆碳和氮则均是以配施氮肥 25 kg/hm2 时累积释放率最高，分别为 86.35% 和 71.05%。综上所述，油菜和水稻秸秆配施氮肥最佳用量分别为 40 和 25 kg/hm2 ，即油菜和水稻还田秸秆目标碳氮比分别调至 25 和 35 时，有利于秸秆腐解和碳、氮释放，以避免与作物竞争养分。
Abstract
A large amount of straw is returned to the field in the southern rice-rapeseed rotation area，and the returned straw in soil will compete soil nitrogen with crop．Adjusting the carbon/nitrogen ratio of the returned straw through nitrogen fertilizer application is an important support to optimize the comprehensive management of nutrients under the conditions of straw return． The field nylon nets method was used to adjust the target carbon/nitrogen ratios to 35，25 and 15 by mixing straw with urea to study the effect of nitrogen fertilizer on the decomposition and carbon and nitrogen release from returned straw．The results showed that during the decomposition cycle of nearly one year，both rapeseed and rice straw showed rapid decomposition first，and then entered the slow decomposition period at the 30th and 45th d，respectively，and the pattern ofstraw decomposition was consistent among different treatments． The cumulative decomposition rate of rapeseed straw was significantly higher in the three nitrogen fertilizer treatments（52.81%- 56.13%）than in the control treatment（47.84%），whereas the cumulative decomposition rate of rice straw was significantly higher in the 25 kg/hm2 of nitrogen fertilizer（82.91%）than in the other treatments．The results of straw carbon and nitrogen release showed that rapeseed and rice straw carbon，as well as rice straw nitrogen，showed the characteristics of gradual release，while rapeseed straw nitrogen overall showed a release-adsorption dynamic characteristic．Both carbon and nitrogen of rapeseed straw had the highest cumulative release rates at 40 kg/hm2 of nitrogen fertilizer，which was 72.29% and 18.26%，respectively．Rice straw carbon and nitrogen had the highest cumulative release rates at 25 kg/hm2 of nitrogen fertilizer，which was 86.35% and 71.05%，respectively． In summary，the optimal amount of nitrogen fertilizer for rapeseed and rice straw was 40 and 25 kg/hm2 ，respectively．When the target carbon and nitrogen ratio of rapeseed and rice returned straw were adjusted to 25 and 35，respectively，it was conducive to straw decomposition and carbon and nitrogen release，so asto avoid competing with the crop for nutrients.
我国是农业大国，秸秆资源量占全球秸秆资源量的近五分之一[1]，每年产生秸秆约为 9.0×109 t [2]。秸秆还田作为秸秆肥料化的主要利用方式可以提高土壤有机质，改善土壤质量，经腐解可释放出养分供给作物，从而提高作物产量。腐解是秸秆还田后的关键阶段，如果不加速腐解，容易影响下茬作物生长[3-4]。因此，探究秸秆还田后的腐解和养分释放特征对提高秸秆还田后养分利用率和土壤培肥非常重要。
秸秆腐解不仅受自身因素的影响，还受气温、降水、土壤环境、微生物活动等影响。作物秸秆种类和粉碎程度不同，其腐解和养分释放特征也不相同[5-6]。代文才等[7]通过研究水稻、小麦、油菜等作物秸秆在不同土地利用方式上的腐解特征，发现秸秆累积腐解率在旱地土壤中大于水田；在水田土壤中，水稻秸秆累积腐解率大于油菜，而在旱地中则相反。此外，碳氮比也是影响秸秆腐解的重要因素。一般来讲当碳氮比调节为 20～30 时，微生物较为活跃，可加快秸秆腐解，碳氮比过高或过低都会影响秸秆的腐解和养分的释放[8-9]。研究表明秸秆还田配施氮肥调节秸秆的碳氮比可缓解微生物与作物争氮，促进秸秆腐解和养分释放，提高作物产量[10-12]。因此，在秸秆还田条件下合理配施氮肥，以调节碳氮比，对加快秸秆腐解具有重要意义。
稻油轮作是湖北省乃至南方地区主要种植制度之一，在该种植制度下每年可产生数量巨大的作物秸秆。秸秆还田作为主要利用方式之一，配合氮肥施用，可以加快秸秆腐解。以往研究往往关注不同作物秸秆在相同土壤环境下的腐解过程[7，13]，对于稻油轮作模式下秸秆腐解过程的研究较少，且大部分研究腐解过程集中于 120 d 左右[14-16]，不利于反映长期秸秆腐解特征和碳氮释放情况。因此，本研究在湖北武穴利用尼龙网袋法开展田间试验，油菜和水稻 2 种不同作物秸秆配施不同氮肥用量以调节秸秆还田碳氮比，探究作物秸秆腐解特征变化和碳、氮释放情况，为南方稻油轮作模式下作物秸秆还田后氮肥施用情况提供依据。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验在湖北省武穴市大法寺镇上桂村（29°54′ 25.6″ N；115°29′58.3″ E）进行，该区域属亚热带季风性湿润气候，试验期间月平均气温、月累计降水量如图1所示。试验地海拔 12.54 m，土壤类型为水稻土，耕层土壤理化性质：有机质 30.8 g/kg、 pH 5.5、碱解氮 177.0 mg/kg、有效磷 25.0 mg/kg、速效钾 104.7 mg/kg。
图1试验期间气候特征和作物生长与秸秆腐解模式
1.2 试验设计
试验采用尼龙网袋法进行秸秆腐解研究，作物生长与秸秆腐解情况如图1所示。水稻季和油菜季均设置 4 个处理，分别为（1）秸秆直接腐解 （CK）；（2）添加尿素调节秸秆碳氮比为 35（N1）； （3）添加尿素调节秸秆碳氮比为 25（N2）；（4）添加尿素调节秸秆碳氮比为 15（N3）。2 个试验在同一田块的不同位置进行，各处理添加氮素用量如表1所示。水稻季还田秸秆为油菜秸秆，油菜秸秆理化性质：全碳 394.5 g/kg，全氮 4.80 g/kg，还田量为 6000 kg/hm2；油菜季还田秸秆为水稻秸秆，水稻秸秆理化性质：全碳 362.3 g/kg，全氮 9.64 g/kg，还田量为 7500 kg/hm2。
供试水稻和油菜秸秆均来自于当地农田，收获风干后，用剪刀将秸秆剪为 3～4 cm 的小段，在 40℃下烘干 3 h。称取 50 g 水稻（或油菜）秸秆，根据不同处理计算出应添加的氮肥，将氮肥和秸秆混匀后装入 0.15 mm 尼龙网袋（规格：25 cm×30 cm）内，扎好后填埋于试验区土壤 10～20 cm 深处。
水稻于 2021 年 6 月 7 日播种，品种为野香优莉丝，水稻生育期内氮肥按照底肥∶分蘖肥∶孕穗肥 =5∶3∶2 施用，磷肥（以 P2O5 计）、钾肥（以K2O 计）作基肥分别按 60、90 kg/hm2 施入；油菜于 2021 年 10 月 23 日移栽，品种为大地 199，油菜生育期内氮肥按照底肥∶苗肥∶蕾薹肥 =5∶2∶3 施用，磷肥（以 P2O5 计）、钾肥（以 K2O 计）作基肥分别按 90、120 kg/hm2 施入。氮、磷、钾肥分别采用尿素（N 46%）、过磷酸钙（P2O5 12%）、氯化钾 （K2O 60%）。
表1不同处理设计信息
1.3 样品采集及测定
分别在水稻秸秆还田后第 15、45、90、150、 180、330 d 取样，共取 6 次；油菜秸秆还田后第 15、30、60、90、150、180、280、320 d 取样，共取 8 次，每次取 3 袋，共 168 袋。取出尼龙网袋后，用水冲洗、除去表面粘附的泥土，再用蒸馏水清洗 3 次后，在 60℃烘箱中烘干至恒重，称重，磨碎，用于测定秸秆中碳、氮含量[17]。
1.4 数据处理
秸秆腐解量、秸秆腐解速率、秸秆累积腐解率、碳（氮）释放量、碳（氮）累积释放率采用以下公式进行计算：
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
式中，M0 为初始秸秆重量（g）；Mt 为腐解 t 天后的残留秸秆重量（g）；CC0 为初始秸秆的碳含量（mg/g）；CCt 为腐解 t 天后残留秸秆的碳含量 （mg/g）；CN0 为初始秸秆的氮含量（mg/g）；CNt 为腐解 t 天后残留秸秆的氮含量（mg/g）；t 为腐解时间（d）。
秸秆累积腐解率采用对数模型进行拟合分析，试验结果采用 Excel 2019、SPSS 25.0 进行数据统计与分析，Origin 2018 进行绘图直观反映数据并进行模型拟合，采用 Duncan 法进行显著性分析 （P<0.05）。
2 结果与分析
2.1 秸秆腐解特征
2.1.1 秸秆残留量和腐解速率变化特征
图2为油菜和水稻秸秆残留量和腐解速率随时间变化的情况。在近 350 d 的腐解过程中，不同处理油菜秸秆残留量为 21.94～26.08 g（图2a），其中 N3 处理残留量最低，比 CK 处理低 15.87%。根据腐解速率（图2b）来看，油菜秸秆腐解可分为 2 个阶段：快速腐解期（0～30 d）和慢速腐解期 （30～350 d）。在快速腐解期，N1 处理腐解速率最大，达到 1.08%/d，其次分别为 N2 和 N3 处理，均明显高于 CK 处理（0.81%/d）。在慢速腐解期，N3 处理腐解速率高达 0.14%/d，明显高于 CK 处理（0.11%/ d），N1 和 N2 处理腐解速率均为 0.13%/d。
图2油菜、水稻秸秆残留量和腐解速率变化情况
不同处理水稻秸秆残留量和腐解速率变化趋势（图2c、d）与油菜秸秆变化趋势基本一致，不同的是，水稻秸秆中后期的腐解速率高于油菜秸秆。在近 350 d 的腐解过程中，不同处理水稻秸秆残留量为 8.54～12.32 g，其中 N1 处理最低，N2 处理最高。根据腐解速率来看，水稻秸秆腐解可分为 2 个阶段：快速腐解期（0～45 d）和慢速腐解期（45～350 d）。在快速腐解期，N3 处理腐解速率最大，为 0.78%/d，N1 处理最低，为 0.69%/d。在慢速腐解期，N1 处理腐解速率最大，为 0.26%/d，明显高于其他 3 个处理（0.22%/d）。
2.1.2 秸秆累积腐解率
不同处理秸秆累积腐解率如图3所示。不同处理油菜秸秆最终累积腐解率在 47.84%～56.13% 之间（图3a），其中 N3 处理累积腐解率最高，其次分别为 N1 和 N2 处理，均显著高于 CK 处理。水稻秸秆累积腐解率在 75.35%～82.91% 之间 （图3b），其中 N1 处理累积腐解率最高，显著高于其他 3 个处理，比 CK 处理高 8.44%。
图3油菜和水稻秸秆累积腐解率
注：柱上不同小写字母代表处理间差异显著（P<0.05）。下同。
2.1.3 秸秆腐解拟合方程
表2是不同处理油菜和水稻秸秆累积腐解率与腐解时间的拟合方程，所有处理的拟合方程 R2 均高于 0.94，可见对数方程对秸秆累积腐解率与腐解时间的拟合效果好，拟合方程中 y 代表累积腐解率，t 代表腐解时间。通过拟合方程计算，当腐解 10 d，油菜秸秆累积腐解率为 12.33%～15.45%，水稻秸秆累积腐解率为 3.71%～8.72%。水稻秸秆 N2 和 N3 处理相较于 CK 处理均加快了秸秆腐解。当腐解 60 d，油菜秸秆累积腐解率为 29.88%～34.56%，水稻秸秆累积腐解率为 38.26%～40.88%。当腐解 365 d，油菜秸秆累积腐解率为 46.93%～54.38%，水稻秸秆累积腐解率为 70.72%～77.71%。当累积腐解率达到 50%，油菜秸秆 CK、N1、N2 和 N3 处理分别需要 505、265、255 和 250 d，而水稻秸秆 CK、N1、N2 和 N3 处理分别需要 115、95、100 和 109 d。由表中数据可知，配施氮肥后可以加速秸秆腐解。从腐解天数来看，油菜和水稻秸秆腐解中后期，相较于 CK 处理，其他 3 个处理均加快了秸秆腐解。在前期，相同时间内油菜秸秆腐解较快，而中后期，相同时间内水稻秸秆腐解较快。
表2油菜和水稻秸秆腐解拟合方程
2.2 秸秆碳素释放特征
2.2.1 秸秆碳素释放量和释放速率变化特征
图4为不同处理油菜和水稻秸秆碳素释放量和释放速率随时间的变化情况。不同处理油菜秸秆碳素释放量总体呈现上升趋势，最终释放量为 12.77～14.26 g（图4a），其中 N1 和 N2 处理最高，其次是 N3 处理，CK 处理最低，明显低于 N1 和 N2 处理 10.45%。根据碳素释放速率（图4b）来看，在 0～30 d 之间，碳素释放较快，平均释放速率达到 1.08%/d，各个处理没有明显差异。随后碳素释放速率逐渐减缓，最终 N1 和 N2 处理碳素释放速率均为 0.23%/d，明显高于 CK 和 N3 处理（0.20%/d）。
不同处理水稻秸秆碳素释放量和释放速率的变化趋势（图4c、d）与油菜秸秆的变化趋势基本一致。在近 350 d 的腐解过程中，水稻秸秆的最终腐解量为 14.27～15.24 g，其中 N1 处理腐解量最高，明显高于 N2 处理 6.80%。根据碳素释放速率 （图4d），在 0～45 d 之间，碳素释放较快，N1 处理碳素释放速率最低，为 0.64%/d，明显低于其他 3 个处理（0.73%/d～0.79%/d）。随后碳素释放速率逐渐变小，最终 N1 处理碳素释放速率最高，为 0.26%，明显高于其他 3 个处理。
图4油菜、水稻秸秆碳素释放量和释放速率变化情况
2.2.2 秸秆碳素累积释放率
图5为不同施氮量油菜秸秆和水稻秸秆碳素累积释放率。油菜秸秆碳素累积释放率达到 64.74%～72.29%（图5a），N1 和 N2 处理碳素累积释放率显著高于 CK 和 N3 处理，其中 N1 和 N2 处理碳素累积释放率比 CK 处理高 11.66%。水稻秸秆碳素累积释放率为 78.76%～86.35%（图5b），其中 N1 处理碳素累积释放率最高，显著高于其他 3 组，比 CK 处理高 8.30%。
2.3 秸秆氮素释放特征
2.3.1 秸秆氮素释放量和释放速率变化特征
不同处理秸秆氮素释放特征如图6所示。油菜秸秆氮素释放量（图6a）呈现释放－吸附的动态特征，在第 15 d，CK、N1 和 N2 处理氮素释放量就分别达到了 108.58、68.50 和 134.04 mg，而 N3 处理在第 26 d 释放量达到 83.02 mg，随后呈现释放－ 吸附－再释放反复下降的趋势，最终释放量下降到 2.11～43.86 mg。其中 N2 处理氮素释放量明显高于其他 3 个处理。根据油菜秸秆腐解速率（图6b） 来看，在 0～30 d，氮素释放较快，平均释放速率为 1.23 %/d，各个处理间没有明显差异。随后氮素释放速率逐渐减缓，最终 N2 处理氮素释放速率最大，为 0.057 %/d，其次为 N1 处理，均显著高于 CK 和 N3 处理（0.009 和 0.001 %/d）。
图5油菜和水稻秸秆碳素累积释放率
图6油菜和水稻秸秆氮素释放量和释放速率变化情况
水稻秸秆氮素释放量总体呈现上升趋势。在近 350 d 的腐解进程中，水稻秸秆氮素最终释放量在 265.29～342.51 mg 之间。其中 N1 处理氮素释放量最高，明显高于其他 3 个处理，比 N3 处理高 29.11%。根据氮素释放速率（图6d）来看，在 0～15 d，氮素释放较快，其中 N3 处理氮素释放速率最大，为 2.12 %/d，其次分别为 N1 和 CK 处理，均明显高于 N2 处理（1.29 %/d）。随后氮素释放速率逐渐变小，最终 N1 处理氮素释放速率最大，为 0.21 %/d，明显高于其他 3 个处理（0.16～0.17 %/d）。
2.3.2 秸秆氮素累积释放率
不同处理油菜和水稻秸秆氮素累积释放率如图7所示。在整个氮素释放过程中，油菜秸秆累积释放率为 0.88%～18.26%，其中 N2 处理累积释放率最高，其次为 N1 处理，均显著高于 CK 和 N3 处理。水稻秸秆累积释放率为 55.03%～71.05%，其中 N1 处理氮素累积释放率最高，显著高于其他 3 个处理，比 CK 处理高 26.87%。
图7油菜和水稻秸秆氮素累积释放率
3 讨论
3.1 秸秆腐解特征分析
本研究发现，在近 1 年的秸秆腐解过程中，不同处理的油菜和水稻秸秆均呈现前期腐解速率快，后期逐渐减缓的趋势，这与刘雨杭等[18]的研究结果一致。主要是因为腐解前期秸秆中的易分解组分较多，为微生物提供了大量的能量，微生物数量增多，活性增强[19]；随着腐解的进行，秸秆中易分解组分逐渐减少，那些未分解或难分解的木质素、单宁等主要通过物理化学变化进行分解，微生物活性降低，秸秆的腐解也随之变慢[20]。不同秸秆的腐解速率、腐解阶段并不相同。根据腐解速率（图2b、d）可见，油菜秸秆前 30 d 为快速腐解期，而水稻秸秆前 45 d 为快速腐解期。戴志刚等[13]通过盆栽试验模拟水稻种植模式探究秸秆腐解特征，研究结果表明油菜秸秆在培养的前 12 d腐解较快，水稻秸秆则在前 36 d 腐解迅速。代文才等[7] 研究则表明油菜和水稻秸秆在水田条件下的快速腐解期为 0～60 d，在旱地水稻秸秆的快速腐解期为 0～60 d，油菜秸秆的快速腐解期为 0～10 d。而本研究则认为秸秆腐解过程均可分为快速腐解和慢速腐解 2 个阶段，油菜秸秆为 0～30 和 30～350 d； 水稻秸秆为 0～45 和 45～350 d。这是因为秸秆腐解的速度与其自身条件及所处的环境有关，不同研究的研究条件不相同，因此无法得出秸秆腐解不同阶段的具体时间。根据图3可知，水稻秸秆累积腐解率在 75.35%～82.91% 之间，油菜秸秆累积腐解率在 47.84%～56.13% 之间。水稻季长期处于淹水状态，微生物生物量和活性降低，导致油菜秸秆腐解缓慢[21]，所以累积腐解率低于水稻秸秆。根据拟合方程（表2）可知，腐解前期，油菜秸秆相较于水稻秸秆腐解较快，而随着腐解时间的增长，油菜秸秆相较于水稻秸秆腐解减缓。一方面因为油菜秸秆的碳氮比高于水稻秸秆，水稻秸秆中含有较多易分解的可溶性有机化合物，而油菜秸秆含有更多难降解的纤维素、木质素等，导致其快速腐解期较水稻秸秆短[22-23]。另一方面还跟土壤环境有关，透气条件比淹水条件更有利于秸秆腐解，种植水稻前期地块较干，有利于油菜秸秆腐解，后期处于淹水条件，抑制微生物活性，油菜秸秆腐解缓慢；而油菜季相反，所以在腐解前期水稻秸秆腐解速率低于油菜秸秆。在整个油菜秸秆腐解过程中，配施氮肥可以加快油菜秸秆腐解，这主要是因为人为添加氮肥为土壤补充了氮源，使微生物活性增加，土壤酶活性提高，从而有利于油菜秸秆的腐解[24]。水稻秸秆则是 N1 处理累积腐解率最高，而 N2 和 N3 处理累积腐解率不如不施氮肥处理，因此，施氮量过多并不能加快秸秆腐解，大量氮素的加入会提高无机氮的固定，抑制微生物活性，从而抑制了还田秸秆腐解[25-26]。由此可知，适当增加施氮量，降低腐解环境的碳氮比可以促进秸秆分解，而随着氮肥用量的继续增加，容易造成化学氮肥与秸秆的配比不当，抑制微生物活性，进而不利于秸秆矿化分解[27]。
3.2 秸秆碳、氮释放特征分析
不同施氮量对于秸秆碳、氮释放也会产生影响。秸秆还田配施氮肥，有利于土壤保水调温，可提高土壤酶活性以及微生物活性，从而加速秸秆分解、促进碳、氮释放[28]。由图7可知，水稻秸秆和油菜秸秆的碳素累积释放率均高于氮素累积释放率，这与闫超[20]和李荣等[29]研究结果一致。但也有研究表明，秸秆碳、氮释放率基本相同[15]。这主要与其存在形态有关，秸秆中氮以难溶性有机物为主，在自然状态下分解较慢。而秸秆中的碳则主要以各种化合物形式存在于生物体内，分解速率差别较大[30]。配施氮肥后，油菜和水稻秸秆释放碳素的过程基本相同，但是氮素释放过程不同。油菜和水稻秸秆的碳素释放整体呈现前期释放迅速、中期逐渐放缓的过程，这与王子阳等[14]研究结果一致。秸秆中的碳素主要以有机态存在，微生物在繁殖过程中需要大量碳源，因此腐解前期秸秆碳释放迅速，随着时间的增加，整体呈缓慢上升的趋势[31]。水稻秸秆氮素释放总体呈现上升趋势，但是在第 43 d 除 N2 处理外其余处理均出现了下降，而油菜秸秆则整体呈现释放－吸附的动态特征。前人研究表明，秸秆在腐解过程中，出现富集现象，甚至最终秸秆氮含量高于原始氮含量[32-34]。这可能是因为水稻季长期淹水，油菜秸秆会吸附水溶液中的铵态氮，引起秸秆氮素含量升高[35]。还有可能与气候条件有关，一般来讲，低温区秸秆氮释放表现为先富集后释放的模式，在高温区及降水较多地区，则表现为直接释放或淋溶－短暂腐解－释放模式[36]。陈乾[37]研究也表明气温较高，秸秆腐解速率大。由图1可知，冬季气温较低，秸秆腐解微生物群落需要先富集养分，满足繁殖条件，达到一定养分含量后，微生物群落才能开始分解并释放养分。但也有研究表明，秸秆腐解过程中，氮素释放量呈上升趋势[38]。因此，秸秆腐解过程中氮素释放情况可能与土壤环境、气候条件、秸秆自身等有关，仍需进一步研究。水稻和油菜秸秆碳素和氮素释放均随着施氮量的增加呈现先上升后下降的趋势，这与刘雨杭等[18]的研究结果部分一致。适量施入氮肥通过改善土壤理化性质进一步平衡农田土壤碳氮比，利于微生物活动，从而影响到秸秆腐解，加快了秸秆碳素释放。
4 结论
整体看来，油菜和水稻秸秆均经历了快速腐解期，然后分别在第 30 d 和第 45 d 进入慢速腐解期。配施氮肥降低碳氮比可加快秸秆腐解，促进秸秆碳、氮养分释放。综合秸秆累积腐解率、碳和氮的释放特征，本研究推荐油菜和水稻秸秆配施氮肥最佳用量分别为 40 和 25 kg/hm2，对应的目标碳氮比分别为 25 和 35。