在农业生产中，长期以来过量施用化肥导致土壤中氮、磷含量过高，有机质、钾含量不足;使土壤酸化、团粒结构受损、保肥供肥能力减弱，肥料利用率降低，从而引起连作障碍、缺素性生理病害普遍发生，导致农作物减产及品质下降等问题［1－3］。将农作物秸秆等废弃物还田，不仅可以减少土地生产投入，还可以维持土壤有机碳含量，改善土壤肥力水平并提高土壤生物活性［4］，是实现生态农业与农业可持续发展的关键技术之一［5］。因此，推广与应用秸秆安全还田技术，可改善土壤团粒结构和理化性状，提高土壤肥力，增加作物产量，节约化肥用量，是发展生态农业的一项重要措施。
作物秸秆在土壤中腐解并释放养分是一个复杂的过程，国内外学者针对作物秸秆还田及其养分释放规律的研究已经做了一些工作，Murungu等研究了南非冬季覆盖野豌豆、饲料豌豆和燕麦后其氮、磷的释放规律以及对来年种植豆科作物的影响［6］，匡恩俊研究了东北不同还田方式下大豆秸秆的腐解特征［7］，迟凤琴等研究了东北地区不同还田方式下玉米秸秆和大豆秸秆有机碳的分解规律［8］，李逢雨等研究了西南地区麦秆、油菜秆还田腐解速率及养分释放规律［9］。以往的研究主要是针对温带、寒温带地区重要的粮食作物，而热带地区具有丰富的光、温、水条件，使热区农业生产具有生物量大、农业废弃物含水量高等特点，造成了农业废弃物的利用率低且闲置状况严重的现状，但是关于热区作物秸秆还田及养分释放规律的研究还未见报道。木薯(Manihotes-culenta)亦称树薯，大戟科(Euphorbiaceae)植物，原产于美洲热带地区的亚马逊河流域，是世界7大作物之一，与马铃薯、红薯并列为世界3大薯类作物，分布于华南地区，以广西、广东和海南栽培最多，福建、台湾、云南、江西、四川和贵州等省的南部地区亦有栽培［10］，广西是木薯产量大区，木薯年产量占全国70%以上，木薯秆产量在400万t以上［11］。木薯是热带、亚热带地区重要的粮食、饲料作物，也是重要的工业原料［12］。考虑到在广西、海南等地种植木薯常采用覆地膜的方式保水、防治杂草。因此，结合生产实际情况，本文研究了不同还田方式下木薯茎秆腐解及养分的释放规律，为热区农业废弃物无害化处理、资源化利用提供理论依据和技术支撑。
1材料与方法
1.1试验材料
木薯茎秆来源于中国热带农业科学院作物品种资源研究所十队的木薯研究基地，试验地土壤属花岗岩发育的砖红壤，pH值为6.7，土壤总有机碳含量为5.4g/kg，全氮含量为0.61g/kg，有效磷(P)含量为40.4mg/kg、速效钾(K)含量为60.1mg/kg。
木薯茎秆粉碎后含水率为28.5%，总碳含量为44.1%，全氮含量为1.4%，全磷(P)含量为0.22%，全钾(K)含量为1.1%。
1.2试验设计
将收获后的木薯茎秆粉碎为直径1～2cm的块状物，分别装入孔径为0.048mm的尼龙网袋(长30cm，宽15cm)，每袋装入20.00g。于2013年5月，分别以覆土(在两行木薯之间开沟，深度为20cm，宽度为15cm。保持粉碎的木薯茎秆均匀分布在网袋中，将网袋平铺于沟内覆土)、覆土覆膜(与覆土处理一致，并在覆土后在表面覆盖地膜)和覆膜(保持粉碎的木薯茎秆均匀分布在网袋中，将网袋平铺于两行木薯之间，并直接覆盖地膜)3种方式还田，每个处理20袋。之后分别在试验第30、60、120、180和240d取样，每次每个处理取样3袋，样品洗净后80℃烘干，并用微型植物粉碎机(FZ102)粉碎。同时在取样期间监测土壤含水量。
1.3测定方法
采用H2S04—H202消煮植物样品，用凯氏定氮仪(UDK159，VELP)测定样品全氮含量，用钒钼黄比色法测定样品全磷(P)含量，用多元素火焰光度计(M410，Sherwood)测定样品全钾(K)含量［13］。使用总有机碳分析仪(MULTIN/C3100，Jena)按照使用说明测定样品总碳含量。
1.4数据分析
质量累积减少量(g)=0d木薯茎秆干物质量－取样烘干后木薯茎秆干物质量质量累积减少率(%)=(0d木薯茎秆干物质量－取样烘干后木薯茎秆干物质量)/0d木薯茎秆干物质量×100质量平均减少率(%)=［N次木薯茎秆干物质量－(N+1)次木薯茎秆干物质量］/质量累积减少量/腐解时间×100平均腐解速率(mg/d)=(0d木薯茎秆干物质量－取样烘干后木薯茎秆干物质量)/腐解时间养分平均释放率(mg/d)=［N次木薯茎秆养分含量－(N+1)次木薯茎秆养分含量］/腐解时间养分累积释放率(%)=(0d木薯茎秆养分量－取样时木薯茎秆养分量)/0d木薯茎秆养分量×100养分释放量(mg)=0d木薯茎秆养分含量－240d木薯茎秆养分含量采用Excel2010分析数据并绘图，采用SPSS19.0进行方差分析，差异显著性检验用Duncan法。
2结果与分析
2.1木薯茎秆质量累积减少率变化特征
在覆土、覆土覆膜和仅覆膜处理下，木薯茎秆还田60d后，质量累积减少率分别为38.7%、29.9%和30.8%，表现为覆土处理下，木薯茎秆累积减少率最高(图1);在还田240d后，木薯茎秆的质量累积减少率分别为69.9%、80.8%和73.8%，质量累积减少量分别为10.3、11.9和10.9g，表现为覆土覆膜处理下木薯茎秆累积减少率最高，覆膜处理次之，覆土处理最低(P＜0.05)(图1)。覆土处理、覆土覆膜处理和仅覆膜处理下0～30d木薯茎秆的平均腐解速率分别为33.3、22.5和2.5mg/d;30～60d木薯茎秆的平均腐解速率分别为156.7、124.2和148.5mg/d，表现为覆土＞覆膜＞覆土覆膜，这一阶段的质量减少量分别占240d内木薯茎秆质量减少量的45.5%、31.3%和40.1%;60～240d其平均腐解速率分别为25.5、41.6和35.2mg/d，表现为覆土覆膜＞覆膜＞覆土。3种还田方式下木薯茎秆30～60d的平均腐解速率分别是60～240d的6.15、2.98和4.22倍，说明30～60d是木薯茎秆的快速腐解期。
30～240d土壤含水率的变化情况见图2，30～70d、110～240d土壤含水率的水平保持在13%～18%，由于70～110d降雨较多，不同还田方式下土壤的含水率一直处于40%以上。比较土壤含水率和木薯茎秆质量平均减少率的变化趋势(图2)，发现当土壤含水率较高(在40%以上)时，木薯茎秆的质量平均减少率处于较低水平，仅为1%～2%，说明较高的土壤含水率并没有促进木薯茎秆的腐解，分析其原因可能是高的土壤含水率导致土壤形成厌氧环境而影响了土壤中促进木薯茎秆腐解的微生物的活动。
2.2木薯茎秆碳的释放特征
木薯茎秆还田后，覆土、覆土覆膜和仅覆膜处理下30～60d木薯茎秆碳的平均释放率分别为76.3、58.5和65.3mg/d，期间碳的释放量分别占240d内碳释放量的39.6%、31.6%和37.7%(图3)。60～240d碳的平均释放率分别为17.8、19.6和18.3mg/d。3种还田方式下，30～60d木薯茎秆碳的平均释放率分别是60～240d的4.28、2.98和3.56倍。因此，30～60d为木薯茎秆碳的快速释放期，60～240d为木薯茎秆碳的缓慢释放期。
在240d时，覆土处理、覆土覆膜处理和仅覆膜处理下木薯茎秆碳的累积释放率分别为89.1%、85.4%和79.9%;释放量分别为5782.4、5547.9和5187.7mg，表现为覆土＞覆土覆膜＞覆膜，各处理间差异显著(P＜0.05)。
2.3木薯茎秆氮的释放特征
木薯茎秆氮的释放主要分为以下3个阶段。覆土、覆土覆膜和仅覆膜处理下，0～30d氮的平均释放率分别为2.0、2.2和2.6mg/d，分别占240d内氮释放量的39.6%、31.6%和37.7%;30～120d氮的平均释放率分别为0.32、0.19和0.25mg/d，分别占240d内氮释放量的15.5%、8.7%和13.8%;120～240d氮的平均释放率分别为0.82、0.92和0.51mg/d，分别占240d内氮释放量的52.6%、57.3%和38.4%(图4)。由此可知，木薯茎秆氮的释放经历了快速释放期、缓慢释放期、较快速释放期。在240d时，覆土、覆土覆膜和仅覆膜处理下木薯茎秆氮的累积释放率分别为90.1%、94.2%和78.1%;释放量分别为186.8、193.4和160.5mg，表现为覆土覆膜＞覆土＞覆膜，覆土和覆土覆膜处理显著高于覆膜处理(P＜0.05)，但覆土与覆土覆膜处理间差异不显著(P＞0.05)。
2.4木薯茎秆磷的释放特征
不同还田方式下，仅覆膜处理时0～60d木薯茎秆磷的释放与覆土、覆土覆膜处理表现不同，磷的平均释放量仅为13.8%，远低于其他两种处理方式的41.4%和37.7%。在120～240d，覆土、覆土覆膜和仅覆膜处理下磷的平均释放量分别占240d内磷释放量的50.1%、55.7%和84.5%(图5)。
在240d时，覆土、覆土覆膜和仅覆膜处理下木薯茎秆磷的累积释放率分别为90.6%、93.5%和87.3%，释放量分别为29.9、30.9和28.8mg，表现为覆土覆膜＞覆土＞覆膜，各处理间差异不显著(P＞0.05)。
2.5木薯茎秆钾的释放特征
不同还田方式下，木薯茎秆钾的释放趋势基本一致。覆土、覆土覆膜和仅覆膜处理下0～30d木薯茎秆钾的平均释放率分别为3.8、3.5和3.3mg/d，期间钾的释放量分别占240d内钾释放量的73.6%、69.1%和65.8%;30～210d木薯茎秆钾的平均释放率分别为0.19、0.23和0.25mg/d，期间钾的释放量分别占240d内钾释放量的26.3%、30.8%和34.2%(图6)。因此，0～30d为木薯茎秆钾的快速释放期，30～240d为木薯茎秆钾的缓慢释放期。在240d时，覆土、覆土覆膜和仅覆膜处理下木薯茎秆钾的累积释放率分别为98.7%、98.5%和97.4%，释放量分别为154.3、153.9和152.1mg，表现为覆土＞覆土覆膜＞覆膜，各处理间并未表现出显著差异(P＞0.05)。
2.6不同还田方式下木薯茎秆碳氮比的变化特征
不同还田方式下，0～180d木薯茎秆的碳氮比均表现为先升后降的趋势。在0～30d呈现上升趋势，30d达到最高值，覆土、覆土覆膜和仅覆膜处理下碳氮比分别是42.6、44.6和50.9，在30～180d均呈现下降趋势，在240d时不同还田方式表现出较大的差异，覆土和覆土覆膜处理呈现上升趋势，特别是覆土覆膜处理碳氮比升至79.2(图7)。
3讨论
研究表明，不同还田方式下木薯茎秆在30～60d腐解速度较快，之后随时间延长缓慢腐解，60d时木薯茎秆的腐解率在30%～38%之间。匡恩俊在研究不同还田方式下大豆秸秆腐解特征时发现，在还田0～60d露天及土埋处理分解均较快，60d后分解缓慢，60d时不同处理大豆秸秆腐解率在20%～55%之间［7］。武际等在研究不同水稻栽培模式和秸秆还田方式下的油菜、小麦秸秆腐解特征时发现，小麦秸秆和油菜秸秆的腐解率均表现为前期快，后期慢的特点，前期不同处理的腐解率在30%～35%之间［14］。潘福霞等在3种不同绿肥的腐解和养分释放特征研究中发现，在翻压15d后箭筈豌豆、苕子和山薰豆的腐解率均达到50%以上，15～70d腐解缓慢［15］，表明不同的作物均表现出前期腐解速率快，后期较慢的特征，但是进入快速分解期的时间不同，腐解率也不同。这可能与作物种类以及土壤环境差异有关。而匡恩俊等在研究玉米腐解特征时发现，随着时间的延长腐解率缓慢增加，在试验过程中腐解速率并未表现出明显的增减［16］。
本研究在木薯茎秆腐解过程中同时监测了土壤含水量的变化，发现当土壤含水率处于较高的水平(40%以上)时，木薯茎秆的质量平均减少率处于较低的水平，碳、氮的平均释放率也处于较低的水平。王晓玥等应用Biolog方法研究田间条件下小麦和玉米秸秆腐解过程中微生物群落的变化时发现，腐解半年和一年的平均吸光度值与腐解期均温、采样月温度以及月均降雨量等气候因素呈显著负相关［17］，也就是说腐解期均温、采样月温度以及月均降雨量的增高并没有促进土壤微生物的代谢活性。由于降雨量的增加导致土壤含水率的增加，对土壤微生物活动的影响主要表现在两个方面，一方面，土壤湿度的改变会影响一些微生物的生长繁殖和生理机能［18］;另一方面，还会影响可溶性有机物的含量造成底物供给的差异，导致了微生物群落的活性和功能的差异［19，20］。本研究中，木薯茎秆在高土壤含水率的情况下腐解速度减慢可能是由于微生物群落活动的活性改变造成的。
腐解过程中养分的释放速率表现为K＞P＞N≈C，养分累积释放率达到60%以上的时间分别是30、120、180和180d。这与以往的研究结果一致［7，9，14，15］。原因是作物秸秆中的钾主要是以离子形态存在，易溶于水，容易被释放出来;磷一部分以离子态存在，另一部分以难分解的有机态存在;而碳、氮主要是以较难分解的有机态存在［14］。在木薯茎秆氮的释放过程中，表现出快－慢－快的趋势，因为腐解速率与作物残体的化学组分有关，水溶性物、苯醇溶性物和粗蛋白物质分解最快，半纤维素次之，纤维素更次之，木质素最难分解［15］。0～30d木薯茎秆中一些容易分解的粗蛋白和小分子化合物分解并释放出氮素;在30～120d，一些难分解的复杂的有机化合物，分解成为易分解的小分子化合物，并缓慢释放出一部分氮素;在120～240d，之前分解得到的小分子化合物进一步分解并释放氮素。其养分释放机理有待进一步研究。
本研究中，不同还田方式下木薯茎秆的碳氮比基本维持在30～40之间，表现为先升后降的趋势，表明在初期氮的释放量高于碳的释放量，在后期则相反。因此，考虑碳氮比的变化情况，应在还田后期合理配施氮肥，有利于木薯茎秆养分的释放。在180～240d，覆土覆膜处理下碳氮比显著升高，氮的释放速率显著增加的原因有待进一步研究。
4结论
不同还田方式下，木薯茎秆在30～60d腐解速度较快，在240d时，覆土、覆土覆膜和仅覆膜处理下木薯茎秆的质量累积减少率分别为69.9%、80.8%和73.8%，表现为覆土覆膜＞覆膜＞覆土。
木薯茎秆腐解过程中养分的释放速率表现为K＞P＞N≈C。在覆土、覆土覆膜和仅覆膜处理下木薯茎秆碳累积释放率表现为覆土＞覆土覆膜＞覆膜，氮和磷的累积释放率表现为覆土覆膜＞覆土＞覆膜。钾的释放率在3种还田方式下差异不显著。
考虑木薯茎秆还田养分的释放及碳氮比变化情况，可以适量减少基肥中钾肥的用量，并在还田后期结合木薯的生长情况适当配施氮肥，并且建议木薯茎秆还田采用覆土覆膜的方式。
参考文献:
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