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不同施氮量下潮土中小麦秸秆腐解特性及其养分释放和结构变化特征

曾莉  张鑫  张水清  王秀斌  梁国庆  周卫  艾超  张跃强  
【摘要】:【目的】秸秆腐解与元素转化涉及复杂的生物化学过程,提高土壤氮素水平是加速秸秆腐解和养分释放的关键措施。研究不同施氮水平下潮土中小麦秸秆腐解特性、养分释放特征及其结构组分变化规律,深入了解秸秆腐解过程与机制,为完善作物秸秆还田技术、实现秸秆资源的高效利用及农田可持续发展提供科学依据和技术支撑。【方法】本试验点位于河南省原阳县,土壤类型为潮土,种植制度为小麦–玉米轮作,以小麦秸秆为研究对象,设置0 (SN0)、180 (SN1)和240 (SN2) kg/hm~2 3个氮肥用量,进行187天的秸秆包填埋试验,利用超高分辨场发射扫描电镜(SEM)、固态核磁共振(~(13)C-NMR)等方法研究小麦秸秆腐解过程中的养分释放和结构组分动态变化规律。【结果】1)小麦秸秆腐解呈现前期快后期慢的特征,前两周为快速腐解期,该阶段秸秆平均腐解率为46%,整个玉米季(100天)秸秆平均腐解率为71%;高氮营养环境对前两周的秸秆腐解率无显著影响;从第二周开始,施用氮肥处理加速了秸秆腐解,SN1和SN2处理秸秆腐解率平均高于SN0处理6个百分点,但SN1和SN2处理间无显著差异;秸秆碳释放率与秸秆腐解率变化趋势基本一致。2)腐解187天后,秸秆氮磷钾养分最终释放率大小顺序为钾(96%~97%)氮(52%~86%)磷(29%~45%),其中钾在前两周基本完全释放,而氮、磷释放率在后期有负增长现象。3)纤维素、半纤维素腐解率与秸秆腐解规律基本一致,均表现出前期快后期慢的特点,而木质素则在中后期腐解较快;纤维素、半纤维素和木质素最终腐解率分别为78%~87%、86%~91%和66%~73%(187天后)。4)扫描电镜结果显示,小麦秸秆结构逐渐遭到破坏,表面变得粗糙,断层增多,空洞增大,纤维束变得松散,形成近似网状结构;高氮处理下小麦秸秆表观结构受破坏程度大于不施氮处理。5)核磁共振结果显示,不同有机碳官能团信号强度分布表现为:烷氧碳(47.02%~60.13%)烷基碳(11.41%~17.38%)双烷氧碳(10.79%~13.31%)甲氧基碳/烷氮碳(7.53%~12.02%)芳基碳(2.70%~7.18%)羧基碳(1.07%~2.60%)酚基碳(0.75%~2.02%);腐解过程中烷基碳、甲氧基碳/烷氮碳、酚基碳和羧基碳相对含量显著增加,而烷氧碳相对含量显著降低。6)相关分析表明,秸秆残余物所有有机碳官能团均与腐解率、碳释放率有显著或极显著相关性;有机碳官能团中只有烷氧碳、甲氧基碳/烷氮碳与氮释放率有显著相关性;烷氧碳、双烷氧碳与纤维素、半纤维素和木质素腐解率均呈极显著负相关,羧基碳和甲氧基碳/烷氮碳均与木质素腐解率呈现极高的正相关性。【结论】施用氮肥能够促进小麦秸秆腐解和碳释放,其效果在秸秆还田两周后才能显现出来;在腐解过程中,秸秆残余物中代表易分解碳水化合物的烷氧碳相对含量随腐解时间延长而不断降低,且占比均高于其它碳官能团,对指示秸秆腐解进程具有重要意义;固态核磁共振技术更有利于监测秸秆腐解过程中不同有机碳官能团结构变化,从而更深刻地认识秸秆腐解机制。

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