曹瑩菲　張　紅　劉　克　呂家瓏

(1.西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院， 陜西楊凌 712100；2.黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室， 陜西楊凌 712100)

?

不同處理方式的作物秸稈田間腐解特性研究

曹瑩菲1,2張紅1,2劉克1呂家瓏1,2

(1.西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院， 陜西楊凌 712100；2.黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室， 陜西楊凌 712100)

采用尼龍網(wǎng)袋法，結(jié)合熱重分析，研究玉米和大豆秸稈在3種試驗地(葡萄園、桃園、農(nóng)田)腐解過程中的腐解率和組分變化，為秸稈還田措施提供理論依據(jù)。結(jié)果表明，腐解前期0～20 d作物秸稈腐解20%以上，20～120 d腐解率無明顯變化，120 d后繼續(xù)腐解至60%～70%，大豆秸稈前期較玉米秸稈腐解快。熱重分析得出，玉米秸稈在腐解期間(20～45 d)會產(chǎn)生TG曲線上200～300℃階段的失重(20%～30%)，腐解后期，大豆秸稈在300～400℃的失重百分比高于玉米秸稈，TG-DTG曲線在600～700℃階段的失重量到腐解末期(300 d)均為6%左右，隨著腐解的進行，固定碳和灰分百分比上升至40%。作物秸稈的腐解率、組分百分比在不同處理間(新鮮與干燥處理、大豆秸稈與玉米秸稈處理、加氮與未加氮處理)差異顯著(P<0.05)，在3個試驗地之間則無明顯差異(P>0.05)，腐解率、固定碳與土壤溫度和降水量都呈極顯著正相關(guān)，揮發(fā)分與土壤溫度、降水量呈顯著負相關(guān)(P<0.05)。玉米和大豆秸稈還田有增加土壤碳含量的作用，作物秸稈種類、碳氮比、干濕程度以及土壤溫度、降水條件都會影響作物秸稈在土壤中的腐解率和組分變化。

秸稈腐解； 熱重分析； 腐解率

引言

我國作物秸稈類有機固體廢棄物的數(shù)量每年以5%～10%的速度遞增[1]，而大量的作物秸稈就地焚燒不僅浪費了秸稈中的有機碳和養(yǎng)分資源，而且會增加大氣環(huán)境污染，因此，許多研究者建議將秸稈還田[2-4]。合理的秸稈還田可以改善土壤結(jié)構(gòu)[5]、理化性狀、養(yǎng)分循環(huán)[6-9]、土壤有機碳(SOC)含量以及控制土壤侵蝕。秸稈還田后，在土壤中的存在狀態(tài)、分解轉(zhuǎn)化和組分變化等都與秸稈還田的效果息息相關(guān)。有研究指出作物殘體在土壤中的腐解既與秸稈本身物質(zhì)構(gòu)成有關(guān)，也與溫度、水分、土壤性狀、肥力等環(huán)境條件有關(guān)[10]。有研究指出，不同的作物殘體由于持水能力及本身組成的差異，其本身的生物學性質(zhì)和分解的動力學特征必然不同[11-12]。

秸稈腐解是一個復(fù)雜的過程[13-14]，其在土壤中分解轉(zhuǎn)化形成的中間產(chǎn)物復(fù)雜且難于分離。采用傳統(tǒng)的化學分析方法很難對混合組分的組成和結(jié)構(gòu)進行測定，而且測定過程中會改變其固有的性質(zhì)[15]。相對于化學分析方法，熱重分析有機物組分特征具有操作簡便、需要的樣品量少和樣品不需特殊分離等優(yōu)點[16-17]。因此，熱重分析可以作為作物殘體特征描述的一個方法[18]，也可以應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的相關(guān)分析[19]。

目前，有關(guān)秸稈還田的研究多集中在對作物產(chǎn)量以及對農(nóng)田土壤理化性質(zhì)的影響等方面[20-21]，而且作物殘體在土壤中分解、轉(zhuǎn)化較為復(fù)雜，其在土壤中的變化機制還不完全清楚。玉米是中國非常普遍且種植較多的農(nóng)作物，其秸稈在農(nóng)田系統(tǒng)中的循環(huán)利用非常重要，大豆秸稈又常常用來作為綠肥。因此，為了了解玉米和大豆秸稈在不同田地里的還田效果，探索其在土壤腐解過程中的腐解特性，本文選取陜西省楊凌區(qū)種植不同植物(農(nóng)田、桃樹、葡萄)的長期試驗基地(耕種史在10 a以上)，采用網(wǎng)袋法進行玉米和大豆秸稈腐解試驗，結(jié)合熱重分析儀，分析玉米和大豆秸稈在不同腐解時期的腐解率和組分變化規(guī)律；確定影響作物殘體腐解變化的因素(不同作物碳氮比、水分、種類和不同土地利用類型)，為秸稈還田措施提供理論依據(jù)[22-24]。

1　材料與方法

1.1試驗設(shè)計

試驗地設(shè)在黃土高原南部的陜西省楊凌示范區(qū)，年均氣溫13℃，年均降水量550～600 mm，主要集中在7—9月份，土壤為塿土(土墊旱耕人為土)，質(zhì)地屬粉砂粘壤土。供試植物殘體為玉米和大豆秸稈(包括莖和葉)。玉米秸稈的全碳質(zhì)量比和全氮質(zhì)量比分別為402.50 g/kg和11.31 g/kg，碳氮比為35.59；大豆秸稈的全碳質(zhì)量比和全氮質(zhì)量比分別為373.18 g/kg和25.47 g/kg，碳氮比為14.65。秸稈還田的腐解試驗在3個試驗地(不同土地利用類型)進行，分別為國家黃土肥力與肥料效益野外科學觀測試驗站的農(nóng)田(34°17′51″ N，108°00′48″ E)、西北農(nóng)林科技大學標本園區(qū)的桃園(34°19′81″ N, 108°04′11″ E)和葡萄園(34°17′81″N, 108°04′17″ E)。農(nóng)田種植方式為冬小麥-夏玉米輪作；桃園與葡萄園常年種植桃樹與葡萄。3個試驗地的基本理化性質(zhì)見表1。

表1　供試試驗地的基本性質(zhì)Tab.1　Basic soil properties in the three experiment fields

具體步驟：快速將剛采取的新鮮供試作物秸稈剪為2～3 cm大小(包括莖和葉)，在冰箱4℃冷藏保鮮作為新鮮樣品處理；另一部分作物秸稈先風干再60℃干燥至恒定質(zhì)量，粉碎過1 mm篩，作為干燥樣品處理；另外分別添加一定量的尿素至部分處理好的新鮮和干燥玉米秸稈中，拌勻，調(diào)整碳氮比至25(微生物分解最佳碳氮比[25])，作為對比試驗處理。即每個試驗地有6個處理：新鮮玉米秸稈(FC)、新鮮玉米秸稈+氮(fc)、新鮮大豆秸稈(FB)、干燥玉米秸稈(DC)、干燥玉米秸稈+氮(dc)、干燥大豆秸稈(DB)?？紤]腐解速率以及含水率的不同，新鮮秸稈稱取30 g/袋裝入30 cm × 30 cm的350目尼龍網(wǎng)袋中，干燥秸稈稱取15 g/袋裝入20 cm × 20 cm 的350目尼龍網(wǎng)袋中，封口，則每個試驗地共有234袋。10月31日分別將各個處理的若干袋子埋入3個試驗地0～20 cm處的土壤中，于埋入后10、20、30、45、60、90、120、150、180、210、240、270、300 d取樣。每個處理每次取出3袋。取出的秸稈樣品60℃干燥稱其質(zhì)量，用于計算腐解率。之后將樣品磨細(100目), 用于熱重分析。由于土壤溫度和降水影響作物秸稈的腐解，所以在腐解試驗處(0～20 cm)埋入土壤溫度記錄儀(美國TidbiT v2型溫度記錄儀)監(jiān)測土壤溫度，列于表2，降水數(shù)據(jù)列于表3。

表2　不同試驗地不同腐解期的土壤溫度Tab.2　Temperature in one year experimental period　℃

注:數(shù)值為每月每天每個小時土壤溫度的平均值±標準差。

表3　不同腐解時期的降水量Tab.3　Precipitations in one year experimental period

1.2熱重分析儀器與方法

熱重分析儀為德國耐馳(STA449C型)熱分析儀，試樣容器為Al2O3坩堝，采用氮氣氛圍進行熱解試驗，其中的氣體流量為20 mL/min，升溫速率為20℃/min。步驟：裝入約5 mg的樣品，通入空氣吹掃約1 h后，開始升溫至40℃并恒溫5 min，繼續(xù)升溫，最后加熱至1 000℃。隨著加熱溫度的上升和樣品質(zhì)量的變化得到TG(熱重)和DTG曲線，DTG曲線表示微商熱重，質(zhì)量變化率與溫度的函數(shù)關(guān)系。利用熱重分析儀自帶的計算軟件可以確定出作物殘體中水分、揮發(fā)分和固定碳等的質(zhì)量分數(shù)以及穩(wěn)定性[16]。

1.3數(shù)據(jù)處理

(1)秸稈腐解率R0計算公式為

(1)

式中X0——秸稈腐解前的初始質(zhì)量

Xt——分解t時間的秸稈腐解后剩余質(zhì)量

所有質(zhì)量都是通過含水率換算為干物質(zhì)的質(zhì)量。

(2)秸稈揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)R1計算公式為

R1=X1+X2+X3

(2)

式中X1——TG曲線中200～300℃階段的失重百分數(shù)

X2——300～400℃階段的失重百分數(shù)

X3——600～700℃階段的失重百分數(shù)

(3)秸稈固定碳質(zhì)量分數(shù)R2計算公式為

R2=Xr-Xa

(3)

式中Xr——TG曲線中的殘留質(zhì)量

Xa——灰分的質(zhì)量分數(shù)，通過馬弗爐(575±25)℃加熱5 h測得[16]

所測定的數(shù)據(jù)采用SAS(9.1.2)軟件進行方差和相關(guān)分析。作物秸稈的末期腐解率以及揮發(fā)分、固定碳在不同處理和不同試驗地之間的方差分析采用Duncan新復(fù)極差法(P<0.05)進行，不同字母代表差異顯著；作物秸稈的末期腐解率、揮發(fā)分和固定碳與土壤溫度、降水的相關(guān)性分析運用CORR程序進行分析。

2　結(jié)果與討論

2.1不同作物秸稈的腐解率變化

圖1　不同作物秸稈處理以及2種作物秸稈在3個試驗地不同腐解期平均腐解率的變化Fig.1　Decomposition rates of six treatments and decomposition rates of corn and bean residues in three long experiments during different decomposition periods

6個作物秸稈處理和2種作物秸稈在3個試驗地不同腐解期的平均腐解率變化如圖1所示。由圖1a可見，各處理作物秸稈的腐解率在腐解初期(0～20 d)迅速上升，F(xiàn)B處理上升最多，達到60%左右，F(xiàn)C、fc和DB處理達到30%左右，DC和dc處理達到20%～25%；20～120 d內(nèi)相對穩(wěn)定，120 d之后不同處理的腐解率又逐漸上升，到270 d時，已經(jīng)基本上腐解了65%～75%；270～300 d腐解率變化較小。圖1b顯示，玉米和大豆秸稈在3個試驗地之間各自的腐解特性差異都不大，其變化趨勢與圖1a相似。由此可以得出本試驗中的作物秸稈腐解具有階段性，基本上是在前期0～20 d腐解率變化劇烈，腐解20%以上，20～120 d腐解較少，120～270 d繼續(xù)腐解，270 d后腐解率保持平穩(wěn)。這與張春慧等[26]、胡宏祥等[27]研究結(jié)果一致，作物秸稈進入土壤之后前期腐解最快，經(jīng)9個月后腐解主要進程已趨完成，腐解率趨于穩(wěn)定。

結(jié)合腐解末期(300 d)作物秸稈腐解率的方差分析得出(表4)，不同處理間腐解末期的腐解率差異顯著(P<0.05)，新鮮樣品較干燥樣品腐解快，這與“分解的速度與秸稈中含水率有關(guān)”的結(jié)論相一致[12]，碳氮比低的作物秸稈腐解快[28, 29]，玉米和大豆秸稈的腐解特性不同，由圖1b也可以看出，大豆秸稈前期腐解率變化比玉米秸稈快，后期則變化較慢，玉米秸稈后期較大豆秸稈腐解率變化快，這表明大豆秸稈在前期迅速腐解，在中期達到穩(wěn)定；玉米秸稈則前期腐解較大豆秸稈慢，中期繼續(xù)腐解，腐解后期達到穩(wěn)定后，與大豆秸稈的腐解率相差不大。此外，不同試驗地之間作物秸稈腐解率無明顯差異(P>0.05)(表4)，而與土壤溫度和降水量都達到極顯著相關(guān)(P<0.01)(表5)，土壤溫度和降水量等氣候條件相似(表2、3)則是不同試驗地腐解率無差異的原因[30]。因此，秸稈腐解率與它自身的條件(秸稈碳氮比、干濕程度和種類)有關(guān)(表4)[28-29]，碳氮比低、新鮮的作物秸稈腐解較快，大豆秸稈(碳氮比小)腐解率變化較玉米秸稈快，這是由于碳氮比以及水分條件有利于微生物的分解活動，其次，新鮮秸稈含有較高比例的簡單碳水化合物和蛋白質(zhì)易于降解；也與所處環(huán)境的水熱狀態(tài)有關(guān)(表5)[29]，具有階段性：作物秸稈進入土壤中，由于微生物等的利用，進行快速分解，隨著土壤溫度下降至10℃以下，且降水量也有所減少，環(huán)境條件不適宜，微生物的活力受到溫度和水分的限制，腐解進行很慢，隨著土壤溫度升高和降水的逐漸增多，環(huán)境條件轉(zhuǎn)好，微生物活動旺盛，則分解作用可以繼續(xù)進行，腐解率上升，直至達到穩(wěn)定狀態(tài)。

表4　不同作物秸稈處理和不同試驗地腐解末期的 腐解率差異比較Tab.4　ANOVA of decomposition rates on 300 d in different treatments and land uses

注：方差分析采用Duncan氏新復(fù)極差法(P= 5%)，相同字母表示差異不顯著，不同字母表示差異顯著。

表5　不同處理秸稈腐解率與土壤溫度、降水量動態(tài) 變化的相關(guān)性Tab.5　Relationships of decomposition rates with soil temperature and precipitations

注：** 表示極顯著(P<0.01)相關(guān)。

2.2不同作物秸稈的熱重分析結(jié)果

2.2.1玉米和大豆秸稈TG-DTG曲線變化

圖2　不同作物秸稈原樣的TG-DTG曲線Fig.2　TG and DTG profiles of original plant samples

圖2為不同作物秸稈原樣的TG-DTG曲線，大致分為3個失重階段：80℃、300～400℃和600～700℃。將由TG-DTG曲線(圖2)得出玉米、大豆秸稈原樣各個失重階段的失重百分比列于表6，結(jié)果顯示，兩種作物秸稈原樣中300～400℃的失重百分比最大，達到60%左右，表示作物秸稈中的纖維素含量比例較多，且玉米秸稈在該階段的物質(zhì)質(zhì)量百分比較大豆秸稈多。在600～700℃大豆秸稈較玉米秸稈的失重百分比大，由于在TG曲線中分解發(fā)生的失重溫度越高，該物質(zhì)穩(wěn)定性越高，越難被分解[17]，所以大豆秸稈的難分解物質(zhì)成分較多(600～700℃階段)，穩(wěn)定性較高(表6)。

表6　玉米秸稈和大豆秸稈原樣各階段的失重百分比 和殘留質(zhì)量比Tab.6　TG characteristic parameters of original samples　%

隨著腐解的進行，作物殘體的熱重曲線有所變化，腐解末期(300 d)作物秸稈的TG-DTG曲線如圖3所示(以桃園新鮮樣品處理為例)，此時與原樣(圖2)相比，玉米秸稈變?yōu)?個失重階段：80℃、200～300℃、300～400℃和600～700℃，大豆秸稈則在TG-DTG線型上無明顯變化(圖3)。80℃左右的失重是作物秸稈中水分散失造成的，由于其不穩(wěn)定性，在本文中不予討論；200～300℃之間的失重是由于半纖維素發(fā)生分解，產(chǎn)生揮發(fā)性物質(zhì)；300～400℃是纖維素發(fā)生分解，大部分也是生成揮發(fā)性物質(zhì)[31]; 木質(zhì)素較難分解，分解溫度最寬，主要發(fā)生在280～900℃，一部分生成揮發(fā)性物質(zhì)，一部分分解為碳[32]，故600～700℃失重是由于木質(zhì)素等難分解的物質(zhì)分解揮發(fā)所致。

圖3　腐解300 d桃園新鮮樣品的TG-DTG曲線Fig.3　TG and DTG profiles of fresh samples (300 d) in peach garden

2.2.2玉米和大豆秸稈各階段組分變化

由熱重曲線得出的不同腐解期作物秸稈各階段失重質(zhì)量百分比變化如圖4(6個處理)所示。由熱重曲線圖可知，200～300℃階段的失重是由玉米秸稈和玉米秸稈加氮處理在腐解過程中(20～60 d)產(chǎn)生的，因此，圖4a為FC、DC、fc、dc處理在TG曲線200～300℃階段的失重百分比變化，fc、dc處理較FC、DC處理先出現(xiàn)此階段的失重，各處理的該階段失重百分比先升高至30%左右(90～120 d)，之后起伏變化。該階段的失重代表半纖維素的熱解揮發(fā)，半纖維素容易被微生物利用分解，因此隨著玉米秸稈在土壤中的腐解，到了后期，玉米秸稈處理中200～300℃階段的失重百分比有所降低或消失。圖4b顯示的是300～400℃階段不同處理的失重百分比變化，此階段的失重是由于纖維素的熱解揮發(fā)所致。腐解初期大豆秸稈在300～400℃階段的失重百分比與玉米秸稈相近，腐解后期則明顯高于玉米秸稈，到90 d之后各個處理的變化都趨于平穩(wěn)，這與腐解率的變化趨勢一致。600～700℃階段(圖4c)，玉米秸稈則無明顯變化，大豆秸稈腐解初期該階段的失重百分比高于玉米秸稈，腐解0～30 d下降較快，30～120 d無明顯變化，腐解后期又逐漸下降，至末期(300 d)其失重百分比接近玉米秸稈(6%左右)。由于大豆秸稈中穩(wěn)定成分多于玉米秸稈(圖1和表6中得出)，隨著腐解的進行，逐漸轉(zhuǎn)化、分解為易腐解的物質(zhì)，所以大豆秸稈中較難分解物質(zhì)的百分比(600～700℃階段)下降(圖4c)，分解為纖維素等易腐解的物質(zhì)，加上玉米秸稈中的一部分纖維素易分解產(chǎn)生半纖維素，因此，到腐解后期300～400℃階段的失重百分比高于玉米秸稈(圖4b)。圖4d顯示，固定碳與灰分質(zhì)量百分比隨著腐解的進行逐漸上升，秸稈中容易腐解的揮發(fā)分等物質(zhì)分解釋放，比例下降，剩下的較難分解物質(zhì)(固定碳、灰分等)百分比則上升，并隨后可能混入土壤中，說明作物殘體在土壤中腐解有增加土壤碳含量的作用[33]。

圖4　不同作物秸稈各階段失重百分比隨腐解時間的變化曲線Fig.4　Mass loss of 200～300℃, 300～400℃, 600～700℃, and remaining mass in six crop treatments during different decomposition periods

TG曲線中的失重是由揮發(fā)分和水分的散失造成的，因此200～300℃、300～400℃和600～700℃階段失重百分比之和為作物秸稈揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)，殘留物質(zhì)與灰分百分比之差為固定碳質(zhì)量分數(shù)[16]，根據(jù)揮發(fā)分的數(shù)值，確定出作物秸稈轉(zhuǎn)化為氣體或液體的產(chǎn)率，對作物秸稈還田過程中的物質(zhì)轉(zhuǎn)化具有指導(dǎo)意義；固定碳則可以影響土壤碳含量。二者在6個處理和3個試驗地間的方差分析(表7、8)結(jié)果顯示，揮發(fā)分與固定碳在不同作物秸稈處理間的差異顯著(P<0.05)，在3個試驗地之間則無明顯差異(P>0.05)。相關(guān)分析(表9)表明，揮發(fā)分與固定碳含量成反比，作物秸稈中的揮發(fā)分、固定碳質(zhì)量分數(shù)與土壤溫度和降水量呈顯著相關(guān)(P<0.05)。由方差分析和相關(guān)分析得出，大豆秸稈、新鮮玉米秸稈及其加氮處理的固定碳含量較高(P<0.05)，變化趨勢與土壤溫度和降水條件有關(guān)，與秸稈腐解率的變化相似，適宜的碳氮比、溫度、水分條件有利于微生物的分解活動[28-29]，腐解進行較快，各組分變化較大；若環(huán)境條件不適宜，微生物的活力受到溫度、水分和碳氮比的限制，腐解進行較慢，各組分則無明顯變化。

表7　固定碳與揮發(fā)分在6個不同作物秸稈處理之間 的方差分析Tab.7　Average percentage of fixed carbon and volatile matters with six plant residues treatments

注：方差分析采用Duncan氏新復(fù)極差法(P=5%)，相同字母表示差異不顯著，不同字母表示差異顯著。

3　結(jié)論

(1)由作物秸稈的腐解率變化得出，碳氮比低和新鮮的作物秸稈腐解效果較好(P<0.05)，在3個試驗地之間無明顯差異(P>0.05)，作物秸稈腐解的快慢與土壤溫度、降水大小極為相關(guān)(P<0.01)。經(jīng)過一年的腐解，作物秸稈腐解率達到60%～70%。

表8　固定碳與揮發(fā)分在3個不同試驗地之間的方差分析Tab.8　Average fixed carbon and volatile matters percentage of plant residues in three different land uses

注：方差分析采用Duncan氏新復(fù)極差法(P=5%)，相同字母表示差異不顯著，不同字母表示差異顯著。

表9　固定碳、揮發(fā)分、土壤溫度和降水量之間的相關(guān)性Tab.9　Correlation coefficients between fixed carbon and volatile matters in plant residues, soil temperature and precipitations

注：*P<0.05； **P< 0.01。

(2)由作物TG-DTG曲線得出，大豆秸稈的穩(wěn)定成分多于玉米秸稈。玉米秸稈在腐解期間產(chǎn)生200～300℃(TG曲線)的失重(20%～30%)，大豆秸稈在腐解過程中300～400℃階段的失重百分比高于玉米秸稈，到腐解末期(300 d)，不同處理的難分解物質(zhì)(600～700℃階段)含量相差不大，隨著腐解的進行，殘留質(zhì)量上升至40%。不同作物秸稈處理間各組分差異顯著(P<0.05)，在3個試驗地之間則無明顯差異(P>0.05)，與土壤溫度和降水量呈顯著相關(guān)(P<0.05)，且TG-DTG曲線與作物秸稈種類和腐解時期有關(guān)。

(3) 綜上所述，玉米和大豆秸稈還田有增加土壤碳含量的作用。將新鮮的玉米和大豆秸稈粉碎或切成2～3 cm，且玉米秸稈同時加入適量N肥有利于作物秸稈在土壤中的腐解，不同田地的腐解效果與土壤的溫度、降水條件關(guān)系密切。

1張海林, 高旺盛, 陳阜, 等. 保護性耕作研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢及對策[J]. 中國農(nóng)業(yè)大學學報，2005，10(1)：16-20.

ZHANG Hailin, GAO Wangsheng, CHEN Fu, et al. Prospects and present situation of conservation tillage[J]. Journal of China Agricultural University, 2005, 10(1): 16-20. (in Chinese)

2LI L J, HAN X Z, YOU M Y, et al. Carbon and nitrogen mineralization patterns of two contrasting crop residues in a Mollisol: effects of residue type and placement in soils[J]. European Jouranl of Soil Biology, 2012, 54: 1-6.

3MONFORTI F, LUGATO E, MOTOLA V, et al. Optimal energy use of agricultural crop residues preserving soil organic carbon stocks in Europe[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2015, 44: 519-529.

4MOURTZINIS S, ARRIAGA F, BALKCOM K S, et al. Vertical distribution of corn biomass as influenced by cover crop and stover harvest[J]. Agronomy Journal, 2015, 107(1): 232-240.

5余坤，馮浩，李正鵬，等. 秸稈還田對農(nóng)田土壤水分與冬小麥耗水特征的影響[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2014，45(10)：116-123.

YU Kun, FENG Hao, LI Zhengpeng, et al. Effects of different pretreated straws on soil water content and water consumption characteristics of winter wheat[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(10): 116-123.(in Chinese)

6ARCAND M M, KNIGHT J D, RICHARD E F. Differentiating between the supply of N to wheat from above and below ground residues of preceding crops of pea and canola[J]. Biology and Fertility of Soils, 2014, 50(4): 563-570.

7龐成慶, 秦江濤, 李輝信, 等. 秸稈還田和休耕對贛東北稻田土壤養(yǎng)分的影響[J]. 土壤，2013，45(4)：604-609.

PANG Chengqing, QIN Jiangtao, LI Huixin, et al. Effects of rice straw incorporation and permanent fallow on soil nutrient of paddy field in northeastern Jiangxi province[J]. Soils, 2013, 45(4): 604-609. (in Chinese)

8RAHMANA M A, CHIKUSHIA J, SAIFIZZAMANB M, et al. Rice straw mulching and nitrogen response of no-till wheat following rice in Bangladesh[J]. Field Crops Research, 2005, 91(1): 71-81.

9閆德智, 王德建. 長期施用化肥和秸稈對水稻土碳氮礦化的影響[J]. 土壤，2011，43(4)：529-533.

YAN Dezhi, WANG Dejian. Carbon and nitrogen mineralization affected by long-term application of chemical fertilizer and rice straw in paddy soil[J]. Soils, 2011, 43(4): 529-533. (in Chinese)

10王旭東, 陳鮮妮, 王彩霞, 等. 農(nóng)田不同肥力條件下玉米秸稈腐解效果[J].農(nóng)業(yè)工程學報, 2009，25(10)：252-257.

WANG Xudong, CHEN Xianni, WANG Caixia, et al. Decomposition of corn stalk in cropland with different fertility[J]. Transactions of the CSAE, 2009, 25(10): 252-257. (in Chinese)

11SOON Y K, ARSHAD M A. Comparison of the decomposition and N and P mineralization of canola, pea and wheat residues[J]. Biology and Fertility of Soils, 2002, 36(1): 10-17.

12ZIBILSKE L M, MATERON L A. Biochemical properties of decomposing cotton and corn stem and root residues[J]. Soil Science Society of America Journal, 2005, 69(2): 378-386.

13黃婷苗, 鄭險峰, 王朝輝. 還田玉米秸稈氮釋放對關(guān)中黃土供氮和冬小麥氮吸收的影響[J].中國農(nóng)業(yè)科學，2015，48(14)：2785-2795.

HUANG Tingmiao, ZHENG Xianfeng, WANG Zhaohui. Nitrogen release of returned maize straw and its effects on loess N supply and nitrogen uptake by winter wheat in Guanzhong plain[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2015, 48(14): 2785-2795. (in Chinese)

14黃濤, 仇少君, 杜娟, 等 碳氮管理措施對冬小麥/夏玉米輪作體系作物產(chǎn)量、秸稈腐解、土壤CO2排放的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學，2013，46(4)：756-768.

HUANG Tao, QIU Shaojun, DU Juan, et al. Effects of different carbon and nitrogen managements on yield, straw decomposition, soil CO2flux of the winter wheat/summer maize[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2013, 46(4): 756-768. (in Chinese)

15吳景貴，席時權(quán)，姜巖. 紅外光譜在土壤有機質(zhì)研究中的應(yīng)用[J]. 光譜學與光譜分析，1998，18(1)：52-57.

WU Jinggui, XI Shiquan, JIANG Yan. Infrared spectroscopy application on soil organicmatter[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 1998,18(1): 52-57.(in Chinese)

16BRUNO S S, ANA P D M, ANA M, et al. TG-FTIR coupling to monitor the pyrolysis products from agricultural residues[J]. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 2009, 97(2): 637-642.

17YANG H P, YAN R, CHEN H P, et al. In-depth investigation of biomass pyrolysis based on three major components: hemicellulose, cellulose and lignin[J]. Energy & Fuls, 2006, 20(1): 388-393.

18孟安華，吳景貴. 不同處理牛糞對植菜土壤腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)特征的影響[J]. 水土保持學報，2015，29(4)：223-228.

MENG Anhua, WU Jinggui. Effects of different cow dung treatments on humus structure of vegetable planting soil[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2015, 29(4): 223-228.(in Chinese)

19IBRAHIM M, CAO C G, ZHAN M, et al. Changes of CO2emission and labile organic carbon as influenced by rice straw and different water regimes[J]. International Journal of Environmental Science and Technology, 2015, 12(1): 263-274.

20BADRE B, NOBELIS P, TRéMOLIRES M. Quantitative study and modeling of the litter decomposition in an European alluvial forest. Is there an influence of overstorey tree species on the decomposition of ivy litter (HederahelixL.)?[J]. Acta Oecologica, 1998, 19(6): 491-500.

21INCERTI G, BONANOMI G, GIANNINO F, et al. Litter decomposition in Mediterranean ecosystems: modelling the controlling role of climatic conditions and litter quality[J]. Applied Soil Ecology, 2011, 49: 148-157.

22LARSON W E. Crop residue: energy production on erosion control[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 1979, 34: 74-76.

23VANLAUWE B, DENDOOVEN L, MERCKX R. Residue fraction and decomposition: the significance of the active fraction[J]. Plant and Soil, 1994, 158(2): 263-274.

24KUWATSUKA S, WANTANABE A, ITOH K, et al. Comparison of two methods of preparation of humic and fulvic acids, IHSS method and NAGOYA method[J]. Soil Science and Plant Nutrition, 1992, 38(1): 23-30.

25NDEGWA P M, THOMPSON S A. Effects of C-to-N ratio on vermicomposting of biosolids[J]. Bioresource Technology, 2000, 75(1): 7-12.

26張春慧，張一平，竇連彬. 農(nóng)田生態(tài)條件下植物殘體腐解過程腐解物的能態(tài)變化特征[J]. 生態(tài)學報，1996，16(2)：141-146.

ZHANG Chunhui, ZHANG Yiping, DOU Lianbin. Processes of plant residues decaying in field ecosystems: features of energetic variation of decaying substance[J]. Acta Ecologica Sinica, 1996, 16(2): 141-146.(in Chinese)

27胡宏祥，程燕，馬友華，等. 油菜秸稈還田腐解變化特征及其培肥土壤的作用[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報，2012，20(3)：297-302.

HU Hongxiang, CHENG Yan, MA Youhua, et al. Decomposition characteristics of returned rapeseed straw in soil and effects on soil fertility[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2012, 20(3): 297-302.(in Chinese)

28CAO Yingfei, ZHANG Hong, Liu Ke, et al. Organic acids variation in plant residues and soil among agricutural treatments[J]. Agronomy Journal, 2015, 107(6): 2171-2180.

29張紅, 呂家瓏, 曹瑩菲, 等. 不同植物秸稈腐解特性與土壤微生物功能多樣性研究[J]. 土壤學報，2014，51(4)：69-78.

ZHANG Hong, Lü Jialong, CAO Yingfei, et al. Decomposition characteristics of different plant straws and soil microbial functional diversity[J]. Acta Pedologica Sinica, 2014, 51(4): 69-78. (in Chinese)

30PRESTON C M, NAULT J R, TROFYMOW J. Chemical changes during 6 years of decomposition of 11 litters in some Canadian forest sites. Part 2.13C abundance, solid-state13C NMR spectroscopy and the meaning of “l(fā)ignin”[J]. Ecosystems, 2009，12(7): 1078-1102.

31徐硯，朱群益，宋紹國. 采用熱重與紅外光譜聯(lián)用研究玉米秸稈熱解[J]. 熱能動力工程，2012，27(1)：126-129,142.

XU Yan, ZHU Qunyi, SONG Shaoguo. Study of the pyrolysis of corn stalk by combining the thermogravimetric method with the infrared spectrum one[J]. Journal of Engineering for Thermal Energy and Power, 2012, 27(1): 126-129,142.(in Chinese)

32WANG G，LI W，LI B Q，et al. TG study on pyrolysis of biomass and its three components under syngas[J]. Fuel, 2008, 87(4-5): 552-558．

33POTTHOFF M, DYCKMANS J, FLESSA H, et al. Dynamics of maize(ZeamaysL.)leaf straw mineralization as affected by the presence of soil and the availability of nitrogen[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2005, 37(7): 1259-1266.

Decomposition Characteristics of Crop Residues among Different Agricultural Treatments

Cao Yingfei1,2Zhang Hong1,2Liu Ke1Lü Jialong1,2

(1.CollegeofResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China2.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingonLoessPlateau,Yangling,Shaanxi712100,China)

This study was about crop decomposition characteristic changes of corn and bean residues (with different water conditions and C/N ratios) decomposition in the fields of three land uses (vineyard, peach orchard, farmland), using nylon mesh bags method and thermogravimetry (TG), which can provide a scientific basis for the rational use of straw resources. The results showed that at the early stage of the decomposition (0～20 d), the decomposition rate was more than 20% and the decomposition rate of bean straws was faster than that of corn straws. On 0～90 d of the decomposition, they were relatively stable. Then the decomposition rates increased to 60%～70% at the end (300 d). In TG-DTG curves, the mass loss of 200～300℃ stage(20%～30%) was caused by the corn straws during the decomposition (20～45 d). At the end of decomposition, the 300～400℃ mass losses of bean straws were significantly higher than those of corn straws. The values of 600～700℃ in TG and DTG curves at the end of the decomposition (300 d) were about 6%. The decomposition rates and percentages of fixed carbon and volatile matters were significantly different between fresh and dry treatments, corn residues and bean residues, and low C/N ratio and high C/N ratio treatments (P< 0.05). While, there were no obvious differences in three different land uses (P> 0.05). The decomposition rates and fixed carbon contents were significantly positively related to soil temperature and precipitation (P< 0.05), and volatile matters were negatively correlated with soil temperature and precipitation (P< 0.05). Corn and bean straws in soils could increase the carbon content. Type, C/N ratio and water condition of crop residues, and soil temperature and precipitation could affect the crop straw decomposition in the soil.

crop residues decomposition; thermogravimetry; decomposition rate

10.6041/j.issn.1000-1298.2016.09.030

2016-03-03

2016-04-10

中國科學院黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室基金項目(K318009902-1310)和陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計劃項目(2011K01-48)

曹瑩菲(1987—)，女，博士生，主要從事土壤化學研究，E-mail: yingfeicao@126.com

呂家瓏(1962—)，男，教授，博生生導(dǎo)師，主要從事土壤和環(huán)境化學研究，E-mail: ljlll@nwsuaf.edu.cn

S15

A

1000-1298(2016)09-0212-08