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煤矿复垦区不同有机物料的分解特征

陈兵 王小利 徐明岗 李然 李建华 靳东升 段英华 孙楠

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煤矿复垦区不同有机物料的分解特征

    作者简介: 陈兵 E-mail:916578728@qq.com;
    通讯作者: 王小利, E-mail:xlwang@gzu.edu.cn ; 徐明岗, E-mail:xuminggang@caas.cn
  • 基金项目: 国家重点联合基金项目(U1710255);国家自然科学基金项目(31860160)。

Decomposition characteristics of different organic materials in coal mine reclamation area

    Corresponding author: WANG Xiao-li, E-mail:xlwang@gzu.edu.cn ;XU Ming-gang, E-mail:xuminggang@caas.cn ;
  • 摘要:   【目的】  研究不同有机物料在矿区复垦土壤中的分解速率及养分释放特征,为合理利用有机资源培肥矿区复垦土壤提供科学依据。  【方法】  在山西黄土丘陵区矿区复垦长期试验点进行大田填埋分解试验。采用尼龙网袋法,将供试的4种有机物料小麦秸秆、玉米秸秆、牛粪和猪粪烘干后过2 mm筛,均按等有机碳量 (8 g) 称取后装入尼龙网袋埋入试验地15 cm深。在填埋后的第12、23、55、218、280、365天采样,分析4种有机物料的干物质残留量和氮、磷、钾及半纤维素、纤维素、木质素含量,计算C/N值和木质素(Lignin)/N值。  【结果】  秸秆和粪肥在矿区复垦土壤中的分解速率均在第12天达到最大,然后迅速下降,分解第365天时,小麦秸秆、玉米秸秆、牛粪和猪粪的质量残留率依次为49.8%、55.1%、79.2%和54.0%,有机碳残留率依次为48.8%、53.4%、63.9%和51.8%。供试有机物料的养分释放率存在差异,在最初分解的第23天,玉米秸秆的氮、磷养分出现了明显富集,氮、磷养分残留率分别达到了131.0%和152.7%,小麦秸秆、牛粪和猪粪的氮素残留率依次为93.0%、81.3%和67.8%,磷素的残留率依次为92.5%、98.8%和84.3%,分解第365天时,小麦秸秆中养分释放速率大小表现为钾 > 磷 > 氮,其他3个物料中养分释放速率大小均表现为钾 > 氮 > 磷。从整个分解过程来看,玉米秸秆中氮素和磷素在矿区复垦土壤中表现出先富集再释放的模式,其他3个物料中氮素和磷素均表现为直接释放模式。采用地积温方程能较好地拟合有机物料的分解过程,由方程可知,秸秆和粪肥的分解速率常数 (K) 大小顺序为猪粪 > 小麦秸秆 > 玉米秸秆 > 牛粪。有机物料的分解速率与养分和木质素等成分的含量相关,全磷、半纤维素含量越高分解越快,木质素含量、C/N和Lignin/N越高分解越慢。  【结论】  秸秆和粪肥在山西矿区复垦土壤中的分解速率在填埋后第12天达到最大值,之后分解速率减缓。与秸秆相比,粪肥的有机碳残留率较高,氮、磷养分释放快,其中以牛粪的分解速率最慢,有机碳残留率最高,因此,牛粪可作为矿区复垦土壤培肥的首选有机物料。
  • 图 1  有机物料腐解过程中的土壤温度变化

    Figure 1.  Soil temperature changes during decomposition of organic materials

    图 2  有机物料质量残留率随分解时间的变化

    Figure 2.  Change of residual rate of the tested organic materials with decomposion days

    图 3  有机物料碳、氮、磷和钾素残留率随分解时间的变化

    Figure 3.  Changes of organic C, N, P and K residual rate of organic materials with decomposion days

    图 4  有机物料中纤维素、半纤维素和木质素残留率随时间的变化

    Figure 4.  Changes of cellulose, hemicellulose and lignin residual rate of organic materials with decomposion days

    图 5  有机物料腐解过程中C/N和lignin/N值随时间的变化

    Figure 5.  Changes of C/N and lignin/N of the organic materials with decomposion days

    表 1  有机物料初始成分含量 (g/kg)

    Table 1.  Initial composition of the tested organic materials

    有机物料
    Organic material
    有机碳
    Organic C
    全氮
    Total N
    全磷
    Total P
    全钾
    Total K
    半纤维素
    Hemicellulose
    纤维素
    Cellulose
    木质素
    Lignin
    小麦秸秆
    Wheat straw
    448.8 ± 12.11 a 6.08 ± 0.01 d0.79 ± 0.01 c22.92 ± 0.03 a311.9 ± 2.06 a388.15 ± 2.21 a72.36 ± 0.15 a
    玉米秸秆
    Maize straw
    440.8 ± 4.73 a 8.54 ± 0.08 c0.67 ± 0.01 d 8.68 ± 0.01 d298.2 ± 1.77 b381.33 ± 5.89 b57.25 ± 0.29 c
    牛粪
    Cow manure
    225.2 ± 1.90 c11.31 ± 0.06 b2.38 ± 0.00 b15.56 ± 0.02 c102.0 ± 0.52 d 83.05 ± 0.35 c59.74 ± 0.26 b
    猪粪
    Pig manure
    299.7 ± 0.30 b29.95 ± 0.39 a19.92 ± 0.04 a 17.78 ± 0.01 b226.8 ± 0.99 c 87.62 ± 0.65 c22.47 ± 0.15 d
    注(Note):同列数据后不同小写字母表示不同物料间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in the same column indicate significant difference among different materials (P < 0.05).
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    表 2  有机物料养分含量及用量

    Table 2.  Nutrient content and application amount of organic materials

    有机物料
    Organic material
    有机碳 (g/kg)
    Organic C
    全氮 (g/kg)
    Total N
    碳氮比
    C/N
    碳投入量 (g)
    C input
    有机物料用量 (g/bag)
    Amount of organic material
    小麦秸秆Wheat straw448.8 6.173.88.018.0
    玉米秸秆Maize straw440.8 8.551.68.018.3
    牛粪Cow manure225.211.319.98.036.0
    猪粪Pig manure299.730.010.08.027.0
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    表 3  有机物料质量残留率与积温的拟合参数

    Table 3.  Fitting parameters of mass residual rate and accumulated temperature of organic materials

    有机物料Organic material拟合方程EquationKR2P
    小麦秸秆Wheat strawy = 52.56 + 44.09e(–0.0012x)0.00120.950.001
    玉米秸秆Maize strawy = 56.92 + 40.13e(–0.0011x)0.00110.960.001
    牛粪Cow manurey = 79.72 + 17.40e(–0.0006x)0.00060.870.016
    猪粪Pig manurey = 57.99 + 39.50e(–0.0018x)0.00180.950.003
    注(Note):K—分解速率常数Decay rate constant;R2—方程拟合优度The goodness of fitting of the equation.
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    表 4  分解速率 (Kj-365) 与有机物料成分含量 (Xj) 的相关性分析

    Table 4.  The correlation between decomposion rate (Kj-365) and the contents of components in organic materials (Xj)

    分解天数 (d)
    Decomposion days
    氮含量
    N content
    磷含量
    P content
    半纤维素含量
    Hemicellulose content
    纤维素含量
    Cellulose content
    木质素含量
    Lignin content
    碳/氮
    C/N
    木质素/氮
    Lignin/N
    00.748**0.687**0.4430.085‒0.729**‒0.195‒0.418
    120.4820.515*0.549**‒0.049‒0.400**‒0.013‒0.186
    230.3840.578*0.675**0.295‒0.2630.175‒0.029
    550.0090.3580.851**0.492**‒0.040.3250.101
    218 0.3790.347‒0.070‒0.284‒0.123‒0.1280.006
    280 0.589*0.648**‒0.024‒0.344‒0.507**‒0.356*‒0.367*
    注(Note):K j-365—从分解第 j 天到第 365 天的分解速率 The decomposion rate from jth day to the 365th day;Xj—分解第 j 天有机物料化学成分含量或成分比值 The content of a component or the lignin/N and C/N of organic materials at the jth day of decomposion . *—P < 0.05; **—P < 0.01.
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-11-29
  • 网络出版日期:  2020-07-20
  • 刊出日期:  2020-06-01

煤矿复垦区不同有机物料的分解特征

    作者简介:陈兵 E-mail:916578728@qq.com
    通讯作者: 王小利, xlwang@gzu.edu.cn
    通讯作者: 徐明岗, xuminggang@caas.cn
  • 1. 贵州大学农学院,贵州贵阳 550025
  • 2. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/耕地培育技术国家工程实验室,北京 100081
  • 3. 山西省农业科学院农业环境与资源研究所,山西太原 030000
  • 基金项目: 国家重点联合基金项目(U1710255);国家自然科学基金项目(31860160)。
  • 摘要:   【目的】  研究不同有机物料在矿区复垦土壤中的分解速率及养分释放特征,为合理利用有机资源培肥矿区复垦土壤提供科学依据。  【方法】  在山西黄土丘陵区矿区复垦长期试验点进行大田填埋分解试验。采用尼龙网袋法,将供试的4种有机物料小麦秸秆、玉米秸秆、牛粪和猪粪烘干后过2 mm筛,均按等有机碳量 (8 g) 称取后装入尼龙网袋埋入试验地15 cm深。在填埋后的第12、23、55、218、280、365天采样,分析4种有机物料的干物质残留量和氮、磷、钾及半纤维素、纤维素、木质素含量,计算C/N值和木质素(Lignin)/N值。  【结果】  秸秆和粪肥在矿区复垦土壤中的分解速率均在第12天达到最大,然后迅速下降,分解第365天时,小麦秸秆、玉米秸秆、牛粪和猪粪的质量残留率依次为49.8%、55.1%、79.2%和54.0%,有机碳残留率依次为48.8%、53.4%、63.9%和51.8%。供试有机物料的养分释放率存在差异,在最初分解的第23天,玉米秸秆的氮、磷养分出现了明显富集,氮、磷养分残留率分别达到了131.0%和152.7%,小麦秸秆、牛粪和猪粪的氮素残留率依次为93.0%、81.3%和67.8%,磷素的残留率依次为92.5%、98.8%和84.3%,分解第365天时,小麦秸秆中养分释放速率大小表现为钾 > 磷 > 氮,其他3个物料中养分释放速率大小均表现为钾 > 氮 > 磷。从整个分解过程来看,玉米秸秆中氮素和磷素在矿区复垦土壤中表现出先富集再释放的模式,其他3个物料中氮素和磷素均表现为直接释放模式。采用地积温方程能较好地拟合有机物料的分解过程,由方程可知,秸秆和粪肥的分解速率常数 (K) 大小顺序为猪粪 > 小麦秸秆 > 玉米秸秆 > 牛粪。有机物料的分解速率与养分和木质素等成分的含量相关,全磷、半纤维素含量越高分解越快,木质素含量、C/N和Lignin/N越高分解越慢。  【结论】  秸秆和粪肥在山西矿区复垦土壤中的分解速率在填埋后第12天达到最大值,之后分解速率减缓。与秸秆相比,粪肥的有机碳残留率较高,氮、磷养分释放快,其中以牛粪的分解速率最慢,有机碳残留率最高,因此,牛粪可作为矿区复垦土壤培肥的首选有机物料。

    English Abstract

    • 由于煤炭资源的大力开发利用,导致矿区耕地造成了大面积的塌陷[1],塌陷后的土壤在复垦过程中扰动较大,使得复垦后的土壤养分含量低及微生物数量少、活性差等,致使土壤肥力低下[2-3]。快速提高复垦土壤肥力最有效的方法就是施入外源养分[4-5]。我国有机物料资源丰富,2015年产量约57亿t,其中畜禽粪尿约38亿t,养分资源量 (N、P2O5和K2O) 约为5000万t[6];秸秆约7.2亿t,养分资源量 (N、P2O5和K2O) 约为2000万t[7]。若能充分利用好这些有机物料,既能快速提升土壤有机质含量,培肥土壤[8-9],又同时解决了有机废弃物对环境的污染[10]。因此,研究不同有机物料的分解及养分释放特征对有机资源合理利用和矿区复垦土壤培肥具有重要的指导意义。

      关于有机物料在土壤中的分解前人进行了大量研究,如介晓磊等[11]在暖温带区的砂土中添加5种有机物料的研究发现,秸秆的腐解速率显著高于粪肥,腐解速率大小表现为玉米秸秆 > 小麦秸秆 > 鸡粪 > 牛粪 > 猪粪;李逢雨等[12]在亚热带湿润气候区发现不同秸秆的腐解均呈先快后慢的特点;马想等[13]研究我国典型农田土壤中有机物料的腐解残留率变化发现,粪肥残留率和其有机碳库中稳定碳库比例明显高于秸秆,且其研究表明物料性质在有机物料腐解过程中的贡献率为28%,比气候因素的贡献率多8%。前人对于有机物料的养分释放特征也进行了大量研究,如王允青等[14]研究发现作物秸秆中不同养分释放速率大小表现为磷 > 氮 > 钾;陈尚洪等[15]研究认为,作物秸秆腐解过程中不同养分的释放速率表现为钾 > 磷 > 氮。李昌明等[16]研究认为秸秆在分解过程中的养分释放率为K > P ≈ N,且氮、磷在释放过程中表现出了富集‒释放模式,钾为直接释放模式。目前,有机物料在农田土壤中的分解研究已经积累了大量的文献资料,但是在矿区复垦土壤中的分解研究相对比较少,且物料还田后多集中在测定土壤有机碳、氮的变化[17-18],而对于纯有机物料在矿区复垦土壤中的分解速率和养分释放特征等问题尚不清楚。本研究以山西省襄垣县西山底村长期定位试验为平台,采用尼龙网袋法进行为期一年的有机物料填埋分解试验,分析小麦秸秆、玉米秸秆、牛粪、猪粪的分解速率及养分释放特征,以期为合理利用有机资源培肥矿区复垦土壤提供科学依据。

      • 试验设在山西省长治市襄垣县王桥镇西山底村,位于东113°00′、北纬36°27′,该地区属暖温带大陆性季风气候,年平均气温9.5℃,年均降水量532.8 mm,且降雨多集中在7―9月份,年均蒸发量达1768.1 mm,无霜期约169天。供试土壤的基本理化性质为:有机质16.63 g/kg、全氮0.87 g/kg、全磷0.51 g/kg、有效磷7.25 mg/kg、速效钾155 mg/kg、pH为7.98。供试的材料全部采自于该区域,分别为小麦秸秆、玉米秸秆、牛粪 (腐熟的) 和猪粪 (新鲜的),将每种有机物料风干后挑出杂物,确保每种物料的单一性。供试材料的初始养分含量见表1

        表 1  有机物料初始成分含量 (g/kg)

        Table 1.  Initial composition of the tested organic materials

        有机物料
        Organic material
        有机碳
        Organic C
        全氮
        Total N
        全磷
        Total P
        全钾
        Total K
        半纤维素
        Hemicellulose
        纤维素
        Cellulose
        木质素
        Lignin
        小麦秸秆
        Wheat straw
        448.8 ± 12.11 a 6.08 ± 0.01 d0.79 ± 0.01 c22.92 ± 0.03 a311.9 ± 2.06 a388.15 ± 2.21 a72.36 ± 0.15 a
        玉米秸秆
        Maize straw
        440.8 ± 4.73 a 8.54 ± 0.08 c0.67 ± 0.01 d 8.68 ± 0.01 d298.2 ± 1.77 b381.33 ± 5.89 b57.25 ± 0.29 c
        牛粪
        Cow manure
        225.2 ± 1.90 c11.31 ± 0.06 b2.38 ± 0.00 b15.56 ± 0.02 c102.0 ± 0.52 d 83.05 ± 0.35 c59.74 ± 0.26 b
        猪粪
        Pig manure
        299.7 ± 0.30 b29.95 ± 0.39 a19.92 ± 0.04 a 17.78 ± 0.01 b226.8 ± 0.99 c 87.62 ± 0.65 c22.47 ± 0.15 d
        注(Note):同列数据后不同小写字母表示不同物料间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in the same column indicate significant difference among different materials (P < 0.05).
      • 试验采用尼龙网袋法[19],尼龙网袋规格为长25 cm、宽15 cm,孔径为38 μm。选取此孔径是因为它既有利于土壤微生物自由出入和隔绝土壤动物侵入,又可保持袋内透水透气的性能,使试验结果免受干扰,且分解条件较接近田间实际。4种有机物料不调节碳氮比,不与土壤混合的方式可确保物料的单一性,以准确观测有机物料的分解残留状况。在60℃下烘干,磨碎过2 mm筛后,直接按等有机碳量8 g装入尼龙网袋中 (表2),各处理均称24袋。于2018年9月12日埋入试验地中,填埋表土层深度15 cm处。并在试验地填埋3个地温仪 (HOBOS-TMB-M006) 实测土壤温度 (图1),填埋深度与尼龙网袋深度一致。在填埋试验区不种植作物,使其处于撂荒状态。试验分6次破坏性取样,根据试验区地积温累积速率,分别于填埋后的第12、23、55、218、280、365天进行采样。最后一次取样时间为2019年9月18日。取样品时,各处理均取出4袋。取完样品后,清理干净尼龙袋外面的泥土并称取重量,然后取部分残留物料样品在60℃下烘干测定含水量。

        图  1  有机物料腐解过程中的土壤温度变化

        Figure 1.  Soil temperature changes during decomposition of organic materials

        表 2  有机物料养分含量及用量

        Table 2.  Nutrient content and application amount of organic materials

        有机物料
        Organic material
        有机碳 (g/kg)
        Organic C
        全氮 (g/kg)
        Total N
        碳氮比
        C/N
        碳投入量 (g)
        C input
        有机物料用量 (g/bag)
        Amount of organic material
        小麦秸秆Wheat straw448.8 6.173.88.018.0
        玉米秸秆Maize straw440.8 8.551.68.018.3
        牛粪Cow manure225.211.319.98.036.0
        猪粪Pig manure299.730.010.08.027.0
      • 有机碳采用重铬酸钾–浓硫酸外加热法测定,氮磷钾采用浓硫酸–双氧水一次性消煮,用凯氏定氮法测定全氮含量,用钼锑抗比色法测定全磷含量,用火焰光度法测定全钾含量[20]。采用范氏法[21]测定纤维素、木质素和半纤维素含量。

        有机物料分解残留率采用一级动力学方程进行模拟[22]

        $Ht = {H_0} + {H_1}{{\rm{e}}^{ - {{Kt}}}}$

        式中:Htt积温条件下 (0>℃) 有机物料残留率 (%);H0t积温条件下不易分解的量 (%);H1t积温条件下易分解的量 (%);K―分解速率常数。

        采用Excel 2010进行试验数据统计并作图,用SPSS Staistics 17.0软件进行数据的统计分析,并采用Sigmaplot 12.5进行方程拟合。

      • 4种有机物料的质量残留率变化具有阶段性 (图2)。在埋入土壤后的第12天,小麦秸秆、玉米秸秆、牛粪 (腐熟的) 和猪粪 (新鲜的) 的质量残留率分别为78.8%、82.1%、92.5%和77.1%,分解较快。其后的第12~218 天内,各物料分解速率进入到缓慢阶段,第218 天时,质量残留率分别为63.5%、68.0%、88.3%、64.1%。之后又开始加快分解,分解第365天时,小麦秸秆、玉米秸秆、牛粪和猪粪的质量残留率依次为49.8%、55.1%、79.2%和54.0%。其中牛粪的质量残留率最高,小麦秸秆的质量残留率最低;猪粪与牛粪的质量残留率差异显著 (P < 0.05)。

        图  2  有机物料质量残留率随分解时间的变化

        Figure 2.  Change of residual rate of the tested organic materials with decomposion days

        利用一级动力学方程拟合4种有机物料的质量残留率与土壤积温的变化关系,小麦秸秆、玉米秸秆和猪粪拟合度达到极显著水平 (P < 0.01),牛粪达到显著水平。4种有机物料的分解速率常数从高到低依次为猪粪 >小麦秸秆 > 玉米秸秆 > 牛粪,达到平衡值时的物料质量残留率牛粪 > 猪粪 > 玉米秸秆 > 小麦秸秆 (表3)。

        表 3  有机物料质量残留率与积温的拟合参数

        Table 3.  Fitting parameters of mass residual rate and accumulated temperature of organic materials

        有机物料Organic material拟合方程EquationKR2P
        小麦秸秆Wheat strawy = 52.56 + 44.09e(–0.0012x)0.00120.950.001
        玉米秸秆Maize strawy = 56.92 + 40.13e(–0.0011x)0.00110.960.001
        牛粪Cow manurey = 79.72 + 17.40e(–0.0006x)0.00060.870.016
        猪粪Pig manurey = 57.99 + 39.50e(–0.0018x)0.00180.950.003
        注(Note):K—分解速率常数Decay rate constant;R2—方程拟合优度The goodness of fitting of the equation.
      • 4种有机物料碳释放与物料质量残留率变化规律相似,分解第365天时,小麦、玉米秸秆有机碳的残留率分别为48.8%和53.4%,猪粪有机碳残留率为51.8%,而牛粪有机碳残留率高达63.9%,明显高于秸秆和猪粪。玉米秸秆氮、磷养分的释放滞后于碳素的释放,因而其含量在腐解初期表现出先增加后降低的过程,而小麦秸秆、牛粪和猪粪氮、磷养分的释放与碳的释放基本同步。钾素的释放快于碳的释放,4种物料的钾含量在分解第23天急剧下降,之后下降减缓 (图3)。分解第23天时,玉米秸秆氮、磷养分含量为前一段的131.0%和152.7%,小麦秸秆、牛粪和猪粪氮、磷养分含量依次为前一段的93.0%和92.5%、81.3%和98.8%、67.8%和84.3%;钾素释放速率最快,小麦秸秆、玉米秸秆、牛粪和猪粪钾素残留率分别为12.7%、22.2%、50.5%、17.5%,此时4种物料的养分释放速率大小表现为钾 > 氮 > 磷。超过第23天后,钾素释放速率均减慢,基本保持平稳状态,玉米秸秆氮、磷养分开始释放,分解第365天时,玉米秸秆、牛粪和猪粪氮、磷养分残留率依次为66.0%和75.4%、54.5%和67.4%、40.9%和47.8%,而全钾残留率依次为1.8%、45.5%和21.4%,3种有机物料养分释放速率大小顺序为钾 > 氮 > 磷,小麦秸秆氮、磷和钾养分残留率分别为63.9%和58.6%和8.4%,小麦秸秆的养分释放速率大小顺序为钾 > 磷 > 氮。

        图  3  有机物料碳、氮、磷和钾素残留率随分解时间的变化

        Figure 3.  Changes of organic C, N, P and K residual rate of organic materials with decomposion days

      • 4种有机物料的半纤维素、纤维素和木质素含量均随分解时间的延长而逐渐降低。分解第55天时,小麦秸秆、玉米秸秆、牛粪和猪粪半纤维素分解了30.2%、31.3%、11.9%和29.9%,纤维素分解了25.5%、27.4%、10.9%和17.3%,而木质素仅分解了14.7%、12.3%、8.6%和15.2%,表明木质素的分解滞后于半纤维素和纤维素。第55天后,牛粪半纤维素和木质素分解速率显著低于秸秆和猪粪,秸秆纤维素的分解速率显著高于粪肥。分解第365天时,小麦秸秆、玉米秸秆、牛粪和猪粪半纤维素残留率依次为35.8%、39.9%、67.1%和40.1%,纤维素残留率依次为37.9%、42.6%、70.7%和50.4%,木质素残留率依次为60.9%、63.6%、74.5%和60.6%,表明4种有机物料的3种组分分解速率表现为半纤维素 > 纤维素 > 木质素 (图4)。

        图  4  有机物料中纤维素、半纤维素和木质素残留率随时间的变化

        Figure 4.  Changes of cellulose, hemicellulose and lignin residual rate of organic materials with decomposion days

      • 图5可见,秸秆和粪肥的C/N和Lignin/N值变化不尽相同。在分解第23天时,小麦秸秆的C/N值从73.8下降到62.0,玉米秸秆的C/N从51.6下降30.7,下降速度明显,分解23天后,小麦秸秆的C/N下降速度平缓,玉米秸秆C/N反而有上升趋势。由于牛粪和猪粪的初始C/N值不高,因而变化趋势不明显。小麦秸秆和猪粪的Lignin/N值变化趋势相似,随分解时间延长呈现出先升高后降低再升高现象。牛粪和玉米的Lignin/N值随分解时间延长呈先下降后上升的趋势,这可能与有机物料木质素与氮素在不同时期的分解速率密切相关。

        图  5  有机物料腐解过程中C/N和lignin/N值随时间的变化

        Figure 5.  Changes of C/N and lignin/N of the organic materials with decomposion days

      • 分析4种有机物料分解速率与初始成分的关系,Pearson检验结果 (表4) 表明,有机物料的分解速率与初始的氮、磷含量成正相关,与初始木质素含量成负相关。不同分解时期的养分质量指标对有机物料分解速率的影响有所不同,分解前期 (0~12天或0~23天) 分解速率与全磷、半纤维素含量显著正相关,分解速率与木质素含量显著负相关;分解后期,分解速率与氮、磷含量呈显著正相关,分解速率与木质素、C/N值、Lignin/N值呈显著负相关。

        表 4  分解速率 (Kj-365) 与有机物料成分含量 (Xj) 的相关性分析

        Table 4.  The correlation between decomposion rate (Kj-365) and the contents of components in organic materials (Xj)

        分解天数 (d)
        Decomposion days
        氮含量
        N content
        磷含量
        P content
        半纤维素含量
        Hemicellulose content
        纤维素含量
        Cellulose content
        木质素含量
        Lignin content
        碳/氮
        C/N
        木质素/氮
        Lignin/N
        00.748**0.687**0.4430.085‒0.729**‒0.195‒0.418
        120.4820.515*0.549**‒0.049‒0.400**‒0.013‒0.186
        230.3840.578*0.675**0.295‒0.2630.175‒0.029
        550.0090.3580.851**0.492**‒0.040.3250.101
        218 0.3790.347‒0.070‒0.284‒0.123‒0.1280.006
        280 0.589*0.648**‒0.024‒0.344‒0.507**‒0.356*‒0.367*
        注(Note):K j-365—从分解第 j 天到第 365 天的分解速率 The decomposion rate from jth day to the 365th day;Xj—分解第 j 天有机物料化学成分含量或成分比值 The content of a component or the lignin/N and C/N of organic materials at the jth day of decomposion . *—P < 0.05; **—P < 0.01.
      • 在本研究条件下,4种有机物料在矿区复垦土壤的分解速率均表现为初期快、后期缓慢,与前人的结果[23-24]相似。秸秆和粪肥在前12天的分解速率较快,主要原因是初始有机物料中易分解物质较多,如氨基酸、有机酸、多糖等可溶性有机物质以及无机养分,提供了微生物代谢活动所需的大量能源和养分,且此阶段,日平均土壤温度均在10℃以上,有利于微生物活动。第12天后,有机物料中难溶性有机物质半纤维素、纤维素和木质素等开始被分解,分解速率有所下降 (图4),且土壤温度也快速降低,40~200天内每日平均土壤温度处于10℃以下,低温致使微生物活动降低,进一步减缓了对物料的分解。分解到218天后,正好是全年中降雨量最集中和温度最高的时候。此时的微生物活性最高,所以有机物料又进入下一个快速分解阶段。表3的结果显示,除牛粪外有机物料的分解过程与积温的拟合优度达到95%以上。因此,在初期有机物料中的易分解有机物分解后,较难利用有机碳的分解速率主要受到土壤积温的影响。

        除积温外,有机物料的性质也影响着物料的分解速率。在本试验条件下,秸秆和粪肥的分解速率常数表现为猪粪 > 小麦秸秆 > 玉米秸秆 > 牛粪,有机碳残留率为牛粪 > 玉米秸秆 > 猪粪 > 小麦秸秆,与部分学者的结论[11, 13, 25]不太一致,王金洲等[25]研究不同有机物料的有机碳残留率,结果总体呈有机肥 ≈ 根茬 > 秸秆 > 绿肥;而马想等[13]认为秸秆在我国典型农田土壤中的腐解速率显著高于新鲜粪肥,出现这些差异的原因与物料中木质素的含量或Lignin/N值等有关。研究表明,木质素的含量或Lignin/N值低,有利于有机物料分解;反之,抑制有机物料分解[26],相比小麦秸秆、玉米秸秆和牛粪来看,猪粪的初始木质素含量最低和氮含量最高 (表1),Lignin/N值也是4种有机物料中最低的 (图5),所以,这也是猪粪能在分解初期比秸秆和牛粪分解的快的原因。

        有机物料的分解往往伴随着养分的释放,在一定程度上也影响着有机物料的分解速率。分解第365天时,小麦秸秆的养分释放速率大小表现为钾 > 磷 > 氮,玉米秸秆、牛粪和猪粪的养分释放速率大小总体表现为钾 > 氮 > 磷 (图3),前人[15, 27]研究有机物料养分释放也出现过类似P > N或N > P的不同结论。养分的释放快慢与它在物料中存在的形态有关,钾素主要以离子态或水溶性盐类存在于有机物料中,因此释放速率较快[28],氮、磷主要以有机态的形式存在[29],需要微生物活动才能分解释放。唐仕珊等[30]和Polyakova等[31]认为N和P含量能显著影响微生物代谢活性,N和P含量越高,微生物代谢活性就越强,繁殖就越快,有机物料的分解速率也随之加快。因此,在试验地土壤养分缺乏,微生物活性低的情况下,养分含量高的猪粪能够快速满足微生物代谢所需要的能量,所以在初期分解速率最快 (图2)。另外,玉米秸秆氮、磷养分在初期出现富集现象,可能与试验地区少雨、土壤养分含量低从而限制微生物活性有关[32]。Ozalp等[33]和Gessner等34]认为枯落物在分解过程中N、P含量有明显的上升趋势可能与微生物活动有关。王瑾等[35]研究表明养分释放速率与初始养分含量有关,认为凋落物中起始浓度低的元素易于发生富集或者是富集量较大,浓度高的元素能够满足微生物代谢活性的需求,所以富集量一般较小或直接释放。玉米秸秆氮、磷养分是4种物料中较少的,可能是出现富集-释放模式的原因 (表1)。另一方面,也可能是土壤中的氮、磷养分迁移至尼龙网袋中被玉米秸秆吸附[36],造成玉米秸秆出现氮、磷富集现象。

        本研究对有机物料分解速率与成分含量进行相关性分析发现,有机物料的分解速率与初始全氮、全磷养分成正相关,与初始木质素成负相关,说明初始氮、磷养分高的猪粪容易分解,木质素含量高的牛粪相对稳定,不易分解,有机物料在分解过程中各种成分含量及比值呈变化状态,使得不同时期的有机物料质量的制约因子也可能不同[37]。本研究前期分解速率与磷、半纤维素含量成正相关,后期与木质素含量、C/N、Lignin/N呈显著负相关。说明有机物料在矿区复垦土壤中,在分解前期全磷、半纤维素是良好的预测指标,但就长期的分解来看,木质素含量则是较好的预测指标。

      • 秸秆和粪肥在山西矿区复垦土壤中的分解过程均表现为初期快速、后期缓慢的特点。分解第365天时,小麦和玉米秸秆有机碳的残留率为48.8%~53.4%,猪粪有机碳残留率为51.8%,而牛粪有机碳残留率高达63.9%,明显高于秸秆和猪粪。从养分残留率看,小麦、玉米秸秆全氮残留率分别为63.9%和66.0%,全磷残留率分别为58.6%和75.4%,而全钾残留率仅分别为1.8%和8.4%。牛粪和猪粪全氮残留率分别为54.5%和40.9%,全磷残留率分别为67.4%和47.8%,而全钾残留率分别为45.5%和21.4%,牛粪全钾残留率明显高于秸秆。因此,在矿区复垦土壤中适当增加牛粪的施用,有利于土壤中有机碳和氮磷钾养分的累积。

    参考文献 (37)

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