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写在前面
本文聚焦施氮和覆膜对秸秆分解和养分释放的影响，为此前文章的姊妹篇。前文关注施氮和覆膜对土壤有机碳变化的影响，详见：https://www.labxing.com/lab/629/research/1664。
研究背景
秸秆还田是保持土壤肥力的经济高效的农业管理措施。秸秆还田后的分解速率与土壤养分供应和碳固存息息相关，并可能影响许多后续农业管理措施，例如耕作、播种和害虫管理。因此，了解作物秸秆还田后的分解和养分释放模式至关重要。
施用氮肥和覆盖地膜是当今世界普遍实行的农业管理措施。施氮对秸秆分解的影响是复杂的，其作用受土壤养分状况、秸秆类型、pH、酶活性等因素影响。以往研究表明，施氮可通过改变土壤氮磷养分状况而改变微生物的营养需求，进而影响秸秆分解。例如，施氮可能会导致土壤磷限制，限制微生物的生长，进一步抑制秸秆的分解。再如，低木质素和高木质素植物凋落物的分解对外部氮添加有相反影响，即施氮促进木质素含量低的凋落物分解，抑制木质素含量较高的凋落物分解，所以秸秆根、茎和叶的分解对施氮可能有不同的响应。此外，秸秆氮、磷等养分的释放规律也存在争议。故施氮对秸秆分解进程的影响仍存在极大不确定性。地膜覆盖（PFM）作为保护作物免受低温、干旱和杂草影响的普遍措施，由于其增温保墒作用，可以促进秸秆的分解。然而，目前尚不清楚覆膜与施氮是否交互影响秸秆分解。
在这项研究中，我们在长期施氮和覆膜玉米试验田中利用传统的凋落物网袋法对玉米秸秆（根、茎、叶）的分解规律进行了为期两年的田间研究。本研究的目的是确定施氮、覆膜、秸秆类型对秸秆分解和养分释放的影响。
材料方法
本研究基于沈阳农业大学长期施用氮肥和地膜覆盖的定位试验田(~28年)，包括六个处理（两因素：施氮和地膜，施氮包括0、135和270 kg N ha-1 yr-1三个水平，地膜包括覆膜和不覆膜两个水平）。第一年将秸秆分为根、茎、叶三种类型，分别装入凋落物尼龙网袋（每袋10 g秸秆），在玉米播种后（5月初）放置在小区地表，在玉米收获时（10月初）取回清洗，留样。第二年同期将秸秆埋入后，生长季后再取出，测定秸秆的质量、纤维素、木质素、C、N、P含量，计算秸秆的质量、纤维素、木质素损失率和养分释放率，同时测定了土壤有效氮、磷含量等指标。
研究结果
对施氮而言，与对照相比，施低量氮肥抑制了秸秆分解，施高量氮肥对秸秆分解无影响（图2）。土壤有效磷可能主导了施氮对秸秆分解的影响（图4）。具体而言，低氮条件比不施氮和高氮条件的土壤有效磷含量更低（图1），但酸性磷酸酶的活性较大（见姊妹篇），表明低氮处理可能存在微生物磷限制。微生物磷限制抑制微生物生长和代谢，进而抑制了低量氮肥条件下秸秆的分解速率。同时，我们排除了土壤有效氮含量和pH对施氮影响秸秆分解的可能性。作物残体释放的氮和磷对施氮的响应不同（图3）。一方面，施氮减少了秸秆氮的释放（图3），土壤有效氮含量的增加导致除茎外的其他秸秆氮的释放减少（图4）。另一方面，施氮并不影响秸秆磷的释放（图3，图4）。这是因为秸秆有机磷的释放主要通过水解机制而非氧化作用。
对覆膜而言，覆膜促进了第一个生长季的秸秆的质量损失（图2），但并没有改变养分释放的速率（图3）。因为在覆膜小区中，土壤本身容易满足微生物养分需求，从而最大限度减少微生物从秸秆中获取氮和磷的需求。
对秸秆类型而言，叶的分解和氮释放速度比根和茎快（图2，图3），这是因为叶的木质素/氮最低（质量最好）。然而，秸秆磷释放并不遵从这一规律。茎的磷释放率最高，而叶的磷释放率最低（图3），这是因为茎中的初始磷浓度较高，C/P比低于其他两种残留物（表1）。此外，由于叶表附着由微生物产生的副产物（它们同样可被视为类木质素物质），导致叶分解后木质素类物质增加（图2i）。
图1 施氮和覆膜条件下的土壤有效氮和有效磷含量。N0、N135、N270分别指0、135和270 kg N ha−1 yr−1施氮量。N：施氮；PFM：覆膜。
图2 经过一季和两季分解后秸秆（根、茎、叶）的质量、纤维素及木质素损失率。PFM: 覆膜；N0, N135, N270 分别指0, 135和270 kg N ha−1 yr−1施氮量。采用三因素方差分析，下同。
图3 经过一季和两季分解后秸秆（根、茎、叶）的碳损失率及氮、磷释放率。
图4 根、茎、叶的质量和养分损失率和土壤氮、磷含量的关系。
表1 秸秆的原始性质
小结
秸秆分解和养分释放受到氮肥、地膜覆盖和残体类型的独立影响。相比不施氮处理，低氮处理延缓了秸秆的分解，高氮处理不影响秸秆的分解，而两者均减缓了秸秆的氮释放，但没有改变磷的释放。地膜覆盖促进了第一生长季的秸秆的分解，但不影响秸秆氮和磷的释放。叶的分解和氮养分释放速率快于根和茎。综上，这项研究为施氮-覆膜农业管理模式下秸秆分解和养分循环的影响提供了具体依据。
本文于2022年5月13日以“Crop residue decomposition and nutrient release are independently affected by nitrogen fertilization, plastic film mulching, and residue type”为题在线发表于European Journal of Agronomy期刊。沈阳农业大学丁凡副教授和汪景宽教授为通讯作者，博士生吉德昌为第一作者，共同作者包括澳大利亚悉尼大学Feike A. Dijkstra副教授、沈阳农业大学硕士生贾照杰、沈阳农业大学李双异副教授。
我们感谢中科院生态所张伟东研究员和林贵刚副研究员、重庆大学林敦梅副教授、丹麦奥胡斯大学陈骥老师、美国华盛顿州立大学Markus Flury教授对本研究提出的宝贵意见，同时感谢沈阳农业大学战秀梅副教授、于晓庆老师、王雪鑫、李铭轩、张思威、张晋豪、赵娅妮、孟琦等同学在实验过程中的帮助。
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1161030122000831?dgcid=author。
编辑 | 吉德昌
审核 | 丁凡