将作物籽粒收获后的秸秆归还到农田是增加土壤有机碳的重要途径。作物秸秆腐解过程中释放的氮、磷、钾及其他微量元素，可改善土壤养分状况，提高土壤肥力。秸秆还田还可改善土壤团聚体结构，提高耕性^[1-3]。秸秆还田对土壤肥力及作物养分利用效率的影响成为当今研究的热点之一。

作物秸秆还田后的腐解过程既受到秸秆本身化学组成与结构影响^[4]，又受到环境因素影响^[5]。土壤水分状况是作物秸秆腐解过程中最重要的影响因子，这是因为水分可影响土壤水气状况，高于或低于最适的土壤水分均会抑制土壤呼吸，淹水环境还会加剧土壤还原物质的积累，改变土壤微生物种群和数量，进而影响土壤有机碳矿化^[6]。土壤水分还会影响微生物氧有效性和活性，进而调控微生物对有机物料的分解和利用^[7]。

水稻和玉米等作物秸秆富含纤维素、半纤维素和木质素等含碳物质，还田后对土壤培肥机理虽已有研究，但有关作物秸秆在不同水分管理模式下，如好气条件和淹水（厌氧）的腐解特征差异说法不一。通常认为，淹水条件（厌氧）下有机物料的矿化低于好气条件^[8]。但黄东迈等^[9]的研究与此相反，认为淹水条件下有机物料的分解是以快速和高分解量为特征。Wang等^[10]的研究表明，环境因素对秸秆腐解的影响差异主要存在试验前期，而后随时间的延长而减小。因此，作物秸秆在好气和厌氧条件下的腐解过程及其机理尚不清楚，还有待于进一步研究。

本研究采用网袋培养方法，研究水稻秸秆和玉米秸秆在好气和厌氧培养条件下的质量与碳、氮含量变化及释放特征，分析秸秆中纤维素、半纤维素和木质素的含量随时间变化规律，明确水稻秸秆和玉米秸秆在好气和厌氧培养条件的腐解特征，以期为水稻秸秆和玉米秸秆的加速腐解提供科学依据。

供试土壤（0~20 cm）采集于安徽农业大学高新技术农业示范园。土壤类型为黄褐土，属粘质粘土。土壤样品剔除植物根系和石砾后，部分新鲜土壤过2 mm网筛后，在4 ℃下存放、备用。其余土壤风干后过1mm网筛，其理化性质为：pH 6.25，有机质10.2 g·kg^-1，全氮0.58 g·kg^-1，碱解氮42.3 mg·kg^-1，速效钾141 mg·kg^-1，速效磷6.35 mg·kg^-1。

供试秸秆为玉米秸秆和水稻秸秆，分别于2014年10 月采自安徽农业大学高新技术农业示范园。作物收获后采集地上部分，剪成1 cm长，50 ℃下烘干至恒重。供试秸秆的化学组成见表 1。

表 1　水稻秸秆和玉米秸秆的理化性质 Table 1　Physical and chemical properties of rice straw and corn straw

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水稻秸秆和玉米秸秆的腐解过程采用网袋培养法^[10]。称取烘干后长度为1 cm 的水稻秸秆和玉米秸秆15.00 g，放入孔径为0.15 mm（100 目），长宽为20cm×20 cm的尼龙袋，封口后，放入长、宽和高为30cm×30 cm×30 cm的培养箱中。培养箱底部先铺3 cm厚的土壤，把尼龙网袋竖直均匀放置在培养箱中，网袋周围用土壤填充后并在网袋上方覆盖3 cm 厚的土壤，于30 ℃下恒温培养。

好气培养条件设置为保持土壤含水量为75%田间最大持水量，厌氧培养条件设置为保持土壤淹水状态（土表层＜1 cm 水层）。每3 d用称重差减法补充去离子水，以保持土壤含水量相对恒定。培养至0、0.5、1、3、6、12 个月时，分别采集3 个网袋的植株样品，测定水稻秸秆和玉米秸秆残留质量，碳、氮元素组成及纤维素、半纤维素、木质素含量。每个试验处理设置3次重复。

水稻秸秆和玉米秸秆的残留质量采用称重法分析；秸秆碳和氮含量参照鲍士旦^[11]的方法：有机碳含量采用重铬酸钾-浓H₂SO₄外加热法分析，全氮含量采用凯氏定氮法分析；纤维素、半纤维素和木质素含量采用范氏法^[12]测定。

秸秆腐解率（%）、秸秆质量减少量（g）随时间变化规律，秸秆碳、氮释放量及随时间变化规律参考文献[16-17]进行计算。利用Excel 2010 软件对数据进行处理统计并作图，利用SPSS 18.0 软件对数据进行方差分析和非线性回归分析。

在好气和厌氧培养条件下，水稻秸秆和玉米秸秆的质量减少量呈现初期（0~3 个月）变化较快，而后（3~12 个月）逐渐减缓的趋势（图 1）。即在0~3 个月的培养时间内，水稻秸秆质量在好气和厌氧条件下分别减少60.0%和55.9%，玉米秸秆质量分别减少70.3%和56.7%。在3~12 个月的培养时间内，水稻秸秆和玉米秸秆的质量保持相对稳定，秸秆质量减少量呈现：水稻秸秆好气条件＞玉米秸秆好气条件＞玉米秸秆厌氧条件＞水稻秸秆厌氧条件的规律。

图 1　水稻秸秆和玉米秸秆质量减少量 Figure 1　Temporal reduction of rice straw and corn straw mass under aerobic and anaerobic conditions

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水稻秸秆和玉米秸秆在好气条件下的质量减少量均高于其在厌氧条件下的质量减少量，且在培养至6 个和12 个月时达到差异显著性水平（P＜0.05）。一级动力学方程（y=y₀+a·e^-kt）的拟合结果表明（表 2），水稻秸秆在好气与厌氧条件的质量减少速率常数k 分别为0.60 月^-1和0.56 月^-1，秸秆质量减少50%所需时间分别为59.20 d和72.55 d。玉米秸秆在好气与厌氧条件的质量减少速率常数k 分别为0.64 月^-1 和0.63月^-1，秸秆质量减少50%所需时间分别为52.89 d和79.87 d，即水稻和玉米秸秆在好气条件下的质量减少量高于其在厌氧条件下质量减少量，即好气条件更有利于作物秸秆的降解。

表 2　好气和厌氧条件下秸秆质量残余量的依时拟合方程 Table 2　Time-dependent models of the straw mass reduction under aerobic and anaerobic condition

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水稻秸秆和玉米秸秆中的碳含量随培养时间延长，呈现初始（0~3 个月）减少速率较快，而后（3~12个月）趋于平缓的规律，秸秆碳在好气条件下的减少量高于其在厌氧条件下的减少量（图 2）。在0~3个月的培养时间内，水稻秸秆碳在好气和厌氧条件的减少量分别为66.0%和58.6%，分别占其在整个培养期内（0~12 个月）碳减少总量的78.8%和76.3%。培养至12 个月时，水稻秸秆碳的减少量分别为83.8%和76.9%。水稻秸秆碳在好气条件下的减少量始终高于其在厌氧条件下的减少量，但未达差异显著性水平（P＞0.05）。玉米秸秆碳的减少量与水稻秸秆相似，即在0~3个月的培养时间内，玉米秸秆碳在好气和厌氧条件下的减少量分别占其在整个培养期内（0~12 个月）碳减少总量的87.89%和81.25%，且在第3 个月时达差异显著性水平（P＜0.05）。在3~12 个月，玉米秸秆碳在好气和厌氧条件的减少量逐渐降低，且无显著差异（P＞0.05）。

图 2　厌氧和好气条件水稻秸秆和玉米秸秆碳的质量减少量 Figure 2　Temporal reduction of carbon in rice straw and corn straw under aerobic and anaerobic conditions

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水稻秸秆和玉米秸秆碳的减少过程均可用一级动力学方程拟合，且相关性较好（R²＞0.951）（表 3）。在好气和厌氧条件，水稻秸秆碳的减少速率常数k 分别为0.61 月^-1和0.55 月^-1，碳含量减少50%所需时间分别为57.67 d和65.77 d。玉米秸秆碳的减少速率常数k 分别为0.61 月^-1和0.57 月-¹，碳的含量减少50%所需时间分别为42.7 d和50.6 d。秸秆碳释放速率常数呈现：水稻秸秆-好气条件＞玉米秸秆-好气条件＞玉米秸秆-厌氧条件＞水稻秸秆-厌氧条件的规律。这说明好气条件下有利于秸秆碳的释放。

表 3　好气和厌氧条件下秸秆碳释放量的依时拟合方程 Table 3　Time-dependent models of carbon reduction in rice straw and corn straw under aerobic and anaerobic condition

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水稻秸秆氮在0~6 个月的培养时间内下降速率较快，在6~12 个月内下降速率减缓（图 3）。在0~6 个月的培养时间内，水稻秸秆氮在好气和厌氧条件下的减少量达44.5%和56.2%，分别占其整个培养期内秸秆氮减少总量的67.1%和77.9%。培养至12个月时，水稻秸秆氮在好气和厌氧条件下的减少率分别为72.2%和66.4%。在1~12 个月的培养时间内，水稻秸秆氮在好气条件下的释放量始终高于其在厌氧条件下的释放量，且在3~6 个月内达到差异显著性水平（P＜0.05）。而玉米秸秆氮在0~1 个月的培养时间内下降速率较快，在1~12 个月内下降速率减缓（图 3）。在0~1 个月内的培养时间内，玉米秸秆氮在好气和厌氧条件下的减少量分别占其整个培养时间内秸秆氮减少总量的76.7%和76.2%，而后缓慢下降。培养至12个月，玉米秸秆氮在厌氧和好气条件下的减少率分别为74.2%和71.4%。在整个培养时间内，玉米秸秆氮的释放量和释放率均高于水稻秸秆。

图 3　厌氧和好气条件水稻秸秆和玉米秸秆氮的质量减少量 Figure 3　Temporal reduction of N in rice straw and corn straw under aerobic and anaerobic condition

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水稻秸秆和玉米秸秆氮的减少规律均可用一级反应模型（One-pool）进行拟合，相关性较好（R²＞0.900）（表 4）。在One-pool 模型中，水稻秸秆氮在好气条件下的释放速率常数k（0.25 月-¹）高于其在厌氧条件的k（0.16 月-¹）值，秸秆氮含量减少50%所需时间分别为202 d和136 d。玉米秸秆氮在好气和厌氧条件下的释放速率常数k 分别为2.4 月-¹ 和2.3 月-¹，秸秆氮含量减少50%所需时间分别为18 d和20 d。秸秆氮释放速率常数依次为：玉米秸秆好气条件＞玉米秸秆厌氧条件＞水稻秸秆好气条件＞水稻秸秆厌氧条件。这说明在相同培养条件下，玉米秸秆氮比水稻秸秆氮更容易释放。

表 4　好气和厌氧条件下秸秆氮释放量的依时拟合方程 Table 4　Time-dependent models of nitrogen reduction in rice straw and corn straw under aerobic and anaerobic condition

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在好气和厌氧条件下，水稻秸秆和玉米秸秆中的半纤维素、纤维素的含量随培养时间延长均呈下降的趋势（图 4）。在厌氧条件，水稻秸秆中的半纤维素和纤维素含量在0~1 个月的培养时间内分别降低了64.2%和31.9%；培养至12 个月时，水稻秸秆中的半纤维素和纤维素含量分别减少了91.1%和89.9%。玉米秸秆中的半纤维素含量在0~1 个月的培养时间内减少了68.0%，而纤维素含量无显著变化；培养至12个月时，玉米秸秆中的半纤维素和纤维素含量分别减少了86.2%和83.2%。在好气条件，水稻秸秆和玉米秸秆中的半纤维素和纤维素降解速率均高于其在厌氧条件下的降解速率。水稻秸秆中的半纤维素和纤维素含量在好气条件下0~1 个月的培养时间内分别降低了73.1%和33.4%，分别比其在厌氧条件下的降解速率高8.9%和1.5%。培养至12 个月时，好气条件下水稻秸秆中的半纤维素和纤维素含量分别减少了95.1%和91.3%，分别比其在厌氧条件下的降解速率高4.0%和1.4%。

图中不同小写字母表示纤维素、半纤维素和木质素含量在不同培养时间内差异显著（P＜0.05） 图 4　水稻秸秆和玉米秸秆中纤维素、半纤维素和木质素组分含量变化 Figure 4　Temporal variation of straw cellulose, hemicellulose and lignin under aerobic and anaerobic condition

图选项

在好气和厌氧培养条件，水稻秸秆和玉米秸秆中的木质素含量随培养时间延长均呈下降趋势，两种秸秆的木质素含量在好气培养条件下的下降速率高于其在厌氧培养条件下的下降速率。在好气条件下培养至12个月时，水稻秸秆和玉米秸秆中的木质素含量在0.57 g和0.78 g，分别比初始培养时木质素含量下降了66%和61%；而在厌氧条件下培养至12 个月时，水稻秸秆和玉米秸秆中的木质素含量在0.64 g和0.90 g，分别比初始培养时木质素含量下降了63%和56%。

作物秸秆还田是秸秆养分归还土壤的主要方式，作物秸秆腐解过程中释放的养分元素，对于提高土壤肥力、改善土壤团聚体结构、提高耕性等方面具有重要作用^[1-2]。研究秸秆腐解的主要方法包括土壤直接培养法、砂滤管法和网袋法^[16]。土壤直接培养法是把作物秸秆直接与土壤混合培养，接近生产实际状况，但存在腐解后的秸秆与土壤结合紧密，很难分离，对于研究作物秸秆养分释放过程及规律较难。砂滤管法是把作物秸秆放入砂滤管，埋在土壤中进行培养。这种方法的优点在于砂滤管具有很好的透水透气性，也可避免外界环境因素的干扰，但是影响了管内外的水分移动，产生滞后效应^[16-17]。网袋法是把作物秸秆放入一定孔径大小的网袋，再埋在土壤中进行培养。由于网袋孔径较大，土壤水分和微生物可以自由进出，土壤水分状况更接近田间实际情况，加之操作方便，被学者普遍采用^[18]。但也存在网袋内秸秆团聚在一起不能与土壤紧密接触等问题，使得测定结果与真实状况有一定差异^[19]。

作物秸秆还田后的降解过程受诸多因素的影响，水分和通气状况是其中的主要影响因素^[18-19]。在我国的小麦-水稻和小麦-玉米两熟制轮作区，水稻秸秆和玉米秸秆还田后，黄淮海及以南地区以种植小麦为主，土壤通气状况良好，呈好气状态；而在我国部分地区，水稻秸秆和玉米秸秆还田后灌水泡田，土壤处于淹水条件，呈厌氧状态。研究表明，合适的水分含量和通气状况均可加速作物秸秆的腐解过程,这可能与土壤水分含量和通气状况可调节土壤微生物代谢，进而影响作物秸秆降解有关^[18-19]。本文采用网袋培养法，研究作物秸秆在好气和厌氧环境中的腐解规律。结果表明，水稻和玉米秸秆质量在厌氧和好气培养条件下均呈现初始（0~3 个月）下降速率较快，而后（3~12 个月）逐渐减缓的趋势，与前人^[18-20]的研究结果一致。这可能是因为秸秆中含有大量的易溶解可溶性有机物（如多糖、氨基酸、有机酸等）和无机矿质养分很快释放到土壤中，为微生物提供了生长代谢所需的碳源（能源）和养分，微生物数量增多，活性增强，加速了秸秆腐解矿化和CO₂的释放；随着腐解的进行，秸秆中易腐解组分逐渐减少，难降解组分逐渐积累，降低了微生物活性，秸秆腐解速率也随之变慢^{[19, 21]}。秸秆残留物中木质素/碳水化合物或氮含量的比值也是影响作物秸秆降解的重要因素，木质素/碳水化合物或木质素/氮比值低，有利于秸秆降解；反之，抑制作物秸秆降解^[22]。本研究中，随着玉米秸秆和水稻秸秆的降解，秸秆中含有的碳水化合物由于降解速率快，氮释放速率也快，其含量逐步降低，而木质素较难降解，其相对含量升高，提高了木质素/碳水化合物或木质素/氮的比值，降解速率降低。

水稻秸秆和玉米秸秆质量、碳含量、氮含量、纤维素、半纤维素和木质素含量在好气条件下的下降速率均高于其在厌氧条件下的下降速率。例如，水稻秸秆中碳和氮的释放速率常数在好气培养条件下分别为0.61月-¹和0.25月-¹，而其在厌氧条件下的释放速率常数分别为0.55 月-¹和0.16 月-¹。这说明好气环境更有利于作物秸秆降解和碳、氮等物质的释放。可能的原因是：在好气条件，土壤大小孔隙比例适中，含有充足的氧气和水分，有利于微生物呼吸^[23]和秸秆降解；而厌氧条件抑制土壤中好气微生物的活性，降低微生物的呼吸强度，导致秸秆有机碳的分解速率较低^[24]。在厌氧条件下，作物秸秆中的木质素等难降解组分（如芳环碳aromatic C和烷基碳alkyl C官能团等）相对含量增加，减少了微生物对难矿化碳源的利用，降低了秸秆降解速率^[25-26]。秸秆在厌氧条件下降解残留物中含有较多的木质素酚羟基，可能与土壤中的无机氮（NH₄⁺）结合，形成有机结合态氮（苯胺），固定了土壤无机氮含量，降低了土壤氮的生物有效性，进一步降低了作物秸秆残留物的降解^[25]。

水稻秸秆和玉米秸秆在好气培养条件下的质量减少量高于其在厌氧培养条件下的质量减少量；碳/氮释放速率好气培养条件高于其在厌氧培养条件下的碳/氮释放速率；秸秆中的纤维素、半纤维素和木质素的减少量好气培养条件均高于其在厌氧条件下的纤维素、半纤维素和木质素的减少量。好气培养条件更加有利于水稻和玉米秸秆的腐解、碳和氮释放以及纤维素、半纤维素和木质素的分解。