亚热带单季稻区紫云英不同翻压量下有机碳和养分释放特征

王飞，林诚，李清华，何春梅，林新坚，李昱

（福建省农业科学院土壤肥料研究所，福建 福州350013）

我国绿肥资源丰富。紫云英（Astragalus sinicus）作为我国的主要绿肥作物，在培育土壤、改善环境、提高农产品产量和品质、减少化肥投入等方面发挥着重要作用［1－3］。福建省地处东南沿海，冬季光热资源丰富，每年适宜种植绿肥的冬闲田面积在20万hm2以上，发展冬种紫云英潜力巨大。20世纪80年代以来，有关紫云英育种及高产栽培技术的研究也较深入［4，5］。随着近十几年耕作制度的变革，单季稻已逐渐发展成为福建水稻（Oryza sativa）生产主要的耕作方式，但福建单季稻区紫云英翻压时期一般在3月下旬至4月上旬，而插秧时间为6月下旬至7月上旬，中间相隔近3个月，另外，双季稻田一般在紫云英盛花期（插秧前半个月左右）结合犁田进行水耕翻压，而单季稻区由于距插秧时间长，为防养分渗漏与径流损失，一般采用干耕方式，在这过程中，紫云英养分矿化释放过程如何，不同还田条件下的土壤性质、耕作方式、还田量等不同，也可能影响还田紫云英的腐解特征。为此，开展福建单季稻区模拟紫云英翻压后的养分释放过程及适宜翻压量研究，旨在为福建单季稻区紫云英合理利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

采用培养试验。试验设在农业部福建耕地保育科学观测实验站盆栽房（闽侯县白沙镇溪头村）。供试土壤为福建省广泛分布的黄泥田，采自试验站稻田0～20cm表层土壤，土壤风干过5mm筛网，充分混匀备用。供试土壤基本性状如下：pH 4.94，有机质25.0g／kg，碱解氮124.4mg／kg，速效磷21.3mg／kg，速效钾101.2mg／kg，田间持水量26%。供试紫云英品种为“闽紫7号”，福建省农业科学院土壤肥料研究所选育。供试紫云英翻压期有机质59.27%，全氮2.612%，全磷0.312%，全钾2.527%，干物质12.6%。

1.2 试验设计

采用盆栽培育方法。试验设3个处理：1）鲜草翻压47g／盆 （A1，低翻压量，相当于15 000kg／hm2）；2）鲜草翻压94g／盆 （A2，中翻压量，相当于30 000kg／hm2）；3）鲜草翻压141g／盆 （A3，高翻压量，相当于45 000 kg／hm2）。每塑料盆（27cm×20cm）装土样7kg。尼龙袋孔隙约1mm，规格20cm×30cm。紫云英盛花期收割，切成2cm左右，混匀，装入尼龙袋，展平、封好袋口，埋土深10cm左右。培育期间，盆栽房四周处于通风状态，保持近自然状态。培育过程及时补充蒸发的水分，并用称重法保持田间持水量的70%。由于绿肥腐解受气温影响较大［6］，本试验培育期间，每日于上午9时与下午3时分别监测环境气温（图1），其中上午9时平均气温为22.4℃，下午3时平均气温为25.1℃，并分别于10，20，35，60，90d分5次取样，每次3个重复。采用毁灭性取样法，每次处理随机取3盆。每次将所取网袋中土粒清除干净，并将残余植株样品于105℃杀青15min，70℃烘干后称重、磨碎，测定碳、氮、磷、钾含量，按常规方法测定［7］。

图1 紫云英翻压期间环境气温变化Fig.1 Environmental temperature changes during the A.sinicus manure application on soil

1.3 数据处理

数据采用Excel和DPS软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 紫云英不同翻压量对干物质及腐解速率动态变化影响

紫云英各时期累积腐解量均随翻压量的增加而提高（表1）。而随着培育时间的推移，各处理的紫云英累积腐解率均持续增加。除前10d外，各个时期的累积腐解率大小顺序为A1＞A2＞A3。培育至90d，A1、A2、A3处理的累积腐解率分别为78.7%，76.0%，71.2%，其中，A1、A2均与A3达显著差异水平。从各时期平均腐解速率来看，A1、A2处理腐解速率在10～20d最高，随后下降，35～60d有所上升，60～90d腐解趋于稳定，而A3处理各期腐解速率随腐解时间延长整体呈现下降趋势，同一时期的不同翻压量处理平均腐解速率与该时期的腐解量趋势一致。上述说明，在70%田间持水量培育条件下，各翻压量处理均表现为前20d腐解速率最高（平均腐解速率0.18g／d），而随着翻压量增加，紫云英累积腐解率呈下降趋势，累积腐解量则随翻压量增加逐渐升高。

2.2 紫云英翻压过程紫云英碳、氮、磷、钾释放特征

2.2.1 碳释放特征 不同翻压量紫云英碳素分解趋势一致，各处理碳残留量呈快速下降趋势。翻压后20d，A1、A2、A3处理碳累积释放率分别为58.2%，51.3%，50.4%（图2），平均为53.3%。翻压后20～90d碳释放逐渐趋于平缓，至90d时，A1、A2、A3处理碳累积释放率分别为92.4%，90.8%，87.2%，平均为90.1%。上述表明翻压后0～20d是紫云英有机碳释放高峰期。碳累积释放率（Y）与培养天数（X）经回归分析得幂方程：Y＝13.4246 X0.4391（P＜0.01）。从中也可看出，紫云英翻压后90d，不同翻压量的有机碳分解殆尽，其释放的碳主要去向是紫云英有机碳矿化形成CO2释放到大气中，或被土壤微生物利用形成微生物碳被暂时固持，或进一步腐殖化形成土壤中较稳定的有机碳库，有关紫云英腐解后碳去向贡献率有待进一步研究。

2.2.2 氮释放特征 不同用量紫云英氮素分解趋势与碳素基本一致（图3）。翻压后20d，各处理氮累积释放率与碳累积释放率相当，A1、A2、A3处理氮累积释放率分别为55.4%，51.3%，49.4%，平均为52.0%。20～60d氮释放逐渐降低，60～90d基本停滞。至90d时，A1、A2、A3处理氮累积释放率分别占相应加入量的90.0%，87.5%，84.6%，平均为87.4%。氮素累积释放率（Y）与培养天数（X）经回归分析得幂方程：Y＝14.0314 X0.4208（P＜0.01）。紫云英翻压矿化形成的无机氮部分累积在土壤中，部分被微生物固持［8］，其余将以硝酸盐淋失、氨损发和反硝化损失出土壤－作物系统，其具体去向及贡献率有待进一步研究。

2.2.3 磷释放特征 从磷素累积释放率来看（图4），磷素的释放特征区别于碳、氮，但不同翻压量处理紫云英磷素分解趋势一致。在翻压前期，相对于碳、氮释放速率而言，各处理磷素释放相对较慢，翻压后20d，A1、A2、A3处理磷累积释放率仅为27.6%，22.2%，15.8%，平均为21.9%。翻压20～60d时，各处理磷素快速释放。翻压至60d时，紫云英 A1、A2、A3处理磷素累积释放率分别占相应加入量的77.9%，75.4%，65.1%，平均为72.8%。此后至90d进入缓慢腐解期，至90d时，A1、A2、A3三处理磷素累积释放率平均为77.9%。磷素累积释放率（Y）与培养天数（X）经回归分析得幂方程：Y＝3.5458 X0.7037（P＜0.01）。

表1 紫云英不同翻压量的腐解特征Table 1 The characteristics of decomposition of A.sinicus manure application

图2 紫云英不同翻压量碳的释放特征Fig.2 The characteristics of carbon release of A.sinicus manure application

图3 紫云英不同翻压量的氮释放特征Fig.3 The characteristics of nitrogen release of A.sinicus manure application

2.2.4 钾释放特征 不同用量紫云英钾分解趋势一势，且与碳、氮分解规律相当（图5）。翻压后20d，A1、A2、A3处理钾累积释放率分别为65.1%，56.0%，51.4%，平均为57.5%，均高于碳与氮的分解率。翻压后60d钾释放趋于平缓，至90d时，A1、A2、A3处理钾累积释放率分别为96.5%，96.5%，95.8%，平均为96.3%。表明至90d时，紫云英钾基本分解完全。钾素累积释放率（Y）与培养天数（X）经回归分析得幂方程：Y＝15.7784 X0.4213（P＜0.01）。

图4 紫云英不同翻压量磷的释放特征Fig.4 The characteristics of phosphorus release of A.sinicus manure application

图5 紫云英不同翻压量钾的释放特征Fig.5 The characteristics of potassium release of A.sinicus manure application

3 讨论

众多腐解试验结果表明［9－12］，植物残体腐解动态变化呈前期腐解快，后期慢的特征，而腐解速率与作物残体的化学组分有关。水溶性物、苯－醇溶出物和粗蛋白物质分解最快，半纤维素次之，纤维素更次之，木质素最难分解［13］。由于紫云英含有大量苯－醇溶出物和水溶性物质［14］，且C／N值（约13.2）要低于同类绿肥如箭筈豌豆（Viciasativa）、苕子（Viciavillosa）与山黧豆（Lathyruspalustris）（C／N 值为17～19）［15］，故翻压后分解速度较快。供试紫云英经过90d的腐解，紫云英失重率在70%左右。从取样时间间隔可以将紫云英腐解分为4个阶段，紫云英腐解出现了2次快速腐解期，第1阶段即紫云英腐解的前20d，是腐解最快的阶段，这一阶段腐解物质可能是以可溶性的有机物如氨基酸、有机酸以及无机养分等较多；随后紫云英腐解速率迅速降低（20～35d），可能是由于紫云英中的可溶性有机物在紫云英腐解20d后已基本分解，或是可溶性物质的溶出包括有机酸等抑制了土壤微生物活性，阻碍了有机物的分解。随后进入相对复杂的不易降解的木质素、纤维素等有机物质分解阶段［16］；第3阶段，即腐解后35～60d，可能由于分解复杂有机质微生物的快速繁殖，并占据优势种群，从而加速了腐解速率。在腐解最后一个阶段（腐解60d后），干物质腐解大部分完成，此时紫云英已经进入缓慢分解阶段。

对箭筈豌豆、苕子、山黧豆3种不同绿肥养分释放研究发现，翻压15d时碳释放率达52%～58%，氮释放率53%～71%［17］，王岩和刘国顺［18］对绿肥翻压的研究也表明，翻压14d时苜蓿的碳释放率达45%，氮释放率达30%。本研究表明，在紫云英翻压20d时，碳、氮释放率就高达50%左右，其研究结果基本与其他绿肥种类一致。但紫云英磷、钾释放特点却有别于相关报道。相关研究表明，绿肥秸秆等腐解过程中各种养分间释放一般表现为钾＞磷＞氮，特别是钾在腐解前10d基本释放完全［19，20］，而本试验条件下，前20d，钾的平均累积腐解率为57.5%，而磷也仅为21.9%。钾、磷腐解率与以往报道差异较大的原因可能与试验条件不同有关。由于秸秆中钾素主要以离子态存在，易溶于水，因此腐解过程中钾释放较快，而磷素也主要以水解性的有机态形式存在，矿化后形成水溶性的磷酸盐，而前人研究多采用去离子水洗净尼龙网后［19－21］，烘干测定秸秆中养分含量，虽然此阶段秸秆释放的养分，特别是钾离子经过腐解大部分被释放出来，但离子形态的钾、磷并不会全部迁移至土壤，有可能附于秸秆残体表面及尼龙袋与土壤接触面的土壤上，用水洗后这部分钾、磷就直接流失，从而明显提高了单位时间的钾、磷养分释放率。当然试验材料、土壤性质、培育水分及环境温度的差异也可能是导致钾、磷释放率出现差异的原因。

在实际生产中，以中量30 000kg／hm2紫云英还田量来计算，至90d时，氮、磷、钾累积释放率分别为87.4%，77.9%，96.3%，理论上可累积释放 N、P2O5、K2O 养分为86.4，21.53和111.56kg／hm2。而水稻生产中推荐N、P2O5、K2O施肥用量分别为120，42和78kg／hm2［22］，以此看来，理论上中量紫云英翻压就可分别提供后茬水稻生长72%N、51.3%P2O5与143.0%K2O的推荐养分，但事实是否如此？已往研究表明，翻压绿肥秸秆等均可不同程度提高土壤肥力，但提高量远小于翻压量理论值［23－25］，而造成此结果的主要原因可能是随着腐解时间的推移，碳、氮在腐解过程中以气态损失以及磷、钾在土壤中逐渐向难溶性形态转化。但由于本试验采用网袋法模拟测定，与田间翻压条件下紫云英－土壤完全相融状态存在一定差异，培育条件下测定翻压紫云英对土壤培肥或环境效应尚难客观反映田间实际情况，因此，探讨翻压紫云英对土壤碳吸存及土壤养分的影响应结合田间原位尤其是长期定位试验测定。

［1］陈志宏，李晓芳，贠旭疆，等.我国草种质资源的多样性及其保护［J］.草业科学，2009，26（5）：1－6.

［2］曹卫东，黄鸿翔.关于我国恢复和发展绿肥若干问题的思考［J］.中国土壤与肥料，2009，（4）：1－3.

［3］Lee C H，Park K D，Jung K Y，et al.Effect of Chinese milk vetch（Astragalus sinicus L.）as a green manure on rice productivity and methane emission in paddy soil［J］.Agriculture，Ecosystems ＆ Environment，2010，138（3－4）：343－347.

［4］徐昌旭，谢志坚，许政良，等.等量紫云英条件下化肥用量对早稻养分吸收和干物质积累的影响［J］.江西农业学报，2010，22（10）：13－14.

［5］吴增琪，朱贵平，张惠琴，等.紫云英结荚翻耕还田对土壤肥力及水稻产量的影响［J］.中国农学通报，2010，26（15）：270－273.

［6］邹亚丽，韩方虎，耿丽英，等.温度和湿度对紫花苜蓿土壤氮矿化的影响［J］.草业学报，2010，19（4）：101－107.

［7］鲁如坤.土壤农业化学分析方法［M］.北京：中国农业科技出版社，2000：106－107，302－315.

［8］李正，刘国顺，敬海霞，等.翻压绿肥对植烟土壤微生物量及酶活性的影响［J］.草业学报，2011，20（3）：225－232.

［9］宋日，吴春胜，郭继勋.东北草原植物残体腐解动态研究［J］.草业学报，2002，11（2）：105－108.

［10］熊德中，李放，李素兰，等.废弃烤烟茎秆浸水后的腐解、养分释放特征及其对水环境的影响［J］.中国生态农业学报，2008，16（6）：1513－1516.

［11］孙本华，吕家珑，张一平，等.干旱荒漠条件下残茬分解特征和养分释放的研究［J］.干旱地区农业研究，2003，21（3）：34－37.

［12］刘忠宽，汪诗平，韩建国，等.内蒙古温带典型草原植物凋落物和根系的分解及养分动态的研究［J］.草业学报，2005，14（1）：24－30.

［13］王文山，王维敏，张镜清，等.农作物残体在北京农田土壤中的分解［J］.土壤通报，1989，20（3）：113－115.

［14］代静玉，周江敏，秦淑平.几种有机物料分解过程中溶解性有机物质化学成分的变化［J］.土壤通报，2004，35（6）：724－727.

［15］Probert M E，Delve R J，Kimani S K，et al.Modelling nitrogen mineralization from manures：representing quality aspects by varying C∶N ratio of sub－pools［J］.Soil Biology and Biochemistry，2005，37（2）：279－287.

［16］李逢雨，涂仕华，王昌全，等.不同还田方式下稻草的腐解速率及养分释放规律［J］.山地学报，2006，24（增刊）：92－97.

［17］潘福霞，鲁剑巍，刘威，等.三种不同绿肥的腐解和养分释放特征研究［J］.植物营养与肥料学报，2011，17（1）：216－223.

［18］王岩，刘国顺.绿肥中养分释放规律及对烟叶品质的影响［J］.土壤学报，2006，43（2）：273－279.

［19］李逢雨，孙锡发，冯文强.麦秆、油菜秆还田腐解速率及养分释放规律研究［J］.植物营养与肥料学报，2009，15（2）：374－380.

［20］戴志刚，鲁剑巍，李小坤，等.不同作物还田秸秆的养分释放特征试验［J］.农业工程学报，2010，26（6）：272－276.

［21］刘威.紫云英养分积累规律和还田腐解特性及其效应研究［D］.武汉：华中农业大学，2010.

［22］林新坚，章明清.新型肥料施用技术［M］.福州：福建科学技术出版社，2009：10－22.

［23］南雄雄，田宵鸿，张琳，等.小麦和玉米秸秆腐解特点及对土壤中碳、氮含量的影响［J］.植物营养与肥料学报，2010，16（3）：626－633.

［24］李苹，徐培智，解开治.坡地果园间种不同绿肥的效应研究［J］.广东农业科学，2009，（10）：90－92.

［25］李银平，徐文修，侯松山.春小麦复播绿肥对连作棉田土壤肥力的影响［J］.中国农学通报，2009，25（6）：151－154.