果园土壤中鼠茅草的降解特性及其对氮素供应的影响

梁斌，董静，隋方功，刘庆花，李俊良*

(1.青岛农业大学资源与环境学院，山东 青岛 266109；2.寿光市农业局，山东 寿光 262700)



果园土壤中鼠茅草的降解特性及其对氮素供应的影响

梁斌1，董静2，隋方功1，刘庆花1，李俊良1*

(1.青岛农业大学资源与环境学院，山东 青岛 266109；2.寿光市农业局，山东 寿光 262700)

摘要：果园生草提高土壤肥力，减少水土流失，具有良好的生态环境效益。但生草对土壤氮素的供应影响是果农关注的问题之一。本研究通过室内培养试验，研究了不同时期采集的果园生草作物(鼠茅草)的降解特性及其对氮素固持的影响。结果表明，鼠茅草枯萎后，地上部易降解有机碳占51%，鼠茅草难降解部分残留在土壤当中每年增加1 t/hm2的土壤碳固持；施氮肥加快鼠茅草的降解，同时增加其稳定有机碳的相对含量，对土壤固碳量影响不大；鼠茅草枯萎还田后对土壤氮素的固持量为39～65 mg/kg，因此在中低肥力土壤施肥时应适当地补充60～100 kg/hm2氮素，避免微生物和果树争肥，同时提高土壤肥力。

关键词：苹果园；固持；施氮；二氧化碳释放

我国苹果园有机质含量偏低，施用氮肥使土壤碳氮比(C/N)降低，导致土壤板结、保肥性差等问题。据统计，胶东果园C/N由1984年的9.45降低到2012年的7.87，威胁土壤质量安全[1]。因此如何增加果园有机质含量，提高土壤肥力关系到我国苹果(Maluspumila)产业的可持续发展。果园生草是欧美及日本等发达国家普遍推行的土壤管理模式，在提高土壤肥力[2]，减少水土流失[3-4]等方面取得了良好的生态及经济效益。我国学者的研究也表明果园生草可明显增加果园产量和改善果实品质[5-6]。但是果园生草中多存在草与果树争夺水分和养分的问题，限制果园生草的发展[7-8]。解决树草对水分和养分的竞争问题的关键是选出果树、草种生态位不重叠的优良组合[2]。

鼠茅草(Vulpiamyuros)是近年来引起果农瞩目的野生草种。主要分布在江苏、浙江、广西等地。鼠茅草为1年生禾本科鼠茅属植物，每年9月份发芽，在春季迅速生长，株高可达60 cm以上，于6月初枯萎倒伏，覆盖于地表。近期研究[9-10]表明鼠茅草在抑制果园夏季杂草生长方面有重要作用，是果园中很好的覆盖作物。在我国北方果树旺盛生长阶段鼠茅草已经枯萎死亡，缓解了草与树争水争肥的矛盾；生长后期自然枯萎倒伏，免除人工割草或除草剂使用，省工环保；除此之外，鼠茅草一次播种后靠种子萌发自然繁殖，避免重复播种。鉴于上述特性，鼠茅草非常适合在果园中种植，具有在我国北方大面积推广的潜力。目前鼠茅草在胶东果园已经推广种植6年，种植面积达700 hm2。

虽然鼠茅草的生长季节与果树旺盛生长季节不重合，一定程度上避免了果树与草的争水争肥，但是鼠茅草枯萎后的降解过程可能导致土壤微生物大量固定土壤氮素，影响果树对氮素的吸收，另外鼠茅草在固碳减排方面的作用有多大也是需要关注的问题。因此，本研究通过田间采样室内培养的方法研究了鼠茅草降解过程及其对土壤氮素的影响，以期为生草果园合理的施用氮肥提供理论依据。

1材料与方法

1.1试验材料

采样地点位于青岛农业大学胶州试验基地。该基地苹果园采用全园种植鼠茅草模式。于2013年6月(鼠茅草自然枯萎后)和2014年3月(苹果春季施肥之前)采集枯萎鼠茅草样品，经烘干粉碎成0.2～0.5 cm小段待用，其中有机碳及氮、磷、钾含量见表1。2014年3月在同一果园内采集供试土壤，土壤样品风干过2 mm筛后待用，其基本理化性状见表1。

表1　供试鼠茅草和土壤养分含量状况

1.2试验设计

试验采用双因素完全随机设计，包括生草作物还田和施用氮肥两个因素。生草作物还田包括：不还田(CK)、施用2013年6月采集鼠茅草(C1)和施用2014年3月采集鼠茅草(C2)3个处理；氮肥处理包括不施氮肥和施用氮肥(+N)2个处理，采用完全随机试验设计，共6个处理，重复3次。其中生草作物还田量为0.67%(相当于生草作物全量还田至0～15 cm土层的用量)，氮肥为(NH4)2SO4，施氮量为200 mg/kg。采用室内模拟试验，将土样含水量调至18%，在20℃下预培养7 d，然后按上述试验处理加入鼠茅草和氮肥，放入塑料培养瓶，每瓶装1 kg土壤。在培养的第1，3，6，7，11，16，22，30天测定其中的硝态氮、铵态氮含量和土壤呼吸。

1.3测定方法

土壤铵态氮和硝态氮采用0.5 mol/L硫酸钾(液土比4∶1)浸提，流动分析仪(AA3，BRAN+LUEBBE，德国)测定。土壤呼吸采用氢氧化钠吸收滴定法测定[11]。土壤经不同处理之后，称取相当于50.0 g烘干土的鲜土放入75 mL培养瓶中，将培养瓶和盛有10 mL 0.2 mol/L NaOH溶液的塑料瓶同时放入密闭的500 mL塑料瓶中。在培养的第1，3，6，7，11，16，22，30天，用0.2 mol/L HCl滴定剩余的NaOH来计算CO2的释放量。

1.4数据分析

用SAS Version 8.1 for Windows 做方差分析，如果差异显著，用LSD法进行多重比较。假定鼠茅草秸秆有机碳由易降解有机碳库和稳定有机碳库两部分组成，用双指数方程来拟合有机碳的降解率[12]。

累积有机碳降解率=a(1-e-K1*t)+(100-a)(1-e-K2*t)

易降解有机碳半衰期=ln2/K1

难降解有机碳半衰期=ln2/K2

式中,t为培养时间，a为易降解有机碳占的比例，100-a为不易降解有机碳所占比例，K1为易降解有机碳的降解常数(d-1)，K2为稳定有机碳降解常数(d-1)。

2结果与分析

2.1生草作物还田对土壤CO2释放的影响

在培养期间，土壤原有机质降解释放1161 mg CO2-C/kg，占土壤有机碳的10%；生草作物还田显著增加土壤CO2释放量，C1和C2处理累积释放量分别为2359和1928 mg CO2-C/kg，是CK处理的2.0和1.7倍。施用氮肥促进CO2的释放，在30 d培养期间，+N、C1+N和C2+N处理分别比CK、C1和C2处理CO2释放量增加10%，7%和14%(图1)。

图1　不同处理CO2累积释放量(A)和鼠茅草累积降解率(B)Fig.1　Accumulation of CO2 (A) and decomposition rate of V. myuros (B) during 30 days incubation

在培养的30 d当中，C1和C2处理鼠茅草秸秆降解率分别为30%和19%，施用氮肥使降解率分别提高到31%和23%(图1)；利用双指数方程对生草作物的降解进行了拟合，各处理相关系数(R2)都在0.976以上(表2)。经方程计算得出，C1和C2中易降解有机碳占本身有机碳的51.7%和22.3%，易降解部分半衰期分别为23和11 d；在C1处理中稳定有机碳含量占48.3%，半衰期为301 d。虽然施用氮肥在短期内促进了鼠茅草的降解，但是长期来说，提高了鼠茅草中稳定性有机碳的相对含量。

2.2生草还田对土壤氮素矿质氮的影响

由于硝化作用，施入200 mg/kg铵态氮后，土壤铵态氮含量下降，硝态氮含量上升，在培养的30 d内，施入氮肥的硝化作用基本结束(图2a，b)。在培养的第1天，施入铵态氮导致土壤矿质态氮增加166～178 mg/kg(图2c)，说明有22～34 mg/kg施入的氮素发生固持或损失。在培养期间，CK土壤矿质态氮含量由28 mg/kg逐渐升高到68 mg/kg；在培养结束时，加氮处理(+N、N+C1、N+C2)矿质态氮含量分别较不加氮处理(CK、C1、C2)提高222，223和247 mg/kg，大于施入氮肥量，说明氮肥施用促进了土壤或生草作物原有有机氮的矿化；与CK相比，培养第10天之后，生草作物还田使土壤矿质态氮含量显著降低25～52 mg/kg，占原有矿质态氮(即CK处理的矿质态氮)的48%～77%。在施氮条件下，培养中期(第6～22天)生草作物还田处理固持量(还田处理与CK处理矿质态氮含量之差)达到39～65 mg/kg，显著地大于不施氮处理的固持量，但这部分固持的氮素在22 d之后就开始发生释放(图2d)。

表2　不同处理中鼠茅草秸秆有机碳降解特性

注：同列不同字母表示差异显著(P<0.05)。

Note: Different letters in the same column show significant differences at 0.05 level.

图2　不同处理铵态氮(A)、硝态氮(B)、矿质氮(C)和氮固持量(D)动态变化Fig.2　Dynamic of ammonium N (A), nitrate N (B), mineral N (C), and immobilized N (D) under different treatments during decomposition of V. myuros

3讨论与结论

据统计，苹果园种植鼠茅草每年产干草为7.5～15 t/hm2，平均为12.8 t/hm2，每年固持碳量可达5.12 t/hm2，按本研究中稳定有机碳百分比和半衰期计算，每年碳净固持量达1.01 t/hm2。Conant等[13]总结前人研究结果估测，退化草原补种草种后每年每hm2可增加固碳0.75～3.0 t，石锋等[14]比较补播改良退化草地发现土壤有机碳的年增加量达每hm20.9 t。可见，果园生草有利于有机碳在土壤中的积累[15]，每年固碳量与草地相当。施用化学氮肥虽然加快了生草作物的降解，但施用氮肥提高了稳定碳的百分比含量，总体来说对土壤固碳量影响不大。郑海霞等[16]在草原的研究也得出相同的结论。

生草作物与果树争肥争水是果园生草推广的主要限制因素之一[8, 17]。鼠茅草与果树旺盛生长不重叠，在一定程度上避免了草与树的争肥问题。在6-9月份果树旺盛生长期间恰逢鼠茅草枯萎降解阶段，据报道鼠茅草经过80 d的腐解，其中氮素的累积释放率达到15%～25%[18]。但是在此过程中，由于枯萎鼠茅草提供了大量的碳源，促进土壤微生物对氮素的固持[19]，还田第10～30天使对照土壤矿质态氮含量降低25～52 mg/kg。因此在肥力水平中等或偏低果园中应该补充60～100 kg/hm2的氮肥，尤其是果园生草种植的前3年。在高肥力土壤中由于鼠茅草降解速度较快，氮素固持时间较短，并且固持后氮素仍然保持在较高水平，则不需要额外补充施用氮肥。

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Decomposition characteristics of aVulpiamyuroscover crop in an orchard soil and its effect on N supply

LIANG Bin1, DONG Jing2, SUI Fang-Gong1, LIU Qing-Hua1, LI Jun-Liang1*

1.CollageofResourcesandEnvironment,QingdaoAgricultureUniversity,Qingdao266109,China; 2.ShouguangAgriculturalBureau,Shouguang262700,China

Abstract:Cover cropping in orchard is an efficient soil management technique for improving soil fertility and reducing soil erosion. However, the effect of cover crops on nutrient supply is not well understood and a concern for growers. An experiment was conducted to investigate the decomposition characteristics of a cover crop (Vulpia myuros) and its effect on N supply in orchard soil. The decomposable organic C in straw of V. myuros accounted for 51% of organic C; the remainder increased soil C sequestration by 1 t/ha per year. Application of exogenous N fertilizer had no effect on annual net C sequestration, although it increased the decomposition rate of V. myuros straw. During decomposition, immobilized N ranged from 39-65 mg/kg. Consequently an additional 60-100 kg N/ha should be applied during V. myuros decomposition in low fertility soils in the first few years to avoid competition between soil microbes and crop trees, and to improve soil fertility.

Key words:apple orchard; immobilization; nitrogen application; carbon dioxide emission

*通信作者

Corresponding author. E-mail: jlli1962@163.com

作者简介：梁斌(1983-)，男，山东昌乐人，博士。E-mail: liangbin306@163.com

基金项目：山东省自然科学基金(ZR2013DQ014)和公益性行业(农业)科研专项项目(201103005)资助。

收稿日期：2015-04-17；改回日期：2015-08-25

DOI：10.11686/cyxb2015201

http://cyxb.lzu.edu.cn

梁斌，董静，隋方功，刘庆花，李俊良. 果园土壤中鼠茅草的降解特性及其对氮素供应的影响. 草业学报, 2016, 25(3): 245-250.

LIANG Bin, DONG Jing, SUI Fang-Gong, LIU Qing-Hua, LI Jun-Liang. Decomposition characteristics of aVulpiamyuroscover crop in an orchard soil and its effect on N supply. Acta Prataculturae Sinica, 2016, 25(3): 245-250.