稻田豆科冬季绿肥腐解及养分释放特征研究

2018-08-01李忠义何铁光蒙炎成韦彩会唐红琴

江苏农业科学 2018年13期

李忠义，何铁光，蒙炎成，韦彩会，唐红琴

(广西农业科学院农业资源与环境研究所，广西南宁 530007)

绿肥是我国传统农业的精华，作为一种生物肥源，有改土培肥、提高农产品品质的作用。广西有着悠久的绿肥种植史，在近代有过2次发展高峰，第1次发展高峰是1964—1974年，这期间全广西地区冬种绿肥面积达48.4万hm2/年；第2次发展高峰期是1989—1996年，广西地区种植绿肥总面积都在46.7万hm2/年以上。但随着化肥应用的推广和耕地复种指数的提高，自20世纪80年代开始绿肥种植面积迅速滑坡[1]。近年来，随着土壤环境的恶化，人们对绿色农产品的需求不断增加[2]。现代农业呼唤传统农业的精华回归，2015年农业部提出了到2020年实现“一控两减三基本”的目标，也制定了《到2020年化肥使用量零增长行动方案》，而种植和利用绿肥作物，有利于化肥减量施用，对保障农产品安全，保护农田生态环境，促进农业可持续发展有着重要意义。

赵其国等指出，充分利用冬闲田，实行绿肥过腹还田是保证南方红壤生态系统持续稳定健康发展的手段之一[3]。广西属亚热带季风气候区，冬季光热资源丰富，每年适宜种植绿肥的冬闲田在60万hm2以上[4]。紫云英和苕子有培肥地力的作用，是用地、养地、改良中低产田地、建设高产稳产农田的有效途径，也有助于促进休闲农业和乡村旅游业的发展，是广西主推的稻田冬季绿肥作物。关于紫云英和苕子的腐解特征及碳、氮、磷、钾养分释放规律的研究，前人多采用异地还田或模拟培养试验等方法。潘福霞等研究了紫云英、苕子在旱地的腐解特征[5-8]；王飞等以盆栽培育方法研究了70%田间持水量下紫云英的有机碳和养分的释放特征[9]；高桂娟等以盆栽试验，模拟淹水土壤环境中紫云英的腐解特征[10]。本研究充分考虑广西地区稻—稻—冬季绿肥轮作系统的实际，在早稻种植前将紫云英、苕子翻压还田，研究其在稻田环境中的腐解及养分释放特征，以期为广西稻田冬季绿肥的合理利用和后期农田养分科学管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试绿肥作物为紫云英、苕子，种质资源来源于广西农业科学院农业资源与环境研究所。在其盛花期取200 g地上部分样品，切成2～3 cm的小段，装入尼龙网袋(面积20 cm×30 cm，孔径75 μm)待用。供试样品的养分含量见表1。

表1 紫云英、苕子的碳、氮、磷、钾等养分含量

1.2 试验设计

试验于2016年3月21日至2016年6月29日在广西农业科学院农业资源与环境研究所试验基地进行，将尼龙袋埋至水稻田中，埋深10 cm，每个处理设3个重复。供试土壤类型为第四纪红色黏土发育而来的水稻土，土壤基本理化性质：pH值为6.45，有机质含量为30.1 g/kg，全氮含量为 1.6 g/kg，全磷含量为1.0 g/kg，全钾含量为3.7 g/kg；微生物类群：细菌含量为6.125 3×106CFU/g、真菌含量为 6.850 0×104CFU/g、放线菌含量为2.121 1×106CFU/g。分别在还田0、20、40、60、80、100 d后取样，腐解期平均气温见表2。样品用自来水冲洗干净，烘干称质量，磨碎，测定碳、氮、磷、钾等物质的含量。

1.3 测定方法

植物样品中全碳含量用重铬酸钾容量法-外加热法测定；植株样品经浓硫酸-双氧水消煮后，用凯氏定氮法测定全氮含量，用比色法测定全磷含量，用火焰光度计法测定全钾含量[11]。

表2 腐解期平均气温

1.4 试验计算

累计腐解率=(0 d后的干物质总量-nd后的干物质总量)/0 d后的干物质总量×100%；养分累计释放率=(0 d后的养分总量-nd后的养分总量)/0 d后的养分总量×100%。其中，n为翻压天数。

1.5 数据处理

试验数据在Excel中进行处理并作图。

2 结果与分析

2.1 绿肥还田后的腐解特征

由图1可知，随着时间的推移绿肥的累计腐解率均呈逐渐增加的趋势。还田20 d内腐解较快，还田20 d时，紫云英和苕子的累计腐解率分别为42.3%、44.6%，平均腐解速率分别为0.655、0.646 g/d；还田20～100 d腐解缓慢，紫云英和苕子的累计腐解率分别达74.5%、76.6%，平均腐解速率分别为0.124、0.116 g/d，腐解速率明显小于前20 d。在稻田环境中，紫云英和苕子的平均腐解速率基本一致，苕子的累计腐解率略大于紫云英。

2.2 绿肥还田后碳释放特征

由图2可知，紫云英和苕子还田后的前20 d，碳累积释放率较大，分别为46.2%、50.1%，之后释放缓慢，到100 d时，两者的碳累计释放率分别达到70.1%、76.3%。在稻田环境中，整个腐解期苕子的碳累计释放率均大于紫云英的碳累计释放率。

2.3 绿肥还田后氮释放特征

由图3可知，紫云英和苕子还田后的前20 d，氮累积释放速率较大，分别达到45.3%、48.8%，20 d后释放缓慢，到 100 d 时，氮累计释放率分别达到72.3%、75.5%。在稻田环境中，整个腐解期苕子的氮累计释放率均大于紫云英的氮累计释放率。

2.4 绿肥还田后磷释放特征

由图4可知，紫云英和苕子还田后的前20 d，磷释放速率最大，分别达到54.6%、58.2%，之后释放缓慢，到100 d时，两者的磷累计释放率分别达到81.2%、83.5%。在稻田环境中，整个腐解期苕子的磷累计释放率均大于紫云英的磷累计释放率。

2.5 绿肥还田后钾释放特征

由图5可知，紫云英和苕子还田后的前20 d，钾累计释放速率较大，分别达到76.3%、78.2%，之后释放缓慢，到100 d时，两者的钾累计释放率分别达到89.3%、91.1%。在稻田环境中，整个腐解期苕子的钾累计释放率均大于紫云英的钾累计释放率。

2.6 绿肥还田后碳与各养分比例的变化特征

由图6可知，紫云英和苕子还田后的碳氮比均表现为先降后升，变化不大，整个腐解期紫云英的碳氮比在17.35～19.32之间，苕子的碳氮比在10.35～11.53之间，且在整个腐解期内碳氮比均表现为紫云英>苕子。

由图7可知，紫云英和苕子还田后的碳磷比在0～40 d时快速上升，到40 d时两者的碳磷比分别为17.36、13.83；40～60 d时呈下降趋势，之后逐渐升高。整个腐解期紫云英的碳磷比在 12.63～20.09之间，苕子的碳磷比在9.94～14.28之间，且在整个腐解时期内碳磷比均表现为紫云英>苕子。

由图8可知，紫云英和苕子还田后的碳钾比在0～40 d时快速上升，在40 d时两者的碳钾比分别为39.28、38.46；40～60 d 时呈下降趋势，之后逐渐升高。整个腐解期紫云英的碳钾比在15.15～42.34之间，苕子的碳钾比在13.54～38.46之间，且在整个腐解期内碳钾比均表现为紫云英>苕子。

2.7 绿肥还田理论养分释放情况

根据广西地方标准免耕稻田冬绿肥生产技术规程[12]，以紫云英和苕子适宜还田翻压量为22 500 kg/hm2来计算，由表3可知，至100 d时紫云英的氮、磷、钾累计释放量分别达57.77、9.19、84.25 kg/hm2；苕子的氮、磷、钾累计释放量分别达90.52、11.61、92.97 kg/hm2，且苕子氮、磷、钾累计释放量均大于紫云英，有利于后茬早稻化肥的减施。同时，紫云英和苕子腐解过程中释放出的大量碳对改善土壤物理化学性质具有重要意义。

表3 早稻生育期内绿肥的理论养分释放量

3 讨论

不同绿肥作物翻压还田后，受土壤环境、气候条件等影响[13]，腐解速率不一，但其腐解过程一般包括快速腐解期和缓慢腐解期。本研究结果表明，紫云英和苕子在还田后前 20 d 腐解速度较快，其养分有暴发式地释放，随后干物质和养分释放比较缓慢。前人在研究豆科绿肥(大豆、绿豆、长武怀豆、紫花苜蓿)[7，14-15]、十字花科绿肥(二月兰)[16]、禾本科绿肥(黑麦草、高羊茅)[7]、菊科绿肥(菊苣、肿柄菊)[7，17]及树木的枯枝落叶[18]等的腐解过程中均呈现类似的规律。绿肥作物前期腐解快，后期腐解慢，其原因可能是在腐解前期秸秆中可溶性有机物及无机养分较多，为微生物提供了大量的碳源和养分，微生物数量增加，活性增强；后期随着腐解的进行，秸秆中可溶性有机物逐渐减少，剩余部分主要为难分解的有机物质，导致微生物活性降低，秸秆的腐解也随之变慢[19-20]。本研究结果表明，在还田后的20 d内，紫云英和苕子能供给早稻大部分的养分，为早稻的生长发育创造一个良好的环境，减少化肥的施用量，为南方双季稻区稻—稻—冬季绿肥轮作模式的推广提供了有力的理论依据。

绿肥翻压后其植株氮、磷、钾养分的释放会对后茬作物的生长产生影响，明确绿肥作物翻压后养分的释放规律对科学合理地利用绿肥作物具有重要意义。从养分的矿化速率来看，紫云英和苕子的氮、磷、钾养分释放过程明显不同。钾的释放速率最大，到100 d时，紫云英和苕子的钾累计释放率分别达到89.3%、91.1%，其次是磷，氮和碳累计释放率相差不大，释放速率小于钾和磷。其主要原因可能是茎秆中钾不以化合态形式存在，而是以K+形态存在于细胞中或植物组织内，很容易被水浸提释放出来，释放速度较快；磷、氮以难分解的有机态为主，物理作用下不容易分解，释放较慢；而碳主要以有机态存在，不容易腐解[21]。潘福霞等研究箭筈豌豆、苕子、山黧豆、麦秆、油菜秆等还田后，秸秆的养分释放速率均表现为钾>磷>氮[5，22]；邹雨坤等研究不同还田方式下木薯、香蕉、小麦茎秆的腐解特征，研究结果均表明，腐解过程中秸秆养分的释放速率均表现为钾>磷>氮≈碳[23-25]。本研究的结果表明，紫云英和苕子还田后钾素释放量较大且速度较快，因此，在种植后季作物时可根据其养分需求规律适当减少基肥中钾肥的施用量，合理配施磷肥、氮肥。

不同种类绿肥腐解和养分释放速率不同。在相同的外界环境条件下，绿肥腐解速度由植株的组成成分、组织结构、碳氮比等因素决定。当碳氮比小于25 ∶1时，微生物不再利用土壤中的有效氮，有机物能够较完全地被分解并释放出矿质态氮[26]。Pereira等研究菽麻、刀豆、木豆、猪屎豆、拉巴豆、黧豆等豆科绿肥还田腐解时指出，菽麻分解速度最慢，与其高碳氮比有关，而刀豆分解速度最快，与其低碳氮比有关[27]。本研究中整个腐解期紫云英的碳氮比在17.35～19.32之间，苕子的碳氮比在10.35～11.53之间，且碳氮比表现为紫云英>苕子，利于微生物的分解，且相同还田条件下苕子秸秆累计腐解率及碳、氮、磷、钾等养分累计释放率均大于紫云英，可能与苕子的低碳氮比有关。紫云英的碳磷比、碳钾比均大于苕子，至于碳磷比、碳钾比与绿肥腐解和养分释放速率是否有关，及两者在什么范围内更利于腐解有待深入探讨。

研究表明，水稻生产中推荐氮、五氧化二磷、氧化钾的施用量分别为120、42、78 kg/hm2[28]。根据理论分析结果，紫云英以 22 500 kg/hm2的翻压还田量，可释放氮 57.77 kg/hm2、磷9.19 kg/hm2、钾84.25 kg/hm2，可为后茬早稻生长提供48.14% N、21.88% P2O5、108.01% K2O；苕子以22 500 kg/hm2的翻压还田量，可释放氮90.52 kg/hm2、磷 11.61 kg/hm2、钾92.97 kg/hm2，可为后茬早稻生长提供 75.43% N、27.64% P2O5、119.19% K2O，理论翻压还田后可大大减少后茬早稻化肥的减施。而大田研究结果表明，紫云英还田可减少无机氮肥的施用量，后茬作物水稻化肥施用量可减少20%～40%[29]；Xie等研究表明，江西双季稻区紫云英替代20%、40%化肥的情况下，土壤肥力和早晚稻产量高于单施氮肥的处理[30]；李双来等研究表明，湖北双季稻区紫云英可替代20%的化肥[31]。因此，紫云英翻压还田大田试验土壤肥力提高量远小于理论值，其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，磷、钾在土壤中逐渐转化为难溶态[9]。同时，紫云英和苕子在生长中从土壤中吸收了养分，而还田后释放的养分究竟有多少转化为有效态供后茬作物吸收利用？这还须进一步研究。