剑麻麻茎腐解特征及氮素回收利用率研究

谭施北，习金根，郑金龙，贺春萍，吴伟怀，梁艳琼，黄 兴，李 锐，易克贤

（中国热带农业科学院环境与植物保护研究所/农业部儋州农业环境科学观测实验站，海南 海口 571101）

剑麻（Agave Sisalana Perrine）为龙舌兰科（Agavaceae）龙舌兰属（Agave linnaeus）多年生硬质纤维作物，广泛分布在我国广西、广东、海南等热带亚热带地区，其纤维具有拉力强、坚韧耐磨、富有弹性等特点，广泛用于制作绳缆、编织剑麻地毯、工艺品等，是国防、渔业、航海、石油、工矿等领域的重要原料［1］。剑麻假茎及残留在其周围的叶片基部，整体称为麻茎。研究发现，麻茎资源丰富，7～11龄麻茎干重平均达11.5 kg/株（51.0 t/hm2），占剑麻整株干物质含量的40.0%，最高可达46%，是剑麻生产中重要的废弃物之一［2-3］。生产中发现，麻茎直接还田不但解决了麻茎的处理问题，而且有效保持了坡地剑麻种植园多年高产稳产，是麻茎较为合理的利用方式。我国长期过量施用化肥导致土壤中氮素和磷素含量过高，而有机质和钾素含量不足，土壤酸化、团粒结构受损、保肥供肥能力减弱、肥料利用率降低等现象日益严重，从而引起了作物连作障碍、缺素性生理病害、作物产量和品质不断下降等一系列问题［4-6］。研究表明，秸秆还田不仅能给土壤补充一定的氮、磷、钾等营养元素，且其中的有机物质还能给土壤带去大量的有机质，维持土壤有机碳含量，提高土壤生物活性，从而起到改良土壤的作用［7］。秸秆还田是实现生态农业与农业可持续发展的关键技术之一。有关秸秆还田对土壤理化性质、土壤微生物数量、土壤酶活性以及作物产量的影响研究得比较多［8-10］，但对秸秆氮素去向以及氮素利用率的研究比较少。前人研究发现，盆栽条件下，夏谷地上部对铺施麦秸氮的利用率为28.3%，而混施条件下其氮素利用率仅为20.6%［11］。大田条件下，小麦地上部对施入麦秸氮的利用率仅为10.2%［12］。目前有关麻茎还田的理论基础研究较少，而有关剑麻麻茎还田条件下剑麻对氮素的吸收利用率的研究亦未见报道。因此，本研究利用15N示踪技术研究粉碎还田条件下麻茎氮素的回收利用率，以期进一步提高对麻茎氮素回收利用效率的认识，为麻茎的合理还田提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

剑麻麻茎采自广西陆川县国营红山农场剑麻园，10年麻龄。取其新鲜茎部和叶基部烘干、粉碎，作为腐解试验材料，其养分含量见表1。15N标记剑麻麻茎于2012年8月31日以幼苗进行盆栽培养，通过施加15N标记尿素（标记丰度为10.08%）进行同位素标记。2013年6月13日收获地上部，烘干粉碎后低温保存，其15N原子百分超为2.67%。本试验所用标记尿素，标记丰度为10.22%。

表1 剑麻茎部、叶基和15N标记麻茎养分含量

1.2 试验设计

粉碎条件下剑麻麻茎腐解特性试验于海南省文昌市中国热带农业科学院文昌试验基地进行，试验田土壤理化性质见表2。采用网袋法，将粉碎茎部、叶基分别装入规格为20 cm×15 cm、0.074 mm的尼龙网袋中，每袋装25 g。2016年1月29日于文昌基地埋下，埋深25 cm。每30 d取样一次，共取8次，每次每部位均取样3袋。样品用自来水洗净后，80℃烘干，用微型植物粉碎机粉碎。

剑麻粉碎麻茎氮素回收利用率试验于中国热带农业科学院生物所楼顶试验大棚进行。采用盆栽试验，基质土壤为实验室混合调配土，其理化性质见表2。试验共设5个处理，每处理4次重复，处理代号、处理方法、尿素用量、粉碎麻茎用量见表3。选取长势均匀一致的剑麻幼苗（重33～56 g），定植前先剪掉剑麻幼苗根系，2015年11月20日定植，塑料盆规格为：口径15.5 cm，底径11.0 cm，高13.0 cm。粉碎麻茎基施，施用方法为将粉碎麻茎施入塑料盆中部位置，并与土壤混合均匀。尿素穴施，施用方法为幼苗定植30 d后，用小勺子于盆内挖10 cm左右小穴，将尿素施入，并覆土。培养期间正常人工除草，处理前非雨天每7 d浇水一次，每次每盆浇100 mL。330 d后采样并测定剑麻植株生长指标以及15N丰度。

表2 试验地土壤理化性质

表3 盆栽试验处理及方法 （g/株）

1.3 测定内容与计算方法

植物样品用H2SO4-H2O2消煮后，全氮含量用奈氏比色法测定，全磷含量用钼锑抗比色法测定，全钾含量用多元素火焰光度计测定［13］，15N用质谱法测定［14］。

麻茎腐解率和养分释放率计算方法如下［15］：

质量累积减少量（g）=0 d干物质量-N d干物质量

腐解率（%）=质量累积减少量/0 d干物质量×100

养分释放量=0 d养分含量-N d取样养分含量

养分释放率（%）=养分释放量/0 d养分含量×100

氮素利用率计算方法如下［16］：

15N原子百分超=样品的15N丰度-15N自然丰度；

标记肥料N的比例=植株15N原子百分超/标记肥料15N原子百分超

土壤N比例=1-尿素N比例-麻茎N比例；

植株吸收的肥料N量=植株吸N量×肥料N比例

当季N利用率=当季植株吸收的肥料N量/当季施入的肥料N量

1.4 数据处理

采用Excel 2010软件分析数据并绘图，采用JMP 10统计软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 粉碎条件下剑麻麻茎腐解率变化特征

粉碎条件下，剑麻麻茎茎部和叶基腐解率差异不明显，在240 d内腐解率分别达72.4%、78.9%。茎部和叶基在0～30 d腐解率高达36.5%、28.7%，而30～90 d内也保持较大的腐解速率，第90 d腐解率高达63.4%、51.6%，但在90 d之后腐解速率相对缓慢。说明0～30 d是剑麻麻茎的快速腐解期。总体上看，剑麻茎部腐解速率要高于叶基部（图 1）。

图1 粉碎条件下剑麻麻茎各部位腐解率

2.2 粉碎条件下剑麻麻茎氮素释放特征

粉碎条件下，240 d内，茎部的氮素释放率较大，在各个时间点均大于叶基，到240 d达88.4%；而叶基较小，为88.0%。茎部和叶基氮素释放速率均在30 d内较大，30 d时其释放率分别高达66.0%、54.1%，而30 d后释放速率变得较为平缓，二者在30～240 d内氮素释放率分别在66.0%～88.4%、54.1%～88.0%之间变化（图2）。

图2 粉碎条件下剑麻麻茎各部位氮素释放率

2.3 粉碎条件下剑麻麻茎磷素释放特征

粉碎条件下，剑麻麻茎茎部和叶基的磷素释放率在240 d内分别达72.7%、74.4%。两者磷素释放速率均在30 d内最大，30 d时分别高达53.6%、41.2%，30 d后释放速率放缓。两者在30～240 d内磷素释放率变化范围分别为53.6%～72.7%、41.2%～72.4%。剑麻茎部磷素释放速率总体高于叶基部（图3）。

2.4 粉碎条件下剑麻麻茎钾素释放特征

图3 粉碎条件下剑麻麻茎各部位磷素释放特征

粉碎条件下，剑麻麻茎茎部和叶基的钾素释放率在240 d内分别达94.9%、95.5%。两者在30 d内释放速率最大，其释放率在30 d时分别达63.1%、71.6%。而30～120 d茎部和叶基钾素释放较为缓慢，这期间二者变化范围分别为63.1%～93.0%、71.6%～90.5%。120 d之后茎部和叶基钾素释放率均基本保持不变，分别保持在91.9%～94.9%、91.0%～95.5%之间。总体上看，茎部和叶基的钾素释放特征及释放速率差异不显著（图4）。

图4 粉碎条件下剑麻麻茎各部位钾素释放特征

2.5 粉碎条件下剑麻麻茎还田对剑麻生长的影响

通过盆栽模拟麻茎粉碎单独还田及配施氮肥还田对剑麻生长的影响。由表4可见，不同处理剑麻幼苗叶数、叶长、根长以及地上部鲜重、干重差异均不显著。可见，单施尿素、单施麻茎以及两者混施在试验期内对剑麻幼苗地上部生长影响不明显，可能是因为试验用土壤养分较充足，短期内麻茎和化学氮肥效应还未体现。剑麻根鲜重和根干重，对照（CK）最大，其次为单施尿素处理（15N），而添加麻渣处理（15SL、15N+SL、N+15SL）根鲜重和根干重均较小。

表4 不同处理剑麻生长情况

2.6 粉碎还田条件下麻茎氮素的回收利用率

由表5可见，单施尿素（15N）时，剑麻吸收的氮素中，来源于土壤的占81.8%，其余来源于尿素，占18.2%。说明剑麻吸收的氮素主要来源于土壤，而来源于尿素的比例较低。单施麻茎时，来源于土壤的氮素也占大部分，达70.0%，而来源于麻茎的氮素则占30.0%。当尿素与麻茎配施时（15N+SL），来源于土壤、尿素、麻茎的氮素分别占60.7%、13.6%、25.7%。还可看出，当尿素与麻茎配施时，尿素氮的利用率显著低于单施尿素处理，而麻茎氮的利用率与麻茎单施时差异不显著。由此可见，麻茎配施尿素时，尿素氮回收利用率有所降低，但对麻茎氮素利用率的影响较小。

表5 不同处理剑麻氮素的回收利用率 （%）

3 讨论

粉碎条件下，除钾素释放速率外，茎部腐解速率、氮素释放速率和磷素释放速率均高于叶基。茎部和叶基均呈现前期腐解快速后期腐解缓慢特点，快速腐解期在还田后30 d内，之后腐解速率放缓，而氮、磷、钾释放特征也有类似规律。这与水稻、小麦、木薯、香蕉等秸秆的腐解特征一致，均表现为前期快，而后期慢的特征［17-19］。这是因为作物残体腐解时，水溶性物、苯醇溶性物和粗蛋白物质分解最快，半纤维素和纤维素次之，而木质素最难分解［20］。240 d内，茎部氮、磷、钾的释放率分别为88.4%、72.7%、94.9%，可见茎部不同养分释放速率大小依次为钾＞氮＞磷。240 d内，叶基氮、磷、钾的释放率分别为88.0%、74.4%、95.5%，说明叶基不同养分释放率与茎部一致。说明粉碎还田条件下，麻茎不同养分释放速率大小均表现为钾＞氮＞磷。一般认为，由于作物秸秆中的钾主要是以离子形态存在，所以易溶于水而被释放出来；磷则一部分以离子态存在，另一部分以难分解的有机态存在；而氮主要是以较难分解的有机态存在，所以较难释放［21］。所以，一般秸秆还田不同养分释放速率表现为 K＞P＞N［19-20，22-23］。本试验中麻茎不同养分释放速率以钾素最快，这与前人在其它作物上的研究结果一致。但所不同的是，麻茎氮的释放速率大于磷，这可能是由于本试验所用麻茎磷素含量较低所致。

不论是单施尿素或麻茎，还是尿素和麻茎配施，剑麻吸收的氮素中来源于土壤氮的比例均远高于来源于尿素或麻茎氮，这与前人的研究结果相符［24］，而来源于麻茎的氮素总体高于尿素。不论单施还是配施，尿素氮的利用率均较高，远高于麻茎。麻茎单施和配施尿素时麻茎氮素利用率分别为5.1%、4.3%，与尿素配施后有所降低，这与玉米秸秆与氮肥配施后的吸收利用规律一致［16］。这对麻茎还田以及化学氮肥减施均具有一定的指导意义，剑麻麻茎可能在一定程度能够代替化学氮肥的施用，并且麻茎和化学氮肥的利用率均具有较大的提升空间。此外，与单施相比，当麻茎与尿素配施后，尿素氮的利用率明显降低，说明添加麻茎可影响剑麻对尿素氮的吸收，这与张袁在小麦上的研究结果一致［25］。也有研究表明，秸秆还田可以促进氮肥利用率的提高［26］，与本研究结果有所不同。这可能是因为麻茎的施入增加了土壤碳源，促进了微生物繁殖，加剧了微生物对氮素的固持，从而降低了土壤矿质态氮的含量，影响了剑麻对氮素的吸收［27-28］。加上本试验尿素用量较低，导致土壤氮含量下降，减少了剑麻对氮素的吸收利用。本试验中，施入麻茎后，根系鲜重与单施尿素或对照相比明显减小，其原因还有待进一步研究。剑麻根系长势弱也将一定程度上影响了尿素氮素的吸收。由该结果可见，在生产中应尽量避免麻茎和尿素同时施用，以免降低尿素的利用效率。而两者的施用方法、施用时间及配比，还需要作进一步研究。

4 结论

剑麻麻茎粉碎还田后240 d，茎部和叶基的腐解率均较大，分别高达72.4%、78.9%；茎部氮、磷、钾的释放率分别为88.4%、72.7%、94.9%；叶基氮、磷、钾的释放率分别为88.0%、74.4%、95.5%。茎部和叶基快速腐解期和氮、磷、钾的快速释放期均在30 d内。茎部腐解速率以及不同养分释放速率均高于叶基。不论是茎部还是叶基，不同养分释放速率大小均表现为钾＞氮＞磷，建议麻茎还田后可以适量减少钾肥的用量。

剑麻吸收的氮素中来源于土壤氮的比例均远高于来源于尿素或麻茎氮，而来源于麻茎的尿素总体高于尿素。单施和配施尿素时，麻茎氮素回收利用率分别为5.1%、4.3%。麻茎配施尿素均降低了剑麻对尿素氮和麻茎氮的吸收利用率。