“多花黑麦草 → 水稻”轮作系统根茬养分释放规律

何宏斌，张钰薇，程俊康，张 颖，李俊年，辛国荣

（1. 广东省热带亚热带植物资源与利用重点实验室 / 中山大学生命科学学院，广东 广州 510275；2. 吉首大学生物资源与环境科学学院，湖南 吉首 416000）

长期以来，我国农田土壤过度种植，大量施用化肥，造成土壤肥力下降、结构破坏、微生物活力丧失、土壤酸化盐碱化等问题[1-2]。轮作是解决这些问题的有效方式之一，一般地种植豆科或一些禾本科绿肥后，植物残茬覆压入田，各种养分缓慢释放，有利于提高土壤养分的含量和利用效率[3]。不同的绿肥具有不同的降解特征，适宜的轮作模式有利于农田生态系统养分的稳定性和可持续性。

我国南方农区，多花黑麦草(Lolium multiflorum)已逐渐成为冬闲期间种植的主要牧草之一，由于它产量高、品质好等优势，在南方农区冬季畜禽养殖中扮演着重要角色，并在与水稻(Oryza sativa)构建的轮作(“多花黑麦草→水稻”草田轮作，Italian ryegrass-rice rotation，简称IRR)系统中发挥着积极的经济、生态和社会效应[4]。水稻根茬覆压还田不仅能够促进大田固碳减排，还能够提高土壤氮、磷、钾等养分的含量。水稻根茬降解过程中自身多种营养元素的释放，使得土壤养分中如氮、磷、钾、钙、镁等必需元素增加，而且水稻根茬在降解过程中产生的小分子有机酸能够提高土壤中养分吸收的有效性[5]。黑麦草地下部干物质量能够达3 400 kg·hm-2，这些残留的植物有机体能够弥补农田常规耕作导致的土壤有机质的损失[6]，有研究表明，连续轮作黑麦草使得土壤有机物质含量显著提高，有机质增量通常能超过3%[7-8]，而有机碳的增量通常能超过20%[9]。此外在先前的研究中发现，连续两年的轮作及根茬还田使土壤全氮、全磷、全钾含量分别增加了4.83%～7.50%、13.85%～18.94%和16.9%～21.3%[10]。由于黑麦草的根茬部分具有较高的碳氮比(通常32～48)，因而在还田过程中有利于土壤有机质的持续提高，而且这一过程往往能够促进土壤氮的持续矿化[11]。可见，无论是黑麦草根茬还是水稻根茬都可以在还田过程中为土壤提供大量养分。然而，在IRR系统中水稻和黑麦草两类根茬的营养元素如何缓释入土壤，在完整的轮作周期中土壤氮、磷、钾的变化规律尚不清楚。

两类根茬的降解是植物有机残体翻压还田的过程，植物残体中的氮、磷、钾、钙、镁等营养元素的释放势必会对后茬作物生长产生影响，以轮作系统角度研究IRR系统内两类根茬的释放规律、土壤养分的长期动态变化规律，对于理解该系统的土壤培肥机制、水稻根茬以及绿肥作物的科学合理利用具有重要意义。此外，由于两类根茬各自的养分含量以及降解时气候、土壤环境的差别，它们的翻压过程可能具有不同的腐解和养分释放特征。因此，探究两类根茬的还田特点和差异性，将有利于加深对IRR系统在养分利用方面更深层次的理解，对于提高稻田生态系统的资源利用效率、加强稻田养分管理具有积极作用。

1 材料与方法

1.1 试验区概况与试验设计

试验地位于湖南省湘西土家族苗族自治州吉首市花垣县，地理坐标为 109°43′ E，28°51′ N，海拔483.9 m，年均降水量约1 363 mm，蒸发量1 031 mm，年均气温16.0 ℃，年均日照时数近1 200 h，试验期间每次取样时测量一次当日最高与最低气温，计算最高温与最低温的平均值。试验前该样地用作单季水稻种植，冬季空闲，土壤肥力均匀，其中土壤pH 6.27，全氮含量1.21 g·kg-1，有效氮含量137.76 mg·kg-1，全钾含量 12.62 g·kg-1，有效钾含量 59.68 mg·kg-1，全磷含量 0.59 g·kg-1。

2015年10月-2016年4月是黑麦草冬闲轮作期，即水稻根茬降解期。黑麦草播种量22.5 kg·hm-2，稻底撒播，种植期间刈割4次，施用N∶P2O5∶K2O =15∶15∶15复合肥，总施肥量1 200 kg·hm-2，基肥300 kg·hm-2，其余每次刈割后均匀施入。2015年10月将水稻根茬洗净切碎装入尼龙网袋，每袋100 g，分为3组，每组7袋，将3组根茬分别随机覆压于3个位点。黑麦草种植区面积100 m2，覆压深度20-30 cm，各网袋相互未接触且覆压深度一致。试验采用随机采样，每30 d随机取样3袋(每位点1袋)，测量生物量和降解率，持续到2016年4月最后一次取样，即分为7个阶段取样：2015年10月(1-30 d)、11月 (31-60 d)和 12月 (61-90 d)；2016年1月(91-120 d)、2月(121-150 d)、3月(151-180 d)和4月(181-210 d)，共210 d。同时在水稻根茬降解前后采集土壤样品，自然风干待测。

2016年6月-2016年12月是后作水稻栽培期，即黑麦草根茬降解期。在上述轮作黑麦草稻田连续试验，水稻种植前用旋耕机将黑麦草根茬与土壤混匀，泡田10 d后移栽水稻秧苗，水稻株行距为 30 cm × 30 cm，施用 N∶P2O5∶K2O = 15∶15∶15复合肥，总施肥量 675 kg·hm-2，基肥 450 kg·hm-2，分蘖期追肥225 kg·hm-2。2016年6月将黑麦草根茬洗净切碎装入尼龙网袋，每袋100 g，分为3组，每组7袋，将3组根茬分别随机覆压于3个位点。分别埋置在冬闲轮作黑麦草的稻田，覆压深度20-30 cm，各网袋相互未接触且覆压深度一致。试验采用随机采样，每30 d随机取样3袋(每位点1袋)，测量生物量和降解率，持续到2016年12月最后一次取样，即分为7个阶段取样：2016年6月(1-30 d)、7月(31-60 d)、8月(61-90 d)、9月(91-120 d)、10月(121-150 d)、11月(151-180 d)和12月(181-210 d)，共210 d。同时在黑麦草根茬降解后采集稻田土壤样品，自然风干待测。

1.2 指标测定及方法

将待测根茬洗净表面泥土并擦拭干水分，放入烘箱105 ℃杀青40 min，在75 ℃连续烘干直至恒重，称量干重。取一定量上述烘干根茬，进行植物营养元素的测定: 氮(N)采用H2SO4-H2O2-靛酚蓝比色法，磷(P)采用钼锑抗比色法，钾(K)采用H2SO4-H2O2-火焰光度法，钙(Ca)采用EDTA-Na2络合滴定法，镁(Mg)、铁(Fe)采用HNO3-HCLO4消煮法。土壤养分含量的测定：全氮(TN)采用开氏法，有效氮 (AN)采用 10 mol·L-1氢氧化钠、0.01 mol·L-1H2SO4溶液的扩散吸收法，全钾(TK)采用NaOH熔融-原子分光光度计法，有效钾(AK)采用NH4OAc浸提-火焰光度法，全磷(TP)采用NaOH熔融-钼锑抗比色法。测定方法见《土壤农业化学分析方法》[12]。

1.3 数据分析

试验结果使用Excel 2010整理，用平均值 ± 标准误表示测定结果；利用SPSS17.0 统计软件进行单因素方差分析 (one-way ANOVA)、平均数差异显著性分析 (LSD test)、独立样本T检验(Student'sTtest)，用Excel 2010和Origin 8.0作图。

2 结果与分析

2.1 水稻和多花黑麦草根茬生物量降解率

在“稻→草”轮作期间，水稻根茬在1-30 d的降解率(19.12%)显著高于随后月份的降解率(P＜ 0.05)，31-210 d的降解率仅在4.18%～12.79%(图1)。水稻根茬的降解率随气温的变化呈先下降后增加的趋势，其中1-30 d、31-60 d和61-90 d的降解率逐步递减，而91-210 d的降解率随着气温的回升逐步增加。与水稻类似，黑麦草1-30 d的降解率也显著(P＜ 0.05)高于随后阶段的降解率，之后呈现下降趋势。与水稻不同的是，黑麦草根茬的降解率在1-30 d达到了36.62%，1-60 d的干物质累积降解率达到46.62%，之后150 d的降解率在1.84%～12.48%(图1)，由此可知黑麦草的干物质主要集中在1-60 d降解。两类根茬经过各自210 d的降解，养分并未完全释放还田，但水稻根茬和黑麦草的降解规律存在明显差异，水稻根茬干物质的降解周期要长于黑麦草，但由于水稻根茬降解时气温经历降温-升温过程，而黑麦草根茬降解时气温经历升温-降温过程，因而造成了两类根茬的不同降解趋势。

图1 水稻和黑麦草根茬在“稻→草”轮作期间降解率及平均温度动态变化Figure 1 Dynamic change of degradation rate and average temperature of rice and Italian ryegrass stubble during “rice-grass” rotation

2.2 水稻和多花黑麦草根茬中氮、磷、钾、钙、镁、铁的释放动态

黑麦草根茬中营养元素的释放主要集中在1-30 d，其中氮释放率最高，达67.19%，其次是磷，达51.20%，再次是钾，达49.35%，而钙释放最低，仅为35.12%。水稻根茬在1-30 d释放率差异较大，其中钙释放率最高，达60.76%，铁释放率最低，仅为31.29%。降解的1-60 d，两类根茬的释放率差异显著，其中黑麦草根茬中的氮释放率(1-30 d：P＜ 0.001；31-60 d：P＜ 0.05)、磷释放率 (31-60 d：P＜ 0.001)、钾释放率 (1-30 d：P＜ 0.001；31-60：P＜ 0.01)以及铁释放率 (1-30 d：P＜ 0.01；31-60 d：P＜ 0.01)均显著高于水稻根茬，表明黑麦草根茬在降解初期主要营养元素的释放具有更高的效率(图2)。然而，黑麦草根茬中的钙(1-30 d：P＜ 0.01)和镁(31-60 d：P＜ 0.05)的释放率却显著低于水稻根茬。

2.3 水稻和多花黑麦草根茬大田降解缓释过程对土壤氮、磷、钾含量的影响

土壤氮、磷、钾含量分别在降解前、水稻以及黑麦草根茬降解后的变化(图3)显示，土壤全氮含量在水稻根茬降解后、黑麦草根茬降解后均有所增加，并呈现极显著差异(P＜ 0.01)。两类根茬的降解使土壤有效氮含量略有增加，但未呈现显著性差异(P＞ 0.05)。土壤全钾含量在水稻根茬降解后显著增加，但整体看420 d的降解并未发现全钾含量呈现显著性差异(P＞ 0.05)。黑麦草根茬的降解使土壤有效钾含量有所提高，但降解前后差异不显著(P＞ 0.05)。在整个降解周期中，土壤全磷含量在水稻、黑麦草根茬降解后均有所降低，但降解前后未出现显著性差异(P＞ 0.05)。

3 讨论与结论

Boyero等[13]发现低地溪流环境下，温度解释了40%的微生物对落叶等有机物的分解作用，这是由于通过温度的变化可以增加微生物生物量以及土壤酶活性。本研究也发现，两类根茬的降解与环境温度密切相关，结果表明水稻根茬的降解率呈现先下降后增加的趋势，在降解的前90 d，气温短期内急剧下降，与此同时水稻根茬的降解率也显著降低(P＜ 0.05)。然而经过低温之后，气温在降解90 d后快速回升，此时水稻根茬的降解率逐渐提高。黑麦草根茬在1-60 d内累积降解率显著高于其他降解阶段(P＜ 0.05)，造成了60 d后根茬与土壤接触的相对表面积较低，减缓了黑麦草根茬的降解。此外，由于黑麦草的降解起始于温度适宜的6-7月(1-60 d)，而60 d后随着最高温度连续超过36 ℃，许多土壤微生物和土壤酶活性被抑制，影响黑麦草根茬在61-90 d的降解率显著降低(P＜ 0.05)，由此推测气温会对根茬的降解产生重要影响。大田环境下，温度并非对腐解造成影响的唯一环境因素，短期降水量和土壤湿度等同样会对两类根茬的腐解产生影响。水稻根茬的降解处于黑麦草的轮作期间，此时土壤较为干旱，含水量较低，水稻根茬的降解率也低于相同降解时间的黑麦草根茬；而湘西的降水主要集中在每年的3-5月，此时处于水稻根茬降解的151-210 d，气温的回升和降水量的增加均会对降解率的提高产生影响。在黑麦草根茬的降解中，由于稻田泡田的影响，此时土壤的含水量较高，这也可能是影响黑麦草根茬不同时期降解率差异的原因之一。

图2 水稻和多花黑麦草根茬中氮、磷、钾、钙、镁、铁释放动态Figure 2 Difference analysis of the release rates of nitrogen, phosphorus, potassium, calcium, magnesium,and iron in rice and Italian ryegrass stubble

图3 水稻和多花黑麦草根茬降解之后土壤氮、磷、钾含量变化Figure 3 Soil nitrogen, phosphorus, and potassium contents after degradation of rice and Italian ryegrass stubble

水稻根茬在1-30 d内的降解率低于黑麦草，正如李逢雨等[14]发现油菜(Brassica napus)秆等作物残茬在降解过程中，在维管形成层、韧皮组织、表皮等组织结构完全脱落损伤后，植物残茬养分才能进入快速释放期，而水稻韧皮组织、表皮等组织结构与油菜相似，因此水稻根茬的降解周期更加漫长，养分释放也更加缓慢。此外，冬闲期间经过黑麦草的轮作，稻田土壤总孔隙度和非毛管孔隙度显著提高，而土壤容重显著降低[15]，降幅达5.1%以上[16]，稻田土壤结构的改善使土壤变得更为透气、保温，因而促进了微生物的活动，提高了植物残茬降解率[17]。因此，黑麦草轮作后的土壤也有利于有机残留物的降解。本研究发现水稻和黑麦草的营养元素释放率差异显著，黑麦草中的氮、磷、钾必需营养元素前1-60 d的释放率显著高于水稻根茬(P＜ 0.05)，而水稻根茬的钙、镁主要营养元素的释放率显著高于黑麦草(P＜ 0.05)，这可能是与降解前期生物量的降解速率有关，黑麦草在第1个月的氮、磷、钾释放率分别超过70%、50%和40%，这对于后作水稻在分蘖期这一关键营养期的生长至关重要。先前的研究表明钾的释放速率要高于氮、磷，这是由于钾在植物中的储存形式是以K+形态储存于植物组织内，能够在水浸提的作用下快速释放[18]，但在本研究中钾的释放却存在一个更加缓慢的释放周期，而且降解率低于氮、磷，推测是由于钾元素在植物残体器官中的分布差异导致的。

作物根茬还田的一个重要优势在于它的固碳作用，通常将根茬还田能够显著提高土壤的固碳量[19]。洪春来等[20]的研究表明，连续两年水稻秸秆及根茬还田，使土壤有机质含量由试验前的42.3 g·kg-1提高至43.8～45.3 g·kg-1。而且水稻根茬还田不仅能够增加土壤有机质，同时由于植物体丰富的养分含量够弥补氮肥、磷肥、钾肥投入的不足[21-22]，而且能够减少焚烧过程对大气环境的污染，变废为宝，具有良好的生态和社会效益[23]。对多个水稻根茬还田的样点分析后发现，经过一年的腐熟，稻田土壤全氮、全磷、全钾含量均有增加[23]，本研究与之结果类似，水稻根茬提高了土壤全氮、全钾含量，这是因为在土壤中添加水稻根茬后，植物根茬的降解能够为土壤微生物提供丰富的可利用矿质氮，如硝态氮和铵态氮等[24]，并反过来加速了生物降解和养分释放，进而改变了土壤氮水平。同时本研究发现，添加黑麦草根茬后土壤全氮、有效氮、有效钾含量增加，这是因为黑麦草根茬中的多种植物必需营养元素能够通过缓释作用进入大田，并对土壤氮含量产生显著的影响。研究表明黑麦草根茬经过腐熟释放出的养分会更容易被后作水稻利用[25]，这对提高作物养分利用效率具有极为重要的意义[4]。此外，黑麦草根茬降解后的次生代谢产物会对后作水稻产生某种化感作用[26]；黎国喜等[27-28]在根茬降解物中分离出一些小分子有机物，能够促水稻器官发育，因而这些根茬降解中产生的潜在小分子有机物可能也是诱导土壤化学性质改善的关键。

综上所述，在IRR系统轮作中两类根茬由于各自的结构特点，具有不同的养分释放特征，水稻根茬的缓释效果明显，尤其对于钙、镁等营养元素的释放；而黑麦草根茬的释放优势主要体现在植物氮、磷、钾方面，并为水稻分蘖期的生长提供了大量必需营养元素。因此，黑麦草根茬的降解和养分释放在时间、空间上既是对水稻根茬缓释效果的补充，又有利于IRR系统冬季轮作后养分的持续供应，在IRR系统土壤培肥过程中尤其是土壤氮、钾含量的提高上发挥了极为重要的作用。此外，两类根茬的降解是通过影响微生物活动和土壤酶活性完成的，极端的水、温环境不利于微生物生长，所以针对两类根茬养分释放特点的研究，今后仍需要在不同含水量和温度条件下，对微生物群落参与降解的过程与机理开展进一步的研究。