不同还田方式下2种夏季绿肥的腐解特性

2020-08-28李忠义韦彩会何铁光董文斌蒙炎成唐红琴

西南农业学报 2020年7期

李忠义，韦彩会，何铁光，董文斌，蒙炎成，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)

【研究意义】绿肥是我国传统农业的精华，是生态农业的重要组成部分，作为一种清洁的有机肥源，具有培肥地力、保持水土、改善生态环境和提高作物品质的作用。在20世纪70年代，全国绿肥播种面积达1.3×107hm2/年，但随着化肥的推广应用，至20世纪80年代绿肥种植面积迅速滑坡[1]。近年来，种植业结构调整、农业面源污染削减、农田生态改善、耕地用养结合及农产品提质增效等是我国农业的主要战略性任务，而绿肥在这些任务中具有独特有效的作用[2]。猫豆(Mucunapruriens)又名狗爪豆，属豆科黎豆属一年生草质藤本植物，可菜用和药用；赤小豆(Vignaumbellata)又名饭豆，属豆科豇豆属一年生直立型草本植物，可粮用。2种作物繁茂性好，覆盖性强，刈割后可作为绿肥还田于果园和茶园改良土壤及活化土壤磷素[3-4]。我国绿肥种质资源丰富，按植物学可分为豆科绿肥和非豆科绿肥，按生长季节可分为夏季绿肥和冬季绿肥，按生态环境可分为旱地绿肥、稻底绿肥和水生绿肥[5]。但不同种类绿肥在不同农区的生育特性和生产能力存在较大差别。因此，了解夏季绿肥作物的腐解规律和养分释放动态特征，因地制宜地种植和利用绿肥，对绿肥资源的合理利用和农田养分管理及促进耕地保持健康的生产能力具有重要意义。【前人研究进展】前人利用尼龙网袋法、同位素标记法、红外光谱法和13C核磁共振法等手段掌握了绿肥作物的腐解方法[6]，并明确了南方冬季主要豆科绿肥(紫云英、苕子、箭筈豌豆和山黧豆)[7-10]、十字花科绿肥(油菜、二月兰和肥田萝卜)[11-13]、禾本科绿肥(黑麦草和鼠茅草)[14-15]的腐解规律和养分释放特征，为绿肥应用和土壤改良提供了参考技术。司鹏等[16]开展18种果园豆科绿肥作物微量元素含量分析研究，结果发现猫豆对果园土壤微量元素的补充能力最强。温明霞等[17]研究表明，椪柑果园间种夏季绿肥(赤小豆、豇豆、大豆和绿豆)可提高土壤肥力，降低土壤温度，保持土壤养分，其中间种赤小豆的综合效应最佳。【本研究切入点】近年来，广西主推的绿肥品种以紫云英、苕子、肥田萝卜、油菜和黑麦草为主[18]，且均为冬季绿肥，其适宜生长期为10月至次年4月，进入夏季后缺乏填补夏季闲田和果园行间空地的绿肥品种。猫豆和赤小豆作为夏季绿肥已在夏闲田和果园行间空地应用，但目前针对其还田腐解特性的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】采用网袋法模拟猫豆和赤小豆在免耕覆盖还田和翻压还田方式下的腐解情况，分析其腐解规律和养分释放动态特征，为绿肥资源的合理利用和农田养分管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试绿肥作物为猫豆和赤小豆，种质资源来源于广西农业科学院农业资源与环境研究所。在其生长期取地上部样品200 g，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。试验地土壤为赤红壤，土壤基本理化性质为：pH 6.1，有机质含量1.41 %，全氮含量0.12 %，全磷含量0.09 %，全钾含量0.75 %。腐解期内的降雨和气温情况见图1。

图1 绿肥腐解期内的降雨和气温状况Fig.1 Rainfall and temperature conditions during decomposition experiment of green manure

表1 绿肥作物地上部初始养分含量

1.2 试验设计

试验于2018年7月20日至2018年10月28日在广西农业科学院武鸣里建基地进行。设免耕覆盖还田和翻压还田2种还田方式，每种还田方式均设3个重复。免耕覆盖还田方式是将网袋平铺在地表，翻压还田方式是将尼龙袋埋至土壤下15 cm。猫豆还田方式设M1(免耕覆盖还田)和M2(翻压还田)处理；赤小豆还田方式设V1(免耕覆盖还田)和V2(翻压还田)处理。分别在还田后0(腐解前)、20、40、60、80和100 d取样。取样后去除网袋表面泥土和杂物，将网袋中剩余的绿肥残体取出，烘干后称重，磨碎备用。

1.3 测定指标及方法

参照鲍士旦[19]的方法采用重铬酸钾容量法—外加热法测定样品全碳含量；样品经浓硫酸—双氧水消煮后，用凯氏定氮法测定全氮含量；采用比色法测定全磷含量；采用火焰光度计法测定全钾含量；计算腐解特征指标。

干物质累积腐解率(%)=(腐解前干物质总量-腐解n天的干物质总量)/腐解前干物质总量×100

干物质平均腐解速率(mg/d)=单位时间累腐

解量/单位时间

养分累积释放率(%)=(腐解前养分总量-腐解n天的养分总量)/腐解前养分总量×100

养分平均释放速率(mg/d)=单位时间养分释放量/单位时间

式中，n为腐解天数。

采用一级动力学方程拟合绿肥干物质腐解特征，计算公式为Y=a(1-e-bt)，式中，Y为绿肥干物质腐解特征，a和b分别代表绿肥腐解的最大值和腐解速率[20]，t代表试验开始后的腐解天数，e为自然常数，其值约为2.718。

1.4 统计分析

试验数据采用Excel 2007进行处理并作图，以DPS 9.05进行差异显著性分析，以Origin 9.0进行一级动力学方程拟合。

2 结果与分析

2.1 猫豆和赤小豆干物质的腐解特征

由表2可知，在免耕覆盖还田和翻压还田方式下猫豆和赤小豆干物质的腐解过程均分为快速腐解期和缓慢腐解期两个阶段。其中，在还田的0～20 d，在免耕覆盖还田和翻压还田方式下猫豆和赤小豆均快速腐解，尤其在还田20 d时，M1和V1处理的累积腐解率均由腐解前的0分别快速增长至29.69 %和26.76 %，平均腐解速率分别为60.75和49.45 mg/d，M2和V2处理的累积腐解率均由腐解前的0分别快速增长为54.94 %和51.01 %，平均腐解速率分别为112.40和94.27 mg/d；在还田的20～100 d，在免耕覆盖还田和翻压还田方式下猫豆和赤小豆的腐解速度均趋于平缓，至还田100 d时M1和V1处理的腐解率分别为40.11 %和37.25 %，平均腐解速率分别为3.88和5.50 mg/d，而M2和V2处理的腐解率分别为70.71 %和66.87 %，平均腐解速率分别为6.95和8.80 mg/d。方差分析结果表明，在还田的20～100 d，M1、V1、M2和V2处理干物质的平均腐解速率均显著低于还田前20 d的评价腐解速率(P<0.05，下同)。

采用一级动力学方程对两个绿肥品种的干物质量腐解特征进行拟合，结果表明，M1处理的一级动力学方程拟合为M1=37.2(1-e-0.068x)，R2=0.981(P<0.01)；M2处理的一级动力学方程拟合为M2=66.44(1-e-0.079x)，R2=0.984(P<0.01)；V1处理的一级动力学方程拟合为V1=34.19(1-e-0.065x)，R2=0.972(P<0.01)；V2处理的一级动力学方程拟合为V2=62.21(1-e-0.078x)，R2=0.985(P<0.01)。

综上所述，猫豆和赤小豆还田后其干物质累积腐解率和平均腐解速率表现为猫豆翻压还田>赤小豆翻压还田>猫豆免耕覆盖还田>赤小豆免耕覆盖还田；在相同还田方式下绿肥的干物质累积腐解率和平均腐解速率表现为猫豆>赤小豆；在不同还田方式下绿肥干物质累积腐解率和平均腐解速率表现为翻压还田>免耕覆盖还田。

2.2 猫豆和赤小豆碳养分的释放特征

由表2可知，在免耕覆盖还田和翻压还田方式下猫豆和赤小豆的碳养分累积释放率随翻压时间的延长而提高，在翻压还田方式下的前20 d，M2和V2处理的碳养分累积释放率最高，至还田20 d时分别达46.03 %和41.42 %，在还田的20～100 d呈持续上升趋势，至还田100 d时分别达65.24 %和60.06 %；在免耕覆盖还田方式下M1和V1处理的碳养分累积释放率在还田20 d时分别为6.33 %和4.32 %，在还田的20～100 d呈持续升高趋势，至还田100 d时分别为20.44 %和17.66 %。从表2可看出，在免耕覆盖还田和翻压还田方式下猫豆和赤小豆的碳养分释放速率随翻压时间的延长而减缓，在还田的0～20 d，翻压还田方式下M2和V2处理的碳养分释放速率最快，分别为6.63和6.22 mg/d；在免耕覆盖方式下M1和V1处理的碳养分释放速率分别为2.99和2.78 mg/d；在还田的20～100 d，翻压还田方式和免耕覆盖还田方式下猫豆和赤小豆碳养分的释放速率均趋于平缓。方差分析结果表明，在还田的20～100 d，M1、V1、M2和V2处理碳养分的释放速率显著慢于还田的前20 d。可见，在相同还田方式下绿肥作物碳养分累积腐解率和释放

表2 猫豆和赤小豆还田后的干物质腐解和养分释放情况

速率基本表现为猫豆>赤小豆，在不同还田方式下绿肥作物碳养分累积释放率和释放速率基本表现为翻压还田>免耕覆盖还田。

2.3 猫豆和赤小豆氮养分的释放特征

由表2可知，在免耕覆盖还田和翻压还田方式下猫豆和赤小豆的氮养分累积释放率随翻压时间的延长而提高；在翻压还田方式下的前20 d，M2和V2处理的氮养分释放率最高，至还田20 d时分别达40.37 %和37.29 %，在还田的20～100 d呈持续上升趋势，至还田100 d时分别达63.78 %和58.88 %；在免耕覆盖还田方式下M1和V1处理的氮养分累积释放率在还田20 d时分别为4.71 %和3.55 %，在还田的20～100 d呈缓慢升高趋势，至还田100 d时分别为15.64 %和13.33 %。从表2可以看出，在免耕覆盖还田和翻压还田方式下猫豆和赤小豆的氮养分释放速率随翻压时间的延长而减缓，在还田的0～20 d，翻压还田方式下M2和V2处理的氮养分释放速率最快，分别为4.34和3.87 mg/d；在免耕覆盖还田方式下M1和V1处理的氮养分释放速率分别为1.97和1.75 mg/d；在还田的20～100 d，翻压还田方式和免耕覆盖方式下猫豆和赤小豆的氮养分释放速率趋于平缓。方差分析结果表明，在还田的20～100 d，M1、V1、M2和V2处理的氮养分释放速率显著慢于还田的前20 d。可见，在相同还田方式下绿肥作物氮养分累积释放率和释放速率基本表现为猫豆>赤小豆，在不同还田方式下绿肥作物氮养分累积释放率和释放速率基本表现为翻压还田>免耕覆盖还田。

2.4 猫豆和赤小豆磷养分的释放特征

由表2可知，在免耕覆盖还田和翻压还田方式下猫豆和赤小豆的磷养分累积释放率随翻压时间的延长而提高，在翻压还田方式下的前20 d，M2和V2处理的磷养分释放率最高，至还田20 d时分别达75.24 %和70.33 %，在还田的20～100 d呈缓慢升高趋势，至还田100 d时分别达84.36 %和79.56 %；在免耕覆盖还田方式下M1和V1处理的磷养分累积释放率在还田20 d时分别为9.45 %和6.44 %，在还田的20～100 d呈持续升高趋势，至还田100 d时分别为45.28 %和40.33 %。从表2还可看出，在免耕覆盖还田和翻压还田方式下猫豆和赤小豆的磷养分释放速率随翻压时间的延长而减缓，在还田0～20 d时，翻压还田方式下M2和V2处理的磷养分释放速率最快，分别为0.56和0.53 mg/d；在免耕覆盖还田方式下M1和V1处理的磷养分释放速率分别为0.23和0.21 mg/d；在还田的20～100 d翻压还田方式和免耕覆盖方式下猫豆和赤小豆的磷养分释放速率趋于平缓。方差分析结果表明，在还田的20～100 d，M1、V1、M2和V2处理的磷养分释放速率显著慢于还田的前20 d。可见，在相同还田方式下绿肥作物的磷养分累积释放率和释放速率基本表现为猫豆>赤小豆，在不同还田方式下绿肥作物的磷养分累积释放率和释放速率基本表现为翻压还田>免耕覆盖还田。

2.5 猫豆和赤小豆钾养分的释放特征

由表2可知，在还田的0～20 d，在免耕覆盖还田和翻压还田方式下猫豆和赤小豆的钾养分累积释放率均最高，在还田的20～100 d呈缓慢升高趋势；在翻压还田方式下M2和V2处理的钾养分累积释放率在还田20 d时分别达84.85 %和80.86 %，至还田100 d时分别达92.48 %和88.20 %；在免耕覆盖还田方式下M1和V1处理的钾养分累积释放率在还田20 d时分别达70.36 %和67.34 %，至还田100 d时分别达83.49 %和79.49 %。从表2还可看出，在免耕覆盖还田和翻压还田方式下猫豆和赤小豆的钾养分释放速率随翻压时间的延长而减缓，在还田0～20 d时，翻压还田方式下M2和V2处理的钾养分释放速率最快，分别为5.86和5.29 mg/d；在免耕覆盖还田方式下M1和V1处理的钾养分释放速率分别为4.98和4.47 mg/d；在还田的20～100 d翻压还田方式和免耕覆盖方式下猫豆和赤小豆的钾养分释放速率趋于平缓。方差分析结果表明，在还田的20～100 d，M1、V1、M2和V2处理的钾养分释放速率显著慢于还田的前20 d。可见，在相同还田方式下绿肥作物的钾养分累积释放率和释放速率基本表现为猫豆>赤小豆，在不同还田方式下绿肥作物钾养分累积释放率和释放速率基本表现为翻压还田>免耕覆盖还田。

2.6 猫豆和赤小豆碳与各养分比例的变化特征

从图2可看出，在相同还田方式下，绿肥还田后整个腐解过程中猫豆和赤小豆残体的碳氮比(C/N)、碳磷比(N/P)和碳钾比(C/K)的变化规律相似；在免耕覆盖还田方式下，M1和V1处理在还田0～100 d时碳氮比基本呈持续下降趋势，整个腐解过程中碳氮比范围分别为13.95～14.79和14.86～15.64；在翻压还田方式下，M2和V2处理的碳氮比均表现为先降低后升高的变化趋势，整个腐解过程中碳氮比范围分别为13.39～14.79和14.44～15.64(图2-A)；在免耕覆盖还田方式下，M1和V1处理在还田0～100 d时碳磷比基本呈持续上升趋势，整个腐解过程中碳磷比范围分别为129.74～203.15和137.67～189.98；在翻压还田方式下，M2和V2处理的碳磷比在还田的0～20 d迅速上升后趋于平缓，整个腐解过程中碳磷比范围分别为139.74～310.81和137.67～268.91(图2-B)；在免耕覆盖还田和翻压还田方式下，各处理在还田0～20 d时碳钾比迅速上升后逐渐平缓，整个腐解过程中碳钾比范围M1为13.97～67.32，M2为13.97～64.56，V1为14.59～58.60，V2为14.59～49.38(图2-C)。

图2 猫豆和赤小豆还田后腐解过程中碳氮比(A)、碳磷比(B)和碳钾比(C)的动态变化Fig.2 Dynamic changes of carbon-to-nitrogen ratio(A)，carbon-to-phosphorus ratio(B) and carbon-to-potassium ratio(C) of M.pruriens and V.umbellata after returning to the field

3 讨论

研究绿肥残体分解特征和养分释放规律，对了解土壤有机质的演变及指导土壤培肥具有重要意义。不同品种绿肥作物翻压还田后，其腐解过程受土壤环境和气候条件影响一般包括快速腐解期和缓慢腐解期[21-24]，绿肥作物翻压还田前期腐解快，后期腐解慢，其原因可能是在翻压前期绿肥植株新鲜多汁，可溶性有机物及无机养分较多，可为微生物提供大量的碳源等养分，致使微生物数量增加，活性增强；在翻压后期随着腐解的进行，植株中的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，腐解也随之变慢[6，25-26]。本研究结果与上述研究结果相似，猫豆在免耕覆盖还田和翻压还田方式下，前20 d的累积腐解率分别为29.69 %和54.94 %，赤小豆在免耕覆盖还田和翻压还田方式下，前20 d的累积腐解率分别为26.76 %和51.01 %，尤其是翻压还田方式下，猫豆和赤小豆茎秆腐解明显更快，其养分爆发式释放，可为后茬作物生长提供良好的营养环境，从而减少化肥施用量。本研究两个绿肥品种还田前期气温和降水量稍高，后期呈逐渐降低趋势，在一定程度上也影响猫豆和赤小豆的腐解速度。

不同的还田方式也影响绿肥的腐解速率，明确绿肥最佳的还田方式对合理利用绿肥起着积极作用。绿肥腐解及养分释放需要一系列微生物参与，而温度、水分等环境因素通过影响微生物活动间接影响绿肥腐解。在免耕覆盖还田方式下，秸秆暴露在空气中，缺乏与土壤和水分充分接触，土壤酶和微生物活性较弱，秸秆腐解较慢[27]。匡恩俊等[28]研究发现，不同还田方式下玉米和大豆秸秆的腐解特征表现为土埋处理>露天处理。王允青等[29]研究表明，小麦和油菜秸秆腐烂速度表现为土埋处理>露天处理，而氮、磷和钾养分的释放速率均为露天处理>土埋处理。本研究中猫豆和赤小豆在免耕覆盖还田和翻压还田方式下干物质的累积腐解率和腐解速率及碳、氮、磷和钾养分的累积释放率和释放速率也表现为翻压还田>免耕覆盖还田，可能与翻压还田土壤中好氧微生物数量多、活性强有关。

绿肥翻压还田后其植株氮、磷和钾养分的释放会对后茬作物生长产生影响，明确其翻压后养分的释放规律对科学合理利用绿肥作物具有重要意义。潘福霞等[9]、李逢雨等[30]、黄菲等[31]、吕鹏超等[32]、刘炎红等[33]研究发现，植物秸秆还田后其养分释放速率表现为钾>磷>氮；邹雨坤等[34-35]、武际等[36]研究表明，作物秸秆腐解过程中养分释放速率表现为钾>磷>氮≈碳；吴珊眉等[37]研究显示，养分矿化速率存在差异，主要原因是茎秆中钾元素以K+存在于细胞中或植物组织内，很容易被水浸提而快速释放，磷、氮和碳等则以难分解的有机态为主，在物理作用下分解释放较慢。本研究结果与上述研究结果相似，在免耕覆盖还田和翻压还田方式下猫豆和赤小豆的钾养分释放量较大且速度快，其次是磷、碳和氮。因此，在种植后茬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，合理配施磷肥和氮肥。

碳氮比是控制有机物料腐解和养分释放的重要因素之一，秸秆中初始碳氮比通常可作为预测秸秆降解动态的重要指标[38-39]。当碳氮比小于25∶1时微生物不再利用土壤中的有效氮，有机物能较完全地被分解并释放出矿质态氮[40]。Pereira等[41]研究多种豆科绿肥的腐解动态指出，菽麻还田分解最慢，与其高碳氮比有关，而刀豆还田分解最快，与其低碳氮比有关。本研究中猫豆和赤小豆还田时的初始碳氮比分别为14.79和15.64，且腐解过程中碳氮比均表现为猫豆小于赤小豆，与上述研究结果一致，而碳磷比和碳钾比在腐解过程中总体上呈上升趋势，与潘福霞等[9]的研究结果相似。至于更有利于猫豆和赤小豆还田腐解的碳磷比和碳钾比适宜范围尚需进一步探究。