北方城市12种常见树木落花分解及其养分释放特征

马 勇,范晓慧, 刘增文,2,*,朱 凡,林媛媛

1 西北农林科技大学资源环境学院, 杨凌 712100

2 农业部西北植物营养与农业环境重点实验室, 杨凌 712100

随着绿色发展理念的普及,城市园林绿化产生的枯落物量日益增大,除了少量直接就地归还土壤得到自然循环利用之外,其他大量枯落物被当作垃圾通过填埋或焚烧处理,这样不仅会污染地下水和大气,也会造成资源的极大浪费。因此,如何最大限度地有效利用城市绿化枯落物已成为一个新的课题。

其实,树木落花较之落叶含有更为丰富的养分物质,是直接还田作为施肥材料和制备生物质有机肥的极好资源。如新疆科研人员通过筛选出8种能够高效分解木质纤维素的微生物菌株,并大力研发绿化垃圾粉碎物堆制腐化的微生物发酵技术,最终研制出一种可让落花和枯枝败叶快速变为肥料的“变废为宝”的技术[1]；张玉山等[2]利用落花落叶进行堆肥发酵,制成土壤改良剂并发现其对土壤具有较好的改良效果。此外,大量研究表明落花落叶不仅可用于制作生物质燃料[3],还可以通过堆肥用作有机覆盖物[4]、栽培基质[5-6]等。目前关于植物枯落物分解的研究主要集中在落叶方面,而很少关注落花。大量研究表明,在环境条件一致时,枯落物分解及其养分释放主要由其初始物质组成来调控,其中木质素和N含量是影响枯落物分解速率的最重要因素[7-8]。刘佳楠等[9]对柠条锦鸡儿枯落物分解及其养分释放特征研究发现,枯落物分解率的增加趋势受分解时间和网孔大小的影响。刘增文等[10]对枯落物分解研究方法与模型进行了对比评析,Singh等[11]对凋落物的分解及养分释放模式也做过若干报道,但由于研究年限与研究对象的不同,所得结论不能直接外推。鉴于此,本试验选择北方城市中12种常见绿化树种落花为研究对象,对落花的物质组成、分解速率及其养分释放特性等进行了研究,旨在为落花作为施肥材料和制备生物质有机肥等农业再利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集与处理

于2018年3—5月和9月在陕西省杨凌城区采集了樱花(Cerasussp.)、海棠(Malusspectabilis)、白玉兰(Magnoliadenudata)、紫玉兰(Magnolialiliflora)、桃(Amygdaluspersica)、红叶李(PrunuscerasiferaⅠ)、紫叶李(PrunuscerasiferaⅡ)、含笑(Micheliafigo)、紫荆(Cercischinensis)、杏梅(Prunusmume)、银杏(Ginkgobiloba)和栾树(Koelreuteriapaniculate)等12种树种当年凋落的落花,选择除去杂物和腐烂的落花,迅速漂洗后在65℃下烘干并保存备用。同时在具有代表性的农田采集表层(0—10 cm)土壤,清除根系、石块等杂物,直接以鲜土过5 mm土壤筛后充分混合,适当风干(以便于试验过程中控制水分)备用。

1.2 落花分解试验

试验在西北农林科技大学校内实验室进行。将保存的树木落花用感量0.01 g的电子天平精确称取7.00 g后置入规格为14 cm×20 cm,网眼孔径0.5 mm的尼龙网袋中并用尼龙线封口,这种网袋既能够避免分解袋中分解残体的非分解损失,也能保证分解作用不限制。分别称取3.00 kg的制备好的过筛土壤,装入20 cm×40 cm×20 cm规格的塑料培养钵中。将装有每种落花的分解袋5袋呈45度倾斜状等间距均匀埋入土壤(分解介质)内,保证落花分解袋四周与土壤充分接触。每种处理重复5次(即5个培养钵,每钵5袋)。

埋设完毕后,使用喷壶均匀加水调节土壤湿度至田间饱和持水量的50%(预先测定土壤田间饱和持水量),在钵口覆保鲜膜以减缓水分散失,并留孔径1.5 cm通气孔4个以满足土壤微生物呼吸需要。分解过程中,每隔一周称量培养钵质量,根据失水情况用喷壶均匀补水,保持分解过程中土壤湿度维持一致。根据上述方法,在室温(20—25℃)恒湿下培养落花91 d终止。

于分解进行第14、28、49、70 天和91 天时进行回收,在每个处理的5个培养钵内分别随机回收1袋作为重复。将回收的落花分解残余物置于0.15 mm土壤筛中迅速漂洗除去表面的土壤、菌丝体等杂物,置于65℃下烘干后精确称量残余物干重,每次称重后的同种落花样品混合保存,用于测定其物质组成和养分含量。

1.3 样品测定

落花中木质素含量采用酸性洗涤法测定；N及粗蛋白含量用浓硫酸与过氧化氢进行消煮,用凯氏定氮法进行测定；使用紫外分光光度计测定P含量；使用火焰光度法测定K含量；将分解残余物经马弗炉灰化并使用1 mol/L HCl溶解后,使用原子吸收分光光度计测定落花中Cu、Zn、Fe和Mn元素含量。以上落花样品均3次重复,测定结果取其平均值。

1.4 数据处理

根据分解过程中不同时间段落花质量的变化,首先应用Excel 2010进行数据处理,再根据修正Olson衰减指数模型R=X/X0=ae-kt对落花分解和养分(N、P和K)释放动态进行拟合[12],式中,R为落花或落花中N、P和K残留率；X0、X分别为初始和分解t(a)后的落花或其中N、P和K残留量；a为修正参数；k为分解(养分释放)速率常数；t为分解时间。由模型可知,当t取1a时,得落花平均年分解率或其中N、P和K年释放率d=1-ae-k和周转期T=1/d。所有数据均在SPSS 20.0统计分析软件中完成。对不同树种落花各指标间的差异进行单因素方差(one-way ANOVA)分析,多重比较采用最小显著差异法(LSD)(α=0.05)。采用 Pearson 相关系数法分析落花年分解率和初始基质质量之间的相关性。采用Sigmaplot 14.0作图。

2 结果与分析

2.1 落花初始物质组成及养分含量特征

12种树木落花初始养分含量(粗蛋白、木质素、N、P、K、Cu、Zn、Fe和Mn)存在较大差异(表1)。不同落花粗蛋白含量介于91.69—274.94 mg/g之间,白玉兰和桃花粗蛋白含量(251.44—274.94 mg/g)显著高于其他落花(P<0.05),银杏和含笑落花粗蛋白含量(91.69—97.88 mg/g)却显著低于其他落花(P<0.05)。12种落花的木质素含量介于19.36—49.95 μg/g之间,其中银杏和紫荆落花木质素含量(47.35—49.95 μg/g)显著高于其他落花(P<0.5),而杏梅和桃花木质素含量(19.36—21.96 μg/g)显著低于其他落花(P<0.5)。

营养元素中,桃花和白玉兰落花N含量(40.23—43.99 mg/g)显著高于其他落花(P<0.05),而含笑和银杏落花N含量(14.67—15.66 mg/g)显著低于其他落花(P<0.05)。桃花和白玉兰落花P含量(1.37—1.58 mg/g)显著高于其他落花(P<0.5),其次为紫叶李落花(0.64 mg/g),樱花、海棠、紫玉兰、红叶李、含笑、紫荆、杏梅、银杏和栾树等9种落花P含量(0.09—0.32 mg/g)显著低于其他落花(P<0.5),且它们P含量间差异不显著(P>0.05)。红叶李、紫叶李和白玉兰落花K含量(4.53—4.72 mg/g)显著高于其他落花(P<0.5),而紫荆落花K含量(1.11 mg/g)显著低于其他落花(P<0.5)。

微量元素中,白玉兰落花Cu含量(22.74 μg/g)显著高于其他落花(P<0.05),紫荆、含笑、银杏、紫玉兰、栾树和红叶李落花Cu含量(3.03—7.91 μg/g)显著低于其他落花(P<0.05),且它们Cu含量间差异不显著。Zn含量以紫叶李落花中较高(249.06 μg/g),其次为银杏、白玉兰和海棠落花(74.34—91.21 μg/g),而樱花、含笑、杏梅、红叶李、紫玉兰、桃花、栾树和紫荆落花Zn含量(21.03—58.87 μg/g)显著低于其他落花(P<0.5)。紫荆、樱花、紫叶李、杏梅、海棠和桃花Fe含量(85.81—118.34 μg/g)显著高于其他落花(P<0.5),且它们Fe含量间差异不显著。杏梅、樱花、桃花和海棠落花Mn含量(24.09—25.71 μg/g)显著高于其他落花(P<0.5),而含笑、栾树、白玉兰落花Mn含量(4.76—6.08 μg/g)却显著低于其他落花(P<0.5)。

综上可见,白玉兰落花的粗蛋白、N、P、K和Cu等养分含量较高,桃花的粗蛋白、N、P、Fe和Mn等养分含量较高,紫叶李落花的K、Zn和Fe含量较高(表1)。

表1 落花初始养分含量

2.2 落花分解速率及其分解动态

依据每次的残留率数据,采用修正Olson衰减指数模型拟合12种落花的分解速率曲线,得到分解常数k并估算出各落花的平均年分解率d和周转期T。根据分解试验结果(表2),在完全相同的环境条件下,除了银杏落花分解稍慢(周转期1.12 a)其他落花分解均较快(周转期1.00—1.05 a)。

表2 不同落花的分解速率

落花干重残留率是指落花分解t(a)后的落花干质量与分解前落花干质量的比值,它不仅能够反映分解过程中落花质量的动态变化,还可以表征落花的分解速率。12种树木落花的干重残留率在0—91 d的分解过程中逐渐减少(图1)。可以看出,整个实验周期根据残余率,可明显的分为两个时期,即分解前期(0—14 d)和中后期(15—91 d)。至分解前期结束,樱花(分解率达49.57%)、海棠(分解率达39.71%)、白玉兰(分解率达59.46%)、紫玉兰(分解率达57.06%)、桃花(分解率达49.00%)、红叶李(分解率达52.09%)、紫叶李(分解率达49.00%)、含笑(分解率达37.57%)、紫荆(分解率达46.86%)、杏梅(分解率达42.74%)、银杏(分解率达36.54%)和栾树(分解率达44.71%)等12种落花均分解了基质质量的1/3以上；分解中后期以上12种落花的分解速率逐渐减慢。至分解结束,各落花的分解率均不少于47.80%(银杏落花),最大分解率达到了76.46%(白玉兰落花)。

图1 落花分解干质量残留率的动态变化

2.3 落花分解过程中N、P 和K的释放

从各种落花分解过程的N释放规律(表3)可以看出,释放较快的有紫玉兰、紫叶李、白玉兰、桃花、紫荆、红叶李、樱花、含笑和海棠(周转期1.00—1.04 a),而杏梅、栾树和银杏N释放显著慢于其他落花(周转期1.22—1.33 a)(P<0.05)。

由表2和表3可知,12种落花N的释放速率较之分解速率各有差异,其中樱花、海棠、紫玉兰、红叶李、含笑和紫荆落花N的释放速率大于其分解速率,而白玉兰、桃花、紫叶李、杏梅、银杏和栾树落花N的释放速率小于其分解速率,表明N在樱花、海棠、紫玉兰、红叶李、含笑和紫荆落花中呈超速释出状态(超过落花质量下降的速率),而在白玉兰、桃花、紫叶李、杏梅、银杏和栾树落花中呈慢速释出状态。

表3 不同落花的N释放率

从各种落花分解过程的P释放规律(表4)可以看出,释放较快的有栾树、海棠、樱花、紫玉兰、银杏、紫荆、紫叶李、白玉兰和桃花(周转期1.00—1.09 a),其次为红叶李落花(周转期1.37 a),释放较慢的是杏梅和含笑(周转期1.54—1.56 a)。

结合表2和表4还可看出,白玉兰、桃花、紫叶李、紫荆和银杏落花P释放速率大于其分解速率,而樱花、海棠、紫玉兰、红叶李、含笑、杏梅和栾树落花P释放速率小于其分解速率,可见P在白玉兰、桃花、紫叶李、紫荆和银杏落花中呈超速释出状态,而在樱花、海棠、紫玉兰、红叶李、含笑、杏梅和栾树落花中呈慢速释出状态。

表4 不同落花的P释放率

根据各种落花分解过程的K释放规律(表5)可知,紫玉兰、紫叶李、红叶李、白玉兰和紫荆K释放速度显著快于其他落花(周转期1.02—1.10 a)(P<0.05),银杏和杏梅K释放速度显著慢于其他落花(周转期1.72—1.96 a)(P<0.05)。

结合表2和表5可知,除了紫荆落花K的释放速率大于其分解速率,其他落花K释放速率均小于其分解速率,表明K在紫荆落花中呈超速释出状态,而在其他落花中呈慢速释出状态。

表5 不同落花的K释放率

2.4 落花年分解率与初始化学组成之间的关系

对落花年分解率(d)与落花初始化学组成进行相关性分析(表6),结果表明,落花的年分解率与初始粗蛋白、N、P和K含量均呈显著正相关(P<0.05),与木质素含量、木质素/N和N/P均呈显著负相关(P<0.01),与Cu、Zn、Fe和Mn含量之间则无显著相关性(P>0.05)。

表6 落花年分解率(d)与初始化学性质相关性

3 讨论

3.1 落花初始化学成分对其分解速率的影响

在相同的环境条件下,枯落物的基质质量是影响其相对分解速率的主要因子[13-14]。N含量、P含量、木质素含量和木质素/N值等被用作枯落物基质质量的常见指标。其中C/N和木质素/N最能反映枯落物分解速率[15]。研究发现,枯落物的初始N含量高会加快其分解[16],这是因为微生物对N有很高需求,枯落物 N含量低时会限制微生物群落活动强度,导致其分解变慢,而N含量高时会提高微生物群落活动强度进而加快其分解[17-18]。本研究中,桃花的分解速率相对较快(表2),这可能与其初始N含量显著高于其他落花(P<0.05)有关(见表1)。此外,银杏落花分解较慢(P<0.05)可能与其含有较低(P<0.05)初始N含量有关。根据表6可知,落花年分解率与初始N含量显著正相关(P<0.01),这与窦荣鹏[19]和刘霞[20]的研究结果一致,可能是由于枯落物中的N含量越高, 则C/N越低,耐分解化合物的含量越少,枯落物分解越快[21]。

枯落物分解过程中,N是制约凋落物分解的最重要因素之一,但由于N沉降的增加,许多生态系统N已不再是制约因素,而P则成为重要的限制因素[22]。本研究结果表明,初始P含量较高(P<0.05)的白玉兰和桃花其年分解率也相对较快,落花年分解率与初始P含量显著正相关(P<0.05)(表6),原因与N类似,同为微生物不可缺少的营养元素,P含量高会加强微生物的活动强度,进而加快落花分解,但这与刘霞[20]的研究结果相反,可能由于树种不同或环境因子不同所导致。P含量并非单独影响枯落物分解速率,N/P 对枯落物的分解也具有一定的表征能力,它是枯落物分解者养分限制的重要指标[23]。本研究发现落花初始N/P越大落花分解就越慢,二者呈显著负相关(P<0.01),张林海[24]的研究也呈现出这样的规律。有研究表明[25],N/P<10 时,分解受到N的限制；N/P>14时,分解受到枯落物中P的限制,因此N/P 是枯落物短期分解的一个重要因素。

根据表6可知,落花年分解率与K含量显著正相关(P<0.05),这与李学斌[26]对荒漠草原4种典型植物群落枯落物进行研究所得结果相一致,但与宋新章[27]在浙江千岛湖姥山林场对7种常绿阔叶林的枯落物研究所得结果存在一定差异,这可能与物种不同、枯落物性质不同有关。总体而言,目前国内外关于K含量(浓度)对枯落物分解速率的影响的相关研究还有待丰富,因此我们应针对这方面深入探索。

木质素含量也是衡量枯落物分解速率的重要指标。多数研究认为[28-29],枯落物的初始木质素含量及木质素/N与枯落物分解速率呈显著负相关。本文研究结果(表6)也符合上述规律,因为质素含量或木质素/N越高越有利于抵抗分解者对枯落物的攻击,从而减缓了枯落物的分解[30]。因而在农业生产中,应尽量选择木质素含量和木质素/N较低且养分含量较高的物质用作施肥材料,如桃花、白玉兰落花等。

3.2 分解时期对其分解速率的影响

通常,枯落物的分解分为两个阶段：即主要分解新鲜有机质、可溶性糖和无机盐类物质的快速分解阶段和分解木质素等难分解成分的慢速分解阶段[29]。研究发现,分解前期由N含量制约枯落物分解速率,N含量高的枯落物分解快于N含量低的枯落物；而分解后期则由木质素含量或木质素/N比制约分解速率,此时N含量会延缓枯落物的分解速率[31]。由图1可知,分解前期(0—14 d)落花分解较快,中后期(15—91 d)分解则逐渐变慢,这与郭忠玲等[32]的研究结果保持一致。原因可能是前期落花中N、P等易分解物质含量较高,微生物快速繁殖, 使落花分解速率也随之增加,分解率提高；到分解中后期,水溶性物质及碳水化合物等易分解的物质已经分解掉,纤维素、木质素等难分解物质比例增加,因而使得分解变慢[13,33]。

4 结论

(1)12种落花初始养分含量存在差异。其中,粗蛋白含量以桃花和白玉兰落花中较高(251.44—274.94 mg/g),木质素含量以紫荆和银杏落花中较高(47.35—49.95 μg/g),N含量以桃花和白玉兰落花中较高(40.23—43.99 mg/g),P含量以桃花和白玉兰落花中较高(1.37—1.58 mg/g),K含量以红叶李、紫叶李和白玉兰落花中较高(4.53—4.72 mg/g),Cu含量以白玉兰落花中较高(22.74 μg/g),Zn含量以紫叶李落花中较高(249.06 μg/g),Fe含量以紫荆、樱花、紫叶李、杏梅、海棠和桃花中较高(85.81—118.34 μg/g),Mn含量以杏梅、樱花、桃花和海棠落花中较高(24.09—25.71 μg/g)。

(2)对12种落花的分解速率进行修正olson模型拟合,结果表明,除了银杏分解稍慢(周转期1.12 a),其他落花分解均较快(周转期1.00—1.05 a)。

(3)分解过程中N、P和K释放均较快的落花有紫玉兰、紫叶李、白玉兰、紫叶李、红叶李和紫荆,且较之其分解速率,只有樱花、海棠、紫玉兰、红叶李、含笑和紫荆落花中的N呈超速释出状态,白玉兰、桃花、紫叶李、紫荆和银杏落花中的P呈超速释出状态,紫荆落花中K呈超速释出状态。

(4)相关性分析表明,落花的年分解率与粗蛋白含量、N含量、P含量和K含量均呈显著正相关(P<0.05),与木质素含量、木质素/N和N/P均呈极显著负相关(P<0.01),与Cu含量、Zn含量、Fe含量和Mn含量之间则无显著相关性(P>0.05)。表明落花中含有较高的粗蛋白、N、P和K含量有利于落花分解,而落花中含有较高的木质素含量、木质素/N和N/P则对落花分解不利。