黄壤旱地豆科绿肥养分释放特征

魏全全，张 萌，陈 龙，秦 松，周春火，芶久兰

（1. 贵州省农业科学院土壤肥料研究所 / 农业部贵州耕地保育与农业环境科学观测实验站，贵州 贵阳 550006；2. 江西农业大学国土资源与环境学院，江西 南昌 330045）

绿肥作物可以利用其生长过程中所产生的全部或部分鲜体，直接或间接翻压到土壤中作肥料，起到部分替代化肥、改良土壤的作用[1]。绿肥还田是利用绿肥资源的直接有效途径。绿肥还田是将绿肥吸收和固定的营养元素归还到土壤中，在一定程度上缓解土壤养分的耗竭状况，是生态农业的重要组成部分[2-3]。前人对绿肥的还田腐解做了大量研究，刘佳等[4]的研究表明，毛叶苕子(Vicia villosa)腐解过程为前期迅速、后期缓慢，翻压180 d 后毛叶苕子干物质的最终腐解率在70.19%～84.18%，且增加翻压量不会改变毛叶苕子整体的腐解及养分释放规律，但会对养分的释放率和释放速率产生影响。张成兰等[5]在不同施肥条件下探讨了毛叶苕子的腐解及养分释放特性，不同施肥处理下毛叶苕子累积腐解率为65.3%～72.5%，腐解过程中呈现前11 d 腐解较快、后期腐解缓慢并逐渐趋于平稳的趋势。薄晶晶等[6]探究长武怀豆(Glycine ussuriensis)和黑麦草(Lolium perenne)两种绿肥在黄土旱塬区农田土壤中的腐解状况，结果表明，长武怀豆更适合作为该地区土壤培肥夏闲绿肥的选择。黄壤是贵州省主要的农业土壤类型，面积分别占贵州土壤面积和我国黄壤面积的46.4%和25.3%[7]，其有机质含量偏低，养分含量低，质地黏重，耕性不强，易发生水土流失，保水保肥能力相对较差，导致作物产量不高，因此，如何改良黄壤地力，提高黄壤的肥力水平尤为重要。同时，2015 年农业农村部发布《到2020 年化肥使用零增长行动方案》[8]提出“两减一增”，单纯的施用化肥很难提高肥料利用率，在施用化肥的情况下，应当增施绿肥等有机物料以提高养分利用率，而绿肥种植简单且培肥地力，因此，应大力推广绿肥的生产及应用。绿肥是我国种植面积较广的养地作物，科学还田意义重大。传统的绿肥还田方法是利用大型机械旋耕机将生长在田地中的新鲜绿肥直接翻压还田，但贵州省是我国唯一没有平原的省份，大型机械化推广较难，农民普遍使用的是小型旋耕机，且鲜草还田时，由于绿肥含水量较大，导致其还田难度较大，容易缠绕机器，最终导致绿肥翻压还田不易操作，影响农民积极性，因此在贵州黄壤如何科学合理的还田方式值得探究。绿肥还田后在土壤中的腐解是一个漫长且复杂的过程，其腐解速率是评价绿肥还田后增加和改善土壤有机质、土壤肥料的重要指标，且不同水分含量的绿肥腐解速率不同。前人研究多集中在单一绿肥的腐解规律，或是不同绿肥品种腐解率的比较，很少涉及同种绿肥品种在含水量不同及添加外源物时腐解速率的比较，而在实际还田中，明确绿肥腐解的详细过程及其养分的释放速率，对绿肥还田后调整下茬作物化肥施用量时非常重要。因此，本研究基于贵州黄壤旱地，在翻压还田条件下，探讨不同含水量绿肥的腐解特性，并探讨外源添加物对绿肥腐解速率的影响，以期为黄壤旱地绿肥科学还田及化肥合理减施提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

试验于2019 年4 月 − 9 月在贵州省贵阳市贵州省农业科学院试验基地进行。该地区属亚热带湿润温和型气候，试验期间平均气温15.3 ℃，年平均湿度77%，平均降水量为94.1 mm。试验田块土壤为贵州典型黄壤，基本理化性质为pH 6.0，有机质含量22.08 g·kg−1，全 氮 含 量1.08 g·kg−1，有 效 磷 含 量12.8 mg·kg−1，速效钾含量122.1 g·kg−1。

供试绿肥品种为高氮绿肥品种66-25 箭筈豌豆(Vicia sativa)，取样时间为2019 年4 月25 日，绿肥处于结荚期，此时为绿肥生物量最大时期，该时期绿肥含水量为85%。

1.2 试验设计

在自然翻压还田的情况下，采用尼龙网袋法，探究黄壤旱地下绿肥的腐解养分释放特性。试验共设置4 个处理，分别为新鲜绿肥(200 g，T1)、烘干绿肥(30 g，T2)、新鲜绿肥+生物炭(200+30 g，T3)、烘干绿肥+生物炭(30+30 g，T4)。绿肥养分含量为：氮2.678%，磷 0.429%，钾2.969%。

割取新鲜且长势一致、色泽均匀的绿肥整株样品，在阴凉地剪成2～4 cm 的小段并混匀，一部分放入烘箱快速烘干，作为烘干绿肥，未烘干部分作为新鲜绿肥。称取新鲜绿肥200 g (T1) 和烘干绿肥30 g(T2) 分别装入网格孔径为0.045 mm 的尼龙网袋(网袋长20 cm，宽15 cm，厚0.8～1.0 cm)内备用，T3和T4处理加入的30 g 水稻秸秆生物炭过0.85 mm 筛，装好之后混匀封口。新鲜绿肥和烘干绿肥于4 月26 日同时埋袋处理，封口后露天自然还田，将网袋平铺无重叠埋入土中，埋设深度为10 cm，覆土与地面齐平。每个处理装60 袋，共240 袋。在第5、10、15、20、25、30、35、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、160 和180 天取样，共取样20 次。

测定样品时，每个处理随机抽取3 袋，去除表面浮土和杂物，用蒸馏水冲净网袋上粘附的泥土，在60 ℃下烘干，称重量，磨碎，测定剩余秸秆中氮、磷、钾含量，并计算养分释放率。秸秆中氮、磷、钾测定方法：样品采集后，先称取鲜重，然后将鲜样放入105 ℃干燥箱中杀青30 m in，再在60 ℃下烘干至恒重称重，粉碎后经过H2SO4-H2O2联合消煮，采用连续流动分析仪测定全氮含量，钼锑抗比色法测定全磷含量，火焰光度法测定全钾含量[9]。

质量累积减少率 = (30 − 取样时绿肥质量)/30 ×100%；

养分累积释放率 = (试验前绿肥养分含量 − 剩余绿肥养分含量)/试验前绿肥养分含量 × 100%。

1.3 数据处理与分析

采用Excel 2007 软件及DPS 数据处理系统进行方差分析，并用最小显著法(LSD)检验试验数据差异性水平(P ＜ 0.05)。采用Origin 8.0 软件制图。

2 结果与分析

2.1 不同处理绿肥质量累积减少率变化特征

不同处理的绿肥腐解速率均先快速腐解，再缓慢腐解，最终腐解平稳到达平衡(图1)。各处理快速腐解速率不一致，添加生物炭处理绿肥腐解速率高于未添加生物炭处理，风干绿肥腐解速率高于绿肥腐解速率，总腐解速率表现为风干绿肥+生物炭＞新鲜绿肥+生物炭＞风干绿肥＞新鲜绿肥，添加生物炭能促进绿肥腐解，使试验后期的绿肥腐解更加完全。经过180 d 的腐解，新鲜绿肥、风干绿肥、新鲜绿肥+生物炭、风干绿肥+生物炭腐解速率分别为74.77%、83.13%、92.69%和95.83%。

图 1 不同处理绿肥腐解速率变化特征Figure 1 Characteristics of the decomposition rate of green manure in the different treatments

不同处理的绿肥腐解过程的3 个时期(快速腐解期、腐解缓慢期和腐解平稳期)所经历的时间不同：风干绿肥+生物炭处理在腐解前25 d 迅速腐解，新鲜绿肥+生物炭处理在前50 d 为迅速腐解期，风干绿肥处理则是在前60 d 为迅速腐解，新鲜绿肥处理在80 d 为迅速腐解期；风干绿肥+生物炭处理腐解速率明显优于其他3 个处理。在快速腐解期内，各处理的腐解量占总腐解量的80%左右。添加生物炭处理100 d 到腐解平稳期，不添加的到140 d腐解平稳，腐解时间显著慢于添加生物炭处理。

2.2 不同处理绿肥氮释放特征

在腐解的前40 d，各处理绿肥中氮量呈现迅速降低的趋势，40 d 后开始缓慢降低并趋近于平衡状态(图2)。不同处理的绿肥氮素累积减少率不同，整体均表现为风干绿肥+生物炭＞新鲜绿肥+生物炭＞风干绿肥＞新鲜绿肥，经过180 d 的腐解，新鲜绿肥、风干绿肥、新鲜绿肥+生物炭、风干绿肥+生物炭氮素累积减少率分别为73.55%、83.80%、92.00%和95.00%。

图 2 不同处理绿肥氮释放特性Figure 2 Characteristics of N release in the different treatm ents

绿肥氮素的释放量分为3 个时期，快速释放期、缓慢释放期和释放平稳期，不同处理占用时间各不相同：风干绿肥+生物炭处理氮素在腐解前40 d 迅速释放，新鲜绿肥+生物炭处理在前50 d 为迅速释放期，风干绿肥处理则是在前60 d 为迅速释放，新鲜绿肥处理在80 d 为迅速释放期；风干绿肥+生物炭处理释放速率明显优于其他3 个处理。在添加生物炭的情况下，风干和新鲜绿肥的氮素快速释放期均早于不添加生物炭，释放较为完全，均达到90%以上，且风干绿肥的氮素快速释放期快于新鲜绿肥；在未添加生物炭的情况下，风干绿肥的氮素快速释放期快于新鲜绿肥。

2.3 不同处理绿肥磷释放特征

与氮素累积减少率趋势相似，不同处理绿肥磷素累积减少率均呈现“快速 – 缓慢 – 平稳”的过程，且不同处理的磷素腐解速率不同(图3)。添加生物炭后，绿肥磷素快速释放，且在30 d 左右达到最高值，60 d 后进入缓慢期，未添加生物炭的绿肥磷素腐解速率低于添加生物炭处理，磷素释放相对较慢，且快速释放期较长，在80 d 左右达到最大值，80 d后进入缓慢期，由此可见添加生物炭后，绿肥磷素腐解速率增加且腐解更完全。经过180 d 的腐解，新鲜绿肥、风干绿肥、新鲜绿肥+生物炭、风干绿肥+生物炭磷素累积减少率分别为76.40%、87.13%、93.31%和96.27%。

图 3 不同处理绿肥磷释放特性Figure 3 Characteristics of P release in the different treatm ents

绿肥中磷素的释放量的3 个时期占用时间各不相同：风干绿肥+生物炭处理氮素在腐解前60 d 迅速释放，新鲜绿肥+生物炭处理在前80 d 为迅速释放期，风干绿肥处理则是在前90 d 为迅速释放，新鲜绿肥处理在90 d 为迅速释放期；风干绿肥+生物炭处理释放速率明显优于其他3 个处理。前期绿肥磷的快速释放可能与绿肥中可溶性及易分解的含磷成分(如核酸及其衍生物)的释放有关。

2.4 不同处理绿肥钾释放特征

与氮素和磷素的释放规律不同，各处理绿肥钾素释放规律为先快速释放后趋于稳定，各处理均在腐解30 d 后趋于稳定(图4)；经过180 d 的腐解，新鲜绿肥、风干绿肥、新鲜绿肥+生物炭、风干绿肥+生物炭氮素累积减少率分别为97.46%、98.19%、99.23%和99.51%。添加生物炭的绿肥钾素释放率高于未添加生物炭，风干绿肥钾素释放率高于新鲜绿肥。秸秆中钾素形态与氮、磷的有机形态存在形式不同，多数以离子形态存在，易溶于水，不依赖于微生物的分解，埋于土壤后，土壤水分与绿肥接触后，不需要微生物分解，便可迅速溶解绿肥中的钾素[10]，释放速率加快。

图 4 不同处理绿肥钾释放特性Figure 4 Characteristics of K release in the different treatments

3 讨论

3.1 不同含水量绿肥的养分释放差异

绿肥不仅是清洁的有机资源，而且能有效提高土壤肥料、改善土壤环境质量，发展绿肥是解决科学养地、用地和有机肥源的优良路径[11-13]。而在实际生产中，不同于水稻(Oryza sativa)、小麦(Triticum aestivum)等粮食作物秸秆为干料还田，绿肥还田多为新鲜绿肥翻压还田，但受限于贵州特色山地地形，小型机械旋耕机很难将大量的新鲜绿肥直接翻压还田，影响农民种植绿肥的积极性。但本研究表明，风干绿肥腐解速率在180 d 中均高于新鲜绿肥，氮、磷和钾素的养分释放规律也有相类似的趋势，其在黄壤旱地的腐解呈先快速腐解，再缓慢腐解，最终腐解平稳，这与前人在黄土高原旱地和红壤旱地的研究结果一致[4,14]，且其氮和磷养分累积减少率高于小麦、水稻和油菜(Brassica napus)等秸秆[15]。本研究开始于4 月，天气转暖后气温升高、降水增多加快了微生物对绿肥的分解[16-17]，风干绿肥和新鲜绿肥的腐解也可能出现一定差异。因此，在实际操作中，推荐以风干绿肥还田为宜。至于绿肥烘干后为何有较高的养分释放，其机理有待进一步研究。

3.2 外源添加生物炭提高不同含水量绿肥腐解速率

外源添加生物炭对绿肥腐解及氮、磷和钾养分释放具有促进作用，不管是新鲜绿肥和风干绿肥，在外源添加生物炭后，其腐解速率均高于不添加生物炭，主要原因可能是生物炭呈碱性，而促进绿肥腐解的多数微生物更倾向在中性或微碱性环境中活动，外源添加生物炭后，其能中和腐解过程中释放的有机酸等酸性物质，调节了微生物活动的微环境，为微生物的生长和繁殖提供更加适宜的外界微环境[18-19]，增加了微生物数量，促进绿肥腐解以及氮、磷和钾养分的释放；类似于石灰，外源添加生物炭可能增加了土壤脲酶、土壤纤维素酶和蛋白酶等的活性[20]，进一步促进了绿肥中纤维分解及养分释放；生物炭表面的–COO– 和–O– 等有机官能团和生物质炭中的碳酸盐使其呈碱性[21]，能中和黄壤的低pH，调节土壤黏粒含量[22-23]，最终导致添加生物炭的绿肥腐解速率持续高于未添加生物炭的绿肥。因此，在实际生产中，在条件允许的情况下，绿肥腐解时，可添加生物炭以增加腐解效率。

3.3 绿肥养分释放与田间养分管理

绿肥是清洁能源，可作为农作物的优良理想的好肥源，并且能达到耕地用养结合目的，豆科绿肥在大田中通过微生物腐解，将作物所需的养分释放到土壤中，为后作作物的生长发育提供一个良好的环境，为后作作物的增产增效提供基础，契合了国家“两减一增”的政策，也为“豆科绿肥–旱地作物”轮作系统的推广提供理论支撑。贵州省农业科学院土壤肥料研究所植物营养与肥料课题组前期试验结果表明，贵州黄壤旱地66-25 箭筈豌豆的鲜草产量为24 927 kg·hm−2，折合干草产量为3 630 kg·hm−2[24]，可估算出本研究箭筈豌豆绿肥腐解释放的氮、磷和钾养分平均含量分别为84.1、13.7 和106.2 kg·hm−2，当地玉米的推荐施肥量为N、P2O5和K2O 分别为150、120 和150 kg·hm−2，本研究中氮、磷和钾腐解量分别占推荐施肥量的56.1%、11.4%和70.8%，理论上在玉米生长季只需要补充43.9% N、88.6% P2O5和29.2% K2O 即可，但在实际生产中不能按照上述施肥，主要原因是绿肥中钾素释放速率较快，且氮、磷释放速率相对缓慢和玉米生长速率不符。根据氮、磷和钾的养分释放规律，养分释放高峰期在30 d左右，在此期间氮、磷和钾累计释放率按照60.6%、59.8%和93.1%计算，释放的氮、磷和钾的分别为58.9、9.32 和100.3 kg·hm−2，分别占玉米推荐氮、磷和钾施肥量的39.3%、7.8%和66.9%，其中释放的氮和钾占比较磷释放量高，因此当绿肥还田情况下，应该适当调整氮肥和钾肥的施用量及施用时期：减少苗期基肥的施用量，增加追肥的用量，使得玉米在整个生育期内氮素和钾素较为富裕；同时，氮和磷不仅是作物生长所必需的营养元素，也是微生物活动所需的物质，绿肥还田后初期，作物生长与微生物产生营养竞争的现象，因此在绿肥还田时配施一定量的氮、磷肥是十分必要的[15]。但是需要指出的是，本研究未对绿肥腐解的土壤肥力进行同步测定，对于绿肥腐解土壤的养分变化、绿肥腐解后养分的损失以及作物对绿肥腐解养分的利用还需进一步研究，这样才能使绿肥腐解和科学推荐施肥相统一。

4 结论

本研究对不同含水量以及添加外源物条件下豆科绿肥氮、磷和钾等养分释放特征进行了分析，风干绿肥的腐解速率高于新鲜绿肥，添加生物炭能提高风干和新鲜绿肥的腐解速率，实际操作时可将绿肥风干后再翻压还田，同时在条件允许的情况下添加生物炭等碱性物质以提高绿肥腐解效率。根据绿肥腐解特性及养分含量，绿肥还田后，可适当减少氮肥和钾肥的施用量，还田初期可不调整氮、磷肥的施用量，钾肥可适当延后施用。