南疆枣园三种不同绿肥腐解及养分释放规律研究

2021-06-28何万荣席琳乔王海珍

干旱地区农业研究 2021年3期

何万荣，韩路，席琳乔，王海珍

(1.塔里木大学植物科学学院, 新疆阿拉尔 843300 2.塔里木大学动物科学学院，新疆阿拉尔 843300)

南疆土地资源充足，光热资源丰富，昼夜温差大，具有发展林果业的优越自然条件。近年来新疆对优势资源进行战略调整和转化，将发展特色林果业作为加快新疆农村经济发展的支柱产业。但是长期以来，南疆果园管理以清耕为主，造成地表裸露、蒸发强烈，不利于土壤水分保蓄；同时，投入以化肥为主，缺乏有机肥投入，造成土壤板结、结构破坏、保肥供肥性能差、土壤贫瘠化及土壤污染等一系列土壤退化问题，致使果实产量和品质下降，经济效益低下[1-3]。因此，探索果园土壤改良、培肥新模式已成为南疆林果产业优化升级及可持续发展需解决的首要问题，果树行间种植绿肥正是解决此问题的关键切入点。目前，众多学者开展了果园绿肥间作模式研究，在枣园、梨园、苹果园等果树行间种植紫花苜蓿、草木樨、油菜、白三叶、毛苕子、燕麦、早熟禾、苏丹草、黑麦草等多种绿肥牧草[4-10]，以筛选适合南疆贫瘠、低水高盐环境的绿肥种类。经过多年研究发现，豆科牧草(白三叶、毛苕子)在当地表现较好，生长旺盛、生物量与养分含量高[11]、固氮培肥地力效果明显[7-8]，且具有改善盐碱地土壤环境的效果。燕麦、油菜适应性广、生物量与养分归还率高[11]，压碱排盐效果较好[4]；同时果园间作油菜有利于增加天敌数量、防治害虫[10]，且花期吸引蜜蜂，提高果树结实率，但油菜耐旱能力较差[7]。紫花苜蓿、草木樨适应性强，固氮、生物产量高[9]，但干旱环境下根系深、粗壮，行间小型机械旋耕困难，还与果树争水争肥。正是由于南疆果园缺乏适宜推广的绿肥种类，且果农对绿肥重视不够，绿肥种植模式及刈割、翻压机械化程度低等原因[5-8]，区域绿肥推广受到限制。因此，本文研究在南疆表现好，农民乐于种植的白三叶、毛苕子、油菜腐解规律与养分释放特征，为提升南疆果园管理技术提供理论依据。

绿肥改土培肥、增产增效作用的发挥依赖于绿肥在土壤中腐解及养分释放过程，因而明确绿肥的腐解矿化过程是合理应用绿肥的基础。当前，关于绿肥腐解动态和养分释放规律、绿肥腐解的影响因子及绿肥改土培肥机制、效应等方面已有较多研究[8-9,11-22]。吕丽霞等[12-13]研究指出绿肥腐解和氮、磷、钾3种养分释放速率均表现为前期快后期慢的特点，10 cm翻压深度最有利于腐解及养分释放,表层最慢，钾释放最彻底。刘世平等[14]研究了麦稻秸秆不同埋深的腐解过程，发现14 cm处的秸秆腐解速度最快，覆盖在表层的较慢。众多学者[4,15-19]报道麦秆、油菜秆、豆科与禾本科绿肥还田后腐解高峰发生在前1个月内，氮、磷、钾养分在第10～21天快速释放，养分累积释放率和释放量均表现为钾大于氮、磷、碳,不同绿肥种类氮、磷、钾释放量不同。孙本华等[20]报道荒漠生态环境下大豆秆残体腐解率降低与时间延长，氮释放量和释放率均为负值，钾释放率最高。朱小梅等[21]研究指出禾本科绿肥干物质及养分残留率均高于豆科绿肥，高盐分显著阻滞绿肥养分释放；油菜降低盐碱地pH值，显著提高碱解氮、速效磷、有机质含量[4]。但南疆果园降水稀少、土地贫瘠、盐渍化严重，绿肥还田后的腐解和养分矿化速率及释放规律研究鲜见报道。为此，本文采用田间埋袋法研究了干旱条件下3种绿肥的腐解和养分释放过程，探讨3种绿肥腐解与碳、氮、磷、钾释放差异，揭示南疆果园绿肥还田后的腐解和养分释放规律及地力培肥效应，以期为南疆盐碱地治理、地力培肥和筛选适宜果园生草提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2018年在新疆阿拉尔塔里木大学园艺试验站(81°18′E，40°32′N)进行。该区属典型暖温带大陆性干旱气候，区内光热资源丰富，年均日照时数2 729.0 h，年均气温10.4℃，≥10℃年积温4 340℃；极端最高温度40.6℃，极端最低温度-23.4℃。年均降水量48.5 mm，年均蒸发量1 998.4 mm。土壤为灌耕草甸土。

1.2 试验材料

试验枣园为10 a生骏枣园，栽植密度为2 m×1 m，矮化密植，东西行向，灌溉采用漫灌方式。枣树为盛产期，生长健壮，无病虫害。枣园0～20 cm土壤容重1.26 g·cm-3，田间持水量28.37%，有机质11.75 g·kg-1，碱解氮33.48 mg·kg-1，有效磷15.32 mg·kg-1，速效钾87.33 mg·kg-1，土壤总盐1.86 g·kg-1，pH值8.71。绿肥种类为白三叶、毛苕子和油菜(表1)，绿肥全生育期不施化肥。

表1 翻压还田前3种绿肥地上部初始养分与水分含量

1.3 试验设计

试验采用田间埋设网袋法。2018年6月12日刈割3种绿肥并及时将鲜草运回实验室，剔除枯死部分及杂质，分别剪成2～3 cm的小段，混合均匀，随即称取200 g鲜样装入尼龙网袋(30 cm×25 cm、孔径0.047 mm)中，封口并用记号笔作为标记。每种绿肥另取3份200 g鲜样烘干(80℃下烘48 h)测定含水量。按试验设计10次取样计算，3次重复，每种绿肥30袋，共计90袋。装好后每种绿肥取出3袋用于测定基础养分，其余运至试验果园翻埋于枣树行间，埋深15 cm，间距25 cm，覆土时尽量不破坏原来的土体结构，并与地面平齐。

1.4 样品采集与指标测定

试验从2018年6月12日开始至2018年11月10日结束。翻压还田后取样时间分别为第3、7、14、21、28、56、90、120、150 d共9次。随机取样，3次重复，每次取样后运回实验室，小心去除尼龙网袋表面浮土及根系杂物，拆开网袋将样品置于烘箱中烘干(80℃，48 h)至恒重，小心除尽样品中渗入的少量土壤，测定干物质重量。干物质样品粉碎后装入自封袋密封以备测定绿肥养分。利用元素分析仪(LE204E/02)测定样品全碳、全氮含量；H2SO4-H2O2消煮，钼锑抗比色法测定全磷；火焰光度法测定全钾[23]。

1.5 数据分析与处理方法

样品含水量(%)=(鲜重-干重)/鲜重×100%

(1)

累积腐解量(g)=M0-Mt

(2)

累积腐解率(%)=(累积腐解量/M0)×100%

(3)

腐解速率(g·d-1)=(Mt-Mt+1)/(Tt+1-Tt)

(4)

养分累积释放量(mg)=W0-Wt

(5)

养分累积释放率(%)=养分累积释放量/W0×100%

(6)

养分释放速率(mg·d-1)=(Wt-Wt+1)/(Tt+1-Tt)

(7)

式中，M0为绿肥初始干物质量,Mt为t时刻绿肥干物质量；W0为绿肥初始养分含量,Wt为t时刻绿肥养分含量；Tt为t时刻的天数。

利用Excel 2010进行数据整理，SPSS 23进行方差分析与回归分析，多重比较采用Duncan法。

2 结果与分析

2.1 3种绿肥的腐解特征

3种绿肥累积腐解量和累积腐解率随翻压还田时间的延长而增加，腐解速率则随还田时间延长而逐渐降低(图1)，其腐解过程可分为3个阶段，即快速、中速和缓慢腐解期。前7 d为快速腐解期，此时毛苕子、油菜和白三叶累积腐解量分别为16.81、11.37、28.86 g，腐解率分别为51.40%、52.07%、72.24%，腐解速率分别为2.40、1.62、4.12 g·d-1，3个腐解指标均以白三叶表现最快。7～21 d为中速腐解期，此时毛苕子、油菜、白三叶腐解量分别为3.34、2.50、2.61 g，腐解率分别为10.22%、11.44%、6.54%，腐解速率分别为0.239、0.178、0.187 g·d-1，毛苕子腐解较快。还田后第21～150 d为缓慢腐解期，此阶段3种绿肥累积腐解量、累积腐解率、腐解速率变化趋于平缓，分别为1.75～2.72 g、4.39%～9.38%和0.014～0.021 g·d-1，显著低于前21 d，此阶段毛苕子腐解量与腐解速率均最高，白三叶最低，但3种绿肥间腐解均无显著差异(P>0.05)。还田150 d毛苕子、油菜、白三叶累积腐解量分别为22.87、15.91、33.22 g，腐解率分别为69.92%、72.88%、83.17%，腐解速率分别为0.153、0.106、0.221 g·d-1，白三叶均最高。还田第21 d和150 d时3种绿肥间累积腐解量、腐解速率差异均达极显著水平(P<0.01)，白三叶累积腐解率与毛苕子、油菜间差异显著(P<0.05)。

2.2 3种绿肥养分释放特征

2.2.1 3种绿肥氮、磷、钾释放特征南疆干旱盐渍土壤条件下，3种绿肥翻压还田后氮释放规律与其干物质腐解规律相似(图2)，均呈前期释放快、后期释放慢的特点。翻压还田第21 d毛苕子、油菜、白三叶氮累积释放量、释放率和释放速率分别为644.54、375.63、1121.34 mg，60.45%、62.89%、80.71%和30.69、17.89、53.40 mg·d-1，均以白三叶最高。其中前7 d氮释放最快，累积释放率均超过50%，释放速率最高达143.73 mg·d-1。还田第21～150 d氮释放较缓慢，累积释放量、释放率和释放速率分别为44.34～82.37 g、4.51%～7.73%和0.34～0.64 mg·d-1，分别仅为前21 d的2.08%、1.92%、0.91%，此阶段毛苕子氮释放较快，其累积释放量、释放速率与油菜差异显著(P<0.05)。还田第150 d毛苕子、油菜、白三叶氮累积释放量、释放率和释放速率分别为726.92、419.97、1184.03 mg，68.17%、70.32%、85.23%和4.84、2.80、7.89 mg·d-1，白三叶氮释放显著高于其它两种绿肥(P<0.01)。

钾与氮的释放规律相似，但其释放快且彻底(图2)。前21 d钾释放较快，毛苕子、油菜、白三叶钾累积释放量和释放速率分别为1350.1、967.4、1 824.1 mg和64.29、46.07、86.86 mg·d-1，释放率均超过90%。其中前7 d钾释放最快，释放速率129.01～232.75 mg·d-1，白三叶钾释放量最高且释放速率最快。还田第21～150 d钾释放明显减慢，3种绿肥钾释放量和释放率分别比前21 d仅增加了88.2～107.2 mg和4.63%～8.26%，此阶段毛苕子钾释放量、速率最高，且与其它两种绿肥间差异显著(P<0.05)。还田第150 d毛苕子、油菜、白三叶钾累积释放量、释放率和释放速率分别为1 457.4、1 055.6、1 912.9 mg，98.33%、98.91%、99.61%和9.72、7.04、12.75 mg·d-1，均以白三叶最高。还田第7 d、21 d与第150 d时3种绿肥钾累积释放量、释放速率差异均达极显著水平(P<0.01)。

3种绿肥磷释放特征与氮、钾不同，还田第150 d内释放量、释放率呈持续增长趋势，而释放速率相反，缓慢降低(图2)。其释放过程可分为2个阶段：第0～56 d为磷快速释放期，此阶段毛苕子、油菜、白三叶磷累积释放量、释放率和释放速率分别为14.16、15.24、14.05 mg，75.41%、71.03%、81.30%和0.253、0.272、0.251 mg·d-1，油菜磷释放量、释放速率最高，但3种绿肥间磷释放量与释放速率均无显著差异(P>0.05)。还田第56～150 d为磷缓慢释放期，释放速率均小于0.1 mg·d-1，磷释放显著降低，此阶段3种绿肥磷释放量、释放率和释放速率分别为0.776～1.477 mg、4.13%～7.52%和0.008～0.016 mg·d-1，显著低于前56 d。还田第150 d毛苕子、油菜、白三叶磷累积释放量、释放率、释放速率分别为14.93、16.71、15.35 mg，79.54%、77.92%、88.82%和0.100、0.111、0.102 mg·d-1，油菜磷累积释放量、释放速率最高，而白三叶磷释放率最大且与其它两种绿肥差异显著(P<0.05)。

2.2.2 3种绿肥碳释放特征 3种绿肥碳释放与干物质腐解、N、K释放规律基本一致(图3)，均呈前期快、后期慢的特征。翻压还田第21 d为碳快速释放期，毛苕子、油菜、白三叶碳累积释放量、释放率和释放速率分别为8.40、5.41、12.24 mg，65.17%、64.22%、79.02%和400.04、247.09、582.73 mg·d-1，3种绿肥碳释放量均超过64%，其中白三叶的碳释放最快。第21～150 d为碳缓慢释放期，3种绿肥碳释放量、释放率和释放速率分别为0.87～1.12 g，7.21～10.75%和6.72～8.66 mg·d-1，仅为前21 d的1.90%～12.44%，显著低于前21 d，3种绿肥间碳释放无显著差异(P>0.05)。还田第150 d毛苕子、油菜、白三叶碳累积释放量、释放率和释放速率分别为9.43、6.06、13.35 g，73.14%、75.00%、86.23%和62.85、40.38、89.03 mg·d-1，白三叶均最高。还田第21 d与第150 d时3种绿肥碳累积释放量、释放率和释放速率差异均达极显著水平(P<0.01)。

2.3 3种绿肥碳与各养分比例的变化

碳氮比是绿肥化学组成的指标之一，碳氮比小(11～25)，其养分释放快；反之，碳氮比大(50～100),含氮量较低，则养分不易释放[12]。3种绿肥碳氮比(C/N)变化均呈先升高后降低的趋势(图3)，变幅差异明显。白三叶前7 d快速上升至最大值(23.24)，第7～28 d迅速下降，28 d后缓慢降低，C/N维持在10左右，极差为12.98；而毛苕子与油菜则缓慢上升，峰值分别为13.24、14.53，之后逐渐降低，C/N分别维持在10～12之间，整个腐解过程中变幅较小。还田第150 d毛苕子、油菜、白三叶C/N平均值分别为11.14、12.75、13.56，C/N值表现为白三叶>油菜>毛苕子。

3种绿肥碳磷比(C/P)处于波动状态。白三叶与毛苕子C/P呈“上升―下降―上升”的变化趋势(图3)，白三叶在第7 d、毛苕子在第3 d 时C/P出现第一峰值(964.9、720.8)，第150 d出现第二峰值(1235.4、901.4)，极差分别为587.4、288.9，白三叶变幅较大。油菜C/P则呈先降低后上升的变化趋势，150 d达最大值(427.9)，极差为149.1，C/P变幅最小。整个腐解过程中C/P表现为白三叶>毛苕子>油菜。

3种绿肥碳钾比(C/K)与C/N、C/P不同，始终保持上升趋势(图3)。还田前28 d C/K呈缓慢上升，28 d后快速升高，白三叶上升速度最快。试验结束时，白三叶、毛苕子、油菜C/K均达到最高，分别为282.3、139.6、174.1，分别为翻压还田前的35.0、16.1、23.0倍。整个腐解过程中C/K表现为白三叶>油菜>毛苕子。

2.4 3种绿肥腐解150 d养分残留特征

3种绿肥翻压还田后其养分随有机物的不断腐解而逐渐释放出来，第150 d时C、N、P、K残留量与残留率均差异明显(表2)。还田第150 d毛苕子C、N、K养分残留量均最高，其与白三叶、油菜差异达极显著水平(P<0.01)；P残留量以油菜最高，其与白三叶差异显著(P<0.05)。还田150 d白三叶C、N、P、K养分残留率均最低，分别比毛苕子相应养分低48.73%、53.63%、45.36%、76.65%，其与毛苕子、油菜各养分残留率间差异显著(P<0.05)。绿肥4种养分残留率因养分种类、绿肥种类不同而异，3种绿肥K残留率最低(0.39%～1.67%)，其与C、N、P残留率相差20倍以上，表明钾释放最彻底。3种绿肥养分残留率依次为毛苕子>油菜>白三叶，表明白三叶腐解过程中养分释放较彻底，对土壤培肥效果较好。

表2 翻压后第150 d 3种绿肥的养分残留特征

2.5 3种绿肥腐解率、养分释放率与翻压时间的关系

利用线性、非线性回归分析拟合3种绿肥腐解过程中其干物质累积腐解率、养分释放率与翻压还田时间的关系(表3)，拟合结果以对数方程的效果最好(R2最大)。除油菜钾释放率与还田时间的对数方程(R2)达显著水平外(P<0.05)，其余拟合方程(R2)均达极显著水平(P<0.01)，表明对数方程能较好拟合干旱区3种绿肥腐解、养分释放过程。

表3 3种绿肥腐解率、养分释放率与翻压还田时间的关系

3 讨论

研究极端干旱条件下土壤中绿肥残体分解特征和养分释放规律，对于了解干旱区土壤有机质的演变及指导土壤培肥具有重要意义[12]。前人指出果园土壤微生物主要集中于0～20 cm的土层中，埋深14 cm左右绿肥腐解最快[12,14]。因而试验将3种绿肥翻埋在果园15 cm土壤中，有利于促进绿肥腐解和养分释放。本研究结果表明，塔里木极端干旱区果园3种绿肥翻压还田后的腐解过程均表现为前21 d腐解快，之后腐解逐渐减慢，尤其是前7 d腐解量最大、腐解速率最快，这与前人报道腐解前期快、后期慢特征基本一致[12-13,15-19,21]。这主要由于绿肥腐解初期含水量高、鲜嫩，且6—7月环境温度高，水热条件均有利于绿肥腐解。但绿肥种类及组成成分不同影响绿肥腐解速率。还田第21 d和150 d毛苕子、油菜、白三叶干物质累积腐解率分别为61.74%、63.51%、77.98%和69.92%、72.88%、83.17%，白三叶腐解率均最高，且2个阶段其累积腐解量与腐解速率均显著高于油菜、毛苕子。可见，无论豆科牧草还是非豆科牧草有机残体1个月内腐解率均超过60%，腐解较快，后期腐解减慢。已有研究表明，腐解速率与有机残体的化学组分有关，水溶性物、苯醇溶性物和粗蛋白物质分解最快，纤维素和半纤维素次之，木质素最难分解[18]。腐解前期有机残体中易被土壤微生物利用的组分较多(如多糖、氨基酸、有机酸等)，促进绿肥腐解；随腐解时间延长，有机残体中难分解的纤维素、木质素比例增大，使绿肥腐解减慢。整个试验中白三叶有机残体腐解最快，这与其茎秆较柔弱、叶茎比(2.06)、总氨基酸(22.82%)、粗蛋白(26.9%)含量高，粗纤维含量(17.06%)低[24]有关。本研究3种绿肥腐解率均显著快于孙本华等[20]在荒漠生态条件下的实验结果，这可能与实验地条件、土壤水文物理性质差异较大有关。果园土壤熟化程度高、土壤理化性质优于未垦荒地[20]，生态条件有利于绿肥腐解。

绿肥在土壤中分解是一个复杂的生物化学过程，受土壤养分、温度、水分及绿肥种类等综合影响。极端干旱区3种绿肥翻压还田后，其腐解过程中有机残体中碳(C)、氮(N)、磷(P)、钾(K)养分的释放特征明显不同，C、N、K释放均在前21 d较快，与有机残体腐解规律一致，而P释放则在前56 d较快，各养分释放总体呈前期快、后期慢的特征。3种绿肥还田第21 d时C、N、P、K释放率分别在64.22%～79.02%、60.45%～80.71%、56.49%～70.50%、90.65%～94.98%，表现为K>C、N>P；第150 d时C、N、P、K释放率分别在73.14%～86.23%、68.18%～85.23%、77.92%～88.82%、98.33%～99.61%，表现为K>P>C>N，整个腐解期K释放最快且彻底。因为各养分释放速率与其存在形态有关，K在植物体内以离子态或无机盐形式存在于细胞或组织中，易于分解释放；而N、P绝大部分以蛋白质、氨基酸、核酸、磷脂等难分解的有机态形式存在，物理作用下不容易分解[12,15]，导致释放较慢。3种绿肥C、N、P、K累积释放率与有机残体累积腐解率的相关系数均达极显著水平(P<0.01)，第150 d时碳释放率与残体腐解率基本相似，因为腐解过程中碳含量始终在3种绿肥干物质量的比重大且相对稳定[13,18]。整个腐解过程中，各种养分释放率均高于有机残体腐解率，其中K释放率最高，这与前人研究结果一致[13,15-21]。本研究中3种绿肥翻压还田第14 d时C释放率为58.97%～63.67%，N释放率为55.37%～77.43%，此结果与潘福霞等[18]基本一致。朱小梅等[21]报道土壤盐分影响矿质元素的释放。本试验油菜还田前21 d时K释放率为90.65%，比李逢雨等[17]报道K释放率低8.2%，集中释放期延后10 d左右，这可能与干旱区蒸发强烈、土壤水分少、盐分向耕层土壤移聚有关。3种绿肥C、N、K释放与有机残体腐解规律相吻合，翻压还田前21 d分解释放较快，之后分解减慢，这可能与绿肥前期C/N相对较高，后期C/N降低有关，因为C/N为25～30∶1最有利于微生物分解。3种绿肥还田前7 d时C/N上升，前21 d仍保持相对较高的C/N，尤其白三叶腐解前期C/N最高达23.24；油菜、毛苕子C/N在13左右，影响土壤微生物分解与养分释放，此阶段白三叶腐解与养分释放最快；21 d之后C/N降低，维持在10左右，影响干物质腐解与养分释放，致使养分释放速率减慢。此外，3种绿肥C、N、P、K释放存在差异，P在整个腐解过程中呈持续释放状态，未出现明显的高峰期，这与孔伟等[25]研究结果相似。原因可能与干旱区土壤磷素状况及有机残体P含量低、P以难分解的大分子有机物形式存在有关；另外干旱区土壤盐分阻滞了P的释放[21]。利用线性、非线性回归分析拟合3种绿肥腐解过程中其干物质累积腐解率、累积养分释放率与翻压还田时间的关系，拟合结果以对数方程最好，这与孔伟、Froseth等[25-26]拟合结果一致。