陕北旱地毛叶苕子不同翻压量下腐解速率及养分变化特征

段志龙，王晨光，马 欣，王 辉

（1.延安市农业科学研究所，陕西 延安 716000；2.陕西省农业技术推广中心，陕西 西安 710003）

渭北黄土高原沟壑区是我国西北地区的主要农业区，该地区光照充足，昼夜温差大，雨热同季，海拔高度适宜，因其独特的自然条件和生态因素被农业农村部确定为两大苹果产业优生带之一［1-2］。为发展生态农业、减少过度依赖化肥引起的土壤健康问题，在果树行间种植绿肥成为有效改良土壤、培肥地力的重要措施［3］。相关研究表明，绿肥翻压后可以改善土壤微生物性状，增加土壤有机质含量和氮、磷、钾养分含量［4-5］，提高果园微生物数量和酶活性［6］，从而改善土壤质量［7］。绿肥翻压后其腐解规律和养分释放特征因地域、作物种类、土壤类型的不同亦存在明显差异［8-10］，黄土旱塬区农田土壤中长武怀豆和黑麦草翻压腐解的研究发现绿肥腐解速率呈“快速上升—缓慢增加—中低速增长”的倒“S”形，碳、氮养分在翻埋后快速释放，长武怀豆的腐解速率、累积腐解率高于黑麦草，其氮释放也相对较快［9］；在贵阳黄壤旱地采用尼龙网袋法研究绿肥翻压还田养分释放特征时发现，风干绿肥的腐解速率高于新鲜绿肥，经过 180 d的腐解，氮素释放率为73.55%～83.80%，磷素释放率为 76.40%～87.13%，钾素腐解率高于氮素和磷素［10］。

毛叶苕子（Vicia villosa）是我国主要的绿肥作物，能充分利用水、光、热和土地资源，具有较强的抗寒抗旱耐贫瘠能力［11-12］。相关研究表明，毛叶苕子在不同土壤类型下其腐解特征及养分释放规律有所不同［8，12-13］。张成兰等［12］在豫南稻田不同施肥条件下毛叶苕子腐解及养分释放特征的研究表明，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；养分释放率表现为钾＞磷＞碳＞氮，翻压148 d 氮、磷、钾的累积释放率分别为78.2%～81.2%、89.8%～91.4%、96.3%～97.0%。刘佳等［8］在红壤旱地的研究表明，毛叶苕子腐解过程为前期迅速、后期缓慢，碳、氮、磷、钾均在翻压后的前20 d大量释放，且增加翻压量会对养分的释放率和释放速率产生影响。宁东峰等［13］在华北潮土的研究发现毛叶苕子翻压21 d内氮释放较快，磷在整个翻压期内的释放较为平缓，钾在翻压前期迅速释放。陕北地区毛叶苕子产量为45000 kg/hm2，将如此大量的毛叶苕子原地还田是否科学，其释放的养分能否得到合理利用，在渭北旱地关于毛叶苕子翻压的养分释放特征研究应用较少，数据支撑不足。因此，本研究综合考虑了毛叶苕子在陕北种植的一般产量范围及农业生产中绿肥的常见用量，设置不同翻压量处理，在大田试验条件下采用尼龙网袋法［14］研究毛叶苕子不同翻压量后的腐解和养分释放规律，明确绿肥翻压对土壤养分的贡献，为合理确定绿肥翻压量和化肥配施量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验于2020年9～12月在陕西省延安市洛川县凤栖镇西井村（109°26′25″E，35°46′19″N）进行，该地区位于渭北黄土高原沟壑区，海拔1180 m，暖温带半湿润大陆性季风气候，年平均气温9.2℃，昼夜温差15.7℃，无霜期167 d，日照时数2552 h，年均降水量622 mm。土壤类型为黑垆土，有机质含量10.65 g/kg，全氮含量0.49 g/kg，全磷含量0.54 g/kg，全钾含量30.22 g/kg。

1.2 试验设计

试验设3个不同翻压量处理：（1）180 g/袋（T1，低翻压量，相当于30000 kg/hm2）；（2）270 g/袋（T2，中翻压量，相当于45000 kg/hm2）；（3）315 g/袋（T3，高翻压量，相当于52500 kg/hm2）。于2020年9月将盛花期毛叶苕子植株剪成3～4 cm的小段，分装于20 cm×30 cm的尼龙网袋内，翻埋于空白果树行间，深度15～20 cm。毛叶苕子品种为蒙苕1号，试验采用随机区组排列，3次重复。装袋时毛叶苕子鲜体的含水量为76.36%，养分状况见表1。

表1 毛叶苕子初始养分含量 （g/kg）

1.3 样品采集与测定

于 翻 压 后3、10、17、27、37、47、61、75、71 d进行埋袋样品取样，取样后去除表面泥土及杂物，将网袋中毛叶苕子残留样品于80℃烘箱中烘干称量，粉碎后测定氮、磷、钾养分的含量。植株样品经H2SO4-H2O2消煮后，全氮用凯氏定氮法测定，全磷用钒钼黄比色法测定，全钾用火焰光度法测定［15］。

1.4 数据分析

采用Excel 2016和SigmaPlot 10.0进行数据整理和制作图表，采用SPSS 22.0进行显著性分析。相关计算公式如下：

累积腐解率（%）=（M0-Mt）/M0×100 （1）

平均腐解速率（g/d）=（Mt-Mt-1）/（Tt-1-Tt） （2）

养分累积释放率（%）=（C0×M0-Ct×Mt）/（C0×M0）×100 （3）

养分累积释放量（mg）=C0×M0-Ct×Mt（4）

养分释放速率（mg/d）=（Ct×Mt-Ct-1×Mt-1）/（Tt-Tt-1）（5）

式中，C0为毛叶苕子初始养分含量，Ct为毛叶苕子t时刻养分含量；M0为毛叶苕子初始干物质质量，Mt为毛叶苕子t时刻干物质质量；Tt为t时刻的天数。

2 结果与分析

2.1 毛叶苕子干物质的腐解特征

毛叶苕子翻压后干物质腐解率的动态变化如图1所示。可以看出，随着时间的推移，不同翻压量毛叶苕子的干物质累积腐解率均呈逐渐增加的趋势，但翻压前期（0～27 d）增加较快，T1、T2、T3处理在翻压27 d时累积腐解率分别达到52.29%、48.24%和44.63%，其中T1与T3处理达到显著差异（P＜0.05）；27 d后累积腐解率增加变缓，至试验结束时各处理干物质的最终腐解率依次为61.98%、62.08%和65.32%。比较翻压后不同处理间毛叶苕子干物质的累积腐解率发现，0～47 d累积腐解率均为T1＞T2＞T3，47 d后T1处理累积腐解率缓慢降低，T3处理缓慢上升。毛叶苕子翻压后各时期干物质平均腐解速率的动态变化大体可分为2个阶段，0～17 d为快速下降阶段，腐解速率由最初的10.41～12.85 g/d迅速下降到2.91～3.60 g/d；17 d后腐解速率下降相对缓慢，此阶段的平均腐解速率为0.87～1.53 g/d。纵观翻压后各时期干物质平均腐解速率变化，整体表现为T1＜T2＜T3。

2.2 毛叶苕子氮释放特征

图1 毛叶苕子干物质累积腐解率和平均腐解速率的动态变化

图2 毛叶苕子氮养分释放动态变化

从图2a可以看出，翻压后毛叶苕子氮的累积释放率与干物质的腐解规律相似，毛叶苕子翻压后0～17 d为氮的快速释放时期，第17 d时T1、T2和T3处理氮累积释放率分别为59.06%、57.52%和51.05%，17～75 d氮素释放较之前缓慢，至75 d各处理氮累积释放率依次为75.23%、69.10%和70.97%。氮累积释放率整体表现为T1＞T2＞T3。图2b是毛叶苕子翻压后各时期氮养分释放速率的动态变化，其变化大体可分为2个阶段，0～10 d为快速下降阶段，释放速率由最初的26.06～38.69 mg/d迅速下降到7.79～11.05 mg/d；17 d时T2处理释放速率显著高于T1和T3处理，之后释放速率下降相对缓慢，至75 d时氮养分释放速率为0.80～0.98 mg/d。纵观翻压后各时期氮养分释放速率变化，整体表现为T1＜T2＜T3。

2.3 毛叶苕子磷释放特征

图3为毛叶苕子翻压后各时期磷养分动态变化，随着时间的推移，不同翻压量毛叶苕子的磷养分释放均呈逐渐增加的趋势，但翻埋后0～10 d为磷的快速释放时期，第10 d时T1、T2和T3磷累积释放率分别为49.60%、46.16%和43.97%；10～75 d磷释放速率缓慢上升，第75 d时T1、T2和T3磷累积释放率分别为78.24%、72.25%和73.32%，累积释放率整体表现为T1＞T2＞T3。0～10 d磷释放速率由最初的6.84～9.79 mg/d迅速下降到0.35～0.41 mg/d，10～75 d释放速率在0.14～0.52 mg/d左右浮动。

2.4 毛叶苕子钾释放特征

图4为毛叶苕子翻压后各时期钾养分动态变化，与磷养分释放规律相似，随着时间的推移，不同翻压量毛叶苕子的钾释放呈逐渐增加的趋势，至试验结束时（75 d），T1、T2和T3处理钾累积释放率分别为90.02%、81.62%和86.51%，累积释放率整体表现为T1＞T2＞T3。0～10 d为钾元素快速释放时期，钾释放速率由最初的40.61～53.14 mg/d迅速下降到7.89～16.33 mg/d，且各处理差异显著（P＜0.05），10～75 d释放速率缓慢下降，在第10和17 d时T1释放速率显著高于T2、T3处理，至75 d时钾养分释放速率为0.45～3.13 mg/d。

图3 毛叶苕子磷养分释放动态变化

图4 毛叶苕子钾养分释放动态变化

2.5 毛叶苕子氮、磷、钾释放率和释放速率的回归分析

毛叶苕子翻压后其养分释放率（y）、释放速率（v）与翻压时间（x）的关系可用回归方程拟合（表2）。其养分释放率与翻压时间的关系符合幂函数y=axb［8，16-17］，方程中参数a可用来表征翻压后某种养分能够较快达到的释放率，b为释放率增长参数。养分释放速率与翻压时间的关系参考Olson［18］的指数衰减模型v=v0e-kx进行拟合，方程中的v0表征某种养分的最大释放速率，e为自然常数，k为速率衰减参数［19］。通过回归分析可以看出，不同翻压量下各养分最易达到的释放率均随翻压量的增大而降低，但降幅较小，释放率增长参数b未表现出明显变化，从而得出加大翻压量并不能改变各种养分的整体释放规律。从释放速率方程可以看出，随着翻压量的增加，各养分的最大释放速率变化有所差异，氮养分最大释放速率呈先增加后减小的趋势，磷的最大释放速率呈逐渐提升的趋势，钾的最大释放速率呈逐渐减少的趋势。通过回归分析预测到不同翻压量的毛叶苕子还田后，其氮、磷和钾完全释放的时间分别是132～181、184～351和80～118 d。

表2 毛叶苕子氮、磷、钾释放率和释放速率的回归分析

3 讨论

本研究发现，随着时间推移不同翻压量毛叶苕子腐解率均呈前期（0～27 d）迅速增加、后期缓慢的变化趋势，最终腐解率达到61.98%～65.32%，这与已有研究结论相似［5，8-10］。主要是由于翻压初期毛叶苕子植株水分含量高，水溶性有机物多糖、氨基酸、有机酸等有机物质被微生物利用，这些易分解的有机物质为土壤微生物提供大量的碳源和养分，加速了腐解进程［20］；同时腐解前期植株秸秆中微生物偏嗜性高的可溶性糖类、蛋白质和（半）纤维素等物质会快速分解。随翻压时间的延长，植株秸秆中易分解有机物质逐渐减少，而微生物较难利用的木质素、单宁和蜡质等比例升高，腐解随之缓慢［21］。另一方面，温度和水分也是影响土壤微生物活性和物质腐解的重要因素，在一定范围内温度升高、土壤含水量增加会加速物质腐解［22］。本试验在9～12月进行，9月气温较高，翻压的毛叶苕子在较适宜的温湿度条件下加快了腐解，但之后气温降低降水少等环境因素的变化使土壤通气状况受到影响，影响有机物料的分解速率［23］，限制了植株残体的腐解速率。

不同养分的释放率与其在植物体内的存在形态和分布位置有关，本研究中毛叶苕子大量营养元素释放率顺序为钾＞磷＞氮，氮、磷、钾累积释放率依次为69.10% ～75.23%、72.25% ～ 78.24%、81.62%～90.02%，这与刘佳等［8］的研究结果相似，刘佳等［8］利用新鲜样品在红壤旱地进行了腐解试验，结果显示土壤类型不同导致腐解强度略强于黄土高原旱地，此外供试土壤类型不同可能也对试验结果产生了一定影响。从腐解过程中养分释放速率的动态变化和回归分析中可以看出，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。随着翻压量的增加，氮养分最大释放速率呈先增加后减小的趋势，磷的最大释放速率逐渐提升，钾的最大释放速率逐渐减少。增加翻压量对毛叶苕子磷完全释放的延缓效应最大（延缓145～167 d）、氮次之（延缓31～49 d）、钾最小（延缓26～38 d），在黄土高原旱地翻压毛叶苕子时增加翻压量对钾素释放率的影响最小。氮、磷、钾养分释放过程差异明显，可能与其存在的形态有关，钾在植株体内以离子形式存在，易溶于水而容易被释放出来；氮在植物体内主要存在于蛋白质和氨基酸中，仅有少量以硝态氮和铵态氮等形式存在，易释放；磷以难分解的有机态为主，其与大分子有机态氮释放需要微生物分解，且释放过程较慢［5，24-25］。毛叶苕子适应能力强，在我国南北方产量均很高，因此在实际生产中应充分结合作物需肥特性，确定毛叶苕子合理的翻压量，使绿肥资源得到合理利用。但是本研究仅局限于毛叶苕子的养分释放这一环节，其养分释放对果园土壤及苹果品质等的影响还有待进一步研究。

4 结论

毛叶苕子腐解呈前期迅速增加、后期缓慢的变化趋势，氮、磷、钾养分均在翻压后的前10 d大量释放。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，在陕北旱地增加翻压量对毛叶苕子钾素释放率影响最小，对磷释放的延缓效应最大。