亞熱帶單季稻區(qū)紫云英不同翻壓量下有機碳和養(yǎng)分釋放特征

王飛，林誠，李清華，何春梅，林新堅，李昱

（福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，福建 福州350013）

我國綠肥資源豐富。紫云英（Astragalus sinicus）作為我國的主要綠肥作物，在培育土壤、改善環(huán)境、提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)、減少化肥投入等方面發(fā)揮著重要作用［1－3］。福建省地處東南沿海，冬季光熱資源豐富，每年適宜種植綠肥的冬閑田面積在20萬hm2以上，發(fā)展冬種紫云英潛力巨大。20世紀(jì)80年代以來，有關(guān)紫云英育種及高產(chǎn)栽培技術(shù)的研究也較深入［4，5］。隨著近十幾年耕作制度的變革，單季稻已逐漸發(fā)展成為福建水稻（Oryza sativa）生產(chǎn)主要的耕作方式，但福建單季稻區(qū)紫云英翻壓時期一般在3月下旬至4月上旬，而插秧時間為6月下旬至7月上旬，中間相隔近3個月，另外，雙季稻田一般在紫云英盛花期（插秧前半個月左右）結(jié)合犁田進行水耕翻壓，而單季稻區(qū)由于距插秧時間長，為防養(yǎng)分滲漏與徑流損失，一般采用干耕方式，在這過程中，紫云英養(yǎng)分礦化釋放過程如何，不同還田條件下的土壤性質(zhì)、耕作方式、還田量等不同，也可能影響還田紫云英的腐解特征。為此，開展福建單季稻區(qū)模擬紫云英翻壓后的養(yǎng)分釋放過程及適宜翻壓量研究，旨在為福建單季稻區(qū)紫云英合理利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

采用培養(yǎng)試驗。試驗設(shè)在農(nóng)業(yè)部福建耕地保育科學(xué)觀測實驗站盆栽房（閩侯縣白沙鎮(zhèn)溪頭村）。供試土壤為福建省廣泛分布的黃泥田，采自試驗站稻田0～20cm表層土壤，土壤風(fēng)干過5mm篩網(wǎng)，充分混勻備用。供試土壤基本性狀如下：pH 4.94，有機質(zhì)25.0g／kg，堿解氮124.4mg／kg，速效磷21.3mg／kg，速效鉀101.2mg／kg，田間持水量26%。供試紫云英品種為“閩紫7號”，福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所選育。供試紫云英翻壓期有機質(zhì)59.27%，全氮2.612%，全磷0.312%，全鉀2.527%，干物質(zhì)12.6%。

1.2 試驗設(shè)計

采用盆栽培育方法。試驗設(shè)3個處理：1）鮮草翻壓47g／盆 （A1，低翻壓量，相當(dāng)于15 000kg／hm2）；2）鮮草翻壓94g／盆 （A2，中翻壓量，相當(dāng)于30 000kg／hm2）；3）鮮草翻壓141g／盆 （A3，高翻壓量，相當(dāng)于45 000 kg／hm2）。每塑料盆（27cm×20cm）裝土樣7kg。尼龍袋孔隙約1mm，規(guī)格20cm×30cm。紫云英盛花期收割，切成2cm左右，混勻，裝入尼龍袋，展平、封好袋口，埋土深10cm左右。培育期間，盆栽房四周處于通風(fēng)狀態(tài)，保持近自然狀態(tài)。培育過程及時補充蒸發(fā)的水分，并用稱重法保持田間持水量的70%。由于綠肥腐解受氣溫影響較大［6］，本試驗培育期間，每日于上午9時與下午3時分別監(jiān)測環(huán)境氣溫（圖1），其中上午9時平均氣溫為22.4℃，下午3時平均氣溫為25.1℃，并分別于10，20，35，60，90d分5次取樣，每次3個重復(fù)。采用毀滅性取樣法，每次處理隨機取3盆。每次將所取網(wǎng)袋中土粒清除干凈，并將殘余植株樣品于105℃殺青15min，70℃烘干后稱重、磨碎，測定碳、氮、磷、鉀含量，按常規(guī)方法測定［7］。

圖1 紫云英翻壓期間環(huán)境氣溫變化Fig.1 Environmental temperature changes during the A.sinicus manure application on soil

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel和DPS軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫云英不同翻壓量對干物質(zhì)及腐解速率動態(tài)變化影響

紫云英各時期累積腐解量均隨翻壓量的增加而提高（表1）。而隨著培育時間的推移，各處理的紫云英累積腐解率均持續(xù)增加。除前10d外，各個時期的累積腐解率大小順序為A1＞A2＞A3。培育至90d，A1、A2、A3處理的累積腐解率分別為78.7%，76.0%，71.2%，其中，A1、A2均與A3達顯著差異水平。從各時期平均腐解速率來看，A1、A2處理腐解速率在10～20d最高，隨后下降，35～60d有所上升，60～90d腐解趨于穩(wěn)定，而A3處理各期腐解速率隨腐解時間延長整體呈現(xiàn)下降趨勢，同一時期的不同翻壓量處理平均腐解速率與該時期的腐解量趨勢一致。上述說明，在70%田間持水量培育條件下，各翻壓量處理均表現(xiàn)為前20d腐解速率最高（平均腐解速率0.18g／d），而隨著翻壓量增加，紫云英累積腐解率呈下降趨勢，累積腐解量則隨翻壓量增加逐漸升高。

2.2 紫云英翻壓過程紫云英碳、氮、磷、鉀釋放特征

2.2.1 碳釋放特征 不同翻壓量紫云英碳素分解趨勢一致，各處理碳殘留量呈快速下降趨勢。翻壓后20d，A1、A2、A3處理碳累積釋放率分別為58.2%，51.3%，50.4%（圖2），平均為53.3%。翻壓后20～90d碳釋放逐漸趨于平緩，至90d時，A1、A2、A3處理碳累積釋放率分別為92.4%，90.8%，87.2%，平均為90.1%。上述表明翻壓后0～20d是紫云英有機碳釋放高峰期。碳累積釋放率（Y）與培養(yǎng)天數(shù)（X）經(jīng)回歸分析得冪方程：Y＝13.4246 X0.4391（P＜0.01）。從中也可看出，紫云英翻壓后90d，不同翻壓量的有機碳分解殆盡，其釋放的碳主要去向是紫云英有機碳礦化形成CO2釋放到大氣中，或被土壤微生物利用形成微生物碳被暫時固持，或進一步腐殖化形成土壤中較穩(wěn)定的有機碳庫，有關(guān)紫云英腐解后碳去向貢獻率有待進一步研究。

2.2.2 氮釋放特征 不同用量紫云英氮素分解趨勢與碳素基本一致（圖3）。翻壓后20d，各處理氮累積釋放率與碳累積釋放率相當(dāng)，A1、A2、A3處理氮累積釋放率分別為55.4%，51.3%，49.4%，平均為52.0%。20～60d氮釋放逐漸降低，60～90d基本停滯。至90d時，A1、A2、A3處理氮累積釋放率分別占相應(yīng)加入量的90.0%，87.5%，84.6%，平均為87.4%。氮素累積釋放率（Y）與培養(yǎng)天數(shù)（X）經(jīng)回歸分析得冪方程：Y＝14.0314 X0.4208（P＜0.01）。紫云英翻壓礦化形成的無機氮部分累積在土壤中，部分被微生物固持［8］，其余將以硝酸鹽淋失、氨損發(fā)和反硝化損失出土壤－作物系統(tǒng)，其具體去向及貢獻率有待進一步研究。

2.2.3 磷釋放特征 從磷素累積釋放率來看（圖4），磷素的釋放特征區(qū)別于碳、氮，但不同翻壓量處理紫云英磷素分解趨勢一致。在翻壓前期，相對于碳、氮釋放速率而言，各處理磷素釋放相對較慢，翻壓后20d，A1、A2、A3處理磷累積釋放率僅為27.6%，22.2%，15.8%，平均為21.9%。翻壓20～60d時，各處理磷素快速釋放。翻壓至60d時，紫云英 A1、A2、A3處理磷素累積釋放率分別占相應(yīng)加入量的77.9%，75.4%，65.1%，平均為72.8%。此后至90d進入緩慢腐解期，至90d時，A1、A2、A3三處理磷素累積釋放率平均為77.9%。磷素累積釋放率（Y）與培養(yǎng)天數(shù)（X）經(jīng)回歸分析得冪方程：Y＝3.5458 X0.7037（P＜0.01）。

表1 紫云英不同翻壓量的腐解特征Table 1 The characteristics of decomposition of A.sinicus manure application

圖2 紫云英不同翻壓量碳的釋放特征Fig.2 The characteristics of carbon release of A.sinicus manure application

圖3 紫云英不同翻壓量的氮釋放特征Fig.3 The characteristics of nitrogen release of A.sinicus manure application

2.2.4 鉀釋放特征 不同用量紫云英鉀分解趨勢一勢，且與碳、氮分解規(guī)律相當(dāng)（圖5）。翻壓后20d，A1、A2、A3處理鉀累積釋放率分別為65.1%，56.0%，51.4%，平均為57.5%，均高于碳與氮的分解率。翻壓后60d鉀釋放趨于平緩，至90d時，A1、A2、A3處理鉀累積釋放率分別為96.5%，96.5%，95.8%，平均為96.3%。表明至90d時，紫云英鉀基本分解完全。鉀素累積釋放率（Y）與培養(yǎng)天數(shù)（X）經(jīng)回歸分析得冪方程：Y＝15.7784 X0.4213（P＜0.01）。

圖4 紫云英不同翻壓量磷的釋放特征Fig.4 The characteristics of phosphorus release of A.sinicus manure application

圖5 紫云英不同翻壓量鉀的釋放特征Fig.5 The characteristics of potassium release of A.sinicus manure application

3 討論

眾多腐解試驗結(jié)果表明［9－12］，植物殘體腐解動態(tài)變化呈前期腐解快，后期慢的特征，而腐解速率與作物殘體的化學(xué)組分有關(guān)。水溶性物、苯－醇溶出物和粗蛋白物質(zhì)分解最快，半纖維素次之，纖維素更次之，木質(zhì)素最難分解［13］。由于紫云英含有大量苯－醇溶出物和水溶性物質(zhì)［14］，且C／N值（約13.2）要低于同類綠肥如箭筈豌豆（Viciasativa）、苕子（Viciavillosa）與山黧豆（Lathyruspalustris）（C／N 值為17～19）［15］，故翻壓后分解速度較快。供試紫云英經(jīng)過90d的腐解，紫云英失重率在70%左右。從取樣時間間隔可以將紫云英腐解分為4個階段，紫云英腐解出現(xiàn)了2次快速腐解期，第1階段即紫云英腐解的前20d，是腐解最快的階段，這一階段腐解物質(zhì)可能是以可溶性的有機物如氨基酸、有機酸以及無機養(yǎng)分等較多；隨后紫云英腐解速率迅速降低（20～35d），可能是由于紫云英中的可溶性有機物在紫云英腐解20d后已基本分解，或是可溶性物質(zhì)的溶出包括有機酸等抑制了土壤微生物活性，阻礙了有機物的分解。隨后進入相對復(fù)雜的不易降解的木質(zhì)素、纖維素等有機物質(zhì)分解階段［16］；第3階段，即腐解后35～60d，可能由于分解復(fù)雜有機質(zhì)微生物的快速繁殖，并占據(jù)優(yōu)勢種群，從而加速了腐解速率。在腐解最后一個階段（腐解60d后），干物質(zhì)腐解大部分完成，此時紫云英已經(jīng)進入緩慢分解階段。

對箭筈豌豆、苕子、山黧豆3種不同綠肥養(yǎng)分釋放研究發(fā)現(xiàn)，翻壓15d時碳釋放率達52%～58%，氮釋放率53%～71%［17］，王巖和劉國順［18］對綠肥翻壓的研究也表明，翻壓14d時苜蓿的碳釋放率達45%，氮釋放率達30%。本研究表明，在紫云英翻壓20d時，碳、氮釋放率就高達50%左右，其研究結(jié)果基本與其他綠肥種類一致。但紫云英磷、鉀釋放特點卻有別于相關(guān)報道。相關(guān)研究表明，綠肥秸稈等腐解過程中各種養(yǎng)分間釋放一般表現(xiàn)為鉀＞磷＞氮，特別是鉀在腐解前10d基本釋放完全［19，20］，而本試驗條件下，前20d，鉀的平均累積腐解率為57.5%，而磷也僅為21.9%。鉀、磷腐解率與以往報道差異較大的原因可能與試驗條件不同有關(guān)。由于秸稈中鉀素主要以離子態(tài)存在，易溶于水，因此腐解過程中鉀釋放較快，而磷素也主要以水解性的有機態(tài)形式存在，礦化后形成水溶性的磷酸鹽，而前人研究多采用去離子水洗凈尼龍網(wǎng)后［19－21］，烘干測定秸稈中養(yǎng)分含量，雖然此階段秸稈釋放的養(yǎng)分，特別是鉀離子經(jīng)過腐解大部分被釋放出來，但離子形態(tài)的鉀、磷并不會全部遷移至土壤，有可能附于秸稈殘體表面及尼龍袋與土壤接觸面的土壤上，用水洗后這部分鉀、磷就直接流失，從而明顯提高了單位時間的鉀、磷養(yǎng)分釋放率。當(dāng)然試驗材料、土壤性質(zhì)、培育水分及環(huán)境溫度的差異也可能是導(dǎo)致鉀、磷釋放率出現(xiàn)差異的原因。

在實際生產(chǎn)中，以中量30 000kg／hm2紫云英還田量來計算，至90d時，氮、磷、鉀累積釋放率分別為87.4%，77.9%，96.3%，理論上可累積釋放 N、P2O5、K2O 養(yǎng)分為86.4，21.53和111.56kg／hm2。而水稻生產(chǎn)中推薦N、P2O5、K2O施肥用量分別為120，42和78kg／hm2［22］，以此看來，理論上中量紫云英翻壓就可分別提供后茬水稻生長72%N、51.3%P2O5與143.0%K2O的推薦養(yǎng)分，但事實是否如此？已往研究表明，翻壓綠肥秸稈等均可不同程度提高土壤肥力，但提高量遠小于翻壓量理論值［23－25］，而造成此結(jié)果的主要原因可能是隨著腐解時間的推移，碳、氮在腐解過程中以氣態(tài)損失以及磷、鉀在土壤中逐漸向難溶性形態(tài)轉(zhuǎn)化。但由于本試驗采用網(wǎng)袋法模擬測定，與田間翻壓條件下紫云英－土壤完全相融狀態(tài)存在一定差異，培育條件下測定翻壓紫云英對土壤培肥或環(huán)境效應(yīng)尚難客觀反映田間實際情況，因此，探討翻壓紫云英對土壤碳吸存及土壤養(yǎng)分的影響應(yīng)結(jié)合田間原位尤其是長期定位試驗測定。

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