果園土壤中鼠茅草的降解特性及其對(duì)氮素供應(yīng)的影響

梁斌，董靜，隋方功，劉慶花，李俊良*

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東 青島 266109；2.壽光市農(nóng)業(yè)局，山東 壽光 262700)

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果園土壤中鼠茅草的降解特性及其對(duì)氮素供應(yīng)的影響

梁斌1，董靜2，隋方功1，劉慶花1，李俊良1*

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東 青島 266109；2.壽光市農(nóng)業(yè)局，山東 壽光 262700)

摘要：果園生草提高土壤肥力，減少水土流失，具有良好的生態(tài)環(huán)境效益。但生草對(duì)土壤氮素的供應(yīng)影響是果農(nóng)關(guān)注的問(wèn)題之一。本研究通過(guò)室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)，研究了不同時(shí)期采集的果園生草作物(鼠茅草)的降解特性及其對(duì)氮素固持的影響。結(jié)果表明，鼠茅草枯萎后，地上部易降解有機(jī)碳占51%，鼠茅草難降解部分殘留在土壤當(dāng)中每年增加1 t/hm2的土壤碳固持；施氮肥加快鼠茅草的降解，同時(shí)增加其穩(wěn)定有機(jī)碳的相對(duì)含量，對(duì)土壤固碳量影響不大；鼠茅草枯萎還田后對(duì)土壤氮素的固持量為39～65 mg/kg，因此在中低肥力土壤施肥時(shí)應(yīng)適當(dāng)?shù)匮a(bǔ)充60～100 kg/hm2氮素，避免微生物和果樹(shù)爭(zhēng)肥，同時(shí)提高土壤肥力。

關(guān)鍵詞：蘋(píng)果園；固持；施氮；二氧化碳釋放

我國(guó)蘋(píng)果園有機(jī)質(zhì)含量偏低，施用氮肥使土壤碳氮比(C/N)降低，導(dǎo)致土壤板結(jié)、保肥性差等問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，膠東果園C/N由1984年的9.45降低到2012年的7.87，威脅土壤質(zhì)量安全[1]。因此如何增加果園有機(jī)質(zhì)含量，提高土壤肥力關(guān)系到我國(guó)蘋(píng)果(Maluspumila)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。果園生草是歐美及日本等發(fā)達(dá)國(guó)家普遍推行的土壤管理模式，在提高土壤肥力[2]，減少水土流失[3-4]等方面取得了良好的生態(tài)及經(jīng)濟(jì)效益。我國(guó)學(xué)者的研究也表明果園生草可明顯增加果園產(chǎn)量和改善果實(shí)品質(zhì)[5-6]。但是果園生草中多存在草與果樹(shù)爭(zhēng)奪水分和養(yǎng)分的問(wèn)題，限制果園生草的發(fā)展[7-8]。解決樹(shù)草對(duì)水分和養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題的關(guān)鍵是選出果樹(shù)、草種生態(tài)位不重疊的優(yōu)良組合[2]。

鼠茅草(Vulpiamyuros)是近年來(lái)引起果農(nóng)矚目的野生草種。主要分布在江蘇、浙江、廣西等地。鼠茅草為1年生禾本科鼠茅屬植物，每年9月份發(fā)芽，在春季迅速生長(zhǎng)，株高可達(dá)60 cm以上，于6月初枯萎倒伏，覆蓋于地表。近期研究[9-10]表明鼠茅草在抑制果園夏季雜草生長(zhǎng)方面有重要作用，是果園中很好的覆蓋作物。在我國(guó)北方果樹(shù)旺盛生長(zhǎng)階段鼠茅草已經(jīng)枯萎死亡，緩解了草與樹(shù)爭(zhēng)水爭(zhēng)肥的矛盾；生長(zhǎng)后期自然枯萎倒伏，免除人工割草或除草劑使用，省工環(huán)保；除此之外，鼠茅草一次播種后靠種子萌發(fā)自然繁殖，避免重復(fù)播種。鑒于上述特性，鼠茅草非常適合在果園中種植，具有在我國(guó)北方大面積推廣的潛力。目前鼠茅草在膠東果園已經(jīng)推廣種植6年，種植面積達(dá)700 hm2。

雖然鼠茅草的生長(zhǎng)季節(jié)與果樹(shù)旺盛生長(zhǎng)季節(jié)不重合，一定程度上避免了果樹(shù)與草的爭(zhēng)水爭(zhēng)肥，但是鼠茅草枯萎后的降解過(guò)程可能導(dǎo)致土壤微生物大量固定土壤氮素，影響果樹(shù)對(duì)氮素的吸收，另外鼠茅草在固碳減排方面的作用有多大也是需要關(guān)注的問(wèn)題。因此，本研究通過(guò)田間采樣室內(nèi)培養(yǎng)的方法研究了鼠茅草降解過(guò)程及其對(duì)土壤氮素的影響，以期為生草果園合理的施用氮肥提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

采樣地點(diǎn)位于青島農(nóng)業(yè)大學(xué)膠州試驗(yàn)基地。該基地蘋(píng)果園采用全園種植鼠茅草模式。于2013年6月(鼠茅草自然枯萎后)和2014年3月(蘋(píng)果春季施肥之前)采集枯萎鼠茅草樣品，經(jīng)烘干粉碎成0.2～0.5 cm小段待用，其中有機(jī)碳及氮、磷、鉀含量見(jiàn)表1。2014年3月在同一果園內(nèi)采集供試土壤，土壤樣品風(fēng)干過(guò)2 mm篩后待用，其基本理化性狀見(jiàn)表1。

表1　供試鼠茅草和土壤養(yǎng)分含量狀況

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用雙因素完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，包括生草作物還田和施用氮肥兩個(gè)因素。生草作物還田包括：不還田(CK)、施用2013年6月采集鼠茅草(C1)和施用2014年3月采集鼠茅草(C2)3個(gè)處理；氮肥處理包括不施氮肥和施用氮肥(+N)2個(gè)處理，采用完全隨機(jī)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，共6個(gè)處理，重復(fù)3次。其中生草作物還田量為0.67%(相當(dāng)于生草作物全量還田至0～15 cm土層的用量)，氮肥為(NH4)2SO4，施氮量為200 mg/kg。采用室內(nèi)模擬試驗(yàn)，將土樣含水量調(diào)至18%，在20℃下預(yù)培養(yǎng)7 d，然后按上述試驗(yàn)處理加入鼠茅草和氮肥，放入塑料培養(yǎng)瓶，每瓶裝1 kg土壤。在培養(yǎng)的第1，3，6，7，11，16，22，30天測(cè)定其中的硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量和土壤呼吸。

1.3測(cè)定方法

土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮采用0.5 mol/L硫酸鉀(液土比4∶1)浸提，流動(dòng)分析儀(AA3，BRAN+LUEBBE，德國(guó))測(cè)定。土壤呼吸采用氫氧化鈉吸收滴定法測(cè)定[11]。土壤經(jīng)不同處理之后，稱(chēng)取相當(dāng)于50.0 g烘干土的鮮土放入75 mL培養(yǎng)瓶中，將培養(yǎng)瓶和盛有10 mL 0.2 mol/L NaOH溶液的塑料瓶同時(shí)放入密閉的500 mL塑料瓶中。在培養(yǎng)的第1，3，6，7，11，16，22，30天，用0.2 mol/L HCl滴定剩余的NaOH來(lái)計(jì)算CO2的釋放量。

1.4數(shù)據(jù)分析

用SAS Version 8.1 for Windows 做方差分析，如果差異顯著，用LSD法進(jìn)行多重比較。假定鼠茅草秸稈有機(jī)碳由易降解有機(jī)碳庫(kù)和穩(wěn)定有機(jī)碳庫(kù)兩部分組成，用雙指數(shù)方程來(lái)擬合有機(jī)碳的降解率[12]。

累積有機(jī)碳降解率=a(1-e-K1*t)+(100-a)(1-e-K2*t)

易降解有機(jī)碳半衰期=ln2/K1

難降解有機(jī)碳半衰期=ln2/K2

式中,t為培養(yǎng)時(shí)間，a為易降解有機(jī)碳占的比例，100-a為不易降解有機(jī)碳所占比例，K1為易降解有機(jī)碳的降解常數(shù)(d-1)，K2為穩(wěn)定有機(jī)碳降解常數(shù)(d-1)。

2結(jié)果與分析

2.1生草作物還田對(duì)土壤CO2釋放的影響

在培養(yǎng)期間，土壤原有機(jī)質(zhì)降解釋放1161 mg CO2-C/kg，占土壤有機(jī)碳的10%；生草作物還田顯著增加土壤CO2釋放量，C1和C2處理累積釋放量分別為2359和1928 mg CO2-C/kg，是CK處理的2.0和1.7倍。施用氮肥促進(jìn)CO2的釋放，在30 d培養(yǎng)期間，+N、C1+N和C2+N處理分別比CK、C1和C2處理CO2釋放量增加10%，7%和14%(圖1)。

圖1　不同處理CO2累積釋放量(A)和鼠茅草累積降解率(B)Fig.1　Accumulation of CO2 (A) and decomposition rate of V. myuros (B) during 30 days incubation

在培養(yǎng)的30 d當(dāng)中，C1和C2處理鼠茅草秸稈降解率分別為30%和19%，施用氮肥使降解率分別提高到31%和23%(圖1)；利用雙指數(shù)方程對(duì)生草作物的降解進(jìn)行了擬合，各處理相關(guān)系數(shù)(R2)都在0.976以上(表2)。經(jīng)方程計(jì)算得出，C1和C2中易降解有機(jī)碳占本身有機(jī)碳的51.7%和22.3%，易降解部分半衰期分別為23和11 d；在C1處理中穩(wěn)定有機(jī)碳含量占48.3%，半衰期為301 d。雖然施用氮肥在短期內(nèi)促進(jìn)了鼠茅草的降解，但是長(zhǎng)期來(lái)說(shuō)，提高了鼠茅草中穩(wěn)定性有機(jī)碳的相對(duì)含量。

2.2生草還田對(duì)土壤氮素礦質(zhì)氮的影響

由于硝化作用，施入200 mg/kg銨態(tài)氮后，土壤銨態(tài)氮含量下降，硝態(tài)氮含量上升，在培養(yǎng)的30 d內(nèi)，施入氮肥的硝化作用基本結(jié)束(圖2a，b)。在培養(yǎng)的第1天，施入銨態(tài)氮導(dǎo)致土壤礦質(zhì)態(tài)氮增加166～178 mg/kg(圖2c)，說(shuō)明有22～34 mg/kg施入的氮素發(fā)生固持或損失。在培養(yǎng)期間，CK土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量由28 mg/kg逐漸升高到68 mg/kg；在培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，加氮處理(+N、N+C1、N+C2)礦質(zhì)態(tài)氮含量分別較不加氮處理(CK、C1、C2)提高222，223和247 mg/kg，大于施入氮肥量，說(shuō)明氮肥施用促進(jìn)了土壤或生草作物原有有機(jī)氮的礦化；與CK相比，培養(yǎng)第10天之后，生草作物還田使土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量顯著降低25～52 mg/kg，占原有礦質(zhì)態(tài)氮(即CK處理的礦質(zhì)態(tài)氮)的48%～77%。在施氮條件下，培養(yǎng)中期(第6～22天)生草作物還田處理固持量(還田處理與CK處理礦質(zhì)態(tài)氮含量之差)達(dá)到39～65 mg/kg，顯著地大于不施氮處理的固持量，但這部分固持的氮素在22 d之后就開(kāi)始發(fā)生釋放(圖2d)。

表2　不同處理中鼠茅草秸稈有機(jī)碳降解特性

注：同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

Note: Different letters in the same column show significant differences at 0.05 level.

圖2　不同處理銨態(tài)氮(A)、硝態(tài)氮(B)、礦質(zhì)氮(C)和氮固持量(D)動(dòng)態(tài)變化Fig.2　Dynamic of ammonium N (A), nitrate N (B), mineral N (C), and immobilized N (D) under different treatments during decomposition of V. myuros

3討論與結(jié)論

據(jù)統(tǒng)計(jì)，蘋(píng)果園種植鼠茅草每年產(chǎn)干草為7.5～15 t/hm2，平均為12.8 t/hm2，每年固持碳量可達(dá)5.12 t/hm2，按本研究中穩(wěn)定有機(jī)碳百分比和半衰期計(jì)算，每年碳凈固持量達(dá)1.01 t/hm2。Conant等[13]總結(jié)前人研究結(jié)果估測(cè)，退化草原補(bǔ)種草種后每年每hm2可增加固碳0.75～3.0 t，石鋒等[14]比較補(bǔ)播改良退化草地發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)碳的年增加量達(dá)每hm20.9 t?？梢?jiàn)，果園生草有利于有機(jī)碳在土壤中的積累[15]，每年固碳量與草地相當(dāng)。施用化學(xué)氮肥雖然加快了生草作物的降解，但施用氮肥提高了穩(wěn)定碳的百分比含量，總體來(lái)說(shuō)對(duì)土壤固碳量影響不大。鄭海霞等[16]在草原的研究也得出相同的結(jié)論。

生草作物與果樹(shù)爭(zhēng)肥爭(zhēng)水是果園生草推廣的主要限制因素之一[8, 17]。鼠茅草與果樹(shù)旺盛生長(zhǎng)不重疊，在一定程度上避免了草與樹(shù)的爭(zhēng)肥問(wèn)題。在6-9月份果樹(shù)旺盛生長(zhǎng)期間恰逢鼠茅草枯萎降解階段，據(jù)報(bào)道鼠茅草經(jīng)過(guò)80 d的腐解，其中氮素的累積釋放率達(dá)到15%～25%[18]。但是在此過(guò)程中，由于枯萎鼠茅草提供了大量的碳源，促進(jìn)土壤微生物對(duì)氮素的固持[19]，還田第10～30天使對(duì)照土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量降低25～52 mg/kg。因此在肥力水平中等或偏低果園中應(yīng)該補(bǔ)充60～100 kg/hm2的氮肥，尤其是果園生草種植的前3年。在高肥力土壤中由于鼠茅草降解速度較快，氮素固持時(shí)間較短，并且固持后氮素仍然保持在較高水平，則不需要額外補(bǔ)充施用氮肥。

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Decomposition characteristics of aVulpiamyuroscover crop in an orchard soil and its effect on N supply

LIANG Bin1, DONG Jing2, SUI Fang-Gong1, LIU Qing-Hua1, LI Jun-Liang1*

1.CollageofResourcesandEnvironment,QingdaoAgricultureUniversity,Qingdao266109,China; 2.ShouguangAgriculturalBureau,Shouguang262700,China

Abstract:Cover cropping in orchard is an efficient soil management technique for improving soil fertility and reducing soil erosion. However, the effect of cover crops on nutrient supply is not well understood and a concern for growers. An experiment was conducted to investigate the decomposition characteristics of a cover crop (Vulpia myuros) and its effect on N supply in orchard soil. The decomposable organic C in straw of V. myuros accounted for 51% of organic C; the remainder increased soil C sequestration by 1 t/ha per year. Application of exogenous N fertilizer had no effect on annual net C sequestration, although it increased the decomposition rate of V. myuros straw. During decomposition, immobilized N ranged from 39-65 mg/kg. Consequently an additional 60-100 kg N/ha should be applied during V. myuros decomposition in low fertility soils in the first few years to avoid competition between soil microbes and crop trees, and to improve soil fertility.

Key words:apple orchard; immobilization; nitrogen application; carbon dioxide emission

*通信作者

Corresponding author. E-mail: jlli1962@163.com

作者簡(jiǎn)介：梁斌(1983-)，男，山東昌樂(lè)人，博士。E-mail: liangbin306@163.com

基金項(xiàng)目：山東省自然科學(xué)基金(ZR2013DQ014)和公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(201103005)資助。

收稿日期：2015-04-17；改回日期：2015-08-25

DOI：10.11686/cyxb2015201

http://cyxb.lzu.edu.cn

梁斌，董靜，隋方功，劉慶花，李俊良. 果園土壤中鼠茅草的降解特性及其對(duì)氮素供應(yīng)的影響. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2016, 25(3): 245-250.

LIANG Bin, DONG Jing, SUI Fang-Gong, LIU Qing-Hua, LI Jun-Liang. Decomposition characteristics of aVulpiamyuroscover crop in an orchard soil and its effect on N supply. Acta Prataculturae Sinica, 2016, 25(3): 245-250.