熱帶豆科綠肥腐解特性探究

陳寧 高玲 劉國道 張如蓮 郇恒福

摘 要 為更好地了解與利用熱帶豆科綠肥，利用埋袋法模擬研究了熱區(qū)豆科豬屎豆屬（Crotalaria Linn.）、紫云英屬（Astragalus Linn.）、田菁屬（Sesbania Scop.）、千斤拔屬（Flemingia Roxb.）、山螞蝗屬（Desmodium Desv.）和木豆屬（Cajanus DC.）6個(gè)屬綠肥的腐解特性。結(jié)果表明：同科不同屬的腐解動(dòng)態(tài)差異主要體現(xiàn)在埋樣后的60～120 d，其中豬屎豆屬、紫云英屬和田菁屬的腐解變化曲線基本重合，經(jīng)過360 d的腐解，有機(jī)碳?xì)埩袅孔兎鶠榍Ы锇螌伲?.02%）>山螞蝗屬（0.78%）>木豆屬（0.68%）>田菁屬（0.59%）>紫云英屬（0.50%）>豬屎豆屬（0.49%），千斤拔屬有機(jī)碳貢獻(xiàn)量最大；營養(yǎng)期、開花期與結(jié)莢期3個(gè)生育期樣本結(jié)果之間的相關(guān)系數(shù)r分別為0.989、0.996、0.983，生育期間，顯著性成對(duì)比較結(jié)果p值均為0.000，小于0.05，因此生育期與腐解進(jìn)程密切相關(guān)，在綠肥的實(shí)際利用中應(yīng)適時(shí)采割。此結(jié)果為熱帶豆科綠肥的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞 豆科綠肥；腐解；有機(jī)碳

中圖分類號(hào) S55 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

Abstract In order to better understand and utilize the green manure of tropical Leguminosae plants， the decomposition of Crotalaria Linn.， Astragalus Linn.， Sesbania Scop.， Flemingia Roxb.， Desmodium Desv.， and Cajanus DC.6 genera of tropical green manure was studied by the nylon mesh bag method. The results showed that the decomposition of different genera plants under the same family varied mainly at the early stage after buried for 60-120 days， and that the change of organic carbon residue from the samples of Crotalaria Linn.， Astragalus Linn.， and Sesbania Scop. showed a parallel curve of decomposition； After 360 days， the change range of organic carbon residue from the samples was in the order： Flemingia Roxb.（1.02%）>Desmodium Desv.（0.78%）>Cajanus DC.（0.68%）>Sesbania Scop.（0.59%）>Astragalus Linn.（0.50%）>Crotalaria Linn.（0.49%）， while Flemingia Roxb. had the largest contribution to organic carbon residue； Sample correlation（r）at trophophase， flowing and fruitsetting stage was 0.989， 0.996， 0.983 and the results of significant analysis was p=0.000（<0.05）. Therefore， the growth period of the plant was closely related to the decomposing process， and the plants should be practically cut at an appropriate stage when used as green manure. The results provide a reference for the practical application of tropical Leguminosae green manure.

Key words Leguminosae； Green manure； Decomposing characteristics

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2016.08.005

綠肥是一種優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥料，是指所有能翻耕到土里作為肥料用的綠色植物[1]。綠肥作物中含有較多的有機(jī)質(zhì)，平均為15%左右，尤其是豆科綠肥作物，對(duì)改良和培肥土壤都有較好的作用，又是可再生的生物資源，可為作物的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)奠定基礎(chǔ)[2]。綠肥的利用既能緩解肥料與作物之間的供求矛盾，又能調(diào)整有機(jī)肥與化肥之間的結(jié)構(gòu)，促進(jìn)礦質(zhì)養(yǎng)分的平衡。目前，日益嚴(yán)重的污染問題和可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)觀使得綠肥的應(yīng)用和發(fā)展受到廣泛關(guān)注。發(fā)展綠肥生產(chǎn)是生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)的有效措施[3]。關(guān)于綠肥在土壤中的轉(zhuǎn)化和養(yǎng)分釋放規(guī)律，影響綠肥在土壤中腐解狀況的因子，綠肥對(duì)土壤的改良調(diào)節(jié)機(jī)理、培肥效應(yīng)等方面，專家已做了較多相關(guān)的研究[4-6]。

近年來，國內(nèi)外許多研究集中在土壤類型[7-8]、水熱條件[9-11]、CO2濃度增加[12]和肥料施用[13-14]等對(duì)植物殘?bào)w分解的影響，也有研究表明，植物殘?bào)w的分解受其木質(zhì)素和N含量影響[15]。Murayama[16]認(rèn)為，植物殘?bào)w的有機(jī)C可分為兩個(gè)組分，即易分解組分（如糖類、淀粉等）與難分解組分（如木質(zhì)素等），易分解的有機(jī)C在前期得以快速分解，而難分解組分則分解緩慢。李新舉等[17]研究得出，秸稈在不同質(zhì)地的土壤中腐解速率不同；秸稈翻壓在土壤中比覆蓋在表層腐解速率快，且以埋深5 cm的腐解最快；秸稈在不同腐解階段中的腐解速率不同，一般前期快，后期慢。江長勝等[18]報(bào)道，土壤水分為16%～20%時(shí)，玉米秸稈腐解速率最快，土壤水分過高或過低腐解率都會(huì)降低。何念祖等[19]在浙江省3種水稻土上設(shè)置稻草還田試驗(yàn)，結(jié)果表明，面施時(shí)秸稈中磷鉀釋放比深施快，最后殘留量亦低；秸稈中氮的釋放速度面施和深施相比，表現(xiàn)為先慢后快，最后殘留量亦少。最近幾年有研究結(jié)果表明，面施與深施比較，秸稈中的氮、磷、鉀養(yǎng)分釋放深施比面施快，最后殘留量也少；從氮、磷、鉀養(yǎng)分的釋放速率來看，鉀的釋放最快，磷次之，氮最慢[20]。目前，對(duì)于秸稈、餅肥、糞肥等有機(jī)肥的分解速率及有機(jī)肥在沙土、黑土中的腐解情況等都有所研究和報(bào)道。近期，牟小翎等[21]利用埋袋法模擬研究了二月蘭、毛苕子2種綠肥的腐解特征，結(jié)果表明，2種綠肥均在翻亞后14 d內(nèi)腐解較快。但對(duì)于整個(gè)熱區(qū)綠肥資源的腐解變化情況作系統(tǒng)的分析比較尚未見報(bào)道。因此，本研究采用尼龍網(wǎng)袋法，完成對(duì)豬屎豆屬（Crotalaria Linn.）、紫云英屬（Astragalus Linn.）、田菁屬（Sesbania Scop.）、千斤拔屬（Flemingia Roxb.）、山螞蝗屬（Desmodium Desv.）和木豆屬（Cajanus DC.）6個(gè)屬野生綠肥樣品的田間腐解試驗(yàn)，探究熱帶豆科綠肥的腐解特點(diǎn)，從而確定其合理采割和利用時(shí)期，挖掘利用價(jià)值高的熱帶豆科綠肥，為熱區(qū)綠肥資源的合理開發(fā)和利用提供一定的依據(jù)，為熱帶農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試材料 將所采集的綠肥（見表1）鮮樣殺青后烘干，用植物樣品粉碎機(jī)粉碎后過1 mm的篩，再將樣品放置于密封袋內(nèi)保存，備用。

1.1.2 主要儀器 烘箱、分光光度計(jì)、電爐、等離子發(fā)射儀（Thermo）。

1.1.3 試劑和溶液配置 濃硫酸（分析純）、重鉻酸鉀（分析純）、硫酸亞鐵（FeSO4·7H2O，分析純）、鄰啡羅啉（分析純）。

重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液[C（1/6K2Cr2O7）=0.800 0 mol/L]：39.224 5 g重鉻酸鉀（K2Cr2O7，分析純）加400 mL水，加熱溶解，冷卻后用水定容至1 L。

硫酸亞鐵溶液[C（FeSO4）=0.2 mol/L]：56.0 g硫酸亞鐵（FeSO4·7H2O）溶于水，加15 mL濃硫酸，用水定容至1 L。

鄰啡羅啉指示劑：1.485 g鄰啡羅啉（C12H8N2·H2O）及0.695 g硫酸亞鐵（FeSO4·7H2O）溶于100 mL水，貯于棕色瓶中。

1.1.4 試驗(yàn)地概況 試驗(yàn)地設(shè)在中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院品種資源研究所試驗(yàn)基地，地處北緯19°30′，東經(jīng)109°30′，平均海拔149 m，屬熱帶季風(fēng)氣候類型，氣候特點(diǎn)是夏秋季節(jié)高溫多雨，冬春季節(jié)低溫干旱，干濕季節(jié)明顯。試驗(yàn)地土壤為花崗巖發(fā)育的磚紅壤土，肥力較差。0～20 cm土層，pH4.3，全氮0.068%、有機(jī)質(zhì)1.38%、速效磷1.8 mg/kg、速效鉀35.0 mg/kg。試驗(yàn)期間定期人工鋤草。

1.1.5 尼龍網(wǎng)袋的規(guī)格 尼龍網(wǎng)袋的規(guī)格為10 cm×13.5 cm，孔徑為0.12 mm，選用此孔徑既能保持尼龍網(wǎng)袋透水透氣的性能，又可阻止作物根系侵入袋內(nèi)，使研究結(jié)果免受干擾。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 將風(fēng)干過2 mm篩的土與烘干粉碎過1 mm篩的植物樣品按25 ∶ 1（即50 g土 ∶ 2 g植物樣品），混合均勻，裝入0.12 mm的純尼龍網(wǎng)袋，再封口埋入表土層深約15 cm的試驗(yàn)區(qū)，水平放置且無重疊，采用隨機(jī)區(qū)組分布，本試驗(yàn)每個(gè)參試樣品共設(shè)置18個(gè)重復(fù)小樣，分6次取樣，每次取3個(gè)小樣（每個(gè)小樣均為50 g土+2 g植物樣），取出小樣不再埋回土層；取樣間隔時(shí)間根據(jù)腐解前期與中期相對(duì)較快、后期相對(duì)緩慢的規(guī)律設(shè)置為30、60、120 d，分別于埋入后的30、60、120、180、240、360 d取樣，取回風(fēng)干后過0.149 mm篩進(jìn)行各指標(biāo)的測定。

1.2.2 測定指標(biāo)及方法 （1）植物樣品礦質(zhì)養(yǎng)分測定。植物樣用H2SO4-H2O2法消煮后，消煮液中的全氮用靛酚藍(lán)比色法[22]；全磷用鉬銻抗比色法；全鉀用火焰光度計(jì)法測定；Ca、Mg、S用等離子體發(fā)射儀測定[23]。

（2）植物樣品含水量測定。105 ℃殺青10 min，70 ℃恒溫烘干法。

（3）植物有機(jī)碳測定。高溫外熱重鉻酸鉀-硫酸氧化容量法。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excle2010和SPASS12.0軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱帶豆科綠肥養(yǎng)分特性

豆科綠肥是含N、P、K等養(yǎng)分較高的有機(jī)肥，不僅本身能固定空氣中的氮素，而且對(duì)土壤難溶性磷酸鹽有較強(qiáng)的吸收能力，同時(shí)能提高土壤中含磷量。有些綠肥如苜蓿（Medicago sativa L.），光葉苕子（Vicia villosa Roth var. glabresens Koch）等，通過發(fā)達(dá)的根系吸收深層土壤中的養(yǎng)分，翻壓后可有效補(bǔ)充土壤耕層的養(yǎng)分。據(jù)所采集的307份豆科樣品分析，其養(yǎng)分平均含量見表2（均以烘干基計(jì)）。根據(jù)全國有機(jī)肥料品質(zhì)總分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[24]，所采集豆科綠肥屬于二級(jí)有機(jī)肥。

2.2 熱帶豆科綠肥不同屬的腐解特點(diǎn)

豆科綠肥營養(yǎng)價(jià)值較高，掌握其腐解的變化特點(diǎn)，有利于人們對(duì)其進(jìn)行利用。經(jīng)過1年的腐解試驗(yàn)，結(jié)果（圖1）表明：豆科綠肥的分解較快，6個(gè)不同屬的分解趨勢基本一致，均在前60 d分解迅速，后期較緩，到180 d時(shí)，基本分解完全，其中豬屎豆屬（Crotalaria Linn.）、紫云英屬（Astragalus Linn.）和田菁屬（Sesbania Scop.）的腐解變化基本重合，千斤拔屬（Flemingia Roxb.）和木豆屬（Cajanus DC.）的腐解變化趨同，前120 d的分解變化較大；1年來有機(jī)碳?xì)埩袅孔兎鶠?.49%～1.02%，其中千斤拔屬高達(dá)1.02%，對(duì)環(huán)境有機(jī)碳的貢獻(xiàn)明顯。

2.3 熱帶豆科綠肥同屬不同種的腐解特點(diǎn)

綠肥的腐解快慢受多種因素影響，由試驗(yàn)結(jié)果可看出：同科同屬不同種綠肥因其自身木質(zhì)素等化學(xué)組成的差異而腐解變化不同，豬屎豆屬（Crotalaria Linn.）的4種豬屎豆在腐解過程中，有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)變化趨勢有所不同，光萼豬屎豆（C.usaramoensis Baker f.）與大托葉豬屎豆（C. spectabilis Roth）、思茅豬屎豆（C. szemoensis Gagn.）、普通豬屎豆（C. mucronata Desv.）的動(dòng)態(tài)變化差異較大，在120 d后幾乎無變化，達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，有機(jī)碳的殘留量也最高，達(dá)到0.38%；大托葉豬屎豆、思茅豬屎豆、普通豬屎豆在120 d后的變化比較平緩，而且這3種的變化趨勢處于平行關(guān)系，說明這3種豬屎豆的腐解速度相近，品種差異不大，但有機(jī)碳的貢獻(xiàn)差異明顯，說明這3種豬屎豆自身碳水化合物的含量差異較明顯（圖2）。

2.4 熱帶豆科綠肥同種不同生育期的腐解特點(diǎn)

同種綠肥在不同生育期，其化合物的組成、形態(tài)、含量等有所差異，其腐解動(dòng)態(tài)不同，有機(jī)碳貢獻(xiàn)也有差異。同種豬屎豆在營養(yǎng)期、開花期和結(jié)莢期的腐解過程中，腐解變幅差異明顯，主要表現(xiàn)在腐解的前60 d：營養(yǎng)期樣品>開花期樣品>結(jié)莢期樣品；60 d之后的腐解趨于緩慢，差異不大，且有機(jī)碳?xì)埩袅坎煌?，營養(yǎng)期樣品、開花期樣品和結(jié)莢期樣品的變化量分別為0.35%，0.56%，0.68%，開花期樣品和結(jié)莢期樣品差異不顯著，但與營養(yǎng)期樣品的差異明顯（圖3）。

從表3、表4的分析結(jié)果可見：營養(yǎng)期、開花期與結(jié)莢期3個(gè)生育期之間的相關(guān)系數(shù)r分別為0.989、0.996、0.983，生育期間顯著性成對(duì)比較結(jié)果p值均為0.000，小于0.05，可認(rèn)為在豆科綠肥腐解過程中，生育期對(duì)腐解速度的影響較大。這可能是因?yàn)榉纸馇捌?，生育期不同可溶性有機(jī)物差異較大，引起分解變幅差異明顯，而進(jìn)入后期分解后，可溶性有機(jī)物已基本分解完全，進(jìn)入相對(duì)復(fù)雜的有機(jī)物質(zhì)分解階段，同種樣品的組織結(jié)構(gòu)差異不大，因此腐解后期的動(dòng)態(tài)差異不顯著。

3 討論與結(jié)論

3.1 熱帶豆科綠肥腐解進(jìn)程

綠肥的腐解變化情況，是評(píng)價(jià)綠肥在保持和改善土壤有機(jī)質(zhì)狀況方面的作用，預(yù)測土壤有機(jī)質(zhì)含量的動(dòng)態(tài)變化等方面所必需的資料。根據(jù)綠肥的不同腐解特點(diǎn)，確定其利用方式，可以充分發(fā)揮綠肥的肥效，提高綠肥的利用率。近年來綠肥相關(guān)研究表明，有機(jī)肥及其根茬的腐解可以降低土壤的pH值，促進(jìn)土壤全Zn、Fe、Mn的分解與礦化，使其轉(zhuǎn)化為有效成分[25]，每公頃綠肥可生產(chǎn)有機(jī)質(zhì)4 500～6 000 kg[26]。業(yè)界一致認(rèn)可土壤有機(jī)碳（SOC）是土壤肥力的核心，大量長期定位試驗(yàn)和短期腐解試驗(yàn)研究有機(jī)碳在土壤中的分解和轉(zhuǎn)化。趙娜等[27]研究認(rèn)為，豆科綠肥在埋入土壤約1個(gè)月內(nèi)腐解明顯。與其比較，本試驗(yàn)最大不同之處在于采取土壤與粉碎植物樣品以25 ∶ 1混合均勻的埋樣方式，而不是直接將植物樣品埋入土壤。筆者認(rèn)為，腐解進(jìn)程的差異與材料本身物質(zhì)結(jié)構(gòu)、生育期等因素密切相關(guān)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，同科不同屬的腐解動(dòng)態(tài)差異主要體現(xiàn)在埋樣后的60～120 d，其中豬屎豆屬、紫云英屬和田菁屬的腐解變化曲線基本重合，經(jīng)過360 d腐解，有機(jī)碳?xì)埩袅孔兎鶠榍Ы锇螌伲?.02%）>山螞蝗屬（0.78%）>木豆屬（0.68%）>田菁屬（0.59%）>紫云英屬（0.50%）>豬屎豆屬（0.49%），千斤拔屬有機(jī)碳貢獻(xiàn)量最大；而且營養(yǎng)期、開花期與結(jié)莢期3個(gè)生育期樣本結(jié)果之間的相關(guān)系數(shù)r分別為0.989、0.996、0.983，生育期間顯著性成對(duì)比較結(jié)果p值均為0.000，小于0.05，表明生育期與腐解進(jìn)程密切相關(guān)。雖然材料不同，導(dǎo)致腐解速率存在一定差異，但同科不同屬、同屬不同種或同種不同生育期的綠肥樣品的總體腐解進(jìn)程均表現(xiàn)為先快后慢再逐步平穩(wěn)的規(guī)律，這與劉佳[28]、呂麗霞[29]等人的研究結(jié)果一致。近期，宋莉[30]、鄧小華[31]、牟小翎[21]、常帥[32]、徐健程[33]等的研究報(bào)道充分證實(shí)了這一規(guī)律，各試驗(yàn)由于材料不同，處理方式不同，各指標(biāo)變化結(jié)果不盡相同，快速分解時(shí)間不同，但結(jié)果均呈現(xiàn)出前期分解較快，后期分解較慢并逐漸趨于平穩(wěn)的腐解過程。

3.2 環(huán)境條件對(duì)熱帶豆科綠肥腐解的影響

國內(nèi)一些學(xué)者對(duì)綠肥施入土壤之后腐解的影響因子進(jìn)行了相關(guān)探究。崔志強(qiáng)等人[34]關(guān)于果園綠肥腐解及養(yǎng)分釋放動(dòng)態(tài)研究的結(jié)果顯示：夏季翻壓時(shí)，呈先快后慢的特點(diǎn)，冬季翻壓則是“慢-快-慢”的“S”形，4種綠肥冬季翻壓需180 d才能達(dá)到夏季翻壓45 d同樣的腐解量，表明土壤溫度對(duì)綠肥腐解有顯著的影響。筆者認(rèn)為，綠肥腐解速度與質(zhì)量不僅與溫度、濕度有關(guān)，而且與土壤pH變化以及土壤理化性質(zhì)有關(guān)，尤其是與土壤微生物含量有直接關(guān)系。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，千斤拔屬和木豆屬在120～240 d的腐解變化比在240～360 d的腐解變化緩慢，這也是由于在120～240 d（11月～次年3月）正值海南的冬春季節(jié)，溫度降低，雨量少，影響了微生物的活動(dòng)，從而導(dǎo)致腐解減緩，在240～360 d（3月～7月）溫度開始回升，雨量增加，濕度加大，微生物活動(dòng)有所改變，腐解變幅有所增加，在240 ～360 d腐解曲線趨于水平，基本達(dá)到最大腐解量。近期，王金洲等人[35]整合1980年至2013年中國農(nóng)田土壤有機(jī)物料腐解試驗(yàn)的相關(guān)文獻(xiàn)，逐步回歸結(jié)果顯示，木質(zhì)素與氮素含量之比（lignin ∶ N）是綠肥、秸稈和根茬腐解的首要影響因子，而年均溫和干燥指數(shù)居于其次，表明農(nóng)田土壤中植物性有機(jī)物料的腐解，物料性質(zhì)較氣候因子占主導(dǎo)，提出要準(zhǔn)確預(yù)測農(nóng)田土壤有機(jī)物料的腐解過程，需要更多地重視區(qū)域或點(diǎn)位特征（例如，土壤理化和生物學(xué)性質(zhì)等）的影響。

綜上可知，所采熱帶豆科植物屬于二級(jí)綠肥，研究腐解特性，對(duì)指導(dǎo)熱帶豆科綠肥合理、適時(shí)應(yīng)用及改良熱區(qū)土壤具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，需要加強(qiáng)研究和生產(chǎn)應(yīng)用。但是，今后深入研究時(shí)須增加土壤pH變化、土壤微生物含量等測定內(nèi)容，力求全面評(píng)價(jià)其腐解速率。

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