紅壤旱地毛葉苕子不同翻壓量下腐解及養(yǎng)分釋放特征

劉佳，張杰，秦文婧，楊成春，謝杰，項(xiàng)興佳，曹衛(wèi)東，徐昌旭*

(1.江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與資源環(huán)境研究所，江西 南昌 330200；2.中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，江蘇 南京 210008；3.南昌工程學(xué)院，江西 南昌 330099；4.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081)

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紅壤旱地毛葉苕子不同翻壓量下腐解及養(yǎng)分釋放特征

劉佳1,2，張杰3，秦文婧1，楊成春1，謝杰1，項(xiàng)興佳2，曹衛(wèi)東4，徐昌旭1*

(1.江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與資源環(huán)境研究所，江西 南昌 330200；2.中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，江蘇 南京 210008；3.南昌工程學(xué)院，江西 南昌 330099；4.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081)

為了探討不同翻壓量的毛葉苕子在紅壤旱地的腐解及養(yǎng)分釋放特征，采用尼龍網(wǎng)袋埋田法在江西東鄉(xiāng)紅壤甘薯地進(jìn)行了180 d的田間腐解試驗(yàn)，研究了低(15000 kg/hm2)、中(22500 kg/hm2)、高(30000 kg/hm2)3個(gè)翻壓量下毛葉苕子的干物質(zhì)腐解規(guī)律和養(yǎng)分釋放率。結(jié)果表明，總體上毛葉苕子腐解存在前期迅速、后期緩慢的現(xiàn)象，翻壓180 d后毛葉苕子干物質(zhì)的最終腐解率達(dá)到70.19%～84.18%。碳、氮、磷、鉀、鎂、硫、銅、鋅均在翻壓后的前20 d大量釋放，鈣、錳的釋放較慢，鐵在翻壓前期出現(xiàn)“富集”現(xiàn)象。增加翻壓量不會(huì)改變毛葉苕子整體的腐解及養(yǎng)分釋放規(guī)律，但會(huì)對(duì)養(yǎng)分的釋放率和釋放速率產(chǎn)生影響。不同翻壓量下毛葉苕子碳、氮、磷、鉀的釋放率和釋放速率分別可用冪函數(shù)y=axb和指數(shù)衰減模型v=v0e-kx進(jìn)行擬合，回歸分析表明增加翻壓量對(duì)毛葉苕子碳、氮完全釋放的延緩效應(yīng)最大(延緩354～406 d和791～1358 d)、磷次之(延緩87～122 d)、鉀最小(延緩16～27 d)。增加翻壓量可以顯著提高毛葉苕子碳、氮、磷、鉀的釋放速率，但僅局限于翻壓后的前10或20 d。增加翻壓量后毛葉苕子大部分的養(yǎng)分仍在翻壓后的前20 d釋放，后期的釋放量并未得到大幅提高，為后茬作物“持續(xù)”供應(yīng)養(yǎng)分的能力有限。因此，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)充分結(jié)合后茬作物的需肥特性，制定毛葉苕子合理的翻壓量。本研究可為中國(guó)南方紅壤旱地綠肥作物的科學(xué)利用提供理論依據(jù)。

毛葉苕子；紅壤旱地；翻壓量；腐解特征；養(yǎng)分釋放

紅壤是我國(guó)南方典型的土壤類型，主要分布在長(zhǎng)江以南的16省(區(qū)、市)，總面積約148萬(wàn)km2，占全國(guó)耕地總面積的36%，其中旱地農(nóng)田約占該地區(qū)耕地總面積的40%[1-2]。紅壤的形成是脫硅富鋁化和生物富集共同作用的結(jié)果，酸性強(qiáng)、粘粒多、有機(jī)質(zhì)匱乏是紅壤的主要特征；長(zhǎng)期不合理的開(kāi)發(fā)利用，也導(dǎo)致紅壤旱地肥力下降明顯、酸化嚴(yán)重[3]。然而南方紅壤區(qū)卻擁有豐富的光、熱、水等自然資源，如何培肥改良紅壤、充分發(fā)揮其生產(chǎn)潛力，是該區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨的一項(xiàng)艱巨任務(wù)。為此，前人在施用有機(jī)肥[4]、秸稈還田[5]、施用土壤改良劑[6]等方面做了大量報(bào)道，但關(guān)于綠肥作物在紅壤旱地上應(yīng)用的研究卻相對(duì)較少。

種植利用綠肥作物在培肥土壤、改善土壤理化性質(zhì)、保持水土、提高后茬作物產(chǎn)量與品質(zhì)、凈化環(huán)境等方面有著良好的功效[7-10]。毛葉苕子(Viciavillosa)常在我國(guó)北方地區(qū)用作牧草或綠肥[11-12]，具有較強(qiáng)的抗寒抗旱耐貧瘠能力。當(dāng)前我國(guó)南方地區(qū)存在一定面積的冬閑旱地，具有種植利用毛葉苕子的可能性。盡管前人[13-14]已在盆栽條件下初步研究了毛葉苕子等豆科綠肥在黃棕壤上的腐解規(guī)律及養(yǎng)分釋放特征，但是關(guān)于其在紅壤旱地應(yīng)用的上述核心問(wèn)題仍不清楚；而且南方氣候條件較優(yōu)，毛葉苕子產(chǎn)量很高，適量施肥可以達(dá)到3.8萬(wàn)kg/hm2以上[15]，將如此大量的毛葉苕子原地還田是否科學(xué)，其釋放的養(yǎng)分能否得到合理利用、高翻壓量能否為后茬作物“持續(xù)”供應(yīng)養(yǎng)分等也需明確。此外，毛葉苕子富含中、微量營(yíng)養(yǎng)元素，其在土壤中的釋放特征必然與大量營(yíng)養(yǎng)元素存在較大差異，而前人未對(duì)此進(jìn)行深入探討。綜上，本研究綜合考慮了毛葉苕子在南方種植的一般產(chǎn)量范圍及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中綠肥的常見(jiàn)用量，設(shè)置不同翻壓量處理，在田間環(huán)境采用尼龍網(wǎng)袋法[16]研究毛葉苕子在甘薯整個(gè)生育期內(nèi)的腐解規(guī)律，全面考察大、中、微量營(yíng)養(yǎng)元素的釋放特征，為其在紅壤旱地的合理利用和后茬作物的科學(xué)施肥提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院贛東北紅壤綜合試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行，該試驗(yàn)區(qū)位于江西省撫州市東鄉(xiāng)縣境內(nèi)(116°35′11″ E、28°10′59″ N)，屬亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，年均氣溫18.0 ℃，年均降水量2180.6 mm。試驗(yàn)區(qū)土壤類型為第四紀(jì)紅粘土母質(zhì)發(fā)育而來(lái)的典型紅壤，其表層土壤(0～20 cm)的基礎(chǔ)養(yǎng)分性質(zhì)為：pH 4.54，有機(jī)質(zhì)12.58 g/kg，全氮0.87 g/kg，堿解氮76.64 mg/kg，速效磷20.42 mg/kg，速效鉀77.10 mg/kg。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要依賴生育期內(nèi)的天然降水和前期土壤蓄水，其典型的種植制度為一年一熟或一年兩熟，主要種植作物為甘薯(Dioscoreaesculenta)、花生(Arachishypogaea)、芝麻(Sesamumindicum)等，本試驗(yàn)地的前茬作物為甘薯。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)3個(gè)不同翻壓量處理：1)鮮草90 g/袋(T1，低翻壓量，相當(dāng)于15000 kg/hm2)，2)鮮草135 g/袋(T2，中翻壓量，相當(dāng)于22500 kg/hm2)，3)鮮草180 g/袋(T3，高翻壓量，相當(dāng)于30000 kg/hm2)。于2013年5月8日，將盛花期的毛葉苕子(品種：土庫(kù)曼毛苕)地上部樣品剪成長(zhǎng)2～3 cm的小段并混勻，按試驗(yàn)設(shè)計(jì)用量分別裝于規(guī)格為30 cm×20 cm的300目(孔徑0.048 mm)尼龍網(wǎng)袋中，裝袋時(shí)毛葉苕子鮮體的含水量為87.1%，養(yǎng)分狀況見(jiàn)表1。

表1　毛葉苕子地上部初始養(yǎng)分含量(干基)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組排列，4次重復(fù)，微區(qū)面積為3.24 m2(1.35 m×2.40 m)，每個(gè)微區(qū)內(nèi)種植甘薯36株(4行×9株)，行距45 cm，株距30 cm，種植密度約為74000株/hm2，甘薯品種為泉薯9號(hào)。在每微區(qū)中間兩行甘薯之間進(jìn)行埋袋，埋袋深度為20 cm，兩個(gè)尼龍網(wǎng)袋之間間隔30 cm，每微區(qū)埋袋8個(gè),分作8次取樣用，具體情況如圖1所示。為避免施肥對(duì)毛葉苕子腐解殘?bào)w養(yǎng)分含量測(cè)定的干擾，甘薯整個(gè)生育期內(nèi)不再施用任何肥料。

圖1　毛葉苕子田間埋袋示意圖Fig.1　Schematic diagram of buried bag of V. villosa

1.3樣品采集與分析

在試驗(yàn)布置前(2013年4月)按“S”形取樣法取試驗(yàn)地土壤樣品12份，完全混勻、風(fēng)干、過(guò)篩供測(cè)定土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分性質(zhì)。土壤pH用電位法測(cè)定(土∶水=1.0∶2.5)，有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)定，全氮用凱氏定氮法測(cè)定，堿解氮用堿解擴(kuò)散法測(cè)定，速效磷用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定，速效鉀用乙酸銨浸提-火焰光度法測(cè)定[17]。

在埋袋后的10，20，30，60，90，120，150和180 d進(jìn)行埋袋樣品的取樣(共8次)，最后一次取樣時(shí)間為2013年11月4日，此時(shí)甘薯完全成熟。毛葉苕子腐解試驗(yàn)期內(nèi)的氣溫、降雨情況見(jiàn)圖2。取樣后去除表面泥土及雜物，將網(wǎng)袋中剩余的植株殘?bào)w取出，于80 ℃烘干稱重，粉碎后測(cè)定植株殘?bào)w的養(yǎng)分含量。植株樣品的全碳用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)定。植株樣品經(jīng)H2SO4-H2O2消煮后，全氮用凱氏定氮法測(cè)定，全磷用釩鉬黃比色法測(cè)定，全鉀用火焰光度法測(cè)定。植株的中、微量元素用HNO3-HClO4濕灰化-原子吸收分光光度法測(cè)定，分別在422.7，285.2，440.0，324.7，213.8，248.3和279.5 nm 波長(zhǎng)處比色測(cè)定鈣、鎂、硫、銅、鋅、鐵、錳的含量[17]。

圖2　毛葉苕子腐解試驗(yàn)期內(nèi)的降雨、氣溫狀況Fig.2　Rainfall and temperature conditions during decomposition experiment of V. villosa

1.4數(shù)據(jù)處理

用Excel 2003進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，SPSS 16.0進(jìn)行處理間差異顯著性分析(Duncan新復(fù)極差法，P<0.05)和Pearson相關(guān)性分析，Origin 8.5作圖。相關(guān)計(jì)算公式如下：

干物質(zhì)累積腐解量(g)=0 d干物質(zhì)總量-nd的干物質(zhì)總量，n為腐解天數(shù)；

干物質(zhì)累積腐解率(%)=累積腐解量/0 d的干物質(zhì)總量×100；

干物質(zhì)平均腐解速率(g/d)=單位時(shí)間累積腐解量/單位時(shí)間；

養(yǎng)分累積釋放量(mg)=0 d養(yǎng)分總量-nd的養(yǎng)分總量，n為腐解天數(shù)；

養(yǎng)分累積釋放率(%)=養(yǎng)分累積釋放量/0 d的養(yǎng)分總量×100；

養(yǎng)分平均釋放速率(mg/d)=單位時(shí)間養(yǎng)分釋放量/單位時(shí)間

2　結(jié)果與分析

2.1毛葉苕子干物質(zhì)的腐解特征

毛葉苕子翻壓后干物質(zhì)累積腐解率的動(dòng)態(tài)變化如圖3a所示?？梢钥闯?，隨著時(shí)間推移不同處理毛葉苕子的干物質(zhì)累積腐解率均呈逐漸增加趨勢(shì)，但翻壓前期(0～20 d)增加較快，T1、T2、T3處理在翻壓20 d時(shí)累積腐解率分別達(dá)到66.72%、62.46%和60.59%，其中T1處理與T2、T3處理達(dá)到顯著差異(P<0.05)；20 d后累積腐解率增加變緩，至試驗(yàn)結(jié)束時(shí)各處理干物質(zhì)的最終腐解率依次為84.18%、74.22%和70.19%。不同處理間比較，翻壓后自始至終干物質(zhì)累積腐解率均為T(mén)1>T2>T3，說(shuō)明隨著翻壓量的增加毛葉苕子的腐解變緩。圖3b是毛葉苕子翻壓后各階段干物質(zhì)平均腐解速率的動(dòng)態(tài)變化，其變化大體可分為2個(gè)階段，0～20 d為快速下降階段，腐解速率由最初的632.2～1090.0 mg/d迅速下降到4.5～12.5 mg/d；20 d后腐解速率相對(duì)穩(wěn)定，此階段的平均腐解速率為12.3～12.9 mg/d。

圖3　毛葉苕子干物質(zhì)累積腐解率和腐解速率的動(dòng)態(tài)變化Fig.3　Dynamic changes of dry matter decomposition rate and speed of V. villosa

2.2毛葉苕子碳、氮、磷、鉀釋放特征

從圖4可以看出，翻壓后毛葉苕子碳、氮、磷、鉀的累積釋放率與干物質(zhì)的腐解規(guī)律相似，各元素大體可分為2個(gè)階段，翻壓后的0～20 d為快速釋放階段，此階段碳、氮、磷、鉀依次釋放了總量的62.1%～68.1%、71.5%～76.0%、70.4%～81.8%和97.3%～97.7%，而20～180 d各元素的累積釋放率增加緩慢，此階段碳、氮、磷、鉀僅釋放了總量的15.2%～20.0%、6.3%～12.7%、12.7%～19.5%和0.0%～0.2%。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，毛葉苕子碳、氮、磷、鉀的總釋放率分別達(dá)到77.3%～88.0%、77.8%～88.6%、89.9%～94.5%和96.2%～97.9%，其大小順序?yàn)殁?磷>氮>碳。

圖4　毛葉苕子碳、氮、磷、鉀累積釋放率的動(dòng)態(tài)變化Fig.4　Dynamic changes of C, N, P and K release rate of V. villosa

圖5　毛葉苕子碳、氮、磷、鉀釋放速率的動(dòng)態(tài)變化Fig.5　Dynamic changes of C, N, P and K release speed of V. villosa

圖5反映的是毛葉苕子翻壓后碳、氮、磷、鉀釋放速率的動(dòng)態(tài)變化?？梢钥闯?，各養(yǎng)分的釋放速率均為翻壓前期較高，而后急劇降低。在翻壓后的前10 d，毛葉苕子碳、氮、磷、鉀的平均釋放速率分別達(dá)到217.1～387.3 mg/d、19.5～33.6 mg/d、1.7～3.6 mg/d和32.8～57.8 mg/d；而20 d后各養(yǎng)分平均釋放速率已下降到11.0～25.2 mg/d、1.4～1.7 mg/d、0.1～0.2 mg/d和0.0～0.2 mg/d，其平均降幅分別達(dá)到94.2%、93.9%、93.4%和99.7%。不同養(yǎng)分之間比較，翻壓前期養(yǎng)分的平均釋放速率為碳>鉀>氮>磷，這與養(yǎng)分在植株體內(nèi)的含量和存在形態(tài)有關(guān)。

圖6　毛葉苕子腐解過(guò)程中碳氮比、碳磷比和碳鉀比的動(dòng)態(tài)變化Fig.6　Dynamic ratios of C to N, P and K of V. villosa

2.3養(yǎng)分比例的動(dòng)態(tài)變化特征

腐解過(guò)程中植株殘?bào)w養(yǎng)分比例的動(dòng)態(tài)變化，既能反映綠肥作物翻壓后養(yǎng)分的整體釋放規(guī)律，也能揭示腐解初期養(yǎng)分的釋放方向，即是否會(huì)發(fā)生微生物與后茬作物競(jìng)爭(zhēng)吸收養(yǎng)分的現(xiàn)象。毛葉苕子翻壓后，整個(gè)腐解過(guò)程中植株殘?bào)w碳氮比、碳磷比和碳鉀比的變化規(guī)律相似(圖6)，并不因翻壓量的不同而發(fā)生明顯變化，因此增加翻壓量不會(huì)改變其養(yǎng)分的整體釋放規(guī)律。碳氮比是影響有機(jī)物在土壤中分解的最關(guān)鍵因素之一，當(dāng)碳氮比小于25∶1時(shí)，微生物不再利用土壤中的有效氮，有機(jī)物能夠較完全地被分解并釋放出礦質(zhì)態(tài)氮[18]?？梢钥闯雒~苕子翻壓后碳氮比在前20 d有較明顯的上升趨勢(shì)，由最初的11.7上升到15.7，說(shuō)明其植株氮能夠很好地釋放，不會(huì)出現(xiàn)微生物爭(zhēng)氮現(xiàn)象，20 d后碳氮比呈整體下降并伴有“波動(dòng)”趨勢(shì)，其變化幅度始終在9.1～13.9之間，利于微生物的分解。毛葉苕子的碳磷比在整個(gè)腐解期內(nèi)呈上升趨勢(shì)，由初始的139.6最終上升到318.6。毛葉苕子的碳鉀比在翻壓后的前20 d急劇上升，由初始的10.0上升到140.8，這是因?yàn)橹仓赈浰卦诜瓑撼跗跇O易被釋放，其鉀含量的相對(duì)降幅要遠(yuǎn)大于碳含量的相對(duì)降幅，20～60 d碳鉀比又迅速降低，此后變化幅度較小。

2.4毛葉苕子碳、氮、磷、鉀釋放率和釋放速率的回歸分析

毛葉苕子翻壓后其養(yǎng)分釋放率(y)、釋放速率(v)與翻壓時(shí)間(x)的關(guān)系可用回歸方程擬合(表2)。其養(yǎng)分釋放率與翻壓時(shí)間的關(guān)系符合冪函數(shù)y=axb[19-21]，方程中參數(shù)a可用來(lái)表征翻壓后某種養(yǎng)分能夠較快達(dá)到的釋放率，即該養(yǎng)分最易釋放的組分，b為釋放率增長(zhǎng)參數(shù)，其值越大表明累積釋放率增加越快。養(yǎng)分釋放速率與翻壓時(shí)間的關(guān)系參考Olson[22]的指數(shù)衰減模型v=v0e-kx進(jìn)行擬合，方程中的v0表征某種養(yǎng)分的最大釋放速率，e為自然常數(shù)，k為速率衰減參數(shù)，k值越大則速率衰減越快[23]。通過(guò)回歸分析可以看出，不同翻壓量下各養(yǎng)分最易達(dá)到的釋放率均隨翻壓量的增大而降低，但降幅較小，釋放率增長(zhǎng)參數(shù)b也未有明顯變化，因此加大翻壓量并不改變各種養(yǎng)分的整體釋放規(guī)律；但從釋放速率方程可以看出，隨著翻壓量的加大，各養(yǎng)分(除鉀外)的最大釋放速率均有顯著提升。通過(guò)回歸分析還可以預(yù)測(cè)，不同翻壓量的毛葉苕子還田后，其碳、氮、磷、鉀完全釋放的時(shí)間分別是325～731 d、466～1824 d、227～349 d和187～214 d。

2.5毛葉苕子中、微量營(yíng)養(yǎng)元素的釋放特征

絕大多數(shù)的紅壤旱地都缺少一種或多種中、微量元素，這是造成紅壤旱地生產(chǎn)潛力難以充分發(fā)揮的限制性因素[24]。將毛葉苕子翻壓后，可為土壤補(bǔ)充適量的中、微量營(yíng)養(yǎng)元素，但不同元素的釋放規(guī)律存在明顯差異。從表3可以看出，毛葉苕子鎂、硫、銅、鋅的釋放規(guī)律相似，均在翻壓前期快速釋放，不同翻壓量處理在20 d時(shí)的累積釋放率均>73.4%，占到總釋放率(180 d時(shí)值)的86.2%以上，20 d后的釋放量很低。鈣的釋放速率較緩，在翻壓后的前20 d時(shí)只釋放了總量的43.5%～63.8%，但最終釋放率也能達(dá)到86.0%～92.6%。錳的釋放速率更慢，前20 d時(shí)只釋放了20.6%～35.9%，僅占總釋放率(180 d時(shí)值)的32.9%～47.0%。鐵在翻壓前期出現(xiàn)“富集”現(xiàn)象，翻壓180 d時(shí)鐵的釋放率與翻壓量有關(guān)，低翻壓量時(shí)表現(xiàn)為凈釋放，中翻壓量時(shí)基本持平，而高翻壓量時(shí)仍為凈吸收。

表2　毛葉苕子碳、氮、磷、鉀釋放率和釋放速率的回歸分析

表3　毛葉苕子中、微量元素釋放率的變化

注：平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n=4)；不同字母表示5%水平上差異顯著；“-”表示凈吸收。

Note: Mean±standard deviation (n=4); different letters represent significant difference at 5% level; “-” represents nutrients absorption.

2.6甘薯生育期內(nèi)毛葉苕子的養(yǎng)分釋放量

我國(guó)南方紅壤區(qū)水熱條件良好，種植毛葉苕子生產(chǎn)潛力巨大，在盛花期時(shí)將毛葉苕子翻壓用作綠肥，可與紅壤旱地作物甘薯、花生、芝麻等作物的生育期合理銜接，從而起到填閑、養(yǎng)地、供肥等多種目的。如按15000～30000 kg/hm2的翻壓量計(jì)算，試驗(yàn)條件下整個(gè)甘薯生育期內(nèi)毛葉苕子氮、磷、鉀的釋放量分別可以達(dá)到49.1～87.5 kg/hm2、4.4～8.4 kg/hm2和66.8～133.3 kg/hm2(表4)，其中絕大部分養(yǎng)分在翻壓后的前20 d釋放。毛葉苕子腐解過(guò)程中還釋放出大量的碳，有利于改善紅壤旱地的物理化學(xué)性狀。毛葉苕子還田還可為土壤提供一定量的中、微量元素，以鈣的釋放量最大，這對(duì)于緩解紅壤旱地的酸性具有重要意義。鈣、鎂、硫、銅、鋅大多是在甘薯的生育期內(nèi)釋放，鐵和錳的殘留量較高。

表4　甘薯生育期內(nèi)毛葉苕子養(yǎng)分釋放量

注：TA、RA、RB、RC分別表示養(yǎng)分總翻壓量、0～20 d釋放量、20～180 d釋放量和180 d后的殘留量。

Note: TA, RA, RB and RC represent total input nutrients amount, release nutrients amount before 20 d, release nutrients amount between 20-180 d and residual nutrients amount after 180 d, respectively.

3　討論

3.1毛葉苕子腐解和養(yǎng)分釋放的一般規(guī)律

本研究發(fā)現(xiàn)，不同翻壓量毛葉苕子的最終腐解率達(dá)到70.19%～84.18%，存在前期(0～20 d)迅速、后期緩慢的現(xiàn)象，這與前人[25-27]研究結(jié)果相似。植物有機(jī)化合物腐解由易到難的順序?yàn)閱翁?、淀粉、?jiǎn)單蛋白質(zhì)>粗蛋白>半纖維素>纖維素>脂肪>木質(zhì)素[28-29]。翻壓初期，毛葉苕子鮮體水分含量高、易分解有機(jī)物質(zhì)豐富，可為土壤微生物提供大量的碳源和養(yǎng)分，因此腐解較快。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，植株殘?bào)w中易分解有機(jī)物逐漸減少，而較難分解的粗纖維、木質(zhì)素的比例升高，所以后期腐解緩慢。另一方面，氣候條件也是影響土壤微生物活性和物質(zhì)腐解的重要因素[30]，尤其以氣溫和降水最為關(guān)鍵。研究表明[31-32]，在一定范圍內(nèi)溫度(10～30 ℃)升高、土壤含水量(30%～105%最大田間持水量)加大，物質(zhì)腐解加速。本試驗(yàn)中，除11月的氣溫較低，其他各時(shí)期的氣溫均>20 ℃，有利于毛葉苕子的腐解；但降水量卻僅在腐解前期(5和6月)較高，而后大幅下降，因而可能通過(guò)影響土壤含水量限制了植株殘?bào)w的腐解速率。不同養(yǎng)分的釋放率與其在植物體內(nèi)的存在形態(tài)和分布位置有關(guān)，本研究中毛葉苕子大量營(yíng)養(yǎng)元素釋放率的大小順序?yàn)殁?磷>氮>碳，這與潘福霞等[13]的研究結(jié)果相似，但由于潘福霞等[13]是利用風(fēng)干樣品在盆栽條件下進(jìn)行的腐解試驗(yàn)，腐解強(qiáng)度要弱于自然環(huán)境，因此其研究中毛葉苕子的養(yǎng)分釋放率明顯低于本試驗(yàn)的結(jié)果(相同腐解期對(duì)比)，此外毛葉苕子的品種不同以及供試土壤類型不同可能也對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生了一定影響。各營(yíng)養(yǎng)元素中鉀的釋放率最高，是因?yàn)殁浽谥参矬w中以離子態(tài)存在于細(xì)胞或組織中，在翻壓初期絕大部分的鉀很容易被水浸提釋放[33]。這應(yīng)當(dāng)也是增加翻壓量后，鉀的最大釋放速率v0沒(méi)有顯著提升的原因(表2)，可以推測(cè)綠肥或作物秸稈還田后，其植株體內(nèi)的鉀都將以所能達(dá)到的最大速率釋放，其限制因素是環(huán)境條件(如干旱)，而受翻壓量的影響較小。氮和磷在植物體內(nèi)主要以有機(jī)態(tài)存在，其釋放需要通過(guò)微生物的分解作用來(lái)實(shí)現(xiàn)。鎂、硫、銅、鋅在植物營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期，主要分布在葉片、頂芽等幼嫩部位，相對(duì)于莖稈這些部位的碳氮比更低、營(yíng)養(yǎng)元素更充足、水分含量更高，翻壓后極易被微生物分解利用，因此鎂、硫、銅、鋅也在翻壓前期大量釋放。鈣在植物的老化組織中含量較多，大多以果膠質(zhì)的形態(tài)參與細(xì)胞壁的組成，因此翻壓后釋放較慢。錳可能大多以螯合態(tài)存在于植物體內(nèi)，所以釋放率更慢。鐵在翻壓前期出現(xiàn)“富集”，之前的研究中也有類似現(xiàn)象，如趙娜[26]在西北土壤翻壓長(zhǎng)武懷豆，發(fā)現(xiàn)較明顯鈣的“富集”。可能是因?yàn)榧t壤旱地鐵含量很高，由于養(yǎng)分的“稀釋效應(yīng)”，鐵從高濃度的土壤向低濃度的植物殘?bào)w表面運(yùn)移，同理在鈣含量很高的西北土壤翻壓綠肥，則易出現(xiàn)鈣“富集”現(xiàn)象。

3.2翻壓量對(duì)毛葉苕子腐解和養(yǎng)分釋放的影響

從腐解過(guò)程中養(yǎng)分比例的動(dòng)態(tài)變化(圖6)和回歸分析中參數(shù)的變化(表2)可以看出，增加翻壓量不會(huì)改變毛葉苕子整體的腐解及養(yǎng)分釋放規(guī)律，但會(huì)對(duì)養(yǎng)分的釋放率和釋放速率產(chǎn)生影響。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)碳、氮、磷的釋放率與翻壓量的相關(guān)系數(shù)依次為-0.926(P<0.01)、-0.920(P<0.01)和-0.826(P<0.05)，而鉀則未達(dá)到顯著水平。此相關(guān)系數(shù)實(shí)際上也反映了不同元素的釋放率受翻壓量的影響程度，相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值越大，表明翻壓量對(duì)其釋放率的影響越大，亦即隨著翻壓量加大，釋放率下降的幅度越大。從回歸分析(表2)也可看出，隨著翻壓量的加大，鉀素完全釋放所需要的時(shí)間只增加了16～27 d，增幅最小，磷素次之，增加了87～122 d，碳和氮的增幅最大，分別達(dá)到354～406 d和791～1358 d。因此毛葉苕子在紅壤旱地翻壓，增加翻壓量對(duì)鉀素釋放率的影響最小，對(duì)磷素的影響次之，對(duì)碳和氮釋放的延緩效應(yīng)最大。從養(yǎng)分釋放速率角度來(lái)看，翻壓后的前10 d，碳、氮、磷、鉀的釋放速率均與翻壓量成正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.932(P<0.01)、0.944(P<0.01)、0.957(P<0.01)和0.990(P<0.01)，表明隨著翻壓量的加大，各元素的釋放速率也相應(yīng)增大，10～20 d時(shí)則只有氮和鉀的相關(guān)系數(shù)仍具顯著水平，分別為0.913(P<0.05)和0.820(P<0.05)，20 d后各元素的相關(guān)系數(shù)均未達(dá)到顯著水平(P>0.05)。因此增加翻壓量對(duì)毛葉苕子碳、氮、磷、鉀釋放速率的影響僅局限于翻壓前期(10或20 d)，20 d后各元素的釋放速率未因翻壓量的加大產(chǎn)生顯著變化。從表4也可得到驗(yàn)證，增加翻壓量后毛葉苕子大部分的碳、氮、磷、鉀仍在0～20 d釋放，20～180 d的釋放量并未得到大幅提高。這對(duì)于指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐具有重要意義，即加大翻壓量并不能實(shí)現(xiàn)為后茬作物“持續(xù)”供應(yīng)養(yǎng)分的目的，絕大多數(shù)養(yǎng)分仍在翻壓前期釋放。而實(shí)際生產(chǎn)中，翻壓前期正值主作物的苗期，需肥量有限，盲目增加翻壓量可能會(huì)導(dǎo)致大量養(yǎng)分未被充分利用而損失，既造成了資源浪費(fèi)，也易引起環(huán)境污染[34]。如過(guò)量翻壓會(huì)形成局部厭氧環(huán)境，易通過(guò)反硝化作用造成氣態(tài)氮的損失；綠肥翻壓時(shí)期恰逢南方多雨季節(jié)，部分氮素會(huì)隨雨水淋失污染地下水，磷素會(huì)隨地表徑流流失污染水體環(huán)境。

3.3紅壤旱地甘薯種植中毛葉苕子的合理施用

甘薯是紅壤旱地主要的糧食作物之一，其生育期長(zhǎng)而需肥量極大，常年種植會(huì)加速土壤貧瘠化，單純依靠化肥既增加了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，又加劇了土壤酸化。以本試驗(yàn)區(qū)為例，甘薯的推薦施肥量為施氮(N)120 kg/hm2、施磷(P2O5)90 kg/hm2、施鉀(K2O)180 kg/hm2，其氮、鉀肥施用比例大約為基肥∶分枝肥∶結(jié)薯肥=4∶4∶2，磷肥全部基施。如按中等翻壓量(22500 kg/hm2)計(jì)算，毛葉苕子在翻壓后的0～20 d內(nèi)，可釋放氮(N)60.6 kg/hm2、磷(P2O5)12.1 kg/hm2、鉀(K2O)120.5 kg/hm2，分別相當(dāng)于甘薯基肥施用量的126.3%、13.4%和167.4%，氮和鉀遠(yuǎn)超推薦施用量，而且翻壓毛葉苕子還可補(bǔ)充一定量的中、微量元素，但對(duì)作物生長(zhǎng)中、后期的養(yǎng)分供應(yīng)能力有限。我國(guó)南方雨熱條件充足，綠肥產(chǎn)量一般很高，因此在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)充分考慮后茬作物的需肥特性，制定綠肥作物合理的翻壓量和翻壓時(shí)間，實(shí)現(xiàn)一塊田地種植的綠肥為兩到三塊田地所利用，從而既能利用南方有限的冬閑土地為盡量多的田塊提供綠肥，又能使綠肥資源得到合理施用。但是本研究?jī)H局限于毛葉苕子的養(yǎng)分由植株體釋放到土壤這一環(huán)節(jié)，對(duì)于后茬作物而言其養(yǎng)分的有效性和時(shí)效性是否與化學(xué)肥料相同，以及這部分養(yǎng)分在土壤中的轉(zhuǎn)化途徑、周轉(zhuǎn)速率等還有待進(jìn)一步研究。

4　結(jié)論

1)總體上毛葉苕子腐解存在前期(0～20 d)迅速、后期緩慢的現(xiàn)象，翻壓180 d后毛葉苕子干物質(zhì)的最終腐解率達(dá)到70.19%～84.18%。碳、氮、磷、鉀、鎂、硫、銅、鋅均在翻壓前期大量釋放，鈣、錳釋放較慢，鐵在翻壓前期出現(xiàn)“富集”現(xiàn)象。

2)增加翻壓量不會(huì)改變毛葉苕子整體的腐解及養(yǎng)分釋放規(guī)律，但會(huì)對(duì)養(yǎng)分的釋放率和釋放速率產(chǎn)生影響。在紅壤旱地翻壓，增加翻壓量對(duì)毛葉苕子鉀素釋放率的影響最小，對(duì)磷素的影響次之，對(duì)碳和氮釋放的延緩效應(yīng)最大；增加翻壓量對(duì)碳、氮、磷、鉀釋放速率的影響僅局限于翻壓前期(10或20 d)，之后各元素的釋放速率未因翻壓量的加大產(chǎn)生顯著變化。

3)增加翻壓量后毛葉苕子大部分的碳、氮、磷、鉀仍在翻壓后的前20 d釋放，后期釋放量未得到大幅提高，加大翻壓量不能實(shí)現(xiàn)為后茬作物“持續(xù)”供應(yīng)養(yǎng)分的目的。實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)充分結(jié)合后茬作物的需肥特性，制定毛葉苕子合理的翻壓量。

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Decomposition and nutrient release characteristics of different Vicia villosa green manure applications in red soil uplands of South China

LIU Jia1,2, ZHANG Jie3, QIN Wen-Jing1, YANG Cheng-Chun1, XIE Jie1, XIANG Xing-Jia2, CAO Wei-Dong4, XU Chang-Xu1*

1.Soil and Fertilizer & Resources and Environment Institute, Jiangxi Academy of Agricultural Sciences, Nanchang 330200, China; 2.Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 3.Nanchang Institute of Technology, Nanchang 330099, China; 4.Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China

Viciavillosais commonly used as a green manure or pasture in north China. In order to provide a scientific basis for its use as green manure in south China, a study has been undertaken in winter-fallowed red soil uplands used for sweet potato crops in Dongxiang County, Jiangxi Province. The decomposition and nutrient release characteristics of TurkmenV.villosawere tested with different application amounts. Nylon net bags (30 cm×20 cm) were used to assess three application treatments: low (90 g fresh grass per bag, equivalent to 15000 kg/ha), medium (135 g fresh grass per bag, equivalent to 22500 kg/ha) and high (180 g fresh grass per bag, equivalent to 30000 kg/ha). The rates of dry matter decomposition and nutrient release were monitored at 10, 20, 30, 60, 90, 120, 150 and 180 days after application. The results showed that all three treatments decomposed rapidly over the first 20 days and then the release speeds slowed. The dry matter decomposition rate reached 60.59%-66.72% after 20 days and 70.19%-84.18% by the end of the experiment. Carbon (C), nitrogen (N), phosphorus (P), potassium (K), magnesium (Mg), sulphur (S), copper (Cu) and zinc (Zn) released rapidly in the first 20 days, reaching 62.1%-68.1%, 71.5%-76.0%, 70.4%-81.8%, 97.3%-97.7%, 75.6%-82.1%, 73.4%-79.0%, 78.6%-81.6% and 84.1%-88.4% respectively. Calcium (Ca) and manganese (Mn) released relatively slowly at first (43.5%-63.8% and 20.6%-35.9% after 20 days), but their release rates reached 86.0%-92.6% and 54.2%-76.7% respectively by the end of the experiment. Iron (Fe) was a significant “enrichment” phenomenon in the early stages but its release rate was ultimately very low. The general rules of decomposition and nutrient release did not change significantly with increasing application amounts. The release rates and speeds of C, N, P and K in the different applications fitted well with both the power function formulay=axb(allP<0.001) and the exponential decay modelv=v0e-kx(allP<0.01). Regression analysis showed that the delay effects of nutrient release caused by increasing application amounts were C and N>P>K, with the full release of these nutrients needing 354-406 d, 791-1358 d, 87-122 d and 16-27 d respectively. The release speeds of C, N, P and K improved significantly over the first 10 and 20 d after application, following which the values remained at extremely low levels. This pattern did not change significantly with higher applications. Therefore, the ability to continuously supply nutrients for following crops by increasing the application amounts ofV.villosais very limited. Optimum application amounts need to be determined by fully considering the fertilizer requirements of the following crops.

Viciavillosa; south China red soil uplands; application amount; decomposition characteristics; nutrient release

10.11686/cyxb2016132

2016-03-29；改回日期：2016-05-10

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201103005)，國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD05B04)，江西省青年科學(xué)基金項(xiàng)目(20142BAB214005)和江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2012CQN002)資助。

劉佳(1984-)，男，安徽六安人，助理研究員，在讀博士。E-mail: liujia422@126.com

Corresponding author. E-mail: changxux@sina.com

http://cyxb.lzu.edu.cn

劉佳，張杰，秦文婧，楊成春，謝杰，項(xiàng)興佳，曹衛(wèi)東，徐昌旭. 紅壤旱地毛葉苕子不同翻壓量下腐解及養(yǎng)分釋放特征. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2016, 25(10): 66-76.

LIU Jia, ZHANG Jie, QIN Wen-Jing, YANG Cheng-Chun, XIE Jie, XIANG Xing-Jia, CAO Wei-Dong, XU Chang-Xu. Decomposition and nutrient release characteristics of differentViciavillosagreen manure applications in red soil uplands of South China. Acta Prataculturae Sinica, 2016, 25(10): 66-76.