劍麻麻莖腐解及養(yǎng)分釋放特征研究

譚施北，習金根*，習嘉民，鄭金龍，賀春萍，吳偉懷，梁艷瓊，李銳，易克賢*

（1.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院環(huán)境與植物保護研究所／農(nóng)業(yè)部儋州農(nóng)業(yè)環(huán)境科學觀測實驗站，?？?71101；2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，廣東湛江524001）

將農(nóng)作物秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物還田可以維持土壤有機碳含量、改善土壤團粒結構、提高土壤肥力水平和生物活性，從而節(jié)約化肥用量，減少土地生產(chǎn)投入，是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關鍵技術之一［1－4］。劍麻假莖及殘留在其周圍的葉片基部，整體稱為麻莖。研究［5－6］發(fā)現(xiàn)，麻莖資源豐富，7～11齡麻莖干重平均達11.5 kg／株（51.0 t／hm2），占劍麻整株干物質含量的40.0%，最高可達46%，是劍麻生產(chǎn)中重要的廢棄物之一。生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，麻莖直接還田不但解決了麻莖的處理問題，而且有效保持了坡地劍麻種植園多年高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，是麻莖較為合理的利用方式［7］。前人研究［8－10］表明，秸稈還田后在土壤中會經(jīng)歷一個復雜而漫長的腐解過程，且不同類型和不同處理方式的秸稈腐解速率和養(yǎng)分釋放特征不同。了解和明確秸稈的腐解特性，是秸稈合理肥料化利用的前提。前人［11－17］已對各種作物秸稈的腐解特性進行了較多的研究，但有關劍麻麻莖腐解特征的研究還未見報道。因此，本試驗擬采用尼龍網(wǎng)袋法，研究劍麻麻莖的腐解速率和氮、磷、鉀養(yǎng)分釋放速率，以期為劍麻麻莖合理的肥料化利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

劍麻麻莖由3個部位組成。第一個為莖部，即劍麻的假莖，位于整個麻莖的中心，四周被殘留的葉基部包圍；第二個是已經(jīng)風干的葉片基部，該部分靠近根部，是較早割葉殘留下來的葉片基部，由于割葉較早（約4～10年前），已經(jīng)干枯；第三個是新鮮的葉片基部，該部位靠近劍麻假莖生長端，由于剛割葉不久（約1～3年前），殘留下來的葉片基部還未干枯。試驗用劍麻麻莖采自廣西陸川縣國營紅山農(nóng)場劍麻園，麻齡為10年，供試劍麻品種為龍舌蘭雜種H.11648，大小行距分別為4、1 m，株距0.9 m，每667 m2種植劍麻296株。共采集3個麻莖的混合樣品，每個麻莖包括莖部、鮮葉基和干葉基3部分。莖部直徑平均約18.5 cm，葉基長×寬平均為14.5 cm×13.8 cm。

1.2 試驗方法

試驗于海南省文昌市中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院文昌試驗基地進行，試驗田土壤理化性質見表1。試驗采用尼龍網(wǎng)袋（均為市售現(xiàn)成尼龍網(wǎng)袋）法。將鮮葉基、干葉基從麻莖撥下，分別稱量鮮重。采用烘干法（105℃殺青30 min后，以80℃烘干至恒重），分別從鮮葉基、干葉基中抽取10片測量含水率，取平均值作為試驗用鮮葉基、干葉基的含水率，并由此算出鮮葉基、干葉基原始（0 d）平均干重，即干物質量。為模擬生產(chǎn)中麻莖直接還田的方式，鮮葉基、干葉基均未經(jīng)切割，保持原樣分別直接裝入規(guī)格為25 cm×15 cm、40目的尼龍網(wǎng)袋中。而為與鮮葉基重量相當，莖部切成長、寬、厚分別約10、6、1.5 cm的小方塊，并稱量鮮重。從中抽取10片，采用烘干法測量鮮莖含水率，并由此算出原始（0 d）鮮莖的平均干重，即干物質量。然后將鮮莖裝入規(guī)格為20 cm×10 cm、40目的尼龍網(wǎng)袋中。網(wǎng)袋的規(guī)格以正好能夠包住試驗材料為宜。各部位試驗前（0 d）重量見表2。2015年12月1日于文昌基地埋下，埋深25 cm。莖部和風干葉基每30 d取樣一次，共取10次。在試驗開始30 d后第一次取樣，發(fā)現(xiàn)鮮葉基外表新鮮，質地堅硬，幾乎沒有腐解的痕跡。因此，在之后的采樣中，鮮葉基改為每90 d取樣一次，加上試驗開始30 d后的第一次取樣，鮮葉基共取樣4次。每次每部位均取3袋，樣品用自來水洗凈后，80℃烘干，用微型植物粉碎機（FZ102，天津泰斯特）粉碎。

表1 劍麻麻莖腐解試驗田土壤理化性質Tab.1 Soil physical and chemical properties of sisal stalk decomposition experimental field

表2 劍麻麻莖各部位原始（0 d）平均干物質量Tab.2 Dry weight of different parts of sisal stalk before experiment

1.3 測定內容與計算方法

植物樣品經(jīng)H2SO4－H2O2消煮后，全氮含量用奈氏比色法測定，全磷含量用鉬銻鈧比色法測定，全鉀含量用多元素火焰光度計（M410，Sherwood）測定［18］。計算方法如下［10］：

質量累積減少量（g）＝0 d干物質量－N d干物質量

腐解率（%）＝質量累積減少量／0 d干物質量×100%

平均腐解率（mg／d）＝質量累積減少量／0 d干物質量×100%

養(yǎng)分釋放量（mg）＝0 d養(yǎng)分含量－N d取樣養(yǎng)分含量

養(yǎng)分釋放率（%）＝養(yǎng)分釋放量／0 d養(yǎng)分含量×100%

平均養(yǎng)分釋放率（mg／d）＝養(yǎng)分釋放量／0 d養(yǎng)分含量×100%

采用Microsoft office Excel 2010軟件分析數(shù)據(jù)并繪圖。

2 結果與分析

2.1 劍麻麻莖干物質量及養(yǎng)分含量

由表3可知，麻莖總干重平均為35.9 kg，其中鮮葉基占主要部分，占整個麻莖總干重的62.1%，其次為莖部，干葉基所占比重最小，僅為4.2%。全C含量莖部和干葉基相當，分別為556.5、559.0g／kg，而鮮葉基全 C含量相對較低，僅為 349.4 g／kg。全 N含量莖部最大，達7.5 g／kg，而干葉基和鮮葉基全N含量較低。麻莖各部位全P含量和全K含量差異均不顯著。按劍麻種植密度為每667 m2種植296株計算，則可估算出每667 m2劍麻地麻莖所含C量高達4551.6 kg，而麻莖N、P、K儲量也分別高達47.0、11.3、27.7 kg。其中，莖部和鮮葉基含C量差異不顯著，說明二者碳素儲量相當，但均明顯高于干葉基含C量。莖部含N量最高，其次為鮮葉基，而干葉基含N量很低。莖部和鮮葉基含P量相當，均顯著高于干葉基含P量。鮮葉基含K量最高，明顯高于莖部和干葉基含K量?？梢?，劍麻麻莖中的養(yǎng)分主要儲藏于莖部和鮮葉基中，而干葉基所含養(yǎng)分很低。

表3 劍麻麻莖各部位干重及養(yǎng)分含量Tab.3 Dry weight and nutrient content of different parts of sisal stalk

2.2 劍麻麻莖腐解率變化特征

腐解率指在某段時間內試驗材料干物質的累積減少量占原始干物質量的比率，可直觀地表征某段時間內試驗材料的腐解程度。從某段時間內腐解率的上升幅度大小可看出試驗材料腐解的快慢，某段時間內腐解率上升幅度大說明腐解速率較高，反之說明腐解速率較低。由圖1可知，在300 d內，鮮莖的腐解率最大，達82.7%，其次為干葉基，為57.9%，鮮葉基最小，僅有34.5%。鮮莖在30 d內腐解速率最大，高達59.0%，30 d后放緩。干葉基在60 d內腐解速率較大，達38.7%，60 d后放緩。鮮葉基腐解速率相對緩慢，在300 d內平穩(wěn)上升?？梢?，劍麻麻莖不同部位腐解速率不同，其大小順序為鮮莖＞干葉基＞鮮葉基。

圖1 劍麻麻莖各部位腐解率Fig.1 Decomposing rates of different parts of sisal stalk

2.3 劍麻麻莖氮素釋放特征

氮素釋放率是指在某段時間內試驗材料的氮素累積釋放量占原始氮素總量的比率，表征某段時間內試驗材料氮素的釋放程度，還可從中看出某段時間內氮素釋放的快慢。由圖2可知，鮮莖和干葉基氮素釋放率差異不明顯，在300 d內分別達89.2%、81.3%，但兩者均顯著高于鮮葉基，其氮素釋放率在300 d內僅為34.0%。相當于每667 m2土地在將麻莖直接還田之后，300 d內鮮莖和干葉基分別向土壤中釋放N素16.6、1.4 kg，而鮮葉基則釋放N素6.3 kg，3個部位總共釋放氮素24.3 kg。鮮莖、干葉基氮素釋放速率在30 d內最快，分別高達72.3%、60.9%。但在30 d之后其氮素釋放率變化不明顯，其中鮮莖保持在72.3%～89.2%之間，而干葉基則保持在60.9%～81.3%之間。30～120 d內上升幅度均較小，說明其間鮮莖和干葉基氮素釋放速率放緩。鮮葉基氮素釋放率在0～120 d內升幅較大，在120 d時達29.0%，說明鮮葉基在前120 d內氮素釋放速率較快，但在120 d后釋放率基本保持不變，說明其釋放速率較小。

圖2 劍麻麻莖各部位氮素釋放率Fig.2 Nitrogen release rates of different parts of sisal stalk

2.4 劍麻麻莖磷素釋放特征

磷素釋放率表征一段時間內試驗材料磷素的釋放程度，還可從中看出某段時間內磷素的釋放快慢。由圖3可知，在300 d內，麻莖各部位磷素釋放率的大小順序為鮮莖＞干葉基＞鮮葉基，分別為84.6%、53.8%、32.1%。相當于每667m2土地在將麻莖直接還田后，鮮莖、干葉基、鮮葉基在300 d內分別向土壤中釋放P素4.1、0.3、1.9 kg，3個部位總共釋放P素6.3 kg。比較麻莖磷素在不同時間段內的釋放快慢發(fā)現(xiàn)，鮮莖、干葉基、鮮葉基磷素釋放速率均在30 d內最大，其磷素釋放率分別高達51.7%、32.3%、29.9%。但30 d后不同部位的磷素釋放率變化均不明顯，說明在30 d后各部位磷素釋放速率較緩慢。其中，鮮莖的磷素釋放率在210 d之后提升幅度變大，說明這段時間其磷素釋放速率有所加快。

圖3 劍麻麻莖各部位磷素釋放率Fig.3 Phosphorus release rates of different parts of sisal stalk

2.5 劍麻麻莖鉀素釋放特征

鉀素釋放率可表征試驗材料鉀素的釋放程度，還可從某段時間內鉀素釋放率的升幅大小看出鉀素的釋放快慢。由圖4可知，在300 d內，鮮莖鉀素釋放率最大，其次為干葉基，分別為94.9%、86.5%，鮮葉基最小，僅為34.5%。相當于在麻莖全部直接還田的條件下，每667 m2土地上鮮莖、干葉基和鮮葉基在300 d內分別向土壤中釋放K素7.9、1.1、6.2 kg，總共15.2 kg。鮮莖和鮮葉基鉀素釋放率在30 d內分別高達55.9%、27.8%，說明其鉀素釋放速率在這段時間內較快，而30 d之后放緩。干葉基鉀素釋放速率則在60 d內較快，其鉀素釋放率高達65.3%，但60 d后放緩，其鉀素釋放率僅從65.3%上升到86.5%，升幅較小。

圖4 劍麻麻莖各部位鉀素釋放率Fig.4 Potassium release rates of different parts of sisal stalk

2.6 劍麻麻莖腐解完全所需時間

劍麻麻莖各部位在還田30 d后，腐解率表現(xiàn)為平穩(wěn)上升，因此可對其進行線性擬合，得到各部位腐解率與時間的線性關系（見表4）。鮮莖、干葉基、鮮葉基的斜率分別為0.0801、0.0741、0.0485。令y＝100，即腐解率為100%，腐解完全，可得x的值，即腐解完全所用的時間，分別為鮮莖 x＝512 d（約1年半），干葉基x＝903 d（約2年半），鮮葉基x＝1652 d（約4年半）。

表4 劍麻麻莖各部位腐解率和腐解時間線性擬合結果Tab.4 The linear fitting result between decomposition rates and time of different parts of sisal stalk

3 討論

3.1 劍麻麻莖腐解和養(yǎng)分釋放特性

從300 d內劍麻麻莖各部位腐解率和氮、磷、鉀養(yǎng)分釋放率變化特征看，麻莖腐解過程經(jīng)歷兩個階段，第一個階段為快速腐解階段，時間為0～30 d，干葉基延長至60 d。此期間內麻莖各部位快速腐解，其腐解速率和養(yǎng)分釋放速率遠大于之后的任何時期。第二個階段為緩慢降解階段，時間為30 d之后，干葉基則為60 d之后，這段時間內麻莖各部位腐解速率非常緩慢。說明麻莖在還田初期快速腐解，而后期腐解速率極慢，這與水稻、小麥、木薯、香蕉等秸稈的腐解過程相類似［9－12］。研究［9］表明，水稻、小麥、油菜秸稈腐解過程也經(jīng)歷前期快速后期緩慢的腐解階段，其快速腐解時期分別為30、30、12 d，30 d內腐解率分別約達38.0%、38.0%、44.0%。木薯、香蕉秸稈的腐解過程也經(jīng)歷類似的兩個階段，其快速腐解時期分別為30、60 d，30 d內腐解率分別達60.6%、9.0%［10－11］。說明直接還田條件下，劍麻麻莖腐解特性與其它作物秸稈一致，均為前期快速腐解，而后期非常緩慢。整個麻莖在30 d內腐解率達31.8%，說明麻莖腐解速率稍低于水稻和小麥秸稈，明顯低于油菜和香蕉秸稈，但明顯高于木薯秸稈。這可能與作物種類以及土壤環(huán)境差異有關。與其它作物秸稈不同的是，劍麻麻莖新鮮葉片基部由于表皮堅韌且含有蠟質層，腐解周期漫長，達4年半之久。但由于劍麻麻莖除了含有鮮葉基外，還有鮮莖、干葉基，在前期主要是這兩者在腐解。前期研究結果［5－6］也表明，麻莖體積巨大，養(yǎng)分儲量高，因此，劍麻麻莖的腐解和養(yǎng)分釋放速率除了前期快后期慢這種與大部分作物秸稈類似的特點外，還具有前期迅猛且后期充足等特點。

3.2 劍麻麻莖不同部位腐解速率和養(yǎng)分釋放速率差異

比較麻莖不同部位的腐解率和養(yǎng)分釋放率可知，各部位的腐解速率大小順序依次為鮮莖＞干葉基＞鮮葉基，除氮素外，不同部位磷、鉀素釋放速率差異明顯。鮮莖纖維較少，表面又沒有表皮和蠟質層包圍，因此最容易腐解，腐解速率也最快，短期內基本腐解完全。干葉基由于表皮已經(jīng)腐爛，還田后也能快速腐解，但由于纖維含量較多，因此腐解速率稍低于鮮莖。鮮葉基由于表皮堅硬、光滑、含有蠟質層，還田后微生物可能難以侵染，因此腐解速率緩慢。

3.3 劍麻麻莖不同養(yǎng)分元素釋放速率差異

300 d內，整個麻莖氮、磷、鉀釋放率分別為65.6%、55.3%、71.0%，可見麻莖主要養(yǎng)分釋放速率大小順序依次為鉀＞氮＞磷。鉀素釋放最快，其次為氮素，磷素釋放速率較為緩慢。研究［9－14］發(fā)現(xiàn)，水稻、玉米、小麥、香蕉、木薯以及油菜等秸稈的養(yǎng)分釋放速率均表現(xiàn)為K＞P＞N。劍麻麻莖鉀素釋放最快，與上述作物秸稈一致。但氮素和磷素釋放速率有所不同，劍麻氮素釋放速率略大于磷素。鄒雨坤等［11］研究發(fā)現(xiàn)，覆土處理下香蕉莖桿氮素釋放速率大于磷，匡恩?。?6］也發(fā)現(xiàn)大豆秸稈養(yǎng)分釋放釋放趨勢也是N＞P，與我們的試驗結果相似，其原因仍有待于進一步研究。300 d內，每667 m2土地上麻莖向土壤中釋放的氮（純 N）、磷（純 P）、鉀（純 K）數(shù)量約為24.3、6.3、15.2 kg。按中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標準《劍麻栽培技術規(guī)程》中的劍麻施肥量參考標準，在劍麻營養(yǎng)處于正常水平條件下，每667 m2麻園每年施化學氮肥（純N）13.8～23.0 kg、化學磷肥（純P）2.0～2.4 kg、化學鉀肥（純K）14.9～24.9 kg。可見，劍麻麻莖還田當年，麻莖向土壤中釋放的氮、磷、鉀養(yǎng)分量相當于劍麻年平均施肥量所施入的化學氮、磷、鉀肥養(yǎng)分量。雖然劍麻對麻莖所釋放養(yǎng)分的吸收利用效率、麻莖還田對劍麻吸收利用化肥養(yǎng)分的影響以及可以在多大程度上取代化肥的投入等問題還有待進一步研究，但可以肯定的是，麻莖向麻園土壤中釋放了大量礦質營養(yǎng)。根據(jù)前人的研究結果，秸稈還田除了其自身部分養(yǎng)分可供作物吸收利用外，還可對作物吸收化肥和土壤的養(yǎng)分起到促進作用。因此，可以推斷，麻莖還田將可以在一定程度上減少化肥的施用，對劍麻種植中化肥的減量增效起到重要作用。尤其是在麻莖還田前30 d，可適當減少化肥的施用。

4 結論

本試驗條件下，劍麻麻莖在覆土直接還田后300 d內，鮮莖、干葉基、鮮葉基腐解率分別達82.7%、57.9%、34.5%，氮素釋放率分別為89.2%、81.3%、34.0%，磷素釋放率分別達84.6%、53.8%、32.1%，鉀素釋放率分別為94.9%、86.5%、34.5%。不同部位比較，麻莖腐解速率和養(yǎng)分釋放速率均表現(xiàn)為鮮莖最大，其次為干葉基，鮮葉基最小。不同養(yǎng)分比較，鉀素釋放速率最大，其次為氮素，而磷素釋放速率與氮素接近。麻莖還田300 d內，每667 m2土地上麻莖向土壤中釋放的氮（純N）、磷（純P）、鉀（純K）約為24.3、6.3、15.2 kg，相當于劍麻年平均施肥量所施入的化學氮、磷、鉀肥養(yǎng)分量。麻莖完全腐解約需4年半的時間，麻莖腐解速率和養(yǎng)分釋放速率均表現(xiàn)為前期（30 d）快速而后期緩慢的特性。通過麻莖還田，可以有效降低運輸成本，減少肥料用量。

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