“多花黑麥草 → 水稻”輪作系統(tǒng)根茬養(yǎng)分釋放規(guī)律

何宏斌，張鈺薇，程俊康，張 穎，李俊年，辛國榮

（1. 廣東省熱帶亞熱帶植物資源與利用重點實驗室 / 中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510275；2. 吉首大學(xué)生物資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南 吉首 416000）

長期以來，我國農(nóng)田土壤過度種植，大量施用化肥，造成土壤肥力下降、結(jié)構(gòu)破壞、微生物活力喪失、土壤酸化鹽堿化等問題[1-2]。輪作是解決這些問題的有效方式之一，一般地種植豆科或一些禾本科綠肥后，植物殘茬覆壓入田，各種養(yǎng)分緩慢釋放，有利于提高土壤養(yǎng)分的含量和利用效率[3]。不同的綠肥具有不同的降解特征，適宜的輪作模式有利于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分的穩(wěn)定性和可持續(xù)性。

我國南方農(nóng)區(qū)，多花黑麥草(Lolium multiflorum)已逐漸成為冬閑期間種植的主要牧草之一，由于它產(chǎn)量高、品質(zhì)好等優(yōu)勢，在南方農(nóng)區(qū)冬季畜禽養(yǎng)殖中扮演著重要角色，并在與水稻(Oryza sativa)構(gòu)建的輪作(“多花黑麥草→水稻”草田輪作，Italian ryegrass-rice rotation，簡稱IRR)系統(tǒng)中發(fā)揮著積極的經(jīng)濟、生態(tài)和社會效應(yīng)[4]。水稻根茬覆壓還田不僅能夠促進大田固碳減排，還能夠提高土壤氮、磷、鉀等養(yǎng)分的含量。水稻根茬降解過程中自身多種營養(yǎng)元素的釋放，使得土壤養(yǎng)分中如氮、磷、鉀、鈣、鎂等必需元素增加，而且水稻根茬在降解過程中產(chǎn)生的小分子有機酸能夠提高土壤中養(yǎng)分吸收的有效性[5]。黑麥草地下部干物質(zhì)量能夠達3 400 kg·hm-2，這些殘留的植物有機體能夠彌補農(nóng)田常規(guī)耕作導(dǎo)致的土壤有機質(zhì)的損失[6]，有研究表明，連續(xù)輪作黑麥草使得土壤有機物質(zhì)含量顯著提高，有機質(zhì)增量通常能超過3%[7-8]，而有機碳的增量通常能超過20%[9]。此外在先前的研究中發(fā)現(xiàn)，連續(xù)兩年的輪作及根茬還田使土壤全氮、全磷、全鉀含量分別增加了4.83%～7.50%、13.85%～18.94%和16.9%～21.3%[10]。由于黑麥草的根茬部分具有較高的碳氮比(通常32～48)，因而在還田過程中有利于土壤有機質(zhì)的持續(xù)提高，而且這一過程往往能夠促進土壤氮的持續(xù)礦化[11]。可見，無論是黑麥草根茬還是水稻根茬都可以在還田過程中為土壤提供大量養(yǎng)分。然而，在IRR系統(tǒng)中水稻和黑麥草兩類根茬的營養(yǎng)元素如何緩釋入土壤，在完整的輪作周期中土壤氮、磷、鉀的變化規(guī)律尚不清楚。

兩類根茬的降解是植物有機殘體翻壓還田的過程，植物殘體中的氮、磷、鉀、鈣、鎂等營養(yǎng)元素的釋放勢必會對后茬作物生長產(chǎn)生影響，以輪作系統(tǒng)角度研究IRR系統(tǒng)內(nèi)兩類根茬的釋放規(guī)律、土壤養(yǎng)分的長期動態(tài)變化規(guī)律，對于理解該系統(tǒng)的土壤培肥機制、水稻根茬以及綠肥作物的科學(xué)合理利用具有重要意義。此外，由于兩類根茬各自的養(yǎng)分含量以及降解時氣候、土壤環(huán)境的差別，它們的翻壓過程可能具有不同的腐解和養(yǎng)分釋放特征。因此，探究兩類根茬的還田特點和差異性，將有利于加深對IRR系統(tǒng)在養(yǎng)分利用方面更深層次的理解，對于提高稻田生態(tài)系統(tǒng)的資源利用效率、加強稻田養(yǎng)分管理具有積極作用。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況與試驗設(shè)計

試驗地位于湖南省湘西土家族苗族自治州吉首市花垣縣，地理坐標為 109°43′ E，28°51′ N，海拔483.9 m，年均降水量約1 363 mm，蒸發(fā)量1 031 mm，年均氣溫16.0 ℃，年均日照時數(shù)近1 200 h，試驗期間每次取樣時測量一次當日最高與最低氣溫，計算最高溫與最低溫的平均值。試驗前該樣地用作單季水稻種植，冬季空閑，土壤肥力均勻，其中土壤pH 6.27，全氮含量1.21 g·kg-1，有效氮含量137.76 mg·kg-1，全鉀含量 12.62 g·kg-1，有效鉀含量 59.68 mg·kg-1，全磷含量 0.59 g·kg-1。

2015年10月-2016年4月是黑麥草冬閑輪作期，即水稻根茬降解期。黑麥草播種量22.5 kg·hm-2，稻底撒播，種植期間刈割4次，施用N∶P2O5∶K2O =15∶15∶15復(fù)合肥，總施肥量1 200 kg·hm-2，基肥300 kg·hm-2，其余每次刈割后均勻施入。2015年10月將水稻根茬洗凈切碎裝入尼龍網(wǎng)袋，每袋100 g，分為3組，每組7袋，將3組根茬分別隨機覆壓于3個位點。黑麥草種植區(qū)面積100 m2，覆壓深度20-30 cm，各網(wǎng)袋相互未接觸且覆壓深度一致。試驗采用隨機采樣，每30 d隨機取樣3袋(每位點1袋)，測量生物量和降解率，持續(xù)到2016年4月最后一次取樣，即分為7個階段取樣：2015年10月(1-30 d)、11月 (31-60 d)和 12月 (61-90 d)；2016年1月(91-120 d)、2月(121-150 d)、3月(151-180 d)和4月(181-210 d)，共210 d。同時在水稻根茬降解前后采集土壤樣品，自然風干待測。

2016年6月-2016年12月是后作水稻栽培期，即黑麥草根茬降解期。在上述輪作黑麥草稻田連續(xù)試驗，水稻種植前用旋耕機將黑麥草根茬與土壤混勻，泡田10 d后移栽水稻秧苗，水稻株行距為 30 cm × 30 cm，施用 N∶P2O5∶K2O = 15∶15∶15復(fù)合肥，總施肥量 675 kg·hm-2，基肥 450 kg·hm-2，分蘗期追肥225 kg·hm-2。2016年6月將黑麥草根茬洗凈切碎裝入尼龍網(wǎng)袋，每袋100 g，分為3組，每組7袋，將3組根茬分別隨機覆壓于3個位點。分別埋置在冬閑輪作黑麥草的稻田，覆壓深度20-30 cm，各網(wǎng)袋相互未接觸且覆壓深度一致。試驗采用隨機采樣，每30 d隨機取樣3袋(每位點1袋)，測量生物量和降解率，持續(xù)到2016年12月最后一次取樣，即分為7個階段取樣：2016年6月(1-30 d)、7月(31-60 d)、8月(61-90 d)、9月(91-120 d)、10月(121-150 d)、11月(151-180 d)和12月(181-210 d)，共210 d。同時在黑麥草根茬降解后采集稻田土壤樣品，自然風干待測。

1.2 指標測定及方法

將待測根茬洗凈表面泥土并擦拭干水分，放入烘箱105 ℃殺青40 min，在75 ℃連續(xù)烘干直至恒重，稱量干重。取一定量上述烘干根茬，進行植物營養(yǎng)元素的測定: 氮(N)采用H2SO4-H2O2-靛酚藍比色法，磷(P)采用鉬銻抗比色法，鉀(K)采用H2SO4-H2O2-火焰光度法，鈣(Ca)采用EDTA-Na2絡(luò)合滴定法，鎂(Mg)、鐵(Fe)采用HNO3-HCLO4消煮法。土壤養(yǎng)分含量的測定：全氮(TN)采用開氏法，有效氮 (AN)采用 10 mol·L-1氫氧化鈉、0.01 mol·L-1H2SO4溶液的擴散吸收法，全鉀(TK)采用NaOH熔融-原子分光光度計法，有效鉀(AK)采用NH4OAc浸提-火焰光度法，全磷(TP)采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法。測定方法見《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[12]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗結(jié)果使用Excel 2010整理，用平均值 ± 標準誤表示測定結(jié)果；利用SPSS17.0 統(tǒng)計軟件進行單因素方差分析 (one-way ANOVA)、平均數(shù)差異顯著性分析 (LSD test)、獨立樣本T檢驗(Student'sTtest)，用Excel 2010和Origin 8.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻和多花黑麥草根茬生物量降解率

在“稻→草”輪作期間，水稻根茬在1-30 d的降解率(19.12%)顯著高于隨后月份的降解率(P＜ 0.05)，31-210 d的降解率僅在4.18%～12.79%(圖1)。水稻根茬的降解率隨氣溫的變化呈先下降后增加的趨勢，其中1-30 d、31-60 d和61-90 d的降解率逐步遞減，而91-210 d的降解率隨著氣溫的回升逐步增加。與水稻類似，黑麥草1-30 d的降解率也顯著(P＜ 0.05)高于隨后階段的降解率，之后呈現(xiàn)下降趨勢。與水稻不同的是，黑麥草根茬的降解率在1-30 d達到了36.62%，1-60 d的干物質(zhì)累積降解率達到46.62%，之后150 d的降解率在1.84%～12.48%(圖1)，由此可知黑麥草的干物質(zhì)主要集中在1-60 d降解。兩類根茬經(jīng)過各自210 d的降解，養(yǎng)分并未完全釋放還田，但水稻根茬和黑麥草的降解規(guī)律存在明顯差異，水稻根茬干物質(zhì)的降解周期要長于黑麥草，但由于水稻根茬降解時氣溫經(jīng)歷降溫-升溫過程，而黑麥草根茬降解時氣溫經(jīng)歷升溫-降溫過程，因而造成了兩類根茬的不同降解趨勢。

圖1 水稻和黑麥草根茬在“稻→草”輪作期間降解率及平均溫度動態(tài)變化Figure 1 Dynamic change of degradation rate and average temperature of rice and Italian ryegrass stubble during “rice-grass” rotation

2.2 水稻和多花黑麥草根茬中氮、磷、鉀、鈣、鎂、鐵的釋放動態(tài)

黑麥草根茬中營養(yǎng)元素的釋放主要集中在1-30 d，其中氮釋放率最高，達67.19%，其次是磷，達51.20%，再次是鉀，達49.35%，而鈣釋放最低，僅為35.12%。水稻根茬在1-30 d釋放率差異較大，其中鈣釋放率最高，達60.76%，鐵釋放率最低，僅為31.29%。降解的1-60 d，兩類根茬的釋放率差異顯著，其中黑麥草根茬中的氮釋放率(1-30 d：P＜ 0.001；31-60 d：P＜ 0.05)、磷釋放率 (31-60 d：P＜ 0.001)、鉀釋放率 (1-30 d：P＜ 0.001；31-60：P＜ 0.01)以及鐵釋放率 (1-30 d：P＜ 0.01；31-60 d：P＜ 0.01)均顯著高于水稻根茬，表明黑麥草根茬在降解初期主要營養(yǎng)元素的釋放具有更高的效率(圖2)。然而，黑麥草根茬中的鈣(1-30 d：P＜ 0.01)和鎂(31-60 d：P＜ 0.05)的釋放率卻顯著低于水稻根茬。

2.3 水稻和多花黑麥草根茬大田降解緩釋過程對土壤氮、磷、鉀含量的影響

土壤氮、磷、鉀含量分別在降解前、水稻以及黑麥草根茬降解后的變化(圖3)顯示，土壤全氮含量在水稻根茬降解后、黑麥草根茬降解后均有所增加，并呈現(xiàn)極顯著差異(P＜ 0.01)。兩類根茬的降解使土壤有效氮含量略有增加，但未呈現(xiàn)顯著性差異(P＞ 0.05)。土壤全鉀含量在水稻根茬降解后顯著增加，但整體看420 d的降解并未發(fā)現(xiàn)全鉀含量呈現(xiàn)顯著性差異(P＞ 0.05)。黑麥草根茬的降解使土壤有效鉀含量有所提高，但降解前后差異不顯著(P＞ 0.05)。在整個降解周期中，土壤全磷含量在水稻、黑麥草根茬降解后均有所降低，但降解前后未出現(xiàn)顯著性差異(P＞ 0.05)。

3 討論與結(jié)論

Boyero等[13]發(fā)現(xiàn)低地溪流環(huán)境下，溫度解釋了40%的微生物對落葉等有機物的分解作用，這是由于通過溫度的變化可以增加微生物生物量以及土壤酶活性。本研究也發(fā)現(xiàn)，兩類根茬的降解與環(huán)境溫度密切相關(guān)，結(jié)果表明水稻根茬的降解率呈現(xiàn)先下降后增加的趨勢，在降解的前90 d，氣溫短期內(nèi)急劇下降，與此同時水稻根茬的降解率也顯著降低(P＜ 0.05)。然而經(jīng)過低溫之后，氣溫在降解90 d后快速回升，此時水稻根茬的降解率逐漸提高。黑麥草根茬在1-60 d內(nèi)累積降解率顯著高于其他降解階段(P＜ 0.05)，造成了60 d后根茬與土壤接觸的相對表面積較低，減緩了黑麥草根茬的降解。此外，由于黑麥草的降解起始于溫度適宜的6-7月(1-60 d)，而60 d后隨著最高溫度連續(xù)超過36 ℃，許多土壤微生物和土壤酶活性被抑制，影響黑麥草根茬在61-90 d的降解率顯著降低(P＜ 0.05)，由此推測氣溫會對根茬的降解產(chǎn)生重要影響。大田環(huán)境下，溫度并非對腐解造成影響的唯一環(huán)境因素，短期降水量和土壤濕度等同樣會對兩類根茬的腐解產(chǎn)生影響。水稻根茬的降解處于黑麥草的輪作期間，此時土壤較為干旱，含水量較低，水稻根茬的降解率也低于相同降解時間的黑麥草根茬；而湘西的降水主要集中在每年的3-5月，此時處于水稻根茬降解的151-210 d，氣溫的回升和降水量的增加均會對降解率的提高產(chǎn)生影響。在黑麥草根茬的降解中，由于稻田泡田的影響，此時土壤的含水量較高，這也可能是影響黑麥草根茬不同時期降解率差異的原因之一。

圖2 水稻和多花黑麥草根茬中氮、磷、鉀、鈣、鎂、鐵釋放動態(tài)Figure 2 Difference analysis of the release rates of nitrogen, phosphorus, potassium, calcium, magnesium,and iron in rice and Italian ryegrass stubble

圖3 水稻和多花黑麥草根茬降解之后土壤氮、磷、鉀含量變化Figure 3 Soil nitrogen, phosphorus, and potassium contents after degradation of rice and Italian ryegrass stubble

水稻根茬在1-30 d內(nèi)的降解率低于黑麥草，正如李逢雨等[14]發(fā)現(xiàn)油菜(Brassica napus)稈等作物殘茬在降解過程中，在維管形成層、韌皮組織、表皮等組織結(jié)構(gòu)完全脫落損傷后，植物殘茬養(yǎng)分才能進入快速釋放期，而水稻韌皮組織、表皮等組織結(jié)構(gòu)與油菜相似，因此水稻根茬的降解周期更加漫長，養(yǎng)分釋放也更加緩慢。此外，冬閑期間經(jīng)過黑麥草的輪作，稻田土壤總孔隙度和非毛管孔隙度顯著提高，而土壤容重顯著降低[15]，降幅達5.1%以上[16]，稻田土壤結(jié)構(gòu)的改善使土壤變得更為透氣、保溫，因而促進了微生物的活動，提高了植物殘茬降解率[17]。因此，黑麥草輪作后的土壤也有利于有機殘留物的降解。本研究發(fā)現(xiàn)水稻和黑麥草的營養(yǎng)元素釋放率差異顯著，黑麥草中的氮、磷、鉀必需營養(yǎng)元素前1-60 d的釋放率顯著高于水稻根茬(P＜ 0.05)，而水稻根茬的鈣、鎂主要營養(yǎng)元素的釋放率顯著高于黑麥草(P＜ 0.05)，這可能是與降解前期生物量的降解速率有關(guān)，黑麥草在第1個月的氮、磷、鉀釋放率分別超過70%、50%和40%，這對于后作水稻在分蘗期這一關(guān)鍵營養(yǎng)期的生長至關(guān)重要。先前的研究表明鉀的釋放速率要高于氮、磷，這是由于鉀在植物中的儲存形式是以K+形態(tài)儲存于植物組織內(nèi)，能夠在水浸提的作用下快速釋放[18]，但在本研究中鉀的釋放卻存在一個更加緩慢的釋放周期，而且降解率低于氮、磷，推測是由于鉀元素在植物殘體器官中的分布差異導(dǎo)致的。

作物根茬還田的一個重要優(yōu)勢在于它的固碳作用，通常將根茬還田能夠顯著提高土壤的固碳量[19]。洪春來等[20]的研究表明，連續(xù)兩年水稻秸稈及根茬還田，使土壤有機質(zhì)含量由試驗前的42.3 g·kg-1提高至43.8～45.3 g·kg-1。而且水稻根茬還田不僅能夠增加土壤有機質(zhì)，同時由于植物體豐富的養(yǎng)分含量夠彌補氮肥、磷肥、鉀肥投入的不足[21-22]，而且能夠減少焚燒過程對大氣環(huán)境的污染，變廢為寶，具有良好的生態(tài)和社會效益[23]。對多個水稻根茬還田的樣點分析后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過一年的腐熟，稻田土壤全氮、全磷、全鉀含量均有增加[23]，本研究與之結(jié)果類似，水稻根茬提高了土壤全氮、全鉀含量，這是因為在土壤中添加水稻根茬后，植物根茬的降解能夠為土壤微生物提供豐富的可利用礦質(zhì)氮，如硝態(tài)氮和銨態(tài)氮等[24]，并反過來加速了生物降解和養(yǎng)分釋放，進而改變了土壤氮水平。同時本研究發(fā)現(xiàn)，添加黑麥草根茬后土壤全氮、有效氮、有效鉀含量增加，這是因為黑麥草根茬中的多種植物必需營養(yǎng)元素能夠通過緩釋作用進入大田，并對土壤氮含量產(chǎn)生顯著的影響。研究表明黑麥草根茬經(jīng)過腐熟釋放出的養(yǎng)分會更容易被后作水稻利用[25]，這對提高作物養(yǎng)分利用效率具有極為重要的意義[4]。此外，黑麥草根茬降解后的次生代謝產(chǎn)物會對后作水稻產(chǎn)生某種化感作用[26]；黎國喜等[27-28]在根茬降解物中分離出一些小分子有機物，能夠促水稻器官發(fā)育，因而這些根茬降解中產(chǎn)生的潛在小分子有機物可能也是誘導(dǎo)土壤化學(xué)性質(zhì)改善的關(guān)鍵。

綜上所述，在IRR系統(tǒng)輪作中兩類根茬由于各自的結(jié)構(gòu)特點，具有不同的養(yǎng)分釋放特征，水稻根茬的緩釋效果明顯，尤其對于鈣、鎂等營養(yǎng)元素的釋放；而黑麥草根茬的釋放優(yōu)勢主要體現(xiàn)在植物氮、磷、鉀方面，并為水稻分蘗期的生長提供了大量必需營養(yǎng)元素。因此，黑麥草根茬的降解和養(yǎng)分釋放在時間、空間上既是對水稻根茬緩釋效果的補充，又有利于IRR系統(tǒng)冬季輪作后養(yǎng)分的持續(xù)供應(yīng)，在IRR系統(tǒng)土壤培肥過程中尤其是土壤氮、鉀含量的提高上發(fā)揮了極為重要的作用。此外，兩類根茬的降解是通過影響微生物活動和土壤酶活性完成的，極端的水、溫環(huán)境不利于微生物生長，所以針對兩類根茬養(yǎng)分釋放特點的研究，今后仍需要在不同含水量和溫度條件下，對微生物群落參與降解的過程與機理開展進一步的研究。