填閑作物腐解過程及其對后茬冬小麥產(chǎn)量的影響

李志鵬，王 俊，商雨晴，張少宏

(1.西北大學城市與環(huán)境學院，陜西 西安 710127; 2.陜西省地表系統(tǒng)與環(huán)境承載力重點研究室，陜西 西安 710127)

關(guān)鍵字：填閑作物；腐解；冬小麥；產(chǎn)量

在渭北旱塬農(nóng)作區(qū)，主要糧食作物收獲后有一段裸地休閑期(6-9月)，該時期無任何作物覆蓋，易導致土壤養(yǎng)分淋溶損失、有機質(zhì)消耗、水土流失等。在農(nóng)田休閑期種植填閑作物[1]，具有提高土壤肥力[2]、促進微生物活性[3]及降低養(yǎng)分淋溶[4]、抑制雜草生長和病蟲害[5]等多種生態(tài)效益，近年來在世界范圍內(nèi)得到了大面積推廣。在糧食生產(chǎn)系統(tǒng)中，填閑作物通常在生長一定時間后翻耕入土用作綠肥以補充土壤養(yǎng)分供應[6-7]。大量研究結(jié)果表明，填閑作物翻田腐解后可釋放大量碳氮，從而提高土壤碳氮含量[8-9]。填閑作物作為重要的有機肥源，了解其腐解過程、碳氮釋放規(guī)律是合理選擇填閑作物管理措施的基礎(chǔ)。填閑作物本身的C/N是影響其腐解的重要因素[10]，研究表明，低C/N的豆科填閑作物比高C/N的禾本科填閑作物具有更快的腐解速率[11]；同時施氮水平也是影響填閑作物腐解的另一重要因素，有研究表明，在一定范圍內(nèi)，隨著施氮量的增加，作物殘體腐解速率也隨之增加[12-13]；不同填閑作物種類因其本身碳氮含量和腐解過程的不同，其碳氮釋放過程也存在明顯差異[14-15]。

施用氮肥是渭北旱塬農(nóng)作區(qū)實現(xiàn)作物增產(chǎn)的主要方式，氮肥的不合理施用引發(fā)了一系列環(huán)境問題。翻壓填閑作物可以改善土壤氮素環(huán)境，能夠有效減少化學氮肥的施用量，在氮素水平較低的情況下翻壓填閑作物可提高作物產(chǎn)量[16-19]，因此選擇合理的填閑作物和氮肥水平對該區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展有著重要的意義。

近年來，許多學者已對渭北旱塬地區(qū)豆科作物的腐解特征及土壤培肥效果進行相關(guān)研究，但關(guān)于豆科與禾本科及兩者混播在同一冬小麥生境下的腐解過程及對后茬作物產(chǎn)量的研究涉及較少。豆科填閑作物具有固氮作用，能為后茬作物提供氮素；燕麥、黑麥草等禾本科填閑作物則具有增加土壤有機質(zhì)含量、提高土壤抗侵蝕的能力[20]；豆科與禾本科混播可以減少農(nóng)田氮素損失，提高作物產(chǎn)量[21-22]。豆科、禾本科及兩者混播還田翻壓腐解對該區(qū)冬小麥產(chǎn)量有何影響還有待進一步探究。

本試驗采用尼龍網(wǎng)袋法在不同氮肥管理措施下對豆科、禾本科及兩者混播填閑作物的腐解、碳氮釋放動態(tài)及后茬作物產(chǎn)量進行研究，旨在分析不同種類填閑作物在不同種植措施和施氮水平下翻壓后腐解過程及碳氮釋放規(guī)律，明確旱作農(nóng)田合理的填閑種植方式和施氮水平，以達到提高土壤肥力和后茬作物產(chǎn)量的目的，為填閑作物在黃土高原地區(qū)的推廣提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗在陜西省長武縣中國科學院長武農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站(107°44′E，35°12′N)進行。該區(qū)地處黃土高原中南部渭北旱塬，屬半濕潤易旱區(qū)，海拔1 220 m，多年平均降雨量為584.2 mm，1957—2004年間夏季休閑期(7—9月)平均降水量為305 mm，冬小麥生育期內(nèi)平均降水量為281 mm。年平均氣溫9.1℃，年日照時數(shù)2 230 h，無霜期171 d，屬暖溫帶半干旱半濕潤大陸性季風氣候，是典型的旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。研究區(qū)地勢平坦，為典型的黃土高原溝壑地貌。土壤為粘壤質(zhì)黑壚土，pH值為8.4，土壤有機質(zhì)含量約10.5 g·kg-1，土質(zhì)疏松，質(zhì)地均勻，土層深厚。布設試驗前0～40 cm各土層土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)如表1所示。試驗期間氣溫與降水量見圖1。

表1 0～40 cm土層土壤理化性質(zhì)

圖1 試驗期間氣溫及降水量Fig.1 Air temperature and precipitation during the study period

1.2 試驗設計

冬小麥-填閑種植定位試驗開始于2016年9月。試驗設計采用填閑作物和氮肥雙因素處理(表2)，填閑作物還田作為主處理因素，包括裸地對照(CK)、長武懷豆(S)、黑麥草(R)及長武懷豆與黑麥草混合(M)；氮肥為副處理，設有3個施氮水平，即不施氮(N0：0 kg N·hm-2)、低氮(N1：60 kg N·hm-2)和高氮(N2：120 kg N·hm-2)。每個處理重復3次，隨機布置在36個小區(qū)中，每個小區(qū)長7 m、寬4 m，小區(qū)間設有0.5 m的保護行。供試小麥品種為“長航一號”，于每年9月下旬播種，播量為225 kg·hm-2，次年6月下旬收獲。填閑作物于小麥收獲后種植，設置裸地對照(CK)，長武懷豆單播(播量為82.5 kg·hm-2)，黑麥草單播(播量為50 kg·hm-2)和長武懷豆與黑麥草混播(播量為長武懷豆41.25 kg·hm-2+黑麥草25 kg·hm-2)，每年生長至9月中旬時用碎草機粉碎后使用旋耕機翻耕入田，于9月下旬播種冬小麥。

填閑作物原位腐解實驗(埋袋法[23])于2017年9月至2018年6月期間進行。2017年9月采集長勢良好、色澤均勻的長武懷豆及黑麥草，65℃烘干72 h，剪成2～3 cm的樣段，稱取15 g(M處理按1∶1比例充分混合)裝入15 cm×20 cm、孔徑200目的尼龍網(wǎng)袋中并封口。2017年9月19日在填閑作物還田后埋入田，埋設深度10 cm，水平放置，兩個尼龍網(wǎng)袋之間距離25 cm，盡量保持原來的土體結(jié)構(gòu)翻埋入土，每個小區(qū)埋設12個袋子，重復3次。翻埋后立即均勻撒施不同水平氮肥，尼龍網(wǎng)袋上方土壤同時撒施，并施加磷肥(P2O5：90 kg·hm-2)。2017年10月3日，填閑作物腐解兩周后種植冬小麥。填閑作物地上部分初始養(yǎng)分含量見表3。

表2 試驗處理描述

表3 填閑作物地上部分初始養(yǎng)分含量

1.3 樣品處理與指標測定

1.3.1 樣品處理與指標測定 本試驗于2017年9月19日開始采樣，2018年6月22日即小麥收獲前一天(276 d后)最后一次取樣，共12個取樣時間(翻埋后第0、7、14、21、28、35、49、77、119、175、245天和276天)。取出尼龍網(wǎng)袋后去除表面的泥土、根系及其他雜質(zhì)，取出植物殘體并用蒸餾水洗凈，在65℃下烘干至恒重，測定腐解率。將烘干后的腐解殘體粉碎研磨后過0.15 mm篩，采用EA3000型元素分析儀測定植株殘體有機碳和全氮含量。于2018年6月22日，在每個小區(qū)中央收獲3個面積為1 m2樣方小麥，用于估算產(chǎn)量。收獲的小麥風干后，稱量地上部分生物量，人工脫粒測定小麥籽粒產(chǎn)量，計算收獲指數(shù)(收獲指數(shù)=籽粒產(chǎn)量/地上部總生物量),并統(tǒng)計穗數(shù)、穗粒數(shù)，稱量千粒重。

1.3.2 計算公式

填閑作物累積腐解率(%)=(M0-Mt)/M0×100%

式中，Mt為t時刻(腐解天數(shù))填閑作物干物質(zhì)量(g)；M0為初始干物質(zhì)量(g)。

干物質(zhì)分解速率(g·d-1)=(Mt-Mt+1)/(Tt-1-Tt)

式中，Mt為t時刻填閑作物干物質(zhì)質(zhì)量(g)；Tt為t時刻的天數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進行處理分析，處理間差異的多重比較采用Least-significant difference(LSD)法完成，采用Origin Pro 2018制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 填閑作物干物質(zhì)腐解動態(tài)

填閑作物翻埋后，隨著腐解時間的延長，各處理累積腐解率均呈現(xiàn)“前期腐解快-中期腐解慢-后期加快”的變化特征(圖2)。0～35 d(2017年9月19日—10月24日)為填閑作物的快速腐解期，累積腐解率為45%～70%，釋放速率約為194～302 mg·d-1(圖3)；第35～175天(2017年10月24日—2018年3月13日)為緩慢腐解時期，腐解速率維持在14.6 mg·d-1左右；175～276 d(2018年3月13日—6月22日)腐解速率加快，累積腐解率為71.1%～89.6%，腐解速率約為30～50 mg·d-1。S、M和R的腐解速率在第7天和第28天出現(xiàn)峰值，之后各填閑作物腐解速率趨于平穩(wěn)(圖3)。

在0～35 d,同一施氮處理下，累積腐解率和腐解速率均呈現(xiàn)S>M>R的特點。第35天時，N0下，S的累積腐解率與M無顯著差異(P>0.05)、S較R提高53.1%(P<0.05)，M較R提高40.1%(P<0.05)；N1下，S的累積腐解率與M無顯著差異(P>0.05)、S較R提高18.7%(P<0.05)，M較R提高12.4%(P<0.05)；N2下，S、M、R的累積腐解率無顯著差異(P>0.05)。

2.2 氮素添加對填閑作物殘體腐解的影響

各填閑作物累積腐解率在不同施氮處理下表現(xiàn)為N2>N1>N0，第35天，N0、N1、N2處理平均累積腐解率分別為59.5%、64.3%和68.8%。第35天時，S處理下的累積腐解率，N1、N2較N0分別提高了2.4%和3.6%(P>0.05)；M處理下的累積腐解率，N1、N2較N0分別提高了4.2%和9.3%(P>0.05)；R處理下的累積腐解率，N1、N2較N0分別提高了29.0%和46.6%(P<0.05)。施氮對R的腐解有顯著影響，施氮量越高腐解越快；在0～35 d施氮加快了S和M的腐解，但影響不顯著，35 d后氮肥效應逐漸減弱。

圖2 不同處理下填閑作物干物質(zhì)累積腐解率Fig.2 Accumulated decomposition rate of cover crop residues under different treatments

圖3 不同處理下填閑作物干物質(zhì)腐解速率Fig.3 Decomposition rate of cover crops with different treatments

2.3 不同處理下填閑作物殘體腐解殘留率的變化

為進一步比較不同填閑作物處理腐解速率，使用Olsen模型計算得到的腐解常數(shù)k并與殘體腐解殘留率數(shù)據(jù)(表4)進行擬合檢驗，并由此模型推算各處理殘體腐解50%時所需時間t1/2(d)。由結(jié)果可知，各處理均達到顯著相關(guān)水平(表5)，說明該地區(qū)的填閑作物殘體腐解動態(tài)適合Olsen單指數(shù)函數(shù)模型：Y=Y0e-kt。腐解常數(shù)k越大腐解速率越快，可知各填閑作物腐解速率表現(xiàn)為：S>M>R(表4)，長武懷豆的高氮處理(SN2)腐解最快，其次是混合還田處理(M)，黑麥草的無氮處理(RN0)腐解最慢。各處理半衰期的順序與之相反：S腐解一半平均需要18.3 d，M需要21.8 d，R則需要33 d。

表4 不同填閑作物處理下土壤中的腐解殘留率/%

表5 不同填閑作物殘體Olsen模型和半衰期

注 ：*表示在0.05水平上顯著；**表示在0.01水平上顯著。

Note: * means significant at 0.05 level; ** means significant at 0.01 level.

2.4 填閑作物殘體碳、氮養(yǎng)分的釋放及C/N變化

試驗結(jié)果顯示，碳素的釋放速率表現(xiàn)為：S>M>R，各處理下碳素的釋放與各填閑作物腐解規(guī)律基本一致(圖5)。填閑作物翻壓后的0～35 d碳素迅速釋放，至35 d時，N0下S、M、R碳殘留率分別為42.6%、40.2%、46.7%；N1下S、M、R殘留率分別為38.9%、38.7%、43.3%；N2下S、M、R殘留率分別為33.9%、36.5%、41.5%。35～175 d碳素釋放基本停滯，碳素殘留率維持在31.2%～45.1%之間，175 d至試驗結(jié)束時略有增加。氮肥水平對碳素釋放影響不顯著。

圖4 填閑作物腐解殘體中碳殘留率的變化Fig.4 Changes of C in cover crop residues

圖5 填閑作物腐解殘體中氮殘留率的變化Fig.5 Changes of N in cover crop residues

填閑作物翻壓后的0～21 d氮素迅速釋放，至21 d時，N0處理下S、M、R氮殘留率分別為54.6%、69.9%、88.6%；N1處理下S、M、R氮殘留率分別為47.7%、57.2%、80.1%；N2處理下S、M、R氮殘留率分別為49.6%、68.1%、74.4%。與R相比，S和M氮殘留率分別下降了37.8%和19.8%(P<0.05)。SN1和SN2氮殘留率較SN0分別降低12.6%和9.2%；MN1和MN2較MN0氮殘留率降低18.1%和2.6%；RN1和RN2較RN0分別降低9.6%和16.0%。21～175 d，各處理氮素釋放緩慢氮素殘留率維持在42.7%～68.9%之間，175 d至試驗結(jié)束氮素釋放速率稍有增加。整體而言，不論施氮與否，除第276天外，翻壓S和M的氮殘留率顯著低于R處理(P<0.05)，表明影響氮釋放主要與填閑作物本身氮含量有關(guān)，施氮促進了氮素釋放。R氮元素釋放緩慢，其釋放速度隨施氮量的增加而增加；M氮素釋放速率僅次于S，施氮促進了填閑作物氮素的釋放。

試驗期間，填閑作物C/N變化明顯(圖6)，隨著填閑作物的腐解，各處理的C/N不斷降低 ，0～21 d下降速率最快，21 d后緩慢增長，后趨于平穩(wěn)。施氮處理的C/N下降速率高于不施氮處理，且下降速率N2>N1。從動態(tài)變化來看，N0下，S的C/N從試驗開始的14.4降低到9.7；R從最初的24.6下降到18.7；M的C/N從17.1減少到10.1。而SN1降至7.4，SN2降至7.1；RN1降低至17.3，RN2降至15.6。MN1降至9.8，MN2降至8.4。由此可見，填閑作物的腐解也是其C/N不斷下降的過程，且氮肥的施入一定程度上加速了C/N的下降。

2.5 填閑作物腐解對小麥產(chǎn)量的影響

圖6 填閑作物腐解殘體中C/N的變化Fig.6 Changes of C/N in cover crop residues

由表6可以看出，與裸地對照(CK)相比，種植并翻壓填閑作物各處理下小麥籽粒產(chǎn)量、生物量、收獲指數(shù)、穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重均有所提高。其中與CK相比R、M、S的籽粒產(chǎn)量分別提高了9.8%、32.7%、35.4%；生物量分別提高了12.5%、21.2%、27.8%；收獲指數(shù)分別提高了1.4%、7.7%、11.4%；穗數(shù)分別提高了2.7%、22.0%、24.2%；穗粒數(shù)分別提高了2.0%、5.8%、15.6%；穗粒數(shù)分別提高了11.2%、24.5%、31.2%。各施氮及填閑作物翻壓處理對冬小麥收獲指數(shù)影響不顯著(P>0.05)。與N0相比，施加低氮(N1)與高氮(N2)處理下，冬小麥生物量、籽粒產(chǎn)量、穗數(shù)、穗粒數(shù)及千粒重均呈現(xiàn)顯著性差異(P<0.05)；與CK相比，S和M處理下，冬小麥生物量、籽粒產(chǎn)量、穗數(shù)、及千粒重均呈現(xiàn)顯著性差異(P<0.05)；與CK相比，翻壓黑麥草(R)處理下冬小麥產(chǎn)量各指標均無差異(P>0.05)。施氮、填閑作物類型對除收獲指數(shù)外其他產(chǎn)量指標均具有顯著影響，且兩者對冬小麥穗數(shù)及穗粒數(shù)具有極顯著性交互作用(P<0.001)。

3 討 論

3.1 不同填閑作物腐解過程的差異

本研究中，各填閑作物翻壓處理腐解速率表現(xiàn)為“前期快-中期慢-后期加快”的特點。前期腐解迅速的原因在于，9—10月份該地區(qū)降水及光熱充足，微生物活性較強，填閑作物翻埋后在最開始一些小分子和水溶性有機化合物如多糖、氨基酸、有機酸等易被微生物分解，增加了土壤中的底物供給，為微生物的繁殖提供了大量的養(yǎng)分及能源[25]；而到中期殘體中的大分子物質(zhì)，如纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等難分解物質(zhì)所占比例不斷上升，隨著溫度的降低，小麥進入越冬期，各處理腐解速率及養(yǎng)分釋放均進入緩慢階段[26]；在腐解后期隨氣溫的升高、小麥的生長，腐解過程又進入另一個階段，這與Ferreira等[27]研究結(jié)果一致。Olsen模型計算結(jié)果進一步驗證了三種填閑作物腐解率S>M>R。

表6 不同填閑作物處理對冬小麥產(chǎn)量的影響

注：*** 表示在0.001水平上顯著。不同小寫字母a,b,c表示不施氮處理下不同填閑種植處理間達到顯著差異性(P<0.001)。NS表示無差異性。

Note: *** means significance at 0.001 levels. Different lowercase letters a, b, c indicate significant difference between different cover cropping treatments under different N application (P<0.001). NS means not significant.

填閑作物腐解及養(yǎng)分釋放受到土壤及水熱等多方面因素的影響，其中自身的C/N也決定著植株殘體的腐解速率[10]。本文不同處理之間腐解速率表現(xiàn)為S>M>R，由此可見C/N越低腐解速率越快。Heal的研究發(fā)現(xiàn)植物殘體C/N低于20時其腐解速率及養(yǎng)分釋放速率變得極為迅速，本研究中長武懷豆與混合處理殘體腐解率均大于黑麥草處理，且當黑麥草C/N降到20以下(14 d后)之后其腐解速率也在不斷加快，這與Heal等[28]的研究結(jié)果一致。

3.2 施氮對填閑作物殘體腐解的影響

研究結(jié)果顯示，氮肥的施入促進了填閑作物的腐解，施氮處理對R的腐解影響最為明顯，而對S、M影響不顯著。其原因可能是禾本科的黑麥草翻埋后大量能源物質(zhì)(碳源)會刺激微生物迅速活動，導致有效氮被微生物固持[29]，而施氮減輕了有效氮被微生物的固持、提高了土壤微生物的分解代謝能力，從而加速了殘體的腐解。在腐解的后期施氮處理對填閑作物的腐解基本無影響，原因可能是在試驗后期，冬小麥的生長消耗了氮素及氮的淋溶損失導致了氮肥效應逐漸減弱。

3.3 填閑作物殘體碳、氮養(yǎng)分的釋放

在本研究中，殘體的碳、氮養(yǎng)分在最初的21 d迅速釋放，S和M殘體的碳、氮養(yǎng)分釋放速率快，R釋放緩慢。這與牟小翎等[30]、Poffenbarger等[31]研究結(jié)果一致。原因可能是本研究中等量的S與M殘體初始的含氮量高于R，且S本身具有較強的固氮能力，翻壓后氮素釋放迅速；R本身含氮量低，在腐解后期出現(xiàn)了固氮的情況，影響作物吸收[31]。在腐解前期碳氮釋放量最多，為小麥出苗提供了充足養(yǎng)分，但該時期小麥養(yǎng)分需求量小，大量養(yǎng)分未被利用儲存在土壤中為隨后分蘗期小麥提供養(yǎng)分，冬小麥進入越冬期后苗基本停止生長，養(yǎng)分需求更少，返青期后填閑作物腐解為之后各生育期小麥提供養(yǎng)分，作物生長吸收碳氮的最佳時期。

3.4 填閑作物腐解對冬小麥產(chǎn)量的影響

種植并翻壓夏季填閑作物可以增加后茬作物的產(chǎn)量[32]。小麥的產(chǎn)量與綠肥作物翻壓時間、翻壓總量、養(yǎng)分釋放量等有著密切的關(guān)系。諸多研究認為，填閑作物翻壓時期應選擇在其產(chǎn)量及養(yǎng)分含量最高時進行。本研究翻壓長武懷豆為結(jié)莢期，黑麥草為盛花期，該時期填閑作物植株木質(zhì)化程度低，植株較鮮嫩，翻壓后腐解礦化快, 能及時地釋放養(yǎng)分供后茬冬小麥吸收利用；張久東、Shah等研究發(fā)現(xiàn)綠肥翻壓生物量越高，其后茬作物產(chǎn)量及養(yǎng)分吸收量也越大[33-34]；填閑作物翻壓量增大土壤中的微生物量也相應增大，土壤中微生物活性增強，土壤的肥力也隨之提高；填閑作物翻壓量越大其在土壤中的養(yǎng)分釋放量也越多，能更好地為后茬冬小麥提供養(yǎng)分。在各處理中SN1及MN1與CK相比小麥增產(chǎn)最多。SN1高產(chǎn)原因：S氮含量高，配以N1處理使其腐解速率增加，與SN2處理相比SN1養(yǎng)分釋放慢，但釋放量相差不大，SN1養(yǎng)分釋放與冬小麥養(yǎng)分需求保持了同步；氮素過快釋放會被過早地淋溶和反硝化作用消耗，不利于作物的利用。MN1高產(chǎn)的原因：在豆科與禾本科混播生長期間，豆科固定的氮素會向禾本科轉(zhuǎn)移，有研究發(fā)現(xiàn)在豆科與禾本科間作系統(tǒng)中，豆科體內(nèi)有2.2%的氮直接轉(zhuǎn)移給禾本科作物，促進禾本科作物的生長使其翻壓生物量增加[35]，為后茬冬小麥提供了充足的養(yǎng)分。因此選擇合理的翻壓方式有利于冬小麥的增產(chǎn)。本研究只對各填閑作物地上部分做了腐解規(guī)律的研究，但未對根部進行研究，并且缺少生長期間的固氮效應研究，有研究表明根部的腐解也是填閑作物腐解養(yǎng)分釋放的重要來源[36]，因此可能會過高估計了填閑作物翻壓對冬小麥的增產(chǎn)效應。

4 結(jié) 論

本研究結(jié)果表明，在渭北旱塬旱作冬小麥生境下各填閑作物翻壓處理腐解特征及碳、氮釋放表現(xiàn)為“前期快-中期慢-后期加快”的特點，試驗結(jié)束的第276天，S、M及R各處理的累積腐解率均達到7%以上；0～35 d不同填閑作物腐解速率表現(xiàn)為：S>M>R。該地區(qū)填閑作物腐解規(guī)律符合Olsen模型；0～35 d內(nèi)氮素的添加促進了填閑作物殘體的腐解，35 d后氮肥效應減弱；氮釋放速率高于碳釋放速率，填閑作物的初始C/N影響其腐解速率，表現(xiàn)為低C/N填閑作物腐解快于高C/N填閑作物；與裸地對照相比翻壓填閑作物能夠顯著提高后茬冬小麥產(chǎn)量，但并非施氮越多產(chǎn)量就越高，腐解速率及養(yǎng)分釋放與冬小麥養(yǎng)分吸收保持同步時增產(chǎn)效應最佳，其中以SN1及MN1處理為最佳翻壓處理組合。因此選擇單播長武懷豆或者長武懷豆與黑麥草混播并翻壓更適合作為該地區(qū)可持續(xù)農(nóng)業(yè)的管理措施。