荔枝剪枝還田腐解及養(yǎng)分釋放特征研究

侯憲文，張 軍，符瑞益，李煥苓，李光義

（1.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院環(huán)境與植物保護研究所，海南 海口 571101；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部儋州農(nóng)業(yè)環(huán)境科學觀測實驗站，海南 儋州 571737；3.米易縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，四川 米易 617200）

【研究意義】荔枝是我國主要的亞熱帶果樹，廣泛種植于南方各省區(qū)，在商業(yè)化栽培中常采用矮化密植方式，每年會修剪下大量枝葉，尤其回縮修剪盛果期妃子笑可產(chǎn)生折合每株15～25 kg的干枝葉，一般枝條和葉片質(zhì)量各占50%。目前荔枝剪枝的基本處理方法為焚燒、填埋或隨意丟棄，不僅影響果園及周邊環(huán)境，還可能成為病蟲害傳播及引發(fā)火災的隱患等。荔枝剪枝中含有大量的有機物及豐富的氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，是寶貴的可再生資源?，F(xiàn)代果樹不合理的生產(chǎn)管理導致果園土壤有機質(zhì)含量偏低，土壤結構變壞、土壤板結、通氣不良、保肥、保水能力差，養(yǎng)分結構不平衡，果實品質(zhì)下降?；诖?，如能將荔枝剪枝進行還田利用不僅可解決上述環(huán)境問題，還可以替代一部分化肥投入，從而降低生產(chǎn)成本，進一步提高經(jīng)濟效益?！厩叭搜芯窟M展】研究表明，果樹剪枝還田可改善土壤團粒結構和理化性狀，提高土壤肥力，增加作物產(chǎn)量，節(jié)約化肥用量［1］。作物秸稈在土壤中的腐解和養(yǎng)分釋放是一個復雜過程，其腐解及養(yǎng)分釋放速率是評價還田后增加土壤有機質(zhì)和改善土壤肥力的重要指標［2-5］。國內(nèi)外學者已針對大豆、玉米、燕麥、小麥等作物秸稈還田腐解及其養(yǎng)分釋放規(guī)律的研究作了許多工作［6-11］。我們也針對香蕉、菠蘿等熱帶作物秸稈的腐解和養(yǎng)分釋放特征作了深入研究［12-14］。但是，以往研究主要針對豆科、禾本科等木質(zhì)化程度不高的作物秸稈，而關于木質(zhì)化較高的果園剪枝等有機廢棄物腐解的相關研究則鮮見報道。【本研究切入點】為進一步了解果園剪枝還田對土壤養(yǎng)分的影響潛力和機理，有必要在還田條件下對果園剪枝的腐解和養(yǎng)分釋放動態(tài)進行深入研究?！緮M解決的關鍵問題】以荔枝剪枝為研究對象，利用網(wǎng)袋法開展其在土壤中的腐解和養(yǎng)分釋放規(guī)律研究，為荔枝剪枝還田利用和有機替代技術的研究提供理論基礎，也為其他果樹剪枝的合理利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

荔枝（妃子笑）剪枝來源于中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院環(huán)境與植物保護所果園試驗基地，用樹枝粉碎機破碎后備用。荔枝枝條切碎為1～2 cm 的塊狀，荔枝葉片破碎為1 cm左右的片狀。其中，荔枝枝條中全氮質(zhì)量分數(shù)為0.85%、全磷0.33%、全鉀0.73%、粗纖維32.16%、淀粉6.60%；荔枝葉片中全氮質(zhì)量分數(shù)為1.33%、全磷0.25%、全鉀0.66%、粗纖維28.40%、淀粉1.81%。

1.2 試驗方法

田間腐解試驗于2018年6月在海南省瓊海市彬村山農(nóng)場荔枝園進行，試驗區(qū)年均降雨量為2 072 mm，年均溫度24.5 ℃。荔枝采后修剪枝時開始布置，將荔枝枝條和荔枝葉片分別裝入孔徑為0.048 mm 的尼龍網(wǎng)袋（長30 cm、寬15 cm），其中枝條質(zhì)量為20.00 g、葉片質(zhì)量為15.00 g。試驗設置田間覆土處理（在兩行荔枝樹之間開溝，深度為20 cm、寬度為15 cm。將網(wǎng)袋平鋪于溝內(nèi)，保持粉碎的枝條或葉片均勻平鋪在網(wǎng)袋中，上覆15 cm土層）和表面覆蓋處理（將網(wǎng)袋平鋪于荔枝樹下，保持粉碎的荔枝枝條或葉片均勻平鋪在網(wǎng)袋中，直接覆蓋枝葉）。荔枝枝條分別在處理后30、60、120、180、240 d取樣，荔枝葉片分別在處理后30、60、90、120、150 d取樣，每次各取3袋，樣品分別用自來水和去離子水洗凈后烘干，稱重后用微型植物粉碎機（FZ102）粉碎，備用。

1.3 測定項目及方法

以H2SO4-H2O2消煮樣品，用凱氏定氮儀（UDK159，VELP）測定全氮含量，用鉬釩黃比色法測定全磷含量，用多元素火焰光度計（M410,Sherwood）測定全鉀含量［15］。粗纖維含量采用酸堿洗滌法、淀粉含量采用淀粉糖化酶-酸水解法測定。

質(zhì)量減少量、質(zhì)量累積減少率、平均腐解速率、養(yǎng)分釋放質(zhì)量、養(yǎng)分累積釋放率及養(yǎng)分平均釋放速率按以下公式計算：

質(zhì)量減少量=N 次干物質(zhì)質(zhì)量－（N+1）次干物質(zhì)質(zhì)量

質(zhì)量累積減少率（%）=（試驗初始的干物質(zhì)質(zhì)量－取樣時干物質(zhì)質(zhì)量）/0 d 的干物質(zhì)質(zhì)量×100

平均腐解速率（mg/d）=（試驗初始的干物質(zhì)質(zhì)量－取樣時干物質(zhì)質(zhì)量）/腐解時間

養(yǎng)分釋放質(zhì)量（mg）=試驗初始的養(yǎng)分質(zhì)量－取樣時養(yǎng)分質(zhì)量

養(yǎng)分累積釋放率（%）=（試驗初始的養(yǎng)分質(zhì)量－取樣時養(yǎng)分質(zhì)量）/試驗初始的養(yǎng)分量×100

養(yǎng)分平均釋放速率（mg/d）=〔N次養(yǎng)分質(zhì)量－（N+1）次養(yǎng)分質(zhì)量〕/腐解時間

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2003進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 荔枝枝條與葉片分解特征

覆土和覆蓋處理荔枝枝條經(jīng)240 d分解，其質(zhì)量累積減少率分別為51.7%、38.8%，且覆土處理荔枝枝條質(zhì)量累積減少率較高（圖1A）。在還田150 d后，荔枝葉片質(zhì)量累積減少率分別為55.2%、42.5%，同樣表現(xiàn)為覆土處理質(zhì)量累積減少率較高（圖1B）。在覆土和覆蓋處理荔枝枝條在處理0～30 d平均腐解速率分別為139.0、93.1 mg/d，這一階段的質(zhì)量減少量分別占處理240 d內(nèi)質(zhì)量減少量的40.3%、36.0%；處理30～240 d，荔枝枝條平均腐解速率分別為29.4、23.7 mg/d，覆土和覆蓋處理荔枝枝條在處理0～30 d 的平均腐解速率分別為處理30～240 d 的4.73、3.93倍，說明處理0～30 d 是快速腐解期。同樣，覆土和覆蓋處理荔枝葉片在處理0～30 d的平均腐解速率分別為139.0、104.9 mg/d，這一階段的質(zhì)量減少量分別占處理150 d 內(nèi)質(zhì)量減少量的50.3%、49.3%；處理30～150 d，荔枝葉片的平均腐解速率分別為34.3、26.9 mg/d。

圖1 不同處理荔枝枝條與葉片中干物質(zhì)質(zhì)量變化特征Fig.1 Changing characteristics of dry matter mass of litchi branches and leaves under different treatments

覆土和覆蓋處理荔枝枝條中粗纖維質(zhì)量在處理240 d內(nèi)分別減少47.0%、26.2%（圖2A）。處理0～60 d平均腐解速率分別為3.9、5.3 mg/d，這一階段的質(zhì)量減少量分別占處理240 d內(nèi)質(zhì)量減少量的7.8%、18.7%；處理60～240 d，荔枝枝條中粗纖維的平均腐解速率分別為15.5、7.6 mg/d，覆土處理呈“先慢后快”趨勢，而覆蓋處理則呈“慢－快－慢”趨勢，這可能與后期降雨減少有關。同樣地覆土和覆蓋處理荔枝葉片中粗纖維在處理0～60 d的平均腐解速率分別為5.1、8.8 mg/d，這一階段的質(zhì)量減少量分別占處理150 d 內(nèi)質(zhì)量減少量的13.6%、26.9%；處理60～150 d，荔枝葉片的平均腐解速率分別為21.5、16.0 mg/d，呈現(xiàn)“慢－快－慢”趨勢，而覆蓋處理由慢變快的時間點則延遲出現(xiàn)（圖2B）。

圖2 不同處理荔枝枝條與葉片中粗纖維質(zhì)量變化特征Fig.2 Changing characteristics of crude fiber mass in litchi branches and leaves under different treatments

2.2 荔枝枝條與葉片中氮的釋放特征

覆土和覆蓋處理240 d荔枝枝條中全氮質(zhì)量分別為試驗開始時的71.3%、54.8%（圖3A）。荔枝枝條中全氮均在處理0～30 d分解釋放較快，覆土和覆蓋處理平均釋放速率分別為1.50、0.98 mg/d，這一階段的質(zhì)量減少量分別占處理240 d內(nèi)質(zhì)量減少量的92.6%、38.3%。覆蓋處理的荔枝枝條中全氮質(zhì)量隨著時間延長呈緩慢減少趨勢，而覆土處理則呈“減少－增加－減少”趨勢，但在處理60～120 d 有增加趨勢，之后又緩慢減少。在覆土和覆蓋處理150 d時，荔枝葉片中全氮質(zhì)量分別為試驗開始時的34.5%、56.2%（圖3B）。覆土和覆蓋處理中全氮在處理0～30 d的平均釋放速率分別為2.14、1.19 mg/d，分別占處理150 d內(nèi)質(zhì)量減少量的49.1%、40.9%。荔枝葉片中全氮質(zhì)量變化趨勢與荔枝枝條相似，覆蓋處理的荔枝葉片中全氮質(zhì)量隨著時間延長而減少，而覆土處理則呈“減少－增加－減少”趨勢，不過拐點出現(xiàn)時間要早于荔枝枝條30 d 左右。

圖3 不同處理荔枝枝條與葉片中全氮質(zhì)量變化特征Fig.3 Changing characteristics of total nitrogen mass in litchi branches and leaves under different treatments

2.3 荔枝枝條與葉片中磷的釋放特征

覆土和覆蓋處理240 d荔枝枝條中全磷的釋放率分別為66.0%、61.0%（圖4A）。處理0～30 d，磷的平均釋放速率分別為0.67、0.35 mg/d，這一階段的質(zhì)量減少量分別占處理240 d內(nèi)質(zhì)量減少量的46.3%、26.1%；覆蓋處理的荔枝枝條中的磷主要在處理30～60 d 期間釋放，占處理240 d內(nèi)質(zhì)量減少量的51.8%。覆土和覆蓋處理荔枝葉片中的全磷在處理0～30 d的平均釋放速率分別為0.43、0.30 mg/d，這一階段的質(zhì)量減少量分別占處理150 d內(nèi)質(zhì)量減少量的67.9%、56.3%；覆土和覆蓋處理荔枝葉片全磷在處理0～30 d的平均釋放速率分別是30～150 d的8.43、5.00倍，說明荔枝葉片的全磷主要在處理0～30 d 期間釋放（圖 4B）。

2.4 荔枝枝條與葉片中鉀的釋放特征

圖4 不同處理荔枝枝條與葉片中全磷質(zhì)量變化特征Fig.4 Changing characteristics of total phosphorus mass in litchi branches and leaves under different treatments

圖5 不同處理荔枝枝條與葉片中全鉀質(zhì)量變化特征Fig.5 Changing characteristics of total potassium in litchi branches and leaves under different treatments

覆土和覆蓋處理240 d荔枝枝條中鉀的釋放率分別為94.0%、56.3%（圖5A）。0～30 d，覆土和覆蓋處理荔枝枝條中全鉀的平均釋放速率分別為3.40、0.65 mg/d，這一階段的質(zhì)量減少量分別占處理240 d內(nèi)質(zhì)量減少量的73.9%、23.7%；覆蓋處理的荔枝枝條中全鉀主要在處理30～60 d期間釋放，占處理240 d內(nèi)質(zhì)量減少量的69.7%。處理0～30 d，覆土處理荔枝葉片中全鉀釋放率已接近100%，而覆蓋處理荔枝葉片中全鉀在處理150 d 時釋放率僅為90.1%。覆蓋處理荔枝葉片中的鉀在處理0～30 d的平均釋放速率為1.26 mg/d，這一階段釋放量占處理150 d內(nèi)釋放量的42.5%，明顯慢于覆土處理（圖5B）。

3 討論

在本研究中，荔枝剪枝的枝條和葉片由于組成結構和成分不同，二者在土壤中的腐解特征差異較大。破碎處理后的荔枝枝條主要以塊狀為主，其比表面積小，處理240 d時僅有38.8%～51.7%分解，而薄片狀的荔枝葉片在處理150 d即有42.5%～55.2%分解礦化。作物秸稈在土壤環(huán)境中的腐解速率受多種因素影響，包括自身條件、水熱條件、土壤狀況等［1］。作物秸稈的腐解過程主要分為快速分解期和緩慢分解期。在快速分解期，秸稈中微生物偏嗜性高的可溶性糖類、蛋白質(zhì)和（半）纖維素等物質(zhì)快速分解，而在快速分解期未被分解的、微生物較難利用的木質(zhì)素、單寧和蠟質(zhì)等物質(zhì)通過物理、化學作用逐步緩慢被分解，一般需要一年或更長時間［16-17］。荔枝枝條和葉片中粗纖維在試驗處理初期減少幅度不大，可能原因是枝條和葉片中水溶性糖和淀粉等易分解小分子物質(zhì)在喜糖霉菌、白霉菌和無芽孢細菌的作用下先分解、礦化；之后是以芽孢細菌和纖維素分解細菌為主，分解蛋白質(zhì)、果膠類物質(zhì)和纖維素等；最后才是放線菌和某些真菌分解木質(zhì)素、單寧和蠟質(zhì)等［1］。

秸稈還田方式不同，使得作物秸稈所處的自然條件以及與微生物接觸機會和程度也不同，因此，作物秸稈的腐解和養(yǎng)分釋放特征也會存在很大差異［2］。以不同耕作方式將玉米秸稈還田，其腐解率表現(xiàn)為翻耕處理＞旋耕處理＞免耕處理［18］。將小麥、油菜秸稈以露天、土埋和水泡3種方式還田，經(jīng)過120 d腐解，腐解速率表現(xiàn)為土埋＞露天＞水泡［19］。我們前期研究發(fā)現(xiàn)，香蕉、菠蘿等作物秸稈覆土處理的腐解速率要顯著大于覆蓋處理［12-14］，本研究也證實無論枝條還是葉片的腐解速率都是覆土處理大于覆蓋處理，主要是因為覆土處理提高了荔枝枝葉與環(huán)境微生物接觸的機會，也能保證微生物活動必需的水分等。因此，在生產(chǎn)實際中，要提高作物秸稈的腐解速率，首先考慮如何盡可能多的接觸微生物，并為微生物生長活動創(chuàng)造條件，如采取秸稈粉碎、覆蓋或翻耕、灌溉等措施。

荔枝枝葉含有氮、磷、鉀等元素，而由于枝條和葉片組織結構和化學組分不同，其養(yǎng)分釋放特征也必然存在較大差異。荔枝枝中的氮、磷、鉀在處理240 d的累積釋放率分別為28.7%～46.2%、61.0%～66.0%、56.3%～94.0%；荔枝葉中的氮、磷、鉀在處理150 d的累積釋放率則為43.8%～65.5%、41.7%～50.3%、90.1%～100.0%。荔枝枝葉中主要養(yǎng)分的釋放率表現(xiàn)為K＞P＞N或K＞N＞P，這與以往研究結果［12-14,20］基本一致。分析其原因，主要是作物秸稈等有機物中的鉀主要以離子態(tài)存在，易溶于水而容易被釋放出來；作物秸稈中的磷有60%左右以無機磷形態(tài)存在而容易釋放，其余則為難分解的有機磷；而作物秸稈中的氮素大部分賦存于蛋白質(zhì)和氨基酸中［21］，還有小部分存在于核酸、葉綠素、酶、生物堿等物質(zhì)中［22］，還有部分以硝態(tài)氮（NO3--N）、銨態(tài)氮（NH4+-N）等形式存在。其中，蛋白質(zhì)占秸稈全氮的80%～85%，游離態(tài)的氨基酸約占氮總量的5%［23-24］。無機態(tài)氮和氨基酸等小分子有機態(tài)氮容易從秸稈中釋放，但占比很??；而大分子有機態(tài)氮如葉綠素、蛋白質(zhì)或酶、核酸和維生素）必須先經(jīng)微生物分解、礦化為無機氮才能逐漸釋放，且釋放過程比較慢。因此，一般作物秸稈中養(yǎng)分釋放速率表現(xiàn)為 K＞P＞N［9,20］。

在本研究中，荔枝枝條和葉片中全氮在覆土處理時都呈現(xiàn)“減少－增加－減少”趨勢。秸稈氮素在土壤中的循環(huán)轉化過程十分復雜，包括有機氮礦化、無機氮生物固定、銨離子礦物固定、硝化作用和反硝化作用等過程［25］。且這些過程都是相互制約、相互影響的，在每個過程中，各種氮庫的含量都處于動態(tài)變化中［26］。荔枝枝條和葉片在埋入土壤初期，主要是無機態(tài)氮和小分子有機氮進入土壤氮庫。閆德智等［27］利用15N同位素示蹤研究也表明，秸稈中氮會隨著分解過程進入土壤的不同氮庫，而礦質(zhì)15N和微生物15N均表現(xiàn)出先增加后降低的現(xiàn)象。Jensen［28］研究表明，15N標記秸稈經(jīng)過7 d培養(yǎng)，大豆秸稈中21%的氮、大麥秸稈中17%的氮會被微生物吸收利用。隨著秸稈中氮素損失，C/N增大，秸稈中賦存的微生物會利用土壤氮庫中氮來保證生命活動，出現(xiàn)土壤氮素的生物固定，這樣也就會出現(xiàn)秸稈中總氮增加現(xiàn)象。在腐解后期，秸稈殘體C/N逐漸降低，微生物較易獲取的營養(yǎng)物質(zhì)逐漸被消耗殆盡，隨著部分微生物的死亡，部分有機氮分解礦化進入土壤氮庫［29］。王志明等［30］研究也證實，秸稈中15N在培養(yǎng)112 d后的實際礦化率為50%左右。大部分殘體氮素被固持而進入到土壤有機質(zhì)的穩(wěn)定組分中，這部分有機態(tài)氮素礦化過程比較緩慢［31］。不同的作物秸稈結構組成不同，其氮素釋放特征差異也很大，如本研究中的荔枝枝條和葉片中氮釋放特征不同，與香蕉莖葉、甘蔗葉中氮釋放特征差異也很大，荔枝枝條中氮素的當季利用率較低。因此，在荔枝栽培管理中，要充分利用修剪下的枝葉替代部分化學肥料，修剪后的施肥管理應先控制鉀肥施用量，適當補充氮肥以滿足作物需求，促進荔枝抽梢發(fā)育。荔枝修剪后正值水熱充沛的夏季，可先將剪枝粉碎后覆蓋在荔枝行間或樹下，可以抑制雜草生長，待10—11月時，結合施用有機肥翻入土壤，可以促進枝葉腐解和養(yǎng)分釋放以供荔枝開花結實的生長所需。

4 結論

綜上所述，荔枝枝葉在還田處理0～30 d是其快速腐解期，占試驗期間總腐解率的36.0%～50.3%；荔枝枝葉中養(yǎng)分釋放率占總釋放比例達38.3%～92.6%，其中鉀的釋放率最高，主要養(yǎng)分的釋放率表現(xiàn)為K＞P＞N。覆土處理更有利于腐解及養(yǎng)分釋放。在荔枝栽培管理中要充分利用修剪下的枝葉替代部分化學肥料，修剪后的施肥管理應先適當補充氮肥以滿足荔枝抽梢發(fā)育需求。