黃壤旱地豆科綠肥養(yǎng)分釋放特征

魏全全，張 萌，陳 龍，秦 松，周春火，芶久蘭

（1. 貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所 / 農(nóng)業(yè)部貴州耕地保育與農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測實驗站，貴州 貴陽 550006；2. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)國土資源與環(huán)境學(xué)院，江西 南昌 330045）

綠肥作物可以利用其生長過程中所產(chǎn)生的全部或部分鮮體，直接或間接翻壓到土壤中作肥料，起到部分替代化肥、改良土壤的作用[1]。綠肥還田是利用綠肥資源的直接有效途徑。綠肥還田是將綠肥吸收和固定的營養(yǎng)元素歸還到土壤中，在一定程度上緩解土壤養(yǎng)分的耗竭狀況，是生態(tài)農(nóng)業(yè)的重要組成部分[2-3]。前人對綠肥的還田腐解做了大量研究，劉佳等[4]的研究表明，毛葉苕子(Vicia villosa)腐解過程為前期迅速、后期緩慢，翻壓180 d 后毛葉苕子干物質(zhì)的最終腐解率在70.19%～84.18%，且增加翻壓量不會改變毛葉苕子整體的腐解及養(yǎng)分釋放規(guī)律，但會對養(yǎng)分的釋放率和釋放速率產(chǎn)生影響。張成蘭等[5]在不同施肥條件下探討了毛葉苕子的腐解及養(yǎng)分釋放特性，不同施肥處理下毛葉苕子累積腐解率為65.3%～72.5%，腐解過程中呈現(xiàn)前11 d 腐解較快、后期腐解緩慢并逐漸趨于平穩(wěn)的趨勢。薄晶晶等[6]探究長武懷豆(Glycine ussuriensis)和黑麥草(Lolium perenne)兩種綠肥在黃土旱塬區(qū)農(nóng)田土壤中的腐解狀況，結(jié)果表明，長武懷豆更適合作為該地區(qū)土壤培肥夏閑綠肥的選擇。黃壤是貴州省主要的農(nóng)業(yè)土壤類型，面積分別占貴州土壤面積和我國黃壤面積的46.4%和25.3%[7]，其有機質(zhì)含量偏低，養(yǎng)分含量低，質(zhì)地黏重，耕性不強，易發(fā)生水土流失，保水保肥能力相對較差，導(dǎo)致作物產(chǎn)量不高，因此，如何改良黃壤地力，提高黃壤的肥力水平尤為重要。同時，2015 年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布《到2020 年化肥使用零增長行動方案》[8]提出“兩減一增”，單純的施用化肥很難提高肥料利用率，在施用化肥的情況下，應(yīng)當(dāng)增施綠肥等有機物料以提高養(yǎng)分利用率，而綠肥種植簡單且培肥地力，因此，應(yīng)大力推廣綠肥的生產(chǎn)及應(yīng)用。綠肥是我國種植面積較廣的養(yǎng)地作物，科學(xué)還田意義重大。傳統(tǒng)的綠肥還田方法是利用大型機械旋耕機將生長在田地中的新鮮綠肥直接翻壓還田，但貴州省是我國唯一沒有平原的省份，大型機械化推廣較難，農(nóng)民普遍使用的是小型旋耕機，且鮮草還田時，由于綠肥含水量較大，導(dǎo)致其還田難度較大，容易纏繞機器，最終導(dǎo)致綠肥翻壓還田不易操作，影響農(nóng)民積極性，因此在貴州黃壤如何科學(xué)合理的還田方式值得探究。綠肥還田后在土壤中的腐解是一個漫長且復(fù)雜的過程，其腐解速率是評價綠肥還田后增加和改善土壤有機質(zhì)、土壤肥料的重要指標，且不同水分含量的綠肥腐解速率不同。前人研究多集中在單一綠肥的腐解規(guī)律，或是不同綠肥品種腐解率的比較，很少涉及同種綠肥品種在含水量不同及添加外源物時腐解速率的比較，而在實際還田中，明確綠肥腐解的詳細過程及其養(yǎng)分的釋放速率，對綠肥還田后調(diào)整下茬作物化肥施用量時非常重要。因此，本研究基于貴州黃壤旱地，在翻壓還田條件下，探討不同含水量綠肥的腐解特性，并探討外源添加物對綠肥腐解速率的影響，以期為黃壤旱地綠肥科學(xué)還田及化肥合理減施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與材料

試驗于2019 年4 月 ? 9 月在貴州省貴陽市貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗基地進行。該地區(qū)屬亞熱帶濕潤溫和型氣候，試驗期間平均氣溫15.3 ℃，年平均濕度77%，平均降水量為94.1 mm。試驗田塊土壤為貴州典型黃壤，基本理化性質(zhì)為pH 6.0，有機質(zhì)含量22.08 g·kg?1，全 氮 含 量1.08 g·kg?1，有 效 磷 含 量12.8 mg·kg?1，速效鉀含量122.1 g·kg?1。

供試綠肥品種為高氮綠肥品種66-25 箭筈豌豆(Vicia sativa)，取樣時間為2019 年4 月25 日，綠肥處于結(jié)莢期，此時為綠肥生物量最大時期，該時期綠肥含水量為85%。

1.2 試驗設(shè)計

在自然翻壓還田的情況下，采用尼龍網(wǎng)袋法，探究黃壤旱地下綠肥的腐解養(yǎng)分釋放特性。試驗共設(shè)置4 個處理，分別為新鮮綠肥(200 g，T1)、烘干綠肥(30 g，T2)、新鮮綠肥+生物炭(200+30 g，T3)、烘干綠肥+生物炭(30+30 g，T4)。綠肥養(yǎng)分含量為：氮2.678%，磷 0.429%，鉀2.969%。

割取新鮮且長勢一致、色澤均勻的綠肥整株樣品，在陰涼地剪成2～4 cm 的小段并混勻，一部分放入烘箱快速烘干，作為烘干綠肥，未烘干部分作為新鮮綠肥。稱取新鮮綠肥200 g (T1) 和烘干綠肥30 g(T2) 分別裝入網(wǎng)格孔徑為0.045 mm 的尼龍網(wǎng)袋(網(wǎng)袋長20 cm，寬15 cm，厚0.8～1.0 cm)內(nèi)備用，T3和T4處理加入的30 g 水稻秸稈生物炭過0.85 mm 篩，裝好之后混勻封口。新鮮綠肥和烘干綠肥于4 月26 日同時埋袋處理，封口后露天自然還田，將網(wǎng)袋平鋪無重疊埋入土中，埋設(shè)深度為10 cm，覆土與地面齊平。每個處理裝60 袋，共240 袋。在第5、10、15、20、25、30、35、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、160 和180 天取樣，共取樣20 次。

測定樣品時，每個處理隨機抽取3 袋，去除表面浮土和雜物，用蒸餾水沖凈網(wǎng)袋上粘附的泥土，在60 ℃下烘干，稱重量，磨碎，測定剩余秸稈中氮、磷、鉀含量，并計算養(yǎng)分釋放率。秸稈中氮、磷、鉀測定方法：樣品采集后，先稱取鮮重，然后將鮮樣放入105 ℃干燥箱中殺青30 m in，再在60 ℃下烘干至恒重稱重，粉碎后經(jīng)過H2SO4-H2O2聯(lián)合消煮，采用連續(xù)流動分析儀測定全氮含量，鉬銻抗比色法測定全磷含量，火焰光度法測定全鉀含量[9]。

質(zhì)量累積減少率 = (30 ? 取樣時綠肥質(zhì)量)/30 ×100%；

養(yǎng)分累積釋放率 = (試驗前綠肥養(yǎng)分含量 ? 剩余綠肥養(yǎng)分含量)/試驗前綠肥養(yǎng)分含量 × 100%。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2007 軟件及DPS 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行方差分析，并用最小顯著法(LSD)檢驗試驗數(shù)據(jù)差異性水平(P ＜ 0.05)。采用Origin 8.0 軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理綠肥質(zhì)量累積減少率變化特征

不同處理的綠肥腐解速率均先快速腐解，再緩慢腐解，最終腐解平穩(wěn)到達平衡(圖1)。各處理快速腐解速率不一致，添加生物炭處理綠肥腐解速率高于未添加生物炭處理，風(fēng)干綠肥腐解速率高于綠肥腐解速率，總腐解速率表現(xiàn)為風(fēng)干綠肥+生物炭＞新鮮綠肥+生物炭＞風(fēng)干綠肥＞新鮮綠肥，添加生物炭能促進綠肥腐解，使試驗后期的綠肥腐解更加完全。經(jīng)過180 d 的腐解，新鮮綠肥、風(fēng)干綠肥、新鮮綠肥+生物炭、風(fēng)干綠肥+生物炭腐解速率分別為74.77%、83.13%、92.69%和95.83%。

圖 1 不同處理綠肥腐解速率變化特征Figure 1 Characteristics of the decomposition rate of green manure in the different treatments

不同處理的綠肥腐解過程的3 個時期(快速腐解期、腐解緩慢期和腐解平穩(wěn)期)所經(jīng)歷的時間不同：風(fēng)干綠肥+生物炭處理在腐解前25 d 迅速腐解，新鮮綠肥+生物炭處理在前50 d 為迅速腐解期，風(fēng)干綠肥處理則是在前60 d 為迅速腐解，新鮮綠肥處理在80 d 為迅速腐解期；風(fēng)干綠肥+生物炭處理腐解速率明顯優(yōu)于其他3 個處理。在快速腐解期內(nèi)，各處理的腐解量占總腐解量的80%左右。添加生物炭處理100 d 到腐解平穩(wěn)期，不添加的到140 d腐解平穩(wěn)，腐解時間顯著慢于添加生物炭處理。

2.2 不同處理綠肥氮釋放特征

在腐解的前40 d，各處理綠肥中氮量呈現(xiàn)迅速降低的趨勢，40 d 后開始緩慢降低并趨近于平衡狀態(tài)(圖2)。不同處理的綠肥氮素累積減少率不同，整體均表現(xiàn)為風(fēng)干綠肥+生物炭＞新鮮綠肥+生物炭＞風(fēng)干綠肥＞新鮮綠肥，經(jīng)過180 d 的腐解，新鮮綠肥、風(fēng)干綠肥、新鮮綠肥+生物炭、風(fēng)干綠肥+生物炭氮素累積減少率分別為73.55%、83.80%、92.00%和95.00%。

圖 2 不同處理綠肥氮釋放特性Figure 2 Characteristics of N release in the different treatm ents

綠肥氮素的釋放量分為3 個時期，快速釋放期、緩慢釋放期和釋放平穩(wěn)期，不同處理占用時間各不相同：風(fēng)干綠肥+生物炭處理氮素在腐解前40 d 迅速釋放，新鮮綠肥+生物炭處理在前50 d 為迅速釋放期，風(fēng)干綠肥處理則是在前60 d 為迅速釋放，新鮮綠肥處理在80 d 為迅速釋放期；風(fēng)干綠肥+生物炭處理釋放速率明顯優(yōu)于其他3 個處理。在添加生物炭的情況下，風(fēng)干和新鮮綠肥的氮素快速釋放期均早于不添加生物炭，釋放較為完全，均達到90%以上，且風(fēng)干綠肥的氮素快速釋放期快于新鮮綠肥；在未添加生物炭的情況下，風(fēng)干綠肥的氮素快速釋放期快于新鮮綠肥。

2.3 不同處理綠肥磷釋放特征

與氮素累積減少率趨勢相似，不同處理綠肥磷素累積減少率均呈現(xiàn)“快速 – 緩慢 – 平穩(wěn)”的過程，且不同處理的磷素腐解速率不同(圖3)。添加生物炭后，綠肥磷素快速釋放，且在30 d 左右達到最高值，60 d 后進入緩慢期，未添加生物炭的綠肥磷素腐解速率低于添加生物炭處理，磷素釋放相對較慢，且快速釋放期較長，在80 d 左右達到最大值，80 d后進入緩慢期，由此可見添加生物炭后，綠肥磷素腐解速率增加且腐解更完全。經(jīng)過180 d 的腐解，新鮮綠肥、風(fēng)干綠肥、新鮮綠肥+生物炭、風(fēng)干綠肥+生物炭磷素累積減少率分別為76.40%、87.13%、93.31%和96.27%。

圖 3 不同處理綠肥磷釋放特性Figure 3 Characteristics of P release in the different treatm ents

綠肥中磷素的釋放量的3 個時期占用時間各不相同：風(fēng)干綠肥+生物炭處理氮素在腐解前60 d 迅速釋放，新鮮綠肥+生物炭處理在前80 d 為迅速釋放期，風(fēng)干綠肥處理則是在前90 d 為迅速釋放，新鮮綠肥處理在90 d 為迅速釋放期；風(fēng)干綠肥+生物炭處理釋放速率明顯優(yōu)于其他3 個處理。前期綠肥磷的快速釋放可能與綠肥中可溶性及易分解的含磷成分(如核酸及其衍生物)的釋放有關(guān)。

2.4 不同處理綠肥鉀釋放特征

與氮素和磷素的釋放規(guī)律不同，各處理綠肥鉀素釋放規(guī)律為先快速釋放后趨于穩(wěn)定，各處理均在腐解30 d 后趨于穩(wěn)定(圖4)；經(jīng)過180 d 的腐解，新鮮綠肥、風(fēng)干綠肥、新鮮綠肥+生物炭、風(fēng)干綠肥+生物炭氮素累積減少率分別為97.46%、98.19%、99.23%和99.51%。添加生物炭的綠肥鉀素釋放率高于未添加生物炭，風(fēng)干綠肥鉀素釋放率高于新鮮綠肥。秸稈中鉀素形態(tài)與氮、磷的有機形態(tài)存在形式不同，多數(shù)以離子形態(tài)存在，易溶于水，不依賴于微生物的分解，埋于土壤后，土壤水分與綠肥接觸后，不需要微生物分解，便可迅速溶解綠肥中的鉀素[10]，釋放速率加快。

圖 4 不同處理綠肥鉀釋放特性Figure 4 Characteristics of K release in the different treatments

3 討論

3.1 不同含水量綠肥的養(yǎng)分釋放差異

綠肥不僅是清潔的有機資源，而且能有效提高土壤肥料、改善土壤環(huán)境質(zhì)量，發(fā)展綠肥是解決科學(xué)養(yǎng)地、用地和有機肥源的優(yōu)良路徑[11-13]。而在實際生產(chǎn)中，不同于水稻(Oryza sativa)、小麥(Triticum aestivum)等糧食作物秸稈為干料還田，綠肥還田多為新鮮綠肥翻壓還田，但受限于貴州特色山地地形，小型機械旋耕機很難將大量的新鮮綠肥直接翻壓還田，影響農(nóng)民種植綠肥的積極性。但本研究表明，風(fēng)干綠肥腐解速率在180 d 中均高于新鮮綠肥，氮、磷和鉀素的養(yǎng)分釋放規(guī)律也有相類似的趨勢，其在黃壤旱地的腐解呈先快速腐解，再緩慢腐解，最終腐解平穩(wěn)，這與前人在黃土高原旱地和紅壤旱地的研究結(jié)果一致[4,14]，且其氮和磷養(yǎng)分累積減少率高于小麥、水稻和油菜(Brassica napus)等秸稈[15]。本研究開始于4 月，天氣轉(zhuǎn)暖后氣溫升高、降水增多加快了微生物對綠肥的分解[16-17]，風(fēng)干綠肥和新鮮綠肥的腐解也可能出現(xiàn)一定差異。因此，在實際操作中，推薦以風(fēng)干綠肥還田為宜。至于綠肥烘干后為何有較高的養(yǎng)分釋放，其機理有待進一步研究。

3.2 外源添加生物炭提高不同含水量綠肥腐解速率

外源添加生物炭對綠肥腐解及氮、磷和鉀養(yǎng)分釋放具有促進作用，不管是新鮮綠肥和風(fēng)干綠肥，在外源添加生物炭后，其腐解速率均高于不添加生物炭，主要原因可能是生物炭呈堿性，而促進綠肥腐解的多數(shù)微生物更傾向在中性或微堿性環(huán)境中活動，外源添加生物炭后，其能中和腐解過程中釋放的有機酸等酸性物質(zhì)，調(diào)節(jié)了微生物活動的微環(huán)境，為微生物的生長和繁殖提供更加適宜的外界微環(huán)境[18-19]，增加了微生物數(shù)量，促進綠肥腐解以及氮、磷和鉀養(yǎng)分的釋放；類似于石灰，外源添加生物炭可能增加了土壤脲酶、土壤纖維素酶和蛋白酶等的活性[20]，進一步促進了綠肥中纖維分解及養(yǎng)分釋放；生物炭表面的–COO– 和–O– 等有機官能團和生物質(zhì)炭中的碳酸鹽使其呈堿性[21]，能中和黃壤的低pH，調(diào)節(jié)土壤黏粒含量[22-23]，最終導(dǎo)致添加生物炭的綠肥腐解速率持續(xù)高于未添加生物炭的綠肥。因此，在實際生產(chǎn)中，在條件允許的情況下，綠肥腐解時，可添加生物炭以增加腐解效率。

3.3 綠肥養(yǎng)分釋放與田間養(yǎng)分管理

綠肥是清潔能源，可作為農(nóng)作物的優(yōu)良理想的好肥源，并且能達到耕地用養(yǎng)結(jié)合目的，豆科綠肥在大田中通過微生物腐解，將作物所需的養(yǎng)分釋放到土壤中，為后作作物的生長發(fā)育提供一個良好的環(huán)境，為后作作物的增產(chǎn)增效提供基礎(chǔ)，契合了國家“兩減一增”的政策，也為“豆科綠肥–旱地作物”輪作系統(tǒng)的推廣提供理論支撐。貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所植物營養(yǎng)與肥料課題組前期試驗結(jié)果表明，貴州黃壤旱地66-25 箭筈豌豆的鮮草產(chǎn)量為24 927 kg·hm?2，折合干草產(chǎn)量為3 630 kg·hm?2[24]，可估算出本研究箭筈豌豆綠肥腐解釋放的氮、磷和鉀養(yǎng)分平均含量分別為84.1、13.7 和106.2 kg·hm?2，當(dāng)?shù)赜衩椎耐扑]施肥量為N、P2O5和K2O 分別為150、120 和150 kg·hm?2，本研究中氮、磷和鉀腐解量分別占推薦施肥量的56.1%、11.4%和70.8%，理論上在玉米生長季只需要補充43.9% N、88.6% P2O5和29.2% K2O 即可，但在實際生產(chǎn)中不能按照上述施肥，主要原因是綠肥中鉀素釋放速率較快，且氮、磷釋放速率相對緩慢和玉米生長速率不符。根據(jù)氮、磷和鉀的養(yǎng)分釋放規(guī)律，養(yǎng)分釋放高峰期在30 d左右，在此期間氮、磷和鉀累計釋放率按照60.6%、59.8%和93.1%計算，釋放的氮、磷和鉀的分別為58.9、9.32 和100.3 kg·hm?2，分別占玉米推薦氮、磷和鉀施肥量的39.3%、7.8%和66.9%，其中釋放的氮和鉀占比較磷釋放量高，因此當(dāng)綠肥還田情況下，應(yīng)該適當(dāng)調(diào)整氮肥和鉀肥的施用量及施用時期：減少苗期基肥的施用量，增加追肥的用量，使得玉米在整個生育期內(nèi)氮素和鉀素較為富裕；同時，氮和磷不僅是作物生長所必需的營養(yǎng)元素，也是微生物活動所需的物質(zhì)，綠肥還田后初期，作物生長與微生物產(chǎn)生營養(yǎng)競爭的現(xiàn)象，因此在綠肥還田時配施一定量的氮、磷肥是十分必要的[15]。但是需要指出的是，本研究未對綠肥腐解的土壤肥力進行同步測定，對于綠肥腐解土壤的養(yǎng)分變化、綠肥腐解后養(yǎng)分的損失以及作物對綠肥腐解養(yǎng)分的利用還需進一步研究，這樣才能使綠肥腐解和科學(xué)推薦施肥相統(tǒng)一。

4 結(jié)論

本研究對不同含水量以及添加外源物條件下豆科綠肥氮、磷和鉀等養(yǎng)分釋放特征進行了分析，風(fēng)干綠肥的腐解速率高于新鮮綠肥，添加生物炭能提高風(fēng)干和新鮮綠肥的腐解速率，實際操作時可將綠肥風(fēng)干后再翻壓還田，同時在條件允許的情況下添加生物炭等堿性物質(zhì)以提高綠肥腐解效率。根據(jù)綠肥腐解特性及養(yǎng)分含量，綠肥還田后，可適當(dāng)減少氮肥和鉀肥的施用量，還田初期可不調(diào)整氮、磷肥的施用量，鉀肥可適當(dāng)延后施用。