5種綠肥在柑橘地的腐解及養(yǎng)分釋放特征

唐紅琴，何鐵光，董文斌，韋彩會(huì)，曾成城，蒙炎成，李忠義

（廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，廣西 南寧 530007）

0 引言

【研究意義】我國(guó)是世界上綠肥種植年限最長(zhǎng)、面積最大、范圍最廣的國(guó)家。然而，隨著化肥的推廣應(yīng)用，綠肥種植面積迅速減少，過量施用化肥以及不合理的耕作模式導(dǎo)致土壤環(huán)境逐漸惡化[1]。目前，柑橘在廣西的種植面積已超過40 萬hm2，種植戶單純追求產(chǎn)量，導(dǎo)致過度依賴化肥，其肥料利用率低，生產(chǎn)成本居高不下，且果品質(zhì)量欠佳，制約了柑橘產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2]。綠肥作為一種清潔的有機(jī)肥源，壓青還田后在改善土壤化學(xué)及生物學(xué)性狀，促進(jìn)對(duì)主栽作物的養(yǎng)分供給和保障作物穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)方面具有明顯優(yōu)勢(shì)[3-4]。因此，在柑橘園種植和利用綠肥，提高土壤肥力、改善橘園土壤環(huán)境是推進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的重要方式。【前人研究進(jìn)展】前人利用尼龍網(wǎng)袋法、同位素標(biāo)記法、紅外光譜法和13C 核磁共振法等手段掌握了綠肥作物的腐解方法[5]。綠肥還田后秸稈腐解及養(yǎng)分釋放過程受綠肥作物自身化學(xué)性質(zhì)、環(huán)境條件以及田間管理措施等[5]多種因素影響，其腐解過程主要分為快速腐解期、緩慢腐解期和腐解停滯期[6-7]。而養(yǎng)分礦化速率不同的主要原因是綠肥莖稈中鉀元素以K+存在于細(xì)胞中或植物組織內(nèi)，很容易被水浸提而快速釋放，磷、氮和碳等則以難分解的有機(jī)態(tài)為主，在物理作用下分解釋放較慢[8]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】近年來，拉巴豆（Dolichoslablab）作為多年生綠肥，紫云英（Astragalus sinicus）、光葉苕子（Viciavillosa rothvar）、紫花苜蓿（Medicago sativa）、黑麥草（Lolium multiflorum）等作為冬季綠肥在廣西柑橘園行間種植并應(yīng)用推廣[9]，但這5 種綠肥在柑橘地的腐解和養(yǎng)分釋放還鮮有報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究采用尼龍網(wǎng)袋法，研究拉巴豆、紫云英、光葉苕子、紫花苜蓿、黑麥草在柑橘園行間還田后的腐解情況，分析其腐解規(guī)律和養(yǎng)分釋放動(dòng)態(tài)特征，為橘園綠肥的合理利用和柑橘養(yǎng)分管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)開展于廣西南寧市義平水果種植專業(yè)合作社柑橘基地，該地屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫21.6 ℃，東經(jīng)108°5′、北緯23°1′，海拔255 m。柑橘品種為沃柑，綠肥品種為多年生豆科綠肥：拉巴豆（DL）；冬季豆科綠肥：紫云英（AS）、光葉苕子（VR）、紫花苜蓿（MS）；冬季禾本科綠肥：黑麥草（LM）。綠肥種質(zhì)資源來源于廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，均為同批次，干基養(yǎng)分含量見表1。試驗(yàn)地土壤類型為紅壤，基本理化性質(zhì)為：堿解氮86.3 mg·kg-1，有效磷7.5 mg·kg-1，速效鉀96 mg·kg-1，有機(jī)質(zhì)18.67 g·kg-1，pH5.7。試驗(yàn)地在試驗(yàn)期間的降雨量見圖1，平均氣溫見圖2。

圖1 綠肥腐解過程中的降雨量Fig.1 Precipitation during time of green manure decaying

圖2 綠肥腐解過程中的氣溫Fig.2 Air temperature during time of green manure decaying

表1 供試綠肥的含水率及碳、氮、磷、鉀養(yǎng)分含量Table 1 Contents of water,C,N,P,and K in 5 green manures

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

5 種綠肥均于2017 年10 月下旬種植，于2018 年4 月10 日對(duì)5 種綠肥進(jìn)行收割，將地上部分切成2 cm 小段，混勻后裝入尼龍網(wǎng)袋，每袋裝入200 g，將袋展平、封好口袋，在柑橘兩行之間的小區(qū)內(nèi)翻壓綠肥，還田深度為20 cm，間距為30 cm。根據(jù)李帥等方法[10]，還田后第0、20、40、60、80、100 d進(jìn)行取樣，即當(dāng)年7 月19 日試驗(yàn)結(jié)束。每次每種綠肥處理取3 袋，樣品取回后用蒸餾水沖洗干凈，烘干稱其質(zhì)量、磨碎后測(cè)定碳、氮、磷、鉀含量。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

植物樣全碳含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定，樣品經(jīng)濃硫酸-過氧化氫消解后，采用凱氏定氮法測(cè)定全氮含量，用釩鉬黃比色法測(cè)定全磷含量，采用火焰光度計(jì)法測(cè)定全鉀含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)

本文數(shù)據(jù)處理中均以干樣進(jìn)行計(jì)算。利用Microsoft Excel 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪圖，用SPSS22.0 進(jìn)行方差分析。

式中，m0為綠肥初始干物質(zhì)量，mt為翻壓t天的綠肥干物質(zhì)量；w0為綠肥初始養(yǎng)分含量，wt為翻壓t天的綠肥養(yǎng)分含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 綠肥腐解特征

經(jīng)過100 d 的腐解試驗(yàn)，結(jié)果表明（表2）：拉巴豆的累計(jì)腐解量在整個(gè)腐解階段均為全組最高，且顯著高于其他處理（P＜0.05）。5 種綠肥的腐解分為前期快速腐解期（0～20 d）和中后期的緩慢腐解期（20～100 d）。前20 d，5 種綠肥的腐解速率達(dá)0.53～1.74 g·d-1，到了第20～40 d 則降至0.06～0.31 g·d-1，隨后2 次取樣結(jié)果表明，5 種綠肥的腐解速率依舊較低，但到了第80～100 d，5 種綠肥腐解速率均有所升高，這可能與該時(shí)間段（7 月份）氣溫高有關(guān)，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀缶痔峁┑臄?shù)據(jù)顯示，第80～100 d 的腐解期平均氣溫為整個(gè)試驗(yàn)期的最高（圖1）。

表2 不同綠肥腐解量、腐解速率及腐解率Table 2 Quantity,speed,and rate of manure decomposition

腐解率方面，5 種綠肥的腐解均較為徹底，這與本試驗(yàn)地高溫多雨有關(guān)，試驗(yàn)期間，試驗(yàn)地平均氣溫達(dá)27.68 ℃（圖1），日平均降雨量達(dá)到4.15 mL（圖2）。其中，腐解至20 d，5 種綠肥的腐解率達(dá)到35.52%～73.96%，腐解至100 d，其腐解率分別達(dá)79.13%～90.25%。在前4 次取樣中，拉巴豆的腐解率均為最高，第100 d 取樣時(shí)，紫云英的腐解率為全組最高。5 種綠肥累計(jì)腐解率分別表現(xiàn)為紫云英＞拉巴豆＞黑麥草＞紫花苜蓿＞光葉苕子，紫云英和拉巴豆累計(jì)腐解率顯著高于光葉苕子和紫花苜蓿。因此，5 種綠肥的累計(jì)腐解量最高為拉巴豆，累計(jì)腐解率最高的為紫云英，光葉苕子的累計(jì)腐解量及腐解速率均為全組最低。

2.2 碳釋放特征

由表3 可知，5 種綠肥的碳釋放均大致表現(xiàn)出0～20 d 釋放快，20～100 d 相對(duì)較慢的特征，但不同綠肥之間仍有較大差異。腐解至20 d 時(shí)，拉巴豆、紫云英、光葉苕子、紫花苜蓿、黑麥草的碳累計(jì)釋放率分別為78.59%、72.99%、38.10%、53.93%、56.82%，拉巴豆和紫云英的碳累計(jì)釋放率顯著高于其余幾組（P＜0.05）。腐解至100 d 時(shí)，5 種綠肥碳累計(jì)釋放率表現(xiàn)為黑麥草＞拉巴豆＞紫云英＞紫花苜蓿＞光葉苕子，分別達(dá)到95.48%、94.06%、92.58%、86.69%、80.90%，除拉巴豆外，黑麥草的碳累計(jì)釋放率顯著高于其余幾組，光葉苕子的累計(jì)釋放率均為全組最低。

表3 不同綠肥碳釋放特征Table 3 C releases of 5 green manures

2.3 氮釋放特征

如表4 可知，5 種綠肥還田后，氮的釋放在0～20 d 較為迅速。腐解至20 d，5 種綠肥的氮累計(jì)釋放率均高于60%，其中，拉巴豆、紫云英、光葉苕子、紫花苜蓿、黑麥草的氮釋放率分別達(dá)到87.63%、79.94%、69.04%、66.92%、66.99%，拉巴豆的氮釋放率為全組最高，顯著高其余幾組（P＜0.05）。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，5 種綠肥氮釋放較為徹底，累計(jì)釋放率均高于90%，5 種綠肥氮累計(jì)釋放率表現(xiàn)為拉巴豆＞黑麥草＞紫云英＞紫花苜蓿＞光葉苕子，分別達(dá)到97.64%、96.73%、96.48%、95.35%、94.63%。拉巴豆的氮累計(jì)釋放率均為全組最高，光葉苕子為全組最低。

表4 不同綠肥氮釋放率特征Table 4 N releases of 5 green manures

2.4 磷釋放特征

由表5 可知，磷的釋放也表現(xiàn)出前期快（0～20 d），中后期（20～100 d）慢的特征，但不同綠肥之間仍有較大差異。腐解20 d 時(shí)，拉巴豆、紫云英、光葉苕子、紫花苜蓿、黑麥草的磷累計(jì)釋放率分別為80.92%、49.90%、41.39%、28.60%、78.85%，此時(shí)拉巴豆的磷累計(jì)釋放率最高，較磷累計(jì)釋放率最低的紫花苜蓿高出182.93%。腐解至100 d 時(shí)，5 種綠肥磷累計(jì)釋放率表現(xiàn)為黑麥草＞拉巴豆＞紫云英＞光葉苕子＞紫花苜蓿，分別達(dá)96.28%、95.70%、83.50%、66.85%、59.66%。可能與綠肥初始磷含量有關(guān)，拉巴豆和黑麥草在整個(gè)腐解期間的釋放率都顯著高于另外幾種綠肥（P＜0.05）。

表5 不同綠肥磷釋放率Table 5 P releases of 5 green manures

2.5 鉀釋放特征

由表6 所示，與C、N、P 相比，鉀的釋放相對(duì)迅速并徹底。腐解至20 d 時(shí)，拉巴豆、紫云英和光葉苕子的鉀累計(jì)釋放率均超過90%，分別為93.04%、96.72%、92.24%，紫花苜蓿和黑麥草分別達(dá)到87.09%、80.22%，該階段紫云英的鉀累計(jì)釋放率顯著高于其余幾組；試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，幾種綠肥的鉀釋放十分徹底，均在94%以上，5 種綠肥的鉀累計(jì)釋放率表現(xiàn)為拉巴豆＞光葉苕子＞紫云英＞黑麥草＞紫花苜蓿，分別為99.64%、99.43%、98.02%、97.73%、94.46%。由于拉巴豆和黑麥草的初始鉀含量高于另外幾種綠肥，因此在整個(gè)腐解期間，拉巴豆和黑麥草的鉀累計(jì)釋放率一直較高，腐解至100 d 時(shí)，拉巴豆的鉀累計(jì)釋放率為全組最高，紫花苜蓿為全組最低。

表6 不同綠肥鉀釋放率特征Table 6 K releases of 5 green manures

2.6 碳氮比

由圖3 可知，除個(gè)別取樣結(jié)果外，5 種綠肥的碳氮比隨腐解的進(jìn)行大致呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，拉巴豆、紫云英、光葉苕子、紫花苜蓿、黑麥草在初始時(shí)的碳氮比分別為16.46、16.05、16.32、18.27、20.19，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，其碳氮比分別為41.68、42.13、58.31、52.49、28.92。由此可看出，作為豆科綠肥，其氮含量相對(duì)較高，故其初始碳氮比均低于黑麥草，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)卻均高于黑麥草，說明豆科植物的氮素釋放較禾本科更為徹底。

3 討論與結(jié)論

綠肥的腐解變化情況是評(píng)價(jià)其在保持和改善土壤有機(jī)質(zhì)作用、預(yù)測(cè)土壤有機(jī)質(zhì)含量的動(dòng)態(tài)變化等方面所必需的資料。根據(jù)綠肥不同腐解特點(diǎn)，確定其利用方式，可提高其利用率[11]。秸稈中水溶性物質(zhì)、苯醇溶性物和粗蛋白物質(zhì)分解最快，半纖維次之，纖維素再次之，木質(zhì)素最難分解[12]，隨著綠肥腐解時(shí)間的延長(zhǎng)，綠肥中難分解的纖維素和木質(zhì)素等組分比例不斷升高，腐解速率隨之變慢[13]。大量研究結(jié)果表明，綠肥在還田后表現(xiàn)出前期腐解快，后期腐解慢的規(guī)律[14-15]，本研究結(jié)果也與之吻合，薄晶晶等[16]研究發(fā)現(xiàn)，0～105 d 是長(zhǎng)武懷豆和黑麥草腐解的快速上升時(shí)期，105～238 d 進(jìn)入緩慢腐解階段，238～281 d 為中低速增長(zhǎng)時(shí)期，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)（281 d）長(zhǎng)武懷豆和黑麥草的累計(jì)腐解率分別達(dá)82.64%和81.04%。本研究中，5 種綠肥腐解至20 d 的腐解率為35.52%～73.96%，腐解至100 d 的腐解率達(dá)79.13%～90.25%，本研究試驗(yàn)時(shí)間更短，但綠肥腐解程度相當(dāng)，這可能與試驗(yàn)地溫度與降雨量有關(guān)，前者年均溫度僅為9.1 ℃，而本研究試驗(yàn)地年均溫度達(dá)到21.6 ℃，其中，本試驗(yàn)開展期間的平均氣溫達(dá)到27.68 ℃。氣候條件是影響土壤微生物活性和物質(zhì)腐解的重要因素，尤其以氣溫和降水最為關(guān)鍵[17]。前人研究表明[18-19]，在一定范圍內(nèi)溫度（10～30 ℃）升高、土壤含水量（30%～105%最大田間持水量）加大，物質(zhì)腐解加速。崔志強(qiáng)等研究表明[14]，北方溫度和水分相對(duì)較低，限制了微生物對(duì)綠肥的分解，較少的降水限制了綠肥中可溶性物質(zhì)隨水淋失的數(shù)量。同時(shí)，本研究中，5 種綠肥之間的腐解率亦有一定差異，拉巴豆的腐解率最高（90.25%），較腐解率最低的光葉苕子（79.13%）高出14.05%，這主要是由于不同種類的綠肥化學(xué)性質(zhì)如組成（半纖維素、纖維素及木質(zhì)素各自所占的比例）及其養(yǎng)分含量不同所導(dǎo)致的[5]。

綠肥翻壓后通過腐解可提高土壤肥力，綠肥快速腐解期同時(shí)也是養(yǎng)分的快速釋放階段[20-21]，因此，綠肥養(yǎng)分的釋放率與腐解速率同步，亦受氣溫和降雨的影響。趙娜等[15]在陜西長(zhǎng)武縣的研究發(fā)現(xiàn)，大豆、懷豆、綠豆3 種綠肥還田287 d 后，N、P、K 的平均殘留率還分別有50.0%、53.0%和4.1%，明顯高于本研究的養(yǎng)分殘留率，前者研究地屬西北內(nèi)陸暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性氣候，年均氣溫僅9.1 ℃。此外，綠肥營(yíng)養(yǎng)元素與植物組織的結(jié)合程度決定了該元素釋放率的大小。莖稈中鉀不以化合態(tài)形式存在，而是以K+形態(tài)存在于細(xì)胞或組織內(nèi)，很容易被水浸提釋放出來，因此鉀的釋放非常迅速且徹底，大量研究發(fā)現(xiàn)鉀累計(jì)釋放率大于90%[8，22]。碳、氮、磷元素主要以難分解的有機(jī)態(tài)為主[15]，釋放速率相對(duì)較慢。本研究結(jié)果表明，不同綠肥翻壓還田后，不同養(yǎng)分累計(jì)釋放率有明顯差異。李帥等[10]的研究發(fā)現(xiàn)，不同地區(qū)的綠肥翻壓還田后，碳、氮、磷、鉀的累計(jì)釋放率分別為81.39%～87.78%、73.61%～90.11%、80.71%～85.82%、99.55%～99.87，養(yǎng)分累計(jì)釋放率表現(xiàn)為鉀＞氮＞碳＞磷，鉀素累計(jì)釋放量較大且速度較快，本研究結(jié)果與之吻合，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，碳、氮、磷、鉀的累計(jì)釋放率分別為80.90%～95.48%、94.63%～97.64%、59.66%～96.28%、94.46%～99.64%，養(yǎng)分累計(jì)釋放率亦表現(xiàn)為鉀＞氮＞碳＞磷。潘福霞等[23]研究表明，綠肥翻壓可為土壤提供速效養(yǎng)分，土壤無機(jī)氮的增加量為釋放量的38.3%～69.0%，土壤速效磷的增加量?jī)H為釋放率的2.4%～6.0%，土壤速效鉀增加量達(dá)綠肥釋放率的80.8%～88.5%，鉀的循環(huán)利用程度高，并且與化學(xué)鉀肥具有相同的營(yíng)養(yǎng)功效[24]，因此在翻壓綠肥后可根據(jù)養(yǎng)分需求規(guī)律適當(dāng)減少鉀肥用量并延后施用。本研究未對(duì)翻壓綠肥的土壤養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行同步分析，5 種綠肥釋放的養(yǎng)分有多少轉(zhuǎn)化為土壤養(yǎng)分以及在不同腐解階段綠肥釋放的養(yǎng)分有多大比例是可以作為吸收的形態(tài)存在，這些方面還需進(jìn)一步探究，進(jìn)而更科學(xué)地為柑橘地綠肥翻壓提供依據(jù)。此外，在開展20 cm土埋還田的同時(shí)，本團(tuán)隊(duì)還開展了覆蓋還田下5 種綠肥的腐解特征研究，結(jié)果表明：腐解至100 d 時(shí)，5 種綠肥腐解率達(dá)44.68%～84.28%，低于本研究的土埋還田下的腐解率；覆蓋還田下5 種綠肥的碳累計(jì)釋放率為53.43%～87.67%、氮累計(jì)釋放率為71.56%～92.16%、磷累計(jì)釋放率為60.66%～91.39%、鉀累計(jì)釋放率為91.22%～99.52%，碳和氮的累計(jì)釋放率明顯低于土埋還田，而磷和鉀的累計(jì)釋放率則較為接近。因此，在條件允許的情況下，建議采用土埋還田的方式對(duì)以上5 種綠肥進(jìn)行還田。覆蓋還田的研究結(jié)果將在另一篇研究論文中進(jìn)行發(fā)表。

作物碳氮比與作物腐解速率有一定關(guān)系，本研究中，5 種綠肥初始碳氮比為16.46～20.19，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，其碳氮比上升為28.92～58.31，這與本研究中氮的養(yǎng)分釋放率高于碳的釋放率結(jié)果吻合。研究表明，碳氮比小的作物更易于腐解[25]，因此，本研究中碳氮比在腐解過程中呈現(xiàn)大致升高的趨勢(shì)，而5 種綠肥的腐解速率則隨腐解進(jìn)程呈下降趨勢(shì)。

綜上，5 種綠肥的腐解及養(yǎng)分釋放均表現(xiàn)為前期（0～20 d）快，中后期（20～100 d）慢的特征。腐解至20 d，腐解率達(dá)到35.52%～73.96%；腐解至100 d，其腐解率達(dá)79.13%～90.25%。腐解至20 d，5 種綠肥的C、N、P、K 的釋放率分別為38.10%～78.59%、66.92%～87.63%、28.60%～80.92%、80.22%～96.72%；腐解至100 d 時(shí)，5 種綠肥的C、N、P、K 的釋放率分別為80.90%～95.48%、94.63%～97.64%、59.66%～96.28%、94.46%～99.64%。累計(jì)腐解率、C 累計(jì)釋放率、N 累計(jì)釋放率、P 累計(jì)釋放率、K 累計(jì)釋放率的最高分別為紫云英、黑麥草、拉巴豆、黑麥草、拉巴豆。在實(shí)際生產(chǎn)中，可根據(jù)柑橘地土壤養(yǎng)分情況選擇最適宜的綠肥品種進(jìn)行土埋翻壓，具體還田量需結(jié)合柑橘地土壤背景值、柑橘對(duì)養(yǎng)分的需求以及配施的化肥進(jìn)行綜合分析。研究表明，在柑橘地中，5 種綠肥的養(yǎng)分釋放較為徹底，可以直接為柑橘提供養(yǎng)分，但腐解100 d 后難以持續(xù)對(duì)土壤進(jìn)行養(yǎng)分供應(yīng)，需結(jié)合其他肥料為柑橘提供養(yǎng)分；在翻壓綠肥后可適當(dāng)根據(jù)柑橘養(yǎng)分需求規(guī)律適當(dāng)減少鉀肥用量并延后施用。今后還需增加土壤理化性狀的分析檢測(cè)，力求全面評(píng)價(jià)綠肥腐解的實(shí)際效益。