春玉米田翻壓綠肥腐解及養(yǎng)分釋放特征研究

王怡針 蘇 港 曹利霞 李 澤 葛均筑 臧鳳艷 李子芳 王金龍 吳錫冬

（天津農(nóng)學(xué)院農(nóng)學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院，300384，天津）

綠肥作為優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥源，可減弱土壤砂、黏和鹽等障礙因子對土壤生產(chǎn)力的限制作用，對土壤環(huán)境改善和生態(tài)環(huán)境保護(hù)是一個(gè)長期、持續(xù)性過程，在生產(chǎn)實(shí)踐中具有很高的利用價(jià)值和潛力。綠肥作物根系發(fā)達(dá)，穿插能力強(qiáng)，能深入疏松土壤，增加土壤孔隙度，進(jìn)而改良土壤耕性。綠肥還田后，其豐富的氮、磷、鉀以及各種微量元素能不斷地對外釋放，調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分庫，促進(jìn)土壤熟化[1-5]；有機(jī)質(zhì)在微生物協(xié)同下隨腐質(zhì)化形成的腐殖質(zhì)能增加土壤孔隙度，降低土壤容重，促進(jìn)土壤良好結(jié)構(gòu)的形成，從而改善土壤物理性狀[6-7]；同時(shí)，土壤緩沖能力加強(qiáng)，pH基本維持在7左右，為微生物生存繁殖提供了良好的環(huán)境條件，從而保障土壤微生態(tài)系統(tǒng)健康且穩(wěn)定地運(yùn)行[8-10]。研究發(fā)現(xiàn)，綠肥作物能減輕土傳病害威脅，顯著降低番茄枯萎病、水稻紋枯病和小麥根腐病等土傳病害的發(fā)生率[11]。綠肥作物通過地表覆蓋顯著降低坡耕地水土流失量，每年可達(dá)26.1t/hm2[12]，因此，綠肥對推進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。

近年來，華北地區(qū)積極引入越冬綠肥作物，提高冬閑土地覆蓋率，提高光熱利用效率，并起到防風(fēng)固土的生態(tài)作用。研究表明，十字花科作物二月蘭（Orychophragmus violaceus）的環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，能在華北地區(qū)安全越冬，返青后生長迅速，生物量和養(yǎng)分含量均較高，可在華北地區(qū)推廣為綠肥作物[13-14]。寧東峰等[15]研究發(fā)現(xiàn)，棉田翻壓油菜、毛葉苕子和黑麥冬牧70作綠肥還田均呈現(xiàn)前快后慢的腐解特征，至113d試驗(yàn)結(jié)束其養(yǎng)分釋放率均在70%以上。而施肥條件和翻壓方式等也能對綠肥腐解及養(yǎng)分釋放過程產(chǎn)生顯著影響[16-17]。研究綠肥作物還田后腐解及養(yǎng)分釋放過程是明確綠肥替代部分化肥、提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)及實(shí)現(xiàn)增效的重要科學(xué)問題，但關(guān)于二月蘭越冬后作為綠肥在春玉米田的腐解規(guī)律及養(yǎng)分釋放特征報(bào)道較少。因此，本試驗(yàn)采用尼龍網(wǎng)袋埋田法，研究華北地區(qū)越冬二月蘭翻壓還田后腐解特征及養(yǎng)分釋放規(guī)律，以期為綠肥二月蘭合理利用及合理減少春玉米化肥施用量提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2018年9月至2019年9月在天津市靜海區(qū)良種場（116°99′E，38°99′N）進(jìn)行。該地屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均降水量571mm，年均氣溫11.8℃。前茬作物為春玉米，0～20cm土壤性狀為pH 8.90、有機(jī)質(zhì)10.91g/kg、全氮1.24g/kg、全磷0.89g/kg、全鉀22.97g/kg、有效磷33.2mg/kg、速效鉀234.90mg/kg和堿解氮96.35mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

綠肥供試材料為二月蘭，2018年9月21日播種，2019年5月12日旋耕滅茬后翻壓至20cm深土層，5月30日播種春玉米，9月12日生理成熟后收獲。試驗(yàn)期內(nèi)降雨和氣溫如圖1所示。二月蘭還田時(shí)莖稈含水量為74.77%，取長勢均勻良好的整株剪成3～4cm長的小段后混勻，每袋稱取150g裝入200目尼龍網(wǎng)袋，封口后按間距10cm埋于20cm深土層，共30個(gè)。分別于埋袋后0、3、10、17、24、31、45、59、73、98 和 123d 取樣，每次取3袋，取樣后將網(wǎng)袋外部泥土清洗干凈，袋內(nèi)殘?bào)w放入牛皮紙袋中置于鼓風(fēng)干燥箱105℃殺青1h，然后于85℃烘干至恒重，稱量干重后用微型植物粉碎機(jī)粉碎過80目篩備用。

圖1 2019年試驗(yàn)期內(nèi)的氣溫和降雨?duì)顩rFig.1 Temperature and precipitation in experiment duration in 2019

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 干物質(zhì)腐解過程 參考潘福霞等[18]的方法，用公式（1）～（3）分別計(jì)算干物質(zhì)累積腐解量、累積腐解率和階段內(nèi)平均腐解速率。

1.3.2 養(yǎng)分含量及養(yǎng)分釋放 采用外加熱重鉻酸鉀容量法[19]測定全碳含量；粉碎后的待測樣品經(jīng)濃H2SO4-H2O2消煮后，分別測定全氮含量（凱氏定氮法）、全磷含量（釩鉬黃比色法）和全鉀含量（火焰光度計(jì)）[19]。

參考潘福霞等[18]的方法，用公式（4）～（6）計(jì)算養(yǎng)分釋放指標(biāo)。

式中，n為翻壓天數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

用Excel 2017進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，利用SPSS 16.0進(jìn)行方差和相關(guān)性分析，用Origin 2018軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 二月蘭腐解特征

由圖2可看出，二月蘭累積腐解率隨腐解天數(shù)增加而逐漸增大，玉米收獲時(shí)累積腐解率達(dá)71.26%，腐解速率與累積腐解率相反，呈逐漸降低趨勢。0～10d腐解最快，平均腐解速率達(dá)1.21g/d，階段內(nèi)累積腐解率為28.94%；11～45d平均腐解速率迅速下降至 0.44g/d，較0～10d顯著降低了63.67%，階段累積腐解率占比37.45%，0～45d總累積腐解率達(dá)66.39%；46～123d腐解速率較低并趨于穩(wěn)定，平均腐解速率為0.03g/d，該階段累積腐解率僅占比4.87%，日均腐解總量僅為0.06%，比0～45d累積腐解率降低了92.67%。

圖2 二月蘭累積腐解率和腐解速率動(dòng)態(tài)變化Fig.2 The dynamic changes of accumulation decomposition ratio and decomposition rate of O.violaceus

2.2 碳釋放特征

由圖 3可知，0～3d碳平均釋放速率最快(1174.47mg/d)，階段內(nèi)累積釋放率達(dá)18.22%，日均釋放碳總量的6.07%；4～45d碳平均釋放速率顯著降低至230.19mg/d，比0～3d顯著降低80.40%，但階段內(nèi)碳累積釋放率最高，占比為49.41%，日均釋放碳總量的1.18%；46～123d碳釋放緩慢且趨于穩(wěn)定，碳平均釋放速率為19.17mg/d，78d碳累積釋放率僅為8.83%，日均釋放碳總量的0.11%。玉米收獲期二月蘭碳釋放率達(dá)76.46%。

圖3 二月蘭碳累積釋放率和釋放速率的動(dòng)態(tài)變化Fig.3 The dynamic changes of C accumulation release ratio and release rate of O.violaceus

2.3 氮、磷、鉀養(yǎng)分釋放特征

由圖4可看出，二月蘭還田后氮、磷、鉀養(yǎng)分釋放率表現(xiàn)為鉀顯著高于氮和磷，氮磷之間無明顯差異，玉米收獲時(shí)氮、磷、鉀釋放率分別達(dá)53.83%、56.35%和94.90%。氮釋放以45d為“拐點(diǎn)”分為2個(gè)階段，0～45d氮素釋放較多，至45d累積釋放率達(dá)45.59%，日均釋放總量的1.01%；46～123d氮素釋放緩慢且趨于穩(wěn)定，至玉米收獲期累積釋放率僅為8.24%，日均釋放總量的0.11%。與氮素釋放規(guī)律相比，磷釋放具有明顯不同，0～3d植物殘?bào)w中磷總量上升了16.91%；3d后磷素開始向環(huán)境持續(xù)釋放，4～98d累積釋放率達(dá)55.47%，日均釋放總量的0.76%；99～123d磷釋放明顯變緩，基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)，月均釋放總量的0.04%，玉米全生育期磷素累積釋放率達(dá)56.35%。鉀的釋放規(guī)律與氮相似，0～45d日均鉀釋放量為2.06%，45d鉀累積釋放率可達(dá)釋放總量的92.50%；46～123d鉀進(jìn)入平穩(wěn)釋放階段，該階段鉀釋放率僅增長2.40%，月均釋放總量的0.03%。

圖4 氮、磷、鉀累積釋放率動(dòng)態(tài)變化Fig.4 The dynamic changes of N,P,K accumulation release ratios

由圖5可知，還田前期氮和鉀釋放速率較快，而后快速下降并趨于穩(wěn)定。其中，氮在4～24d和32～45d釋放較快，階段內(nèi)平均釋放速率分別為6.54mg/d和 3.84mg/d；0～3d和25～31d平均釋放速率相差不大，分別為1.60mg/d和1.66mg/d；此后32～123d氮釋放趨于平穩(wěn)，平均釋放率僅為0.55mg/d。0～45d鉀釋放速率較快，平均釋放速率為7.79mg/d；46～123d鉀釋放速率快速下降，平均釋放速率為0.11mg/d，僅相當(dāng)于0～45d的1.42%。磷在0～3d的釋放速率為負(fù)值，說明該階段內(nèi)磷的運(yùn)動(dòng)方向是由外界土壤到植物殘?bào)w的；4～10d磷開始向土壤釋放，11～17d平均釋放速率最大為1.19mg/d，此后18～123d磷釋放相對穩(wěn)定。

圖5 二月蘭氮磷鉀釋放速率的動(dòng)態(tài)變化Fig.5 The dynamic changes of N,P,K release rates of O.violaceus

2.4 碳與各養(yǎng)分比例變化特征

由圖6可知，二月蘭還田后植物殘?bào)wC/N隨腐解時(shí)間推移逐漸降低。還田0～45d C/N快速下降，45d時(shí)C/N較最初值降低40%，達(dá)25.26，46～123d表現(xiàn)較穩(wěn)定，玉米收獲期僅降低3.61。二月蘭還田0～3d C/P 快速降低，從 301.99 降低至 211.24；4～45d植物殘?bào)wC/P下降變緩，45d時(shí)為139.66；46～123d植物殘?bào)wC/P有增加趨勢，至123d時(shí)為162.90。春玉米全生育期內(nèi)C/K呈先升高后降低的趨勢，在98d時(shí)最高，為304.43；0～17d植物殘?bào)wC/K波動(dòng)不大，18～45d迅速上升，達(dá)246.11；46～123d C/K波動(dòng)變化，98d時(shí)最高，為304.43，玉米收獲時(shí)（123d）植物殘?bào)wC/K為263.01。

圖6 二月蘭碳與氮、磷、鉀養(yǎng)分比動(dòng)態(tài)變化Fig.6 The dynamic changes of ratios of C to N,P,and K of O.violaceus

2.5 養(yǎng)分釋放總量

還田二月蘭鮮重為17 500kg/hm2，由表1可知，還田前氮、磷、鉀和碳含量分別為11.28、1.62、8.56和488.63g/kg，根據(jù)養(yǎng)分釋放動(dòng)態(tài)規(guī)律可知，至玉米收獲時(shí)，二月蘭氮、磷、鉀和碳的累積釋放率分別為53.83%、56.35%、94.90%和76.46%，若以此含量進(jìn)行計(jì)算，二月蘭向土壤釋放的氮、磷和鉀分別為26.82、4.04和35.88kg/hm2。根據(jù)華北玉米區(qū)常規(guī)化肥施用量為氮209～248、磷93～153和鉀53～76kg/hm2[20]，本試驗(yàn)玉米收獲時(shí)二月蘭氮、磷和鉀釋放量分別相當(dāng)于化肥施用量的10.82%～12.83%、2.64%～4.34%和47.21%～67.70%。

表1 二月蘭養(yǎng)分釋放量Table 1 The nutrient release amounts of O.violaceus

3 討論

3.1 二月蘭腐解特征

綠肥還田后腐解及養(yǎng)分釋放對土壤理化性質(zhì)、微生物和酶活性以及農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)健康運(yùn)行等具有重要影響[21]，已有研究表明，綠肥腐解特征總體上表現(xiàn)為前快后慢[15,22]，本研究與其結(jié)果一致。這種腐解特征出現(xiàn)與化學(xué)成分組成有關(guān)，其腐解由難到易順序?yàn)槟举|(zhì)素＞纖維素＞半纖維素＞多糖、有機(jī)酸和氨基酸等水溶性物質(zhì)[23]。二月蘭莖稈還田初始含水量高達(dá)74.77%，0～10d期間多糖、有機(jī)酸和氨基酸等水溶性物質(zhì)隨秸稈失水快速釋放，從而表現(xiàn)為快速腐解使階段內(nèi)累積腐解率達(dá)28.94%；同時(shí)因土壤性狀變好，微生物活性增加，從而推動(dòng)腐解加速，還田中期（45d）累積腐解率達(dá)66.39%；還田后期（45～123d）因二月蘭殘?bào)w中纖維素和木質(zhì)素等比例增加，微生物分解活性降低腐解速率減緩，玉米收獲時(shí)累積腐解率為71.26%。潘福霞等[18]研究箭筈豌豆、苕子和山黧豆腐解特征時(shí)發(fā)現(xiàn)，腐解“拐點(diǎn)”出現(xiàn)在15d，而本試驗(yàn)出現(xiàn)在45d，分析原因主要有兩點(diǎn)，一是前者是在炎熱多雨的7-9月的盆栽試驗(yàn)，本試驗(yàn)是在5月的大田試驗(yàn)，環(huán)境條件差異較大；二是試驗(yàn)所用綠肥品種差異明顯，前者均以豆科作物為綠肥，而本試驗(yàn)綠肥為十字花科作物二月蘭。

3.2 二月蘭養(yǎng)分釋放規(guī)律

植物殘?bào)w腐解和碳礦化所釋放的氮、磷和鉀等養(yǎng)分作為作物生長過程中所必需營養(yǎng)元素，能顯著影響作物抗逆、產(chǎn)量及品質(zhì)。綠肥還田后，所含養(yǎng)分能快速釋放以補(bǔ)足土壤養(yǎng)分庫，供作物生長需要[24-26]。已有研究表明，綠肥還田后養(yǎng)分釋放率表現(xiàn)為鉀＞磷＞氮[18,27]，與本研究結(jié)果一致，但氮、磷和鉀養(yǎng)分釋放過程存在明顯區(qū)別。二月蘭還田后鉀快速釋放，至45d累積釋放率達(dá)92.50%，此后鉀釋放進(jìn)入停滯階段，至試驗(yàn)結(jié)束累積釋放率為94.90%，分析原因是由于綠肥還田前期，鉀素釋放快速且徹底，因其在機(jī)體以離子形態(tài)存在，容易被水浸提釋放到土壤[28]。氮、磷累積釋放率明顯小于鉀，但兩者差異不大，分別為53.83%和56.35%，原因可能是由于氮和磷在植株體內(nèi)主要以蛋白態(tài)氮和有機(jī)態(tài)磷等難分解形式存在[29]，需要微生物分解才能釋放，微生物分解過程緩慢導(dǎo)致釋放速率較慢且累積釋放率較低。本研究中，還田0～3d時(shí)二月蘭殘?bào)w磷素含量出現(xiàn)增加的“富集”現(xiàn)象，可能是因?yàn)槎绿m植物體有機(jī)酸釋放到土壤后將原來固化的磷素活化后并吸附在植株體表面，出現(xiàn)增高富集現(xiàn)象[30]。玉米收獲時(shí)，二月蘭累積腐解率和氮、磷、鉀等養(yǎng)分累積釋放率差異明顯，而與碳釋放率差距不大，這與遲鳳琴等[31]研究發(fā)現(xiàn)玉米和大豆秸稈有機(jī)碳和秸稈生物量具有一致分解趨勢的結(jié)果一致，這可能與碳占全干物質(zhì)重比例較大且相對較穩(wěn)定有關(guān)。

3.3 碳與各養(yǎng)分比對二月蘭腐解的影響

相同環(huán)境條件下，組織結(jié)構(gòu)、組成成分和碳氮比等是影響綠肥腐解及養(yǎng)分釋放過程的重要因素[21,32]。研究表明，碳氮比小于25時(shí)，微生物更易分解有機(jī)質(zhì)，不會(huì)與作物形成間接的養(yǎng)分競爭關(guān)系，有利于腐解過程的進(jìn)行[33-34]。本研究表明，腐解過程中，植物殘?bào)wC/N呈降低趨勢，還田0～45d植物殘?bào)wC/N始終高于25，45～123d C/N降至25以下。因此，高碳氮比植物當(dāng)綠肥作物時(shí)，為促進(jìn)腐解和養(yǎng)分釋放，應(yīng)適當(dāng)配施氮肥[15]。C/P和C/K對腐解具有何種影響、在什么范圍內(nèi)更有利于腐解及養(yǎng)分釋放以及腐解過程中施加磷鉀肥對植物殘?bào)w腐解和養(yǎng)分釋放是否具有促進(jìn)作用還需進(jìn)一步研究。華北玉米區(qū)常規(guī)化肥施用量為氮209～248、磷93～153和鉀53～76kg/hm2[20]，本試驗(yàn)玉米收獲時(shí)二月蘭氮、磷和鉀釋放量分別相當(dāng)于化肥施用量的10.82%～12.83%、2.64%～4.34%和47.21%～67.70%，這在一定程度上替代化肥投入，但下茬作物可有效吸收利用的養(yǎng)分量還需進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

越冬綠肥二月蘭還田后腐解特征可分為0～10d快速腐解期、10～45d緩慢腐解期以及45～125d的腐解停滯期。二月蘭腐解過程養(yǎng)分釋放率表現(xiàn)為鉀＞碳＞磷＞氮，其累積釋放率分別為94.90%、76.46%、56.35%和53.83%，養(yǎng)分釋放量分別相當(dāng)于華北玉米區(qū)常規(guī)氮、磷、鉀肥10.82%～12.83%、2.64%～4.34%和47.21%～67.70%的施用量。因此，華北地區(qū)綠肥二月蘭還田可適當(dāng)替代化學(xué)肥料，依據(jù)養(yǎng)分釋放規(guī)律，春玉米在前期應(yīng)重氮磷、輕鉀，后期補(bǔ)氮鉀。