非淹水條件不同翻壓量細(xì)葉滿江紅腐解及養(yǎng)分釋放特征

鄧素芳， 楊有泉， 徐國忠， 應(yīng)朝陽*

(1. 福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所， 福建 福州 350013； 2. 國家紅萍資源中心， 福建 福州 350013)

近年來，隨著國家高質(zhì)量發(fā)展、藏糧于地、藏糧于技等戰(zhàn)略的提出，充分利用農(nóng)閑田種植綠肥，還田培肥地力，提高農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量，已成為促進(jìn)化肥減量增效及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要手段[1]。滿江紅屬(Azolla)是廣泛分布、個(gè)體較小的水生蕨類植物，俗稱紅萍、綠萍，具有與藍(lán)藻共生固氮、富鉀[2]等生理特點(diǎn)。滿江紅富含優(yōu)質(zhì)蛋白和豐富的礦質(zhì)元素，常作為魚類及家畜飼料[3-4]和稻田綠肥利用，是南方稻作系統(tǒng)中肥飼兼用的優(yōu)質(zhì)水生綠肥。滿江紅在春、秋季快速生長(zhǎng)，可直接翻壓作為水稻等后茬作物的基肥利用[5]，也可堆漚后作為有機(jī)肥，用于旱地作物如玉米[6]、番茄[7]、洋甘菊[8]的種植，起到減少作物化學(xué)肥料施用[6]、提高活性物質(zhì)產(chǎn)量[8]的作用。隨著耕作制度的變革，種植單季稻已逐漸發(fā)展成為南方稻區(qū)水稻(Oryzasativa)生產(chǎn)的主要耕作方式，插秧時(shí)間通常為6月中下旬至7月上旬。利用滿江紅春、秋季快速擴(kuò)繁的特點(diǎn)，在春、秋季及時(shí)翻埋可為后茬水稻及煙草、蔬菜等旱地作物供肥，充分發(fā)揮滿江紅綠肥改土培肥的作用。了解滿江紅的腐解特征及其養(yǎng)分釋放規(guī)律，對(duì)于滿江紅的科學(xué)合理利用具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。從20世紀(jì)70年代開始，國內(nèi)外學(xué)者就陸續(xù)開展了滿江紅腐解的相關(guān)研究，對(duì)稻田淹水條件下滿江紅的腐解過程[9-10]、養(yǎng)分的礦化和釋放[11]、影響礦化的因子[9,12]等都作了較為深入研究[13]，但對(duì)非淹水條件下滿江紅的腐解和養(yǎng)分釋放規(guī)律研究未見文獻(xiàn)報(bào)道，非淹水方式下滿江紅的腐解過程、其礦化速率與施用量的關(guān)系都有待明確，以利于滿江紅在稻田水旱輪作旱地作物上的利用。鑒于此，本文以實(shí)際生產(chǎn)廣泛應(yīng)用的細(xì)葉滿江紅(Azollafiliculoides)為材料，開展非淹水條件下不同翻壓量細(xì)葉滿江紅的腐解和養(yǎng)分釋放特征研究，揭示其在非淹水土壤中的腐解動(dòng)態(tài)特征，為滿江紅作為綠肥在單季稻、稻漁模式、稻-煙(菜)等水旱輪作模式或旱地作物系統(tǒng)中的利用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料為保存于國家紅萍種質(zhì)圃(福州)的細(xì)葉滿江紅(A.filiculoides)，原產(chǎn)于東德，1979由國際水稻所引進(jìn)，IRRI編號(hào)1001。試驗(yàn)所用滿江紅樣品的初始含水量為95.80%，干物質(zhì)中含氮(N)38.08 g·kg-1，磷(P)10.35 g·kg-1，鉀(K)18.37 g·kg-1，碳(C)335.32 g·kg-1。供試土壤取自福建閩侯白沙鎮(zhèn)林柄村的黃泥田，風(fēng)干，過5 mm篩網(wǎng)后，充分混勻備用。土壤基本性狀如下：pH 4.39，有機(jī)質(zhì)含量18.00 g·kg-1，全氮 1.10 g·kg-1，堿解氮 104.23 mg·kg-1，有效磷 10.43 mg·kg-1，速效鉀 30.30 mg·kg-1。

1.2 方法

1.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)在福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院埔垱基地(26°7′56′′ N，東經(jīng)119°20′1′′ E，海拔46.37 m)的玻璃溫室內(nèi)進(jìn)行，溫度恒定在25±2℃。試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)翻壓量處理：T1(低翻壓量，鮮萍與土質(zhì)量比為5 g·kg-1)、T2(中翻壓量，鮮萍與土質(zhì)量比為10 g·kg-1)和T3(高翻壓量，鮮萍與土質(zhì)量比為15 g·kg-1)。為避免翻埋過程中土壤顆粒進(jìn)入尼龍網(wǎng)袋，影響滿江紅干物質(zhì)和養(yǎng)分測(cè)試，試驗(yàn)采用玻璃纖維濾紙與尼龍網(wǎng)袋相結(jié)合的方法[14]進(jìn)行翻埋。具體做法如下：將各處理所需鮮萍(T1為150 g、T2為300 g、T3為450 g)分別裝入正方形玻璃纖維濾紙袋中，放入尼龍網(wǎng)袋(孔徑0.048 mm)中扎好口，平鋪于裝有15 kg土的方形塑料盆(長(zhǎng)60 cm、寬40 cm、高25 cm)中間，再覆土15 kg，土層厚度約20 cm。試驗(yàn)期間，按稱重法補(bǔ)充蒸發(fā)的水分至土壤田間持水量的70%，每2 d加1次，保持土壤濕度以利于土壤微生物生長(zhǎng)[15]。每10 d取樣1次，每處理取3盆，共取樣6次。每次取樣后去除表面泥土及雜物，將玻璃纖維濾紙袋中剩余的滿江紅殘?bào)w取出，于60～70℃烘至恒重，然后粉碎測(cè)定滿江紅殘?bào)w的干物質(zhì)、碳、氮、磷、鉀含量。

1.2.2測(cè)定及計(jì)算方法 滿江紅樣品經(jīng)H2SO4-H2O2消煮后，用凱氏定氮法測(cè)定全氮含量，釩鉬黃比色法測(cè)定全磷含量[16]，火焰光度計(jì)法測(cè)定全鉀含量[17]，外加熱重鉻酸鉀氧化-容量法測(cè)定全碳含量[16]。土壤有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法[16]，全氮含量的測(cè)定采用《LY/T 1228—2015 森林土壤氮的測(cè)定》[18]中的方法，堿解氮含量的測(cè)定采用堿解擴(kuò)散法[16]，有效磷含量的測(cè)定采用《NY/T 1121.7—2014 土壤有效磷的測(cè)定》[19]中的方法，速效鉀含量的測(cè)定采用《NY/T 889—2004 土壤速效鉀和緩效鉀含量的測(cè)定》[20]中的方法。

腐解率等相關(guān)指標(biāo)計(jì)算公式如下：

干物質(zhì)累積腐解量(g)=0 d的干物質(zhì)總量—nd的干物質(zhì)總量

累積腐解率(%)=(累積腐解量÷0 d的干物質(zhì)總量)×100

階段內(nèi)平均腐解速率(mg·d-1)=階段內(nèi)腐解量÷階段天數(shù)

養(yǎng)分總量(mg)=干物質(zhì)總量×養(yǎng)分含量×1000

養(yǎng)分累積釋放量(mg)=0 d的養(yǎng)分總量—nd的養(yǎng)分總量

養(yǎng)分累積釋放率(%)=(養(yǎng)分累積釋放量÷0 d的養(yǎng)分總量) ×100

階段內(nèi)平均養(yǎng)分釋放速率(mg·d-1)=階段內(nèi)養(yǎng)分釋放量÷階段天數(shù)

式中，n為腐解天數(shù)；1000為將g換算為mg的換算系數(shù)。

1.2.3數(shù)據(jù)處理 試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2016和Sigma Plot 14.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和回歸分析，用GraphPad Prism 9作圖，顯著性分析采用Duncan新復(fù)極差法(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 細(xì)葉滿江紅腐解特征

如圖1所示，不同翻壓量處理，細(xì)葉滿江紅干物質(zhì)累積腐解率的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)基本相同，但各處理間的累積腐解率有顯著差異(圖1A)。翻壓前期(0～20 d)，T2，T3處理的累積腐解率增加較快，翻壓20 d時(shí)累積腐解率已達(dá)27.8%和28.8%，顯著高于低翻壓處理(T1)(P<0.05)；此后，T2，T3處理的累積腐解率的增加變緩，翻壓60 d后3個(gè)處理的干物質(zhì)腐解率分別為47.6%，39.2%和36.1%。低翻壓量處理(T1)最終(60 d)的累積腐解率顯著(P<0.05)高于中(T2)、高(T3)翻壓量處理。

從圖1B可以看出，不同翻壓量處理下細(xì)葉滿江紅的腐解速率均先快后慢。前30 d，各處理間的階段內(nèi)平均腐解速率差異顯著(P<0.05)。各處理滿江紅在腐解前期(0～10 d)的平均腐解速率均最高，隨后均迅速下降。翻壓量越大，平均腐解速率下降幅度越大。

圖1 細(xì)葉滿江紅干物質(zhì)累積腐解率和階段內(nèi)平均腐解速率的動(dòng)態(tài)變化

2.2 細(xì)葉滿江紅碳、氮、磷、鉀養(yǎng)分的釋放特征

由圖2可知，在翻壓后前20 d和第60 d，各處理細(xì)葉滿江紅碳、氮、磷、鉀養(yǎng)分的累積釋放率差異基本一致。在細(xì)葉滿江紅翻壓后的前20 d，各處理碳、氮、磷、鉀養(yǎng)分釋放最快，均為T3>T2>T1，即翻壓量越大，前期養(yǎng)分釋放越快。而翻壓60 d后，各處理碳、氮、磷、鉀養(yǎng)分的累積釋放率差異與翻壓前期不同，均為T1>T2>T3，且差異顯著(P<0.05)，表明翻壓量越大，細(xì)葉滿江紅各養(yǎng)分最終(60 d)的釋放率越小。各處理細(xì)葉滿江紅各養(yǎng)分的最終釋放率為磷最大，鉀次之，氮最小。碳、氮、磷、鉀各養(yǎng)分的最終釋放率分別為47.2%～57.4%，47.2%～56.7%，68.5%～75.2%和53.5%～61.3%。

圖2 細(xì)葉滿江紅碳、氮、磷、鉀養(yǎng)分累積釋放率的動(dòng)態(tài)變化

從不同處理各階段內(nèi)各養(yǎng)分的平均釋放速率動(dòng)態(tài)變化(圖3)可以看出，各處理各養(yǎng)分的平均釋放速率均為前期快，后期慢。不同翻壓量處理下細(xì)葉滿江紅各養(yǎng)分的平均釋放速率均在翻壓后前10 d最高，且隨著翻壓量增加，各養(yǎng)分的平均釋放速率也隨之增加，即T3>T2>T1，差異達(dá)顯著性水平(P<0.05)。各養(yǎng)分的平均釋放速率在翻壓10 d后快速下降，后期雖有波動(dòng)，但遠(yuǎn)不如前10 d速率快。而且，隨著翻壓量的增加，速率下降的幅度越大?？傮w看來，增加翻壓量可以顯著提高滿江紅碳、氮、磷、鉀養(yǎng)分的總釋放量(P<0.05)。

圖3 細(xì)葉滿江紅碳、氮、磷、鉀養(yǎng)分階段內(nèi)平均釋放速率的動(dòng)態(tài)變化

2.3 不同翻壓量處理下細(xì)葉滿江紅碳氮養(yǎng)分比例的動(dòng)態(tài)變化特征

C/N比被認(rèn)為是影響有機(jī)物在土壤中分解的關(guān)鍵因素之一[21]，與有機(jī)物的分解速率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[22]。本研究對(duì)不同翻壓量處理下細(xì)葉滿江紅碳氮養(yǎng)分比例的動(dòng)態(tài)變化特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)(圖4)。結(jié)果表明，翻壓后的前10 d，供試細(xì)葉滿江紅的碳氮比有明顯的上升趨勢(shì)，從最初的9.0上升到9.7，說明滿江紅氮在此階段大量釋放。此后，碳氮比呈整體下降并伴有“波動(dòng)”趨勢(shì)，在8.6～10.0之間變化，表明細(xì)葉滿江紅腐解過程中碳、氮的釋放速率不一致。

圖4 細(xì)葉滿江紅腐解過程中碳氮比的動(dòng)態(tài)變化

2.4 細(xì)葉滿江紅養(yǎng)分釋放率和釋放速率的回歸分析

對(duì)細(xì)葉滿江紅翻壓后的養(yǎng)分釋放率(y)、養(yǎng)分釋放速率(v)分別與翻壓時(shí)間(x)進(jìn)行回歸分析擬合(表1)。從表1可以看出，細(xì)葉滿江紅翻壓后養(yǎng)分釋放率與翻壓時(shí)間的關(guān)系符合冪函數(shù)y=axb，r值均大于0.98，其中參數(shù)a可用來表征翻壓后某種養(yǎng)分能夠較快達(dá)到的釋放率，即該養(yǎng)分最易釋放的組分，b為釋放率增長(zhǎng)參數(shù)，其值越大表明釋放率增加越快[23]?；貧w分析表明，隨著翻壓量的增加，細(xì)葉滿江紅養(yǎng)分最易達(dá)到的釋放率越大，釋放率增長(zhǎng)參數(shù)b則相反，隨著翻壓量的增加，增長(zhǎng)參數(shù)b逐漸變小。經(jīng)回歸方程分析預(yù)測(cè)，不同翻壓量處理，滿江紅的碳、氮、磷、鉀養(yǎng)分完全釋放分別需要142～749 d，187～1 936 d，102～200 d和121～252 d。

養(yǎng)分釋放速率與時(shí)間的關(guān)系參考使用Olson[24]的指數(shù)衰減模型v=voe-kx進(jìn)行擬合，其中v0可以用來表征某種養(yǎng)分的最大釋放速率，e為自然常數(shù)，k為速率衰減參數(shù)，k值越大則速率衰減越快。從表1可以看出，不同翻壓量下，各養(yǎng)分的最大釋放速率(v0)隨翻壓量的增加而增加，而速率衰減參數(shù)(k)也隨翻壓量的增加而增加，可見，隨著翻壓量的增加，各養(yǎng)分的最大釋放速率均有顯著提升，同時(shí)，速率的衰減速度也隨翻壓量增加而提高。

表1 滿江紅養(yǎng)分釋放率和釋放速率的回歸分析

3 討論

3.1 非淹水條件下細(xì)葉滿江紅的腐解規(guī)律和養(yǎng)分釋放特征

細(xì)葉滿江紅具有耐寒、快繁、高產(chǎn)[25]、含氮量高[26]的特性，是目前生產(chǎn)廣泛利用的種類之一。前人研究認(rèn)為滿江紅腐解和養(yǎng)分釋放可分為旺盛分解與持續(xù)緩慢分解兩個(gè)階段[5,11]。本試驗(yàn)中，細(xì)葉滿江紅的腐解速率和養(yǎng)分釋放均是先快后慢，腐解規(guī)律與淹水條件下[5,10]基本一致，但腐解率和養(yǎng)分釋放速率及其高峰出現(xiàn)時(shí)間與淹水條件下[5,10]的存在明顯差異。王德光等研究表明淹水條件下腐解18周，細(xì)葉滿江紅的腐解礦化率僅達(dá)11.8%～18.8%，腐解高峰在第2～3周[10]。而本試驗(yàn)中，細(xì)葉滿江紅翻壓60 d后的累積腐解率已達(dá)36.1%～47.6%，腐解高峰和氮釋放高峰均在第10 d。非淹水條件下比淹水條件下腐解率高，也印證了淹漬土壤下滿江紅腐殖化系數(shù)較旱地大[9]，腐解效率慢的結(jié)論。導(dǎo)致這種差異，除了與土壤水分狀況不同有關(guān)外，還可能與供試細(xì)葉滿江紅的初始碳氮比有關(guān)，但歸根結(jié)底是微生物差異引起的。王德光等研究表明，礦化率高低取決于萍體在當(dāng)時(shí)的C/N值，碳氮比值越小，氮含量越高，萍體的礦化速度越快[10,13]，而滿江紅含氮量的增加也會(huì)導(dǎo)致養(yǎng)分釋放高峰的提前[5]。本研究中細(xì)葉滿江紅初始碳氮比僅9.0，低于王德光試驗(yàn)用的細(xì)葉滿江紅碳氮比(C/N>11.3)，萍體含氮量達(dá)3.81%，因此累積腐解率較高，腐解高峰和養(yǎng)分的釋放高峰也較早。鑒于此，生產(chǎn)上在水稻種植前利用滿江紅綠肥時(shí)，建議可以提前至少10 d還田，先經(jīng)過一段時(shí)間的非淹水翻埋以提高滿江紅的養(yǎng)分釋放率。鑒于滿江紅的腐解率和養(yǎng)分釋放速率因翻壓方式[27,28]、萍體碳氮比[10]、木質(zhì)素等營養(yǎng)構(gòu)成[9]、環(huán)境溫度[12]、土壤水分狀況[29]不同而存在明顯差異。因此，本模擬試驗(yàn)僅能反映細(xì)葉滿江紅在該試驗(yàn)條件下的腐解規(guī)律，不同土壤條件及施入方式對(duì)其腐解的效果有顯著的影響，生產(chǎn)利用時(shí)的實(shí)際腐解效率，還需大田試驗(yàn)以進(jìn)一步驗(yàn)證。

3.2 翻壓量對(duì)細(xì)葉滿江紅腐解和養(yǎng)分釋放的影響

研究表明，外源有機(jī)物在土壤中的空間濃度對(duì)其降解性有著積極的影響[30]，紫云英[31]、毛葉苕子[23]等綠肥的腐解試驗(yàn)也表明，增加翻壓量會(huì)對(duì)其腐解和養(yǎng)分釋放產(chǎn)生影響。本試驗(yàn)結(jié)果也表明，增加翻壓量會(huì)顯著提高腐解初期細(xì)葉滿江紅的碳、氮、磷、鉀等養(yǎng)分的釋放量，但卻會(huì)顯著降低養(yǎng)分的累積釋放率，對(duì)養(yǎng)分的完全釋放起到延緩的作用，與紫云英等其他綠肥的研究[23,31]一致。經(jīng)回歸分析預(yù)測(cè)，隨著翻壓量的增加，磷素和鉀素完全釋放所需的時(shí)間僅增加了32～98 d和52～131 d，增幅最小，其次是碳，增加了200～607 d，增幅最大的是氮素，完全釋放的時(shí)間推遲了435～1749 d?？梢?，在非淹水條件下增加細(xì)葉滿江紅的翻壓量，對(duì)磷素和鉀素釋放的影響最小，對(duì)氮素釋放的延緩效應(yīng)最大。此外，從釋放速率來看，隨著翻壓量的增加，前期干物質(zhì)的最大腐解速率及各養(yǎng)分的最大釋放速率均有顯著提升，但后期干物質(zhì)的腐解速率和養(yǎng)分的釋放速率并未因翻壓量的增加而產(chǎn)生顯著變化。說明加大翻壓量更多的是增加快速提供養(yǎng)分的量，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)作物需肥特性選擇適宜的翻壓量進(jìn)行施用，保證后茬作物所需速效養(yǎng)分供給的同時(shí)，避免過度施用因淋溶、作物吸收不及時(shí)等造成的養(yǎng)分浪費(fèi)和污染。研究表明，紫云英還田的增產(chǎn)和節(jié)肥效應(yīng)隨施用年限的增加而增強(qiáng)[32-33]。本試驗(yàn)中滿江紅養(yǎng)分完全釋放時(shí)間的預(yù)測(cè)也揭示了細(xì)葉滿江紅翻壓供肥的長(zhǎng)效性，若連年翻壓細(xì)葉滿江紅，其改土培肥的效應(yīng)也將隨之累積，具體還需通過長(zhǎng)期還田的定位試驗(yàn)來證實(shí)。

3.3 非淹水條件下細(xì)葉滿江紅的養(yǎng)分供應(yīng)效益

前人對(duì)滿江紅供肥效益的研究結(jié)果不盡相同。施書蓮等[9]研究表明，淹水條件下C/N值為17.5的滿江紅第1年的氮素利用率僅為2.2%，C/N值為12.0的滿江紅也僅有17.3%，翻壓后氮素幾乎不能被當(dāng)季水稻所利用。而肖慶元等[5]認(rèn)為，滿江紅腐解供肥較遲，殘效明顯，作早稻基肥比作追肥增產(chǎn)效果好。亦有研究[28]表明，滿江紅與尿素深施，其氮在2個(gè)月內(nèi)全部釋放。在本試驗(yàn)中，C/N值為9.0的細(xì)葉滿江紅在非淹水條件下經(jīng)過60 d的腐解，氮素累積釋放率達(dá)47.2%～56.7%，預(yù)估可為當(dāng)季稻所利用。葉國添等[21]研究表明，利用冬閑田(12月-次年4月)種植細(xì)葉滿江紅，平均鮮萍產(chǎn)量達(dá)7500 kg·667 m-2，當(dāng)氣溫達(dá)13～16℃時(shí)，平均日增量達(dá)77 kg·667 m-2，相當(dāng)于春季種植30 d滿江紅即可收獲34.7 t·hm-2鮮萍。按耕層為20 cm計(jì)算，本試驗(yàn)T3處理的翻壓量相當(dāng)于33.75 t·hm-2，翻壓10 d氮、磷、鉀養(yǎng)分的釋放率分別為31.3%，35.1%，26.6%。如在后茬作物種植前10 d翻壓細(xì)葉滿江紅還田，還田的細(xì)葉滿江紅養(yǎng)分同本試驗(yàn)供試萍體，1 hm2冬閑田種植1個(gè)月的滿江紅理論上可為單季水稻或蔬菜、煙草等旱地作物快速提供氮16.87 kg·hm-2、磷5.14 kg·hm-2和鉀6.92 kg·hm-2。若按南方丘陵山地稻區(qū)單季稻種植推薦的施肥用量：N，P2O5，K2O分別為166 kg·hm-2，72 kg·hm-2，68 kg·hm-2[34]，基肥占比4成，磷肥全做基肥計(jì)算，冬閑田春季養(yǎng)萍1個(gè)月并在水稻種植前10 d翻壓，理論上可以替代稻田基肥氮、磷、鉀肥施用量的25.4%～38.4%，16.4%～32.0%和30.7%～61.7%，并在作物生長(zhǎng)的中后期持續(xù)提供氮、磷、鉀養(yǎng)分。

4 結(jié)論

本文通過非淹水條件下不同翻壓量細(xì)葉滿江紅的腐解過程研究，明確了細(xì)葉滿江紅在非淹水條件下干物質(zhì)腐解和養(yǎng)分釋放規(guī)律均為前期快、后期慢的特點(diǎn)；增加翻壓量，細(xì)葉滿江紅的累積腐解率和養(yǎng)分釋放率呈逐漸降低的趨勢(shì)，但可有效提高細(xì)葉滿江紅短期(60 d)內(nèi)的氮、磷、鉀等養(yǎng)分的釋放總量，實(shí)際綠肥利用時(shí)，應(yīng)根據(jù)后茬作物的需肥特性選擇適宜的翻壓量還田，以提高養(yǎng)分利用率。