不同綠肥作物的腐解特性及氮磷鉀釋放規(guī)律

朱吉風(fēng),蔣美艷,周熙榮,張俊英,江建霞,楊立勇,李延莉,王偉榮

(上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物育種栽培研究所,上海 201403)

氮、磷、鉀是作物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的營(yíng)養(yǎng)元素,對(duì)滿(mǎn)足作物生長(zhǎng)發(fā)育、提高作物產(chǎn)量、改善農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量、增強(qiáng)作物抗逆性等具有重要作用。改革開(kāi)放以來(lái),我國(guó)農(nóng)作物產(chǎn)量與化肥施用量同步增長(zhǎng)[1-2]。耕作過(guò)程中因化肥大量施用所造成的農(nóng)田退化、水體富營(yíng)養(yǎng)化等現(xiàn)象日益突出,成為困擾我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要問(wèn)題[3-4]。保護(hù)耕地、合理施肥、提升地力、發(fā)展綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)在全國(guó)各地已形成共識(shí)。我國(guó)作為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大國(guó)和人口大國(guó),優(yōu)化農(nóng)業(yè)耕作制度,發(fā)展綠色生態(tài)可持續(xù)農(nóng)業(yè)勢(shì)在必行[5]。隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)“雙減”目標(biāo)和農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的有效貫徹推進(jìn),我國(guó)部分省市如上海等地已全面退出冬季作物種植模式,率先普及綠肥種植和深翻曬垡等,為糧食作物綠色生產(chǎn)創(chuàng)造了優(yōu)越的生態(tài)條件。

綠肥作為一種直接或經(jīng)堆漚后還田的生物肥源,對(duì)增辟肥源、改良土壤、改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)等具有重要作用。隨著“綠色理念”的普及,冬季綠肥還田將成為發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)的必然趨勢(shì)。油菜、紫云英、蠶豆、豌豆、紫花苜蓿等是我國(guó)主要的冬季綠肥作物,還田后可有效改良土壤、增加土壤中的氮磷鉀等營(yíng)養(yǎng)成分,并能顯著提高后茬作物如水稻、小麥、花生等的產(chǎn)量[6-10]。不同種類(lèi)的綠肥作物或秸稈的腐解及其養(yǎng)分釋放存在差異[11],如代文才等[12]研究發(fā)現(xiàn),蠶豆青稈累積腐解率和養(yǎng)分釋放率均顯著低于油菜;潘福霞等[13]認(rèn)為,綠肥山黧豆的氮和磷累積釋放率高于箭筈豌豆和苕子,但鉀的累積釋放率無(wú)明顯差異。目前對(duì)綠肥腐解及養(yǎng)分釋放規(guī)律已有較多研究,并取得了一定進(jìn)展[12]。然而,已有研究主要集中在個(gè)別綠肥腐解量及養(yǎng)分釋放量方面,不同綠肥間養(yǎng)分釋放規(guī)律的比較相對(duì)較少。為充分了解不同綠肥的腐解特性及養(yǎng)分釋放規(guī)律,探索不同冬季綠肥作物在水田環(huán)境下的腐解及主要養(yǎng)分釋放差異性,本研究選用油菜、紫云英、蠶豆、豌豆、紫花苜蓿5種冬季綠肥作物,在模擬的水田環(huán)境條件下,比較分析不同綠肥作物的腐解特性及其氮磷鉀三大元素的釋放規(guī)律,旨在為綠肥作物還田及后茬作物綠色生產(chǎn)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試綠肥作物為油菜、紫云英、蠶豆、豌豆和紫花苜蓿,其中油菜為上海當(dāng)?shù)刂髟云贩N‘滬油21’,其種子由上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供;紫云英、蠶豆、豌豆、紫花苜蓿等4種豆科綠肥作物的種子均購(gòu)于上海當(dāng)?shù)剞r(nóng)貿(mào)市場(chǎng)。

2019年10月15日將供試綠肥播種于上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院莊行綜合試驗(yàn)站,各試驗(yàn)小區(qū)面積均為20.0 m2,采取隨機(jī)區(qū)組排列,重復(fù)3次。油菜、紫云英和紫花苜蓿采取人工撒播,播種量分別為2.25 kg/hm2、30.0 kg/hm2和30.0 kg/hm2;蠶豆和豌豆采用人工點(diǎn)播覆土,播種量均為75.0 kg/hm2。于2020年3月15日綠肥盛花期,各小區(qū)齊地收割全區(qū)綠肥地上部,稱(chēng)重,計(jì)鮮草產(chǎn)量;各小區(qū)隨機(jī)抽取5 m2采集地上部及地下部根系,用自來(lái)水沖洗干凈后,置于105℃殺青30 min,65℃烘干至恒重后,分別稱(chēng)重,并計(jì)算根冠比(地下生物量/地上生物量),將各部位剪成2—3 cm的小段,混勻,立即裝入尼龍網(wǎng)袋、封口,每袋裝入烘干的綠肥混合樣品10.0 g,每種綠肥分別裝27袋,用于后續(xù)不同綠肥作物的腐解特性及養(yǎng)分釋放規(guī)律研究。

供試土壤采自上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院莊行綜合試驗(yàn)站,土壤基本理化性質(zhì)為pH 7.5、有機(jī)質(zhì)含量3.2%、水解氮含量84.14 mg/kg、有效磷含量72.66 mg/kg、速效鉀含量252.69 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)方法

在室內(nèi)模擬水田環(huán)境,將供試土壤裝入長(zhǎng)61.0 cm、寬42.0 cm、高15.0 cm的塑料箱中,埋入裝有油菜、紫云英、紫花苜蓿、蠶豆或豌豆的尼龍網(wǎng)袋,每箱5個(gè)作物,每個(gè)作物各9個(gè)處理,每箱共45袋,共3箱,即每個(gè)作物共27個(gè)處理,重復(fù)3次,統(tǒng)一控制土壤含水量,持續(xù)保持高于土面1 cm左右的水層,并在埋袋后的第0、5、10、15、20、30、40、50、60天取樣,將所取網(wǎng)袋上黏附的泥漿沖洗干凈后置于65℃烘干并稱(chēng)重,計(jì)算綠肥累積腐解量。將剩余樣品磨碎過(guò)1 mm篩后,采用氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)滴定法測(cè)其水解氮含量,采用電感耦合等離子體光譜法測(cè)其有效磷含量,采用乙酸銨提取-火焰光度法測(cè)其速效鉀含量[14-15]。參照潘福霞等[13]方法,計(jì)算5種綠肥的累積腐解量、累積腐解率以及對(duì)應(yīng)處理的養(yǎng)分累積釋放率。

累積腐解率=(1-nd干物質(zhì)總量/0 d干物質(zhì)總量)×100%;

養(yǎng)分總量(mg)=干物質(zhì)總量(g)×養(yǎng)分含量(mg/kg)/1 000;

養(yǎng)分累積釋放率=(1-nd的養(yǎng)分總量/0 d養(yǎng)分總量)×100%;

nd的養(yǎng)分相對(duì)釋放量(mg/g)=nd的養(yǎng)分累積釋放量/nd的累積腐解量;

其中n為處理天數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2010軟件對(duì)各指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,采用SAS9.1軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同綠肥的生物產(chǎn)量

油菜平均鮮草產(chǎn)量為31 236.7 kg/hm2(含水量84.19%)、蠶豆為24 676.7 kg/hm2(含水量87.34%)、紫云英為21 978.8 kg/hm2(含水量89.02%)、豌豆為18 691.7 kg/hm2(含水量80.42%)、紫花苜蓿為17 339.6 kg/hm2(含水量79.01%)。烘干后,油菜的地下與地上部分干物質(zhì)量最高,分別為1 041.4 kg/hm2和4 938.5 kg/hm2;紫云英最小,分別為143.1 kg/hm2和2 413.3 kg/hm2。通過(guò)計(jì)算不同綠肥盛花期地下與地上干重比(即根冠比)發(fā)現(xiàn),不同綠肥間根冠比存在差異,其中,紫花苜蓿的根冠比最大,油菜次之,紫云英最小(表1)。

表1 5種綠肥地上與地下干物質(zhì)量Table 1 Aboveground and underground dry matter weight of 5 green manures

2.2 不同綠肥氮的釋放特征

如圖1所示,在模擬水田環(huán)境下,各綠肥埋壓后的前15 d氮釋放量較大,且不同綠肥間的氮釋放率存在差異,油菜、豌豆和紫花苜蓿的氮釋放率明顯高于蠶豆和紫云英;埋壓20 d時(shí),油菜、豌豆、紫花苜蓿、蠶豆和紫云英的氮累積釋放率分別為89.3%、88.2%、88.5%、72.6%和68.3%;埋壓后30—60 d,油菜、豌豆、蠶豆和紫花苜蓿氮的釋放基本停滯,而紫云英氮的釋放在50 d后基本停滯;埋壓60 d后,5種綠肥的氮累積釋放率均超過(guò)90%。

圖1 5種綠肥氮的釋放特征Fig.1 Nitrogen release characteristics of 5 green manures

2.3 不同綠肥磷的釋放特征

如圖2所示,在模擬水田環(huán)境下,各綠肥磷的釋放量在埋壓后前15 d較大,在15 d時(shí)不同綠肥間的磷累積釋放率相差最大,其中豌豆的磷累積釋放率最大,為90.0%,蠶豆最小,為73.9%;埋壓后20—60 d,不同綠肥磷的釋放趨于平緩,且不同綠肥間差異減小。埋壓60 d后,豌豆、蠶豆和紫云英的磷累積釋放率相近,約95.0%,油菜相對(duì)較低,為92.8%。

圖2 5種綠肥磷的釋放特征Fig.2 Phosphorus release characteristics of 5 green manures

2.4 不同綠肥鉀的釋放特征

在模擬水田環(huán)境下,不同綠肥鉀的釋放與其氮、磷的釋放過(guò)程存在不同,且均表現(xiàn)為鉀的釋放較快,即5種綠肥在埋壓后10 d其鉀素迅速釋放,埋壓后20 d基本釋放完成,此時(shí),各綠肥鉀的累積釋放率已超過(guò)90%。但5種綠肥鉀的釋放速率存在差異,其中豌豆鉀的釋放最快,在埋壓后10 d鉀的釋放基本完成,此時(shí)鉀的累積釋放率為94.0%;紫花苜蓿在埋壓后15 d鉀的釋放基本完成,此時(shí)鉀的累積釋放率為92.2%;其他3種綠肥在埋壓后20 d鉀的釋放基本完成(圖3)。

圖3 5種綠肥鉀的釋放特征Fig.3 Potassium release characteristics of 5 green manures

2.5 不同綠肥腐解規(guī)律及與各養(yǎng)分比例的變化特征

在模擬水田環(huán)境下,不同綠肥埋壓后的腐解規(guī)律基本一致,主要分為快速腐解期(0—15 d)和緩慢腐解期(15—60 d)。在埋壓15 d時(shí),油菜、蠶豆、豌豆、紫云英和紫花苜蓿的樣品腐解量已超過(guò)50%,對(duì)應(yīng)累積腐解率分別為54.7%、57.5%、66.2%、66.1%和55.0%,平均腐解速率分別為0.36 g/d、0.38 g/d、0.44 g/d、0.41 g/d和0.37 g/d。埋壓后15—60 d,5種綠肥的累積腐解率上升變緩,試驗(yàn)結(jié)束時(shí),油菜、蠶豆、豌豆、紫云英和紫花苜蓿的累積腐解率分別為72.8%、83.2%、77.7%、83.8%和87.8%,對(duì)應(yīng)區(qū)段平均腐解速率分別為0.040 g/d、0.057 g/d、0.026 g/d、0.039 g/d和0.073 g/d,明顯小于前15 d(圖4)。此外,從圖4可見(jiàn),5種綠肥的累積腐解率大體呈現(xiàn)為紫云英＞蠶豆＞豌豆/紫花苜蓿＞油菜,其中油菜在各時(shí)間段的累積腐解率均小于其他綠肥,紫花苜蓿在埋壓30 d后,其累積腐解率趕超其他綠肥,紫云英、豌豆和蠶豆的累積腐解率差異較小。隨著處理時(shí)間延長(zhǎng),不同綠肥的累積腐解率差異逐漸減小。

圖4 5種綠肥的腐解特征Fig.4 Decomposition characteristics of 5 green manures

為比較不同綠肥各元素在不同處理時(shí)間內(nèi)的釋放量,以每克腐解量為基礎(chǔ),計(jì)算各元素相對(duì)釋放量,結(jié)果發(fā)現(xiàn):5種綠肥鉀的釋放量最大,且相同處理時(shí)間內(nèi)每克腐解量中鉀的含量顯著高于磷和氮兩種元素;在豌豆、蠶豆、紫云英和紫花苜蓿中,每克腐解量中氮的釋放量高于磷,而油菜中氮和磷的釋放量相當(dāng)。埋壓60 d后,油菜磷的相對(duì)釋放量明顯高于其他4種綠肥,而油菜氮的相對(duì)釋放量則顯著低于豌豆和紫花苜蓿,但與蠶豆和紫云英相近;埋壓60 d后,5種綠肥鉀的相對(duì)釋放量表現(xiàn)為紫云英＞油菜＞紫花苜蓿＞豌豆＞蠶豆,磷的相對(duì)釋放量表現(xiàn)為油菜＞紫云英＞蠶豆＞豌豆＞紫花苜蓿,氮的相對(duì)釋放量表現(xiàn)為紫花苜蓿＞豌豆＞紫云英＞蠶豆＞油菜(圖5)。

圖5 5種綠肥每克腐解量各養(yǎng)分的釋放特征Fig.5 Release characteristics of nutrients per gram of decomposition amount of 5 green manures

3 討論

綠肥作為有機(jī)肥的重要來(lái)源,在培肥地力、改善土壤理化性質(zhì)、降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本等方面發(fā)揮著重要作用[4]。油菜、紫云英、紫花苜蓿、蠶豆和豌豆等是我國(guó)傳統(tǒng)的冬季綠肥作物,還田進(jìn)入土壤后一般經(jīng)過(guò)前期快速腐解、后期緩慢腐解等過(guò)程,將植物體中的氮、磷、鉀等元素釋放到土壤中。本研究中5種綠肥水田腐解速率隨處理時(shí)間延長(zhǎng)整體呈穩(wěn)定增加趨勢(shì),與前人研究結(jié)果一致[12,15]。5種綠肥之間的腐解率或各養(yǎng)分釋放率存在差異,可能是由于其各組織的組成成分或根冠比存在差異所致。有報(bào)道認(rèn)為,水溶性物、苯醇溶性物和粗蛋白等物質(zhì)分解較快,纖維素次之,木質(zhì)素、蠟粉等較難分解,作物還田后的腐解及養(yǎng)分釋放速率一般表現(xiàn)為地上部高于地下根部[11,15-17],即水溶性物質(zhì)含量高的綠肥易分解、根冠比小的綠肥易分解。本研究發(fā)現(xiàn),處理前期根冠比最小的紫云英腐解最快,根冠比大的油菜和紫花苜蓿腐解速率相對(duì)較慢,與預(yù)期結(jié)果一致。但隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng),紫花苜蓿的腐解速率逐步超過(guò)其他綠肥,可能是由于紫花苜蓿的組織成分(如纖維素、蛋白、木質(zhì)素等)與其他綠肥存在量的差異。

作物中營(yíng)養(yǎng)元素的存在形態(tài)決定其釋放速率,鉀元素主要以離子形態(tài)存在于植物體中,故其在三大元素中釋放最快[12,18]。本研究中5種綠肥鉀的釋放最快,磷、氮釋放在5種綠肥中存在差異,但整體上表現(xiàn)為豆科作物(紫云英、紫花苜蓿、蠶豆和豌豆)氮的釋放快于磷,而油菜氮、磷釋放相當(dāng),但其氮素釋放則明顯低于部分豆科綠肥(紫花苜蓿和豌豆),磷的釋放則略高于豆科綠肥。因此,在種植后季作物時(shí)可根據(jù)其養(yǎng)分需求規(guī)律及前茬綠肥作物類(lèi)型合理配施鉀肥、磷肥或氮肥。

油菜種子繁殖系數(shù)大,發(fā)芽率高,出苗能力強(qiáng),生物產(chǎn)量高[1,19-20]。在5種綠肥中,油菜的播種量?jī)H2.25 kg/hm2,遠(yuǎn)低于4種豆科綠肥(紫云英和紫花苜蓿的播種量均為30.0 kg/hm2,蠶豆和豌豆的播種量均為75.0 kg/hm2),而在盛花期油菜鮮草產(chǎn)量為31 236.7 kg/hm2,5種綠肥中位居第一,具有明顯的綠肥產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)。前人研究發(fā)現(xiàn),油菜混合紫云英等豆科綠肥利于微生物繁殖,可促進(jìn)油菜腐解,協(xié)調(diào)氮、磷營(yíng)養(yǎng)元素的釋放等[21],油菜還田后其累積養(yǎng)分釋放率雖與其他4種豆科綠肥基本一致,但累積腐解率和單位氮素釋放量卻低于豆科綠肥。因此,在選種綠肥時(shí)可根據(jù)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益、土壤性質(zhì)、后茬作物營(yíng)養(yǎng)需求等選擇合適的綠肥種類(lèi)或不同類(lèi)型的綠肥作物(如油菜與豆科作物)配合種植還田,以充分發(fā)揮不同綠肥作物的優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)綠肥最大種植效益。