陜北旱地毛葉苕子不同翻壓量下腐解速率及養(yǎng)分變化特征

段志龍，王晨光，馬 欣，王 輝

（1.延安市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，陜西 延安 716000；2.陜西省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，陜西 西安 710003）

渭北黃土高原溝壑區(qū)是我國西北地區(qū)的主要農(nóng)業(yè)區(qū)，該地區(qū)光照充足，晝夜溫差大，雨熱同季，海拔高度適宜，因其獨特的自然條件和生態(tài)因素被農(nóng)業(yè)農(nóng)村部確定為兩大蘋果產(chǎn)業(yè)優(yōu)生帶之一［1-2］。為發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)、減少過度依賴化肥引起的土壤健康問題，在果樹行間種植綠肥成為有效改良土壤、培肥地力的重要措施［3］。相關(guān)研究表明，綠肥翻壓后可以改善土壤微生物性狀，增加土壤有機質(zhì)含量和氮、磷、鉀養(yǎng)分含量［4-5］，提高果園微生物數(shù)量和酶活性［6］，從而改善土壤質(zhì)量［7］。綠肥翻壓后其腐解規(guī)律和養(yǎng)分釋放特征因地域、作物種類、土壤類型的不同亦存在明顯差異［8-10］，黃土旱塬區(qū)農(nóng)田土壤中長武懷豆和黑麥草翻壓腐解的研究發(fā)現(xiàn)綠肥腐解速率呈“快速上升—緩慢增加—中低速增長”的倒“S”形，碳、氮養(yǎng)分在翻埋后快速釋放，長武懷豆的腐解速率、累積腐解率高于黑麥草，其氮釋放也相對較快［9］；在貴陽黃壤旱地采用尼龍網(wǎng)袋法研究綠肥翻壓還田養(yǎng)分釋放特征時發(fā)現(xiàn)，風(fēng)干綠肥的腐解速率高于新鮮綠肥，經(jīng)過 180 d的腐解，氮素釋放率為73.55%～83.80%，磷素釋放率為 76.40%～87.13%，鉀素腐解率高于氮素和磷素［10］。

毛葉苕子（Vicia villosa）是我國主要的綠肥作物，能充分利用水、光、熱和土地資源，具有較強的抗寒抗旱耐貧瘠能力［11-12］。相關(guān)研究表明，毛葉苕子在不同土壤類型下其腐解特征及養(yǎng)分釋放規(guī)律有所不同［8，12-13］。張成蘭等［12］在豫南稻田不同施肥條件下毛葉苕子腐解及養(yǎng)分釋放特征的研究表明，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；養(yǎng)分釋放率表現(xiàn)為鉀＞磷＞碳＞氮，翻壓148 d 氮、磷、鉀的累積釋放率分別為78.2%～81.2%、89.8%～91.4%、96.3%～97.0%。劉佳等［8］在紅壤旱地的研究表明，毛葉苕子腐解過程為前期迅速、后期緩慢，碳、氮、磷、鉀均在翻壓后的前20 d大量釋放，且增加翻壓量會對養(yǎng)分的釋放率和釋放速率產(chǎn)生影響。寧東峰等［13］在華北潮土的研究發(fā)現(xiàn)毛葉苕子翻壓21 d內(nèi)氮釋放較快，磷在整個翻壓期內(nèi)的釋放較為平緩，鉀在翻壓前期迅速釋放。陜北地區(qū)毛葉苕子產(chǎn)量為45000 kg/hm2，將如此大量的毛葉苕子原地還田是否科學(xué)，其釋放的養(yǎng)分能否得到合理利用，在渭北旱地關(guān)于毛葉苕子翻壓的養(yǎng)分釋放特征研究應(yīng)用較少，數(shù)據(jù)支撐不足。因此，本研究綜合考慮了毛葉苕子在陜北種植的一般產(chǎn)量范圍及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中綠肥的常見用量，設(shè)置不同翻壓量處理，在大田試驗條件下采用尼龍網(wǎng)袋法［14］研究毛葉苕子不同翻壓量后的腐解和養(yǎng)分釋放規(guī)律，明確綠肥翻壓對土壤養(yǎng)分的貢獻(xiàn)，為合理確定綠肥翻壓量和化肥配施量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本試驗于2020年9～12月在陜西省延安市洛川縣鳳棲鎮(zhèn)西井村（109°26′25″E，35°46′19″N）進(jìn)行，該地區(qū)位于渭北黃土高原溝壑區(qū)，海拔1180 m，暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫9.2℃，晝夜溫差15.7℃，無霜期167 d，日照時數(shù)2552 h，年均降水量622 mm。土壤類型為黑壚土，有機質(zhì)含量10.65 g/kg，全氮含量0.49 g/kg，全磷含量0.54 g/kg，全鉀含量30.22 g/kg。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)3個不同翻壓量處理：（1）180 g/袋（T1，低翻壓量，相當(dāng)于30000 kg/hm2）；（2）270 g/袋（T2，中翻壓量，相當(dāng)于45000 kg/hm2）；（3）315 g/袋（T3，高翻壓量，相當(dāng)于52500 kg/hm2）。于2020年9月將盛花期毛葉苕子植株剪成3～4 cm的小段，分裝于20 cm×30 cm的尼龍網(wǎng)袋內(nèi)，翻埋于空白果樹行間，深度15～20 cm。毛葉苕子品種為蒙苕1號，試驗采用隨機區(qū)組排列，3次重復(fù)。裝袋時毛葉苕子鮮體的含水量為76.36%，養(yǎng)分狀況見表1。

表1 毛葉苕子初始養(yǎng)分含量 （g/kg）

1.3 樣品采集與測定

于 翻 壓 后3、10、17、27、37、47、61、75、71 d進(jìn)行埋袋樣品取樣，取樣后去除表面泥土及雜物，將網(wǎng)袋中毛葉苕子殘留樣品于80℃烘箱中烘干稱量，粉碎后測定氮、磷、鉀養(yǎng)分的含量。植株樣品經(jīng)H2SO4-H2O2消煮后，全氮用凱氏定氮法測定，全磷用釩鉬黃比色法測定，全鉀用火焰光度法測定［15］。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2016和SigmaPlot 10.0進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和制作圖表，采用SPSS 22.0進(jìn)行顯著性分析。相關(guān)計算公式如下：

累積腐解率（%）=（M0-Mt）/M0×100 （1）

平均腐解速率（g/d）=（Mt-Mt-1）/（Tt-1-Tt） （2）

養(yǎng)分累積釋放率（%）=（C0×M0-Ct×Mt）/（C0×M0）×100 （3）

養(yǎng)分累積釋放量（mg）=C0×M0-Ct×Mt（4）

養(yǎng)分釋放速率（mg/d）=（Ct×Mt-Ct-1×Mt-1）/（Tt-Tt-1）（5）

式中，C0為毛葉苕子初始養(yǎng)分含量，Ct為毛葉苕子t時刻養(yǎng)分含量；M0為毛葉苕子初始干物質(zhì)質(zhì)量，Mt為毛葉苕子t時刻干物質(zhì)質(zhì)量；Tt為t時刻的天數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 毛葉苕子干物質(zhì)的腐解特征

毛葉苕子翻壓后干物質(zhì)腐解率的動態(tài)變化如圖1所示?？梢钥闯觯S著時間的推移，不同翻壓量毛葉苕子的干物質(zhì)累積腐解率均呈逐漸增加的趨勢，但翻壓前期（0～27 d）增加較快，T1、T2、T3處理在翻壓27 d時累積腐解率分別達(dá)到52.29%、48.24%和44.63%，其中T1與T3處理達(dá)到顯著差異（P＜0.05）；27 d后累積腐解率增加變緩，至試驗結(jié)束時各處理干物質(zhì)的最終腐解率依次為61.98%、62.08%和65.32%。比較翻壓后不同處理間毛葉苕子干物質(zhì)的累積腐解率發(fā)現(xiàn)，0～47 d累積腐解率均為T1＞T2＞T3，47 d后T1處理累積腐解率緩慢降低，T3處理緩慢上升。毛葉苕子翻壓后各時期干物質(zhì)平均腐解速率的動態(tài)變化大體可分為2個階段，0～17 d為快速下降階段，腐解速率由最初的10.41～12.85 g/d迅速下降到2.91～3.60 g/d；17 d后腐解速率下降相對緩慢，此階段的平均腐解速率為0.87～1.53 g/d?？v觀翻壓后各時期干物質(zhì)平均腐解速率變化，整體表現(xiàn)為T1＜T2＜T3。

2.2 毛葉苕子氮釋放特征

圖1 毛葉苕子干物質(zhì)累積腐解率和平均腐解速率的動態(tài)變化

圖2 毛葉苕子氮養(yǎng)分釋放動態(tài)變化

從圖2a可以看出，翻壓后毛葉苕子氮的累積釋放率與干物質(zhì)的腐解規(guī)律相似，毛葉苕子翻壓后0～17 d為氮的快速釋放時期，第17 d時T1、T2和T3處理氮累積釋放率分別為59.06%、57.52%和51.05%，17～75 d氮素釋放較之前緩慢，至75 d各處理氮累積釋放率依次為75.23%、69.10%和70.97%。氮累積釋放率整體表現(xiàn)為T1＞T2＞T3。圖2b是毛葉苕子翻壓后各時期氮養(yǎng)分釋放速率的動態(tài)變化，其變化大體可分為2個階段，0～10 d為快速下降階段，釋放速率由最初的26.06～38.69 mg/d迅速下降到7.79～11.05 mg/d；17 d時T2處理釋放速率顯著高于T1和T3處理，之后釋放速率下降相對緩慢，至75 d時氮養(yǎng)分釋放速率為0.80～0.98 mg/d。縱觀翻壓后各時期氮養(yǎng)分釋放速率變化，整體表現(xiàn)為T1＜T2＜T3。

2.3 毛葉苕子磷釋放特征

圖3為毛葉苕子翻壓后各時期磷養(yǎng)分動態(tài)變化，隨著時間的推移，不同翻壓量毛葉苕子的磷養(yǎng)分釋放均呈逐漸增加的趨勢，但翻埋后0～10 d為磷的快速釋放時期，第10 d時T1、T2和T3磷累積釋放率分別為49.60%、46.16%和43.97%；10～75 d磷釋放速率緩慢上升，第75 d時T1、T2和T3磷累積釋放率分別為78.24%、72.25%和73.32%，累積釋放率整體表現(xiàn)為T1＞T2＞T3。0～10 d磷釋放速率由最初的6.84～9.79 mg/d迅速下降到0.35～0.41 mg/d，10～75 d釋放速率在0.14～0.52 mg/d左右浮動。

2.4 毛葉苕子鉀釋放特征

圖4為毛葉苕子翻壓后各時期鉀養(yǎng)分動態(tài)變化，與磷養(yǎng)分釋放規(guī)律相似，隨著時間的推移，不同翻壓量毛葉苕子的鉀釋放呈逐漸增加的趨勢，至試驗結(jié)束時（75 d），T1、T2和T3處理鉀累積釋放率分別為90.02%、81.62%和86.51%，累積釋放率整體表現(xiàn)為T1＞T2＞T3。0～10 d為鉀元素快速釋放時期，鉀釋放速率由最初的40.61～53.14 mg/d迅速下降到7.89～16.33 mg/d，且各處理差異顯著（P＜0.05），10～75 d釋放速率緩慢下降，在第10和17 d時T1釋放速率顯著高于T2、T3處理，至75 d時鉀養(yǎng)分釋放速率為0.45～3.13 mg/d。

圖3 毛葉苕子磷養(yǎng)分釋放動態(tài)變化

圖4 毛葉苕子鉀養(yǎng)分釋放動態(tài)變化

2.5 毛葉苕子氮、磷、鉀釋放率和釋放速率的回歸分析

毛葉苕子翻壓后其養(yǎng)分釋放率（y）、釋放速率（v）與翻壓時間（x）的關(guān)系可用回歸方程擬合（表2）。其養(yǎng)分釋放率與翻壓時間的關(guān)系符合冪函數(shù)y=axb［8，16-17］，方程中參數(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，b為釋放率增長參數(shù)。養(yǎng)分釋放速率與翻壓時間的關(guān)系參考Olson［18］的指數(shù)衰減模型v=v0e-kx進(jìn)行擬合，方程中的v0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)［19］。通過回歸分析可以看出，不同翻壓量下各養(yǎng)分最易達(dá)到的釋放率均隨翻壓量的增大而降低，但降幅較小，釋放率增長參數(shù)b未表現(xiàn)出明顯變化，從而得出加大翻壓量并不能改變各種養(yǎng)分的整體釋放規(guī)律。從釋放速率方程可以看出，隨著翻壓量的增加，各養(yǎng)分的最大釋放速率變化有所差異，氮養(yǎng)分最大釋放速率呈先增加后減小的趨勢，磷的最大釋放速率呈逐漸提升的趨勢，鉀的最大釋放速率呈逐漸減少的趨勢。通過回歸分析預(yù)測到不同翻壓量的毛葉苕子還田后，其氮、磷和鉀完全釋放的時間分別是132～181、184～351和80～118 d。

表2 毛葉苕子氮、磷、鉀釋放率和釋放速率的回歸分析

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn)，隨著時間推移不同翻壓量毛葉苕子腐解率均呈前期（0～27 d）迅速增加、后期緩慢的變化趨勢，最終腐解率達(dá)到61.98%～65.32%，這與已有研究結(jié)論相似［5，8-10］。主要是由于翻壓初期毛葉苕子植株水分含量高，水溶性有機物多糖、氨基酸、有機酸等有機物質(zhì)被微生物利用，這些易分解的有機物質(zhì)為土壤微生物提供大量的碳源和養(yǎng)分，加速了腐解進(jìn)程［20］；同時腐解前期植株秸稈中微生物偏嗜性高的可溶性糖類、蛋白質(zhì)和（半）纖維素等物質(zhì)會快速分解。隨翻壓時間的延長，植株秸稈中易分解有機物質(zhì)逐漸減少，而微生物較難利用的木質(zhì)素、單寧和蠟質(zhì)等比例升高，腐解隨之緩慢［21］。另一方面，溫度和水分也是影響土壤微生物活性和物質(zhì)腐解的重要因素，在一定范圍內(nèi)溫度升高、土壤含水量增加會加速物質(zhì)腐解［22］。本試驗在9～12月進(jìn)行，9月氣溫較高，翻壓的毛葉苕子在較適宜的溫濕度條件下加快了腐解，但之后氣溫降低降水少等環(huán)境因素的變化使土壤通氣狀況受到影響，影響有機物料的分解速率［23］，限制了植株殘體的腐解速率。

不同養(yǎng)分的釋放率與其在植物體內(nèi)的存在形態(tài)和分布位置有關(guān)，本研究中毛葉苕子大量營養(yǎng)元素釋放率順序為鉀＞磷＞氮，氮、磷、鉀累積釋放率依次為69.10% ～75.23%、72.25% ～ 78.24%、81.62%～90.02%，這與劉佳等［8］的研究結(jié)果相似，劉佳等［8］利用新鮮樣品在紅壤旱地進(jìn)行了腐解試驗，結(jié)果顯示土壤類型不同導(dǎo)致腐解強度略強于黃土高原旱地，此外供試土壤類型不同可能也對試驗結(jié)果產(chǎn)生了一定影響。從腐解過程中養(yǎng)分釋放速率的動態(tài)變化和回歸分析中可以看出，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。隨著翻壓量的增加，氮養(yǎng)分最大釋放速率呈先增加后減小的趨勢，磷的最大釋放速率逐漸提升，鉀的最大釋放速率逐漸減少。增加翻壓量對毛葉苕子磷完全釋放的延緩效應(yīng)最大（延緩145～167 d）、氮次之（延緩31～49 d）、鉀最小（延緩26～38 d），在黃土高原旱地翻壓毛葉苕子時增加翻壓量對鉀素釋放率的影響最小。氮、磷、鉀養(yǎng)分釋放過程差異明顯，可能與其存在的形態(tài)有關(guān)，鉀在植株體內(nèi)以離子形式存在，易溶于水而容易被釋放出來；氮在植物體內(nèi)主要存在于蛋白質(zhì)和氨基酸中，僅有少量以硝態(tài)氮和銨態(tài)氮等形式存在，易釋放；磷以難分解的有機態(tài)為主，其與大分子有機態(tài)氮釋放需要微生物分解，且釋放過程較慢［5，24-25］。毛葉苕子適應(yīng)能力強，在我國南北方產(chǎn)量均很高，因此在實際生產(chǎn)中應(yīng)充分結(jié)合作物需肥特性，確定毛葉苕子合理的翻壓量，使綠肥資源得到合理利用。但是本研究僅局限于毛葉苕子的養(yǎng)分釋放這一環(huán)節(jié)，其養(yǎng)分釋放對果園土壤及蘋果品質(zhì)等的影響還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

毛葉苕子腐解呈前期迅速增加、后期緩慢的變化趨勢，氮、磷、鉀養(yǎng)分均在翻壓后的前10 d大量釋放。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，在陜北旱地增加翻壓量對毛葉苕子鉀素釋放率影響最小，對磷釋放的延緩效應(yīng)最大。