稻田豆科冬季綠肥腐解及養(yǎng)分釋放特征研究

李忠義， 何鐵光， 蒙炎成， 韋彩會(huì)， 唐紅琴

(廣西農(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)

綠肥是我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的精華，作為一種生物肥源，有改土培肥、提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的作用。廣西有著悠久的綠肥種植史，在近代有過(guò)2次發(fā)展高峰，第1次發(fā)展高峰是1964—1974年，這期間全廣西地區(qū)冬種綠肥面積達(dá)48.4萬(wàn)hm2/年；第2次發(fā)展高峰期是1989—1996年，廣西地區(qū)種植綠肥總面積都在46.7萬(wàn)hm2/年以上。但隨著化肥應(yīng)用的推廣和耕地復(fù)種指數(shù)的提高，自20世紀(jì)80年代開(kāi)始綠肥種植面積迅速滑坡[1]。近年來(lái)，隨著土壤環(huán)境的惡化，人們對(duì)綠色農(nóng)產(chǎn)品的需求不斷增加[2]?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)呼喚傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的精華回歸，2015年農(nóng)業(yè)部提出了到2020年實(shí)現(xiàn)“一控兩減三基本”的目標(biāo)，也制定了《到2020年化肥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)方案》，而種植和利用綠肥作物，有利于化肥減量施用，對(duì)保障農(nóng)產(chǎn)品安全，保護(hù)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。

趙其國(guó)等指出，充分利用冬閑田，實(shí)行綠肥過(guò)腹還田是保證南方紅壤生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定健康發(fā)展的手段之一[3]。廣西屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，冬季光熱資源豐富，每年適宜種植綠肥的冬閑田在60萬(wàn)hm2以上[4]。紫云英和苕子有培肥地力的作用，是用地、養(yǎng)地、改良中低產(chǎn)田地、建設(shè)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)農(nóng)田的有效途徑，也有助于促進(jìn)休閑農(nóng)業(yè)和鄉(xiāng)村旅游業(yè)的發(fā)展，是廣西主推的稻田冬季綠肥作物。關(guān)于紫云英和苕子的腐解特征及碳、氮、磷、鉀養(yǎng)分釋放規(guī)律的研究，前人多采用異地還田或模擬培養(yǎng)試驗(yàn)等方法。潘福霞等研究了紫云英、苕子在旱地的腐解特征[5-8]；王飛等以盆栽培育方法研究了70%田間持水量下紫云英的有機(jī)碳和養(yǎng)分的釋放特征[9]；高桂娟等以盆栽試驗(yàn)，模擬淹水土壤環(huán)境中紫云英的腐解特征[10]。本研究充分考慮廣西地區(qū)稻—稻—冬季綠肥輪作系統(tǒng)的實(shí)際，在早稻種植前將紫云英、苕子翻壓還田，研究其在稻田環(huán)境中的腐解及養(yǎng)分釋放特征，以期為廣西稻田冬季綠肥的合理利用和后期農(nóng)田養(yǎng)分科學(xué)管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試綠肥作物為紫云英、苕子，種質(zhì)資源來(lái)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。在其盛花期取200 g地上部分樣品，切成2～3 cm的小段，裝入尼龍網(wǎng)袋(面積20 cm×30 cm，孔徑75 μm)待用。供試樣品的養(yǎng)分含量見(jiàn)表1。

表1 紫云英、苕子的碳、氮、磷、鉀等養(yǎng)分含量

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2016年3月21日至2016年6月29日在廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所試驗(yàn)基地進(jìn)行，將尼龍袋埋至水稻田中，埋深10 cm，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。供試土壤類型為第四紀(jì)紅色黏土發(fā)育而來(lái)的水稻土，土壤基本理化性質(zhì)：pH值為6.45，有機(jī)質(zhì)含量為30.1 g/kg，全氮含量為 1.6 g/kg，全磷含量為1.0 g/kg，全鉀含量為3.7 g/kg；微生物類群：細(xì)菌含量為6.125 3×106CFU/g、真菌含量為 6.850 0×104CFU/g、放線菌含量為2.121 1×106CFU/g。分別在還田0、20、40、60、80、100 d后取樣，腐解期平均氣溫見(jiàn)表2。樣品用自來(lái)水沖洗干凈，烘干稱質(zhì)量，磨碎，測(cè)定碳、氮、磷、鉀等物質(zhì)的含量。

1.3 測(cè)定方法

植物樣品中全碳含量用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定；植株樣品經(jīng)濃硫酸-雙氧水消煮后，用凱氏定氮法測(cè)定全氮含量，用比色法測(cè)定全磷含量，用火焰光度計(jì)法測(cè)定全鉀含量[11]。

表2 腐解期平均氣溫

1.4 試驗(yàn)計(jì)算

累計(jì)腐解率=(0 d后的干物質(zhì)總量-nd后的干物質(zhì)總量)/0 d后的干物質(zhì)總量×100%；養(yǎng)分累計(jì)釋放率=(0 d后的養(yǎng)分總量-nd后的養(yǎng)分總量)/0 d后的養(yǎng)分總量×100%。其中，n為翻壓天數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)在Excel中進(jìn)行處理并作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 綠肥還田后的腐解特征

由圖1可知，隨著時(shí)間的推移綠肥的累計(jì)腐解率均呈逐漸增加的趨勢(shì)。還田20 d內(nèi)腐解較快，還田20 d時(shí)，紫云英和苕子的累計(jì)腐解率分別為42.3%、44.6%，平均腐解速率分別為0.655、0.646 g/d；還田20～100 d腐解緩慢，紫云英和苕子的累計(jì)腐解率分別達(dá)74.5%、76.6%，平均腐解速率分別為0.124、0.116 g/d，腐解速率明顯小于前20 d。在稻田環(huán)境中，紫云英和苕子的平均腐解速率基本一致，苕子的累計(jì)腐解率略大于紫云英。

2.2 綠肥還田后碳釋放特征

由圖2可知，紫云英和苕子還田后的前20 d，碳累積釋放率較大，分別為46.2%、50.1%，之后釋放緩慢，到100 d時(shí)，兩者的碳累計(jì)釋放率分別達(dá)到70.1%、76.3%。在稻田環(huán)境中，整個(gè)腐解期苕子的碳累計(jì)釋放率均大于紫云英的碳累計(jì)釋放率。

2.3 綠肥還田后氮釋放特征

由圖3可知，紫云英和苕子還田后的前20 d，氮累積釋放速率較大，分別達(dá)到45.3%、48.8%，20 d后釋放緩慢，到 100 d 時(shí)，氮累計(jì)釋放率分別達(dá)到72.3%、75.5%。在稻田環(huán)境中，整個(gè)腐解期苕子的氮累計(jì)釋放率均大于紫云英的氮累計(jì)釋放率。

2.4 綠肥還田后磷釋放特征

由圖4可知，紫云英和苕子還田后的前20 d，磷釋放速率最大，分別達(dá)到54.6%、58.2%，之后釋放緩慢，到100 d時(shí)，兩者的磷累計(jì)釋放率分別達(dá)到81.2%、83.5%。在稻田環(huán)境中，整個(gè)腐解期苕子的磷累計(jì)釋放率均大于紫云英的磷累計(jì)釋放率。

2.5 綠肥還田后鉀釋放特征

由圖5可知，紫云英和苕子還田后的前20 d，鉀累計(jì)釋放速率較大，分別達(dá)到76.3%、78.2%，之后釋放緩慢，到100 d時(shí)，兩者的鉀累計(jì)釋放率分別達(dá)到89.3%、91.1%。在稻田環(huán)境中，整個(gè)腐解期苕子的鉀累計(jì)釋放率均大于紫云英的鉀累計(jì)釋放率。

2.6 綠肥還田后碳與各養(yǎng)分比例的變化特征

由圖6可知，紫云英和苕子還田后的碳氮比均表現(xiàn)為先降后升，變化不大，整個(gè)腐解期紫云英的碳氮比在17.35～19.32之間，苕子的碳氮比在10.35～11.53之間，且在整個(gè)腐解期內(nèi)碳氮比均表現(xiàn)為紫云英>苕子。

由圖7可知，紫云英和苕子還田后的碳磷比在0～40 d時(shí)快速上升，到40 d時(shí)兩者的碳磷比分別為17.36、13.83；40～60 d時(shí)呈下降趨勢(shì)， 之后逐漸升高。整個(gè)腐解期紫云英的碳磷比在 12.63～20.09之間，苕子的碳磷比在9.94～14.28之間，且在整個(gè)腐解時(shí)期內(nèi)碳磷比均表現(xiàn)為紫云英>苕子。

由圖8可知，紫云英和苕子還田后的碳鉀比在0～40 d時(shí)快速上升，在40 d時(shí)兩者的碳鉀比分別為39.28、38.46；40～60 d 時(shí)呈下降趨勢(shì)，之后逐漸升高。整個(gè)腐解期紫云英的碳鉀比在15.15～42.34之間，苕子的碳鉀比在13.54～38.46之間，且在整個(gè)腐解期內(nèi)碳鉀比均表現(xiàn)為紫云英>苕子。

2.7 綠肥還田理論養(yǎng)分釋放情況

根據(jù)廣西地方標(biāo)準(zhǔn)免耕稻田冬綠肥生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程[12]，以紫云英和苕子適宜還田翻壓量為22 500 kg/hm2來(lái)計(jì)算，由表3可知，至100 d時(shí)紫云英的氮、磷、鉀累計(jì)釋放量分別達(dá)57.77、9.19、84.25 kg/hm2；苕子的氮、磷、鉀累計(jì)釋放量分別達(dá)90.52、11.61、92.97 kg/hm2，且苕子氮、磷、鉀累計(jì)釋放量均大于紫云英，有利于后茬早稻化肥的減施。同時(shí)，紫云英和苕子腐解過(guò)程中釋放出的大量碳對(duì)改善土壤物理化學(xué)性質(zhì)具有重要意義。

表3 早稻生育期內(nèi)綠肥的理論養(yǎng)分釋放量

3 討論

不同綠肥作物翻壓還田后，受土壤環(huán)境、氣候條件等影響[13]，腐解速率不一，但其腐解過(guò)程一般包括快速腐解期和緩慢腐解期。本研究結(jié)果表明，紫云英和苕子在還田后前 20 d 腐解速度較快，其養(yǎng)分有暴發(fā)式地釋放，隨后干物質(zhì)和養(yǎng)分釋放比較緩慢。前人在研究豆科綠肥(大豆、綠豆、長(zhǎng)武懷豆、紫花苜蓿)[7，14-15]、十字花科綠肥(二月蘭)[16]、禾本科綠肥(黑麥草、高羊茅)[7]、菊科綠肥(菊苣、腫柄菊)[7，17]及樹(shù)木的枯枝落葉[18]等的腐解過(guò)程中均呈現(xiàn)類似的規(guī)律。綠肥作物前期腐解快，后期腐解慢，其原因可能是在腐解前期秸稈中可溶性有機(jī)物及無(wú)機(jī)養(yǎng)分較多，為微生物提供了大量的碳源和養(yǎng)分，微生物數(shù)量增加，活性增強(qiáng)；后期隨著腐解的進(jìn)行，秸稈中可溶性有機(jī)物逐漸減少，剩余部分主要為難分解的有機(jī)物質(zhì)，導(dǎo)致微生物活性降低，秸稈的腐解也隨之變慢[19-20]。本研究結(jié)果表明，在還田后的20 d內(nèi)，紫云英和苕子能供給早稻大部分的養(yǎng)分，為早稻的生長(zhǎng)發(fā)育創(chuàng)造一個(gè)良好的環(huán)境，減少化肥的施用量，為南方雙季稻區(qū)稻—稻—冬季綠肥輪作模式的推廣提供了有力的理論依據(jù)。

綠肥翻壓后其植株氮、磷、鉀養(yǎng)分的釋放會(huì)對(duì)后茬作物的生長(zhǎng)產(chǎn)生影響，明確綠肥作物翻壓后養(yǎng)分的釋放規(guī)律對(duì)科學(xué)合理地利用綠肥作物具有重要意義。從養(yǎng)分的礦化速率來(lái)看，紫云英和苕子的氮、磷、鉀養(yǎng)分釋放過(guò)程明顯不同。鉀的釋放速率最大，到100 d時(shí)，紫云英和苕子的鉀累計(jì)釋放率分別達(dá)到89.3%、91.1%，其次是磷，氮和碳累計(jì)釋放率相差不大，釋放速率小于鉀和磷。其主要原因可能是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)胞中或植物組織內(nèi)，很容易被水浸提釋放出來(lái)，釋放速度較快；磷、氮以難分解的有機(jī)態(tài)為主，物理作用下不容易分解，釋放較慢；而碳主要以有機(jī)態(tài)存在，不容易腐解[21]。潘福霞等研究箭筈豌豆、苕子、山黧豆、麥稈、油菜稈等還田后，秸稈的養(yǎng)分釋放速率均表現(xiàn)為鉀>磷>氮[5，22]；鄒雨坤等研究不同還田方式下木薯、香蕉、小麥莖稈的腐解特征，研究結(jié)果均表明，腐解過(guò)程中秸稈養(yǎng)分的釋放速率均表現(xiàn)為鉀>磷>氮≈碳[23-25]。本研究的結(jié)果表明，紫云英和苕子還田后鉀素釋放量較大且速度較快，因此，在種植后季作物時(shí)可根據(jù)其養(yǎng)分需求規(guī)律適當(dāng)減少基肥中鉀肥的施用量，合理配施磷肥、氮肥。

不同種類綠肥腐解和養(yǎng)分釋放速率不同。在相同的外界環(huán)境條件下，綠肥腐解速度由植株的組成成分、組織結(jié)構(gòu)、碳氮比等因素決定。當(dāng)碳氮比小于25 ∶1時(shí)，微生物不再利用土壤中的有效氮，有機(jī)物能夠較完全地被分解并釋放出礦質(zhì)態(tài)氮[26]。Pereira等研究菽麻、刀豆、木豆、豬屎豆、拉巴豆、黧豆等豆科綠肥還田腐解時(shí)指出，菽麻分解速度最慢，與其高碳氮比有關(guān)，而刀豆分解速度最快，與其低碳氮比有關(guān)[27]。本研究中整個(gè)腐解期紫云英的碳氮比在17.35～19.32之間，苕子的碳氮比在10.35～11.53之間，且碳氮比表現(xiàn)為紫云英>苕子，利于微生物的分解，且相同還田條件下苕子秸稈累計(jì)腐解率及碳、氮、磷、鉀等養(yǎng)分累計(jì)釋放率均大于紫云英，可能與苕子的低碳氮比有關(guān)。紫云英的碳磷比、碳鉀比均大于苕子，至于碳磷比、碳鉀比與綠肥腐解和養(yǎng)分釋放速率是否有關(guān)，及兩者在什么范圍內(nèi)更利于腐解有待深入探討。

研究表明，水稻生產(chǎn)中推薦氮、五氧化二磷、氧化鉀的施用量分別為120、42、78 kg/hm2[28]。根據(jù)理論分析結(jié)果，紫云英以 22 500 kg/hm2的翻壓還田量，可釋放氮 57.77 kg/hm2、磷9.19 kg/hm2、鉀84.25 kg/hm2，可為后茬早稻生長(zhǎng)提供48.14% N、21.88% P2O5、108.01% K2O；苕子以22 500 kg/hm2的翻壓還田量，可釋放氮90.52 kg/hm2、磷 11.61 kg/hm2、鉀92.97 kg/hm2，可為后茬早稻生長(zhǎng)提供 75.43% N、27.64% P2O5、119.19% K2O，理論翻壓還田后可大大減少后茬早稻化肥的減施。而大田研究結(jié)果表明，紫云英還田可減少無(wú)機(jī)氮肥的施用量，后茬作物水稻化肥施用量可減少20%～40%[29]；Xie等研究表明，江西雙季稻區(qū)紫云英替代20%、40%化肥的情況下，土壤肥力和早晚稻產(chǎn)量高于單施氮肥的處理[30]；李雙來(lái)等研究表明，湖北雙季稻區(qū)紫云英可替代20%的化肥[31]。因此，紫云英翻壓還田大田試驗(yàn)土壤肥力提高量遠(yuǎn)小于理論值，其主要原因可能是隨著腐解時(shí)間的推移，碳、氮在腐解過(guò)程中以氣態(tài)損失，磷、鉀在土壤中逐漸轉(zhuǎn)化為難溶態(tài)[9]。同時(shí)，紫云英和苕子在生長(zhǎng)中從土壤中吸收了養(yǎng)分，而還田后釋放的養(yǎng)分究竟有多少轉(zhuǎn)化為有效態(tài)供后茬作物吸收利用？這還須進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

紫云英和苕子莖稈前期腐解快，后期腐解慢，其養(yǎng)分的釋放速率均表現(xiàn)為鉀>磷>氮≈碳；苕子莖稈的累計(jì)腐解率及碳、氮、磷、鉀等養(yǎng)分的累計(jì)釋放率均大于紫云英，苕子翻壓還田后的理論化肥減施量大于紫云英。