紅壤旱地毛葉苕子不同翻壓量下腐解及養分釋放特征

劉佳，張杰，秦文婧，楊成春，謝杰，項興佳，曹衛東，徐昌旭*

(1.江西省農業科學院土壤肥料與資源環境研究所，江西 南昌 330200；2.中國科學院南京土壤研究所，江蘇 南京 210008；3.南昌工程學院，江西 南昌 330099；4.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081)

?

紅壤旱地毛葉苕子不同翻壓量下腐解及養分釋放特征

劉佳1,2，張杰3，秦文婧1，楊成春1，謝杰1，項興佳2，曹衛東4，徐昌旭1*

(1.江西省農業科學院土壤肥料與資源環境研究所，江西 南昌 330200；2.中國科學院南京土壤研究所，江蘇 南京 210008；3.南昌工程學院，江西 南昌 330099；4.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081)

為了探討不同翻壓量的毛葉苕子在紅壤旱地的腐解及養分釋放特征，采用尼龍網袋埋田法在江西東鄉紅壤甘薯地進行了180 d的田間腐解試驗，研究了低(15000 kg/hm2)、中(22500 kg/hm2)、高(30000 kg/hm2)3個翻壓量下毛葉苕子的干物質腐解規律和養分釋放率。結果表明，總體上毛葉苕子腐解存在前期迅速、后期緩慢的現象，翻壓180 d后毛葉苕子干物質的最終腐解率達到70.19%～84.18%。碳、氮、磷、鉀、鎂、硫、銅、鋅均在翻壓后的前20 d大量釋放，鈣、錳的釋放較慢，鐵在翻壓前期出現“富集”現象。增加翻壓量不會改變毛葉苕子整體的腐解及養分釋放規律，但會對養分的釋放率和釋放速率產生影響。不同翻壓量下毛葉苕子碳、氮、磷、鉀的釋放率和釋放速率分別可用冪函數y=axb和指數衰減模型v=v0e-kx進行擬合，回歸分析表明增加翻壓量對毛葉苕子碳、氮完全釋放的延緩效應最大(延緩354～406 d和791～1358 d)、磷次之(延緩87～122 d)、鉀最小(延緩16～27 d)。增加翻壓量可以顯著提高毛葉苕子碳、氮、磷、鉀的釋放速率，但僅局限于翻壓后的前10或20 d。增加翻壓量后毛葉苕子大部分的養分仍在翻壓后的前20 d釋放，后期的釋放量并未得到大幅提高，為后茬作物“持續”供應養分的能力有限。因此，實際生產中應充分結合后茬作物的需肥特性，制定毛葉苕子合理的翻壓量。本研究可為中國南方紅壤旱地綠肥作物的科學利用提供理論依據。

毛葉苕子；紅壤旱地；翻壓量；腐解特征；養分釋放

紅壤是我國南方典型的土壤類型，主要分布在長江以南的16省(區、市)，總面積約148萬km2，占全國耕地總面積的36%，其中旱地農田約占該地區耕地總面積的40%[1-2]。紅壤的形成是脫硅富鋁化和生物富集共同作用的結果，酸性強、粘粒多、有機質匱乏是紅壤的主要特征；長期不合理的開發利用，也導致紅壤旱地肥力下降明顯、酸化嚴重[3]。然而南方紅壤區卻擁有豐富的光、熱、水等自然資源，如何培肥改良紅壤、充分發揮其生產潛力，是該區域農業可持續發展面臨的一項艱巨任務。為此，前人在施用有機肥[4]、秸稈還田[5]、施用土壤改良劑[6]等方面做了大量報道，但關于綠肥作物在紅壤旱地上應用的研究卻相對較少。

種植利用綠肥作物在培肥土壤、改善土壤理化性質、保持水土、提高后茬作物產量與品質、凈化環境等方面有著良好的功效[7-10]。毛葉苕子(Viciavillosa)常在我國北方地區用作牧草或綠肥[11-12]，具有較強的抗寒抗旱耐貧瘠能力。當前我國南方地區存在一定面積的冬閑旱地，具有種植利用毛葉苕子的可能性。盡管前人[13-14]已在盆栽條件下初步研究了毛葉苕子等豆科綠肥在黃棕壤上的腐解規律及養分釋放特征，但是關于其在紅壤旱地應用的上述核心問題仍不清楚；而且南方氣候條件較優，毛葉苕子產量很高，適量施肥可以達到3.8萬kg/hm2以上[15]，將如此大量的毛葉苕子原地還田是否科學，其釋放的養分能否得到合理利用、高翻壓量能否為后茬作物“持續”供應養分等也需明確。此外，毛葉苕子富含中、微量營養元素，其在土壤中的釋放特征必然與大量營養元素存在較大差異，而前人未對此進行深入探討。綜上，本研究綜合考慮了毛葉苕子在南方種植的一般產量范圍及農業生產中綠肥的常見用量，設置不同翻壓量處理，在田間環境采用尼龍網袋法[16]研究毛葉苕子在甘薯整個生育期內的腐解規律，全面考察大、中、微量營養元素的釋放特征，為其在紅壤旱地的合理利用和后茬作物的科學施肥提供理論依據。

1　材料與方法

1.1試驗區概況

試驗在江西省農業科學院贛東北紅壤綜合試驗區進行，該試驗區位于江西省撫州市東鄉縣境內(116°35′11″ E、28°10′59″ N)，屬亞熱帶濕潤氣候區，年均氣溫18.0 ℃，年均降水量2180.6 mm。試驗區土壤類型為第四紀紅粘土母質發育而來的典型紅壤，其表層土壤(0～20 cm)的基礎養分性質為：pH 4.54，有機質12.58 g/kg，全氮0.87 g/kg，堿解氮76.64 mg/kg，速效磷20.42 mg/kg，速效鉀77.10 mg/kg。試驗區內農業生產主要依賴生育期內的天然降水和前期土壤蓄水，其典型的種植制度為一年一熟或一年兩熟，主要種植作物為甘薯(Dioscoreaesculenta)、花生(Arachishypogaea)、芝麻(Sesamumindicum)等，本試驗地的前茬作物為甘薯。

1.2試驗設計

試驗設3個不同翻壓量處理：1)鮮草90 g/袋(T1，低翻壓量，相當于15000 kg/hm2)，2)鮮草135 g/袋(T2，中翻壓量，相當于22500 kg/hm2)，3)鮮草180 g/袋(T3，高翻壓量，相當于30000 kg/hm2)。于2013年5月8日，將盛花期的毛葉苕子(品種：土庫曼毛苕)地上部樣品剪成長2～3 cm的小段并混勻，按試驗設計用量分別裝于規格為30 cm×20 cm的300目(孔徑0.048 mm)尼龍網袋中，裝袋時毛葉苕子鮮體的含水量為87.1%，養分狀況見表1。

表1　毛葉苕子地上部初始養分含量(干基)

試驗采用隨機區組排列，4次重復，微區面積為3.24 m2(1.35 m×2.40 m)，每個微區內種植甘薯36株(4行×9株)，行距45 cm，株距30 cm，種植密度約為74000株/hm2，甘薯品種為泉薯9號。在每微區中間兩行甘薯之間進行埋袋，埋袋深度為20 cm，兩個尼龍網袋之間間隔30 cm，每微區埋袋8個,分作8次取樣用，具體情況如圖1所示。為避免施肥對毛葉苕子腐解殘體養分含量測定的干擾，甘薯整個生育期內不再施用任何肥料。

圖1　毛葉苕子田間埋袋示意圖Fig.1　Schematic diagram of buried bag of V. villosa

1.3樣品采集與分析

在試驗布置前(2013年4月)按“S”形取樣法取試驗地土壤樣品12份，完全混勻、風干、過篩供測定土壤基礎養分性質。土壤pH用電位法測定(土∶水=1.0∶2.5)，有機質用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定，全氮用凱氏定氮法測定，堿解氮用堿解擴散法測定，速效磷用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定，速效鉀用乙酸銨浸提-火焰光度法測定[17]。

在埋袋后的10，20，30，60，90，120，150和180 d進行埋袋樣品的取樣(共8次)，最后一次取樣時間為2013年11月4日，此時甘薯完全成熟。毛葉苕子腐解試驗期內的氣溫、降雨情況見圖2。取樣后去除表面泥土及雜物，將網袋中剩余的植株殘體取出，于80 ℃烘干稱重，粉碎后測定植株殘體的養分含量。植株樣品的全碳用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定。植株樣品經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。植株的中、微量元素用HNO3-HClO4濕灰化-原子吸收分光光度法測定，分別在422.7，285.2，440.0，324.7，213.8，248.3和279.5 nm 波長處比色測定鈣、鎂、硫、銅、鋅、鐵、錳的含量[17]。

圖2　毛葉苕子腐解試驗期內的降雨、氣溫狀況Fig.2　Rainfall and temperature conditions during decomposition experiment of V. villosa

1.4數據處理

用Excel 2003進行試驗數據處理，SPSS 16.0進行處理間差異顯著性分析(Duncan新復極差法，P<0.05)和Pearson相關性分析，Origin 8.5作圖。相關計算公式如下：

干物質累積腐解量(g)=0 d干物質總量-nd的干物質總量，n為腐解天數；

干物質累積腐解率(%)=累積腐解量/0 d的干物質總量×100；

干物質平均腐解速率(g/d)=單位時間累積腐解量/單位時間；

養分累積釋放量(mg)=0 d養分總量-nd的養分總量，n為腐解天數；

養分累積釋放率(%)=養分累積釋放量/0 d的養分總量×100；

養分平均釋放速率(mg/d)=單位時間養分釋放量/單位時間

2　結果與分析

2.1毛葉苕子干物質的腐解特征

毛葉苕子翻壓后干物質累積腐解率的動態變化如圖3a所示。可以看出，隨著時間推移不同處理毛葉苕子的干物質累積腐解率均呈逐漸增加趨勢，但翻壓前期(0～20 d)增加較快，T1、T2、T3處理在翻壓20 d時累積腐解率分別達到66.72%、62.46%和60.59%，其中T1處理與T2、T3處理達到顯著差異(P<0.05)；20 d后累積腐解率增加變緩，至試驗結束時各處理干物質的最終腐解率依次為84.18%、74.22%和70.19%。不同處理間比較，翻壓后自始至終干物質累積腐解率均為T1>T2>T3，說明隨著翻壓量的增加毛葉苕子的腐解變緩。圖3b是毛葉苕子翻壓后各階段干物質平均腐解速率的動態變化，其變化大體可分為2個階段，0～20 d為快速下降階段，腐解速率由最初的632.2～1090.0 mg/d迅速下降到4.5～12.5 mg/d；20 d后腐解速率相對穩定，此階段的平均腐解速率為12.3～12.9 mg/d。

圖3　毛葉苕子干物質累積腐解率和腐解速率的動態變化Fig.3　Dynamic changes of dry matter decomposition rate and speed of V. villosa

2.2毛葉苕子碳、氮、磷、鉀釋放特征

從圖4可以看出，翻壓后毛葉苕子碳、氮、磷、鉀的累積釋放率與干物質的腐解規律相似，各元素大體可分為2個階段，翻壓后的0～20 d為快速釋放階段，此階段碳、氮、磷、鉀依次釋放了總量的62.1%～68.1%、71.5%～76.0%、70.4%～81.8%和97.3%～97.7%，而20～180 d各元素的累積釋放率增加緩慢，此階段碳、氮、磷、鉀僅釋放了總量的15.2%～20.0%、6.3%～12.7%、12.7%～19.5%和0.0%～0.2%。試驗結束時，毛葉苕子碳、氮、磷、鉀的總釋放率分別達到77.3%～88.0%、77.8%～88.6%、89.9%～94.5%和96.2%～97.9%，其大小順序為鉀>磷>氮>碳。

圖4　毛葉苕子碳、氮、磷、鉀累積釋放率的動態變化Fig.4　Dynamic changes of C, N, P and K release rate of V. villosa

圖5　毛葉苕子碳、氮、磷、鉀釋放速率的動態變化Fig.5　Dynamic changes of C, N, P and K release speed of V. villosa

圖5反映的是毛葉苕子翻壓后碳、氮、磷、鉀釋放速率的動態變化。可以看出，各養分的釋放速率均為翻壓前期較高，而后急劇降低。在翻壓后的前10 d，毛葉苕子碳、氮、磷、鉀的平均釋放速率分別達到217.1～387.3 mg/d、19.5～33.6 mg/d、1.7～3.6 mg/d和32.8～57.8 mg/d；而20 d后各養分平均釋放速率已下降到11.0～25.2 mg/d、1.4～1.7 mg/d、0.1～0.2 mg/d和0.0～0.2 mg/d，其平均降幅分別達到94.2%、93.9%、93.4%和99.7%。不同養分之間比較，翻壓前期養分的平均釋放速率為碳>鉀>氮>磷，這與養分在植株體內的含量和存在形態有關。

圖6　毛葉苕子腐解過程中碳氮比、碳磷比和碳鉀比的動態變化Fig.6　Dynamic ratios of C to N, P and K of V. villosa

2.3養分比例的動態變化特征

腐解過程中植株殘體養分比例的動態變化，既能反映綠肥作物翻壓后養分的整體釋放規律，也能揭示腐解初期養分的釋放方向，即是否會發生微生物與后茬作物競爭吸收養分的現象。毛葉苕子翻壓后，整個腐解過程中植株殘體碳氮比、碳磷比和碳鉀比的變化規律相似(圖6)，并不因翻壓量的不同而發生明顯變化，因此增加翻壓量不會改變其養分的整體釋放規律。碳氮比是影響有機物在土壤中分解的最關鍵因素之一，當碳氮比小于25∶1時，微生物不再利用土壤中的有效氮，有機物能夠較完全地被分解并釋放出礦質態氮[18]。可以看出毛葉苕子翻壓后碳氮比在前20 d有較明顯的上升趨勢，由最初的11.7上升到15.7，說明其植株氮能夠很好地釋放，不會出現微生物爭氮現象，20 d后碳氮比呈整體下降并伴有“波動”趨勢，其變化幅度始終在9.1～13.9之間，利于微生物的分解。毛葉苕子的碳磷比在整個腐解期內呈上升趨勢，由初始的139.6最終上升到318.6。毛葉苕子的碳鉀比在翻壓后的前20 d急劇上升，由初始的10.0上升到140.8，這是因為植株鉀素在翻壓初期極易被釋放，其鉀含量的相對降幅要遠大于碳含量的相對降幅，20～60 d碳鉀比又迅速降低，此后變化幅度較小。

2.4毛葉苕子碳、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分釋放率(y)、釋放速率(v)與翻壓時間(x)的關系可用回歸方程擬合(表2)。其養分釋放率與翻壓時間的關系符合冪函數y=axb[19-21]，方程中參數a可用來表征翻壓后某種養分能夠較快達到的釋放率，即該養分最易釋放的組分，b為釋放率增長參數，其值越大表明累積釋放率增加越快。養分釋放速率與翻壓時間的關系參考Olson[22]的指數衰減模型v=v0e-kx進行擬合，方程中的v0表征某種養分的最大釋放速率，e為自然常數，k為速率衰減參數，k值越大則速率衰減越快[23]。通過回歸分析可以看出，不同翻壓量下各養分最易達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b也未有明顯變化，因此加大翻壓量并不改變各種養分的整體釋放規律；但從釋放速率方程可以看出，隨著翻壓量的加大，各養分(除鉀外)的最大釋放速率均有顯著提升。通過回歸分析還可以預測，不同翻壓量的毛葉苕子還田后，其碳、氮、磷、鉀完全釋放的時間分別是325～731 d、466～1824 d、227～349 d和187～214 d。

2.5毛葉苕子中、微量營養元素的釋放特征

絕大多數的紅壤旱地都缺少一種或多種中、微量元素，這是造成紅壤旱地生產潛力難以充分發揮的限制性因素[24]。將毛葉苕子翻壓后，可為土壤補充適量的中、微量營養元素，但不同元素的釋放規律存在明顯差異。從表3可以看出，毛葉苕子鎂、硫、銅、鋅的釋放規律相似，均在翻壓前期快速釋放，不同翻壓量處理在20 d時的累積釋放率均>73.4%，占到總釋放率(180 d時值)的86.2%以上，20 d后的釋放量很低。鈣的釋放速率較緩，在翻壓后的前20 d時只釋放了總量的43.5%～63.8%，但最終釋放率也能達到86.0%～92.6%。錳的釋放速率更慢，前20 d時只釋放了20.6%～35.9%，僅占總釋放率(180 d時值)的32.9%～47.0%。鐵在翻壓前期出現“富集”現象，翻壓180 d時鐵的釋放率與翻壓量有關，低翻壓量時表現為凈釋放，中翻壓量時基本持平，而高翻壓量時仍為凈吸收。

表2　毛葉苕子碳、氮、磷、鉀釋放率和釋放速率的回歸分析

表3　毛葉苕子中、微量元素釋放率的變化

注：平均值±標準差(n=4)；不同字母表示5%水平上差異顯著；“-”表示凈吸收。

Note: Mean±standard deviation (n=4); different letters represent significant difference at 5% level; “-” represents nutrients absorption.

2.6甘薯生育期內毛葉苕子的養分釋放量

我國南方紅壤區水熱條件良好，種植毛葉苕子生產潛力巨大，在盛花期時將毛葉苕子翻壓用作綠肥，可與紅壤旱地作物甘薯、花生、芝麻等作物的生育期合理銜接，從而起到填閑、養地、供肥等多種目的。如按15000～30000 kg/hm2的翻壓量計算，試驗條件下整個甘薯生育期內毛葉苕子氮、磷、鉀的釋放量分別可以達到49.1～87.5 kg/hm2、4.4～8.4 kg/hm2和66.8～133.3 kg/hm2(表4)，其中絕大部分養分在翻壓后的前20 d釋放。毛葉苕子腐解過程中還釋放出大量的碳，有利于改善紅壤旱地的物理化學性狀。毛葉苕子還田還可為土壤提供一定量的中、微量元素，以鈣的釋放量最大，這對于緩解紅壤旱地的酸性具有重要意義。鈣、鎂、硫、銅、鋅大多是在甘薯的生育期內釋放，鐵和錳的殘留量較高。

表4　甘薯生育期內毛葉苕子養分釋放量

注：TA、RA、RB、RC分別表示養分總翻壓量、0～20 d釋放量、20～180 d釋放量和180 d后的殘留量。

Note: TA, RA, RB and RC represent total input nutrients amount, release nutrients amount before 20 d, release nutrients amount between 20-180 d and residual nutrients amount after 180 d, respectively.

3　討論

3.1毛葉苕子腐解和養分釋放的一般規律

本研究發現，不同翻壓量毛葉苕子的最終腐解率達到70.19%～84.18%，存在前期(0～20 d)迅速、后期緩慢的現象，這與前人[25-27]研究結果相似。植物有機化合物腐解由易到難的順序為單糖、淀粉、簡單蛋白質>粗蛋白>半纖維素>纖維素>脂肪>木質素[28-29]。翻壓初期，毛葉苕子鮮體水分含量高、易分解有機物質豐富，可為土壤微生物提供大量的碳源和養分，因此腐解較快。隨著時間的延長，植株殘體中易分解有機物逐漸減少，而較難分解的粗纖維、木質素的比例升高，所以后期腐解緩慢。另一方面，氣候條件也是影響土壤微生物活性和物質腐解的重要因素[30]，尤其以氣溫和降水最為關鍵。研究表明[31-32]，在一定范圍內溫度(10～30 ℃)升高、土壤含水量(30%～105%最大田間持水量)加大，物質腐解加速。本試驗中，除11月的氣溫較低，其他各時期的氣溫均>20 ℃，有利于毛葉苕子的腐解；但降水量卻僅在腐解前期(5和6月)較高，而后大幅下降，因而可能通過影響土壤含水量限制了植株殘體的腐解速率。不同養分的釋放率與其在植物體內的存在形態和分布位置有關，本研究中毛葉苕子大量營養元素釋放率的大小順序為鉀>磷>氮>碳，這與潘福霞等[13]的研究結果相似，但由于潘福霞等[13]是利用風干樣品在盆栽條件下進行的腐解試驗，腐解強度要弱于自然環境，因此其研究中毛葉苕子的養分釋放率明顯低于本試驗的結果(相同腐解期對比)，此外毛葉苕子的品種不同以及供試土壤類型不同可能也對試驗結果產生了一定影響。各營養元素中鉀的釋放率最高，是因為鉀在植物體中以離子態存在于細胞或組織中，在翻壓初期絕大部分的鉀很容易被水浸提釋放[33]。這應當也是增加翻壓量后，鉀的最大釋放速率v0沒有顯著提升的原因(表2)，可以推測綠肥或作物秸稈還田后，其植株體內的鉀都將以所能達到的最大速率釋放，其限制因素是環境條件(如干旱)，而受翻壓量的影響較小。氮和磷在植物體內主要以有機態存在，其釋放需要通過微生物的分解作用來實現。鎂、硫、銅、鋅在植物營養生長期，主要分布在葉片、頂芽等幼嫩部位，相對于莖稈這些部位的碳氮比更低、營養元素更充足、水分含量更高，翻壓后極易被微生物分解利用，因此鎂、硫、銅、鋅也在翻壓前期大量釋放。鈣在植物的老化組織中含量較多，大多以果膠質的形態參與細胞壁的組成，因此翻壓后釋放較慢。錳可能大多以螯合態存在于植物體內，所以釋放率更慢。鐵在翻壓前期出現“富集”，之前的研究中也有類似現象，如趙娜[26]在西北土壤翻壓長武懷豆，發現較明顯鈣的“富集”。可能是因為紅壤旱地鐵含量很高，由于養分的“稀釋效應”，鐵從高濃度的土壤向低濃度的植物殘體表面運移，同理在鈣含量很高的西北土壤翻壓綠肥，則易出現鈣“富集”現象。

3.2翻壓量對毛葉苕子腐解和養分釋放的影響

從腐解過程中養分比例的動態變化(圖6)和回歸分析中參數的變化(表2)可以看出，增加翻壓量不會改變毛葉苕子整體的腐解及養分釋放規律，但會對養分的釋放率和釋放速率產生影響。試驗結束時碳、氮、磷的釋放率與翻壓量的相關系數依次為-0.926(P<0.01)、-0.920(P<0.01)和-0.826(P<0.05)，而鉀則未達到顯著水平。此相關系數實際上也反映了不同元素的釋放率受翻壓量的影響程度，相關系數的絕對值越大，表明翻壓量對其釋放率的影響越大，亦即隨著翻壓量加大，釋放率下降的幅度越大。從回歸分析(表2)也可看出，隨著翻壓量的加大，鉀素完全釋放所需要的時間只增加了16～27 d，增幅最小，磷素次之，增加了87～122 d，碳和氮的增幅最大，分別達到354～406 d和791～1358 d。因此毛葉苕子在紅壤旱地翻壓，增加翻壓量對鉀素釋放率的影響最小，對磷素的影響次之，對碳和氮釋放的延緩效應最大。從養分釋放速率角度來看，翻壓后的前10 d，碳、氮、磷、鉀的釋放速率均與翻壓量成正相關關系，相關系數分別為0.932(P<0.01)、0.944(P<0.01)、0.957(P<0.01)和0.990(P<0.01)，表明隨著翻壓量的加大，各元素的釋放速率也相應增大，10～20 d時則只有氮和鉀的相關系數仍具顯著水平，分別為0.913(P<0.05)和0.820(P<0.05)，20 d后各元素的相關系數均未達到顯著水平(P>0.05)。因此增加翻壓量對毛葉苕子碳、氮、磷、鉀釋放速率的影響僅局限于翻壓前期(10或20 d)，20 d后各元素的釋放速率未因翻壓量的加大產生顯著變化。從表4也可得到驗證，增加翻壓量后毛葉苕子大部分的碳、氮、磷、鉀仍在0～20 d釋放，20～180 d的釋放量并未得到大幅提高。這對于指導生產實踐具有重要意義，即加大翻壓量并不能實現為后茬作物“持續”供應養分的目的，絕大多數養分仍在翻壓前期釋放。而實際生產中，翻壓前期正值主作物的苗期，需肥量有限，盲目增加翻壓量可能會導致大量養分未被充分利用而損失，既造成了資源浪費，也易引起環境污染[34]。如過量翻壓會形成局部厭氧環境，易通過反硝化作用造成氣態氮的損失；綠肥翻壓時期恰逢南方多雨季節，部分氮素會隨雨水淋失污染地下水，磷素會隨地表徑流流失污染水體環境。

3.3紅壤旱地甘薯種植中毛葉苕子的合理施用

甘薯是紅壤旱地主要的糧食作物之一，其生育期長而需肥量極大，常年種植會加速土壤貧瘠化，單純依靠化肥既增加了農業生產成本，又加劇了土壤酸化。以本試驗區為例，甘薯的推薦施肥量為施氮(N)120 kg/hm2、施磷(P2O5)90 kg/hm2、施鉀(K2O)180 kg/hm2，其氮、鉀肥施用比例大約為基肥∶分枝肥∶結薯肥=4∶4∶2，磷肥全部基施。如按中等翻壓量(22500 kg/hm2)計算，毛葉苕子在翻壓后的0～20 d內，可釋放氮(N)60.6 kg/hm2、磷(P2O5)12.1 kg/hm2、鉀(K2O)120.5 kg/hm2，分別相當于甘薯基肥施用量的126.3%、13.4%和167.4%，氮和鉀遠超推薦施用量，而且翻壓毛葉苕子還可補充一定量的中、微量元素，但對作物生長中、后期的養分供應能力有限。我國南方雨熱條件充足，綠肥產量一般很高，因此在實際生產中，應充分考慮后茬作物的需肥特性，制定綠肥作物合理的翻壓量和翻壓時間，實現一塊田地種植的綠肥為兩到三塊田地所利用，從而既能利用南方有限的冬閑土地為盡量多的田塊提供綠肥，又能使綠肥資源得到合理施用。但是本研究僅局限于毛葉苕子的養分由植株體釋放到土壤這一環節，對于后茬作物而言其養分的有效性和時效性是否與化學肥料相同，以及這部分養分在土壤中的轉化途徑、周轉速率等還有待進一步研究。

4　結論

1)總體上毛葉苕子腐解存在前期(0～20 d)迅速、后期緩慢的現象，翻壓180 d后毛葉苕子干物質的最終腐解率達到70.19%～84.18%。碳、氮、磷、鉀、鎂、硫、銅、鋅均在翻壓前期大量釋放，鈣、錳釋放較慢，鐵在翻壓前期出現“富集”現象。

2)增加翻壓量不會改變毛葉苕子整體的腐解及養分釋放規律，但會對養分的釋放率和釋放速率產生影響。在紅壤旱地翻壓，增加翻壓量對毛葉苕子鉀素釋放率的影響最小，對磷素的影響次之，對碳和氮釋放的延緩效應最大；增加翻壓量對碳、氮、磷、鉀釋放速率的影響僅局限于翻壓前期(10或20 d)，之后各元素的釋放速率未因翻壓量的加大產生顯著變化。

3)增加翻壓量后毛葉苕子大部分的碳、氮、磷、鉀仍在翻壓后的前20 d釋放，后期釋放量未得到大幅提高，加大翻壓量不能實現為后茬作物“持續”供應養分的目的。實際生產中，應充分結合后茬作物的需肥特性，制定毛葉苕子合理的翻壓量。

[1]Zhao Q G, Xu M J, Wu Z D. Agricultural sustainability of the red soil upland region in southeast China. Acta Pedologica Sinica, 2000, 37(4): 433-442.

[2]The Chinese Academy of Agricultural Sciences. Comprehensive Management and Agricultural Sustainable Development of Red-yellow Region[M]. Beijing: China Agriculture Press, 2001.

[3]Guo J H, Liu X J, Zhang Y,etal. Significant acidification in major Chinese croplands. Science, 2010, 327: 1008-1010.

[4]Tong X G, Xu M G, Wang X J,etal. Long-term fertilization effects on organic carbon fractions in a red soil of China. Catena, 2014, 113: 251-259.

[5]Xu J M, Tang C, Chen Z L. The role of plant residues in pH change of acid soils differing in initial pH. Soil Biology & Biochemistry, 2006, 38: 709-719.

[6]Li C L, Zhou J H, Yuan Y H,etal. Effects of soil amendments on distribution of water stable aggregates and organic carbon in upland red soil. Journal of Soil and Water Conservation, 2015, 29(3): 112-116.

[7]Poeplau C, Don A. Carbon sequestration in agricultural soils via cultivation of cover crops-A meta-analysis. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2015, 200: 33-41.

[8]Almagro M, Martínez-Mena M. Litter decomposition rates of green manure as affected by soil erosion, transport and deposition processes, and the implications for the soil carbon balance of a rainfed olive grove under a dry Mediterranean climate. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2014, 196: 167-177.

[9]Yang Z P, Zheng S X, Nie J,etal. Effects of long-term winter planted green manure on distribution and storage of organic carbon and nitrogen in water-stable aggregates of reddish paddy soil under a double-rice cropping system. Journal of Integrative Agriculture, 2014, 13(8): 1772-1781.

[10]Yang N, Wang Z H, Gao Y J,etal. Effects of planting soybean in summer fallow on wheat grain yield, total N and Zn in grain and available N and Zn in soil on the Loess Plateau of China. European Journal of Agronomy, 2014, 58: 63-72.

[11]Sun Y R, Shi Y, Chen G J,etal. Evaluation of the germination characteristics and drought resistance of green manure crops under PEG stress. Acta Prataculturae Sinica, 2015, 24(3): 89-98.

[12]Guo X X, Wu C X, Shen Y X. Allelopathic effects of hairy vetch on seed germination and seedling growth of three weeds. Acta Prataculturae Sinica, 2007, 16(2): 90-93.

[13]Pan F X, Lu J W, Liu W,etal. Study on characteristics of decomposing and nutrients releasing of three kinds of green manure crops. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2011, 17(1): 216-223.

[14]Pan F X, Lu J W, Liu W,etal. Effect of different green manure application on soil fertility. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2011, 17(6): 1359-1364.

[15]Han S, Gen M J, Song L,etal. Differences of growth and nutrient accumulation of five leguminous green manure crop intercropping in citrus orchard at Three Gorges Reservoir. Journal of Huazhong Agricultural University, 2014, 33(1): 62-66.

[16]Lin X X, Wu S L, Che Y P. The study of nylon mesh bag method to measure the decomposition rate of organic matter in arid and semiarid region. Soils, 1992, 24(6): 315-318.

[17]Lu R K. Agricultural Soil Analysis[M]. Beijing: China Agricultural Science and Technology Press, 2000.

[18]Huang C Y. Pedology[M]. Beijing: China Agriculture Press, 1999: 36-37.

[19]Chapman S J. Barley straw decomposition and S immobilization. Soil Biology & Biochemistry, 1997, 29(2): 109-114.

[20]Stanford G, Smith S J. Nitrogen mineralization potentials of soils. Soil Science Society of America Journal, 1972, 36(3): 465-472.

[21]Chen J, Zhao B Z, Zhang J B,etal. Research on process of Fluvo-Aquic soil organic carbon mineralization in initial stage of maize growth under long-term different fertilization. Soils, 2009, 41(5): 719-725.

[22]Olson J S. Energy storage and the balance of producers and decomposition in ecological systems. Ecology, 1963, 44: 332-341.[23]Liu Z W, Gao W J, Pan K W,etal. Influences of soil mixing of different forests on the biochemical characteristics and litter decomposition on upper reach of Minjiang River. Acta Ecologica Sinica, 2007, 27(10): 4149-4156.

[24]Zhao Q G, Huang G Q, Ma Y Q. The problems in red soil ecosystem in southern of China and its countermeasures. Acta Ecologica Sinica, 2013, 33(24): 7615-7622.

[25]Yang H X, Zhou M H, Li J L,etal. Decay and nutrient release inVulpiamyurosgrasses, a species suitable for soil conservation in temperate zone orchards. Acta Prataculturae Sinica, 2015, 24(4): 208-213.

[26]Zhao N, Zhao H B, Yu C W,etal. Nutrient release of leguminous green manures in rainfed lands. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2011, 17(5): 1179-1187.

[27]Wang F, Lin C, Li Q H,etal. A study on organic carbon and nutrient releasing characteristics of differentAstragalussinicusmanure use levels in a single cropping region of subtropical China. Acta Prataculturae Sinica, 2012, 21(4): 319-324.

[28]Jiang X D, Chi S Y, Wang Y,etal. Effect of less tillage and no-tillage patterns on decomposition of returned maize straw in wheat/maize system. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2009, 25(10): 247-251.

[29]Wang Y, Liu G S. Nutrient release from green manures and its effect on quality of tobacco leaves. Acta Pedologica Sinica, 2006, 43(2): 273-279.

[30]Wang X Y, Sun B, Mao J D,etal. Structural convergence of maize and wheat straw during two-year decomposition under different climate conditions. Environmental Science & Technology, 2012, 46: 7159-7165.

[31]Zhang L J, Chang J, Jiang L N,etal. Characteristics of organic carbon mineralization of maize straw in lime concretion black soil. Scientia Agricultura Sinica, 2011, 44(17): 3575-3583.

[32]Tang G Y, Tong C L, Su Y R,etal. Effects of soil moisture content on the mineralization of added14C-labbelled straw and native soil organic carbon in upland soil. Scientia Agricultura Sinica, 2006, 39(3): 538-543.

[33]Wu S M, House G J, Han C R. Variation of nutrient elements of winter cover crop residues in agroecosystems under no tillage and conventional tillage. Acta Pedologica Sinica, 1986, 23(3): 204-211.

[34]Wang J H, Cao K, Zhang X. Effects of incorporation of Chinese milk vetch coupled with application of chemical fertilizer on nutrient use efficiency and yield of single-cropping later rice. Acta Pedologica Sinica, 2014, 51(4): 888-896.

[1]趙其國, 徐夢潔, 吳志東. 東南紅壤丘陵地區農業可持續發展研究. 土壤學報, 2000, 37(4): 433-442.

[2]中國農業科學院. 紅黃壤地區綜合治理與農業持續發展研究[M]. 北京: 中國農業出版社, 2001.

[6]李叢蕾, 周際海, 袁穎紅, 等. 改良劑對旱地紅壤團聚體及有機碳分布的影響. 水土保持學報, 2015, 29(3): 112-116.

[11]孫艷茹, 石屹, 陳國軍, 等. PEG模擬干旱脅迫下8種綠肥作物萌發特性與抗旱性評價. 草業學報, 2015, 24(3): 89-98.

[12]郭曉霞, 鄔彩霞, 沈益新. 毛苕子對3種雜草種子萌發和幼苗生長的化感抑制. 草業學報, 2007, 16(2): 90-93.

[13]潘福霞, 魯劍巍, 劉威, 等. 三種不同綠肥的腐解和養分釋放特征研究. 植物營養與肥料學報, 2011, 17(1): 216-223.

[14]潘福霞, 魯劍巍, 劉威, 等. 不同種類綠肥翻壓對土壤肥力的影響. 植物營養與肥料學報, 2011, 17(6): 1359-1364.

[15]韓上, 耿明建, 宋莉, 等. 三峽庫區橘園不同豆科綠肥的生長及養分積累比較. 華中農業大學學報, 2014, 33(1): 62-66.

[16]林心雄, 吳順齡, 車玉萍. 干旱和半干潤地區測定有機物分解速率的尼龍袋法. 土壤, 1992, 24(6): 315-318.

[17]魯如坤. 土壤農業化學分析方法[M]. 北京: 中國農業科技出版社, 2000.

[18]黃昌勇. 土壤學[M]. 北京: 中國農業出版社, 1999.

[21]陳吉, 趙炳梓, 張佳寶, 等. 長期施肥潮土在玉米季施肥初期的有機碳礦化過程研究. 土壤, 2009, 41(5): 719-725.

[23]劉增文, 高文俊, 潘開文, 等. 岷江上游不同樹種林地客土混合對土壤生物化學性質和枯落葉分解的影響. 生態學報, 2007, 27(10): 4149-4156.

[24]趙其國, 黃國勤, 馬艷芹. 中國南方紅壤生態系統面臨的問題及對策. 生態學報, 2013, 33(24): 7615-7622.

[25]楊洪曉, 周美華, 李俊良, 等. 溫帶果園護土生草鼠茅草的腐解和養分釋放. 草業學報, 2015, 24(4): 208-213.

[26]趙娜, 趙護兵, 魚昌為, 等. 旱地豆科綠肥腐解及養分釋放動態研究. 植物營養與肥料學報, 2011, 17(5): 1179-1187.

[27]王飛, 林誠, 李清華, 等. 亞熱帶單季稻區紫云英不同翻壓量下有機碳和養分釋放特征. 草業學報, 2012, 21(4): 319-324.

[28]江曉東, 遲淑筠, 王蕓, 等. 少免耕對小麥/玉米農田玉米還田秸稈腐解的影響. 農業工程學報, 2009, 25(10): 247-251.

[29]王巖, 劉國順. 綠肥中養分釋放規律及對煙葉品質的影響. 土壤學報, 2006, 43(2): 273-279.

[31]張麗娟, 常江, 蔣麗娜, 等. 砂姜黑土玉米秸稈有機碳的礦化特征. 中國農業科學, 2011, 44(17): 3575-3583.

[32]唐國勇, 童成立, 蘇以榮, 等. 含水量對14C標記秸稈和土壤原有有機碳礦化的影響. 中國農業科學, 2006, 39(3): 538-543.[33]吳珊眉, House G J, 韓純儒. 免耕和常規耕作農田生態系統冬季覆蓋作物殘茬分解和養分變化. 土壤學報, 1986, 23(3): 204-211.

[34]王建紅, 曹凱, 張賢. 紫云英還田配施化肥對單季晚稻養分利用和產量的影響. 土壤學報, 2014, 51(4): 888-896.

Decomposition and nutrient release characteristics of different Vicia villosa green manure applications in red soil uplands of South China

LIU Jia1,2, ZHANG Jie3, QIN Wen-Jing1, YANG Cheng-Chun1, XIE Jie1, XIANG Xing-Jia2, CAO Wei-Dong4, XU Chang-Xu1*

1.Soil and Fertilizer & Resources and Environment Institute, Jiangxi Academy of Agricultural Sciences, Nanchang 330200, China; 2.Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 3.Nanchang Institute of Technology, Nanchang 330099, China; 4.Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China

Viciavillosais commonly used as a green manure or pasture in north China. In order to provide a scientific basis for its use as green manure in south China, a study has been undertaken in winter-fallowed red soil uplands used for sweet potato crops in Dongxiang County, Jiangxi Province. The decomposition and nutrient release characteristics of TurkmenV.villosawere tested with different application amounts. Nylon net bags (30 cm×20 cm) were used to assess three application treatments: low (90 g fresh grass per bag, equivalent to 15000 kg/ha), medium (135 g fresh grass per bag, equivalent to 22500 kg/ha) and high (180 g fresh grass per bag, equivalent to 30000 kg/ha). The rates of dry matter decomposition and nutrient release were monitored at 10, 20, 30, 60, 90, 120, 150 and 180 days after application. The results showed that all three treatments decomposed rapidly over the first 20 days and then the release speeds slowed. The dry matter decomposition rate reached 60.59%-66.72% after 20 days and 70.19%-84.18% by the end of the experiment. Carbon (C), nitrogen (N), phosphorus (P), potassium (K), magnesium (Mg), sulphur (S), copper (Cu) and zinc (Zn) released rapidly in the first 20 days, reaching 62.1%-68.1%, 71.5%-76.0%, 70.4%-81.8%, 97.3%-97.7%, 75.6%-82.1%, 73.4%-79.0%, 78.6%-81.6% and 84.1%-88.4% respectively. Calcium (Ca) and manganese (Mn) released relatively slowly at first (43.5%-63.8% and 20.6%-35.9% after 20 days), but their release rates reached 86.0%-92.6% and 54.2%-76.7% respectively by the end of the experiment. Iron (Fe) was a significant “enrichment” phenomenon in the early stages but its release rate was ultimately very low. The general rules of decomposition and nutrient release did not change significantly with increasing application amounts. The release rates and speeds of C, N, P and K in the different applications fitted well with both the power function formulay=axb(allP<0.001) and the exponential decay modelv=v0e-kx(allP<0.01). Regression analysis showed that the delay effects of nutrient release caused by increasing application amounts were C and N>P>K, with the full release of these nutrients needing 354-406 d, 791-1358 d, 87-122 d and 16-27 d respectively. The release speeds of C, N, P and K improved significantly over the first 10 and 20 d after application, following which the values remained at extremely low levels. This pattern did not change significantly with higher applications. Therefore, the ability to continuously supply nutrients for following crops by increasing the application amounts ofV.villosais very limited. Optimum application amounts need to be determined by fully considering the fertilizer requirements of the following crops.

Viciavillosa; south China red soil uplands; application amount; decomposition characteristics; nutrient release

10.11686/cyxb2016132

2016-03-29；改回日期：2016-05-10

公益性行業(農業)科研專項(201103005)，國家科技支撐計劃項目(2012BAD05B04)，江西省青年科學基金項目(20142BAB214005)和江西省農業科學院創新基金項目(2012CQN002)資助。

劉佳(1984-)，男，安徽六安人，助理研究員，在讀博士。E-mail: liujia422@126.com

Corresponding author. E-mail: changxux@sina.com

http://cyxb.lzu.edu.cn

劉佳，張杰，秦文婧，楊成春，謝杰，項興佳，曹衛東，徐昌旭. 紅壤旱地毛葉苕子不同翻壓量下腐解及養分釋放特征. 草業學報, 2016, 25(10): 66-76.

LIU Jia, ZHANG Jie, QIN Wen-Jing, YANG Cheng-Chun, XIE Jie, XIANG Xing-Jia, CAO Wei-Dong, XU Chang-Xu. Decomposition and nutrient release characteristics of differentViciavillosagreen manure applications in red soil uplands of South China. Acta Prataculturae Sinica, 2016, 25(10): 66-76.