稻田豆科冬季綠肥腐解及養分釋放特征研究

李忠義， 何鐵光， 蒙炎成， 韋彩會， 唐紅琴

(廣西農業科學院農業資源與環境研究所，廣西南寧 530007)

綠肥是我國傳統農業的精華，作為一種生物肥源，有改土培肥、提高農產品品質的作用。廣西有著悠久的綠肥種植史，在近代有過2次發展高峰，第1次發展高峰是1964—1974年，這期間全廣西地區冬種綠肥面積達48.4萬hm2/年；第2次發展高峰期是1989—1996年，廣西地區種植綠肥總面積都在46.7萬hm2/年以上。但隨著化肥應用的推廣和耕地復種指數的提高，自20世紀80年代開始綠肥種植面積迅速滑坡[1]。近年來，隨著土壤環境的惡化，人們對綠色農產品的需求不斷增加[2]。現代農業呼喚傳統農業的精華回歸，2015年農業部提出了到2020年實現“一控兩減三基本”的目標，也制定了《到2020年化肥使用量零增長行動方案》，而種植和利用綠肥作物，有利于化肥減量施用，對保障農產品安全，保護農田生態環境，促進農業可持續發展有著重要意義。

趙其國等指出，充分利用冬閑田，實行綠肥過腹還田是保證南方紅壤生態系統持續穩定健康發展的手段之一[3]。廣西屬亞熱帶季風氣候區，冬季光熱資源豐富，每年適宜種植綠肥的冬閑田在60萬hm2以上[4]。紫云英和苕子有培肥地力的作用，是用地、養地、改良中低產田地、建設高產穩產農田的有效途徑，也有助于促進休閑農業和鄉村旅游業的發展，是廣西主推的稻田冬季綠肥作物。關于紫云英和苕子的腐解特征及碳、氮、磷、鉀養分釋放規律的研究，前人多采用異地還田或模擬培養試驗等方法。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碳和養分的釋放特征[9]；高桂娟等以盆栽試驗，模擬淹水土壤環境中紫云英的腐解特征[10]。本研究充分考慮廣西地區稻—稻—冬季綠肥輪作系統的實際，在早稻種植前將紫云英、苕子翻壓還田，研究其在稻田環境中的腐解及養分釋放特征，以期為廣西稻田冬季綠肥的合理利用和后期農田養分科學管理提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試綠肥作物為紫云英、苕子，種質資源來源于廣西農業科學院農業資源與環境研究所。在其盛花期取200 g地上部分樣品，切成2～3 cm的小段，裝入尼龍網袋(面積20 cm×30 cm，孔徑75 μm)待用。供試樣品的養分含量見表1。

表1 紫云英、苕子的碳、氮、磷、鉀等養分含量

1.2 試驗設計

試驗于2016年3月21日至2016年6月29日在廣西農業科學院農業資源與環境研究所試驗基地進行，將尼龍袋埋至水稻田中，埋深10 cm，每個處理設3個重復。供試土壤類型為第四紀紅色黏土發育而來的水稻土，土壤基本理化性質：pH值為6.45，有機質含量為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，腐解期平均氣溫見表2。樣品用自來水沖洗干凈，烘干稱質量，磨碎，測定碳、氮、磷、鉀等物質的含量。

1.3 測定方法

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

表2 腐解期平均氣溫

1.4 試驗計算

累計腐解率=(0 d后的干物質總量-nd后的干物質總量)/0 d后的干物質總量×100%；養分累計釋放率=(0 d后的養分總量-nd后的養分總量)/0 d后的養分總量×100%。其中，n為翻壓天數。

1.5 數據處理

試驗數據在Excel中進行處理并作圖。

2 結果與分析

2.1 綠肥還田后的腐解特征

由圖1可知，隨著時間的推移綠肥的累計腐解率均呈逐漸增加的趨勢。還田20 d內腐解較快，還田20 d時，紫云英和苕子的累計腐解率分別為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腐解率分別達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。在稻田環境中，紫云英和苕子的平均腐解速率基本一致，苕子的累計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，兩者的碳累計釋放率分別達到70.1%、76.3%。在稻田環境中，整個腐解期苕子的碳累計釋放率均大于紫云英的碳累計釋放率。

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，分別達到45.3%、48.8%，20 d后釋放緩慢，到 100 d 時，氮累計釋放率分別達到72.3%、75.5%。在稻田環境中，整個腐解期苕子的氮累計釋放率均大于紫云英的氮累計釋放率。

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，分別達到54.6%、58.2%，之后釋放緩慢，到100 d時，兩者的磷累計釋放率分別達到81.2%、83.5%。在稻田環境中，整個腐解期苕子的磷累計釋放率均大于紫云英的磷累計釋放率。

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，鉀累計釋放速率較大，分別達到76.3%、78.2%，之后釋放緩慢，到100 d時，兩者的鉀累計釋放率分別達到89.3%、91.1%。在稻田環境中，整個腐解期苕子的鉀累計釋放率均大于紫云英的鉀累計釋放率。

2.6 綠肥還田后碳與各養分比例的變化特征

由圖6可知，紫云英和苕子還田后的碳氮比均表現為先降后升，變化不大，整個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，且在整個腐解期內碳氮比均表現為紫云英>苕子。

由圖7可知，紫云英和苕子還田后的碳磷比在0～40 d時快速上升，到40 d時兩者的碳磷比分別為17.36、13.83；40～60 d時呈下降趨勢， 之后逐漸升高。整個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，且在整個腐解時期內碳磷比均表現為紫云英>苕子。

由圖8可知，紫云英和苕子還田后的碳鉀比在0～40 d時快速上升，在40 d時兩者的碳鉀比分別為39.28、38.46；40～60 d 時呈下降趨勢，之后逐漸升高。整個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，且在整個腐解期內碳鉀比均表現為紫云英>苕子。

2.7 綠肥還田理論養分釋放情況

根據廣西地方標準免耕稻田冬綠肥生產技術規程[12]，以紫云英和苕子適宜還田翻壓量為22 500 kg/hm2來計算，由表3可知，至100 d時紫云英的氮、磷、鉀累計釋放量分別達57.77、9.19、84.25 kg/hm2；苕子的氮、磷、鉀累計釋放量分別達90.52、11.61、92.97 kg/hm2，且苕子氮、磷、鉀累計釋放量均大于紫云英，有利于后茬早稻化肥的減施。同時，紫云英和苕子腐解過程中釋放出的大量碳對改善土壤物理化學性質具有重要意義。

表3 早稻生育期內綠肥的理論養分釋放量

3 討論

不同綠肥作物翻壓還田后，受土壤環境、氣候條件等影響[13]，腐解速率不一，但其腐解過程一般包括快速腐解期和緩慢腐解期。本研究結果表明，紫云英和苕子在還田后前 20 d 腐解速度較快，其養分有暴發式地釋放，隨后干物質和養分釋放比較緩慢。前人在研究豆科綠肥(大豆、綠豆、長武懷豆、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]及樹木的枯枝落葉[18]等的腐解過程中均呈現類似的規律。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物及無機養分較多，為微生物提供了大量的碳源和養分，微生物數量增加，活性增強；后期隨著腐解的進行，秸稈中可溶性有機物逐漸減少，剩余部分主要為難分解的有機物質，導致微生物活性降低，秸稈的腐解也隨之變慢[19-20]。本研究結果表明，在還田后的20 d內，紫云英和苕子能供給早稻大部分的養分，為早稻的生長發育創造一個良好的環境，減少化肥的施用量，為南方雙季稻區稻—稻—冬季綠肥輪作模式的推廣提供了有力的理論依據。

綠肥翻壓后其植株氮、磷、鉀養分的釋放會對后茬作物的生長產生影響，明確綠肥作物翻壓后養分的釋放規律對科學合理地利用綠肥作物具有重要意義。從養分的礦化速率來看，紫云英和苕子的氮、磷、鉀養分釋放過程明顯不同。鉀的釋放速率最大，到100 d時，紫云英和苕子的鉀累計釋放率分別達到89.3%、91.1%，其次是磷，氮和碳累計釋放率相差不大，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形式存在，而是以K+形態存在于細胞中或植物組織內，很容易被水浸提釋放出來，釋放速度較快；磷、氮以難分解的有機態為主，物理作用下不容易分解，釋放較慢；而碳主要以有機態存在，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，秸稈的養分釋放速率均表現為鉀>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，研究結果均表明，腐解過程中秸稈養分的釋放速率均表現為鉀>磷>氮≈碳[23-25]。本研究的結果表明，紫云英和苕子還田后鉀素釋放量較大且速度較快，因此，在種植后季作物時可根據其養分需求規律適當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分釋放速率不同。在相同的外界環境條件下，綠肥腐解速度由植株的組成成分、組織結構、碳氮比等因素決定。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[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指出，菽麻分解速度最慢，與其高碳氮比有關，而刀豆分解速度最快，與其低碳氮比有關[27]。本研究中整個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腐解率及碳、氮、磷、鉀等養分累計釋放率均大于紫云英，可能與苕子的低碳氮比有關。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分釋放速率是否有關，及兩者在什么范圍內更利于腐解有待深入探討。

研究表明，水稻生產中推薦氮、五氧化二磷、氧化鉀的施用量分別為120、42、78 kg/hm2[28]。根據理論分析結果，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。而大田研究結果表明，紫云英還田可減少無機氮肥的施用量，后茬作物水稻化肥施用量可減少20%～40%[29]；Xie等研究表明，江西雙季稻區紫云英替代20%、40%化肥的情況下，土壤肥力和早晚稻產量高于單施氮肥的處理[30]；李雙來等研究表明，湖北雙季稻區紫云英可替代20%的化肥[31]。因此，紫云英翻壓還田大田試驗土壤肥力提高量遠小于理論值，其主要原因可能是隨著腐解時間的推移，碳、氮在腐解過程中以氣態損失，磷、鉀在土壤中逐漸轉化為難溶態[9]。同時，紫云英和苕子在生長中從土壤中吸收了養分，而還田后釋放的養分究竟有多少轉化為有效態供后茬作物吸收利用？這還須進一步研究。

4 結論

紫云英和苕子莖稈前期腐解快，后期腐解慢，其養分的釋放速率均表現為鉀>磷>氮≈碳；苕子莖稈的累計腐解率及碳、氮、磷、鉀等養分的累計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。