兩種綠肥腐解及其碳氮養分釋放動態特征

薄晶晶, 王俊 , 付鑫

兩種綠肥腐解及其碳氮養分釋放動態特征

薄晶晶, 王俊*, 付鑫

西北大學城市與環境學院, 西安 710127

為探究長武懷豆和黑麥草兩種綠肥在黃土旱塬區農田土壤中的腐解狀況, 應用尼龍網袋法研究了在不同氮肥條件下兩種綠肥翻埋后的腐解規律碳、氮養分釋放特征及其對土壤耕層有機碳、全氮影響。試驗設計施氮區長武懷豆(N1B)、施氮區黑麥草(N1R)、施氮區裸地(N1CK)、不施氮區長武懷豆(N0B)、不施氮區黑麥草(N0R)、不施氮區裸地(N0CK)共6個處理。結果表明: 0—105天是長武懷豆、黑麥草腐解的快速上升時期, 105—238天進入緩慢腐解階段, 238—281天為中低速增長時期, 試驗結束時(281天)N1B、N0B、N1R、N0R的累積腐解率分別達到83.84%、82.64%、81.91%和81.04%。綠肥碳、氮均在翻埋后快速釋放, 其中碳在33天累積釋放率達70.04 %—74.13%, 而氮在前15天釋放較快, 累積釋放率為49.50%—60.04%。在0—20 cm土層各處理間土壤有機碳含量無顯著差異, 但翻埋綠肥顯著提高了土壤全氮含量: 與裸地對照相比, 翻壓長武懷豆能使土壤0—20 cm土層氮含量提高40.57%—41.51%; 而翻壓黑麥草可提高18.87%—19.81%。農田施肥管理能在腐解前期加快綠肥腐解及氮釋放速率, 卻不影響土壤氮累積。長武懷豆更適合作為該地區土壤培肥夏閑綠肥的選擇。

綠肥; 腐解; 碳、氮養分釋放特征

0 前言

差異如何呢壤耕層有機碳全氮的影響是豆偉了同科屬填閑作物翻壓腐解狀況，明確翻壓威率源，同時在于黃土旱塬區是我國西北地區的主要農業區, 在當地通常施用氮肥以提高土壤肥力實現糧食增產[1]。為發展生態農業, 減少氮肥引發的環境問題, 利用夏閑種植綠肥成為有效改善土壤肥力的重要手段[2]。土壤碳氮循環是土壤肥力的基礎, 翻壓綠肥對土壤耕層碳氮影響具有重要意義。相關研究指出, 翻壓紫云英、苜蓿等殘體后土壤表層有機碳、氮含量均明顯增加[3]。身影響特征及對土壤陪不同綠肥因作物本身碳氮含量不同, 腐解特征及碳氮釋放存在明顯差異[4-5]。豆科作物在腐解速率及養分釋放與非豆科作物也存在較大差異[6-8]。有學者認為, 豆科作物因具有固碳作用, 肥力價值最高[9]。研究表明, 連續翻壓大豆、懷豆等豆科作物后, 土壤全氮含量會顯著提高[2], 而冬牧70、黑麥草等非豆科綠肥翻壓后能大幅度地增加土壤有機質[10]。綠肥的礦化不僅與自身組成有重要關系, 還與土壤肥力水平密切相關[11]。土壤供氮水平影響土壤氮素累積, 土壤供氮量高, 氮的固持作用也會相應變大, 其碳氮比也會相應發生變化[12]。在該地區, 農田種植區常常通過施加氮肥以促進土壤肥力提高, 氮肥管理對綠肥腐解是否有影響及不同科屬綠肥在腐解過程中消耗氮肥影響土壤氮素累積的程度是否相同？綠肥作為重要的有機肥源, 了解其腐解過程及土壤肥力與其碳氮釋放規律是合理利用綠肥進行作物種植的基礎。目前該地區綠肥研究已取得一定的科研成果, 但研究成果多數集中于研究冬小麥種植區豆科作物的腐解特征。由于小麥在生長期間也會對土壤水熱情況造成一定影響, 這使得對綠肥自身腐解及碳氮釋放規律的研究還不夠確切[13-14]。為模擬農田施肥管理下綠肥的腐解狀況, 本試驗采用尼龍網袋法[15]對長武懷豆和黑麥草兩種綠肥腐解及碳氮釋放動態進行了研究, 旨在分析不同綠肥的腐解狀況, 明確翻壓綠肥及施氮管理對土壤耕層有機碳和全氮的影響, 為夏閑綠肥種植系統的科學管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2016年9月至2017年6月在中國科學院長武農業生態試驗站(107°45′ E, 35°13′ N)進行。該地屬暖溫帶半濕潤半干旱大陸性季風氣候, 年均溫度為9.1 ℃, 無霜期為171 d。供試土壤為粘黑壚土, 土質疏松, 土層深厚。布設試驗前0—20 cm土層土壤有機碳含量為8.44g·kg-1, 全氮含量為1.17 g·kg-1, pH為8.3。試驗期間氣溫與降雨量如圖1所示。

1.2 試驗設計

尼龍網布透氣性較好, 對水熱傳遞的影響較小, 特別適用于旱地土壤中有機物的分解速率及養分釋放研究, 因此本試驗采用尼龍袋法研究不同氮肥條件下長武懷豆與黑麥草的腐解特征。試驗設置土壤不施氮區(N0)和土壤施氮區(N1), 施氮量為90 kg·hm-2(氮肥于綠肥翻壓前一周施入), 每區分別設計翻埋長武懷豆(B)、黑麥草(R)及休閑裸地作為空白對照(CK), 共6個處理, 各重復3次。

圖1 試驗期間氣溫與降水

Figure 1 Air temperature and precipitation during the study period

供試綠肥于2016年6月30日生態試驗站分區種植, 在9月15日收獲。待綠肥收獲后, 選取一定長勢、色澤均勻的長武懷豆、黑麥草的地上部分,去除暗黃的植株后洗凈烘干, 剪成約2厘米樣段混勻。均稱取15.00 g, 裝入長20 cm寬15 cm規格為200目的尼龍網袋中, 封口備用, 分別于2016年9月21日進行田間模擬試驗, 在相應小區內翻壓綠肥, 深度為10 cm, 還田量約為9000 kg·ha-1。同時在翻壓綠肥區埋設尼龍網袋, 深度為10 cm, 間距為20 cm, 均水平放置且無重疊, 用于綠肥腐解速率及碳氮釋放變化的測定。各小區均無后季作物生長。

1.3 測定項目與方法

分別于翻壓后第0、3、6、9、15、21、33、45、63、81、105、171、238、267、281天采集尼龍網袋及尼龍網袋翻埋點10—20 cm土壤樣品。所有采樣工作均在一天內完成, 采樣方法為隨機采樣。尼龍網袋植株殘體樣品采集后去除表面泥土與雜物, 洗凈后70 ℃下烘干至恒重, 測定腐解率[16-17], 并采用EA3000元素分析儀測定植株殘體有機碳和全氮含量。土壤樣品去除植物殘體和石塊后, 在陰涼處風干, 過0.15 mm篩, 采用EA 3000元素分析儀測定土壤有機碳(用HCl去除無機碳)和全氮含量[18-19]。

1.4 相關公式計算

累積腐解率(%)=(M-M)/M′100% (1)

腐解速率(g·d-1)= (Mt-M)/(T-T) (2)

養分累積釋放率=(C′M-C′M)/(C′M)′100% (3)

養分累積釋放量(mg)=C′M-C′M(4)

養分釋放速率(g·d-1)= (C′M-C′M) / (T-T) (5)

式中,C為綠肥初始養分含量,C為綠肥時刻養分含量;M為綠肥初始干物質的量(g);M為時刻綠肥干物質質量(g);T為時刻的天數, 1000為轉換系數[7]。

1.5 數據處理方法

采用Microsoft Excel 2010和Sigmaplot 12.5進行數據處理和制圖, 統計分析采用Spss 19.0。

2 結果與分析

2.1 綠肥腐解特征

綠肥翻埋后, 累積腐解率呈“快速上升—緩慢增加—中低速增長”的倒“S”形。其腐解過程主要分為三個階段: 第一階段即0—105天為綠肥腐解的“快速上升”時期, 第105天時, N1B、N0B、N1R、N0R的累積腐解率分別為66.40%、66.00%、61.96%、60.64%, 釋放速約為5—10 mg·d-1; 在此階段內0-15天腐解最快, 各處理腐解速率均在200 mg·d-1以上。第105—238天為“緩慢增加”階段, 此階段累積腐解率仍維持在60—65%左右, 第238天N1B、N0B、N1R、N0R的累積腐解率分別為65.22%、63.13%、55.96%、52.51%, 釋放速率維持在5 mg·d-1左右, 累積腐解率較105天分別增加了0.78%、0.46%、2.64%和3.18%。第三階段即238—281天為“中低速增長”階段, 第281天時N1B、N0B、N1R、N0R的累積腐解率分別達到83.84%、82.64%、81.91%和81.04%; 腐解速率為70—90 mg·d-1左右; 累積腐解率238天提高了21.66%、16.18%、17.31%和17.22%。

圖2 綠肥累積腐解率

Figure 2 The accumulative decomposition rate of the green manures

圖3 綠肥腐解速率

Figure 3 The decomposition rate of the green manures

表1 不同處理綠肥腐解速率與平均氣溫和降水的回歸方程

在“快速上升”時期, 同一施氮條件下長武懷豆腐解要快于黑麥草, 且差異顯著(<0.05)。同時氮肥的添加對腐解有顯著影響, 同一綠肥在施氮區比在不施氮肥區腐解更快。

相關性分析結果表明(表1), 綠肥腐解速率與氣溫之間呈顯著正相關關系, 氣溫可以解釋44— 96%的綠肥腐解速率變化。降雨量與腐解速率間的相關關系并不明確, 僅能解釋7—9%的腐解速率變化。

2.2 碳釋放特征

碳在翻壓后33天內快速釋放, 第33天N1B、N0B、N1R、N0R的碳累積釋放率分別為74.13%、73.57 %、70.46%和70.04 %; 相應的碳累積釋放量為4.64 g、4.41 g、2.96 g和2.84 g; 相應的釋放速率為19.02 mg·d-1、20.97 mg·d-1、8.56 mg·d-1和10.21 mg·d-1。第33—238天為碳的緩慢釋放階段, 累積釋放率維持在70—80%左右, 第238天時N1B、N0B、N1R、N0R的碳累積釋放率分別為78.70%、75.33%、81.34%、79.97%, 相應的碳累積釋放量分別為4.92 g、4.85 g、3.28 g和3.22 g, 釋放速率均為1.10 mg·d-1左右。第238—281天這一階段的碳釋放速率較上一階段有明顯增長, 試驗結束時各處理碳釋放率可達90%。

同一施氮條件下, 長武懷豆的碳累積釋放量遠遠超出黑麥草, 但長武懷豆與黑麥草的碳釋放速率僅在碳釋放的快速時期(0—33天)具有顯著差異(<0.05); 添加氮肥對碳素釋放影響不大。

2.3 氮釋放特征

氮應24 氮釋放速不顯著。el綠肥翻埋后0—15天為綠肥氮的快速釋放時期, 第15天N1B、N0B、N1R、N0R氮累積釋放率分別為60.04%、57.19%、53.10%和49.50%; 相應的氮累積釋放量分別為0.25 g、0.24 g、0.09 g和0.08 g; 相應的氮釋放速率為8.25 mg·d-1、7.65 mg·d-1、2.64 mg·d-1和2.24 mg·d-1。第15—238天氮素釋放速率較之前緩慢, 釋放速率小于3 mg·d-1。第238天時, N1B、N0B、N1R、N0R的氮累積釋放率為 76.18 %、75.33 %、74.25%、72.41%, 相應的氮累積釋放量分別為0.32 g、0.32 g、0.12 g和0.12 g, 釋放速率分別為0.09 mg·d-1、0.10 mg·d-1、0.10mg·d-1和0.06 mg·d-1; 氮累積釋放量和氮累積釋放率均表現為N1B>N0B>N1R> N0R, 且差異顯著(<0.05)。隨著后續試驗的進行, 氮釋放速率也略有增加, 至第281天各綠肥氮累積釋放率均達到了85%。由圖5可以看出, 不論施氮與否, 在同一時間氮累積釋放率和氮釋放速率均表現為翻埋長武懷豆顯著高于翻埋黑麥草(<0.05), 這說明綠肥本身氮含量能夠顯著影響氮釋放, 氮肥的添加同樣能促進氮素釋放。

圖4 綠肥碳釋放動態

Figure 4 Dynamics of C release by green manures

2.4 綠肥C/N值

綠肥C/N比在試驗期間有很大變化, 綠肥翻埋后C/N先迅速下降, 2—3周達到最低值后又緩慢增長至基本不變。試驗布設前長武懷豆的有機碳含量為417.04g·kg-1, 全氮為28.31 g·kg-1, C/N值為14.74; 黑麥草有機碳為268.44g·kg-1, 全氮為10.07 g·kg-1, C/N值為25.08。在試驗開始后的第21天N1B、N0B的C/N迅速下降至最低值分別至12.15、12.52, 之后緩慢增長至第281天分別為13.86和13.82。N1R在第15天C/N減至最小為17.03, N0R則在21天值最小為17.34。N1R、N0R均在達到極值后又緩慢增加至基本不變, 試驗結束時分別為17.54和17.97。無論施氮與否, 黑麥草C/N先迅速下降, 維持在17左右; 而長武懷豆初始C/N值不高, 其下降并不明顯保持在13左右, 但其C/N比始終小于黑麥草。

2.5 土壤有機碳、全氮變化特征

分析可知, 在0—20 cm各土層中, 不同處理方式間土壤有機碳含量無顯著差異, 且各處理10— 20 cm有機碳含量均略低于0—10 cm土層。與CK相比, 翻壓綠肥提高了土壤全氮含量, 各處理10—20cm土層含量均略高于0—10 cm土層。0—10 cm土層中N1B、N0B、N1R、N0R分別較裸地對照處理提高了52.57%、51.54%、24.74%和33.71%(<0.05); 10—20 cm土層則分別為32.17%、30.43%、14.78%和13.91% (<0.05)。分別對比N1B、N0B, N1R、N0R, N1CK、N0CK發現添加氮肥對土壤氮素累積影響不大。總體而言, 翻壓長武懷豆能使土壤0—20 cm土層氮含量提高40.57%—41.51%; 而翻壓黑麥草可使土壤含氮量提高18.87%—19.81%。

圖5 綠肥氮釋放動態

Figure 5 Dynamics of N release by green manures

圖6 綠肥C/N變化動態

Figure 6 Dynamics of C/N ratios for green manures

表2 不同處理土壤有機碳、全氮含量(g· kg-1)

注： 表中B為長武懷豆處理, R為黑麥草處理, CK為裸地對照處理; N1為施氮水平90 kg· hm-2, N0為施氮水平0 kg· hm-2。小寫字母表示各處理間差異達到5%顯著水平。

3 討論

綠肥翻埋后均在前105天快速腐解, 在第105—238天進入緩慢腐解階段, 在第238—281天腐解速度略有增加, 至第281天時各處理累積腐解率均超過了80%, 這與潘福霞、牟小翎等[20-21]的研究結果相近。長武懷豆和黑麥草累積腐解率均呈現“快速上升—緩慢增加—中低速增長”的趨勢, 一方面這可能是因為腐解前期水溶性有機物多糖、氨基酸、有機酸等物質易于被微生物利用, 這些可溶性物質為微生物活動提供了大量的能源和養分, 促進綠肥腐解[22]; 隨著腐解時間推移, 綠肥中難分解的纖維素和木質素等組分的比例不斷升高, 腐解速率隨之變慢[23]。另一方面, 溫度和水分是影響腐解的重要因素[24-25], 隨著大部分氮素已分解, 氣溫低降水少等環境因素降低了作物的腐解速度。天氣轉暖后氣溫升高、降水增多加快了微生物對綠肥的分解[26], 各處理腐解又會出現一定差異。匡恩俊等[17]對大豆秸稈腐解的研究表明, 在翻埋后的前兩個月秸稈分解較快, 且腐解速率達到26.4%。而本研究中綠肥腐解速率較低, 這或許與研究作物類型及研究區氣候的差異等相關, 本研究在綠肥翻埋后由于氣溫較低且降水少, 腐解較慢。

同一施氮條件下, 在“快速上升”時期長武懷豆的腐解速率顯著高于黑麥草(<0.05), 這與作物腐解一般表現為豆科高于禾本科[27]相吻合, 黑麥草為禾本科作物, 翻埋后大量能源物質(碳源)會刺激微生物迅速活動, 導致有效氮被微生物固持[28], 影響腐解速度。試驗后期, 長武懷豆和黑麥草腐解速率均表現為施氮處理高于不施氮處理, 這也許與氮肥為其提供了相對充足的氮源, 為微生物提供了充足能量有密切聯系。在試驗后期, 可能由于氮肥效應逐漸減弱, 與前期相比影響不再明顯。

在本研究中, 無論是長武懷豆還是黑麥草碳氮養分均在試驗前期釋放量較高, 在最初的15天碳的釋放率為63.00%—68.16%, 氮釋放率為49.50%— 60.04 %。辛國榮等[29]通過對黑麥草-水稻系統研究發現, 在10天后近39—50%的碳、氮被釋放; 董浩[30]等翻壓二月蘭、毛苕子后表明碳在最初的28天快速釋放, 氮在7天內快速釋放; 鄧小華等[31]指出禾本科綠肥的氮累積釋放率要低于豆科, 這些結論均與本研究一致。本試驗中氮累積釋放率和釋放速率均表現為N1B>N0B>N1R>N0R(<0.05), 這大概是長武懷豆作為豆科作物本身具有較強的固氮能力, 氮含量比較高, 翻壓后氮素能很快被釋放[32]。在快速腐解時期, 氮肥添加能夠滿足微生物對養分需求, 促進綠肥氮釋放[33]。

作物碳氮比與作物腐解速率有一定關系, 研究表明碳氮比小的作物更易于腐解[34], 因此研究作物碳氮比變化是作物腐解的重要內容。由試驗基本狀況可知, 長武懷豆的初始碳氮比(14.74)小于黑麥草碳氮比(25.08), 更易于腐解。綠肥翻埋后整體碳氮比小于初始碳氮比, 翻埋后碳氮比先迅速減小后到最小值后又緩慢增長, 這也會影響作物腐解。同一綠肥在不同氮肥條件下碳氮比值變化無顯著差異說明氮肥對其碳氮比影響較小。在翻埋一周內倆種綠肥碳氮比均迅速下降, 表明一周內氮的釋放速率大于碳的釋放速率。

本研究中, 翻埋綠肥對土壤有機碳變化影響較小, 一方面可能因為腐解過程中大部分綠肥碳化為CO2釋放出來, 僅有少量的碳化為土壤有機碳[35], 另一方面土壤有機碳儲存量高, 不易在短時間內變化。氮肥施加對土壤氮含量影響較小, 一是因為試驗周期較短, 氮肥效應或許只有在長期施肥中才能體現; 二是施加化肥土壤有機碳、氮庫會保持穩定或小幅度波動, 土壤施氮區含氮量高于未施氮處理并不一定是化肥殘留的累積結果[2]。翻壓長武懷豆對增加土壤氮含量效果要好于黑麥草, 這與豆科作物含氮量高, 翻壓后氮素釋放能有效地補充土壤氮庫有關[32]。翻壓綠肥能使土壤耕層土壤氮含量顯著增加, 可見翻壓綠肥對提高黃土旱塬區土壤氮累積具有重要意義。

4 結論

通過對黃土旱塬區兩種不同綠肥腐解及碳氮釋放規律的研究可以發現, 綠肥作為有機肥源翻壓后經281天翻壓后累積腐解率能達到80%, 且碳、氮釋放速率分別可達90%和85%以上。長武懷豆的腐解速率、累積腐解率均高于黑麥草, 其氮釋放也相對較快, 但兩者碳釋放僅在快速釋放時期有差異。翻埋綠肥能顯著提高土壤耕層氮累積且長武懷豆的效果要比黑麥草更明顯。與氮肥投入相比, 綠肥作為有機肥料可以持續有效地為土壤提供氮素且配施氮肥效果更好。翻壓長武懷豆能夠改善土壤耕層養分狀況, 可能更適合作為該地區土壤培肥的有效措施。

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Decomposition and carbon nitrogen nutrient releases of twogreen manures

BO Jingjing, WANG Jun*, FU Xin

College of Urban and Environmental Science, Northwest University, Xi’an 710127, China

To explore the decomposition of Changwu bean and ryegrass in the Loess Plateau, the nylon mesh bags method was used to study the decomposition and carbon nitrogen nutrient release characteristics under different nitrogen applications. Six treatments were included as Changwu bean with nitrogen (N1B), ryegrass with nitrogen (N1R), no green manures with nitrogen (N1CK), Changwu bean without nitrogen (N0B), ryegrass without nitrogen (N0R) and no green manures without nitrogen (N0CK). Green manures decayed quickly during the first 0-105 days after being incorporated and then tended to be stable during 105-238 days until 238days with medium-low growthafter being incorporated. The accumulation decomposition rate was 83.84%, 82.64%, 81.91%, 82.64% for N1B, N0B, N1R, N0R on the 281 days after being incorporated, respectively. Green manures nutrient also released quickly in the early stage of decomposition. The accumulative releasing rate of C ranged 70.04 %, 74.13% just after the first 33 days. Meanwhile, the accumulative releasing rate of N reached 49.50%, 60.04% in the first 15 days. Compared with the control without green manures, incorporated green manures did not affect soil organic C but increased soil N supply. Incorporating Changwu bean and ryegrass increased soil total N by 40.57%-41.51% and 18.87%-19.81%at 10-20cm depths, respectively. Application of N fertilizer could enhance the decaying process and nutrients releasing of green manures in the early stage of decomposition but had no effect on soil N supply. Changwu bean is more suitable to be choice for increase the soil fertility in this area.

green manures; decomposition; nutrient release

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.06.006

K903

A

1008-8873(2019)06-037-09

2017-11-28;

2018-11-12

國家自然科學基金(31570440, 31270484)

薄晶晶(1992—), 女, 在讀碩士研究生, 主要從事旱作農田生態學生態研究, E-mail: bojingjing123123@126.com

王俊(1974—), 男, 教授, 博士生導師, 主要從事旱作農田生態系統持續管理方面研究, E-mail: wangj@nwu.edu.cn.

薄晶晶, 王俊, 付鑫. 兩種綠肥腐解及其碳氮養分釋放動態特征[J]. 生態科學, 2019, 38(6): 37–45.

BO Jingjing, WANG Jun, FU Xin. Decomposition and carbon nitrogen nutrient releases of green manures[J]. Ecological Science, 2019, 38(6): 37–45.