不同還田方式下2種夏季綠肥的腐解特性

李忠義，韋彩會，何鐵光，董文斌，蒙炎成，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)

【研究意義】綠肥是我國傳統農業的精華，是生態農業的重要組成部分，作為一種清潔的有機肥源，具有培肥地力、保持水土、改善生態環境和提高作物品質的作用。在20世紀70年代，全國綠肥播種面積達1.3×107hm2/年，但隨著化肥的推廣應用，至20世紀80年代綠肥種植面積迅速滑坡[1]。近年來，種植業結構調整、農業面源污染削減、農田生態改善、耕地用養結合及農產品提質增效等是我國農業的主要戰略性任務，而綠肥在這些任務中具有獨特有效的作用[2]。貓豆(Mucunapruriens)又名狗爪豆，屬豆科黎豆屬一年生草質藤本植物，可菜用和藥用；赤小豆(Vignaumbellata)又名飯豆，屬豆科豇豆屬一年生直立型草本植物，可糧用。2種作物繁茂性好，覆蓋性強，刈割后可作為綠肥還田于果園和茶園改良土壤及活化土壤磷素[3-4]。我國綠肥種質資源豐富，按植物學可分為豆科綠肥和非豆科綠肥，按生長季節可分為夏季綠肥和冬季綠肥，按生態環境可分為旱地綠肥、稻底綠肥和水生綠肥[5]。但不同種類綠肥在不同農區的生育特性和生產能力存在較大差別。因此，了解夏季綠肥作物的腐解規律和養分釋放動態特征，因地制宜地種植和利用綠肥，對綠肥資源的合理利用和農田養分管理及促進耕地保持健康的生產能力具有重要意義。【前人研究進展】前人利用尼龍網袋法、同位素標記法、紅外光譜法和13C核磁共振法等手段掌握了綠肥作物的腐解方法[6]，并明確了南方冬季主要豆科綠肥(紫云英、苕子、箭筈豌豆和山黧豆)[7-10]、十字花科綠肥(油菜、二月蘭和肥田蘿卜)[11-13]、禾本科綠肥(黑麥草和鼠茅草)[14-15]的腐解規律和養分釋放特征，為綠肥應用和土壤改良提供了參考技術。司鵬等[16]開展18種果園豆科綠肥作物微量元素含量分析研究，結果發現貓豆對果園土壤微量元素的補充能力最強。溫明霞等[17]研究表明，椪柑果園間種夏季綠肥(赤小豆、豇豆、大豆和綠豆)可提高土壤肥力，降低土壤溫度，保持土壤養分，其中間種赤小豆的綜合效應最佳?！颈狙芯壳腥朦c】近年來，廣西主推的綠肥品種以紫云英、苕子、肥田蘿卜、油菜和黑麥草為主[18]，且均為冬季綠肥，其適宜生長期為10月至次年4月，進入夏季后缺乏填補夏季閑田和果園行間空地的綠肥品種。貓豆和赤小豆作為夏季綠肥已在夏閑田和果園行間空地應用，但目前針對其還田腐解特性的研究鮮見報道?！緮M解決的關鍵問題】采用網袋法模擬貓豆和赤小豆在免耕覆蓋還田和翻壓還田方式下的腐解情況，分析其腐解規律和養分釋放動態特征，為綠肥資源的合理利用和農田養分管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試綠肥作物為貓豆和赤小豆，種質資源來源于廣西農業科學院農業資源與環境研究所。在其生長期取地上部樣品200 g，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。試驗地土壤為赤紅壤，土壤基本理化性質為：pH 6.1，有機質含量1.41 %，全氮含量0.12 %，全磷含量0.09 %，全鉀含量0.75 %。腐解期內的降雨和氣溫情況見圖1。

圖1 綠肥腐解期內的降雨和氣溫狀況Fig.1 Rainfall and temperature conditions during decomposition experiment of green manure

表1 綠肥作物地上部初始養分含量

1.2 試驗設計

試驗于2018年7月20日至2018年10月28日在廣西農業科學院武鳴里建基地進行。設免耕覆蓋還田和翻壓還田2種還田方式，每種還田方式均設3個重復。免耕覆蓋還田方式是將網袋平鋪在地表，翻壓還田方式是將尼龍袋埋至土壤下15 cm。貓豆還田方式設M1(免耕覆蓋還田)和M2(翻壓還田)處理；赤小豆還田方式設V1(免耕覆蓋還田)和V2(翻壓還田)處理。分別在還田后0(腐解前)、20、40、60、80和100 d取樣。取樣后去除網袋表面泥土和雜物，將網袋中剩余的綠肥殘體取出，烘干后稱重，磨碎備用。

1.3 測定指標及方法

參照鮑士旦[19]的方法采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法測定樣品全碳含量；樣品經濃硫酸—雙氧水消煮后，用凱氏定氮法測定全氮含量；采用比色法測定全磷含量；采用火焰光度計法測定全鉀含量；計算腐解特征指標。

干物質累積腐解率(%)=(腐解前干物質總量-腐解n天的干物質總量)/腐解前干物質總量×100

干物質平均腐解速率(mg/d)=單位時間累腐

解量/單位時間

養分累積釋放率(%)=(腐解前養分總量-腐解n天的養分總量)/腐解前養分總量×100

養分平均釋放速率(mg/d)=單位時間養分釋放量/單位時間

式中，n為腐解天數。

采用一級動力學方程擬合綠肥干物質腐解特征，計算公式為Y=a(1-e-bt)，式中，Y為綠肥干物質腐解特征，a和b分別代表綠肥腐解的最大值和腐解速率[20]，t代表試驗開始后的腐解天數，e為自然常數，其值約為2.718。

1.4 統計分析

試驗數據采用Excel 2007進行處理并作圖，以DPS 9.05進行差異顯著性分析，以Origin 9.0進行一級動力學方程擬合。

2 結果與分析

2.1 貓豆和赤小豆干物質的腐解特征

由表2可知，在免耕覆蓋還田和翻壓還田方式下貓豆和赤小豆干物質的腐解過程均分為快速腐解期和緩慢腐解期兩個階段。其中，在還田的0～20 d，在免耕覆蓋還田和翻壓還田方式下貓豆和赤小豆均快速腐解，尤其在還田20 d時，M1和V1處理的累積腐解率均由腐解前的0分別快速增長至29.69 %和26.76 %，平均腐解速率分別為60.75和49.45 mg/d，M2和V2處理的累積腐解率均由腐解前的0分別快速增長為54.94 %和51.01 %，平均腐解速率分別為112.40和94.27 mg/d；在還田的20～100 d，在免耕覆蓋還田和翻壓還田方式下貓豆和赤小豆的腐解速度均趨于平緩，至還田100 d時M1和V1處理的腐解率分別為40.11 %和37.25 %，平均腐解速率分別為3.88和5.50 mg/d，而M2和V2處理的腐解率分別為70.71 %和66.87 %，平均腐解速率分別為6.95和8.80 mg/d。方差分析結果表明，在還田的20～100 d，M1、V1、M2和V2處理干物質的平均腐解速率均顯著低于還田前20 d的評價腐解速率(P<0.05，下同)。

采用一級動力學方程對兩個綠肥品種的干物質量腐解特征進行擬合，結果表明，M1處理的一級動力學方程擬合為M1=37.2(1-e-0.068x)，R2=0.981(P<0.01)；M2處理的一級動力學方程擬合為M2=66.44(1-e-0.079x)，R2=0.984(P<0.01)；V1處理的一級動力學方程擬合為V1=34.19(1-e-0.065x)，R2=0.972(P<0.01)；V2處理的一級動力學方程擬合為V2=62.21(1-e-0.078x)，R2=0.985(P<0.01)。

綜上所述，貓豆和赤小豆還田后其干物質累積腐解率和平均腐解速率表現為貓豆翻壓還田>赤小豆翻壓還田>貓豆免耕覆蓋還田>赤小豆免耕覆蓋還田；在相同還田方式下綠肥的干物質累積腐解率和平均腐解速率表現為貓豆>赤小豆；在不同還田方式下綠肥干物質累積腐解率和平均腐解速率表現為翻壓還田>免耕覆蓋還田。

2.2 貓豆和赤小豆碳養分的釋放特征

由表2可知，在免耕覆蓋還田和翻壓還田方式下貓豆和赤小豆的碳養分累積釋放率隨翻壓時間的延長而提高，在翻壓還田方式下的前20 d，M2和V2處理的碳養分累積釋放率最高，至還田20 d時分別達46.03 %和41.42 %，在還田的20～100 d呈持續上升趨勢，至還田100 d時分別達65.24 %和60.06 %；在免耕覆蓋還田方式下M1和V1處理的碳養分累積釋放率在還田20 d時分別為6.33 %和4.32 %，在還田的20～100 d呈持續升高趨勢，至還田100 d時分別為20.44 %和17.66 %。從表2可看出，在免耕覆蓋還田和翻壓還田方式下貓豆和赤小豆的碳養分釋放速率隨翻壓時間的延長而減緩，在還田的0～20 d，翻壓還田方式下M2和V2處理的碳養分釋放速率最快，分別為6.63和6.22 mg/d；在免耕覆蓋方式下M1和V1處理的碳養分釋放速率分別為2.99和2.78 mg/d；在還田的20～100 d，翻壓還田方式和免耕覆蓋還田方式下貓豆和赤小豆碳養分的釋放速率均趨于平緩。方差分析結果表明，在還田的20～100 d，M1、V1、M2和V2處理碳養分的釋放速率顯著慢于還田的前20 d?？梢?，在相同還田方式下綠肥作物碳養分累積腐解率和釋放

表2 貓豆和赤小豆還田后的干物質腐解和養分釋放情況

速率基本表現為貓豆>赤小豆，在不同還田方式下綠肥作物碳養分累積釋放率和釋放速率基本表現為翻壓還田>免耕覆蓋還田。

2.3 貓豆和赤小豆氮養分的釋放特征

由表2可知，在免耕覆蓋還田和翻壓還田方式下貓豆和赤小豆的氮養分累積釋放率隨翻壓時間的延長而提高；在翻壓還田方式下的前20 d，M2和V2處理的氮養分釋放率最高，至還田20 d時分別達40.37 %和37.29 %，在還田的20～100 d呈持續上升趨勢，至還田100 d時分別達63.78 %和58.88 %；在免耕覆蓋還田方式下M1和V1處理的氮養分累積釋放率在還田20 d時分別為4.71 %和3.55 %，在還田的20～100 d呈緩慢升高趨勢，至還田100 d時分別為15.64 %和13.33 %。從表2可以看出，在免耕覆蓋還田和翻壓還田方式下貓豆和赤小豆的氮養分釋放速率隨翻壓時間的延長而減緩，在還田的0～20 d，翻壓還田方式下M2和V2處理的氮養分釋放速率最快，分別為4.34和3.87 mg/d；在免耕覆蓋還田方式下M1和V1處理的氮養分釋放速率分別為1.97和1.75 mg/d；在還田的20～100 d，翻壓還田方式和免耕覆蓋方式下貓豆和赤小豆的氮養分釋放速率趨于平緩。方差分析結果表明，在還田的20～100 d，M1、V1、M2和V2處理的氮養分釋放速率顯著慢于還田的前20 d?？梢?，在相同還田方式下綠肥作物氮養分累積釋放率和釋放速率基本表現為貓豆>赤小豆，在不同還田方式下綠肥作物氮養分累積釋放率和釋放速率基本表現為翻壓還田>免耕覆蓋還田。

2.4 貓豆和赤小豆磷養分的釋放特征

由表2可知，在免耕覆蓋還田和翻壓還田方式下貓豆和赤小豆的磷養分累積釋放率隨翻壓時間的延長而提高，在翻壓還田方式下的前20 d，M2和V2處理的磷養分釋放率最高，至還田20 d時分別達75.24 %和70.33 %，在還田的20～100 d呈緩慢升高趨勢，至還田100 d時分別達84.36 %和79.56 %；在免耕覆蓋還田方式下M1和V1處理的磷養分累積釋放率在還田20 d時分別為9.45 %和6.44 %，在還田的20～100 d呈持續升高趨勢，至還田100 d時分別為45.28 %和40.33 %。從表2還可看出，在免耕覆蓋還田和翻壓還田方式下貓豆和赤小豆的磷養分釋放速率隨翻壓時間的延長而減緩，在還田0～20 d時，翻壓還田方式下M2和V2處理的磷養分釋放速率最快，分別為0.56和0.53 mg/d；在免耕覆蓋還田方式下M1和V1處理的磷養分釋放速率分別為0.23和0.21 mg/d；在還田的20～100 d翻壓還田方式和免耕覆蓋方式下貓豆和赤小豆的磷養分釋放速率趨于平緩。方差分析結果表明，在還田的20～100 d，M1、V1、M2和V2處理的磷養分釋放速率顯著慢于還田的前20 d?？梢?，在相同還田方式下綠肥作物的磷養分累積釋放率和釋放速率基本表現為貓豆>赤小豆，在不同還田方式下綠肥作物的磷養分累積釋放率和釋放速率基本表現為翻壓還田>免耕覆蓋還田。

2.5 貓豆和赤小豆鉀養分的釋放特征

由表2可知，在還田的0～20 d，在免耕覆蓋還田和翻壓還田方式下貓豆和赤小豆的鉀養分累積釋放率均最高，在還田的20～100 d呈緩慢升高趨勢；在翻壓還田方式下M2和V2處理的鉀養分累積釋放率在還田20 d時分別達84.85 %和80.86 %，至還田100 d時分別達92.48 %和88.20 %；在免耕覆蓋還田方式下M1和V1處理的鉀養分累積釋放率在還田20 d時分別達70.36 %和67.34 %，至還田100 d時分別達83.49 %和79.49 %。從表2還可看出，在免耕覆蓋還田和翻壓還田方式下貓豆和赤小豆的鉀養分釋放速率隨翻壓時間的延長而減緩，在還田0～20 d時，翻壓還田方式下M2和V2處理的鉀養分釋放速率最快，分別為5.86和5.29 mg/d；在免耕覆蓋還田方式下M1和V1處理的鉀養分釋放速率分別為4.98和4.47 mg/d；在還田的20～100 d翻壓還田方式和免耕覆蓋方式下貓豆和赤小豆的鉀養分釋放速率趨于平緩。方差分析結果表明，在還田的20～100 d，M1、V1、M2和V2處理的鉀養分釋放速率顯著慢于還田的前20 d?？梢?，在相同還田方式下綠肥作物的鉀養分累積釋放率和釋放速率基本表現為貓豆>赤小豆，在不同還田方式下綠肥作物鉀養分累積釋放率和釋放速率基本表現為翻壓還田>免耕覆蓋還田。

2.6 貓豆和赤小豆碳與各養分比例的變化特征

從圖2可看出，在相同還田方式下，綠肥還田后整個腐解過程中貓豆和赤小豆殘體的碳氮比(C/N)、碳磷比(N/P)和碳鉀比(C/K)的變化規律相似；在免耕覆蓋還田方式下，M1和V1處理在還田0～100 d時碳氮比基本呈持續下降趨勢，整個腐解過程中碳氮比范圍分別為13.95～14.79和14.86～15.64；在翻壓還田方式下，M2和V2處理的碳氮比均表現為先降低后升高的變化趨勢，整個腐解過程中碳氮比范圍分別為13.39～14.79和14.44～15.64(圖2-A)；在免耕覆蓋還田方式下，M1和V1處理在還田0～100 d時碳磷比基本呈持續上升趨勢，整個腐解過程中碳磷比范圍分別為129.74～203.15和137.67～189.98；在翻壓還田方式下，M2和V2處理的碳磷比在還田的0～20 d迅速上升后趨于平緩，整個腐解過程中碳磷比范圍分別為139.74～310.81和137.67～268.91(圖2-B)；在免耕覆蓋還田和翻壓還田方式下，各處理在還田0～20 d時碳鉀比迅速上升后逐漸平緩，整個腐解過程中碳鉀比范圍M1為13.97～67.32，M2為13.97～64.56，V1為14.59～58.60，V2為14.59～49.38(圖2-C)。

圖2 貓豆和赤小豆還田后腐解過程中碳氮比(A)、碳磷比(B)和碳鉀比(C)的動態變化Fig.2 Dynamic changes of carbon-to-nitrogen ratio(A)，carbon-to-phosphorus ratio(B) and carbon-to-potassium ratio(C) of M.pruriens and V.umbellata after returning to the field

3 討 論

研究綠肥殘體分解特征和養分釋放規律，對了解土壤有機質的演變及指導土壤培肥具有重要意義。不同品種綠肥作物翻壓還田后，其腐解過程受土壤環境和氣候條件影響一般包括快速腐解期和緩慢腐解期[21-24]，綠肥作物翻壓還田前期腐解快，后期腐解慢，其原因可能是在翻壓前期綠肥植株新鮮多汁，可溶性有機物及無機養分較多，可為微生物提供大量的碳源等養分，致使微生物數量增加，活性增強；在翻壓后期隨著腐解的進行，植株中的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，腐解也隨之變慢[6，25-26]。本研究結果與上述研究結果相似，貓豆在免耕覆蓋還田和翻壓還田方式下，前20 d的累積腐解率分別為29.69 %和54.94 %，赤小豆在免耕覆蓋還田和翻壓還田方式下，前20 d的累積腐解率分別為26.76 %和51.01 %，尤其是翻壓還田方式下，貓豆和赤小豆莖稈腐解明顯更快，其養分爆發式釋放，可為后茬作物生長提供良好的營養環境，從而減少化肥施用量。本研究兩個綠肥品種還田前期氣溫和降水量稍高，后期呈逐漸降低趨勢，在一定程度上也影響貓豆和赤小豆的腐解速度。

不同的還田方式也影響綠肥的腐解速率，明確綠肥最佳的還田方式對合理利用綠肥起著積極作用。綠肥腐解及養分釋放需要一系列微生物參與，而溫度、水分等環境因素通過影響微生物活動間接影響綠肥腐解。在免耕覆蓋還田方式下，秸稈暴露在空氣中，缺乏與土壤和水分充分接觸，土壤酶和微生物活性較弱，秸稈腐解較慢[27]。匡恩俊等[28]研究發現，不同還田方式下玉米和大豆秸稈的腐解特征表現為土埋處理>露天處理。王允青等[29]研究表明，小麥和油菜秸稈腐爛速度表現為土埋處理>露天處理，而氮、磷和鉀養分的釋放速率均為露天處理>土埋處理。本研究中貓豆和赤小豆在免耕覆蓋還田和翻壓還田方式下干物質的累積腐解率和腐解速率及碳、氮、磷和鉀養分的累積釋放率和釋放速率也表現為翻壓還田>免耕覆蓋還田，可能與翻壓還田土壤中好氧微生物數量多、活性強有關。

綠肥翻壓還田后其植株氮、磷和鉀養分的釋放會對后茬作物生長產生影響，明確其翻壓后養分的釋放規律對科學合理利用綠肥作物具有重要意義。潘福霞等[9]、李逢雨等[30]、黃菲等[31]、呂鵬超等[32]、劉炎紅等[33]研究發現，植物秸稈還田后其養分釋放速率表現為鉀>磷>氮；鄒雨坤等[34-35]、武際等[36]研究表明，作物秸稈腐解過程中養分釋放速率表現為鉀>磷>氮≈碳；吳珊眉等[37]研究顯示，養分礦化速率存在差異，主要原因是莖稈中鉀元素以K+存在于細胞中或植物組織內，很容易被水浸提而快速釋放，磷、氮和碳等則以難分解的有機態為主，在物理作用下分解釋放較慢。本研究結果與上述研究結果相似，在免耕覆蓋還田和翻壓還田方式下貓豆和赤小豆的鉀養分釋放量較大且速度快，其次是磷、碳和氮。因此，在種植后茬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，合理配施磷肥和氮肥。

碳氮比是控制有機物料腐解和養分釋放的重要因素之一，秸稈中初始碳氮比通常可作為預測秸稈降解動態的重要指標[38-39]。當碳氮比小于25∶1時微生物不再利用土壤中的有效氮，有機物能較完全地被分解并釋放出礦質態氮[40]。Pereira等[41]研究多種豆科綠肥的腐解動態指出，菽麻還田分解最慢，與其高碳氮比有關，而刀豆還田分解最快，與其低碳氮比有關。本研究中貓豆和赤小豆還田時的初始碳氮比分別為14.79和15.64，且腐解過程中碳氮比均表現為貓豆小于赤小豆，與上述研究結果一致，而碳磷比和碳鉀比在腐解過程中總體上呈上升趨勢，與潘福霞等[9]的研究結果相似。至于更有利于貓豆和赤小豆還田腐解的碳磷比和碳鉀比適宜范圍尚需進一步探究。

4 結 論

綠肥作物貓豆和赤小豆干物質的累積腐解率和腐解速率及碳、氮、磷和鉀等養分的累積釋放率和釋放速率表現為翻壓還田>免耕覆蓋還田，養分的釋放速率表現為鉀>磷>碳>氮，其中貓豆的腐解及養分釋放速度均大于赤小豆，作為夏季綠肥品種翻壓還田效果優于赤小豆。