青海高原地區綠肥毛葉苕子腐解規律及養分釋放特征

毛小紅，李正鵬，嚴清彪，韓 梅

(青海大學農林科學院，青海 西寧 810016)

土壤養分難以被作物吸收利用以及寒、旱等氣候特征是限制青藏高原地區農牧業發展的主要生態因子。基于近年來農業農村部化肥農藥減施、有機肥替代化肥等行動，為了最大程度保證農業生產高產、高效地運行，應以現代科學技術為手段，同時繼承傳統農業的精華部分，更加高效地發展農業生產，深入探索作物對水分和養分的積累分配和轉運規律、養分在土壤和其他介質中的累積和遷移轉化規律、以及生態和人為因子影響作物吸收水分和養分的規律、不同類型作物對水分和養分的供應效應能力的影響等，對于響應國家化肥減施相關政策措施，為土壤培肥、作物增產以及肥料資源高效利用與管理提供理論參考，對應對多變的農業生產環境具有重要的意義。

肥飼兼用的綠肥作物地上部分分枝多、根系發達，還田后可將大量的微生物和酶翻壓入土，從而促進微生物的活動，加速綠肥分解和轉化，使土壤中的養分得以活化，利于作物吸收和利用。綠肥還田后能明顯地提升土壤的理化性質；大量研究證據肯定了綠肥對地力的提升效果[1-4]。綠肥經處理翻壓后腐解礦化快，能及時、迅速地釋放出養分供農作物吸收與利用，有學者利用15N標記技術研究發現，植物前期的營養生長吸收的養分來自綠肥，綠肥作為優質生物有機肥源[5]，是減少化學投入、增加土壤有機物料的重要途徑之一。研究表明，在不同的肥料養分綜合管理條件下，作物吸收的氮素有50%左右來自于土壤[6]。綠肥氮與化肥氮對作物吸收而言是等效的[7]，綠肥作物來源的氮素在土壤中具有更長的滯留時間[8]，作物能從土壤中吸收比肥料來源更多的氮素[9]。研究還表明，綠肥的應用可以增加土壤中養分的固定[10]，增加綠肥作物來源的養分是維持土壤微生物生態平衡，促進微生物固持養分，進而實現農田化肥減施增效和綠色發展的重要措施[11]，綠肥替代部分基施化肥對作物與種植田土壤肥力提升有積極作用[12]。此外，在不合理施肥帶來負面影響后，我們得出了一個結論，化肥配施綠肥對不利因素對生物量的降低有緩解作用[13]，化肥配施綠肥能夠緩解甚至抵消其單獨施用帶來的負面影響。目前，化肥養分的損失卻遠遠高于綠肥養分的損失[14]，而綠肥在降低硝酸鹽淋洗等養分損失方面具有較好的效果[15]，綠肥還田后，土壤溶液中硝酸鹽濃度降低38%～70%，總氮的損失降低約18%～83%。國外學者研究表明，增加肥料養分在土壤中的滯留時間，能夠促進作物的生長，增加產量、養分吸收量及肥料利用效率，從而降低了根層養分由于淋洗造成的損失[16]。在過去，綠肥種植技術以肥飼利用為主要目的，現已不能滿足新時代條件下的農業發展新要求。目前，綠肥作物服務于生態農業環境和農業生產的方式突破了原有的應用模式，在養分供應、培肥土壤、生物固氮、涵養水源等[17]方面均體現了其為農田提供的有價值的生態系統服務功能。

在青海高原地區，綠肥翻壓技術以及綠肥間作種植作物等已經取得突破，但對于綠肥翻壓后腐解特性與養分釋放規律的研究較少，綠肥養分釋放結合輪作麥田養分吸收的研究較少。同時，作為五大牧區之一，選擇毛葉苕子做綠肥腐解特性與養分釋放規律的研究，以期為青海高原地區土壤培肥、牧草利用與評價、減施化肥以及農業的可持續發展提供參考，同時能預測綠肥翻壓后為土壤提供的養分情況。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗設在西寧廿十里鋪鎮莫家泉灣(101.45E、36.43N)，海拔為2 300 m，氣候冷涼，屬高原大陸性半干旱氣候。年平均氣溫5.9℃，作物生長期為220.2 d，日較差大，年平均降水量367.5 mm，年均蒸發量為1 729.8 mm。試驗區土壤類型為栗鈣土。圖1為腐解期間試驗地土壤水分含量和溫度變化情況。

圖1 毛葉苕子腐解期間試驗地水分含量和溫度變化Fig.1 Changes in moisture content and temperature of the test site during decomposition of Vicia Villosa L.

1.2 試驗材料

供試綠肥毛葉苕子品種為土庫曼毛苕，2019年8月9日播種，于10月26日初花期取地上部分，長約30～40 cm。毛葉苕子初始含水率為84.23%，全氮、全磷和全鉀含量分別為4.25%、0.31%、2.99%。

1.3 試驗設計

采用田間尼龍網袋法，該方法操作簡單、回收殘余植株方便加上重復性強和成本低等優點。于2019年10月26日將毛葉苕子按鮮重130 g稱量好后裝入300目的尼龍網袋(長25 cm,寬14 cm)中封緊口,在田間開溝，深20 cm，將尼龍袋平鋪于溝內，兩個尼龍袋之間間隔30 cm左右，然后覆土。分別在第1、7、14、28、38、52、67、77、87、139、150、157、165、172、182、188、200、210、230、238、251、259、272、280、290、297、304、311天取樣,每次取樣3袋，共取樣28次。

腐解結束后將腐解殘體在60℃下烘干稱重,磨細并過篩,測定全氮、全磷和全鉀含量。

1.4 測定方法與數據處理

采用國標分析方法測定毛葉苕子植株全氮、全磷和全鉀含量。全氮采用凱氏定氮法測定，全磷采用氫氧化鈉堿熔鉬銻抗比色法測定，全鉀采用火焰光度法測定。

土壤溫度和含水率通過土壤墑情監測儀獲得，溫度和含水率數據采集自0～20 cm土層。

累積腐解量(mg)=初始植物干重-取樣植株干重

累積腐解率(%)=(累積腐解量/初始植株干重)×100%

養分累積減少量(mg)=(開始時植株干重×開始時植株養分含量-取樣植株干重×取樣植株養分含量)

養分累積釋放率(%)=養分累積減少量/(開始時植株干重×開始時植株養分含量)×100%

腐解速率(mg·d-1)=(翻壓nd干物質量-翻壓md干物質量)/(m-n)

養分累積釋放率=(養分累積減少量/翻壓前的養分總量)×100%

養分釋放速率(mg·d-1)=養分累積減少量/累積時間

試驗數據的整理以及一元線性方程和對數方程的擬合用Excel 2010進行，方程為y=ax-b、y=aln(x)-b。其中，y為累積腐解率或累計釋放率，x為腐解時間，圖中腐解時間第1天代表埋袋第一天，即腐解0 d的數值，為未被腐解初始值，a表征累積腐解率或養分累計釋放率參數(%)，b表征綠肥毛葉苕子最易分解的干物質組分或最易釋放的養分含量(%)。方差分析采用SPSS 17.0進行。

2 結果與分析

2.1 毛葉苕子干物質的腐解特性

在青海高原地區鮮明的氣候環境條件下，翻壓后的毛葉苕子在土壤微環境和外部氣候環境等影響下呈現如圖2所示的腐解規律。隨著腐解時間的推進，累積腐解率呈逐漸增加的趨勢，表現為前期快后期慢。毛葉苕子在翻壓后的50 d內累積腐解量增加較快，腐解速率為149 mg·d-1，翻壓50 d后腐解速率變緩，腐解速率為38 mg·d-1。結合表1得知，毛葉苕子在腐解14 d之后干物質累積腐解率開始呈現出明顯的差異，腐解28、52 d時均與前期有明顯差異，累積腐解率突破50%是在翻壓150 d后。因該地區溫度低、降水少，這兩個生態因子限制了綠肥中易分解物質的腐解速率。在青海高原地區，綠肥毛葉苕子降解速度的階段性不明顯，沒有明顯的分界點和拐點，干物質在整個腐解歷程中相對勻速腐解。在此可擬合累積腐解率與腐解時間的對數函數方程，為y=27.256ln(x)-10.444，R2=0.9651,x∈[1,311]。其中，y為累積腐解率，x為腐解時間，參數27.256表征累積腐解率參數，參數10.444表征綠肥毛葉苕子干物質最易分解的組分。

表1 毛葉苕子腐解進程Table 1 Vicia Villosa L. decay process

圖2 毛葉苕子干物質腐解規律Fig.2 Decomposition rate of dry matter of Vicia Villosa L.

2.2 毛葉苕子腐解期氮、磷、鉀養分含量變化

毛葉苕子鮮體在進行了311 d的翻壓腐解后，氮磷鉀養分含量的變化如圖3所示。全氮和全鉀的變化趨勢有著一致性，隨著翻壓時間的延長，養分逐漸釋放，含量逐漸降低，前期釋放快，后期慢。釋放快慢過渡的拐點大約在翻壓后50 d,氮含量從初始始的4.25%降為2.98%，鉀的含量從初始的2.98%釋放為1.24%，在翻壓50d后養分釋放緩慢。但兩者從總體來看，鉀含量的變化趨勢比較劇烈，在短期內就得到了釋放。磷含量的變化趨勢與氮和鉀不一致，磷含量在翻壓的周期內變化不劇烈，含量反而有增加的趨勢，從翻壓開始到翻壓結束出現了富集的現象。

2.3 不同腐解時期毛葉苕子氮釋放特征

全氮含量的變化和干物質的腐解特性有著一致性。腐解開始時，環境溫度適宜、鮮體水分較充足，氮素含量快速釋放，氮累積釋放率逐步升高，氮累積釋放率的拐點在腐解38 d時，毛葉苕子在38 d內腐解速度較快，氮的養分釋放速率為1 228 mg·d-1,累積釋放率達53.51%。在此對氮的累積釋放率進行分段擬合，0～38 d內氮累積釋放率呈線性升高趨勢，y=14.142x-17.962，R2=0.978，x∈[1,38](圖4)，14.142表征氮養分累積釋放率參數，17.962表征綠肥鮮體中氮最易釋放的組分含量。結合表2可知，氮累積釋放率在腐解14 d后開始出現差異，腐解28、38 d時均與前期存在顯著差異，腐解238 d后氮累積釋放率無顯著差異。腐解38～150 d時，由于環境溫度的降低和鮮體水分含量的損失，養分累積釋放率增加相對緩慢，數值無顯著差異，養分釋放速率為120.83 mg·d-1。腐解150 d后，氮累積釋放率緩慢升高。腐解38 d至結束，氮累積釋放率可用對數方程y=28.063ln(x)-1.4529，R2=0.9677，x∈(38,311]進行擬合。y為累積釋放率，x為腐解時間，28.063為氮累積釋放率參數，1.4529為毛葉苕子鮮體內最易釋放的組分。利用綠肥毛葉苕子的干物質量、氮素初始養分含量、綠肥毛葉苕子干物質的累積腐解率以及青海高原地區慣用綠肥翻壓量 30 000 kg·hm-2等要素計算，翻壓毛葉苕子可為后茬作物田提供氮素172.80 kg·hm-2。

表2 毛葉苕子腐解期間氮累積釋放率方差分析Table 2 Analysis of the variance of nitrogen cumulative release rate during the decay of Vicia Villosa L.

圖4 不同腐解時期毛葉苕子氮釋放特征Fig.4 Nitrogen release characteristics of Vicia Villosa L. in different decomposition stages

2.4 不同腐解時期毛葉苕子磷釋放特征

磷的累積釋放規律如圖5所示，在整個翻壓時期內，磷的累積釋放率沒有明顯的拐點或階段性。由表3可知，毛葉苕子在腐解28 d后磷素累積釋放率出現顯著差異，在翻壓后52 d內，累積釋放率持續增加至22.12%，進入冬季，降水的減少和溫度的下降，累積釋放率有了下降的趨勢，且在此期間累積釋放率無顯著差異，在腐解139 d時，累積釋放率降為6.86%。在腐解后期，氣溫回升加上降水的增加，磷的累積釋放率又在動態變化中穩步升高，在腐解結束后達到75.71%。在整個腐解歷程中，磷的養分釋放速率為15.24 mg·d-1。利用綠肥毛葉苕子的干物質量、磷素初始養分含量、綠肥毛葉苕子干物質的累積腐解率以及青海高原地區慣用綠肥翻壓量30 000 kg·hm-2等要素計算，翻壓毛葉苕子可為后茬作物田提供磷素10.93 kg·hm-2。

圖5 不同腐解時期毛葉苕子磷釋放特征Fig.5 Phosphorus release characteristics of Vicia Villosa L.in different decomposition stages

表3 毛葉苕子腐解期間磷累積釋放率方差分析Table 3 Analysis of the variance of phosphorus cumulative release rate during decay of Vicia Villosa L.

2.5 不同腐解時期毛葉苕子鉀釋放特征

鉀的釋放規律和氮類似，隨著腐解時間的增長，鉀的累積釋放率呈現逐漸增加的趨勢，并且鉀釋放迅速和徹底(圖6)，在腐解52 d時存在明顯的拐點，結合表4可知，毛葉苕子在腐解7、14、28、38、52 d時均與前期存在顯著差異，腐解188 d后鉀素累積釋放率顯示無明顯差異。對鉀累積釋放率作分段擬合，腐解時間在0～52 d內，鉀的累積釋放率呈現線性增加趨勢，釋放規律可用一元線性方程y=15.428x-17.808，R2=0.9934，x∈[1,52]進行擬合，y為鉀素累積釋放率，x為腐解時間，15.428表征鉀累積釋放率參數，17.808表征綠肥毛葉苕子鮮體中鉀最易釋放的組分。在腐解52 d時，累積釋放率迅速增加至74.27%，在0～52 d期間，鉀的養分釋放速率為874.79 mg·d-1。52 d至腐解結束，鉀的累積釋放率增加相對緩慢，養分釋放速率為58.58 mg·d-1。鉀累積釋放率與腐解時間的變化可用對數方程y=31.047ln(x)+5.1468，R2=0.9203，x∈(52,311]擬合，其中，y表示累積腐解率，x為腐解時間，31.047表征鉀累積釋放率參數，5.1468表征綠肥毛葉苕子鮮體中鉀最易釋放的組分。在腐解結束時，養分已幾乎釋放完全，累積釋放率高達 99.04%。利用綠肥毛葉苕子的干物質量、鉀素初始養分含量、綠肥毛葉苕子干物質的累積腐解率以及青海高原地區慣用綠肥翻壓量30 000 kg·hm-2等要素計算，翻壓毛葉苕子可為后茬作物田提供鉀素139.63 kg·hm-2。

表4 毛葉苕子腐解期間鉀累積釋放率方差分析Table 4 Analysis of the variance of the cumulative release rate of potassium during decay of the Vicia Villosa L.

圖6 不同腐解時期毛葉苕子鉀釋放特征Fig.6 Potassium release characteristics of Vicia Villosa L.in different decomposition stages

3 討 論

3.1 毛葉苕子的腐解特性

根據腐解周期為311 d的綠肥毛葉苕子腐解試驗，可將0～50 d視為綠肥毛葉苕子的相對快速分解期，50～240 d為中速分解期，240～311d為低速分解期。整個腐解期內，干物質腐解規律呈現對數函數動態變化，其累積腐解量(y)和腐解時間(x)可用方程y=27.256ln(x)-10.444，R2=0.9651表示。不同地區腐解規律存在顯著差異，薄晶晶等[18]對長武懷豆和黑麥草做了歷時300 d的腐解及碳氮養分釋放規律的研究，發現不同種類綠肥干物質的腐解規律具有一致性，主要分為3個階段，即0～105 d為快速上升時期，緩慢增加時期介于105～238 d，238～281 d為中低速增長時期。有學者研究表明秸稈腐解時間一般在20周內完成，但其腐解完成時間與腐解特性與多種生態因子有關，如綠肥所處生育時期。陳寧等[19]研究得出處于開花期的綠肥是最適宜的翻壓時期；綠肥本身化學組成、翻壓深度，呂麗霞等[20]在陜西延安進行0、10、25 cm 3個不同深度處理下果園綠肥的腐解特性研究發現，10 cm的翻壓深度有利于氮磷鉀的釋放，殘留量少；地塊施肥條件，與不施化學肥料的地塊相比，施入一定量的化肥有利于加快腐解進程[21]；鮮嫩程度和配施方式，有學者提出各種綠肥混合紫云英后腐解加快[22]；另外還與一些物理措施有關，如還田方式，與覆蓋地表相比，翻壓地下腐解速度快，累積腐解率比前者高20個百分點[23]；李忠義等[24]在進行小麥和油菜秸稈的腐解試驗時發現，腐解速度由快到慢為水泡>露天>土埋,但也有研究者[25]得出土埋>水淹>覆蓋。植株鮮體內的含氮量、C/N、綠肥翻壓量以及土壤溫度、水分[26]、通氣性和微生物等環境條件密切相關。梁軍等[27]在湖南長沙利用光葉苕子、箭筈豌豆、紫云英、黑麥草以及紫花苜蓿等5種綠肥做120多天的還田腐解動態試驗得出，0～12 d為綠肥鮮體的快速分解期，12～50 d為中速分解期，50 d以后為低速分解期，黑麥草和箭筈豌豆以3∶1混合翻壓處理釋放率最高。李帥等[28]在山東省研究冬牧70壓青的腐解及養分動態變化時得出，0～30 d為快速分解期，30 d后為緩慢腐解期。賈戌禹等[29]在廣東省連州市對多花黑麥草進行腐解規律及養分釋放動態研究時也得到了同樣的結果，翻壓前30 d為綠肥的快速分解期。

與上述研究結果相比，青海高原地區綠肥的腐解進程比較漫長，源于該區具有鮮明的地域性，青海高原地區屬于高原大陸性溫涼半干旱氣候，直接影響綠肥鮮體的分解。在腐解前期，植株體內的養分含量較高，另外，溫度相對較高，土壤微生物喜歡高溫高濕的環境，這樣的環境有利于土壤微生物的活動和酶活力的提升[24]，加之初始養分較充足，為微生物提供了豐富的營養物質，微生物活動相對劇烈，毛葉苕子腐解礦化快[24]。腐解50 d后，環境溫度逐漸下降，加上植株體內養分的耗竭，微生物活動強度下降，腐解速率變緩。除此之外，腐解速率呈現如上所述的趨勢也源于毛葉苕子鮮體植株腐解初期有容易分解的可溶性有機物，如糖、氨基酸類和有機酸類等物質，腐解后期殘留植株為難以分解的纖維素、木質素類物質[30]。

3.2 毛葉苕子的養分釋放規律

本試驗研究表明，綠肥毛葉苕子的養分釋放速率排序為氮>鉀>磷，這與其他地區的研究結果不同。劉佳等[31]在江西省撫州市對二月蘭進行腐解及養分釋放特征研究得出，各種養分釋放順序為鉀>氮>磷。宋莉等[22]在湖北武漢做油菜和紫云英綠肥及其不同比例配施還田研究時得出鉀>磷>氮，崔志強等[32]在果園綠肥的腐解研究中也發現了同樣的腐解規律。鄧小華等[33]在研究4種綠肥在湘西煙田中的腐解和養分釋放動態中得出，養分累積釋放率排序為氮>磷>鉀。同樣，這與綠肥所處生育時期、綠肥種類、綠肥本身化學組成、翻壓深度、地塊施肥條件、鮮嫩程度、配施方式、還田方式、C/N、綠肥翻壓量以及土壤溫度、水分、植株鮮體內的含氮量、土壤的通氣性和微生物等環境條件密切相關。劉新紅等[34]在湖南長沙對甘藍型、芥菜型和白菜型3種油菜綠肥做養分釋放規律的研究發現，在氮釋放方面表現為芥菜型>甘藍型>白菜型，而在磷釋放方面3種養分的釋放速率沒有明顯的差異性。另外，養分釋放特性與轉化規律還與綠肥的粉碎程度有很大的關系，吳凱等[35]研究粉碎程度對籽粒莧養分釋放與轉化的影響，發現粉碎程度越細，對土壤無機氮含量的提升有積極作用，粉碎程度粗則能促進土壤速效鉀含量的提升。

氮素是各種農作物完成整個生長史不可缺少的大量元素，由此，在實際的農業生產過程中，根據農作物具體生育期特殊的養分需求規律，可以確定綠肥毛葉苕子翻壓的時期，保證在作物進行營養生長或生殖生長的過程中，綠肥來源的養分能持續供應。本研究中，氮素在翻壓后的40 d內養分釋放較大。

在本試驗中，磷在腐解周期內養分含量呈現增加趨勢，但干物質在大量減少，因此磷累積釋放量依然在增加，說明磷素仍然在向土壤介質轉移，這可能與養分稀釋規律有關，即養分會從濃度高的介質向濃度低的介質轉移。牟小翎等[36]對兩種綠肥進行腐解及養分釋放特征的研究時也發現磷素含量在腐解前60多天內呈上升趨勢，但與本試驗不同的是磷含量在后期又開始下降。在此過程中，綠肥作物翻壓后富集了周圍土壤中的磷素養分，同時又向土壤介質中輸送了一部分，但在此不能確定毛葉苕子富集的磷屬于哪一種形態，若為易被作物吸收利用的速效態，則在后期有可能進行釋放[37]，使之不斷地向后茬作物輸送，匹配作物不同生育期的營養需求。在實際的農業生產中，可以配施種植其他種屬的綠肥作物，如十字花科的綠肥，十字花科綠肥根系分泌的有機酸類物質具有一定的解磷功能。在釋放其他養分的同時，可以分解轉化毛葉苕子鮮體內的磷，使土壤中的有機態養分被活化，利于作物吸收和利用。[38]

在氮磷鉀3種養分釋放規律中，與其他地區研究結果相比，鉀的釋放特征存在差異，鉀素在短期內得到釋放，這與寧東峰等[39]的研究結果相似，釋放率達90%。多數研究表明，鉀素的釋放速率快于氮和磷，但本試驗中氮素釋放快于鉀素，這源于綠肥毛葉苕子中的鉀以離子的形式存在于細胞和鮮體各個組織中，容易在水溶液環境下釋放，因此，青海高原地區降水的匱乏成為了鉀素釋放的限制因子，氮釋放速率最快，磷的釋放速率慢，磷以有機態形式存在，在物理作用下不易分解[28]。由此，在農業生產過程中，針對需鉀較多的作物其需求量較大的生育期應在綠肥翻壓后的52 d內，在此期間內養分釋放較大，且徹底。水分作為養分物質傳輸的介質，在翻壓時應保證供應充足的水分，不影響綠肥毛葉苕子養分的釋放和后茬作物對養分的吸收，確保綠肥資源的高效利用與管理。

本試驗基于綠肥翻壓減施化肥定位試驗，每年8月初種植綠肥毛葉苕子，10月初花期時將毛葉苕子翻壓入土，次年春播種小麥，在此農事措施下，在小麥的整個生育期內就能源源不斷地吸收來自鮮體綠肥中的養分。在其他地區，尤其在高溫高濕環境下，因為溫度和水分的原因養分在短期內釋放完全，甚至流失，使之不能得到充分的利用，發揮不出其本身的價值。在青海高原地區，突出的優勢在于，土壤微生物系統和外界氣候環境決定了綠肥體內養分釋放的速率相對較緩，腐解歷程漫長，這一突出優勢即保證了后茬作物能夠持續地吸收綠肥來源的養分，又能使養分不會快速流失。

4 結 論

通過對青海高原地區綠肥毛葉苕子的腐解特性和養分釋放規律的研究發現，經過311 d的腐解過程，毛葉苕子的累積腐解率達到86.39%，毛葉苕子干物質的腐解進程可用對數函數方程y=27.256ln(x)-10.444，R2=0.9651，x∈[1,311]擬合，根據方程可預測出，毛葉苕子鮮體腐解完全需要400 d。

氮磷鉀的養分釋放速率表現為氮>鉀>磷，其累積釋放率分別達91.31%、75.71%、99.04%，根據青海高原地區的綠肥翻壓量30 000 kg·hm-2計算，綠肥翻壓當年，可向后茬作物田提供氮素172.80 kg·hm-2、磷素10.93 kg·hm-2、鉀素139.63 kg·hm-2。

致謝：感謝在試驗過程中提供幫助的宋明丹老師及白璐、李明娟、陳子英、謝帥和張鑫鵬同學；感謝國家綠肥產業體系西寧綜合試驗站的老師及工作人員。