陜北旱地毛葉苕子不同翻壓量下腐解速率及養(yǎng)分變化特征

段志龍，王晨光，馬 欣，王 輝

（1.延安市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，陜西 延安 716000；2.陜西省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，陜西 西安 710003）

渭北黃土高原溝壑區(qū)是我國(guó)西北地區(qū)的主要農(nóng)業(yè)區(qū)，該地區(qū)光照充足，晝夜溫差大，雨熱同季，海拔高度適宜，因其獨(dú)特的自然條件和生態(tài)因素被農(nóng)業(yè)農(nóng)村部確定為兩大蘋(píng)果產(chǎn)業(yè)優(yōu)生帶之一［1-2］。為發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)、減少過(guò)度依賴(lài)化肥引起的土壤健康問(wèn)題，在果樹(shù)行間種植綠肥成為有效改良土壤、培肥地力的重要措施［3］。相關(guān)研究表明，綠肥翻壓后可以改善土壤微生物性狀，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量和氮、磷、鉀養(yǎng)分含量［4-5］，提高果園微生物數(shù)量和酶活性［6］，從而改善土壤質(zhì)量［7］。綠肥翻壓后其腐解規(guī)律和養(yǎng)分釋放特征因地域、作物種類(lèi)、土壤類(lèi)型的不同亦存在明顯差異［8-10］，黃土旱塬區(qū)農(nóng)田土壤中長(zhǎng)武懷豆和黑麥草翻壓腐解的研究發(fā)現(xiàn)綠肥腐解速率呈“快速上升—緩慢增加—中低速增長(zhǎng)”的倒“S”形，碳、氮養(yǎng)分在翻埋后快速釋放，長(zhǎng)武懷豆的腐解速率、累積腐解率高于黑麥草，其氮釋放也相對(duì)較快［9］；在貴陽(yáng)黃壤旱地采用尼龍網(wǎng)袋法研究綠肥翻壓還田養(yǎng)分釋放特征時(shí)發(fā)現(xiàn)，風(fēng)干綠肥的腐解速率高于新鮮綠肥，經(jīng)過(guò) 180 d的腐解，氮素釋放率為73.55%～83.80%，磷素釋放率為 76.40%～87.13%，鉀素腐解率高于氮素和磷素［10］。

毛葉苕子（Vicia villosa）是我國(guó)主要的綠肥作物，能充分利用水、光、熱和土地資源，具有較強(qiáng)的抗寒抗旱耐貧瘠能力［11-12］。相關(guān)研究表明，毛葉苕子在不同土壤類(lèi)型下其腐解特征及養(yǎng)分釋放規(guī)律有所不同［8，12-13］。張成蘭等［12］在豫南稻田不同施肥條件下毛葉苕子腐解及養(yǎng)分釋放特征的研究表明，不同施肥處理下毛葉苕子累積腐解率為65.3%～72.5%，腐解過(guò)程中呈現(xiàn)前11 d腐解較快，后期腐解緩慢并逐漸趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)；養(yǎng)分釋放率表現(xiàn)為鉀＞磷＞碳＞氮，翻壓148 d 氮、磷、鉀的累積釋放率分別為78.2%～81.2%、89.8%～91.4%、96.3%～97.0%。劉佳等［8］在紅壤旱地的研究表明，毛葉苕子腐解過(guò)程為前期迅速、后期緩慢，碳、氮、磷、鉀均在翻壓后的前20 d大量釋放，且增加翻壓量會(huì)對(duì)養(yǎng)分的釋放率和釋放速率產(chǎn)生影響。寧東峰等［13］在華北潮土的研究發(fā)現(xiàn)毛葉苕子翻壓21 d內(nèi)氮釋放較快，磷在整個(gè)翻壓期內(nèi)的釋放較為平緩，鉀在翻壓前期迅速釋放。陜北地區(qū)毛葉苕子產(chǎn)量為45000 kg/hm2，將如此大量的毛葉苕子原地還田是否科學(xué)，其釋放的養(yǎng)分能否得到合理利用，在渭北旱地關(guān)于毛葉苕子翻壓的養(yǎng)分釋放特征研究應(yīng)用較少，數(shù)據(jù)支撐不足。因此，本研究綜合考慮了毛葉苕子在陜北種植的一般產(chǎn)量范圍及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中綠肥的常見(jiàn)用量，設(shè)置不同翻壓量處理，在大田試驗(yàn)條件下采用尼龍網(wǎng)袋法［14］研究毛葉苕子不同翻壓量后的腐解和養(yǎng)分釋放規(guī)律，明確綠肥翻壓對(duì)土壤養(yǎng)分的貢獻(xiàn)，為合理確定綠肥翻壓量和化肥配施量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本試驗(yàn)于2020年9～12月在陜西省延安市洛川縣鳳棲鎮(zhèn)西井村（109°26′25″E，35°46′19″N）進(jìn)行，該地區(qū)位于渭北黃土高原溝壑區(qū)，海拔1180 m，暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫9.2℃，晝夜溫差15.7℃，無(wú)霜期167 d，日照時(shí)數(shù)2552 h，年均降水量622 mm。土壤類(lèi)型為黑壚土，有機(jī)質(zhì)含量10.65 g/kg，全氮含量0.49 g/kg，全磷含量0.54 g/kg，全鉀含量30.22 g/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)3個(gè)不同翻壓量處理：（1）180 g/袋（T1，低翻壓量，相當(dāng)于30000 kg/hm2）；（2）270 g/袋（T2，中翻壓量，相當(dāng)于45000 kg/hm2）；（3）315 g/袋（T3，高翻壓量，相當(dāng)于52500 kg/hm2）。于2020年9月將盛花期毛葉苕子植株剪成3～4 cm的小段，分裝于20 cm×30 cm的尼龍網(wǎng)袋內(nèi)，翻埋于空白果樹(shù)行間，深度15～20 cm。毛葉苕子品種為蒙苕1號(hào)，試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組排列，3次重復(fù)。裝袋時(shí)毛葉苕子鮮體的含水量為76.36%，養(yǎng)分狀況見(jiàn)表1。

表1 毛葉苕子初始養(yǎng)分含量 （g/kg）

1.3 樣品采集與測(cè)定

于 翻 壓 后3、10、17、27、37、47、61、75、71 d進(jìn)行埋袋樣品取樣，取樣后去除表面泥土及雜物，將網(wǎng)袋中毛葉苕子殘留樣品于80℃烘箱中烘干稱(chēng)量，粉碎后測(cè)定氮、磷、鉀養(yǎng)分的含量。植株樣品經(jīng)H2SO4-H2O2消煮后，全氮用凱氏定氮法測(cè)定，全磷用釩鉬黃比色法測(cè)定，全鉀用火焰光度法測(cè)定［15］。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2016和SigmaPlot 10.0進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和制作圖表，采用SPSS 22.0進(jìn)行顯著性分析。相關(guān)計(jì)算公式如下：

累積腐解率（%）=（M0-Mt）/M0×100 （1）

平均腐解速率（g/d）=（Mt-Mt-1）/（Tt-1-Tt） （2）

養(yǎng)分累積釋放率（%）=（C0×M0-Ct×Mt）/（C0×M0）×100 （3）

養(yǎng)分累積釋放量（mg）=C0×M0-Ct×Mt（4）

養(yǎng)分釋放速率（mg/d）=（Ct×Mt-Ct-1×Mt-1）/（Tt-Tt-1）（5）

式中，C0為毛葉苕子初始養(yǎng)分含量，Ct為毛葉苕子t時(shí)刻養(yǎng)分含量；M0為毛葉苕子初始干物質(zhì)質(zhì)量，Mt為毛葉苕子t時(shí)刻干物質(zhì)質(zhì)量；Tt為t時(shí)刻的天數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 毛葉苕子干物質(zhì)的腐解特征

毛葉苕子翻壓后干物質(zhì)腐解率的動(dòng)態(tài)變化如圖1所示。可以看出，隨著時(shí)間的推移，不同翻壓量毛葉苕子的干物質(zhì)累積腐解率均呈逐漸增加的趨勢(shì)，但翻壓前期（0～27 d）增加較快，T1、T2、T3處理在翻壓27 d時(shí)累積腐解率分別達(dá)到52.29%、48.24%和44.63%，其中T1與T3處理達(dá)到顯著差異（P＜0.05）；27 d后累積腐解率增加變緩，至試驗(yàn)結(jié)束時(shí)各處理干物質(zhì)的最終腐解率依次為61.98%、62.08%和65.32%。比較翻壓后不同處理間毛葉苕子干物質(zhì)的累積腐解率發(fā)現(xiàn)，0～47 d累積腐解率均為T(mén)1＞T2＞T3，47 d后T1處理累積腐解率緩慢降低，T3處理緩慢上升。毛葉苕子翻壓后各時(shí)期干物質(zhì)平均腐解速率的動(dòng)態(tài)變化大體可分為2個(gè)階段，0～17 d為快速下降階段，腐解速率由最初的10.41～12.85 g/d迅速下降到2.91～3.60 g/d；17 d后腐解速率下降相對(duì)緩慢，此階段的平均腐解速率為0.87～1.53 g/d。縱觀翻壓后各時(shí)期干物質(zhì)平均腐解速率變化，整體表現(xiàn)為T(mén)1＜T2＜T3。

2.2 毛葉苕子氮釋放特征

圖1 毛葉苕子干物質(zhì)累積腐解率和平均腐解速率的動(dòng)態(tài)變化

圖2 毛葉苕子氮養(yǎng)分釋放動(dòng)態(tài)變化

從圖2a可以看出，翻壓后毛葉苕子氮的累積釋放率與干物質(zhì)的腐解規(guī)律相似，毛葉苕子翻壓后0～17 d為氮的快速釋放時(shí)期，第17 d時(shí)T1、T2和T3處理氮累積釋放率分別為59.06%、57.52%和51.05%，17～75 d氮素釋放較之前緩慢，至75 d各處理氮累積釋放率依次為75.23%、69.10%和70.97%。氮累積釋放率整體表現(xiàn)為T(mén)1＞T2＞T3。圖2b是毛葉苕子翻壓后各時(shí)期氮養(yǎng)分釋放速率的動(dòng)態(tài)變化，其變化大體可分為2個(gè)階段，0～10 d為快速下降階段，釋放速率由最初的26.06～38.69 mg/d迅速下降到7.79～11.05 mg/d；17 d時(shí)T2處理釋放速率顯著高于T1和T3處理，之后釋放速率下降相對(duì)緩慢，至75 d時(shí)氮養(yǎng)分釋放速率為0.80～0.98 mg/d。縱觀翻壓后各時(shí)期氮養(yǎng)分釋放速率變化，整體表現(xiàn)為T(mén)1＜T2＜T3。

2.3 毛葉苕子磷釋放特征

圖3為毛葉苕子翻壓后各時(shí)期磷養(yǎng)分動(dòng)態(tài)變化，隨著時(shí)間的推移，不同翻壓量毛葉苕子的磷養(yǎng)分釋放均呈逐漸增加的趨勢(shì)，但翻埋后0～10 d為磷的快速釋放時(shí)期，第10 d時(shí)T1、T2和T3磷累積釋放率分別為49.60%、46.16%和43.97%；10～75 d磷釋放速率緩慢上升，第75 d時(shí)T1、T2和T3磷累積釋放率分別為78.24%、72.25%和73.32%，累積釋放率整體表現(xiàn)為T(mén)1＞T2＞T3。0～10 d磷釋放速率由最初的6.84～9.79 mg/d迅速下降到0.35～0.41 mg/d，10～75 d釋放速率在0.14～0.52 mg/d左右浮動(dòng)。

2.4 毛葉苕子鉀釋放特征

圖4為毛葉苕子翻壓后各時(shí)期鉀養(yǎng)分動(dòng)態(tài)變化，與磷養(yǎng)分釋放規(guī)律相似，隨著時(shí)間的推移，不同翻壓量毛葉苕子的鉀釋放呈逐漸增加的趨勢(shì)，至試驗(yàn)結(jié)束時(shí)（75 d），T1、T2和T3處理鉀累積釋放率分別為90.02%、81.62%和86.51%，累積釋放率整體表現(xiàn)為T(mén)1＞T2＞T3。0～10 d為鉀元素快速釋放時(shí)期，鉀釋放速率由最初的40.61～53.14 mg/d迅速下降到7.89～16.33 mg/d，且各處理差異顯著（P＜0.05），10～75 d釋放速率緩慢下降，在第10和17 d時(shí)T1釋放速率顯著高于T2、T3處理，至75 d時(shí)鉀養(yǎng)分釋放速率為0.45～3.13 mg/d。

圖3 毛葉苕子磷養(yǎng)分釋放動(dòng)態(tài)變化

圖4 毛葉苕子鉀養(yǎng)分釋放動(dòng)態(tài)變化

2.5 毛葉苕子氮、磷、鉀釋放率和釋放速率的回歸分析

毛葉苕子翻壓后其養(yǎng)分釋放率（y）、釋放速率（v）與翻壓時(shí)間（x）的關(guān)系可用回歸方程擬合（表2）。其養(yǎng)分釋放率與翻壓時(shí)間的關(guān)系符合冪函數(shù)y=axb［8，16-17］，方程中參數(shù)a可用來(lái)表征翻壓后某種養(yǎng)分能夠較快達(dá)到的釋放率，b為釋放率增長(zhǎng)參數(shù)。養(yǎng)分釋放速率與翻壓時(shí)間的關(guān)系參考Olson［18］的指數(shù)衰減模型v=v0e-kx進(jìn)行擬合，方程中的v0表征某種養(yǎng)分的最大釋放速率，e為自然常數(shù)，k為速率衰減參數(shù)［19］。通過(guò)回歸分析可以看出，不同翻壓量下各養(yǎng)分最易達(dá)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(zhǎng)參數(shù)b未表現(xiàn)出明顯變化，從而得出加大翻壓量并不能改變各種養(yǎng)分的整體釋放規(guī)律。從釋放速率方程可以看出，隨著翻壓量的增加，各養(yǎng)分的最大釋放速率變化有所差異，氮養(yǎng)分最大釋放速率呈先增加后減小的趨勢(shì)，磷的最大釋放速率呈逐漸提升的趨勢(shì)，鉀的最大釋放速率呈逐漸減少的趨勢(shì)。通過(guò)回歸分析預(yù)測(cè)到不同翻壓量的毛葉苕子還田后，其氮、磷和鉀完全釋放的時(shí)間分別是132～181、184～351和80～118 d。

表2 毛葉苕子氮、磷、鉀釋放率和釋放速率的回歸分析

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間推移不同翻壓量毛葉苕子腐解率均呈前期（0～27 d）迅速增加、后期緩慢的變化趨勢(shì)，最終腐解率達(dá)到61.98%～65.32%，這與已有研究結(jié)論相似［5，8-10］。主要是由于翻壓初期毛葉苕子植株水分含量高，水溶性有機(jī)物多糖、氨基酸、有機(jī)酸等有機(jī)物質(zhì)被微生物利用，這些易分解的有機(jī)物質(zhì)為土壤微生物提供大量的碳源和養(yǎng)分，加速了腐解進(jìn)程［20］；同時(shí)腐解前期植株秸稈中微生物偏嗜性高的可溶性糖類(lèi)、蛋白質(zhì)和（半）纖維素等物質(zhì)會(huì)快速分解。隨翻壓時(shí)間的延長(zhǎng)，植株秸稈中易分解有機(jī)物質(zhì)逐漸減少，而微生物較難利用的木質(zhì)素、單寧和蠟質(zhì)等比例升高，腐解隨之緩慢［21］。另一方面，溫度和水分也是影響土壤微生物活性和物質(zhì)腐解的重要因素，在一定范圍內(nèi)溫度升高、土壤含水量增加會(huì)加速物質(zhì)腐解［22］。本試驗(yàn)在9～12月進(jìn)行，9月氣溫較高，翻壓的毛葉苕子在較適宜的溫濕度條件下加快了腐解，但之后氣溫降低降水少等環(huán)境因素的變化使土壤通氣狀況受到影響，影響有機(jī)物料的分解速率［23］，限制了植株殘?bào)w的腐解速率。

不同養(yǎng)分的釋放率與其在植物體內(nèi)的存在形態(tài)和分布位置有關(guān)，本研究中毛葉苕子大量營(yíng)養(yǎng)元素釋放率順序?yàn)殁洠玖祝镜⒘住⑩浝鄯e釋放率依次為69.10% ～75.23%、72.25% ～ 78.24%、81.62%～90.02%，這與劉佳等［8］的研究結(jié)果相似，劉佳等［8］利用新鮮樣品在紅壤旱地進(jìn)行了腐解試驗(yàn)，結(jié)果顯示土壤類(lèi)型不同導(dǎo)致腐解強(qiáng)度略強(qiáng)于黃土高原旱地，此外供試土壤類(lèi)型不同可能也對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生了一定影響。從腐解過(guò)程中養(yǎng)分釋放速率的動(dòng)態(tài)變化和回歸分析中可以看出，增加翻壓量不會(huì)改變毛葉苕子整體的腐解及養(yǎng)分釋放規(guī)律，但會(huì)對(duì)養(yǎng)分的釋放率和釋放速率產(chǎn)生影響。隨著翻壓量的增加，氮養(yǎng)分最大釋放速率呈先增加后減小的趨勢(shì)，磷的最大釋放速率逐漸提升，鉀的最大釋放速率逐漸減少。增加翻壓量對(duì)毛葉苕子磷完全釋放的延緩效應(yīng)最大（延緩145～167 d）、氮次之（延緩31～49 d）、鉀最小（延緩26～38 d），在黃土高原旱地翻壓毛葉苕子時(shí)增加翻壓量對(duì)鉀素釋放率的影響最小。氮、磷、鉀養(yǎng)分釋放過(guò)程差異明顯，可能與其存在的形態(tài)有關(guān)，鉀在植株體內(nèi)以離子形式存在，易溶于水而容易被釋放出來(lái)；氮在植物體內(nèi)主要存在于蛋白質(zhì)和氨基酸中，僅有少量以硝態(tài)氮和銨態(tài)氮等形式存在，易釋放；磷以難分解的有機(jī)態(tài)為主，其與大分子有機(jī)態(tài)氮釋放需要微生物分解，且釋放過(guò)程較慢［5，24-25］。毛葉苕子適應(yīng)能力強(qiáng)，在我國(guó)南北方產(chǎn)量均很高，因此在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)充分結(jié)合作物需肥特性，確定毛葉苕子合理的翻壓量，使綠肥資源得到合理利用。但是本研究?jī)H局限于毛葉苕子的養(yǎng)分釋放這一環(huán)節(jié)，其養(yǎng)分釋放對(duì)果園土壤及蘋(píng)果品質(zhì)等的影響還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

毛葉苕子腐解呈前期迅速增加、后期緩慢的變化趨勢(shì)，氮、磷、鉀養(yǎng)分均在翻壓后的前10 d大量釋放。增加翻壓量不會(huì)改變毛葉苕子整體的腐解及養(yǎng)分釋放規(guī)律，但會(huì)對(duì)養(yǎng)分的釋放率和釋放速率產(chǎn)生影響，在陜北旱地增加翻壓量對(duì)毛葉苕子鉀素釋放率影響最小，對(duì)磷釋放的延緩效應(yīng)最大。