5種綠肥在柑橘地的腐解及養分釋放特征

唐紅琴，何鐵光，董文斌，韋彩會，曾成城，蒙炎成，李忠義

（廣西壯族自治區農業科學院農業資源與環境研究所，廣西 南寧 530007）

0 引言

【研究意義】我國是世界上綠肥種植年限最長、面積最大、范圍最廣的國家。然而，隨著化肥的推廣應用，綠肥種植面積迅速減少，過量施用化肥以及不合理的耕作模式導致土壤環境逐漸惡化[1]。目前，柑橘在廣西的種植面積已超過40 萬hm2，種植戶單純追求產量，導致過度依賴化肥，其肥料利用率低，生產成本居高不下，且果品質量欠佳，制約了柑橘產業的可持續發展[2]。綠肥作為一種清潔的有機肥源，壓青還田后在改善土壤化學及生物學性狀，促進對主栽作物的養分供給和保障作物穩產、高產方面具有明顯優勢[3-4]。因此，在柑橘園種植和利用綠肥，提高土壤肥力、改善橘園土壤環境是推進農業綠色發展的重要方式?！厩叭搜芯窟M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[5]。綠肥還田后秸稈腐解及養分釋放過程受綠肥作物自身化學性質、環境條件以及田間管理措施等[5]多種因素影響，其腐解過程主要分為快速腐解期、緩慢腐解期和腐解停滯期[6-7]。而養分礦化速率不同的主要原因是綠肥莖稈中鉀元素以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[8]?！颈狙芯壳腥朦c】近年來，拉巴豆（Dolichoslablab）作為多年生綠肥，紫云英（Astragalus sinicus）、光葉苕子（Viciavillosa rothvar）、紫花苜蓿（Medicago sativa）、黑麥草（Lolium multiflorum）等作為冬季綠肥在廣西柑橘園行間種植并應用推廣[9]，但這5 種綠肥在柑橘地的腐解和養分釋放還鮮有報道?！緮M解決的關鍵問題】本研究采用尼龍網袋法，研究拉巴豆、紫云英、光葉苕子、紫花苜蓿、黑麥草在柑橘園行間還田后的腐解情況，分析其腐解規律和養分釋放動態特征，為橘園綠肥的合理利用和柑橘養分管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗開展于廣西南寧市義平水果種植專業合作社柑橘基地，該地屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫21.6 ℃，東經108°5′、北緯23°1′，海拔255 m。柑橘品種為沃柑，綠肥品種為多年生豆科綠肥：拉巴豆（DL）；冬季豆科綠肥：紫云英（AS）、光葉苕子（VR）、紫花苜蓿（MS）；冬季禾本科綠肥：黑麥草（LM）。綠肥種質資源來源于廣西農業科學院農業資源與環境研究所，均為同批次，干基養分含量見表1。試驗地土壤類型為紅壤，基本理化性質為：堿解氮86.3 mg·kg-1，有效磷7.5 mg·kg-1，速效鉀96 mg·kg-1，有機質18.67 g·kg-1，pH5.7。試驗地在試驗期間的降雨量見圖1，平均氣溫見圖2。

圖1 綠肥腐解過程中的降雨量Fig.1 Precipitation during time of green manure decaying

圖2 綠肥腐解過程中的氣溫Fig.2 Air temperature during time of green manure decaying

表1 供試綠肥的含水率及碳、氮、磷、鉀養分含量Table 1 Contents of water,C,N,P,and K in 5 green manures

1.2 試驗設計

5 種綠肥均于2017 年10 月下旬種植，于2018 年4 月10 日對5 種綠肥進行收割，將地上部分切成2 cm 小段，混勻后裝入尼龍網袋，每袋裝入200 g，將袋展平、封好口袋，在柑橘兩行之間的小區內翻壓綠肥，還田深度為20 cm，間距為30 cm。根據李帥等方法[10]，還田后第0、20、40、60、80、100 d進行取樣，即當年7 月19 日試驗結束。每次每種綠肥處理取3 袋，樣品取回后用蒸餾水沖洗干凈，烘干稱其質量、磨碎后測定碳、氮、磷、鉀含量。

1.3 指標測定

植物樣全碳含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定，樣品經濃硫酸-過氧化氫消解后，采用凱氏定氮法測定全氮含量，用釩鉬黃比色法測定全磷含量，采用火焰光度計法測定全鉀含量。

1.4 數據處理與統計

本文數據處理中均以干樣進行計算。利用Microsoft Excel 軟件進行數據處理和繪圖，用SPSS22.0 進行方差分析。

式中，m0為綠肥初始干物質量，mt為翻壓t天的綠肥干物質量；w0為綠肥初始養分含量，wt為翻壓t天的綠肥養分含量。

2 結果與分析

2.1 綠肥腐解特征

經過100 d 的腐解試驗，結果表明（表2）：拉巴豆的累計腐解量在整個腐解階段均為全組最高，且顯著高于其他處理（P＜0.05）。5 種綠肥的腐解分為前期快速腐解期（0～20 d）和中后期的緩慢腐解期（20～100 d）。前20 d，5 種綠肥的腐解速率達0.53～1.74 g·d-1，到了第20～40 d 則降至0.06～0.31 g·d-1，隨后2 次取樣結果表明，5 種綠肥的腐解速率依舊較低，但到了第80～100 d，5 種綠肥腐解速率均有所升高，這可能與該時間段（7 月份）氣溫高有關，根據當地氣象局提供的數據顯示，第80～100 d 的腐解期平均氣溫為整個試驗期的最高（圖1）。

表2 不同綠肥腐解量、腐解速率及腐解率Table 2 Quantity,speed,and rate of manure decomposition

腐解率方面，5 種綠肥的腐解均較為徹底，這與本試驗地高溫多雨有關，試驗期間，試驗地平均氣溫達27.68 ℃（圖1），日平均降雨量達到4.15 mL（圖2）。其中，腐解至20 d，5 種綠肥的腐解率達到35.52%～73.96%，腐解至100 d，其腐解率分別達79.13%～90.25%。在前4 次取樣中，拉巴豆的腐解率均為最高，第100 d 取樣時，紫云英的腐解率為全組最高。5 種綠肥累計腐解率分別表現為紫云英＞拉巴豆＞黑麥草＞紫花苜蓿＞光葉苕子，紫云英和拉巴豆累計腐解率顯著高于光葉苕子和紫花苜蓿。因此，5 種綠肥的累計腐解量最高為拉巴豆，累計腐解率最高的為紫云英，光葉苕子的累計腐解量及腐解速率均為全組最低。

2.2 碳釋放特征

由表3 可知，5 種綠肥的碳釋放均大致表現出0～20 d 釋放快，20～100 d 相對較慢的特征，但不同綠肥之間仍有較大差異。腐解至20 d 時，拉巴豆、紫云英、光葉苕子、紫花苜蓿、黑麥草的碳累計釋放率分別為78.59%、72.99%、38.10%、53.93%、56.82%，拉巴豆和紫云英的碳累計釋放率顯著高于其余幾組（P＜0.05）。腐解至100 d 時，5 種綠肥碳累計釋放率表現為黑麥草＞拉巴豆＞紫云英＞紫花苜蓿＞光葉苕子，分別達到95.48%、94.06%、92.58%、86.69%、80.90%，除拉巴豆外，黑麥草的碳累計釋放率顯著高于其余幾組，光葉苕子的累計釋放率均為全組最低。

表3 不同綠肥碳釋放特征Table 3 C releases of 5 green manures

2.3 氮釋放特征

如表4 可知，5 種綠肥還田后，氮的釋放在0～20 d 較為迅速。腐解至20 d，5 種綠肥的氮累計釋放率均高于60%，其中，拉巴豆、紫云英、光葉苕子、紫花苜蓿、黑麥草的氮釋放率分別達到87.63%、79.94%、69.04%、66.92%、66.99%，拉巴豆的氮釋放率為全組最高，顯著高其余幾組（P＜0.05）。試驗結束時，5 種綠肥氮釋放較為徹底，累計釋放率均高于90%，5 種綠肥氮累計釋放率表現為拉巴豆＞黑麥草＞紫云英＞紫花苜蓿＞光葉苕子，分別達到97.64%、96.73%、96.48%、95.35%、94.63%。拉巴豆的氮累計釋放率均為全組最高，光葉苕子為全組最低。

表4 不同綠肥氮釋放率特征Table 4 N releases of 5 green manures

2.4 磷釋放特征

由表5 可知，磷的釋放也表現出前期快（0～20 d），中后期（20～100 d）慢的特征，但不同綠肥之間仍有較大差異。腐解20 d 時，拉巴豆、紫云英、光葉苕子、紫花苜蓿、黑麥草的磷累計釋放率分別為80.92%、49.90%、41.39%、28.60%、78.85%，此時拉巴豆的磷累計釋放率最高，較磷累計釋放率最低的紫花苜蓿高出182.93%。腐解至100 d 時，5 種綠肥磷累計釋放率表現為黑麥草＞拉巴豆＞紫云英＞光葉苕子＞紫花苜蓿，分別達96.28%、95.70%、83.50%、66.85%、59.66%?？赡芘c綠肥初始磷含量有關，拉巴豆和黑麥草在整個腐解期間的釋放率都顯著高于另外幾種綠肥（P＜0.05）。

表5 不同綠肥磷釋放率Table 5 P releases of 5 green manures

2.5 鉀釋放特征

由表6 所示，與C、N、P 相比，鉀的釋放相對迅速并徹底。腐解至20 d 時，拉巴豆、紫云英和光葉苕子的鉀累計釋放率均超過90%，分別為93.04%、96.72%、92.24%，紫花苜蓿和黑麥草分別達到87.09%、80.22%，該階段紫云英的鉀累計釋放率顯著高于其余幾組；試驗結束時，幾種綠肥的鉀釋放十分徹底，均在94%以上，5 種綠肥的鉀累計釋放率表現為拉巴豆＞光葉苕子＞紫云英＞黑麥草＞紫花苜蓿，分別為99.64%、99.43%、98.02%、97.73%、94.46%。由于拉巴豆和黑麥草的初始鉀含量高于另外幾種綠肥，因此在整個腐解期間，拉巴豆和黑麥草的鉀累計釋放率一直較高，腐解至100 d 時，拉巴豆的鉀累計釋放率為全組最高，紫花苜蓿為全組最低。

表6 不同綠肥鉀釋放率特征Table 6 K releases of 5 green manures

2.6 碳氮比

由圖3 可知，除個別取樣結果外，5 種綠肥的碳氮比隨腐解的進行大致呈現上升的趨勢，拉巴豆、紫云英、光葉苕子、紫花苜蓿、黑麥草在初始時的碳氮比分別為16.46、16.05、16.32、18.27、20.19，試驗結束時，其碳氮比分別為41.68、42.13、58.31、52.49、28.92。由此可看出，作為豆科綠肥，其氮含量相對較高，故其初始碳氮比均低于黑麥草，試驗結束時卻均高于黑麥草，說明豆科植物的氮素釋放較禾本科更為徹底。

3 討論與結論

綠肥的腐解變化情況是評價其在保持和改善土壤有機質作用、預測土壤有機質含量的動態變化等方面所必需的資料。根據綠肥不同腐解特點，確定其利用方式，可提高其利用率[11]。秸稈中水溶性物質、苯醇溶性物和粗蛋白物質分解最快，半纖維次之，纖維素再次之，木質素最難分解[12]，隨著綠肥腐解時間的延長，綠肥中難分解的纖維素和木質素等組分比例不斷升高，腐解速率隨之變慢[13]。大量研究結果表明，綠肥在還田后表現出前期腐解快，后期腐解慢的規律[14-15]，本研究結果也與之吻合，薄晶晶等[16]研究發現，0～105 d 是長武懷豆和黑麥草腐解的快速上升時期，105～238 d 進入緩慢腐解階段，238～281 d 為中低速增長時期，試驗結束時（281 d）長武懷豆和黑麥草的累計腐解率分別達82.64%和81.04%。本研究中，5 種綠肥腐解至20 d 的腐解率為35.52%～73.96%，腐解至100 d 的腐解率達79.13%～90.25%，本研究試驗時間更短，但綠肥腐解程度相當，這可能與試驗地溫度與降雨量有關，前者年均溫度僅為9.1 ℃，而本研究試驗地年均溫度達到21.6 ℃，其中，本試驗開展期間的平均氣溫達到27.68 ℃。氣候條件是影響土壤微生物活性和物質腐解的重要因素，尤其以氣溫和降水最為關鍵[17]。前人研究表明[18-19]，在一定范圍內溫度（10～30 ℃）升高、土壤含水量（30%～105%最大田間持水量）加大，物質腐解加速。崔志強等研究表明[14]，北方溫度和水分相對較低，限制了微生物對綠肥的分解，較少的降水限制了綠肥中可溶性物質隨水淋失的數量。同時，本研究中，5 種綠肥之間的腐解率亦有一定差異，拉巴豆的腐解率最高（90.25%），較腐解率最低的光葉苕子（79.13%）高出14.05%，這主要是由于不同種類的綠肥化學性質如組成（半纖維素、纖維素及木質素各自所占的比例）及其養分含量不同所導致的[5]。

綠肥翻壓后通過腐解可提高土壤肥力，綠肥快速腐解期同時也是養分的快速釋放階段[20-21]，因此，綠肥養分的釋放率與腐解速率同步，亦受氣溫和降雨的影響。趙娜等[15]在陜西長武縣的研究發現，大豆、懷豆、綠豆3 種綠肥還田287 d 后，N、P、K 的平均殘留率還分別有50.0%、53.0%和4.1%，明顯高于本研究的養分殘留率，前者研究地屬西北內陸暖溫帶半濕潤大陸性氣候，年均氣溫僅9.1 ℃。此外，綠肥營養元素與植物組織的結合程度決定了該元素釋放率的大小。莖稈中鉀不以化合態形式存在，而是以K+形態存在于細胞或組織內，很容易被水浸提釋放出來，因此鉀的釋放非常迅速且徹底，大量研究發現鉀累計釋放率大于90%[8，22]。碳、氮、磷元素主要以難分解的有機態為主[15]，釋放速率相對較慢。本研究結果表明，不同綠肥翻壓還田后，不同養分累計釋放率有明顯差異。李帥等[10]的研究發現，不同地區的綠肥翻壓還田后，碳、氮、磷、鉀的累計釋放率分別為81.39%～87.78%、73.61%～90.11%、80.71%～85.82%、99.55%～99.87，養分累計釋放率表現為鉀＞氮＞碳＞磷，鉀素累計釋放量較大且速度較快，本研究結果與之吻合，試驗結束時，碳、氮、磷、鉀的累計釋放率分別為80.90%～95.48%、94.63%～97.64%、59.66%～96.28%、94.46%～99.64%，養分累計釋放率亦表現為鉀＞氮＞碳＞磷。潘福霞等[23]研究表明，綠肥翻壓可為土壤提供速效養分，土壤無機氮的增加量為釋放量的38.3%～69.0%，土壤速效磷的增加量僅為釋放率的2.4%～6.0%，土壤速效鉀增加量達綠肥釋放率的80.8%～88.5%，鉀的循環利用程度高，并且與化學鉀肥具有相同的營養功效[24]，因此在翻壓綠肥后可根據養分需求規律適當減少鉀肥用量并延后施用。本研究未對翻壓綠肥的土壤養分指標進行同步分析，5 種綠肥釋放的養分有多少轉化為土壤養分以及在不同腐解階段綠肥釋放的養分有多大比例是可以作為吸收的形態存在，這些方面還需進一步探究，進而更科學地為柑橘地綠肥翻壓提供依據。此外，在開展20 cm土埋還田的同時，本團隊還開展了覆蓋還田下5 種綠肥的腐解特征研究，結果表明：腐解至100 d 時，5 種綠肥腐解率達44.68%～84.28%，低于本研究的土埋還田下的腐解率；覆蓋還田下5 種綠肥的碳累計釋放率為53.43%～87.67%、氮累計釋放率為71.56%～92.16%、磷累計釋放率為60.66%～91.39%、鉀累計釋放率為91.22%～99.52%，碳和氮的累計釋放率明顯低于土埋還田，而磷和鉀的累計釋放率則較為接近。因此，在條件允許的情況下，建議采用土埋還田的方式對以上5 種綠肥進行還田。覆蓋還田的研究結果將在另一篇研究論文中進行發表。

作物碳氮比與作物腐解速率有一定關系，本研究中，5 種綠肥初始碳氮比為16.46～20.19，試驗結束時，其碳氮比上升為28.92～58.31，這與本研究中氮的養分釋放率高于碳的釋放率結果吻合。研究表明，碳氮比小的作物更易于腐解[25]，因此，本研究中碳氮比在腐解過程中呈現大致升高的趨勢，而5 種綠肥的腐解速率則隨腐解進程呈下降趨勢。

綜上，5 種綠肥的腐解及養分釋放均表現為前期（0～20 d）快，中后期（20～100 d）慢的特征。腐解至20 d，腐解率達到35.52%～73.96%；腐解至100 d，其腐解率達79.13%～90.25%。腐解至20 d，5 種綠肥的C、N、P、K 的釋放率分別為38.10%～78.59%、66.92%～87.63%、28.60%～80.92%、80.22%～96.72%；腐解至100 d 時，5 種綠肥的C、N、P、K 的釋放率分別為80.90%～95.48%、94.63%～97.64%、59.66%～96.28%、94.46%～99.64%。累計腐解率、C 累計釋放率、N 累計釋放率、P 累計釋放率、K 累計釋放率的最高分別為紫云英、黑麥草、拉巴豆、黑麥草、拉巴豆。在實際生產中，可根據柑橘地土壤養分情況選擇最適宜的綠肥品種進行土埋翻壓，具體還田量需結合柑橘地土壤背景值、柑橘對養分的需求以及配施的化肥進行綜合分析。研究表明，在柑橘地中，5 種綠肥的養分釋放較為徹底，可以直接為柑橘提供養分，但腐解100 d 后難以持續對土壤進行養分供應，需結合其他肥料為柑橘提供養分；在翻壓綠肥后可適當根據柑橘養分需求規律適當減少鉀肥用量并延后施用。今后還需增加土壤理化性狀的分析檢測，力求全面評價綠肥腐解的實際效益。