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摘 要: 摘 要:為明確綠肥配施腐解菌劑在紅壤旱地中的腐解及養分釋放規律,更好地利用其營養,在田間條件下,設置對照(CK)、腐解菌劑(DM)、腐解菌劑+炭基有機肥(BM)和腐解菌劑+固氮菌(NM)4個處理,采用尼龍網袋法模擬研究圓葉決明在橘園紅壤中的腐解及養分釋放動態特征,并測
摘 要:為明確綠肥配施腐解菌劑在紅壤旱地中的腐解及養分釋放規律,更好地利用其營養,在田間條件下,設置對照(CK)、腐解菌劑(DM)、腐解菌劑+炭基有機肥(BM)和腐解菌劑+固氮菌(NM)4個處理,采用尼龍網袋法模擬研究圓葉決明在橘園紅壤中的腐解及養分釋放動態特征,并測定其養分殘留率。結果表明,夏季綠肥圓葉決明中有機物腐解和養分釋放在翻壓后前2周速率最快,之后逐漸變緩。綠肥秸稈翻壓后前10天平均每天的腐解速率為3.319 g/d,碳、氮、磷、鉀平均每天的釋放速率分別為1.765、0.124、 0.009、0.090 g/d;第10~70天平均每天的腐解速率為0.531 g/d,碳、氮、磷、鉀平均每天的釋放速率分別為 0.230、0.014、0.002、0.007 g/d。綠肥翻壓后第70天,CK、DM、BM和NM處理秸稈質量累計減少率分別達到67.96%、73.72%、79.73%和76.68%,碳累計釋放率分別為70.07%、76.84%、85.07%和77.70%,氮累計釋放率分別為 78.00%、82.20%、85.34%和 83.81%,磷累計釋放率分別為 81.27%、84.85%、91.74%和 85.08%,鉀累計釋放率分別為97.58%、98.39%、98.45%和98.36%。不同處理下圓葉決明秸稈養分釋放率均表現為鉀>磷>氮>碳。其中,以BM處理秸稈腐解及養分釋放率最快。綜合考慮綠肥腐解及養分釋放規律,夏季綠肥圓葉決明配施腐解菌劑后翻壓能有效改善旱地紅壤微生物結構,提高腐解速率,增加養分釋放效率。
關鍵詞:橘園;腐解菌劑;綠肥;圓葉決明;腐解;養分釋放
0 引言
長期以來,傳統的果園清耕措施造成農藥化肥泛濫,引起土壤性狀退化、水土流失、肥力下降,致使果實產量下降、品質變劣[1-2] 。而果園種植綠肥可作為清潔的有機肥源,翻壓可為土壤提供大量的碳源和養分[3] ,并提高土壤微生物性狀,從而改善土壤質量[4] ,實現 “以園養園,以地養樹”[5] 。因此,為充分發揮綠肥在果園生產中的重要作用亟需確定其合理的利用方式,提高綠肥還田利用效率。
綠肥是利用植物生長過程所產生的全部或部分綠色體,直接或異地翻壓,或經堆漚后施用到土地中作肥料的綠色植物體[6] 。其中,豆科綠肥作物具有較強的固氮能力,翻壓后能培肥地力、節約投入成本,對于緩解化肥資源緊張具有重要意義[5] 。趙娜等[7] 研究表明,豆科綠肥在土壤中腐解及養分的釋放能增加土壤中有機質及各種養分的含量。一般而言,綠肥的腐解越充分,所釋放的及被作物吸收利用的養分會越多,越有利于土壤肥力的提升[8] 。但由于不同種類的綠肥養分含量、碳氮比不同,腐解后養分分解狀況差異較大[9] ,故不同環境條件下的腐解及養分釋放規律也不盡一致[10] 。因此,明確綠肥在紅壤旱地土壤中的腐解礦化過程及養分釋放規律是綠肥合理利用的基礎。
圓葉決明(Chamaecrista rotundifolia),半直立型,豆科決明屬,屬于綠肥兼用型作物,是多年生熱帶牧草,具備耐旱、耐酸、耐貧瘠、喜高溫、適應性強等優點,作為綠肥在生態恢復與土壤改良方面的效果尤為突出,已在廣東、福建、湖南等地推廣應用[11-12] 。目前,關于旱地果園綠肥立體生態系統中圓葉決明還田后養分礦化速率和釋放特征的研究相對較少,且綠肥翻壓配施腐解菌劑更是鮮有報道。本研究采用網袋模擬試驗研究圓葉決明在紅壤橘園土壤中的腐解及碳、氮、磷、鉀等養分的動態釋放特征,了解其在土壤中的腐解規律,揭示配施腐解菌劑及調控碳氮比對旱地豆科綠肥還田過程中腐解和養分釋放特征的影響,以期為南方果園綠肥資源的合理利用和農田養分科學管理提供參考依據。
1 材料與方法
1.1 試驗地概況
腐解試驗于2018年9—12月在湖南省瀏陽市關口街道辦事處金湖村瑤前組柑橘果園內進行(113°43′ 24.96″E,28°16′20.78″N;海拔452 m)。該區屬亞熱帶季風性濕潤氣候 ,年日照時數 1266.3 h,年均氣溫 15.9℃,年均降雨量 1308.1 mm,無霜期 276 天。供試土壤為第四紀紅土母質發育的旱地土壤,0~20 cm 土壤基本理化性質為 pH 5.0,有機質 36.1 g/kg,堿解氮 163.0 mg/kg,有效磷79.8 mg/kg,速效鉀169.0 mg/kg。
1.2 試驗材料
供試綠肥為豆科新鮮圓葉決明秸稈,其全C含量 47.37%,全 N 含量 3.15%,全 P 含量 0.31%,全 K 含量 1.99%,C/N比15.04,含水量65.10%。供試尼龍網袋規格為25 cm×35 cm,孔徑為0.075 mm(200目)。供試腐解菌劑(含枯草芽孢桿菌、釀酒酵母等)、固氮菌均由湖南省農科院土壤肥料研究所自行研制。供試肥料為高炭基土壤修復有機肥(有機質含量≥45%,N+P2O5+ K2O≥5%,生物炭≥20%,粗脂肪≥1%),由河南農業大學煙草學院提供。
1.3 試驗設計
試驗設置4個處理,分別為對照(CK,圓葉決明)、腐解菌劑(DM,decomposing microbial inoculum,圓葉決明+腐解菌劑)、炭基有機肥+腐解菌劑(BM,biochar organic fertilizer + decomposing microbial inoculum,圓葉決明+炭基有機肥+腐解菌劑)、固氮菌+腐解菌劑(NM,nitrogen-fixing bacteria + decomposing microbial inoculum,圓葉決明+固氮菌+腐解菌劑)。采用尼龍網袋埋植法,待種植綠肥盛花—結莢期收獲后,取長勢相似、色澤均勻的地上部分樣品,剪成2~3 cm長的小段并混勻。裝入尼龍網袋,封口后埋入橘園旱地土壤中,埋設深度25 cm、間隔10 cm,均勻分布,水平放置且無重疊,覆土時盡量保持原來的土體結構,與地面齊平。各處理綠肥秸稈用不同含菌水浸泡后立即埋入。炭基有機肥用量與綠肥干重等量施用。試驗期間不施用其他肥料。
1.4 測定項目與分析方法
試驗于9月18日(第0天)開始,分別于埋袋后第 10、20、30、40、50、60、70 天對不同處理圓葉決明秸稈進行破壞性隨機取樣,共取樣 8 次,各處理重復 3 次。綠肥新鮮植株105℃殺青1 h,75℃烘干至恒重并計算綠肥含水率;測定干質量后,將秸稈樣品粉碎經過 H2O2-H2SO4消煮,測定養分含量。全碳、全氮、全磷、全鉀含量分別采用重鉻酸鉀外加熱法、凱氏定氮法、釩鉬黃比色法、火焰光度法測定。每次取樣后,去除表面浮土及根系雜物,拆開網袋洗凈樣品自然風干后,測定其剩余殘渣干重,粉碎后測定養分含量。
1.5 數據處理
采用 Excel 2003 和 SPSS 17.0 統計分析軟件進行數據處理,采用Duncan’s新復極差法進行數據間差異顯著性多重比較。
2 結果與分析
2.1 圓葉決明還田后干物質殘留及腐解率動態變化
如圖1所示,圓葉決明植株翻壓后的腐解情況各處理均表現為前期快、后期慢。前10天腐解最快,干物質殘留量降幅最大,隨后逐步趨于平緩。CK、DM、 BM 和 NM 處理前 10 天干物質平均釋放速率分別為 3.150、3.307、3.425和3.392 g/d。整個腐解過程中,BM 處理干物質殘留降幅最大,其次為NM、DM處理,CK 處理最低。還田后第10~70天干物質腐解緩慢,各處理平均釋放速率介于0.51~0.56 g/d。至第70天,圓葉決明翻壓后DM、BM和NM處理干物質殘留量較CK處理分別顯著降低17.97%、36.74%和27.21%。說明綠肥圓葉決明添加腐解菌劑翻壓能有效促進干物質的分解。
隨著翻壓時間的延長,各處理圓葉決明秸稈干物質的累計腐解率均呈上升趨勢(圖1)。整個腐解過程中,BM處理干物質累計腐解率最高,其次為NM、DM 處理,CK處理最低。不同處理下第1~10天腐解較快, CK、DM、BM 和 NM 處理干物質累計腐解率分別為 48.42%、50.83%、52.65%和52.14%。隨后腐解速率逐步降低,并趨于平緩。與CK處理相比較,DM、BM和 NM 處理第 70 天的累計腐解率分別顯著提高 8.47%、 17.32%和 12.83%。說明綠肥圓葉決明添加腐解菌劑翻壓能有效提高干物質腐解率,增施炭基肥則進一步提高其累計腐解率。
2.2 圓葉決明還田后碳素釋放特征
如圖2所示,圓葉決明植株翻壓還田后前10天各處理碳素腐解速率最快,總碳下降幅度最大,之后逐步釋放緩慢,最后趨于平緩。CK、DM、BM 和 NM 處理前 10 天總碳平均釋放速率分別為 1.628、1.671、2.049 和 1.712 g/d。整個腐解過程中,BM 處理圓葉決明植株總碳降幅最大,其次為 NM、DM 處理,CK 處理最低。還田后第10~70天總碳腐解緩慢,各處理平均釋放速率介于0.183~0.253 g/d。至第70天,圓葉決明翻壓后DM、BM和NM處理總碳殘留量較CK處理分別顯著降低22.62%、50.12%和25.49%。說明綠肥圓葉決明添加腐解菌劑翻壓能有效促進總碳的分解。
隨著翻壓時間的延長,各處理圓葉決明秸稈總碳的累計腐解率均呈上升趨勢(圖 2)。整個腐解過程中,BM處理總碳累計腐解率最高,其次為NM、DM處理,CK處理最低。不同處理下前10天腐解速率較快,碳素累計釋放率最高。CK、DM、BM和NM處理總碳累 計 腐 解 率 分 別 為 51.71% 、53.09% 、65.10% 和 54.38%。隨后腐解速率逐步降低,并趨于平緩。與 CK處理相比較,DM、BM和NM處理第70天的累計腐解率分別顯著提高9.66%、21.40%和10.89%。說明綠肥圓葉決明添加腐解菌劑翻壓能有效提高總碳腐解率,增施炭基肥則進一步提高其總碳累計腐解率。
2.3 圓葉決明還田后氮素釋放特征
如圖3所示,圓葉決明秸稈翻壓還田后前10天各處理氮素釋放速率最快,總氮下降幅度最大,之后逐步釋放緩慢,最后趨于平緩。CK、DM、BM 和 NM 處理前 10 天總氮平均釋放速率分別為 0.112、0.124、0.134 和 0.126 g/d。整個腐解過程中,BM 處理圓葉決明秸稈總氮降幅最大,其次為 NM、DM 處理,CK 處理最低。還田后第10~70天總氮腐解緩慢,各處理平均釋放速率介于0.012~0.016 g/d。至第70天,圓葉決明翻壓后DM、BM和NM處理總氮殘留量較CK處理分別顯著降低19.10%、33.36%和26.41%。說明綠肥圓葉決明添加腐解菌劑翻壓能有效促進總氮的分解。
隨著翻壓時間的延長,各處理圓葉決明秸稈總氮的累計腐解率均呈上升趨勢(圖 3)。整個腐解過程中,BM處理總氮累計腐解率最高,其次為NM、DM處理,CK處理最低。不同處理下前10天腐解速率較快,氮素累計釋放率最高。CK、DM、BM和NM處理總氮累 計 腐 解 率 分 別 為 54.55% 、60.29% 、65.46% 和 61.54%。隨后腐解速率逐步降低,并趨于平緩。與 CK處理相比較,DM、BM和NM處理第70天的累計腐解率分別顯著提高5.39%、9.41%和7.45%。說明綠肥圓葉決明添加腐解菌劑翻壓能有效提高總氮腐解率,增施炭基肥則進一步提高其總氮累計腐解率。
2.4 圓葉決明還田后磷素釋放特征
如圖4所示,圓葉決明秸稈翻壓還田后前10天各處理磷素腐解速率最快,總磷下降幅度最大,之后逐步釋放緩慢,最后趨于平緩。CK、DM、BM 和 NM 處理前 10 天總磷平均釋放速率分別為 0.007、0.009、0.010 和 0.010 g/d。整個腐解過程中,BM 處理圓葉決明植株總磷降幅最大,其次為 NM、DM 處理,CK 處理最低。還田后第10~70天腐解緩慢,各處理平均釋放速率介于0.0017~0.0022 g/d。至第70天,圓葉決明翻壓后DM、BM和NM處理總磷殘留量較CK處理分別顯著降低19.15%、55.92%和20.37%。說明綠肥圓葉決明添加腐解菌劑翻壓能有效促進總磷的分解。
隨著翻壓時間的延長,各處理圓葉決明秸稈總磷的累計腐解率均呈上升趨勢(圖 4)。整個腐解過程中,BM處理總磷累計腐解率最高,其次為NM、DM處理,CK處理最低。不同處理下前10天腐解速率較快,磷素累計釋放率最高。CK、DM、BM和NM處理總磷累 計 腐 解 率 分 別 為 34.91% 、45.37% 、49.91% 和 47.29%。隨后腐解速率逐步降低,并趨于平緩。與 CK處理相比較,DM、BM和NM處理第70天的總磷累計腐解率分別顯著提高4.41%、12.89%和4.70%。說明綠肥圓葉決明添加腐解菌劑翻壓能有效提高總磷腐解率,增施炭基肥則進一步提高其總磷累計腐解率。
2.5 圓葉決明還田后鉀素釋放特征
如圖5所示,圓葉決明秸稈翻壓還田后前10天各處理鉀素腐解速率最快,其次為前10~20天,總鉀下降幅度最大,之后逐步釋放緩慢,最后趨于平緩。CK、 DM、BM和NM處理前10天總鉀平均釋放速率分別為 0.079、0.092、0.096和0.092 g/d。整個腐解過程中,BM 處理圓葉決明植株總鉀降幅最大,其次為NM、DM處理,CK處理最低。還田后第10~70天總鉀腐解緩慢,各處理平均釋放速率介于 0.006~0.008 g/d。至第 70 天,圓葉決明翻壓后DM、BM和NM處理總鉀殘留量較 CK 處理分別顯著降低 33.54%、35.93%和 31.90%。說明綠肥圓葉決明添加腐解菌劑翻壓能有效促進總鉀的分解。
隨著翻壓時間的延長,各處理圓葉決明秸稈總鉀的累計腐解率均呈上升趨勢(圖 5)。整個腐解過程中,BM處理總鉀累計腐解率最高,其次為NM、DM處理,CK處理最低。不同處理下前10天腐解速率較快,鉀素累計釋放率最高。CK、DM、BM和NM處理總鉀累 計 腐 解 率 分 別 為 61.38% 、71.01% 、74.09% 和 71.30%。隨后腐解速率逐步降低,并趨于平緩。與 CK處理相比較,DM、BM和NM處理第70天的總磷累計腐解率分別提高0.83%、0.89%和0.79%。說明綠肥圓葉決明添加腐解菌劑翻壓能有效提高總鉀腐解率,增施炭基肥則進一步提高其總鉀累計腐解率。
3 結論
旱地綠肥圓葉決明翻壓后,腐解速率隨時間的延長而逐漸降低,整個腐解過程呈現出前期快、后期逐漸減慢的特點,養分釋放率表現為鉀>磷>氮>碳。綠肥翻壓配施腐解菌劑可有效加快有機質的分解,促進養分釋放,其中以增添腐解菌劑+炭基有機肥處理腐解效果最佳。
4 討論
4.1 旱地綠肥的翻壓腐解特征
一般認為,綠肥腐解過程差異與其自身物質結構、化學組分及生育期等方面密切相關[14-15] ,而基本不受翻壓量的影響[16] 。本研究中,圓葉決明在橘園旱地土壤中的腐解過程表現為前期快、后期逐漸減慢,主要集中在翻壓后10~20天,可能由于夏季綠肥在腐解初期自身比較鮮嫩,含水量高,其可溶性有機物及無機養分能為微生物提供大量的能源和養分,且該段時間高溫多雨,微生物活動旺盛[17-18] ,將直接影響其腐解進程[19-21] 。而隨著腐解時間推移,難分解的纖維素、木質素等組分的比例不斷升高,腐解速率隨之變慢[22-23] 。本研究結果表明,綠肥圓葉決明翻壓后的干物質殘留量及累計腐解率隨時間變化的曲線基本一致,其腐解過程主要分為快速腐解期(第 0~10 天)和緩慢腐解期(第 10~70 天)2個階段。
潘福霞等[4] 研究發現,旱地條件下箭筈豌豆、苕子和山黧豆均在翻壓15天內腐解較快,腐解率均在50% 以上,之后腐解速率逐漸減慢,翻壓70天累計腐解率分別達71.7%、67.3%和74.1%。劉佳等[24] 研究發現,二月蘭在玉米田中翻壓前期腐解速率較快,至42天時腐解率達 39.09%,之后腐解相對平緩,最終為 67.48%。牟小翎等[25] 研究發現,二月蘭和毛苕子均在翻壓后14 天內腐解較快,隨后腐解速率變慢,翻壓80天時累計腐解率分別為66.92%和63.12%。洪莉等[26] 研究表明, 4種綠肥翻壓后的干質量和質量累計減少率均呈現先快后慢的趨勢,主要在翻壓后20天內腐解速率較快,隨后變慢,翻壓120天時,白三葉、鼠茅草、黑麥草和鴨茅草的累計減少率分別為83.17%、67.83%、65.35%和 54.07%。本研究中,翻壓后前10天各處理綠肥腐解速率達50%,之后開始逐漸變慢,第70天累計腐解率高達70%以上,與上述研究結果相似。
4.2 旱地綠肥秸稈中不同養分的釋放特征
大量研究表明,多種豆科綠肥還田后,秸稈的養分釋 放 率 由 快 到 慢 為 鉀 > 磷 > 氮 [4,20,24] 或 鉀 > 氮 >磷[7,25,27] 。本研究中,綠肥圓葉決明翻壓后,氮、磷、鉀等營養元素的釋放率均高于干物質腐解率,鉀釋放早且快速,氮磷較慢,與前人研究結果一致[28-29] 。各養分的釋放速率大小及釋放率與其存在形態和結合程度密切相關,主要原因可能是鉀在植物體內主要以離子及無機鹽形式存在,易于分解,釋放速率最快,最終的累計釋放率也最高[7] ;而氮、磷主要是組成細胞結構的有機態,需微生物分解才能釋放,釋放速度較慢,釋放量較少。
趙娜等[7] 研究發現,豆科綠肥埋入土壤后,氮、磷、鉀在最初21天內快速釋放,且鉀釋放最徹底。潘福霞等[30] 研究發現,氮和鉀在翻壓后10 天內釋放較快,碳和磷在翻壓后 15 天內釋放較快,之后釋放速率均減慢。
劉佳等[24] 研究發現,二月蘭碳和氮在翻壓后7 天時釋放率分別為 22.23%和 39.89%,鉀在翻壓后 14 天時釋放率為77.12%。鄧小華等[31] 研究發現,綠肥中養分釋放量在翻壓后前 2 周分解速率最快,第 3~7 周分解速率中等,7周以后較慢。董浩等[27] 研究發現,氮和鉀在翻壓后7天內快速釋放,磷在翻壓后80天內穩步釋放。本研究中,夏季綠肥圓葉決明在翻壓還田后前 20天腐解速度較快,其養分快速釋放,隨后釋放比較緩慢。故在果實發育后期及花芽分化期翻壓綠肥能有效增加土壤中的鉀,為果樹提供鉀源,可適當減少鉀肥前期用量[32] 。劉佳等[24] 研究發現,經過整個春玉米生長季節的腐解,二月蘭碳、氮、磷、鉀的釋放率分別達 76.23%、 85.29%、79.63%和96.43%。而4種綠肥在煙田翻壓后 7周內釋放出其整個植株所含氮素的75.68%~83.03%,且50%以上的氮素主要集中在翻壓后的前3周內[9,20] 。潘福霞等[30] 研究發現,在翻壓后70天時鉀、磷、氮的累計 釋 放 率 均 在 90% 以 上 、73.3% ~78.7% 、59.9% ~ 71.2%。鄧小華等[31] 研究發現,綠肥翻壓后 49 天時,碳、氮、磷、鉀累計釋放率分別為 62.17% ~71.32%、 75.68%~83.03%、70.61%~84.78%和 73.88%~80.12%。洪莉等[26] 研究發現,白三葉氮、鉀和有機碳的釋放量在前20天達50%以上。本研究中,在整個綠肥腐解過程中,碳素的釋放率達70.07%~85.07%,與干物質變化規律相似[7,30] ,可能是由于碳占綠肥干物質量的比例較大,且不同時期殘留物中碳含量相對較穩定[33] 。而圓葉決明各處理翻壓還田后鉀素釋放量較大且速度較快,到70天時,鉀素累計釋放率為97.58%~98.45%,其次為磷素(81.27%~91.74%)、氮素(78.00%~85.34%)。
4.3 腐熟菌劑對果園綠肥還田腐熟程度的影響
相關研究認為,秸稈腐熟劑富含高效微生物菌群,可促進秸稈快速腐解[34] ,不僅影響綠肥的腐熟程度,而且改善土壤的營養結構。王允青等[35] 研究表明,在露天和土埋還田方式下,添加腐熟劑處理小麥稈、油菜稈腐解速度比不添加腐熟劑快。解開治等[36] 研究發現,綠肥壓青配伍不同促腐劑可促進有機質的分解,其中以綠肥壓青+有機氮處理最佳。柳玲玲等[37] 研究表明, 8種腐熟劑對土埋還田方式下油菜秸稈的腐熟均有不同程度的促進作用。黃秋玉等[38] 研究發現,與不施腐熟劑相比,添加腐熟劑能提高土壤中有機質、堿解氮、速效鉀和陽離子交換量。這與本研究結果相符,添加腐熟菌劑能有效提高綠肥還田腐熟程度,增加養分釋放率。此外,在快速腐解時期,氮肥添加能滿足微生物對養分需求,促進綠肥氮釋放[39] 。固氮微生物可提高土壤氮素含量[40] 。故增添固氮菌更能促進綠肥的腐解,提高養分供給。外源氮素的添加,提高了還田初期土壤中碳氮比,可一定程度上抑制土壤微生物活性。故合適的碳氮比利于土壤微生物生長,促進秸稈腐解[18] 。而 BM 處理腐解速率最高,可能是由于生物炭呈堿性,而利于綠肥腐解的微生物多數更傾向于在中性或微堿性環境中活動,外源添加生物炭后,其能中和腐解過程中釋放的有機酸等酸性物質,調控微生物活動,為微生物的生長和繁殖提供更加適宜的外界微環境[41-42] ,增加微生物數量,促進綠肥腐解以及養分釋放。——論文作者:董春華1 ,周 旋1 ,孫繼民1 ,羅志勇2 ,謝 宜1 ,胡柯鑫1
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