南疆棗園三種不同綠肥腐解及養分釋放規律研究

何萬榮，韓 路，席琳喬，王海珍

(1.塔里木大學植物科學學院, 新疆 阿拉爾 843300 2.塔里木大學動物科學學院，新疆 阿拉爾 843300)

南疆土地資源充足，光熱資源豐富，晝夜溫差大，具有發展林果業的優越自然條件。近年來新疆對優勢資源進行戰略調整和轉化，將發展特色林果業作為加快新疆農村經濟發展的支柱產業。但是長期以來，南疆果園管理以清耕為主，造成地表裸露、蒸發強烈，不利于土壤水分保蓄；同時，投入以化肥為主，缺乏有機肥投入，造成土壤板結、結構破壞、保肥供肥性能差、土壤貧瘠化及土壤污染等一系列土壤退化問題，致使果實產量和品質下降，經濟效益低下[1-3]。因此，探索果園土壤改良、培肥新模式已成為南疆林果產業優化升級及可持續發展需解決的首要問題，果樹行間種植綠肥正是解決此問題的關鍵切入點。目前，眾多學者開展了果園綠肥間作模式研究，在棗園、梨園、蘋果園等果樹行間種植紫花苜蓿、草木樨、油菜、白三葉、毛苕子、燕麥、早熟禾、蘇丹草、黑麥草等多種綠肥牧草[4-10]，以篩選適合南疆貧瘠、低水高鹽環境的綠肥種類。經過多年研究發現，豆科牧草(白三葉、毛苕子)在當地表現較好，生長旺盛、生物量與養分含量高[11]、固氮培肥地力效果明顯[7-8]，且具有改善鹽堿地土壤環境的效果。燕麥、油菜適應性廣、生物量與養分歸還率高[11]，壓堿排鹽效果較好[4]；同時果園間作油菜有利于增加天敵數量、防治害蟲[10]，且花期吸引蜜蜂，提高果樹結實率，但油菜耐旱能力較差[7]。紫花苜蓿、草木樨適應性強，固氮、生物產量高[9]，但干旱環境下根系深、粗壯，行間小型機械旋耕困難，還與果樹爭水爭肥。正是由于南疆果園缺乏適宜推廣的綠肥種類，且果農對綠肥重視不夠，綠肥種植模式及刈割、翻壓機械化程度低等原因[5-8]，區域綠肥推廣受到限制。因此，本文研究在南疆表現好，農民樂于種植的白三葉、毛苕子、油菜腐解規律與養分釋放特征，為提升南疆果園管理技術提供理論依據。

綠肥改土培肥、增產增效作用的發揮依賴于綠肥在土壤中腐解及養分釋放過程，因而明確綠肥的腐解礦化過程是合理應用綠肥的基礎。當前，關于綠肥腐解動態和養分釋放規律、綠肥腐解的影響因子及綠肥改土培肥機制、效應等方面已有較多研究[8-9,11-22]。呂麗霞等[12-13]研究指出綠肥腐解和氮、磷、鉀3種養分釋放速率均表現為前期快后期慢的特點，10 cm翻壓深度最有利于腐解及養分釋放,表層最慢，鉀釋放最徹底。劉世平等[14]研究了麥稻秸稈不同埋深的腐解過程，發現14 cm處的秸稈腐解速度最快，覆蓋在表層的較慢。眾多學者[4,15-19]報道麥稈、油菜稈、豆科與禾本科綠肥還田后腐解高峰發生在前1個月內，氮、磷、鉀養分在第10～21天快速釋放，養分累積釋放率和釋放量均表現為鉀大于氮、磷、碳,不同綠肥種類氮、磷、鉀釋放量不同。孫本華等[20]報道荒漠生態環境下大豆稈殘體腐解率降低與時間延長，氮釋放量和釋放率均為負值，鉀釋放率最高。朱小梅等[21]研究指出禾本科綠肥干物質及養分殘留率均高于豆科綠肥，高鹽分顯著阻滯綠肥養分釋放；油菜降低鹽堿地pH值，顯著提高堿解氮、速效磷、有機質含量[4]。但南疆果園降水稀少、土地貧瘠、鹽漬化嚴重，綠肥還田后的腐解和養分礦化速率及釋放規律研究鮮見報道。為此，本文采用田間埋袋法研究了干旱條件下3種綠肥的腐解和養分釋放過程，探討3種綠肥腐解與碳、氮、磷、鉀釋放差異，揭示南疆果園綠肥還田后的腐解和養分釋放規律及地力培肥效應，以期為南疆鹽堿地治理、地力培肥和篩選適宜果園生草提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2018年在新疆阿拉爾塔里木大學園藝試驗站(81°18′E，40°32′N)進行。該區屬典型暖溫帶大陸性干旱氣候，區內光熱資源豐富，年均日照時數2 729.0 h，年均氣溫10.4℃，≥10℃年積溫4 340℃；極端最高溫度40.6℃，極端最低溫度-23.4℃。年均降水量48.5 mm，年均蒸發量1 998.4 mm。土壤為灌耕草甸土。

1.2 試驗材料

試驗棗園為10 a生駿棗園，栽植密度為2 m×1 m，矮化密植，東西行向，灌溉采用漫灌方式。棗樹為盛產期，生長健壯，無病蟲害。棗園0～20 cm土壤容重1.26 g·cm-3，田間持水量28.37%，有機質11.75 g·kg-1，堿解氮33.48 mg·kg-1，有效磷15.32 mg·kg-1，速效鉀87.33 mg·kg-1，土壤總鹽1.86 g·kg-1，pH值8.71。綠肥種類為白三葉、毛苕子和油菜(表1)，綠肥全生育期不施化肥。

表1 翻壓還田前3種綠肥地上部初始養分與水分含量

1.3 試驗設計

試驗采用田間埋設網袋法。2018年6月12日刈割3種綠肥并及時將鮮草運回實驗室，剔除枯死部分及雜質，分別剪成2～3 cm的小段，混合均勻，隨即稱取200 g鮮樣裝入尼龍網袋(30 cm×25 cm、孔徑0.047 mm)中，封口并用記號筆作為標記。每種綠肥另取3份200 g鮮樣烘干(80℃下烘48 h)測定含水量。按試驗設計10次取樣計算，3次重復，每種綠肥30袋，共計90袋。裝好后每種綠肥取出3袋用于測定基礎養分，其余運至試驗果園翻埋于棗樹行間，埋深15 cm，間距25 cm，覆土時盡量不破壞原來的土體結構，并與地面平齊。

1.4 樣品采集與指標測定

試驗從2018年6月12日開始至2018年11月10日結束。翻壓還田后取樣時間分別為第3、7、14、21、28、56、90、120、150 d共9次。隨機取樣，3次重復，每次取樣后運回實驗室，小心去除尼龍網袋表面浮土及根系雜物，拆開網袋將樣品置于烘箱中烘干(80℃，48 h)至恒重，小心除盡樣品中滲入的少量土壤，測定干物質重量。干物質樣品粉碎后裝入自封袋密封以備測定綠肥養分。利用元素分析儀(LE204E/02)測定樣品全碳、全氮含量；H2SO4-H2O2消煮，鉬銻抗比色法測定全磷；火焰光度法測定全鉀[23]。

1.5 數據分析與處理方法

樣品含水量(%)=(鮮重-干重)/鮮重×100%

(1)

累積腐解量(g)=M0-Mt

(2)

累積腐解率(%)=(累積腐解量/M0)×100%

(3)

腐解速率(g·d-1)=(Mt-Mt+1)/(Tt+1-Tt)

(4)

養分累積釋放量(mg)=W0-Wt

(5)

養分累積釋放率(%)=養分累積釋放量/W0×100%

(6)

養分釋放速率(mg·d-1)=(Wt-Wt+1)/(Tt+1-Tt)

(7)

式中，M0為綠肥初始干物質量,Mt為t時刻綠肥干物質量；W0為綠肥初始養分含量,Wt為t時刻綠肥養分含量；Tt為t時刻的天數。

利用Excel 2010進行數據整理，SPSS 23進行方差分析與回歸分析，多重比較采用Duncan法。

2 結果與分析

2.1 3種綠肥的腐解特征

3種綠肥累積腐解量和累積腐解率隨翻壓還田時間的延長而增加，腐解速率則隨還田時間延長而逐漸降低(圖1)，其腐解過程可分為3個階段，即快速、中速和緩慢腐解期。前7 d為快速腐解期，此時毛苕子、油菜和白三葉累積腐解量分別為16.81、11.37、28.86 g，腐解率分別為51.40%、52.07%、72.24%，腐解速率分別為2.40、1.62、4.12 g·d-1，3個腐解指標均以白三葉表現最快。7～21 d為中速腐解期，此時毛苕子、油菜、白三葉腐解量分別為3.34、2.50、2.61 g，腐解率分別為10.22%、11.44%、6.54%，腐解速率分別為0.239、0.178、0.187 g·d-1，毛苕子腐解較快。還田后第21～150 d為緩慢腐解期，此階段3種綠肥累積腐解量、累積腐解率、腐解速率變化趨于平緩，分別為1.75～2.72 g、4.39%～9.38%和0.014～0.021 g·d-1，顯著低于前21 d，此階段毛苕子腐解量與腐解速率均最高，白三葉最低，但3種綠肥間腐解均無顯著差異(P>0.05)。還田150 d毛苕子、油菜、白三葉累積腐解量分別為22.87、15.91、33.22 g，腐解率分別為69.92%、72.88%、83.17%，腐解速率分別為0.153、0.106、0.221 g·d-1，白三葉均最高。還田第21 d和150 d時3種綠肥間累積腐解量、腐解速率差異均達極顯著水平(P<0.01)，白三葉累積腐解率與毛苕子、油菜間差異顯著(P<0.05)。

2.2 3種綠肥養分釋放特征

2.2.1 3種綠肥氮、磷、鉀釋放特征 南疆干旱鹽漬土壤條件下，3種綠肥翻壓還田后氮釋放規律與其干物質腐解規律相似(圖2)，均呈前期釋放快、后期釋放慢的特點。翻壓還田第21 d毛苕子、油菜、白三葉氮累積釋放量、釋放率和釋放速率分別為644.54、375.63、1121.34 mg，60.45%、62.89%、80.71%和30.69、17.89、53.40 mg·d-1，均以白三葉最高。其中前7 d氮釋放最快，累積釋放率均超過50%，釋放速率最高達143.73 mg·d-1。還田第21～150 d氮釋放較緩慢，累積釋放量、釋放率和釋放速率分別為44.34～82.37 g、4.51%～7.73%和0.34～0.64 mg·d-1，分別僅為前21 d的2.08%、1.92%、0.91%，此階段毛苕子氮釋放較快，其累積釋放量、釋放速率與油菜差異顯著(P<0.05)。還田第150 d毛苕子、油菜、白三葉氮累積釋放量、釋放率和釋放速率分別為726.92、419.97、1184.03 mg，68.17%、70.32%、85.23%和4.84、2.80、7.89 mg·d-1，白三葉氮釋放顯著高于其它兩種綠肥(P<0.01)。

鉀與氮的釋放規律相似，但其釋放快且徹底(圖2)。前21 d鉀釋放較快，毛苕子、油菜、白三葉鉀累積釋放量和釋放速率分別為1350.1、967.4、1 824.1 mg和64.29、46.07、86.86 mg·d-1，釋放率均超過90%。其中前7 d鉀釋放最快，釋放速率129.01～232.75 mg·d-1，白三葉鉀釋放量最高且釋放速率最快。還田第21～150 d鉀釋放明顯減慢，3種綠肥鉀釋放量和釋放率分別比前21 d僅增加了88.2～107.2 mg和4.63%～8.26%，此階段毛苕子鉀釋放量、速率最高，且與其它兩種綠肥間差異顯著(P<0.05)。還田第150 d毛苕子、油菜、白三葉鉀累積釋放量、釋放率和釋放速率分別為1 457.4、1 055.6、1 912.9 mg，98.33%、98.91%、99.61%和9.72、7.04、12.75 mg·d-1，均以白三葉最高。還田第7 d、21 d與第150 d時3種綠肥鉀累積釋放量、釋放速率差異均達極顯著水平(P<0.01)。

3種綠肥磷釋放特征與氮、鉀不同，還田第150 d內釋放量、釋放率呈持續增長趨勢，而釋放速率相反，緩慢降低(圖2)。其釋放過程可分為2個階段：第0～56 d為磷快速釋放期，此階段毛苕子、油菜、白三葉磷累積釋放量、釋放率和釋放速率分別為14.16、15.24、14.05 mg，75.41%、71.03%、81.30%和0.253、0.272、0.251 mg·d-1，油菜磷釋放量、釋放速率最高，但3種綠肥間磷釋放量與釋放速率均無顯著差異(P>0.05)。還田第56～150 d為磷緩慢釋放期，釋放速率均小于0.1 mg·d-1，磷釋放顯著降低，此階段3種綠肥磷釋放量、釋放率和釋放速率分別為0.776～1.477 mg、4.13%～7.52%和0.008～0.016 mg·d-1，顯著低于前56 d。還田第150 d毛苕子、油菜、白三葉磷累積釋放量、釋放率、釋放速率分別為14.93、16.71、15.35 mg，79.54%、77.92%、88.82%和0.100、0.111、0.102 mg·d-1，油菜磷累積釋放量、釋放速率最高，而白三葉磷釋放率最大且與其它兩種綠肥差異顯著(P<0.05)。

2.2.2 3種綠肥碳釋放特征 3種綠肥碳釋放與干物質腐解、N、K釋放規律基本一致(圖3)，均呈前期快、后期慢的特征。翻壓還田第21 d為碳快速釋放期，毛苕子、油菜、白三葉碳累積釋放量、釋放率和釋放速率分別為8.40、5.41、12.24 mg，65.17%、64.22%、79.02%和400.04、247.09、582.73 mg·d-1，3種綠肥碳釋放量均超過64%，其中白三葉的碳釋放最快。第21～150 d為碳緩慢釋放期，3種綠肥碳釋放量、釋放率和釋放速率分別為0.87～1.12 g，7.21～10.75%和6.72～8.66 mg·d-1，僅為前21 d的1.90%～12.44%，顯著低于前21 d，3種綠肥間碳釋放無顯著差異(P>0.05)。還田第150 d毛苕子、油菜、白三葉碳累積釋放量、釋放率和釋放速率分別為9.43、6.06、13.35 g，73.14%、75.00%、86.23%和62.85、40.38、89.03 mg·d-1，白三葉均最高。還田第21 d與第150 d時3種綠肥碳累積釋放量、釋放率和釋放速率差異均達極顯著水平(P<0.01)。

2.3 3種綠肥碳與各養分比例的變化

碳氮比是綠肥化學組成的指標之一，碳氮比小(11～25)，其養分釋放快；反之，碳氮比大(50～100),含氮量較低，則養分不易釋放[12]。3種綠肥碳氮比(C/N)變化均呈先升高后降低的趨勢(圖3)，變幅差異明顯。白三葉前7 d快速上升至最大值(23.24)，第7～28 d迅速下降，28 d后緩慢降低，C/N維持在10左右，極差為12.98；而毛苕子與油菜則緩慢上升，峰值分別為13.24、14.53，之后逐漸降低，C/N分別維持在10～12之間，整個腐解過程中變幅較小。還田第150 d毛苕子、油菜、白三葉C/N平均值分別為11.14、12.75、13.56，C/N值表現為白三葉>油菜>毛苕子。

3種綠肥碳磷比(C/P)處于波動狀態。白三葉與毛苕子C/P呈“上升―下降―上升”的變化趨勢(圖3)，白三葉在第7 d、毛苕子在第3 d 時C/P出現第一峰值(964.9、720.8)，第150 d出現第二峰值(1235.4、901.4)，極差分別為587.4、288.9，白三葉變幅較大。油菜C/P則呈先降低后上升的變化趨勢，150 d達最大值(427.9)，極差為149.1，C/P變幅最小。整個腐解過程中C/P表現為白三葉>毛苕子>油菜。

3種綠肥碳鉀比(C/K)與C/N、C/P不同，始終保持上升趨勢(圖3)。還田前28 d C/K呈緩慢上升，28 d后快速升高，白三葉上升速度最快。試驗結束時，白三葉、毛苕子、油菜C/K均達到最高，分別為282.3、139.6、174.1，分別為翻壓還田前的35.0、16.1、23.0倍。整個腐解過程中C/K表現為白三葉>油菜>毛苕子。

2.4 3種綠肥腐解150 d養分殘留特征

3種綠肥翻壓還田后其養分隨有機物的不斷腐解而逐漸釋放出來，第150 d時C、N、P、K殘留量與殘留率均差異明顯(表2)。還田第150 d毛苕子C、N、K養分殘留量均最高，其與白三葉、油菜差異達極顯著水平(P<0.01)；P殘留量以油菜最高，其與白三葉差異顯著(P<0.05)。還田150 d白三葉C、N、P、K養分殘留率均最低，分別比毛苕子相應養分低48.73%、53.63%、45.36%、76.65%，其與毛苕子、油菜各養分殘留率間差異顯著(P<0.05)。綠肥4種養分殘留率因養分種類、綠肥種類不同而異，3種綠肥K殘留率最低(0.39%～1.67%)，其與C、N、P殘留率相差20倍以上，表明鉀釋放最徹底。3種綠肥養分殘留率依次為毛苕子>油菜>白三葉，表明白三葉腐解過程中養分釋放較徹底，對土壤培肥效果較好。

表2 翻壓后第150 d 3種綠肥的養分殘留特征

2.5 3種綠肥腐解率、養分釋放率與翻壓時間的關系

利用線性、非線性回歸分析擬合3種綠肥腐解過程中其干物質累積腐解率、養分釋放率與翻壓還田時間的關系(表3)，擬合結果以對數方程的效果最好(R2最大)。除油菜鉀釋放率與還田時間的對數方程(R2)達顯著水平外(P<0.05)，其余擬合方程(R2)均達極顯著水平(P<0.01)，表明對數方程能較好擬合干旱區3種綠肥腐解、養分釋放過程。

表3 3種綠肥腐解率、養分釋放率與翻壓還田時間的關系

3 討 論

研究極端干旱條件下土壤中綠肥殘體分解特征和養分釋放規律，對于了解干旱區土壤有機質的演變及指導土壤培肥具有重要意義[12]。前人指出果園土壤微生物主要集中于0～20 cm的土層中，埋深14 cm左右綠肥腐解最快[12,14]。因而試驗將3種綠肥翻埋在果園15 cm土壤中，有利于促進綠肥腐解和養分釋放。本研究結果表明，塔里木極端干旱區果園3種綠肥翻壓還田后的腐解過程均表現為前21 d腐解快，之后腐解逐漸減慢，尤其是前7 d腐解量最大、腐解速率最快，這與前人報道腐解前期快、后期慢特征基本一致[12-13,15-19,21]。這主要由于綠肥腐解初期含水量高、鮮嫩，且6—7月環境溫度高，水熱條件均有利于綠肥腐解。但綠肥種類及組成成分不同影響綠肥腐解速率。還田第21 d和150 d毛苕子、油菜、白三葉干物質累積腐解率分別為61.74%、63.51%、77.98%和69.92%、72.88%、83.17%，白三葉腐解率均最高，且2個階段其累積腐解量與腐解速率均顯著高于油菜、毛苕子?？梢?，無論豆科牧草還是非豆科牧草有機殘體1個月內腐解率均超過60%，腐解較快，后期腐解減慢。已有研究表明，腐解速率與有機殘體的化學組分有關，水溶性物、苯醇溶性物和粗蛋白物質分解最快，纖維素和半纖維素次之，木質素最難分解[18]。腐解前期有機殘體中易被土壤微生物利用的組分較多(如多糖、氨基酸、有機酸等)，促進綠肥腐解；隨腐解時間延長，有機殘體中難分解的纖維素、木質素比例增大，使綠肥腐解減慢。整個試驗中白三葉有機殘體腐解最快，這與其莖稈較柔弱、葉莖比(2.06)、總氨基酸(22.82%)、粗蛋白(26.9%)含量高，粗纖維含量(17.06%)低[24]有關。本研究3種綠肥腐解率均顯著快于孫本華等[20]在荒漠生態條件下的實驗結果，這可能與實驗地條件、土壤水文物理性質差異較大有關。果園土壤熟化程度高、土壤理化性質優于未墾荒地[20]，生態條件有利于綠肥腐解。

綠肥在土壤中分解是一個復雜的生物化學過程，受土壤養分、溫度、水分及綠肥種類等綜合影響。極端干旱區3種綠肥翻壓還田后，其腐解過程中有機殘體中碳(C)、氮(N)、磷(P)、鉀(K)養分的釋放特征明顯不同，C、N、K釋放均在前21 d較快，與有機殘體腐解規律一致，而P釋放則在前56 d較快，各養分釋放總體呈前期快、后期慢的特征。3種綠肥還田第21 d時C、N、P、K釋放率分別在64.22%～79.02%、60.45%～80.71%、56.49%～70.50%、90.65%～94.98%，表現為K>C、N>P；第150 d時C、N、P、K釋放率分別在73.14%～86.23%、68.18%～85.23%、77.92%～88.82%、98.33%～99.61%，表現為K>P>C>N，整個腐解期K釋放最快且徹底。因為各養分釋放速率與其存在形態有關，K在植物體內以離子態或無機鹽形式存在于細胞或組織中，易于分解釋放；而N、P絕大部分以蛋白質、氨基酸、核酸、磷脂等難分解的有機態形式存在，物理作用下不容易分解[12,15]，導致釋放較慢。3種綠肥C、N、P、K累積釋放率與有機殘體累積腐解率的相關系數均達極顯著水平(P<0.01)，第150 d時碳釋放率與殘體腐解率基本相似，因為腐解過程中碳含量始終在3種綠肥干物質量的比重大且相對穩定[13,18]。整個腐解過程中，各種養分釋放率均高于有機殘體腐解率，其中K釋放率最高，這與前人研究結果一致[13,15-21]。本研究中3種綠肥翻壓還田第14 d時C釋放率為58.97%～63.67%，N釋放率為55.37%～77.43%，此結果與潘福霞等[18]基本一致。朱小梅等[21]報道土壤鹽分影響礦質元素的釋放。本試驗油菜還田前21 d時K釋放率為90.65%，比李逢雨等[17]報道K釋放率低8.2%，集中釋放期延后10 d左右，這可能與干旱區蒸發強烈、土壤水分少、鹽分向耕層土壤移聚有關。3種綠肥C、N、K釋放與有機殘體腐解規律相吻合，翻壓還田前21 d分解釋放較快，之后分解減慢，這可能與綠肥前期C/N相對較高，后期C/N降低有關，因為C/N為25～30∶1最有利于微生物分解。3種綠肥還田前7 d時C/N上升，前21 d仍保持相對較高的C/N，尤其白三葉腐解前期C/N最高達23.24；油菜、毛苕子C/N在13左右，影響土壤微生物分解與養分釋放，此階段白三葉腐解與養分釋放最快；21 d之后C/N降低，維持在10左右，影響干物質腐解與養分釋放，致使養分釋放速率減慢。此外，3種綠肥C、N、P、K釋放存在差異，P在整個腐解過程中呈持續釋放狀態，未出現明顯的高峰期，這與孔偉等[25]研究結果相似。原因可能與干旱區土壤磷素狀況及有機殘體P含量低、P以難分解的大分子有機物形式存在有關；另外干旱區土壤鹽分阻滯了P的釋放[21]。利用線性、非線性回歸分析擬合3種綠肥腐解過程中其干物質累積腐解率、累積養分釋放率與翻壓還田時間的關系，擬合結果以對數方程最好，這與孔偉、Froseth等[25-26]擬合結果一致。

4 結 論

1)極端干旱區3種綠肥作為有機肥源經翻壓還田后腐解均表現為前期快、后期慢的特點，尤其是前7 d腐解最快。還田第21 d和150 d白三葉、油菜、毛苕子腐解率分別為78.78%、63.51%、61.62%和83.17%、72.88%、69.92%，白三葉腐解率最高，毛苕子殘留率最高。

2)3種綠肥碳、氮、磷、鉀釋放規律不同，碳、氮、鉀釋放率在還田前21 d較快，之后逐漸減慢；磷釋放呈持續增長趨勢。還田第150 d各養分釋放率依次為K>P>C>N，3種綠肥K釋放率均超過98%，釋放快且徹底。各養分殘留率依次為毛苕子>油菜>白三葉。

3) 3種綠肥腐解與養分釋放存在明顯差異，白三葉腐解量、腐解率和各養分釋放率、釋放速率均顯著高于油菜、毛苕子，白三葉培肥地力的效果較好。