腐解菌剂对红壤橘园圆叶决明腐解及养分释放动态的影响
发布时间：2022-01-23
摘 要：为明确绿肥配施腐解菌剂在红壤旱地中的腐解及养分释放规律，更好地利用其营养，在田间条件下，设置对照(CK)、腐解菌剂(DM)、腐解菌剂+炭基有机肥(BM)和腐解菌剂+固氮菌(NM)4个处理，采用尼龙网袋法模拟研究圆叶决明在橘园红壤中的腐解及养分释放动态特征，并测定其养分残留率。结果表明，夏季绿肥圆叶决明中有机物腐解和养分释放在翻压后前2周速率最快，之后逐渐变缓。绿肥秸秆翻压后前10天平均每天的腐解速率为3.319 g/d，碳、氮、磷、钾平均每天的释放速率分别为1.765、0.124、 0.009、0.090 g/d;第10~70天平均每天的腐解速率为0.531 g/d，碳、氮、磷、钾平均每天的释放速率分别为 0.230、0.014、0.002、0.007 g/d。绿肥翻压后第70天，CK、DM、BM和NM处理秸秆质量累计减少率分别达到67.96%、73.72%、79.73%和76.68%，碳累计释放率分别为70.07%、76.84%、85.07%和77.70%，氮累计释放率分别为 78.00%、82.20%、85.34%和 83.81%，磷累计释放率分别为 81.27%、84.85%、91.74%和 85.08%，钾累计释放率分别为97.58%、98.39%、98.45%和98.36%。不同处理下圆叶决明秸秆养分释放率均表现为钾>磷>氮>碳。其中，以BM处理秸秆腐解及养分释放率最快。综合考虑绿肥腐解及养分释放规律，夏季绿肥圆叶决明配施腐解菌剂后翻压能有效改善旱地红壤微生物结构，提高腐解速率，增加养分释放效率。
关键词：橘园;腐解菌剂;绿肥;圆叶决明;腐解;养分释放
0 引言
长期以来，传统的果园清耕措施造成农药化肥泛滥，引起土壤性状退化、水土流失、肥力下降，致使果实产量下降、品质变劣[1-2] 。而果园种植绿肥可作为清洁的有机肥源，翻压可为土壤提供大量的碳源和养分[3] ，并提高土壤微生物性状，从而改善土壤质量[4] ，实现 “以园养园，以地养树”[5] 。因此，为充分发挥绿肥在果园生产中的重要作用亟需确定其合理的利用方式，提高绿肥还田利用效率。
绿肥是利用植物生长过程所产生的全部或部分绿色体，直接或异地翻压，或经堆沤后施用到土地中作肥料的绿色植物体[6] 。其中，豆科绿肥作物具有较强的固氮能力，翻压后能培肥地力、节约投入成本，对于缓解化肥资源紧张具有重要意义[5] 。赵娜等[7] 研究表明，豆科绿肥在土壤中腐解及养分的释放能增加土壤中有机质及各种养分的含量。一般而言，绿肥的腐解越充分，所释放的及被作物吸收利用的养分会越多，越有利于土壤肥力的提升[8] 。但由于不同种类的绿肥养分含量、碳氮比不同，腐解后养分分解状况差异较大[9] ，故不同环境条件下的腐解及养分释放规律也不尽一致[10] 。因此，明确绿肥在红壤旱地土壤中的腐解矿化过程及养分释放规律是绿肥合理利用的基础。
圆叶决明(Chamaecrista rotundifolia)，半直立型，豆科决明属，属于绿肥兼用型作物，是多年生热带牧草，具备耐旱、耐酸、耐贫瘠、喜高温、适应性强等优点，作为绿肥在生态恢复与土壤改良方面的效果尤为突出，已在广东、福建、湖南等地推广应用[11-12] 。目前，关于旱地果园绿肥立体生态系统中圆叶决明还田后养分矿化速率和释放特征的研究相对较少，且绿肥翻压配施腐解菌剂更是鲜有报道。本研究采用网袋模拟试验研究圆叶决明在红壤橘园土壤中的腐解及碳、氮、磷、钾等养分的动态释放特征，了解其在土壤中的腐解规律，揭示配施腐解菌剂及调控碳氮比对旱地豆科绿肥还田过程中腐解和养分释放特征的影响，以期为南方果园绿肥资源的合理利用和农田养分科学管理提供参考依据。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
腐解试验于2018年9—12月在湖南省浏阳市关口街道办事处金湖村瑶前组柑橘果园内进行(113°43′ 24.96″E，28°16′20.78″N;海拔452 m)。该区属亚热带季风性湿润气候 ，年日照时数 1266.3 h，年均气温 15.9℃，年均降雨量 1308.1 mm，无霜期 276 天。供试土壤为第四纪红土母质发育的旱地土壤，0~20 cm 土壤基本理化性质为 pH 5.0，有机质 36.1 g/kg，碱解氮 163.0 mg/kg，有效磷79.8 mg/kg，速效钾169.0 mg/kg。
1.2 试验材料
供试绿肥为豆科新鲜圆叶决明秸秆，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%。供试尼龙网袋规格为25 cm×35 cm，孔径为0.075 mm(200目)。供试腐解菌剂(含枯草芽孢杆菌、酿酒酵母等)、固氮菌均由湖南省农科院土壤肥料研究所自行研制。供试肥料为高炭基土壤修复有机肥(有机质含量≥45%，N+P2O5+ K2O≥5%，生物炭≥20%，粗脂肪≥1%)，由河南农业大学烟草学院提供。
1.3 试验设计
试验设置4个处理，分别为对照(CK，圆叶决明)、腐解菌剂(DM，decomposing microbial inoculum，圆叶决明+腐解菌剂)、炭基有机肥+腐解菌剂(BM，biochar organic fertilizer + decomposing microbial inoculum，圆叶决明+炭基有机肥+腐解菌剂)、固氮菌+腐解菌剂(NM，nitrogen-fixing bacteria + decomposing microbial inoculum，圆叶决明+固氮菌+腐解菌剂)。采用尼龙网袋埋植法，待种植绿肥盛花—结荚期收获后，取长势相似、色泽均匀的地上部分样品，剪成2~3 cm长的小段并混匀。装入尼龙网袋，封口后埋入橘园旱地土壤中，埋设深度25 cm、间隔10 cm，均匀分布，水平放置且无重叠，覆土时尽量保持原来的土体结构，与地面齐平。各处理绿肥秸秆用不同含菌水浸泡后立即埋入。炭基有机肥用量与绿肥干重等量施用。试验期间不施用其他肥料。
1.4 测定项目与分析方法
试验于9月18日(第0天)开始，分别于埋袋后第 10、20、30、40、50、60、70 天对不同处理圆叶决明秸秆进行破坏性随机取样，共取样 8 次，各处理重复 3 次。绿肥新鲜植株105℃杀青1 h，75℃烘干至恒重并计算绿肥含水率;测定干质量后，将秸秆样品粉碎经过 H2O2-H2SO4消煮，测定养分含量。全碳、全氮、全磷、全钾含量分别采用重铬酸钾外加热法、凯氏定氮法、钒钼黄比色法、火焰光度法测定。每次取样后，去除表面浮土及根系杂物，拆开网袋洗净样品自然风干后，测定其剩余残渣干重，粉碎后测定养分含量。
1.5 数据处理
采用 Excel 2003 和 SPSS 17.0 统计分析软件进行数据处理，采用Duncan’s新复极差法进行数据间差异显著性多重比较。
2 结果与分析
2.1 圆叶决明还田后干物质残留及腐解率动态变化
如图1所示，圆叶决明植株翻压后的腐解情况各处理均表现为前期快、后期慢。前10天腐解最快，干物质残留量降幅最大，随后逐步趋于平缓。CK、DM、 BM 和 NM 处理前 10 天干物质平均释放速率分别为 3.150、3.307、3.425和3.392 g/d。整个腐解过程中，BM 处理干物质残留降幅最大，其次为NM、DM处理，CK 处理最低。还田后第10~70天干物质腐解缓慢，各处理平均释放速率介于0.51~0.56 g/d。至第70天，圆叶决明翻压后DM、BM和NM处理干物质残留量较CK处理分别显著降低17.97%、36.74%和27.21%。说明绿肥圆叶决明添加腐解菌剂翻压能有效促进干物质的分解。
随着翻压时间的延长，各处理圆叶决明秸秆干物质的累计腐解率均呈上升趋势(图1)。整个腐解过程中，BM处理干物质累计腐解率最高，其次为NM、DM 处理，CK处理最低。不同处理下第1~10天腐解较快， CK、DM、BM 和 NM 处理干物质累计腐解率分别为 48.42%、50.83%、52.65%和52.14%。随后腐解速率逐步降低，并趋于平缓。与CK处理相比较，DM、BM和 NM 处理第 70 天的累计腐解率分别显著提高 8.47%、 17.32%和 12.83%。说明绿肥圆叶决明添加腐解菌剂翻压能有效提高干物质腐解率，增施炭基肥则进一步提高其累计腐解率。
2.2 圆叶决明还田后碳素释放特征
如图2所示，圆叶决明植株翻压还田后前10天各处理碳素腐解速率最快，总碳下降幅度最大，之后逐步释放缓慢，最后趋于平缓。CK、DM、BM 和 NM 处理前 10 天总碳平均释放速率分别为 1.628、1.671、2.049 和 1.712 g/d。整个腐解过程中，BM 处理圆叶决明植株总碳降幅最大，其次为 NM、DM 处理，CK 处理最低。还田后第10~70天总碳腐解缓慢，各处理平均释放速率介于0.183~0.253 g/d。至第70天，圆叶决明翻压后DM、BM和NM处理总碳残留量较CK处理分别显著降低22.62%、50.12%和25.49%。说明绿肥圆叶决明添加腐解菌剂翻压能有效促进总碳的分解。
随着翻压时间的延长，各处理圆叶决明秸秆总碳的累计腐解率均呈上升趋势(图 2)。整个腐解过程中，BM处理总碳累计腐解率最高，其次为NM、DM处理，CK处理最低。不同处理下前10天腐解速率较快，碳素累计释放率最高。CK、DM、BM和NM处理总碳累 计 腐 解 率 分 别 为 51.71% 、53.09% 、65.10% 和 54.38%。随后腐解速率逐步降低，并趋于平缓。与 CK处理相比较，DM、BM和NM处理第70天的累计腐解率分别显著提高9.66%、21.40%和10.89%。说明绿肥圆叶决明添加腐解菌剂翻压能有效提高总碳腐解率，增施炭基肥则进一步提高其总碳累计腐解率。
2.3 圆叶决明还田后氮素释放特征
如图3所示，圆叶决明秸秆翻压还田后前10天各处理氮素释放速率最快，总氮下降幅度最大，之后逐步释放缓慢，最后趋于平缓。CK、DM、BM 和 NM 处理前 10 天总氮平均释放速率分别为 0.112、0.124、0.134 和 0.126 g/d。整个腐解过程中，BM 处理圆叶决明秸秆总氮降幅最大，其次为 NM、DM 处理，CK 处理最低。还田后第10~70天总氮腐解缓慢，各处理平均释放速率介于0.012~0.016 g/d。至第70天，圆叶决明翻压后DM、BM和NM处理总氮残留量较CK处理分别显著降低19.10%、33.36%和26.41%。说明绿肥圆叶决明添加腐解菌剂翻压能有效促进总氮的分解。
随着翻压时间的延长，各处理圆叶决明秸秆总氮的累计腐解率均呈上升趋势(图 3)。整个腐解过程中，BM处理总氮累计腐解率最高，其次为NM、DM处理，CK处理最低。不同处理下前10天腐解速率较快，氮素累计释放率最高。CK、DM、BM和NM处理总氮累 计 腐 解 率 分 别 为 54.55% 、60.29% 、65.46% 和 61.54%。随后腐解速率逐步降低，并趋于平缓。与 CK处理相比较，DM、BM和NM处理第70天的累计腐解率分别显著提高5.39%、9.41%和7.45%。说明绿肥圆叶决明添加腐解菌剂翻压能有效提高总氮腐解率，增施炭基肥则进一步提高其总氮累计腐解率。
2.4 圆叶决明还田后磷素释放特征
如图4所示，圆叶决明秸秆翻压还田后前10天各处理磷素腐解速率最快，总磷下降幅度最大，之后逐步释放缓慢，最后趋于平缓。CK、DM、BM 和 NM 处理前 10 天总磷平均释放速率分别为 0.007、0.009、0.010 和 0.010 g/d。整个腐解过程中，BM 处理圆叶决明植株总磷降幅最大，其次为 NM、DM 处理，CK 处理最低。还田后第10~70天腐解缓慢，各处理平均释放速率介于0.0017~0.0022 g/d。至第70天，圆叶决明翻压后DM、BM和NM处理总磷残留量较CK处理分别显著降低19.15%、55.92%和20.37%。说明绿肥圆叶决明添加腐解菌剂翻压能有效促进总磷的分解。
随着翻压时间的延长，各处理圆叶决明秸秆总磷的累计腐解率均呈上升趋势(图 4)。整个腐解过程中，BM处理总磷累计腐解率最高，其次为NM、DM处理，CK处理最低。不同处理下前10天腐解速率较快，磷素累计释放率最高。CK、DM、BM和NM处理总磷累 计 腐 解 率 分 别 为 34.91% 、45.37% 、49.91% 和 47.29%。随后腐解速率逐步降低，并趋于平缓。与 CK处理相比较，DM、BM和NM处理第70天的总磷累计腐解率分别显著提高4.41%、12.89%和4.70%。说明绿肥圆叶决明添加腐解菌剂翻压能有效提高总磷腐解率，增施炭基肥则进一步提高其总磷累计腐解率。
2.5 圆叶决明还田后钾素释放特征
如图5所示，圆叶决明秸秆翻压还田后前10天各处理钾素腐解速率最快，其次为前10~20天，总钾下降幅度最大，之后逐步释放缓慢，最后趋于平缓。CK、 DM、BM和NM处理前10天总钾平均释放速率分别为 0.079、0.092、0.096和0.092 g/d。整个腐解过程中，BM 处理圆叶决明植株总钾降幅最大，其次为NM、DM处理，CK处理最低。还田后第10~70天总钾腐解缓慢，各处理平均释放速率介于 0.006~0.008 g/d。至第 70 天，圆叶决明翻压后DM、BM和NM处理总钾残留量较 CK 处理分别显著降低 33.54%、35.93%和 31.90%。说明绿肥圆叶决明添加腐解菌剂翻压能有效促进总钾的分解。
随着翻压时间的延长，各处理圆叶决明秸秆总钾的累计腐解率均呈上升趋势(图 5)。整个腐解过程中，BM处理总钾累计腐解率最高，其次为NM、DM处理，CK处理最低。不同处理下前10天腐解速率较快，钾素累计释放率最高。CK、DM、BM和NM处理总钾累 计 腐 解 率 分 别 为 61.38% 、71.01% 、74.09% 和 71.30%。随后腐解速率逐步降低，并趋于平缓。与 CK处理相比较，DM、BM和NM处理第70天的总磷累计腐解率分别提高0.83%、0.89%和0.79%。说明绿肥圆叶决明添加腐解菌剂翻压能有效提高总钾腐解率，增施炭基肥则进一步提高其总钾累计腐解率。
3 结论
旱地绿肥圆叶决明翻压后，腐解速率随时间的延长而逐渐降低，整个腐解过程呈现出前期快、后期逐渐减慢的特点，养分释放率表现为钾>磷>氮>碳。绿肥翻压配施腐解菌剂可有效加快有机质的分解，促进养分释放，其中以增添腐解菌剂+炭基有机肥处理腐解效果最佳。
4 讨论
4.1 旱地绿肥的翻压腐解特征
一般认为，绿肥腐解过程差异与其自身物质结构、化学组分及生育期等方面密切相关[14-15] ，而基本不受翻压量的影响[16] 。本研究中，圆叶决明在橘园旱地土壤中的腐解过程表现为前期快、后期逐渐减慢，主要集中在翻压后10~20天，可能由于夏季绿肥在腐解初期自身比较鲜嫩，含水量高，其可溶性有机物及无机养分能为微生物提供大量的能源和养分，且该段时间高温多雨，微生物活动旺盛[17-18] ，将直接影响其腐解进程[19-21] 。而随着腐解时间推移，难分解的纤维素、木质素等组分的比例不断升高，腐解速率随之变慢[22-23] 。本研究结果表明，绿肥圆叶决明翻压后的干物质残留量及累计腐解率随时间变化的曲线基本一致，其腐解过程主要分为快速腐解期(第 0~10 天)和缓慢腐解期(第 10~70 天)2个阶段。
潘福霞等[4] 研究发现，旱地条件下箭筈豌豆、苕子和山黧豆均在翻压15天内腐解较快，腐解率均在50% 以上，之后腐解速率逐渐减慢，翻压70天累计腐解率分别达71.7%、67.3%和74.1%。刘佳等[24] 研究发现，二月兰在玉米田中翻压前期腐解速率较快，至42天时腐解率达 39.09%，之后腐解相对平缓，最终为 67.48%。牟小翎等[25] 研究发现，二月兰和毛苕子均在翻压后14 天内腐解较快，随后腐解速率变慢，翻压80天时累计腐解率分别为66.92%和63.12%。洪莉等[26] 研究表明， 4种绿肥翻压后的干质量和质量累计减少率均呈现先快后慢的趋势，主要在翻压后20天内腐解速率较快，随后变慢，翻压120天时，白三叶、鼠茅草、黑麦草和鸭茅草的累计减少率分别为83.17%、67.83%、65.35%和 54.07%。本研究中，翻压后前10天各处理绿肥腐解速率达50%，之后开始逐渐变慢，第70天累计腐解率高达70%以上，与上述研究结果相似。
4.2 旱地绿肥秸秆中不同养分的释放特征
大量研究表明，多种豆科绿肥还田后，秸秆的养分释 放 率 由 快 到 慢 为 钾 > 磷 > 氮 [4,20,24] 或 钾 > 氮 >磷[7,25,27] 。本研究中，绿肥圆叶决明翻压后，氮、磷、钾等营养元素的释放率均高于干物质腐解率，钾释放早且快速，氮磷较慢，与前人研究结果一致[28-29] 。各养分的释放速率大小及释放率与其存在形态和结合程度密切相关，主要原因可能是钾在植物体内主要以离子及无机盐形式存在，易于分解，释放速率最快，最终的累计释放率也最高[7] ;而氮、磷主要是组成细胞结构的有机态，需微生物分解才能释放，释放速度较慢，释放量较少。
赵娜等[7] 研究发现，豆科绿肥埋入土壤后，氮、磷、钾在最初21天内快速释放，且钾释放最彻底。潘福霞等[30] 研究发现，氮和钾在翻压后10 天内释放较快，碳和磷在翻压后 15 天内释放较快，之后释放速率均减慢。
刘佳等[24] 研究发现，二月兰碳和氮在翻压后7 天时释放率分别为 22.23%和 39.89%，钾在翻压后 14 天时释放率为77.12%。邓小华等[31] 研究发现，绿肥中养分释放量在翻压后前 2 周分解速率最快，第 3~7 周分解速率中等，7周以后较慢。董浩等[27] 研究发现，氮和钾在翻压后7天内快速释放，磷在翻压后80天内稳步释放。本研究中，夏季绿肥圆叶决明在翻压还田后前 20天腐解速度较快，其养分快速释放，随后释放比较缓慢。故在果实发育后期及花芽分化期翻压绿肥能有效增加土壤中的钾，为果树提供钾源，可适当减少钾肥前期用量[32] 。刘佳等[24] 研究发现，经过整个春玉米生长季节的腐解，二月兰碳、氮、磷、钾的释放率分别达 76.23%、 85.29%、79.63%和96.43%。而4种绿肥在烟田翻压后 7周内释放出其整个植株所含氮素的75.68%~83.03%，且50%以上的氮素主要集中在翻压后的前3周内[9,20] 。潘福霞等[30] 研究发现，在翻压后70天时钾、磷、氮的累计 释 放 率 均 在 90% 以 上 、73.3% ~78.7% 、59.9% ~ 71.2%。邓小华等[31] 研究发现，绿肥翻压后 49 天时，碳、氮、磷、钾累计释放率分别为 62.17% ~71.32%、 75.68%~83.03%、70.61%~84.78%和 73.88%~80.12%。洪莉等[26] 研究发现，白三叶氮、钾和有机碳的释放量在前20天达50%以上。本研究中，在整个绿肥腐解过程中，碳素的释放率达70.07%~85.07%，与干物质变化规律相似[7,30] ，可能是由于碳占绿肥干物质量的比例较大，且不同时期残留物中碳含量相对较稳定[33] 。而圆叶决明各处理翻压还田后钾素释放量较大且速度较快，到70天时，钾素累计释放率为97.58%~98.45%，其次为磷素(81.27%~91.74%)、氮素(78.00%~85.34%)。
4.3 腐熟菌剂对果园绿肥还田腐熟程度的影响
相关研究认为，秸秆腐熟剂富含高效微生物菌群，可促进秸秆快速腐解[34] ，不仅影响绿肥的腐熟程度，而且改善土壤的营养结构。王允青等[35] 研究表明，在露天和土埋还田方式下，添加腐熟剂处理小麦秆、油菜秆腐解速度比不添加腐熟剂快。解开治等[36] 研究发现，绿肥压青配伍不同促腐剂可促进有机质的分解，其中以绿肥压青+有机氮处理最佳。柳玲玲等[37] 研究表明， 8种腐熟剂对土埋还田方式下油菜秸秆的腐熟均有不同程度的促进作用。黄秋玉等[38] 研究发现，与不施腐熟剂相比，添加腐熟剂能提高土壤中有机质、碱解氮、速效钾和阳离子交换量。这与本研究结果相符，添加腐熟菌剂能有效提高绿肥还田腐熟程度，增加养分释放率。此外，在快速腐解时期，氮肥添加能满足微生物对养分需求，促进绿肥氮释放[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进绿肥的腐解，提高养分供给。外源氮素的添加，提高了还田初期土壤中碳氮比，可一定程度上抑制土壤微生物活性。故合适的碳氮比利于土壤微生物生长，促进秸秆腐解[18] 。而 BM 处理腐解速率最高，可能是由于生物炭呈碱性，而利于绿肥腐解的微生物多数更倾向于在中性或微碱性环境中活动，外源添加生物炭后，其能中和腐解过程中释放的有机酸等酸性物质，调控微生物活动，为微生物的生长和繁殖提供更加适宜的外界微环境[41-42] ，增加微生物数量，促进绿肥腐解以及养分释放。——论文作者：董春华1 ，周 旋1 ，孙继民1 ，罗志勇2 ，谢 宜1 ，胡柯鑫1
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