刘佳，张杰，秦文婧，杨成春，谢杰，项兴佳，曹卫东，徐昌旭*

(1.江西省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所，江西 南昌 330200；2.中国科学院南京土壤研究所，江苏 南京 210008；3.南昌工程学院，江西 南昌 330099；4.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081)



红壤旱地毛叶苕子不同翻压量下腐解及养分释放特征

刘佳1,2，张杰3，秦文婧1，杨成春1，谢杰1，项兴佳2，曹卫东4，徐昌旭1*

(1.江西省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所，江西 南昌 330200；2.中国科学院南京土壤研究所，江苏 南京 210008；3.南昌工程学院，江西 南昌 330099；4.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081)

为了探讨不同翻压量的毛叶苕子在红壤旱地的腐解及养分释放特征，采用尼龙网袋埋田法在江西东乡红壤甘薯地进行了180 d的田间腐解试验，研究了低(15000 kg/hm2)、中(22500 kg/hm2)、高(30000 kg/hm2)3个翻压量下毛叶苕子的干物质腐解规律和养分释放率。结果表明，总体上毛叶苕子腐解存在前期迅速、后期缓慢的现象，翻压180 d后毛叶苕子干物质的最终腐解率达到70.19%～84.18%。碳、氮、磷、钾、镁、硫、铜、锌均在翻压后的前20 d大量释放，钙、锰的释放较慢，铁在翻压前期出现“富集”现象。增加翻压量不会改变毛叶苕子整体的腐解及养分释放规律，但会对养分的释放率和释放速率产生影响。不同翻压量下毛叶苕子碳、氮、磷、钾的释放率和释放速率分别可用幂函数y=axb和指数衰减模型v=v0e-kx进行拟合，回归分析表明增加翻压量对毛叶苕子碳、氮完全释放的延缓效应最大(延缓354～406 d和791～1358 d)、磷次之(延缓87～122 d)、钾最小(延缓16～27 d)。增加翻压量可以显著提高毛叶苕子碳、氮、磷、钾的释放速率，但仅局限于翻压后的前10或20 d。增加翻压量后毛叶苕子大部分的养分仍在翻压后的前20 d释放，后期的释放量并未得到大幅提高，为后茬作物“持续”供应养分的能力有限。因此，实际生产中应充分结合后茬作物的需肥特性，制定毛叶苕子合理的翻压量。本研究可为中国南方红壤旱地绿肥作物的科学利用提供理论依据。

毛叶苕子；红壤旱地；翻压量；腐解特征；养分释放

红壤是我国南方典型的土壤类型，主要分布在长江以南的16省(区、市)，总面积约148万km2，占全国耕地总面积的36%，其中旱地农田约占该地区耕地总面积的40%[1-2]。红壤的形成是脱硅富铝化和生物富集共同作用的结果，酸性强、粘粒多、有机质匮乏是红壤的主要特征；长期不合理的开发利用，也导致红壤旱地肥力下降明显、酸化严重[3]。然而南方红壤区却拥有丰富的光、热、水等自然资源，如何培肥改良红壤、充分发挥其生产潜力，是该区域农业可持续发展面临的一项艰巨任务。为此，前人在施用有机肥[4]、秸秆还田[5]、施用土壤改良剂[6]等方面做了大量报道，但关于绿肥作物在红壤旱地上应用的研究却相对较少。

种植利用绿肥作物在培肥土壤、改善土壤理化性质、保持水土、提高后茬作物产量与品质、净化环境等方面有着良好的功效[7-10]。毛叶苕子(Viciavillosa)常在我国北方地区用作牧草或绿肥[11-12]，具有较强的抗寒抗旱耐贫瘠能力。当前我国南方地区存在一定面积的冬闲旱地，具有种植利用毛叶苕子的可能性。尽管前人[13-14]已在盆栽条件下初步研究了毛叶苕子等豆科绿肥在黄棕壤上的腐解规律及养分释放特征，但是关于其在红壤旱地应用的上述核心问题仍不清楚；而且南方气候条件较优，毛叶苕子产量很高，适量施肥可以达到3.8万kg/hm2以上[15]，将如此大量的毛叶苕子原地还田是否科学，其释放的养分能否得到合理利用、高翻压量能否为后茬作物“持续”供应养分等也需明确。此外，毛叶苕子富含中、微量营养元素，其在土壤中的释放特征必然与大量营养元素存在较大差异，而前人未对此进行深入探讨。综上，本研究综合考虑了毛叶苕子在南方种植的一般产量范围及农业生产中绿肥的常见用量，设置不同翻压量处理，在田间环境采用尼龙网袋法[16]研究毛叶苕子在甘薯整个生育期内的腐解规律，全面考察大、中、微量营养元素的释放特征，为其在红壤旱地的合理利用和后茬作物的科学施肥提供理论依据。

1　材料与方法

1.1试验区概况

试验在江西省农业科学院赣东北红壤综合试验区进行，该试验区位于江西省抚州市东乡县境内(116°35′11″ E、28°10′59″ N)，属亚热带湿润气候区，年均气温18.0 ℃，年均降水量2180.6 mm。试验区土壤类型为第四纪红粘土母质发育而来的典型红壤，其表层土壤(0～20 cm)的基础养分性质为：pH 4.54，有机质12.58 g/kg，全氮0.87 g/kg，碱解氮76.64 mg/kg，速效磷20.42 mg/kg，速效钾77.10 mg/kg。试验区内农业生产主要依赖生育期内的天然降水和前期土壤蓄水，其典型的种植制度为一年一熟或一年两熟，主要种植作物为甘薯(Dioscoreaesculenta)、花生(Arachishypogaea)、芝麻(Sesamumindicum)等，本试验地的前茬作物为甘薯。

1.2试验设计

试验设3个不同翻压量处理：1)鲜草90 g/袋(T1，低翻压量，相当于15000 kg/hm2)，2)鲜草135 g/袋(T2，中翻压量，相当于22500 kg/hm2)，3)鲜草180 g/袋(T3，高翻压量，相当于30000 kg/hm2)。于2013年5月8日，将盛花期的毛叶苕子(品种：土库曼毛苕)地上部样品剪成长2～3 cm的小段并混匀，按试验设计用量分别装于规格为30 cm×20 cm的300目(孔径0.048 mm)尼龙网袋中，装袋时毛叶苕子鲜体的含水量为87.1%，养分状况见表1。

表1　毛叶苕子地上部初始养分含量(干基)

试验采用随机区组排列，4次重复，微区面积为3.24 m2(1.35 m×2.40 m)，每个微区内种植甘薯36株(4行×9株)，行距45 cm，株距30 cm，种植密度约为74000株/hm2，甘薯品种为泉薯9号。在每微区中间两行甘薯之间进行埋袋，埋袋深度为20 cm，两个尼龙网袋之间间隔30 cm，每微区埋袋8个,分作8次取样用，具体情况如图1所示。为避免施肥对毛叶苕子腐解残体养分含量测定的干扰，甘薯整个生育期内不再施用任何肥料。

图1　毛叶苕子田间埋袋示意图Fig.1　Schematic diagram of buried bag of V. villosa

1.3样品采集与分析

在试验布置前(2013年4月)按“S”形取样法取试验地土壤样品12份，完全混匀、风干、过筛供测定土壤基础养分性质。土壤pH用电位法测定(土∶水=1.0∶2.5)，有机质用重铬酸钾氧化-外加热法测定，全氮用凯氏定氮法测定，碱解氮用碱解扩散法测定，速效磷用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定，速效钾用乙酸铵浸提-火焰光度法测定[17]。

在埋袋后的10，20，30，60，90，120，150和180 d进行埋袋样品的取样(共8次)，最后一次取样时间为2013年11月4日，此时甘薯完全成熟。毛叶苕子腐解试验期内的气温、降雨情况见图2。取样后去除表面泥土及杂物，将网袋中剩余的植株残体取出，于80 ℃烘干称重，粉碎后测定植株残体的养分含量。植株样品的全碳用重铬酸钾氧化-外加热法测定。植株样品经H2SO4-H2O2消煮后，全氮用凯氏定氮法测定，全磷用钒钼黄比色法测定，全钾用火焰光度法测定。植株的中、微量元素用HNO3-HClO4湿灰化-原子吸收分光光度法测定，分别在422.7，285.2，440.0，324.7，213.8，248.3和279.5 nm 波长处比色测定钙、镁、硫、铜、锌、铁、锰的含量[17]。

图2　毛叶苕子腐解试验期内的降雨、气温状况Fig.2　Rainfall and temperature conditions during decomposition experiment of V. villosa

1.4数据处理

用Excel 2003进行试验数据处理，SPSS 16.0进行处理间差异显著性分析(Duncan新复极差法，P<0.05)和Pearson相关性分析，Origin 8.5作图。相关计算公式如下：

干物质累积腐解量(g)=0 d干物质总量-nd的干物质总量，n为腐解天数；

干物质累积腐解率(%)=累积腐解量/0 d的干物质总量×100；

干物质平均腐解速率(g/d)=单位时间累积腐解量/单位时间；

养分累积释放量(mg)=0 d养分总量-nd的养分总量，n为腐解天数；

养分累积释放率(%)=养分累积释放量/0 d的养分总量×100；

养分平均释放速率(mg/d)=单位时间养分释放量/单位时间

2　结果与分析

2.1毛叶苕子干物质的腐解特征

毛叶苕子翻压后干物质累积腐解率的动态变化如图3a所示。可以看出，随着时间推移不同处理毛叶苕子的干物质累积腐解率均呈逐渐增加趋势，但翻压前期(0～20 d)增加较快，T1、T2、T3处理在翻压20 d时累积腐解率分别达到66.72%、62.46%和60.59%，其中T1处理与T2、T3处理达到显著差异(P<0.05)；20 d后累积腐解率增加变缓，至试验结束时各处理干物质的最终腐解率依次为84.18%、74.22%和70.19%。不同处理间比较，翻压后自始至终干物质累积腐解率均为T1>T2>T3，说明随着翻压量的增加毛叶苕子的腐解变缓。图3b是毛叶苕子翻压后各阶段干物质平均腐解速率的动态变化，其变化大体可分为2个阶段，0～20 d为快速下降阶段，腐解速率由最初的632.2～1090.0 mg/d迅速下降到4.5～12.5 mg/d；20 d后腐解速率相对稳定，此阶段的平均腐解速率为12.3～12.9 mg/d。

图3　毛叶苕子干物质累积腐解率和腐解速率的动态变化Fig.3　Dynamic changes of dry matter decomposition rate and speed of V. villosa

2.2毛叶苕子碳、氮、磷、钾释放特征

从图4可以看出，翻压后毛叶苕子碳、氮、磷、钾的累积释放率与干物质的腐解规律相似，各元素大体可分为2个阶段，翻压后的0～20 d为快速释放阶段，此阶段碳、氮、磷、钾依次释放了总量的62.1%～68.1%、71.5%～76.0%、70.4%～81.8%和97.3%～97.7%，而20～180 d各元素的累积释放率增加缓慢，此阶段碳、氮、磷、钾仅释放了总量的15.2%～20.0%、6.3%～12.7%、12.7%～19.5%和0.0%～0.2%。试验结束时，毛叶苕子碳、氮、磷、钾的总释放率分别达到77.3%～88.0%、77.8%～88.6%、89.9%～94.5%和96.2%～97.9%，其大小顺序为钾>磷>氮>碳。

图4　毛叶苕子碳、氮、磷、钾累积释放率的动态变化Fig.4　Dynamic changes of C, N, P and K release rate of V. villosa

图5　毛叶苕子碳、氮、磷、钾释放速率的动态变化Fig.5　Dynamic changes of C, N, P and K release speed of V. villosa

图5反映的是毛叶苕子翻压后碳、氮、磷、钾释放速率的动态变化。可以看出，各养分的释放速率均为翻压前期较高，而后急剧降低。在翻压后的前10 d，毛叶苕子碳、氮、磷、钾的平均释放速率分别达到217.1～387.3 mg/d、19.5～33.6 mg/d、1.7～3.6 mg/d和32.8～57.8 mg/d；而20 d后各养分平均释放速率已下降到11.0～25.2 mg/d、1.4～1.7 mg/d、0.1～0.2 mg/d和0.0～0.2 mg/d，其平均降幅分别达到94.2%、93.9%、93.4%和99.7%。不同养分之间比较，翻压前期养分的平均释放速率为碳>钾>氮>磷，这与养分在植株体内的含量和存在形态有关。

图6　毛叶苕子腐解过程中碳氮比、碳磷比和碳钾比的动态变化Fig.6　Dynamic ratios of C to N, P and K of V. villosa

2.3养分比例的动态变化特征

腐解过程中植株残体养分比例的动态变化，既能反映绿肥作物翻压后养分的整体释放规律，也能揭示腐解初期养分的释放方向，即是否会发生微生物与后茬作物竞争吸收养分的现象。毛叶苕子翻压后，整个腐解过程中植株残体碳氮比、碳磷比和碳钾比的变化规律相似(图6)，并不因翻压量的不同而发生明显变化，因此增加翻压量不会改变其养分的整体释放规律。碳氮比是影响有机物在土壤中分解的最关键因素之一，当碳氮比小于25∶1时，微生物不再利用土壤中的有效氮，有机物能够较完全地被分解并释放出矿质态氮[18]。可以看出毛叶苕子翻压后碳氮比在前20 d有较明显的上升趋势，由最初的11.7上升到15.7，说明其植株氮能够很好地释放，不会出现微生物争氮现象，20 d后碳氮比呈整体下降并伴有“波动”趋势，其变化幅度始终在9.1～13.9之间，利于微生物的分解。毛叶苕子的碳磷比在整个腐解期内呈上升趋势，由初始的139.6最终上升到318.6。毛叶苕子的碳钾比在翻压后的前20 d急剧上升，由初始的10.0上升到140.8，这是因为植株钾素在翻压初期极易被释放，其钾含量的相对降幅要远大于碳含量的相对降幅，20～60 d碳钾比又迅速降低，此后变化幅度较小。

2.4毛叶苕子碳、氮、磷、钾释放率和释放速率的回归分析

毛叶苕子翻压后其养分释放率(y)、释放速率(v)与翻压时间(x)的关系可用回归方程拟合(表2)。其养分释放率与翻压时间的关系符合幂函数y=axb[19-21]，方程中参数a可用来表征翻压后某种养分能够较快达到的释放率，即该养分最易释放的组分，b为释放率增长参数，其值越大表明累积释放率增加越快。养分释放速率与翻压时间的关系参考Olson[22]的指数衰减模型v=v0e-kx进行拟合，方程中的v0表征某种养分的最大释放速率，e为自然常数，k为速率衰减参数，k值越大则速率衰减越快[23]。通过回归分析可以看出，不同翻压量下各养分最易达到的释放率均随翻压量的增大而降低，但降幅较小，释放率增长参数b也未有明显变化，因此加大翻压量并不改变各种养分的整体释放规律；但从释放速率方程可以看出，随着翻压量的加大，各养分(除钾外)的最大释放速率均有显著提升。通过回归分析还可以预测，不同翻压量的毛叶苕子还田后，其碳、氮、磷、钾完全释放的时间分别是325～731 d、466～1824 d、227～349 d和187～214 d。

2.5毛叶苕子中、微量营养元素的释放特征

绝大多数的红壤旱地都缺少一种或多种中、微量元素，这是造成红壤旱地生产潜力难以充分发挥的限制性因素[24]。将毛叶苕子翻压后，可为土壤补充适量的中、微量营养元素，但不同元素的释放规律存在明显差异。从表3可以看出，毛叶苕子镁、硫、铜、锌的释放规律相似，均在翻压前期快速释放，不同翻压量处理在20 d时的累积释放率均>73.4%，占到总释放率(180 d时值)的86.2%以上，20 d后的释放量很低。钙的释放速率较缓，在翻压后的前20 d时只释放了总量的43.5%～63.8%，但最终释放率也能达到86.0%～92.6%。锰的释放速率更慢，前20 d时只释放了20.6%～35.9%，仅占总释放率(180 d时值)的32.9%～47.0%。铁在翻压前期出现“富集”现象，翻压180 d时铁的释放率与翻压量有关，低翻压量时表现为净释放，中翻压量时基本持平，而高翻压量时仍为净吸收。

表2　毛叶苕子碳、氮、磷、钾释放率和释放速率的回归分析

表3　毛叶苕子中、微量元素释放率的变化

注：平均值±标准差(n=4)；不同字母表示5%水平上差异显著；“-”表示净吸收。

Note: Mean±standard deviation (n=4); different letters represent significant difference at 5% level; “-” represents nutrients absorption.

2.6甘薯生育期内毛叶苕子的养分释放量

我国南方红壤区水热条件良好，种植毛叶苕子生产潜力巨大，在盛花期时将毛叶苕子翻压用作绿肥，可与红壤旱地作物甘薯、花生、芝麻等作物的生育期合理衔接，从而起到填闲、养地、供肥等多种目的。如按15000～30000 kg/hm2的翻压量计算，试验条件下整个甘薯生育期内毛叶苕子氮、磷、钾的释放量分别可以达到49.1～87.5 kg/hm2、4.4～8.4 kg/hm2和66.8～133.3 kg/hm2(表4)，其中绝大部分养分在翻压后的前20 d释放。毛叶苕子腐解过程中还释放出大量的碳，有利于改善红壤旱地的物理化学性状。毛叶苕子还田还可为土壤提供一定量的中、微量元素，以钙的释放量最大，这对于缓解红壤旱地的酸性具有重要意义。钙、镁、硫、铜、锌大多是在甘薯的生育期内释放，铁和锰的残留量较高。

表4　甘薯生育期内毛叶苕子养分释放量

注：TA、RA、RB、RC分别表示养分总翻压量、0～20 d释放量、20～180 d释放量和180 d后的残留量。

Note: TA, RA, RB and RC represent total input nutrients amount, release nutrients amount before 20 d, release nutrients amount between 20-180 d and residual nutrients amount after 180 d, respectively.

3　讨论

3.1毛叶苕子腐解和养分释放的一般规律

本研究发现，不同翻压量毛叶苕子的最终腐解率达到70.19%～84.18%，存在前期(0～20 d)迅速、后期缓慢的现象，这与前人[25-27]研究结果相似。植物有机化合物腐解由易到难的顺序为单糖、淀粉、简单蛋白质>粗蛋白>半纤维素>纤维素>脂肪>木质素[28-29]。翻压初期，毛叶苕子鲜体水分含量高、易分解有机物质丰富，可为土壤微生物提供大量的碳源和养分，因此腐解较快。随着时间的延长，植株残体中易分解有机物逐渐减少，而较难分解的粗纤维、木质素的比例升高，所以后期腐解缓慢。另一方面，气候条件也是影响土壤微生物活性和物质腐解的重要因素[30]，尤其以气温和降水最为关键。研究表明[31-32]，在一定范围内温度(10～30 ℃)升高、土壤含水量(30%～105%最大田间持水量)加大，物质腐解加速。本试验中，除11月的气温较低，其他各时期的气温均>20 ℃，有利于毛叶苕子的腐解；但降水量却仅在腐解前期(5和6月)较高，而后大幅下降，因而可能通过影响土壤含水量限制了植株残体的腐解速率。不同养分的释放率与其在植物体内的存在形态和分布位置有关，本研究中毛叶苕子大量营养元素释放率的大小顺序为钾>磷>氮>碳，这与潘福霞等[13]的研究结果相似，但由于潘福霞等[13]是利用风干样品在盆栽条件下进行的腐解试验，腐解强度要弱于自然环境，因此其研究中毛叶苕子的养分释放率明显低于本试验的结果(相同腐解期对比)，此外毛叶苕子的品种不同以及供试土壤类型不同可能也对试验结果产生了一定影响。各营养元素中钾的释放率最高，是因为钾在植物体中以离子态存在于细胞或组织中，在翻压初期绝大部分的钾很容易被水浸提释放[33]。这应当也是增加翻压量后，钾的最大释放速率v0没有显著提升的原因(表2)，可以推测绿肥或作物秸秆还田后，其植株体内的钾都将以所能达到的最大速率释放，其限制因素是环境条件(如干旱)，而受翻压量的影响较小。氮和磷在植物体内主要以有机态存在，其释放需要通过微生物的分解作用来实现。镁、硫、铜、锌在植物营养生长期，主要分布在叶片、顶芽等幼嫩部位，相对于茎秆这些部位的碳氮比更低、营养元素更充足、水分含量更高，翻压后极易被微生物分解利用，因此镁、硫、铜、锌也在翻压前期大量释放。钙在植物的老化组织中含量较多，大多以果胶质的形态参与细胞壁的组成，因此翻压后释放较慢。锰可能大多以螯合态存在于植物体内，所以释放率更慢。铁在翻压前期出现“富集”，之前的研究中也有类似现象，如赵娜[26]在西北土壤翻压长武怀豆，发现较明显钙的“富集”。可能是因为红壤旱地铁含量很高，由于养分的“稀释效应”，铁从高浓度的土壤向低浓度的植物残体表面运移，同理在钙含量很高的西北土壤翻压绿肥，则易出现钙“富集”现象。

3.2翻压量对毛叶苕子腐解和养分释放的影响

从腐解过程中养分比例的动态变化(图6)和回归分析中参数的变化(表2)可以看出，增加翻压量不会改变毛叶苕子整体的腐解及养分释放规律，但会对养分的释放率和释放速率产生影响。试验结束时碳、氮、磷的释放率与翻压量的相关系数依次为-0.926(P<0.01)、-0.920(P<0.01)和-0.826(P<0.05)，而钾则未达到显著水平。此相关系数实际上也反映了不同元素的释放率受翻压量的影响程度，相关系数的绝对值越大，表明翻压量对其释放率的影响越大，亦即随着翻压量加大，释放率下降的幅度越大。从回归分析(表2)也可看出，随着翻压量的加大，钾素完全释放所需要的时间只增加了16～27 d，增幅最小，磷素次之，增加了87～122 d，碳和氮的增幅最大，分别达到354～406 d和791～1358 d。因此毛叶苕子在红壤旱地翻压，增加翻压量对钾素释放率的影响最小，对磷素的影响次之，对碳和氮释放的延缓效应最大。从养分释放速率角度来看，翻压后的前10 d，碳、氮、磷、钾的释放速率均与翻压量成正相关关系，相关系数分别为0.932(P<0.01)、0.944(P<0.01)、0.957(P<0.01)和0.990(P<0.01)，表明随着翻压量的加大，各元素的释放速率也相应增大，10～20 d时则只有氮和钾的相关系数仍具显著水平，分别为0.913(P<0.05)和0.820(P<0.05)，20 d后各元素的相关系数均未达到显著水平(P>0.05)。因此增加翻压量对毛叶苕子碳、氮、磷、钾释放速率的影响仅局限于翻压前期(10或20 d)，20 d后各元素的释放速率未因翻压量的加大产生显著变化。从表4也可得到验证，增加翻压量后毛叶苕子大部分的碳、氮、磷、钾仍在0～20 d释放，20～180 d的释放量并未得到大幅提高。这对于指导生产实践具有重要意义，即加大翻压量并不能实现为后茬作物“持续”供应养分的目的，绝大多数养分仍在翻压前期释放。而实际生产中，翻压前期正值主作物的苗期，需肥量有限，盲目增加翻压量可能会导致大量养分未被充分利用而损失，既造成了资源浪费，也易引起环境污染[34]。如过量翻压会形成局部厌氧环境，易通过反硝化作用造成气态氮的损失；绿肥翻压时期恰逢南方多雨季节，部分氮素会随雨水淋失污染地下水，磷素会随地表径流流失污染水体环境。

3.3红壤旱地甘薯种植中毛叶苕子的合理施用

甘薯是红壤旱地主要的粮食作物之一，其生育期长而需肥量极大，常年种植会加速土壤贫瘠化，单纯依靠化肥既增加了农业生产成本，又加剧了土壤酸化。以本试验区为例，甘薯的推荐施肥量为施氮(N)120 kg/hm2、施磷(P2O5)90 kg/hm2、施钾(K2O)180 kg/hm2，其氮、钾肥施用比例大约为基肥∶分枝肥∶结薯肥=4∶4∶2，磷肥全部基施。如按中等翻压量(22500 kg/hm2)计算，毛叶苕子在翻压后的0～20 d内，可释放氮(N)60.6 kg/hm2、磷(P2O5)12.1 kg/hm2、钾(K2O)120.5 kg/hm2，分别相当于甘薯基肥施用量的126.3%、13.4%和167.4%，氮和钾远超推荐施用量，而且翻压毛叶苕子还可补充一定量的中、微量元素，但对作物生长中、后期的养分供应能力有限。我国南方雨热条件充足，绿肥产量一般很高，因此在实际生产中，应充分考虑后茬作物的需肥特性，制定绿肥作物合理的翻压量和翻压时间，实现一块田地种植的绿肥为两到三块田地所利用，从而既能利用南方有限的冬闲土地为尽量多的田块提供绿肥，又能使绿肥资源得到合理施用。但是本研究仅局限于毛叶苕子的养分由植株体释放到土壤这一环节，对于后茬作物而言其养分的有效性和时效性是否与化学肥料相同，以及这部分养分在土壤中的转化途径、周转速率等还有待进一步研究。

4　结论

1)总体上毛叶苕子腐解存在前期(0～20 d)迅速、后期缓慢的现象，翻压180 d后毛叶苕子干物质的最终腐解率达到70.19%～84.18%。碳、氮、磷、钾、镁、硫、铜、锌均在翻压前期大量释放，钙、锰释放较慢，铁在翻压前期出现“富集”现象。

2)增加翻压量不会改变毛叶苕子整体的腐解及养分释放规律，但会对养分的释放率和释放速率产生影响。在红壤旱地翻压，增加翻压量对毛叶苕子钾素释放率的影响最小，对磷素的影响次之，对碳和氮释放的延缓效应最大；增加翻压量对碳、氮、磷、钾释放速率的影响仅局限于翻压前期(10或20 d)，之后各元素的释放速率未因翻压量的加大产生显著变化。

3)增加翻压量后毛叶苕子大部分的碳、氮、磷、钾仍在翻压后的前20 d释放，后期释放量未得到大幅提高，加大翻压量不能实现为后茬作物“持续”供应养分的目的。实际生产中，应充分结合后茬作物的需肥特性，制定毛叶苕子合理的翻压量。

[1]Zhao Q G, Xu M J, Wu Z D. Agricultural sustainability of the red soil upland region in southeast China. Acta Pedologica Sinica, 2000, 37(4): 433-442.

[2]The Chinese Academy of Agricultural Sciences. Comprehensive Management and Agricultural Sustainable Development of Red-yellow Region[M]. Beijing: China Agriculture Press, 2001.

[3]Guo J H, Liu X J, Zhang Y,etal. Significant acidification in major Chinese croplands. Science, 2010, 327: 1008-1010.

[4]Tong X G, Xu M G, Wang X J,etal. Long-term fertilization effects on organic carbon fractions in a red soil of China. Catena, 2014, 113: 251-259.

[5]Xu J M, Tang C, Chen Z L. The role of plant residues in pH change of acid soils differing in initial pH. Soil Biology & Biochemistry, 2006, 38: 709-719.

[6]Li C L, Zhou J H, Yuan Y H,etal. Effects of soil amendments on distribution of water stable aggregates and organic carbon in upland red soil. Journal of Soil and Water Conservation, 2015, 29(3): 112-116.

[7]Poeplau C, Don A. Carbon sequestration in agricultural soils via cultivation of cover crops-A meta-analysis. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2015, 200: 33-41.

[8]Almagro M, Martínez-Mena M. Litter decomposition rates of green manure as affected by soil erosion, transport and deposition processes, and the implications for the soil carbon balance of a rainfed olive grove under a dry Mediterranean climate. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2014, 196: 167-177.

[9]Yang Z P, Zheng S X, Nie J,etal. Effects of long-term winter planted green manure on distribution and storage of organic carbon and nitrogen in water-stable aggregates of reddish paddy soil under a double-rice cropping system. Journal of Integrative Agriculture, 2014, 13(8): 1772-1781.

[10]Yang N, Wang Z H, Gao Y J,etal. Effects of planting soybean in summer fallow on wheat grain yield, total N and Zn in grain and available N and Zn in soil on the Loess Plateau of China. European Journal of Agronomy, 2014, 58: 63-72.

[11]Sun Y R, Shi Y, Chen G J,etal. Evaluation of the germination characteristics and drought resistance of green manure crops under PEG stress. Acta Prataculturae Sinica, 2015, 24(3): 89-98.

[12]Guo X X, Wu C X, Shen Y X. Allelopathic effects of hairy vetch on seed germination and seedling growth of three weeds. Acta Prataculturae Sinica, 2007, 16(2): 90-93.

[13]Pan F X, Lu J W, Liu W,etal. Study on characteristics of decomposing and nutrients releasing of three kinds of green manure crops. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2011, 17(1): 216-223.

[14]Pan F X, Lu J W, Liu W,etal. Effect of different green manure application on soil fertility. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2011, 17(6): 1359-1364.

[15]Han S, Gen M J, Song L,etal. Differences of growth and nutrient accumulation of five leguminous green manure crop intercropping in citrus orchard at Three Gorges Reservoir. Journal of Huazhong Agricultural University, 2014, 33(1): 62-66.

[16]Lin X X, Wu S L, Che Y P. The study of nylon mesh bag method to measure the decomposition rate of organic matter in arid and semiarid region. Soils, 1992, 24(6): 315-318.

[17]Lu R K. Agricultural Soil Analysis[M]. Beijing: China Agricultural Science and Technology Press, 2000.

[18]Huang C Y. Pedology[M]. Beijing: China Agriculture Press, 1999: 36-37.

[19]Chapman S J. Barley straw decomposition and S immobilization. Soil Biology & Biochemistry, 1997, 29(2): 109-114.

[20]Stanford G, Smith S J. Nitrogen mineralization potentials of soils. Soil Science Society of America Journal, 1972, 36(3): 465-472.

[21]Chen J, Zhao B Z, Zhang J B,etal. Research on process of Fluvo-Aquic soil organic carbon mineralization in initial stage of maize growth under long-term different fertilization. Soils, 2009, 41(5): 719-725.

[22]Olson J S. Energy storage and the balance of producers and decomposition in ecological systems. Ecology, 1963, 44: 332-341.[23]Liu Z W, Gao W J, Pan K W,etal. Influences of soil mixing of different forests on the biochemical characteristics and litter decomposition on upper reach of Minjiang River. Acta Ecologica Sinica, 2007, 27(10): 4149-4156.

[24]Zhao Q G, Huang G Q, Ma Y Q. The problems in red soil ecosystem in southern of China and its countermeasures. Acta Ecologica Sinica, 2013, 33(24): 7615-7622.

[25]Yang H X, Zhou M H, Li J L,etal. Decay and nutrient release inVulpiamyurosgrasses, a species suitable for soil conservation in temperate zone orchards. Acta Prataculturae Sinica, 2015, 24(4): 208-213.

[26]Zhao N, Zhao H B, Yu C W,etal. Nutrient release of leguminous green manures in rainfed lands. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2011, 17(5): 1179-1187.

[27]Wang F, Lin C, Li Q H,etal. A study on organic carbon and nutrient releasing characteristics of differentAstragalussinicusmanure use levels in a single cropping region of subtropical China. Acta Prataculturae Sinica, 2012, 21(4): 319-324.

[28]Jiang X D, Chi S Y, Wang Y,etal. Effect of less tillage and no-tillage patterns on decomposition of returned maize straw in wheat/maize system. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2009, 25(10): 247-251.

[29]Wang Y, Liu G S. Nutrient release from green manures and its effect on quality of tobacco leaves. Acta Pedologica Sinica, 2006, 43(2): 273-279.

[30]Wang X Y, Sun B, Mao J D,etal. Structural convergence of maize and wheat straw during two-year decomposition under different climate conditions. Environmental Science & Technology, 2012, 46: 7159-7165.

[31]Zhang L J, Chang J, Jiang L N,etal. Characteristics of organic carbon mineralization of maize straw in lime concretion black soil. Scientia Agricultura Sinica, 2011, 44(17): 3575-3583.

[32]Tang G Y, Tong C L, Su Y R,etal. Effects of soil moisture content on the mineralization of added14C-labbelled straw and native soil organic carbon in upland soil. Scientia Agricultura Sinica, 2006, 39(3): 538-543.

[33]Wu S M, House G J, Han C R. Variation of nutrient elements of winter cover crop residues in agroecosystems under no tillage and conventional tillage. Acta Pedologica Sinica, 1986, 23(3): 204-211.

[34]Wang J H, Cao K, Zhang X. Effects of incorporation of Chinese milk vetch coupled with application of chemical fertilizer on nutrient use efficiency and yield of single-cropping later rice. Acta Pedologica Sinica, 2014, 51(4): 888-896.

[1]赵其国, 徐梦洁, 吴志东. 东南红壤丘陵地区农业可持续发展研究. 土壤学报, 2000, 37(4): 433-442.

[2]中国农业科学院. 红黄壤地区综合治理与农业持续发展研究[M]. 北京: 中国农业出版社, 2001.

[6]李丛蕾, 周际海, 袁颖红, 等. 改良剂对旱地红壤团聚体及有机碳分布的影响. 水土保持学报, 2015, 29(3): 112-116.

[11]孙艳茹, 石屹, 陈国军, 等. PEG模拟干旱胁迫下8种绿肥作物萌发特性与抗旱性评价. 草业学报, 2015, 24(3): 89-98.

[12]郭晓霞, 邬彩霞, 沈益新. 毛苕子对3种杂草种子萌发和幼苗生长的化感抑制. 草业学报, 2007, 16(2): 90-93.

[13]潘福霞, 鲁剑巍, 刘威, 等. 三种不同绿肥的腐解和养分释放特征研究. 植物营养与肥料学报, 2011, 17(1): 216-223.

[14]潘福霞, 鲁剑巍, 刘威, 等. 不同种类绿肥翻压对土壤肥力的影响. 植物营养与肥料学报, 2011, 17(6): 1359-1364.

[15]韩上, 耿明建, 宋莉, 等. 三峡库区橘园不同豆科绿肥的生长及养分积累比较. 华中农业大学学报, 2014, 33(1): 62-66.

[16]林心雄, 吴顺龄, 车玉萍. 干旱和半干润地区测定有机物分解速率的尼龙袋法. 土壤, 1992, 24(6): 315-318.

[17]鲁如坤. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京: 中国农业科技出版社, 2000.

[18]黄昌勇. 土壤学[M]. 北京: 中国农业出版社, 1999.

[21]陈吉, 赵炳梓, 张佳宝, 等. 长期施肥潮土在玉米季施肥初期的有机碳矿化过程研究. 土壤, 2009, 41(5): 719-725.

[23]刘增文, 高文俊, 潘开文, 等. 岷江上游不同树种林地客土混合对土壤生物化学性质和枯落叶分解的影响. 生态学报, 2007, 27(10): 4149-4156.

[24]赵其国, 黄国勤, 马艳芹. 中国南方红壤生态系统面临的问题及对策. 生态学报, 2013, 33(24): 7615-7622.

[25]杨洪晓, 周美华, 李俊良, 等. 温带果园护土生草鼠茅草的腐解和养分释放. 草业学报, 2015, 24(4): 208-213.

[26]赵娜, 赵护兵, 鱼昌为, 等. 旱地豆科绿肥腐解及养分释放动态研究. 植物营养与肥料学报, 2011, 17(5): 1179-1187.

[27]王飞, 林诚, 李清华, 等. 亚热带单季稻区紫云英不同翻压量下有机碳和养分释放特征. 草业学报, 2012, 21(4): 319-324.

[28]江晓东, 迟淑筠, 王芸, 等. 少免耕对小麦/玉米农田玉米还田秸秆腐解的影响. 农业工程学报, 2009, 25(10): 247-251.

[29]王岩, 刘国顺. 绿肥中养分释放规律及对烟叶品质的影响. 土壤学报, 2006, 43(2): 273-279.

[31]张丽娟, 常江, 蒋丽娜, 等. 砂姜黑土玉米秸秆有机碳的矿化特征. 中国农业科学, 2011, 44(17): 3575-3583.

[32]唐国勇, 童成立, 苏以荣, 等. 含水量对14C标记秸秆和土壤原有有机碳矿化的影响. 中国农业科学, 2006, 39(3): 538-543.[33]吴珊眉, House G J, 韩纯儒. 免耕和常规耕作农田生态系统冬季覆盖作物残茬分解和养分变化. 土壤学报, 1986, 23(3): 204-211.

[34]王建红, 曹凯, 张贤. 紫云英还田配施化肥对单季晚稻养分利用和产量的影响. 土壤学报, 2014, 51(4): 888-896.

Decomposition and nutrient release characteristics of different Vicia villosa green manure applications in red soil uplands of South China

LIU Jia1,2, ZHANG Jie3, QIN Wen-Jing1, YANG Cheng-Chun1, XIE Jie1, XIANG Xing-Jia2, CAO Wei-Dong4, XU Chang-Xu1*

1.Soil and Fertilizer & Resources and Environment Institute, Jiangxi Academy of Agricultural Sciences, Nanchang 330200, China; 2.Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 3.Nanchang Institute of Technology, Nanchang 330099, China; 4.Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China

Viciavillosais commonly used as a green manure or pasture in north China. In order to provide a scientific basis for its use as green manure in south China, a study has been undertaken in winter-fallowed red soil uplands used for sweet potato crops in Dongxiang County, Jiangxi Province. The decomposition and nutrient release characteristics of TurkmenV.villosawere tested with different application amounts. Nylon net bags (30 cm×20 cm) were used to assess three application treatments: low (90 g fresh grass per bag, equivalent to 15000 kg/ha), medium (135 g fresh grass per bag, equivalent to 22500 kg/ha) and high (180 g fresh grass per bag, equivalent to 30000 kg/ha). The rates of dry matter decomposition and nutrient release were monitored at 10, 20, 30, 60, 90, 120, 150 and 180 days after application. The results showed that all three treatments decomposed rapidly over the first 20 days and then the release speeds slowed. The dry matter decomposition rate reached 60.59%-66.72% after 20 days and 70.19%-84.18% by the end of the experiment. Carbon (C), nitrogen (N), phosphorus (P), potassium (K), magnesium (Mg), sulphur (S), copper (Cu) and zinc (Zn) released rapidly in the first 20 days, reaching 62.1%-68.1%, 71.5%-76.0%, 70.4%-81.8%, 97.3%-97.7%, 75.6%-82.1%, 73.4%-79.0%, 78.6%-81.6% and 84.1%-88.4% respectively. Calcium (Ca) and manganese (Mn) released relatively slowly at first (43.5%-63.8% and 20.6%-35.9% after 20 days), but their release rates reached 86.0%-92.6% and 54.2%-76.7% respectively by the end of the experiment. Iron (Fe) was a significant “enrichment” phenomenon in the early stages but its release rate was ultimately very low. The general rules of decomposition and nutrient release did not change significantly with increasing application amounts. The release rates and speeds of C, N, P and K in the different applications fitted well with both the power function formulay=axb(allP<0.001) and the exponential decay modelv=v0e-kx(allP<0.01). Regression analysis showed that the delay effects of nutrient release caused by increasing application amounts were C and N>P>K, with the full release of these nutrients needing 354-406 d, 791-1358 d, 87-122 d and 16-27 d respectively. The release speeds of C, N, P and K improved significantly over the first 10 and 20 d after application, following which the values remained at extremely low levels. This pattern did not change significantly with higher applications. Therefore, the ability to continuously supply nutrients for following crops by increasing the application amounts ofV.villosais very limited. Optimum application amounts need to be determined by fully considering the fertilizer requirements of the following crops.

Viciavillosa; south China red soil uplands; application amount; decomposition characteristics; nutrient release

10.11686/cyxb2016132

2016-03-29；改回日期：2016-05-10

公益性行业(农业)科研专项(201103005)，国家科技支撑计划项目(2012BAD05B04)，江西省青年科学基金项目(20142BAB214005)和江西省农业科学院创新基金项目(2012CQN002)资助。

刘佳(1984-)，男，安徽六安人，助理研究员，在读博士。E-mail: liujia422@126.com

Corresponding author. E-mail: changxux@sina.com

http://cyxb.lzu.edu.cn

刘佳，张杰，秦文婧，杨成春，谢杰，项兴佳，曹卫东，徐昌旭. 红壤旱地毛叶苕子不同翻压量下腐解及养分释放特征. 草业学报, 2016, 25(10): 66-76.

LIU Jia, ZHANG Jie, QIN Wen-Jing, YANG Cheng-Chun, XIE Jie, XIANG Xing-Jia, CAO Wei-Dong, XU Chang-Xu. Decomposition and nutrient release characteristics of differentViciavillosagreen manure applications in red soil uplands of South China. Acta Prataculturae Sinica, 2016, 25(10): 66-76.