朱吉风,蒋美艳,周熙荣,张俊英,江建霞,杨立勇,李延莉,王伟荣

(上海市农业科学院作物育种栽培研究所,上海 201403)

氮、磷、钾是作物生长发育所必需的营养元素,对满足作物生长发育、提高作物产量、改善农产品质量、增强作物抗逆性等具有重要作用。改革开放以来,我国农作物产量与化肥施用量同步增长[1-2]。耕作过程中因化肥大量施用所造成的农田退化、水体富营养化等现象日益突出,成为困扰我国农业可持续发展的重要问题[3-4]。保护耕地、合理施肥、提升地力、发展绿色生态农业在全国各地已形成共识。我国作为传统农业大国和人口大国,优化农业耕作制度,发展绿色生态可持续农业势在必行[5]。随着我国农业“双减”目标和农业供给侧结构性改革的有效贯彻推进,我国部分省市如上海等地已全面退出冬季作物种植模式,率先普及绿肥种植和深翻晒垡等,为粮食作物绿色生产创造了优越的生态条件。

绿肥作为一种直接或经堆沤后还田的生物肥源,对增辟肥源、改良土壤、改善农产品品质等具有重要作用。随着“绿色理念”的普及,冬季绿肥还田将成为发展生态农业的必然趋势。油菜、紫云英、蚕豆、豌豆、紫花苜蓿等是我国主要的冬季绿肥作物,还田后可有效改良土壤、增加土壤中的氮磷钾等营养成分,并能显著提高后茬作物如水稻、小麦、花生等的产量[6-10]。不同种类的绿肥作物或秸秆的腐解及其养分释放存在差异[11],如代文才等[12]研究发现,蚕豆青秆累积腐解率和养分释放率均显著低于油菜;潘福霞等[13]认为,绿肥山黧豆的氮和磷累积释放率高于箭筈豌豆和苕子,但钾的累积释放率无明显差异。目前对绿肥腐解及养分释放规律已有较多研究,并取得了一定进展[12]。然而,已有研究主要集中在个别绿肥腐解量及养分释放量方面,不同绿肥间养分释放规律的比较相对较少。为充分了解不同绿肥的腐解特性及养分释放规律,探索不同冬季绿肥作物在水田环境下的腐解及主要养分释放差异性,本研究选用油菜、紫云英、蚕豆、豌豆、紫花苜蓿5种冬季绿肥作物,在模拟的水田环境条件下,比较分析不同绿肥作物的腐解特性及其氮磷钾三大元素的释放规律,旨在为绿肥作物还田及后茬作物绿色生产提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试绿肥作物为油菜、紫云英、蚕豆、豌豆和紫花苜蓿,其中油菜为上海当地主栽品种‘沪油21’,其种子由上海市农业科学院提供;紫云英、蚕豆、豌豆、紫花苜蓿等4种豆科绿肥作物的种子均购于上海当地农贸市场。

2019年10月15日将供试绿肥播种于上海市农业科学院庄行综合试验站,各试验小区面积均为20.0 m2,采取随机区组排列,重复3次。油菜、紫云英和紫花苜蓿采取人工撒播,播种量分别为2.25 kg/hm2、30.0 kg/hm2和30.0 kg/hm2;蚕豆和豌豆采用人工点播覆土,播种量均为75.0 kg/hm2。于2020年3月15日绿肥盛花期,各小区齐地收割全区绿肥地上部,称重,计鲜草产量;各小区随机抽取5 m2采集地上部及地下部根系,用自来水冲洗干净后,置于105℃杀青30 min,65℃烘干至恒重后,分别称重,并计算根冠比(地下生物量/地上生物量),将各部位剪成2—3 cm的小段,混匀,立即装入尼龙网袋、封口,每袋装入烘干的绿肥混合样品10.0 g,每种绿肥分别装27袋,用于后续不同绿肥作物的腐解特性及养分释放规律研究。

供试土壤采自上海市农业科学院庄行综合试验站,土壤基本理化性质为pH 7.5、有机质含量3.2%、水解氮含量84.14 mg/kg、有效磷含量72.66 mg/kg、速效钾含量252.69 mg/kg。

1.2 试验方法

在室内模拟水田环境,将供试土壤装入长61.0 cm、宽42.0 cm、高15.0 cm的塑料箱中,埋入装有油菜、紫云英、紫花苜蓿、蚕豆或豌豆的尼龙网袋,每箱5个作物,每个作物各9个处理,每箱共45袋,共3箱,即每个作物共27个处理,重复3次,统一控制土壤含水量,持续保持高于土面1 cm左右的水层,并在埋袋后的第0、5、10、15、20、30、40、50、60天取样,将所取网袋上黏附的泥浆冲洗干净后置于65℃烘干并称重,计算绿肥累积腐解量。将剩余样品磨碎过1 mm筛后,采用氢氧化钠标准滴定法测其水解氮含量,采用电感耦合等离子体光谱法测其有效磷含量,采用乙酸铵提取-火焰光度法测其速效钾含量[14-15]。参照潘福霞等[13]方法,计算5种绿肥的累积腐解量、累积腐解率以及对应处理的养分累积释放率。

累积腐解率=(1-nd干物质总量/0 d干物质总量)×100%;

养分总量(mg)=干物质总量(g)×养分含量(mg/kg)/1 000;

养分累积释放率=(1-nd的养分总量/0 d养分总量)×100%;

nd的养分相对释放量(mg/g)=nd的养分累积释放量/nd的累积腐解量;

其中n为处理天数。

1.3 数据分析

利用Excel 2010软件对各指标数据进行整理,采用SAS9.1软件对数据进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同绿肥的生物产量

油菜平均鲜草产量为31 236.7 kg/hm2(含水量84.19%)、蚕豆为24 676.7 kg/hm2(含水量87.34%)、紫云英为21 978.8 kg/hm2(含水量89.02%)、豌豆为18 691.7 kg/hm2(含水量80.42%)、紫花苜蓿为17 339.6 kg/hm2(含水量79.01%)。烘干后,油菜的地下与地上部分干物质量最高,分别为1 041.4 kg/hm2和4 938.5 kg/hm2;紫云英最小,分别为143.1 kg/hm2和2 413.3 kg/hm2。通过计算不同绿肥盛花期地下与地上干重比(即根冠比)发现,不同绿肥间根冠比存在差异,其中,紫花苜蓿的根冠比最大,油菜次之,紫云英最小(表1)。

表1 5种绿肥地上与地下干物质量Table 1 Aboveground and underground dry matter weight of 5 green manures

2.2 不同绿肥氮的释放特征

如图1所示,在模拟水田环境下,各绿肥埋压后的前15 d氮释放量较大,且不同绿肥间的氮释放率存在差异,油菜、豌豆和紫花苜蓿的氮释放率明显高于蚕豆和紫云英;埋压20 d时,油菜、豌豆、紫花苜蓿、蚕豆和紫云英的氮累积释放率分别为89.3%、88.2%、88.5%、72.6%和68.3%;埋压后30—60 d,油菜、豌豆、蚕豆和紫花苜蓿氮的释放基本停滞,而紫云英氮的释放在50 d后基本停滞;埋压60 d后,5种绿肥的氮累积释放率均超过90%。

图1 5种绿肥氮的释放特征Fig.1 Nitrogen release characteristics of 5 green manures

2.3 不同绿肥磷的释放特征

如图2所示,在模拟水田环境下,各绿肥磷的释放量在埋压后前15 d较大,在15 d时不同绿肥间的磷累积释放率相差最大,其中豌豆的磷累积释放率最大,为90.0%,蚕豆最小,为73.9%;埋压后20—60 d,不同绿肥磷的释放趋于平缓,且不同绿肥间差异减小。埋压60 d后,豌豆、蚕豆和紫云英的磷累积释放率相近,约95.0%,油菜相对较低,为92.8%。

图2 5种绿肥磷的释放特征Fig.2 Phosphorus release characteristics of 5 green manures

2.4 不同绿肥钾的释放特征

在模拟水田环境下,不同绿肥钾的释放与其氮、磷的释放过程存在不同,且均表现为钾的释放较快,即5种绿肥在埋压后10 d其钾素迅速释放,埋压后20 d基本释放完成,此时,各绿肥钾的累积释放率已超过90%。但5种绿肥钾的释放速率存在差异,其中豌豆钾的释放最快,在埋压后10 d钾的释放基本完成,此时钾的累积释放率为94.0%;紫花苜蓿在埋压后15 d钾的释放基本完成,此时钾的累积释放率为92.2%;其他3种绿肥在埋压后20 d钾的释放基本完成(图3)。

图3 5种绿肥钾的释放特征Fig.3 Potassium release characteristics of 5 green manures

2.5 不同绿肥腐解规律及与各养分比例的变化特征

在模拟水田环境下,不同绿肥埋压后的腐解规律基本一致,主要分为快速腐解期(0—15 d)和缓慢腐解期(15—60 d)。在埋压15 d时,油菜、蚕豆、豌豆、紫云英和紫花苜蓿的样品腐解量已超过50%,对应累积腐解率分别为54.7%、57.5%、66.2%、66.1%和55.0%,平均腐解速率分别为0.36 g/d、0.38 g/d、0.44 g/d、0.41 g/d和0.37 g/d。埋压后15—60 d,5种绿肥的累积腐解率上升变缓,试验结束时,油菜、蚕豆、豌豆、紫云英和紫花苜蓿的累积腐解率分别为72.8%、83.2%、77.7%、83.8%和87.8%,对应区段平均腐解速率分别为0.040 g/d、0.057 g/d、0.026 g/d、0.039 g/d和0.073 g/d,明显小于前15 d(图4)。此外,从图4可见,5种绿肥的累积腐解率大体呈现为紫云英＞蚕豆＞豌豆/紫花苜蓿＞油菜,其中油菜在各时间段的累积腐解率均小于其他绿肥,紫花苜蓿在埋压30 d后,其累积腐解率赶超其他绿肥,紫云英、豌豆和蚕豆的累积腐解率差异较小。随着处理时间延长,不同绿肥的累积腐解率差异逐渐减小。

图4 5种绿肥的腐解特征Fig.4 Decomposition characteristics of 5 green manures

为比较不同绿肥各元素在不同处理时间内的释放量,以每克腐解量为基础,计算各元素相对释放量,结果发现:5种绿肥钾的释放量最大,且相同处理时间内每克腐解量中钾的含量显著高于磷和氮两种元素;在豌豆、蚕豆、紫云英和紫花苜蓿中,每克腐解量中氮的释放量高于磷,而油菜中氮和磷的释放量相当。埋压60 d后,油菜磷的相对释放量明显高于其他4种绿肥,而油菜氮的相对释放量则显著低于豌豆和紫花苜蓿,但与蚕豆和紫云英相近;埋压60 d后,5种绿肥钾的相对释放量表现为紫云英＞油菜＞紫花苜蓿＞豌豆＞蚕豆,磷的相对释放量表现为油菜＞紫云英＞蚕豆＞豌豆＞紫花苜蓿,氮的相对释放量表现为紫花苜蓿＞豌豆＞紫云英＞蚕豆＞油菜(图5)。

图5 5种绿肥每克腐解量各养分的释放特征Fig.5 Release characteristics of nutrients per gram of decomposition amount of 5 green manures

3 讨论

绿肥作为有机肥的重要来源,在培肥地力、改善土壤理化性质、降低农业生产成本等方面发挥着重要作用[4]。油菜、紫云英、紫花苜蓿、蚕豆和豌豆等是我国传统的冬季绿肥作物,还田进入土壤后一般经过前期快速腐解、后期缓慢腐解等过程,将植物体中的氮、磷、钾等元素释放到土壤中。本研究中5种绿肥水田腐解速率随处理时间延长整体呈稳定增加趋势,与前人研究结果一致[12,15]。5种绿肥之间的腐解率或各养分释放率存在差异,可能是由于其各组织的组成成分或根冠比存在差异所致。有报道认为,水溶性物、苯醇溶性物和粗蛋白等物质分解较快,纤维素次之,木质素、蜡粉等较难分解,作物还田后的腐解及养分释放速率一般表现为地上部高于地下根部[11,15-17],即水溶性物质含量高的绿肥易分解、根冠比小的绿肥易分解。本研究发现,处理前期根冠比最小的紫云英腐解最快,根冠比大的油菜和紫花苜蓿腐解速率相对较慢,与预期结果一致。但随着处理时间的延长,紫花苜蓿的腐解速率逐步超过其他绿肥,可能是由于紫花苜蓿的组织成分(如纤维素、蛋白、木质素等)与其他绿肥存在量的差异。

作物中营养元素的存在形态决定其释放速率,钾元素主要以离子形态存在于植物体中,故其在三大元素中释放最快[12,18]。本研究中5种绿肥钾的释放最快,磷、氮释放在5种绿肥中存在差异,但整体上表现为豆科作物(紫云英、紫花苜蓿、蚕豆和豌豆)氮的释放快于磷,而油菜氮、磷释放相当,但其氮素释放则明显低于部分豆科绿肥(紫花苜蓿和豌豆),磷的释放则略高于豆科绿肥。因此,在种植后季作物时可根据其养分需求规律及前茬绿肥作物类型合理配施钾肥、磷肥或氮肥。

油菜种子繁殖系数大,发芽率高,出苗能力强,生物产量高[1,19-20]。在5种绿肥中,油菜的播种量仅2.25 kg/hm2,远低于4种豆科绿肥(紫云英和紫花苜蓿的播种量均为30.0 kg/hm2,蚕豆和豌豆的播种量均为75.0 kg/hm2),而在盛花期油菜鲜草产量为31 236.7 kg/hm2,5种绿肥中位居第一,具有明显的绿肥产量优势。前人研究发现,油菜混合紫云英等豆科绿肥利于微生物繁殖,可促进油菜腐解,协调氮、磷营养元素的释放等[21],油菜还田后其累积养分释放率虽与其他4种豆科绿肥基本一致,但累积腐解率和单位氮素释放量却低于豆科绿肥。因此,在选种绿肥时可根据农业经济效益、土壤性质、后茬作物营养需求等选择合适的绿肥种类或不同类型的绿肥作物(如油菜与豆科作物)配合种植还田,以充分发挥不同绿肥作物的优势,实现绿肥最大种植效益。