剑麻麻茎腐解及养分释放特征研究

谭施北，习金根*，习嘉民，郑金龙，贺春萍，吴伟怀，梁艳琼，李锐，易克贤*

（1.中国热带农业科学院环境与植物保护研究所／农业部儋州农业环境科学观测实验站，海口571101；2.中国热带农业科学院农产品加工研究所，广东湛江524001）

将农作物秸秆等农业废弃物还田可以维持土壤有机碳含量、改善土壤团粒结构、提高土壤肥力水平和生物活性，从而节约化肥用量，减少土地生产投入，是实现农业可持续发展的关键技术之一［1－4］。剑麻假茎及残留在其周围的叶片基部，整体称为麻茎。研究［5－6］发现，麻茎资源丰富，7～11龄麻茎干重平均达11.5 kg／株（51.0 t／hm2），占剑麻整株干物质含量的40.0%，最高可达46%，是剑麻生产中重要的废弃物之一。生产中发现，麻茎直接还田不但解决了麻茎的处理问题，而且有效保持了坡地剑麻种植园多年高产稳产，是麻茎较为合理的利用方式［7］。前人研究［8－10］表明，秸秆还田后在土壤中会经历一个复杂而漫长的腐解过程，且不同类型和不同处理方式的秸秆腐解速率和养分释放特征不同。了解和明确秸秆的腐解特性，是秸秆合理肥料化利用的前提。前人［11－17］已对各种作物秸秆的腐解特性进行了较多的研究，但有关剑麻麻茎腐解特征的研究还未见报道。因此，本试验拟采用尼龙网袋法，研究剑麻麻茎的腐解速率和氮、磷、钾养分释放速率，以期为剑麻麻茎合理的肥料化利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

剑麻麻茎由3个部位组成。第一个为茎部，即剑麻的假茎，位于整个麻茎的中心，四周被残留的叶基部包围；第二个是已经风干的叶片基部，该部分靠近根部，是较早割叶残留下来的叶片基部，由于割叶较早（约4～10年前），已经干枯；第三个是新鲜的叶片基部，该部位靠近剑麻假茎生长端，由于刚割叶不久（约1～3年前），残留下来的叶片基部还未干枯。试验用剑麻麻茎采自广西陆川县国营红山农场剑麻园，麻龄为10年，供试剑麻品种为龙舌兰杂种H.11648，大小行距分别为4、1 m，株距0.9 m，每667 m2种植剑麻296株。共采集3个麻茎的混合样品，每个麻茎包括茎部、鲜叶基和干叶基3部分。茎部直径平均约18.5 cm，叶基长×宽平均为14.5 cm×13.8 cm。

1.2 试验方法

试验于海南省文昌市中国热带农业科学院文昌试验基地进行，试验田土壤理化性质见表1。试验采用尼龙网袋（均为市售现成尼龙网袋）法。将鲜叶基、干叶基从麻茎拨下，分别称量鲜重。采用烘干法（105℃杀青30 min后，以80℃烘干至恒重），分别从鲜叶基、干叶基中抽取10片测量含水率，取平均值作为试验用鲜叶基、干叶基的含水率，并由此算出鲜叶基、干叶基原始（0 d）平均干重，即干物质量。为模拟生产中麻茎直接还田的方式，鲜叶基、干叶基均未经切割，保持原样分别直接装入规格为25 cm×15 cm、40目的尼龙网袋中。而为与鲜叶基重量相当，茎部切成长、宽、厚分别约10、6、1.5 cm的小方块，并称量鲜重。从中抽取10片，采用烘干法测量鲜茎含水率，并由此算出原始（0 d）鲜茎的平均干重，即干物质量。然后将鲜茎装入规格为20 cm×10 cm、40目的尼龙网袋中。网袋的规格以正好能够包住试验材料为宜。各部位试验前（0 d）重量见表2。2015年12月1日于文昌基地埋下，埋深25 cm。茎部和风干叶基每30 d取样一次，共取10次。在试验开始30 d后第一次取样，发现鲜叶基外表新鲜，质地坚硬，几乎没有腐解的痕迹。因此，在之后的采样中，鲜叶基改为每90 d取样一次，加上试验开始30 d后的第一次取样，鲜叶基共取样4次。每次每部位均取3袋，样品用自来水洗净后，80℃烘干，用微型植物粉碎机（FZ102，天津泰斯特）粉碎。

表1 剑麻麻茎腐解试验田土壤理化性质Tab.1 Soil physical and chemical properties of sisal stalk decomposition experimental field

表2 剑麻麻茎各部位原始（0 d）平均干物质量Tab.2 Dry weight of different parts of sisal stalk before experiment

1.3 测定内容与计算方法

植物样品经H2SO4－H2O2消煮后，全氮含量用奈氏比色法测定，全磷含量用钼锑钪比色法测定，全钾含量用多元素火焰光度计（M410，Sherwood）测定［18］。计算方法如下［10］：

质量累积减少量（g）＝0 d干物质量－N d干物质量

腐解率（%）＝质量累积减少量／0 d干物质量×100%

平均腐解率（mg／d）＝质量累积减少量／0 d干物质量×100%

养分释放量（mg）＝0 d养分含量－N d取样养分含量

养分释放率（%）＝养分释放量／0 d养分含量×100%

平均养分释放率（mg／d）＝养分释放量／0 d养分含量×100%

采用Microsoft office Excel 2010软件分析数据并绘图。

2 结果与分析

2.1 剑麻麻茎干物质量及养分含量

由表3可知，麻茎总干重平均为35.9 kg，其中鲜叶基占主要部分，占整个麻茎总干重的62.1%，其次为茎部，干叶基所占比重最小，仅为4.2%。全C含量茎部和干叶基相当，分别为556.5、559.0g／kg，而鲜叶基全 C含量相对较低，仅为 349.4 g／kg。全 N含量茎部最大，达7.5 g／kg，而干叶基和鲜叶基全N含量较低。麻茎各部位全P含量和全K含量差异均不显著。按剑麻种植密度为每667 m2种植296株计算，则可估算出每667 m2剑麻地麻茎所含C量高达4551.6 kg，而麻茎N、P、K储量也分别高达47.0、11.3、27.7 kg。其中，茎部和鲜叶基含C量差异不显著，说明二者碳素储量相当，但均明显高于干叶基含C量。茎部含N量最高，其次为鲜叶基，而干叶基含N量很低。茎部和鲜叶基含P量相当，均显著高于干叶基含P量。鲜叶基含K量最高，明显高于茎部和干叶基含K量。可见，剑麻麻茎中的养分主要储藏于茎部和鲜叶基中，而干叶基所含养分很低。

表3 剑麻麻茎各部位干重及养分含量Tab.3 Dry weight and nutrient content of different parts of sisal stalk

2.2 剑麻麻茎腐解率变化特征

腐解率指在某段时间内试验材料干物质的累积减少量占原始干物质量的比率，可直观地表征某段时间内试验材料的腐解程度。从某段时间内腐解率的上升幅度大小可看出试验材料腐解的快慢，某段时间内腐解率上升幅度大说明腐解速率较高，反之说明腐解速率较低。由图1可知，在300 d内，鲜茎的腐解率最大，达82.7%，其次为干叶基，为57.9%，鲜叶基最小，仅有34.5%。鲜茎在30 d内腐解速率最大，高达59.0%，30 d后放缓。干叶基在60 d内腐解速率较大，达38.7%，60 d后放缓。鲜叶基腐解速率相对缓慢，在300 d内平稳上升。可见，剑麻麻茎不同部位腐解速率不同，其大小顺序为鲜茎＞干叶基＞鲜叶基。

图1 剑麻麻茎各部位腐解率Fig.1 Decomposing rates of different parts of sisal stalk

2.3 剑麻麻茎氮素释放特征

氮素释放率是指在某段时间内试验材料的氮素累积释放量占原始氮素总量的比率，表征某段时间内试验材料氮素的释放程度，还可从中看出某段时间内氮素释放的快慢。由图2可知，鲜茎和干叶基氮素释放率差异不明显，在300 d内分别达89.2%、81.3%，但两者均显著高于鲜叶基，其氮素释放率在300 d内仅为34.0%。相当于每667 m2土地在将麻茎直接还田之后，300 d内鲜茎和干叶基分别向土壤中释放N素16.6、1.4 kg，而鲜叶基则释放N素6.3 kg，3个部位总共释放氮素24.3 kg。鲜茎、干叶基氮素释放速率在30 d内最快，分别高达72.3%、60.9%。但在30 d之后其氮素释放率变化不明显，其中鲜茎保持在72.3%～89.2%之间，而干叶基则保持在60.9%～81.3%之间。30～120 d内上升幅度均较小，说明其间鲜茎和干叶基氮素释放速率放缓。鲜叶基氮素释放率在0～120 d内升幅较大，在120 d时达29.0%，说明鲜叶基在前120 d内氮素释放速率较快，但在120 d后释放率基本保持不变，说明其释放速率较小。

图2 剑麻麻茎各部位氮素释放率Fig.2 Nitrogen release rates of different parts of sisal stalk

2.4 剑麻麻茎磷素释放特征

磷素释放率表征一段时间内试验材料磷素的释放程度，还可从中看出某段时间内磷素的释放快慢。由图3可知，在300 d内，麻茎各部位磷素释放率的大小顺序为鲜茎＞干叶基＞鲜叶基，分别为84.6%、53.8%、32.1%。相当于每667m2土地在将麻茎直接还田后，鲜茎、干叶基、鲜叶基在300 d内分别向土壤中释放P素4.1、0.3、1.9 kg，3个部位总共释放P素6.3 kg。比较麻茎磷素在不同时间段内的释放快慢发现，鲜茎、干叶基、鲜叶基磷素释放速率均在30 d内最大，其磷素释放率分别高达51.7%、32.3%、29.9%。但30 d后不同部位的磷素释放率变化均不明显，说明在30 d后各部位磷素释放速率较缓慢。其中，鲜茎的磷素释放率在210 d之后提升幅度变大，说明这段时间其磷素释放速率有所加快。

图3 剑麻麻茎各部位磷素释放率Fig.3 Phosphorus release rates of different parts of sisal stalk

2.5 剑麻麻茎钾素释放特征

钾素释放率可表征试验材料钾素的释放程度，还可从某段时间内钾素释放率的升幅大小看出钾素的释放快慢。由图4可知，在300 d内，鲜茎钾素释放率最大，其次为干叶基，分别为94.9%、86.5%，鲜叶基最小，仅为34.5%。相当于在麻茎全部直接还田的条件下，每667 m2土地上鲜茎、干叶基和鲜叶基在300 d内分别向土壤中释放K素7.9、1.1、6.2 kg，总共15.2 kg。鲜茎和鲜叶基钾素释放率在30 d内分别高达55.9%、27.8%，说明其钾素释放速率在这段时间内较快，而30 d之后放缓。干叶基钾素释放速率则在60 d内较快，其钾素释放率高达65.3%，但60 d后放缓，其钾素释放率仅从65.3%上升到86.5%，升幅较小。

图4 剑麻麻茎各部位钾素释放率Fig.4 Potassium release rates of different parts of sisal stalk

2.6 剑麻麻茎腐解完全所需时间

剑麻麻茎各部位在还田30 d后，腐解率表现为平稳上升，因此可对其进行线性拟合，得到各部位腐解率与时间的线性关系（见表4）。鲜茎、干叶基、鲜叶基的斜率分别为0.0801、0.0741、0.0485。令y＝100，即腐解率为100%，腐解完全，可得x的值，即腐解完全所用的时间，分别为鲜茎 x＝512 d（约1年半），干叶基x＝903 d（约2年半），鲜叶基x＝1652 d（约4年半）。

表4 剑麻麻茎各部位腐解率和腐解时间线性拟合结果Tab.4 The linear fitting result between decomposition rates and time of different parts of sisal stalk

3 讨论

3.1 剑麻麻茎腐解和养分释放特性

从300 d内剑麻麻茎各部位腐解率和氮、磷、钾养分释放率变化特征看，麻茎腐解过程经历两个阶段，第一个阶段为快速腐解阶段，时间为0～30 d，干叶基延长至60 d。此期间内麻茎各部位快速腐解，其腐解速率和养分释放速率远大于之后的任何时期。第二个阶段为缓慢降解阶段，时间为30 d之后，干叶基则为60 d之后，这段时间内麻茎各部位腐解速率非常缓慢。说明麻茎在还田初期快速腐解，而后期腐解速率极慢，这与水稻、小麦、木薯、香蕉等秸秆的腐解过程相类似［9－12］。研究［9］表明，水稻、小麦、油菜秸秆腐解过程也经历前期快速后期缓慢的腐解阶段，其快速腐解时期分别为30、30、12 d，30 d内腐解率分别约达38.0%、38.0%、44.0%。木薯、香蕉秸秆的腐解过程也经历类似的两个阶段，其快速腐解时期分别为30、60 d，30 d内腐解率分别达60.6%、9.0%［10－11］。说明直接还田条件下，剑麻麻茎腐解特性与其它作物秸秆一致，均为前期快速腐解，而后期非常缓慢。整个麻茎在30 d内腐解率达31.8%，说明麻茎腐解速率稍低于水稻和小麦秸秆，明显低于油菜和香蕉秸秆，但明显高于木薯秸秆。这可能与作物种类以及土壤环境差异有关。与其它作物秸秆不同的是，剑麻麻茎新鲜叶片基部由于表皮坚韧且含有蜡质层，腐解周期漫长，达4年半之久。但由于剑麻麻茎除了含有鲜叶基外，还有鲜茎、干叶基，在前期主要是这两者在腐解。前期研究结果［5－6］也表明，麻茎体积巨大，养分储量高，因此，剑麻麻茎的腐解和养分释放速率除了前期快后期慢这种与大部分作物秸秆类似的特点外，还具有前期迅猛且后期充足等特点。

3.2 剑麻麻茎不同部位腐解速率和养分释放速率差异

比较麻茎不同部位的腐解率和养分释放率可知，各部位的腐解速率大小顺序依次为鲜茎＞干叶基＞鲜叶基，除氮素外，不同部位磷、钾素释放速率差异明显。鲜茎纤维较少，表面又没有表皮和蜡质层包围，因此最容易腐解，腐解速率也最快，短期内基本腐解完全。干叶基由于表皮已经腐烂，还田后也能快速腐解，但由于纤维含量较多，因此腐解速率稍低于鲜茎。鲜叶基由于表皮坚硬、光滑、含有蜡质层，还田后微生物可能难以侵染，因此腐解速率缓慢。

3.3 剑麻麻茎不同养分元素释放速率差异

300 d内，整个麻茎氮、磷、钾释放率分别为65.6%、55.3%、71.0%，可见麻茎主要养分释放速率大小顺序依次为钾＞氮＞磷。钾素释放最快，其次为氮素，磷素释放速率较为缓慢。研究［9－14］发现，水稻、玉米、小麦、香蕉、木薯以及油菜等秸秆的养分释放速率均表现为K＞P＞N。剑麻麻茎钾素释放最快，与上述作物秸秆一致。但氮素和磷素释放速率有所不同，剑麻氮素释放速率略大于磷素。邹雨坤等［11］研究发现，覆土处理下香蕉茎杆氮素释放速率大于磷，匡恩俊［16］也发现大豆秸秆养分释放释放趋势也是N＞P，与我们的试验结果相似，其原因仍有待于进一步研究。300 d内，每667 m2土地上麻茎向土壤中释放的氮（纯 N）、磷（纯 P）、钾（纯 K）数量约为24.3、6.3、15.2 kg。按中华人民共和国农业行业标准《剑麻栽培技术规程》中的剑麻施肥量参考标准，在剑麻营养处于正常水平条件下，每667 m2麻园每年施化学氮肥（纯N）13.8～23.0 kg、化学磷肥（纯P）2.0～2.4 kg、化学钾肥（纯K）14.9～24.9 kg。可见，剑麻麻茎还田当年，麻茎向土壤中释放的氮、磷、钾养分量相当于剑麻年平均施肥量所施入的化学氮、磷、钾肥养分量。虽然剑麻对麻茎所释放养分的吸收利用效率、麻茎还田对剑麻吸收利用化肥养分的影响以及可以在多大程度上取代化肥的投入等问题还有待进一步研究，但可以肯定的是，麻茎向麻园土壤中释放了大量矿质营养。根据前人的研究结果，秸秆还田除了其自身部分养分可供作物吸收利用外，还可对作物吸收化肥和土壤的养分起到促进作用。因此，可以推断，麻茎还田将可以在一定程度上减少化肥的施用，对剑麻种植中化肥的减量增效起到重要作用。尤其是在麻茎还田前30 d，可适当减少化肥的施用。

4 结论

本试验条件下，剑麻麻茎在覆土直接还田后300 d内，鲜茎、干叶基、鲜叶基腐解率分别达82.7%、57.9%、34.5%，氮素释放率分别为89.2%、81.3%、34.0%，磷素释放率分别达84.6%、53.8%、32.1%，钾素释放率分别为94.9%、86.5%、34.5%。不同部位比较，麻茎腐解速率和养分释放速率均表现为鲜茎最大，其次为干叶基，鲜叶基最小。不同养分比较，钾素释放速率最大，其次为氮素，而磷素释放速率与氮素接近。麻茎还田300 d内，每667 m2土地上麻茎向土壤中释放的氮（纯N）、磷（纯P）、钾（纯K）约为24.3、6.3、15.2 kg，相当于剑麻年平均施肥量所施入的化学氮、磷、钾肥养分量。麻茎完全腐解约需4年半的时间，麻茎腐解速率和养分释放速率均表现为前期（30 d）快速而后期缓慢的特性。通过麻茎还田，可以有效降低运输成本，减少肥料用量。

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