青海高原地区绿肥毛叶苕子腐解规律及养分释放特征

毛小红，李正鹏，严清彪，韩 梅

(青海大学农林科学院，青海 西宁 810016)

土壤养分难以被作物吸收利用以及寒、旱等气候特征是限制青藏高原地区农牧业发展的主要生态因子。基于近年来农业农村部化肥农药减施、有机肥替代化肥等行动，为了最大程度保证农业生产高产、高效地运行，应以现代科学技术为手段，同时继承传统农业的精华部分，更加高效地发展农业生产，深入探索作物对水分和养分的积累分配和转运规律、养分在土壤和其他介质中的累积和迁移转化规律、以及生态和人为因子影响作物吸收水分和养分的规律、不同类型作物对水分和养分的供应效应能力的影响等，对于响应国家化肥减施相关政策措施，为土壤培肥、作物增产以及肥料资源高效利用与管理提供理论参考，对应对多变的农业生产环境具有重要的意义。

肥饲兼用的绿肥作物地上部分分枝多、根系发达，还田后可将大量的微生物和酶翻压入土，从而促进微生物的活动，加速绿肥分解和转化，使土壤中的养分得以活化，利于作物吸收和利用。绿肥还田后能明显地提升土壤的理化性质；大量研究证据肯定了绿肥对地力的提升效果[1-4]。绿肥经处理翻压后腐解矿化快，能及时、迅速地释放出养分供农作物吸收与利用，有学者利用15N标记技术研究发现，植物前期的营养生长吸收的养分来自绿肥，绿肥作为优质生物有机肥源[5]，是减少化学投入、增加土壤有机物料的重要途径之一。研究表明，在不同的肥料养分综合管理条件下，作物吸收的氮素有50%左右来自于土壤[6]。绿肥氮与化肥氮对作物吸收而言是等效的[7]，绿肥作物来源的氮素在土壤中具有更长的滞留时间[8]，作物能从土壤中吸收比肥料来源更多的氮素[9]。研究还表明，绿肥的应用可以增加土壤中养分的固定[10]，增加绿肥作物来源的养分是维持土壤微生物生态平衡，促进微生物固持养分，进而实现农田化肥减施增效和绿色发展的重要措施[11]，绿肥替代部分基施化肥对作物与种植田土壤肥力提升有积极作用[12]。此外，在不合理施肥带来负面影响后，我们得出了一个结论，化肥配施绿肥对不利因素对生物量的降低有缓解作用[13]，化肥配施绿肥能够缓解甚至抵消其单独施用带来的负面影响。目前，化肥养分的损失却远远高于绿肥养分的损失[14]，而绿肥在降低硝酸盐淋洗等养分损失方面具有较好的效果[15]，绿肥还田后，土壤溶液中硝酸盐浓度降低38%～70%，总氮的损失降低约18%～83%。国外学者研究表明，增加肥料养分在土壤中的滞留时间，能够促进作物的生长，增加产量、养分吸收量及肥料利用效率，从而降低了根层养分由于淋洗造成的损失[16]。在过去，绿肥种植技术以肥饲利用为主要目的，现已不能满足新时代条件下的农业发展新要求。目前，绿肥作物服务于生态农业环境和农业生产的方式突破了原有的应用模式，在养分供应、培肥土壤、生物固氮、涵养水源等[17]方面均体现了其为农田提供的有价值的生态系统服务功能。

在青海高原地区，绿肥翻压技术以及绿肥间作种植作物等已经取得突破，但对于绿肥翻压后腐解特性与养分释放规律的研究较少，绿肥养分释放结合轮作麦田养分吸收的研究较少。同时，作为五大牧区之一，选择毛叶苕子做绿肥腐解特性与养分释放规律的研究，以期为青海高原地区土壤培肥、牧草利用与评价、减施化肥以及农业的可持续发展提供参考，同时能预测绿肥翻压后为土壤提供的养分情况。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验设在西宁廿十里铺镇莫家泉湾(101.45E、36.43N)，海拔为2 300 m，气候冷凉，属高原大陆性半干旱气候。年平均气温5.9℃，作物生长期为220.2 d，日较差大，年平均降水量367.5 mm，年均蒸发量为1 729.8 mm。试验区土壤类型为栗钙土。图1为腐解期间试验地土壤水分含量和温度变化情况。

图1 毛叶苕子腐解期间试验地水分含量和温度变化Fig.1 Changes in moisture content and temperature of the test site during decomposition of Vicia Villosa L.

1.2 试验材料

供试绿肥毛叶苕子品种为土库曼毛苕，2019年8月9日播种，于10月26日初花期取地上部分，长约30～40 cm。毛叶苕子初始含水率为84.23%，全氮、全磷和全钾含量分别为4.25%、0.31%、2.99%。

1.3 试验设计

采用田间尼龙网袋法，该方法操作简单、回收残余植株方便加上重复性强和成本低等优点。于2019年10月26日将毛叶苕子按鲜重130 g称量好后装入300目的尼龙网袋(长25 cm,宽14 cm)中封紧口,在田间开沟，深20 cm，将尼龙袋平铺于沟内，两个尼龙袋之间间隔30 cm左右，然后覆土。分别在第1、7、14、28、38、52、67、77、87、139、150、157、165、172、182、188、200、210、230、238、251、259、272、280、290、297、304、311天取样,每次取样3袋，共取样28次。

腐解结束后将腐解残体在60℃下烘干称重,磨细并过筛,测定全氮、全磷和全钾含量。

1.4 测定方法与数据处理

采用国标分析方法测定毛叶苕子植株全氮、全磷和全钾含量。全氮采用凯氏定氮法测定，全磷采用氢氧化钠碱熔钼锑抗比色法测定，全钾采用火焰光度法测定。

土壤温度和含水率通过土壤墒情监测仪获得，温度和含水率数据采集自0～20 cm土层。

累积腐解量(mg)=初始植物干重-取样植株干重

累积腐解率(%)=(累积腐解量/初始植株干重)×100%

养分累积减少量(mg)=(开始时植株干重×开始时植株养分含量-取样植株干重×取样植株养分含量)

养分累积释放率(%)=养分累积减少量/(开始时植株干重×开始时植株养分含量)×100%

腐解速率(mg·d-1)=(翻压nd干物质量-翻压md干物质量)/(m-n)

养分累积释放率=(养分累积减少量/翻压前的养分总量)×100%

养分释放速率(mg·d-1)=养分累积减少量/累积时间

试验数据的整理以及一元线性方程和对数方程的拟合用Excel 2010进行，方程为y=ax-b、y=aln(x)-b。其中，y为累积腐解率或累计释放率，x为腐解时间，图中腐解时间第1天代表埋袋第一天，即腐解0 d的数值，为未被腐解初始值，a表征累积腐解率或养分累计释放率参数(%)，b表征绿肥毛叶苕子最易分解的干物质组分或最易释放的养分含量(%)。方差分析采用SPSS 17.0进行。

2 结果与分析

2.1 毛叶苕子干物质的腐解特性

在青海高原地区鲜明的气候环境条件下，翻压后的毛叶苕子在土壤微环境和外部气候环境等影响下呈现如图2所示的腐解规律。随着腐解时间的推进，累积腐解率呈逐渐增加的趋势，表现为前期快后期慢。毛叶苕子在翻压后的50 d内累积腐解量增加较快，腐解速率为149 mg·d-1，翻压50 d后腐解速率变缓，腐解速率为38 mg·d-1。结合表1得知，毛叶苕子在腐解14 d之后干物质累积腐解率开始呈现出明显的差异，腐解28、52 d时均与前期有明显差异，累积腐解率突破50%是在翻压150 d后。因该地区温度低、降水少，这两个生态因子限制了绿肥中易分解物质的腐解速率。在青海高原地区，绿肥毛叶苕子降解速度的阶段性不明显，没有明显的分界点和拐点，干物质在整个腐解历程中相对匀速腐解。在此可拟合累积腐解率与腐解时间的对数函数方程，为y=27.256ln(x)-10.444，R2=0.9651,x∈[1,311]。其中，y为累积腐解率，x为腐解时间，参数27.256表征累积腐解率参数，参数10.444表征绿肥毛叶苕子干物质最易分解的组分。

表1 毛叶苕子腐解进程Table 1 Vicia Villosa L. decay process

图2 毛叶苕子干物质腐解规律Fig.2 Decomposition rate of dry matter of Vicia Villosa L.

2.2 毛叶苕子腐解期氮、磷、钾养分含量变化

毛叶苕子鲜体在进行了311 d的翻压腐解后，氮磷钾养分含量的变化如图3所示。全氮和全钾的变化趋势有着一致性，随着翻压时间的延长，养分逐渐释放，含量逐渐降低，前期释放快，后期慢。释放快慢过渡的拐点大约在翻压后50 d,氮含量从初始始的4.25%降为2.98%，钾的含量从初始的2.98%释放为1.24%，在翻压50d后养分释放缓慢。但两者从总体来看，钾含量的变化趋势比较剧烈，在短期内就得到了释放。磷含量的变化趋势与氮和钾不一致，磷含量在翻压的周期内变化不剧烈，含量反而有增加的趋势，从翻压开始到翻压结束出现了富集的现象。

2.3 不同腐解时期毛叶苕子氮释放特征

全氮含量的变化和干物质的腐解特性有着一致性。腐解开始时，环境温度适宜、鲜体水分较充足，氮素含量快速释放，氮累积释放率逐步升高，氮累积释放率的拐点在腐解38 d时，毛叶苕子在38 d内腐解速度较快，氮的养分释放速率为1 228 mg·d-1,累积释放率达53.51%。在此对氮的累积释放率进行分段拟合，0～38 d内氮累积释放率呈线性升高趋势，y=14.142x-17.962，R2=0.978，x∈[1,38](图4)，14.142表征氮养分累积释放率参数，17.962表征绿肥鲜体中氮最易释放的组分含量。结合表2可知，氮累积释放率在腐解14 d后开始出现差异，腐解28、38 d时均与前期存在显著差异，腐解238 d后氮累积释放率无显著差异。腐解38～150 d时，由于环境温度的降低和鲜体水分含量的损失，养分累积释放率增加相对缓慢，数值无显著差异，养分释放速率为120.83 mg·d-1。腐解150 d后，氮累积释放率缓慢升高。腐解38 d至结束，氮累积释放率可用对数方程y=28.063ln(x)-1.4529，R2=0.9677，x∈(38,311]进行拟合。y为累积释放率，x为腐解时间，28.063为氮累积释放率参数，1.4529为毛叶苕子鲜体内最易释放的组分。利用绿肥毛叶苕子的干物质量、氮素初始养分含量、绿肥毛叶苕子干物质的累积腐解率以及青海高原地区惯用绿肥翻压量 30 000 kg·hm-2等要素计算，翻压毛叶苕子可为后茬作物田提供氮素172.80 kg·hm-2。

表2 毛叶苕子腐解期间氮累积释放率方差分析Table 2 Analysis of the variance of nitrogen cumulative release rate during the decay of Vicia Villosa L.

图4 不同腐解时期毛叶苕子氮释放特征Fig.4 Nitrogen release characteristics of Vicia Villosa L. in different decomposition stages

2.4 不同腐解时期毛叶苕子磷释放特征

磷的累积释放规律如图5所示，在整个翻压时期内，磷的累积释放率没有明显的拐点或阶段性。由表3可知，毛叶苕子在腐解28 d后磷素累积释放率出现显著差异，在翻压后52 d内，累积释放率持续增加至22.12%，进入冬季，降水的减少和温度的下降，累积释放率有了下降的趋势，且在此期间累积释放率无显著差异，在腐解139 d时，累积释放率降为6.86%。在腐解后期，气温回升加上降水的增加，磷的累积释放率又在动态变化中稳步升高，在腐解结束后达到75.71%。在整个腐解历程中，磷的养分释放速率为15.24 mg·d-1。利用绿肥毛叶苕子的干物质量、磷素初始养分含量、绿肥毛叶苕子干物质的累积腐解率以及青海高原地区惯用绿肥翻压量30 000 kg·hm-2等要素计算，翻压毛叶苕子可为后茬作物田提供磷素10.93 kg·hm-2。

图5 不同腐解时期毛叶苕子磷释放特征Fig.5 Phosphorus release characteristics of Vicia Villosa L.in different decomposition stages

表3 毛叶苕子腐解期间磷累积释放率方差分析Table 3 Analysis of the variance of phosphorus cumulative release rate during decay of Vicia Villosa L.

2.5 不同腐解时期毛叶苕子钾释放特征

钾的释放规律和氮类似，随着腐解时间的增长，钾的累积释放率呈现逐渐增加的趋势，并且钾释放迅速和彻底(图6)，在腐解52 d时存在明显的拐点，结合表4可知，毛叶苕子在腐解7、14、28、38、52 d时均与前期存在显著差异，腐解188 d后钾素累积释放率显示无明显差异。对钾累积释放率作分段拟合，腐解时间在0～52 d内，钾的累积释放率呈现线性增加趋势，释放规律可用一元线性方程y=15.428x-17.808，R2=0.9934，x∈[1,52]进行拟合，y为钾素累积释放率，x为腐解时间，15.428表征钾累积释放率参数，17.808表征绿肥毛叶苕子鲜体中钾最易释放的组分。在腐解52 d时，累积释放率迅速增加至74.27%，在0～52 d期间，钾的养分释放速率为874.79 mg·d-1。52 d至腐解结束，钾的累积释放率增加相对缓慢，养分释放速率为58.58 mg·d-1。钾累积释放率与腐解时间的变化可用对数方程y=31.047ln(x)+5.1468，R2=0.9203，x∈(52,311]拟合，其中，y表示累积腐解率，x为腐解时间，31.047表征钾累积释放率参数，5.1468表征绿肥毛叶苕子鲜体中钾最易释放的组分。在腐解结束时，养分已几乎释放完全，累积释放率高达 99.04%。利用绿肥毛叶苕子的干物质量、钾素初始养分含量、绿肥毛叶苕子干物质的累积腐解率以及青海高原地区惯用绿肥翻压量30 000 kg·hm-2等要素计算，翻压毛叶苕子可为后茬作物田提供钾素139.63 kg·hm-2。

表4 毛叶苕子腐解期间钾累积释放率方差分析Table 4 Analysis of the variance of the cumulative release rate of potassium during decay of the Vicia Villosa L.

图6 不同腐解时期毛叶苕子钾释放特征Fig.6 Potassium release characteristics of Vicia Villosa L.in different decomposition stages

3 讨 论

3.1 毛叶苕子的腐解特性

根据腐解周期为311 d的绿肥毛叶苕子腐解试验，可将0～50 d视为绿肥毛叶苕子的相对快速分解期，50～240 d为中速分解期，240～311d为低速分解期。整个腐解期内，干物质腐解规律呈现对数函数动态变化，其累积腐解量(y)和腐解时间(x)可用方程y=27.256ln(x)-10.444，R2=0.9651表示。不同地区腐解规律存在显著差异，薄晶晶等[18]对长武怀豆和黑麦草做了历时300 d的腐解及碳氮养分释放规律的研究，发现不同种类绿肥干物质的腐解规律具有一致性，主要分为3个阶段，即0～105 d为快速上升时期，缓慢增加时期介于105～238 d，238～281 d为中低速增长时期。有学者研究表明秸秆腐解时间一般在20周内完成，但其腐解完成时间与腐解特性与多种生态因子有关，如绿肥所处生育时期。陈宁等[19]研究得出处于开花期的绿肥是最适宜的翻压时期；绿肥本身化学组成、翻压深度，吕丽霞等[20]在陕西延安进行0、10、25 cm 3个不同深度处理下果园绿肥的腐解特性研究发现，10 cm的翻压深度有利于氮磷钾的释放，残留量少；地块施肥条件，与不施化学肥料的地块相比，施入一定量的化肥有利于加快腐解进程[21]；鲜嫩程度和配施方式，有学者提出各种绿肥混合紫云英后腐解加快[22]；另外还与一些物理措施有关，如还田方式，与覆盖地表相比，翻压地下腐解速度快，累积腐解率比前者高20个百分点[23]；李忠义等[24]在进行小麦和油菜秸秆的腐解试验时发现，腐解速度由快到慢为水泡>露天>土埋,但也有研究者[25]得出土埋>水淹>覆盖。植株鲜体内的含氮量、C/N、绿肥翻压量以及土壤温度、水分[26]、通气性和微生物等环境条件密切相关。梁军等[27]在湖南长沙利用光叶苕子、箭筈豌豆、紫云英、黑麦草以及紫花苜蓿等5种绿肥做120多天的还田腐解动态试验得出，0～12 d为绿肥鲜体的快速分解期，12～50 d为中速分解期，50 d以后为低速分解期，黑麦草和箭筈豌豆以3∶1混合翻压处理释放率最高。李帅等[28]在山东省研究冬牧70压青的腐解及养分动态变化时得出，0～30 d为快速分解期，30 d后为缓慢腐解期。贾戌禹等[29]在广东省连州市对多花黑麦草进行腐解规律及养分释放动态研究时也得到了同样的结果，翻压前30 d为绿肥的快速分解期。

与上述研究结果相比，青海高原地区绿肥的腐解进程比较漫长，源于该区具有鲜明的地域性，青海高原地区属于高原大陆性温凉半干旱气候，直接影响绿肥鲜体的分解。在腐解前期，植株体内的养分含量较高，另外，温度相对较高，土壤微生物喜欢高温高湿的环境，这样的环境有利于土壤微生物的活动和酶活力的提升[24]，加之初始养分较充足，为微生物提供了丰富的营养物质，微生物活动相对剧烈，毛叶苕子腐解矿化快[24]。腐解50 d后，环境温度逐渐下降，加上植株体内养分的耗竭，微生物活动强度下降，腐解速率变缓。除此之外，腐解速率呈现如上所述的趋势也源于毛叶苕子鲜体植株腐解初期有容易分解的可溶性有机物，如糖、氨基酸类和有机酸类等物质，腐解后期残留植株为难以分解的纤维素、木质素类物质[30]。

3.2 毛叶苕子的养分释放规律

本试验研究表明，绿肥毛叶苕子的养分释放速率排序为氮>钾>磷，这与其他地区的研究结果不同。刘佳等[31]在江西省抚州市对二月兰进行腐解及养分释放特征研究得出，各种养分释放顺序为钾>氮>磷。宋莉等[22]在湖北武汉做油菜和紫云英绿肥及其不同比例配施还田研究时得出钾>磷>氮，崔志强等[32]在果园绿肥的腐解研究中也发现了同样的腐解规律。邓小华等[33]在研究4种绿肥在湘西烟田中的腐解和养分释放动态中得出，养分累积释放率排序为氮>磷>钾。同样，这与绿肥所处生育时期、绿肥种类、绿肥本身化学组成、翻压深度、地块施肥条件、鲜嫩程度、配施方式、还田方式、C/N、绿肥翻压量以及土壤温度、水分、植株鲜体内的含氮量、土壤的通气性和微生物等环境条件密切相关。刘新红等[34]在湖南长沙对甘蓝型、芥菜型和白菜型3种油菜绿肥做养分释放规律的研究发现，在氮释放方面表现为芥菜型>甘蓝型>白菜型，而在磷释放方面3种养分的释放速率没有明显的差异性。另外，养分释放特性与转化规律还与绿肥的粉碎程度有很大的关系，吴凯等[35]研究粉碎程度对籽粒苋养分释放与转化的影响，发现粉碎程度越细，对土壤无机氮含量的提升有积极作用，粉碎程度粗则能促进土壤速效钾含量的提升。

氮素是各种农作物完成整个生长史不可缺少的大量元素，由此，在实际的农业生产过程中，根据农作物具体生育期特殊的养分需求规律，可以确定绿肥毛叶苕子翻压的时期，保证在作物进行营养生长或生殖生长的过程中，绿肥来源的养分能持续供应。本研究中，氮素在翻压后的40 d内养分释放较大。

在本试验中，磷在腐解周期内养分含量呈现增加趋势，但干物质在大量减少，因此磷累积释放量依然在增加，说明磷素仍然在向土壤介质转移，这可能与养分稀释规律有关，即养分会从浓度高的介质向浓度低的介质转移。牟小翎等[36]对两种绿肥进行腐解及养分释放特征的研究时也发现磷素含量在腐解前60多天内呈上升趋势，但与本试验不同的是磷含量在后期又开始下降。在此过程中，绿肥作物翻压后富集了周围土壤中的磷素养分，同时又向土壤介质中输送了一部分，但在此不能确定毛叶苕子富集的磷属于哪一种形态，若为易被作物吸收利用的速效态，则在后期有可能进行释放[37]，使之不断地向后茬作物输送，匹配作物不同生育期的营养需求。在实际的农业生产中，可以配施种植其他种属的绿肥作物，如十字花科的绿肥，十字花科绿肥根系分泌的有机酸类物质具有一定的解磷功能。在释放其他养分的同时，可以分解转化毛叶苕子鲜体内的磷，使土壤中的有机态养分被活化，利于作物吸收和利用。[38]

在氮磷钾3种养分释放规律中，与其他地区研究结果相比，钾的释放特征存在差异，钾素在短期内得到释放，这与宁东峰等[39]的研究结果相似，释放率达90%。多数研究表明，钾素的释放速率快于氮和磷，但本试验中氮素释放快于钾素，这源于绿肥毛叶苕子中的钾以离子的形式存在于细胞和鲜体各个组织中，容易在水溶液环境下释放，因此，青海高原地区降水的匮乏成为了钾素释放的限制因子，氮释放速率最快，磷的释放速率慢，磷以有机态形式存在，在物理作用下不易分解[28]。由此，在农业生产过程中，针对需钾较多的作物其需求量较大的生育期应在绿肥翻压后的52 d内，在此期间内养分释放较大，且彻底。水分作为养分物质传输的介质，在翻压时应保证供应充足的水分，不影响绿肥毛叶苕子养分的释放和后茬作物对养分的吸收，确保绿肥资源的高效利用与管理。

本试验基于绿肥翻压减施化肥定位试验，每年8月初种植绿肥毛叶苕子，10月初花期时将毛叶苕子翻压入土，次年春播种小麦，在此农事措施下，在小麦的整个生育期内就能源源不断地吸收来自鲜体绿肥中的养分。在其他地区，尤其在高温高湿环境下，因为温度和水分的原因养分在短期内释放完全，甚至流失，使之不能得到充分的利用，发挥不出其本身的价值。在青海高原地区，突出的优势在于，土壤微生物系统和外界气候环境决定了绿肥体内养分释放的速率相对较缓，腐解历程漫长，这一突出优势即保证了后茬作物能够持续地吸收绿肥来源的养分，又能使养分不会快速流失。

4 结 论

通过对青海高原地区绿肥毛叶苕子的腐解特性和养分释放规律的研究发现，经过311 d的腐解过程，毛叶苕子的累积腐解率达到86.39%，毛叶苕子干物质的腐解进程可用对数函数方程y=27.256ln(x)-10.444，R2=0.9651，x∈[1,311]拟合，根据方程可预测出，毛叶苕子鲜体腐解完全需要400 d。

氮磷钾的养分释放速率表现为氮>钾>磷，其累积释放率分别达91.31%、75.71%、99.04%，根据青海高原地区的绿肥翻压量30 000 kg·hm-2计算，绿肥翻压当年，可向后茬作物田提供氮素172.80 kg·hm-2、磷素10.93 kg·hm-2、钾素139.63 kg·hm-2。

致谢：感谢在试验过程中提供帮助的宋明丹老师及白璐、李明娟、陈子英、谢帅和张鑫鹏同学；感谢国家绿肥产业体系西宁综合试验站的老师及工作人员。