拉萨河谷农区豆科绿肥腐解及碳氮养分释放动态特征

边巴卓玛， 宋国英

(西藏自治区农牧科学院农业资源与环境研究所，西藏拉萨 850032)

近年来，越来越多的学者开始关注种植绿肥压青在培肥地力、改善土壤性状等方面的作用，其通过生物腐解可以有效地将养分释放到土壤中，为后作的粮食作物增产增效提供一个良好的生长环境。豆科绿肥是一种富含养分的、清洁的、可以与作物轮作的优质生物肥源，其通过自身根瘤菌对空气中的氮素进行固定，根系能深入土壤深层将不易被其他作物所吸收利用的养分积累于豆科绿肥体内，通过翻埋后，将自身的营养元素归还到土壤中，使大量的养分富集在土壤表层和根层中，可以有效提升土壤中的速效氮含量、增加土壤有机质含量，进而有效改良土壤肥力。

大量研究表明，不同类型绿肥品种(包括豆科与禾本科)的生产能力和养分利用能力存在明显差异，翻压后腐解特性及养分释放效果亦有所不同。潘福霞等研究了3 种豆科绿肥在旱地条件下的分解和养分释放特性，结果表明，翻耕后15 d迅速分解，15～70 d腐解趋于缓慢，养分累积释放率大小排序为钾(K)>磷(P)>氮(N)；宁东峰等对油菜、叶苔和冬牧 70 黑麦的分解和养分释放的研究表明，前3 d腐解速度最快，后腐解速度变缓，翻压21 d内的N释放达到60%以上，翻压113 d碳矿化率达到81.9%～93.4%。

为明确高寒地区绿肥翻压还田后的生物腐解效应，并了解不同绿肥品种的腐解及养分特性。本研究基于前人的研究方法，采用尼龙网袋法，在自然翻压还田的情况下，初步探讨高海拔、低温气候条件下救荒野豌豆、胡卢巴、豌豆等3种不同豆科绿肥种植翻压还田后的腐解特征及养分释放规律，合理筛选绿肥品种，明确绿肥翻压对土壤养分的贡献，以期为“豆科绿肥—冬青稞”轮作系统的推广提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2020年10月至2021年1月在西藏自治区农牧科学院资源与环境研究所四号试验地进行，海拔约 3 662 m，年平均温度为 7.4 ℃，年平均降水量 200～510 mm，主要集中在6—9月，无霜期100～120 d，全年日照时数3 000 h，属高原温带半干旱季风气候。

供试土壤田上按“S”形10点采样法采集供试耕层土壤，土壤质地为沙壤，基本养分状况为：平均有机质含量10.94 g/kg、全氮含量1.6 g/kg、全磷含量1.13 g/kg、全钾含量4.88 g/kg、有效氮含量 0.15 g/kg、速效钾含量65.95 mg/kg、速效磷含量233.53 mg/kg，pH值为8.18。

1.2 试验设计与方法

试验采用尼龙网袋法，设置3个处理，处理品种分别为胡卢巴(H)、救荒野豌豆(J)、豌豆(Z)。

翻压还田方法：3种绿肥均在盛花期取地上部样品切成2～4 cm小段后，混匀装入尼龙网袋(网袋规格：20 cm×15 cm，孔径75 μm，200目)，每个网袋中加入相应绿肥 20 g，封口备用。于2020年10月5日埋入土中，分别于翻压后0、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100 d取样，每个处理44袋，共取样11次。测定样品时，每个处理随机取4袋，去除表面的浮土和杂物，用清水冲洗网袋上黏附的泥土，将剩余秸秆放入干燥箱中105 ℃杀青30 min，再在80 ℃烘干至恒质量，称质量后磨碎，测定其总有机碳(TOC)、全氮(TN)、全磷(TP)、全钾(TK)含量，并计算养分释放率及碳氮比(C/N)。为了更真实地反映绿肥中养分在田间的释放状况，选择在田间地头埋入尼龙网袋(其通透性能良好，水分、空气及肥料养分可自由出入)。覆土时尽量不破坏原来的土体结构，与地面齐平，埋设深度为15 cm，水平放置且无重叠，在埋袋行间种植冬青稞，且不施用任何肥料。

相关指标的计算公式如下：

干物质残留量=d的干物质总量；

累积腐解量=0 d的干物质总量-d 的干物质总量；

累积腐解率=累积腐解量/0 d 的干物质总量×100%；

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阶段内平均腐解速率=阶段内腐解量/阶段天数；

养分总量=干物质总量×养分含量×1 000；

养分累积释放量=0 d的养分总量-d的养分总量；

养分累积释放率=养分累积释放量/0 d的养分总量×100%；

阶段内平均养分释放速率=阶段内养分释放量/阶段天数。

式中：为翻压时间，d；1 000为将g换算为mg的换算系数。

1.3 数据处理与分析

采用Excel 2007软件及SPSS 21.0数据处理系统对试验数据进行方差分析，并用最小显著法()检验试验数据的差异性水平(=0.05)。采用SigmaPlot软件制图。

2 结果与分析

2.1 不同豆科绿肥的养分和水分含量

表1 不同豆科绿肥初始养分和水分含量

2.2 不同豆科绿肥干物质的腐解特征

由图1可知，不同绿肥翻压后的干物质残留量随时间延长呈下降趋势，腐解速率和累计腐解率随时间的变化曲线基本一致，分为3个阶段：快速腐解期(0～30 d)、中速腐解期(30～70 d)和缓慢腐解期(70～100 d)。

0～30 d为绿肥鲜体快速分解期。3种不同豆科绿肥的累积腐解率、腐解速率变化呈快速上升趋势，干物质残留呈快速下降趋势。救荒野豌豆干物质残留量变化范围为2.00～5.00 g，累积腐解率为0～60%，腐解速率为0～0.225 g/d；胡卢巴干物质残留量变化范围为3.50～6.00 g，累积腐解率为0～41.7%，腐解速率为0～0.125 g/d；豌豆干物质残留量变化范围为3.25～6.00 g，累积腐解率为0～45.8%，腐解速率为0～0.125 g/d。翻压至10 d，胡卢巴、救荒野豌豆、豌豆腐解速率均达到最高值，分别为0.125、0.225、0.125 g/d，救荒野豌豆的腐解速率显著高于其他2种绿肥(<0.05)。翻压至 30 d，胡卢巴、救荒野豌豆、豌豆的累积腐解率达到此阶段的最高值，分别为41.67%、60.00%、45.83%，品种间差异显著(<0.05)。

30～70 d为绿肥鲜体中速分解期。胡卢巴干物质残留量变化范围为3.50～4.00 g，累积腐解率为33.3%～41.7%，腐解速率为0.032～0.083 g/d；救荒野豌豆干物质残留量变化范围为2.00～2.50 g，累积腐解率为50%～60%，腐解速率为0.036～0.063 g/d；豌豆干物质残留量变化范围为3.00～3.75 g，累积腐解率为37.5%～50.0%，腐解速率为0.043～0.092 g/d。

70～100 d为绿肥鲜体缓慢分解期。胡卢巴干物质残留量变化范围为2.75～3.75 g，累积腐解率为37.50%～54.17%，腐解速率为0.032～0.035 g/d；救荒野豌豆干物质残留量变化范围为1.75～2.50 g，累积腐解率为50.0%～65.0%，腐解速率为 0.033～0.038 g/d；豌豆干物质残留量变化范围为2.50～3.00 g，累积腐解率为50.0%～58.3%，腐解速率为0.035～0.043 g/d。翻压至100 d，胡卢巴、救荒野豌豆、豌豆累积腐解率达到最高值，分别为54.17%、65.0%、58.34%，干物质残留量分别为2.75、1.75、2.50 g，其中以救荒野豌豆还田处理效果明显。

2.3 不同豆科绿肥碳、氮养分释放特征

2.3.1 碳释放特征 由图2可知，不同豆科绿肥碳的释放规律与腐解规律基本相似，分为3个阶段：快速释放期(0～30 d)、平稳释放期(30～60 d)和缓慢释放期(60～100 d)。

0～30 d，不同豆科绿肥处理翻压后总有机碳释放率随时间的变化曲线基本一致，呈快速增加的趋势。胡卢巴、救荒野豌豆、豌豆的总有机碳养分释放率分别为0～43.48%、0～68.81%、0～45.64%，累积释放量为0.00～1 043.89、0.00～1 438.55、0.00～1 038.66 g，释放速率为0.00～43.70、0.00～109.58、0.00～41.94 g/d。翻压至30 d，品种间养分释放率差异达极显著水平(<0.01)，表现为救荒野豌豆最高，豌豆次之，胡卢巴最低。翻压 10 d，品种间养分释放率差异达极显著水平(<0.01)，表现为救荒野豌豆最高，豌豆次之，胡卢巴最低；释放速率达到整个腐解过程的最大值，分别为109.50、43.70、41.94 g/d；累积释放量差异达极显著水平(<0.01)，表现为救荒野豌豆>胡卢巴>豌豆。

30～60 d，不同豆科绿肥翻压后随时间延长总有机碳释放率、累积释放率变化幅度不大，基本上呈先缓慢下降后上升的趋势。此期间，胡卢巴、救荒野豌豆、豌豆碳累积释放率变化幅度分别为39.93%～45.31%、59.35%～68.81%、38.54%～45.64%，累积释放量为958.73～1 087.92、1 240.85～1 438.55、877.04～1 038.66 g，释放速率分别为18.13～34.80、22.47～47.95、15.69～34.62 g/d。翻压50 d，品种间养分释放率差异达显著水平(<0.05)，表现为救荒野豌豆最高，豌豆次之，胡卢巴最低。

60～100 d，不同豆科绿肥翻压后随时间延长总有机碳释放率、累积释放量呈缓慢上升的趋势，释放速率变化呈缓慢下降趋势。翻压至80 d，品种间的养分释放率差异达显著水平(<0.05)，表现为救荒野豌豆最高，豌豆次之，胡卢巴最低。翻压至100 d，品种间的养分释放率差异达显著水平(<0.05)，表现为救荒野豌豆最高，胡卢巴次之，豌豆最低；胡卢巴、救荒野豌豆、豌豆的累积释放量分别为1 476.28、1 591.09、1 377.38 g，释放速率分别为14.76、15.91、13.78 g/d。

2.3.2 氮释放特征 由图3可知，不同豆科绿肥全氮的释放规律分为3个阶段：快速释放期(0～10 d)、缓慢释放期(10～30 d)和平稳释放期(30～100 d)。

0～10 d快速释放阶段中，3种绿肥全氮的释放速率差异达极显著水平(<0.01)，其中以救荒野豌豆释放最快，豌豆次之，胡卢巴最慢；翻压至10 d，三者的全氮养分释放率分别为70.75%、42.9%、41.42%；累积释放量分别为178.90、94.08、60.63 g；释放速率分别为17.89、9.41、6.07 g/d。

10～30 d缓慢释放阶段中，翻压至30 d，品种间养分释放率差异极显著(<0.01)，表现为救荒野豌豆>豌豆>胡卢巴；品种间全氮累积释放量差异极显著(<0.01)，表现为救荒野豌豆>豌豆>胡卢巴；品种间全氮释放速率差异极显著(<0.01)，表现为救荒野豌豆>豌豆>胡卢巴。

30～60 d平稳释放阶段中，不同豆科绿肥全氮释放率、累积释放量变化平缓，释放速率变化呈缓慢下降趋势。胡卢巴、救荒野豌豆、豌豆全氮养分释放率分别为41.03%～50.00%、72.60%～76.05%、52.62%～56.26%，累积释放量分别为60.06～73.18、183.58～192.30、115.40～123.36 g，释放速率分别为0.06～2.24、0.39～6.61、0.15～4.35 g/d。翻压至60 d，胡卢巴、救荒野豌豆、豌豆的全氮释放率分别为50.00%、76.00%、56.15%，差异显著(<0.05)；全氮累积释放量分别为73.18、192.30、123.12 g，差异极显著(<0.01)；养分释放速率分别为0.06、0.39、0.15 g/d，差异极显著(<0.01)；其全氮释放速率降到整个腐解过程的最低点。

60～100 d，不同豆科绿肥翻压后全氮释放率、累积释放量缓慢下降后又缓慢增加，释放速率缓慢上升后趋于平缓。翻压至70 d，胡卢巴、救荒野豌豆、豌豆的全氮释放率分别为16.52%、66.18%、48.06%，差异极显著(<0.01)；累积腐解量分别为24.19、167.34、105.39 g，差异极显著(<0.01)；释放速率分别为0.35、2.39、1.51 g/d，差异极显著(<0.01)，其中以救荒野豌豆释放最快，豌豆次之，胡卢巴最慢。翻压至100 d，胡卢巴、救荒野豌豆、豌豆的全氮养分释放率分别为31.56%、75.39%、56.30%，差异极显著(<0.01)；累积释放量分别为46.21、190.61、123.45 g，差异极显著(<0.01)；释放速率分别为0.46、1.91、1.24 g/d，差异极显著(<0.01)，其中以救荒野豌豆释放最快，豌豆次之，胡卢巴最慢。从上述分析可知，整个腐解阶段中，救荒野豌豆的全氮养分释放率和累积释放量均高于其他2种绿肥。

2.3.3 碳氮比的动态变化 由图4可知，3种豆科绿肥碳氮比的动态变化曲线呈阶梯式变化。

0～10 d，品种间差异达到极显著水平(<0.01)。对照翻压前，C/N变化幅度明显，胡卢巴的C/N由16.40上升至22.97，救荒野豌豆的C/N由8.27上升至13.48，豌豆的C/N由10.38上升至14.90。

20～60 d，C/N变化呈平缓下降趋势，胡卢巴为16.72～18.13，救荒野豌豆为11.81～12.27，豌豆为13.44～15.09。翻压20 d，品种间差异达极显著水平(<0.01)。对比翻压10 d，胡卢巴的C/N由22.97降至17.99，救荒野豌豆由13.48下降至12.11，豌豆由14.90上升至15.09。

60～70 d，C/N呈快速下降趋势，胡卢巴由18.13下降至8.91，救荒野豌豆由12.28下降至8.10，豌豆由13.84下降至9.10。翻压70～100 d，C/N变化平缓，胡卢巴为8.46～9.21，救荒野豌豆为7.99～8.15，豌豆为8.37～9.50；翻压80～90 d，品种间的C/N无显著差异。对比翻压前，C/N变化幅度较明显，达到整个翻压时期的最低水平。翻压 90 d，胡卢巴由16.40下降至8.46；翻压80 d，救荒野豌豆由8.27下降至7.99，豌豆由10.38下降至8.37。

3 讨论与结论

本研究结果表明，3种不同豆科绿肥翻压还田的腐解过程分为快速腐解期(0～30 d)、中速腐解期(30～60 d)和缓慢腐解期(60～100 d)，与前人的研究结果较为相似。绿肥翻压还田在土壤中矿化阶段呈现出前期迅速腐解、后期缓慢这一特点，主要是鲜体绿肥在初腐解过程中，易分解出大量的有机物，如多糖、氨基酸、有机酸等，可以为土壤微生物提供大量的碳源及养分，加速腐解；随着翻压还田时间的延长，绿肥中难分解的纤维素和木质素等组分的比例增加，致后期腐解趋于缓慢。研究发现，翻压至10 d，胡卢巴、救荒野豌豆、豌豆的腐解速率达到整个翻压期最高值，分别为0.125、0.225、0.125 g/d；翻压至30 d，救荒野豌豆的腐解率最高，为60.00%，豌豆次之，胡卢巴最低。赵娜等对旱地 3 种豆科绿肥的研究结果表明，翻埋前28 d快速腐解、达到分解高峰期，干物质量减少了60%左右；常春丽等对高寒地区4种不同绿肥作物的腐解特征的研究结果表明，处理30 d内快速腐解，腐解率均达到了50%以上。

大量研究证明，绿肥翻压后土壤中的腐解和养分释放活动是一个复杂的生物化学过程，整个生物腐解过程受多种因素的影响。因此，在不同生态环境下不同绿肥类型翻压后对土壤的作用效应以及对植株N、P、K、TOC养分释放的进度存在着明显差异。李忠义等研究发现，紫云英翻埋至100 d后，碳、氮累计腐解率分别为 70.1% 、72.3%；刘新红等研究发现，不同类型油菜翻压至102 d，碳累积释放率为76.16%～79.65%，氮的累积释放率为 74.79%～85.92%。本研究结果表明，救荒野豌豆全碳、全氮养分释放率最高，豌豆次之，胡卢巴最低，且翻压30 d生物腐解效果优于100 d。主要原因可能是，10月初绿肥还田，前1个月土壤中积累的温度和水分可以很好地为绿肥快速腐解提供基础，因此腐解效果较显著，植株全碳、全氮养分释放较快。随着腐解时间的延后，土壤环境条件限制了土壤微生物活动，致腐解效率及养分释放率降低。

碳氮比是衡量绿肥腐解情况的重要指标。本研究结果表明，绿肥翻埋后整体的碳氮比小于翻埋前，这与前人的研究结论较为相似，但其变化规律略有不同。赵娜等的研究表明，随腐解时间的延长，绿肥作物腐解物的C/N先迅速下降，然后缓慢下降直至基本不变；薄晶晶等对长武怀豆和黑麦草2种绿肥在黄土旱塬区农田土壤中的腐解状况进行研究发现，绿肥C/N在试验期间有很大变化，绿肥翻埋后C/N先迅速下降，2～3周达到最低值后又缓慢增加至基本不变。本研究结果表明，3种豆科绿肥碳氮比呈上升—下降—平稳—下降—平稳的阶梯式变化，翻压的前10 d，碳氮比先迅速上升，随时间的延长回落到最低值后慢慢趋于平缓，此结果与潘福霞等的结论较为一致。整体上，对比翻压前，C/N均呈下降的趋势。