不同还田方式下芒果修剪枝叶腐解以及养分释放特征

陈开骥 周柳强 彭嘉宇 雷秋良 沈小微 刘昔辉 唐新莲 区惠平

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2024.10.033

摘要：通过研究地表覆盖和翻理2种不同还田方式下芒果修剪枝叶的腐解和养分释放特征，为芒果修剪枝叶的合理利用和芒果园的施肥管理提供理论依据。以修剪的芒果枝条、叶片为研究对象，采用网袋法，设置地表覆盖和翻埋2种还田方式，研究不同还田方式下芒果枝叶的腐解及氮（N）、磷（P）和钾（K）养分释放特征。结果表明，0～60 d是芒果枝叶的快速腐解期，其重量减少量占腐解期总重量减少量的58.7%～71.9%。Olson指数衰减模型模拟结果表明，叶片腐解速率快于枝条，2种还田方式的枝条腐解速率无显著差异，地表覆盖处理叶片腐解速率快于翻埋处理。枝条N养分归还指数在腐解期表现为先降低后上升的趋势，叶片N养分归还指数在地表覆盖处理下逐渐上升。枝叶P养分归还指数均表现为先上升后降低再上升的趋势。K养分归还指数在0～30 d快速上升，之后再缓慢上升。经过240 d的腐解，枝条N、P、K的养分归还指数分别是 -9.30%～-2.82%、78.15%～78.75%和95.27%～96.09%；经过180 d的腐解，叶片N、P、K的养分归还指数分别是63.95%～76.41%、77.08%～79.85%和95.59%～96.77%，芒果枝叶养分归还指数表现为K>P>N。与翻埋处理相比，地表覆盖处理显著或极显著降低枝条腐解120、180 d的N和P养分归还指数，极显著提高叶片腐解120、150 d的N养分归还指数，显著提高叶片腐解180 d的N养分归还指数和腐解150 d的P养分归还指数，对枝叶K养分归还指数无显著影响。地表覆盖还田较翻埋还田更有利于促进芒果叶片的腐解及其N、P养分释放；芒果枝条还田会导致N、P富集，需适时补充氮肥和磷肥，2种还田方式下K的释放可适当减少钾肥施用。

关键词：芒果；还田方式；腐解；养分释放；养分归还指数

中图分类号：S667.706  文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2024）10-0241-06

收稿日期：2022-06-20

基金项目：广西科技重大专项（编号：桂科AA22036001-2、桂科AA20108002-2）；广西农业科学院基本科研业务专项（编号：桂农科 2021YT036）

作者简介：陈开骥（1998—），男，广西贺州人，硕士研究生，研究方向为农业环境保护。E-mail：1693243600@qq.com。

通信作者：区惠平，博士，研究员，主要从事作物营养与环境生态研究。E-mail：ouhuiping2006@163.com。

中国是世界第二大芒果生产国，品种资源丰富，种植区域广泛。据统计，2020年全国芒果种植面积34.94万hm2，总产量330.6万t，产值达205.2亿元。随着芒果产业的发展，芒果枝叶的修剪量逐年上升。2021年我国芒果枝叶修剪量达到了275万t［1］。修剪后的芒果枝叶常常随意堆放，孳生病虫害，破坏果园生态环境。芒果枝叶含有丰富的营养元素，是珍贵的可再生资源，修剪还田后其分解释放的营养元素归还到土壤中，不仅可以减少化肥投入，降低环境风险，而且对土壤肥力、作物生产力以及养分循环具有重要作用［2-5］。因此，探明修剪枝叶的腐解及养分释放特征有助于合理利用芒果枝叶。作物秸秆还田的效果与秸秆种类、还田方式、耕作方式、气候条件和土壤特性等有关［6］。岳丹等的研究表明，由于玉米秸秆中易分解物质较多，难分解物质较少，玉米秸秆腐解率大于小麦秸秆腐解率［7］。刘单卿等的研究表明，翻埋还田增加小麦秸秆和土壤微生物的接触面积，从而较覆盖还田方式更能促进小麦秸秆的腐解［8］。杨铭的研究表明，免耕方式下还田秸秆腐解释放的养分富集在 0～30 cm 的土层，而深耕方式下还田秸秆腐解释放的养分富集在30～60 cm的土层中［9］。李昌明等的研究表明，气候和土壤条件的差异会导致秸秆养分释放特征有所不同，这与不同环境下土壤微生物的活性差异有关［10］。以往的还田秸秆研究多集中在水稻、小麦、玉米、绿肥等木质化程度较低的作物上，而对木质化程度较高的果树枝条研究集中在堆肥应用上，对于果树枝条直接还田的腐解及养分释放研究鲜见报道［11-12］。因此，本试验以芒果修剪枝叶为研究对象，采用网袋法研究地表覆盖和翻埋2种还田方式下芒果修剪枝叶的腐解及养分释放特征，以期为修剪枝叶的合理利用和后续芒果园施肥管理提供理论基础。

1  材料与方法

1.1  试验材料

供试材料为台农1号芒果新鲜的修剪枝叶。其中，芒果枝条中氮（N）、磷（P）、钾（K）含量分别为0.30%、0.12%、1.04%，含水量为59.69%；芒果叶片中氮（N）、磷（P）、钾（K）含量分别为1.04%、0.09%、0.46%，含水量为54.2%。

1.2  试验方法

试验于2022年7月至2023年2月在广西农业科学院里建科学研究基地芒果园进行，试验地属于亚热带季风气候，年均气温21.8 ℃，年均降水量 1 286 mm。采果修剪后布置芒果园，将修剪好的芒果枝叶分开，采用网袋法将芒果枝条切成1～2 cm长，将叶片顺着叶脉剪成1 cm2的片状，分别装入孔径2 mm的网袋中，铺放均匀，其中枝条200 g/袋，叶片150 g/袋，各15袋。设置翻埋和地表覆盖2种还田方式，翻埋处理将网袋埋入15 cm深的土壤中，地表覆盖处理将网袋放于地表，同时为了确保地表覆盖条件的稳定性，在网袋上铺上5 cm厚的芒果枝叶。还田时间为2022年7月1日，枝条分别于还田后30、60、120、180、240 d取样，叶片在还田后30、60、120、150、180 d取样。每次各取出3袋，用去离子水去除枝叶上的泥土和杂物，于80 ℃下烘干至恒重，称重，磨碎后测定其N、P、K含量。试验期间的月平均气温和月平均降水量见图1。

1.3  测定方法

以H2SO4-H2O2 消煮样品，用凯氏定氮法测定全氮含量，用钼钒黄比色法测定全磷含量，用火焰光度法测定全钾含量。

1.4  数据处理

不同时期芒果枝叶的腐解和养分释放计算公式如下：

重量累积减少率=（m0-mT）/m0×100%；（1）

平均腐解速率（mg/d）=（m0-mT）/T；（2）

养分重量（mg）=mT×CT；（3）

N、P、K养分归还指数=（m0C0-mTCT）/m0C0×100%。（4）

应用Olson指数衰减模型拟合芒果枝叶还田腐解动态，计算公式［13］如下：

-kT=lnmTm0。（5）

式中：m0为样品初始干重，mg；mT为腐解时间为T时的样品干重，mg；T为腐解时间，d；C0为样品N、P、K初始含量，%；CT为腐解时间为T时的样品N、P、K含量，%；k为腐解常数。

采用Excel 2019对数据进行整理、绘图和统计分析，采用独立样本t检验方法进行同一腐解时间处理间的差异分析。

2  结果与分析

2.1  芒果枝条与叶片腐解特征

图2表明，芒果枝叶腐解呈现出先快后慢的趋势。试验结束时，芒果枝叶重累计减少率为62.63%～86.90%，其中腐解60 d芒果枝叶重累计减少率为37.49%～62.45%，这一时期的芒果枝叶重减少量占试验期重量减少总量的58.7%～71.9%，平均腐解速率为504～715 mg/d，是腐解后期（即枝条腐解60～240 d、叶片腐解60～180 d）平均腐解速率的3.1～5.1倍。在不同的腐解阶段，地表覆盖处理腐解30 d的枝条重质量累计减少率极显著高于翻埋处理（P<0.01），腐解180 d时则显著低于翻埋处理；而腐解30～180 d叶片重累计减少率均以地表覆盖处理显著或极显著大于翻埋处理。可见，0～60 d是芒果枝叶的快速腐解期。地表覆盖促进叶片的腐解表现在整个腐解期，而对枝条的促进仅表现在0～30 d。

图3显示Olson指数衰减模型可较好地模拟芒果枝叶还田的腐解变化特征，r2为0.962 8～0.985 1。

腐解常数k反映腐解速率的大小，k值越大，表示腐解速率越大。芒果枝条的k值在翻埋处理和地表覆盖处理下分别为0.004 78和0.004 83，模型拟合芒果枝条腐解50%所需时间在翻埋处理、地表覆盖处理下分别为144.9、143.6 d，腐解95%所需时间分别为626.1、620.5 d，两者间无显著差异（P>0.05）；芒果叶片的k值在翻埋处理和地表覆盖处理下分别为0.008 20和0.011 19，芒果叶片腐解50%所需时间在翻埋处理、地表覆盖处理下分别为84.5、61.9 d，腐解95%所需时间分别为365.1、267.7 d，以地表覆盖处理显著大于翻埋处理（P<0.05）。可见，芒果叶片腐解速率快于枝条，不同还田方式对芒果枝条腐解速率无显著影响，地表覆盖还田促进芒果叶片腐解。

2.2  芒果枝条与叶片全氮的释放特征

养分归还指数表征养分释放比例［14］。图4表明，在全腐解期中枝条N养分归还指数均表现为负值。翻埋处理下，枝条N养分归还指数在腐解0～120 d逐渐下降，120 d后逐渐上升，于240 d达到 -2.82%。在地表覆盖处理下，枝条N养分归还指数在腐解0～180 d逐渐下降，180 d后上升，于 240 d 达到-9.30%。表明枝条全氮在腐解期表现为先富集后释放的特征，翻埋处理下枝条N在0～120 d逐渐富集，120 d后开始释放，而地表覆盖处理下N于180 d后开始释放，较翻埋处理滞后60 d。相对于初始，经过240 d的腐解，2种还田方式的N仍表现为富集。此外，在腐解30、60、240 d后2种还田方式下N养分归还指数无显著差异；而在腐解120、180 d翻埋处理显著或极显著大于地表覆盖处理，此时，与翻埋处理相比，地表覆盖促进了枝条N的富集。

图4还表明，在整个腐解期，芒果叶片N养分归还指数均表现为正值，经过180 d的腐解，叶片N养分归还指数达到63.95%～76.41%。在翻埋处理下，叶片N养分归还指数呈现先上升后下降再上升的变化趋势；而在地表覆盖处理下，N养分归还指数呈现逐渐上升的趋势。在不同的处理间，N养分归还指数均表现为地表覆盖处理高于翻埋处理，其中，在腐解120～180 d地表覆盖处理较翻埋处理显著或极显著提高12.46～39.98百分点。可见，叶片N在全腐解期地表覆盖处理表现为释放，而翻埋处理表现为释放—富集—释放。地表覆盖处理较翻埋处理更有利于芒果叶片全氮的释放。

2.3  芒果枝条与叶片全磷的释放特征

图5显示，芒果枝叶P养分归还指数在腐解期间均为正值，随着腐解时间的延长呈现出先上升后下降再上升的趋势，其中，腐解60 d时P养分归还指数最高，枝条和叶片分别达到98.00%～98.08%和96.35%～96.69%。腐解试验结束时，枝条和叶片P养分归还指数分别降至78.15%～78.75%和77.08%～79.85%。可见，芒果枝叶全磷整体表现为“释放—富集—释放”的特征。翻埋处理较地表覆盖处理显著或极显著提高腐解120、180 d的枝条P养分归还指数，而地表覆盖处理较翻埋处理显著提高腐解150 d叶片P养分归还指数。

2.4  芒果枝条与叶片全钾的释放特征

如图6所示，芒果枝条K养分归还指数在全腐解期均表现为释放，并且在腐解30 d即达到95.05%～95.85%，之后保持相对稳定，腐解180 d时达到95.27%～96.09%。芒果叶片K养分归还指数在全腐解期呈现为逐渐上升的趋势，在腐解 30 d 达到80.27%～80.73%，180 d时达到95.59%～96.77%。地表覆盖处理枝叶K养分归还指数与翻埋处理均无显著差异。可见，0～30 d是芒果枝叶K的快速释放期，不同还田方式对芒果枝叶K的快速

释放并无显著影响。

3  讨论与结论

与许多秸秆还田研究报道相似，本研究中芒果枝叶腐解分为快速腐解期和缓慢腐解期。0～60 d是芒果枝叶的快速腐解期，这期间芒果枝叶重累计减少率为37.49%～62.45%，重量减少量占全腐解期重量减少总量的58.7%～71.9%。这主要是因为新鲜枝叶中富含可溶性糖、脂肪族化合物、酰胺类化合物等可直接分解的物质，该物质可优先被微生物分解利用；随着腐解的进行，易分解物质含量逐渐减少，难分解物质如角质、蜡层和木质素等不断积累，导致后期芒果枝叶腐解速度变慢［15-16］。叶片的比表面积较枝条大，则叶片接触微生物的面积就会相对更大，同时叶片的C/N较枝条小，更有利于微生物分解利用，因此叶片的腐解速率较枝条更快。Olson指数衰减模型结果显示，枝条腐解95%时地表覆盖处理与翻埋处理所需要的时间无显著差异，而叶片腐解95%时翻埋处理所需时间显著多于地表覆盖处理，k值也表明，翻埋处理腐解速率较地表覆盖速率慢，说明不同还田方式对枝条腐解影响不大，地表覆盖促进叶片腐解。这与侯宪文等报道的结论“荔枝枝叶翻埋处理腐解速率快于覆盖处理”不同［12］。究其原因，可能是地表覆盖处理下，芒果叶片在腐解过程中除了受到微生物的作用外，还受降雨冲刷以及光矿化作用的共同影响。在高温强光下，木质素等难降解物质会被分解成CO2等气体后释放，从而降低腐解物的C/N，更有利于微生物的分解利用；而在翻埋处理下降雨使土壤产生厌氧环境，抑制了微生物的分解作用［17-19］。可见，芒果枝叶的腐解速度受环境因子与自身基质的双重影响［19-21］。

芒果枝叶的养分释放因其结构组成与化学组分的不同也有所差异。试验结束时，芒果枝叶N、P、K养分归还指数均表现为K>P>N，这是由于K以离子态形式存在，磷60%以上以无机磷形式存在，因此K更容易被水溶解释放。N分为贮存性氮和结构性氮，其中以结构性氮为主要组分，需要经矿化作用转化为无机氮才能逐渐释放，并且释放缓慢［22］。在整个腐解期，与翻埋处理相比，地表覆盖处理对腐解30、60 d芒果枝叶的N、P释放无显著差异，但显著或极显著降低了120、180 d芒果枝条以及提高了150 d叶片的N、P养分归还指数，这可能是因为在这期间降水量与温度同步降低，不同还田方式对腐解环境温度、湿度的影响不同，从而影响芒果枝叶后期难降解物质的分解，其具体影响机制仍需进一步探讨研究［23］。淋溶—释放、 淋溶—富集—释放、富集—释放是凋落物养分释放常见的物质解释模型［24］。根据底物C/N计量学说，当底物的C/N较高时，微生物需要从周围环境中获取足够的N以满足自身的能量和生长需求，从而导致底物N的富集［25］。Wang等的研究表明，水稻秸秆还田后，微生物会消耗土壤无机氮来补充秸秆分解中对N的需求［26］。Chen等的研究表明，将15N标记肥料施入还田的小麦秸秆上，肥料中的N被微生物固定并转移到秸秆中形成有机氮化合物，导致小麦秸秆中N增加［27］。卢玉鹏等通过对不同品种猕猴桃枝条的原位分解试验发现，全氮质量分数较大的猕猴桃枝条N在腐解时表现为释放，而质量分数较小的猕猴桃枝条N则表现先富集再释放［28］。与上述结果相似，本研究中芒果枝条C/N高，而叶片C/N低，因此芒果枝条N表现为富集—释放的特征，而叶片N表现为释放或者释放—富集—释放的特征。芒果枝叶全磷和全钾在腐解期分别表现为释放—富集—释放和释放的特征，究其原因可能是枝叶P在0～60 d因降水多而受到的淋溶作用较大，随着腐解的进行，枝叶中的P不足以维持微生物的生长，需要从周围环境中获取P来缓解化学计量失衡［28-29］。由此可见，芒果枝叶还田后一段时间内需要补充N和P，以避免枝叶在分解过程中与果树争抢养分，同时，也有利于提高土壤节肢动物多样性、土壤微生物丰度和活性，促进物质和能量更快地释放到土壤当中［30-31］。另外，K还田过程的持续释放在一定程度上补充了土壤K，生产上可适当降低钾肥的施用量。

综上所述，0～60 d是芒果枝叶的快速腐解期；不同还田方式对芒果枝条的腐解无显著影响，地表覆盖处理较翻埋处理显著促进叶片的腐解。芒果枝叶的养分归还指数表现为K>P>N，芒果枝条全氮表现为富集—释放的特征，叶片全氮在翻埋处理和地表覆盖处理下分别表现为释放—富集—释放和释放的特征；芒果枝叶全磷表现为释放—富集—释放的特征，在腐解60 d养分归还指数最高；芒果枝叶全钾表现为释放的特征，在腐解0～30 d释放最快。地表覆盖处理显著或极显著降低枝条腐解120、180 d的N和P养分归还指数，提高叶片腐解120～180 d的N养分归还指数，显著提高叶片腐解150 d的P养分归还指数。不同还田方式对K养分归还指数无显著影响。

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