陳開驥 周柳強(qiáng) 彭嘉宇 雷秋良 沈小微 劉昔輝 唐新蓮 區(qū)惠平
doi:10.15889/j.issn.1002-1302.2024.10.033
摘要:通過研究地表覆蓋和翻理2種不同還田方式下芒果修剪枝葉的腐解和養(yǎng)分釋放特征,為芒果修剪枝葉的合理利用和芒果園的施肥管理提供理論依據(jù)。以修剪的芒果枝條、葉片為研究對(duì)象,采用網(wǎng)袋法,設(shè)置地表覆蓋和翻埋2種還田方式,研究不同還田方式下芒果枝葉的腐解及氮(N)、磷(P)和鉀(K)養(yǎng)分釋放特征。結(jié)果表明,0~60 d是芒果枝葉的快速腐解期,其重量減少量占腐解期總重量減少量的58.7%~71.9%。Olson指數(shù)衰減模型模擬結(jié)果表明,葉片腐解速率快于枝條,2種還田方式的枝條腐解速率無顯著差異,地表覆蓋處理葉片腐解速率快于翻埋處理。枝條N養(yǎng)分歸還指數(shù)在腐解期表現(xiàn)為先降低后上升的趨勢,葉片N養(yǎng)分歸還指數(shù)在地表覆蓋處理下逐漸上升。枝葉P養(yǎng)分歸還指數(shù)均表現(xiàn)為先上升后降低再上升的趨勢。K養(yǎng)分歸還指數(shù)在0~30 d快速上升,之后再緩慢上升。經(jīng)過240 d的腐解,枝條N、P、K的養(yǎng)分歸還指數(shù)分別是 -9.30%~-2.82%、78.15%~78.75%和95.27%~96.09%;經(jīng)過180 d的腐解,葉片N、P、K的養(yǎng)分歸還指數(shù)分別是63.95%~76.41%、77.08%~79.85%和95.59%~96.77%,芒果枝葉養(yǎng)分歸還指數(shù)表現(xiàn)為K>P>N。與翻埋處理相比,地表覆蓋處理顯著或極顯著降低枝條腐解120、180 d的N和P養(yǎng)分歸還指數(shù),極顯著提高葉片腐解120、150 d的N養(yǎng)分歸還指數(shù),顯著提高葉片腐解180 d的N養(yǎng)分歸還指數(shù)和腐解150 d的P養(yǎng)分歸還指數(shù),對(duì)枝葉K養(yǎng)分歸還指數(shù)無顯著影響。地表覆蓋還田較翻埋還田更有利于促進(jìn)芒果葉片的腐解及其N、P養(yǎng)分釋放;芒果枝條還田會(huì)導(dǎo)致N、P富集,需適時(shí)補(bǔ)充氮肥和磷肥,2種還田方式下K的釋放可適當(dāng)減少鉀肥施用。
關(guān)鍵詞:芒果;還田方式;腐解;養(yǎng)分釋放;養(yǎng)分歸還指數(shù)
中圖分類號(hào):S667.706? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):1002-1302(2024)10-0241-06
收稿日期:2022-06-20
基金項(xiàng)目:廣西科技重大專項(xiàng)(編號(hào):桂科AA22036001-2、桂科AA20108002-2);廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)(編號(hào):桂農(nóng)科 2021YT036)
作者簡介:陳開驥(1998—),男,廣西賀州人,碩士研究生,研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)。E-mail:1693243600@qq.com。
通信作者:區(qū)惠平,博士,研究員,主要從事作物營養(yǎng)與環(huán)境生態(tài)研究。E-mail:ouhuiping2006@163.com。
中國是世界第二大芒果生產(chǎn)國,品種資源豐富,種植區(qū)域廣泛。據(jù)統(tǒng)計(jì),2020年全國芒果種植面積34.94萬hm2,總產(chǎn)量330.6萬t,產(chǎn)值達(dá)205.2億元。隨著芒果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,芒果枝葉的修剪量逐年上升。2021年我國芒果枝葉修剪量達(dá)到了275萬t[1]。修剪后的芒果枝葉常常隨意堆放,孳生病蟲害,破壞果園生態(tài)環(huán)境。芒果枝葉含有豐富的營養(yǎng)元素,是珍貴的可再生資源,修剪還田后其分解釋放的營養(yǎng)元素歸還到土壤中,不僅可以減少化肥投入,降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),而且對(duì)土壤肥力、作物生產(chǎn)力以及養(yǎng)分循環(huán)具有重要作用[2-5]。因此,探明修剪枝葉的腐解及養(yǎng)分釋放特征有助于合理利用芒果枝葉。作物秸稈還田的效果與秸稈種類、還田方式、耕作方式、氣候條件和土壤特性等有關(guān)[6]。岳丹等的研究表明,由于玉米秸稈中易分解物質(zhì)較多,難分解物質(zhì)較少,玉米秸稈腐解率大于小麥秸稈腐解率[7]。劉單卿等的研究表明,翻埋還田增加小麥秸稈和土壤微生物的接觸面積,從而較覆蓋還田方式更能促進(jìn)小麥秸稈的腐解[8]。楊銘的研究表明,免耕方式下還田秸稈腐解釋放的養(yǎng)分富集在 0~30 cm 的土層,而深耕方式下還田秸稈腐解釋放的養(yǎng)分富集在30~60 cm的土層中[9]。李昌明等的研究表明,氣候和土壤條件的差異會(huì)導(dǎo)致秸稈養(yǎng)分釋放特征有所不同,這與不同環(huán)境下土壤微生物的活性差異有關(guān)[10]。以往的還田秸稈研究多集中在水稻、小麥、玉米、綠肥等木質(zhì)化程度較低的作物上,而對(duì)木質(zhì)化程度較高的果樹枝條研究集中在堆肥應(yīng)用上,對(duì)于果樹枝條直接還田的腐解及養(yǎng)分釋放研究鮮見報(bào)道[11-12]。因此,本試驗(yàn)以芒果修剪枝葉為研究對(duì)象,采用網(wǎng)袋法研究地表覆蓋和翻埋2種還田方式下芒果修剪枝葉的腐解及養(yǎng)分釋放特征,以期為修剪枝葉的合理利用和后續(xù)芒果園施肥管理提供理論基礎(chǔ)。
1? 材料與方法
1.1? 試驗(yàn)材料
供試材料為臺(tái)農(nóng)1號(hào)芒果新鮮的修剪枝葉。其中,芒果枝條中氮(N)、磷(P)、鉀(K)含量分別為0.30%、0.12%、1.04%,含水量為59.69%;芒果葉片中氮(N)、磷(P)、鉀(K)含量分別為1.04%、0.09%、0.46%,含水量為54.2%。
1.2? 試驗(yàn)方法
試驗(yàn)于2022年7月至2023年2月在廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院里建科學(xué)研究基地芒果園進(jìn)行,試驗(yàn)地屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,年均氣溫21.8 ℃,年均降水量 1 286 mm。采果修剪后布置芒果園,將修剪好的芒果枝葉分開,采用網(wǎng)袋法將芒果枝條切成1~2 cm長,將葉片順著葉脈剪成1 cm2的片狀,分別裝入孔徑2 mm的網(wǎng)袋中,鋪放均勻,其中枝條200 g/袋,葉片150 g/袋,各15袋。設(shè)置翻埋和地表覆蓋2種還田方式,翻埋處理將網(wǎng)袋埋入15 cm深的土壤中,地表覆蓋處理將網(wǎng)袋放于地表,同時(shí)為了確保地表覆蓋條件的穩(wěn)定性,在網(wǎng)袋上鋪上5 cm厚的芒果枝葉。還田時(shí)間為2022年7月1日,枝條分別于還田后30、60、120、180、240 d取樣,葉片在還田后30、60、120、150、180 d取樣。每次各取出3袋,用去離子水去除枝葉上的泥土和雜物,于80 ℃下烘干至恒重,稱重,磨碎后測定其N、P、K含量。試驗(yàn)期間的月平均氣溫和月平均降水量見圖1。
1.3? 測定方法
以H2SO4-H2O2 消煮樣品,用凱氏定氮法測定全氮含量,用鉬釩黃比色法測定全磷含量,用火焰光度法測定全鉀含量。
1.4? 數(shù)據(jù)處理
不同時(shí)期芒果枝葉的腐解和養(yǎng)分釋放計(jì)算公式如下:
重量累積減少率=(m0-mT)/m0×100%;(1)
平均腐解速率(mg/d)=(m0-mT)/T;(2)
養(yǎng)分重量(mg)=mT×CT;(3)
N、P、K養(yǎng)分歸還指數(shù)=(m0C0-mTCT)/m0C0×100%。(4)
應(yīng)用Olson指數(shù)衰減模型擬合芒果枝葉還田腐解動(dòng)態(tài),計(jì)算公式[13]如下:
-kT=lnmTm0。(5)
式中:m0為樣品初始干重,mg;mT為腐解時(shí)間為T時(shí)的樣品干重,mg;T為腐解時(shí)間,d;C0為樣品N、P、K初始含量,%;CT為腐解時(shí)間為T時(shí)的樣品N、P、K含量,%;k為腐解常數(shù)。
采用Excel 2019對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、繪圖和統(tǒng)計(jì)分析,采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)方法進(jìn)行同一腐解時(shí)間處理間的差異分析。
2? 結(jié)果與分析
2.1? 芒果枝條與葉片腐解特征
圖2表明,芒果枝葉腐解呈現(xiàn)出先快后慢的趨勢。試驗(yàn)結(jié)束時(shí),芒果枝葉重累計(jì)減少率為62.63%~86.90%,其中腐解60 d芒果枝葉重累計(jì)減少率為37.49%~62.45%,這一時(shí)期的芒果枝葉重減少量占試驗(yàn)期重量減少總量的58.7%~71.9%,平均腐解速率為504~715 mg/d,是腐解后期(即枝條腐解60~240 d、葉片腐解60~180 d)平均腐解速率的3.1~5.1倍。在不同的腐解階段,地表覆蓋處理腐解30 d的枝條重質(zhì)量累計(jì)減少率極顯著高于翻埋處理(P<0.01),腐解180 d時(shí)則顯著低于翻埋處理;而腐解30~180 d葉片重累計(jì)減少率均以地表覆蓋處理顯著或極顯著大于翻埋處理??梢姡?~60 d是芒果枝葉的快速腐解期。地表覆蓋促進(jìn)葉片的腐解表現(xiàn)在整個(gè)腐解期,而對(duì)枝條的促進(jìn)僅表現(xiàn)在0~30 d。
圖3顯示Olson指數(shù)衰減模型可較好地模擬芒果枝葉還田的腐解變化特征,r2為0.962 8~0.985 1。
腐解常數(shù)k反映腐解速率的大小,k值越大,表示腐解速率越大。芒果枝條的k值在翻埋處理和地表覆蓋處理下分別為0.004 78和0.004 83,模型擬合芒果枝條腐解50%所需時(shí)間在翻埋處理、地表覆蓋處理下分別為144.9、143.6 d,腐解95%所需時(shí)間分別為626.1、620.5 d,兩者間無顯著差異(P>0.05);芒果葉片的k值在翻埋處理和地表覆蓋處理下分別為0.008 20和0.011 19,芒果葉片腐解50%所需時(shí)間在翻埋處理、地表覆蓋處理下分別為84.5、61.9 d,腐解95%所需時(shí)間分別為365.1、267.7 d,以地表覆蓋處理顯著大于翻埋處理(P<0.05)。可見,芒果葉片腐解速率快于枝條,不同還田方式對(duì)芒果枝條腐解速率無顯著影響,地表覆蓋還田促進(jìn)芒果葉片腐解。
2.2? 芒果枝條與葉片全氮的釋放特征
養(yǎng)分歸還指數(shù)表征養(yǎng)分釋放比例[14]。圖4表明,在全腐解期中枝條N養(yǎng)分歸還指數(shù)均表現(xiàn)為負(fù)值。翻埋處理下,枝條N養(yǎng)分歸還指數(shù)在腐解0~120 d逐漸下降,120 d后逐漸上升,于240 d達(dá)到 -2.82%。在地表覆蓋處理下,枝條N養(yǎng)分歸還指數(shù)在腐解0~180 d逐漸下降,180 d后上升,于 240 d 達(dá)到-9.30%。表明枝條全氮在腐解期表現(xiàn)為先富集后釋放的特征,翻埋處理下枝條N在0~120 d逐漸富集,120 d后開始釋放,而地表覆蓋處理下N于180 d后開始釋放,較翻埋處理滯后60 d。相對(duì)于初始,經(jīng)過240 d的腐解,2種還田方式的N仍表現(xiàn)為富集。此外,在腐解30、60、240 d后2種還田方式下N養(yǎng)分歸還指數(shù)無顯著差異;而在腐解120、180 d翻埋處理顯著或極顯著大于地表覆蓋處理,此時(shí),與翻埋處理相比,地表覆蓋促進(jìn)了枝條N的富集。
圖4還表明,在整個(gè)腐解期,芒果葉片N養(yǎng)分歸還指數(shù)均表現(xiàn)為正值,經(jīng)過180 d的腐解,葉片N養(yǎng)分歸還指數(shù)達(dá)到63.95%~76.41%。在翻埋處理下,葉片N養(yǎng)分歸還指數(shù)呈現(xiàn)先上升后下降再上升的變化趨勢;而在地表覆蓋處理下,N養(yǎng)分歸還指數(shù)呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。在不同的處理間,N養(yǎng)分歸還指數(shù)均表現(xiàn)為地表覆蓋處理高于翻埋處理,其中,在腐解120~180 d地表覆蓋處理較翻埋處理顯著或極顯著提高12.46~39.98百分點(diǎn)??梢姡~片N在全腐解期地表覆蓋處理表現(xiàn)為釋放,而翻埋處理表現(xiàn)為釋放—富集—釋放。地表覆蓋處理較翻埋處理更有利于芒果葉片全氮的釋放。
2.3? 芒果枝條與葉片全磷的釋放特征
圖5顯示,芒果枝葉P養(yǎng)分歸還指數(shù)在腐解期間均為正值,隨著腐解時(shí)間的延長呈現(xiàn)出先上升后下降再上升的趨勢,其中,腐解60 d時(shí)P養(yǎng)分歸還指數(shù)最高,枝條和葉片分別達(dá)到98.00%~98.08%和96.35%~96.69%。腐解試驗(yàn)結(jié)束時(shí),枝條和葉片P養(yǎng)分歸還指數(shù)分別降至78.15%~78.75%和77.08%~79.85%??梢?,芒果枝葉全磷整體表現(xiàn)為“釋放—富集—釋放”的特征。翻埋處理較地表覆蓋處理顯著或極顯著提高腐解120、180 d的枝條P養(yǎng)分歸還指數(shù),而地表覆蓋處理較翻埋處理顯著提高腐解150 d葉片P養(yǎng)分歸還指數(shù)。
2.4? 芒果枝條與葉片全鉀的釋放特征
如圖6所示,芒果枝條K養(yǎng)分歸還指數(shù)在全腐解期均表現(xiàn)為釋放,并且在腐解30 d即達(dá)到95.05%~95.85%,之后保持相對(duì)穩(wěn)定,腐解180 d時(shí)達(dá)到95.27%~96.09%。芒果葉片K養(yǎng)分歸還指數(shù)在全腐解期呈現(xiàn)為逐漸上升的趨勢,在腐解 30 d 達(dá)到80.27%~80.73%,180 d時(shí)達(dá)到95.59%~96.77%。地表覆蓋處理枝葉K養(yǎng)分歸還指數(shù)與翻埋處理均無顯著差異。可見,0~30 d是芒果枝葉K的快速釋放期,不同還田方式對(duì)芒果枝葉K的快速
釋放并無顯著影響。
3? 討論與結(jié)論
與許多秸稈還田研究報(bào)道相似,本研究中芒果枝葉腐解分為快速腐解期和緩慢腐解期。0~60 d是芒果枝葉的快速腐解期,這期間芒果枝葉重累計(jì)減少率為37.49%~62.45%,重量減少量占全腐解期重量減少總量的58.7%~71.9%。這主要是因?yàn)樾迈r枝葉中富含可溶性糖、脂肪族化合物、酰胺類化合物等可直接分解的物質(zhì),該物質(zhì)可優(yōu)先被微生物分解利用;隨著腐解的進(jìn)行,易分解物質(zhì)含量逐漸減少,難分解物質(zhì)如角質(zhì)、蠟層和木質(zhì)素等不斷積累,導(dǎo)致后期芒果枝葉腐解速度變慢[15-16]。葉片的比表面積較枝條大,則葉片接觸微生物的面積就會(huì)相對(duì)更大,同時(shí)葉片的C/N較枝條小,更有利于微生物分解利用,因此葉片的腐解速率較枝條更快。Olson指數(shù)衰減模型結(jié)果顯示,枝條腐解95%時(shí)地表覆蓋處理與翻埋處理所需要的時(shí)間無顯著差異,而葉片腐解95%時(shí)翻埋處理所需時(shí)間顯著多于地表覆蓋處理,k值也表明,翻埋處理腐解速率較地表覆蓋速率慢,說明不同還田方式對(duì)枝條腐解影響不大,地表覆蓋促進(jìn)葉片腐解。這與侯憲文等報(bào)道的結(jié)論“荔枝枝葉翻埋處理腐解速率快于覆蓋處理”不同[12]。究其原因,可能是地表覆蓋處理下,芒果葉片在腐解過程中除了受到微生物的作用外,還受降雨沖刷以及光礦化作用的共同影響。在高溫強(qiáng)光下,木質(zhì)素等難降解物質(zhì)會(huì)被分解成CO2等氣體后釋放,從而降低腐解物的C/N,更有利于微生物的分解利用;而在翻埋處理下降雨使土壤產(chǎn)生厭氧環(huán)境,抑制了微生物的分解作用[17-19]??梢?,芒果枝葉的腐解速度受環(huán)境因子與自身基質(zhì)的雙重影響[19-21]。
芒果枝葉的養(yǎng)分釋放因其結(jié)構(gòu)組成與化學(xué)組分的不同也有所差異。試驗(yàn)結(jié)束時(shí),芒果枝葉N、P、K養(yǎng)分歸還指數(shù)均表現(xiàn)為K>P>N,這是由于K以離子態(tài)形式存在,磷60%以上以無機(jī)磷形式存在,因此K更容易被水溶解釋放。N分為貯存性氮和結(jié)構(gòu)性氮,其中以結(jié)構(gòu)性氮為主要組分,需要經(jīng)礦化作用轉(zhuǎn)化為無機(jī)氮才能逐漸釋放,并且釋放緩慢[22]。在整個(gè)腐解期,與翻埋處理相比,地表覆蓋處理對(duì)腐解30、60 d芒果枝葉的N、P釋放無顯著差異,但顯著或極顯著降低了120、180 d芒果枝條以及提高了150 d葉片的N、P養(yǎng)分歸還指數(shù),這可能是因?yàn)樵谶@期間降水量與溫度同步降低,不同還田方式對(duì)腐解環(huán)境溫度、濕度的影響不同,從而影響芒果枝葉后期難降解物質(zhì)的分解,其具體影響機(jī)制仍需進(jìn)一步探討研究[23]。淋溶—釋放、 淋溶—富集—釋放、富集—釋放是凋落物養(yǎng)分釋放常見的物質(zhì)解釋模型[24]。根據(jù)底物C/N計(jì)量學(xué)說,當(dāng)?shù)孜锏腃/N較高時(shí),微生物需要從周圍環(huán)境中獲取足夠的N以滿足自身的能量和生長需求,從而導(dǎo)致底物N的富集[25]。Wang等的研究表明,水稻秸稈還田后,微生物會(huì)消耗土壤無機(jī)氮來補(bǔ)充秸稈分解中對(duì)N的需求[26]。Chen等的研究表明,將15N標(biāo)記肥料施入還田的小麥秸稈上,肥料中的N被微生物固定并轉(zhuǎn)移到秸稈中形成有機(jī)氮化合物,導(dǎo)致小麥秸稈中N增加[27]。盧玉鵬等通過對(duì)不同品種獼猴桃枝條的原位分解試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大的獼猴桃枝條N在腐解時(shí)表現(xiàn)為釋放,而質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小的獼猴桃枝條N則表現(xiàn)先富集再釋放[28]。與上述結(jié)果相似,本研究中芒果枝條C/N高,而葉片C/N低,因此芒果枝條N表現(xiàn)為富集—釋放的特征,而葉片N表現(xiàn)為釋放或者釋放—富集—釋放的特征。芒果枝葉全磷和全鉀在腐解期分別表現(xiàn)為釋放—富集—釋放和釋放的特征,究其原因可能是枝葉P在0~60 d因降水多而受到的淋溶作用較大,隨著腐解的進(jìn)行,枝葉中的P不足以維持微生物的生長,需要從周圍環(huán)境中獲取P來緩解化學(xué)計(jì)量失衡[28-29]。由此可見,芒果枝葉還田后一段時(shí)間內(nèi)需要補(bǔ)充N和P,以避免枝葉在分解過程中與果樹爭搶養(yǎng)分,同時(shí),也有利于提高土壤節(jié)肢動(dòng)物多樣性、土壤微生物豐度和活性,促進(jìn)物質(zhì)和能量更快地釋放到土壤當(dāng)中[30-31]。另外,K還田過程的持續(xù)釋放在一定程度上補(bǔ)充了土壤K,生產(chǎn)上可適當(dāng)降低鉀肥的施用量。
綜上所述,0~60 d是芒果枝葉的快速腐解期;不同還田方式對(duì)芒果枝條的腐解無顯著影響,地表覆蓋處理較翻埋處理顯著促進(jìn)葉片的腐解。芒果枝葉的養(yǎng)分歸還指數(shù)表現(xiàn)為K>P>N,芒果枝條全氮表現(xiàn)為富集—釋放的特征,葉片全氮在翻埋處理和地表覆蓋處理下分別表現(xiàn)為釋放—富集—釋放和釋放的特征;芒果枝葉全磷表現(xiàn)為釋放—富集—釋放的特征,在腐解60 d養(yǎng)分歸還指數(shù)最高;芒果枝葉全鉀表現(xiàn)為釋放的特征,在腐解0~30 d釋放最快。地表覆蓋處理顯著或極顯著降低枝條腐解120、180 d的N和P養(yǎng)分歸還指數(shù),提高葉片腐解120~180 d的N養(yǎng)分歸還指數(shù),顯著提高葉片腐解150 d的P養(yǎng)分歸還指數(shù)。不同還田方式對(duì)K養(yǎng)分歸還指數(shù)無顯著影響。
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