非淹水条件不同翻压量细叶满江红腐解及养分释放特征

邓素芳， 杨有泉， 徐国忠， 应朝阳*

(1. 福建省农业科学院农业生态研究所， 福建 福州 350013； 2. 国家红萍资源中心， 福建 福州 350013)

近年来，随着国家高质量发展、藏粮于地、藏粮于技等战略的提出，充分利用农闲田种植绿肥，还田培肥地力，提高农作物产量和质量，已成为促进化肥减量增效及农业可持续发展的重要手段[1]。满江红属(Azolla)是广泛分布、个体较小的水生蕨类植物，俗称红萍、绿萍，具有与蓝藻共生固氮、富钾[2]等生理特点。满江红富含优质蛋白和丰富的矿质元素，常作为鱼类及家畜饲料[3-4]和稻田绿肥利用，是南方稻作系统中肥饲兼用的优质水生绿肥。满江红在春、秋季快速生长，可直接翻压作为水稻等后茬作物的基肥利用[5]，也可堆沤后作为有机肥，用于旱地作物如玉米[6]、番茄[7]、洋甘菊[8]的种植，起到减少作物化学肥料施用[6]、提高活性物质产量[8]的作用。随着耕作制度的变革，种植单季稻已逐渐发展成为南方稻区水稻(Oryzasativa)生产的主要耕作方式，插秧时间通常为6月中下旬至7月上旬。利用满江红春、秋季快速扩繁的特点，在春、秋季及时翻埋可为后茬水稻及烟草、蔬菜等旱地作物供肥，充分发挥满江红绿肥改土培肥的作用。了解满江红的腐解特征及其养分释放规律，对于满江红的科学合理利用具有现实的指导意义。从20世纪70年代开始，国内外学者就陆续开展了满江红腐解的相关研究，对稻田淹水条件下满江红的腐解过程[9-10]、养分的矿化和释放[11]、影响矿化的因子[9,12]等都作了较为深入研究[13]，但对非淹水条件下满江红的腐解和养分释放规律研究未见文献报道，非淹水方式下满江红的腐解过程、其矿化速率与施用量的关系都有待明确，以利于满江红在稻田水旱轮作旱地作物上的利用。鉴于此，本文以实际生产广泛应用的细叶满江红(Azollafiliculoides)为材料，开展非淹水条件下不同翻压量细叶满江红的腐解和养分释放特征研究，揭示其在非淹水土壤中的腐解动态特征，为满江红作为绿肥在单季稻、稻渔模式、稻-烟(菜)等水旱轮作模式或旱地作物系统中的利用提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料

供试材料为保存于国家红萍种质圃(福州)的细叶满江红(A.filiculoides)，原产于东德，1979由国际水稻所引进，IRRI编号1001。试验所用满江红样品的初始含水量为95.80%，干物质中含氮(N)38.08 g·kg-1，磷(P)10.35 g·kg-1，钾(K)18.37 g·kg-1，碳(C)335.32 g·kg-1。供试土壤取自福建闽侯白沙镇林柄村的黄泥田，风干，过5 mm筛网后，充分混匀备用。土壤基本性状如下：pH 4.39，有机质含量18.00 g·kg-1，全氮 1.10 g·kg-1，碱解氮 104.23 mg·kg-1，有效磷 10.43 mg·kg-1，速效钾 30.30 mg·kg-1。

1.2 方法

1.2.1试验设计 试验在福建省农业科学院埔垱基地(26°7′56′′ N，东经119°20′1′′ E，海拔46.37 m)的玻璃温室内进行，温度恒定在25±2℃。试验设置3个翻压量处理：T1(低翻压量，鲜萍与土质量比为5 g·kg-1)、T2(中翻压量，鲜萍与土质量比为10 g·kg-1)和T3(高翻压量，鲜萍与土质量比为15 g·kg-1)。为避免翻埋过程中土壤颗粒进入尼龙网袋，影响满江红干物质和养分测试，试验采用玻璃纤维滤纸与尼龙网袋相结合的方法[14]进行翻埋。具体做法如下：将各处理所需鲜萍(T1为150 g、T2为300 g、T3为450 g)分别装入正方形玻璃纤维滤纸袋中，放入尼龙网袋(孔径0.048 mm)中扎好口，平铺于装有15 kg土的方形塑料盆(长60 cm、宽40 cm、高25 cm)中间，再覆土15 kg，土层厚度约20 cm。试验期间，按称重法补充蒸发的水分至土壤田间持水量的70%，每2 d加1次，保持土壤湿度以利于土壤微生物生长[15]。每10 d取样1次，每处理取3盆，共取样6次。每次取样后去除表面泥土及杂物，将玻璃纤维滤纸袋中剩余的满江红残体取出，于60～70℃烘至恒重，然后粉碎测定满江红残体的干物质、碳、氮、磷、钾含量。

1.2.2测定及计算方法 满江红样品经H2SO4-H2O2消煮后，用凯氏定氮法测定全氮含量，钒钼黄比色法测定全磷含量[16]，火焰光度计法测定全钾含量[17]，外加热重铬酸钾氧化-容量法测定全碳含量[16]。土壤有机质含量测定采用重铬酸钾容量法-外加热法[16]，全氮含量的测定采用《LY/T 1228—2015 森林土壤氮的测定》[18]中的方法，碱解氮含量的测定采用碱解扩散法[16]，有效磷含量的测定采用《NY/T 1121.7—2014 土壤有效磷的测定》[19]中的方法，速效钾含量的测定采用《NY/T 889—2004 土壤速效钾和缓效钾含量的测定》[20]中的方法。

腐解率等相关指标计算公式如下：

干物质累积腐解量(g)=0 d的干物质总量—nd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

阶段内平均腐解速率(mg·d-1)=阶段内腐解量÷阶段天数

养分总量(mg)=干物质总量×养分含量×1000

养分累积释放量(mg)=0 d的养分总量—nd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(mg·d-1)=阶段内养分释放量÷阶段天数

式中，n为腐解天数；1000为将g换算为mg的换算系数。

1.2.3数据处理 试验数据用Excel 2016和Sigma Plot 14.0进行统计和回归分析，用GraphPad Prism 9作图，显著性分析采用Duncan新复极差法(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 细叶满江红腐解特征

如图1所示，不同翻压量处理，细叶满江红干物质累积腐解率的动态变化趋势基本相同，但各处理间的累积腐解率有显著差异(图1A)。翻压前期(0～20 d)，T2，T3处理的累积腐解率增加较快，翻压20 d时累积腐解率已达27.8%和28.8%，显著高于低翻压处理(T1)(P<0.05)；此后，T2，T3处理的累积腐解率的增加变缓，翻压60 d后3个处理的干物质腐解率分别为47.6%，39.2%和36.1%。低翻压量处理(T1)最终(60 d)的累积腐解率显著(P<0.05)高于中(T2)、高(T3)翻压量处理。

从图1B可以看出，不同翻压量处理下细叶满江红的腐解速率均先快后慢。前30 d，各处理间的阶段内平均腐解速率差异显著(P<0.05)。各处理满江红在腐解前期(0～10 d)的平均腐解速率均最高，随后均迅速下降。翻压量越大，平均腐解速率下降幅度越大。

图1 细叶满江红干物质累积腐解率和阶段内平均腐解速率的动态变化

2.2 细叶满江红碳、氮、磷、钾养分的释放特征

由图2可知，在翻压后前20 d和第60 d，各处理细叶满江红碳、氮、磷、钾养分的累积释放率差异基本一致。在细叶满江红翻压后的前20 d，各处理碳、氮、磷、钾养分释放最快，均为T3>T2>T1，即翻压量越大，前期养分释放越快。而翻压60 d后，各处理碳、氮、磷、钾养分的累积释放率差异与翻压前期不同，均为T1>T2>T3，且差异显著(P<0.05)，表明翻压量越大，细叶满江红各养分最终(60 d)的释放率越小。各处理细叶满江红各养分的最终释放率为磷最大，钾次之，氮最小。碳、氮、磷、钾各养分的最终释放率分别为47.2%～57.4%，47.2%～56.7%，68.5%～75.2%和53.5%～61.3%。

图2 细叶满江红碳、氮、磷、钾养分累积释放率的动态变化

从不同处理各阶段内各养分的平均释放速率动态变化(图3)可以看出，各处理各养分的平均释放速率均为前期快，后期慢。不同翻压量处理下细叶满江红各养分的平均释放速率均在翻压后前10 d最高，且随着翻压量增加，各养分的平均释放速率也随之增加，即T3>T2>T1，差异达显著性水平(P<0.05)。各养分的平均释放速率在翻压10 d后快速下降，后期虽有波动，但远不如前10 d速率快。而且，随着翻压量的增加，速率下降的幅度越大。总体看来，增加翻压量可以显著提高满江红碳、氮、磷、钾养分的总释放量(P<0.05)。

图3 细叶满江红碳、氮、磷、钾养分阶段内平均释放速率的动态变化

2.3 不同翻压量处理下细叶满江红碳氮养分比例的动态变化特征

C/N比被认为是影响有机物在土壤中分解的关键因素之一[21]，与有机物的分解速率呈负相关关系[22]。本研究对不同翻压量处理下细叶满江红碳氮养分比例的动态变化特征进行了统计(图4)。结果表明，翻压后的前10 d，供试细叶满江红的碳氮比有明显的上升趋势，从最初的9.0上升到9.7，说明满江红氮在此阶段大量释放。此后，碳氮比呈整体下降并伴有“波动”趋势，在8.6～10.0之间变化，表明细叶满江红腐解过程中碳、氮的释放速率不一致。

图4 细叶满江红腐解过程中碳氮比的动态变化

2.4 细叶满江红养分释放率和释放速率的回归分析

对细叶满江红翻压后的养分释放率(y)、养分释放速率(v)分别与翻压时间(x)进行回归分析拟合(表1)。从表1可以看出，细叶满江红翻压后养分释放率与翻压时间的关系符合幂函数y=axb，r值均大于0.98，其中参数a可用来表征翻压后某种养分能够较快达到的释放率，即该养分最易释放的组分，b为释放率增长参数，其值越大表明释放率增加越快[23]。回归分析表明，随着翻压量的增加，细叶满江红养分最易达到的释放率越大，释放率增长参数b则相反，随着翻压量的增加，增长参数b逐渐变小。经回归方程分析预测，不同翻压量处理，满江红的碳、氮、磷、钾养分完全释放分别需要142～749 d，187～1 936 d，102～200 d和121～252 d。

养分释放速率与时间的关系参考使用Olson[24]的指数衰减模型v=voe-kx进行拟合，其中v0可以用来表征某种养分的最大释放速率，e为自然常数，k为速率衰减参数，k值越大则速率衰减越快。从表1可以看出，不同翻压量下，各养分的最大释放速率(v0)随翻压量的增加而增加，而速率衰减参数(k)也随翻压量的增加而增加，可见，随着翻压量的增加，各养分的最大释放速率均有显著提升，同时，速率的衰减速度也随翻压量增加而提高。

表1 满江红养分释放率和释放速率的回归分析

3 讨论

3.1 非淹水条件下细叶满江红的腐解规律和养分释放特征

细叶满江红具有耐寒、快繁、高产[25]、含氮量高[26]的特性，是目前生产广泛利用的种类之一。前人研究认为满江红腐解和养分释放可分为旺盛分解与持续缓慢分解两个阶段[5,11]。本试验中，细叶满江红的腐解速率和养分释放均是先快后慢，腐解规律与淹水条件下[5,10]基本一致，但腐解率和养分释放速率及其高峰出现时间与淹水条件下[5,10]的存在明显差异。王德光等研究表明淹水条件下腐解18周，细叶满江红的腐解矿化率仅达11.8%～18.8%，腐解高峰在第2～3周[10]。而本试验中，细叶满江红翻压60 d后的累积腐解率已达36.1%～47.6%，腐解高峰和氮释放高峰均在第10 d。非淹水条件下比淹水条件下腐解率高，也印证了淹渍土壤下满江红腐殖化系数较旱地大[9]，腐解效率慢的结论。导致这种差异，除了与土壤水分状况不同有关外，还可能与供试细叶满江红的初始碳氮比有关，但归根结底是微生物差异引起的。王德光等研究表明，矿化率高低取决于萍体在当时的C/N值，碳氮比值越小，氮含量越高，萍体的矿化速度越快[10,13]，而满江红含氮量的增加也会导致养分释放高峰的提前[5]。本研究中细叶满江红初始碳氮比仅9.0，低于王德光试验用的细叶满江红碳氮比(C/N>11.3)，萍体含氮量达3.81%，因此累积腐解率较高，腐解高峰和养分的释放高峰也较早。鉴于此，生产上在水稻种植前利用满江红绿肥时，建议可以提前至少10 d还田，先经过一段时间的非淹水翻埋以提高满江红的养分释放率。鉴于满江红的腐解率和养分释放速率因翻压方式[27,28]、萍体碳氮比[10]、木质素等营养构成[9]、环境温度[12]、土壤水分状况[29]不同而存在明显差异。因此，本模拟试验仅能反映细叶满江红在该试验条件下的腐解规律，不同土壤条件及施入方式对其腐解的效果有显著的影响，生产利用时的实际腐解效率，还需大田试验以进一步验证。

3.2 翻压量对细叶满江红腐解和养分释放的影响

研究表明，外源有机物在土壤中的空间浓度对其降解性有着积极的影响[30]，紫云英[31]、毛叶苕子[23]等绿肥的腐解试验也表明，增加翻压量会对其腐解和养分释放产生影响。本试验结果也表明，增加翻压量会显著提高腐解初期细叶满江红的碳、氮、磷、钾等养分的释放量，但却会显著降低养分的累积释放率，对养分的完全释放起到延缓的作用，与紫云英等其他绿肥的研究[23,31]一致。经回归分析预测，随着翻压量的增加，磷素和钾素完全释放所需的时间仅增加了32～98 d和52～131 d，增幅最小，其次是碳，增加了200～607 d，增幅最大的是氮素，完全释放的时间推迟了435～1749 d。可见，在非淹水条件下增加细叶满江红的翻压量，对磷素和钾素释放的影响最小，对氮素释放的延缓效应最大。此外，从释放速率来看，随着翻压量的增加，前期干物质的最大腐解速率及各养分的最大释放速率均有显著提升，但后期干物质的腐解速率和养分的释放速率并未因翻压量的增加而产生显著变化。说明加大翻压量更多的是增加快速提供养分的量，实际应用时应根据作物需肥特性选择适宜的翻压量进行施用，保证后茬作物所需速效养分供给的同时，避免过度施用因淋溶、作物吸收不及时等造成的养分浪费和污染。研究表明，紫云英还田的增产和节肥效应随施用年限的增加而增强[32-33]。本试验中满江红养分完全释放时间的预测也揭示了细叶满江红翻压供肥的长效性，若连年翻压细叶满江红，其改土培肥的效应也将随之累积，具体还需通过长期还田的定位试验来证实。

3.3 非淹水条件下细叶满江红的养分供应效益

前人对满江红供肥效益的研究结果不尽相同。施书莲等[9]研究表明，淹水条件下C/N值为17.5的满江红第1年的氮素利用率仅为2.2%，C/N值为12.0的满江红也仅有17.3%，翻压后氮素几乎不能被当季水稻所利用。而肖庆元等[5]认为，满江红腐解供肥较迟，残效明显，作早稻基肥比作追肥增产效果好。亦有研究[28]表明，满江红与尿素深施，其氮在2个月内全部释放。在本试验中，C/N值为9.0的细叶满江红在非淹水条件下经过60 d的腐解，氮素累积释放率达47.2%～56.7%，预估可为当季稻所利用。叶国添等[21]研究表明，利用冬闲田(12月-次年4月)种植细叶满江红，平均鲜萍产量达7500 kg·667 m-2，当气温达13～16℃时，平均日增量达77 kg·667 m-2，相当于春季种植30 d满江红即可收获34.7 t·hm-2鲜萍。按耕层为20 cm计算，本试验T3处理的翻压量相当于33.75 t·hm-2，翻压10 d氮、磷、钾养分的释放率分别为31.3%，35.1%，26.6%。如在后茬作物种植前10 d翻压细叶满江红还田，还田的细叶满江红养分同本试验供试萍体，1 hm2冬闲田种植1个月的满江红理论上可为单季水稻或蔬菜、烟草等旱地作物快速提供氮16.87 kg·hm-2、磷5.14 kg·hm-2和钾6.92 kg·hm-2。若按南方丘陵山地稻区单季稻种植推荐的施肥用量：N，P2O5，K2O分别为166 kg·hm-2，72 kg·hm-2，68 kg·hm-2[34]，基肥占比4成，磷肥全做基肥计算，冬闲田春季养萍1个月并在水稻种植前10 d翻压，理论上可以替代稻田基肥氮、磷、钾肥施用量的25.4%～38.4%，16.4%～32.0%和30.7%～61.7%，并在作物生长的中后期持续提供氮、磷、钾养分。

4 结论

本文通过非淹水条件下不同翻压量细叶满江红的腐解过程研究，明确了细叶满江红在非淹水条件下干物质腐解和养分释放规律均为前期快、后期慢的特点；增加翻压量，细叶满江红的累积腐解率和养分释放率呈逐渐降低的趋势，但可有效提高细叶满江红短期(60 d)内的氮、磷、钾等养分的释放总量，实际绿肥利用时，应根据后茬作物的需肥特性选择适宜的翻压量还田，以提高养分利用率。