劍麻麻莖腐解特征及氮素回收利用率研究

譚施北，習(xí)金根，鄭金龍，賀春萍，吳偉懷，梁艷瓊，黃 興，李 銳，易克賢

（中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境與植物保護研究所/農(nóng)業(yè)部儋州農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測實驗站，海南 海口 571101）

劍麻（Agave Sisalana Perrine）為龍舌蘭科（Agavaceae）龍舌蘭屬（Agave linnaeus）多年生硬質(zhì)纖維作物，廣泛分布在我國廣西、廣東、海南等熱帶亞熱帶地區(qū)，其纖維具有拉力強、堅韌耐磨、富有彈性等特點，廣泛用于制作繩纜、編織劍麻地毯、工藝品等，是國防、漁業(yè)、航海、石油、工礦等領(lǐng)域的重要原料［1］。劍麻假莖及殘留在其周圍的葉片基部，整體稱為麻莖。研究發(fā)現(xiàn)，麻莖資源豐富，7～11齡麻莖干重平均達11.5 kg/株（51.0 t/hm2），占劍麻整株干物質(zhì)含量的40.0%，最高可達46%，是劍麻生產(chǎn)中重要的廢棄物之一［2-3］。生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，麻莖直接還田不但解決了麻莖的處理問題，而且有效保持了坡地劍麻種植園多年高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，是麻莖較為合理的利用方式。我國長期過量施用化肥導(dǎo)致土壤中氮素和磷素含量過高，而有機質(zhì)和鉀素含量不足，土壤酸化、團粒結(jié)構(gòu)受損、保肥供肥能力減弱、肥料利用率降低等現(xiàn)象日益嚴重，從而引起了作物連作障礙、缺素性生理病害、作物產(chǎn)量和品質(zhì)不斷下降等一系列問題［4-6］。研究表明，秸稈還田不僅能給土壤補充一定的氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，且其中的有機物質(zhì)還能給土壤帶去大量的有機質(zhì)，維持土壤有機碳含量，提高土壤生物活性，從而起到改良土壤的作用［7］。秸稈還田是實現(xiàn)生態(tài)農(nóng)業(yè)與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。有關(guān)秸稈還田對土壤理化性質(zhì)、土壤微生物數(shù)量、土壤酶活性以及作物產(chǎn)量的影響研究得比較多［8-10］，但對秸稈氮素去向以及氮素利用率的研究比較少。前人研究發(fā)現(xiàn)，盆栽條件下，夏谷地上部對鋪施麥秸氮的利用率為28.3%，而混施條件下其氮素利用率僅為20.6%［11］。大田條件下，小麥地上部對施入麥秸氮的利用率僅為10.2%［12］。目前有關(guān)麻莖還田的理論基礎(chǔ)研究較少，而有關(guān)劍麻麻莖還田條件下劍麻對氮素的吸收利用率的研究亦未見報道。因此，本研究利用15N示蹤技術(shù)研究粉碎還田條件下麻莖氮素的回收利用率，以期進一步提高對麻莖氮素回收利用效率的認識，為麻莖的合理還田提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

劍麻麻莖采自廣西陸川縣國營紅山農(nóng)場劍麻園，10年麻齡。取其新鮮莖部和葉基部烘干、粉碎，作為腐解試驗材料，其養(yǎng)分含量見表1。15N標記劍麻麻莖于2012年8月31日以幼苗進行盆栽培養(yǎng)，通過施加15N標記尿素（標記豐度為10.08%）進行同位素標記。2013年6月13日收獲地上部，烘干粉碎后低溫保存，其15N原子百分超為2.67%。本試驗所用標記尿素，標記豐度為10.22%。

表1 劍麻莖部、葉基和15N標記麻莖養(yǎng)分含量

1.2 試驗設(shè)計

粉碎條件下劍麻麻莖腐解特性試驗于海南省文昌市中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院文昌試驗基地進行，試驗田土壤理化性質(zhì)見表2。采用網(wǎng)袋法，將粉碎莖部、葉基分別裝入規(guī)格為20 cm×15 cm、0.074 mm的尼龍網(wǎng)袋中，每袋裝25 g。2016年1月29日于文昌基地埋下，埋深25 cm。每30 d取樣一次，共取8次，每次每部位均取樣3袋。樣品用自來水洗凈后，80℃烘干，用微型植物粉碎機粉碎。

劍麻粉碎麻莖氮素回收利用率試驗于中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物所樓頂試驗大棚進行。采用盆栽試驗，基質(zhì)土壤為實驗室混合調(diào)配土，其理化性質(zhì)見表2。試驗共設(shè)5個處理，每處理4次重復(fù)，處理代號、處理方法、尿素用量、粉碎麻莖用量見表3。選取長勢均勻一致的劍麻幼苗（重33～56 g），定植前先剪掉劍麻幼苗根系，2015年11月20日定植，塑料盆規(guī)格為：口徑15.5 cm，底徑11.0 cm，高13.0 cm。粉碎麻莖基施，施用方法為將粉碎麻莖施入塑料盆中部位置，并與土壤混合均勻。尿素穴施，施用方法為幼苗定植30 d后，用小勺子于盆內(nèi)挖10 cm左右小穴，將尿素施入，并覆土。培養(yǎng)期間正常人工除草，處理前非雨天每7 d澆水一次，每次每盆澆100 mL。330 d后采樣并測定劍麻植株生長指標以及15N豐度。

表2 試驗地土壤理化性質(zhì)

表3 盆栽試驗處理及方法 （g/株）

1.3 測定內(nèi)容與計算方法

植物樣品用H2SO4-H2O2消煮后，全氮含量用奈氏比色法測定，全磷含量用鉬銻抗比色法測定，全鉀含量用多元素火焰光度計測定［13］，15N用質(zhì)譜法測定［14］。

麻莖腐解率和養(yǎng)分釋放率計算方法如下［15］：

質(zhì)量累積減少量（g）=0 d干物質(zhì)量-N d干物質(zhì)量

腐解率（%）=質(zhì)量累積減少量/0 d干物質(zhì)量×100

養(yǎng)分釋放量=0 d養(yǎng)分含量-N d取樣養(yǎng)分含量

養(yǎng)分釋放率（%）=養(yǎng)分釋放量/0 d養(yǎng)分含量×100

氮素利用率計算方法如下［16］：

15N原子百分超=樣品的15N豐度-15N自然豐度；

標記肥料N的比例=植株15N原子百分超/標記肥料15N原子百分超

土壤N比例=1-尿素N比例-麻莖N比例；

植株吸收的肥料N量=植株吸N量×肥料N比例

當季N利用率=當季植株吸收的肥料N量/當季施入的肥料N量

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010軟件分析數(shù)據(jù)并繪圖，采用JMP 10統(tǒng)計軟件進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 粉碎條件下劍麻麻莖腐解率變化特征

粉碎條件下，劍麻麻莖莖部和葉基腐解率差異不明顯，在240 d內(nèi)腐解率分別達72.4%、78.9%。莖部和葉基在0～30 d腐解率高達36.5%、28.7%，而30～90 d內(nèi)也保持較大的腐解速率，第90 d腐解率高達63.4%、51.6%，但在90 d之后腐解速率相對緩慢。說明0～30 d是劍麻麻莖的快速腐解期?？傮w上看，劍麻莖部腐解速率要高于葉基部（圖 1）。

圖1 粉碎條件下劍麻麻莖各部位腐解率

2.2 粉碎條件下劍麻麻莖氮素釋放特征

粉碎條件下，240 d內(nèi)，莖部的氮素釋放率較大，在各個時間點均大于葉基，到240 d達88.4%；而葉基較小，為88.0%。莖部和葉基氮素釋放速率均在30 d內(nèi)較大，30 d時其釋放率分別高達66.0%、54.1%，而30 d后釋放速率變得較為平緩，二者在30～240 d內(nèi)氮素釋放率分別在66.0%～88.4%、54.1%～88.0%之間變化（圖2）。

圖2 粉碎條件下劍麻麻莖各部位氮素釋放率

2.3 粉碎條件下劍麻麻莖磷素釋放特征

粉碎條件下，劍麻麻莖莖部和葉基的磷素釋放率在240 d內(nèi)分別達72.7%、74.4%。兩者磷素釋放速率均在30 d內(nèi)最大，30 d時分別高達53.6%、41.2%，30 d后釋放速率放緩。兩者在30～240 d內(nèi)磷素釋放率變化范圍分別為53.6%～72.7%、41.2%～72.4%。劍麻莖部磷素釋放速率總體高于葉基部（圖3）。

2.4 粉碎條件下劍麻麻莖鉀素釋放特征

圖3 粉碎條件下劍麻麻莖各部位磷素釋放特征

粉碎條件下，劍麻麻莖莖部和葉基的鉀素釋放率在240 d內(nèi)分別達94.9%、95.5%。兩者在30 d內(nèi)釋放速率最大，其釋放率在30 d時分別達63.1%、71.6%。而30～120 d莖部和葉基鉀素釋放較為緩慢，這期間二者變化范圍分別為63.1%～93.0%、71.6%～90.5%。120 d之后莖部和葉基鉀素釋放率均基本保持不變，分別保持在91.9%～94.9%、91.0%～95.5%之間?？傮w上看，莖部和葉基的鉀素釋放特征及釋放速率差異不顯著（圖4）。

圖4 粉碎條件下劍麻麻莖各部位鉀素釋放特征

2.5 粉碎條件下劍麻麻莖還田對劍麻生長的影響

通過盆栽模擬麻莖粉碎單獨還田及配施氮肥還田對劍麻生長的影響。由表4可見，不同處理劍麻幼苗葉數(shù)、葉長、根長以及地上部鮮重、干重差異均不顯著?？梢?，單施尿素、單施麻莖以及兩者混施在試驗期內(nèi)對劍麻幼苗地上部生長影響不明顯，可能是因為試驗用土壤養(yǎng)分較充足，短期內(nèi)麻莖和化學(xué)氮肥效應(yīng)還未體現(xiàn)。劍麻根鮮重和根干重，對照（CK）最大，其次為單施尿素處理（15N），而添加麻渣處理（15SL、15N+SL、N+15SL）根鮮重和根干重均較小。

表4 不同處理劍麻生長情況

2.6 粉碎還田條件下麻莖氮素的回收利用率

由表5可見，單施尿素（15N）時，劍麻吸收的氮素中，來源于土壤的占81.8%，其余來源于尿素，占18.2%。說明劍麻吸收的氮素主要來源于土壤，而來源于尿素的比例較低。單施麻莖時，來源于土壤的氮素也占大部分，達70.0%，而來源于麻莖的氮素則占30.0%。當尿素與麻莖配施時（15N+SL），來源于土壤、尿素、麻莖的氮素分別占60.7%、13.6%、25.7%。還可看出，當尿素與麻莖配施時，尿素氮的利用率顯著低于單施尿素處理，而麻莖氮的利用率與麻莖單施時差異不顯著。由此可見，麻莖配施尿素時，尿素氮回收利用率有所降低，但對麻莖氮素利用率的影響較小。

表5 不同處理劍麻氮素的回收利用率 （%）

3 討論

粉碎條件下，除鉀素釋放速率外，莖部腐解速率、氮素釋放速率和磷素釋放速率均高于葉基。莖部和葉基均呈現(xiàn)前期腐解快速后期腐解緩慢特點，快速腐解期在還田后30 d內(nèi)，之后腐解速率放緩，而氮、磷、鉀釋放特征也有類似規(guī)律。這與水稻、小麥、木薯、香蕉等秸稈的腐解特征一致，均表現(xiàn)為前期快，而后期慢的特征［17-19］。這是因為作物殘體腐解時，水溶性物、苯醇溶性物和粗蛋白物質(zhì)分解最快，半纖維素和纖維素次之，而木質(zhì)素最難分解［20］。240 d內(nèi)，莖部氮、磷、鉀的釋放率分別為88.4%、72.7%、94.9%，可見莖部不同養(yǎng)分釋放速率大小依次為鉀＞氮＞磷。240 d內(nèi)，葉基氮、磷、鉀的釋放率分別為88.0%、74.4%、95.5%，說明葉基不同養(yǎng)分釋放率與莖部一致。說明粉碎還田條件下，麻莖不同養(yǎng)分釋放速率大小均表現(xiàn)為鉀＞氮＞磷。一般認為，由于作物秸稈中的鉀主要是以離子形態(tài)存在，所以易溶于水而被釋放出來；磷則一部分以離子態(tài)存在，另一部分以難分解的有機態(tài)存在；而氮主要是以較難分解的有機態(tài)存在，所以較難釋放［21］。所以，一般秸稈還田不同養(yǎng)分釋放速率表現(xiàn)為 K＞P＞N［19-20，22-23］。本試驗中麻莖不同養(yǎng)分釋放速率以鉀素最快，這與前人在其它作物上的研究結(jié)果一致。但所不同的是，麻莖氮的釋放速率大于磷，這可能是由于本試驗所用麻莖磷素含量較低所致。

不論是單施尿素或麻莖，還是尿素和麻莖配施，劍麻吸收的氮素中來源于土壤氮的比例均遠高于來源于尿素或麻莖氮，這與前人的研究結(jié)果相符［24］，而來源于麻莖的氮素總體高于尿素。不論單施還是配施，尿素氮的利用率均較高，遠高于麻莖。麻莖單施和配施尿素時麻莖氮素利用率分別為5.1%、4.3%，與尿素配施后有所降低，這與玉米秸稈與氮肥配施后的吸收利用規(guī)律一致［16］。這對麻莖還田以及化學(xué)氮肥減施均具有一定的指導(dǎo)意義，劍麻麻莖可能在一定程度能夠代替化學(xué)氮肥的施用，并且麻莖和化學(xué)氮肥的利用率均具有較大的提升空間。此外，與單施相比，當麻莖與尿素配施后，尿素氮的利用率明顯降低，說明添加麻莖可影響劍麻對尿素氮的吸收，這與張袁在小麥上的研究結(jié)果一致［25］。也有研究表明，秸稈還田可以促進氮肥利用率的提高［26］，與本研究結(jié)果有所不同。這可能是因為麻莖的施入增加了土壤碳源，促進了微生物繁殖，加劇了微生物對氮素的固持，從而降低了土壤礦質(zhì)態(tài)氮的含量，影響了劍麻對氮素的吸收［27-28］。加上本試驗?zāi)蛩赜昧枯^低，導(dǎo)致土壤氮含量下降，減少了劍麻對氮素的吸收利用。本試驗中，施入麻莖后，根系鮮重與單施尿素或?qū)φ障啾让黠@減小，其原因還有待進一步研究。劍麻根系長勢弱也將一定程度上影響了尿素氮素的吸收。由該結(jié)果可見，在生產(chǎn)中應(yīng)盡量避免麻莖和尿素同時施用，以免降低尿素的利用效率。而兩者的施用方法、施用時間及配比，還需要作進一步研究。

4 結(jié)論

劍麻麻莖粉碎還田后240 d，莖部和葉基的腐解率均較大，分別高達72.4%、78.9%；莖部氮、磷、鉀的釋放率分別為88.4%、72.7%、94.9%；葉基氮、磷、鉀的釋放率分別為88.0%、74.4%、95.5%。莖部和葉基快速腐解期和氮、磷、鉀的快速釋放期均在30 d內(nèi)。莖部腐解速率以及不同養(yǎng)分釋放速率均高于葉基。不論是莖部還是葉基，不同養(yǎng)分釋放速率大小均表現(xiàn)為鉀＞氮＞磷，建議麻莖還田后可以適量減少鉀肥的用量。

劍麻吸收的氮素中來源于土壤氮的比例均遠高于來源于尿素或麻莖氮，而來源于麻莖的尿素總體高于尿素。單施和配施尿素時，麻莖氮素回收利用率分別為5.1%、4.3%。麻莖配施尿素均降低了劍麻對尿素氮和麻莖氮的吸收利用率。