荔枝剪枝还田腐解及养分释放特征研究

侯宪文，张 军，符瑞益，李焕苓，李光义

（1.中国热带农业科学院环境与植物保护研究所，海南 海口 571101；2.农业农村部儋州农业环境科学观测实验站，海南 儋州 571737；3.米易县农业农村局，四川 米易 617200）

【研究意义】荔枝是我国主要的亚热带果树，广泛种植于南方各省区，在商业化栽培中常采用矮化密植方式，每年会修剪下大量枝叶，尤其回缩修剪盛果期妃子笑可产生折合每株15～25 kg的干枝叶，一般枝条和叶片质量各占50%。目前荔枝剪枝的基本处理方法为焚烧、填埋或随意丢弃，不仅影响果园及周边环境，还可能成为病虫害传播及引发火灾的隐患等。荔枝剪枝中含有大量的有机物及丰富的氮、磷、钾等营养元素，是宝贵的可再生资源。现代果树不合理的生产管理导致果园土壤有机质含量偏低，土壤结构变坏、土壤板结、通气不良、保肥、保水能力差，养分结构不平衡，果实品质下降。基于此，如能将荔枝剪枝进行还田利用不仅可解决上述环境问题，还可以替代一部分化肥投入，从而降低生产成本，进一步提高经济效益。【前人研究进展】研究表明，果树剪枝还田可改善土壤团粒结构和理化性状，提高土壤肥力，增加作物产量，节约化肥用量［1］。作物秸秆在土壤中的腐解和养分释放是一个复杂过程，其腐解及养分释放速率是评价还田后增加土壤有机质和改善土壤肥力的重要指标［2-5］。国内外学者已针对大豆、玉米、燕麦、小麦等作物秸秆还田腐解及其养分释放规律的研究作了许多工作［6-11］。我们也针对香蕉、菠萝等热带作物秸秆的腐解和养分释放特征作了深入研究［12-14］。但是，以往研究主要针对豆科、禾本科等木质化程度不高的作物秸秆，而关于木质化较高的果园剪枝等有机废弃物腐解的相关研究则鲜见报道。【本研究切入点】为进一步了解果园剪枝还田对土壤养分的影响潜力和机理，有必要在还田条件下对果园剪枝的腐解和养分释放动态进行深入研究。【拟解决的关键问题】以荔枝剪枝为研究对象，利用网袋法开展其在土壤中的腐解和养分释放规律研究，为荔枝剪枝还田利用和有机替代技术的研究提供理论基础，也为其他果树剪枝的合理利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

荔枝（妃子笑）剪枝来源于中国热带农业科学院环境与植物保护所果园试验基地，用树枝粉碎机破碎后备用。荔枝枝条切碎为1～2 cm 的块状，荔枝叶片破碎为1 cm左右的片状。其中，荔枝枝条中全氮质量分数为0.85%、全磷0.33%、全钾0.73%、粗纤维32.16%、淀粉6.60%；荔枝叶片中全氮质量分数为1.33%、全磷0.25%、全钾0.66%、粗纤维28.40%、淀粉1.81%。

1.2 试验方法

田间腐解试验于2018年6月在海南省琼海市彬村山农场荔枝园进行，试验区年均降雨量为2 072 mm，年均温度24.5 ℃。荔枝采后修剪枝时开始布置，将荔枝枝条和荔枝叶片分别装入孔径为0.048 mm 的尼龙网袋（长30 cm、宽15 cm），其中枝条质量为20.00 g、叶片质量为15.00 g。试验设置田间覆土处理（在两行荔枝树之间开沟，深度为20 cm、宽度为15 cm。将网袋平铺于沟内，保持粉碎的枝条或叶片均匀平铺在网袋中，上覆15 cm土层）和表面覆盖处理（将网袋平铺于荔枝树下，保持粉碎的荔枝枝条或叶片均匀平铺在网袋中，直接覆盖枝叶）。荔枝枝条分别在处理后30、60、120、180、240 d取样，荔枝叶片分别在处理后30、60、90、120、150 d取样，每次各取3袋，样品分别用自来水和去离子水洗净后烘干，称重后用微型植物粉碎机（FZ102）粉碎，备用。

1.3 测定项目及方法

以H2SO4-H2O2消煮样品，用凯氏定氮仪（UDK159，VELP）测定全氮含量，用钼钒黄比色法测定全磷含量，用多元素火焰光度计（M410,Sherwood）测定全钾含量［15］。粗纤维含量采用酸碱洗涤法、淀粉含量采用淀粉糖化酶-酸水解法测定。

质量减少量、质量累积减少率、平均腐解速率、养分释放质量、养分累积释放率及养分平均释放速率按以下公式计算：

质量减少量=N 次干物质质量－（N+1）次干物质质量

质量累积减少率（%）=（试验初始的干物质质量－取样时干物质质量）/0 d 的干物质质量×100

平均腐解速率（mg/d）=（试验初始的干物质质量－取样时干物质质量）/腐解时间

养分释放质量（mg）=试验初始的养分质量－取样时养分质量

养分累积释放率（%）=（试验初始的养分质量－取样时养分质量）/试验初始的养分量×100

养分平均释放速率（mg/d）=〔N次养分质量－（N+1）次养分质量〕/腐解时间

试验数据采用Excel 2003进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 荔枝枝条与叶片分解特征

覆土和覆盖处理荔枝枝条经240 d分解，其质量累积减少率分别为51.7%、38.8%，且覆土处理荔枝枝条质量累积减少率较高（图1A）。在还田150 d后，荔枝叶片质量累积减少率分别为55.2%、42.5%，同样表现为覆土处理质量累积减少率较高（图1B）。在覆土和覆盖处理荔枝枝条在处理0～30 d平均腐解速率分别为139.0、93.1 mg/d，这一阶段的质量减少量分别占处理240 d内质量减少量的40.3%、36.0%；处理30～240 d，荔枝枝条平均腐解速率分别为29.4、23.7 mg/d，覆土和覆盖处理荔枝枝条在处理0～30 d 的平均腐解速率分别为处理30～240 d 的4.73、3.93倍，说明处理0～30 d 是快速腐解期。同样，覆土和覆盖处理荔枝叶片在处理0～30 d的平均腐解速率分别为139.0、104.9 mg/d，这一阶段的质量减少量分别占处理150 d 内质量减少量的50.3%、49.3%；处理30～150 d，荔枝叶片的平均腐解速率分别为34.3、26.9 mg/d。

图1 不同处理荔枝枝条与叶片中干物质质量变化特征Fig.1 Changing characteristics of dry matter mass of litchi branches and leaves under different treatments

覆土和覆盖处理荔枝枝条中粗纤维质量在处理240 d内分别减少47.0%、26.2%（图2A）。处理0～60 d平均腐解速率分别为3.9、5.3 mg/d，这一阶段的质量减少量分别占处理240 d内质量减少量的7.8%、18.7%；处理60～240 d，荔枝枝条中粗纤维的平均腐解速率分别为15.5、7.6 mg/d，覆土处理呈“先慢后快”趋势，而覆盖处理则呈“慢－快－慢”趋势，这可能与后期降雨减少有关。同样地覆土和覆盖处理荔枝叶片中粗纤维在处理0～60 d的平均腐解速率分别为5.1、8.8 mg/d，这一阶段的质量减少量分别占处理150 d 内质量减少量的13.6%、26.9%；处理60～150 d，荔枝叶片的平均腐解速率分别为21.5、16.0 mg/d，呈现“慢－快－慢”趋势，而覆盖处理由慢变快的时间点则延迟出现（图2B）。

图2 不同处理荔枝枝条与叶片中粗纤维质量变化特征Fig.2 Changing characteristics of crude fiber mass in litchi branches and leaves under different treatments

2.2 荔枝枝条与叶片中氮的释放特征

覆土和覆盖处理240 d荔枝枝条中全氮质量分别为试验开始时的71.3%、54.8%（图3A）。荔枝枝条中全氮均在处理0～30 d分解释放较快，覆土和覆盖处理平均释放速率分别为1.50、0.98 mg/d，这一阶段的质量减少量分别占处理240 d内质量减少量的92.6%、38.3%。覆盖处理的荔枝枝条中全氮质量随着时间延长呈缓慢减少趋势，而覆土处理则呈“减少－增加－减少”趋势，但在处理60～120 d 有增加趋势，之后又缓慢减少。在覆土和覆盖处理150 d时，荔枝叶片中全氮质量分别为试验开始时的34.5%、56.2%（图3B）。覆土和覆盖处理中全氮在处理0～30 d的平均释放速率分别为2.14、1.19 mg/d，分别占处理150 d内质量减少量的49.1%、40.9%。荔枝叶片中全氮质量变化趋势与荔枝枝条相似，覆盖处理的荔枝叶片中全氮质量随着时间延长而减少，而覆土处理则呈“减少－增加－减少”趋势，不过拐点出现时间要早于荔枝枝条30 d 左右。

图3 不同处理荔枝枝条与叶片中全氮质量变化特征Fig.3 Changing characteristics of total nitrogen mass in litchi branches and leaves under different treatments

2.3 荔枝枝条与叶片中磷的释放特征

覆土和覆盖处理240 d荔枝枝条中全磷的释放率分别为66.0%、61.0%（图4A）。处理0～30 d，磷的平均释放速率分别为0.67、0.35 mg/d，这一阶段的质量减少量分别占处理240 d内质量减少量的46.3%、26.1%；覆盖处理的荔枝枝条中的磷主要在处理30～60 d 期间释放，占处理240 d内质量减少量的51.8%。覆土和覆盖处理荔枝叶片中的全磷在处理0～30 d的平均释放速率分别为0.43、0.30 mg/d，这一阶段的质量减少量分别占处理150 d内质量减少量的67.9%、56.3%；覆土和覆盖处理荔枝叶片全磷在处理0～30 d的平均释放速率分别是30～150 d的8.43、5.00倍，说明荔枝叶片的全磷主要在处理0～30 d 期间释放（图 4B）。

2.4 荔枝枝条与叶片中钾的释放特征

图4 不同处理荔枝枝条与叶片中全磷质量变化特征Fig.4 Changing characteristics of total phosphorus mass in litchi branches and leaves under different treatments

图5 不同处理荔枝枝条与叶片中全钾质量变化特征Fig.5 Changing characteristics of total potassium in litchi branches and leaves under different treatments

覆土和覆盖处理240 d荔枝枝条中钾的释放率分别为94.0%、56.3%（图5A）。0～30 d，覆土和覆盖处理荔枝枝条中全钾的平均释放速率分别为3.40、0.65 mg/d，这一阶段的质量减少量分别占处理240 d内质量减少量的73.9%、23.7%；覆盖处理的荔枝枝条中全钾主要在处理30～60 d期间释放，占处理240 d内质量减少量的69.7%。处理0～30 d，覆土处理荔枝叶片中全钾释放率已接近100%，而覆盖处理荔枝叶片中全钾在处理150 d 时释放率仅为90.1%。覆盖处理荔枝叶片中的钾在处理0～30 d的平均释放速率为1.26 mg/d，这一阶段释放量占处理150 d内释放量的42.5%，明显慢于覆土处理（图5B）。

3 讨论

在本研究中，荔枝剪枝的枝条和叶片由于组成结构和成分不同，二者在土壤中的腐解特征差异较大。破碎处理后的荔枝枝条主要以块状为主，其比表面积小，处理240 d时仅有38.8%～51.7%分解，而薄片状的荔枝叶片在处理150 d即有42.5%～55.2%分解矿化。作物秸秆在土壤环境中的腐解速率受多种因素影响，包括自身条件、水热条件、土壤状况等［1］。作物秸秆的腐解过程主要分为快速分解期和缓慢分解期。在快速分解期，秸秆中微生物偏嗜性高的可溶性糖类、蛋白质和（半）纤维素等物质快速分解，而在快速分解期未被分解的、微生物较难利用的木质素、单宁和蜡质等物质通过物理、化学作用逐步缓慢被分解，一般需要一年或更长时间［16-17］。荔枝枝条和叶片中粗纤维在试验处理初期减少幅度不大，可能原因是枝条和叶片中水溶性糖和淀粉等易分解小分子物质在喜糖霉菌、白霉菌和无芽孢细菌的作用下先分解、矿化；之后是以芽孢细菌和纤维素分解细菌为主，分解蛋白质、果胶类物质和纤维素等；最后才是放线菌和某些真菌分解木质素、单宁和蜡质等［1］。

秸秆还田方式不同，使得作物秸秆所处的自然条件以及与微生物接触机会和程度也不同，因此，作物秸秆的腐解和养分释放特征也会存在很大差异［2］。以不同耕作方式将玉米秸秆还田，其腐解率表现为翻耕处理＞旋耕处理＞免耕处理［18］。将小麦、油菜秸秆以露天、土埋和水泡3种方式还田，经过120 d腐解，腐解速率表现为土埋＞露天＞水泡［19］。我们前期研究发现，香蕉、菠萝等作物秸秆覆土处理的腐解速率要显著大于覆盖处理［12-14］，本研究也证实无论枝条还是叶片的腐解速率都是覆土处理大于覆盖处理，主要是因为覆土处理提高了荔枝枝叶与环境微生物接触的机会，也能保证微生物活动必需的水分等。因此，在生产实际中，要提高作物秸秆的腐解速率，首先考虑如何尽可能多的接触微生物，并为微生物生长活动创造条件，如采取秸秆粉碎、覆盖或翻耕、灌溉等措施。

荔枝枝叶含有氮、磷、钾等元素，而由于枝条和叶片组织结构和化学组分不同，其养分释放特征也必然存在较大差异。荔枝枝中的氮、磷、钾在处理240 d的累积释放率分别为28.7%～46.2%、61.0%～66.0%、56.3%～94.0%；荔枝叶中的氮、磷、钾在处理150 d的累积释放率则为43.8%～65.5%、41.7%～50.3%、90.1%～100.0%。荔枝枝叶中主要养分的释放率表现为K＞P＞N或K＞N＞P，这与以往研究结果［12-14,20］基本一致。分析其原因，主要是作物秸秆等有机物中的钾主要以离子态存在，易溶于水而容易被释放出来；作物秸秆中的磷有60%左右以无机磷形态存在而容易释放，其余则为难分解的有机磷；而作物秸秆中的氮素大部分赋存于蛋白质和氨基酸中［21］，还有小部分存在于核酸、叶绿素、酶、生物碱等物质中［22］，还有部分以硝态氮（NO3--N）、铵态氮（NH4+-N）等形式存在。其中，蛋白质占秸秆全氮的80%～85%，游离态的氨基酸约占氮总量的5%［23-24］。无机态氮和氨基酸等小分子有机态氮容易从秸秆中释放，但占比很小；而大分子有机态氮如叶绿素、蛋白质或酶、核酸和维生素）必须先经微生物分解、矿化为无机氮才能逐渐释放，且释放过程比较慢。因此，一般作物秸秆中养分释放速率表现为 K＞P＞N［9,20］。

在本研究中，荔枝枝条和叶片中全氮在覆土处理时都呈现“减少－增加－减少”趋势。秸秆氮素在土壤中的循环转化过程十分复杂，包括有机氮矿化、无机氮生物固定、铵离子矿物固定、硝化作用和反硝化作用等过程［25］。且这些过程都是相互制约、相互影响的，在每个过程中，各种氮库的含量都处于动态变化中［26］。荔枝枝条和叶片在埋入土壤初期，主要是无机态氮和小分子有机氮进入土壤氮库。闫德智等［27］利用15N同位素示踪研究也表明，秸秆中氮会随着分解过程进入土壤的不同氮库，而矿质15N和微生物15N均表现出先增加后降低的现象。Jensen［28］研究表明，15N标记秸秆经过7 d培养，大豆秸秆中21%的氮、大麦秸秆中17%的氮会被微生物吸收利用。随着秸秆中氮素损失，C/N增大，秸秆中赋存的微生物会利用土壤氮库中氮来保证生命活动，出现土壤氮素的生物固定，这样也就会出现秸秆中总氮增加现象。在腐解后期，秸秆残体C/N逐渐降低，微生物较易获取的营养物质逐渐被消耗殆尽，随着部分微生物的死亡，部分有机氮分解矿化进入土壤氮库［29］。王志明等［30］研究也证实，秸秆中15N在培养112 d后的实际矿化率为50%左右。大部分残体氮素被固持而进入到土壤有机质的稳定组分中，这部分有机态氮素矿化过程比较缓慢［31］。不同的作物秸秆结构组成不同，其氮素释放特征差异也很大，如本研究中的荔枝枝条和叶片中氮释放特征不同，与香蕉茎叶、甘蔗叶中氮释放特征差异也很大，荔枝枝条中氮素的当季利用率较低。因此，在荔枝栽培管理中，要充分利用修剪下的枝叶替代部分化学肥料，修剪后的施肥管理应先控制钾肥施用量，适当补充氮肥以满足作物需求，促进荔枝抽梢发育。荔枝修剪后正值水热充沛的夏季，可先将剪枝粉碎后覆盖在荔枝行间或树下，可以抑制杂草生长，待10—11月时，结合施用有机肥翻入土壤，可以促进枝叶腐解和养分释放以供荔枝开花结实的生长所需。

4 结论

综上所述，荔枝枝叶在还田处理0～30 d是其快速腐解期，占试验期间总腐解率的36.0%～50.3%；荔枝枝叶中养分释放率占总释放比例达38.3%～92.6%，其中钾的释放率最高，主要养分的释放率表现为K＞P＞N。覆土处理更有利于腐解及养分释放。在荔枝栽培管理中要充分利用修剪下的枝叶替代部分化学肥料，修剪后的施肥管理应先适当补充氮肥以满足荔枝抽梢发育需求。