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豆科绿肥替代氮肥促进柑橘幼苗生长和氮素吸收

方林发 谢军 孔萌 马丽革 焦祥祥 杨叶华 魏勇 徐文静 张建伟 张宇亭 石孝均

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豆科绿肥替代氮肥促进柑橘幼苗生长和氮素吸收

Legume green manure substituting partial chemical nitrogen fertilizersimprovesgrowth and nitrogen absorption of citrus seedlings

    Corresponding author: ZHANG Yu-ting, E-mail:zyt2018@swu.edu.cn ;SHI Xiao-jun, E-mail:shixj@swu.edu.cn
  • 摘要:   【目的】  果园豆科绿肥还田是实现有机肥替代化肥的重要途径。研究不同绿肥替代氮肥比例对柑橘幼苗生长、氮素吸收、根系形态及土壤微生物量的影响,以期为柑橘减施氮肥和实现绿色有机生产提供理论依据。  【方法】  以1年生柑橘(Citrus reticulate L.)幼苗为试验材料进行盆栽试验,供试绿肥为拉巴豆(Dolichos lablabL.)和印度豇豆(VignasinensisHayata)。在同一氮磷钾养分施用量下,设置5个绿肥氮替代比例:0 (100%F)、25% (25%G + 75%F)、50% (50%G + 50%F)、75% (75%G + 25%F)和100% (100%G),磷钾量不足时由化肥补齐。在柑橘抽春稍期测定其各部位干物质量和氮素累积量,分析柑橘根系形态和根系活力,并测定土壤微生物量碳氮含量。  【结果】  相比100% F处理,两种豆科绿肥替代氮肥均显著提高了柑橘干物质量和氮素累积量,以75%G+25%F和100%G处理的效果最好,其干物质量和氮素吸收量分别提高42.71%~82.95%和68.26%~85.73%;土壤微生物量碳含量提高了5.12%~48.42%,土壤微生物量氮含量提高了6.35%~133.67%,并且微生物量碳氮含量随着绿肥替代氮肥比例增加而增加。绿肥替代氮肥处理明显提高了柑橘幼苗总根长和根表面积,其中以< 1.5 mm径级根系提高最多。相比100% F处理,绿肥替代氮肥处理的柑橘幼苗总根长和根表面积分别提高88.34%~324.87%和78.82%~372.91%;柑橘根系径级<1.5 mm 根长和根表面积随着拉巴豆替代氮肥比例增加而增加,而印度豇豆处理则以替代50%和100%氮肥处理最高。同时,相比单施化肥处理,拉巴豆和印度豇豆替代氮肥处理柑橘根系活力分别提高43.95%~47.48%和40.61%~66.14%。相关性和结构方程分析表明,两种豆科绿肥替代氮肥可直接影响柑橘干物质量,也可通过改善柑橘根系形态和活力,增加土壤微生物量碳氮含量,直接或间接地影响柑橘氮累积量和干物质量;绿肥C/N比和柑橘氮素累积量存在显著正相关性,其通过直接地影响柑橘氮素累积量,或间接改变柑橘根系形态、根系活力和微生物量,进而直接或间接地影响柑橘干物质量。  【结论】  在等氮磷钾养分条件下,拉巴豆和印度豇豆替代氮肥均明显促进了土壤微生物增殖,提高柑橘根系活力、根系长度和根表面积,促进柑橘氮素吸收和干物质积累。在不改变柑橘常规氮磷钾施肥量的前提下,豆科绿肥替代75%~100%的氮肥为较适宜的替代比例,其能够促进柑橘幼苗氮素吸收和干物质积累。
  • 图 1  不同绿肥替代氮肥处理对柑橘各部位干物质量的影响

    Figure 1.  Citrus dry matter as affected bysubstitution ratiosofgreen manures

    图 2  不同绿肥替代氮肥对柑橘根系形态特征的影响

    Figure 2.  Effects of different substitution ratioon citrus root morphological characteristics

    图 3  不同绿肥替代比例下土壤微生物量碳氮含量和根系活力

    Figure 3.  Microbial biomass carbon, nitrogen andcitrus root activity as affected bysubstitution ratios

    图 4  柑橘生长和环境因子指标间相关性

    Figure 4.  Correlation coefficients between citrus plant, soil and green manure indicators

    图 5  影响柑橘干物质和氮素积累的主要因子及调控途径(A)和各影响因子的总体响应程度(B)

    Figure 5.  Structural equation model of interactions ofgreen manure, microbe and citrus growth (A) and standardized total effects of various factors (B).

    表 1  供试绿肥养分含量(以干基计)

    Table 1.  1Nutrientsin green manures (Dry matter)

    绿肥 Green manure全碳 Total C (%)全氮 Total N (%)全磷 Total P (%)全钾 Total K (%)C/N
    印度豇豆 Vignasinensis Hayata50.37±2.452.83±0.010.53±0.013.24±0.0617.80
    拉巴豆 Dolichos lablab L.42.17±1.894.56±0.180.35±0.012.75±0.03 9.25
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    表 2  不同绿肥替代氮肥处理养分用量及绿肥翻压量

    Table 2.  Nutrient inputs of chemicalfertilizer and green manure for each treatment

    处理
    Treatments
    化肥 (g/pot) Chemical fertilizer绿肥养分投入 (g/pot) Input by green manure绿肥用量
    Does ofgreen manure
    (g/pot, FW)
    NP2O5K2ONP2O5K2O
    100%F3.000.751.50////
    25%L+75%F2.250.620.990.750.130.51 80.65
    50%L+50%F1.500.490.491.500.261.01161.29
    75%L+25%F0.750.36/2.250.391.52241.94
    100%L/0.23/3.000.522.02322.58
    25%J+75%F2.250.470.610.750.280.89176.47
    50%J+50%F1.500.18/1.500.571.79352.94
    75%J+25%F0.75//2.250.852.68529.41
    100%J///3.001.133.57705.88
    注(Note):L—拉巴豆 Dolichos lablab L.; J—印度豇豆 Vignasinensis Hayata; F—化肥 Chemical fertilizer. “/”表示无用量 No dosage.
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    表 3  不同绿肥替代比例下柑橘各器官氮素累积量(mg/plant)

    Table 3.  N accumulation in citrus organs as affected by substitution ratios of green manures

    处理 Treatments根系 Root茎 Stem新梢 New shoot新叶 New leaf老叶 Old leaf氮总累积量 Total N accumulation
    拉巴豆Dolichos lablab L.
    100%F231.40±36.71b111.82±15.91 a13.49±0.49 c74.95±6.10 d194.92±8.09 c619.81±32.61 e
    25%L+75%F285.06±11.96 a103.65±8.72 a22.22±3.75 b183.34±13.34 c210.07±15.99 c804.81±12.52 d
    50%L+50%F250.01±11.62 b73.62±8.89 b24.12±0.66 b175.58±11.57 c194.18±8.80 bc717.81±16.79 c
    75%L+25%F292.96±14.48 a70.41±8.17 b21.71±1.53 b277.21±10.43 b217.20±13.81 ab879.50±38.43 b
    100%L304.33±18.35 a74.60±7.33 b33.36±0.87 a305.80±33.81 a232.04±16.70 a950.20±32.51 a
    印度豇豆VignasinensisHayata
    100%F231.40±36.71 b111.82±15.91 a13.49±0.49 d74.95±6.10 de194.92±8.09 b619.81±32.61 c
    25%J+75%F279.91±19.50 a92.69±7.63 b24.78±1.83 c200.29±7.55 d222.44±5.26 a820.12±27.20 b
    50%J+50%F292.07±11.60 a69.55±4.74 c30.72±2.48 b231.51±2.88 c191.22±11.90 b807.55±12.00 b
    75%J+25%F263.52±10.44 a77.82±16.37 bc29.78±2.22 b256.05±8.62 b233.64±33.53 a860.83±55.72 ab
    100%J277.64±10.44 a66.89±19.80 c37.46±1.22 a310.69±17.11 a206.57±12.32 ab899.26±34.51 a
    注(Note):F—化肥 Chemical fertilizer; L—拉巴豆 Dolichos lablabL.; J—印度豇豆 Vignasinensis Hayata; 数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters are significantly different among treatments (P < 0.05).
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  • 收稿日期:  2021-04-07

豆科绿肥替代氮肥促进柑橘幼苗生长和氮素吸收

  • 基金项目: 国家绿肥产业体系(CARS-22-G-13)。
  • 摘要:   【目的】  果园豆科绿肥还田是实现有机肥替代化肥的重要途径。研究不同绿肥替代氮肥比例对柑橘幼苗生长、氮素吸收、根系形态及土壤微生物量的影响,以期为柑橘减施氮肥和实现绿色有机生产提供理论依据。  【方法】  以1年生柑橘(Citrus reticulate L.)幼苗为试验材料进行盆栽试验,供试绿肥为拉巴豆(Dolichos lablabL.)和印度豇豆(VignasinensisHayata)。在同一氮磷钾养分施用量下,设置5个绿肥氮替代比例:0 (100%F)、25% (25%G + 75%F)、50% (50%G + 50%F)、75% (75%G + 25%F)和100% (100%G),磷钾量不足时由化肥补齐。在柑橘抽春稍期测定其各部位干物质量和氮素累积量,分析柑橘根系形态和根系活力,并测定土壤微生物量碳氮含量。  【结果】  相比100% F处理,两种豆科绿肥替代氮肥均显著提高了柑橘干物质量和氮素累积量,以75%G+25%F和100%G处理的效果最好,其干物质量和氮素吸收量分别提高42.71%~82.95%和68.26%~85.73%;土壤微生物量碳含量提高了5.12%~48.42%,土壤微生物量氮含量提高了6.35%~133.67%,并且微生物量碳氮含量随着绿肥替代氮肥比例增加而增加。绿肥替代氮肥处理明显提高了柑橘幼苗总根长和根表面积,其中以< 1.5 mm径级根系提高最多。相比100% F处理,绿肥替代氮肥处理的柑橘幼苗总根长和根表面积分别提高88.34%~324.87%和78.82%~372.91%;柑橘根系径级<1.5 mm 根长和根表面积随着拉巴豆替代氮肥比例增加而增加,而印度豇豆处理则以替代50%和100%氮肥处理最高。同时,相比单施化肥处理,拉巴豆和印度豇豆替代氮肥处理柑橘根系活力分别提高43.95%~47.48%和40.61%~66.14%。相关性和结构方程分析表明,两种豆科绿肥替代氮肥可直接影响柑橘干物质量,也可通过改善柑橘根系形态和活力,增加土壤微生物量碳氮含量,直接或间接地影响柑橘氮累积量和干物质量;绿肥C/N比和柑橘氮素累积量存在显著正相关性,其通过直接地影响柑橘氮素累积量,或间接改变柑橘根系形态、根系活力和微生物量,进而直接或间接地影响柑橘干物质量。  【结论】  在等氮磷钾养分条件下,拉巴豆和印度豇豆替代氮肥均明显促进了土壤微生物增殖,提高柑橘根系活力、根系长度和根表面积,促进柑橘氮素吸收和干物质积累。在不改变柑橘常规氮磷钾施肥量的前提下,豆科绿肥替代75%~100%的氮肥为较适宜的替代比例,其能够促进柑橘幼苗氮素吸收和干物质积累。

    English Abstract

    • 柑橘是我国主栽果树,截止到2020年,我国柑橘种植面积达287.92万hm2,产量达4406.31万t[1]。在过去的20年,我国通常依赖于高量化肥的投入来获得柑橘的高产[2]。前人的研究表明我国柑橘主产区N、P2O5、K2O养分的投入量分别高达512.74、376.80、404.47 kg/hm2[2],这是欧美等果品生产发达国家柑橘园N、P2O5、K2O用量的2~3倍[3]。过量和超量施用化肥会带来土壤酸化、土壤板结、树体早衰、果实品质下降,以及水体富营养化等环境问题[4-5]。因此,开展柑橘化肥减施和有机肥替代化肥等研究,对于减少资源浪费与协调优化生态环境具有重要意义。

      果园种植绿肥是有机肥替代化肥和实现化肥零增长的重要实现方式之一。绿肥不仅能减少化肥施用,提高肥料利用率、土壤肥力及土壤生物多样性[6-7],还能提高果树根系活力和养分吸收能力,从而改善果树长势,提升果实产量和品质[7-8]。豆科绿肥由于其具有较强的生物固氮能力,每年可从大气固定N 110~227 kg/hm2[9]。豆科绿肥通过刈割覆盖或者翻压还田后,可促进果树生长,提高果实产量和品质[10-12]。盛良学等[11]对4年生柑橘研究发现,与不间作绿肥处理相比,间作豆科绿肥柑橘产量增加34.80%,果实的可溶性固形物、还原糖、总糖、Vc含量等品质均有所改善。此外,前人对柑橘园适宜的绿肥替代化肥比例也进行了一些探究,但结果不尽相同。田想等[5]研究表明,柑橘园种植绿光叶苕子可以替代30%的氮肥施用,并且对柑橘产量和品质并无显著影响。栾好安[12]通过橘园种植光叶苕子也发现,绿肥替代33.33%的化肥效果较佳,并且能提高柑橘叶片和果实养分含量,提高果实品质。吴杰等[13]对蜜柚研究发现,圆叶决明替代化肥的合适比例可达40%,果实产量和可溶性固形物含量较单施化肥处理分别提高9.44%和5.66%。

      综上,目前对绿肥还田对柑橘的研究多集中于成年柑橘的果实产量和品质上,但对绿肥替代下幼龄柑橘氮素营养及树体长势的研究鲜有报道。此外,幼龄柑橘前期树体小,较成年果树养分需求少,而目前关于幼龄柑橘中绿肥替代氮肥的适宜比例尚不明确。因此,本研究采用盆栽试验,在等氮磷钾养分条件下,选用拉巴豆和印度豇豆替代氮肥,探讨其对土壤微生物量、柑橘根系形态和活力、柑橘各器官干物质和氮素积累的影响,为柑橘园有机替代和绿色生产提供理论依据。

      • 试验于2018年9月至2019年6月在西南大学国家紫色土肥力与肥料效益监测站(19.81°N,106.41°E)温室大棚中进行。土壤采自西南大学农场,土壤去除砂砾、枯枝落叶等杂质后风干,过1cm筛备用,供试土壤为紫色土,其pH值7.01、有机质7.07 g/kg、全氮0.51g/kg、全磷0.88 g/kg、全钾25.78 g/kg、碱解氮52.39 mg/kg、速效磷74.53 mg/kg、速效钾95.33 mg/kg。

      • 供试柑橘品种为大雅(Citrus reticulate L.),砧木为枳壳(PoncirustrifoliataL.),购于中国农业科学院柑橘研究所,选取大小一致的1年生柑橘幼苗。供试豆科绿肥为拉巴豆(Dolichos lablabL.)和印度豇豆(VignasinensisHayata),于2018年5月种植于西南大学农场,在两种豆科绿肥旺长期,取长势相似、色泽均匀的绿肥茎叶,剪碎成2 cm小段备用,绿肥养分状况见下表1

        表 1  供试绿肥养分含量(以干基计)

        Table 1.  1Nutrientsin green manures (Dry matter)

        绿肥 Green manure全碳 Total C (%)全氮 Total N (%)全磷 Total P (%)全钾 Total K (%)C/N
        印度豇豆 Vignasinensis Hayata50.37±2.452.83±0.010.53±0.013.24±0.0617.80
        拉巴豆 Dolichos lablab L.42.17±1.894.56±0.180.35±0.012.75±0.03 9.25

        试验根据常规施氮量,在等氮水平下设置5个绿肥氮替代化学氮肥处理:1)不施绿肥,单施化肥(100%F);2) 25%氮由绿肥氮提供、75%氮由化肥氮提供(25%G+75%F);3) 50%氮由绿肥氮提供,50%氮由化肥氮提供(50%G+50%F);4) 75%氮由绿肥氮提供,25%氮由化肥氮提供(75%G+25%F);5)100%氮由绿肥氮提供(100%G);试验共设置9个处理,每个处理设置4个重复。各处理遵循等养分原则,绿肥带入不足时,由化学氮、磷、钾肥补齐。试验中所施氮肥为尿素(含N为46.0%)、磷肥采用磷酸二氢钠(含P2O5为59.2%)、钾肥为硫酸钾(含K2O为54.0%)。不同绿肥替代化肥处理养分投入情况见表2,各处理化肥一次性施用。供试盆钵采用米氏盆(直径为22 cm,深30 cm),每盆装10.00 kg风干土,将定量绿肥和化肥与土壤混匀装盆,再将一棵柑橘苗去除基质后,根系用清水洗净后移栽入盆中。每天采用称重法浇水,将土壤含水量保持在田间最大持水量的60%,每周将盆钵位置进行随机摆放,防止温室内部其他环境因子造成影响。

        表 2  不同绿肥替代氮肥处理养分用量及绿肥翻压量

        Table 2.  Nutrient inputs of chemicalfertilizer and green manure for each treatment

        处理
        Treatments
        化肥 (g/pot) Chemical fertilizer绿肥养分投入 (g/pot) Input by green manure绿肥用量
        Does ofgreen manure
        (g/pot, FW)
        NP2O5K2ONP2O5K2O
        100%F3.000.751.50////
        25%L+75%F2.250.620.990.750.130.51 80.65
        50%L+50%F1.500.490.491.500.261.01161.29
        75%L+25%F0.750.36/2.250.391.52241.94
        100%L/0.23/3.000.522.02322.58
        25%J+75%F2.250.470.610.750.280.89176.47
        50%J+50%F1.500.18/1.500.571.79352.94
        75%J+25%F0.75//2.250.852.68529.41
        100%J///3.001.133.57705.88
        注(Note):L—拉巴豆 Dolichos lablab L.; J—印度豇豆 Vignasinensis Hayata; F—化肥 Chemical fertilizer. “/”表示无用量 No dosage.
      • 于2018年试验开始前,对供试土壤的基础理化性质进行测定,测定方法参考土壤农化分析方法[14]。土壤pH用酸度计法,水土比为2.5∶1;土壤有机质用重铬酸钾容重法;土壤全氮用凯氏定氮法;土壤碱解氮用碱解扩散法;土壤全磷用NaOH熔融—钼锑抗比色法;土壤速效磷用Olsen法;土壤全钾用NaOH熔融—火焰光度法;土壤速效钾用醋酸铵浸提,火焰光度法。在2019年6月样品收获后,立即采集鲜土测定微生物量碳(MBC)和微生物量氮(MBN)含量,方法采用氯仿熏蒸提取法[15]

      • 在2018年8月试验前采集绿肥测定其全氮、全磷、全钾和全碳含量。在2019年6月试验结束时将柑橘分为根、茎杆、新叶、新梢、老叶5个部分,测定各部分生物量,各部分植株样品洗净后121℃杀青,烘干后称重,样品粉碎后测定植株全氮含量。植物全氮、全磷、全钾和全碳分别采用半微量凯氏法、钒钼黄比色法、火焰光度法、重铬酸钾定量法测定[14]

      • 方法采样时,采取有活性的柑橘根尖,用氯化三苯基四氮唑(TTC)法[16]测定根系活力:取洗净的活性根尖,滤纸吸干水分,加乙酸乙酯3~4 mL充分研磨,提取出三苯甲(TTF);将红色提取液移入刻度试管,加入少量乙酸乙酯将残渣洗涤3~4次,全部转移到试管,最后提取液10 mL,在485 nm下比色。柑橘根系用水洗干净后,阴干后用EPSON (Perfection C700)扫描仪对根系进行灰度扫描,用WinRHIZP (Pro 2009)根系分析系统进行分析,将根系按0.0 < d ≤ 0.5 mm、0.5 < d ≤ 1.0 mm、1.0 < d ≤ 1.5 mm、1.5 < d ≤ 2.5 mm、2.0 < d ≤ 10.0 mm、d > 10 mm径级进行分类。

      • 数据采用单因素方差分析(ANOVA)和LSD (Least Significant Difference)比较各变量的均值,用于检测绿肥替代氮肥处理间各测定指标的差异的显著性。所有数据的统计分析和可视化都基于IMB SPSS20.0分析软件(IBM Corporation) 和R 4.0.2软件(R core team)。通过R软件的“corrplot”包和“Hmisc”包分析和绘制各变量之间的Pearson相关性。为了探究柑橘生物量与绿肥替代氮肥、根系形态和微生物之间关系,通过AMOS 20.0.0软件(IBM SPSS AMOS)构建了最优的结构方程模型(Structural Equation Modelling,SEM)[17]。在模型构建前,基于先前研究及本研究的结果构建先验模型,然后通过分析、调整、优化得到最优的实际模型。模型评估主要是基于以下准则[17]:1)卡方拟合指数(Chi–square value),当卡方值较小且P > 0.05,表明模型拟合较好;2)拟合优度指数(GFI,goodness–of–fit index),当GFI > 0.9,表示模型拟合可接受;3)近似误差均方根(RMSEA,Root Mean Squared Error of Approximation),当RMSEA < 0.05,表示模型拟合良好;当RMSEA < 0.08,表示模型拟合可接受。

      • 图1可知,柑橘总干物质量随绿肥替代氮肥比例增加而增加。相比单施化肥处理,拉巴豆替代氮肥比例超过50%时显著增加柑橘总干物质量(52.0%~88.0%)。与100%F相比,75%L + 25%F和100%L处理下柑橘根系、新梢和新叶的干物质量分别增加了59.11%~86.60%、145.6%~322.8%和241.8%~388.0%,但茎和老叶的干物质量在处理间并无显著差异。相比单施化肥,印度豇豆替代氮肥处理下柑橘的干物质量显著提高了37.2%~47.3%,其中以100%J处理增加最为明显。印度豇豆替代氮肥并未显著增加柑橘茎和老叶的干物质量,但是试验处理柑橘根系、新梢、新叶的干物质量均表现为100%J > 75%J + 25%F ≈ 50%J + 50%F ≈ 25%J + 75%F > 100%F。

        图  1  不同绿肥替代氮肥处理对柑橘各部位干物质量的影响

        Figure 1.  Citrus dry matter as affected bysubstitution ratiosofgreen manures

      • 相比单施化肥处理,两种绿肥替代氮肥处理均显著提高柑橘总氮素累积量(表3),并且均以100%L和100%J处理最高。在拉巴豆替代氮肥处理下柑橘根系、新梢和新叶氮素累积量较单施化肥处理(100%F)分别提高8.04%~31.54%、60.97%~147.26%和135.07%~307.97%。与100%F相比,75%L + 25%F、50%L + 50%F和100%L处理下茎中氮素累积量显著降低,但老叶氮素累积量显著提高(0.26%~11.58%)。在印度豇豆替代氮肥处理中,新梢和新叶氮素累积量随着替代比例增加而增加,总体表现为100%J > 75%J + 25%F > 50%J + 50%F > 25%J + 75%F > 100%F。与拉巴豆替代氮肥处理相似,印度豇豆替代氮肥处理减少了茎中氮素累积量(17.11%~40.18%),但是显著增加了根系、新稍、新叶和老叶中氮素累积量(13.85%~26.4%、83.67%~177.66%、167.22%~314.50%和6.0%~19.84%)。

        表 3  不同绿肥替代比例下柑橘各器官氮素累积量(mg/plant)

        Table 3.  N accumulation in citrus organs as affected by substitution ratios of green manures

        处理 Treatments根系 Root茎 Stem新梢 New shoot新叶 New leaf老叶 Old leaf氮总累积量 Total N accumulation
        拉巴豆Dolichos lablab L.
        100%F231.40±36.71b111.82±15.91 a13.49±0.49 c74.95±6.10 d194.92±8.09 c619.81±32.61 e
        25%L+75%F285.06±11.96 a103.65±8.72 a22.22±3.75 b183.34±13.34 c210.07±15.99 c804.81±12.52 d
        50%L+50%F250.01±11.62 b73.62±8.89 b24.12±0.66 b175.58±11.57 c194.18±8.80 bc717.81±16.79 c
        75%L+25%F292.96±14.48 a70.41±8.17 b21.71±1.53 b277.21±10.43 b217.20±13.81 ab879.50±38.43 b
        100%L304.33±18.35 a74.60±7.33 b33.36±0.87 a305.80±33.81 a232.04±16.70 a950.20±32.51 a
        印度豇豆VignasinensisHayata
        100%F231.40±36.71 b111.82±15.91 a13.49±0.49 d74.95±6.10 de194.92±8.09 b619.81±32.61 c
        25%J+75%F279.91±19.50 a92.69±7.63 b24.78±1.83 c200.29±7.55 d222.44±5.26 a820.12±27.20 b
        50%J+50%F292.07±11.60 a69.55±4.74 c30.72±2.48 b231.51±2.88 c191.22±11.90 b807.55±12.00 b
        75%J+25%F263.52±10.44 a77.82±16.37 bc29.78±2.22 b256.05±8.62 b233.64±33.53 a860.83±55.72 ab
        100%J277.64±10.44 a66.89±19.80 c37.46±1.22 a310.69±17.11 a206.57±12.32 ab899.26±34.51 a
        注(Note):F—化肥 Chemical fertilizer; L—拉巴豆 Dolichos lablabL.; J—印度豇豆 Vignasinensis Hayata; 数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters are significantly different among treatments (P < 0.05).
      • 对各处理根系进行形态指标以及差异性分析(图2)发现,在根长指标中,两种绿肥均以d < 0.5 mm根系占主要部分。在拉巴豆替代氮肥处理中,各根系径级下根系长度随着绿肥替代氮肥比例增加而增加,均表现为:100%L > 75%L + 25%F > 50%L + 50%F > 25%L + 75%F > 100%F。但是在印度豇豆替代氮肥处理中,50%J + 50%F处理下d < 0.5 mm根系最高,100%J处理次之。与100%F处理相比,100%J和75%J + 25%F处理显著提高d < 0.5 mm、0.5 < d < 1.0mm、1.0 < d < 1.5mm和1.5 < d < 2.5 mm径级根系长度。

        图  2  不同绿肥替代氮肥对柑橘根系形态特征的影响

        Figure 2.  Effects of different substitution ratioon citrus root morphological characteristics

        两种绿肥替代氮肥处理中均以2.5~10 mm径级的根系表面积最大,其中50%L + 50%F和75%L + 25%F处理的根系表面积显著高于100%F,但是4个印度豇豆替代处理间无显著差异。以拉巴豆替代氮肥处理,根系直径< 0.5 mm、0.5~1.0 mm、1.0~1.5 mm和1.5~2.5 mm 4个径级的根系表面积随着替代比例增加而增加;以印度豇豆替代氮肥处理,根系直径< 10 mm的根系表面积均表现为:50%J + 50%F ≈ 100%J > 25% + 75% ≈ 75%J + 25%F > 100%F。

      • 图3所示,土壤MBC含量随着拉巴豆和印度豇豆替代氮肥的比例增加而增加;与单施化肥处理相比,以拉巴豆和印度豇豆全量替代氮肥处理增加最为显著,分别增加100.69%和133.67%。相比单施化肥处理,拉巴豆和印度豇豆替代比例为50%、75%和100%均显著提高了土壤MBN含量。拉巴豆和印度豇豆替代氮肥均显著提高了柑橘根系活力,较单施化肥处理分别提高了43.95%~47.48%和40.61%~66.14%。

        图  3  不同绿肥替代比例下土壤微生物量碳氮含量和根系活力

        Figure 3.  Microbial biomass carbon, nitrogen andcitrus root activity as affected bysubstitution ratios

      • 相关性分析表明(图4),除根系活力和绿肥C/N外,柑橘干物质量与其他变量均存在显著相关关系(P < 0.05)。柑橘氮累积量与根长、根表面积呈极显著相关(P < 0.001),与根系活力、MBN含量、绿肥替代量和绿肥碳氮比呈显著相关(P < 0.05)。柑橘根长与根表面积呈极显著相关性(P < 0.001);柑橘根长、根表面积与MBC含量、MBN含量、绿肥替代量呈显著相关性(P < 0.05)。MBC含量、MBN含量与绿肥替代量间存在显著正相关性(P < 0.05)。

        图  4  柑橘生长和环境因子指标间相关性

        Figure 4.  Correlation coefficients between citrus plant, soil and green manure indicators

        SEM分析了绿肥替代氮肥对柑橘干物质量和氮素累积的调控途径(图5)。绿肥替代氮肥直接影响柑橘干物质积累(路径系数为0.25),也间接通过影响根系形态(路径系数为0.72)和微生物量(路径系数为0.86),进而影响柑橘干物质积累(路径系数分别为0.21和0.10)。根系形态(路径系数为0.47)、微生物量(路径系数为0.12)和根系活力(路径系数为0.07)也可通过影响柑橘氮素累积,进一步影响柑橘干物质累积。绿肥C/N通过影响柑橘根系形态(路径系数为0.36)、微生物量(路径系数为0.26)和根系活力(路径系数为0.39),进而影响柑橘干物质累积。同时,绿肥C/N通过改变影响柑橘氮素累积(路径系数为0.33),进一步影响柑橘干物质累积。

        图  5  影响柑橘干物质和氮素积累的主要因子及调控途径(A)和各影响因子的总体响应程度(B)

        Figure 5.  Structural equation model of interactions ofgreen manure, microbe and citrus growth (A) and standardized total effects of various factors (B).

      • 根系是植株吸收水分和养分的主要器官,良好的根系生长和发育状况是保证作物养分吸收的关键因素[18-19]。本研究结果表明,绿肥翻压提高了柑橘根系活力,促进了柑橘根系生长,主要促进了柑橘细根(根系径级<1.5 mm)的生长。这主要归因于以下4个方面:第一,绿肥替代氮肥向土壤带入了有机物质,可以改善土壤的团粒结构,提高土壤保水保墒能力,进而促进柑橘根系的延长伸展[6,20];第二,绿肥替代化肥处理柑橘叶片光合作用增强[21],地上部合成更多的光合产物向根系分配,导致根系生物量增加;第三,可能是绿肥腐解过程中产生了一些中间有机物,刺激了柑橘根系生长,如土壤中L-谷氨酸作为有机氮源可调控根系形态发生改变[22];第四,绿肥翻压还田改变了土壤中细菌、真菌、放线菌的数量和微生物群落结构,同时不同的微生物可能产生赤霉素、生长素、细胞分裂素等激素,可以提高柑橘根系的生理功能和活性[23-24]。前人在玉米、花生、烟草上也得到了相似的研究结果[25-27]。此外,本研究中绿肥替代氮肥增加了柑橘细根数量、根表面积和总根长,而柑橘细根是吸收水分和养分最为活跃的部分,细根的生长提高了根系获取水分和养分的能力[19,28],进而提高了柑橘氮素累积量和干物质量。

      • 土壤微生物量自身含有一定量的碳、氮、磷、硫等元素,可看成一个有效的土壤养分储备库,其由于自身新陈代谢可以促进元素的周转和循环,对植物的元素有效性具有重要意义[29]。本研究结果表明,绿肥替代氮肥处理可以不同程度提高土壤微生物量碳氮含量。原因可能是:第一,绿肥翻压后在土壤中进行腐解,释放出大量可溶性有机物质,为微生物生存提供了碳源,促进了土壤微生物的大量繁殖[21,24];第二,绿肥翻压后改善了土壤活性碳组分和土壤腐殖质品质,改变了土壤理化性质,促进了柑橘植物生长和增加了根系分泌物,进而促进土壤微生物生长[30];第三,绿肥替代氮肥调整了土壤C/N比,使绿肥更易于被微生物利用分解,有利于微生物利用同化物质进行繁殖。上述研究结果与前人在水稻、玉米中研究绿肥和化肥配施对土壤微生物的结果一致[24,27]。此外,本研究结果表明,土壤微生物量碳氮含量均和柑橘干物质量存在显著相关性,且微生物量氮含量和柑橘氮累积量存在显著相关性,表明绿肥投入为微生物提供了其生长繁殖的碳源和氮源,促进了微生物的大量繁殖,同时也增强了土壤以微生物氮形式的固氮能力,提高了土壤的氮素供应能力[31],能够为柑橘生长提供充足的氮素供应,从而提高了柑橘氮素累积量和柑橘干物质累积。

        本研究表明,土壤微生物量碳氮含量随着绿肥替代量增加而增加,这与前人一些研究结果存在差异。例如,前人在稻田研究中发现随着绿肥翻压量的增加,土壤微生物量碳氮含量逐渐增加,对早稻秧苗会产生毒害的风险,这是因为过量的绿肥翻压会引起土壤氧化还原电位下降,产生大量H2S、CO2、有机酸等有害物质,同时还会积累一些有害离子,使土壤微生物量和水稻产量降低[2930]。究其原因,首先前人研究基于水稻田进行研究,土壤氧气含量较低,并且过量的绿肥翻压还田,为微生物带入了大量的碳源,导致微生物大量繁殖,微生物呼吸消耗土壤中大量氧气,导致土壤氧化还原电位下降,而本研究是在土壤含水量约为20%的盆栽土壤中进行,土壤空隙能够进行气体交换,氧气能够充足供给微生物利用,产生的有害物质较少。其次是测定时间不同,本研究是在绿肥翻压还田后9个月后测定的土壤微生物量碳氮含量,而全量绿肥翻压还田会延长其养分释放时长[32],因此绿肥替代量高处理在试验后期土壤微生物碳氮含量较高。

      • 绿肥作为土壤氮素的一个重要来源,能够促进土壤氮的矿化、固定和作物吸收。相关性分析表明,绿肥替代量和柑橘干物质量和氮素累积存在显著正相关性(图4图5),表明等氮条件下,增加绿肥翻压还田量能够增加柑橘氮素吸收和干物质吸收,这是因为绿肥翻压还田提高了土壤微生物量和改善了柑橘根系形态[33],有利于土壤中有机氮的矿化和养分吸收,为柑橘生长提供有利的养分保障。王慧新等[34]在花生上的研究也表明,有机肥和无机肥配合施用能协调土壤养分供应与作物需求之间的关系,增加根系生物量及细根数量,提高植物对水分和养分吸收能力。此外,绿肥分解主要是微生物参与的过程,适宜的绿肥C/N比影响土壤微生物繁殖和微生物与植物之间的营养竞争,但绿肥的C/N比超过24,会导致氮素快速固定;当绿肥C/N低于24,则可以满足微生物对氮素的需求,增加土壤氮素的同化[35]。绿肥分解和后续养分释放在很大程度上取决于绿肥C/N比和数量,C/N高的绿肥分解速率较低,有机物矿化较为缓慢,养分后效时间长。本研究发现,除全量绿肥替代氮肥处理外,印度豇豆替代氮肥处理比拉巴豆替代氮肥处理柑橘干物质量高,主要是因为印度豇豆C/N高,能够为柑橘生长提供更持久的养分供给,促进了柑橘干物质积累。同时,本研究在基于等氮条件下进行氮肥替代,C/N比高的印度豇豆,其带入的碳较高,可能提高了土壤C/N比[36],利于柑橘根系生长,促进根系对养分吸收和地上部干物质积累。本研究还发现,绿肥C/N比和柑橘氮素累积量存在显著正相关关系(图4图5),表明施用C/N比高绿肥有利于柑橘氮素积累,这可能与土壤微生物量及其固定的氮素有关。印度豇豆替代氮肥处理微生物量氮含量比拉巴豆处理高11.36%~27.59% (图3),表明C/N比高的印度豇豆氮素释放后,更多的氮素被微生物固定,以供给柑橘生长发育。为此,不同C/N比的绿肥由于其自身腐解速率差异,影响其养分释放时长,改变了土壤微生物量及其氮素固定,对协调土壤氮素供应以及柑橘氮素吸收方面具有重要作用。

        前人研究表明[37],当前我国柑橘园豆科绿肥干草产量约9 t/hm2,可提供N 270 kg/hm2,达到我国柑橘园平均氮肥施用量的52.65%。可见,豆科绿肥是柑橘园实现有机肥替代化肥的重要有机肥来源。本研究在盆栽条件下发现,在等氮条件下,两种豆科绿肥替代氮肥比例为75%~100%时柑橘干物质量增加最显著,较单施肥处理增加42.71%~82.95%,表明绿肥养分的缓慢释放可持续满足幼苗柑橘生长所需养分。一方面可能是绿肥翻压还田促进了土壤微生物增殖(图3),被微生物固定的碳氮可能在柑橘生长后期供给养分,满足柑橘生长所需养分;另一方面,柑橘干物质量和根系形态存在显著相关性(图4),表明绿肥翻压还田在优化根系形态方面起到一定的作用,利于柑橘养分吸收和干物质量积累。该研究结果与在玉米和烟草上的研究结果一致[25,38]。本研究还发现,随着绿肥替代氮肥比例增加,柑橘干物质量和氮素积累量随之增加,而前人的研究表明当氮肥替代量超过一定程度,绿肥为土壤提供的养分不能完全满足作物生长的需求[5,39]。研究结果差异的主要原因可能是:本试验对象为柑橘幼苗,为多年生小乔木,试验开展后柑橘进入4~5个月的休眠期,期间对养分需求量相对较低,同时柑橘幼苗体内储存了部分养分,即使土壤养分供应量较少,并未影响柑橘正常生长。而在柑橘“休眠期”内,单施化肥全部作基肥一次施用,化肥可能由于挥发、土壤固定等原因,其有效成分逐渐降低,而绿肥中养分具缓效性,绿肥配施化肥可以增加养分有效性及其持续时间,能够为来年3月份春梢抽发期供给所需养分,增加柑橘干物质积累。杨璐等[27]研究也发现,在不施用化学氮肥的前提下,二月兰翻压可以满足玉米生育前期养分需求(播种50天),全量绿肥还田能够显著提高玉米籽粒产量和秸秆产量。因此,对于一年生植物的生育前期和多年生植物幼龄期而言,由于养分需求较低,绿肥还田可能存在较大的氮肥减施潜力。本研究是基于盆栽试验来探究豆科绿肥替代氮肥对柑橘幼苗的响应,而对于田间试验条件下效果如何,以及对于柑橘不同生育期绿肥翻压对柑橘干物质累积、养分吸收、根系生长特性和土壤微生物的影响,尚待进一步研究。

      • 在等氮磷钾条件下,两种豆科绿肥均显著促进柑橘干物质和氮素累积,绿肥替代比例均以化肥氮的75%~100%最佳。印度豇豆较拉巴豆对柑橘的干物质量表现更强的促进作用。拉巴豆和印度豇豆替代部分氮肥显著提高了柑橘根系活力、总根长和根表面积,主要促进小于1.5 mm径级根系生长。等氮磷钾条件下,两种绿肥替代75%和100%的氮肥显著增了加柑橘根长和根表面积,提高土壤微生物量碳氮含量,具有实际应用的潜力。

    参考文献 (39)
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