溫室栽培中秸稈還田方式對作物生長及土壤碳氮的影響

張 賽 王龍昌* 趙琳璐 杜 鵑 徐啟聰

（1西南大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院，南方山地農(nóng)業(yè)教育部工程研究中心，重慶 400716；2日本國際自然農(nóng)法研究中心，松本 390-1401；3信州大學(xué)大學(xué)院，松本 390-8621）

棚室蔬菜種植是當(dāng)前主要的蔬菜種植方式，隨著蔬菜種植面積的不斷擴(kuò)大，土壤狀況有惡化的現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在鹽漬化嚴(yán)重、土傳病害及病蟲害加重、土壤板結(jié)、耕作層變淺、微量元素缺乏等問題。針對這些問題，需要合理的治理才能保證蔬菜的健康生長。其中合理利用秸稈是一項(xiàng)一舉多得的措施，不僅解決了秸稈田間焚燒帶來的環(huán)境污染，而且秸稈施入土壤后在微生物的分解下可同化土壤中的氮素，有效降低土壤中可溶鹽的濃度，同時秸稈中還含有豐富的微量元素，從而達(dá)到改良土壤、提高產(chǎn)量的作用（孫公江，2012）。秸稈覆蓋在冬春蔬菜栽培中，既可以保墑，又可以防止雜草生長，但是秸稈隨著翻耕直接掩埋到地下后，在厭氧分解環(huán)境下會產(chǎn)生不利于作物根系生長的還原性物質(zhì)，對土壤和作物帶來不利影響。以往對秸稈還田的研究多集中于直接還田和間接還田的利弊分析（李文革 等，2006；游東海 等，2012；趙偉 等，2012），而秸稈還田后在土壤中的不同位置對作物生長及土壤的影響報道較少。本試驗(yàn)旨在分析秸稈還田位置對土壤質(zhì)量和作物生長發(fā)育的影響，為溫室栽培蔬菜的土壤改良提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地一位于日本長野縣松本波田，土壤類型為火山灰土，進(jìn)行無化肥大棚種植試驗(yàn)15 a。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，小區(qū)面積為72 m2，設(shè)3個處理：將半分解的秸稈（主要成分是稻草）以每平方米0.02 m3覆蓋于地表（S）；同樣的秸稈深埋到地下20 cm處（I）；沒有秸稈覆蓋，作為對照（CK）。供試南瓜品種為蒼山南瓜，于2011年5月20日種植，11月25日收獲。種植前所有處理的土壤中均施用有機(jī)肥500 g·m-2，有機(jī)肥是用米糠、豆粕和魚粉等精細(xì)有機(jī)物質(zhì)為培養(yǎng)劑和載體加入益生菌發(fā)酵而成。

試驗(yàn)地二位于中國重慶北碚區(qū)西南大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院試驗(yàn)農(nóng)場，土壤類型為紫色土。供試小麥品種為糯麥1號，于2012年10月18日播種，采用盆栽技術(shù)，將5 kg干土和1 g復(fù)合肥混勻后填裝到高20 cm、直徑為15 cm的花盆中。其中秸稈采用小麥秸稈，每盆添加20 g〔相當(dāng)于1 625 kg·（667m2）-1〕，長度為5 cm，外加0.5 g氮調(diào)節(jié)碳氮比。

1.2 測定指標(biāo)及方法

光合速率測定采用LI6400便捷式光合作用測定儀，在南瓜開始坐果時測定第5片葉。

作物生物量測定采用收獲法，在小麥播種1個月、2個月后分別取樣，于105 ℃殺青，70 ℃烘干至恒重后稱質(zhì)量；其中根系特征和葉面積采用根系掃描儀（EPSON PERFECTION V700）進(jìn)行測定。

土壤樣品采集與測定：在小麥播種1個月、2個月后分別取0～20 cm土層土樣，其中土壤全碳含量采用日本島津TOC-SSM-5000A分析儀測定（李利利 等，2009），土壤全氮含量采用凱氏定氮法測定（魯如坤，1999）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 13.0和Excel 2003軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田位置對作物光合作用和生物量的影響

由圖1可見，在南瓜開始坐果時，隨著光合有效輻射（PAR）的增加，葉片的凈光合速率逐漸升高，S處理的凈光合速率顯著高于其他兩個處理，將秸稈掩埋在地下的處理介于對照和秸稈覆蓋地表的處理之間。各處理在不同光合有效輻射下最大光合速率對光強(qiáng)表現(xiàn)出米氏響應(yīng)規(guī)律，在PAR較低時（0～500μmol·m-2·s-1）各處理的凈光合速率快速增加，達(dá)到 1 000 μmol·m-2·s-1以上后趨于平穩(wěn)，且各處理的凈光合速率差異不大；而PAR較高時各處理間差異較大，其中對照最低，表明秸稈覆蓋地表處理的光合能力最高。可見S處理增強(qiáng)了作物利用強(qiáng)光的有效輻射和適應(yīng)能力，有助于提高作物的光合作用，從而達(dá)到增產(chǎn)的效果。

從表1中可以看出，小麥在生長初期，秸稈覆蓋地表處理增加了小麥地上部和地下部生物量；在播種1個月后，秸稈掩埋到地下20 cm的處理小麥生物量略高于對照，各處理小麥單株質(zhì)量大小為S＞I＞CK；播種2個月后，秸稈掩埋地下20 cm的處理小麥地下部和地上部生物量均低于對照，表現(xiàn)為S＞CK＞I。隨著時間的推移，掩埋到地下的秸稈對作物生長產(chǎn)生不利影響。

圖1 不同處理下南瓜葉片光合作用的光響應(yīng)曲線（Xu et al.，2011）

表1 不同秸稈還田位置對小麥地上部和地下部生物量的影響

播種2個月后，小麥的根系特征和葉面積在不同秸稈還田位置處理間差異顯著（表2），不同指標(biāo)均表現(xiàn)為S＞I＞CK。秸稈覆蓋地表處理與秸稈掩埋地下20 cm處理相比，小麥根長增加了18.0%，根表面積增加36.8%，根體積增加18.2%，根直徑增加54.6%，葉面積增加18.0%。

表2 不同秸稈還田位置對小麥根系特征及葉面積的影響

2.2 秸稈還田位置對土壤碳氮的影響

供試土壤初始總碳含量為1.488%，總氮含量為0.192 2%，碳氮比為7.74。從表3可以看出，秸稈覆蓋地表處理使得土壤中的總碳含量持續(xù)提高，小麥播種1個月后比初始值升高39.25%，2個月后升高了41.87%。I處理和對照播種1個月后有利于土壤總碳含量的增加，但播種2個月后土壤總碳含量開始減少，其中I處理的土壤總碳含量比初始值低了8.87%。可見，秸稈覆蓋地表可以增加土壤總碳含量，而秸稈掩埋地下降低了土壤總碳含量。

碳氮比是土壤質(zhì)量的敏感指標(biāo)，通常被認(rèn)為是土壤氮素礦化能力的標(biāo)志（Springob & Kirchmann，2003）。碳氮比越高越有利于土壤有機(jī)碳的保存，有利于增加土壤匯集碳氮的能力（張春華 等，2011）。在播種1個月后I處理和對照土壤總氮含量均有所提高，播種2個月后3個處理的土壤總氮含量均低于初始值。S處理的碳氮比顯著高于其他兩個處理，在播種初期I處理碳氮比高于對照，但是之后低于對照。從土壤固碳減排角度考慮，S處理有利于土壤固碳，而I處理不利于土壤固碳。

表3 不同秸稈還田位置對土壤碳氮的影響

3 結(jié)論與討論

本試驗(yàn)將秸稈還田方式分為秸稈覆蓋地表和秸稈深埋到20 cm土層中，分別模擬大田耕作中的秸稈覆蓋還田和秸稈翻耕還田。從作物生長發(fā)育的角度來分析，秸稈覆蓋地表增加了小麥根直徑和根體積，提高了作物光合作用，從而提高作物產(chǎn)量。秸稈覆蓋地表的增產(chǎn)效果優(yōu)于掩埋處理，在大田耕作上秸稈覆蓋還田方式增產(chǎn)效果優(yōu)于秸稈翻耕還田方式。

隨著時間推移，秸稈掩埋地下的處理表現(xiàn)減產(chǎn)的趨勢，有研究指出隨著秸稈埋深的增加，產(chǎn)量及構(gòu)成因素隨之降低（許仁良，2010），產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是秸稈掩埋地下后腐熟不徹底，產(chǎn)生了一些對根系生長不利的還原性物質(zhì)和植食性土壤生物。掩埋還田、覆蓋還田和焚燒還田3種方式均有一定的增產(chǎn)作用，但后2種的增產(chǎn)效果好于掩埋還田（許仁良，2010）。趙映霞等（2003）的研究表明，秸稈直接還田會促進(jìn)植物線蟲的增加，但是腐熟后還田不僅抑制植物線蟲的增加，而且會提高土壤的有機(jī)質(zhì)含量。但是也有相反的結(jié)論，如劉世平等（2006）在麥稻兩熟制中得出秸稈還田后導(dǎo)致小麥和水稻減產(chǎn)，且秸稈覆蓋比翻耕掩埋的產(chǎn)量低。戴志剛（2009）在“水稻—水稻—油菜”的輪作體系中測得翻耕秸稈還田比覆蓋秸稈還田的產(chǎn)量高。究其原因，可能是秸稈還田的時間、還田量、土壤類型、耕作制度的不同所致。秸稈覆蓋時間不宜過早，不宜過多，也不宜過碎。因?yàn)榻斩捀采w時間過早會影響地溫，不利于作物返青發(fā)苗；覆蓋過多不僅影響苗期地溫，而且高溫季節(jié)秸稈大量分解產(chǎn)生的有害氣體對下茬作物產(chǎn)生毒害，影響根系發(fā)育；秸稈過碎又會產(chǎn)生漂移，影響植株的光合作用（戴志剛，2009）。

從土壤肥力角度來看，秸稈覆蓋地表的處理能夠顯著增加土壤總碳含量，碳氮比較高。與之前的研究結(jié)論大體一致（李壽強(qiáng) 等，2004；田慎重 等，2010；張四偉 等，2012）。秸稈掩埋處理的土壤總碳含量低于秸稈覆蓋地表處理，同樣有研究指出秸稈免耕覆蓋比秸稈翻耕到土層20 cm處的土壤微生物量碳含量高（陳蓓，2004）。土壤微生物量碳作為土壤有機(jī)質(zhì)中活性較高的部分，具有極高的靈敏性，可以在全碳變化之前反映土壤微小變化（姜培坤 等，2002）。張明園等（2012）利用模型模擬得出表層土壤有機(jī)碳含量翻耕秸稈還田＞旋耕秸稈還田＞免耕秸稈還田，秸稈還田的深度影響土壤的理化性狀。如果從固碳減排的角度考慮，本試驗(yàn)得出秸稈覆蓋地表處理比秸稈掩埋地下處理能夠顯著增加土壤碳氮比，有助于土壤固碳，這跟張明園等（2012）的研究結(jié)論一致。

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