不同理化調(diào)控措施緩解麥秸對(duì)水稻生長(zhǎng)負(fù)面效應(yīng)

趙亞慧 賀笑 王寧 趙穎 楊四軍 周楓 于建光

摘要：稻麥輪作系統(tǒng)中，麥秸還田產(chǎn)生的有害物質(zhì)可對(duì)下茬作物產(chǎn)生不利影響，有效減緩其負(fù)效應(yīng)對(duì)植株生長(zhǎng)尤為重要，合理的苗床環(huán)境是減緩麥秸還田負(fù)效應(yīng)的關(guān)鍵。通過(guò)盆栽模擬試驗(yàn)，采用不同調(diào)理劑（生物炭、粉煤灰等）和不同耕作措施（秸稈深埋、多次旋耕等），篩選適宜減緩麥秸還田負(fù)效應(yīng)的理化措施。結(jié)果表明，施用生物炭和過(guò)氧化鈣能提高過(guò)氧化物酶、超氧化物酶活性，無(wú)水層處理增加了植株丙二醛、脯氨酸含量;對(duì)苗床進(jìn)行多次旋耕處理優(yōu)于添加生物炭和有氧肥料等調(diào)控技術(shù)，減緩了麥秸還田后對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育的抑制作用，但未恢復(fù)到對(duì)照水平。麥秸還田深埋處理可顯著提高株高、葉面積，促進(jìn)根系形態(tài)發(fā)育，利于水稻生長(zhǎng)。

關(guān)鍵詞：理化措施;麥秸;水稻;秸稈還田;調(diào)理劑;耕作措施;負(fù)面效應(yīng)

中圖分類(lèi)號(hào)： S154.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2020）18-0300-06

收稿日期：2019-09-27

基金項(xiàng)目：江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金[編號(hào)：CX（17）1001];公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專(zhuān)項(xiàng)（編號(hào)：201503136）;國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：41271308）。

作者簡(jiǎn)介：趙亞慧（1990—），女，山西長(zhǎng)治人，碩士，研究方向?yàn)橥寥郎鷳B(tài)學(xué)。E-mail：zhaoyahui0805@163.com。

通信作者：于建光，博士，研究員，研究方向?yàn)橥寥郎鷳B(tài)學(xué)與退化土壤修復(fù)。E-mail：yujg@jaas.ac.cn。

秸稈還田作為一種保護(hù)性耕作措施因具有良好的農(nóng)業(yè)效應(yīng)和生態(tài)效應(yīng)近年來(lái)被廣泛應(yīng)用[1-2]。在我國(guó)長(zhǎng)江中下游稻麥輪作區(qū)，作物收獲后產(chǎn)生大量的秸稈，大面積實(shí)施秸稈直接還田技術(shù)易對(duì)下茬作物產(chǎn)生負(fù)面影響，加大病蟲(chóng)害發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)[3];同時(shí)，秸稈腐解產(chǎn)生的毒害物質(zhì)（如酚酸等）可產(chǎn)生化感效應(yīng)，抑制水稻生長(zhǎng)發(fā)育，最終會(huì)造成作物減產(chǎn)[4]。近年來(lái)土壤調(diào)理劑和合理的耕作方式為減緩秸稈還田負(fù)效應(yīng)開(kāi)拓了新思路。有關(guān)土壤調(diào)理劑的研究表明，生物炭可優(yōu)化水稻根系形態(tài)，提高水稻根冠比，增強(qiáng)水稻生理功能[5-6];煤粉灰能夠改善土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)[7];施用生物質(zhì)焦能提高水稻生育前期土壤溫度，促進(jìn)水稻干物質(zhì)積累，提高水稻產(chǎn)量[8]。麥秸深埋會(huì)影響秸稈腐解速率和養(yǎng)分釋放，適宜深埋可促進(jìn)水稻生長(zhǎng)和產(chǎn)量提高[9]。本試驗(yàn)采用土培法育秧，在秧苗移栽后對(duì)苗床進(jìn)行理化性狀調(diào)控，以期在降解酚酸類(lèi)物質(zhì)的同時(shí)改善土壤理化性狀，進(jìn)而減緩麥秸還田負(fù)效應(yīng)，為大田栽培提供理論支撐。

1?材料與方法

1.1?供試材料

試驗(yàn)于2015年在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院資源與環(huán)境研究所人工氣候室開(kāi)展。供試小麥秸稈選取成熟干燥未腐爛小麥秸稈，粉碎至2～5 cm備用。供試土壤采自江蘇省宜興市周鐵鎮(zhèn)章茂村，土壤基礎(chǔ)性質(zhì)為pH值6.3、有機(jī)質(zhì)含量26.89 g/kg、全氮含量2.26 g/kg、堿解氮含量174.80 mg/kg、有效磷含量10.55 mg/kg、速效鉀含量107.47 mg/kg。水稻品種選用南粳9108。

1.2?試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)8個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次（表1）。采用土培法育秧，所用育秧盆缽長(zhǎng)31 cm、寬23 cm、高10 cm，苗床施用適量化肥和有機(jī)肥，水稻種子經(jīng)浸種催芽后播種移栽后所用盆缽（直徑15 cm×高13 cm）培養(yǎng)20 d。每盆缽裝風(fēng)干土1 kg、秸稈20 g，施用化肥處理中的氮磷鉀用量為每1 kg風(fēng)干土施純氮0.15 g、五氧化二磷0.10 g、氧化鉀0.15 g。除秸稈深埋（FSD）處理外，其他各處理盆缽所施用秸稈、化肥與土壤需充分混勻;除無(wú)水層（FSd）處理和淺水層（FSW1）處理外，其他各處理加水達(dá)田間飽和持水量的150%。所有處理盆缽均在移栽前一天加水。

培養(yǎng)溫度為00：00—04：00：27 ℃，04：00—08：00：28 ℃，08：00—11：00：30 ℃，12：00—15：00：35 ℃，15：00—20：00：32 ℃，20：00—24：00：28 ℃;光照時(shí)間為07：00—17：00[采用100 W發(fā)光二極管（LED）植物燈照射]。培養(yǎng)時(shí)間為30 d，每3 d左右進(jìn)行稱(chēng)質(zhì)量加水。培養(yǎng)結(jié)束后所有盆缽均破壞性采樣，部分用來(lái)統(tǒng)計(jì)株高和地上部鮮質(zhì)量等，部分新鮮植株冷藏用于測(cè)定植株丙二醛和脯氨酸等的含量。

1.3?測(cè)定指標(biāo)及方法

株高、葉面積用直尺測(cè)量獲得，水稻植株鮮質(zhì)量通過(guò)稱(chēng)質(zhì)量獲得，植被覆蓋指數(shù)采用Green Seeker手持式光譜儀測(cè)定，植株葉綠素含量采用SPAD502型葉綠素儀測(cè)定，超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮藍(lán)四唑法[10]測(cè)定，過(guò)氧化物酶（POD）活性采用愈創(chuàng)木酚法[10]測(cè)定，脯氨酸（Pro）含量采用磺基水楊酸法[11]測(cè)定，植株丙二醛含量采用硫代巴比妥酸法[12]測(cè)定，根系形態(tài)采用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)測(cè)定。

1.4?數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用Excel 2007、Origin 8.0和SPSS 19.0軟件進(jìn)行，差異顯著性采用Duncans法進(jìn)行分析，因素分析采用廣義線(xiàn)性模型（GLM）。

2?結(jié)果與分析

2.1?不同理化調(diào)控措施對(duì)水稻株高和生物量的影響

從圖1可以看出，秸稈深埋處理顯著增加了水稻幼苗株高（P<0.05），相比對(duì)照處理提高21.2%，其余各處理均不同程度地抑制了水稻幼苗生長(zhǎng)，其中施加過(guò)氧化鈣、生物炭和粉煤灰的處理與對(duì)照相比均差異顯著（P<005）;FSCa、FSB、FSF、FSd、FSWl和FSR處理均降低了水稻植株地上部鮮質(zhì)量，下降幅度最大為FSd處理，達(dá)55.1%，其次為施加生物炭處理;地下部鮮質(zhì)量以秸稈深埋處理最大，F(xiàn)Sd處理最小，施加過(guò)氧化鈣、生物炭和粉煤灰處理間無(wú)顯著差異。與對(duì)照相比，各處理根冠比均降低，其中施加過(guò)氧化鈣處理顯著降低（P<0.05）。

2.2?不同理化調(diào)控措施對(duì)水稻葉面積、植被覆蓋指數(shù)和葉綠素含量的影響

從圖2可以看出，水稻葉面積大小表現(xiàn)為 FSD>CK>FSR>FSCa>FSF>FSWl>FSB>FSd。相比空白對(duì)照，秸稈深埋處理顯著增加了水稻植株葉面積和水稻植被覆蓋指數(shù)（NDVI）（P<0.05），其余各處理均使水稻幼苗葉面積降低。葉面積下降幅度最大的處理為無(wú)水層處理，達(dá)34%;生物炭、無(wú)水層和淺水層處理的NDVI與對(duì)照相比均差異顯著（P<0.05）。葉綠素含量反映了植株生長(zhǎng)狀況。除深埋處理外，其他處理均不同程度地降低了葉綠素含量，下降幅度為無(wú)水層處理>淺水層處理>多次旋耕處理，施加生物炭、過(guò)氧化鈣和粉煤灰處理的葉綠素含量以FSB最小，其中生物炭、無(wú)水層和淺水層處理與對(duì)照相比差異顯著（P<0.05）。

2.3?不同理化調(diào)控措施對(duì)水稻生理生化過(guò)程的影響

從圖3可以看出，施用生物炭處理的SOD活性高于施加過(guò)氧化鈣和粉煤灰處理，施加生物炭處理與無(wú)水層處理差異不顯著，其他處理表現(xiàn)為FSd>FSW1>FSR>FSD，各處理間差異顯著（P<0.05）。POD活性表現(xiàn)為FSd處理最大，秸稈深埋處理最小，施加生物炭處理較施加過(guò)氧化鈣和粉煤灰處理分別提高3.0倍和2.2倍。丙二醛含量反映了植物的受損程度。試驗(yàn)中除FSD處理外，其他處理的丙二醛、脯氨酸含量都升高;丙二醛含量以無(wú)水層處理升高得最為明顯，與其他處理相比差異顯著（P<0.05）;其次為FSB處理，施加生物炭、過(guò)氧化鈣和粉煤灰處理間差異不顯著;在施加生物炭、過(guò)氧化鈣和粉煤灰的處理中， 脯氨酸含量以施加生物炭處理最高，比施加過(guò)氧化鈣和粉煤灰處理分別提高195%和18.0%，無(wú)水層處理與淺水層處理間差異顯著（P<0.05）。

2.4?不同理化調(diào)控措施對(duì)水稻根系形態(tài)的影響

由圖4可知，與對(duì)照相比，秸稈深埋處理可增加水稻根系長(zhǎng)度和根表面積（P<0.05）;施加粉煤灰、過(guò)氧化鈣和生物炭處理間根系長(zhǎng)度和根表面積無(wú)顯著差異，其他處理表現(xiàn)為FSD>FSR>FSW1>FSd。施加過(guò)氧化鈣、生物炭、粉煤灰處理以及無(wú)水層、淺水層處理的根系長(zhǎng)度和根表面積與對(duì)照相比均差異顯著（P<0.05）。根體積和根尖數(shù)均表現(xiàn)為秸稈深埋處理增加，其他處理降低。在根體積指標(biāo)中施加粉煤灰處理和無(wú)水層處理與對(duì)照均差異顯著（P<0.05）;分枝數(shù)表現(xiàn)為施加生物炭處理高于施加粉煤灰和過(guò)氧化鈣處理，施加粉煤灰和過(guò)氧化鈣處理間差異不顯著，與對(duì)照差異顯著（P<0.05）。FSD處理的根尖數(shù)顯著高于除對(duì)照外的其他處理（P<0.05）。添加生物炭處理的根直徑顯著高于FSd處理，其他處理間無(wú)顯著差異。

2.5?水稻生理生態(tài)和根系形態(tài)指標(biāo)與生長(zhǎng)發(fā)育指標(biāo)間的相關(guān)性

相關(guān)性分析結(jié)果（表2）顯示，對(duì)水稻株高和生物量的影響表現(xiàn)為葉綠素含量、葉面積和NDVI達(dá)極顯著水平（P<0.01），根系形態(tài)中除根直徑外，其他指標(biāo)均達(dá)極顯著水平（P<0.01），丙二醛含量和POD活性未達(dá)到顯著水平，SOD活性、Pro含量達(dá)負(fù)向極顯著水平（P<0.01）。

3?討論與結(jié)論

本試驗(yàn)中秸稈深埋處理提高了根系長(zhǎng)度、根體積及根表面積等，維持了適宜的根冠比，有助于延緩作物衰老，對(duì)水稻的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生了促進(jìn)作用，這與前人的研究結(jié)果[5]相類(lèi)似。根系吸收水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)地上部，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，秸稈深埋后可增加植株葉面積和葉綠素含量，進(jìn)而促進(jìn)植物光合作用，增加生物量。水分作為光合作用的重要原料，在無(wú)水層條件下，根系水分?jǐn)z入不足，水稻葉綠素含量下降，丙二醛和脯氨酸積累量增加，過(guò)氧化物酶、超氧化物歧化酶活性增強(qiáng)[12-13]，加重麥秸還田對(duì)水稻的負(fù)面影響，這與孫小霞等的研究結(jié)果[14]一致。相比秸稈深埋處理，麥秸還田后進(jìn)行多次旋耕，可使麥秸更加均勻地分布于土壤中，增大麥秸與土壤的接觸面積，從而更有利于麥秸的腐解。本試驗(yàn)中，多次旋耕調(diào)控技術(shù)對(duì)水稻的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生了抑制作用，可能的原因是人工氣候室對(duì)大田光照及種植環(huán)境等因素的模擬還不完善。

已有大量文獻(xiàn)報(bào)道，適量的過(guò)氧化鈣施入土壤后，可改善土壤通透性，促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)[15-17]。本試驗(yàn)中，在麥秸還田并添加一定量的過(guò)氧化鈣后，反而使水稻植株的生長(zhǎng)受到

抑制，這與前人的研究結(jié)果相悖，分析原因可能是過(guò)氧化鈣的用量不足，達(dá)不到降解毒害物質(zhì)的濃度。近年來(lái)生物炭因具有孔隙度大和吸附力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被應(yīng)用在農(nóng)業(yè)、環(huán)境及能源等領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)外大量研究表明，生物炭施入土壤后，能夠改善土壤理化性狀，增加土壤養(yǎng)分，提高肥料利用效率[18-25]。也有研究表明，施用生物炭顯著抑制了玉米生長(zhǎng)初期幼苗的生長(zhǎng)，但隨生育期的延長(zhǎng)抑制作用逐漸消失[26]。Asaih等研究表明，生物炭不能促進(jìn)作物產(chǎn)量的提高[27]。試驗(yàn)中與添加過(guò)氧化鈣和粉煤灰相比，添加生物炭對(duì)根系長(zhǎng)度、根體積等根系形態(tài)的影響較小，可能是由于生物炭在水土交融下可能會(huì)釋放一些小分子物質(zhì)，對(duì)根系分泌物產(chǎn)生影響，從而干擾根系生理，影響根系生長(zhǎng)。過(guò)氧化鈣、生物炭及粉煤灰三者相比，生物炭最有助于提高植株過(guò)氧化物酶及超氧化物歧化酶活性，其次為粉煤灰。粉煤灰作為一種質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的選材，能供給作物生長(zhǎng)所需要的微量元素，對(duì)減緩麥秸還田負(fù)效應(yīng)的作用略小，究其原因可能與粉煤灰施入后導(dǎo)致土壤pH值升高有關(guān)[28]。水稻育苗時(shí)土壤呈弱酸性，土壤pH值的改變不利于作物根系生長(zhǎng)。另外，粉煤灰能夠改變土壤氧化還原狀態(tài)，使土壤礦物發(fā)生變化，導(dǎo)致土壤溫度升高。

綜上，多次旋耕處理能減緩麥秸還田對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育的抑制作用，效果優(yōu)于添加生物炭處理，深埋措施能克服麥秸還田負(fù)效應(yīng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王紅新. 實(shí)施保護(hù)性耕作的目的及意義[J]. 吉林農(nóng)業(yè)，2018（19）：49.