秸稈改土對多年生黑麥草越冬返青生長的影響

肖興艷， 劉 方， 姚 斌， 張雷一， 龍 健

(1.中國林業科學研究院荒漠化研究所，北京 100091； 2.貴陽市生態環境科學研究院，貴州貴陽 550025；3.貴州師范大學/貴州省山地環境重點實驗室，貴州貴陽 550001)

多年生黑麥草屬禾本科植物，原產于歐洲地中海沿岸、北非及亞洲西南等地，20世紀40年代中期引進我國，現已成為我國南方地區廣泛種植的優質牧草，在我國長江流域如四川、云南、貴州、湖南一帶的高山地區亦生長良好，其草質柔嫩多汁，適口性好，是牛、羊、兔、豬、雞、鵝、魚的好飼料，在畜牧業生產中有極大的推廣前景[1-2]。黑麥草生長喜溫涼濕潤氣候，遇到高溫干旱的天氣，黑麥草則會枯黃或中途死亡，而保持土壤中適宜水分有利于提高黑麥草的抗旱能力[3]。

秸稈還田是當今世界各國普遍重視的一項農藝措施，可以增加土壤有機質及土壤孔隙度、降低容重、改善土壤結構、提高土壤保水能力、促進微生物活動和作物根系的發育，既能提高土壤肥力，又可以杜絕秸稈焚燒所造成的大氣污染[4-5]。粉碎和炭化還田是常用的秸稈還田方式，秸稈粉可生物降解性高，易分解，穩定性差，進而導致土壤肥力和保水性能效果較差；而秸稈炭化后既能充分利用資源，又能有效改善土壤結構[6-8]，有利于保持土壤水分[9]。近年來，針對諸如提高產量，增加有機質等領域的作物生物質炭的改土研究較多，草業方面的應用較少[7，10-11]，而針對西南喀斯特地區干旱條件下牧草種植的研究更少。因此本研究選擇秸稈粉及其炭化物(秸稈炭)為試驗材料，通過盆栽試驗研究其對多年生黑麥草卓越生長期、返青期生長狀況、土壤含水量及抗旱效果的影響，為利用卓越在喀斯特山區進行生態恢復提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

多年生黑麥草選用卓越品種，由新西蘭林肯大學提供。土壤改良劑采用玉米秸稈粉碎物、玉米秸稈炭化物。秸稈粉：取貴州省貴陽市周邊農田玉米秸稈，實驗室恒溫鼓風干燥箱(FCD-2000)105 ℃烘干至恒質量，利用破碎機(型號F-650)制備。秸稈炭化物：利用烘干粉碎后的玉米秸稈在連續式炭化立窯中熱裂解炭化得到秸稈生物質炭[12]。供試土壤采自貴州省關嶺縣花江鎮板貴鄉，旱地耕層0～10 cm土壤，該鄉屬于典型的喀斯特石漠化地區。土壤pH值7.95，有機質含量42.78 g/kg，堿解氮含量120.48 mg/kg，有效磷含量1.31 mg/kg，速效鉀含量179.21 mg/kg。

1.2 試驗設計

參照文獻[13]并結合實際情況，本次試驗設置3個處理，即對照(CK)、秸稈炭(5%)、秸稈粉(5%)，每個處理4次重復，將土壤改良劑在種植前一次性均勻施入土壤中。

1.3 試驗方案

試驗于2014年3月1日至2015年6月1日在貴州大學資源與環境工程學院環境工程實驗樓進行。多年生黑麥草種子于2014年3月1日播種，具體做法如下：土壤經風干后，過5 mm篩，混合均勻后裝盆(30 cm×30 cm)，每盆裝土10 kg，卓越草種蒸餾水浸泡12 h后均勻播于盆中，其上用薄土層覆蓋。播種完畢用噴霧式澆水器澆水，維持基質含水量為70%的最大田間持水量，其后視基質干濕度適時定量澆水，滿足草種發芽、植株生長需水；60 d內定期觀察種苗生長并作相關記錄。

2015年1月1日至2月28日經歷越冬和極端干旱后，由于氣溫較低，導致卓越已經處于嚴重枯死狀態，為研究卓越品種在春季的恢復能力，于次年3月1日起對盆栽進行定量澆水管理，觀察其返青及60 d內的生長狀況，返青至3葉期時停止澆水，開始土壤含水量的測定。

1.4 測定指標及數據處理

記錄并計算以下指標：出苗時間、返青時間、播種后和返青后30、45、60 d的株高(隨機測量10株植株的株高，求平均值)、返青后60 d的地上單株生物量(隨機測量10株植株，求平均值)。采用TDR300快速水分測定儀(U.S.A)監測卓越品種凋萎過程的土壤含水量，每盆重復測定3次，取其平均值作為土壤含水量的值，測定時間統一在每天10：00，利用SPSS軟件對數據進行單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 改良劑對卓越品種生長期的影響

2.1.1 秸稈改土對卓越品種生長期出苗的影響 3月5日開始出苗，至3月10日所有處理都已出苗，且生長正常(圖1)。秸稈炭處理5 d出苗，對照(CK)6 d出苗，秸稈粉處理 7 d 才開始出苗，出苗所需時間最長。可見，添加秸稈炭有利于種子快速出苗，這對其后續生長有重要意義。

2.1.2 秸稈改土對卓越品種生長期平均株高的影響 卓越株高生長期呈現整體逐漸增高趨勢(表1)。30 d時秸稈粉、秸稈炭處理的株高分別為7.93、8.94 cm，與對照差異不顯著(P>0.05)；45 d時，秸稈炭與對照差異顯著(P<0.05)，但葉尖部分變黃，而秸稈粉處理與對照沒有顯著差異(P>0.05)；60 d的株高表現為秸稈炭>秸稈粉>對照，各處理株高差異的顯著性情況與45 d相同，但大部分植株出現葉尖發黃現象。總體而言，施用秸稈炭有利于增加卓越株高，而秸稈粉對株高的促進效果較差。

2.1.3 秸稈改土對卓越品種生長期單株鮮質量的影響 由表1可知，添加改良劑的單株鮮質量都大于對照，表明生長期改良劑能夠促進植株生長，提高牧草產量；卓越單株鮮質量在各處理間表現為秸稈炭>秸稈粉>CK，且秸稈炭處理與對照差異顯著(P<0.05)，而秸稈粉處理與對照差異不顯著(P>0.05)。

2.2 秸稈改土對卓越品種越冬返青生長的影響

2.2.1 秸稈改土對卓越品種返青期出苗的影響 經歷越冬和極端干旱后，由于冬季氣溫較低，前期生長的卓越已嚴重枯死，為研究其在春季的恢復能力，于3月初開始澆水觀測其返青情況。各處理2015年3月6—16日期間陸續返青。秸稈炭處理的返青時間慢于對照，而秸稈粉處理的返青速度最快(圖1)，澆水后5 d開始返青，且與對照差異顯著(P<0.05)。

2.2.2 秸稈改土對卓越品種返青期平均株高的影響 返青過程中卓越的株高同樣呈增高趨勢(表1)。返青30 d，株高的變化規律為秸稈粉>CK>秸稈炭，卓越生長狀況良好，但植株細長，不如出苗生長期的植株粗壯；與出苗期情況相反，秸稈粉處理的株高與對照組差異顯著(P<0.05)。45 d時，卓越的整體長勢良好，除秸稈粉處理外，其他處理都呈現少許葉尖泛黃現象，表明此階段各處理開始出現養分供應不足現象；此階段各處理株高與對照存在顯著差異(P<0.05)，60 d時，各處理株高的變化規律與30 d時一致，所有處理開始出現養分缺乏狀況，植株葉尖泛黃。由此可知，經越冬及干旱改良劑處理對卓越的恢復生長促進作用明顯不如生長期顯著。

2.2.3 秸稈改土對卓越品種返青期生物量的影響 返青期，單株鮮質量在各處理間表現為秸稈粉>CK>秸稈炭(表1)，秸稈炭處理植株長勢較差，單株鮮質量低于對照，而秸稈粉處理單株鮮質量與對照差異顯著(P<0.05)。且各處理的單株鮮質量明顯小于生長期的單株鮮質量。初步試驗結果表明改良劑對不同時期卓越的產量影響有差異，添加秸稈粉能夠在返青期增加牧草產量。

表1 秸稈改土對卓越品種株高和生物量的影響

注：同列數據后不同小寫字母表示同一時期不同處理間差異顯著(P<0.05)(LSD法)，下表同。

2.3 秸稈改土對卓越品種土壤含水量及抗旱效果的影響

不同改良劑處理平均土壤含水量的變化結果見表2。平均土壤含水量的變化規律為秸稈炭>CK>秸稈粉，但隨干旱天數增加，土壤含水量存在差異。降雨初期，秸稈粉、秸稈炭處理的土壤含水量與對照差異不顯著(P>0.05)，分別提高2.7%和0.5%。然而，隨著干旱的持續，各處理土壤含水量呈現顯著差異，持續干旱10 d的條件下，秸稈炭處理土壤含水量與對照顯著差異(P<0.05)，提高3.83%，而秸稈粉的持水效果可能較差，導致秸稈粉處理土壤含水量降低1.43%。持續干旱20 d的條件下，土壤含水量的變幅減小，各處理間的土壤含水量均存在顯著差異(P<0.05)，秸稈粉、秸稈炭處理的土壤含水量變化幅度分別為1.90%、-0.85%；隨著干旱天數的持續增加，卓越逐漸枯萎；各處理90%以上的卓越永久性枯萎時對應的土壤含水量為凋萎含水量，與對照組相比，此階段各處理的土壤含水量變幅更小，秸稈、秸稈炭處理的土壤含水量變化幅度分別為0.50%、-0.40%，且秸稈炭處理與對照仍存在顯著差異(P<0.05)。以上結果表明，隨著干旱的持續，土壤含水量差異顯著(P<0.05)，秸稈炭處理土壤含水量較高，而秸稈粉處理則有所降低。

表2 不同改良劑處理下土壤含水量的變化

由圖2可知，2種改良劑處理的土壤含水量總體變化趨勢相似，降雨初期土壤含水量較高，但隨著干旱的持續，土壤含水量逐漸減小；總體看來，不同改良劑處理的土壤含水量的變化規律表現為秸稈炭>對照>秸稈粉，隨著時間的增加，土壤含水量不斷減小。在持續干旱10 d，對照和秸稈粉處理植株皆出現2張葉片死亡現象，其對應土壤含水量分別為22.05%和20.60%，而秸稈炭處理的土壤含水量為25.58%；在持續干旱24 d，各處理組均出現2張老葉死亡現象，秸稈粉、秸稈炭、對照處理的土壤含水量分別為7.90%、9.55%、8.45%，持續干旱38 d后，各試驗組植株出現永久性枯萎，秸稈粉、秸稈炭、對照處理的對應土壤含水量分別為 3.33%、4.43%和3.55%。

通過土壤最大持水量、凋萎系數的測定，計算得到土壤的有效水含量(表3)。結果顯示，土壤有效水含量變化規律為秸稈炭>CK>秸稈粉。秸稈炭處理的土壤有效水含量(4次測定值的平均數)與對照有明顯差異，提高幅度達11.84%，能夠明顯增加卓越可吸收利用的土壤水分，初步試驗結果表明，施用秸稈炭有利于提高多年生卓越的抗旱能力。

表3 秸稈處理下種植卓越品種的土壤有效水含量

3 結論與討論

施用秸稈炭可縮短多年生黑麥草卓越品種的出苗時間。與對照組相比，秸稈炭有助于縮短卓越的出苗時間，出苗時間縮短了16.7%，而秸稈粉處理的出苗時間延緩了 14.3%，且秸稈炭與秸稈粉處理的出苗時間存在顯著差異(P<0.05)，這主要是因為秸稈炭具有結構良好、比表面積大等特點，可提高土壤的保水性能，能夠為草種的發芽提供良好環境，因此處理效果優于秸稈粉。

施用秸稈粉對卓越出苗生長期和返青期平均株高和單株鮮質量的促進作用明顯；而秸稈炭只在出苗期促進效果顯著。在供試土壤條件下，與對照組相比，施用秸稈粉、秸稈炭明顯提高卓越出苗生長期平均株高和單株鮮質量，且秸稈炭與對照之間差異顯著(P<0.05)，對株高和生物量增加的促進作用明顯，這與張明月對小白菜的研究結果[14]類似。而在返青期，秸稈粉顯著提高了平均株高和單株鮮質量，且與對照差異顯著(P<0.05)，而秸稈炭處理的平均株高和單株鮮質量則有所降低，說明秸稈粉碎還田有利于卓越的越冬返青，這主要是由于秸稈粉的活性有機碳(EOC)的生物降解性較高，能夠提供豐富的碳源，易被微生物分解利用，有利于微生物的生長發育。

秸稈粉和秸稈炭皆能提高土壤含水量，而秸稈炭對提高土壤含水量的促進效果更明顯。土壤含水量通過影響養分物質的化學形態及土壤微生物的活動，進而影響養分在土壤中的淋溶、轉移及各種養分的有效性和利用率，是衡量土壤生產力的重要指標之一[15]。土壤含水量對干旱情況下的植物更是至關重要，持續干旱條件下，本試驗各處理的土壤含水量降幅隨著干旱時間的增加而增大。與對照組相比，秸稈粉處理的增加效果不明顯，而秸稈炭處理的土壤含水量相對較高。這可能是由于秸稈炭疏松多孔、表面積巨大，吸附能力較強，既能增強土壤持水能力又可固持鈍化土壤養分，減緩土壤養分的淋失，增強土壤養分利用率[16-17]，從而延長植物的存活時間，延緩凋萎速度，使植物保持較好的外觀質量。

秸稈炭能明顯提高土壤有效含水量。分析結果表明，秸稈炭處理與秸稈粉處理和對照處理存在顯著差異(P<0.05)。與秸稈粉相比，秸稈炭有多孔結構，能有效減少土壤水分的蒸發，對土壤有明顯的保墑作用，能夠提高卓越可吸收利用的土壤有效含水量，可以有效提高多年生卓越的抗旱能力。