秸稈或粉煤灰添加對(duì)砂姜黑土持水性及小麥抗干旱脅迫的影響

王擎運(yùn)，何詠霞，陳 景，孔海燕，柴如山，查 偉，郜紅建，馬東豪，張佳寶

·農(nóng)業(yè)水土工程·

秸稈或粉煤灰添加對(duì)砂姜黑土持水性及小麥抗干旱脅迫的影響

王擎運(yùn)1,2，何詠霞1，陳 景1，孔海燕1，柴如山1，查 偉1，郜紅建1※，馬東豪2，張佳寶2

（1. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院農(nóng)田生態(tài)保育與污染防控安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230036；2. 中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008）

針對(duì)黃淮海平原典型中低產(chǎn)土壤砂姜黑土黏粒含量較高，土壤有效水分庫(kù)容較低，嚴(yán)重限制作物生產(chǎn)的現(xiàn)狀，該文采用盆栽試驗(yàn)，研究了不同外源改性物料的添加對(duì)土壤持水性能及小麥生理的影響，以期獲得農(nóng)田水分管理過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)。盆栽試驗(yàn)設(shè)置常規(guī)氮磷鉀（control，CK），常規(guī)氮磷鉀配施下的添加秸稈（straw returning，SR）、秸稈碳（straw carbon，SC）和粉煤灰（fly ash，F(xiàn)A）處理，維持土壤相對(duì)含水率在80%，培育小麥至抽穗期，開展為期10 d的干旱脅迫試驗(yàn)。結(jié)果顯示SR和SC處理提高了土壤持水能力，且處理間的差異較小；FA處理因其表面富含大量疏水性結(jié)晶礦物，土壤相對(duì)含水率下降較快，遲效水含量顯著低于其余處理，但土壤速效水含量顯著提高。不同改性措施均有提高小麥葉片相對(duì)含水率，減輕干旱脅迫的趨勢(shì)，但在極端干旱脅迫下，F(xiàn)A處理葉片相對(duì)含水率不僅明顯低于其余處理，且作物體內(nèi)積累大量丙二醛、過(guò)氧化氫等有害物質(zhì)。田間管理中砂姜黑土相對(duì)含水率應(yīng)維持在38%（SR）、36.5%（SC）和24.5%（FA）以上，當(dāng)土壤相對(duì)含水率低于30.78%（SC）、28.43%（SR）和22.5%（FA）時(shí)將會(huì)對(duì)作物生理產(chǎn)生不可逆的傷害。鑒于秸稈優(yōu)良的保水性能，粉煤灰“富水，不保水”的特性，秸稈與粉煤灰的配合施用將利于砂姜黑土的改良。相關(guān)機(jī)制值得進(jìn)一步研究。

土壤；水分；干旱；砂姜黑土；改良；水分特征；作物生理

0 引 言

中國(guó)砂姜黑土面積約4×106hm2，廣泛分布于黃淮海地區(qū)，以淮北平原分布面積最大，是該區(qū)域面積最大的中低產(chǎn)田土壤[1-3]。該類型土壤黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高（>30%），土壤水分有效庫(kù)容較小，且因黏土礦物以2:1型的蒙脫石為主，易發(fā)生濕脹干縮行為[3-5]。土壤改良的關(guān)鍵在于質(zhì)地及結(jié)構(gòu)改善，有效提升土壤水養(yǎng)庫(kù)容。淮北平原是中國(guó)重要糧食作物冬小麥和夏玉米的主產(chǎn)區(qū)之一。該區(qū)域氣候?qū)儆诘湫蜏貛Ъ撅L(fēng)氣候，年均降雨量約850 mm，遠(yuǎn)低于年均蒸發(fā)量1500 mm，且降雨主要集中于7－9月，難以滿足冬小麥正常生長(zhǎng)需求[6]。因此，合理改善土壤結(jié)構(gòu)，調(diào)控土壤水分是提升典型砂姜黑土質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)冬小麥穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)的關(guān)鍵。

針對(duì)砂姜黑土屬性障礙因子特征，除需加強(qiáng)水分管理外，一般通過(guò)粉煤灰、秸稈碳等改良劑的添加，或以秸稈還田的方式增施有機(jī)肥來(lái)實(shí)現(xiàn)該類型土壤結(jié)構(gòu)的改善、保水抗旱能力的提升。中國(guó)是燃煤大國(guó)，粉煤灰產(chǎn)量較高，生態(tài)環(huán)境壓力較大[7-8]。粉煤灰的農(nóng)田施用不僅有助于減輕環(huán)境污染，還能促進(jìn)農(nóng)田地力的提升[9-11]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)粉煤灰表面富含大量結(jié)晶型二氧化硅，相互間鍵合能力較弱，可有效抑制土壤黏粒間的復(fù)合，降低黏土毛管孔隙的百分含量，提升土壤水分的有效庫(kù)容[10-12]。秸稈碳中惰性碳含量較高，比表面積較大且含有大量磷、鉀養(yǎng)分元素，其在農(nóng)田土壤中的施用可為土壤微生物提供有效活動(dòng)場(chǎng)所，促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)與有機(jī)質(zhì)累積，進(jìn)而達(dá)到土壤結(jié)構(gòu)改善，水養(yǎng)有效庫(kù)容提升的效果[3,13]。秸稈還田因促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)累積，土壤結(jié)構(gòu)改善，農(nóng)田養(yǎng)分平衡，實(shí)現(xiàn)資源化再利用且易于推廣，而受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注[1,14]。上述大量研究結(jié)果表明相關(guān)改良劑在農(nóng)田土壤質(zhì)量，有效水養(yǎng)庫(kù)容及作物產(chǎn)量提升中起到重要作用，但針對(duì)土壤水分特征變化與作物需水響應(yīng)過(guò)程的聯(lián)合研究卻很少開展，這在一定程度上限制了農(nóng)田水分管理的精準(zhǔn)調(diào)控。

基于以上認(rèn)識(shí)，本文以典型砂姜黑土為研究對(duì)象，采用盆栽試驗(yàn)，選取冬小麥水分需求較大的抽穗期，分析不同物料的添加對(duì)土壤持水特征及小麥干旱脅迫響應(yīng)的影響。以期獲得砂姜黑土在不同改良劑作用下作物需水的關(guān)鍵參數(shù)，為該類型農(nóng)田土壤改良以及農(nóng)田土壤灌溉、水分的精準(zhǔn)調(diào)控提供支持。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

小麥盆栽試驗(yàn)設(shè)置于安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)萃園，所用耕層（0～20 cm）土壤及玉米秸稈均于2017年10月玉米收獲后采集于安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)皖北綜合試驗(yàn)站（117°4′E，33°41′N）。安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)皖北綜合試驗(yàn)站位于安徽省宿州市埇橋區(qū)國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)。該區(qū)域年平均氣溫15 ℃，年均降雨量850 mm，分布不均且主要集中于夏季。當(dāng)?shù)赝寥李愋蜑樯敖谕粒捎枚←湣⑾挠衩滓荒陜墒燧喿髦啤Ｍ寥罉颖編Щ貙?shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干后過(guò)5 mm孔徑的篩備用；經(jīng)測(cè)定耕層土壤田間持水量為32%，pH值為7.46，有機(jī)質(zhì)為23.80 g/kg，全氮為0.97 g/kg，堿解氮、有效磷和速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為60.43、25.26和226.30 mg/kg。玉米秸稈樣品在80 ℃條件下烘干至恒質(zhì)量，并剪至長(zhǎng)度不超過(guò)2.00 cm。玉米秸稈碳購(gòu)置于南京三聚生物質(zhì)新材料科技有限公司（江蘇南京），粉煤灰由國(guó)電宿州第二熱電有限公司（安徽宿州）提供。粉煤灰堿解氮、有效磷和速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2.39、32.01和216.51 mg/kg；秸稈碳?jí)A解氮、有效磷、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為37.79、376.49和2483.03 mg/kg。

小麥盆栽試驗(yàn)正式開始于2018年3月，設(shè)置4個(gè)處理：常規(guī)氮磷鉀（control，CK）、常規(guī)氮磷鉀配施下的秸稈還田（straw returning，SR）、添加秸稈碳（straw carbon，SC）和粉煤灰（fly ash，F(xiàn)A）處理，每個(gè)處理重復(fù)3次。試驗(yàn)用盆材質(zhì)為聚氯乙烯，盆直徑30 cm，高35 cm，下設(shè)漏水孔。每盆裝土30 kg。粉煤灰（FA）及秸稈碳（SC）用量按土壤質(zhì)量的3.00%計(jì)算，0.9 kg/盆（45×103kg/hm2）；玉米秸稈添加量參照皖北地區(qū)小麥季玉米秸稈還田量，約0.12 kg/盆（SR，6×103kg/hm2）。化肥施用量參照農(nóng)田常規(guī)施用量（N：225 kg/hm2、P2O5：120 kg/hm2、K2O：60 kg/hm2），分別為2.38 g/盆（N）、1.27 g/盆（P2O5）和0.64 g/盆（K2O）。磷肥、鉀肥扣除粉煤灰和秸稈碳中的養(yǎng)分后作為基肥一次性施入；60%氮肥做基肥，40%的氮肥待盆栽試驗(yàn)正式開始1個(gè)月后隨灌溉水追施于土壤中。鑒于秸稈碳速效鉀含量較高，SC處理不施鉀肥。改良材料、玉米秸稈、基肥與土壤混合均勻后，一同填于盆中。

盆栽試驗(yàn)過(guò)程中定期（第30天、第60天）取出少量玉米秸稈，用去離子水清洗后在80 ℃條件下烘干至恒質(zhì)量，以用于基本理化性質(zhì)測(cè)試。2018年3月中旬采用常規(guī)方法將小麥種子（煙農(nóng)“19”）催芽后移植于盆栽土壤中。每盆小麥播種量約10株。前期采用稱質(zhì)量法維持土壤相對(duì)含水率在80%，待作物生長(zhǎng)至抽穗期（6月初）停止?jié)菜S后開展為期10 d的自然干旱脅迫試驗(yàn)，試驗(yàn)期間采用稱質(zhì)量法測(cè)定土壤含水率。干旱脅迫試驗(yàn)期間采集小麥葉片保存于?80 ℃冰箱中，用于生理生化指標(biāo)的測(cè)定。

1.2 測(cè)試方法

土壤基本理化性質(zhì)測(cè)定[15]：pH值采用電位計(jì)法測(cè)定，土水質(zhì)量比為1:2.5；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；有效磷采用碳酸氫鈉溶液浸提，鉬銻抗比色法測(cè)定；速效鉀采用乙酸銨浸提，火焰光度計(jì)法測(cè)定；全氮和有機(jī)質(zhì)分別采用半微量凱氏定氮法和丘林法測(cè)定。土壤容重及田間持水量采用環(huán)刀法（威爾克斯法）測(cè)定。

作物生理指標(biāo)測(cè)定[16]：剪取健壯小麥葉片于硬質(zhì)石英管中，用蒸餾水浸泡8 h后于105 ℃條件下殺青，并在75 ℃烘干至恒質(zhì)量，前后質(zhì)量用于計(jì)算小麥葉片相對(duì)含水率（%），計(jì)算公式如下：

葉片相對(duì)含水率(%)=(?)/(?)×100

式中為采取葉片鮮質(zhì)量，g；為葉片飽和吸水后的濕質(zhì)量，g；為葉片烘干后的干質(zhì)量，g。

氣孔導(dǎo)度采用光合測(cè)定儀LI-6400XT（美國(guó)LI-COR）于晴朗天氣09:00－11:00測(cè)定；脯氨酸（proline，PRO）采用磺基水楊酸浸提，酸性茚三酮顯色法測(cè)定；可溶性蛋白（soluble protein，SPR）含量采用考馬斯亮藍(lán)G-250比色法測(cè)定；丙二醛（malonaldehyde，MDA）采用硫代巴比妥酸法測(cè)定；過(guò)氧化氫（H2O2）含量采用分光光度法測(cè)定。抗氧化酶系活力測(cè)定：過(guò)氧化氫酶（catalase，CAT）采用紫外吸收法測(cè)定；超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）采用氮藍(lán)四唑法測(cè)定；過(guò)氧化物酶（peroxidase，POD）采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定；抗壞血酸氧化物酶（ascorbate peroxidase，APX）和谷胱甘肽還原酶（glutathione reductase，GR）等酶活性均參照李合生等[16]的方法進(jìn)行測(cè)定。過(guò)氧化氫含量和抗氧化酶系活力所需試劑盒由南京建成生物工程研究所提供。

改性物料微觀形態(tài)表征：采用Hitachi S-4800型（日本日立）單束掃描電鏡對(duì)樣品進(jìn)行觀察，掃描成鏡成像電壓為3.0 kV，最高分辨率可達(dá)1 nm。分別在放大倍數(shù)為1 000、10 000和45 000倍下采集樣品圖像信息。

改性物料晶型結(jié)構(gòu)分析（X衍射分析）：采用CW-1Y型（北京普析）X射線衍射儀。工作條件為：石墨單色器，銅靶（X射線波長(zhǎng)=1.540 6 nm），管壓36.0 kV，管流20.0 mA，連續(xù)掃描角度2（為入射X射線與相應(yīng)晶面的夾角）為5°～80°，步長(zhǎng)0.02°/步，掃描速度4°/min。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)及圖表處理采用Microsoft Excel 2007和Origin 8.0。數(shù)據(jù)依托SPSS 17.0軟件，采用LSD法進(jìn)行多重比較，檢驗(yàn)不同處理間的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 粉煤灰、秸稈碳及秸稈微觀形貌特征

圖1a～圖1c顯示粉煤灰主要以直徑2.5m的多孔球形顆粒存在，表面富含大量毛管孔隙；玉米秸稈碳（圖1d～圖1f）呈塊狀，其體積與粉煤灰相比較大，但可視性毛管孔隙相對(duì)較少。秸稈（圖1g～圖1o）與秸稈碳表觀較為相似，隨著腐解時(shí)間的延續(xù)呈現(xiàn)破碎化的趨勢(shì)。

注：FA為粉煤灰；SC為玉米秸稈碳；SR為玉米秸稈；SR-30為腐解30 d的玉米秸稈；SR-60為腐解60 d的玉米秸稈。下同。

X射線衍射圖譜顯示粉煤灰（圖2a）礦物結(jié)晶度較高，主要以石英和莫來(lái)石為主。秸稈（圖2c）及秸稈腐解產(chǎn)物（圖2d～圖2e）均含有芳香碳、脂肪碳及低結(jié)晶度的纖維碳。秸稈碳（圖2b）與秸稈相比芳香碳保持較好峰型，脂肪碳峰消失；低結(jié)晶度纖維碳依然存在，但峰高降低較為明顯。

注：q為入射X射線與相應(yīng)晶面的夾角。

2.2 不同改性措施下土壤的持水特征

選擇小麥生長(zhǎng)需水量較大的抽穗期開展為期10 d的干旱脅迫試驗(yàn)。圖3a顯示土壤相對(duì)含水率隨干旱脅迫時(shí)間增加而呈明顯下降趨勢(shì)，不同改良劑處理間的差異較大。秸稈及秸稈碳處理土壤相對(duì)含水率變化差異較小，均明顯高于對(duì)照，粉煤灰處理下的土壤相對(duì)含水率低于對(duì)照。

經(jīng)擬合土壤相對(duì)含水率變化符合一元二次方程（表1），即在干旱脅迫期間（0~10 d），土壤相對(duì)含水率隨著干旱脅迫時(shí)間（）的增加呈規(guī)律性下降（2≥0.97）。方程的一階導(dǎo)數(shù)的絕對(duì)值反映了在不同干旱脅迫時(shí)間（）下土壤相對(duì)含水率下降程度的大小。干旱脅迫期間（0～10 d）土壤相對(duì)含水率呈明顯下降趨勢(shì)，且處理間有明顯的差異。依據(jù)一階導(dǎo)數(shù)可發(fā)現(xiàn)干旱脅迫初期（0 d）不同改性處理土壤相對(duì)含水率下降速率（一階導(dǎo)數(shù)絕對(duì)值）呈FA（10.84）> CK（8.19）>SR（6.50）>SC（6.12），大小、趨勢(shì)均明顯不同于極端干旱脅迫下（10 d）的土壤相對(duì)含水率下降速率（SC（4.31）>SR（3.47）>CK（2.64）>FA（0.96））。結(jié)合土壤相對(duì)含水率（圖3a）可發(fā)現(xiàn)SR和SC處理的土壤保水能力相對(duì)較強(qiáng)，而FA處理則相對(duì)加速了土壤水的流失。

2.3 不同改性措施下小麥葉片相對(duì)含水率對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)

小麥葉片相對(duì)含水率（圖3b）呈現(xiàn)先迅速降低，隨后緩慢下降，再迅速下降的趨勢(shì)。前期（＜5 d），不同改性處理下的葉片相對(duì)含水率均明顯高于對(duì)照，但在后期各處理差異較大，呈現(xiàn)SC>SR>CK>FA的趨勢(shì)。SR和SC處理與CK相比都提高了葉片相對(duì)含水率，而FA處理則在干旱脅迫后期顯著降低了葉片相對(duì)含水率。

擬合結(jié)果（表1）顯示干旱脅迫下小麥葉片相對(duì)含水率與干旱脅迫時(shí)間的變化關(guān)系符合一元三次方程。該方程一階導(dǎo)數(shù)絕對(duì)值用來(lái)表示葉片相對(duì)含水率下降速率大小，其隨著干旱脅迫時(shí)間（）的增加呈現(xiàn)先減小再增大的趨勢(shì)。一階導(dǎo)數(shù)結(jié)果顯示FA處理率先（第2.75 天）達(dá)到葉片相對(duì)含水率下降速率的最小值。此時(shí)（2.75 d），F(xiàn)A處理對(duì)應(yīng)的土壤相對(duì)含水率為53.81%，與CK（50.48%）相差較小，但明顯低于SC（56.81%）和SR（60.79%）處理。

2.4 不同改性措施對(duì)干旱脅迫下小麥氣孔導(dǎo)度的影響

圖3c結(jié)果顯示經(jīng)過(guò)10 d的干旱脅迫，小麥氣孔導(dǎo)度與葉片相對(duì)含水率變化規(guī)律差異較大，總體呈相反規(guī)律，即先增加，再迅速降低，最終停止下降并趨于平衡。FA處理與CK相比對(duì)小麥氣孔導(dǎo)度影響較小，SR處理下的小麥氣孔導(dǎo)度明顯低于CK，但高于SC處理。

干旱脅迫下小麥氣孔導(dǎo)度隨著干旱脅迫時(shí)間的變化規(guī)律經(jīng)一元三次方程擬合達(dá)到極顯著相關(guān)（表1）。擬合方程的一階導(dǎo)數(shù)絕對(duì)值呈現(xiàn)先減小、后變大、再次降低并趨向于0的變化規(guī)律。1、3分別代表小麥氣孔導(dǎo)度最大、最小（氣孔關(guān)閉）時(shí)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，而一階導(dǎo)數(shù)絕對(duì)值最大時(shí)則代表氣孔導(dǎo)度下降速率最大時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)（2）。結(jié)果顯示（表1）土壤相對(duì)含水率(1) 為63.56%～75.69%時(shí)葉面氣孔導(dǎo)度達(dá)到最大；土壤相對(duì)含水率(2) 為36.56%～51.53%的情況下氣孔導(dǎo)度下降速率最大，而低于30% 時(shí)氣孔導(dǎo)度則不再發(fā)生變化。經(jīng)過(guò)不同的改性處理，各臨界點(diǎn)土壤相對(duì)含水率的變化總體呈現(xiàn)FA略低于CK，明顯低于SC和SR處理。當(dāng)小麥葉片氣孔徹底關(guān)閉時(shí)各處理土壤相對(duì)含水率(3) 分別為23.92%（CK）、22.55%（FA）、30.78%（SC）和28.43%（SR）。

注：**，<0.01；為干旱脅迫時(shí)間，d；1為小麥氣孔導(dǎo)度最大對(duì)應(yīng)的時(shí)間，d；2為小麥葉片相對(duì)含水率和氣孔導(dǎo)度下降速率最大時(shí)的時(shí)間，d；3為小麥氣孔導(dǎo)度最小時(shí)的時(shí)間，d；樣本數(shù)為11。

Note: **,< 0.01;is drought stress, d;1is time corresponding to maximum stomatal conductance of wheat, d;2is time corresponding to maximum decline rate of relative water content and stomatal conductance of wheat leaves, respectively, d;3is the time when wheat stomatal conductance ceases to decline, d; sample size is 11.

2.5 干旱脅迫對(duì)小麥生理調(diào)節(jié)物質(zhì)及相關(guān)輔酶的影響

經(jīng)過(guò)一定時(shí)期的干旱脅迫（表2），第8 天與第3 天相比，小麥葉片中脯氨酸（proline，PRO）和過(guò)氧化氫（hydrogen peroxide，H2O2）含量累積較為明顯，可溶性蛋白（soluble protein，SPR）和丙二醛（malonaldehyde，MDA）含量變化相對(duì)較小。在不同的改性措施下，PRO含量和SPR含量均無(wú)明顯差異。常規(guī)氮磷鉀配施下的FA處理隨著干旱脅迫時(shí)間的增加更易于提高葉片MDA和H2O2含量。值得注意的是在干旱脅迫下葉片中H2O2含量變化與MDA相比要敏感的多。在干旱脅迫3 d，F(xiàn)A和CK處理葉片H2O2含量有明顯的累積特征；干旱脅迫8 d，F(xiàn)A處理葉片H2O2含量要顯著高于干旱脅迫初期（3 d）及CK和SR處理。

作物體內(nèi)活性氧的累積受到抗氧化酶系統(tǒng)的調(diào)控。表2結(jié)果顯示，干旱脅迫3 d后葉片超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、過(guò)氧化物酶（peroxidase，POD）和過(guò)氧化氫酶（catalase，CAT）活性在處理間差異不顯著（＞0.05），但在強(qiáng)烈干旱脅迫下（8 d）FA處理的SOD、POD和CAT酶活性要顯著高于其余處理（＜0.05）。盡管干旱脅迫初期（3 d）葉片中抗壞血酸氧化物酶（ascorbate peroxidase，APX）和谷胱甘肽還原酶（glutathione reductase，GR）活性在處理間的變化無(wú)明顯規(guī)律，但隨著干旱脅迫時(shí)間增加，F(xiàn)A處理葉片APX、GR酶活力要顯著高于其余處理。經(jīng)過(guò)干旱脅迫和不同改性處理，葉片抗氧化酶活性變化與小麥葉片H2O2累積特征一致。

2.6 不同改性措施下土壤的水分特征曲線

土壤相對(duì)含水率與小麥氣孔導(dǎo)度間的協(xié)同關(guān)系能較好地反應(yīng)土壤水有效性[17]。依據(jù)水分特征曲線的變化特征可將土壤水劃分為速效水、緩效水和遲效水。干旱脅迫初期（圖4），土壤相對(duì)含水率下降較快，但土壤氣孔導(dǎo)度并未發(fā)生太大變化，土壤水主要以速效水的形式存在；隨后則出現(xiàn)水分下降緩慢，但氣孔導(dǎo)度快速下降的現(xiàn)象，作物吸水存在一定困難，土壤水主要以緩效水的形式存在。當(dāng)氣孔導(dǎo)度低于0.02 mol/(m2·s) 時(shí)，土壤相對(duì)含水率的下降則不會(huì)造成氣孔導(dǎo)度太大的變化，土壤水主要以遲效水的形式存在。

表2 干旱脅迫對(duì)小麥生理調(diào)節(jié)物質(zhì)及相關(guān)輔酶的影響

注：同天各處理間的不同小寫字母代表在5%水平差異顯著；酶指標(biāo)均以蛋白質(zhì)計(jì)。

Note: Different lowercase letters represent significant difference at 5% level among treatments on same day; enzyme index is calculated based on protein.

注：圖中散點(diǎn)為實(shí)測(cè)值，實(shí)線為趨勢(shì)線。

土壤速效水（圖4）占土壤相對(duì)含水率（速效水占比）的33.8%～53.9%，高于緩效水占比（21.6%～28.0%）和遲效水占比（FA 24.5%、SC 36.5%、SR 38.2%）。土壤緩效水和速效水累積占比可達(dá)75%，且以速效水為主。經(jīng)過(guò)不同改性措施土壤速效水呈現(xiàn)SC

3 討 論

砂姜黑土是一種典型變性土，田間持水量約為32%，這要明顯低于相同區(qū)域潮土的田間持水量（50%～70%）。由于該類型土壤富含大量黏粒，擁有大量的毛管孔隙，土壤水有效性較低[3,17-18]，因此，該類型土壤障礙因子的消減關(guān)鍵之一在于土壤有效水分庫(kù)容的提升。

秸稈、生物質(zhì)炭及粉煤灰是目前較為常見(jiàn)的土壤改良劑。相關(guān)研究認(rèn)為秸稈碳及秸稈還田處理均會(huì)提高土壤持水性能[3, 14]，這與先前研究結(jié)果較為一致[19]。由于秸稈還田促進(jìn)砂姜黑土有機(jī)質(zhì)累積需要較長(zhǎng)時(shí)間，短期內(nèi)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)及持水性能的影響主要與其腐解及半腐解產(chǎn)物有關(guān)[14,20-21]。秸稈及其腐解產(chǎn)物與秸稈碳相比除了含有相似的晶型物質(zhì)外（圖1a），還富含大量烷基碳、烷氧碳、芳香碳和羧基碳[21]，但2類物質(zhì)對(duì)土壤持水性能的影響并無(wú)差異。這可能是玉米秸稈腐解或碳化過(guò)程中依然保持了原有的孔隙結(jié)構(gòu)。粉煤灰與秸稈碳相比同屬惰性改性物質(zhì)，但前者與后者對(duì)土壤持水性能的影響有著截然不同的效果。雖然粉煤灰顆粒表面含有大量毛管孔隙，但顯著降低了土壤的持水性能。一方面與其表面的晶型礦物有關(guān)，晶型二氧化硅和莫來(lái)石均具有明顯的疏水特征；另一方面有研究表明粉煤灰表面微小的毛管孔隙并非有效孔隙。Lu等[3]研究結(jié)果顯示粉煤灰有效孔隙主要分布于1～10m之間，而生物碳有效孔隙則主要分布在<1m，>10m范圍內(nèi)。粉煤灰與秸稈碳相比含有持水較強(qiáng)的毛管孔隙明顯偏少。

冬小麥抽穗期生長(zhǎng)旺盛，對(duì)水分的需求較大，而這一時(shí)期降雨量往往偏少，極易發(fā)生干旱現(xiàn)象[6]。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)小麥在抽穗期隨著干旱脅迫時(shí)間的增加葉片相對(duì)含水率和土壤相對(duì)含水率均有明顯的下降，但葉片相對(duì)含水率的下降速率呈先減少后增加的趨勢(shì)，而氣孔導(dǎo)度則呈現(xiàn)先增加后減少的規(guī)律，最終不再發(fā)生變化（圖3c）。這表明作物應(yīng)對(duì)干旱脅迫時(shí)有明顯的自我調(diào)節(jié)功能，干旱脅迫初期作物通過(guò)開放氣孔增加吸水能力，隨之選擇性關(guān)閉氣孔減少葉面水分的蒸騰；在極端干旱的情況下，作物將關(guān)閉氣孔，進(jìn)而失去自我調(diào)節(jié)能力，并有可能對(duì)作物產(chǎn)生不可逆的傷害[22-23]。

作物抗干旱脅迫的自我調(diào)節(jié)能力在細(xì)胞膜滲透壓調(diào)節(jié)物質(zhì)（如脯氨酸等）、過(guò)氧化物及相關(guān)有害物質(zhì)清除系統(tǒng)輔酶的變化上得到了進(jìn)一步驗(yàn)證。脯氨酸是作物受到干旱脅迫，維持細(xì)胞膜內(nèi)外滲透壓平衡的重要調(diào)節(jié)物質(zhì)；可溶性蛋白主要與細(xì)胞膜的損傷、相關(guān)物質(zhì)溶出有關(guān)；丙二醛、過(guò)氧化氫的積累則對(duì)作物有較大的傷害，其含量高低是反應(yīng)干旱脅迫程度大小的重要指標(biāo)[24-25]。干旱脅迫在造成作物體內(nèi)活性氧累積的同時(shí)，也會(huì)受到抗氧化酶系的調(diào)控。在超氧化物歧化酶的作用下活性氧快速歧化為H2O2和O2，最終在過(guò)氧化物酶和過(guò)氧化氫酶的進(jìn)一步催化作用下形成H2O[24-25]。抗壞血酸過(guò)氧化物酶和谷胱甘肽還原酶則主要催化作用于葉綠體內(nèi)的活性氧。隨著干旱脅迫時(shí)間的增加，典型膜滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)脯氨酸和有害物質(zhì)過(guò)氧化氫含量均有明顯累積（表2）。其中，過(guò)氧化氫的累積特征與抗氧化酶含量變化規(guī)律較為一致。

不同的改性措施明顯緩解了干旱對(duì)作物的脅迫。在輕度干旱脅迫作用下，秸稈、秸稈碳和粉煤灰處理均提高了小麥葉片相對(duì)含水率，且此時(shí)抗干旱調(diào)節(jié)物質(zhì)和相關(guān)輔酶含量均與對(duì)照無(wú)明顯差異；當(dāng)遭遇極端干旱脅迫時(shí)，秸稈及秸稈碳處理小麥葉片相對(duì)含水率依然高于對(duì)照，明顯不同于粉煤灰處理下的小麥葉片相對(duì)含水率的變化特征。粉煤灰處理下的小麥葉片相對(duì)含水率下降較快，含量明顯低于對(duì)照，且丙二醛、過(guò)氧化氫含量及抗氧化酶系的活性均顯著高于其余處理。其中丙二醛含量的增加，說(shuō)明植物細(xì)胞膜質(zhì)過(guò)氧化程度高，細(xì)胞膜受到的傷害嚴(yán)重[24-25]，即表明在粉煤灰處理下小麥經(jīng)過(guò)極端干旱脅迫，其生理已經(jīng)受到不可逆的傷害。

土壤水分調(diào)節(jié)關(guān)鍵在于明確作物需水與土壤水有效性間的耦合關(guān)系。該類型土壤速效水和緩效水累積占比可達(dá)75%（圖4），且以速效水為主。這與先前的研究結(jié)果“典型砂姜黑土結(jié)構(gòu)段孔隙（大孔隙）、毛管孔隙含量較高，而中度孔隙相對(duì)較少”是一致的[19]。存在于大孔隙的速效水活性雖然較高，但很容易在干旱脅迫下因蒸騰、蒸發(fā)作用迅速流失，而存在于毛管孔隙的遲效水則因土壤吸力較大而有效性較低[3,19]。該類型土壤緩效水含量較低，土壤的抗旱性能相對(duì)較弱。在不同改性措施下，秸稈、秸稈碳提高了土壤緩效水和遲效水占比，尤其是遲效水占比，這與粉煤灰處理的變化規(guī)律是相反的。經(jīng)粉煤灰處理小麥氣孔關(guān)閉時(shí)土壤相對(duì)含水率與遲效水相差較小，而其余處理下此臨界含水率則低于土壤遲效水含量約8%（圖4與表1）。部分遲效水對(duì)作物依然有效，但在粉煤灰的作用下明顯消失。典型砂姜黑土黏粒含量較高，且以蒙脫石為主。蒙脫石是一種典型2:1型黏土礦物，層與層含有較多的疏水性的硅氧鍵[3,18]。因此，該類型土壤毛管孔隙主要由黏粒間的孔隙和層間納米空隙（層間距<1.0 nm）組成。由于粉煤灰含有相對(duì)較少的有效毛管孔隙，且顆粒表面礦物結(jié)晶度較高，粉煤灰的添加有可能破壞黏土礦物間的內(nèi)聚力，使土壤變得更為分散，進(jìn)而顯著降低了土壤毛管孔隙的百分含量。

綜合以上研究結(jié)果，添加3%的秸稈碳和粉煤灰并不足以改變土壤機(jī)械組成，主要通過(guò)其自身性質(zhì)及其與土壤黏土礦物間的相互作用影響土壤水的有效性。在相關(guān)文獻(xiàn)及田間長(zhǎng)期定位田間試驗(yàn)結(jié)果均顯示長(zhǎng)期秸稈還田可提高土壤田間持水量總量的10%左右[14,19]。秸稈還田對(duì)土壤水的影響不僅局限于毛管孔隙，對(duì)速效水影響同樣不容忽視。從實(shí)際生產(chǎn)角度土壤水分應(yīng)不低于緩效水的含量，即秸稈、秸稈碳、粉煤灰處理土壤相對(duì)含水率應(yīng)分別維持在38%、36.5%和24.5%以上（圖4）；當(dāng)土壤相對(duì)含水率低于30.78%（SC）、28.43%（SR）和22.5%（FA）時(shí)（表1），小麥氣孔將完全關(guān)閉，對(duì)作物生理產(chǎn)生不可逆的傷害。由于秸稈與秸稈碳顯著提升了毛管孔隙含量，增強(qiáng)了保水能力，而粉煤灰處理因明顯降低毛管孔隙分布呈現(xiàn)富水（提高有效性）不保水的現(xiàn)象，粉煤灰與秸稈、秸稈碳的有機(jī)組合將更適應(yīng)于土壤結(jié)構(gòu)改善，水養(yǎng)增容的生產(chǎn)需求。相關(guān)機(jī)制值得進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

基于砂姜黑土黏粒含量較高，土壤有效水庫(kù)容較小的現(xiàn)狀，采用盆栽模擬試驗(yàn)研究了秸稈（SR）、秸稈碳（SC）和粉煤灰（FA）的施用對(duì)砂姜黑土水分特征及小麥生理的影響，研究結(jié)果顯示：

1）秸稈及秸稈碳的施用增強(qiáng)了土壤的持水性能，提高了土壤緩效水和遲效水占比；粉煤灰處理降低了土壤遲效水占比，提高了土壤速效水占比，在干旱脅迫下土壤水的下降速率明顯高于對(duì)照及秸稈、秸稈碳處理。

2）在輕度干旱脅迫下，小麥葉片相對(duì)含水率均高于對(duì)照，作物體內(nèi)脯氨酸、丙二醛和過(guò)氧化物清除輔酶活性均無(wú)顯著差異。隨著干旱脅迫的進(jìn)一步加劇，秸稈和秸稈碳處理葉片相對(duì)含水率下降有明顯增加的趨勢(shì)，但依然高于對(duì)照；粉煤灰的添加則造成葉片相對(duì)含水率明顯低于對(duì)照處理，并積累大量丙二醛、過(guò)氧化氫，作物生理受到不可逆?zhèn)Α?/p>

從實(shí)際生產(chǎn)角度上，秸稈、秸稈碳、粉煤灰處理土壤相對(duì)含水率應(yīng)分別維持在38%、36.5%和24.5%以上，當(dāng)土壤相對(duì)含水率低于30.78%（SC）、28.43%（SR）和22.5%（FA）時(shí)將會(huì)對(duì)作物生理產(chǎn)生不可逆的傷害。

由于秸稈與秸稈碳顯著提升了毛管孔隙含量，有較強(qiáng)保水能力，而粉煤灰處理因明顯降低毛管孔隙分布呈現(xiàn)富水（提高有效性）不保水的現(xiàn)象，粉煤灰與秸稈、秸稈碳的有機(jī)組合將更適應(yīng)于土壤結(jié)構(gòu)改善，水養(yǎng)增容的生產(chǎn)需求。相關(guān)機(jī)制值得進(jìn)一步研究。

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Effects of straw or fly ash addition on water holding capacity of typical Shajiang black soil and drought stress tolerance in wheat

Wang Qingyun1,2, He Yongxia1, Chen Jing1, Kong Haiyan1, Chai Rushan1, Zha Wei1, Gao Hongjian1※, Ma Donghao2, Zhang Jiabao2

(1.230036; 2.,210008,

Shajiang black soil is a typical middle and low production soil in Huang-Huai-Hai Plain. Crop production has been seriously restricted due to the high clay contents and low available water capacity of Shajiang black soil, this paper studied the effects of different modified materials on soil water holding capacity and wheat physiology of anti-drought stress by wheat pot experiment carried out in March 2018, in order to provide technical supports for farmland water managements. According to local field fertilization and water management modes, 4 treatments were designed in wheat pot experiment: chemical NPK fertilizer (CK), chemical NPK fertilizer with maize straw returning (SR), chemical NPK fertilizer with maize straw carbon (SC), and chemical NPK fertilizer with fly ash (FA). Referring to conventional amount of applying fertilizer in northern farmland in Anhui province, the application amounts of chemical fertilizer were 225 kg/hm2(N), 120 kg/hm2(P2O5), and 60 kg/hm2(K2O), respectively, and the application amounts of fly ash, maize straw carbon, and maize straw returning to field were 45×103kg/hm2, 45×103kg/hm2and 6×103kg/hm2, respectively. As for wheat pot experiment, in each pot, about 10 wheat seeds were transplanted into 30 kg soil after accelerating seeds germination. Soil relative water content was maintained at 80% field capacity until heading stage. When wheats grew up to the heading stage, irrigation stopped and then a drought stress experiment was carried out for 10 days. Wheat leaves collected regularly were stored at -80 ℃ so as to determine wheat physiological and biochemical index. The results showed that both SC and SR improved soil water holding capacity, but both was not significantly different. Owing to the abundance of large amount of hydrophobic crystal minerals like the crystallographic silicon dioxide in the surface of fly ashes, FA had a fast decrease in relative soil water content. The delayed water content of FA was significantly lower than the other treatments, while the available water content was significantly improved. What’s more, different modification materials all had the tendency to increase saturated water content and alleviate the impairments of wheat leaves caused by drought stress. Under mild drought stress, the saturated water content of wheat leaves was higher than that of the control group, but no significant difference was found in the contents of proline (PRO), malondialdehyde (MDA), hydrogen peroxide (H2O2) and peroxide scavenging coenzyme in the wheats among the four treatments. However, under extreme drought stress, not only was FA significantly lower than the other treatments in wheat leaves saturated water content, but also FA treatments accumulated more harmful substances like MDA and H2O2in wheats, which could lead to irreversible damages to wheat physiological conditions. In conclusion, the relative water content of Shajiang black soil was suggested to keep above 38% (SR), 36.5% (SC) and 24.5% (FA), respectively. The plant physiology would get irreversible damage if relative soil water content was under 30.78% (SC), 28.43% (SR) and 22.5% (FA), respectively. Because straws have better performance in holding water by significantly improving the content of soil capillary pore, and fly ashes can do better in providing more available water for soil in spite of holding water poorly, combined application of straws and fly ashes will be conducive to the improvement of Shajiang black soil. Relevant mechanism need to be furtherly studied.

soils; moisture; drought; Shajiang black soil; improvement; water characteristic; plant physiology

王擎運(yùn)，何詠霞，陳 景，孔海燕，柴如山，查 偉，郜紅建，馬東豪，張佳寶. 秸稈或粉煤灰添加對(duì)砂姜黑土持水性及小麥抗干旱脅迫的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(2)：95－102.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.012 http://www.tcsae.org

Wang Qingyun, He Yongxia, Chen Jing, Kong Haiyan, Chai Rushan, Zha Wei, Gao Hongjian, Ma Donghao, Zhang Jiabao. Effects of straw or fly ash addition on water holding capacity of typical Shajiang black soil and drought stress tolerance in wheat[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(2): 95－102. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.012 http://www.tcsae.org

2019-11-06

2019-12-30

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFD0300801，2018YFD0800301）；土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（Y20160014）；耕地培育技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室開放基金（201705）；省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201810364201）

王擎運(yùn)，副教授，博士，主要從事中低產(chǎn)田障礙因子消減機(jī)理研究。Email：qywang@ahau.edu.cn

郜紅建，教授，博士，主要從事農(nóng)業(yè)資源高效利用與地力提升相關(guān)研究。Email：hjgao@ahau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.012

S156

A

1002-6819(2020)-02-0095-08