畦溝墊鋪水稻秸稈對大棚春夏茬芹菜產量品質及土壤性質的影響

楊倩倩, 江解增, 吳桓銳, 呂艷, 蔡秀健, 鄭子健

(揚州大學 水生蔬菜研究室, 江蘇 揚州 225009)

我國設施蔬菜面積占設施園藝面積達95%以上, 設施蔬菜的發展狀況基本代表了我國設施園藝發展的整體情況。但由于部分農業從事人員片面追求高產, 栽培管理水平低、設施內常年種植作物種類單一、過度施入肥料、不合理灌溉等措施, 導致耕層土壤次生鹽漬化、營養元素失衡、土壤酸化、連作障礙、農業面源污染等問題[1]。

有研究發現, 水旱輪作模式可以通過灌水使得表層土壤鹽分下滲, 提高土壤微生物數量和活性,緩解設施內土壤鹽漬化、酸化、病害等問題[2]。但由于設施建設及水資源的限制, 土地長期淹水難度較大, 而部分水生蔬菜如濕栽水芹[3]在生長過程中只需要保持土壤充分濕潤, 生長栽培過程中操作相對容易, 生產成本也較低。秸稈還田是改良土壤性質的重要措施, 也是秸稈的重要利用途徑[4]。有研究表明, 花卉秸稈可以緩解硝酸鹽污染[5],秸稈將土壤表層的硝酸鹽固定, 使得深層土壤的硝態氮沒有增加[6], 再經過一段時間秸稈分解, 土壤中的無機氮由凈固定轉向凈釋放, 提高土壤中的全氮含量。設施內高溫高濕環境促進微生物繁殖、提高秸稈腐解率、消耗土壤中富余養分。利用這一特點, 秸稈可用來緩解以硝酸鹽為主要類型的鹽漬化土壤。實驗室前期在大棚開展濕旱輪作、濕潤栽培芋頭并結合畦溝內墊鋪截段麥秸稈, 結果表明,芋頭產量明顯提高, 硝態氮含量下降, 能夠緩解土壤鹽漬化。但濕生蔬菜種植面積有限, 難以大面積應用。

本試驗選用生長過程中需水量較大的芹菜進行濕潤栽培, 在畦溝內墊鋪水稻秸稈, 比較分析不同覆蓋量的水稻秸稈對畦面和畦溝表層及蔬菜根系吸收層等不同土層土壤總鹽分及硝態氮含量種植前后變化, 是否能夠像水生蔬菜濕潤栽培一樣能夠明顯降低土壤表層的土壤鹽分和硝態氮含量, 是否能緩解由于過量施肥導致的土壤鹽漬化, 并尋求最佳秸稈覆蓋量。

秸稈還田是一個長期過程, 秸稈中的纖維素類物質分解速度比較慢, 對下茬作物增產不明顯, 同時高覆蓋量的腐解速率很低、養分釋放速度慢、腐解時間長[7]。設施葉菜生長周期短, 復種指數高,腐熟不完全的秸稈不僅沒有達到增產、緩解土壤鹽漬化的效果, 反而在進入土壤后造成有機酸的積累。秸稈還田是改良土壤性質的重要措施, 也是秸稈的重要利用途徑[8], 還將秸稈中的草籽、蟲卵、病原體等通過還田帶入土壤, 帶來一系列的病蟲害問題, 推廣受到限制[9]。如何加快秸稈腐解成為秸稈還田中著重考慮的問題[10], 秸稈腐解菌可以加快秸稈腐解速度, 為了更好掌握在施用秸稈腐解菌后水稻秸稈的腐解效應和最佳秸稈腐解菌施用量, 在橫向畦溝內套作秸稈腐解菌試驗, 比較分析秸稈腐解菌對秸稈腐解速率的影響、對秸稈中養分釋放速率和土壤鹽漬化的緩解效果, 為緩解設施生產中的土壤鹽漬化和秸稈不適當處理造成的環境問題等提供有效解決途徑。

1 材料與方法

試驗于2021 年3—7 月在揚州大學水生蔬菜試驗大棚內進行, 大棚長16 m, 寬5 m, 試驗總面積共80 m2。每個小區畦面長3 m、寬0.8 m, 溝寬40 cm、深35 cm。選用揚州大學農學院試驗田南粳46 號的水稻秸稈做畦溝墊鋪不同覆蓋量水稻秸稈和不同施用量腐解菌試驗, 不同量水稻秸稈試驗按每667 m2500 kg (折合2.69 kg)、750 kg (折合4.05 kg) 和1 000 kg (折合5.40 kg) 覆蓋量均勻覆蓋于芹菜大棚縱向畦溝內, 水稻秸稈長度約30 cm, 以秸稈不還田為對照, 3 次重復, 隨機區組設計。不同施用量腐解菌試驗選用淮安柴米河農業科技公司提供的秸稈腐解菌, 在橫向畦溝內按每667 m21 000 kg (折合5.40 kg) 覆蓋水稻秸稈,按每667 m22、3 和4 kg 施用秸稈腐解菌, 以不施用秸稈腐解菌為對照, 3 次重復, 隨機區組設計。

3 月15 日整地作畦, 棚內每667 m2撒入腐熟農家肥3 500 kg 和45%三元復合肥 (N、P、K 分別為15%、15%、15%) 50 kg 作基肥, 取試驗前土并在畦溝墊鋪水稻秸稈。3 月16 日播種, 播種量按每667 m2300 g 進行撒播, 播種后經常噴淋補水保持畦面土壤濕潤, 每次噴淋以畦面充分濕潤、不覆蓋秸稈的畦溝內有少量積水時停止。其間根據長勢分別于4 月16 日、6 月16 日每667 m2追施20 kg 尿素。7 月20 日采收, 取種植后土。7 月21日將水稻秸稈未完全腐解的部分取出洗凈曬干稱重測定腐解率。

芹菜按小區采收并測產, 小區測產面積為3.6 m2, 選取部分全株及莖稈稱鮮重并裝袋, 置烘箱內105 ℃殺青30 min, 然后75 ℃烘至恒重并稱干重磨細待測。芹菜全氮含量采用凱氏定氮法(H2SO4-H2O2消煮) 測定; 全磷含量采用NaOH 熔融-鉬銻抗比色法測定; 全鉀含量采用NaOH 熔融-火焰光度法測定; 以上指標測定均按 《土壤農化分析》[11]的方法進行。總黃酮含量、總酚含量和1, 1-二苯基-2-三硝基苯肼 (DPPH) 自由基清除率按照前人方法測定[10-11]; 粗纖維含量按國家標準法 (GB/T 5009.10—2003) 測定。試驗實施前采用五點取樣法取芹菜種植前后土壤深度約10 cm和20 cm 的表層土, 剔除植株根系及石塊, 100 g左右土樣除5 g 左右鮮樣保存外其余風干磨細待測。土壤全磷、鉀與植株測定方法相同; 土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定; 速效磷含量采用鉬銻抗比色法測定; 速效鉀含量采用火焰分光光度法測定; 土壤硝態氮含量采用紫外分光光度法[12]測定。用Excel 2007 和DPS 7.05 軟件進行數據整理與分析。

2 結果與分析

2.1 畦溝墊鋪水稻秸稈對芹菜產量品質和土壤性質的影響

2.1.1 稻秸稈腐解率

由表1 可知, 經過129 d 的腐解, 每667 m2500 kg 和750 kg 覆蓋水稻秸稈腐解率分別為82.53%和71.83%, 每667 m21 000 kg 覆蓋水稻秸稈腐解率為64.80%, 說明在設施高溫高濕加有氧發酵環境下, 秸稈高覆蓋量仍有較高腐解率。

表1 水稻秸稈腐解情況

2.1.2 畦溝墊鋪水稻秸稈對芹菜產量影響

由表2 可知, 畦溝墊鋪水稻秸稈的小區產量顯著高于對照, 墊鋪秸稈1 000 kg 的處理每667 m2的產量可達到3 242.98 kg, 各處理相較不在畦溝墊鋪秸稈增產6.07%、9.83%和12.18%, 說明在畦溝墊鋪秸稈, 秸稈腐解后釋放大量元素供植物吸收, 能達到增產的作用。

表2 畦溝墊鋪水稻秸稈對芹菜產量影響

2.1.3 畦溝墊鋪水稻秸稈對芹菜養分影響

由表3 可知, 3 次處理植株全氮含量均低于對照, 可能是秸稈腐解與植株爭奪氮肥。植株全磷和全鉀含量均高于對照, 說明秸稈腐解釋放了大量營養元素供植株吸收。對照硝酸鹽含量最高, 隨著水稻秸稈的覆蓋量增加, 植株內硝酸鹽含量降低。

表3 畦溝墊鋪水稻秸稈對芹菜養分影響 單位: mg·kg-1

2.1.4 畦溝墊鋪水稻秸稈對芹菜品質影響

由表4 可知, 各處理粗纖維含量均低于對照,說明畦溝墊鋪秸稈能促進植株粗纖維含量的降低,從而達到提高口感的效果, VC含量各處理之間無顯著差異, 黃酮含量均低于對照, 每667 m2500 kg處理總酚含量低于對照, 每667 m2750 kg 和1 000 kg 均高于對照, 3 個處理DPPH 含量均高于對照,說明畦溝墊鋪水稻秸稈能夠提高植株品質。

表4 畦溝墊鋪水稻秸稈對芹菜品質影響

2.1.5 畦溝墊鋪水稻秸稈對土壤養分的影響

由表5 可以看出, 3 個處理種植后硝態氮含量均低于對照種植前, 對照種植后則出現上升現象,說明秸稈還田對土壤中硝態氮含量的降低效果顯著, 可有效緩解土壤鹽漬化。各處理硝態氮畦面和畦溝0 ～＜10 cm 降幅較大, 畦面10 ～20 cm 降幅比較小, 可能是被蔬菜根系吸收所導致 (表6 ～7)。各處理有機碳含量種植后相比于種植前有所上升,對照種植后下降, 說明秸稈腐解可以顯著提高土壤有機質含量。速效磷、全磷、全鉀含量畦面0 ～20 cm 變化趨勢與有機碳含量一致, 對照畦溝0 ～＜10 cm 種植后也上升, 可能是噴淋時將畦面部分養分沖入畦溝。每667 m2500、750 kg 處理和對照組種植后畦面0 ～＜10 cm 速效鉀含量相比于種植前下降, 每667 m21 000 kg 處理上升, 說明高覆蓋量秸稈腐解后釋放更多的養分供植株吸收。

表5 畦溝墊鋪水稻秸稈對畦面0 ～＜10 cm 土壤養分的影響

2.1.6 畦溝墊鋪水稻秸稈對土壤EC 值的影響

由圖1 可知, 畦面0 ～＜10 cm 和畦溝0 ～＜10 cm的土壤EC 值3 個處理后均顯著低于處理前, 其中每667 m21 000 kg 處理降幅最大。對照畦面10 ～20 cm 和畦溝0 ～＜10 cm 種植后的土壤EC 值相較于種植前均增長, 對照畦溝0 ～＜10 cm 的EC 值高達1 294 μS·cm-1, 高于蔬菜正常生長的臨界值(EC5∶1=500 μS·cm-1)[13], 說明畦溝墊鋪水稻秸稈可以在一定程度上緩解土壤鹽漬化。

圖1 畦溝墊鋪水稻秸稈對土壤EC 值的影響

2.2 畦溝墊鋪水稻秸稈施用腐解菌對芹菜產量品質和土壤性質的影響

2.2.1 稻秸稈腐解率

由表8 可知, 經過129 d 的腐解, 每667 m2施用2、3 和4 kg 腐解菌秸稈腐解率分別為79.96%、84.62%和86.15%, 顯著高于對照, 說明秸稈腐解菌可以顯著提高秸稈腐解率, 且施用量與腐解率在一定程度上成正比。

表8 水稻秸稈腐解情況

2.2.2 畦溝墊鋪稻秸稈施用腐解菌對芹菜產量影響

由表9 可知, 施用秸稈腐解菌的小區產量顯著高于對照, 每667 m2施用4 kg 腐解菌的小區產量顯著高于其他兩個處理及對照, 各處理相較于不施用秸稈腐解菌增產0.90%、3.31%和4.27%, 說明秸稈腐解菌促進秸稈腐解, 秸稈腐解后釋放大量元素供植物吸收, 從而達到增產的作用。

表9 畦溝墊鋪水稻秸稈施用腐解菌對芹菜產量影響

2.2.3 畦溝墊鋪水稻秸稈施用腐解菌對芹菜養分影響

由表10 可知, 每667 m22 kg 腐解菌和3 kg 腐解菌處理的植株全氮含量均低于對照, 可能是秸稈腐解需要消耗氮, 與植株爭奪氮肥; 每667 m24 kg腐解菌處理全氮含量高于對照, 無顯著差異。植株全磷和全鉀含量均高于對照, 說明秸稈腐解可以釋放氮磷鉀等營養元素供植株生長吸收。

表10 畦溝墊鋪水稻秸稈施用腐解菌對芹菜養分影響 單位: mg·kg-1

2.2.4 畦溝墊鋪水稻秸稈施用腐解菌對芹菜品質影響

由表11 可知, 每667 m23 kg 和4 kg 處理粗纖維含量均低于對照, 每667 m22 kg 處理粗纖維含量高于對照, 但無明顯差異, 說明畦溝墊鋪秸稈能促進植株粗纖維的降低, 且秸稈腐解菌施用越多口感越好。每667 m23 kg 和4 kg 處理VC含量均顯著高于對照; 3 個處理黃酮和總酚含量均高于對照;DPPH 含量均低于對照, 說明畦溝墊鋪水稻秸稈,水稻腐解后釋放出的養分能夠提高植株品質。

表11 畦溝墊鋪水稻秸稈施用腐解菌對芹菜品質影響

2.2.5 畦溝墊鋪稻秸稈施用腐解菌對土壤養分的影響

如表12 ～14 所示, 3 個處理相較不施用秸稈腐解菌硝態氮含量降幅更大, 施用秸稈腐解菌加快秸稈腐解可以更快地將畦溝內的硝態氮固定起來, 再經過一段時間腐解, 轉化成全氮, 從而達到緩解土壤鹽漬化的效果。每667 m23 kg 和4 kg 處理畦面0～＜10 cm 有機碳、速效磷、速效鉀、全磷、全鉀含量種植后均高于種植前和對照, 說明秸稈腐解菌能加快秸稈腐解速率, 秸稈腐解后釋放大量養分供植株吸收。每667 m22 kg 處理畦面0 ～＜10 cm 種植后有機碳和速效鉀含量均低于對照種植后, 但667 m22 kg 處理畦面10 ～20 cm 種植后有機碳和速效鉀含量高于種植前和對照, 可能出現養分下滲情況。

表12 施用秸稈腐解菌對畦面0 ～＜10 cm 土壤養分的影響

表13 施用秸稈腐解菌對畦面10 ～20 cm 土壤養分的影響

表14 施用秸稈腐解菌對畦溝0 ～＜10 cm 土壤養分的影響

2.2.6 畦溝墊鋪稻秸稈施用腐解菌對土壤EC 的影響

由圖2 可知, 各處理畦面0 ～20 cm 和畦溝0 ～10 cm 的土壤EC 值處理后和對照均顯著低于種植前。畦面0 ～＜10 cm 的土壤EC 值處理后均顯著低于處理前, 其中每667 m24 kg 處理土壤EC 值最低, 為386 μS·cm-1, 在作物生長適宜范圍內,說明畦溝墊鋪水稻秸稈可以在一定程度上緩解土壤鹽漬化。

圖2 畦溝墊鋪稻秸稈施用腐解菌對土壤EC 的影響

3 結論與討論

在設施條件下, 經過129 d 的腐解, 每667 m2500 kg 水稻秸稈的處理腐解率為82.53%, 與嚴吳煒等[14]在大棚土表每667 m2覆蓋500 kg 水稻秸稈種植蕹菜, 盛夏茬口腐解率達89.11%, 低溫季節茬口腐解率也可達到75.33%的結果一致, 證實了設施高溫高濕能夠加速秸稈腐解的觀點。一些研究表明, 施用秸稈腐熟劑能夠明顯促進秸稈腐解[15],本研究表明, 在施用秸稈腐解菌后, 畦溝內的秸稈纖維被完全破壞, 組織軟化, 腐壞現象明顯, 加速秸稈腐解, 縮短秸稈腐解時間。在春夏季節667 m21 000 kg 覆蓋量的秸稈腐解率也能達到64.80%, 這與薩如拉等[16]

研究結果一致。近年來, 有不少研究表明, 秸稈還田所釋放的養分能夠使作物增產, 水稻秸稈覆蓋量試驗中, 產量隨著覆蓋量的增加而增加, 這與張昊等[17]的研究結果一致, 667 m2畦溝墊鋪1 000 kg 處理的產量最高, 每667 m2產量可達3 242.98 kg, 相較于對照, 增產12.18%。秸稈腐解菌促進秸稈腐解的同時, 也促進秸稈中養分釋放的速率, 從而達到增產的效果。667 m2施用4 kg 腐解菌的小區產量顯著高于其他兩個處理及對照, 各處理相較于不施用秸稈腐解菌增產0.90%、3.31%和4.27%。

本試驗還發現, 各處理植株全磷、全鉀含量均高于對照, 667 m22 kg 腐解菌和3 kg 腐解菌處理的植株全氮含量均低于對照, 可能是秸稈腐解需要消耗氮, 與植株爭奪氮肥。各處理的粗纖維含量均低于對照, 說明秸稈覆蓋后芹菜植株口感更嫩。黃酮、總酚作為蔬菜的保健型成分, 其含量均有部分高于對照, 秸稈覆蓋后芹菜植株品質也有所提高。對照硝酸鹽含量最高, 隨著水稻秸稈的覆蓋量增加, 植株內硝酸鹽含量也有所降低。

秸稈還田后為土壤帶入了養分, 增加土壤的肥力。芹菜生長過程中需肥量較大, 吸收利用了土壤中大量的養分, 土壤有機碳、全磷、全鉀、速效磷、速效鉀含量下降, 秸稈腐解釋放出大量養分,改善了土壤性質, 且效果隨覆蓋量的提高而提高。長期秸稈還田可以增加土壤中的有機碳和速效鉀含量。本試驗表明, 在畦溝墊鋪水稻秸稈各處理后土壤有機碳和速效鉀含量均高于對照, 這與劉義國和李換平等[19]的結果一致。本研究還發現,在畦溝墊鋪水稻秸稈畦面0 ～20 cm 和畦溝0 ～10 cm 土層土壤EC 值和硝態氮含量均低于處理前,不覆蓋的對照種植后相比于種植前上升, 說明在畦溝墊鋪水稻秸稈能夠緩解土壤鹽漬化。

綜上所述, 在設施高溫高濕條件下, 水稻秸稈還田已有較高的腐解率, 667 m2750 kg 和1 000 kg處理產量品質及對土壤理化性質改善方面無明顯差異, 667 m2750 kg 處理腐解率高于1 000 kg, 綜合比較, 667 m2750 kg 處理為最佳覆蓋量。在秸稈腐解菌試驗中, 667 m24 kg 處理產量、對土壤鹽漬化緩解效果和土壤理化性質改良效果均優于其他2 個處理, 但秸稈腐解率未達到100%, 后續試驗可增加秸稈腐解菌用量, 進一步探究秸稈腐解菌的最佳用量, 為實際生產提供精準的理論基礎。本茬口結束后秸稈并未完全腐解, 養分也未完全釋放,對下茬作物產量品質及土壤性質是否有所改善, 后續仍需繼續研究。