東南景天玉米輪作體系中黑網(wǎng)或黑膜覆蓋對植物生長和鎘鋅含量的影響

劉 朋，黃小宇，楊大力，唐 瑩，林韻深，蔣成愛，吳啟堂

（廣東省高校土壤環(huán)境與廢物資源農(nóng)業(yè)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，廣州 510642）

覆蓋在農(nóng)業(yè)種植領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，通過改變土壤與大氣相交面狀況，在土壤表面形成具有緩沖作用的物理阻隔層，使土壤中水、肥、熱等狀況得以改善，具有保溫保濕、抗蟲防病、抑制雜草等功效[1-2]，此外地表進(jìn)行覆蓋處理可顯著降低土壤溫度，緩解土壤高溫的出現(xiàn)，溫差變化較小有利于作物根系的生長發(fā)育[3-4]。水是植物生長的必要條件，植物對水分的吸收通過根系作用實(shí)現(xiàn)，種植區(qū)土壤的覆蓋有利于減少土壤水分的蒸發(fā)，改變土壤水分在不同土層的分布，長期干旱地區(qū)覆蓋處理可減少表層土壤水分的蒸發(fā)，保持土壤水分[5]。

不同材料的覆蓋效果存在極顯著差異，秸稈類材料的覆蓋通過它感作用及物理屏障作用可以顯著抑制茶園雜草的生長，而有機(jī)酸類物質(zhì)的分泌可抑制雜草種子的萌芽[6]，還可增加土壤肥力，為動(dòng)植物及微生物提供所需營養(yǎng)[7-8]。但是，秸稈類材料的覆蓋會(huì)隨著時(shí)間延長而逐漸腐爛變薄，控草效果隨之變差[9]，前期試驗(yàn)還表明，稻草覆蓋控草效果不理想。黑膜覆蓋控制雜草生長是現(xiàn)在流行的一種生態(tài)控草模式，黑膜覆蓋調(diào)節(jié)土壤面層狀況，不會(huì)出現(xiàn)溫度劇烈變化，對植物根系生長有利[1，2，5，11]。有研究表明黑膜覆蓋能完全抑制玉米種植期田間雜草的生長，且能顯著提高作物產(chǎn)量[10]。但是膜材料的覆蓋不利于雨水的進(jìn)入，在干旱地區(qū)不利于作物生長，且不利于肥料的滲入，施肥時(shí)需要掀開黑膜，或者直接逐棵施到作物的根部，增加人工成本。所以找到一種既可以控制雜草生長，又能透水透肥的材料至關(guān)重要。無紡布及某些特殊處理的紙類物質(zhì)雖可以達(dá)到控草效果且方便雨水的滲入，但是這類材料價(jià)格較昂貴，容易腐爛，控草成本較高。因此本次試驗(yàn)嘗試化纖黑網(wǎng)覆蓋抑制雜草，并與黑膜覆蓋控草措施對比，進(jìn)行作物種植，通過測定雜草生物量、作物產(chǎn)量等衡量措施的效果。

1 材料與方法

1.1 供試材料

抗老化特級黑色8針黑網(wǎng)（奧峰遮陽網(wǎng)編織有限公司）；農(nóng)用黑地膜（東莞市碩泰實(shí)業(yè)有限公司）；鎘/鋅超富集植物——東南景天（采自浙江衢州古老鉛鋅礦山）[12]；甜玉米重金屬低累積品種（JZY，本課題組研究發(fā)現(xiàn)）[13]。

土壤來自于華南農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)試驗(yàn)農(nóng)場某地塊，基本理化性質(zhì)見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 不同控草模式種植超富集植物東南景天

本試驗(yàn)選址在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)某農(nóng)場污染土地上，比較當(dāng)下流行控草技術(shù)黑膜覆蓋，本次新加入控草技術(shù)黑網(wǎng)覆蓋以及無覆蓋空白對照，種植東南景天。試驗(yàn)開始時(shí)間為2016年11月7日，土地平整完成后均勻劃分為14個(gè)1 m×1 m的正方形地塊。取經(jīng)過皇竹草干化后的污泥，用木錘敲碎，然后混勻并均勻平鋪在每塊試驗(yàn)地上，施加量3 kg·m-2，與土壤拌勻后將14塊地進(jìn)行隨機(jī)分布（2塊地備用）。在確定土地處理方式后，按隨機(jī)等量原則用竹筒在每個(gè)小區(qū)取一個(gè)樣，作為試驗(yàn)初期土壤樣品。取樣完成后，進(jìn)行相應(yīng)的土壤處理，然后用模具進(jìn)行挖孔扦插種植東南景天，種植密度為5株×5株。

試驗(yàn)期間月平均氣溫19.57℃，月平均降水95.10 mm。試驗(yàn)開始后，分別于2017年4月7日、5月7日以及6月7日測定了3次雜草生物量，并計(jì)算雜草控制率：雜草控制率=（空白處理雜草生物量均值-控草措施雜草生物量均值）/空白處理雜草生物量均值×100%。最后一次收集雜草的同時(shí)，收集東南景天，并取一定量的東南景天作為植物樣，測定相關(guān)指標(biāo)。超富集植物東南景天對重金屬的提取率計(jì)算方法：植物對重金屬的提取率=植物地上部分干重×干重條件測定的重金屬濃度/（單位體積×修復(fù)前土壤重金屬濃度×土壤容重）×100%，其中單位體積指長、寬各為1 m，厚度為20 cm，土壤容重在此取值為1.3 g·cm-3。

1.2.2 不同控草模式種植低Cd玉米

試驗(yàn)為期70 d，開始時(shí)間為2017年6月27日，試驗(yàn)期間月平均氣溫29.25℃，月平均降水249.62 mm。上一個(gè)試驗(yàn)結(jié)束后翻耕平整土地，原有處理不變，利用原有黑網(wǎng)以及新的黑膜（黑膜從地里取出后被拉伸以及缺口過大所以更換），玉米種植方式為3株×2株，每穴播3粒種子，玉米植株長到20 cm后間苗一次，每穴最后留一株苗繼續(xù)生長。7月26日，試驗(yàn)期間第一次除草并收集雜草生物量。玉米生長期間追加大喇叭口肥，施用量為22.5 g·m-2[14]，并對每塊試驗(yàn)小區(qū)用聚乙烯塑料板進(jìn)行封擋，在小區(qū)低洼處設(shè)置兩個(gè)集水器，收集每個(gè)小區(qū)的地表徑流，并分析徑流中氨態(tài)氮、硝態(tài)氮、磷及鉀的濃度。2017年9月6日最后一次收集雜草，同時(shí)收集玉米籽粒以及莖葉并將其制作成樣品備測。另外采集試驗(yàn)結(jié)束后的土壤，測定土壤重金屬鎘、鋅全量。

表1 土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Main characteristics of experimental soil

1.3 樣品的采集與測定

1.3.1 樣品的采集與制備

土壤樣品的采集與制備：土地平整完成后用竹筒在每個(gè)小區(qū)取一個(gè)樣（取樣深度0～20 cm，取3點(diǎn)混合成一個(gè)樣），作為試驗(yàn)初期土壤。玉米收獲后每個(gè)小區(qū)再次取一個(gè)樣，取樣方法同上。土壤樣品取回后自然風(fēng)干，剔除植物殘?bào)w，磨碎過20目篩，取其中一部分土壤磨碎再過100目篩。樣品均保存在自封袋中備用。

植物樣品的采集與制備：新鮮的植物樣收獲后經(jīng)過自來水沖洗干凈后再用蒸餾水洗3次，切碎晾干表面水分，然后裝在信封袋內(nèi)，記錄烘干前重量。將樣品置于烘箱內(nèi)105℃殺青30 min，完成后轉(zhuǎn)移至65℃烘箱內(nèi)烘干至恒重，記錄信封袋加干樣質(zhì)量，兩次差值為水分質(zhì)量。將烘干至恒重的植物樣用植物粉碎機(jī)粉碎，置于封口袋內(nèi)備用。

水樣的采集與制備：采集回來的水樣經(jīng)過離心、過濾后測定相關(guān)指標(biāo)。

1.3.2 樣品的測定

重金屬的測定參照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，其余指標(biāo)參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[15]（表2）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理以及作圖采用Excel 2016輔助完成，統(tǒng)計(jì)分析采用IBM SPSS Statistics 22中的單因素方差分析方法（One-way ANOVA），處理間的差異顯著性水平設(shè)定為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 輪作體系中植物生物量

2.1.1 東南景天及雜草生物量

表3是3次雜草以及東南景天生物量，可以看出覆蓋黑膜與覆蓋黑網(wǎng)對于雜草控制差異性并不顯著，但是兩種處理與空白對照相比差異顯著，說明黑網(wǎng)與黑膜對雜草控制均能取得顯著效果。對東南景天生物量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可以看出，空白對照與覆蓋黑膜、覆蓋黑網(wǎng)處理之間生物量存在顯著差異，但是覆蓋黑膜與覆蓋黑網(wǎng)兩個(gè)處理間無顯著差異，與空白對照相比均有較好的增產(chǎn)效果。試驗(yàn)進(jìn)行7個(gè)月內(nèi)，覆蓋黑網(wǎng)對雜草的控制率3次分別為93.08%、93.12%、77.99%；覆蓋黑膜對雜草的控制率3次分別為100%、98.39%、87.39%，表明兩種覆蓋處理均對雜草具有較好的控制效果。

2.1.2 玉米和雜草生物量

8月底連續(xù)數(shù)次臺風(fēng)侵襲導(dǎo)致玉米倒伏甚至折斷，所以籽粒嚴(yán)重減產(chǎn)，莖葉被吹斷導(dǎo)致莖葉產(chǎn)量也不夠準(zhǔn)確，但是雜草生物量幾乎不受臺風(fēng)影響，可以正常統(tǒng)計(jì)。表4再次證明覆蓋黑網(wǎng)與覆蓋黑膜對雜草的控制效果均較好，且兩處理間差異不顯著。

表2 不同指標(biāo)測定方法Table 2 Different indexs measurements

表3 不同處理雜草以及東南景天生物量（kg·m-2）Table 3 The weed and Sedum alfredii Hance biomass between different treatments（kg·m-2）

2.2 輪作體系中作物的鎘鋅含量

2.2.1 東南景天鎘鋅含量及提取率

如表5所示，覆蓋黑網(wǎng)處理的超富集植物東南景天鎘含量均值達(dá)45.49 mg·kg-1，顯著高于覆蓋黑膜和空白對照處理。覆蓋黑膜處理與空白對照相比差異不顯著，均值在30～40 mg·kg-1之間。與覆蓋黑膜相比，覆蓋黑網(wǎng)的東南景天鋅含量也顯著升高。鎘、鋅提取率與東南景天重金屬含量以及生物量相關(guān)，覆蓋黑網(wǎng)處理鎘、鋅提取率最高，而空白對照東南景天受雜草影響生物量較低，所以重金屬提取率也最低。

2.2.2 玉米植株和土壤鎘鋅含量

表6和表7為玉米籽粒、莖葉及試驗(yàn)結(jié)束后土壤重金屬鎘、鋅含量，Duncan法分析P＞0.05，表明各處理不存在顯著差異。由于試驗(yàn)中覆蓋黑網(wǎng)處理的初期土壤重金屬含量較其他兩個(gè)處理稍低，所以生長的玉米莖葉及籽粒重金屬含量也相對偏低，但總體并無顯著差異。3種處理玉米籽粒鎘含量低于國家食品標(biāo)準(zhǔn)限值，鎘含量≤0.1 mg·kg-1（GB 2762—2017食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量）。試驗(yàn)后土壤重金屬鎘、鋅濃度較試驗(yàn)前雖略有降低，但不同處理間不存在顯著差異。

表4 玉米莖葉生物量和玉米種植期間雜草生物量（g·m-2）Table 4 Maize stem and leaf and weeds biomass during planting（g·m-2）

2.3 玉米追肥后地表徑流營養(yǎng)元素濃度

表8為玉米追施喇叭口肥后3次地表徑流水樣營養(yǎng)元素的測定結(jié)果，取平均值后覆蓋黑膜處理的無機(jī)氮、磷以及鉀均大于其余兩個(gè)處理，覆蓋黑網(wǎng)和空白對照濃度相當(dāng)。

3 討論

有研究采用其他覆蓋處理對惡性雜草的綜合防效達(dá)85%以上[16-17]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，覆蓋黑網(wǎng)對雜草有相似的顯著的控制效果。與無覆蓋空白相比，覆蓋能控制雜草的原因首先是覆蓋物的物理屏障作用，其次是覆蓋物對光照的阻隔作用，非透明材料覆蓋能顯著抑制雜草的發(fā)生，雜草生長受到抑制則有足夠的空間和光照等供給目標(biāo)作物，從而實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)[17]。本試驗(yàn)表明在黑網(wǎng)密度合適的情況下，通過對光照的阻隔作用，也能達(dá)到控制雜草生長的效果。而且覆蓋處理與空白對照相比，東南景天生物量顯著增加，說明雜草確實(shí)會(huì)影響作物產(chǎn)量，造成作物減產(chǎn)。

表5 東南景天鎘、鋅含量及提取率Table 5 The concentration and extraction rate of Cd,Zn in Sedum alfredii Hance

表6 玉米籽粒及莖葉重金屬鎘、鋅濃度（mg·kg-1）Table 6 The contents of Cd，Zn in maize grains and stem leaf mixture（mg·kg-1）

表7 試驗(yàn)前后土壤鎘、鋅含量（mg·kg-1）Table 7 The contents of Cd,Zn in the soil before and after the experiment（mg·kg-1）

表8 3次地表徑流營養(yǎng)元素濃度（mg·L-1）Table 8 Surface runoff nutrient elements concentrations three surface runoff collectes（mg·L-1）

覆蓋黑網(wǎng)處理的東南景天鎘含量均值為45.49 mg·kg-1，覆蓋黑膜處理在30～40 mg·kg-1之間，廣州地區(qū)偏酸性雨水能夠滲入黑網(wǎng)，覆蓋可能活化土壤中的重金屬[18]，有利于東南景天的吸收，但是該現(xiàn)象還有待更多的試驗(yàn)證實(shí)。覆蓋黑膜雖然有助于控制雜草生長，但是黑膜的不透水性不利于追肥和保存水分，本試驗(yàn)結(jié)果也初步表明玉米追肥后地表徑流營養(yǎng)元素氮、磷、鉀濃度均存在覆蓋黑網(wǎng)小于覆蓋黑膜，而與無覆蓋空白相當(dāng)?shù)默F(xiàn)象。然而，本次試驗(yàn)中由于3次地表徑流均較大，收集容器太小，未能全部準(zhǔn)確收集地表徑流，也沒有全過程跟蹤測定，因此還需要更完善的試驗(yàn)來準(zhǔn)確測定。

黑網(wǎng)控草效果與黑膜相當(dāng)，相比現(xiàn)有化學(xué)藥物控草，該方法具有環(huán)境友好性。在經(jīng)濟(jì)方面，黑網(wǎng)價(jià)格為15 510元·hm-2，本次使用的黑網(wǎng)在使用2年后仍然可以繼續(xù)使用，按3年計(jì)算,年均控草材料成本為5175元·hm-2。

4 結(jié)論

經(jīng)過2次小區(qū)試驗(yàn)研究，得出以下初步結(jié)論：

（1）作物種植過程中覆蓋黑網(wǎng)能有效抑制雜草生長，控草效果與覆蓋黑膜相近。

（2）黑網(wǎng)覆蓋除了能夠?qū)崿F(xiàn)有效控制雜草、節(jié)省除草人工成本外，施肥時(shí)不用掀開，玉米追肥后地表徑流化肥養(yǎng)分濃度與無覆蓋對照相當(dāng)。