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(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所，北京 100091； 2.貴陽市生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，貴州貴陽 550025；3.貴州師范大學(xué)/貴州省山地環(huán)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(chǎn)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(xiàn)已成為我國南方地區(qū)廣泛種植的優(yōu)質(zhì)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(qū)亦生長良好，其草質(zhì)柔嫩多汁，適口性好，是牛、羊、兔、豬、雞、鵝、魚的好飼料，在畜牧業(yè)生產(chǎn)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(nóng)藝措施，可以增加土壤有機質(zhì)及土壤孔隙度、降低容重、改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤保水能力、促進微生物活動和作物根系的發(fā)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(wěn)定性差，進而導(dǎo)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(jié)構(gòu)[6-8]，有利于保持土壤水分[9]。近年來，針對諸如提高產(chǎn)量，增加有機質(zhì)等領(lǐng)域的作物生物質(zhì)炭的改土研究較多，草業(yè)方面的應(yīng)用較少[7，10-11]，而針對西南喀斯特地區(qū)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(qū)進行生態(tài)恢復(fù)提供理論依據(jù)。

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(xué)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(nóng)田玉米秸稈，實驗室恒溫鼓風(fēng)干燥箱(FCD-2000)105 ℃烘干至恒質(zhì)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(xù)式炭化立窯中熱裂解炭化得到秸稈生物質(zhì)炭[12]。供試土壤采自貴州省關(guān)嶺縣花江鎮(zhèn)板貴鄉(xiāng)，旱地耕層0～10 cm土壤，該鄉(xiāng)屬于典型的喀斯特石漠化地區(qū)。土壤pH值7.95，有機質(zhì)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(shè)計

參照文獻[13]并結(jié)合實際情況，本次試驗設(shè)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(fù)，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(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院環(huán)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(jīng)風(fēng)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(zhì)含水量為70%的最大田間持水量，其后視基質(zhì)干濕度適時定量澆水，滿足草種發(fā)芽、植株生長需水；60 d內(nèi)定期觀察種苗生長并作相關(guān)記錄。

2015年1月1日至2月28日經(jīng)歷越冬和極端干旱后，由于氣溫較低，導(dǎo)致卓越已經(jīng)處于嚴重枯死狀態(tài)，為研究卓越品種在春季的恢復(fù)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(nèi)的生長狀況，返青至3葉期時停止?jié)菜_始土壤含水量的測定。

1.4 測定指標及數(shù)據(jù)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(jiān)測卓越品種凋萎過程的土壤含水量，每盆重復(fù)測定3次，取其平均值作為土壤含水量的值，測定時間統(tǒng)一在每天10：00，利用SPSS軟件對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析。

2 結(jié)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(xù)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)葉尖發(fā)黃現(xiàn)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(zhì)量的影響 由表1可知，添加改良劑的單株鮮質(zhì)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(chǎn)量；卓越單株鮮質(zhì)量在各處理間表現(xiàn)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(jīng)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(fù)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(xù)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(guī)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(xiàn)少許葉尖泛黃現(xiàn)象，表明此階段各處理開始出現(xiàn)養(yǎng)分供應(yīng)不足現(xiàn)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(guī)律與30 d時一致，所有處理開始出現(xiàn)養(yǎng)分缺乏狀況，植株葉尖泛黃。由此可知，經(jīng)越冬及干旱改良劑處理對卓越的恢復(fù)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(zhì)量在各處理間表現(xiàn)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(zhì)量低于對照，而秸稈粉處理單株鮮質(zhì)量與對照差異顯著(P<0.05)。且各處理的單株鮮質(zhì)量明顯小于生長期的單株鮮質(zhì)量。初步試驗結(jié)果表明改良劑對不同時期卓越的產(chǎn)量影響有差異，添加秸稈粉能夠在返青期增加牧草產(chǎn)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(shù)據(jù)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(jié)果見表2。平均土壤含水量的變化規(guī)律為秸稈炭>CK>秸稈粉，但隨干旱天數(shù)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(xù)，各處理土壤含水量呈現(xiàn)顯著差異，持續(xù)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(dǎo)致秸稈粉處理土壤含水量降低1.43%。持續(xù)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(shù)的持續(xù)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(yīng)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(jié)果表明，隨著干旱的持續(xù)，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(xù)，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(guī)律表現(xiàn)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(xù)干旱10 d，對照和秸稈粉處理植株皆出現(xiàn)2張葉片死亡現(xiàn)象，其對應(yīng)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(xù)干旱24 d，各處理組均出現(xiàn)2張老葉死亡現(xiàn)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(xù)干旱38 d后，各試驗組植株出現(xiàn)永久性枯萎，秸稈粉、秸稈炭、對照處理的對應(yīng)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(shù)的測定，計算得到土壤的有效水含量(表3)。結(jié)果顯示，土壤有效水含量變化規(guī)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(shù))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(jié)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(jié)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(jié)構(gòu)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(fā)芽提供良好環(huán)境，因此處理效果優(yōu)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(zhì)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(zhì)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(jié)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(zhì)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(zhì)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(fā)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?zhàn)B分物質(zhì)的化學(xué)形態(tài)及土壤微生物的活動，進而影響?zhàn)B分在土壤中的淋溶、轉(zhuǎn)移及各種養(yǎng)分的有效性和利用率，是衡量土壤生產(chǎn)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(guān)重要，持續(xù)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(yǎng)分，減緩?fù)寥鲤B(yǎng)分的淋失，增強土壤養(yǎng)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(zhì)量。

秸稈炭能明顯提高土壤有效含水量。分析結(jié)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(jié)構(gòu)，能有效減少土壤水分的蒸發(fā)，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。