小麥秸稈截段高量還田對大棚夏秋茬蕹菜產(chǎn)量及土壤肥力的影響

錢佳宇，江解增，張永仙，張 昊，李東晟，劉 輝

（揚州大學(xué)水生蔬菜研究室，江蘇 揚州 225009）

【研究意義】近年來，設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，已經(jīng)成為發(fā)展高效農(nóng)業(yè)的重要亮點［1］。然而，設(shè)施蔬菜的周年種植，且在高溫高濕的特殊環(huán)境，及過量施肥等農(nóng)事操作下［2］，設(shè)施內(nèi)土壤出現(xiàn)了酸化、次生鹽漬化、土傳病害加重、養(yǎng)分失衡減少等一系列連作障礙問題，如今已成為影響設(shè)施栽培的一個重要限制因子［3-4］。過量施肥導(dǎo)致的土壤0～20 cm表層硝酸鹽累積，是土壤鹽漬化的一個突出原因［5］，受土壤鹽漬化影響的蔬菜也會表現(xiàn)出生長發(fā)育不良、產(chǎn)量降低、品質(zhì)變差、病蟲害嚴(yán)重等現(xiàn)象［6］，通過灌水方式栽培水生蔬菜，可以使土壤表層鹽分下滲，利用蔬菜來吸收硝態(tài)氮，不僅可以減少淋溶損失［7］，而且土壤鹽漬化問題也得以緩解，蔬菜產(chǎn)量品質(zhì)也能得到提高，有利于促進(jìn)設(shè)施蔬菜可持續(xù)發(fā)展。秸稈還田是我國一項重要有機(jī)培肥措施［8］，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部在《農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展技術(shù)導(dǎo)則（2018—2030年）》中也倡導(dǎo)秸稈還田、稻麥秸稈綜合利用及肥水高效技術(shù)等。秸稈還田可以增加作物產(chǎn)量、提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益［9］?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】有研究表明，秸稈還田可以補(bǔ)充蔬菜生長所需的營養(yǎng)元素［10］，也可以作為短期磷和鉀的來源、長期氮和碳的來源［11］，是構(gòu)建肥沃耕層的關(guān)鍵措施。秸稈還田與相同數(shù)量的礦質(zhì)氮肥相比，顯著增加了土壤有機(jī)碳含量和作物產(chǎn)量［12］。Ma等［13］研究發(fā)現(xiàn)，相比秸稈溝埋、摻入表土、就地焚燒等秸稈處理方式而言，小麥秸稈土表覆蓋是一種環(huán)保提倡的秸稈還田方式。秸稈覆蓋也通常用于耕作系統(tǒng)中以改善土壤理化性質(zhì)，通過覆蓋來降低蒸發(fā)量、調(diào)節(jié)溫度、提高養(yǎng)分利用率、抑制雜草、降低鹽堿度等［14-15］。研究表明，相對于未覆蓋的土壤，秸稈覆蓋能增加穩(wěn)定的有機(jī)碳含量［16］，并進(jìn)一步提高了微生物生物量，活性和潛在的N利用率［17］，可見秸稈覆蓋后，土壤環(huán)境更有利于土壤微生物生長。覆蓋秸稈處理可以降低鹽漬化土壤0～20、20～40 cm和0～100 cm土層的鹽分［18］?！颈狙芯壳腥朦c】在設(shè)施條件下，較高的土壤溫度（通常為25～31℃）結(jié)合淹水可使秸稈更易分解［19］，且秸稈還田長度越短越有利于其腐解［20］。將淹水栽培與秸稈覆蓋相結(jié)合，不僅能緩解設(shè)施栽培土壤的鹽漬化，且其效果隨著秸稈覆蓋量的增加而提高［21］，較高的秸稈覆蓋量對土壤質(zhì)量和蔬菜產(chǎn)量也有更為明顯的積極影響［22］。因此，采用37.50 t/hm2和22.50 t/hm2的高量秸稈覆蓋還田方式，覆蓋截段為10 cm的小麥短秸稈，通過淹水栽培蕹菜（Ipomoea aquaticaForsk.）進(jìn)行試驗。【擬解決的關(guān)鍵問題】探究高量截段小麥秸稈還田的腐解效應(yīng)，其對蕹菜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，以及對土壤性質(zhì)的改善效果，旨在為設(shè)施蔬菜的可持續(xù)發(fā)展和秸稈的綜合利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在揚州大學(xué)水生蔬菜試驗大棚內(nèi)進(jìn)行。試驗地位于江蘇省揚州市維揚區(qū)，地理坐標(biāo)為119°01'～119°54' E、32°15'～33°25'，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候區(qū)。年平均降水量1 052.1 mm左右，無霜期約222 d，≥10℃累積溫度約4 760 ℃，土壤為砂壤土。供試蕹菜品種為泰國柳葉蕹菜，小麥秸稈采用揚麥6號。

1.2 試驗方法

試驗于2017年4—11月在揚州大學(xué)水生蔬菜試驗大棚內(nèi)進(jìn)行，利用內(nèi)徑長、寬、高分別為500、370、320 mm的塑料箱，箱內(nèi)灌水后填裝常規(guī)園土至25 cm深，保持5 cm淺水層。2017年4月15日，將小麥秸稈截斷至10 cm，按22.50 t/hm2（折合每箱450 g）、37.50 t/hm2（折合每箱750 g）秸稈在箱內(nèi)均勻鋪設(shè)秸稈，澆水浸沒秸稈并保持相同水位，以不覆蓋小麥秸稈為對照，3次重復(fù)。于5月7日蕹菜苗高約10 cm時按4行6列、每箱24株種植蕹菜，根據(jù)長勢分別于6月1日、6月26日、7月8日、7月19日、8月4日、8月27日、9月15日、9月26日用尿素進(jìn)行追肥。

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1 土表水層電導(dǎo)率和氧化還原電位的測定 于4月15日至6月2日期間，在小麥秸稈還田后 30 min以及第1、2、3、4、5、6、7、8、9、11、13、15、17、20、23、24、25、26、27、28、29、30、32、34、37、40、43、49 d 取土表水層，使用電導(dǎo)率測試儀和氧化還原電位測試儀測定土表水層電導(dǎo)率和氧化還原電位。

1.3.2 土壤養(yǎng)分含量的測定 于2017年4月15日、11月17日，采用五點取樣法取蕹菜種植前后土壤深度約10 cm的表層土，測定土壤氮、磷、鉀含量。其中，土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法（NY/T 1121.6—2006）測定，土壤速效磷、速效鉀均用Mehlich 3試劑浸提，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［23］測定，硝態(tài)氮含量采用紫外分光光度法（GB/T 32737—2016）測定；全氮含量采用凱氏定氮法（H2SO4-H2O2消煮）［24］測定，全磷含量采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法［25］測定，全鉀含量采用NaOH熔融-火焰光度法［26］測定。

1.3.3 蕹菜產(chǎn)量和品質(zhì)的測定 于6月20日、7月17日、8月11日、9月8日、10月6日共5次對各處理蕹菜進(jìn)行采樣，其中10月6日為采收時間，CK因長勢矮小延遲至10月13日采收，選取第1、3、5次采樣的蕹菜為代表樣品，測定植株的產(chǎn)量和品質(zhì)。其中，蕹菜的全氮、全磷、全鉀含量按1.3.2方法測定，黃酮含量、總酚含量和DPPH自由基清除率按謝冬惠等［27］方法測定，粗纖維含量按國家標(biāo)準(zhǔn)法（GB/T 5009.10—2003）測定，可溶性糖含量采用硫酸-苯酚法［28］測定，同時按以下公式計算養(yǎng)分（N、P或K）轉(zhuǎn)移總量：

養(yǎng)分轉(zhuǎn)移總量（kg/hm2）=∑每次采收產(chǎn)量（kg/hm2）×當(dāng)次養(yǎng)分含量（mg/g）/1000

當(dāng)蕹菜株高達(dá)30～35 cm時進(jìn)行采收，同時計算蕹菜產(chǎn)量：

單次蕹菜產(chǎn)量（t/hm2）=∑單個重復(fù)單次采收產(chǎn)量（t/hm2）/3

蕹菜總產(chǎn)量（t/hm2）=∑單次蕹菜產(chǎn)量（t/hm2）

1.3.4 小麥秸稈腐解率的測定 每茬試驗結(jié)束后，撈出尚未腐解的小麥秸稈，洗凈后曬干、稱質(zhì)量，計算腐解率，試驗結(jié)束后將未腐解秸稈仍翻耕還于田中。

腐解率（%）=（秸稈覆蓋量-秸稈剩余量）/秸稈覆蓋量×100

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2007軟件和DPS 7.05軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同小麥秸稈覆蓋量對土表水層電導(dǎo)率和氧化還原電位的影響

2.1.1 土表水層電導(dǎo)率 由圖1可知，兩個小麥秸稈覆蓋處理的土表水層電導(dǎo)率呈現(xiàn)出前期迅速上升、而后波折下降、再上升、隨后下降趨于平緩的趨勢，CK的土表水層電導(dǎo)率一直趨于平緩，兩個處理的土表水層電導(dǎo)率始終高于CK，小麥秸稈覆蓋量22.5 t/hm2處理土表水層電導(dǎo)率也始終高于37.5 t/hm2處理。22.5 t/hm2處理的土表水層電導(dǎo)率處理后2 d達(dá)最大值2 220 μs/cm，隨后波折下降，處理后第13 d達(dá)第二峰值2 018 μs/cm，隨后較長時間維持在800～1 000 μs/cm。37.5 t/hm2處理5 d達(dá)到最大值1 653 μs/cm，隨后下降，處理后13 d達(dá)到另一高峰1 602 μs/cm，隨后較長時間穩(wěn)定在750 μs/cm左右。CK的土表水層電導(dǎo)率基本穩(wěn)定在400～550 μs/cm。兩個處理出現(xiàn)的第1個峰值可能由于隨著秸稈還田量的增加，溶液中可溶性離子濃度隨之增加，土表水層電導(dǎo)率隨之增加，第2個峰值主要可能因為秸稈腐解后效應(yīng)導(dǎo)致，處理后23 d土表水層電導(dǎo)率有小幅跳躍升高應(yīng)該與移栽蕹菜有關(guān)，處理后49 d，土表水層電導(dǎo)率的小幅上升應(yīng)與施加尿素有關(guān)。

圖1 不同小麥秸稈覆蓋量對土表水層電導(dǎo)率的影響Fig.1 Effects of different quantities of wheat straw mulching on conductivity of soil surface water layer

2.1.2 土表水層氧化還原電位 從圖2可以看出，兩個小麥秸稈覆蓋處理的土表水層氧化還原電位均表現(xiàn)為前期快速下降，處理后3 d分別下降至-198 mV和-202 mV。37.5 t/hm2處理隨后開始上升，處理后7 d開始趨于平緩；22.50 t/hm2處理在第一次下降后緩慢上升，至處理后8 d跳躍下降為最低值-212 mV后逐步趨于平緩，處理后20～30 d可能由于蕹菜進(jìn)行了移栽，均有小幅波折，處理34 d后逐步上升，均高于0 mV。兩個處理的土表水層氧化還原電位基本均低于CK。

圖2 不同小麥秸稈覆蓋量對土表水層氧化還原電位的影響Fig.2 Effects of different quantities of wheat straw mulching on redox potential of soil surface water layer

2.2 不同小麥秸稈覆蓋量對土壤養(yǎng)分含量的影響

從表1可以看出，種植蕹菜前后土壤的有機(jī)碳含量無顯著差異，在種植蕹菜前，兩個處理的有機(jī)碳含量顯著高于CK，種植后處理與CK的差異不顯著。種植前，小麥秸稈覆蓋量22.5 t/hm2處理土壤的全氮含量顯著低于CK和37.5 t/hm2處理，種植后兩個處理的全氮含量與CK差異不顯著。與種植蕹菜前相比，種植蕹菜后土壤硝態(tài)氮含量顯著下降，且37.5 t/hm2處理降幅最為顯著。種植蕹菜前與種植后相比，土壤的全鉀含量顯著下降，處理的速效鉀含量均無顯著差異，CK的速效鉀含量顯著下降，種植后，處理的速效鉀含量顯著高于CK。

2.3 不同小麥秸稈覆蓋量對蕹菜產(chǎn)量、養(yǎng)分轉(zhuǎn)移量和品質(zhì)的影響

2.3.1 蕹菜產(chǎn)量 由圖3可知，在第1次采收中，兩個小麥秸稈覆蓋處理的蕹菜產(chǎn)量均顯著低于CK，可能與蕹菜幼苗過小尚未扎根、前期處理水層還原性較強(qiáng)有關(guān)；第3次采收時，三者已無顯著差異；第4次采收中，兩個處理的蕹菜產(chǎn)量顯著高于CK；第5次采收中，22.50 t/hm2處理的蕹菜產(chǎn)量顯著高于37.50 t/hm2處理和CK。

表1 不同小麥秸稈覆蓋量對土壤養(yǎng)分含量的影響Table 1 Effects of different quantities of wheat straw mulching on soil nutrient contents

2.3.2 養(yǎng)分轉(zhuǎn)移量 表2顯示，小麥秸稈覆蓋量37.50 t/hm2處理的蕹菜產(chǎn)量較CK略有下降，22.50 t/hm2處理較CK增產(chǎn)5 %，兩個處理均比CK化肥減施14.30%，尤其是22.50 t/hm2處理更能達(dá)到減肥增產(chǎn)效果，可能是37.50 t/hm2處理尚未完全腐解、后期養(yǎng)分未完全釋放所致。小麥秸稈的最適宜覆蓋量需要進(jìn)一步探究。兩個處理養(yǎng)分轉(zhuǎn)移總量、鉀轉(zhuǎn)移量均高于CK，可在秸稈覆蓋前施用基肥時適當(dāng)減少鉀肥用量。

圖3 不同小麥秸稈覆蓋量對蕹菜產(chǎn)量的影響Fig.3 Effects of different quantities of wheat straw mulching on yield of water spinach

2.3.3 蕹菜品質(zhì) 由表3可知，第1次采收時，小麥秸稈覆蓋量37.50 t/hm2處理蕹菜的粗纖維含量顯著高于22.50 t/hm2處理和CK，第3次、第5次采收中兩個處理的粗纖維含量與CK差異均不顯著。第1次采收、第5次采收時，兩個處理蕹菜的可溶性糖含量顯著低于CK，兩個處理間無顯著差異，第3次采收時37.50 t/hm2處理可溶性糖含量顯著高于CK和22.50 t/hm2處理。在第1次、第3次采收中，兩個處理蕹菜的維生素C、總酚含量與CK基本無顯著差異，第5次采收中37.50 t/hm2處理的維生素C、總酚含量顯著低于CK。第1次采收時，兩個處理蕹菜的黃酮含量與CK無顯著差異，第3次采收37.50 t/hm2處理黃酮含量顯著高于CK，第5次采收時兩個處理的黃酮含量顯著低于CK。第1次、第5次采收的兩個處理的DPPH自由基清除率與CK相比無顯著差異，第3次采收的37.50 t/hm2處理DPPH自由基清除率顯著低于CK。第5次采收的CK可溶性糖、黃酮與總酚含量相比處理較高可能與補(bǔ)充施肥有關(guān)。

表2 不同小麥秸稈覆蓋量對養(yǎng)分轉(zhuǎn)移量的影響Table 2 Effects of different quantities of wheat straw mulching on nutrient transfer of water spinach

表3 不同小麥秸稈覆蓋量對蕹菜品質(zhì)的影響Table 3 Effects of different quantities of wheat straw mulching on quality of water spinach

2.4 小麥截段秸稈高量還田后的腐解效率比較

由表4可知，從2017年4月15日至10月13日，經(jīng)夏秋季節(jié)182 d的腐解，小麥秸稈覆蓋量37.50 t/hm2處理腐解率為63.91%，22.50 t/hm2處理腐解率為91.00%?？梢?，小麥秸稈覆蓋量越大，秸稈腐解速率越低，22.50 t/hm2處理經(jīng)182 d腐解后已經(jīng)基本不影響翻耕。

表4 小麥截段秸稈高量還田后的腐解效率比較Table 4 Comparison of decomposition efficiency of high quantity of wheat straws returned to field

3 討論

3.1 不同小麥秸稈覆蓋量對土壤性質(zhì)的影響

本試驗中，兩個處理土壤有機(jī)碳含量變化均無顯著差異，可能與短規(guī)格切段創(chuàng)傷面大、腐解釋放養(yǎng)分較為徹底有關(guān)。有研究表明，長達(dá)10年的免耕秸稈覆蓋，土壤有機(jī)碳含量僅在表層增加了33%［29］，所以經(jīng)過翻耕后的土壤，短期內(nèi)其有機(jī)碳含量變化可能尚不顯著。試驗中，土壤表層硝態(tài)氮含量均顯著下降，其中37.50 t/hm2處理降幅最大、達(dá)43.69%，與小麥秸稈腐解消耗較多氮素有關(guān)，這與劉方明等“土壤硝態(tài)氮隨著玉米秸稈還田量的增加而減少”的結(jié)論［30］相一致，添加秸稈也可以改善鹽漬化土壤的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)、改良土壤的物理性質(zhì)、緩解設(shè)施內(nèi)土壤酸化和病害等問題［31］。地下水生態(tài)系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵環(huán)境問題是硝酸鹽污染，有研究表明，與非秸稈還田區(qū)相比，秸稈還田區(qū)淺層地下水中的NO3-濃度下降，可見秸稈還田區(qū)發(fā)生了反硝化作用，對地下水硝酸鹽含量減少、水質(zhì)改善有一定積極影響［32］，本試驗僅探究了0～10 cm表層土壤的硝酸鹽含量，可考慮在下茬試驗中繼續(xù)探究秸稈覆蓋后深層土壤的硝酸鹽含量變化。有研究表明，返回農(nóng)田的秸稈可以抵消作物所需肥料中所有鉀肥（K2O）、大部分磷肥（P2O5）和部分氮肥（N）［33］，本試驗中兩個處理土壤速效磷、速效鉀含量變化差異均不顯著，CK則顯著下降，可見水旱輪作的生態(tài)模式與秸稈還田有機(jī)結(jié)合，不僅可以有效緩解土壤連作障礙、淹殺有害病菌，同時可以起到增加土壤養(yǎng)分、改良土壤肥力的作用，可考慮在下茬種植前施基肥時適當(dāng)減少磷、鉀肥用量。

3.2 不同小麥秸稈覆蓋量對蕹菜產(chǎn)量及養(yǎng)分轉(zhuǎn)移的影響

本試驗中，小麥秸稈覆蓋量37.50 t/hm2處理蕹菜的產(chǎn)量較CK略有下降，可能與移栽時蕹菜過小尚未扎根有關(guān)，也可能與高量秸稈還田，土壤碳氮比失調(diào)、前期秸稈快速分解與苗爭氮有關(guān)［34］，22.50 t/hm2處理較CK增產(chǎn)5%，這與Chen 等［35］、Wang等［36］研究結(jié)果相一致，且兩個處理均較CK化肥減施14.30%，可見，短規(guī)格切段小麥秸稈腐解率較高而釋放養(yǎng)分較多，可對當(dāng)茬蔬菜起到較好的增產(chǎn)減肥效果。秸稈全量還田下，帶入的平均養(yǎng)分相當(dāng)于化肥用量的38.40%（N）、18.90%（P2O5）和 85.50%（K2O）［37］。秸稈含有豐富的鉀素資源，通過秸稈還田是利用秸稈鉀資源最直接、最簡便和最有效的途徑［38］，有研究表明秸稈還田對作物產(chǎn)量的積極影響在低產(chǎn)季節(jié)表現(xiàn)更為有效，秸稈還田也能顯著增加作物對鉀的吸收［39］，小麥秸稈覆蓋后，兩個處理轉(zhuǎn)移的鉀含量均高于CK，因此可考慮在秸稈覆蓋前施用基肥時適當(dāng)減少鉀肥用量，同時可考慮在高量秸稈還田下適量增施氮肥，調(diào)節(jié)合適土壤碳氮比［40］，達(dá)到增加產(chǎn)量、改善土壤性質(zhì)的效果，兩個處理蕹菜對氮磷鉀轉(zhuǎn)移總量均高于CK，可見，速生性水生蔬菜對養(yǎng)分吸收轉(zhuǎn)移量大的特點，有望利用其緩解由于超量施用化肥導(dǎo)致的鹽漬化。

3.3 不同小麥秸稈覆蓋量對蕹菜品質(zhì)的影響

第3次采收時，小麥秸稈覆蓋量37.50 t/hm2處理蕹菜的可溶性糖、黃酮含量均高于CK。在第5次采收時，兩個處理蕹菜的可溶性糖、黃酮和總酚含量低于CK，可能與CK延期采收、補(bǔ)充施肥有關(guān)。本研究中高量秸稈還田對蔬菜品質(zhì)的改善效果尚不顯著，可考慮探究后期旱作對蔬菜作物的影響及連續(xù)秸稈還田結(jié)合水旱輪作對蔬菜作物品質(zhì)的改善效果。

3.4 不同小麥秸稈覆蓋量對腐解率的影響

采用10 cm切段小麥秸稈，按37.50 t/hm2和22.50 t/hm2覆蓋量在大棚內(nèi)淹水栽培蕹菜，經(jīng)夏秋季節(jié)182 d的腐解，37.50 t/hm2與22.50 t/hm2覆蓋量的腐解率分別為63.91%、91.00%，均高于周東興等通過埋土165 d后的秸稈腐解率49.30%～56.05%［41］，大幅高于譚可菲等水稻秸稈水田翻埋還田的腐解率44.30%，22.50 t/hm2覆蓋處理的腐解率也高于謝夢薇等［42］22.50 t/hm2截為2段（約40 cm）水稻秸稈的腐解率72.74%［21］，與葛選良等研究中提到“5 cm的秸稈腐解率高于15 cm的秸稈”［43］有類似趨勢。本研究進(jìn)一步證明了設(shè)施水田高溫高濕加上有氧發(fā)酵的環(huán)境條件下，有利于秸稈腐解，且秸稈切段越短，創(chuàng)傷面越大，與微生物的接觸越多，越有利于其腐解［44］。通過覆蓋還田代替?zhèn)鹘y(tǒng)深埋還田方式，還可避免秸稈埋土后產(chǎn)生還原性有害物質(zhì)，對作物生長產(chǎn)生有害影響。本試驗采用的是小麥秸稈10 cm規(guī)格，在實際生產(chǎn)操作中可采用機(jī)械捆裝碎秸稈，便于直接還田，也可提高秸稈的腐解率，需要進(jìn)一步探究。

4 結(jié)論

通過土表覆蓋高量短規(guī)格小麥秸稈并淹水種植水生蔬菜，小麥短秸稈的腐解率總體較高，37.50、22.50 t/hm2覆蓋量處理的腐解率分別為63.91%、91.00%，且小麥秸稈釋放了較多養(yǎng)分，22.50 t/hm2覆蓋量處理較CK增產(chǎn)5%，兩個處理均較CK化肥減施14.30%。高量小麥短秸稈還田，不僅能補(bǔ)充土壤中的速效磷、速效鉀含量，且能有效改善土壤鹽漬化程度，37.50 t/hm2處理的土壤硝態(tài)氮含量降幅高達(dá)43.69%?？煽紤]繼續(xù)深入研究，對基肥進(jìn)行調(diào)整，增施氮肥，減少磷鉀肥的施入，通過高量秸稈還田，探究其對蔬菜產(chǎn)量、品質(zhì)及土壤性質(zhì)的影響，揭示秸稈覆蓋的技術(shù)原理與效應(yīng)，為確定合理利用的秸稈資源及培肥地力提供一定的理論依據(jù)和技術(shù)支撐。