錢佳宇,江解增,張永仙,張 昊,李東晟,劉 輝
(揚(yáng)州大學(xué)水生蔬菜研究室,江蘇 揚(yáng)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(diǎn)[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(gè)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(gè)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(xiàng)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]。【前人研究進(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]。【本研究切入點(diǎn)】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(yàn)。【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)。
試驗(yàn)在揚(yáng)州大學(xué)水生蔬菜試驗(yàn)大棚內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)地位于江蘇省揚(yáng)州市維揚(yáng)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(yáng)麥6號。
試驗(yàn)于2017年4—11月在揚(yáng)州大學(xué)水生蔬菜試驗(yàn)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?cái)嘀?0 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(shí)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。
1.3.1 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(diǎn)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(shí)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(shí)按以下公式計(jì)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(shí)進(jìn)行采收,同時(shí)計(jì)算蕹菜產(chǎn)量:
單次蕹菜產(chǎn)量(t/hm2)=∑單個(gè)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(yàn)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(jì)算腐解率,試驗(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2007軟件和DPS 7.05軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
2.1.1 土表水層電導(dǎo)率 由圖1可知,兩個(gè)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(gè)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(shí)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(shí)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(gè)處理出現(xiàn)的第1個(gè)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(gè)峰值主要可能因?yàn)榻斩捀夂笮?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(gè)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(gè)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
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(gè)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(gè)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。
2.3.1 蕹菜產(chǎn)量 由圖3可知,在第1次采收中,兩個(gè)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(shí),三者已無顯著差異;第4次采收中,兩個(gè)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(gè)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(gè)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(shí)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(shí),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(gè)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(shí),兩個(gè)處理蕹菜的可溶性糖含量顯著低于CK,兩個(gè)處理間無顯著差異,第3次采收時(shí)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(gè)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(shí),兩個(gè)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(shí)兩個(gè)處理的黃酮含量顯著低于CK。第1次、第5次采收的兩個(gè)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
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
本試驗(yàn)中,兩個(gè)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(yàn)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(gè)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(yàn)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(yàn)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(yàn)中兩個(gè)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(shí)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(shí)適當(dāng)減少磷、鉀肥用量。
本試驗(yàn)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(shí)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(gè)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(gè)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(shí)適當(dāng)減少鉀肥用量,同時(shí)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(gè)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(diǎn),有望利用其緩解由于超量施用化肥導(dǎo)致的鹽漬化。
第3次采收時(shí),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(shí),兩個(gè)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。
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(yàn)采用的是小麥秸稈10 cm規(guī)格,在實(shí)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。
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(gè)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。