溫室栽培中秸稈還田方式對作物生長及土壤碳氮的影響

張 賽 王龍昌* 趙琳璐 杜 鵑 徐啟聰

（1西南大學農學與生物科技學院，南方山地農業教育部工程研究中心，重慶 400716；2日本國際自然農法研究中心，松本 390-1401；3信州大學大學院，松本 390-8621）

棚室蔬菜種植是當前主要的蔬菜種植方式，隨著蔬菜種植面積的不斷擴大，土壤狀況有惡化的現象，主要表現在鹽漬化嚴重、土傳病害及病蟲害加重、土壤板結、耕作層變淺、微量元素缺乏等問題。針對這些問題，需要合理的治理才能保證蔬菜的健康生長。其中合理利用秸稈是一項一舉多得的措施，不僅解決了秸稈田間焚燒帶來的環境污染，而且秸稈施入土壤后在微生物的分解下可同化土壤中的氮素，有效降低土壤中可溶鹽的濃度，同時秸稈中還含有豐富的微量元素，從而達到改良土壤、提高產量的作用（孫公江，2012）。秸稈覆蓋在冬春蔬菜栽培中，既可以保墑，又可以防止雜草生長，但是秸稈隨著翻耕直接掩埋到地下后，在厭氧分解環境下會產生不利于作物根系生長的還原性物質，對土壤和作物帶來不利影響。以往對秸稈還田的研究多集中于直接還田和間接還田的利弊分析（李文革 等，2006；游東海 等，2012；趙偉 等，2012），而秸稈還田后在土壤中的不同位置對作物生長及土壤的影響報道較少。本試驗旨在分析秸稈還田位置對土壤質量和作物生長發育的影響，為溫室栽培蔬菜的土壤改良提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地一位于日本長野縣松本波田，土壤類型為火山灰土，進行無化肥大棚種植試驗15 a。采用隨機區組設計，小區面積為72 m2，設3個處理：將半分解的秸稈（主要成分是稻草）以每平方米0.02 m3覆蓋于地表（S）；同樣的秸稈深埋到地下20 cm處（I）；沒有秸稈覆蓋，作為對照（CK）。供試南瓜品種為蒼山南瓜，于2011年5月20日種植，11月25日收獲。種植前所有處理的土壤中均施用有機肥500 g·m-2，有機肥是用米糠、豆粕和魚粉等精細有機物質為培養劑和載體加入益生菌發酵而成。

試驗地二位于中國重慶北碚區西南大學農學與生物科技學院試驗農場，土壤類型為紫色土。供試小麥品種為糯麥1號，于2012年10月18日播種，采用盆栽技術，將5 kg干土和1 g復合肥混勻后填裝到高20 cm、直徑為15 cm的花盆中。其中秸稈采用小麥秸稈，每盆添加20 g〔相當于1 625 kg·（667m2）-1〕，長度為5 cm，外加0.5 g氮調節碳氮比。

1.2 測定指標及方法

光合速率測定采用LI6400便捷式光合作用測定儀，在南瓜開始坐果時測定第5片葉。

作物生物量測定采用收獲法，在小麥播種1個月、2個月后分別取樣，于105 ℃殺青，70 ℃烘干至恒重后稱質量；其中根系特征和葉面積采用根系掃描儀（EPSON PERFECTION V700）進行測定。

土壤樣品采集與測定：在小麥播種1個月、2個月后分別取0～20 cm土層土樣，其中土壤全碳含量采用日本島津TOC-SSM-5000A分析儀測定（李利利 等，2009），土壤全氮含量采用凱氏定氮法測定（魯如坤，1999）。

1.3 數據處理

試驗數據采用SPSS 13.0和Excel 2003軟件進行統計分析和制圖。

2 結果與分析

2.1 秸稈還田位置對作物光合作用和生物量的影響

由圖1可見，在南瓜開始坐果時，隨著光合有效輻射（PAR）的增加，葉片的凈光合速率逐漸升高，S處理的凈光合速率顯著高于其他兩個處理，將秸稈掩埋在地下的處理介于對照和秸稈覆蓋地表的處理之間。各處理在不同光合有效輻射下最大光合速率對光強表現出米氏響應規律，在PAR較低時（0～500μmol·m-2·s-1）各處理的凈光合速率快速增加，達到 1 000 μmol·m-2·s-1以上后趨于平穩，且各處理的凈光合速率差異不大；而PAR較高時各處理間差異較大，其中對照最低，表明秸稈覆蓋地表處理的光合能力最高。可見S處理增強了作物利用強光的有效輻射和適應能力，有助于提高作物的光合作用，從而達到增產的效果。

從表1中可以看出，小麥在生長初期，秸稈覆蓋地表處理增加了小麥地上部和地下部生物量；在播種1個月后，秸稈掩埋到地下20 cm的處理小麥生物量略高于對照，各處理小麥單株質量大小為S＞I＞CK；播種2個月后，秸稈掩埋地下20 cm的處理小麥地下部和地上部生物量均低于對照，表現為S＞CK＞I。隨著時間的推移，掩埋到地下的秸稈對作物生長產生不利影響。

圖1 不同處理下南瓜葉片光合作用的光響應曲線（Xu et al.，2011）

表1 不同秸稈還田位置對小麥地上部和地下部生物量的影響

播種2個月后，小麥的根系特征和葉面積在不同秸稈還田位置處理間差異顯著（表2），不同指標均表現為S＞I＞CK。秸稈覆蓋地表處理與秸稈掩埋地下20 cm處理相比，小麥根長增加了18.0%，根表面積增加36.8%，根體積增加18.2%，根直徑增加54.6%，葉面積增加18.0%。

表2 不同秸稈還田位置對小麥根系特征及葉面積的影響

2.2 秸稈還田位置對土壤碳氮的影響

供試土壤初始總碳含量為1.488%，總氮含量為0.192 2%，碳氮比為7.74。從表3可以看出，秸稈覆蓋地表處理使得土壤中的總碳含量持續提高，小麥播種1個月后比初始值升高39.25%，2個月后升高了41.87%。I處理和對照播種1個月后有利于土壤總碳含量的增加，但播種2個月后土壤總碳含量開始減少，其中I處理的土壤總碳含量比初始值低了8.87%。可見，秸稈覆蓋地表可以增加土壤總碳含量，而秸稈掩埋地下降低了土壤總碳含量。

碳氮比是土壤質量的敏感指標，通常被認為是土壤氮素礦化能力的標志（Springob & Kirchmann，2003）。碳氮比越高越有利于土壤有機碳的保存，有利于增加土壤匯集碳氮的能力（張春華 等，2011）。在播種1個月后I處理和對照土壤總氮含量均有所提高，播種2個月后3個處理的土壤總氮含量均低于初始值。S處理的碳氮比顯著高于其他兩個處理，在播種初期I處理碳氮比高于對照，但是之后低于對照。從土壤固碳減排角度考慮，S處理有利于土壤固碳，而I處理不利于土壤固碳。

表3 不同秸稈還田位置對土壤碳氮的影響

3 結論與討論

本試驗將秸稈還田方式分為秸稈覆蓋地表和秸稈深埋到20 cm土層中，分別模擬大田耕作中的秸稈覆蓋還田和秸稈翻耕還田。從作物生長發育的角度來分析，秸稈覆蓋地表增加了小麥根直徑和根體積，提高了作物光合作用，從而提高作物產量。秸稈覆蓋地表的增產效果優于掩埋處理，在大田耕作上秸稈覆蓋還田方式增產效果優于秸稈翻耕還田方式。

隨著時間推移，秸稈掩埋地下的處理表現減產的趨勢，有研究指出隨著秸稈埋深的增加，產量及構成因素隨之降低（許仁良，2010），產生這種現象的原因可能是秸稈掩埋地下后腐熟不徹底，產生了一些對根系生長不利的還原性物質和植食性土壤生物。掩埋還田、覆蓋還田和焚燒還田3種方式均有一定的增產作用，但后2種的增產效果好于掩埋還田（許仁良，2010）。趙映霞等（2003）的研究表明，秸稈直接還田會促進植物線蟲的增加，但是腐熟后還田不僅抑制植物線蟲的增加，而且會提高土壤的有機質含量。但是也有相反的結論，如劉世平等（2006）在麥稻兩熟制中得出秸稈還田后導致小麥和水稻減產，且秸稈覆蓋比翻耕掩埋的產量低。戴志剛（2009）在“水稻—水稻—油菜”的輪作體系中測得翻耕秸稈還田比覆蓋秸稈還田的產量高。究其原因，可能是秸稈還田的時間、還田量、土壤類型、耕作制度的不同所致。秸稈覆蓋時間不宜過早，不宜過多，也不宜過碎。因為秸稈覆蓋時間過早會影響地溫，不利于作物返青發苗；覆蓋過多不僅影響苗期地溫，而且高溫季節秸稈大量分解產生的有害氣體對下茬作物產生毒害，影響根系發育；秸稈過碎又會產生漂移，影響植株的光合作用（戴志剛，2009）。

從土壤肥力角度來看，秸稈覆蓋地表的處理能夠顯著增加土壤總碳含量，碳氮比較高。與之前的研究結論大體一致（李壽強 等，2004；田慎重 等，2010；張四偉 等，2012）。秸稈掩埋處理的土壤總碳含量低于秸稈覆蓋地表處理，同樣有研究指出秸稈免耕覆蓋比秸稈翻耕到土層20 cm處的土壤微生物量碳含量高（陳蓓，2004）。土壤微生物量碳作為土壤有機質中活性較高的部分，具有極高的靈敏性，可以在全碳變化之前反映土壤微小變化（姜培坤 等，2002）。張明園等（2012）利用模型模擬得出表層土壤有機碳含量翻耕秸稈還田＞旋耕秸稈還田＞免耕秸稈還田，秸稈還田的深度影響土壤的理化性狀。如果從固碳減排的角度考慮，本試驗得出秸稈覆蓋地表處理比秸稈掩埋地下處理能夠顯著增加土壤碳氮比，有助于土壤固碳，這跟張明園等（2012）的研究結論一致。

陳蓓．2004．保護性耕作對土壤微生物量的影響〔碩士論文〕．蘭州：甘肅農業大學．

戴志剛．2009．秸稈養分釋放規律及秸稈還田對作物產量和土壤肥力的影響〔碩士論文〕．武漢：華中農業大學．

姜培坤，徐秋芳，俞益武．2002．土壤微生物量碳作為林地土壤肥力指標．浙江林學院學報，19（1）：17-19.

李利利，王朝輝，王西娜，張文偉，李小涵，李生秀．2009．不同地表覆蓋栽培對旱地土壤有機碳、無機碳和輕質有機碳的影響．植物營養與肥料學報，15（2）：478-483.

李壽強，王艷菊，馬妙芳．2004．稻田秸稈覆蓋還田技術模式及應用價值探討．內蒙古農業科技，（s1）：129-130.

李文革，李倩，賀小香．2006．秸稈還田研究進展．湖南農業科學，（1）：46-48.

劉世平，聶新濤，張洪程．2006．稻麥兩熟條件下不同土壤耕作方式與秸稈還田效用分析．農業工程學報，22（7）：48-51.

魯如坤．1999．土壤農業化學分析方法．北京：中國農業科技出版社．

孫公江．2012．淺談棚室蔬菜土壤惡化治理措施．黑龍江科技信息，（20）：234.

田慎重，寧堂原，王瑜，李洪杰，仲惟磊，李增嘉．2010．不同耕作方式和秸稈還田對麥田土壤有機碳含量的影響．應用生態學報，21（2）：373-378.

許仁良．2010．麥秸還田對水稻產量、品質及環境效應的影響〔博士論文〕．揚州：揚州大學．

游東海，田霄鴻，把余玲，李錦，王淑娟，劉廷，南雄雄．2012．小麥—玉米輪作體系中秸稈還田方式對土壤肥力及作物產量的影響．西北農林科技大學學報，40（7）：167-172．

張春華，王宗明，居為民，任春穎．2011．松嫩平原玉米帶土壤碳氮比的時空變異特征．環境科學，32（5）：1407-1414.

張明園，魏燕華，孔凡磊，陳阜，張海林．2012．耕作方式對華北農田土壤有機碳儲量及溫室氣體排放的影響．農業工程學報，28（6）：203-209.

張四偉，張武益，王梁，朱利群，顧克軍，章紅運，卞新民．2012．耕作方式與秸稈還田對麥田土壤有機碳積累的影響．江西農業學報，24（8）：6-9.

趙偉，陳雅君，王宏燕，李傳寶，劉佳斌，高寒．2012．不同秸稈還田方式對黑土土壤氮素和物理性狀的影響．玉米科學，20（6）：98-102.

趙映霞，劉奇志，曹志平，吳文良，薛澤濤，潘登．2003．培肥措施對植物線蟲種群數量動態的影響．植物保護，29（6）：19-22.

Springob G，Kirchmann H．2003．Bulk soil C to N ratio as a simple measure of net N mineralization from stabilized soil organic matter in sandy arable soils．Soil Biology and Biochemistry，35：629-632.

Xu Q C，Xu H L，Qin F F，Zhang S，Li F L，Fujiyama S．2011．Half-decomposed plant residuals improve Chinese pumpkin production．Japanese Journal of Crop Science，81（1）：288-289.