玉米秸稈還田養分釋放規律及對玉米根際土和根系酶活性的影響

潘 晶, 齊詩月, 肖 露, 侯萬園, 汲蘢澤

(沈陽師范大學 生命科學學院, 沈陽 110034)

0 引 言

秸稈含有大量植物生長所必須的有機質、氮、磷、鉀和微量元素。由于秸稈體積大、收集運輸成本高,以及近年來農村能源結構改善和替代原料應用等原因,大部分的農作物秸稈被棄置或者進行露天焚燒,沒有得到合理的綜合利用及開發,造成了嚴重的環境污染和資源浪費,同時又導致大量土壤養分損失[1]。據調查,我國農作物秸稈中,用于飼料,實現過腹還田的有30%,被焚燒的有30%,而直接還田的僅占總量的20%～30%[2]。秸稈還田能夠改善土壤的結構,增強土壤的肥力,還可以提高土壤微生物、有機質含量和生物活性,調節土壤水、氣、熱,改善農田的生態環境,提高農作物產量與質量。農作物秸稈還田是秸稈資源綜合利用中最簡便、經濟和可持續的方法,即避免了資源浪費,又解決了秸稈對環境帶來的污染問題,實現了養分資源的循環利用和農業可持續發展,符合國家對農業發展的大政方針[3]。黨中央、國務院高度重視農業廢棄物資源化利用工作,十八屆五中全會、2016年中央1號文件、《中共中央國務院關于加快推進生態文明建設的意見》和《國務院辦公廳關于加快轉變農業發展方式的意見》都作了明確部署。按照黨中央、國務院要求,六部委研究制定了《關于推進農業廢棄物資源化利用試點的方案》,其中要求秸稈綜合利用率達到85%以上。

秸稈還田簡單分為兩大類:直接還田和間接還田[4]。秸稈直接還田操作簡單易行、工作量少、易于推廣、成本相對較低,是我國普遍采用的還田方式。直接還田主要有秸稈覆蓋還田、秸稈翻壓還田、留高茬還田等[5]。間接還田是秸稈經過高溫堆漚、微生物腐解等方法處理后再施入田間,主要包括秸稈堆漚還田、快速催腐還田、過腹還田等[6]。隨著農業生產水平的提高,對秸稈還田技術的研究也日益深入。有研究表明,秸稈還田3年后,耕層土壤容重減少0.1～0.2 g/m2,總孔隙度增加4%～11%,通氣孔隙增加7.5%[7-8]。Hansen發現,秸稈還田提高了土壤有效磷、鉀、全氮、速效氮和有機質的含量[9]。覆蓋、翻埋玉米秸稈還田的土壤中,土壤總氮量增加[10]。秸稈還田有利于土壤礦物中磷的釋放,增加農作物對固定在土壤中磷的利用[11]。土壤微生物在秸稈還田腐解過程中起著很重要的作用,玉米秸稈還田后土壤微生物區系由系統型轉化為真菌型。還田第50 d,土壤細菌、放線菌和真菌數量分別增加53.7%、47.8%和212.2%,無機磷細菌數量增加24.8%。秸稈全量還田后,0～10 cm土層總生物量比對照增加29.8%,10～20 cm土層增加19.8%,同時顯著提高農作物產量[12-16]。

遼寧省是我國重要的糧食產區之一,秸稈資源尤其豐富,每年產生秸稈資源3200萬噸,其中,玉米秸稈占秸稈總量的80%。然而,遼寧秸稈還田率較低,過剩的秸稈焚燒于田間或散亂于村內,造成農村環境污染和大氣霧霾。開展秸稈還田研究是貫徹中央有關“推進種養業廢棄物資源化利用”等決策部署的具體行動,是解決農村環境臟亂差、建設美麗宜居鄉村的關鍵環節,也是應對經濟新常態、促投資、穩增長的積極舉措。因此,有必要對不同秸稈還田方式下,玉米秸稈碳、氮、磷釋放規律,對土壤和根系酶活性的影響進行綜合系統研究。探索與遼寧耕作制度相適應的秸稈還田方式,充分發揮秸稈還田對土壤-根系微生態環境的積極調控作用,為合理利用農作物秸稈,保障玉米高產穩產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2018年在沈陽師范大學試驗田進行。玉米秸稈養分含量有機碳為426.3 g/kg,全氮為4.12 g/kg,全磷為1.02 g/kg。

1.2 試驗設計

秸稈腐解及有機碳、氮、磷釋放試驗:設2個處理:秸稈表面覆蓋處理(B1);秸稈土壤深埋(30 cm)處理(S2);每個處理用尼龍袋(200目)裝50 g(1～3 cm)玉米秸稈,扎實袋口,3次重復。

根系土及玉米根系試驗:成熟期秸稈烘干后粉碎,按照10 kg/hm2的還田量分別覆蓋和深埋(20 cm)于土壤中,設定以下3個處理:秸稈覆蓋于土壤(T1)、秸稈深埋于土壤(T2),沒有秸稈還田的土壤(T0)。2018年4月28日在3個處理的土壤中播種玉米,大壟雙行種植方式,每處理小區5行,行長3 m。按照獲得玉米最高產量時的最佳密度和施肥量播種,玉米整個生育時期按照高產田進行田間管理。在玉米不同生育時期取樣(苗期(V3)、拔節期(V6)、大喇叭口期(V12)、抽雄吐絲期(VT)、乳熟期(R3))。采用趙江大田挖掘法[17],選擇連續3株玉米進行取樣(3次重復),以每株所占的行距和株距為1個樣方,挖取0～40 cm土層的根系,輕輕抖動,去掉從根系上脫落的土壤(非根際土),緊密附著于根的土壤不易脫落的保留(根際土),將上述土壤分別放入無菌袋中,用于酶活性測定。將土層里所有可以看得見的根系挑出,用清水沖洗干凈后,根系上附著的水用吸水紙吸干,并用于根系活力和酶活性測定。

1.3 測定項目與方法

2018 年4月28日設置試驗,各處理每隔一定時間取樣1 次,用水沖洗干凈,烘干稱重,計算秸稈腐解量;秸稈有機碳、全氮和全磷含量測定分別采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法、H2SO4-H2O2消煮-蒸餾法和鉬銻抗比色法[18]。

玉米根際土酶活性參照關松蔭的方法[19]。其中脲酶采用靛酚比色法測定,蔗糖酶采用比色法測定,過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法測定。根系活力采用氯化三苯基四氮唑法測定[20];根系超氧化物歧化酶活性采用氮藍四唑光化學還原法測定;根系過氧化氫酶活性采用紫外吸收法測定;根系丙二醛含量采用硫代巴比妥法[21]。

2 結果與分析

2.1 玉米秸稈腐解率

圖1不同還田方式處理玉米秸稈腐解率Fig.1 Decomposition rate of maize straw in different straw returning treatments

秸稈的腐解率可以用來評價秸稈在土壤中分解的快慢程度,預測改善土壤有機質的能力[22]。從圖1可以看出:隨著時間的推移,B1和S2處理秸稈累積腐解率有所增加,表現為前期腐解率增加快后期增加慢。主要原因是腐解后期秸稈中可溶性有機物逐漸減少,剩余秸稈主要是難分解的有機物質,其次是因為腐解后期土壤溫度下降,導致微生物的活性降低,不利于秸稈的腐解。土壤的溫度、含水量、微生物活性等因素均會對秸稈分解速度產生影響[23]。深埋處理的秸稈腐解率高于覆蓋處理。腐解150 d后,2種處理的秸稈腐解率分別為:70.6%(S2),55.3%(B1)。

2.2 玉米秸稈的養分釋放規律

不同還田方式秸稈有機碳釋放率如圖2所示。經過150 d的腐解,B1和S2處理的玉米秸稈有機碳釋放率分別達到70.3%和77.6%。0～30 d為快速有機碳釋放期;30～150 d隨著腐解時間的增加,有機碳釋放速度逐漸減緩。深埋處理的秸稈有機碳釋放率高于覆蓋處理。

從玉米秸稈氮釋放率(圖3)可以看出:在整個腐解過程中,隨著腐解時間的增加,秸稈中的氮釋放率也呈增大趨勢。在腐解的150 d內,S2處理在0～30 d為快速氮素釋放期;而T1處理在0～15 d為快速氮素釋放期。深埋處理的秸稈氮釋放率高于覆蓋處理。腐解150 d后,2種處理的秸稈氮釋放率分別為:45.7%(S2),37.6%(B1)。

圖2 不同還田方式處理玉米秸稈有機碳釋放率

圖3 不同還田方式處理玉米秸稈氮釋放率

圖4 不同還田方式處理玉米秸稈磷釋放率Fig.4 Phosphorus release rate of maize straw in different straw returning treatments

從玉米秸稈磷釋放率(圖4)可以看出:T1和S2處理在0～15 d為磷的快速釋放期,30～150 d為磷的緩慢釋放期。在玉米秸稈腐解150 d內,T1和S2磷的釋放率無顯著差異;腐解150 d后,磷釋放率分別為65.2%(S2)和63.7%(B1)。有研究表明,土壤對玉米秸稈磷釋放率的影響遠大于秸稈還田方式[24]。

2.3 秸稈還田對根際土酶活性的影響

土壤酶與土壤微生物共同推動土壤的代謝過程,是土壤系統中最活躍的部分。土壤酶活性代表了土壤中各種生物化學過程的強度和方向。土壤脲酶催化尿素水解成銨態氮,從而被植物根系吸收利用,其活性在一定程度上可以用來表征土壤中氮素的營養狀況[19]。由圖5可見,2種秸稈還田方式都激活了根際土脲酶活性,在玉米生長的V3、V6、V12、VT和R3時期內,T2和T1處理下根際土脲酶活性比對照T0分別增加47.6%～68.2%和21.1%～36.4%。

圖5 不同還田方式處理根際土脲酶活性Fig.5 Urease activities in rhizosphere soil in different straw returning treatments

蔗糖酶將蔗糖催化為葡萄糖和果糖,對增加土壤中的易溶性營養物質起著重要的作用,影響土壤碳循環。土壤蔗糖酶活性與土壤有機質、氯、磷含量有相關性,還與土壤微生物數量及土壤呼吸強度有關[19]。蔗糖酶既能夠表征土壤生物學活性強度,又可以評價土壤熟化程度和肥力。由圖6可見,兩種秸稈還田方式都激活了根際蔗糖酶活性,在玉米生長的V3、V6、V12、VT和R3時期內,T2和T1處理下根際土蔗糖酶活性比對照T0分別增加17.4%～40.9%和7.1%～23.5%;隨著玉米生長時間的延長,秸稈還田根際土蔗糖酶活性總體呈現減少趨勢,這表明生長初期,由于秸稈中營養物質成分含量較高,微生物的活性增強,使初期蔗糖酶活性增幅較大;隨秸稈腐解程度的加深,植物可利用的碳源量降低,微生物的活性降低,導致蔗糖酶活性有所降低。

土壤過氧化氫酶催化過氧化氫的分解,廣泛存在于土壤和生物體內,具有防止過氧化氫對生物體的毒害作用。過氧化氫酶活性與土壤有機質和微生物數量有關[19]。2種秸稈還田方式都激活了根際土過氧化氫酶活性,在玉米生長的V3、V6、V12、VT和R3時期內,T2和T1處理下根際土過氧化氫酶活性比對照T0分別增加15.4%～18.7%和3.3%～13.8%(見圖7)。

圖6 不同還田方式處理根際土蔗糖酶活性

圖7 不同還田方式處理根際土過氧化氫酶活性

2種玉米秸稈還田方式對3種根際土酶活性均表現為促進作用,并且深埋方式根際土酶活性高于表面覆蓋方式。

2.4 不同秸稈還田方式對玉米根系的影響

植物的根系是吸收器官和合成器官,根的生長情況和活力水平直接影響植物地上部的生長、營養狀況和產量水平[20]。從圖8可以看出:T0、T1和T2處理下,玉米根系活力隨著生育時期的延長先升高后下降,在VT時期達到最大值。除苗期V3,其他生育時期T2處理的根系活力均顯著強于T1和T0處理。不同時期T2比T1根系活力強21.3%(V6)、12.1%(V12)、18.1%(VT)和23.6%(R3)。

超氧化物歧化酶和過氧化氫酶是細胞保護酶,在一定程度上反映作物的抗衰老能力[19]。超氧化物歧化酶可清除衰老過程中產生的活性氧,是細胞防御活性氧的保護酶。從圖9中可以看出:T0、T1和T2處理下,在玉米生長時期內,根系超氧化物歧化酶活性先升高后降低,在抽雄期 VT 最高。在生育中后期(拔節期V6～乳熟期R3),秸稈深埋處理根系超氧化物歧化酶活性高于秸稈覆蓋處理。不同時期T2比T1根系超氧化物歧化酶活性高5.7%(V6)、11.6%(V12)、8.0%(VT)和11.8%(R3)。

圖8 不同秸稈還田方式下玉米根系活力Fig.8 Root activities in different straw returning treatments

圖9 不同秸稈還田方式下玉米根系超氧化物歧化酶活性

過氧化氫酶可清除植物體內過氧化氫,避免對作物的毒害[19]。從圖10中可以看出:各處理根系過氧化氫酶活性在抽雄期VT最高;在玉米生長時期內,根系超氧化物歧化酶活性先升高后降低。V3～R3生長期內,秸稈深埋處理根系過氧化氫酶活性高于秸稈覆蓋處理。

植物器官在受到逆境傷害或衰老時,會發生膜脂過氧化反應。丙二醛是膜脂過氧化反應的最終產物,其含量反映了植物細胞膜脂過氧化程度、遭受逆境傷害的程度和植物衰老程度。丙二醛從膜上產生的位置釋放后,能與蛋白質和核酸反應,改變其構型,或使其產生交聯反應,最終喪失功能;或使纖維素分子間橋鍵松弛或抑制蛋白質的合成[21]。因此,丙二醛累積對膜和細胞造成一定的傷害。從圖11可以看出:玉米生長期V3～R3內,T2、T1和T0處理根系丙二醛含量均無顯著差異。玉米秸稈還田對根系丙二醛含量沒有影響,不會對植物膜和細胞造成傷害。

圖10 不同秸稈還田方式下玉米根系過氧化氫酶活性

圖11 不同秸稈還田方式下玉米根系丙二醛含量

3 結 論

深埋處理的秸稈腐解率高于覆蓋處理。經過150 d的腐解后,2種處理的玉米秸稈腐解率分別為:70.6%(深埋,S2)和55.3%(覆蓋,B1);有機碳釋放率分別達到77.6%(S2)和70.3%(B1);氮釋放率分別為45.7%(S2)和37.6%(B1);磷釋放率分別為65.2%(S2)和63.7%(B1)。在玉米的生長期內,相比秸稈覆蓋,秸稈深埋更能提高根際土脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性。秸稈深埋處理根系活力、超氧化物歧化酶和過氧化氫酶活性高于秸稈覆蓋處理;玉米秸稈還田對根系丙二醛含量沒有影響。