小麥秸稈截段高量還田對大棚夏秋茬蕹菜產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

（揚州大學水生蔬菜研究室，江蘇 揚州 225009）

【研究意義】近年來，設施蔬菜產業迅速發展，已經成為發展高效農業的重要亮點［1］。然而，設施蔬菜的周年種植，且在高溫高濕的特殊環境，及過量施肥等農事操作下［2］，設施內土壤出現了酸化、次生鹽漬化、土傳病害加重、養分失衡減少等一系列連作障礙問題，如今已成為影響設施栽培的一個重要限制因子［3-4］。過量施肥導致的土壤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出生長發育不良、產量降低、品質變差、病蟲害嚴重等現象［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，蔬菜產量品質也能得到提高，有利于促進設施蔬菜可持續發展。秸稈還田是我國一項重要有機培肥措施［8］，農業農村部在《農業綠色發展技術導則（2018—2030年）》中也倡導秸稈還田、稻麥秸稈綜合利用及肥水高效技術等。秸稈還田可以增加作物產量、提高土壤有機質含量，具有較好的經濟效益和社會效益［9］。【前人研究進展】有研究表明，秸稈還田可以補充蔬菜生長所需的營養元素［10］，也可以作為短期磷和鉀的來源、長期氮和碳的來源［11］，是構建肥沃耕層的關鍵措施。秸稈還田與相同數量的礦質氮肥相比，顯著增加了土壤有機碳含量和作物產量［12］。Ma等［13］研究發現，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保提倡的秸稈還田方式。秸稈覆蓋也通常用于耕作系統中以改善土壤理化性質，通過覆蓋來降低蒸發量、調節溫度、提高養分利用率、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，秸稈覆蓋能增加穩定的有機碳含量［16］，并進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】在設施條件下，較高的土壤溫度（通常為25～31℃）結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合，不僅能緩解設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量和蔬菜產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.）進行試驗?！緮M解決的關鍵問題】探究高量截段小麥秸稈還田的腐解效應，其對蕹菜產量和品質的影響，以及對土壤性質的改善效果，旨在為設施蔬菜的可持續發展和秸稈的綜合利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在揚州大學水生蔬菜試驗大棚內進行。試驗地位于江蘇省揚州市維揚區，地理坐標為119°01'～119°54' E、32°15'～33°25'，屬亞熱帶季風性濕潤氣候區。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月在揚州大學水生蔬菜試驗大棚內進行，利用內徑長、寬、高分別為500、370、320 mm的塑料箱，箱內灌水后填裝常規園土至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）秸稈在箱內均勻鋪設秸稈，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。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日用尿素進行追肥。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 土表水層電導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，使用電導率測試儀和氧化還原電位測試儀測定土表水層電導率和氧化還原電位。

1.3.2 土壤養分含量的測定 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 蕹菜產量和品質的測定 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，測定植株的產量和品質。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準法（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分（N、P或K）轉移總量：

養分轉移總量（kg/hm2）=∑每次采收產量（kg/hm2）×當次養分含量（mg/g）/1000

當蕹菜株高達30～35 cm時進行采收，同時計算蕹菜產量：

單次蕹菜產量（t/hm2）=∑單個重復單次采收產量（t/hm2）/3

蕹菜總產量（t/hm2）=∑單次蕹菜產量（t/hm2）

1.3.4 小麥秸稈腐解率的測定 每茬試驗結束后，撈出尚未腐解的小麥秸稈，洗凈后曬干、稱質量，計算腐解率，試驗結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

試驗數據采用Excel 2007軟件和DPS 7.05軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同小麥秸稈覆蓋量對土表水層電導率和氧化還原電位的影響

2.1.1 土表水層電導率 由圖1可知，兩個小麥秸稈覆蓋處理的土表水層電導率呈現出前期迅速上升、而后波折下降、再上升、隨后下降趨于平緩的趨勢，CK的土表水層電導率一直趨于平緩，兩個處理的土表水層電導率始終高于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率處理后2 d達最大值2 220 μs/cm，隨后波折下降，處理后第13 d達第二峰值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達到最大值1 653 μs/cm，隨后下降，處理后13 d達到另一高峰1 602 μs/cm，隨后較長時間穩定在750 μs/cm左右。CK的土表水層電導率基本穩定在400～550 μs/cm。兩個處理出現的第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，土表水層電導率隨之增加，第2個峰值主要可能因為秸稈腐解后效應導致，處理后23 d土表水層電導率有小幅跳躍升高應該與移栽蕹菜有關，處理后49 d，土表水層電導率的小幅上升應與施加尿素有關。

圖1 不同小麥秸稈覆蓋量對土表水層電導率的影響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分含量的影響

從表1可以看出，種植蕹菜前后土壤的有機碳含量無顯著差異，在種植蕹菜前，兩個處理的有機碳含量顯著高于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量、養分轉移量和品質的影響

2.3.1 蕹菜產量 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有關；第3次采收時，三者已無顯著差異；第4次采收中，兩個處理的蕹菜產量顯著高于CK；第5次采收中，22.50 t/hm2處理的蕹菜產量顯著高于37.50 t/hm2處理和CK。

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

2.3.2 養分轉移量 表2顯示，小麥秸稈覆蓋量37.50 t/hm2處理的蕹菜產量較CK略有下降，22.50 t/hm2處理較CK增產5 %，兩個處理均比CK化肥減施14.30%，尤其是22.50 t/hm2處理更能達到減肥增產效果，可能是37.50 t/hm2處理尚未完全腐解、后期養分未完全釋放所致。小麥秸稈的最適宜覆蓋量需要進一步探究。兩個處理養分轉移總量、鉀轉移量均高于CK，可在秸稈覆蓋前施用基肥時適當減少鉀肥用量。

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

2.3.3 蕹菜品質 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充施肥有關。

表2 不同小麥秸稈覆蓋量對養分轉移量的影響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，經夏秋季節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%?？梢姡←溄斩捀采w量越大，秸稈腐解速率越低，22.50 t/hm2處理經182 d腐解后已經基本不影響翻耕。

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的影響

本試驗中，兩個處理土壤有機碳含量變化均無顯著差異，可能與短規格切段創傷面大、腐解釋放養分較為徹底有關。有研究表明，長達10年的免耕秸稈覆蓋，土壤有機碳含量僅在表層增加了33%［29］，所以經過翻耕后的土壤，短期內其有機碳含量變化可能尚不顯著。試驗中，土壤表層硝態氮含量均顯著下降，其中37.50 t/hm2處理降幅最大、達43.69%，與小麥秸稈腐解消耗較多氮素有關，這與劉方明等“土壤硝態氮隨著玉米秸稈還田量的增加而減少”的結論［30］相一致，添加秸稈也可以改善鹽漬化土壤的團聚體結構、改良土壤的物理性質、緩解設施內土壤酸化和病害等問題［31］。地下水生態系統中的一個關鍵環境問題是硝酸鹽污染，有研究表明，與非秸稈還田區相比，秸稈還田區淺層地下水中的NO3-濃度下降，可見秸稈還田區發生了反硝化作用，對地下水硝酸鹽含量減少、水質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模式與秸稈還田有機結合，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減少磷、鉀肥用量。

3.2 不同小麥秸稈覆蓋量對蕹菜產量及養分轉移的影響

本試驗中，小麥秸稈覆蓋量37.50 t/hm2處理蕹菜的產量較CK略有下降，可能與移栽時蕹菜過小尚未扎根有關，也可能與高量秸稈還田，土壤碳氮比失調、前期秸稈快速分解與苗爭氮有關［34］，22.50 t/hm2處理較CK增產5%，這與Chen 等［35］、Wang等［36］研究結果相一致，且兩個處理均較CK化肥減施14.30%，可見，短規格切段小麥秸稈腐解率較高而釋放養分較多，可對當茬蔬菜起到較好的增產減肥效果。秸稈全量還田下，帶入的平均養分相當于化肥用量的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量的積極影響在低產季節表現更為有效，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，調節合適土壤碳氮比［40］，達到增加產量、改善土壤性質的效果，兩個處理蕹菜對氮磷鉀轉移總量均高于CK，可見，速生性水生蔬菜對養分吸收轉移量大的特點，有望利用其緩解由于超量施用化肥導致的鹽漬化。

3.3 不同小麥秸稈覆蓋量對蕹菜品質的影響

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、補充施肥有關。本研究中高量秸稈還田對蔬菜品質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秸稈還田結合水旱輪作對蔬菜作物品質的改善效果。

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覆蓋量在大棚內淹水栽培蕹菜，經夏秋季節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。本研究進一步證明了設施水田高溫高濕加上有氧發酵的環境條件下，有利于秸稈腐解，且秸稈切段越短，創傷面越大，與微生物的接觸越多，越有利于其腐解［44］。通過覆蓋還田代替傳統深埋還田方式，還可避免秸稈埋土后產生還原性有害物質，對作物生長產生有害影響。本試驗采用的是小麥秸稈10 cm規格，在實際生產操作中可采用機械捆裝碎秸稈，便于直接還田，也可提高秸稈的腐解率，需要進一步探究。

4 結論

通過土表覆蓋高量短規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分，22.50 t/hm2覆蓋量處理較CK增產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處理的土壤硝態氮含量降幅高達43.69%。可考慮繼續深入研究，對基肥進行調整，增施氮肥，減少磷鉀肥的施入，通過高量秸稈還田，探究其對蔬菜產量、品質及土壤性質的影響，揭示秸稈覆蓋的技術原理與效應，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和技術支撐。