秸稈還田對日光溫室土壤微環境的影響

陳曉峰， 魏 茜， 韓 冰， 隋好林

(中國農業大學 煙臺研究院， 山東 煙臺 264670)

網紋甜瓜是山東省海陽市日光溫室栽培的重要瓜類作物之一，在全國具有較高的知名度，由于其優良的品質，良好的生產價值，最近幾年發展規模逐漸擴大。為提高生產價值，日光溫室網紋甜瓜多采用冬春茬栽培，但受作物生長季節限制，如何改善日光溫室內作物生產環境，規避作物連作障礙，在生產效益提升同時實現溫室作物無公害化生產是亟需解決的問題。

秸稈還田技術是作物改土培肥的重要舉措，對提升土壤肥力，改善土壤結構，提高土壤微生物數量和土壤酶活性方面具有重要作用，近年來已被廣泛應用到大田作物生產中。目前，對秸稈還田研究主要包括粉碎還田、過腹還田、發酵還田及炭化還田等對土壤肥力、微生物的影響與作物生長發育和病害的影響等方面[1-6]。秸稈還田技術在設施栽培中的應用研究主要集中在秸稈發酵還田方面，如秸稈反應堆技術，研究內容主要包含其對設施環境改善、作物生物學特性和作物產品品質的影響等方面[7-11]，對秸稈直接還田的研究較少。設施栽培應用秸稈還田技術的理論基礎尚不完善，對不同作物種植管理模式下適宜的還田模式還不明確，不利于該技術在實際生產中的推廣與應用。在生產實踐中，已有網紋甜瓜種植戶應用當地農業秸稈廢棄物資源還田技術實現網紋甜瓜可持續生產，生產效果明顯，但未形成合理、系統的栽培技術。鑒于此，采用單因素試驗研究秸稈不同還田方式對土壤理化性狀和土壤微生物數量的影響，旨在進一步明確秸稈還田對土壤微環境的作用原理，以期為促進當地設施農業的循環發展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在山東省海陽市留格莊鎮前楊臺村海陽市農道果蔬種植專業合作社日光溫室內進行(N36°46′，E121°19′)，日光溫室規格為720 m2(60 m×12 m)。試驗地土壤為棕壤土，土層深厚，澆灌條件良好，前茬作物為番茄。2019年秸稈還田處理前各溫室0～40 cm土壤的理化性狀：有機質17.4～18.9 g/kg，速效氮116～125 mg/kg，速效磷68～80 mg/kg，速效鉀232～248 mg/kg，全氮1.14～1.28 g/kg，全鉀4.34～4.66 g/kg，pH 7.50～7.90，有機碳9.8～10.2 g/kg。

1.2 材料

日光溫室栽種網紋甜瓜品種為魯厚甜1號，煙臺愛農農資有限公司生產。秸稈為玉米秸稈，取自當地。內置式秸稈生物反應堆所用的菌種和疫苗均為山東天合生物工程技術有限公司生產。

1.3 方法

1.3.1 試驗設計 試驗于2018年12月至2019年6月進行，所有日光溫室在深翻前均分別施腐熟有機肥5 000 kg/667m2。試驗設3個處理：T1，秸稈經內置式秸稈生物反應堆發酵后還田；T2，秸稈粉碎后直接還田；對照(CK)，無秸稈還田。具體操作：T1，參照姜蔚[12]的方法進行內置式秸稈生物反應堆建造與管理，秸稈用量為5 000 kg/667m2；T2，秸稈經粉碎后深翻還田，翻埋于耕層中，秸稈施用量為1 500 kg/667m2，栽培管理方式同常規栽培；對照，溫室經機械深翻后，栽培管理方式同常規栽培。

1.3.2 土壤理化性狀和微生物含量測定 網紋甜瓜采收結束后測定各溫室土壤的基本理化性狀。采用環刀法5點取樣采集定植行下0～40 cm土壤樣品，混樣后分為2份，1份用于土壤理化性狀測定，1份用于土壤有機碳和土壤微生物含量測定。土壤理化性狀測定參考鮑士旦等[13-15]的方法，土壤有機碳測定采用重鉻酸鉀-硫酸外加熱法[13，16]，土壤微生物(細菌、真菌及放線菌)測定參考陸寧海等[1-2]的方法。

1.4 數據統計與分析

采用Excel 2016和SPSS 18.0對數據進行統計分析，并進行LSD差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 秸稈不同還田方式對土壤理化性質的影響

由于玉米秸稈中含有氮、磷和鉀元素[15]，秸稈還田分解后土壤肥力會提高[3-5]，同時還田方式以及還田年限的差異也會導致土壤養分變化的差異[17]。由表1可知，T1和T2土壤有機質、有機碳、速效氮、速效鉀、全氮、全磷、全鉀及pH均較對照顯著提高，其中，T1和T2的土壤有機質含量分別提高81.96%和28.35%，有機碳含量提高102.88%和32.69%，速效氮含量提高32.98%和56.38%，速效鉀含量提高99.01%和43.07%，全氮含量提高17.14%和21.90%，全磷含量提高37.50%和28.13%，全鉀含量提高28.41%和31.87%，pH提高12.41%和8.28%。土壤全氮、全磷和全鉀含量T1和T2差異不明顯。土壤速效磷含量T1較對照提高8.65%，T2較對照降低6.73%，但各處理間差異均不顯著。T1的有機質、速效磷、速效鉀及全磷含量均顯著高于其他處理，說明，內置式秸稈生物反應堆發酵后還田能提高土壤中養分含量，提升土壤肥力。土壤有機碳(SOC)也是反映土壤肥力的重要指標之一，其參與土壤微生物活動[17]，含量高低與外源碳源輸入有較大關系[18-20]。與試驗前相比，T1和T2的有機碳含量均有較大幅度的提高，分別提高115.31%和38.00%，其中，內置式秸稈生物反應堆發酵后還田對土壤短期SOC含量提升效果明顯。秸稈還田處理提高土壤pH，使土壤pH趨向弱堿性，且內置式秸稈生物反應堆發酵后還田比秸稈粉碎后直接還田效果明顯?？傮w上，秸稈還田增加了土壤的養分含量，緩解了土壤酸化的趨勢。

表1 秸稈不同還田方式土壤的理化性質

2.2 秸稈不同還田方式對土壤微生物數量的影響

土壤微生物在土壤營養物質轉化和循環過程中起重要作用，是養分轉化的源和庫，耕作環境改變會導致微生物數量產生較大變化，進而影響土壤質量和土壤的生物活性[12，21-24]。由表2可知，秸稈還田對日光溫室內土壤微生物數量有較大的影響。秸稈還田處理引起土壤細菌和放線菌數量激增，但對土壤中真菌數量影響不大。其中，T1和T2的細菌數量較對照顯著提高，分別提高186.18%和203.25%，T2比T1高5.97%，但二者間無顯著差異。T1和T2的放線菌數量較對照顯著提高，分別提高375.94%和190.91%，T1比T2高163.61%，各處理間差異顯著。T1的真菌數量較T2和對照顯著提高，分別提高13.48%和16.76%；T2較對照下降2.48%，但二者差異不顯著。表明，內置式秸稈生物反應堆發酵后還田具有明顯促進土壤細菌和放線菌增殖的作用。

表2 秸稈不同還田方式土壤微生物的數量

2.3 土壤理化性狀與土壤微生物的相關性

土壤微生物數量與土壤理化性狀之間存在密切關系，土壤養分含量高低在很大程度上制約著土壤微生物數量，同時土壤微生物又反過來影響著土壤養分等物質的轉化和循環[24]。由表3可知，秸稈還田處理土壤細菌數量與土壤全氮、全磷、全鉀、速效氮及pH呈極顯著正相關性，相關系數依次為0.991、0.950、0.999、0.939和0.917；與土壤有機碳、有機質和速效鉀含量呈正相關關系，但差異不顯著。土壤真菌數量與土壤速效磷含量呈極顯著正相關性，相關系數為0.958；與土壤有機質、有機碳和速效鉀含量呈顯著正相關性，相關系數依次為0.873、0.888和0.819；與全氮、全磷和全鉀含量呈正相關關系，與速效氮含量呈負相關關系，但均未達顯著水平。土壤放線菌數量與土壤全磷、速效鉀、有機質、有機碳含量及pH呈極顯著正相關性，相關系數依次為0.963、0.996、0.983、0.977和0.984；與土壤全鉀含量呈顯著正相關性，相關系數為0.817；與全氮、速效氮和速效磷呈正相關關系，但均未達顯著水平。

表3 土壤微生物與土壤理化性狀的相關性

3 結論與討論

隨著國家對生態循環農業發展的不斷推進，以解決農村秸稈廢棄物為主要內容的新型農業生產模式也在不斷被研究應用。秸稈還田技術正是基于作物秸稈自身利用價值與當地農業生產相結合的一種高效農業生產模式。目前，該技術被廣泛應用于大田作物生產，已被證實是提高土壤耕作質量和土壤肥力，解決化肥施用所帶來的土壤退化等問題的重要措施[25-27]。當前秸稈還田技術研究主要集中在還田技術、如何利用生物技術加速秸稈的分解及減少秸稈腐爛分解過程所帶來病害(主要是土傳病害)等方面[28]。

日光溫室網紋甜瓜栽培由于處于人為可控的生產環境，在實際生產中已經開始利用秸稈還田進行反季節栽培[12]，生產效果明顯，對秸稈降解在提升溫室CO2濃度和氣溫方面研究較為深刻，但是其對土壤改良作用、土壤理化性狀改變及有益微生物促進作用尚不明確。研究結果表明，玉米秸稈還田顯著提高土壤肥力，與其他研究結果相符[2，4，15-17，20-21]。由于內置式秸稈生物反應堆發酵后還田施用秸稈量較大，且在菌種作用下分解較快，秸稈中的鉀元素和有機質得以釋放，因而應用效果比秸稈粉碎后直接還田的明顯。秸稈粉碎后直接還田并未明顯提高磷元素含量，可能是秸稈中磷元素含量較低，長期還田效果才能得以體現，與杜艷玲等[29-30]的研究相近。土壤有機碳(SOC)含量與土壤肥力顯著相關，研究土壤SOC長期變化對研究秸稈還田對設施土壤改良也具有重要意義[18-20]。研究結果還表明，秸稈不同還田方式均可增加土壤的SOC含量，其中，內置式秸稈生物反應堆發酵后還田效果明顯優于秸稈粉碎后直接還田，且其對土壤短期SOC含量提升效果明顯。秸稈還田還可提高設施栽培土壤pH，使其趨向弱堿性，內置式秸稈生物反應堆發酵后還田比秸稈粉碎后直接還田效果明顯，可有效抑制長期施用化肥帶來的土壤酸化現象，與楊文雅等[15]的研究結果相符。

細菌數量高低可以作為土壤肥力的指示標志，土壤代謝強度與土壤放線菌數量的多少有關[17]，土壤真菌與許多作物病害的病原菌以及土傳病害的發生有直接關系[31]，可見，研究土壤微生物數量變化對研究秸稈還田對設施栽培的影響尤為重要。趙亞麗等[5，23-24]研究證實，作物秸稈還田對土壤微生物數量具有明顯促進作用，但耕作方式和秸稈用量之間存在明顯差異。研究結果表明，秸稈還田能明顯促進土壤細菌和放線菌數量，與楊釗等[17]的研究結果相符。土壤細菌和放線菌與真菌的比值增大可有效改善土壤微生物群體結構，客觀促進了土壤肥力的提升。內置式秸稈生物反應堆發酵后還田在促進3種土壤微生物總量增殖上比秸稈粉碎后直接還田效果明顯，尤其是對土壤放線菌數量影響最大。孫婧等[14-15]研究發現，秸稈生物反應堆處理能有效提高作物土壤微生物含量，主要由于秸稈發酵分解過程離不開微生物參與，分解產物反之也促進了微生物的繁殖。說明，內置式秸稈生物反應堆發酵后還田對土壤微生物數量的提升效果明顯。

目前研究主要集中在秸稈還田對土壤微環境短期效果影響方面，關于長期秸稈還田對土壤肥力和微生物種類和數量的影響還有待進一步深入研究。