番茄和辣椒秸稈還田對自身蔬菜幼苗生長及根系酶活性的影響

楊冬艷,桑 婷,馮海萍,趙云霞

(寧夏農林科學院種質資源研究所,銀川750002)

2019 年全國蔬菜播種面積約為2 100 萬hm2(農業部),比2018 年增長約4.7 萬hm2,增長約2.3%;蔬菜產量約為7.21 億t,比2018 年增長約0.18 億t,增長約2.5%。 在蔬菜產業規模增加的同時,蔬菜廢棄物產生量也急劇增加。 據報道,2013 年我國蔬菜廢棄物產量近2.69 億t,可資源化利用的蔬菜廢棄物為2.15 億t[1],蔬菜廢棄物的無害化處理和綜合利用是目前我國亟待解決的問題。

番茄和辣椒是主要的蔬菜作物,在獲得高效益的同時也帶來了嚴重的連作障礙問題[2]。 研究表明,將農作物莖葉直接或間接地翻埋到土壤中能夠緩解連作障礙的發生[3],如大蒜秸稈還田可優化溫室番茄連作土壤微生物環境,減輕根結線蟲發生[4];玉米和分蘗洋蔥秸稈還田可以促進番茄生長,防治根結線蟲,改變土壤微生物群落結構[5];芥菜、大麥和芹菜幼嫩莖葉干粉加入到辣椒連作土中,可以顯著促進辣椒的生長發育以及辣椒根系生長,改善辣椒根區環境[6]。 可見,秸稈還田是改善土壤環境及廢棄物資源化利用的重要技術途徑之一。

秸稈還田既可直接還田,也可堆肥后還田。 直接還田具有處理成本低、環境影響小、可改善土壤理化性狀的特點;堆肥還田則處理量大,能有效殺滅致病微生物,堆肥營養全面[1]。 無論直接還田還是堆肥還田,秸稈還田作物腐解物釋放的化學物質有可能對同科作物生長產生化感效應。 研究表明,在新疆綠洲棉田生態系統中,棉花長期連作的負面效應與棉花秸稈還田的正面效應同時存在[7];秸稈腐解產生的化感物質對種子發芽和幼苗生長的抑制作用也是普遍存在,不容忽視[8]。 堆制后的番茄秸稈浸提液對黃瓜和大白菜種子的萌發和幼苗生長存在不同程度的化感作用,低濃度浸提液可提高黃瓜和大白菜種子的發芽率,高濃度則對黃瓜和大白菜種子的發芽率、發芽指數以及黃瓜幼苗苗長和鮮質量具有一定的抑制作用[9]。 番茄與辣椒植株高大、莖稈粗壯、生物量大,是蔬菜產業莖葉廢棄物的主要來源,但番茄和辣椒秸稈還田的相關研究較少,尤其是蔬菜廢棄物還田后的化感效應特征了解甚少。 筆者前期研究發現,番茄秸稈在還田60 d 內對番茄植株生長有化感抑制作用,堆肥還田則對番茄植株生長無化感抑制作用[10]。宋玉晶等[11]分析比較了山東壽光4 種蔬菜廢棄物處理利用模式利弊,提出秸稈就地漚堆還田循環利用模式是最為經濟且可持續的模式。 為探索番茄和辣椒秸稈廢棄物適宜利用方式及其化感效應特征,本試驗采用盆栽方式研究番茄和辣椒秸稈2 種還田方式(曬干粉碎直接還田和堆肥后還田)對自身蔬菜幼苗生長及根系保護酶活性的影響,以及在還田初始(秸稈腐解和生物活性最為活躍的階段)對自身蔬菜幼苗的化感效應特征,為制定科學合理的蔬菜秸稈還田方案提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試辣椒、番茄秸稈為2017 年5—10 月露地種植的番茄和辣椒秸稈,經過10—12 月的晾曬風干,利用秸稈粉碎機進行粉碎,一部分留作干樣秸稈進行還田;一部分于2018 年7—9 月添加粗纖維降解菌劑(廣州農冠生物科技有限公司生產,總菌數≥109cfu∕g)200 g∕t 堆制成1 m3左右進行堆肥,然后還田。 保持堆肥含水量60%左右,堆體溫度超過65 ℃翻堆,直到堆肥溫度與環境溫度相近時停止堆肥,堆肥時間為60 d。 試驗材料養分特征見表1。

表1 番茄和辣椒堆肥養分含量情況Table 1 Nutrient content of tomato and pepper compost

1.2 試驗設計

試驗于2019 年3 月在寧夏農林科學院現代農業基地拱棚內進行。 試驗設6 個處理,TR1:番茄秸稈直接還田,TR2:辣椒秸稈直接還田,TR3:番茄堆肥還田,TR4:辣椒堆肥還田,雞糞施肥(CK1)和不施肥(CK)分別作為對照。 各處理秸稈和堆肥按照干物質量∶土質量為3 ∶100 的比例與土壤混合,裝入高15 cm×直徑10 cm 的小花盆中,每個處理30 盆,土壤為種植5 年的日光溫室土壤,理化性質為pH 8.02、EC 0.17 mS∕cm、有機質19.9 g∕kg、全氮1.91 g∕kg、速效氮124.2 mg∕kg、速效磷42.1 mg∕kg、速效鉀211.8 mg∕kg。 種植蔬菜幼苗為番茄和辣椒穴盤苗,種植時番茄幼苗4 葉1 心,辣椒幼苗6 葉1 心,種植后統一水分管理,不施肥。

1.3 測試指標

在番茄種植10 d 時,每個處理隨機選擇10 株,調查株高、莖粗、地上部干重和根系干重,隨機選擇10株帶回實驗室,清洗根系,測試根系活力和根系酶活性。 根系活力采用TTC 法測定,超氧化物歧化酶(SOD)活性采用NBT 還原法測定,過氧化物酶(POD)活性采用愈創木酚顯色法測定,過氧化氫酶(CAT)活性采用紫外分光光度計吸收法測定[12]。

1.4 數據分析

壯苗指數=(莖粗∕株高+根干重∕地上部干重) ×總干重[13]。

化感作用效應指數(Response index,RI)采用Williamson 等[14]的計算方法,RI =1 -C∕T(T≥C);RI=T∕C-1(T＜C);式中,C為對照值,T為處理值。 當RI ＞0 時,表示具有促進作用;當RI ＜0 時,表示具有抑制作用。 RI 絕對值的大小表示化感作用強度。

采用Excel 2010 軟件處理數據,采用DPS 軟件進行Duncan's 多重比較。

2 結果與分析

2.1 番茄與辣椒秸稈還田對自身蔬菜幼苗生長的影響

由表2 可以看出,番茄和辣椒幼苗生長對自身秸稈還田處理響應特征不同。 從番茄幼苗生長來看,與不施肥對照(CK)相比,4 個還田處理和雞糞施肥(CK1)均顯著促進了番茄株高的增長,CK1 和TR4 處理顯著提高了番茄莖粗,分別為7.9%和5.57%;TR1、TR2 和TR3 處理的番茄莖粗與CK 沒有顯著差異;CK1、TR3 和TR4 處理顯著提高了番茄幼苗地上部干重(26.98%、18.2%和38%),并顯著促進了番茄幼苗根干重增加(24.17%、50.4%和38.33%),TR1 和TR2 處理對于番茄地上部干重沒有顯著影響,但顯著降低了根干重(27.5%和17.5%)。 各處理對番茄全株干重的影響與地上部干重相同,對壯苗指數的影響與根干重相同,其中TR3 和TR4 處理的壯苗指數顯著高于CK1,說明番茄和辣椒秸稈堆肥后還田能夠顯著提高番茄幼苗的生長量,尤其是番茄根系生物量的積累高于CK1,壯苗指數也顯著高于CK1。 番茄和辣椒秸稈還田顯著降低了番茄幼苗根系生物量的積累,二者之間沒有顯著差異。

從辣椒幼苗生長來看,CK 和4 個還田處理對辣椒幼苗株高沒有顯著影響;CK1 的辣椒莖粗和地上部干重顯著高于CK(5.76%和10.5%),其他4 個處理對辣椒莖粗和地上部干重沒有顯著影響;TR3 和TR4處理則顯著增加了辣椒根干重(18.91%和34.62%),而TR1 和TR2 處理降低了辣椒根干重(24.49%和29.22%),CK1 與CK 的根干重沒有顯著差異。 TR4 處理的辣椒幼苗壯苗指數最高,顯著高于CK 和其他處理,其次為TR3 處理,再次為CK1,均高于CK,TR1 和TR2 處理的壯苗指數則顯著低于CK,說明番茄和辣椒秸稈堆肥還田能促進辣椒幼苗的生長,且辣椒堆肥效果更佳,而番茄和辣椒秸稈直接還田處理則抑制了辣椒幼苗的生長,尤其是辣椒幼苗根系的生長,二者之間抑制效應沒有顯著區別。

表2 番茄和辣椒秸稈還田對自身蔬菜幼苗生長的影響Table 2 Effects of tomato and pepper straw returning on growth of self vegetable seedlings

2.2 番茄與辣椒秸稈還田對自身蔬菜幼苗的化感效應

由表3 可見,雞糞施肥處理(CK1)對番茄幼苗生長指標均為化感正向促進作用,對辣椒幼苗除株高為負向抑制作用外,其他指標RI 值均大于0; TR1 處理對番茄幼苗生長指標除株高為正向促進作用外,其他均為負向抑制作用,且對根系的抑制效應最強,TR1 處理對辣椒幼苗除地上部干重外,其他指標RI 值均小于0,其中對根干重抑制作用最強,說明番茄秸稈還田腐解物對辣椒和番茄幼苗根系生長均產生強烈的抑制效應,進而導致對壯苗指標的嚴重負向化感作用。 TR2 處理對番茄株高和地上部干重有輕微的化感促進作用,對番茄幼苗地下部和壯苗指數為化感抑制作用,TR2 處理對辣椒幼苗則是地上和地下同時抑制,所有生長指標RI 均小于0,可見辣椒秸稈直接還田對自身蔬菜的抑制效應強于番茄。 TR3 處理除對辣椒株高有輕微的抑制作用外,對番茄和辣椒幼苗其他指標均為正向促進作用,說明番茄秸稈堆肥還田對自身蔬菜和辣椒幼苗生長均有促進作用,尤其是顯著促進了番茄和辣椒幼苗根系的發育。 TR4 處理對番茄幼苗均為促進作用,對自身蔬菜辣椒幼苗地上部生長有抑制效應,但能夠促進自身蔬菜根系的顯著發育,進而提升壯苗指數。

表3 番茄和辣椒秸稈還田對自身蔬菜幼苗生長的化感效應指數Table 3 Allelopathic effect index of tomato and pepper straw returning on self vegetable seedling growth

2.3 番茄與辣椒秸稈還田對自身蔬菜幼苗根系活力及根系酶活性的影響

由表4 可見,不同還田處理對番茄和辣椒幼苗根系活力有顯著的影響。 CK1 和4 個還田處理均顯著提升了番茄幼苗根系活力,其中CK1 的番茄根系活力最強,較CK 提高了131.54%,其后依次為TR4、TR2、TR3 和TR1 處理,分別提高了107.14%、50%、48.8%和23.2%。 TR1、TR3 和TR4 處理也能提高辣椒幼苗根系活力,只有TR2 處理顯著降低了辣椒根系活力。 可見,相比堆肥還田,秸稈直接還田處理的根系活力較低,尤其是辣椒秸稈直接還田對辣椒幼苗根系活力有抑制作用。

POD、CAT、SOD 是植物體內重要的活性氧清除酶,對植物細胞起保護作用,在逆境時其酶活性增加[15]。 由表4 可見,CK1 和4 個還田處理均能顯著提高番茄幼苗根系SOD 活性,其中TR1 和TR3 處理的根系SOD 活性最高;辣椒幼苗根系SOD 的反應與番茄不同,除CK1 顯著提升了SOD 活性外,4 個還田處理均顯著降低了辣椒根系SOD 活性,尤以TR2 處理辣椒根系SOD 活性最低。 TR1 和TR2 處理能顯著提高番茄和辣椒幼苗根系的POD 活性; TR3 處理和CK1 提高了番茄幼苗根系POD 活性,但對辣椒根系POD 活性沒有顯著影響;TR4 處理的番茄根系POD 活性與CK 沒有顯著差異,辣椒根系POD 活性則顯著降低。 從各處理CAT 活性的變化來看,只有TR2 處理的番茄和辣椒根系CAT 活性顯著高于對照,其他3個還田處理的根系CAT 活性均與CK 沒有顯著差異。

表4 番茄和辣椒秸稈還田對自身蔬菜幼苗根系活力及酶活性的影響Table 4 Effects of tomato and pepper straw returning on root activity and enzyme activity of self vegetable seedlings

3 討論

3.1 番茄和辣椒秸稈直接還田對各自蔬菜幼苗生長的影響特征

研究表明,在秸稈直接還田中,作物秸稈及其腐解物中的化感物質對其本身的生長發育有很強的抑制作用[16],加工番茄根、莖、葉分別還田對直播番茄幼苗的生長、根系活力、根系SOD 及CAT 活性均有抑制作用,且隨著處理含量的增加,抑制作用增強[17];將辣椒秸稈進行腐解處理后還田,發現腐解物中的化感物質導致辣椒植株生長減緩,抑制辣椒根系活力和根系保護酶(SOD、POD、CAT)的活性[18]。 目前,寧夏地區果菜類蔬菜集約化育苗程度在95%以上,露地或設施生產中均直接定植幼苗,已有的研究難以判斷番茄和辣椒秸稈在生產中直接還田對定植期自身蔬菜幼苗生長影響效應。 因此,本試驗在番茄和辣椒秸稈直接還田后,種植達到定植壯苗標準的番茄和辣椒幼苗,發現在還田初始階段對番茄和辣椒幼苗生長均有顯著的抑制作用,對根系生物量積累的抑制效應尤為強烈,同時對自身蔬菜幼苗的抑制效應更強,這種抑制作用可能是秸稈腐解物綜合作用的結果。 本試驗還發現番茄根系保護酶活性除CAT 外均顯著上升,可能是秸稈直接還田的腐解物造成了番茄幼苗根系生長環境的逆境,生物脅迫逆境激發了番茄根系細胞防御系統的啟動,保護酶活性顯著上升;而辣椒根系的POD 和CAT 活性上升,SOD 活性下降,可能是逆境超過一定限度,對保護酶構成傷害,致使酶的活性降低[18]。 可見,番茄和辣椒秸稈直接還田初始對各自蔬菜幼苗生長有顯著的抑制作用,番茄根系的抗逆能力可能強于辣椒根系,對其他蔬菜幼苗可能也存在潛在的生物脅迫威脅,尤其在設施蔬菜生產中,復種指數高,茬口連接緊密,留給秸稈直接還田腐解的時間也短,如果休閑期較短,不推薦采用直接還田技術,但在露地蔬菜生產中,可在種植結束后進行還田,有較長的時間進行秸稈腐解和物質的轉化。

3.2 番茄和辣椒秸稈堆肥還田對各自蔬菜幼苗生長的影響特征

堆肥化是在微生物的參與下利用高溫發酵對蔬菜殘體進行無害化處理的過程,能夠有效控制有害病原菌的傳播,分解化感物質[19-20],將廢棄物轉化為肥料,是蔬菜廢棄物無害化處理和資源化利用的有效途徑[21]。 研究表明,番茄殘株堆肥還田可降低土壤容重,提高土壤有機質含量和生物活性,提高果實香味,促進番茄和黃瓜生長,且作用效果隨用量的增多而加強[22-23]。 本試驗發現,番茄和辣椒秸稈堆肥還田初始能夠提高根系活力,引發各自蔬菜根系的快速生長,提高定植期幼苗壯苗指數,對各自蔬菜幼苗生長均為化感正向促進作用。 有機固體廢棄物堆肥過程中,會釋放分解一些生物毒性物質(如有機酸、多酚等),這些物質會隨著堆肥的進行逐漸被轉化[24-25]。 番茄和辣椒秸稈經過堆肥后,養分構成及結構發生了重大變化,還田后的腐解物對各自蔬菜生長沒有毒性作用,還能對其根際環境產生改善作用,促進根系活力的提升,顯著提高根系的生物量。 因此,在蔬菜生產區,蔬菜廢棄物秸稈可以通過高溫堆肥進行還田,即可實現產區的清潔生產,又可對廢棄物進行生物循環利用。

4 結論

4.1 番茄和辣椒秸稈直接還田初始對各自蔬菜幼苗的生長具有顯著的抑制作用,尤其是對自身蔬菜幼苗的抑制效應更強。

4.2 番茄和辣椒堆肥還田初始能夠促進根系活力的提升,顯著提高根系的生物量和各自蔬菜幼苗的壯苗指數,效果優于雞糞處理。