菌渣施用對黃河故道區(qū)低產(chǎn)田土壤理化性質(zhì)、小麥根系生長和產(chǎn)量的影響①

徐 聰，吳 迪，王 磊，李傳哲，楊 蘇，孫 麗，汪吉東,3*，張永春，艾玉春

菌渣施用對黃河故道區(qū)低產(chǎn)田土壤理化性質(zhì)、小麥根系生長和產(chǎn)量的影響①

徐 聰1,2，吳 迪1，王 磊1，李傳哲1，楊 蘇1，孫 麗1，汪吉東1,3*，張永春1,2，艾玉春1

(1 江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部江蘇耕地保育科學(xué)觀測站，南京 210014；2 江蘇大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013；3 江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

通過對兩個小麥生長季進行田間監(jiān)測，探究了施用菌渣對黃河故道區(qū)低產(chǎn)田土壤理化性質(zhì)、小麥根系生長和產(chǎn)量的影響。試驗共設(shè)7個處理，分別為不施用菌渣(CK)，施用低量(6 t/hm2；S1)、中量(12 t/hm2；S2)和高量秸稈質(zhì)菌渣(18 t/hm2；S3)，施用低量(6 t/hm2；B1)、中量(12 t/hm2；B2)和高量木質(zhì)菌渣(18 t/hm2；B3)。結(jié)果表明：相比CK，施用菌渣后第1年和第2年的小麥產(chǎn)量分別增加了32.4% ～ 51.8% 和38.8% ～ 101.2%(<0.05)；逐步回歸結(jié)果顯示，每施用1 t/hm2的菌渣，可提升小麥產(chǎn)量0.21 t/hm2(<0.01)；不同菌渣類型間的小麥產(chǎn)量和經(jīng)濟效益無顯著差異(>0.05)，秸稈質(zhì)菌渣18 t/hm2處理下可獲得最高產(chǎn)量和經(jīng)濟效益；施用菌渣2年后，0 ～ 10 cm土壤有機質(zhì)顯著提升24.7% ～ 57.7%(<0.05)，且0 ～ 10 cm土壤容重和緊實度分別降低了11.6% ～ 18.2% 和20.8% ～ 35.7%(<0.05；B1處理除外)；根系形態(tài)指標(biāo)與小麥產(chǎn)量間均呈正相關(guān)關(guān)系，菌渣施用對小麥苗期根系總根長、總表面積、總體積和分叉數(shù)的增加有顯著促進作用(<0.05)；小麥產(chǎn)量與土壤有機質(zhì)含量呈正相關(guān)關(guān)系，與0 ～ 10 cm土壤容重和緊實度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(<0.05)，說明菌渣施用后土壤有機質(zhì)水平提升、物理結(jié)構(gòu)改善是產(chǎn)量增加的關(guān)鍵機制。本研究表明，針對土壤有機質(zhì)水平低、物理結(jié)構(gòu)較差的黃河故道區(qū)低產(chǎn)田，施用菌渣是改善該地區(qū)土壤物理特性，促進作物根系生長，快速提升產(chǎn)量，增加經(jīng)濟效益的有效手段。

菌渣；低產(chǎn)田；小麥；根系；土壤理化性質(zhì)

目前我國農(nóng)田總面積中仍有70% 以上屬于中低產(chǎn)田，提高中低產(chǎn)田產(chǎn)量是落實“藏糧于地”戰(zhàn)略、保障我國糧食安全的重要途徑[1]。黃河故道區(qū)是典型的中低產(chǎn)田區(qū)，導(dǎo)致該地區(qū)作物產(chǎn)量低的主要原因為土壤有機質(zhì)含量低、物理結(jié)構(gòu)差等[2]。加大有機物料投入，改善土壤物理化學(xué)特性是黃河故道區(qū)中低產(chǎn)田耕地保育和地力提升的重要措施[3]。然而，商品有機肥價格較高，在糧食作物生產(chǎn)中大面積推廣施用存在一定困難[4]。選擇成本較低且產(chǎn)量提升效果顯著的有機物料，是形成可復(fù)制可推廣的地力提升方案的必要條件。

中國是食用菌生產(chǎn)大國，其年產(chǎn)量可達(dá)3 842萬t[5]，大規(guī)模生產(chǎn)食用菌的同時也產(chǎn)生了大量的菌渣廢棄物(每生產(chǎn)1 kg食用菌會產(chǎn)生菌渣3.25 kg)。菌渣有機質(zhì)含量高，富含氮、磷、鉀、微量元素、糖類、蛋白質(zhì)、脂肪和纖維素等[6]，養(yǎng)分含量與天然有機肥相當(dāng)，且價格低廉(每t僅260元左右)，是理想的還田有機物料[7]。已有一些研究發(fā)現(xiàn)，菌渣在提升土壤養(yǎng)分含量[8]、改善土壤物理特性方面效果顯著[9]。我國菌渣再利用率僅為33%，將其還田可在提升地力的同時避免菌渣丟棄和焚燒造成的資源浪費和環(huán)境污染問題，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物的循環(huán)利用[8]。

小麥作為黃河故道區(qū)主要的糧食作物之一，在保證區(qū)域糧食安全方面發(fā)揮著重要作用[10]。關(guān)于菌渣施用對小麥產(chǎn)量和土壤肥力指標(biāo)的影響，前人已進行了相關(guān)研究。李春喜等[11]的結(jié)果表明，在黏壤土中施加菌渣可提高小麥產(chǎn)量69.6%，增加經(jīng)濟效益123.5%。鄧歐平等[12]在成都平原進行的研究表明，菌渣施用可分別提升土壤堿解氮、速效鉀和有效磷含量3.55% ～ 20.24%、2.84% ～ 31.97% 和2.10% ～ 14.48%。陳源泉等[13]在華北平原進行的長期定位試驗發(fā)現(xiàn)，施用菌渣5年后土壤總有機碳和易氧化有機碳水平顯著提升，年均增幅分別為21.9% 和33.75%。然而針對黃河故道區(qū)低產(chǎn)田，目前還缺乏關(guān)于菌渣施用對小麥產(chǎn)量和土壤肥力影響及其機制的研究。

本研究選取黃河故道區(qū)典型低產(chǎn)田為試驗地，設(shè)置不同菌渣施用處理，探究菌渣施用對小麥產(chǎn)量、土壤有機質(zhì)含量及物理特性的影響。由于根系形態(tài)的建成是小麥產(chǎn)量形成的重要條件，且顯著受土壤物理特性影響[14]，本研究也著重分析了小麥根系生長對菌渣施用的響應(yīng)。研究可為探明菌渣施用的增產(chǎn)機制、挖掘中低產(chǎn)田區(qū)作物增產(chǎn)潛力提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于江蘇省濱?？h界牌鎮(zhèn)三壩村。該地區(qū)為黃河故道區(qū)，屬暖溫帶向亞熱帶過渡的濕季風(fēng)氣候，無霜期223 d，年平均氣溫14.1℃，年平均降雨量942.6 mm。土壤類型為砂質(zhì)潮土，種植模式為小麥–玉米輪作，為典型的低產(chǎn)田。試驗開始前土壤基礎(chǔ)理化性狀見表1。

表1 供試土壤(0 ～ 20 cm)基礎(chǔ)理化性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

試驗始于2017年6月。選取當(dāng)?shù)厥秤镁N植中產(chǎn)生的兩類主要菌渣：秸稈質(zhì)菌渣和木質(zhì)菌渣作為供試材料，共設(shè)7個處理，分別為不施用菌渣(CK)，施用低量(6 t/hm2；S1)、中量(12 t/hm2；S2)、高量(18 t/hm2；S3)秸稈質(zhì)菌渣，施用低量(6 t/hm2；B1)、中量(12 t/hm2；B2)和高量(18 t/hm2；B3)木質(zhì)菌渣。小區(qū)面積為96 m2，每處理重復(fù)3次，隨機區(qū)組排列。

所有處理小麥季化肥施用量均一致，分別為N 270 kg/hm2、P2O5150 kg/hm2和K2O 80 kg/hm2，其中氮肥為尿素，基追比為4∶6；磷肥和鉀肥分別為過磷酸鈣和硫酸鉀，均作為底肥一次性施入。供試秸稈質(zhì)菌渣全氮、全磷、全鉀含量及C/N比值分別為3.32、8.94、19.4 g/kg和77.7，木質(zhì)菌渣分別為5.22、6.71、18.70 g/kg和62.8。菌渣于每季作物種植前進行施用，且各處理每季施用量一致。其他農(nóng)藝措施與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民常規(guī)操作相同。

1.3 樣品采集與指標(biāo)測定

在2019年小麥?zhǔn)斋@期對0 ～ 10 cm和10 ～ 20 cm土壤的有機質(zhì)含量、容重和緊實度進行測定。土壤有機質(zhì)含量、容重按土壤分析常規(guī)方法測定[15]。土壤緊實度采用TJSD-750-II型緊實度儀測定(托普云農(nóng)科技股份有限公司，中國)。

于2018年和2019年小麥苗期對植株進行采樣。每小區(qū)采集具有代表性的10株小麥樣品，根系取樣深度為0 ～ 30 cm。取樣后將小麥植株帶回實驗室，用水洗凈后將根系與地上部分離；將洗凈的根系置于裝有水的有機玻璃盤上，用鑷子小心將根系展開，避免根系重疊；使用EPSON PERFECTION V700 Photo掃描儀對根系圖像進行掃描，使用根系圖像分析軟件WinRHIZO(Regent Instruments, Canada)對根系進行分析，得到總根長、總根表面積、根尖數(shù)和根系分叉數(shù)等指標(biāo)。在測完根系形態(tài)指標(biāo)后，將根系轉(zhuǎn)移到60℃鼓風(fēng)烘箱中烘干至恒重，稱量干物質(zhì)量。比根長(m/g)的計算方法為總根長(m)與根系干物質(zhì)量(g)的比值，根組織密度(mg/cm3)為根系生物量(mg)與根系體積(cm3)的比值。兩個種植季的小麥產(chǎn)量均采用樣方法測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用公式(1)計算小麥生產(chǎn)的經(jīng)濟效益[16]：

經(jīng)濟效益=籽粒產(chǎn)量× 市場價格– 生產(chǎn)成本 (1)

式中：生產(chǎn)成本=機械投入 + 勞動成本 + 生產(chǎn)資料(種子+化肥)投入。小麥價格為2.3元/kg，種子價格為4.5元/kg，氮肥價格為N 3.7元/kg，鉀肥價格為K2O 5元/kg，磷肥價格為P2O55元/kg，兩類菌渣價格均為260元/t，勞動成本為1 200元/hm2，機械投入為150元/hm2。

試驗中作物產(chǎn)量及經(jīng)濟效益分析基于2018年和2019年兩年結(jié)果。土壤有機質(zhì)、容重及緊實度為2019年單年數(shù)據(jù)(= 3)。除不同根系直徑范圍下的根系指標(biāo)組成為2019年單年數(shù)據(jù)外(= 3)，其余根系形態(tài)指標(biāo)均為2018年、2019年兩年數(shù)據(jù)的平均值(= 6)。試驗數(shù)據(jù)使用Microsoft Excel 2016 進行整理，采用SPSS 22.0軟件進行統(tǒng)計分析，運用最小顯著差異法(LSD)對各處理數(shù)據(jù)進行多重比較(<0.05)，使用GraphPad Prism 7進行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 菌渣施用對小麥產(chǎn)量及經(jīng)濟效益的影響

施用菌渣處理的小麥產(chǎn)量均顯著高于CK(< 0.05；圖1A)，兩個生長季平均增產(chǎn)幅度為39.0% ～ 63.3%。隨著菌渣施用量的增加，小麥產(chǎn)量呈增加趨勢，但同一施用水平下兩種菌渣類型間的小麥產(chǎn)量無顯著差異(>0.05)。相比CK，施用菌渣后經(jīng)濟效益平均增加1 552 ～ 3 257元/hm2(27.8% ～ 58.4%；圖1B)。各菌渣施用處理中，S3處理的平均產(chǎn)量(7.99 t/hm2)和經(jīng)濟效益(8 838元/hm2)均表現(xiàn)為最高，且與CK間差異均達(dá)顯著水平(<0.05)。

2.2 菌渣施用對土壤有機質(zhì)含量及物理指標(biāo)的影響

相比CK，施用菌渣處理下0 ～ 10 cm土壤有機質(zhì)含量顯著提升24.7% ～ 57.7%(<0.05；圖2A)，其中B2處理下土壤有機質(zhì)含量為7.26 g/kg，提升效果最明顯；施菌渣后10 ～ 20 cm土壤有機質(zhì)含量也有增加趨勢，但差異未達(dá)顯著水平(>0.05)。施用菌渣處理下0 ～ 10 cm土壤容重均較CK呈降低趨勢，降低幅度為2.66% ～ 18.81%，且除B1處理外，其余處理降幅均達(dá)顯著水平(<0.05；圖2B)；S1和B2處理下10 ～ 20 cm土壤容重較CK顯著降低(<0.05)，但其他處理與CK間無顯著差異(>0.05)。與土壤容重規(guī)律相似，相比CK，施用菌渣后0 ～ 10 cm土壤緊實度也有降低趨勢(B1處理除外；圖2C)，且S1、S3、B2和B3處理與CK間差異達(dá)顯著水平(<0.05)；但各處理下10 ～ 20 cm土壤容重?zé)o明顯變化趨勢(>0.05)。

2.3 菌渣施用對小麥苗期根系形態(tài)指標(biāo)的影響

相比CK，施用秸稈質(zhì)菌渣和木質(zhì)菌渣均顯著(< 0.05)增加小麥苗期總根長(47.9% ～ 78.4%)和總根表面積(68.9% ～ 96.9%；表2)，其中B1處理對總根長的提升效果最明顯，B2處理下的總根表面積最高。菌渣施用也有增加根系總體積的趨勢，相比CK其增加比例為68.7% ～ 135.7%，且除S2處理外差異均達(dá)到顯著水平(<0.05)。施用菌渣后小麥根尖數(shù)較CK增加了64.7% ～ 128.1%，其中B3處理增加最為顯著(<0.05)；根系分叉數(shù)較CK增加了51.7% ～ 124.2%，其中B3處理增加最為顯著(<0.05)。施用菌渣對小麥根系平均直徑?jīng)]有顯著影響(>0.05)。兩種菌渣類型間小麥根系形態(tài)指標(biāo)亦無顯著差異(>0.05)。

不同根系直徑范圍下的根長、根表面積、根尖數(shù)如圖3所示。小麥苗期根系中，0 ～ 0.5 mm直徑范圍內(nèi)的根長最長(1 150 ～ 1 759 cm)，占苗期總根長的約80%。直徑0 ～ 0.5 mm和0.5 ～ 1.0 mm范圍內(nèi)的根表面積較高(45.77 ～ 100.76 cm2)，同樣占根系總表面積的約80%。各處理下0.5 ～ 1.0 mm根直徑范圍內(nèi)的根體積最大(0.77 ～ 1.61 cm3)，而后隨根直徑的降低，根體積也呈降低趨勢。不同直徑范圍下根尖數(shù)的變化規(guī)律與根長相似，根尖數(shù)較多的根系大多集中在0 ～ 0.5 mm直徑范圍內(nèi)(根尖數(shù)為3 733 ～ 6 709)，占總根尖數(shù)的98%。然而各處理在不同根直徑范圍下的根長、根表面積、根體積和根尖數(shù)均無顯著差異(>0.05)。

2.4 菌渣施用對小麥根系干物質(zhì)量、組織密度及比根長的影響

B3處理下的小麥根系干物質(zhì)量最高(0.70 g/株)，且顯著(<0.05)高于其他處理(表3)。施用菌渣后根系比根長有增加趨勢(B3處理除外)，其中S3處理增加幅度最高(63.0%)，且顯著高于CK(<0.05)。各處理中，B3處理的根組織密度最高(3.80 mg/cm3)；但其余菌渣施用處理的根組織密度均低于CK，且除B1處理外，與CK間差異均達(dá)到顯著水平(<0.05)。

表2 不同處理下小麥根系形態(tài)指標(biāo)差異

注：表中數(shù)據(jù)為兩個生長季監(jiān)測結(jié)果的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(= 6)；同列不同小寫字母表示不同處理間存在顯著差異(<0.05)；下同。

表3 不同處理小麥根系干物質(zhì)量、比根長及根組織密度

2.5 小麥產(chǎn)量、菌渣施用量、根系生長指標(biāo)、土壤有機質(zhì)及物理指標(biāo)間的關(guān)系

菌渣施用量與小麥產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(< 0.05；表4)，表明菌渣施用顯著促進小麥產(chǎn)量。菌渣施用量與0 ～ 10 cm及10 ～ 20 cm土壤有機質(zhì)含量也呈正相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性未達(dá)顯著水平(>0.05)。菌渣施用量與0 ～ 10 cm土壤容重及緊實度均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(<0.05)，但與10 ～ 20 cm土壤容重及緊實度間相關(guān)關(guān)系不顯著(>0.05)。

除比根長外，小麥產(chǎn)量與根系生長指標(biāo)間均呈正相關(guān)關(guān)系，且與總根表面積、根尖數(shù)、根系分叉數(shù)和根系干物質(zhì)量間的相關(guān)性達(dá)顯著水平(<0.05；表4)。除根組織密度外，菌渣施用量與其他根系生長指標(biāo)均呈正相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性未達(dá)顯著水平(>0.05)。除根平均直徑和根組織密度外，其余根系生長指標(biāo)均與0 ～ 10 cm土壤有機質(zhì)含量呈正相關(guān)關(guān)系，且總根長、根系分叉數(shù)與0 ～ 10 cm有機質(zhì)含量間相關(guān)性達(dá)顯著水平(<0.05)；但各根系生長指標(biāo)與10 ～ 20 cm土壤有機質(zhì)含量無顯著相關(guān)性(>0.05)。除根組織密度外，各根系生長指標(biāo)均與0 ～ 10 cm土壤容重呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且根系總體積、根系分叉數(shù)與0 ～ 10 cm土壤容重間相關(guān)性達(dá)顯著水平(<0.05)；除根尖數(shù)和比根長外，各根系生長指標(biāo)與10 ～ 20 cm土壤容重也呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性未達(dá)顯著水平(>0.05)。除總根長、根系分叉數(shù)和比根長外，各根系生長指標(biāo)均與土壤緊實度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且根系干物質(zhì)量與10 ～ 20 cm土壤緊實度間相關(guān)性達(dá)顯著水平(<0.05)。

根系生長指標(biāo)及產(chǎn)量與其菌渣施用量、土壤有機質(zhì)含量、容重和緊實度等指標(biāo)間的逐步回歸分析如表5所示。菌渣施用量顯著影響小麥產(chǎn)量(<0.01)，可以解釋72% 的產(chǎn)量變異，且每施用1 t/hm2的菌渣，產(chǎn)量可提升0.21 t/hm2。土壤有機質(zhì)含量可解釋21% 的總根長變異(<0.05)，根據(jù)逐步回歸方程可得出，提升1 g/kg的有機質(zhì)含量可增加總根長260 m/株。0 ～10 cm土壤容重可解釋20% 的根系體積變異，降低1 g/cm3的土壤容重可增加0.33 cm3的根系體積。根系分叉數(shù)也可用土壤有機質(zhì)含量解釋(2= 0.28；<0.05)，有機質(zhì)上升1 g/kg，根系分叉數(shù)增加約277個。根系干物質(zhì)量則受菌渣施用量影響顯著(2= 0.28；<0.05)。

表4 小麥產(chǎn)量、菌渣施用量、根系生長指標(biāo)、土壤物理屬性之間相關(guān)性

注：表中數(shù)值代表相關(guān)系數(shù)，*和**分別表示相關(guān)性達(dá)顯著(<0.05)和極顯著水平(<0.01)。

表5 小麥產(chǎn)量及根系生長指標(biāo)與其影響因素的逐步回歸分析

注：逐步回歸所考慮的自變量有：菌渣施用量，0 ～ 10 cm土壤容重、緊實度及有機質(zhì)含量，10 ～ 20 cm土壤容重、緊實度及有機質(zhì)含量。OM為0 ～ 10 cm土壤有機質(zhì)含量(g/kg)，BD為0 ～ 10 cm土壤容重(g/cm3)，AR為菌渣施用量(t/hm2)，為10 ～ 20 cm土壤緊實度(10–3kPa)。*和**分別代表達(dá)顯著(<0.05)和極顯著(<0.01)水平。

3 討論

3.1 菌渣施用的增產(chǎn)效果

前人在華北集約化高產(chǎn)農(nóng)田的研究發(fā)現(xiàn)，施用菌渣可顯著提高小麥產(chǎn)量4.7% ～ 69.64%[11, 17]。但針對黃河故道區(qū)低產(chǎn)田，關(guān)于菌渣投入對作物生產(chǎn)力提升效果的研究較少。本研究結(jié)果顯示，相比不施菌渣處理，施用菌渣后第1年和第2年的小麥產(chǎn)量分別增加了32.4% ～ 51.8% 和38.8% ～ 101.2%(<0.05；圖1A)，增產(chǎn)效果顯著。本試驗條件下，隨菌渣施用量的增加，小麥產(chǎn)量呈增加趨勢(圖1A)，同時，逐步回歸結(jié)果顯示，每施用1 t/hm2的菌渣，可提升0.21 t/hm2的小麥產(chǎn)量(<0.01；表5)。這表明在產(chǎn)量水平較低的黃河故道區(qū)，可通過增施菌渣來快速提升作物產(chǎn)量。黃河故道區(qū)土壤有機質(zhì)含量低，且質(zhì)地較砂，施用化肥后易產(chǎn)生氮素的淋溶和徑流損失[18]，不利于作物高產(chǎn)。菌渣的C/N比較高(62.8 ～ 77.7)，施用后有利于微生物對土壤氮素的固持，起到“保肥”作用，提高氮肥利用率和作物產(chǎn)量[19]。本研究中，相同施用量下，菌渣類型對小麥產(chǎn)量無顯著影響，可能是由于秸稈質(zhì)菌渣和木質(zhì)菌渣理化性質(zhì)較相近，且施用年限較短[20-21]所致。經(jīng)濟效益分析發(fā)現(xiàn)，S3處理下的小麥產(chǎn)量(7.99 t/hm2)和經(jīng)濟效益(8 838元/hm2)在各處理中均為最高(圖1)，表明在黃河故道區(qū)將秸稈質(zhì)菌渣按18 t/hm2水平還田可獲得較高農(nóng)學(xué)和經(jīng)濟效益。

3.2 菌渣施用對土壤有機質(zhì)含量的影響

有機質(zhì)含量是土壤肥力的重要指標(biāo)。Han等[20]通過整合全國68個長期定位試驗結(jié)果進行的meta分析表明，土壤有機質(zhì)含量與作物產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，每增加1 g/kg的土壤有機質(zhì)可提升作物年產(chǎn)量238 kg/hm2。本研究土壤基礎(chǔ)有機質(zhì)含量僅為4.41 g/kg，顯著低于我國耕層土壤(0 ～ 20 cm)有機質(zhì)平均水平(20.69 ～ 21.89 g/kg[22])，是限制該地區(qū)作物產(chǎn)量的主要因子之一。本研究結(jié)果顯示，施用菌渣2年后，0 ～ 10 cm土壤有機質(zhì)顯著提升24.7% ～ 57.7%(<0.05；圖2A)，且土壤有機質(zhì)含量與小麥產(chǎn)量均呈正相關(guān)關(guān)系(表4)，因此，菌渣施用下土壤有機質(zhì)水平的提升是小麥產(chǎn)量增加的重要途徑。無論施用秸稈質(zhì)菌渣或木質(zhì)菌渣，土壤有機質(zhì)含量均在12 t/hm2菌渣施用水平下達(dá)到最高，繼續(xù)增加施用量土壤有機質(zhì)反而呈降低趨勢(圖2A)。這可能是由于隨著菌渣施用量的增加，新添加的碳源對原土有機質(zhì)分解的激發(fā)效應(yīng)加強，導(dǎo)致18 t/hm2施用水平下的總有機碳累積較12 t/hm2水平低[23]。

3.3 菌渣施用對土壤物理特性和根系生長的影響

黃河故道區(qū)土壤高砂低黏，其較高的土壤機械阻力是限制作物根系生長和產(chǎn)量形成的關(guān)鍵因素之一[24]。前人研究表明，施用有機物料對土壤物理特性的改善和作物根系的建成有顯著促進作用[25]。本試驗結(jié)果顯示，菌渣施用量分別可以解釋0 ～ 10 cm土壤容重和緊實度總變異的31.4% 和51.8% (<0.05；表4)，且相比CK，施用菌渣后0 ～ 10 cm土壤容重顯著降低了11.6% ～ 18.2%，緊實度顯著降低了20.8% ～ 35.7%(<0.05；B1處理除外；圖2)，說明施用菌渣可顯著降低土壤機械阻力。

本研究通過對兩個小麥生長季的根系生長指標(biāo)進行監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，菌渣施用對根系總根長、總表面積、總體積和分叉數(shù)的增加有顯著的促進作用(<0.05)；但除B3處理外，施用菌渣處理下的根系平均直徑及根系干物質(zhì)量與CK無顯著差異(>0.05)，因此其比根長較CK呈增加趨勢(表2和表3)、根組織密度呈降低趨勢(表3)。與本試驗結(jié)果類似，Keeling等[26]的研究也發(fā)現(xiàn)，有機物料施用未顯著影響小麥根系干物質(zhì)積累量。該結(jié)果說明菌渣的施用主要促進根系分叉，增加單位根系干物質(zhì)量下的根長[27]。小麥產(chǎn)量與根系形態(tài)指標(biāo)均呈正相關(guān)關(guān)系，且小麥苗期的根系總表面積、平均直徑、總體積、根尖數(shù)、分叉數(shù)和根系干物質(zhì)量與0 ～ 10 cm土壤容重和緊實度均呈負(fù)相關(guān)(表4)。因此可以認(rèn)為菌渣施用后土壤表層容重和緊實度的降低是促進小麥苗期根系生長，增加產(chǎn)量的重要因素[28]。此外，菌渣施用后土壤孔隙度增加[29]、保水保肥能力增強[30]，為根系生長創(chuàng)造的水、肥、氣、熱協(xié)調(diào)的耕層結(jié)構(gòu)也可能是促進小麥苗期根系生長的重要原因[3]。

4 結(jié)論

本研究通過兩季小麥田間試驗發(fā)現(xiàn)，在土壤肥力水平較低的黃河故道區(qū)，施用菌渣可顯著提升小麥產(chǎn)量39.0% ～ 63.3%(<0.05)，且每施用1 t/hm2的菌渣，小麥產(chǎn)量增加0.21 t/hm2(<0.01)。施用秸稈質(zhì)菌渣18 t/hm2可獲得最高農(nóng)學(xué)和經(jīng)濟效益。施用菌渣2年后，土壤理化性質(zhì)顯著改善，0 ～ 10 cm土壤有機質(zhì)含量顯著提升24.7% ～ 57.7%(<0.05)，0 ～ 10 cm土壤容重和緊實度分別顯著降低11.6% ～ 18.2%、20.8% ～ 35.7%(<0.05；B1處理除外)。施用菌渣有利于小麥苗期根系的建成，對根系總根長、總表面積、總體積和分叉數(shù)的增加有顯著的促進作用(<0.05)。本研究結(jié)果表明，在土壤有機質(zhì)含量低，物理結(jié)構(gòu)較差的黃河故道區(qū)低產(chǎn)田，施用菌渣是改善該地區(qū)土壤物理特性，促進作物根系生長，快速提升作物產(chǎn)量，增加經(jīng)濟效益的有效手段。

[1] Yan H M, Ji Y Z, Liu J Y, et al. Potential promoted productivity and spatial patterns of medium- and low-yield cropland land in China[J]. Journal of Geographical Sciences, 2016, 26(3): 259–271.

[2] Zhang Z, Li Q, Liu G B, et al. Soil resistance to concentrated flow and sediment yields following cropland abandonment on the Loess Plateau, China[J]. Journal of Soils and Sediments, 2017, 17(6): 1662–1671.

[3] Pu X Z, Zhang G J, Zhang P P, et al. Effects of straw management, inorganic fertiliser, and manure amendment on soil microbial properties, nutrient availability, and root growth in a drip-irrigated cotton field[J]. Crop and Pasture Science, 2016, 67(12): 1297–1308.

[4] Yazan D M, Fraccascia L, Mes M, et al. Cooperation in manure-based biogas production networks: An agent-based modeling approach[J]. Applied Energy, 2018, 212: 820–833.

[5] 中國食用菌協(xié)會. 2018年度全國食用菌統(tǒng)計調(diào)查結(jié)果分析[OL]. 2019-12-27(2020-03-18). http://www.cefa.com.cn/ 2019/12/27/10663.html.

[6] 梁海恬, 何宗均, 高賢彪, 等. 菇渣、草炭、蛭石混合基質(zhì)化處理產(chǎn)物對番茄苗期發(fā)育特性的影響[J]. 華北農(nóng)學(xué)報, 2015, 30(4): 194–199.

[7] Gao X S, Lan T, Deng L J, et al. Mushroom residue application affects CH4and N2O emissions from fields under rice-wheat rotation[J]. Archives of Agronomy and Soil Science, 2017, 63(6): 748–760.

[8] Paredes C, Medina E, Bustamante M A, et al. Effects of spent mushroom substrates and inorganic fertilizer on the characteristics of a calcareous clayey-loam soil and lettuce production[J]. Soil Use and Management, 2016, 32(4): 487–494.

[9] 栗方亮, 王煌平, 張青, 等. 稻田施用菌渣土壤團聚體的組成及評價[J]. 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報, 2015, 31(3): 340–345.

[10] 李傳哲, 楊蘇, 姚文靜, 等. 有機物料輸入對土壤及玉米籽粒重金屬來源解析及風(fēng)險評估[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2020, 39(6): 1230–1239.

[11] 李春喜, 劉晴, 邵云, 等. 有機物料還田和減施氮肥對小麥氮素利用及經(jīng)濟效益的影響[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2019, 37(6): 214–220.

[12] 鄧歐平, 李瀚, 周稀, 等. 菌渣還田對土壤有效養(yǎng)分動態(tài)變化的影響[J]. 中國土壤與肥料, 2014, (4): 18–23.

[13] 陳源泉, 隋鵬, 嚴(yán)玲玲, 等. 有機物料還田對華北小麥玉米兩熟農(nóng)田土壤有機碳及其組分的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2016, 32(S2): 94–102.

[14] Zhang P P, Gebrewahid T W, Zhou Y, et al. Seedling and adult plant resistance to leaf rust in 46 Chinese bread wheat landraces and 39 wheat lines with known Lr genes[J]. Journal of Integrative Agriculture, 2019, 18(5): 1014–1023.

[15] 史瑞和, 鮑士旦. 土壤農(nóng)化分析[M]. 北京: 農(nóng)業(yè)出版社, 1980.

[16] Zhang Y T, Wang H Y, Lei Q L, et al. Optimizing the nitrogen application rate for maize and wheat based on yield and environment on the Northern China Plain[J]. Science of the Total Environment, 2018, 618: 1173–1183.

[17] 聶勝委, 李向東, 張玉亭, 等. 不同菌渣肥施用量對小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響[J]. 河南農(nóng)業(yè)科學(xué), 2015, 44(6): 76–80.

[18] Gu L M, Liu T N, Wang J F, et al. Lysimeter study of nitrogen losses and nitrogen use efficiency of Northern Chinese wheat[J]. Field Crops Research, 2016, 188: 82–95.

[19] Sugihara S, Funakawa S, Kilasara M, et al. Effect of land management on soil microbial N supply to crop N uptake in a dry tropical cropland in[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2012, 146(1): 209–219.

[20] Han X, Xu C, Dungait J A J, et al. Straw incorporation increases crop yield and soil organic carbon sequestration but varies under different natural conditions and farming practices in China: A system analysis[J]. Biogeosciences, 2018, 15(7): 1933–1946.

[21] Karim A J M S, Egashira K, Yamada Y, et al. Long-term application of organic residues to improve soil properties and to increase crop yield in terrace soil of Bangladesh[J]. Journal of the Faculty of Agriculture, Kyushu University, 1995, 39(3/4): 149–165.

[22] Yan X Y, Cai Z C, Wang S W, et al. Direct measurement of soil organic carbon content change in the croplands of China[J]. Global Change Biology, 2011, 17(3): 1487–1496.

[23] Wu L, Zhang W J, Wei W J, et al. Soil organic matter priming and carbon balance after straw addition is regulated by long-term fertilization[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2019, 135: 383–391.

[24] Bengough A G, McKenzie B M, Hallett P D, et al. Root elongation, water stress, and mechanical impedance: A review of limiting stresses and beneficial root tip traits[J]. Journal of Experimental Botany, 2011, 62(1): 59–68.

[25] 陳貴, 張紅梅, 沈亞強, 等. 豬糞與牛糞有機肥對水稻產(chǎn)量、養(yǎng)分利用和土壤肥力的影響[J]. 土壤, 2018, 50(1): 59–65.

[26] Keeling A A, McCallum K R, Beckwith C P. Mature green waste compost enhances growth and nitrogen uptake in wheat (L.) and oilseed rape (L.) through the action of water-extractable factors[J]. Bioresource Technology, 2003, 90(2): 127–132.

[27] Feng G Z, Zhang Y J, Chen Y L, et al. Effects of nitrogen application on root length and grain yield of rain-fed maize under different soil types[J]. Agronomy Journal, 2016, 108(4): 1656–1665.

[28] Lucas S T, D’Angelo E M, Williams M A. Improving soil structure by promoting fungal abundance with organic soil amendments[J]. Applied Soil Ecology, 2014, 75: 13–23.

[29] Ball B C, Bingham I, Rees R M, et al. The role of crop rotations in determining soil structure and crop growth conditions[J]. Canadian Journal of Soil Science, 2005, 85(5): 557–577.

[30] Li L J, Han X Z, You M Y, et al. Carbon and nitrogen mineralization patterns of two contrasting crop residues in a Mollisol: Effects of residue type and placement in soils[J]. European Journal of Soil Biology, 2013, 54: 1–6.

Using Mushroom Residues Improving Soil Physiochemical Properties, Wheat Root Growth and Yield in Low-yield Cropland of Ancient Yellow River Area

XU Cong1,2, WU Di1, WANG Lei1, LI Chuanzhe1, YANG Su1, SUN Li1, WANG Jidong1,3*, ZHANG Yongchun1,2, AI Yuchun1

(1 Institute of Agricultural Resources and Environment, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences/Scientific Observation and Experimental Station of Arable Land Conservation of Jiangsu Province, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Nanjing 210014, China; 2 College of the Environment and Safety Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang, Jiangsu 212013, China; 3 College of Agricultural Equipment Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang, Jiangsu 212013, China)

A two-year field experiment was conducted to evaluate the effect of applying mushroom residues on soil properties, wheat root growth and yield in the region of the ancient Yellow River. 7 treatments were designed, i.e., no mushroom residue (CK), straw-based mushroom residue at the rates of 6, 12, and 18 t/hm2(S1, S2, and S3 respectively), xylary mushroom residue at the rates of 6, 12, and 18 t/hm2(B1, B2, and B3 respectively). The results showed that compared with CK, applying mushroom residues increased wheat yield by 32.4%– 51.8% and 38.8% –101.2% in the 1st and 2nd year, respectively (<0.05), and stepwise regression showed that applying 1 t/hm2mushroom residues improved crop yield by 0.21 t/hm2(<0.01). Applying straw-based mushroom residues of 18 t/hm2achieved the optimal agronomic and economic incomes, however, no significant differences in wheat yield and economic income were found between straw-based and xylary mushroom residues (>0.05). After the two-year application of mushroom residues, soil organic matter content increased by 24.7%–57.7% (<0.05), bulk density and compactness significantly decreased by 11.6%–18.2% and 20.8%–35.7%，respectively (<0.05; B1 excepted). Root traits showed positive correlation with wheat yield. Applying mushroom residues significantly increased the total root length, surface area, total volume, and folks (<0.05). Wheat yield had positive correlation with soil organic matter content but significant negative correlation with 0–10 cm soil bulk density and compactness, which indicate that increasing soil organic matter and improving soil physical properties by applying mushroom residues are essential mechanisms for wheat yield enhancement. Our study indicates that for farmlands with low soil organic matter and less favorable physical structures in the low-yield cropland of ancient Yellow River area, applying mushroom residue is effective to improve soil physical properties and fertility, promote wheat root growth, increase wheat yield and economic income.

Mushroom residue; Low-yield cropland; Wheat; Root; Soil physical and chemical properties

S512.1; S158.3

A

10.13758/j.cnki.tr.2021.03.007

徐聰, 吳迪, 王磊, 等. 菌渣施用對黃河故道區(qū)低產(chǎn)田土壤理化性質(zhì)、小麥根系生長和產(chǎn)量的影響. 土壤, 2021, 53(3): 491–498.

江蘇省重點研發(fā)計劃項目(BE2019378)和江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金項目(CX(17)1001)資助。

(jdwang66@163.com)

徐聰(1990—)，男，山東臨沂人，博士，助理研究員，主要從事土壤肥力質(zhì)量與氮循環(huán)研究。E-mail: cxu@jaas.ac.cn