秸稈還田對不同地力黑土培肥與莖腐病害發生的影響

李雙, 張偉, 王麗, 李孝軍, 崔俊濤*

(1.吉林農業大學資源與環境學院，長春 130118； 2.長春職業技術學院，長春 130033； 3.長春市朝陽區農業技術推廣總站，長春 130012； 4.長春市土壤肥料工作站，長春 130033)

有機碳和腐殖質的含量變化與土壤保肥供肥效果密切相關，是評價土壤質量的重要指標[1]。近年來，東北黑土地重用輕養、施肥結構不合理，加之土壤侵蝕和土地集約利用[2]，導致黑土區的土壤質量有著不同程度的下降，在黑土肥力亟需改善的情況下，秸稈直接還田成為土壤有機培肥的重要手段[3]。盡管前人從還田方式、還田深度以及秸稈形態等方面對秸稈還田的培肥機理進行了廣泛研究[4-5]，但秸稈還田對不同質量土壤的有機培肥效果報道較少。

秸稈還田對土傳病害的影響亦存在爭議，趙永強等[6]研究表明,還田的秸稈能夠充當培育土壤病蟲害“溫床”；張琴等[7]則研究表明，秸稈深耕還田可“變廢為寶”，調節土壤微生態，有效減輕病害的發生。莖腐病是玉米常見的土傳病害之一，一般發病率為10%～20%，個別嚴重地區高達70%[8]。在生產實踐中，主要有三類莖腐病害的防治措施：種子處理、化學施藥和土壤處理，其中栽培玉米莖腐病抗性品種[9]占目前防治方式的43%、施用10%咯菌腈懸浮種衣劑等藥劑占目前莖腐病害防治方式的41%[10]。過度依賴化學防治，可能會導致農藥殘留、產生抗性及病害再度猖獗等問題。因此，綠色防控技術是值得探究的土壤處理技術，蔡祖聰等[11]提出的強還原土壤滅菌方法便是其一，即利用大量秸稈厭氧發酵腐解物來殺死病原菌，此類做法因成本較高，尚未得到廣泛推廣。為了探究秸稈還田的有機培肥對玉米莖腐病的影響，同時探究不同秸稈還田量對不同耕地地力黑土的培肥效應，本研究通過田間試驗，將玉米秸稈還田于高、中、低地力水平的耕層黑土土壤中，研究其對土壤的有機培肥效果及對玉米莖腐病害發生的影響，以期豐富土壤有機培肥理論，并為秸稈還田與病害防治實踐提供數據參考。

1 材料與方法

1.1 不同耕地地力水平玉米莖腐病病圃的建立

為了消除氣候因素對試驗結果的影響，2018年4月，在吉林農業大學教學試驗田建立一個玉米莖腐病病圃。試驗田地處中溫帶，海拔230 m，2018年月均降水量231.19 mm，月均氣溫7 ℃，年蒸發量 1 000～2 000 mm。將原耕層土壤全部挖除，并進行耕層土壤置換，設置高地力、中地力和低地力3個地力水平，鎮壓后耕層厚度為25 cm，每小區面積為32 m2，隨機排列，3次重復，總計27個小區。每小區按照100 mL·m-2土埋法接種禾谷鐮刀菌(Fusariumgraminearum)的菌懸液。由于耕地地力是耕地生產能力的綜合性指標，尚無統一劃分標準。本研究主要依據吉林省耕地近5年玉米的平均單產水平進行劃分，分別將產量為5 500～7 000 kg·hm-2、7 000～8 000 kg·hm-2和大于8 000 kg·hm-2的耕地土壤定義為低地力、中地力和高地力土壤，分別采自吉林省長春市(E125°24′、N43°48′)周邊地區不同耕地地力的玉米田耕層，土壤為黑土，土壤質地為壤質黏土。供試土壤基本理化性質見表1。

表1 供試土壤基本理化性質Table 1 Basic physical and chemical properties of tested soil

1.2 試驗材料

供試菌種為禾谷鐮刀菌，分離于病情指數為2級左右的植株，剪取莖部發病組織處約0.5 cm×0.5 cm，依次用75%乙醇消毒30 s，5%次氯酸鈉消毒45 s，無菌水沖洗3次，在無菌濾紙上充分晾干后，轉至PDA培養基[12]，每皿5個，25 ℃培養6 d后觀察到禾谷鐮刀菌分生孢子，用單個孢子法在WA培養基[13]上獲得純化菌株，制成濃度為1.69×103cfu·mL-1菌懸液，備用。

玉米品種為‘吉農大719’，為玉米莖腐病中抗品種，種植密度為4株·m-2。

供試秸稈有機碳含量為331.62 g·kg-1，全氮含量8.35 g·kg-1，C/N為39.72。剪碎至10 cm長段，直接還田。

1.3 試驗設計

試驗共設低地力(D)、中地力(Z)、高地力(G)3個耕地地力水平，秸稈還田量設無秸稈還田(W)、根茬還田量秸稈還田(G)、全量秸稈還田(Q)3個處理水平，總計低地力無秸稈還田(DW)、低地力根茬量秸稈還田(DG)、低地力全量秸稈還田(DQ)、中地力無秸稈還田(ZW)、中地力根茬量秸稈還田(ZG)、中地力全量秸稈還田(ZQ)、高地力無秸稈還田(GW)、高地力根茬量秸稈還田(GG)、高地力全量秸稈還田(GQ)9個處理，3次重復。各小區一次性施肥，施用尿素330.21 kg·hm-2(含氮量151.93 kg·hm-2)、重過磷酸鈣246.88 kg·hm-2(含磷量103.69 kg·hm-2)、硫酸鉀159.37 kg·hm-2(含鉀量119.25 kg·hm-2)。DG、ZG和GG小區的玉米秸稈施用量按根茬量還田比例計算為1 450 kg·hm-2(總碳量449.5 kg·hm-2)，并配施43.75 kg·hm-2尿素來調節C/N比；DQ、ZQ和GQ小區的玉米秸稈施用量按全量還田比例計算為9 600 kg·hm-2(總碳量2 976 kg·hm-2)，并配施265.63 kg·hm-2尿素調節C/N。

自2018年播種季(4月)至收獲季(10月)，按照玉米的苗期、拔節期、抽雄期、灌漿期、成熟期5個生育時期，取0—25 cm的耕層土壤，在每個小區采用“五點法”取樣，混合均勻，去除樣品中雜草石塊等雜質，封裝帶回實驗室，一部分風干過2 mm篩后備用，另一部分立即進行酶活性測定。

1.4 檢測指標和方法

土壤含水量(moisture content)采用烘干法；土壤堿解氮(available nitrogen，AN)含量測定采用堿解擴散法；土壤有效磷(available phosphorus，AP)含量測定采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法；土壤速效鉀(available kalium，AK)含量測定采用 NH4OAc浸提-火焰光度計法；土壤有機碳(soil organic carbon，SOC)含量測定采用重鉻酸鉀外加熱法[14]；土壤胡敏素(humin，HM)、胡敏酸(humic acid，HA)和水溶性物質(water soluble substance，WSS)含量提取測定采用腐殖質組成修改法[15]；富里酸(fulvic acid，FA)含量采用差減法[15]計算；土壤蔗糖酶(sucrose，SC)活性測定采用3，5-二硝基水楊酸比色法[15]；土壤過氧化氫酶(catalase，CAT)活性測定采用高錳酸鉀滴定法[16]。

1.5 玉米莖腐病發病情況調查

在玉米苗期、拔節期、抽雄期、灌漿期、成熟期分別抽樣調查記錄各小區玉米莖腐病的發病情況，參照李春霞等[17]病情級別標準，計算發病率(incident，Inc.)及病情指數(disease index，DI)，分級標準及公式如下。

0 級：全株正常。

1 級：青枯葉片數不足全株 1/4，莖基部 1～2 節節間呈水漬狀，手感微軟。

2 級：青枯片數占全株 1/4～1/2，莖基部 1～2 節節間呈水漬狀，而且凹陷，手感稍軟。

3 級：青枯葉片數占全株 1/2 左右，莖基部 1～2 節節間明顯發軟，果穗苞葉褪色或下垂。

4 級：全株 3/4 以上青枯葉片數，莖基部 1～2 節明顯松軟，果穗全部下垂，嚴重時植株從莖基部倒伏。

(1)

發病率= 調查染病株數/調查總株數×100%

(2)

1.6 數據分析與處理

利用SPSS 22.0進行ANVOA分析、LSD檢驗及Pearson相關性分析，Minitab進行PCA分析，Microsoft Excel 2010進行數據統計和制圖。

2 結果與分析

2.1 秸稈還田對不同地力耕地培肥效應的影響

2.1.1土壤有機碳含量的動態變化 不同處理不同玉米生育期的土壤有機碳含量結果(圖1)顯示，高、中、低地力水平的秸稈未還田小區的SOC含量整體表現為隨著生育時期延長呈先升高至拔節期后下降的趨勢。秸稈還田小區的SOC含量整體表現為在灌漿期前明顯升高，灌漿期至成熟期緩慢下降趨勢；在灌漿期時，DG與DW、ZG與ZW及GG與GW處理間均存在顯著差異(P<0.05)；成熟期時，DQ較DW處理的SOC含量顯著提高17.21%，ZQ較ZW處理的SOC含量顯著提高19.66%，GQ較GW處理的SOC含量顯著提高22.22%；GQ較DQ和ZQ處理的SOC含量分別顯著提高9.87%、19.29%。說明秸稈還田于高、中、低地力耕層土壤后，土壤SOC的積累效果均表現為全量還田處理優于根茬量還田處理；秸稈全量還田處理對高地力土壤的SOC積累效果優于中、低地力土壤。

注：不同英文字母表示同一時期不同處理間差異在P < 0.05水平具有顯著性，不同希臘字母表示同一處理不同時期差異在P<0.05水平具有顯著性。Note: Different English lowercase letters of the same period indicate significant difference between different treatments at P<0.05 level, and different Greek lowercase letters of the same treatment indicate significant difference between different growth periods at P<0.05 level.圖1 土壤有機碳含量的動態變化Fig.1 Dynamic variation of soil organic carbon content

2.1.2土壤腐殖質各組分含量的動態變化 不同時期不同處理的土壤胡敏素、胡敏酸、富里酸和水溶性物質含量結果見表2，可知，秸稈全量還田小區土壤的HM含量自苗期至抽雄期呈增加趨勢，抽雄期后明顯下降；與苗期相比，成熟期時DQ、ZQ和GQ處理的HM含量分別顯著提高12.93%、12.88%、8.89%；此時，GQ較ZQ和DQ處理的HM含量分別提高11.12%、11.56%；DQ較DW、ZQ較ZW和GQ較GW處理的HM含量顯著提高16.93%、14.00%和10.79%，說明秸稈全量還田對低地力土壤的HM積累效果優于高、中地力土壤。土壤HA含量結果與HM含量呈相似趨勢，成熟期時，DQ較DW、ZQ較ZW和GQ較GW土壤HA含量顯著提高8.83%、13.5%和17.5%，GQ較ZQ和DQ處理HA含量分別顯著提高10.91%、19.37%。土壤FA含量自苗期至成熟期呈緩慢下降的趨勢；成熟期時，GQ較ZQ、DQ處理的FA含量分別顯著提高11.42%、12.85%。秸稈根茬量還田小區的土壤FA含量降幅表現為：DG>ZG>GG，秸稈全量還田小區土壤FA含量降幅表現為DQ>ZQ>GQ。土壤WSS含量結果顯示，成熟期時GQ較GW處理的WSS含量顯著提高8.69%，GQ與ZQ和DQ處理的WSS含量分別提高4%、8%；ZQ與ZW、DQ與DW間土壤WSS含量無顯著差異。秸稈全量還田小區土壤的WSS含量呈先升高至拔節期后下降的趨勢，說明秸稈全量還田有助于玉米生育前期土壤WSS含量的積累，秸稈全量還田對不同地力WSS含量的影響效應表現為高地力>中地力>低地力。綜上表明，相對于秸稈根茬量還田，全量還田更能有效培肥高、中、低地力土壤；全量還田時，SOC、HA、FA和WSS含量的積累效果表現為高地力>中地力>低地力；HM含量的積累效果表現為低地力>中地力>高地力。

表2 不同生育期不同處理的土壤腐殖質各組分含量Table 2 Contents of soil humus components of different treatments during different growth periods (g·kg-1)

2.1.3土壤酶活性的動態變化 土壤酶活性的高低能反映土壤生物活性和土壤生化反應強度，土壤蔗糖酶參與土壤中碳水化合物的轉化，對增加土壤中易溶性營養物質起著重要的作用。土壤

過氧化氫酶是參與土壤中物質和能量轉化的氧化還原酶，在一定程度上可以表征土壤生物氧化過程的強弱。由圖2可知，3種地力秸稈全量還田處理和根茬量還田處理的土壤蔗糖酶活性呈先升高至抽雄期后緩慢下降的趨勢，無秸稈還田處理的土壤蔗糖酶呈升高至拔節期后下降的趨勢。成熟期時，DQ較DW、ZQ較ZW和GQ較GW處理的土壤蔗糖酶活性分別顯著提高27.28%、29.56%和36.89%，DG較DW、ZG較ZW和GG較GW處理的土壤蔗糖酶活性分別顯著提高12.14%、20.30%和20.64%。土壤過氧化氫酶活性結果顯示，拔節期時，各處理土壤過氧化氫酶活性顯著下降，其原因可能與降雨量有關，該時期降雨量增加引發土壤含水率驟增，導致土壤根系與微生物減緩了其自身代謝，引起土壤過氧化氫酶活性降低。GQ較ZQ、DQ處理的土壤過氧化氫酶活性分別降低1.78%、5.80%；GG較ZG、DG處理的土壤過氧化氫酶活性分別降低2.23%、6.18%；GW較ZW、DW處理土壤過氧化氫酶活性分別降低7.69%、14.42%。說明地力水平越高，過氧化氫酶活性越低。成熟期時，DQ較DW、ZQ較ZW和GQ較GW的土壤過氧化氫酶活性分別顯著提高32.77%、35.41%、42.26%，說明秸稈全量還田處理對蔗糖酶及過氧化氫酶活性的提升優于秸稈根茬量還田處理，其提高幅度表現為高地力>中地力>低地力。

圖2 不同生育期不同處理的土壤蔗糖酶和過氧化氫酶活性Fig.2 Soil sucrose and catalase activity of different treatments during different growth periods

2.2 玉米莖腐病病情指數及發病率的田間調查情況

不同時期不同處理的莖腐病病情指數及發病率結果見表3，玉米莖腐病發病潛伏期較長，自抽雄期開始在玉米莖部呈輕微褐色病變現象，DW、ZW和GW處理的玉米莖腐病病情指數和發病率在灌漿期和成熟期明顯加重(P<0.05)。灌漿期與成熟期時，高、中、低地力秸稈還田處理的莖腐病發病率較無秸稈還田處理均顯著降低；成熟期時，DQ較DW、ZQ較ZW和GQ較GW的莖腐病發病率分別降低20.47%、20.56%和21.82%，病情指數分別減少53.73%、44.15%和43.69%；DG較DW、ZG較ZW和GG較GW的發病率分別降低14.74%、14.1%和15.17%，病情指數分別減少42.18%、44.99%和49.87%。GQ較ZQ、DQ的發病率分別降低2.32%、2.79%，病情指數分別降低20.80%、23.97%，GG較ZG、DG的發病率分別降低1.16%、1.89%，病情指數分別降低14.89%、21.58%。說明秸稈還田處理對3種地力小區均未導致玉米莖腐病發病率增加，亦未加重莖腐病害程度，秸稈還田處理對于高地力土壤的效果更明顯，全量還田處理的效果優于根茬量還田處理。

表3 各生育時期玉米莖腐病發病率及病情指數Table 3 Incidence and disease index of corn stalk rot at different growth period

2.3 不同耕地地力有機培肥與病害發生間的關系

2.3.1Pearson相關性分析 對不同玉米生育期的土壤SOC、HM、HA、FA、WSS及蔗糖酶、過氧化氫酶活性與莖腐病害發病率、病情指數之間進行Pearson相關性分析，結果(表4)可見，土壤各肥力指標之間存在一定的內在關系，土壤SOC、HM、HA、FA、WSS、蔗糖酶和過氧化氫酶與發病率和病情指數間均呈極顯著負相關(P<0.01)，GQ處理的SOC含量和蔗糖酶活性及其他肥力指標在各時期均顯著高于ZQ和DQ，因此GQ處理在整個玉米生育期內的莖腐病發病率較低，發病程度較輕，符合上述的負相關關系規律。

表4 土壤肥力指標與發病率、病情指數的相關性分析Table 4 Correlation analysis between soil fertility indexes and incidence, disease index

2.3.2PCA分析 主成分分析結果顯示，玉米莖腐病病圃小區試驗提取兩個主成分，兩個主成分的累積貢獻率為77%，特征值>1，第一主成分(PC1)解釋了63.4%的信息，第二個主成分(PC2)解釋了13.6%的信息(圖3)。由圖3可知，高、中、低地力土壤未添加秸稈處理主要分布在第二、三象限，秸稈根茬量還田和全量還田處理主要分布于第一、四象限；第一、二象限主要為玉米的抽雄期、灌漿期、成熟期，第三、四象限則苗期和拔節期較集中。SOC、HA含量和蔗糖酶活性位于PC1軸和PC2軸正方向，說明SOC、HA含量和蔗糖酶活性在PC1和PC2水平上均正向影響著位于第一象限的拔節期至成熟期的DQ、ZQ和GQ處理。病情指數和發病率位于PC1軸和PC2軸負方向，說明其在PC1和PC2水平上對位于第四象限的苗期、拔節期、成熟期的DW、ZW和GW處理的影響為負向；而病情指數、發病率與SOC、WSS、HM和HA含量及蔗糖酶和過氧化氫酶活性均呈鈍角，可以推測土壤病害發生與各肥力指標間呈負相關關系，這與Pearson相關分析的結果一致。

3 討論

3.1 秸稈還田對不同地力土壤SOC和腐殖質各組分有機碳的影響

本研究表明，高、中、低地力秸稈全量還田處理的土壤SOC、HM、HA、WSS含量均高于無秸稈還田和根茬量還田處理。DQ、ZQ、GQ處理的土壤SOC含量峰值出現于灌漿期，說明全量秸稈施入田間初期與土壤充分接觸，激發土壤微生物活性，腐解速率加快，分解的游離有機碳與土壤結合。隨著玉米生育時期延長，腐解效率逐漸減弱，說明沒有外源物質的添加，當玉米成熟期時，微生物可消耗的外源有機物質減少，開始消耗土壤中已形成的有機物質，沒有外源有機物的補充，土壤有機碳含量將繼續降低[5]。GQ處理的SOC含量增幅大于ZQ和DQ，其原因一方面由于高地力土壤有機碳本底值及理化環境優于中、低地力土壤[18](表1)；另一方面由于外部碳源的添加使土壤微生物活性增強，大量外源有機質的輸入可改善土壤微生物分解代謝[19]，進而達到相對平衡。秸稈全量還田處理的WSS含量呈先升高后降低的趨勢(表2)，說明結構簡單的WSS碳源優先被釋放出，GG、GQ處理的WSS變幅較大可能是由于GG、GQ處理中的微生物活性較強，利用水溶性物質較快，因而消耗WSS量較大。各地力土壤積累的SOC中，包含著大量腐殖質成分[20]，這解釋了高、中、低地力土壤在玉米生育前期SOC增加期間，HM、HA隨之增加的原因(表2)，高地力土壤的HA增量最大，說明高地力區腐殖質中的碳有利于HA的積累[21]，土壤FA含量隨著玉米生育期延長緩慢降低，這與Besnard等[22]結果不同，其研究指出在玉米秸稈分解初期FA含量明顯增加，而玉米生育后期FA含量下降。造成這種差異的原因可能是Besnard的研究采用長期定位施肥，施入秸稈時的碳源可能優先轉化為FA，再由FA向著HA轉化。而本研究所用土壤采自不同地點耕層土壤，土壤本身的腐殖質及各組分碳具有一定儲量，另外自苗期開始，施入土壤的秸稈中有機碳礦化及腐殖化作用增強，促進HA的形成[5]，此時土壤微生物活性增強促進土壤腐殖化[21]，利于土壤合成HA，活躍的FA有轉化成HA的可能，導致FA含量下降，在灌漿期后，由于HA與FA間的轉化作用和秸稈腐解程度最大化的到來，土壤中HA、FA含量緩慢減少。因此推測，在高、中、低地力土壤添加秸稈后的碳源優先轉化為HA。不同地力土壤相比較，秸稈還田對于高地力土壤的土壤SOC、HA含量的積累效果更明顯。

注：不同處理后的1、2、3、4、5分別表示不同處理的苗期、拔節期、抽雄期、灌漿期、成熟期。Note: 1, 2, 3, 4, and 5 after different treatments represent seedling stage, elongation stage, tasseling stage, pustulation stage, and mature period, respectively.圖3 土壤肥力指標及莖腐病害指標的PCA分析Fig.3 PCA analysis of soil fertility indexes and stem rod disease indexes

3.2 秸稈還田對不同地力玉米病害發生情況的影響

本研究表明，在土埋法接種病原菌的病圃小區試驗中，秸稈全量還田和秸稈根茬量還田處理未導致玉米莖腐病害程度加重，亦未導致發病率上升；相反，在無秸稈還田土壤發病率顯著增加且病情加重。晉齊鳴等[23]研究發現，保護性免耕、少耕秸稈還田的田間管理方式可加重玉米莖腐病的發生。造成這種差異的原因一方面可能是其試驗用土為連續十年保護性耕作條件下秸稈還田的土壤，由于秸稈中殘存大量越冬病原體，使土壤中的病原菌數量連年積累，導致玉米莖腐病害連年加重[24]，而本研究的土壤中不含帶有土傳病害的秸稈殘體；另一方面施加全量秸稈還田有效培肥了土壤，減少病害的發生，這與Dou等[25]研究一致。土壤SOC、腐殖質各組分有機碳含量及酶活性的測定結果表明，秸稈還田對3種地力的培肥效應表現為高地力>中地力>低地力。在玉米生育期田間調查時，抽雄期之前并未發現莖腐病發病癥狀(表3)，其原因可能是本研究所施用秸稈為無病害秸稈，通過土埋法接入禾谷鐮刀菌懸液后，病原菌對玉米根系侵染消耗了一定時間[26]，這也驗證了玉米莖腐病前期以侵染為主，而在乳熟期開始表現出青枯、黃枯癥狀，莖基變軟現象驟增[27]，此外，無秸稈還田區灌漿期與成熟期莖腐病發病率顯著增加，除禾谷鐮刀菌大量生殖繁衍的原因外，還可能存在腐霉菌、干腐菌、炭疽菌等聯合復合侵染[26]。相關分析結果表明，土壤各肥力指標與莖腐病發病率及病情指數呈極顯著負相關，這解釋了高地力區秸稈還田培肥效果較好，莖腐病發病率及危害程度較低的原因，可能是秸稈在土壤中腐解既培肥了土壤，又影響了土壤生物化學性質，促使酶活性增強，也改變土壤的微生物活性[28]，這些外源有機物質影響著土壤中的優勢微生物種群，使得土壤中某些微生物與病原菌形成拮抗、競爭作用，減少了秸稈還田區病原菌基數，進而使發病率顯著低于未還田小區，這與前人的有機質豐富、種植密度合理均會減少莖腐病害發生的觀點[7,29]基本一致。因此通過施用健康秸稈培肥土壤，可在一定程度上減少玉米莖腐病害的發生。