不同作物秸稈腐解對連作辣椒生長及根際環(huán)境的影響

高晶霞，高 昱，牛勇琴，吳雪梅，謝 華

(1.寧夏農(nóng)林科學(xué)院 園藝研究所，銀川 750002；2.寧夏彭陽縣蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，寧夏彭陽 756500)

在中國農(nóng)業(yè)種植中，秸稈資源是一種重要的可再生資源，通過對秸稈進(jìn)行粉碎或腐解處理可以產(chǎn)生較多的營養(yǎng)物質(zhì)，有效提升土壤的活性，對于綠色可持續(xù)農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要的推動(dòng)意義[1-2]。目前連作障礙在較大程度上影響農(nóng)作物的種植產(chǎn)量及種植品質(zhì)。特別是在設(shè)施環(huán)境下，這種現(xiàn)象最為普遍。設(shè)施栽培中大量施用氮、磷、鉀肥導(dǎo)致土壤大量元素超標(biāo)而微量元素匱乏，土壤營養(yǎng)元素不均衡，進(jìn)而使土壤離子平衡和緩沖能力降低。因此研究連作障礙發(fā)生機(jī)制并通過科學(xué)環(huán)保的方法克服連作障礙，已成為設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展中亟待解決的問題。

利用植物間的化感作用原理合理安排伴生或間套作不僅可以提高蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)，而且還可以有效改善土壤生態(tài)環(huán)境，減輕連作障礙的發(fā)生。目前大量的研究顯示[3-5]，農(nóng)作物秸稈的腐解可以有效增加土壤中的微生物和其他養(yǎng)分的含量，一定程度上降低土壤的體積質(zhì)量，有效調(diào)節(jié)土壤微生物含量的平衡[6-7]。學(xué)者對玉米類秸稈研究發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈腐解中包含的微生物可以提升土壤的活性，有效改善煙葉種植土壤的微生物含量，提升煙葉產(chǎn)量并降低煙葉含梗率；也有學(xué)者對小麥秸稈進(jìn)行研究，認(rèn)為小麥秸稈的腐解物中包含大量的氮素積累，增加了土壤中的氮肥的含量，提升水稻種植的產(chǎn)量及效率[8-10]。此外秸稈腐解中帶來的微生物群落的改變，可以進(jìn)一步提升土壤中微生物的活性，有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，薺菜植物的秸稈腐解能夠提升土壤中微生物物種的豐富程度指數(shù)，同時(shí)降低土壤中的真菌和嫌氣菌的數(shù)量，增加土壤的酶活性。另外有學(xué)者對花科植物的桿徑腐解物進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)花科植物桿徑能夠消除土壤中的大量蟲卵，降低土壤的活性，如果將這些花科植物的根莖進(jìn)行二次腐解，可以有效調(diào)解土壤中的微生物菌體含量，有效調(diào)解農(nóng)作物連作對土壤的傷害[11-14]。

綜合目前秸稈腐解的文獻(xiàn)研究可以發(fā)現(xiàn)，目前針對秸稈腐解對土壤及農(nóng)作物改善的研究文獻(xiàn)較多，但涉及多種秸稈腐解對辣椒等經(jīng)濟(jì)作物連作特性的影響，目前幾乎沒有文獻(xiàn)涉及，為此，本研究以辣椒為研究對象，重點(diǎn)研究玉米秸稈、萬壽菊秸稈及芹菜秸稈腐解對辣椒生長及土壤的影響，為降低辣椒等經(jīng)濟(jì)作物連作對土壤影響提供理論參考及實(shí)踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及試劑

試驗(yàn)選用的辣椒品種為‘巨豐1號’，供試土壤取自寧夏彭陽縣新集鄉(xiāng)辣椒連作3 a以上的土壤，土壤面積為0.15 hm2。土壤的基本參數(shù)：pH為8.37，堿解氮78.2 mg·kg-1，有效磷18.3 mg·kg-1，速效鉀406 mg·kg-1，有機(jī)質(zhì)38.7 g·kg-1。玉米、萬壽菊及芹菜秸稈購買自當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶，所用的肥料為經(jīng)濟(jì)作物專用的果蔬有機(jī)肥，主要購買自寧夏嘉禾源種苗有限公司。本次試驗(yàn)主要在2019年5-10月辣椒集中種植和收獲期間進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

對玉米、萬壽菊及芹菜秸稈首先進(jìn)行腐解處理，將植物桿莖烘干后，用高速粉碎機(jī)將其粉碎，并將粉碎的秸稈與施有有機(jī)肥的土壤按照1∶50的體積比進(jìn)行完全混合，并裝入容器中，加入一定量的水，使得土壤的濕度保持在50%左右，放置 7 d，每天監(jiān)測容器質(zhì)量，適當(dāng)補(bǔ)充水分，盆外包裹黑色遮陽膜。隨后進(jìn)行自然腐解處理，腐解時(shí)間為30 d，腐解均勻完全后裝入固定容器中，備用。

選用田間試驗(yàn)，共進(jìn)行4種方式處理，處理方式1為對照處理(CK)，不進(jìn)行任何處理；處理方式2為玉米秸稈的腐解處理(YM)；處理方式3為萬壽菊秸稈腐解處理(WS)；處理方式4為芹菜秸稈腐解處理(QC)，每小區(qū)面積23.4 m2，長寬為6 m和3.9 m，行距12～15 cm，株距6～10 cm，腐解30 d后定植辣椒苗，腐解后5 d內(nèi)，進(jìn)行澆水，并隨機(jī)排列，同時(shí)在測試過程中，不進(jìn)行藥劑噴灑。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

1.3.1 生長指標(biāo) 在腐解30 d后，測量辣椒植株的各項(xiàng)生長指標(biāo)，其中辣椒的株高采用杜克ls-p激光測距儀進(jìn)行測量，莖粗選用實(shí)驗(yàn)室的游標(biāo)卡尺測量，植株生物量采用梅特勒托樂多ME204 /02物理電子天平進(jìn)行測量，同時(shí)分析辣椒植株根系指標(biāo)，辣椒植株的壯苗指數(shù)計(jì)算公式如下：

壯苗指數(shù)=(莖粗/株高)+(根干質(zhì)量/地上部分干質(zhì)量)×總干質(zhì)量

1.3.2 辣椒的葉綠素及光合作用指標(biāo)測定 在腐解30 d后，采用經(jīng)典文獻(xiàn)中的丙酮乙醇混合液法對辣椒植株的葉綠素含量進(jìn)行測量，采用熒光法測量辣椒植株的光合作用。隨機(jī)選擇5株種植30 d的辣椒植株，在每株上面選取同一位置對辣椒植株的復(fù)葉進(jìn)行展開，利用實(shí)驗(yàn)室購買的美國OPTI-SCIENCES OS-5p+便攜式脈沖調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測量，并在間隔5 min后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

1.3.3 土壤指標(biāo) 在腐解30 d后，對于連作辣椒的土壤測量采用pH測量儀、細(xì)菌培養(yǎng)基以及比色法等方法，分別測量連作辣椒土壤的pH、電導(dǎo)率、土壤微生物以及酶活性等參數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過多次試驗(yàn)比較獲取平均值及方差，并采用EXCEL 2019以及SPSS 22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，多重比較釆用LSR法(Duncan’s法)，顯著水平P<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同作物秸稈腐解處理對連作辣椒生長的影響

圖1為30 d的辣椒植株的株高和莖粗生長情況，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，辣椒植株的株高和莖粗在經(jīng)過不同作物秸稈腐解處理后，均高于不處理的對照，其中萬壽菊植株(WS)的秸稈腐解作用效果最好，對應(yīng)各個(gè)時(shí)期辣椒植株的株高和莖粗都是最高的，其次是玉米秸稈和芹菜秸稈，在各個(gè)時(shí)期也均高于不處理的對照。與對照組相比，辣椒在定植30 d的株高和莖粗分別增加了5%、2.9%、3.3%以及8.7%、7.6%、7.7%，增幅較為明顯，達(dá)到顯著水平。

2.2 不同作物秸稈腐解處理對連作辣椒的發(fā)育狀態(tài)的影響

從表1可以發(fā)現(xiàn)，相比對照組(CK)，不同作物處理后的辣椒作物總質(zhì)量均高于CK，特別是WS的秸稈腐解處理，總質(zhì)量增長量顯著增加，存在顯著性差異。同時(shí)從表1還可看出，YM和QC處理后的辣椒作物總質(zhì)量、根質(zhì)量及莖質(zhì)量都比對照CK增加，但增加量較小，WS處理后的辣椒根干質(zhì)量相比對照CK減小，但減少量并不顯著，而WS處理后的辣椒莖干質(zhì)量相比CK顯著增加，呈現(xiàn)顯著性差異，也即WS處理后對辣椒的莖部有明顯的促進(jìn)生長作用。CK組、YM組以及WS組的壯苗指數(shù)基本一致，無顯著性差異，表明YM、WS、QC處理對辣椒的整體生長促進(jìn)作用較小，并無顯著影響。

表1 不同處理下連作辣椒發(fā)育狀態(tài)Table 1 Development status of continuous cropping pepper under different treatments

2.3 不同作物秸稈腐解處理對連作辣椒根系形態(tài)的影響

從表2可以看出，相比CK組，YM組、WS組及QC組均能顯著促進(jìn)辣椒根系的生長發(fā)育，辣椒根系的長度、根系表面積以及體積均顯著增長，與CK存在顯著性差異，其中WS組的處理效果最好，辣椒植株的根系長度、根系表面積、根系體積和根尖數(shù)相比對照組均增加24.49%、46.62%、76.92%和31.63%，對辣椒植株根系的整體生長發(fā)育狀態(tài)效果最好，YM和QC組低于WS組的影響效果。

表2 不同處理方式下連作辣椒根系形態(tài)Table 2 Root status of continuous cropping pepper under different treatments

2.4 不同作物秸稈腐解處理對連作辣椒光合作用能力的影響

從表3可以看出，相比CK，YM組、WS組及QC組均能提高辣椒植株的光合作用，對應(yīng)的葉綠素?zé)晒鈪?shù)如PSII最大量子產(chǎn)量Fv/Fm、PSII實(shí)際量子產(chǎn)量Y(II)、光化學(xué)淬滅系數(shù)qP等均有一定程度的提高，但相比CK差異并不顯著，另外YM組、WS組及QC組較CK的非化學(xué)淬滅系數(shù)NQP有一定程度的下降，但差異也不顯著。

表3 不同處理方式下連作辣椒葉片光合作用能力Table 3 Photosynthetic capacity of continuous cropping pepper leaves under different treatments

2.5 不同作物秸稈腐解處理對辣椒葉綠素含量的影響

從表4可以看出，YM組、WS組及QC組的處理方式對辣椒植株葉片葉綠素含量均有一定程度的提高，其中YM處理方式對辣椒植株的葉綠素含量提升最為明顯，相比CK呈現(xiàn)顯著性差異，3種葉綠素相比CK分別增加29.19%、56.07%及30.16%，呈現(xiàn)顯著差異，WS組和QC組與CK組相比，并無顯著差異。

表4 不同處理方式下辣椒葉綠素含量Table 4 Chlorophyll content of pepper under different treatments

2.6 不同作物秸稈腐解處理對連作辣椒土壤pH及電導(dǎo)率的影響

從表5可以看出，進(jìn)行YM、WS和QC處理后，土壤pH相比CK都有提高，其中YM處理對土壤pH提高顯著，相比CK增加27.58%，呈現(xiàn)顯著性差異。另外YM、WS及QC處理后土壤電導(dǎo)率有所降低，其中YM組降低程度最多，相比CK，降低44.19%，影響較為顯著，其他兩組也存在一定程度的下降。

表5 不同處理方式下連作辣椒土壤pH及電導(dǎo)率Table 5 Soil pH and conductivity of continuous cropping pepper under different treatments

2.7 不同作物秸稈腐解處理對種植辣椒土壤微生物的影響

從表6可以看到，YM、WS及QC處理方式對土壤微生物元素含量都有提高，其中WS處理方式提高的最為顯著，顯示了該處理方式對土壤微生物的重要調(diào)節(jié)作用。另外，從表6還可以看出，YM和QC處理方式能夠有效降低土壤中真菌數(shù)量，但WS處理方式相比CK最為顯著，有效地降低辣椒等經(jīng)濟(jì)作物連作對土壤的破壞。

表6 不同處理方式對種植辣椒土壤微生物Table 6 Soil microorganisms in pepper planting under different treatments

2.8 不同作物秸稈腐解處理對辣椒種植土壤酶活性的影響

從表7可看出，YM、WS及QC處理方式可顯著增強(qiáng)土壤酶活性，除了對土壤脲酶有降解作用外，其他蔗糖酶、酸性磷酸酶及多酚氧化酶均較CK顯著增加，特別是YM處理方式，對以上幾種處理下土壤酶活性顯著增強(qiáng)，增長率分別為 132.69%、186.36%和198.73%，顯示玉米秸稈對土壤酶的顯著改善作用，增強(qiáng)了辣椒植株連作土壤的總體活性，其他兩種處理方式的影響效果相比YM較低。

表7 不同處理方式下辣椒種植土壤酶活性Table 7 Soil enzyme activities in pepper plantation under different treatments

3 討 論

大量研究顯示，不同作物的秸稈完全腐解后產(chǎn)生了氮、磷、鉀等多種有機(jī)物及肥料，能夠滿足種植植物所需，這些有機(jī)物進(jìn)入種植植物的土壤中，提高了土壤的微生物含量及活性，對種植作物的生長發(fā)育有著顯著的促進(jìn)作用，顯著提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。學(xué)者[15-17]研究發(fā)現(xiàn)，將常見蔬菜作物的秸稈腐解處理后放置在種植的甘蔗，促進(jìn)了甘蔗作物幼苗根莖的生長，同時(shí)改善土壤的微生物活性劑含量，促進(jìn)甘蔗土壤養(yǎng)分的吸收，提升甘蔗的產(chǎn)量。本研究也得到如下結(jié)論，通過在辣椒連作土壤中加入玉米、萬壽菊以及芹菜3種作物的秸稈，壓碎處理后放入辣椒連作土壤中，提高辣椒的株高、莖粗、生物量及壯苗指數(shù)，其中萬壽菊秸稈的腐解效果最好，究其原因，主要是不同作物秸稈腐解處理后辣椒根系長度、體積、表面積以及根尖數(shù)均顯著提高，促進(jìn)了根系對養(yǎng)分的吸收，有效改善了辣椒連作土壤的根部環(huán)境，增強(qiáng)了辣椒作物吸收土壤肥料的能力，其中萬壽菊秸稈腐解后對辣椒根系生長的促進(jìn)作用最為顯著。

葉綠素?zé)晒馐菧y定葉片光合作用的無損傷探針，其與光合色素之間存在很好的相關(guān)性，能夠反映逆境因子對光合作用的影響。植物葉綠素等參數(shù)是衡量植物光合作用的主要參數(shù)，對于改善整體農(nóng)業(yè)作業(yè)環(huán)境，增強(qiáng)有機(jī)物合成有顯著作用，植物葉綠色等參數(shù)的測量通常采用熒光法。結(jié)合本研究的結(jié)果，目前玉米秸稈、芹菜秸稈以及萬壽菊秸稈均能提高辣椒植株的光合作用，相關(guān)的光合作用等參數(shù)均有一定程度的提高，顯示腐解處理能夠增加辣椒葉片的光合作用利用率，但農(nóng)作物秸稈對辣椒非化學(xué)淬滅系數(shù)(NQP)影響較小，猜測可能是與辣椒自身葉綠素系統(tǒng)的脅迫效應(yīng)及自我保護(hù)機(jī)制有關(guān)，以上研究成果與文獻(xiàn)[18-19]中提到的薺菜秸稈對種植茄子光合作用的提高類似，充分說明了秸稈腐物對土壤活性成分的變強(qiáng)，增強(qiáng)了光合作用。另外結(jié)合本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈、芹菜秸稈及萬壽菊秸稈均能提高連作辣椒的葉綠素含量，增強(qiáng)辣椒的根系活性，提升辣椒作物的生長能力。

在農(nóng)作物種植過程中，適當(dāng)?shù)耐寥纏H及較低的土壤電導(dǎo)率可以有效提升農(nóng)作物的生長活力，在本次試驗(yàn)中，玉米秸稈、萬壽菊秸稈及芹菜秸稈均能夠改善土壤的pH及電導(dǎo)率，促進(jìn)了辣椒的生長。這與文獻(xiàn)[20-21]提到的通過玉米秸稈的粉碎提高黃瓜等農(nóng)作物土壤的活性，有效改善土壤的pH及電導(dǎo)率有相似之處。主要原因可能與玉米秸稈腐解后改善了土壤的有機(jī)物質(zhì)，活化了土壤養(yǎng)分，改善了土壤的各項(xiàng)性能。另外從本研究中發(fā)現(xiàn)，秸稈腐解方式釋放進(jìn)土壤的有機(jī)物質(zhì)被土壤微生物利用，進(jìn)而活化了土壤中的養(yǎng)分。土壤微生物是土壤生命活體中最活躍的有機(jī)體，其主要組成類群包括細(xì)菌、放線菌和真菌，在維持土壤微生態(tài)結(jié)構(gòu)和功能中發(fā)揮重要作用。本研究顯示，玉米秸稈及萬壽菊秸稈處理對連作辣椒的土壤微生物中的放線菌、細(xì)菌及總菌數(shù)都有提高，同時(shí)玉米秸稈、芹菜秸稈及萬壽菊秸稈也能夠改善土壤的酶活性，是土壤有益的催化劑，可增強(qiáng)辣椒連作植株生理代謝及養(yǎng)分吸收能力。

4 結(jié) 論

本研究以辣椒為研究對象，通過試驗(yàn)研究及數(shù)據(jù)分析，重點(diǎn)研究玉米秸稈、萬壽菊秸稈以及芹菜秸稈腐解對辣椒生長及土壤的影響，研究結(jié)果顯示，玉米、萬壽菊及芹菜作物的秸稈腐物提高了辣椒的株高、莖粗、生物量及壯苗指數(shù)，同時(shí)一定程度上增強(qiáng)了辣椒植株的光合作用及提高了葉綠素含量，另外作物秸稈均能改善土壤的pH、電導(dǎo)率以及土壤微生物結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤的酶活性，不同作物的改善程度也有所不同。綜上所述，本研究成果對改善辣椒等經(jīng)濟(jì)作物連作土壤活性及生產(chǎn)能力有重要的理論及實(shí)踐參考價(jià)值，研究成果可以進(jìn)一步在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。