温室栽培中秸秆还田方式对作物生长及土壤碳氮的影响

张 赛 王龙昌* 赵琳璐 杜 鹃 徐启聪

（1西南大学农学与生物科技学院，南方山地农业教育部工程研究中心，重庆 400716；2日本国际自然农法研究中心，松本 390-1401；3信州大学大学院，松本 390-8621）

棚室蔬菜种植是当前主要的蔬菜种植方式，随着蔬菜种植面积的不断扩大，土壤状况有恶化的现象，主要表现在盐渍化严重、土传病害及病虫害加重、土壤板结、耕作层变浅、微量元素缺乏等问题。针对这些问题，需要合理的治理才能保证蔬菜的健康生长。其中合理利用秸秆是一项一举多得的措施，不仅解决了秸秆田间焚烧带来的环境污染，而且秸秆施入土壤后在微生物的分解下可同化土壤中的氮素，有效降低土壤中可溶盐的浓度，同时秸秆中还含有丰富的微量元素，从而达到改良土壤、提高产量的作用（孙公江，2012）。秸秆覆盖在冬春蔬菜栽培中，既可以保墒，又可以防止杂草生长，但是秸秆随着翻耕直接掩埋到地下后，在厌氧分解环境下会产生不利于作物根系生长的还原性物质，对土壤和作物带来不利影响。以往对秸秆还田的研究多集中于直接还田和间接还田的利弊分析（李文革 等，2006；游东海 等，2012；赵伟 等，2012），而秸秆还田后在土壤中的不同位置对作物生长及土壤的影响报道较少。本试验旨在分析秸秆还田位置对土壤质量和作物生长发育的影响，为温室栽培蔬菜的土壤改良提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地一位于日本长野县松本波田，土壤类型为火山灰土，进行无化肥大棚种植试验15 a。采用随机区组设计，小区面积为72 m2，设3个处理：将半分解的秸秆（主要成分是稻草）以每平方米0.02 m3覆盖于地表（S）；同样的秸秆深埋到地下20 cm处（I）；没有秸秆覆盖，作为对照（CK）。供试南瓜品种为苍山南瓜，于2011年5月20日种植，11月25日收获。种植前所有处理的土壤中均施用有机肥500 g·m-2，有机肥是用米糠、豆粕和鱼粉等精细有机物质为培养剂和载体加入益生菌发酵而成。

试验地二位于中国重庆北碚区西南大学农学与生物科技学院试验农场，土壤类型为紫色土。供试小麦品种为糯麦1号，于2012年10月18日播种，采用盆栽技术，将5 kg干土和1 g复合肥混匀后填装到高20 cm、直径为15 cm的花盆中。其中秸秆采用小麦秸秆，每盆添加20 g〔相当于1 625 kg·（667m2）-1〕，长度为5 cm，外加0.5 g氮调节碳氮比。

1.2 测定指标及方法

光合速率测定采用LI6400便捷式光合作用测定仪，在南瓜开始坐果时测定第5片叶。

作物生物量测定采用收获法，在小麦播种1个月、2个月后分别取样，于105 ℃杀青，70 ℃烘干至恒重后称质量；其中根系特征和叶面积采用根系扫描仪（EPSON PERFECTION V700）进行测定。

土壤样品采集与测定：在小麦播种1个月、2个月后分别取0～20 cm土层土样，其中土壤全碳含量采用日本岛津TOC-SSM-5000A分析仪测定（李利利 等，2009），土壤全氮含量采用凯氏定氮法测定（鲁如坤，1999）。

1.3 数据处理

试验数据采用SPSS 13.0和Excel 2003软件进行统计分析和制图。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田位置对作物光合作用和生物量的影响

由图1可见，在南瓜开始坐果时，随着光合有效辐射（PAR）的增加，叶片的净光合速率逐渐升高，S处理的净光合速率显著高于其他两个处理，将秸秆掩埋在地下的处理介于对照和秸秆覆盖地表的处理之间。各处理在不同光合有效辐射下最大光合速率对光强表现出米氏响应规律，在PAR较低时（0～500µmol·m-2·s-1）各处理的净光合速率快速增加，达到 1 000 µmol·m-2·s-1以上后趋于平稳，且各处理的净光合速率差异不大；而PAR较高时各处理间差异较大，其中对照最低，表明秸秆覆盖地表处理的光合能力最高。可见S处理增强了作物利用强光的有效辐射和适应能力，有助于提高作物的光合作用，从而达到增产的效果。

从表1中可以看出，小麦在生长初期，秸秆覆盖地表处理增加了小麦地上部和地下部生物量；在播种1个月后，秸秆掩埋到地下20 cm的处理小麦生物量略高于对照，各处理小麦单株质量大小为S＞I＞CK；播种2个月后，秸秆掩埋地下20 cm的处理小麦地下部和地上部生物量均低于对照，表现为S＞CK＞I。随着时间的推移，掩埋到地下的秸秆对作物生长产生不利影响。

图1 不同处理下南瓜叶片光合作用的光响应曲线（Xu et al.，2011）

表1 不同秸秆还田位置对小麦地上部和地下部生物量的影响

播种2个月后，小麦的根系特征和叶面积在不同秸秆还田位置处理间差异显著（表2），不同指标均表现为S＞I＞CK。秸秆覆盖地表处理与秸秆掩埋地下20 cm处理相比，小麦根长增加了18.0%，根表面积增加36.8%，根体积增加18.2%，根直径增加54.6%，叶面积增加18.0%。

表2 不同秸秆还田位置对小麦根系特征及叶面积的影响

2.2 秸秆还田位置对土壤碳氮的影响

供试土壤初始总碳含量为1.488%，总氮含量为0.192 2%，碳氮比为7.74。从表3可以看出，秸秆覆盖地表处理使得土壤中的总碳含量持续提高，小麦播种1个月后比初始值升高39.25%，2个月后升高了41.87%。I处理和对照播种1个月后有利于土壤总碳含量的增加，但播种2个月后土壤总碳含量开始减少，其中I处理的土壤总碳含量比初始值低了8.87%。可见，秸秆覆盖地表可以增加土壤总碳含量，而秸秆掩埋地下降低了土壤总碳含量。

碳氮比是土壤质量的敏感指标，通常被认为是土壤氮素矿化能力的标志（Springob & Kirchmann，2003）。碳氮比越高越有利于土壤有机碳的保存，有利于增加土壤汇集碳氮的能力（张春华 等，2011）。在播种1个月后I处理和对照土壤总氮含量均有所提高，播种2个月后3个处理的土壤总氮含量均低于初始值。S处理的碳氮比显著高于其他两个处理，在播种初期I处理碳氮比高于对照，但是之后低于对照。从土壤固碳减排角度考虑，S处理有利于土壤固碳，而I处理不利于土壤固碳。

表3 不同秸秆还田位置对土壤碳氮的影响

3 结论与讨论

本试验将秸秆还田方式分为秸秆覆盖地表和秸秆深埋到20 cm土层中，分别模拟大田耕作中的秸秆覆盖还田和秸秆翻耕还田。从作物生长发育的角度来分析，秸秆覆盖地表增加了小麦根直径和根体积，提高了作物光合作用，从而提高作物产量。秸秆覆盖地表的增产效果优于掩埋处理，在大田耕作上秸秆覆盖还田方式增产效果优于秸秆翻耕还田方式。

随着时间推移，秸秆掩埋地下的处理表现减产的趋势，有研究指出随着秸秆埋深的增加，产量及构成因素随之降低（许仁良，2010），产生这种现象的原因可能是秸秆掩埋地下后腐熟不彻底，产生了一些对根系生长不利的还原性物质和植食性土壤生物。掩埋还田、覆盖还田和焚烧还田3种方式均有一定的增产作用，但后2种的增产效果好于掩埋还田（许仁良，2010）。赵映霞等（2003）的研究表明，秸秆直接还田会促进植物线虫的增加，但是腐熟后还田不仅抑制植物线虫的增加，而且会提高土壤的有机质含量。但是也有相反的结论，如刘世平等（2006）在麦稻两熟制中得出秸秆还田后导致小麦和水稻减产，且秸秆覆盖比翻耕掩埋的产量低。戴志刚（2009）在“水稻—水稻—油菜”的轮作体系中测得翻耕秸秆还田比覆盖秸秆还田的产量高。究其原因，可能是秸秆还田的时间、还田量、土壤类型、耕作制度的不同所致。秸秆覆盖时间不宜过早，不宜过多，也不宜过碎。因为秸秆覆盖时间过早会影响地温，不利于作物返青发苗；覆盖过多不仅影响苗期地温，而且高温季节秸秆大量分解产生的有害气体对下茬作物产生毒害，影响根系发育；秸秆过碎又会产生漂移，影响植株的光合作用（戴志刚，2009）。

从土壤肥力角度来看，秸秆覆盖地表的处理能够显著增加土壤总碳含量，碳氮比较高。与之前的研究结论大体一致（李寿强 等，2004；田慎重 等，2010；张四伟 等，2012）。秸秆掩埋处理的土壤总碳含量低于秸秆覆盖地表处理，同样有研究指出秸秆免耕覆盖比秸秆翻耕到土层20 cm处的土壤微生物量碳含量高（陈蓓，2004）。土壤微生物量碳作为土壤有机质中活性较高的部分，具有极高的灵敏性，可以在全碳变化之前反映土壤微小变化（姜培坤 等，2002）。张明园等（2012）利用模型模拟得出表层土壤有机碳含量翻耕秸秆还田＞旋耕秸秆还田＞免耕秸秆还田，秸秆还田的深度影响土壤的理化性状。如果从固碳减排的角度考虑，本试验得出秸秆覆盖地表处理比秸秆掩埋地下处理能够显著增加土壤碳氮比，有助于土壤固碳，这跟张明园等（2012）的研究结论一致。

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