秸秆还田对日光温室土壤微环境的影响

陈晓峰， 魏 茜， 韩 冰， 隋好林

(中国农业大学 烟台研究院， 山东 烟台 264670)

网纹甜瓜是山东省海阳市日光温室栽培的重要瓜类作物之一，在全国具有较高的知名度，由于其优良的品质，良好的生产价值，最近几年发展规模逐渐扩大。为提高生产价值，日光温室网纹甜瓜多采用冬春茬栽培，但受作物生长季节限制，如何改善日光温室内作物生产环境，规避作物连作障碍，在生产效益提升同时实现温室作物无公害化生产是亟需解决的问题。

秸秆还田技术是作物改土培肥的重要举措，对提升土壤肥力，改善土壤结构，提高土壤微生物数量和土壤酶活性方面具有重要作用，近年来已被广泛应用到大田作物生产中。目前，对秸秆还田研究主要包括粉碎还田、过腹还田、发酵还田及炭化还田等对土壤肥力、微生物的影响与作物生长发育和病害的影响等方面[1-6]。秸秆还田技术在设施栽培中的应用研究主要集中在秸秆发酵还田方面，如秸秆反应堆技术，研究内容主要包含其对设施环境改善、作物生物学特性和作物产品品质的影响等方面[7-11]，对秸秆直接还田的研究较少。设施栽培应用秸秆还田技术的理论基础尚不完善，对不同作物种植管理模式下适宜的还田模式还不明确，不利于该技术在实际生产中的推广与应用。在生产实践中，已有网纹甜瓜种植户应用当地农业秸秆废弃物资源还田技术实现网纹甜瓜可持续生产，生产效果明显，但未形成合理、系统的栽培技术。鉴于此，采用单因素试验研究秸秆不同还田方式对土壤理化性状和土壤微生物数量的影响，旨在进一步明确秸秆还田对土壤微环境的作用原理，以期为促进当地设施农业的循环发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在山东省海阳市留格庄镇前杨台村海阳市农道果蔬种植专业合作社日光温室内进行(N36°46′，E121°19′)，日光温室规格为720 m2(60 m×12 m)。试验地土壤为棕壤土，土层深厚，浇灌条件良好，前茬作物为番茄。2019年秸秆还田处理前各温室0～40 cm土壤的理化性状：有机质17.4～18.9 g/kg，速效氮116～125 mg/kg，速效磷68～80 mg/kg，速效钾232～248 mg/kg，全氮1.14～1.28 g/kg，全钾4.34～4.66 g/kg，pH 7.50～7.90，有机碳9.8～10.2 g/kg。

1.2 材料

日光温室栽种网纹甜瓜品种为鲁厚甜1号，烟台爱农农资有限公司生产。秸秆为玉米秸秆，取自当地。内置式秸秆生物反应堆所用的菌种和疫苗均为山东天合生物工程技术有限公司生产。

1.3 方法

1.3.1 试验设计 试验于2018年12月至2019年6月进行，所有日光温室在深翻前均分别施腐熟有机肥5 000 kg/667m2。试验设3个处理：T1，秸秆经内置式秸秆生物反应堆发酵后还田；T2，秸秆粉碎后直接还田；对照(CK)，无秸秆还田。具体操作：T1，参照姜蔚[12]的方法进行内置式秸秆生物反应堆建造与管理，秸秆用量为5 000 kg/667m2；T2，秸秆经粉碎后深翻还田，翻埋于耕层中，秸秆施用量为1 500 kg/667m2，栽培管理方式同常规栽培；对照，温室经机械深翻后，栽培管理方式同常规栽培。

1.3.2 土壤理化性状和微生物含量测定 网纹甜瓜采收结束后测定各温室土壤的基本理化性状。采用环刀法5点取样采集定植行下0～40 cm土壤样品，混样后分为2份，1份用于土壤理化性状测定，1份用于土壤有机碳和土壤微生物含量测定。土壤理化性状测定参考鲍士旦等[13-15]的方法，土壤有机碳测定采用重铬酸钾-硫酸外加热法[13，16]，土壤微生物(细菌、真菌及放线菌)测定参考陆宁海等[1-2]的方法。

1.4 数据统计与分析

采用Excel 2016和SPSS 18.0对数据进行统计分析，并进行LSD差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 秸秆不同还田方式对土壤理化性质的影响

由于玉米秸秆中含有氮、磷和钾元素[15]，秸秆还田分解后土壤肥力会提高[3-5]，同时还田方式以及还田年限的差异也会导致土壤养分变化的差异[17]。由表1可知，T1和T2土壤有机质、有机碳、速效氮、速效钾、全氮、全磷、全钾及pH均较对照显著提高，其中，T1和T2的土壤有机质含量分别提高81.96%和28.35%，有机碳含量提高102.88%和32.69%，速效氮含量提高32.98%和56.38%，速效钾含量提高99.01%和43.07%，全氮含量提高17.14%和21.90%，全磷含量提高37.50%和28.13%，全钾含量提高28.41%和31.87%，pH提高12.41%和8.28%。土壤全氮、全磷和全钾含量T1和T2差异不明显。土壤速效磷含量T1较对照提高8.65%，T2较对照降低6.73%，但各处理间差异均不显著。T1的有机质、速效磷、速效钾及全磷含量均显著高于其他处理，说明，内置式秸秆生物反应堆发酵后还田能提高土壤中养分含量，提升土壤肥力。土壤有机碳(SOC)也是反映土壤肥力的重要指标之一，其参与土壤微生物活动[17]，含量高低与外源碳源输入有较大关系[18-20]。与试验前相比，T1和T2的有机碳含量均有较大幅度的提高，分别提高115.31%和38.00%，其中，内置式秸秆生物反应堆发酵后还田对土壤短期SOC含量提升效果明显。秸秆还田处理提高土壤pH，使土壤pH趋向弱碱性，且内置式秸秆生物反应堆发酵后还田比秸秆粉碎后直接还田效果明显。总体上，秸秆还田增加了土壤的养分含量，缓解了土壤酸化的趋势。

表1 秸秆不同还田方式土壤的理化性质

2.2 秸秆不同还田方式对土壤微生物数量的影响

土壤微生物在土壤营养物质转化和循环过程中起重要作用，是养分转化的源和库，耕作环境改变会导致微生物数量产生较大变化，进而影响土壤质量和土壤的生物活性[12，21-24]。由表2可知，秸秆还田对日光温室内土壤微生物数量有较大的影响。秸秆还田处理引起土壤细菌和放线菌数量激增，但对土壤中真菌数量影响不大。其中，T1和T2的细菌数量较对照显著提高，分别提高186.18%和203.25%，T2比T1高5.97%，但二者间无显著差异。T1和T2的放线菌数量较对照显著提高，分别提高375.94%和190.91%，T1比T2高163.61%，各处理间差异显著。T1的真菌数量较T2和对照显著提高，分别提高13.48%和16.76%；T2较对照下降2.48%，但二者差异不显著。表明，内置式秸秆生物反应堆发酵后还田具有明显促进土壤细菌和放线菌增殖的作用。

表2 秸秆不同还田方式土壤微生物的数量

2.3 土壤理化性状与土壤微生物的相关性

土壤微生物数量与土壤理化性状之间存在密切关系，土壤养分含量高低在很大程度上制约着土壤微生物数量，同时土壤微生物又反过来影响着土壤养分等物质的转化和循环[24]。由表3可知，秸秆还田处理土壤细菌数量与土壤全氮、全磷、全钾、速效氮及pH呈极显著正相关性，相关系数依次为0.991、0.950、0.999、0.939和0.917；与土壤有机碳、有机质和速效钾含量呈正相关关系，但差异不显著。土壤真菌数量与土壤速效磷含量呈极显著正相关性，相关系数为0.958；与土壤有机质、有机碳和速效钾含量呈显著正相关性，相关系数依次为0.873、0.888和0.819；与全氮、全磷和全钾含量呈正相关关系，与速效氮含量呈负相关关系，但均未达显著水平。土壤放线菌数量与土壤全磷、速效钾、有机质、有机碳含量及pH呈极显著正相关性，相关系数依次为0.963、0.996、0.983、0.977和0.984；与土壤全钾含量呈显著正相关性，相关系数为0.817；与全氮、速效氮和速效磷呈正相关关系，但均未达显著水平。

表3 土壤微生物与土壤理化性状的相关性

3 结论与讨论

随着国家对生态循环农业发展的不断推进，以解决农村秸秆废弃物为主要内容的新型农业生产模式也在不断被研究应用。秸秆还田技术正是基于作物秸秆自身利用价值与当地农业生产相结合的一种高效农业生产模式。目前，该技术被广泛应用于大田作物生产，已被证实是提高土壤耕作质量和土壤肥力，解决化肥施用所带来的土壤退化等问题的重要措施[25-27]。当前秸秆还田技术研究主要集中在还田技术、如何利用生物技术加速秸秆的分解及减少秸秆腐烂分解过程所带来病害(主要是土传病害)等方面[28]。

日光温室网纹甜瓜栽培由于处于人为可控的生产环境，在实际生产中已经开始利用秸秆还田进行反季节栽培[12]，生产效果明显，对秸秆降解在提升温室CO2浓度和气温方面研究较为深刻，但是其对土壤改良作用、土壤理化性状改变及有益微生物促进作用尚不明确。研究结果表明，玉米秸秆还田显著提高土壤肥力，与其他研究结果相符[2，4，15-17，20-21]。由于内置式秸秆生物反应堆发酵后还田施用秸秆量较大，且在菌种作用下分解较快，秸秆中的钾元素和有机质得以释放，因而应用效果比秸秆粉碎后直接还田的明显。秸秆粉碎后直接还田并未明显提高磷元素含量，可能是秸秆中磷元素含量较低，长期还田效果才能得以体现，与杜艳玲等[29-30]的研究相近。土壤有机碳(SOC)含量与土壤肥力显著相关，研究土壤SOC长期变化对研究秸秆还田对设施土壤改良也具有重要意义[18-20]。研究结果还表明，秸秆不同还田方式均可增加土壤的SOC含量，其中，内置式秸秆生物反应堆发酵后还田效果明显优于秸秆粉碎后直接还田，且其对土壤短期SOC含量提升效果明显。秸秆还田还可提高设施栽培土壤pH，使其趋向弱碱性，内置式秸秆生物反应堆发酵后还田比秸秆粉碎后直接还田效果明显，可有效抑制长期施用化肥带来的土壤酸化现象，与杨文雅等[15]的研究结果相符。

细菌数量高低可以作为土壤肥力的指示标志，土壤代谢强度与土壤放线菌数量的多少有关[17]，土壤真菌与许多作物病害的病原菌以及土传病害的发生有直接关系[31]，可见，研究土壤微生物数量变化对研究秸秆还田对设施栽培的影响尤为重要。赵亚丽等[5，23-24]研究证实，作物秸秆还田对土壤微生物数量具有明显促进作用，但耕作方式和秸秆用量之间存在明显差异。研究结果表明，秸秆还田能明显促进土壤细菌和放线菌数量，与杨钊等[17]的研究结果相符。土壤细菌和放线菌与真菌的比值增大可有效改善土壤微生物群体结构，客观促进了土壤肥力的提升。内置式秸秆生物反应堆发酵后还田在促进3种土壤微生物总量增殖上比秸秆粉碎后直接还田效果明显，尤其是对土壤放线菌数量影响最大。孙婧等[14-15]研究发现，秸秆生物反应堆处理能有效提高作物土壤微生物含量，主要由于秸秆发酵分解过程离不开微生物参与，分解产物反之也促进了微生物的繁殖。说明，内置式秸秆生物反应堆发酵后还田对土壤微生物数量的提升效果明显。

目前研究主要集中在秸秆还田对土壤微环境短期效果影响方面，关于长期秸秆还田对土壤肥力和微生物种类和数量的影响还有待进一步深入研究。