秸秆或粉煤灰添加对砂姜黑土持水性及小麦抗干旱胁迫的影响

王擎运，何咏霞，陈 景，孔海燕，柴如山，查 伟，郜红建，马东豪，张佳宝

·农业水土工程·

秸秆或粉煤灰添加对砂姜黑土持水性及小麦抗干旱胁迫的影响

王擎运1,2，何咏霞1，陈 景1，孔海燕1，柴如山1，查 伟1，郜红建1※，马东豪2，张佳宝2

（1. 安徽农业大学资源与环境学院农田生态保育与污染防控安徽省重点实验室，合肥 230036；2. 中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室，南京 210008）

针对黄淮海平原典型中低产土壤砂姜黑土黏粒含量较高，土壤有效水分库容较低，严重限制作物生产的现状，该文采用盆栽试验，研究了不同外源改性物料的添加对土壤持水性能及小麦生理的影响，以期获得农田水分管理过程中的关键参数。盆栽试验设置常规氮磷钾（control，CK），常规氮磷钾配施下的添加秸秆（straw returning，SR）、秸秆碳（straw carbon，SC）和粉煤灰（fly ash，FA）处理，维持土壤相对含水率在80%，培育小麦至抽穗期，开展为期10 d的干旱胁迫试验。结果显示SR和SC处理提高了土壤持水能力，且处理间的差异较小；FA处理因其表面富含大量疏水性结晶矿物，土壤相对含水率下降较快，迟效水含量显著低于其余处理，但土壤速效水含量显著提高。不同改性措施均有提高小麦叶片相对含水率，减轻干旱胁迫的趋势，但在极端干旱胁迫下，FA处理叶片相对含水率不仅明显低于其余处理，且作物体内积累大量丙二醛、过氧化氢等有害物质。田间管理中砂姜黑土相对含水率应维持在38%（SR）、36.5%（SC）和24.5%（FA）以上，当土壤相对含水率低于30.78%（SC）、28.43%（SR）和22.5%（FA）时将会对作物生理产生不可逆的伤害。鉴于秸秆优良的保水性能，粉煤灰“富水，不保水”的特性，秸秆与粉煤灰的配合施用将利于砂姜黑土的改良。相关机制值得进一步研究。

土壤；水分；干旱；砂姜黑土；改良；水分特征；作物生理

0 引 言

中国砂姜黑土面积约4×106hm2，广泛分布于黄淮海地区，以淮北平原分布面积最大，是该区域面积最大的中低产田土壤[1-3]。该类型土壤黏粒质量分数较高（>30%），土壤水分有效库容较小，且因黏土矿物以2:1型的蒙脱石为主，易发生湿胀干缩行为[3-5]。土壤改良的关键在于质地及结构改善，有效提升土壤水养库容。淮北平原是中国重要粮食作物冬小麦和夏玉米的主产区之一。该区域气候属于典型温带季风气候，年均降雨量约850 mm，远低于年均蒸发量1500 mm，且降雨主要集中于7－9月，难以满足冬小麦正常生长需求[6]。因此，合理改善土壤结构，调控土壤水分是提升典型砂姜黑土质量，实现冬小麦稳产、增产的关键。

针对砂姜黑土属性障碍因子特征，除需加强水分管理外，一般通过粉煤灰、秸秆碳等改良剂的添加，或以秸秆还田的方式增施有机肥来实现该类型土壤结构的改善、保水抗旱能力的提升。中国是燃煤大国，粉煤灰产量较高，生态环境压力较大[7-8]。粉煤灰的农田施用不仅有助于减轻环境污染，还能促进农田地力的提升[9-11]。相关研究发现粉煤灰表面富含大量结晶型二氧化硅，相互间键合能力较弱，可有效抑制土壤黏粒间的复合，降低黏土毛管孔隙的百分含量，提升土壤水分的有效库容[10-12]。秸秆碳中惰性碳含量较高，比表面积较大且含有大量磷、钾养分元素，其在农田土壤中的施用可为土壤微生物提供有效活动场所，促进养分循环与有机质累积，进而达到土壤结构改善，水养有效库容提升的效果[3,13]。秸秆还田因促进土壤有机质累积，土壤结构改善，农田养分平衡，实现资源化再利用且易于推广，而受到国内外学者的普遍关注[1,14]。上述大量研究结果表明相关改良剂在农田土壤质量，有效水养库容及作物产量提升中起到重要作用，但针对土壤水分特征变化与作物需水响应过程的联合研究却很少开展，这在一定程度上限制了农田水分管理的精准调控。

基于以上认识，本文以典型砂姜黑土为研究对象，采用盆栽试验，选取冬小麦水分需求较大的抽穗期，分析不同物料的添加对土壤持水特征及小麦干旱胁迫响应的影响。以期获得砂姜黑土在不同改良剂作用下作物需水的关键参数，为该类型农田土壤改良以及农田土壤灌溉、水分的精准调控提供支持。

1 材料与方法

1.1 供试材料与试验设计

小麦盆栽试验设置于安徽农业大学农萃园，所用耕层（0～20 cm）土壤及玉米秸秆均于2017年10月玉米收获后采集于安徽农业大学皖北综合试验站（117°4′E，33°41′N）。安徽农业大学皖北综合试验站位于安徽省宿州市埇桥区国家现代农业示范区。该区域年平均气温15 ℃，年均降雨量850 mm，分布不均且主要集中于夏季。当地土壤类型为砂姜黑土，采用冬小麦、夏玉米一年两熟轮作制。土壤样本带回实验室自然风干后过5 mm孔径的筛备用；经测定耕层土壤田间持水量为32%，pH值为7.46，有机质为23.80 g/kg，全氮为0.97 g/kg，碱解氮、有效磷和速效钾质量分数分别为60.43、25.26和226.30 mg/kg。玉米秸秆样品在80 ℃条件下烘干至恒质量，并剪至长度不超过2.00 cm。玉米秸秆碳购置于南京三聚生物质新材料科技有限公司（江苏南京），粉煤灰由国电宿州第二热电有限公司（安徽宿州）提供。粉煤灰碱解氮、有效磷和速效钾质量分数分别为2.39、32.01和216.51 mg/kg；秸秆碳碱解氮、有效磷、速效钾质量分数分别为37.79、376.49和2483.03 mg/kg。

小麦盆栽试验正式开始于2018年3月，设置4个处理：常规氮磷钾（control，CK）、常规氮磷钾配施下的秸秆还田（straw returning，SR）、添加秸秆碳（straw carbon，SC）和粉煤灰（fly ash，FA）处理，每个处理重复3次。试验用盆材质为聚氯乙烯，盆直径30 cm，高35 cm，下设漏水孔。每盆装土30 kg。粉煤灰（FA）及秸秆碳（SC）用量按土壤质量的3.00%计算，0.9 kg/盆（45×103kg/hm2）；玉米秸秆添加量参照皖北地区小麦季玉米秸秆还田量，约0.12 kg/盆（SR，6×103kg/hm2）。化肥施用量参照农田常规施用量（N：225 kg/hm2、P2O5：120 kg/hm2、K2O：60 kg/hm2），分别为2.38 g/盆（N）、1.27 g/盆（P2O5）和0.64 g/盆（K2O）。磷肥、钾肥扣除粉煤灰和秸秆碳中的养分后作为基肥一次性施入；60%氮肥做基肥，40%的氮肥待盆栽试验正式开始1个月后随灌溉水追施于土壤中。鉴于秸秆碳速效钾含量较高，SC处理不施钾肥。改良材料、玉米秸秆、基肥与土壤混合均匀后，一同填于盆中。

盆栽试验过程中定期（第30天、第60天）取出少量玉米秸秆，用去离子水清洗后在80 ℃条件下烘干至恒质量，以用于基本理化性质测试。2018年3月中旬采用常规方法将小麦种子（烟农“19”）催芽后移植于盆栽土壤中。每盆小麦播种量约10株。前期采用称质量法维持土壤相对含水率在80%，待作物生长至抽穗期（6月初）停止浇水，随后开展为期10 d的自然干旱胁迫试验，试验期间采用称质量法测定土壤含水率。干旱胁迫试验期间采集小麦叶片保存于−80 ℃冰箱中，用于生理生化指标的测定。

1.2 测试方法

土壤基本理化性质测定[15]：pH值采用电位计法测定，土水质量比为1:2.5；碱解氮采用碱解扩散法测定；有效磷采用碳酸氢钠溶液浸提，钼锑抗比色法测定；速效钾采用乙酸铵浸提，火焰光度计法测定；全氮和有机质分别采用半微量凯氏定氮法和丘林法测定。土壤容重及田间持水量采用环刀法（威尔克斯法）测定。

作物生理指标测定[16]：剪取健壮小麦叶片于硬质石英管中，用蒸馏水浸泡8 h后于105 ℃条件下杀青，并在75 ℃烘干至恒质量，前后质量用于计算小麦叶片相对含水率（%），计算公式如下：

叶片相对含水率(%)=(−)/(−)×100

式中为采取叶片鲜质量，g；为叶片饱和吸水后的湿质量，g；为叶片烘干后的干质量，g。

气孔导度采用光合测定仪LI-6400XT（美国LI-COR）于晴朗天气09:00－11:00测定；脯氨酸（proline，PRO）采用磺基水杨酸浸提，酸性茚三酮显色法测定；可溶性蛋白（soluble protein，SPR）含量采用考马斯亮蓝G-250比色法测定；丙二醛（malonaldehyde，MDA）采用硫代巴比妥酸法测定；过氧化氢（H2O2）含量采用分光光度法测定。抗氧化酶系活力测定：过氧化氢酶（catalase，CAT）采用紫外吸收法测定；超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）采用氮蓝四唑法测定；过氧化物酶（peroxidase，POD）采用愈创木酚法测定；抗坏血酸氧化物酶（ascorbate peroxidase，APX）和谷胱甘肽还原酶（glutathione reductase，GR）等酶活性均参照李合生等[16]的方法进行测定。过氧化氢含量和抗氧化酶系活力所需试剂盒由南京建成生物工程研究所提供。

改性物料微观形态表征：采用Hitachi S-4800型（日本日立）单束扫描电镜对样品进行观察，扫描成镜成像电压为3.0 kV，最高分辨率可达1 nm。分别在放大倍数为1 000、10 000和45 000倍下采集样品图像信息。

改性物料晶型结构分析（X衍射分析）：采用CW-1Y型（北京普析）X射线衍射仪。工作条件为：石墨单色器，铜靶（X射线波长=1.540 6 nm），管压36.0 kV，管流20.0 mA，连续扫描角度2（为入射X射线与相应晶面的夹角）为5°～80°，步长0.02°/步，扫描速度4°/min。

1.3 数据分析

数据及图表处理采用Microsoft Excel 2007和Origin 8.0。数据依托SPSS 17.0软件，采用LSD法进行多重比较，检验不同处理间的差异。

2 结果与分析

2.1 粉煤灰、秸秆碳及秸秆微观形貌特征

图1a～图1c显示粉煤灰主要以直径2.5m的多孔球形颗粒存在，表面富含大量毛管孔隙；玉米秸秆碳（图1d～图1f）呈块状，其体积与粉煤灰相比较大，但可视性毛管孔隙相对较少。秸秆（图1g～图1o）与秸秆碳表观较为相似，随着腐解时间的延续呈现破碎化的趋势。

注：FA为粉煤灰；SC为玉米秸秆碳；SR为玉米秸秆；SR-30为腐解30 d的玉米秸秆；SR-60为腐解60 d的玉米秸秆。下同。

X射线衍射图谱显示粉煤灰（图2a）矿物结晶度较高，主要以石英和莫来石为主。秸秆（图2c）及秸秆腐解产物（图2d～图2e）均含有芳香碳、脂肪碳及低结晶度的纤维碳。秸秆碳（图2b）与秸秆相比芳香碳保持较好峰型，脂肪碳峰消失；低结晶度纤维碳依然存在，但峰高降低较为明显。

注：q为入射X射线与相应晶面的夹角。

2.2 不同改性措施下土壤的持水特征

选择小麦生长需水量较大的抽穗期开展为期10 d的干旱胁迫试验。图3a显示土壤相对含水率随干旱胁迫时间增加而呈明显下降趋势，不同改良剂处理间的差异较大。秸秆及秸秆碳处理土壤相对含水率变化差异较小，均明显高于对照，粉煤灰处理下的土壤相对含水率低于对照。

经拟合土壤相对含水率变化符合一元二次方程（表1），即在干旱胁迫期间（0~10 d），土壤相对含水率随着干旱胁迫时间（）的增加呈规律性下降（2≥0.97）。方程的一阶导数的绝对值反映了在不同干旱胁迫时间（）下土壤相对含水率下降程度的大小。干旱胁迫期间（0～10 d）土壤相对含水率呈明显下降趋势，且处理间有明显的差异。依据一阶导数可发现干旱胁迫初期（0 d）不同改性处理土壤相对含水率下降速率（一阶导数绝对值）呈FA（10.84）> CK（8.19）>SR（6.50）>SC（6.12），大小、趋势均明显不同于极端干旱胁迫下（10 d）的土壤相对含水率下降速率（SC（4.31）>SR（3.47）>CK（2.64）>FA（0.96））。结合土壤相对含水率（图3a）可发现SR和SC处理的土壤保水能力相对较强，而FA处理则相对加速了土壤水的流失。

2.3 不同改性措施下小麦叶片相对含水率对干旱胁迫的响应

小麦叶片相对含水率（图3b）呈现先迅速降低，随后缓慢下降，再迅速下降的趋势。前期（＜5 d），不同改性处理下的叶片相对含水率均明显高于对照，但在后期各处理差异较大，呈现SC>SR>CK>FA的趋势。SR和SC处理与CK相比都提高了叶片相对含水率，而FA处理则在干旱胁迫后期显著降低了叶片相对含水率。

拟合结果（表1）显示干旱胁迫下小麦叶片相对含水率与干旱胁迫时间的变化关系符合一元三次方程。该方程一阶导数绝对值用来表示叶片相对含水率下降速率大小，其随着干旱胁迫时间（）的增加呈现先减小再增大的趋势。一阶导数结果显示FA处理率先（第2.75 天）达到叶片相对含水率下降速率的最小值。此时（2.75 d），FA处理对应的土壤相对含水率为53.81%，与CK（50.48%）相差较小，但明显低于SC（56.81%）和SR（60.79%）处理。

2.4 不同改性措施对干旱胁迫下小麦气孔导度的影响

图3c结果显示经过10 d的干旱胁迫，小麦气孔导度与叶片相对含水率变化规律差异较大，总体呈相反规律，即先增加，再迅速降低，最终停止下降并趋于平衡。FA处理与CK相比对小麦气孔导度影响较小，SR处理下的小麦气孔导度明显低于CK，但高于SC处理。

干旱胁迫下小麦气孔导度随着干旱胁迫时间的变化规律经一元三次方程拟合达到极显著相关（表1）。拟合方程的一阶导数绝对值呈现先减小、后变大、再次降低并趋向于0的变化规律。1、3分别代表小麦气孔导度最大、最小（气孔关闭）时的时间节点，而一阶导数绝对值最大时则代表气孔导度下降速率最大时对应的时间节点（2）。结果显示（表1）土壤相对含水率(1) 为63.56%～75.69%时叶面气孔导度达到最大；土壤相对含水率(2) 为36.56%～51.53%的情况下气孔导度下降速率最大，而低于30% 时气孔导度则不再发生变化。经过不同的改性处理，各临界点土壤相对含水率的变化总体呈现FA略低于CK，明显低于SC和SR处理。当小麦叶片气孔彻底关闭时各处理土壤相对含水率(3) 分别为23.92%（CK）、22.55%（FA）、30.78%（SC）和28.43%（SR）。

注：**，<0.01；为干旱胁迫时间，d；1为小麦气孔导度最大对应的时间，d；2为小麦叶片相对含水率和气孔导度下降速率最大时的时间，d；3为小麦气孔导度最小时的时间，d；样本数为11。

Note: **,< 0.01;is drought stress, d;1is time corresponding to maximum stomatal conductance of wheat, d;2is time corresponding to maximum decline rate of relative water content and stomatal conductance of wheat leaves, respectively, d;3is the time when wheat stomatal conductance ceases to decline, d; sample size is 11.

2.5 干旱胁迫对小麦生理调节物质及相关辅酶的影响

经过一定时期的干旱胁迫（表2），第8 天与第3 天相比，小麦叶片中脯氨酸（proline，PRO）和过氧化氢（hydrogen peroxide，H2O2）含量累积较为明显，可溶性蛋白（soluble protein，SPR）和丙二醛（malonaldehyde，MDA）含量变化相对较小。在不同的改性措施下，PRO含量和SPR含量均无明显差异。常规氮磷钾配施下的FA处理随着干旱胁迫时间的增加更易于提高叶片MDA和H2O2含量。值得注意的是在干旱胁迫下叶片中H2O2含量变化与MDA相比要敏感的多。在干旱胁迫3 d，FA和CK处理叶片H2O2含量有明显的累积特征；干旱胁迫8 d，FA处理叶片H2O2含量要显著高于干旱胁迫初期（3 d）及CK和SR处理。

作物体内活性氧的累积受到抗氧化酶系统的调控。表2结果显示，干旱胁迫3 d后叶片超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、过氧化物酶（peroxidase，POD）和过氧化氢酶（catalase，CAT）活性在处理间差异不显著（＞0.05），但在强烈干旱胁迫下（8 d）FA处理的SOD、POD和CAT酶活性要显著高于其余处理（＜0.05）。尽管干旱胁迫初期（3 d）叶片中抗坏血酸氧化物酶（ascorbate peroxidase，APX）和谷胱甘肽还原酶（glutathione reductase，GR）活性在处理间的变化无明显规律，但随着干旱胁迫时间增加，FA处理叶片APX、GR酶活力要显著高于其余处理。经过干旱胁迫和不同改性处理，叶片抗氧化酶活性变化与小麦叶片H2O2累积特征一致。

2.6 不同改性措施下土壤的水分特征曲线

土壤相对含水率与小麦气孔导度间的协同关系能较好地反应土壤水有效性[17]。依据水分特征曲线的变化特征可将土壤水划分为速效水、缓效水和迟效水。干旱胁迫初期（图4），土壤相对含水率下降较快，但土壤气孔导度并未发生太大变化，土壤水主要以速效水的形式存在；随后则出现水分下降缓慢，但气孔导度快速下降的现象，作物吸水存在一定困难，土壤水主要以缓效水的形式存在。当气孔导度低于0.02 mol/(m2·s) 时，土壤相对含水率的下降则不会造成气孔导度太大的变化，土壤水主要以迟效水的形式存在。

表2 干旱胁迫对小麦生理调节物质及相关辅酶的影响

注：同天各处理间的不同小写字母代表在5%水平差异显著；酶指标均以蛋白质计。

Note: Different lowercase letters represent significant difference at 5% level among treatments on same day; enzyme index is calculated based on protein.

注：图中散点为实测值，实线为趋势线。

土壤速效水（图4）占土壤相对含水率（速效水占比）的33.8%～53.9%，高于缓效水占比（21.6%～28.0%）和迟效水占比（FA 24.5%、SC 36.5%、SR 38.2%）。土壤缓效水和速效水累积占比可达75%，且以速效水为主。经过不同改性措施土壤速效水呈现SC

3 讨 论

砂姜黑土是一种典型变性土，田间持水量约为32%，这要明显低于相同区域潮土的田间持水量（50%～70%）。由于该类型土壤富含大量黏粒，拥有大量的毛管孔隙，土壤水有效性较低[3,17-18]，因此，该类型土壤障碍因子的消减关键之一在于土壤有效水分库容的提升。

秸秆、生物质炭及粉煤灰是目前较为常见的土壤改良剂。相关研究认为秸秆碳及秸秆还田处理均会提高土壤持水性能[3, 14]，这与先前研究结果较为一致[19]。由于秸秆还田促进砂姜黑土有机质累积需要较长时间，短期内对土壤结构及持水性能的影响主要与其腐解及半腐解产物有关[14,20-21]。秸秆及其腐解产物与秸秆碳相比除了含有相似的晶型物质外（图1a），还富含大量烷基碳、烷氧碳、芳香碳和羧基碳[21]，但2类物质对土壤持水性能的影响并无差异。这可能是玉米秸秆腐解或碳化过程中依然保持了原有的孔隙结构。粉煤灰与秸秆碳相比同属惰性改性物质，但前者与后者对土壤持水性能的影响有着截然不同的效果。虽然粉煤灰颗粒表面含有大量毛管孔隙，但显著降低了土壤的持水性能。一方面与其表面的晶型矿物有关，晶型二氧化硅和莫来石均具有明显的疏水特征；另一方面有研究表明粉煤灰表面微小的毛管孔隙并非有效孔隙。Lu等[3]研究结果显示粉煤灰有效孔隙主要分布于1～10m之间，而生物碳有效孔隙则主要分布在<1m，>10m范围内。粉煤灰与秸秆碳相比含有持水较强的毛管孔隙明显偏少。

冬小麦抽穗期生长旺盛，对水分的需求较大，而这一时期降雨量往往偏少，极易发生干旱现象[6]。本研究结果发现小麦在抽穗期随着干旱胁迫时间的增加叶片相对含水率和土壤相对含水率均有明显的下降，但叶片相对含水率的下降速率呈先减少后增加的趋势，而气孔导度则呈现先增加后减少的规律，最终不再发生变化（图3c）。这表明作物应对干旱胁迫时有明显的自我调节功能，干旱胁迫初期作物通过开放气孔增加吸水能力，随之选择性关闭气孔减少叶面水分的蒸腾；在极端干旱的情况下，作物将关闭气孔，进而失去自我调节能力，并有可能对作物产生不可逆的伤害[22-23]。

作物抗干旱胁迫的自我调节能力在细胞膜渗透压调节物质（如脯氨酸等）、过氧化物及相关有害物质清除系统辅酶的变化上得到了进一步验证。脯氨酸是作物受到干旱胁迫，维持细胞膜内外渗透压平衡的重要调节物质；可溶性蛋白主要与细胞膜的损伤、相关物质溶出有关；丙二醛、过氧化氢的积累则对作物有较大的伤害，其含量高低是反应干旱胁迫程度大小的重要指标[24-25]。干旱胁迫在造成作物体内活性氧累积的同时，也会受到抗氧化酶系的调控。在超氧化物歧化酶的作用下活性氧快速歧化为H2O2和O2，最终在过氧化物酶和过氧化氢酶的进一步催化作用下形成H2O[24-25]。抗坏血酸过氧化物酶和谷胱甘肽还原酶则主要催化作用于叶绿体内的活性氧。随着干旱胁迫时间的增加，典型膜渗透调节物质脯氨酸和有害物质过氧化氢含量均有明显累积（表2）。其中，过氧化氢的累积特征与抗氧化酶含量变化规律较为一致。

不同的改性措施明显缓解了干旱对作物的胁迫。在轻度干旱胁迫作用下，秸秆、秸秆碳和粉煤灰处理均提高了小麦叶片相对含水率，且此时抗干旱调节物质和相关辅酶含量均与对照无明显差异；当遭遇极端干旱胁迫时，秸秆及秸秆碳处理小麦叶片相对含水率依然高于对照，明显不同于粉煤灰处理下的小麦叶片相对含水率的变化特征。粉煤灰处理下的小麦叶片相对含水率下降较快，含量明显低于对照，且丙二醛、过氧化氢含量及抗氧化酶系的活性均显著高于其余处理。其中丙二醛含量的增加，说明植物细胞膜质过氧化程度高，细胞膜受到的伤害严重[24-25]，即表明在粉煤灰处理下小麦经过极端干旱胁迫，其生理已经受到不可逆的伤害。

土壤水分调节关键在于明确作物需水与土壤水有效性间的耦合关系。该类型土壤速效水和缓效水累积占比可达75%（图4），且以速效水为主。这与先前的研究结果“典型砂姜黑土结构段孔隙（大孔隙）、毛管孔隙含量较高，而中度孔隙相对较少”是一致的[19]。存在于大孔隙的速效水活性虽然较高，但很容易在干旱胁迫下因蒸腾、蒸发作用迅速流失，而存在于毛管孔隙的迟效水则因土壤吸力较大而有效性较低[3,19]。该类型土壤缓效水含量较低，土壤的抗旱性能相对较弱。在不同改性措施下，秸秆、秸秆碳提高了土壤缓效水和迟效水占比，尤其是迟效水占比，这与粉煤灰处理的变化规律是相反的。经粉煤灰处理小麦气孔关闭时土壤相对含水率与迟效水相差较小，而其余处理下此临界含水率则低于土壤迟效水含量约8%（图4与表1）。部分迟效水对作物依然有效，但在粉煤灰的作用下明显消失。典型砂姜黑土黏粒含量较高，且以蒙脱石为主。蒙脱石是一种典型2:1型黏土矿物，层与层含有较多的疏水性的硅氧键[3,18]。因此，该类型土壤毛管孔隙主要由黏粒间的孔隙和层间纳米空隙（层间距<1.0 nm）组成。由于粉煤灰含有相对较少的有效毛管孔隙，且颗粒表面矿物结晶度较高，粉煤灰的添加有可能破坏黏土矿物间的内聚力，使土壤变得更为分散，进而显著降低了土壤毛管孔隙的百分含量。

综合以上研究结果，添加3%的秸秆碳和粉煤灰并不足以改变土壤机械组成，主要通过其自身性质及其与土壤黏土矿物间的相互作用影响土壤水的有效性。在相关文献及田间长期定位田间试验结果均显示长期秸秆还田可提高土壤田间持水量总量的10%左右[14,19]。秸秆还田对土壤水的影响不仅局限于毛管孔隙，对速效水影响同样不容忽视。从实际生产角度土壤水分应不低于缓效水的含量，即秸秆、秸秆碳、粉煤灰处理土壤相对含水率应分别维持在38%、36.5%和24.5%以上（图4）；当土壤相对含水率低于30.78%（SC）、28.43%（SR）和22.5%（FA）时（表1），小麦气孔将完全关闭，对作物生理产生不可逆的伤害。由于秸秆与秸秆碳显著提升了毛管孔隙含量，增强了保水能力，而粉煤灰处理因明显降低毛管孔隙分布呈现富水（提高有效性）不保水的现象，粉煤灰与秸秆、秸秆碳的有机组合将更适应于土壤结构改善，水养增容的生产需求。相关机制值得进一步研究。

4 结 论

基于砂姜黑土黏粒含量较高，土壤有效水库容较小的现状，采用盆栽模拟试验研究了秸秆（SR）、秸秆碳（SC）和粉煤灰（FA）的施用对砂姜黑土水分特征及小麦生理的影响，研究结果显示：

1）秸秆及秸秆碳的施用增强了土壤的持水性能，提高了土壤缓效水和迟效水占比；粉煤灰处理降低了土壤迟效水占比，提高了土壤速效水占比，在干旱胁迫下土壤水的下降速率明显高于对照及秸秆、秸秆碳处理。

2）在轻度干旱胁迫下，小麦叶片相对含水率均高于对照，作物体内脯氨酸、丙二醛和过氧化物清除辅酶活性均无显著差异。随着干旱胁迫的进一步加剧，秸秆和秸秆碳处理叶片相对含水率下降有明显增加的趋势，但依然高于对照；粉煤灰的添加则造成叶片相对含水率明显低于对照处理，并积累大量丙二醛、过氧化氢，作物生理受到不可逆伤害。

从实际生产角度上，秸秆、秸秆碳、粉煤灰处理土壤相对含水率应分别维持在38%、36.5%和24.5%以上，当土壤相对含水率低于30.78%（SC）、28.43%（SR）和22.5%（FA）时将会对作物生理产生不可逆的伤害。

由于秸秆与秸秆碳显著提升了毛管孔隙含量，有较强保水能力，而粉煤灰处理因明显降低毛管孔隙分布呈现富水（提高有效性）不保水的现象，粉煤灰与秸秆、秸秆碳的有机组合将更适应于土壤结构改善，水养增容的生产需求。相关机制值得进一步研究。

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Effects of straw or fly ash addition on water holding capacity of typical Shajiang black soil and drought stress tolerance in wheat

Wang Qingyun1,2, He Yongxia1, Chen Jing1, Kong Haiyan1, Chai Rushan1, Zha Wei1, Gao Hongjian1※, Ma Donghao2, Zhang Jiabao2

(1.230036; 2.,210008,

Shajiang black soil is a typical middle and low production soil in Huang-Huai-Hai Plain. Crop production has been seriously restricted due to the high clay contents and low available water capacity of Shajiang black soil, this paper studied the effects of different modified materials on soil water holding capacity and wheat physiology of anti-drought stress by wheat pot experiment carried out in March 2018, in order to provide technical supports for farmland water managements. According to local field fertilization and water management modes, 4 treatments were designed in wheat pot experiment: chemical NPK fertilizer (CK), chemical NPK fertilizer with maize straw returning (SR), chemical NPK fertilizer with maize straw carbon (SC), and chemical NPK fertilizer with fly ash (FA). Referring to conventional amount of applying fertilizer in northern farmland in Anhui province, the application amounts of chemical fertilizer were 225 kg/hm2(N), 120 kg/hm2(P2O5), and 60 kg/hm2(K2O), respectively, and the application amounts of fly ash, maize straw carbon, and maize straw returning to field were 45×103kg/hm2, 45×103kg/hm2and 6×103kg/hm2, respectively. As for wheat pot experiment, in each pot, about 10 wheat seeds were transplanted into 30 kg soil after accelerating seeds germination. Soil relative water content was maintained at 80% field capacity until heading stage. When wheats grew up to the heading stage, irrigation stopped and then a drought stress experiment was carried out for 10 days. Wheat leaves collected regularly were stored at -80 ℃ so as to determine wheat physiological and biochemical index. The results showed that both SC and SR improved soil water holding capacity, but both was not significantly different. Owing to the abundance of large amount of hydrophobic crystal minerals like the crystallographic silicon dioxide in the surface of fly ashes, FA had a fast decrease in relative soil water content. The delayed water content of FA was significantly lower than the other treatments, while the available water content was significantly improved. What’s more, different modification materials all had the tendency to increase saturated water content and alleviate the impairments of wheat leaves caused by drought stress. Under mild drought stress, the saturated water content of wheat leaves was higher than that of the control group, but no significant difference was found in the contents of proline (PRO), malondialdehyde (MDA), hydrogen peroxide (H2O2) and peroxide scavenging coenzyme in the wheats among the four treatments. However, under extreme drought stress, not only was FA significantly lower than the other treatments in wheat leaves saturated water content, but also FA treatments accumulated more harmful substances like MDA and H2O2in wheats, which could lead to irreversible damages to wheat physiological conditions. In conclusion, the relative water content of Shajiang black soil was suggested to keep above 38% (SR), 36.5% (SC) and 24.5% (FA), respectively. The plant physiology would get irreversible damage if relative soil water content was under 30.78% (SC), 28.43% (SR) and 22.5% (FA), respectively. Because straws have better performance in holding water by significantly improving the content of soil capillary pore, and fly ashes can do better in providing more available water for soil in spite of holding water poorly, combined application of straws and fly ashes will be conducive to the improvement of Shajiang black soil. Relevant mechanism need to be furtherly studied.

soils; moisture; drought; Shajiang black soil; improvement; water characteristic; plant physiology

王擎运，何咏霞，陈 景，孔海燕，柴如山，查 伟，郜红建，马东豪，张佳宝. 秸秆或粉煤灰添加对砂姜黑土持水性及小麦抗干旱胁迫的影响[J]. 农业工程学报，2020，36(2)：95－102.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.012 http://www.tcsae.org

Wang Qingyun, He Yongxia, Chen Jing, Kong Haiyan, Chai Rushan, Zha Wei, Gao Hongjian, Ma Donghao, Zhang Jiabao. Effects of straw or fly ash addition on water holding capacity of typical Shajiang black soil and drought stress tolerance in wheat[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(2): 95－102. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.012 http://www.tcsae.org

2019-11-06

2019-12-30

国家重点研发计划项目（2016YFD0300801，2018YFD0800301）；土壤与农业可持续发展国家重点实验室开放基金（Y20160014）；耕地培育技术国家工程实验室开放基金（201705）；省级大学生创新创业训练计划项目（201810364201）

王擎运，副教授，博士，主要从事中低产田障碍因子消减机理研究。Email：qywang@ahau.edu.cn

郜红建，教授，博士，主要从事农业资源高效利用与地力提升相关研究。Email：hjgao@ahau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.012

S156

A

1002-6819(2020)-02-0095-08