秸秆还田对不同地力黑土培肥与茎腐病害发生的影响

李双, 张伟, 王丽, 李孝军, 崔俊涛*

(1.吉林农业大学资源与环境学院，长春 130118； 2.长春职业技术学院，长春 130033； 3.长春市朝阳区农业技术推广总站，长春 130012； 4.长春市土壤肥料工作站，长春 130033)

有机碳和腐殖质的含量变化与土壤保肥供肥效果密切相关，是评价土壤质量的重要指标[1]。近年来，东北黑土地重用轻养、施肥结构不合理，加之土壤侵蚀和土地集约利用[2]，导致黑土区的土壤质量有着不同程度的下降，在黑土肥力亟需改善的情况下，秸秆直接还田成为土壤有机培肥的重要手段[3]。尽管前人从还田方式、还田深度以及秸秆形态等方面对秸秆还田的培肥机理进行了广泛研究[4-5]，但秸秆还田对不同质量土壤的有机培肥效果报道较少。

秸秆还田对土传病害的影响亦存在争议，赵永强等[6]研究表明,还田的秸秆能够充当培育土壤病虫害“温床”；张琴等[7]则研究表明，秸秆深耕还田可“变废为宝”，调节土壤微生态，有效减轻病害的发生。茎腐病是玉米常见的土传病害之一，一般发病率为10%～20%，个别严重地区高达70%[8]。在生产实践中，主要有三类茎腐病害的防治措施：种子处理、化学施药和土壤处理，其中栽培玉米茎腐病抗性品种[9]占目前防治方式的43%、施用10%咯菌腈悬浮种衣剂等药剂占目前茎腐病害防治方式的41%[10]。过度依赖化学防治，可能会导致农药残留、产生抗性及病害再度猖獗等问题。因此，绿色防控技术是值得探究的土壤处理技术，蔡祖聪等[11]提出的强还原土壤灭菌方法便是其一，即利用大量秸秆厌氧发酵腐解物来杀死病原菌，此类做法因成本较高，尚未得到广泛推广。为了探究秸秆还田的有机培肥对玉米茎腐病的影响，同时探究不同秸秆还田量对不同耕地地力黑土的培肥效应，本研究通过田间试验，将玉米秸秆还田于高、中、低地力水平的耕层黑土土壤中，研究其对土壤的有机培肥效果及对玉米茎腐病害发生的影响，以期丰富土壤有机培肥理论，并为秸秆还田与病害防治实践提供数据参考。

1 材料与方法

1.1 不同耕地地力水平玉米茎腐病病圃的建立

为了消除气候因素对试验结果的影响，2018年4月，在吉林农业大学教学试验田建立一个玉米茎腐病病圃。试验田地处中温带，海拔230 m，2018年月均降水量231.19 mm，月均气温7 ℃，年蒸发量 1 000～2 000 mm。将原耕层土壤全部挖除，并进行耕层土壤置换，设置高地力、中地力和低地力3个地力水平，镇压后耕层厚度为25 cm，每小区面积为32 m2，随机排列，3次重复，总计27个小区。每小区按照100 mL·m-2土埋法接种禾谷镰刀菌(Fusariumgraminearum)的菌悬液。由于耕地地力是耕地生产能力的综合性指标，尚无统一划分标准。本研究主要依据吉林省耕地近5年玉米的平均单产水平进行划分，分别将产量为5 500～7 000 kg·hm-2、7 000～8 000 kg·hm-2和大于8 000 kg·hm-2的耕地土壤定义为低地力、中地力和高地力土壤，分别采自吉林省长春市(E125°24′、N43°48′)周边地区不同耕地地力的玉米田耕层，土壤为黑土，土壤质地为壤质黏土。供试土壤基本理化性质见表1。

表1 供试土壤基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of tested soil

1.2 试验材料

供试菌种为禾谷镰刀菌，分离于病情指数为2级左右的植株，剪取茎部发病组织处约0.5 cm×0.5 cm，依次用75%乙醇消毒30 s，5%次氯酸钠消毒45 s，无菌水冲洗3次，在无菌滤纸上充分晾干后，转至PDA培养基[12]，每皿5个，25 ℃培养6 d后观察到禾谷镰刀菌分生孢子，用单个孢子法在WA培养基[13]上获得纯化菌株，制成浓度为1.69×103cfu·mL-1菌悬液，备用。

玉米品种为‘吉农大719’，为玉米茎腐病中抗品种，种植密度为4株·m-2。

供试秸秆有机碳含量为331.62 g·kg-1，全氮含量8.35 g·kg-1，C/N为39.72。剪碎至10 cm长段，直接还田。

1.3 试验设计

试验共设低地力(D)、中地力(Z)、高地力(G)3个耕地地力水平，秸秆还田量设无秸秆还田(W)、根茬还田量秸秆还田(G)、全量秸秆还田(Q)3个处理水平，总计低地力无秸秆还田(DW)、低地力根茬量秸秆还田(DG)、低地力全量秸秆还田(DQ)、中地力无秸秆还田(ZW)、中地力根茬量秸秆还田(ZG)、中地力全量秸秆还田(ZQ)、高地力无秸秆还田(GW)、高地力根茬量秸秆还田(GG)、高地力全量秸秆还田(GQ)9个处理，3次重复。各小区一次性施肥，施用尿素330.21 kg·hm-2(含氮量151.93 kg·hm-2)、重过磷酸钙246.88 kg·hm-2(含磷量103.69 kg·hm-2)、硫酸钾159.37 kg·hm-2(含钾量119.25 kg·hm-2)。DG、ZG和GG小区的玉米秸秆施用量按根茬量还田比例计算为1 450 kg·hm-2(总碳量449.5 kg·hm-2)，并配施43.75 kg·hm-2尿素来调节C/N比；DQ、ZQ和GQ小区的玉米秸秆施用量按全量还田比例计算为9 600 kg·hm-2(总碳量2 976 kg·hm-2)，并配施265.63 kg·hm-2尿素调节C/N。

自2018年播种季(4月)至收获季(10月)，按照玉米的苗期、拔节期、抽雄期、灌浆期、成熟期5个生育时期，取0—25 cm的耕层土壤，在每个小区采用“五点法”取样，混合均匀，去除样品中杂草石块等杂质，封装带回实验室，一部分风干过2 mm筛后备用，另一部分立即进行酶活性测定。

1.4 检测指标和方法

土壤含水量(moisture content)采用烘干法；土壤碱解氮(available nitrogen，AN)含量测定采用碱解扩散法；土壤有效磷(available phosphorus，AP)含量测定采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法；土壤速效钾(available kalium，AK)含量测定采用 NH4OAc浸提-火焰光度计法；土壤有机碳(soil organic carbon，SOC)含量测定采用重铬酸钾外加热法[14]；土壤胡敏素(humin，HM)、胡敏酸(humic acid，HA)和水溶性物质(water soluble substance，WSS)含量提取测定采用腐殖质组成修改法[15]；富里酸(fulvic acid，FA)含量采用差减法[15]计算；土壤蔗糖酶(sucrose，SC)活性测定采用3，5-二硝基水杨酸比色法[15]；土壤过氧化氢酶(catalase，CAT)活性测定采用高锰酸钾滴定法[16]。

1.5 玉米茎腐病发病情况调查

在玉米苗期、拔节期、抽雄期、灌浆期、成熟期分别抽样调查记录各小区玉米茎腐病的发病情况，参照李春霞等[17]病情级别标准，计算发病率(incident，Inc.)及病情指数(disease index，DI)，分级标准及公式如下。

0 级：全株正常。

1 级：青枯叶片数不足全株 1/4，茎基部 1～2 节节间呈水渍状，手感微软。

2 级：青枯片数占全株 1/4～1/2，茎基部 1～2 节节间呈水渍状，而且凹陷，手感稍软。

3 级：青枯叶片数占全株 1/2 左右，茎基部 1～2 节节间明显发软，果穗苞叶褪色或下垂。

4 级：全株 3/4 以上青枯叶片数，茎基部 1～2 节明显松软，果穗全部下垂，严重时植株从茎基部倒伏。

(1)

发病率= 调查染病株数/调查总株数×100%

(2)

1.6 数据分析与处理

利用SPSS 22.0进行ANVOA分析、LSD检验及Pearson相关性分析，Minitab进行PCA分析，Microsoft Excel 2010进行数据统计和制图。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田对不同地力耕地培肥效应的影响

2.1.1土壤有机碳含量的动态变化 不同处理不同玉米生育期的土壤有机碳含量结果(图1)显示，高、中、低地力水平的秸秆未还田小区的SOC含量整体表现为随着生育时期延长呈先升高至拔节期后下降的趋势。秸秆还田小区的SOC含量整体表现为在灌浆期前明显升高，灌浆期至成熟期缓慢下降趋势；在灌浆期时，DG与DW、ZG与ZW及GG与GW处理间均存在显著差异(P<0.05)；成熟期时，DQ较DW处理的SOC含量显著提高17.21%，ZQ较ZW处理的SOC含量显著提高19.66%，GQ较GW处理的SOC含量显著提高22.22%；GQ较DQ和ZQ处理的SOC含量分别显著提高9.87%、19.29%。说明秸秆还田于高、中、低地力耕层土壤后，土壤SOC的积累效果均表现为全量还田处理优于根茬量还田处理；秸秆全量还田处理对高地力土壤的SOC积累效果优于中、低地力土壤。

注：不同英文字母表示同一时期不同处理间差异在P < 0.05水平具有显著性，不同希腊字母表示同一处理不同时期差异在P<0.05水平具有显著性。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.图1 土壤有机碳含量的动态变化Fig.1 Dynamic variation of soil organic carbon content

2.1.2土壤腐殖质各组分含量的动态变化 不同时期不同处理的土壤胡敏素、胡敏酸、富里酸和水溶性物质含量结果见表2，可知，秸秆全量还田小区土壤的HM含量自苗期至抽雄期呈增加趋势，抽雄期后明显下降；与苗期相比，成熟期时DQ、ZQ和GQ处理的HM含量分别显著提高12.93%、12.88%、8.89%；此时，GQ较ZQ和DQ处理的HM含量分别提高11.12%、11.56%；DQ较DW、ZQ较ZW和GQ较GW处理的HM含量显著提高16.93%、14.00%和10.79%，说明秸秆全量还田对低地力土壤的HM积累效果优于高、中地力土壤。土壤HA含量结果与HM含量呈相似趋势，成熟期时，DQ较DW、ZQ较ZW和GQ较GW土壤HA含量显著提高8.83%、13.5%和17.5%，GQ较ZQ和DQ处理HA含量分别显著提高10.91%、19.37%。土壤FA含量自苗期至成熟期呈缓慢下降的趋势；成熟期时，GQ较ZQ、DQ处理的FA含量分别显著提高11.42%、12.85%。秸秆根茬量还田小区的土壤FA含量降幅表现为：DG>ZG>GG，秸秆全量还田小区土壤FA含量降幅表现为DQ>ZQ>GQ。土壤WSS含量结果显示，成熟期时GQ较GW处理的WSS含量显著提高8.69%，GQ与ZQ和DQ处理的WSS含量分别提高4%、8%；ZQ与ZW、DQ与DW间土壤WSS含量无显著差异。秸秆全量还田小区土壤的WSS含量呈先升高至拔节期后下降的趋势，说明秸秆全量还田有助于玉米生育前期土壤WSS含量的积累，秸秆全量还田对不同地力WSS含量的影响效应表现为高地力>中地力>低地力。综上表明，相对于秸秆根茬量还田，全量还田更能有效培肥高、中、低地力土壤；全量还田时，SOC、HA、FA和WSS含量的积累效果表现为高地力>中地力>低地力；HM含量的积累效果表现为低地力>中地力>高地力。

表2 不同生育期不同处理的土壤腐殖质各组分含量Table 2 Contents of soil humus components of different treatments during different growth periods (g·kg-1)

2.1.3土壤酶活性的动态变化 土壤酶活性的高低能反映土壤生物活性和土壤生化反应强度，土壤蔗糖酶参与土壤中碳水化合物的转化，对增加土壤中易溶性营养物质起着重要的作用。土壤

过氧化氢酶是参与土壤中物质和能量转化的氧化还原酶，在一定程度上可以表征土壤生物氧化过程的强弱。由图2可知，3种地力秸秆全量还田处理和根茬量还田处理的土壤蔗糖酶活性呈先升高至抽雄期后缓慢下降的趋势，无秸秆还田处理的土壤蔗糖酶呈升高至拔节期后下降的趋势。成熟期时，DQ较DW、ZQ较ZW和GQ较GW处理的土壤蔗糖酶活性分别显著提高27.28%、29.56%和36.89%，DG较DW、ZG较ZW和GG较GW处理的土壤蔗糖酶活性分别显著提高12.14%、20.30%和20.64%。土壤过氧化氢酶活性结果显示，拔节期时，各处理土壤过氧化氢酶活性显著下降，其原因可能与降雨量有关，该时期降雨量增加引发土壤含水率骤增，导致土壤根系与微生物减缓了其自身代谢，引起土壤过氧化氢酶活性降低。GQ较ZQ、DQ处理的土壤过氧化氢酶活性分别降低1.78%、5.80%；GG较ZG、DG处理的土壤过氧化氢酶活性分别降低2.23%、6.18%；GW较ZW、DW处理土壤过氧化氢酶活性分别降低7.69%、14.42%。说明地力水平越高，过氧化氢酶活性越低。成熟期时，DQ较DW、ZQ较ZW和GQ较GW的土壤过氧化氢酶活性分别显著提高32.77%、35.41%、42.26%，说明秸秆全量还田处理对蔗糖酶及过氧化氢酶活性的提升优于秸秆根茬量还田处理，其提高幅度表现为高地力>中地力>低地力。

图2 不同生育期不同处理的土壤蔗糖酶和过氧化氢酶活性Fig.2 Soil sucrose and catalase activity of different treatments during different growth periods

2.2 玉米茎腐病病情指数及发病率的田间调查情况

不同时期不同处理的茎腐病病情指数及发病率结果见表3，玉米茎腐病发病潜伏期较长，自抽雄期开始在玉米茎部呈轻微褐色病变现象，DW、ZW和GW处理的玉米茎腐病病情指数和发病率在灌浆期和成熟期明显加重(P<0.05)。灌浆期与成熟期时，高、中、低地力秸秆还田处理的茎腐病发病率较无秸秆还田处理均显著降低；成熟期时，DQ较DW、ZQ较ZW和GQ较GW的茎腐病发病率分别降低20.47%、20.56%和21.82%，病情指数分别减少53.73%、44.15%和43.69%；DG较DW、ZG较ZW和GG较GW的发病率分别降低14.74%、14.1%和15.17%，病情指数分别减少42.18%、44.99%和49.87%。GQ较ZQ、DQ的发病率分别降低2.32%、2.79%，病情指数分别降低20.80%、23.97%，GG较ZG、DG的发病率分别降低1.16%、1.89%，病情指数分别降低14.89%、21.58%。说明秸秆还田处理对3种地力小区均未导致玉米茎腐病发病率增加，亦未加重茎腐病害程度，秸秆还田处理对于高地力土壤的效果更明显，全量还田处理的效果优于根茬量还田处理。

表3 各生育时期玉米茎腐病发病率及病情指数Table 3 Incidence and disease index of corn stalk rot at different growth period

2.3 不同耕地地力有机培肥与病害发生间的关系

2.3.1Pearson相关性分析 对不同玉米生育期的土壤SOC、HM、HA、FA、WSS及蔗糖酶、过氧化氢酶活性与茎腐病害发病率、病情指数之间进行Pearson相关性分析，结果(表4)可见，土壤各肥力指标之间存在一定的内在关系，土壤SOC、HM、HA、FA、WSS、蔗糖酶和过氧化氢酶与发病率和病情指数间均呈极显著负相关(P<0.01)，GQ处理的SOC含量和蔗糖酶活性及其他肥力指标在各时期均显著高于ZQ和DQ，因此GQ处理在整个玉米生育期内的茎腐病发病率较低，发病程度较轻，符合上述的负相关关系规律。

表4 土壤肥力指标与发病率、病情指数的相关性分析Table 4 Correlation analysis between soil fertility indexes and incidence, disease index

2.3.2PCA分析 主成分分析结果显示，玉米茎腐病病圃小区试验提取两个主成分，两个主成分的累积贡献率为77%，特征值>1，第一主成分(PC1)解释了63.4%的信息，第二个主成分(PC2)解释了13.6%的信息(图3)。由图3可知，高、中、低地力土壤未添加秸秆处理主要分布在第二、三象限，秸秆根茬量还田和全量还田处理主要分布于第一、四象限；第一、二象限主要为玉米的抽雄期、灌浆期、成熟期，第三、四象限则苗期和拔节期较集中。SOC、HA含量和蔗糖酶活性位于PC1轴和PC2轴正方向，说明SOC、HA含量和蔗糖酶活性在PC1和PC2水平上均正向影响着位于第一象限的拔节期至成熟期的DQ、ZQ和GQ处理。病情指数和发病率位于PC1轴和PC2轴负方向，说明其在PC1和PC2水平上对位于第四象限的苗期、拔节期、成熟期的DW、ZW和GW处理的影响为负向；而病情指数、发病率与SOC、WSS、HM和HA含量及蔗糖酶和过氧化氢酶活性均呈钝角，可以推测土壤病害发生与各肥力指标间呈负相关关系，这与Pearson相关分析的结果一致。

3 讨论

3.1 秸秆还田对不同地力土壤SOC和腐殖质各组分有机碳的影响

本研究表明，高、中、低地力秸秆全量还田处理的土壤SOC、HM、HA、WSS含量均高于无秸秆还田和根茬量还田处理。DQ、ZQ、GQ处理的土壤SOC含量峰值出现于灌浆期，说明全量秸秆施入田间初期与土壤充分接触，激发土壤微生物活性，腐解速率加快，分解的游离有机碳与土壤结合。随着玉米生育时期延长，腐解效率逐渐减弱，说明没有外源物质的添加，当玉米成熟期时，微生物可消耗的外源有机物质减少，开始消耗土壤中已形成的有机物质，没有外源有机物的补充，土壤有机碳含量将继续降低[5]。GQ处理的SOC含量增幅大于ZQ和DQ，其原因一方面由于高地力土壤有机碳本底值及理化环境优于中、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强，大量外源有机质的输入可改善土壤微生物分解代谢[19]，进而达到相对平衡。秸秆全量还田处理的WSS含量呈先升高后降低的趋势(表2)，说明结构简单的WSS碳源优先被释放出，GG、GQ处理的WSS变幅较大可能是由于GG、GQ处理中的微生物活性较强，利用水溶性物质较快，因而消耗WSS量较大。各地力土壤积累的SOC中，包含着大量腐殖质成分[20]，这解释了高、中、低地力土壤在玉米生育前期SOC增加期间，HM、HA随之增加的原因(表2)，高地力土壤的HA增量最大，说明高地力区腐殖质中的碳有利于HA的积累[21]，土壤FA含量随着玉米生育期延长缓慢降低，这与Besnard等[22]结果不同，其研究指出在玉米秸秆分解初期FA含量明显增加，而玉米生育后期FA含量下降。造成这种差异的原因可能是Besnard的研究采用长期定位施肥，施入秸秆时的碳源可能优先转化为FA，再由FA向着HA转化。而本研究所用土壤采自不同地点耕层土壤，土壤本身的腐殖质及各组分碳具有一定储量，另外自苗期开始，施入土壤的秸秆中有机碳矿化及腐殖化作用增强，促进HA的形成[5]，此时土壤微生物活性增强促进土壤腐殖化[21]，利于土壤合成HA，活跃的FA有转化成HA的可能，导致FA含量下降，在灌浆期后，由于HA与FA间的转化作用和秸秆腐解程度最大化的到来，土壤中HA、FA含量缓慢减少。因此推测，在高、中、低地力土壤添加秸秆后的碳源优先转化为HA。不同地力土壤相比较，秸秆还田对于高地力土壤的土壤SOC、HA含量的积累效果更明显。

注：不同处理后的1、2、3、4、5分别表示不同处理的苗期、拔节期、抽雄期、灌浆期、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.图3 土壤肥力指标及茎腐病害指标的PCA分析Fig.3 PCA analysis of soil fertility indexes and stem rod disease indexes

3.2 秸秆还田对不同地力玉米病害发生情况的影响

本研究表明，在土埋法接种病原菌的病圃小区试验中，秸秆全量还田和秸秆根茬量还田处理未导致玉米茎腐病害程度加重，亦未导致发病率上升；相反，在无秸秆还田土壤发病率显著增加且病情加重。晋齐鸣等[23]研究发现，保护性免耕、少耕秸秆还田的田间管理方式可加重玉米茎腐病的发生。造成这种差异的原因一方面可能是其试验用土为连续十年保护性耕作条件下秸秆还田的土壤，由于秸秆中残存大量越冬病原体，使土壤中的病原菌数量连年积累，导致玉米茎腐病害连年加重[24]，而本研究的土壤中不含带有土传病害的秸秆残体；另一方面施加全量秸秆还田有效培肥了土壤，减少病害的发生，这与Dou等[25]研究一致。土壤SOC、腐殖质各组分有机碳含量及酶活性的测定结果表明，秸秆还田对3种地力的培肥效应表现为高地力>中地力>低地力。在玉米生育期田间调查时，抽雄期之前并未发现茎腐病发病症状(表3)，其原因可能是本研究所施用秸秆为无病害秸秆，通过土埋法接入禾谷镰刀菌悬液后，病原菌对玉米根系侵染消耗了一定时间[26]，这也验证了玉米茎腐病前期以侵染为主，而在乳熟期开始表现出青枯、黄枯症状，茎基变软现象骤增[27]，此外，无秸秆还田区灌浆期与成熟期茎腐病发病率显著增加，除禾谷镰刀菌大量生殖繁衍的原因外，还可能存在腐霉菌、干腐菌、炭疽菌等联合复合侵染[26]。相关分析结果表明，土壤各肥力指标与茎腐病发病率及病情指数呈极显著负相关，这解释了高地力区秸秆还田培肥效果较好，茎腐病发病率及危害程度较低的原因，可能是秸秆在土壤中腐解既培肥了土壤，又影响了土壤生物化学性质，促使酶活性增强，也改变土壤的微生物活性[28]，这些外源有机物质影响着土壤中的优势微生物种群，使得土壤中某些微生物与病原菌形成拮抗、竞争作用，减少了秸秆还田区病原菌基数，进而使发病率显著低于未还田小区，这与前人的有机质丰富、种植密度合理均会减少茎腐病害发生的观点[7,29]基本一致。因此通过施用健康秸秆培肥土壤，可在一定程度上减少玉米茎腐病害的发生。