不同排水体对三七生长、土壤养分及根区土壤微生物的影响

2022-09-25游琪杨启良

排灌机械工程学报 2022年9期

游琪，杨启良

(昆明理工大学农业与食品学院，云南昆明 650500)

三七(P.notoginseng)为多年宿生草本植物，有极高的药用价值，具有止血化瘀、降血压、改善脑血循环和提高记忆力等功效.三七的主要种植地区为云南和广西，尤以文山三七最为出名[1].三七生长环境特殊，喜温暖荫湿的生长环境，要求三七园内湿度为70%～80%[2].在三七种植中，为保证棚内的湿度，灌水量较大，排水不畅，导致三七病害频发[3]，严重影响三七产量和品质，因此需要找出适宜的三七田排水措施.

传统田间排水分为明沟排水、暗管排水等，明沟排水简单易行，但占地面积大，易造成水土流失和农田点源面源污染，还会通过水循环系统污染地下水；暗管排水简单有效，但材料价格高，安装技术要求较高，不适用于丘陵地区和小面积分散田块[4].杨延春等[5]研究发现，由水稻秸秆制作的暗沟排水速度快，能快速降低土壤含水率，降低涝渍灾害.陆培榕等[6]研究发现，秸秆排水体对埋设深度以下的土壤有显著的保水作用.将作物废弃物作为排水体材料的排水速度和保水效果与三七种植环境和生长要求相适应，既能保证三七生长所需的湿度要求，又能迅速有效地排除淤积的水分.目前相关研究主要集中在盐渍型土壤上[6]，有关三七田排水的研究较少.

文中研究结合三七生长环境特点，以玉米秸秆、烟杆和桉树皮3种常见作物废弃物作为三七田排水体材料，探究不同排水体作用下三七的生长、土壤硝态氮、有效磷、有效钾含量及土壤微生物数量的变化规律，以期找出适宜三七生长的最优排水体，为绿色无污染的三七排水措施提供参考.

1 材料与方法

1.1 试验概况

试验于2018年10月—2019年10月在云南省红河哈尼彝族自治州泸西县昆明理工大学三七控水减排提质增效关键技术研究与示范基地(103°57′E，24°26′N)进行.基地属亚热带季风气候区，年平均气温为15.2 ℃.试验基地土壤为偏酸性红壤土(pH 6.2)，土壤容重为1.31 g/cm3，田间持水率为44.31%.供试材料为2 a生三七，种植间距为10 cm×10 cm，种植密度为1.21×106株/hm2，垄作，垄高30 cm，垄间距为50 cm，垄面均匀覆盖1 cm干燥的松针.

1.2 试验设计

设置3种排水体：玉米秸秆(YM)、桉树皮(SP)、烟杆(YG)和一个对照组(CK)，每个处理3个重复，共计12个小区，每个小区面积为3.7 m2(2.00 m×1.85 m)，每个小区400株三七.为防止侧渗，每个处理之间埋设有黑色不透水薄膜.试验排水体由切割成30～50 mm长的玉米秸秆、桉树皮和烟杆段制成，排水体埋设深度为20 cm，埋设间距为40 cm.试验基地为塑料大棚，大棚顶部设有3层遮阳网，透光率为8%.试验期间各处理田间管理均一致.试验将三七生长过程划分为4个阶段：苗期(2—3月)、营养生长期(4—6月)、花期(7—8月)、果期(9—11月).每7 d灌水1次，每30 d施肥1次，时间选在17:30以后.试验期间发现患病植株则及时将地上部分剪除或整株清除，其余田间管理措施一致.

1.3 测定指标及方法

1) 生长指标.三七苗期(3月17日)和果期(11月13日)每个处理随机选取6株健康且长势均匀的三七植株，用游标卡尺测定株高和地面1 cm处的茎粗，计算株高和茎粗.果期(11月13日)每个处理随机选取6株健康且长势均匀的三七植株，采用烘干法测定干湿质量、根冠比和根折干率.

RSR=R/S，

(1)

式中：RSR为根冠比，%；R为根干质量，g；S为地上部分干质量，g.

DR=R/FR，

(2)

式中：DR为根折干率，%；FR为根鲜质量，g.

ΔH=FH-SH，

(3)

式中：ΔH为株高增量，mm；FH为果期株高，mm；SH为苗期株高，mm.

ΔD=FD-SD，

(4)

式中：ΔD为茎粗增量，mm；FD为果期茎粗，mm；SD为苗期茎粗，mm.

2) 三七根系生长指标.在果期(11月13日)，每个处理随机选取6株健康三七植株，将根系洗净晾干后，采用STD48000SCANNER根系扫描仪对根系进行扫描分析.

3) 花期土壤水分.在三七花期,采用烘干法测定各处理连续3个灌水周期灌水后的1，7 d的土壤含水率，测定深度为(0,40] cm，每10 cm 1层，重复3次.

4) 土壤养分.苗期(3月17日)、营养生长期(5月12日)、花期(7月26日)、果期(11月13日)，分别测定土壤硝态氮、有效磷、有效钾的含量，每个处理重复3次.测定深度为(0,10]，(10,15]，(15,20]，(20,25]，(25,30]，(30,40] cm.土壤硝态氮含量采用紫外分光光度计法测定[7]、有效磷含量采用NaHCO3法测定[8]，有效钾含量采用火焰光度计法测定[8].

5) 土壤微生物.苗期(3月17日)、营养生长期(5月12日)、花期(7月26日)、果期(11月13日)，每个处理随机选取3株健康植株，取根区土壤，4 ℃保存备用，7 d内用平板计数法测定土壤细菌、真菌、放线菌数量[9].

6) 三七发病率.试验期间，统计各小区患病植株数，计算发病率[(患病植株/植株总数)×100%].

7) 数据处理.采用SPSS 25对数据进行方差分析(ANOVA)，Origin 2021绘图.

2 结果与分析

2.1 不同排水体对三七生理指标的影响

表1为不同排水体对三七株高、茎粗、根折干率及根冠比的影响.由表1所示，不同排水体对三七生长指标及干物质量的积累均具有统计学意义(P<0.05).与CK相比，处理YM下三七ΔH，ΔD，DR，RSR分别增加了62.55%，36.53%，10.64%和29.87%，处理SP下株高增量、茎粗增量、根折干率、根冠比分别增加了35.08%，45.21%，19.11%和14.14%，处理YG下株高增量、茎粗增量、根折干率、根冠比分别增加了23.29%，33.79%，18.15%和3.48%.综上，处理YM和SP对促进三七生长效果最明显.

表1 不同排水体对三七株高、茎粗、根折干率及根冠比的影响Tab.1 Effects of different drainage bodies on increment of plant height and stem thick-ness, root drying rate and root shoot ratio of Panax notoginseng

2.2 不同排水体对三七根系特征的影响

不同排水体处理下三七根系特征如图1所示，图中物理量分别为总表面积A、总根长L、根总体积V、平均直径d.不同处理下，三七根系总长、总表面积、总体积差异具有统计学意义(P<0.01).与CK相比，处理SP的三七根系总长、总表面积、平均直径和总体积分别增加了35.18%，37.57%，6.79%， 33.66%，处理YM的三七根系总长、总表面积和总体积分别提高了94.52%，88.72%和89.92%，处理YG的三七根系总长、总表面积、平均直径和总体积分别增加了48.76%，55.56%，4.19%和62.11%.与其他处理相比，YM的根系总长、根系总表面积和根总体积最大，分别为428.36 cm，79.47 cm2，1.22 cm3.总体上，不同排水体均能在一定程度上促进三七根系生长发育，其中处理YM对三七根系生长的促进效果最好.

图1 不同排水体处理下三七根系生长指标图Fig.1 Root growth index map of P. notoginseng under different drainage treatments

2.3 不同排水体对三七土壤水分的影响

不同处理下三七土壤水分含量如图2所示，图中θ为土壤质量含水率、h为土层深度.灌后1 d在0～40 cm土层，含水率按处理排序由大到小表现为CK，YG，SP，YM，并随着土层深度增大，各处理含水率均呈现先减小后增大的趋势，其中表层(0,10] cm的土层含水率最大，中下层(15,30] cm的土层含水率较低.灌后7 d各处理0～40 cm土层含水率按处理排序由大到小表现为CK，YG，SP，YM，各处理含水率随土层加深呈先增大后减小的趋势，中层(15,25] cm的土壤含水率较大，(30,40] cm土层的土壤含水率差异明显减小.

图2 不同处理土壤水分分布Fig.2 Soil moisture distribution under different treatments

2.4 不同排水体对三七根区土壤微生物的影响

不同排水体处理下三七根区土壤微生物数量如图3所示，图中SB，SF，SA分别为土壤细菌数量、土壤真菌数量、土壤放线菌数量.由图可知，土壤细菌、真菌数量在营养生长期呈降低趋势，在花期呈上升趋势；放线菌数量在果期呈上升趋势.与CK相比，添加排水体处理的三七根区土壤细菌数量提高了43.40%～143.36%，真菌数量提高了34.13%～84.58%，放线菌数量提高了40.73%～65.83%，说明不同排水体在一定程度上可以促进三七根区土壤微生物生长繁殖.其中处理YM的三七根区土壤细菌、真菌、放线菌数量变化最大，细菌、真菌数量在花期最大，分别为4.33×106和1.10×104CFU/g，而放线菌数量在果期最大，为6.60×103CFU/g.

图3 不同时期三七土壤微生物数量变化Fig.3 Changes of soil microorganisms of P. notoginseng at different periods

2.5 不同排水体对三七发病率的影响

不同排水体处理下三七发病率δ如图4所示.不同排水体处理对三七发病率影响具有统计学意义(P<0.01).与CK相比，不同排水体处理三七发病率均有一定程度降低，处理SP，YM，YG的三七发病率分别降低了19.10%，34.67%和29.15%.

图4 不同处理下三七发病率Fig.4 Incidence rate of P. notoginseng under diffe-rent treatments

2.6 不同排水体对三七土壤养分的影响

各生育期不同处理下三七土壤养分含量如图5—7所示，图中ωN，ωP，ωK分别为硝态氮、有效磷、有效钾的质量比.由图可知，不同处理下三七土壤硝态氮、有效磷、有效钾质量比差异具有统计学意义(P<0.01).营养生长期和果期的土壤硝态氮质量比较大，土壤有效磷质量比在苗期和果期较大，有效钾质量比在苗期和花期较大.不同土层土壤养分也存在一定的差异.硝态氮质量比在(25,40] cm土层的含量较高，有效磷、有效钾质量比在(15,20] cm土层的含量较高.处理YM的土壤硝态氮、有效磷、有效钾质量比最大,分别为CK的1.82，2.98和1.32倍.硝态氮质量比最少的处理为SP，仅为CK的1.22倍.土壤有效磷、有效钾质量比最小的为处理YG，分别为CK的1.82和1.05倍.土壤有效磷、有效钾质量比按处理排序由小到大依次为CK，YG，SP，YM，土壤硝态氮质量比按处理排序由小到大依次为CK，SP，YG，YM.

图5 各生育期土壤硝态氮含量Fig.5 Soil nitrate content in different growth periods

图6 各生育期土壤有效磷含量Fig.6 Soil available phosphorus content in different growth periods

图7 各生育期土壤有效钾含量Fig.7 Soil available potassium content in different growth periods

3 讨论

3.1 不同排水体对三七生长指标的影响

株高、茎粗是最直接反映作物生长状况的指标，根系对水分、养分吸收及植物生长至关重要；三七属块根作物，主要用药部位为根部，根系形态生长指标对三七有重要意义.根系生长受各类因素的影响[10]，根折干率、根冠比和根系特征是评价三七根部生长状况和产量的重要指标.文中研究发现，与CK相比，不同处理下三七株高、茎粗、根折干率、根冠比、根系总长、总表面积、平均直径和总体积均有一定程度的增加，其中处理YM的株高、茎粗增长较大，根冠比也较大.这可能是由于作物废弃物作为排水体材料养分含量较高[11]，能为三七的生长提供更多的养分，促进三七生长，而玉米秸秆的叶片和穰含有较高的粗脂肪、蛋白质、糖分和半纤维素等物质[12]，因此处理YM较其他处理三七生长更好.

3.2 不同排水体对土壤水分和养分的影响

试验中，埋设排水体的处理在(0,10] cm土层的土壤含水率较CK低，这是由于排水体孔隙度较高，湿润锋推进速率和入渗速率较快，因此土壤含水率较低[13].灌后7 d各处理在(30,40] cm土层的土壤水分散失较CK小，这可能是排水体的埋设破坏了土壤的连续性，使土壤毛管不连续，降低了埋设深度以下水分的散失，这与陆培榕等[6]研究结果一致.

养分与三七生长密切相关.田磊等[11]研究发现，作物废弃物还田可以增加土壤碱解氮、速效磷、速效钾的含量.研究中，不同排水体能在一定程度上提高了三七根区土壤硝态氮、有效磷、有效钾含量，说明不同排水体有一定的增肥效果，这与黄静等[14]研究结果一致.其中处理YM的土壤硝态氮、有效磷、有效钾含量增长最大，这是由于玉米秸秆穰类似网孔状的结构构架，能增大底料与空气的接触面积[10]，促进作物废弃物腐熟，因此，处理YM的土壤养分含量较高.试验中，排水体埋设深度附近的土层土壤养分含量相对较高，说明不同排水体对埋设深度附近的土壤有一定的保肥作用，(15,20] cm土层土壤的有效磷、有效钾含量较高，(25,40] cm土层的土壤硝态氮含量较高，这可能是由于排水体附近土壤水分含量较高，硝态氮向下发生了一定的淋溶[15].

3.3 不同排水体对土壤微生物和病害的影响

土壤微生物参与养分生化循环，对植物生长有重要作用[16].试验中，不同排水体明显增加了根区土壤微生物数量，特别是真菌数量，这是由于排水体吸收的水分，为作物废弃物腐熟提供了必要的水分条件，释放营养物质产生热量，利于微生物生长繁殖[17].试验基地土壤为偏酸性红壤土，更适宜真菌生长[18].与其他处理相比，处理YM的细菌、真菌、放线菌数量最大，这可能是玉米秸秆营养含量高，可用于食用菌培养和发酵的原料，适宜微生物的生长[19].研究还发现，不同生育期三七根区土壤微生物数量存在一定差异，细菌、真菌数量在营养生长期呈降低的趋势，在花期呈上升趋势，这可能是由于花期处于雨季和夏季，温度湿度较高，导致土壤微生物数量变化[20].研究中，与对照组CK相比，设置排水体的处理三七发病率均有所降低，说明排水处理对三七发病率有一定程度的抑制作用，但影响三七发病的因素众多，除排水不畅外，还与土壤微生物有关[20].土壤微生物数量不能完全反映土壤微生态的变化，部分秸秆腐解产生的化感物质可能会与三七根系分泌物共同作用对土壤微生物产生影响，在今后的研究中可对此部分进行更深入的研究.