不同理化調控措施緩解麥秸對水稻生長負面效應

趙亞慧 賀笑 王寧 趙穎 楊四軍 周楓 于建光

摘要：稻麥輪作系統中，麥秸還田產生的有害物質可對下茬作物產生不利影響，有效減緩其負效應對植株生長尤為重要，合理的苗床環境是減緩麥秸還田負效應的關鍵。通過盆栽模擬試驗，采用不同調理劑（生物炭、粉煤灰等）和不同耕作措施（秸稈深埋、多次旋耕等），篩選適宜減緩麥秸還田負效應的理化措施。結果表明，施用生物炭和過氧化鈣能提高過氧化物酶、超氧化物酶活性，無水層處理增加了植株丙二醛、脯氨酸含量;對苗床進行多次旋耕處理優于添加生物炭和有氧肥料等調控技術，減緩了麥秸還田后對水稻生長發育的抑制作用，但未恢復到對照水平。麥秸還田深埋處理可顯著提高株高、葉面積，促進根系形態發育，利于水稻生長。

關鍵詞：理化措施;麥秸;水稻;秸稈還田;調理劑;耕作措施;負面效應

中圖分類號： S154.1文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）18-0300-06

收稿日期：2019-09-27

基金項目：江蘇省農業科技自主創新資金[編號：CX（17）1001];公益性行業（農業）科研專項（編號：201503136）;國家自然科學基金（編號：41271308）。

作者簡介：趙亞慧（1990—），女，山西長治人，碩士，研究方向為土壤生態學。E-mail：zhaoyahui0805@163.com。

通信作者：于建光，博士，研究員，研究方向為土壤生態學與退化土壤修復。E-mail：yujg@jaas.ac.cn。

秸稈還田作為一種保護性耕作措施因具有良好的農業效應和生態效應近年來被廣泛應用[1-2]。在我國長江中下游稻麥輪作區，作物收獲后產生大量的秸稈，大面積實施秸稈直接還田技術易對下茬作物產生負面影響，加大病蟲害發生風險[3];同時，秸稈腐解產生的毒害物質（如酚酸等）可產生化感效應，抑制水稻生長發育，最終會造成作物減產[4]。近年來土壤調理劑和合理的耕作方式為減緩秸稈還田負效應開拓了新思路。有關土壤調理劑的研究表明，生物炭可優化水稻根系形態，提高水稻根冠比，增強水稻生理功能[5-6];煤粉灰能夠改善土壤結構，促進作物根系生長[7];施用生物質焦能提高水稻生育前期土壤溫度，促進水稻干物質積累，提高水稻產量[8]。麥秸深埋會影響秸稈腐解速率和養分釋放，適宜深埋可促進水稻生長和產量提高[9]。本試驗采用土培法育秧，在秧苗移栽后對苗床進行理化性狀調控，以期在降解酚酸類物質的同時改善土壤理化性狀，進而減緩麥秸還田負效應，為大田栽培提供理論支撐。

1?材料與方法

1.1?供試材料

試驗于2015年在江蘇省農業科學院資源與環境研究所人工氣候室開展。供試小麥秸稈選取成熟干燥未腐爛小麥秸稈，粉碎至2～5 cm備用。供試土壤采自江蘇省宜興市周鐵鎮章茂村，土壤基礎性質為pH值6.3、有機質含量26.89 g/kg、全氮含量2.26 g/kg、堿解氮含量174.80 mg/kg、有效磷含量10.55 mg/kg、速效鉀含量107.47 mg/kg。水稻品種選用南粳9108。

1.2?試驗設計

試驗共設8個處理，每個處理重復3次（表1）。采用土培法育秧，所用育秧盆缽長31 cm、寬23 cm、高10 cm，苗床施用適量化肥和有機肥，水稻種子經浸種催芽后播種移栽后所用盆缽（直徑15 cm×高13 cm）培養20 d。每盆缽裝風干土1 kg、秸稈20 g，施用化肥處理中的氮磷鉀用量為每1 kg風干土施純氮0.15 g、五氧化二磷0.10 g、氧化鉀0.15 g。除秸稈深埋（FSD）處理外，其他各處理盆缽所施用秸稈、化肥與土壤需充分混勻;除無水層（FSd）處理和淺水層（FSW1）處理外，其他各處理加水達田間飽和持水量的150%。所有處理盆缽均在移栽前一天加水。

培養溫度為00：00—04：00：27 ℃，04：00—08：00：28 ℃，08：00—11：00：30 ℃，12：00—15：00：35 ℃，15：00—20：00：32 ℃，20：00—24：00：28 ℃;光照時間為07：00—17：00[采用100 W發光二極管（LED）植物燈照射]。培養時間為30 d，每3 d左右進行稱質量加水。培養結束后所有盆缽均破壞性采樣，部分用來統計株高和地上部鮮質量等，部分新鮮植株冷藏用于測定植株丙二醛和脯氨酸等的含量。

1.3?測定指標及方法

株高、葉面積用直尺測量獲得，水稻植株鮮質量通過稱質量獲得，植被覆蓋指數采用Green Seeker手持式光譜儀測定，植株葉綠素含量采用SPAD502型葉綠素儀測定，超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮藍四唑法[10]測定，過氧化物酶（POD）活性采用愈創木酚法[10]測定，脯氨酸（Pro）含量采用磺基水楊酸法[11]測定，植株丙二醛含量采用硫代巴比妥酸法[12]測定，根系形態采用WinRHIZO根系分析系統測定。

1.4?數據處理

數據統計分析采用Excel 2007、Origin 8.0和SPSS 19.0軟件進行，差異顯著性采用Duncans法進行分析，因素分析采用廣義線性模型（GLM）。

2?結果與分析

2.1?不同理化調控措施對水稻株高和生物量的影響

從圖1可以看出，秸稈深埋處理顯著增加了水稻幼苗株高（P<0.05），相比對照處理提高21.2%，其余各處理均不同程度地抑制了水稻幼苗生長，其中施加過氧化鈣、生物炭和粉煤灰的處理與對照相比均差異顯著（P<005）;FSCa、FSB、FSF、FSd、FSWl和FSR處理均降低了水稻植株地上部鮮質量，下降幅度最大為FSd處理，達55.1%，其次為施加生物炭處理;地下部鮮質量以秸稈深埋處理最大，FSd處理最小，施加過氧化鈣、生物炭和粉煤灰處理間無顯著差異。與對照相比，各處理根冠比均降低，其中施加過氧化鈣處理顯著降低（P<0.05）。

2.2?不同理化調控措施對水稻葉面積、植被覆蓋指數和葉綠素含量的影響

從圖2可以看出，水稻葉面積大小表現為 FSD>CK>FSR>FSCa>FSF>FSWl>FSB>FSd。相比空白對照，秸稈深埋處理顯著增加了水稻植株葉面積和水稻植被覆蓋指數（NDVI）（P<0.05），其余各處理均使水稻幼苗葉面積降低。葉面積下降幅度最大的處理為無水層處理，達34%;生物炭、無水層和淺水層處理的NDVI與對照相比均差異顯著（P<0.05）。葉綠素含量反映了植株生長狀況。除深埋處理外，其他處理均不同程度地降低了葉綠素含量，下降幅度為無水層處理>淺水層處理>多次旋耕處理，施加生物炭、過氧化鈣和粉煤灰處理的葉綠素含量以FSB最小，其中生物炭、無水層和淺水層處理與對照相比差異顯著（P<0.05）。

2.3?不同理化調控措施對水稻生理生化過程的影響

從圖3可以看出，施用生物炭處理的SOD活性高于施加過氧化鈣和粉煤灰處理，施加生物炭處理與無水層處理差異不顯著，其他處理表現為FSd>FSW1>FSR>FSD，各處理間差異顯著（P<0.05）。POD活性表現為FSd處理最大，秸稈深埋處理最小，施加生物炭處理較施加過氧化鈣和粉煤灰處理分別提高3.0倍和2.2倍。丙二醛含量反映了植物的受損程度。試驗中除FSD處理外，其他處理的丙二醛、脯氨酸含量都升高;丙二醛含量以無水層處理升高得最為明顯，與其他處理相比差異顯著（P<0.05）;其次為FSB處理，施加生物炭、過氧化鈣和粉煤灰處理間差異不顯著;在施加生物炭、過氧化鈣和粉煤灰的處理中， 脯氨酸含量以施加生物炭處理最高，比施加過氧化鈣和粉煤灰處理分別提高195%和18.0%，無水層處理與淺水層處理間差異顯著（P<0.05）。

2.4?不同理化調控措施對水稻根系形態的影響

由圖4可知，與對照相比，秸稈深埋處理可增加水稻根系長度和根表面積（P<0.05）;施加粉煤灰、過氧化鈣和生物炭處理間根系長度和根表面積無顯著差異，其他處理表現為FSD>FSR>FSW1>FSd。施加過氧化鈣、生物炭、粉煤灰處理以及無水層、淺水層處理的根系長度和根表面積與對照相比均差異顯著（P<0.05）。根體積和根尖數均表現為秸稈深埋處理增加，其他處理降低。在根體積指標中施加粉煤灰處理和無水層處理與對照均差異顯著（P<0.05）;分枝數表現為施加生物炭處理高于施加粉煤灰和過氧化鈣處理，施加粉煤灰和過氧化鈣處理間差異不顯著，與對照差異顯著（P<0.05）。FSD處理的根尖數顯著高于除對照外的其他處理（P<0.05）。添加生物炭處理的根直徑顯著高于FSd處理，其他處理間無顯著差異。

2.5?水稻生理生態和根系形態指標與生長發育指標間的相關性

相關性分析結果（表2）顯示，對水稻株高和生物量的影響表現為葉綠素含量、葉面積和NDVI達極顯著水平（P<0.01），根系形態中除根直徑外，其他指標均達極顯著水平（P<0.01），丙二醛含量和POD活性未達到顯著水平，SOD活性、Pro含量達負向極顯著水平（P<0.01）。

3?討論與結論

本試驗中秸稈深埋處理提高了根系長度、根體積及根表面積等，維持了適宜的根冠比，有助于延緩作物衰老，對水稻的生長發育產生了促進作用，這與前人的研究結果[5]相類似。根系吸收水分和營養物質供應地上部，試驗發現，秸稈深埋后可增加植株葉面積和葉綠素含量，進而促進植物光合作用，增加生物量。水分作為光合作用的重要原料，在無水層條件下，根系水分攝入不足，水稻葉綠素含量下降，丙二醛和脯氨酸積累量增加，過氧化物酶、超氧化物歧化酶活性增強[12-13]，加重麥秸還田對水稻的負面影響，這與孫小霞等的研究結果[14]一致。相比秸稈深埋處理，麥秸還田后進行多次旋耕，可使麥秸更加均勻地分布于土壤中，增大麥秸與土壤的接觸面積，從而更有利于麥秸的腐解。本試驗中，多次旋耕調控技術對水稻的生長發育產生了抑制作用，可能的原因是人工氣候室對大田光照及種植環境等因素的模擬還不完善。

已有大量文獻報道，適量的過氧化鈣施入土壤后，可改善土壤通透性，促進作物根系生長，提高作物產量和品質[15-17]。本試驗中，在麥秸還田并添加一定量的過氧化鈣后，反而使水稻植株的生長受到

抑制，這與前人的研究結果相悖，分析原因可能是過氧化鈣的用量不足，達不到降解毒害物質的濃度。近年來生物炭因具有孔隙度大和吸附力強等優點被應用在農業、環境及能源等領域。國內外大量研究表明，生物炭施入土壤后，能夠改善土壤理化性狀，增加土壤養分，提高肥料利用效率[18-25]。也有研究表明，施用生物炭顯著抑制了玉米生長初期幼苗的生長，但隨生育期的延長抑制作用逐漸消失[26]。Asaih等研究表明，生物炭不能促進作物產量的提高[27]。試驗中與添加過氧化鈣和粉煤灰相比，添加生物炭對根系長度、根體積等根系形態的影響較小，可能是由于生物炭在水土交融下可能會釋放一些小分子物質，對根系分泌物產生影響，從而干擾根系生理，影響根系生長。過氧化鈣、生物炭及粉煤灰三者相比，生物炭最有助于提高植株過氧化物酶及超氧化物歧化酶活性，其次為粉煤灰。粉煤灰作為一種質優價廉的選材，能供給作物生長所需要的微量元素，對減緩麥秸還田負效應的作用略小，究其原因可能與粉煤灰施入后導致土壤pH值升高有關[28]。水稻育苗時土壤呈弱酸性，土壤pH值的改變不利于作物根系生長。另外，粉煤灰能夠改變土壤氧化還原狀態，使土壤礦物發生變化，導致土壤溫度升高。

綜上，多次旋耕處理能減緩麥秸還田對水稻生長發育的抑制作用，效果優于添加生物炭處理，深埋措施能克服麥秸還田負效應。

參考文獻：

[1]王紅新. 實施保護性耕作的目的及意義[J]. 吉林農業，2018（19）：49.