切段水稻秸秆土表覆盖对设施水生蔬菜生长及土壤性质的影响

朱丽丽，钱佳宇，江解增，张 昊，张永仙

(扬州大学 水生蔬菜研究室，江苏 扬州 225009)

随着设施蔬菜的大规模发展，连作障碍问题日益突显[1]，设施内土壤缺少雨水淋洗，加之长期栽培管理措施不当、施肥量过大，导致土壤板结、次生盐渍化、养分失衡等诸多问题[2]。时唯伟等[3]研究发现，随着栽培时间的延长设施大棚土壤硝态氮含量不断升高，土壤性质不断恶化，进而导致园艺作物生长发育受阻，产量下降，品质变劣。周增辉[4]通过调查研究后发现，设施蔬菜水旱轮作能显著改善土壤性质，缓解设施连作障碍。冯均科等[5]研究发现，大棚种植水生蔬菜可显著降低土壤盐分含量，缓解土壤酸化，对改良设施土壤盐渍化及酸化具有显著效果。稻麦秸秆含有丰富的营养成分，是一类宝贵的资源，秸秆中钾含量很高，作物吸收的钾素80%存在于作物秸秆中，水稻秸秆还田可显著提高土壤速效钾及全钾含量，是一种重要的速效钾源[6]。杨晓磊等[7]研究发现，秸秆还田能提高土壤有机质含量，有效培肥土壤，改善土壤结构，同时对小麦有显著增产效果，但如今仍有部分秸秆未得到充分合理的利用[8]。还田是秸秆利用的一种重要方式[9]，能有效提高土壤生物炭含量，改善土壤肥力，提高作物产量[10]，生物炭含量的增多还能改变土壤微生态，固定土壤中的C并减缓温室气体排放[11]，有益于土壤C/N平衡及农田生态系统平衡，维持耕地可持续生产，符合现如今生态农业的发展要求[12]。

严吴炜等[13]为避免秸秆深埋还田的危害，采用设施内水田土表覆盖水稻秸秆方式开展研究，发现截为2段的水稻秸秆腐解率在春、夏茬分别为75.33%和89.11%，大幅高于秋季水稻茬口切段秸秆淹水还田腐解率(49.11%)[14]；赵聪等[15]研究发现，相同条件下1 cm长度的玉米秸秆腐解率高于3 cm长度的；张经廷等[16]研究发现，玉米还田长度2 cm分解最快，大豆秸秆还田长度6 cm分解最快。因此，为进一步促进秸秆腐解及养分释放，采用 5 cm切段水稻秸秆土表覆盖还田，分别在大棚夏秋茬覆盖秸秆种植蕹菜(IpomoeaaquaticaForsk.)和冬春茬覆盖秸秆种植豆瓣菜(NasturtiumofficinaleR.Br.)，比较夏秋茬与冬春茬的秸秆腐解效应差异，以及2个茬口的秸秆腐解对土壤水层电导率，氧化还原电位，水生蔬菜产量和氮、磷、钾含量，土壤养分的影响差异，以期寻求不同茬口最佳的水稻秸秆还田规格，为设施蔬菜生态栽培新模式的创建提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验设计

夏秋茬和冬春茬试验分别于2015年7—10月和2015年11月—2016年3月在扬州大学水生蔬菜试验大棚内进行，棚内埋设内径长、宽、高分别为500、370、320 mm的塑料箱，箱内灌水后填装常规园土至20 cm深，保持5 cm浅水层。每茬试验前均按尿素525 kg /hm2、 45%三元复合肥(N-P-K=15-15-15)150 kg/hm2施基肥，1周后取土样测定土壤性质基本值，每个处理箱按7 500 kg/hm2量均匀铺入5 cm稻草段150 g(记为处理，以不覆草为对照)，随即栽植相应水生蔬菜。夏秋茬的蕹菜于2015年7月16日苗高10 cm时按4 cm×6 cm移栽，各重复3次，群体高度40 cm左右时处理与对照同时采收，统计产量并取样测定植株氮、磷、钾含量，每次采收后按225 kg/hm2即每箱4.16 g施入尿素作追肥，夏秋茬试验于10月3日结束；随后冬春茬的豆瓣菜于2015年11月14日按4 cm×7 cm移栽10 cm左右高幼苗，群体高度30 cm左右时采收，每次采收后按150 kg/hm2即每箱2.77 g尿素施追肥，后期豆瓣菜叶片稍有发黄，按75 kg/hm2即每箱1.39 g增施尿素。

1.2 样品采集与指标测定

夏秋茬蕹菜共计栽培77 d，在蕹菜移栽后30 min和1、2、3、4、5、6、7、9、11、13、16、19、25、31、39、46、54、76 d取土壤表层溶液；冬春茬豆瓣菜共计栽培129 d，在豆瓣菜移栽后30 min和1、2、3、4、5、7、9、12、16、20、26、33、40、50、61、77、94、114 d取土壤表层溶液。电导率及氧化还原电位使用电导率测试仪和氧化还原电位测试仪测定。水稻秸秆腐解率测定：夏秋茬和冬春茬试验结束后，小心捞出尚未腐解的水稻秸秆，洗净后晒干、称质量，计算腐解率，试验结束后将未腐解秸秆仍翻耕还于田中。腐解率=(秸秆覆盖量-秸秆剩余量)/秸秆覆盖量×100%。

蕹菜、豆瓣菜产量测定：分别于2015年7月31日、8月17日、9月10日和10月3日采收4次蕹菜，于2016年1月20日、3月23日采收2次豆瓣菜，采收后对地上部分测产。

土壤的取样时间分为3次，分别于种蕹菜前的2015年7月16日，蕹菜采收后的10月22日和豆瓣菜采收后的2016年4月1日取样。

土壤养分，水生蔬菜氮、磷、钾含量的测定：土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法-外加热法测定，速效钾含量采用NH4OAc浸提-火焰光度法测定，硝态氮含量采用紫外分光光度法测定；蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定，脲酶活性采用靛酚蓝比色法测定，酸性磷酸酶活性采用苯磷酸二钠比色法测定[17]。速效磷含量采用Olsen法测定[18]；土壤以及水生蔬菜的全氮含量采用凯氏定氮法(H2SO4-H2O2消煮)测定，全磷含量采用 NaOH熔融-钼锑抗比色法测定，全钾含量采用NaOH熔融-火焰光度法测定[19]，同时计算养分转移总量。养分转移总量(kg/hm2)=∑[每次采收产量(kg/hm2)×当次养分含量(mg/g)(N或P或K)/1 000]。

1.3 数据分析

用Excel 2007和DPS 7.05软件进行数据整理与分析。

2 结果与分析

2.1 不同季节水稻秸秆腐解对土壤水层电导率及氧化还原电位的影响

由图1可知，夏秋茬处理土表溶液电导率前期迅速上升，2 d即达最大值(1 584.33 μS/cm)，20 d之前一直处于1 000 μS/cm左右的高位值，然后快速下降至趋缓，对照的电导率变化则显著减小，前20 d较高，为600 μS/cm左右；冬春茬处理前期也迅速上升，但到3 d才达最大值且仅为1 109.67 μS/cm，33 d之前一直处于1 000 μS/cm左右的较高值，然后快速下降，最后趋缓为400 μS/cm左右，对照变化则较为平缓。2个茬口处理的电导率变幅和差值均较大，夏秋茬峰值更高且达峰值更快，证实了严吴炜等[13]高温能促进秸秆腐解及养分离子释放的观点；夏秋茬后期处理与对照值基本保持一致，而冬春茬后期处理的值依旧高于对照，说明夏秋茬秸秆养分释放彻底且已被蕹菜全部利用，而冬春茬秸秆仍在腐解释放养分。

土表溶液氧化还原电位的变化在不同季节茬口也存在较大差异，夏秋茬处理5 d降至最小值(-481.33 mV)后逐渐上升，31 d恢复正值达45.00 mV，39 d又突然下降为负值，原因可能是该取水时期土表水层溶液的温度较高[20]，对照也于前期下降后维持在0左右；冬春茬处理氧化还原电位3 d达到最小值(-434.33 mV)，然后上升，20 d恢复正值105.00 mV，然后缓慢下降，最后趋于0左右，对照前期下降至16 d逐渐上升，33 d保持较为稳定的水平。2个茬口溶液氧化还原电位均为前期迅速下降，随后趋势渐缓，说明刚开始的淹水降低通气性易产生还原性物质，后期植株生长恢复，根系强壮，通气性不断增强。2个茬口氧化还原电位的最低值均低于严吴炜等[13]的研究结果，且夏秋茬低于冬春茬，说明秸秆切段后快速腐解会导致水体氧化还原电位产生更大幅度变化，同时进一步证实高温对秸秆腐解的促进作用。

图1 土表水层电导率及氧化还原电位的变化Fig.1 Changes of electrical conductivity and redox potential of soil surface aquifer

2.2 不同季节水稻秸秆腐解率

测定结果表明，夏秋茬土表覆盖水稻秸秆种植蕹菜，水稻秸秆完全腐解，腐解率为100.00%，冬春茬土表覆盖水稻秸秆种植豆瓣菜，水稻秸秆腐解率为83.33%，2个茬口的较高腐解率应该是秸秆切段所致，且夏秋茬的高温加速了秸秆的腐解。

2.3 不同季节水稻秸秆腐解对蔬菜产量和氮、磷、钾含量的影响

由表1可知，第1、2次采收处理蕹菜产量均低于对照，第3、4次采收处理产量则高于对照，可能是因为前期秸秆腐解较快，电导率较高且腐解与植株出现“争氮”现象影响植株生长。蕹菜全氮含量第1、2、4次采收均是处理低于对照，但差异不显著，第3次采收蕹菜全氮含量显著高于对照。蕹菜全磷含量除第2次高于对照外其余均低于对照，但总体上差异不显著，可能因为水稻秸秆含磷量较低，对土壤影响较小。蕹菜全钾含量除第4次采收处理低于对照外，其余3次均是处理高于对照，说明秸秆腐解可释放大量的钾。

处理蕹菜对全氮的转移总量高于对照，对全磷的转移总量低于对照，且蕹菜对土壤中的养分钾转移量较大，处理钾转移量为402.60 kg/hm2，大于对照的转移量(371.70 kg/hm2)。

由表2可知，水稻秸秆覆盖种植豆瓣菜，第1、2次采收处理产量均高于对照，且第2次差异较大，可能是因为冬春季温度较低，秸秆刚开始腐解较慢，对植株的产量影响较小。2次所采收豆瓣菜全氮含量处理均低于对照，但差异均不显著，2次所采收豆瓣菜全磷含量处理均低于对照，且达显著差异，可能是因为种植豆瓣菜之前土壤中全磷含量低于对照，豆瓣菜全钾含量2次采收处理均显著高于对照，且土壤中全钾含量也较高，也印证了秸秆还田可释放大量的钾，补充土壤中的钾素。

表1 夏秋茬水稻秸秆腐解对蕹菜产量及氮、磷、钾含量的影响

注：同列不同小写字母表示各处理间差异显著(P<0.05)，表2—4同。

Note:Different lowercase letters in the same column indicate significant differences between the treatments(P<0.05),the same as Tab.2—4.

表2 冬春茬水稻秸秆腐解对豆瓣菜产量及氮、磷、钾含量的影响Tab.2 Effects of rice straw decomposition in winter and spring on yield and N，P，K contents of watercress

豆瓣菜对氮、磷、钾的养分转移整体趋势与蕹菜较为一致，处理转移的全氮含量高于对照，全钾含量也大幅高于对照，全磷含量略低于对照。秸秆中释放的钾，促进了蕹菜与豆瓣菜对钾素的养分转移。综合蕹菜与豆瓣菜种植期秸秆腐解率、蔬菜产量比较，认为低温季节可采用短规格切段秸秆，而高温季节可适当加长切段规格并增加秸秆覆盖总量。

2.4 不同季节水稻秸秆腐解对土壤性质指标的影响

由表3可知，夏秋茬种植蕹菜后，处理与对照土壤全氮含量均下降，处理的降幅为9.84%，高于对照(9.23%)，且种植豆瓣菜后处理土壤全氮含量出现下降，对照则上升，说明水稻秸秆还田可能要利用土壤中的部分氮。覆盖秸秆种植蕹菜、豆瓣菜之后，处理土壤全磷含量降幅均小于对照，说明秸秆还田有利于补充土壤中的磷量。与种植豆瓣菜后相比，处理与对照在种植蕹菜后土壤全磷含量降幅均较大，说明蕹菜从土壤中转移走较多的磷。夏秋茬秸秆覆盖种植蕹菜后，处理土壤全钾含量降幅低于对照，种植豆瓣菜后土壤全钾含量也呈相似变化。且由表1、2可知，蕹菜与豆瓣菜处理吸收转移的全钾量均显著高于对照，说明水稻秸秆腐解可向土壤中释放大量的钾。

夏秋茬土壤硝态氮含量，处理降幅高于对照，说明秸秆还田对土壤中硝态氮含量的降低具有显著效果，可有效缓解盐渍化，冬春茬种植豆瓣菜后处理与对照均出现上升，可能因增施尿素所致。夏秋茬种植蕹菜后，处理与对照土壤速效磷含量均出现下降，降幅差异较小，种植豆瓣菜之后处理的降幅为31.07%，小于对照的34.06%，说明秸秆还田有利于补充土壤中的速效磷量。种植蕹菜和豆瓣菜之后处理与对照土壤速效钾含量均下降，处理降幅均低于对照，说明秸秆还田对土壤中速效钾含量的提升有一定的效果。夏秋茬处理与对照土壤有机质含量也均下降，且处理降幅为9.44%，低于对照(12.98%)，冬春茬后处理有机质含量降幅为6.52%，低于对照(15.34%)，说明秸秆腐解对提高土壤有机质含量具有显著效果。

表3 不同季节水稻秸秆腐解对土壤养分含量的影响Tab.3 Effects of rice straw decomposition on soil nutrients in different seasons

注：同列不同括号内数字表示蕹菜、豆瓣菜采收后的土壤养分与蕹菜种植前土壤养分相比的变幅，表4同。

Note:Numbers in parentheses in the same column indicate the change of soil properties after the harvest of water spinach and watercress compared with before the cultivation of water spinach,the same as Tab.4.

由表4可知，夏秋茬种植蕹菜后处理的土壤蔗糖酶活性降幅较小，为1.76%，对照大幅下降，为36.36%；种植豆瓣菜后处理与对照土壤蔗糖酶降幅均高于种植蕹菜后，说明2次淹水种植植株后土壤蔗糖酶活性大幅降低，但夏秋茬和冬春茬处理覆盖秸秆后较对照降幅均减小，说明秸秆还田对蔗糖酶活性的降低有阻碍作用。种植蕹菜、豆瓣菜后处理与对照土壤脲酶活性均出现了变化，但差异较小。种植蕹菜和豆瓣菜后处理的酸性磷酸酶活性降幅均高于对照，可能是因为秸秆还田改变了酸性磷酸酶的适宜温度，导致酶活性下降。

表4 不同季节水稻秸秆腐解对土壤酶活性的影响

3 结论与讨论

本试验采用大棚内土表覆盖5 cm切段水稻秸秆浅水种植蕹菜和豆瓣菜，夏秋茬77 d秸秆腐解率为100.00%，冬春季茬口129 d的腐解率为83.33%，均显著高于严吴炜等[13]大棚内截为2段(约40 cm)的水稻秸秆相应的腐解率89.11%和75.33%，且大幅高于秋季水稻种植时期露地淹水秸秆还田条件下切段秸秆(5～8 cm)的腐解率49.17%[14]，秸秆切段越短，则创伤面越大,与微生物的接触越多，越有利于其腐解[15]。本研究结果也进一步印证了设施水生蔬菜田土表覆盖秸秆后，高温高湿加上有氧发酵的环境条件有利于秸秆的腐解，生产上可以在设施水生蔬菜种植前直接在土表撒铺切段秸秆而不必耕翻入土，既提高了秸秆腐解率，又避免了秸秆埋土后还原性有害物质对作物生长的影响。当然秸秆切成小段也会相应提高切段及铺撒成本，因此，寻求在不同季节适宜的切段规格，既能有较高的腐解率，又能方便秸秆还田，尚需进一步试验研究。

本研究发现夏秋茬水稻秸秆覆盖种植蕹菜，在高温季节，由于前期秸秆快速释放养分加上常规施肥导致养分浓度过高，抑制了蔬菜生长而致前期处理产量低于对照，后期产量显著高于对照，总产量增加不显著，由此可知，秸秆的施入可以减少追施化肥用量；低温季节腐解速率下降，蔬菜总产量显著提高，也说明可以适当减少化肥用量，进一步试验时宜对秸秆覆盖处理减少基肥用量，以验证对当茬蔬菜的减施化肥效果。由于高温季节秸秆腐解及释放养分速率高，低温季节则较低，因此，在选择秸秆规格时，高温季节宜用较长规格秸秆覆盖，低温季节则宜用较短规格秸秆覆盖。夏秋茬蕹菜总产量与对照差异虽不显著，但冬春茬豆瓣菜总产量较对照显著增加了24.41%，秸秆覆盖后对后期蔬菜的增产效应较为显著。

不同植株对氮、磷、钾的转移能力存在较大差异。林青慧[21]研究发现，雪菜单株中氮、磷、钾累计含量分别为0.32、1.95、1.95 g，当季每公顷产90 000株，则每公顷雪菜氮、磷、钾转移量为28.8、175.5、175.5 kg。本试验发现，夏秋茬处理蕹菜对氮、磷、钾的转移量分别为249.60、95.10、402.60 kg/hm2，蕹菜对氮、钾元素的转移量显著高于雪菜，可见蕹菜具有产量高、养分吸收转移量大的特点，应是秸秆腐解释放养分后土壤养分指标仍然下降的原因，则也可利用淹水栽培速生性蕹菜缓解由于超量施用化肥而致的盐渍化。

农作物秸秆是一种含碳丰富的能源物质，秸秆还田对保持和提高土壤肥力以及农业的可持续发展均有重要作用[22-25]。本研究发现，经秸秆还田后两茬土壤处理有机质、全磷、全钾含量降幅均小于对照，说明其还田可在一定程度上弥补土壤养分的缺失。目前人们为追求产量的提升施用大量化肥，不仅造成蔬菜中硝酸盐含量的升高，也导致土壤中硝态氮的累积[26]，设施农业高温、高湿、无雨水淋溶的特点，使得硝酸盐易随土壤水分蒸发在表层土集聚[27]，故在设施水生蔬菜田土表覆盖秸秆有助于土壤表层硝酸盐的溶解释放，并在秸秆腐解过程中消耗固定，从而缓解土壤盐渍化。同时，孟祥天等[28]研究表明，秸秆还田是提高土壤有机碳含量和改良土壤团聚体结构的有效方法，稻麦秸秆均可减少农田氮、磷径流损失，并能显著提高土壤肥力水平。赵海成等[29]研究表明，连续4 a秸秆还田极显著降低土壤容重，还田量越大降低幅度越大，土壤有效磷、钾和有机质含量也显著高于常规施肥对照，同时有研究表明，秸秆还田能有效提高土壤中生物炭含量，且一定程度提高作物产量[22]。因此，可继续探究不同茬口高倍量水稻秸秆还田效果，通过研究不同量秸秆还田对蔬菜产量和品质、土壤根系微生物及酶活性的影响，揭示秸秆覆盖的技术原理与效应，为合理利用秸秆资源及培肥地力提供一定的理论依据和技术支撑。

综上，经77 d的腐解，夏秋茬水稻秸秆腐解率为100.00%，经129 d的腐解，冬春茬的腐解率为83.33%，截段为5 cm长度的水稻秸秆有效提高了秸秆腐解率，但是前期腐解过快、养分渗出浓度过高会一定程度抑制蔬菜生长，导致当季蕹菜产量增加效果不显著，但腐解转化的养分对下茬作物仍有显著效果，冬春茬豆瓣菜总产量较对照显著增加了24.41%，因此，本研究认为低温季节可采用短规格切段秸秆，而高温季节则可以适当加长切段规格并增加秸秆覆盖总量。夏秋茬处理的蕹菜对氮、磷、钾的转移量分别为249.60、95.10、402.60 kg/hm2，可见蕹菜转移养分能力强的特点。夏秋茬与冬春茬处理土壤中的有机质、全钾、速效钾、全磷、速效磷含量降幅均小于对照，而夏秋茬处理土壤硝态氮含量降幅大于对照，可见水稻秸秆还田在一定程度上可以补充土壤中的磷、钾肥，同时增加土壤有机质含量。