不同还田量及还田方式下稻秸淋洗对小麦苗期生长发育的影响

来源:用户上传      作者:赵亚慧 王宁 于建光 豆利岭 刘满强 焦加国

　　 摘要：连年稻秸还田易对小麦产生化感作用，为探索能减缓化感负效应并适宜小麦生长的秸秆还田方式和秸秆还田量，试验以宁麦13为材料，研究不同秸秆还田量（4.5、9、18 t/hm2）、不同还田方式（混施和表施处理）及覆盖稻秸后模拟降水（秸秆淋洗）对小麦苗期生长发育的影响。结果表明：与对照相比，秸秆还田降低了小麦出苗率，但差异不显著（P>0.05）。表施秸秆淋洗处理，小麦分蘖受到显著抑制（P<0.05）;随着秸秆施用量的增加，小麦生长明显受到抑制，且混施处理比表施处理对小麦的生长抑制作用更强;较表施处理，中高量混施处理显著提高了小麦植株POD活性（P<0.05）;淋洗显著降低了小麦脯氨酸含量（P<0.05）。综上，表施适宜的秸秆量对小麦生长的影响较小。
　　關键词：秸秆还田;稻秸;淋洗;小麦;苗期;生长发育
　　中图分类号：S512.101：X712  文献标识号：A  文章编号：1001-4942（2020）01-0053-06
　　Abstract The allelopathy effect of rice straw returning year after year on wheat occurred easily. To explore suitable manner and amount of straw returning which could mitigate its negative effects and be benefit for wheat growth， Ningmai 13 was used for the experiment， and three straw returning amounts （4.5， 9 and 18 t/hm2）and two manners （mixed application and surface application） coupled with leaching （simulating rainfall） on growth of wheat at seedling stage. The results showed that wheat seedling emergence rate reduced under straw returning compared to CK， but the difference was not significant （P>0.05）. Surface application coupled with leaching significantly inhibited the tillering of wheat. As the straw application amount increasing， wheat growth was obviously inhibited， and the inhibition of mixed application was stronger than that of surface application. The POD activity significantly increased by mixed application compared with surface application. The proline content of wheat was significantly reduced by leaching（P<0.05）. In conclusion， appropriate amount of surface application of straw could effectively alleviate the negative effects of straw returning on wheat growth.
　　Keywords Straw returning; Rice straw; Leaching; Wheat; Seedling stage; Growth and development
　　 随着我国农业种植水平的提高，粮食产量得到大幅度的提升，农作物秸秆数量日渐增多。目前秸秆最主要的利用方式为还田，秸秆还田后具有改善土壤理化性状、增加土壤微生物活性、提高土壤肥力、影响作物产量等优点[1，2]，秸秆还田还被列为促进农业可持续发展和建设生态环保型农业的重要措施。但秸秆还田也有可能产生负效应，如降低地温[3]、腐解产生毒害物质影响种子发芽[4]等，因此适宜的秸秆还田运筹方式就显得尤为重要。
　　目前，众多研究多集中在秸秆还田量和不同的还田方式上。张静等[5]研究表明，玉米秸秆还田量9 000 kg/hm2时，能有效提高土壤肥力，可使接茬冬小麦显著增产7.47%。少量秸秆混埋和秸秆覆盖能有效提高小麦出苗率，秸秆覆盖小麦显著增产17.2%[6]。长江中下游作为典型的稻麦轮作区，小麦生长与众多因素相关。其中秸秆还田方式、还田量和降雨三因素与植株生长状况密不可分。本试验设置不同秸秆还田方式（混施和表施处理）、不同施用量（4.5、9、18 t/hm2）和淋洗（模拟降雨）3个因素，研究其对小麦生长及生理特性的影响，进而准确评估不同秸秆还田量和还田方式下稻秸淋洗对小麦生长发育的影响，从而为在农业生产中筛选和采用合适有效的秸秆还田技术提供理论依据和技术支撑。
　　1 材料与方法
　　1.1 供试材料
　　试验于2015年10—12月在江苏省农业科学院资源与环境研究所人工气候室开展。选取成熟干燥未腐烂水稻秸秆，粉碎至2～5 cm备用。供试土壤采自江苏省农业科学院试验基地，基础理化性状为pH值6.2、全氮0.79 g/kg、有效磷3.5 mg/kg、速效钾107.67 mg/kg。供试小麦品种为宁麦13。 　　1.2 试验处理
　　秸秆还田方式分表施和混施两种，设置秸秆不淋洗（表面加水保持含水量）和淋洗（覆盖稻秸后模拟降水）两种水分管理方式，秸秆还田量设置0、4.5、9、18 t/hm2四个梯度，共13个处理，重复3次，具体处理见表1。试验容器为塑料盆钵（直径17 cm×高17 cm），每盆钵装风干土2.2 kg。各处理中氮磷钾用量：尿素（N 42%） 623.8 kg/hm2，过磷酸钙（P2O5 12%） 1 386.2 kg/hm2，氯化钾（K2O 50%） 464.1 kg/hm2。将化肥和混施处理的水稻秸秆与土壤充分混匀装盆，在小麦种植前保证土壤表面平整。
　　所有盆钵加水至田间最大持水量的75%后种植小麦，每盆播种36粒。培养温度为白天20℃恒温，光照12 h，光照强度为10 000 lx，夜间15℃恒温无光照。试验培养时间为60 d。模拟降雨处理（IR、MR）于培养第1、4、7、10、13 d，即每3 d进行一次模拟降雨，用水量每次8 mm，总降雨量为40 mm。未淋洗处理（CK、I和M）则每3 d称重加水保持含水量，其中对照（CK）和混施未淋洗处理（I）通过称重加水保持含水量，而表施未淋洗处理（M）通过塑料管加入土壤表层下1 cm以避免秸秆被淋洗。
　　培养结束后，所有盆钵破坏性采样，将小麦幼苗从土壤根部剪开，快速统计小麦苗数，计算出苗率，测定小麦生长指标;部分小麦新鲜植株冷藏用于测定植株部分生理指标。
　　1.3 测定指标及方法
　　小麦叶片叶绿素含量用SPAD 502叶绿素仪测定;用直尺测量株高，称鲜重，烘干后测干重。丙二醛含量采用硫代巴比妥酸比色法测定;脯氨酸含量采用磺基水杨酸法测定[7];过氧化物酶采用愈创木酚法测定;超氧化物歧化酶采用氮蓝四唑法测定[8]。
　　1.4 数据处理
　　数据处理采用Microsoft Excel 2007、Origin 8.0和SPSS 19.0软件进行，多重比较采用Duncan’ s法，因素分析采用GLM模型。
　　2 结果与分析
　　2.1 不同还田量及还田方式下稻秸淋洗对小麦种子出苗率与平均分蘖数的影响
　　出苗率高低是影响作物产量的主要原因之一。由图1A看出，与对照相比，不同秸秆还田处理小麦出苗率略有降低，但差异均不显著。其中表施未淋洗处理的出苗率略高于混施未淋洗处理，但处理间均无显著差异（P>0.05）。
　　由图1B可知，随着秸秆施用量的增加，混施未淋洗各处理及表施淋洗各处理的小麦平均分蘖数有下降的趋势。与对照相比，除I4.5处理可有效提高分蘖数外，其它各处理均表现出下降趋势，说明秸秆还田和淋洗对小麦苗期分蘖有抑制作用。特别是表施秸秆淋洗处理（MR），秸秆施用量为9、18 t/hm2时，小麦分蘖受到显著抑制（P<0.05）。混施处理平均分蘖数依次为：I4.5>I9>I9R>I18、I4.5R、I18R，表施处理平均分蘖数依次为M9>M18>M4.5>M4.5R>M9R>M18R。此外，还田方式×还田量×淋洗对平均分蘖数有显著的交互作用（P<0.05，表2）。
　　2.2 不同還田量及还田方式下稻秸淋洗对小麦幼苗生长的影响
　　叶绿素在作物光合过程中起重要作用，其含量的多少能体现出植株的生长健康程度。由图2A看出，与CK相比，各处理叶绿素含量均显著降低（P<0.05）。随着秸秆还田量的增加，相同还田方式下各处理叶绿素含量呈下降趋势，且混施处理低于表施处理，其中以I18和I18R最低;灌溉方式对叶绿素含量影响不大。
　　随着秸秆还田量的增加，相同还田方式下，除秸秆表施且未淋洗处理外，小麦株高呈下降趋势（图2B）。秸秆混施，仅I18R处理株高显著低于对照，其它处理与CK差异均不显著;秸秆表施，除M9R和M18R处理外，其它处理均增加了小麦株高，其中M18增幅最大，达9.2%（P<0.05）。相同还田量和淋洗条件下还田方式对株高的影响不大。
　　植株鲜重指标显示，随着秸秆还田量的增加，除表施未淋洗处理鲜重增加外，其它各处理植株鲜重呈依次递减趋势（图2C），其中以M18处理植株鲜重最大，显著高于其它处理（P<0.05）。 总体来看，淋洗条件下混施处理比表施处理对小麦的胁迫作用更大。
　　小麦植株总干重的变化趋势基本同鲜重的变化（图2D），随着秸秆还田量的增加，混施各处理植株干重呈下降趋势，其中混施未淋洗处理植株干重高于混施淋洗处理，但差异不显著;表施未淋洗处理植株干重高于表施淋洗处理，其中M18R显著低于对照（P<0.05）。总体看混施各处理的植株干重均低于表施处理，灌溉方式对秸秆混施处理影响较小而对表施处理影响较大。
　　还田方式×淋洗对叶绿素含量、株高、植株鲜重和干重均有显著的交互作用，还田方式×还田量对叶绿素含量、单株干重有极显著（P<0.001）的交互作用（表2）。
　　2.3 不同还田量及还田方式下稻秸淋洗对小麦植株幼苗生理特性的影响
　　植物在受到胁迫时，细胞中的自由基代谢平衡被打破，产生过量的自由基，是引起植株生长受到限制的原因之一。由图3A 看出，随着秸秆用量的增加，小麦幼苗POD活性呈现上升趋势，以I18处理最高，其次为I18R和I9处理。总体上，混施处理的POD含量高于表施处理。SOD可清除自由基保护植物器官延缓衰老。除I4.5R处理显著降低外，其它各处理间SOD活性差异均不显著，各处理依次表现为M9>I18R>I9R>M9R>M18R>M4.5>I18>M4.5R> M18>I9>I4.5>I4.5R（图3B）。丙二醛含量的多少可以体现细胞膜受破坏的程度。整体来看，除I9R 、M18处理外，其它处理随着秸秆还田量的增加，MDA含量呈升高趋势（图3C）。与CK相比，I18R、M9、M18R处理的MDA含量增加2.9%、12.0%和155%。脯氨酸在植物体内以游离状态存在，在植物受到胁迫时，脯氨酸含量会上升。由图3D可知，随秸秆用量的增加，未淋洗条件下I、M各处理脯氨酸含量基本呈明显升高趋势，而淋洗条件下表施和混施各处理脯氨酸含量呈现先升高后下降的趋势，但各处理差异未达显著水平。此外，还田方式×还田量对POD和SOD活性有显著的交互作用（P<0.05），还田量×淋洗对脯氨酸含量有极显著（P<0.01）交互作用（表2）。 　　3 讨论与结论
　　稻麦轮作系统中秸秆还田可提高土壤有机质含量并改善土壤结构，但同时不能忽视其负效应。本试验结果表明，秸秆还田导致下茬作物出苗率降低，但差异不显著，这与前人的研究结果一致[9，10]，特别是秸秆混施，分布不均匀导致麦苗生根难、种子出苗率低，且在试验中随着秸秆还田量的增加出苗率受抑制的程度也随之加重。秸秆表施会对土壤起到保温保湿作用，在种植初期相对会促进出苗，但本试验结果显示秸秆表施并未有效提高小麦出苗率。此外，相比秸秆表施处理，高量秸秆混施处理明显提高POD活性，说明秸秆混施能有效提高小麦抗逆境能力。
　　不同秸秆还田处理小麦苗期植株分蘖减少、叶绿素含量降低。这可能主要由于秸秆还田为土壤微生物提供了可利用的碳源，极大地促进了微生物活性[11]，进而会和小麦竞争氮素等养分的吸收而抑制小麦的生长。此外，秸秆还田方式直接影响秸秆的腐解速率，从而影响植株的生长。刘世平等[15]研究表明麦季覆盖稻秸时，秸秆埋深为14 cm时的腐解速率要高于覆盖在表层上的，这其中的关键是秸秆能与土壤充分接触，土壤中微生物活性增加，从而降解秸秆。本次试验中的混施处理类似于翻压和深埋，能充分体现出土壤微生物与秸秆交互作用对小麦的影响，且结果显示混施处理小麦生长受到的抑制明显比表施处理强。张振江[12]在研究秸秆还田时，发现当秸秆还田量过多时会使土壤中的碳氮比例失调，进而影响氮素的有效性。本试验结果中混施处理秸秆量增加，降低趋势更明显，进一步说明微生物与植物的养分竞争是限制前期植物生长的重要原因之一。有研究表明随着秸秆等植物废弃物施入土壤，微生物高活性只会持续很短的时间（几周），之后趋于平稳[11，13]。微生物能有效促进矿物质等养分的可利用性，因此秸秆还田对小麦的生长可能表现为前期抑制后期促进[14]。研究证明小麦秸秆还田后会减少苗期水稻分蘖，本试验中秸秆还田特别是表施淋洗处理明显抑制了小麦分蘖。这可能与秸秆腐解中产生的酚酸等次生化感物质有关，同样也是秸秆还田抑制小麦生长的重要因素，但有关抑制作用机理需进一步研究[16，17]。
　　水分能提高养分和微生物的移动性，进而支持生命活动，淋洗是许多土壤地球化学进程的关键因素[18]。本试验结果显示，无论秸秆是否经淋洗，小麦叶绿素、株高、生物量均无显著差异，但Pro含量明显降低。
　　在本试验条件下，秸秆表施处理小麦出苗状况优于秸秆混施，且随着秸秆还田量的增加，小麦分蘖数多呈下降趋势，尤其是秸秆表施并经淋洗，显著降低了小麦分蘖数（P<0.05）。秸秆还田方式、施用量和淋洗互作对小麦生长影响显著，在混施淋洗处理中受到的影响最大，在表施淋洗处理中能起到抑制小麦生长的作用。
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