玉米秸秆还田养分释放规律及对玉米根际土和根系酶活性的影响

潘 晶, 齐诗月, 肖 露, 侯万园, 汲茏泽

(沈阳师范大学 生命科学学院, 沈阳 110034)

0 引 言

秸秆含有大量植物生长所必须的有机质、氮、磷、钾和微量元素。由于秸秆体积大、收集运输成本高,以及近年来农村能源结构改善和替代原料应用等原因,大部分的农作物秸秆被弃置或者进行露天焚烧,没有得到合理的综合利用及开发,造成了严重的环境污染和资源浪费,同时又导致大量土壤养分损失[1]。据调查,我国农作物秸秆中,用于饲料,实现过腹还田的有30%,被焚烧的有30%,而直接还田的仅占总量的20%～30%[2]。秸秆还田能够改善土壤的结构,增强土壤的肥力,还可以提高土壤微生物、有机质含量和生物活性,调节土壤水、气、热,改善农田的生态环境,提高农作物产量与质量。农作物秸秆还田是秸秆资源综合利用中最简便、经济和可持续的方法,即避免了资源浪费,又解决了秸秆对环境带来的污染问题,实现了养分资源的循环利用和农业可持续发展,符合国家对农业发展的大政方针[3]。党中央、国务院高度重视农业废弃物资源化利用工作,十八届五中全会、2016年中央1号文件、《中共中央国务院关于加快推进生态文明建设的意见》和《国务院办公厅关于加快转变农业发展方式的意见》都作了明确部署。按照党中央、国务院要求,六部委研究制定了《关于推进农业废弃物资源化利用试点的方案》,其中要求秸秆综合利用率达到85%以上。

秸秆还田简单分为两大类:直接还田和间接还田[4]。秸秆直接还田操作简单易行、工作量少、易于推广、成本相对较低,是我国普遍采用的还田方式。直接还田主要有秸秆覆盖还田、秸秆翻压还田、留高茬还田等[5]。间接还田是秸秆经过高温堆沤、微生物腐解等方法处理后再施入田间,主要包括秸秆堆沤还田、快速催腐还田、过腹还田等[6]。随着农业生产水平的提高,对秸秆还田技术的研究也日益深入。有研究表明,秸秆还田3年后,耕层土壤容重减少0.1～0.2 g/m2,总孔隙度增加4%～11%,通气孔隙增加7.5%[7-8]。Hansen发现,秸秆还田提高了土壤有效磷、钾、全氮、速效氮和有机质的含量[9]。覆盖、翻埋玉米秸秆还田的土壤中,土壤总氮量增加[10]。秸秆还田有利于土壤矿物中磷的释放,增加农作物对固定在土壤中磷的利用[11]。土壤微生物在秸秆还田腐解过程中起着很重要的作用,玉米秸秆还田后土壤微生物区系由系统型转化为真菌型。还田第50 d,土壤细菌、放线菌和真菌数量分别增加53.7%、47.8%和212.2%,无机磷细菌数量增加24.8%。秸秆全量还田后,0～10 cm土层总生物量比对照增加29.8%,10～20 cm土层增加19.8%,同时显著提高农作物产量[12-16]。

辽宁省是我国重要的粮食产区之一,秸秆资源尤其丰富,每年产生秸秆资源3200万吨,其中,玉米秸秆占秸秆总量的80%。然而,辽宁秸秆还田率较低,过剩的秸秆焚烧于田间或散乱于村内,造成农村环境污染和大气雾霾。开展秸秆还田研究是贯彻中央有关“推进种养业废弃物资源化利用”等决策部署的具体行动,是解决农村环境脏乱差、建设美丽宜居乡村的关键环节,也是应对经济新常态、促投资、稳增长的积极举措。因此,有必要对不同秸秆还田方式下,玉米秸秆碳、氮、磷释放规律,对土壤和根系酶活性的影响进行综合系统研究。探索与辽宁耕作制度相适应的秸秆还田方式,充分发挥秸秆还田对土壤-根系微生态环境的积极调控作用,为合理利用农作物秸秆,保障玉米高产稳产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2018年在沈阳师范大学试验田进行。玉米秸秆养分含量有机碳为426.3 g/kg,全氮为4.12 g/kg,全磷为1.02 g/kg。

1.2 试验设计

秸秆腐解及有机碳、氮、磷释放试验:设2个处理:秸秆表面覆盖处理(B1);秸秆土壤深埋(30 cm)处理(S2);每个处理用尼龙袋(200目)装50 g(1～3 cm)玉米秸秆,扎实袋口,3次重复。

根系土及玉米根系试验:成熟期秸秆烘干后粉碎,按照10 kg/hm2的还田量分别覆盖和深埋(20 cm)于土壤中,设定以下3个处理:秸秆覆盖于土壤(T1)、秸秆深埋于土壤(T2),没有秸秆还田的土壤(T0)。2018年4月28日在3个处理的土壤中播种玉米,大垄双行种植方式,每处理小区5行,行长3 m。按照获得玉米最高产量时的最佳密度和施肥量播种,玉米整个生育时期按照高产田进行田间管理。在玉米不同生育时期取样(苗期(V3)、拔节期(V6)、大喇叭口期(V12)、抽雄吐丝期(VT)、乳熟期(R3))。采用赵江大田挖掘法[17],选择连续3株玉米进行取样(3次重复),以每株所占的行距和株距为1个样方,挖取0～40 cm土层的根系,轻轻抖动,去掉从根系上脱落的土壤(非根际土),紧密附着于根的土壤不易脱落的保留(根际土),将上述土壤分别放入无菌袋中,用于酶活性测定。将土层里所有可以看得见的根系挑出,用清水冲洗干净后,根系上附着的水用吸水纸吸干,并用于根系活力和酶活性测定。

1.3 测定项目与方法

2018 年4月28日设置试验,各处理每隔一定时间取样1 次,用水冲洗干净,烘干称重,计算秸秆腐解量;秸秆有机碳、全氮和全磷含量测定分别采用重铬酸钾容量法-外加热法、H2SO4-H2O2消煮-蒸馏法和钼锑抗比色法[18]。

玉米根际土酶活性参照关松荫的方法[19]。其中脲酶采用靛酚比色法测定,蔗糖酶采用比色法测定,过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法测定。根系活力采用氯化三苯基四氮唑法测定[20];根系超氧化物歧化酶活性采用氮蓝四唑光化学还原法测定;根系过氧化氢酶活性采用紫外吸收法测定;根系丙二醛含量采用硫代巴比妥法[21]。

2 结果与分析

2.1 玉米秸秆腐解率

图1不同还田方式处理玉米秸秆腐解率Fig.1 Decomposition rate of maize straw in different straw returning treatments

秸秆的腐解率可以用来评价秸秆在土壤中分解的快慢程度,预测改善土壤有机质的能力[22]。从图1可以看出:随着时间的推移,B1和S2处理秸秆累积腐解率有所增加,表现为前期腐解率增加快后期增加慢。主要原因是腐解后期秸秆中可溶性有机物逐渐减少,剩余秸秆主要是难分解的有机物质,其次是因为腐解后期土壤温度下降,导致微生物的活性降低,不利于秸秆的腐解。土壤的温度、含水量、微生物活性等因素均会对秸秆分解速度产生影响[23]。深埋处理的秸秆腐解率高于覆盖处理。腐解150 d后,2种处理的秸秆腐解率分别为:70.6%(S2),55.3%(B1)。

2.2 玉米秸秆的养分释放规律

不同还田方式秸秆有机碳释放率如图2所示。经过150 d的腐解,B1和S2处理的玉米秸秆有机碳释放率分别达到70.3%和77.6%。0～30 d为快速有机碳释放期;30～150 d随着腐解时间的增加,有机碳释放速度逐渐减缓。深埋处理的秸秆有机碳释放率高于覆盖处理。

从玉米秸秆氮释放率(图3)可以看出:在整个腐解过程中,随着腐解时间的增加,秸秆中的氮释放率也呈增大趋势。在腐解的150 d内,S2处理在0～30 d为快速氮素释放期;而T1处理在0～15 d为快速氮素释放期。深埋处理的秸秆氮释放率高于覆盖处理。腐解150 d后,2种处理的秸秆氮释放率分别为:45.7%(S2),37.6%(B1)。

图2 不同还田方式处理玉米秸秆有机碳释放率

图3 不同还田方式处理玉米秸秆氮释放率

图4 不同还田方式处理玉米秸秆磷释放率Fig.4 Phosphorus release rate of maize straw in different straw returning treatments

从玉米秸秆磷释放率(图4)可以看出:T1和S2处理在0～15 d为磷的快速释放期,30～150 d为磷的缓慢释放期。在玉米秸秆腐解150 d内,T1和S2磷的释放率无显著差异;腐解150 d后,磷释放率分别为65.2%(S2)和63.7%(B1)。有研究表明,土壤对玉米秸秆磷释放率的影响远大于秸秆还田方式[24]。

2.3 秸秆还田对根际土酶活性的影响

土壤酶与土壤微生物共同推动土壤的代谢过程,是土壤系统中最活跃的部分。土壤酶活性代表了土壤中各种生物化学过程的强度和方向。土壤脲酶催化尿素水解成铵态氮,从而被植物根系吸收利用,其活性在一定程度上可以用来表征土壤中氮素的营养状况[19]。由图5可见,2种秸秆还田方式都激活了根际土脲酶活性,在玉米生长的V3、V6、V12、VT和R3时期内,T2和T1处理下根际土脲酶活性比对照T0分别增加47.6%～68.2%和21.1%～36.4%。

图5 不同还田方式处理根际土脲酶活性Fig.5 Urease activities in rhizosphere soil in different straw returning treatments

蔗糖酶将蔗糖催化为葡萄糖和果糖,对增加土壤中的易溶性营养物质起着重要的作用,影响土壤碳循环。土壤蔗糖酶活性与土壤有机质、氯、磷含量有相关性,还与土壤微生物数量及土壤呼吸强度有关[19]。蔗糖酶既能够表征土壤生物学活性强度,又可以评价土壤熟化程度和肥力。由图6可见,两种秸秆还田方式都激活了根际蔗糖酶活性,在玉米生长的V3、V6、V12、VT和R3时期内,T2和T1处理下根际土蔗糖酶活性比对照T0分别增加17.4%～40.9%和7.1%～23.5%;随着玉米生长时间的延长,秸秆还田根际土蔗糖酶活性总体呈现减少趋势,这表明生长初期,由于秸秆中营养物质成分含量较高,微生物的活性增强,使初期蔗糖酶活性增幅较大;随秸秆腐解程度的加深,植物可利用的碳源量降低,微生物的活性降低,导致蔗糖酶活性有所降低。

土壤过氧化氢酶催化过氧化氢的分解,广泛存在于土壤和生物体内,具有防止过氧化氢对生物体的毒害作用。过氧化氢酶活性与土壤有机质和微生物数量有关[19]。2种秸秆还田方式都激活了根际土过氧化氢酶活性,在玉米生长的V3、V6、V12、VT和R3时期内,T2和T1处理下根际土过氧化氢酶活性比对照T0分别增加15.4%～18.7%和3.3%～13.8%(见图7)。

图6 不同还田方式处理根际土蔗糖酶活性

图7 不同还田方式处理根际土过氧化氢酶活性

2种玉米秸秆还田方式对3种根际土酶活性均表现为促进作用,并且深埋方式根际土酶活性高于表面覆盖方式。

2.4 不同秸秆还田方式对玉米根系的影响

植物的根系是吸收器官和合成器官,根的生长情况和活力水平直接影响植物地上部的生长、营养状况和产量水平[20]。从图8可以看出:T0、T1和T2处理下,玉米根系活力随着生育时期的延长先升高后下降,在VT时期达到最大值。除苗期V3,其他生育时期T2处理的根系活力均显著强于T1和T0处理。不同时期T2比T1根系活力强21.3%(V6)、12.1%(V12)、18.1%(VT)和23.6%(R3)。

超氧化物歧化酶和过氧化氢酶是细胞保护酶,在一定程度上反映作物的抗衰老能力[19]。超氧化物歧化酶可清除衰老过程中产生的活性氧,是细胞防御活性氧的保护酶。从图9中可以看出:T0、T1和T2处理下,在玉米生长时期内,根系超氧化物歧化酶活性先升高后降低,在抽雄期 VT 最高。在生育中后期(拔节期V6～乳熟期R3),秸秆深埋处理根系超氧化物歧化酶活性高于秸秆覆盖处理。不同时期T2比T1根系超氧化物歧化酶活性高5.7%(V6)、11.6%(V12)、8.0%(VT)和11.8%(R3)。

图8 不同秸秆还田方式下玉米根系活力Fig.8 Root activities in different straw returning treatments

图9 不同秸秆还田方式下玉米根系超氧化物歧化酶活性

过氧化氢酶可清除植物体内过氧化氢,避免对作物的毒害[19]。从图10中可以看出:各处理根系过氧化氢酶活性在抽雄期VT最高;在玉米生长时期内,根系超氧化物歧化酶活性先升高后降低。V3～R3生长期内,秸秆深埋处理根系过氧化氢酶活性高于秸秆覆盖处理。

植物器官在受到逆境伤害或衰老时,会发生膜脂过氧化反应。丙二醛是膜脂过氧化反应的最终产物,其含量反映了植物细胞膜脂过氧化程度、遭受逆境伤害的程度和植物衰老程度。丙二醛从膜上产生的位置释放后,能与蛋白质和核酸反应,改变其构型,或使其产生交联反应,最终丧失功能;或使纤维素分子间桥键松弛或抑制蛋白质的合成[21]。因此,丙二醛累积对膜和细胞造成一定的伤害。从图11可以看出:玉米生长期V3～R3内,T2、T1和T0处理根系丙二醛含量均无显著差异。玉米秸秆还田对根系丙二醛含量没有影响,不会对植物膜和细胞造成伤害。

图10 不同秸秆还田方式下玉米根系过氧化氢酶活性

图11 不同秸秆还田方式下玉米根系丙二醛含量

3 结 论

深埋处理的秸秆腐解率高于覆盖处理。经过150 d的腐解后,2种处理的玉米秸秆腐解率分别为:70.6%(深埋,S2)和55.3%(覆盖,B1);有机碳释放率分别达到77.6%(S2)和70.3%(B1);氮释放率分别为45.7%(S2)和37.6%(B1);磷释放率分别为65.2%(S2)和63.7%(B1)。在玉米的生长期内,相比秸秆覆盖,秸秆深埋更能提高根际土脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性。秸秆深埋处理根系活力、超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性高于秸秆覆盖处理;玉米秸秆还田对根系丙二醛含量没有影响。