2021, Vol. 53
2. 江苏大学环境与安全工程学院, 江苏镇江 212013;
3. 江苏大学农业装备工程学院, 江苏镇江 212013
目前我国农田总面积中仍有70% 以上属于中低产田，提高中低产田产量是落实“藏粮于地”战略、保障我国粮食安全的重要途径[1]。黄河故道区是典型的中低产田区，导致该地区作物产量低的主要原因为土壤有机质含量低、物理结构差等[2]。加大有机物料投入，改善土壤物理化学特性是黄河故道区中低产田耕地保育和地力提升的重要措施[3]。然而，商品有机肥价格较高，在粮食作物生产中大面积推广施用存在一定困难[4]。选择成本较低且产量提升效果显著的有机物料，是形成可复制可推广的地力提升方案的必要条件。
中国是食用菌生产大国，其年产量可达3 842万t[5]，大规模生产食用菌的同时也产生了大量的菌渣废弃物(每生产1 kg食用菌会产生菌渣3.25 kg)。菌渣有机质含量高，富含氮、磷、钾、微量元素、糖类、蛋白质、脂肪和纤维素等[6]，养分含量与天然有机肥相当，且价格低廉(每t仅260元左右)，是理想的还田有机物料[7]。已有一些研究发现，菌渣在提升土壤养分含量[8]、改善土壤物理特性方面效果显著[9]。我国菌渣再利用率仅为33%，将其还田可在提升地力的同时避免菌渣丢弃和焚烧造成的资源浪费和环境污染问题，实现农业废弃物的循环利用[8]。
小麦作为黄河故道区主要的粮食作物之一，在保证区域粮食安全方面发挥着重要作用[10]。关于菌渣施用对小麦产量和土壤肥力指标的影响，前人已进行了相关研究。李春喜等[11]的结果表明，在黏壤土中施加菌渣可提高小麦产量69.6%，增加经济效益123.5%。邓欧平等[12]在成都平原进行的研究表明，菌渣施用可分别提升土壤碱解氮、速效钾和有效磷含量3.55% ~ 20.24%、2.84% ~ 31.97% 和2.10% ~ 14.48%。陈源泉等[13]在华北平原进行的长期定位试验发现，施用菌渣5年后土壤总有机碳和易氧化有机碳水平显著提升，年均增幅分别为21.9% 和33.75%。然而针对黄河故道区低产田，目前还缺乏关于菌渣施用对小麦产量和土壤肥力影响及其机制的研究。
本研究选取黄河故道区典型低产田为试验地，设置不同菌渣施用处理，探究菌渣施用对小麦产量、土壤有机质含量及物理特性的影响。由于根系形态的建成是小麦产量形成的重要条件，且显著受土壤物理特性影响[14]，本研究也着重分析了小麦根系生长对菌渣施用的响应。研究可为探明菌渣施用的增产机制、挖掘中低产田区作物增产潜力提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 试验地概况试验地位于江苏省滨海县界牌镇三坝村。该地区为黄河故道区，属暖温带向亚热带过渡的湿季风气候，无霜期223 d，年平均气温14.1℃，年平均降雨量942.6 mm。土壤类型为砂质潮土，种植模式为小麦-玉米轮作，为典型的低产田。试验开始前土壤基础理化性状见表 1。
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表 1 供试土壤(0 ~ 20 cm)基础理化性质 Table 1 Soil basic physiochemical properties of tested soil |
试验始于2017年6月。选取当地食用菌种植中产生的两类主要菌渣：秸秆质菌渣和木质菌渣作为供试材料，共设7个处理，分别为不施用菌渣(CK)，施用低量(6 t/hm2；S1)、中量(12 t/hm2；S2)、高量(18 t/hm2；S3)秸秆质菌渣，施用低量(6 t/hm2；B1)、中量(12 t/hm2；B2)和高量(18 t/hm2；B3)木质菌渣。小区面积为96 m2，每处理重复3次，随机区组排列。
所有处理小麦季化肥施用量均一致，分别为N 270 kg/hm2、P2O5150 kg/hm2和K2O 80 kg/hm2，其中氮肥为尿素，基追比为4∶6；磷肥和钾肥分别为过磷酸钙和硫酸钾，均作为底肥一次性施入。供试秸秆质菌渣全氮、全磷、全钾含量及C/N比值分别为3.32、8.94、19.4 g/kg和77.7，木质菌渣分别为5.22、6.71、18.70 g/kg和62.8。菌渣于每季作物种植前进行施用，且各处理每季施用量一致。其他农艺措施与当地农民常规操作相同。
1.3 样品采集与指标测定在2019年小麦收获期对0 ~ 10 cm和10 ~ 20 cm土壤的有机质含量、容重和紧实度进行测定。土壤有机质含量、容重按土壤分析常规方法测定[15]。土壤紧实度采用TJSD-750-II型紧实度仪测定(托普云农科技股份有限公司，中国)。
于2018年和2019年小麦苗期对植株进行采样。每小区采集具有代表性的10株小麦样品，根系取样深度为0 ~ 30 cm。取样后将小麦植株带回实验室，用水洗净后将根系与地上部分离；将洗净的根系置于装有水的有机玻璃盘上，用镊子小心将根系展开，避免根系重叠；使用EPSON PERFECTION V700 Photo扫描仪对根系图像进行扫描，使用根系图像分析软件WinRHIZO(Regent Instruments, Canada)对根系进行分析，得到总根长、总根表面积、根尖数和根系分叉数等指标。在测完根系形态指标后，将根系转移到60℃鼓风烘箱中烘干至恒重，称量干物质量。比根长(m/g)的计算方法为总根长(m)与根系干物质量(g)的比值，根组织密度(mg/cm3)为根系生物量(mg)与根系体积(cm3)的比值。两个种植季的小麦产量均采用样方法测定。
1.4 数据分析采用公式(1)计算小麦生产的经济效益[16]：
| $ 经济效益=籽粒产量 × 市场价格 – 生产成本 $ | (1) |
式中：生产成本=机械投入+ 劳动成本+ 生产资料(种子+化肥)投入。小麦价格为2.3元/kg，种子价格为4.5元/kg，氮肥价格为N 3.7元/kg，钾肥价格为K2O 5元/kg，磷肥价格为P2O5 5元/kg，两类菌渣价格均为260元/t，劳动成本为1 200元/hm2，机械投入为150元/hm2。
试验中作物产量及经济效益分析基于2018年和2019年两年结果。土壤有机质、容重及紧实度为2019年单年数据(n = 3)。除不同根系直径范围下的根系指标组成为2019年单年数据外(n = 3)，其余根系形态指标均为2018年、2019年两年数据的平均值(n = 6)。试验数据使用Microsoft Excel 2016进行整理，采用SPSS 22.0软件进行统计分析，运用最小显著差异法(LSD)对各处理数据进行多重比较(P < 0.05)，使用GraphPad Prism 7进行作图。
2 结果与分析 2.1 菌渣施用对小麦产量及经济效益的影响施用菌渣处理的小麦产量均显著高于CK(P < 0.05；图 1A)，两个生长季平均增产幅度为39.0% ~ 63.3%。随着菌渣施用量的增加，小麦产量呈增加趋势，但同一施用水平下两种菌渣类型间的小麦产量无显著差异(P > 0.05)。相比CK，施用菌渣后经济效益平均增加1 552 ~ 3 257元/hm2(27.8% ~ 58.4%；图 1B)。各菌渣施用处理中，S3处理的平均产量(7.99 t/hm2)和经济效益(8 838元/hm2)均表现为最高，且与CK间差异均达显著水平(P < 0.05)。
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(图中误差线代表两季小麦产量平均值的标准误(n = 6)；不同小写字母表示处理间差异显著(P < 0.05)) 图 1 不同处理小麦产量(A)及经济收益(B) Fig. 1 Wheat yields (A) and economic incomes (B) under different treatments |
相比CK，施用菌渣处理下0 ~ 10 cm土壤有机质含量显著提升24.7% ~ 57.7%(P < 0.05；图 2A)，其中B2处理下土壤有机质含量为7.26 g/kg，提升效果最明显；施菌渣后10 ~ 20 cm土壤有机质含量也有增加趋势，但差异未达显著水平(P > 0.05)。施用菌渣处理下0 ~ 10 cm土壤容重均较CK呈降低趋势，降低幅度为2.66% ~ 18.81%，且除B1处理外，其余处理降幅均达显著水平(P < 0.05；图 2B)；S1和B2处理下10 ~ 20 cm土壤容重较CK显著降低(P < 0.05)，但其他处理与CK间无显著差异(P > 0.05)。与土壤容重规律相似，相比CK，施用菌渣后0 ~ 10 cm土壤紧实度也有降低趋势(B1处理除外；图 2C)，且S1、S3、B2和B3处理与CK间差异达显著水平(P < 0.05)；但各处理下10 ~ 20 cm土壤容重无明显变化趋势(P > 0.05)。
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(图中误差线代表标准误(n = 3)；不同小写字母表示各土层下 不同处理间存在显著差异(P < 0.05)) 图 2 不同处理0 ~ 10及10 ~ 20 cm土壤有机质(A)、容重(B)及紧实度(C)变化 Fig. 2 Soil organic matter contents (A), bulk densities (B), and compactness (C) of 0-10 cm and 10-20 cm depths under different treatments |
相比CK，施用秸秆质菌渣和木质菌渣均显著(P < 0.05)增加小麦苗期总根长(47.9% ~ 78.4%)和总根表面积(68.9% ~ 96.9%；表 2)，其中B1处理对总根长的提升效果最明显，B2处理下的总根表面积最高。菌渣施用也有增加根系总体积的趋势，相比CK其增加比例为68.7% ~ 135.7%，且除S2处理外差异均达到显著水平(P < 0.05)。施用菌渣后小麦根尖数较CK增加了64.7% ~ 128.1%，其中B3处理增加最为显著(P < 0.05)；根系分叉数较CK增加了51.7% ~ 124.2%，其中B3处理增加最为显著(P < 0.05)。施用菌渣对小麦根系平均直径没有显著影响(P > 0.05)。两种菌渣类型间小麦根系形态指标亦无显著差异(P > 0.05)。
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表 2 不同处理下小麦根系形态指标差异 Table 2 Wheat root traits under different treatments |
不同根系直径范围下的根长、根表面积、根尖数如图 3所示。小麦苗期根系中，0 ~ 0.5 mm直径范围内的根长最长(1 150 ~ 1 759 cm)，占苗期总根长的约80%。直径0 ~ 0.5 mm和0.5 ~ 1.0 mm范围内的根表面积较高(45.77 ~ 100.76 cm2)，同样占根系总表面积的约80%。各处理下0.5 ~ 1.0 mm根直径范围内的根体积最大(0.77 ~ 1.61 cm3)，而后随根直径的降低，根体积也呈降低趋势。不同直径范围下根尖数的变化规律与根长相似，根尖数较多的根系大多集中在0 ~ 0.5 mm直径范围内(根尖数为3 733 ~ 6 709)，占总根尖数的98%。然而各处理在不同根直径范围下的根长、根表面积、根体积和根尖数均无显著差异(P > 0.05)。
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(误差线代表2019年监测结果平均值的标准误(n = 3)) 图 3 不同处理不同根系直径范围根系形态指标的组成 Fig. 3 Root morphological traits of different root diameter ranges under different treatments |
B3处理下的小麦根系干物质量最高(0.70 g/株)，且显著(P < 0.05)高于其他处理(表 3)。施用菌渣后根系比根长有增加趋势(B3处理除外)，其中S3处理增加幅度最高(63.0%)，且显著高于CK(P < 0.05)。各处理中，B3处理的根组织密度最高(3.80 mg/cm3)；但其余菌渣施用处理的根组织密度均低于CK，且除B1处理外，与CK间差异均达到显著水平(P < 0.05)。
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表 3 不同处理小麦根系干物质量、比根长及根组织密度 Table 3 Wheat root dry mass, specific root lengths, and root tissue densities under different treatments |
菌渣施用量与小麦产量呈显著正相关关系(P < 0.05；表 4)，表明菌渣施用显著促进小麦产量。菌渣施用量与0 ~ 10 cm及10 ~ 20 cm土壤有机质含量也呈正相关关系，但相关性未达显著水平(P > 0.05)。菌渣施用量与0 ~ 10 cm土壤容重及紧实度均呈显著负相关关系(P < 0.05)，但与10 ~ 20 cm土壤容重及紧实度间相关关系不显著(P > 0.05)。
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表 4 小麦产量、菌渣施用量、根系生长指标、土壤物理属性之间相关性 Table 4 Correlation between wheat yield, mushroom residues application rate, root morphological traits, soil physical properties |
除比根长外，小麦产量与根系生长指标间均呈正相关关系，且与总根表面积、根尖数、根系分叉数和根系干物质量间的相关性达显著水平(P < 0.05；表 4)。除根组织密度外，菌渣施用量与其他根系生长指标均呈正相关关系，但相关性未达显著水平(P > 0.05)。除根平均直径和根组织密度外，其余根系生长指标均与0 ~ 10 cm土壤有机质含量呈正相关关系，且总根长、根系分叉数与0 ~ 10 cm有机质含量间相关性达显著水平(P < 0.05)；但各根系生长指标与10 ~ 20 cm土壤有机质含量无显著相关性(P > 0.05)。除根组织密度外，各根系生长指标均与0 ~ 10 cm土壤容重呈负相关关系，且根系总体积、根系分叉数与0 ~ 10 cm土壤容重间相关性达显著水平(P < 0.05)；除根尖数和比根长外，各根系生长指标与10 ~ 20 cm土壤容重也呈负相关关系，但相关性未达显著水平(P > 0.05)。除总根长、根系分叉数和比根长外，各根系生长指标均与土壤紧实度呈负相关关系，且根系干物质量与10 ~ 20 cm土壤紧实度间相关性达显著水平(P < 0.05)。
根系生长指标及产量与其菌渣施用量、土壤有机质含量、容重和紧实度等指标间的逐步回归分析如表 5所示。菌渣施用量显著影响小麦产量(P < 0.01)，可以解释72% 的产量变异，且每施用1 t/hm2的菌渣，产量可提升0.21 t/hm2。土壤有机质含量可解释21% 的总根长变异(P < 0.05)，根据逐步回归方程可得出，提升1 g/kg的有机质含量可增加总根长260 m/株。0 ~ 10 cm土壤容重可解释20% 的根系体积变异，降低1 g/cm3的土壤容重可增加0.33 cm3的根系体积。根系分叉数也可用土壤有机质含量解释(R2= 0.28；P < 0.05)，有机质上升1 g/kg，根系分叉数增加约277个。根系干物质量则受菌渣施用量影响显著(R2= 0.28；P < 0.05)。
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表 5 小麦产量及根系生长指标与其影响因素的的逐步回归分析 Table 5 Stepwise regression analysis of wheat yield with root morphological traits and soil physical properties |
前人在华北集约化高产农田的研究发现，施用菌渣可显著提高小麦产量4.7% ~ 69.64%[11, 17]。但针对黄河故道区低产田，关于菌渣投入对作物生产力提升效果的研究较少。本研究结果显示，相比不施菌渣处理，施用菌渣后第1年和第2年的小麦产量分别增加了32.4% ~ 51.8% 和38.8% ~ 101.2%(P < 0.05；图 1A)，增产效果显著。本试验条件下，随菌渣施用量的增加，小麦产量呈增加趋势(图 1A)，同时，逐步回归结果显示，每施用1 t/hm2的菌渣，可提升0.21 t/hm2的小麦产量(P < 0.01；表 5)。这表明在产量水平较低的黄河故道区，可通过增施菌渣来快速提升作物产量。黄河故道区土壤有机质含量低，且质地较砂，施用化肥后易产生氮素的淋溶和径流损失[18]，不利于作物高产。菌渣的C/N比较高(62.8 ~ 77.7)，施用后有利于微生物对土壤氮素的固持，起到“保肥”作用，提高氮肥利用率和作物产量[19]。本研究中，相同施用量下，菌渣类型对小麦产量无显著影响，可能是由于秸秆质菌渣和木质菌渣理化性质较相近，且施用年限较短[20-21]所致。经济效益分析发现，S3处理下的小麦产量(7.99 t/hm2)和经济效益(8 838元/hm2)在各处理中均为最高(图 1)，表明在黄河故道区将秸秆质菌渣按18 t/hm2水平还田可获得较高农学和经济效益。
3.2 菌渣施用对土壤有机质含量的影响有机质含量是土壤肥力的重要指标。Han等[20]通过整合全国68个长期定位试验结果进行的meta分析表明，土壤有机质含量与作物产量呈极显著正相关，每增加1 g/kg的土壤有机质可提升作物年产量238 kg/hm2。本研究土壤基础有机质含量仅为4.41 g/kg，显著低于我国耕层土壤(0 ~ 20 cm)有机质平均水平(20.69 ~ 21.89 g/kg[22])，是限制该地区作物产量的主要因子之一。本研究结果显示，施用菌渣2年后，0 ~ 10 cm土壤有机质显著提升24.7% ~ 57.7%(P < 0.05；图 2A)，且土壤有机质含量与小麦产量均呈正相关关系(表 4)，因此，菌渣施用下土壤有机质水平的提升是小麦产量增加的重要途径。无论施用秸秆质菌渣或木质菌渣，土壤有机质含量均在12 t/hm2菌渣施用水平下达到最高，继续增加施用量土壤有机质反而呈降低趋势(图 2A)。这可能是由于随着菌渣施用量的增加，新添加的碳源对原土有机质分解的激发效应加强，导致18 t/hm2施用水平下的总有机碳累积较12 t/hm2水平低[23]。
3.3 菌渣施用对土壤物理特性和根系生长的影响黄河故道区土壤高砂低黏，其较高的土壤机械阻力是限制作物根系生长和产量形成的关键因素之一[24]。前人研究表明，施用有机物料对土壤物理特性的改善和作物根系的建成有显著促进作用[25]。本试验结果显示，菌渣施用量分别可以解释0 ~ 10 cm土壤容重和紧实度总变异的31.4% 和51.8% (P < 0.05；表 4)，且相比CK，施用菌渣后0 ~ 10 cm土壤容重显著降低了11.6% ~ 18.2%，紧实度显著降低了20.8% ~ 35.7%(P < 0.05；B1处理除外；图 2)，说明施用菌渣可显著降低土壤机械阻力。
本研究通过对两个小麦生长季的根系生长指标进行监测发现，菌渣施用对根系总根长、总表面积、总体积和分叉数的增加有显著的促进作用(P < 0.05)；但除B3处理外，施用菌渣处理下的根系平均直径及根系干物质量与CK无显著差异(P > 0.05)，因此其比根长较CK呈增加趋势(表 2和表 3)、根组织密度呈降低趋势(表 3)。与本试验结果类似，Keeling等[26]的研究也发现，有机物料施用未显著影响小麦根系干物质积累量。该结果说明菌渣的施用主要促进根系分叉，增加单位根系干物质量下的根长[27]。小麦产量与根系形态指标均呈正相关关系，且小麦苗期的根系总表面积、平均直径、总体积、根尖数、分叉数和根系干物质量与0 ~ 10 cm土壤容重和紧实度均呈负相关(表 4)。因此可以认为菌渣施用后土壤表层容重和紧实度的降低是促进小麦苗期根系生长，增加产量的重要因素[28]。此外，菌渣施用后土壤孔隙度增加[29]、保水保肥能力增强[30]，为根系生长创造的水、肥、气、热协调的耕层结构也可能是促进小麦苗期根系生长的重要原因[3]。
4 结论本研究通过两季小麦田间试验发现，在土壤肥力水平较低的黄河故道区，施用菌渣可显著提升小麦产量39.0% ~ 63.3%(P < 0.05)，且每施用1 t/hm2的菌渣，小麦产量增加0.21 t/hm2(P < 0.01)。施用秸秆质菌渣18 t/hm2可获得最高农学和经济效益。施用菌渣2年后，土壤理化性质显著改善，0 ~ 10 cm土壤有机质含量显著提升24.7% ~ 57.7%(P < 0.05)，0 ~ 10 cm土壤容重和紧实度分别显著降低11.6% ~ 18.2%、20.8% ~ 35.7%(P < 0.05；B1处理除外)。施用菌渣有利于小麦苗期根系的建成，对根系总根长、总表面积、总体积和分叉数的增加有显著的促进作用(P < 0.05)。本研究结果表明，在土壤有机质含量低，物理结构较差的黄河故道区低产田，施用菌渣是改善该地区土壤物理特性，促进作物根系生长，快速提升作物产量，增加经济效益的有效手段。
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2. College of the Environment and Safety Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang, Jiangsu 212013, China;
3. College of Agricultural Equipment Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang, Jiangsu 212013, China