我国秸秆资源丰富, 近年来秸秆年均产量高达9亿t, 约占全球总产量的30% 左右^[1]。秸秆还田作为其综合利用的主要方式, 既能缓解土壤退化、提高土壤肥力水平、改善土壤理化性质、增加作物产量、提升蓄水保墒能力^[2-3], 又可减轻焚烧、堆积对生态环境的负面影响, 是实现秸秆资源高效利用和农业绿色可持续发展的有效措施^[4-5]。

科学合理的秸秆还田技术是发挥秸秆养分潜力的基础^[6]。当前, 我国秸秆还田主要有粉碎还田、过腹还田和炭化还田3种方式^[2]。粉碎还田是最为常见的秸秆利用途径, 可显著提高土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾等养分含量, 增加土壤孔隙度, 降低土壤容重^[7-8], 但存在分解缓慢、化感物质积累、病虫害加重等风险^[9]。秸秆过腹还田是指将秸秆作为饲料饲喂家禽, 产生的粪便经处理后转化为有机肥还田, 过腹还田可有效避免上述问题, 但用量较大, 施肥成本较高, 长期施用条件下存在土壤重金属累积风险^[10]。近年来, 秸秆炭化还田作为新型秸秆还田方式日益受关注。研究认为, 秸秆炭化还田在土壤改良、增产培肥等方面优势突出^[11-12], 是生态系统极具潜力的秸秆资源利用方式^[13]。

目前, 秸秆主要还田方式(粉碎还田、过腹还田、炭化还田)对作物产量、耕地质量的影响均有报道, 但较少涉及秸秆还田方式效应效果的比较研究; 此外, 我国农业发展已经由单纯的追求产量逐步向“量质并重”发展, 但以往的研究主要集中在秸秆还田对作物产量的影响, 关于对营养成分、生物活性物质和抗氧化能力等品质指标方面影响的探索相对较少。因此, 本研究基于田间试验, 采用等养分试验设计比较了秸秆还田方式对耕地质量、作物产量及品质的影响, 以期为秸秆还田最佳方式的筛选提供参考。

1 材料与方法 1.1 试验区概况

试验时间为2021年, 试验地点位于浙江大学农业科学试验站长兴分站(119°38′25″E, 30°53′45″N)。该地区属于亚热带季风气候, 年均气温12 ~ 17 ℃, 年日照时数1 613 ~ 2 430 mm, 种植模式为稻-菜轮作。供试土壤类型为潮土, 耕层土壤(0 ~ 20 cm)pH为5.99, 有机质含量为20.08 g/kg, 土壤全氮、全磷和全钾含量分别为2.95、0.39和3.45 g/kg。

1.2 田间试验设计

采用等养分田间试验, 设置无秸秆还田(CK)、粉碎还田(SC)、过腹还田(SM)、炭化还田(SB)、粉碎还田+过腹还田(SC+SM)、粉碎还田+炭化还田(SC+SB)、过腹还田+炭化还田(SM+SB)共7个处理, 每个处理3次重复; 各处理随机排列, 每个试验小区面积6.84 m²(3.6 m×1.9 m)。其中, SC处理秸秆用量为4 500 kg/hm²; 根据秸秆用量一致原则, 确定SM处理秸秆有机肥用量为2 475 kg/hm²(秸秆过腹转化系数约为0.55)^[14], SB处理秸秆生物质炭用量为1 500 kg/hm²(水稻秸秆炭化转化系数按1/3计)^[15]; 组合处理中秸秆还田量翻倍, 即SC+SM处理为4 500 kg/hm²秸秆和2 475 kg/hm²秸秆有机肥, SC+SB处理为4 500 kg/hm²秸秆和1 500 kg/hm²秸秆生物质炭, SM+SB处理为2 475 kg/hm²秸秆有机肥和1 500 kg/hm²秸秆生物质炭。播种前7 d, 秸秆、有机肥和生物质炭均匀撒施, 并翻耕入土。不同秸秆还田方式所用物料养分含量见表 1。

供试萝卜(Raphanus sativus L.)品种为“枇杷叶”, 购自浙江省种子公司。萝卜常规产量约30 000 kg/hm², 以此确定N、P₂O₅和K₂O用量分别为360、120和240 kg/hm²。秸秆、秸秆有机肥、秸秆生物质炭按设计量还田, 其他N、P₂O₅和K₂O养分均由化肥提供, 且保证7种不同处理间养分供应量相同。供试化肥为尿素(N 46%)、钙镁磷肥(P₂O₅ 15%)和氯化钾(K₂O 60%), 播种前7 d施用钙镁磷肥和氯化钾, 播种前施用尿素, 肥料全部做基肥, 不追肥。萝卜株行距为5 cm × 8 cm, 田间管理方式按照当地萝卜常规生产技术标准统一执行。

1.3 样品采集与分析

成熟前各处理选取5株萝卜叶片, 在叶片相同部位测定叶绿素相对含量SPAD值; 成熟期各处理选取长势均匀的3株萝卜冲洗干净后擦干水分, 分别测定肉质根(可食用部分)鲜物质量和地上部生物量, 各处理数值以平均值表示。成熟期测定萝卜肉质根硝酸盐、维生素C、可溶性糖、可溶性蛋白、总酚和类黄酮含量。采收后, 五点采样法收集各处理0 ~ 20 cm耕层土壤, 常温避光风干并去除杂物和植物残体后过2 mm筛用于测定土壤pH以及土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾含量。

硝酸盐含量采用水杨酸法测定, 维生素C含量采用2, 6-二氯靛酚法测定, 可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定, 可溶性蛋白含量采用Bradford法测定, 总酚含量采用Folin-Ciocalteu法测定, 类黄酮含量采用检测试剂盒法测定, 抗氧化能力采用DPPH和FRAP法测定, 叶片SPAD值采用叶绿素测定仪(SPAD-502)测定; 土壤pH采用电位计法测定, 土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法测定, 全氮含量采用凯氏定氮法测定, 有效磷含量采用钼锑抗比色法测定, 速效钾含量采用火焰光度计法测定^[16]。

1.4 数据统计分析

采用DPS 2000软件进行方差分析(ANVOA)和统计分析, 处理间显著性差异采用Duncan’s新复极差法进行检验(P < 0.05), 采用Origin 8.5软件进行制图。

2 结果与分析 2.1 秸秆还田方式对土壤理化性质的影响

分析萝卜采收后各处理土壤理化性质指标, 结果如表 2所示, 不同秸秆还田方式均显著提高了土壤有机质和全氮含量, 分别较CK处理增加了5.84% ~ 10.80% 和4.17% ~ 8.97%(P < 0.05), 但对土壤pH和有效磷含量无影响(P > 0.05); 不同秸秆还田方式对土壤速效钾含量的影响不同, SC、SM和SB 3种秸秆单一还田方式不影响土壤速效钾含量, 而SC+SM、SC+SB和SM+SB 3种秸秆组合还田方式显著提高了土壤速效钾含量, 分别较CK提高17.39%、14.79% 和13.17%。

2.2 秸秆还田方式对萝卜生物量和SPAD值的影响

由表 3可知, 不同秸秆还田方式对萝卜肉质根鲜物质量的影响不同, 除SC+SM处理肉质根鲜物质量显著低于CK外, 其他秸秆还田方式均显著提高了肉质根鲜物质量(P < 0.05), 提高幅度为10.24% ~ 18.54%。萝卜地上部生物量测定结果显示, 除SC+SM处理地上部生物量显著低于CK, 其他处理地上部生物量与CK均无差异(P > 0.05)。植物叶片SPAD值可间接反映植物叶绿素相对含量高低和光合作用水平, 是评价植物长势的有效指标。结果表明, 除SC+SM处理萝卜叶片SPAD值显著低于CK外, 其他秸秆还田方式叶片SPAD值显著高于CK(提高4.25% ~ 8.01%, P < 0.05), 表现出不同程度的生长优势。

2.3 秸秆还田方式对萝卜硝酸盐含量的影响

蔬菜硝酸盐含量是影响人体健康的重要因素^[17], 施肥是调节蔬菜硝酸盐含量的有效措施^[18]。由图 1可知, 秸秆还田处理均显著降低了萝卜硝酸盐含量, 其中秸秆还田组合处理(SC+SM、SC+SB、SM+SB)萝卜硝酸盐含量最低, 分别较CK降低36.04%、38.83% 和40.63%; SC、SM和SB等3种单一秸秆还田处理硝酸盐含量次之, 分别较CK降低15.15%、22.58% 和22.32%。

2.4 秸秆还田方式对萝卜品质的影响

维生素C、可溶性糖和可溶性蛋白含量是衡量作物营养品质的重要指标, 其含量高低决定蔬菜营养价值, 而总酚和类黄酮等活性物质具有抗氧化等生理保健功能, 共同影响蔬菜的品质及其商品价值。由图 2A ~ 2C可见, 秸秆还田显著提高了萝卜肉质根维生素C、可溶性糖和可溶性蛋白含量, 分别较CK提高了48.65% ~ 64.38%、13.42% ~ 23.93% 和16.61% ~ 56.09%(P < 0.05); 不同秸秆还田处理间萝卜肉质根维生素C和可溶性糖含量无差异, 但秸秆组合还田处理(SC+SM、SC+SB和SM+SB)可溶性蛋白含量显著高于秸秆单一还田处理(SC、SM和SB)(P < 0.05)。由图 2D、2E可知, 秸秆还田提高了萝卜中总酚和类黄酮含量, 较CK处理分别显著提高了28.26% ~ 37.90% 和23.04% ~ 36.96%(P < 0.05), 但不同秸秆处理间差异均不显著(P > 0.05)。

2.5 秸秆还田方式对萝卜抗氧化能力的影响

摄取实物中的天然抗氧化物质是提升人体抗氧化能力的重要途径^[19]。DPPH和FRAP值是表征抗氧化能力的有效方式, DPPH可反映自由基清除能力, FRAP值常用来反映样品总抗氧化能力。秸秆还田显著影响萝卜FRAP值, 6种秸秆还田处理FRAP值较CK提高27.40% ~ 44.23%(P < 0.05); 但处理间DPPH值不同, 其中SM、SC+SM、SC+SB和SM+SB等4种秸秆还田模式萝卜DPPH值显著高于CK, SC和SB处理萝卜DPPH值与CK接近。

3 讨论

秸秆是农田土壤有机质的重要来源, 前人研究发现, 秸秆粉碎还田、过腹还田及炭化还田均可有效提高土壤有机质含量^[20-21]。但也有研究认为大量秸秆直接还田时, 短时间内无法腐烂分解成为有机质, 易造成耕作障碍、发芽率降低、病虫害增加等一系列负面影响^[22]。为实现秸秆资源合理利用, 本文探讨了不同秸秆还田方式对土壤质量和作物生长的影响。研究结果发现, 秸秆粉碎还田、过腹还田、炭化还田及不同组合还田处理下, 土壤有机质含量均显著高于无秸秆还田, 主要是由于秸秆粉碎或过腹还田后促进了土壤微生物大量繁殖, 形成土壤微生物活动层, 加速了对有机态养分的分解, 进而提高了土壤有机质含量^[23]。秸秆炭化还田是粉碎还田和过腹还田的有效补充, 一方面秸秆生物质炭吸附土壤有机分子, 并通过催化活性促进有机小分子聚合形成土壤有机质^[24]; 另一方面秸秆炭具有疏松多孔的结构, 为土壤微生物栖息、生长和繁殖提供了重要场所, 进而促进了土壤有机物质的分解和土壤有机质的形成^[25]。

秸秆中含有大量氮、磷、钾等营养元素, 可有效提高土壤养分指标^{[14, 20]}。本研究发现, 不同秸秆还田方式土壤全氮含量均显著高于对照, 但有效磷含量与对照接近, 主要是由于磷素养分总投入为120 kg/hm², 仅为氮肥的1/3、钾肥的1/2, 磷素不仅投入总量相对较低, 且磷肥施入土壤后大部分(90% 以上)以难溶态形式存在, 仅有少量为有效磷, 因此, 土壤养分检测数据显示不同处理间土壤有效磷含量无差异。土壤速效钾含量的高低与秸秆还田方式有关(表 2), 秸秆还田后养分的释放主要依靠微生物分解作用, 秸秆为微生物提供养分并对土壤微生物群落演替起到一定的定向选择功能^[26-27], 可能导致部分分解固定钾元素的微生物在秸秆组合还田方式中活性更强, 因而秸秆组合还田方式在土壤速效钾增加效果方面更为显著。此外, 组合还田对微生物的生长也有较好的促进作用, 也可能是速效钾增加的又一重要因素。秸秆还田处理下土壤pH出现微弱降低趋势, 可能主要是由于秸秆还田提高了土壤微生物数量和活性, 导致大量有机酸的产生所致, 这与刘美艳^[28]的研究结果一致。

早期, 曾木祥等^[29]对全国19个省市107份秸秆还田试验进行归纳发现秸秆直接还田有较好的增产效果, 秸秆过腹还田可提高小麦-玉米轮作体系作物的产量水平^[14], 而秸秆炭化还田也有利于作物产量的增加^[30]。本研究发现, 在养分供应一致条件下, 粉碎还田+过腹还田处理萝卜生物量显著低于对照, 其他秸秆还田处理下萝卜生物量均显著高于对照, 可能是由于上述秸秆还田方式增加了土壤有机质、全氮等植物生长必需元素的含量(表 2), 提高了叶绿素相对含量水平(表 3), 促进叶片的光合作用, 进而提高了萝卜产量。秸秆粉碎还田+过腹还田处理萝卜产量不增反降, 一方面可能是由于还田生物量较大, 耕层土壤间隙大, 影响了萝卜种子生根发芽; 另一方面大量的秸秆和过腹有机肥均需要微生物分解, 而微生物在高速代谢和大量繁殖过程中必然与作物争夺氮源, 影响萝卜长势和产量。

硝酸盐是致癌物亚硝胺的前体, 易引发肠胃癌等疾病, 其含量的高低是衡量蔬菜品质的重要指标^[31]。本研究发现, 秸秆炭化还田处理萝卜硝酸盐含量降低20% 以上, 这与前人在菠菜、番茄、辣椒等蔬菜上的研究结果基本一致^[32-34]。这可能是由于生物质炭具有丰富孔隙结构和较高电荷密度, 能够固持、缓释土壤部分有效态氮, 减少根系附近硝态氮的积累, 降低硝态氮的吸收, 进而降低植物体硝酸盐的合成和积累^[35]。此外, 其他不同秸秆还田方式也可降低萝卜肉质根硝酸盐含量, 主要是由于秸秆在微生物作用下转化成有机物质, 而大量田间试验证实有机物质具有降低硝酸盐含量的作用^[36]。

维生素C、可溶性糖、可溶性蛋白、总酚和类黄酮含量是衡量蔬菜品质的重要指标, 前人研究发现添加生物质炭可提高小白菜、菠菜等蔬菜维生素C、可溶性糖和可溶性蛋白的含量^{[33, 37]}, 施用有机肥生菜维生素C、可溶性蛋白及可溶性糖含量分别提高30%、20% 和18%^[35]。本研究发现, 不同秸秆还田方式均有效提高了萝卜可食部位维生素C、可溶性糖、可溶性蛋白、总酚和类黄酮含量, 这可能是由于还田物质富含有机碳和作物生长所需的营养元素(表 1), 其输入可提高土壤养分含量(表 3), 进而促进植株体内营养物质和功能性活性物质的合成和积累, 并直接或间接提高作物的抗氧化能力。

DPPH和FRAP是体外评价活性物质抗氧化能力的常用方法, 前人研究发现有机无机配施可提高作物抗氧化能力和自由基清除能力^[38], 50% 的有机肥配施50% 的化肥具有最佳的抗氧化成分积累效果^[39]。本研究发现, 秸秆还田处理均有效提高了萝卜可食部位FRAP值, 但秸秆粉碎还田和炭化还田处理下DPPH值与对照相比差异不显著, 可能是由于粉碎还田和炭化还田有机肥替代比例不高, 低剂量的有机肥配施化肥对萝卜可食部位DPPH值的影响不大。

4 结论

秸秆粉碎还田、过腹还田、炭化还田、粉碎+炭化还田、过腹+炭化还田等5种秸秆还田方式均表现出较好的地力培肥、产量提升、品质改善效果, 其中粉碎+炭化还田、过腹+炭化还田在降低硝酸盐积累、提升可溶性蛋白含量方面表现尤为突出, 但鉴于秸秆粉碎还田+炭化还田、过腹还田+炭化还田2种秸秆组合还田模式操作较为繁琐, 可用于根菜、叶菜等硝酸盐高积累型蔬菜的生产, 其他蔬菜的生产可采用简便易操作的粉碎还田、过腹还田及炭化还田模式。