秸稈還田方式對土壤質量和蘿卜產量及品質的影響①

劉曉霞，楊 東

秸稈還田方式對土壤質量和蘿卜產量及品質的影響①

劉曉霞1，楊 東2*

(1 浙江省耕地質量與肥料管理總站，杭州 310020；2 浙江省農業科學院農產品質量安全與營養研究所，農產品質量安全危害因子與風險防控國家重點實驗室，杭州 310021)

本文以蘿卜(品種為枇杷葉)為研究對象，采用田間試驗探究了無秸稈還田(CK)，秸稈粉碎還田(SC)、過腹還田(SM)、炭化還田(SB)、粉碎+過腹還田(SC+SM)、粉碎+炭化還田(SC+SB)、過腹+炭化還田(SM+SB)對土壤理化性質和蘿卜產量及品質的影響。結果表明，6種秸稈還田方式均顯著提高了土壤有機質和全氮含量，但對土壤速效鉀含量的影響不同，其中SC、SM和SB 3種還田方式不影響土壤速效鉀含量，而SC+SM、SC+SB和SM+SB 3種秸稈組合還田方式顯著提高了土壤速效鉀含量；不同秸稈還田方式對蘿卜生物量和葉片葉綠素相對含量(SPAD值)的影響不同，除SC+SM處理蘿卜肉質根鮮物質量、葉片SPAD值顯著低于對照外，其他秸稈還田處理蘿卜肉質根鮮物重量和葉片SPAD值均顯著高于對照；秸稈還田處理蘿卜品質較對照顯著提升，6種秸稈還田處理蘿卜維生素C、可溶性糖、總酚、類黃酮含量均顯著高于對照，且不同還田方式間無差異；秸稈還田還顯著降低了蘿卜硝酸鹽含量，提高了可溶性蛋白含量，其中SC+SM、SC+SB和SM+SB 3種秸稈組合還田處理表現突出，硝酸鹽含量降低36.04% ～ 40.63%，可溶性蛋白含量提升41.70% ～ 56.11%；SC、SM和SB處理次之，硝酸鹽含量降低15.15% ～ 22.58%，可溶性蛋白含量提升16.61% ～ 25.11%；6種秸稈還田方式下蘿卜鐵離子還原能力(FRAP)顯著高于對照，但1，1-二苯基-2-三硝基苯肼自由基清除能力(DPPH)不同，其中SM、SC+SM、SC+SB和SM+SB處理蘿卜DPPH值顯著高于對照，SC和SB處理蘿卜DPPH值與對照接近。綜上所述，除SC+SM處理降低了蘿卜產量外，SC、SM、SB、SC+SB、SM+SB等5個秸稈還田處理均提高了土壤肥力和作物產量、改善了產品品質，其中SC+SB、SM+SB在降低蘿卜硝酸鹽含量方面表現尤為突出?？紤]到操作的難易程度，常規蔬菜生產中建議采用秸稈粉碎還田、過腹還田、炭化還田3種方式，種植根菜、葉菜等硝酸鹽高積累型蔬菜時建議采用粉碎+炭化還田、過腹+炭化還田2種秸稈組合還田模式。

秸稈還田；土壤質量；蘿卜產量；品質

我國秸稈資源豐富，近年來秸稈年均產量高達9億t，占全球總產量的30% 左右[1]。秸稈還田作為其綜合利用的主要方式，既能緩解土壤退化、提高土壤肥力水平、改善土壤理化性質、增加作物產量、提升蓄水保墑能力[2-3]，又可減輕焚燒、堆積對生態環境的負面影響，是實現秸稈資源高效利用和農業綠色可持續發展的有效措施[4-5]。

科學合理的秸稈還田技術是發揮秸稈養分潛力的基礎[6]。當前，我國秸稈還田主要有粉碎還田、過腹還田和炭化還田3種方式[2]。粉碎還田是最為常見的秸稈利用途徑，可顯著提高土壤有機質、全氮、有效磷、速效鉀等養分含量，增加土壤孔隙度，降低土壤容重[7-8]，但存在分解緩慢、化感物質積累、病蟲害加重等風險[9]。秸稈過腹還田是指將秸稈作為飼料飼喂家禽，產生的糞便經處理后轉化為有機肥還田，過腹還田可有效避免上述問題，但用量較大，施肥成本較高，長期施用條件下存在土壤重金屬累積風險[10]。近年來，秸稈炭化還田作為新型秸稈還田方式日益受關注。研究認為，秸稈炭化還田在土壤改良、增產培肥等方面優勢突出[11-12]，是生態系統極具潛力的秸稈資源利用方式[13]。

目前，秸稈主要還田方式(粉碎還田、過腹還田、炭化還田)對作物產量、耕地質量的影響均有報道，但較少涉及秸稈還田方式效應效果的比較研究；此外，我國農業發展已經由單純的追求產量逐步向“量質并重”發展，但以往的研究主要集中在秸稈還田對作物產量的影響，關于對營養成分、生物活性物質和抗氧化能力等品質指標方面影響的探索相對較少。因此，本研究基于田間試驗，采用等養分試驗設計比較了秸稈還田方式對耕地質量、作物產量及品質的影響，以期為秸稈還田最佳方式的篩選提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗時間為2021年，試驗地點位于浙江大學農業科學試驗站長興分站(119°38′25″E，30°53′45″N)。該地區屬于亞熱帶季風氣候，年均氣溫12 ～ 17 ℃，年日照時數1 613 ～ 2 430 mm，種植模式為稻-菜輪作。供試土壤類型為潮土，耕層土壤(0 ～ 20 cm)pH為5.99，有機質含量為20.08 g/kg，土壤全氮、全磷和全鉀含量分別為2.95、0.39和3.45 g/kg。

1.2 田間試驗設計

采用等養分田間試驗，設置無秸稈還田(CK)、粉碎還田(SC)、過腹還田(SM)、炭化還田(SB)、粉碎還田+過腹還田(SC+SM)、粉碎還田+炭化還田(SC+SB)、過腹還田+炭化還田(SM+SB)共7個處理，每個處理3次重復；各處理隨機排列，每個試驗小區面積6.84 m2(3.6 m×1.9 m)。其中，SC處理秸稈用量為4 500 kg/hm2；根據秸稈用量一致原則，確定SM處理秸稈有機肥用量為2 475 kg/hm2(秸稈過腹轉化系數約為0.55)[14]，SB處理秸稈生物質炭用量為1 500 kg/hm2(水稻秸稈炭化轉化系數按1/3計)[15]；組合處理中秸稈還田量翻倍，即SC+SM處理為4 500 kg/hm2秸稈和2 475 kg/hm2秸稈有機肥，SC+SB處理為4 500 kg/hm2秸稈和1 500 kg/hm2秸稈生物質炭，SM+SB處理為2 475 kg/hm2秸稈有機肥和1 500 kg/hm2秸稈生物質炭。播種前7 d，秸稈、有機肥和生物質炭均勻撒施，并翻耕入土。不同秸稈還田方式所用物料養分含量見表1。

供試蘿卜 (L.)品種為“枇杷葉”，購自浙江省種子公司。蘿卜常規產量約30 000 kg/hm2，以此確定N、P2O5和K2O用量分別為360、120和240 kg/hm2。秸稈、秸稈有機肥、秸稈生物質炭按設計量還田，其他N、P2O5和K2O養分均由化肥提供，且保證7種不同處理間養分供應量相同。供試化肥為尿素(N 46%)、鈣鎂磷肥(P2O515%)和氯化鉀(K2O 60%)，播種前7 d施用鈣鎂磷肥和氯化鉀，播種前施用尿素，肥料全部做基肥，不追肥。蘿卜株行距為5 cm × 8 cm，田間管理方式按照當地蘿卜常規生產技術標準統一執行。

表1 供試材料基本養分含量

1.3 樣品采集與分析

成熟前各處理選取5株蘿卜葉片，在葉片相同部位測定葉綠素相對含量SPAD 值；成熟期各處理選取長勢均勻的3株蘿卜沖洗干凈后擦干水分，分別測定肉質根(可食用部分)鮮物質量和地上部生物量，各處理數值以平均值表示。成熟期測定蘿卜肉質根硝酸鹽、維生素C、可溶性糖、可溶性蛋白、總酚和類黃酮含量。采收后，五點采樣法收集各處理0 ～ 20 cm耕層土壤，常溫避光風干并去除雜物和植物殘體后過2 mm篩用于測定土壤pH以及土壤有機質、全氮、有效磷、速效鉀含量。

硝酸鹽含量采用水楊酸法測定，維生素C含量采用2,6-二氯靛酚法測定，可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定，可溶性蛋白含量采用Bradford法測定，總酚含量采用Folin-Ciocalteu法測定，類黃酮含量采用檢測試劑盒法測定，抗氧化能力采用DPPH和FRAP法測定，葉片SPAD值采用葉綠素測定儀(SPAD-502)測定；土壤pH采用電位計法測定，土壤有機質含量采用重鉻酸鉀容量法測定，全氮含量采用凱氏定氮法測定，有效磷含量采用鉬銻抗比色法測定，速效鉀含量采用火焰光度計法測定[16]。

1.4 數據統計分析

采用DPS 2000軟件進行方差分析(ANVOA)和統計分析，處理間顯著性差異采用Duncan’s新復極差法進行檢驗(<0.05)，采用Origin 8.5軟件進行制圖。

2 結果與分析

2.1 秸稈還田方式對土壤理化性質的影響

分析蘿卜采收后各處理土壤理化性質指標，結果如表2所示，不同秸稈還田方式均顯著提高了土壤有機質和全氮含量，分別較CK處理增加了5.84% ～ 10.80% 和4.17% ～ 8.97%(<0.05)，但對土壤pH和有效磷含量無影響(0.05)；不同秸稈還田方式對土壤速效鉀含量的影響不同，SC、SM和SB 3種秸稈單一還田方式不影響土壤速效鉀含量，而SC+SM、SC+SB和SM+SB 3種秸稈組合還田方式顯著提高了土壤速效鉀含量，分別較CK提高17.39%、14.79% 和13.17%。

表2 秸稈還田方式對土壤pH和養分含量的影響

注：同列數據小寫字母不同表示處理間差異達<0.05顯著水平，下同。

2.2 秸稈還田方式對蘿卜生物量和SPAD值的影響

由表3可知，不同秸稈還田方式對蘿卜肉質根鮮物質量的影響不同，除SC+SM處理肉質根鮮物質量顯著低于CK外，其他秸稈還田方式均顯著提高了肉質根鮮物質量(<0.05)，提高幅度為10.24% ～ 18.54%。蘿卜地上部生物量測定結果顯示，除SC+SM處理地上部生物量顯著低于CK，其他處理地上部生物量與CK均無差異(>0.05)。植物葉片SPAD值可間接反映植物葉綠素相對含量高低和光合作用水平，是評價植物長勢的有效指標。結果表明，除SC+SM處理蘿卜葉片SPAD值顯著低于CK外，其他秸稈還田方式葉片SPAD值顯著高于CK(提高4.25% ～ 8.01%，<0.05)，表現出不同程度的生長優勢。

表3 秸稈還田方式對蘿卜生物量和SPAD值的影響

2.3 秸稈還田方式對蘿卜硝酸鹽含量的影響

蔬菜硝酸鹽含量是影響人體健康的重要因素[17]，施肥是調節蔬菜硝酸鹽含量的有效措施[18]。由圖1可知，秸稈還田處理均顯著降低了蘿卜硝酸鹽含量，其中秸稈還田組合處理(SC+SM、SC+SB、SM+SB)蘿卜硝酸鹽含量最低，分別較CK降低36.04%、38.83% 和40.63%；SC、SM和SB等3種單一秸稈還田處理硝酸鹽含量次之，分別較CK降低15.15%、22.58% 和22.32%。

(圖中小寫字母不同表示處理間差異達P<0.05顯著水平，下同)

2.4 秸稈還田方式對蘿卜品質的影響

維生素C、可溶性糖和可溶性蛋白含量是衡量作物營養品質的重要指標，其含量高低決定蔬菜營養價值，而總酚和類黃酮等活性物質具有抗氧化等生理保健功能，共同影響蔬菜的品質及其商品價值。由圖2A ～ 2C可見，秸稈還田顯著提高了蘿卜肉質根維生素C、可溶性糖和可溶性蛋白含量，分別較CK提高了48.65% ～ 64.38%、13.42% ～ 23.93% 和16.61% ～ 56.09%(<0.05)；不同秸稈還田處理間蘿卜肉質根維生素C和可溶性糖含量無差異，但秸稈組合還田處理(SC+SM、SC+SB和SM+SB)可溶性蛋白含量顯著高于秸稈單一還田處理(SC、SM和SB)(<0.05)。由圖2D、2E可知，秸稈還田提高了蘿卜中總酚和類黃酮含量，較CK處理分別顯著提高了28.26% ～ 37.90% 和23.04% ～ 36.96%(<0.05)，但不同秸稈處理間差異均不顯著(>0.05)。

2.5 秸稈還田方式對蘿卜抗氧化能力的影響

攝取實物中的天然抗氧化物質是提升人體抗氧化能力的重要途徑[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值常用來反映樣品總抗氧化能力。秸稈還田顯著影響蘿卜FRAP值，6種秸稈還田處理FRAP值較CK提高27.40% ～ 44.23%(<0.05)；但處理間DPPH值不同，其中SM、SC+SM、SC+SB和SM+SB等4種秸稈還田模式蘿卜DPPH值顯著高于CK，SC和SB處理蘿卜DPPH值與CK接近(圖3)。

3 討論

秸稈是農田土壤有機質的重要來源，前人研究發現，秸稈粉碎還田、過腹還田及炭化還田均可有效提高土壤有機質含量[20-21]。但也有研究認為大量秸稈直接還田時，短時間內無法腐爛分解成為有機質，易造成耕作障礙、發芽率降低、病蟲害增加等一系列負面影響[22]。為實現秸稈資源合理利用，本文探討了不同秸稈還田方式對土壤質量和作物生長的影響。研究結果發現，秸稈粉碎還田、過腹還田、炭化還田及不同組合還田處理下，土壤有機質含量均顯著高于無秸稈還田，主要是由于秸稈粉碎或過腹還田后促進了土壤微生物大量繁殖，形成土壤微生物活動層，加速了對有機態養分的分解，進而提高了土壤有機質含量[23]。秸稈炭化還田是粉碎還田和過腹還田的有效補充，一方面秸稈生物質炭吸附土壤有機分子，并通過催化活性促進有機小分子聚合形成土壤有機質[24]；另一方面秸稈炭具有疏松多孔的結構，為土壤微生物棲息、生長和繁殖提供了重要場所，進而促進了土壤有機物質的分解和土壤有機質的形成[25]。

(A. 維生素C含量；B. 可溶性糖含量；C. 可溶性蛋白含量；D. 總酚含量；E. 類黃酮含量)

秸稈中含有大量氮、磷、鉀等營養元素，可有效提高土壤養分指標[14，20]。本研究發現，不同秸稈還田方式土壤全氮含量均顯著高于對照，但有效磷含量與對照接近，主要是由于磷素養分總投入為120 kg/hm2，僅為氮肥的1/3、鉀肥的1/2，磷素不僅投入總量相對較低，且磷肥施入土壤后大部分(90% 以上)以難溶態形式存在，僅有少量為有效磷，因此，土壤養分檢測數據顯示不同處理間土壤有效磷含量無差異。土壤速效鉀含量的高低與秸稈還田方式有關(表2)，秸稈還田后養分的釋放主要依靠微生物分解作用，秸稈為微生物提供養分并對土壤微生物群落演替起到一定的定向選擇功能[26-27]，可能導致部分分解固定鉀元素的微生物在秸稈組合還田方式中活性更強，因而秸稈組合還田方式在土壤速效鉀增加效果方面更為顯著。此外，組合還田對微生物的生長也有較好的促進作用，也可能是速效鉀增加的又一重要因素。秸稈還田處理下土壤pH出現微弱降低趨勢，可能主要是由于秸稈還田提高了土壤微生物數量和活性，導致大量有機酸的產生所致，這與劉美艷[28]的研究結果一致。

(A. DPPH值；B. FRAP值)

早期，曾木祥等[29]對全國19個省市107份秸稈還田試驗進行歸納發現秸稈直接還田有較好的增產效果，秸稈過腹還田可提高小麥–玉米輪作體系作物的產量水平[14]，而秸稈炭化還田也有利于作物產量的增加[30]。本研究發現，在養分供應一致條件下，粉碎還田+過腹還田處理蘿卜生物量顯著低于對照，其他秸稈還田處理下蘿卜生物量均顯著高于對照，可能是由于上述秸稈還田方式增加了土壤有機質、全氮等植物生長必需元素的含量(表2)，提高了葉綠素相對含量水平(表3)，促進葉片的光合作用，進而提高了蘿卜產量。秸稈粉碎還田+過腹還田處理蘿卜產量不增反降，一方面可能是由于還田生物量較大，耕層土壤間隙大，影響了蘿卜種子生根發芽；另一方面大量的秸稈和過腹有機肥均需要微生物分解，而微生物在高速代謝和大量繁殖過程中必然與作物爭奪氮源，影響蘿卜長勢和產量。

硝酸鹽是致癌物亞硝胺的前體，易引發腸胃癌等疾病，其含量的高低是衡量蔬菜品質的重要指標[31]。本研究發現，秸稈炭化還田處理蘿卜硝酸鹽含量降低20% 以上，這與前人在菠菜、番茄、辣椒等蔬菜上的研究結果基本一致[32-34]。這可能是由于生物質炭具有豐富孔隙結構和較高電荷密度，能夠固持、緩釋土壤部分有效態氮，減少根系附近硝態氮的積累，降低硝態氮的吸收，進而降低植物體硝酸鹽的合成和積累[35]。此外，其他不同秸稈還田方式也可降低蘿卜肉質根硝酸鹽含量，主要是由于秸稈在微生物作用下轉化成有機物質，而大量田間試驗證實有機物質具有降低硝酸鹽含量的作用[36]。

維生素C、可溶性糖、可溶性蛋白、總酚和類黃酮含量是衡量蔬菜品質的重要指標，前人研究發現添加生物質炭可提高小白菜、菠菜等蔬菜維生素C、可溶性糖和可溶性蛋白的含量[33，37]，施用有機肥生菜維生素C、可溶性蛋白及可溶性糖含量分別提高30%、20% 和18%[35]。本研究發現，不同秸稈還田方式均有效提高了蘿卜可食部位維生素C、可溶性糖、可溶性蛋白、總酚和類黃酮含量，這可能是由于還田物質富含有機碳和作物生長所需的營養元素(表1)，其輸入可提高土壤養分含量(表3)，進而促進植株體內營養物質和功能性活性物質的合成和積累，并直接或間接提高作物的抗氧化能力。

DPPH和FRAP是體外評價活性物質抗氧化能力的常用方法，前人研究發現有機無機配施可提高作物抗氧化能力和自由基清除能力[38]，50% 的有機肥配施50% 的化肥具有最佳的抗氧化成分積累效果[39]。本研究發現，秸稈還田處理均有效提高了蘿卜可食部位FRAP值，但秸稈粉碎還田和炭化還田處理下DPPH值與對照相比差異不顯著，可能是由于粉碎還田和炭化還田有機肥替代比例不高，低劑量的有機肥配施化肥對蘿卜可食部位DPPH值的影響不大。

4 結論

秸稈粉碎還田、過腹還田、炭化還田、粉碎+炭化還田、過腹+炭化還田等5種秸稈還田方式均表現出較好的地力培肥、產量提升、品質改善效果，其中粉碎+炭化還田、過腹+炭化還田在降低硝酸鹽積累、提升可溶性蛋白含量方面表現尤為突出，但鑒于秸稈粉碎還田+炭化還田、過腹還田+炭化還田2種秸稈組合還田模式操作較為繁瑣，可用于根菜、葉菜等硝酸鹽高積累型蔬菜的生產，其他蔬菜的生產可采用簡便易操作的粉碎還田、過腹還田及炭化還田模式。

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Effects of Straw Return on Soil Properties, Yield and Quality of Radish (L.)

LIU Xiaoxia1, YANG Dong2*

(1 Cultivated Land Quality and Fertilizer Administration Station of Zhejiang Province, Hangzhou 310020, China; 2 State Key Laboratory for Managing Biotic and Chemical Threats to the Quality and Safety of Agro-Products, Institute of Agro-Product Safety and Nutrition, Zhejiang Academy of Agricultural Sciences, Hangzhou 310021, China)

The effects of different straw return treatments, including no straw (CK), straw crushed (SC), straw manure (SM), straw biochar (SB), straw crushed+straw manure (SC+SM), straw crushed+straw biochar (SC+SB), and straw manure+straw biochar (SM+SB) on soil properties, yield and quality of radish (L.) were studied by field experiments. The results showed that all straw return treatments significantly increased the contents of soil organic matter and total nitrogen, but had different effects on the content of soil available potassium, among them, SC+SM, SC+SB and SM+SB significantly increased the content of soil available potassium while SC, SM and SB had no effects. Straw return had different effects on biomass and SPAD value of radish, which were significantly lower under SC+SM while significantly higher under other straw return treatments than CK. The quality of radish after straw return was significantly improved compared with CK, the contents of vitamin C, soluble sugar, total phenol and flavonoid of radish treated with straw return were significantly higher than CK, and there was no difference among the straw return treatments. Straw return significantly reduced nitrate content and increased soluble protein content of radish, among them, the effects of SC+SM, SC+SB and SM+SB were more prominent, with nitrate content reduced by 36.04%–40.63% while soluble protein content increased by 41.70%–56.11%; followed by SC, SM and SB, nitrate content decreased by 15.15%–22.58% while soluble protein content increased by 16.61%–25.11%. Radish FRAP values of straw return were significantly higher than CK, but DPPH values were different, among them, DPPH values of radish were significantly higher under SM, SC+SM, SC+SB and SM+SB than CK, while DPPH values of radish in SC and SB were close to CK. SC, SM, SB, SC+SB and SM+SB all improved soil fertility, crop yield and product quality, among them, SC+SB and SM+SB were better in reducing radish nitrate content. In conclusion, SC, SM and SB were recommended for conventional vegetable production, while SC+SB and SM+SB recommended for vegetables with high nitrate accumulation, such as leafy vegetables.

Straw return; Soil quality; Radish yield; Vegetable quality

S-3

A

10.13758/j.cnki.tr.2023.04.010

劉曉霞, 楊東. 秸稈還田方式對土壤質量和蘿卜產量及品質的影響. 土壤, 2023, 55(4): 771–778.

浙江省重點研發計劃項目(2021C03025)、浙江省“三農九方”科技協作計劃項目(2022SNJF024)和浙江省廢棄生物質循環利用與生態處理技術重點實驗室開放基金項目(2021REWB01)資助。

(yangdong101991@163.com)

劉曉霞(1986—)，女，山東膠州人，博士，高級農藝師，主要研究方向為土壤改良培肥、科學施肥技術推廣。E-mail：10914048@ zju.edu.cn