秸秆还田的生化他感效应研究初报

秸秆还田的生化他感效应研究初报

杨思存　霍琳　王建成

（甘肃省农业科学院土壤肥料研究所　甘肃兰州　730070）

摘要：盆栽试验结果表明：蚕豆秸秆对小麦和大豆幼苗生长都有明显的他感相克作用，使其生物量分别减少50.4%和58.2%；大豆秸秆对小麦幼苗生长有他感相克作用，而对大豆幼苗生长有自感相生作用，使其生物产量增加19.8%；玉米秸秆对小麦幼苗的相克作用最强，生物产量减产60.8%，但对大豆幼苗生长的他感和玉米幼苗的自感相生作用显著，生物产量依次增加18.7%和10.3%；小麦秸秆对小麦、玉米和大豆幼苗生长都有相克作用，使其生物量分别减少50.8%、5.1%和24.9%。秸秆对作物的他感效应，随着时间的推移而减弱。施用蚕豆秸秆，既能增大土壤养分贮量，又能提高土壤养分供应水平，玉米秸秆和小麦秸秆培肥土壤的作用居中，施用大豆秸秆虽能增大土壤养分贮量和供氮水平，但提高幅度不大。种植作物对秸秆培肥和供肥作用的发挥都有显著的促进作用。

关键词：秸秆还田；生化他感；生物产量；有效性养分含量

生化他感（Allelopathy）的概念是由奥地利科学家Molisch于1937年首次提出的，它是指各种类型的植物包括微生物之间的生化相互作用，也有人称之为异株克生或相生［1］。关于小麦秸秆生化他感作用的研究，从20世纪60年代开始就从没间断过，有人研究了小麦秸秆水提液对棉花、小麦、玉米、杂草等作物发芽、出苗及产量的影响^[2～5]，也有人从小麦秸秆浸提液中分离出了丁酸、阿魏酸、吡喃糖、二羧酸甲基酯等他感化合物^[6～10]，但对作物秸秆直接还田情况下生化他感效应的研究报道并不多见，而秸秆还田对于促进养分循环利用和提高土壤肥力都具有重要作用^[11～13]。因此，开展这方面的研究对于完善秸秆还田的理论和技术，避免秸秆的他感负效应，充分合理地利用秸秆资源有着重要的生产实际意义。为此，我们根据甘肃省白银市沿黄灌区作物秸秆资源和研究能力，2002年在盆栽试验中对作物秸秆的生化他感效应进行了初步研究，旨在为进一步深入研究积累资料。

注：本文发表于《西北农业学报》，2005，14（1）：52～56.

1　材料和方法

1.1　供试材料

供试秸秆和土壤均采自甘肃省靖远县北滩乡景滩村，土壤属淡灰钙土，采自耕层0～20㎝，含有机质11.2g/kg、全氮0.78g/kg、全磷0.58 g/kg、碱解氮80.1mg/kg、速效磷25mg/kg、速效钾280mg/kg，采回后经风干、破碎、过1mm筛后充分混合均匀，分装备用。供试作物秸秆类型及养分含量见表1。试验用盆钵为广口玻璃瓶，内装供试风干土500g。供试作物春小麦为花培764，玉米为中单2号，大豆为汾豆8号。

1.2　研究方法

表1　供试作物秸秆中养分含量　g/kg

Table 1　Nutrient contents of crop straw that be offered for experiment

分种植小麦、玉米和大豆3个试验，各试验均设对照（A）、小麦秸秆（B）、玉米秸秆（C）、大豆秸秆（D）、蚕豆秸秆（E）5个处理，每处理重复6次，每盆均装秸杆20g。3种作物依次留苗8株、3株和5株，3月25日至5月24日和7月14日至8月15日各种植两次，测定植株干重（包括根系）和土壤中有效性N、P、K的含量。在安排小麦试验的同时，为进一步深入了解栽培作物条件下秸秆对土壤养分变化的影响，设置了盆培土壤比较试验，所不同的是前者种植小麦，后者只灌水，来年3月20日取样。土壤碱解氮采用扩散吸收法，速效磷采用Olsen法，速效钾采用火焰光度法，有机质采用重铬酸钾定碳法；供试秸秆样品用H₂SO₄-H₂O₂消化，开氏法定氮，钒钼黄比色法测磷，火焰光度法测钾。

2　结果与分析

2.1　秸秆还田对小麦的生化他感效应

小麦试验中虽然土壤有效性氮和钾的供应水平均高于对照处理，但小麦幼苗干重总量低于对照处理60.8%～45.0%（图1），这一试验结果与Kimber得出的“施用化肥对这种减产也无济于事”的结论非常相似^[2，3]。显然，这种负效应就是秸秆对小麦他感作用的结果。在他感效应强度上是玉米秸秆＞蚕豆秸秆≥小麦秸秆＞大豆秸秆，而在时间上是前期＞后期，这也与Kimber等人在研究小麦秸秆的自毒效应时所得结果一样，即秸秆的他感效应随秸秆堆施时间延长和温度提高、降水增加而减弱^[2，3]。从植物营养与作物产量的相关规律而论，秸秆对小麦产量的作用应该是蚕豆＞小麦＞玉米＞大豆秸秆，而事实上是大豆＞小麦＞蚕豆＞玉米秸秆。显然，小麦幼苗生物量的高或低，除与养分供应量有关外，还与产生他感相克效应的他感有毒物质有关。

图1　秸秆还田对小麦、玉米和大豆生物产量的影响

Fig 1　Effects of straw returning on the biological yields of W heat，Maize，and Soybean

2.2　秸秆还田对玉米的生化他感效应

玉米是消耗养分，特别是氮素养分较大的作物。在施入秸秆的前期（3～5月），秸秆腐解消耗的养分较多，因此，土壤速效氮的含量低于对照19.3%～23.9%，相应玉米幼苗生物量亦较对照减产21.8%～48.3%；进入后期（7～8月），随着气温升高，秸秆分解释放出了养分元素，其中氮素养分已高于或接近对照水平，第二次种植的玉米生物产量已高于对照1.8%～20.1%，特别是玉米秸秆处理中生物量的增加达到显著高于对照的水平（图1）。

但从盆栽玉米对土壤氮素养分供应水平的影响看，秸秆对玉米幼苗生物量的形成作用，应该是大豆＞玉米＞蚕豆＞小麦秸秆，而实际上是玉米＞大豆≥蚕豆＞小麦秸秆。这种结果证明，玉米秸秆对玉米幼苗生物量形成，有良好的自感相生作用；而小麦秸秆除对玉米幼苗生物量形成有不良作用外，对玉米生长也有毒害作用，主要是叶片发黄，而又无光泽，这也与他人研究结果一致^[14]。

图2　秸秆还田对土壤中有效性养分含量的影响

Fig 2 Effects of straw returning on the available nutrient in soil

2.3　秸秆还田对大豆的生化他感效应

大豆盆栽试验中，施蚕豆秸秆处理中土壤氮磷供应水平较其他秸秆处理都高（图2），特别是后期土壤中氮素供应水平还高于对照9.8mg/kg，但由于蚕豆秸秆对大豆幼苗生长的他感相克作用，植株生长缓慢，匍匐于土表，叶片失绿、增厚。因此，大豆幼苗生物量前期显著低于对照37.5%，后期不但显著低于对照61.0%，而且也显著低于其他施秸秆处理20.3%～67.8%，他感相克效应很大。相反，施大豆秸秆和玉米秸秆处理，前期土壤氮磷养分供应虽低于对照，但由于是他感相生作用，使大豆幼苗生物量分别高于对照10.8%和9.4%；后期随着土壤氮素供应水平的提高，使大豆和玉米秸秆处理中大豆生物量显著增加18.7%和21.2%，最终使得总生物量分别增加18.7%和19.8%，他感或自感相生作用显著。小麦秸秆处理中土壤氮磷养分供应水平始终低于对照，因此大豆生物量最低，较对照处理低25.0%。

2.4　秸秆还田的生态肥力效应

2.4.1　秸秆还田对后季土壤养分含量的影响

作物秸秆类型不同，其化学成分组成不同，在土壤中腐解过程及其产物不同。因此，对土壤养分的变化可能不同。为此，本试验在8月份作物收获后，将盆栽土壤按秸秆类型混合后，又继续培养至第二年3月，采土测定养分含量，以了解秸秆和秸秆类型对后季土壤养分贮量和供应水平的影响。

测定结果（表2）表明，施用秸秆能够增加土壤有机质、全氮、碱解氮和速效钾的含量，但由于秸秆腐解对磷的消耗，使得土壤中速效磷的含量下降。其中，蚕豆秸秆对后季土壤养料肥力水平的提高作用最大，土壤有机质、全氮、碱解氮、速效钾含量较空白对照依次增加28.9%、22.1%、27.8%和50.9%，速效磷含量虽然下降了12.5%，但在4种秸秆中的降幅最小。大豆秸秆对后季土壤养料肥力更新的作用最小，有机质、全氮和碱解氮含量较对照分别增加15.8%、14.3%和15.5%，速效磷的降幅也最大，达31.3%。小麦秸秆在增大土壤有机质和全氮含量上的作用最大，两项指标分别比对照提高34.5%和23.4%，但对供氮和磷能力提高的作用最小。玉米秸秆的作用，正好与小麦秸秆相反。由此认为，蚕豆和小麦秸秆在增大后季土壤有机质和全氮贮量中的作用显著，玉米和蚕豆秸秆对土壤供氮能力的提高的作用最大，小麦秸秆对土壤供钾能力的提高贡献最大。

2.4.2　栽培作物在提高秸秆还田培肥地力中的作用

栽培作物对增大土壤养分贮量，加快施入土壤的秸秆的分解，都有积极的生物促进作用（表3）。在施入土壤相同数量麦秸时，未种作物盆钵土壤有机质和全氮含量较CK分别增加32.3%和16.9%，而在种植小麦时又分别增加34.5%和23.4%。显然，这种增补特征主要与作物根系及其分泌物有关。同时，只施麦秸时，使土壤碱解氮和速效磷分别被固定27.8%和46.9%；施用麦秸并种植小麦时，土壤碱解氮较CK和施麦秸处理分别提高9.3%和51.4%，速效磷则较只施麦秸处理提高29.4%，这表明种植作物提高了后季土壤养分供应能力，即秸秆中养分的有效化。由此可见，在应用农作物秸秆肥时，除了关注秸秆类型与种植作物间他感效应的合理应用，还应考虑种植作物对秸秆释放养分的生物效应，以便达到当季与下季作物都能获得高产的双重效果。

表3　种植作物对秸秆培肥地力的影响

Table 3　Effects of planting crops on cultivating soil of straw

3　结果与讨论

3.1　秸秆对作物的他感效应

从试验结果看：①秸秆对小麦幼苗生长都有他感相克作用，使幼苗生物量减产45.0%～60.8%，其强度是玉米秸秆＞大豆秸秆≥蚕豆秸秆＞小麦秸秆。②秸秆对玉米幼苗生长的他感现象较轻，只是小麦秸秆对玉米有一定的他感相克效应，表现在玉米叶色较淡，但随着麦秸入土时间的后移而逐渐消失；而玉米秸秆的自感相生效应，使玉米幼苗生物量增加10.3%。③玉米和大豆秸秆对大豆生长有他感和自感相生作用，使其生物量分别增加19.8%和18.7%；小麦秸秆对大豆生长有他感相克作用，但不明显；蚕豆秸秆对大豆生长有毒害作用，导致其生物量降低58.2%。

3.2　秸秆对后季土壤肥力的作用

蚕豆秸秆既能增大后季土壤养分的贮量，又能提高养分元素的供应水平，培肥土壤的作用显著；大豆秸秆虽能提高土壤养分贮量和供氮能力，但提高幅度很小，培肥土壤的作用较小；小麦和玉米秸秆培肥土壤的作用介于上述秸秆之间，前者在增大土壤养分贮量上的作用最大，但供氮和磷的水平最低，而玉米秸秆正好与小麦秸秆相反。试验同时证明，种植作物更有利于土壤中秸秆的腐解和养分转化。

3.3　秸秆还田的他感效应研究需要进一步深入

关于秸秆还田效应的研究，国内目前大都集中在对土壤结构和肥力的影响上，涉及他感效应研究的文献资料很少，且都局限于浸提液、秸秆覆盖等对农作物幼苗生长的他感效应观察，对于秸秆直接还田的他感效应及其生理生化基础、作用机制和对环境的影响等方面的研究很少。秸秆进入土壤后，化感物质在物理、化学、生物等因素的作用下化学结构和构象都发生变化，其对作物的他感效应与浸提液、秸秆覆盖等也不同。本文作者虽然对秸秆直接还田条件下的他感效应做了初步研究，对于完善秸秆还田的理论和技术起到了积极作用，但并不深入，今后的研究必须向利用他感效应指导秸秆还田和农作物轮作、间作及套种的方向努力。