番茄和辣椒秸秆还田对自身蔬菜幼苗生长及根系酶活性的影响

杨冬艳,桑 婷,冯海萍,赵云霞

(宁夏农林科学院种质资源研究所,银川750002)

2019 年全国蔬菜播种面积约为2 100 万hm2(农业部),比2018 年增长约4.7 万hm2,增长约2.3%;蔬菜产量约为7.21 亿t,比2018 年增长约0.18 亿t,增长约2.5%。 在蔬菜产业规模增加的同时,蔬菜废弃物产生量也急剧增加。 据报道,2013 年我国蔬菜废弃物产量近2.69 亿t,可资源化利用的蔬菜废弃物为2.15 亿t[1],蔬菜废弃物的无害化处理和综合利用是目前我国亟待解决的问题。

番茄和辣椒是主要的蔬菜作物,在获得高效益的同时也带来了严重的连作障碍问题[2]。 研究表明,将农作物茎叶直接或间接地翻埋到土壤中能够缓解连作障碍的发生[3],如大蒜秸秆还田可优化温室番茄连作土壤微生物环境,减轻根结线虫发生[4];玉米和分蘖洋葱秸秆还田可以促进番茄生长,防治根结线虫,改变土壤微生物群落结构[5];芥菜、大麦和芹菜幼嫩茎叶干粉加入到辣椒连作土中,可以显著促进辣椒的生长发育以及辣椒根系生长,改善辣椒根区环境[6]。 可见,秸秆还田是改善土壤环境及废弃物资源化利用的重要技术途径之一。

秸秆还田既可直接还田,也可堆肥后还田。 直接还田具有处理成本低、环境影响小、可改善土壤理化性状的特点;堆肥还田则处理量大,能有效杀灭致病微生物,堆肥营养全面[1]。 无论直接还田还是堆肥还田,秸秆还田作物腐解物释放的化学物质有可能对同科作物生长产生化感效应。 研究表明,在新疆绿洲棉田生态系统中,棉花长期连作的负面效应与棉花秸秆还田的正面效应同时存在[7];秸秆腐解产生的化感物质对种子发芽和幼苗生长的抑制作用也是普遍存在,不容忽视[8]。 堆制后的番茄秸秆浸提液对黄瓜和大白菜种子的萌发和幼苗生长存在不同程度的化感作用,低浓度浸提液可提高黄瓜和大白菜种子的发芽率,高浓度则对黄瓜和大白菜种子的发芽率、发芽指数以及黄瓜幼苗苗长和鲜质量具有一定的抑制作用[9]。 番茄与辣椒植株高大、茎秆粗壮、生物量大,是蔬菜产业茎叶废弃物的主要来源,但番茄和辣椒秸秆还田的相关研究较少,尤其是蔬菜废弃物还田后的化感效应特征了解甚少。 笔者前期研究发现,番茄秸秆在还田60 d 内对番茄植株生长有化感抑制作用,堆肥还田则对番茄植株生长无化感抑制作用[10]。宋玉晶等[11]分析比较了山东寿光4 种蔬菜废弃物处理利用模式利弊,提出秸秆就地沤堆还田循环利用模式是最为经济且可持续的模式。 为探索番茄和辣椒秸秆废弃物适宜利用方式及其化感效应特征,本试验采用盆栽方式研究番茄和辣椒秸秆2 种还田方式(晒干粉碎直接还田和堆肥后还田)对自身蔬菜幼苗生长及根系保护酶活性的影响,以及在还田初始(秸秆腐解和生物活性最为活跃的阶段)对自身蔬菜幼苗的化感效应特征,为制定科学合理的蔬菜秸秆还田方案提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试辣椒、番茄秸秆为2017 年5—10 月露地种植的番茄和辣椒秸秆,经过10—12 月的晾晒风干,利用秸秆粉碎机进行粉碎,一部分留作干样秸秆进行还田;一部分于2018 年7—9 月添加粗纤维降解菌剂(广州农冠生物科技有限公司生产,总菌数≥109cfu∕g)200 g∕t 堆制成1 m3左右进行堆肥,然后还田。 保持堆肥含水量60%左右,堆体温度超过65 ℃翻堆,直到堆肥温度与环境温度相近时停止堆肥,堆肥时间为60 d。 试验材料养分特征见表1。

表1 番茄和辣椒堆肥养分含量情况Table 1 Nutrient content of tomato and pepper compost

1.2 试验设计

试验于2019 年3 月在宁夏农林科学院现代农业基地拱棚内进行。 试验设6 个处理,TR1:番茄秸秆直接还田,TR2:辣椒秸秆直接还田,TR3:番茄堆肥还田,TR4:辣椒堆肥还田,鸡粪施肥(CK1)和不施肥(CK)分别作为对照。 各处理秸秆和堆肥按照干物质量∶土质量为3 ∶100 的比例与土壤混合,装入高15 cm×直径10 cm 的小花盆中,每个处理30 盆,土壤为种植5 年的日光温室土壤,理化性质为pH 8.02、EC 0.17 mS∕cm、有机质19.9 g∕kg、全氮1.91 g∕kg、速效氮124.2 mg∕kg、速效磷42.1 mg∕kg、速效钾211.8 mg∕kg。 种植蔬菜幼苗为番茄和辣椒穴盘苗,种植时番茄幼苗4 叶1 心,辣椒幼苗6 叶1 心,种植后统一水分管理,不施肥。

1.3 测试指标

在番茄种植10 d 时,每个处理随机选择10 株,调查株高、茎粗、地上部干重和根系干重,随机选择10株带回实验室,清洗根系,测试根系活力和根系酶活性。 根系活力采用TTC 法测定,超氧化物歧化酶(SOD)活性采用NBT 还原法测定,过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚显色法测定,过氧化氢酶(CAT)活性采用紫外分光光度计吸收法测定[12]。

1.4 数据分析

壮苗指数=(茎粗∕株高+根干重∕地上部干重) ×总干重[13]。

化感作用效应指数(Response index,RI)采用Williamson 等[14]的计算方法,RI =1 -C∕T(T≥C);RI=T∕C-1(T＜C);式中,C为对照值,T为处理值。 当RI ＞0 时,表示具有促进作用;当RI ＜0 时,表示具有抑制作用。 RI 绝对值的大小表示化感作用强度。

采用Excel 2010 软件处理数据,采用DPS 软件进行Duncan's 多重比较。

2 结果与分析

2.1 番茄与辣椒秸秆还田对自身蔬菜幼苗生长的影响

由表2 可以看出,番茄和辣椒幼苗生长对自身秸秆还田处理响应特征不同。 从番茄幼苗生长来看,与不施肥对照(CK)相比,4 个还田处理和鸡粪施肥(CK1)均显著促进了番茄株高的增长,CK1 和TR4 处理显著提高了番茄茎粗,分别为7.9%和5.57%;TR1、TR2 和TR3 处理的番茄茎粗与CK 没有显著差异;CK1、TR3 和TR4 处理显著提高了番茄幼苗地上部干重(26.98%、18.2%和38%),并显著促进了番茄幼苗根干重增加(24.17%、50.4%和38.33%),TR1 和TR2 处理对于番茄地上部干重没有显著影响,但显著降低了根干重(27.5%和17.5%)。 各处理对番茄全株干重的影响与地上部干重相同,对壮苗指数的影响与根干重相同,其中TR3 和TR4 处理的壮苗指数显著高于CK1,说明番茄和辣椒秸秆堆肥后还田能够显著提高番茄幼苗的生长量,尤其是番茄根系生物量的积累高于CK1,壮苗指数也显著高于CK1。 番茄和辣椒秸秆还田显著降低了番茄幼苗根系生物量的积累,二者之间没有显著差异。

从辣椒幼苗生长来看,CK 和4 个还田处理对辣椒幼苗株高没有显著影响;CK1 的辣椒茎粗和地上部干重显著高于CK(5.76%和10.5%),其他4 个处理对辣椒茎粗和地上部干重没有显著影响;TR3 和TR4处理则显著增加了辣椒根干重(18.91%和34.62%),而TR1 和TR2 处理降低了辣椒根干重(24.49%和29.22%),CK1 与CK 的根干重没有显著差异。 TR4 处理的辣椒幼苗壮苗指数最高,显著高于CK 和其他处理,其次为TR3 处理,再次为CK1,均高于CK,TR1 和TR2 处理的壮苗指数则显著低于CK,说明番茄和辣椒秸秆堆肥还田能促进辣椒幼苗的生长,且辣椒堆肥效果更佳,而番茄和辣椒秸秆直接还田处理则抑制了辣椒幼苗的生长,尤其是辣椒幼苗根系的生长,二者之间抑制效应没有显著区别。

表2 番茄和辣椒秸秆还田对自身蔬菜幼苗生长的影响Table 2 Effects of tomato and pepper straw returning on growth of self vegetable seedlings

2.2 番茄与辣椒秸秆还田对自身蔬菜幼苗的化感效应

由表3 可见,鸡粪施肥处理(CK1)对番茄幼苗生长指标均为化感正向促进作用,对辣椒幼苗除株高为负向抑制作用外,其他指标RI 值均大于0; TR1 处理对番茄幼苗生长指标除株高为正向促进作用外,其他均为负向抑制作用,且对根系的抑制效应最强,TR1 处理对辣椒幼苗除地上部干重外,其他指标RI 值均小于0,其中对根干重抑制作用最强,说明番茄秸秆还田腐解物对辣椒和番茄幼苗根系生长均产生强烈的抑制效应,进而导致对壮苗指标的严重负向化感作用。 TR2 处理对番茄株高和地上部干重有轻微的化感促进作用,对番茄幼苗地下部和壮苗指数为化感抑制作用,TR2 处理对辣椒幼苗则是地上和地下同时抑制,所有生长指标RI 均小于0,可见辣椒秸秆直接还田对自身蔬菜的抑制效应强于番茄。 TR3 处理除对辣椒株高有轻微的抑制作用外,对番茄和辣椒幼苗其他指标均为正向促进作用,说明番茄秸秆堆肥还田对自身蔬菜和辣椒幼苗生长均有促进作用,尤其是显著促进了番茄和辣椒幼苗根系的发育。 TR4 处理对番茄幼苗均为促进作用,对自身蔬菜辣椒幼苗地上部生长有抑制效应,但能够促进自身蔬菜根系的显著发育,进而提升壮苗指数。

表3 番茄和辣椒秸秆还田对自身蔬菜幼苗生长的化感效应指数Table 3 Allelopathic effect index of tomato and pepper straw returning on self vegetable seedling growth

2.3 番茄与辣椒秸秆还田对自身蔬菜幼苗根系活力及根系酶活性的影响

由表4 可见,不同还田处理对番茄和辣椒幼苗根系活力有显著的影响。 CK1 和4 个还田处理均显著提升了番茄幼苗根系活力,其中CK1 的番茄根系活力最强,较CK 提高了131.54%,其后依次为TR4、TR2、TR3 和TR1 处理,分别提高了107.14%、50%、48.8%和23.2%。 TR1、TR3 和TR4 处理也能提高辣椒幼苗根系活力,只有TR2 处理显著降低了辣椒根系活力。 可见,相比堆肥还田,秸秆直接还田处理的根系活力较低,尤其是辣椒秸秆直接还田对辣椒幼苗根系活力有抑制作用。

POD、CAT、SOD 是植物体内重要的活性氧清除酶,对植物细胞起保护作用,在逆境时其酶活性增加[15]。 由表4 可见,CK1 和4 个还田处理均能显著提高番茄幼苗根系SOD 活性,其中TR1 和TR3 处理的根系SOD 活性最高;辣椒幼苗根系SOD 的反应与番茄不同,除CK1 显著提升了SOD 活性外,4 个还田处理均显著降低了辣椒根系SOD 活性,尤以TR2 处理辣椒根系SOD 活性最低。 TR1 和TR2 处理能显著提高番茄和辣椒幼苗根系的POD 活性; TR3 处理和CK1 提高了番茄幼苗根系POD 活性,但对辣椒根系POD 活性没有显著影响;TR4 处理的番茄根系POD 活性与CK 没有显著差异,辣椒根系POD 活性则显著降低。 从各处理CAT 活性的变化来看,只有TR2 处理的番茄和辣椒根系CAT 活性显著高于对照,其他3个还田处理的根系CAT 活性均与CK 没有显著差异。

表4 番茄和辣椒秸秆还田对自身蔬菜幼苗根系活力及酶活性的影响Table 4 Effects of tomato and pepper straw returning on root activity and enzyme activity of self vegetable seedlings

3 讨论

3.1 番茄和辣椒秸秆直接还田对各自蔬菜幼苗生长的影响特征

研究表明,在秸秆直接还田中,作物秸秆及其腐解物中的化感物质对其本身的生长发育有很强的抑制作用[16],加工番茄根、茎、叶分别还田对直播番茄幼苗的生长、根系活力、根系SOD 及CAT 活性均有抑制作用,且随着处理含量的增加,抑制作用增强[17];将辣椒秸秆进行腐解处理后还田,发现腐解物中的化感物质导致辣椒植株生长减缓,抑制辣椒根系活力和根系保护酶(SOD、POD、CAT)的活性[18]。 目前,宁夏地区果菜类蔬菜集约化育苗程度在95%以上,露地或设施生产中均直接定植幼苗,已有的研究难以判断番茄和辣椒秸秆在生产中直接还田对定植期自身蔬菜幼苗生长影响效应。 因此,本试验在番茄和辣椒秸秆直接还田后,种植达到定植壮苗标准的番茄和辣椒幼苗,发现在还田初始阶段对番茄和辣椒幼苗生长均有显著的抑制作用,对根系生物量积累的抑制效应尤为强烈,同时对自身蔬菜幼苗的抑制效应更强,这种抑制作用可能是秸秆腐解物综合作用的结果。 本试验还发现番茄根系保护酶活性除CAT 外均显著上升,可能是秸秆直接还田的腐解物造成了番茄幼苗根系生长环境的逆境,生物胁迫逆境激发了番茄根系细胞防御系统的启动,保护酶活性显著上升;而辣椒根系的POD 和CAT 活性上升,SOD 活性下降,可能是逆境超过一定限度,对保护酶构成伤害,致使酶的活性降低[18]。 可见,番茄和辣椒秸秆直接还田初始对各自蔬菜幼苗生长有显著的抑制作用,番茄根系的抗逆能力可能强于辣椒根系,对其他蔬菜幼苗可能也存在潜在的生物胁迫威胁,尤其在设施蔬菜生产中,复种指数高,茬口连接紧密,留给秸秆直接还田腐解的时间也短,如果休闲期较短,不推荐采用直接还田技术,但在露地蔬菜生产中,可在种植结束后进行还田,有较长的时间进行秸秆腐解和物质的转化。

3.2 番茄和辣椒秸秆堆肥还田对各自蔬菜幼苗生长的影响特征

堆肥化是在微生物的参与下利用高温发酵对蔬菜残体进行无害化处理的过程,能够有效控制有害病原菌的传播,分解化感物质[19-20],将废弃物转化为肥料,是蔬菜废弃物无害化处理和资源化利用的有效途径[21]。 研究表明,番茄残株堆肥还田可降低土壤容重,提高土壤有机质含量和生物活性,提高果实香味,促进番茄和黄瓜生长,且作用效果随用量的增多而加强[22-23]。 本试验发现,番茄和辣椒秸秆堆肥还田初始能够提高根系活力,引发各自蔬菜根系的快速生长,提高定植期幼苗壮苗指数,对各自蔬菜幼苗生长均为化感正向促进作用。 有机固体废弃物堆肥过程中,会释放分解一些生物毒性物质(如有机酸、多酚等),这些物质会随着堆肥的进行逐渐被转化[24-25]。 番茄和辣椒秸秆经过堆肥后,养分构成及结构发生了重大变化,还田后的腐解物对各自蔬菜生长没有毒性作用,还能对其根际环境产生改善作用,促进根系活力的提升,显著提高根系的生物量。 因此,在蔬菜生产区,蔬菜废弃物秸秆可以通过高温堆肥进行还田,即可实现产区的清洁生产,又可对废弃物进行生物循环利用。

4 结论

4.1 番茄和辣椒秸秆直接还田初始对各自蔬菜幼苗的生长具有显著的抑制作用,尤其是对自身蔬菜幼苗的抑制效应更强。

4.2 番茄和辣椒堆肥还田初始能够促进根系活力的提升,显著提高根系的生物量和各自蔬菜幼苗的壮苗指数,效果优于鸡粪处理。