不同作物秸秆腐解对连作辣椒生长及根际环境的影响

高晶霞，高 昱，牛勇琴，吴雪梅，谢 华

(1.宁夏农林科学院 园艺研究所，银川 750002；2.宁夏彭阳县蔬菜产业发展服务中心，宁夏彭阳 756500)

在中国农业种植中，秸秆资源是一种重要的可再生资源，通过对秸秆进行粉碎或腐解处理可以产生较多的营养物质，有效提升土壤的活性，对于绿色可持续农业的发展具有重要的推动意义[1-2]。目前连作障碍在较大程度上影响农作物的种植产量及种植品质。特别是在设施环境下，这种现象最为普遍。设施栽培中大量施用氮、磷、钾肥导致土壤大量元素超标而微量元素匮乏，土壤营养元素不均衡，进而使土壤离子平衡和缓冲能力降低。因此研究连作障碍发生机制并通过科学环保的方法克服连作障碍，已成为设施农业发展中亟待解决的问题。

利用植物间的化感作用原理合理安排伴生或间套作不仅可以提高蔬菜产量和品质，而且还可以有效改善土壤生态环境，减轻连作障碍的发生。目前大量的研究显示[3-5]，农作物秸秆的腐解可以有效增加土壤中的微生物和其他养分的含量，一定程度上降低土壤的体积质量，有效调节土壤微生物含量的平衡[6-7]。学者对玉米类秸秆研究发现，玉米秸秆腐解中包含的微生物可以提升土壤的活性，有效改善烟叶种植土壤的微生物含量，提升烟叶产量并降低烟叶含梗率；也有学者对小麦秸秆进行研究，认为小麦秸秆的腐解物中包含大量的氮素积累，增加了土壤中的氮肥的含量，提升水稻种植的产量及效率[8-10]。此外秸秆腐解中带来的微生物群落的改变，可以进一步提升土壤中微生物的活性，有学者研究发现，荠菜植物的秸秆腐解能够提升土壤中微生物物种的丰富程度指数，同时降低土壤中的真菌和嫌气菌的数量，增加土壤的酶活性。另外有学者对花科植物的杆径腐解物进行研究，发现花科植物杆径能够消除土壤中的大量虫卵，降低土壤的活性，如果将这些花科植物的根茎进行二次腐解，可以有效调解土壤中的微生物菌体含量，有效调解农作物连作对土壤的伤害[11-14]。

综合目前秸秆腐解的文献研究可以发现，目前针对秸秆腐解对土壤及农作物改善的研究文献较多，但涉及多种秸秆腐解对辣椒等经济作物连作特性的影响，目前几乎没有文献涉及，为此，本研究以辣椒为研究对象，重点研究玉米秸秆、万寿菊秸秆及芹菜秸秆腐解对辣椒生长及土壤的影响，为降低辣椒等经济作物连作对土壤影响提供理论参考及实践指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料及试剂

试验选用的辣椒品种为‘巨丰1号’，供试土壤取自宁夏彭阳县新集乡辣椒连作3 a以上的土壤，土壤面积为0.15 hm2。土壤的基本参数：pH为8.37，碱解氮78.2 mg·kg-1，有效磷18.3 mg·kg-1，速效钾406 mg·kg-1，有机质38.7 g·kg-1。玉米、万寿菊及芹菜秸秆购买自当地农户，所用的肥料为经济作物专用的果蔬有机肥，主要购买自宁夏嘉禾源种苗有限公司。本次试验主要在2019年5-10月辣椒集中种植和收获期间进行。

1.2 试验设计

对玉米、万寿菊及芹菜秸秆首先进行腐解处理，将植物杆茎烘干后，用高速粉碎机将其粉碎，并将粉碎的秸秆与施有有机肥的土壤按照1∶50的体积比进行完全混合，并装入容器中，加入一定量的水，使得土壤的湿度保持在50%左右，放置 7 d，每天监测容器质量，适当补充水分，盆外包裹黑色遮阳膜。随后进行自然腐解处理，腐解时间为30 d，腐解均匀完全后装入固定容器中，备用。

选用田间试验，共进行4种方式处理，处理方式1为对照处理(CK)，不进行任何处理；处理方式2为玉米秸秆的腐解处理(YM)；处理方式3为万寿菊秸秆腐解处理(WS)；处理方式4为芹菜秸秆腐解处理(QC)，每小区面积23.4 m2，长宽为6 m和3.9 m，行距12～15 cm，株距6～10 cm，腐解30 d后定植辣椒苗，腐解后5 d内，进行浇水，并随机排列，同时在测试过程中，不进行药剂喷洒。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 生长指标 在腐解30 d后，测量辣椒植株的各项生长指标，其中辣椒的株高采用杜克ls-p激光测距仪进行测量，茎粗选用实验室的游标卡尺测量，植株生物量采用梅特勒托乐多ME204 /02物理电子天平进行测量，同时分析辣椒植株根系指标，辣椒植株的壮苗指数计算公式如下：

壮苗指数=(茎粗/株高)+(根干质量/地上部分干质量)×总干质量

1.3.2 辣椒的叶绿素及光合作用指标测定 在腐解30 d后，采用经典文献中的丙酮乙醇混合液法对辣椒植株的叶绿素含量进行测量，采用荧光法测量辣椒植株的光合作用。随机选择5株种植30 d的辣椒植株，在每株上面选取同一位置对辣椒植株的复叶进行展开，利用实验室购买的美国OPTI-SCIENCES OS-5p+便携式脉冲调制叶绿素荧光仪对相关参数进行测量，并在间隔5 min后进行数据采集。

1.3.3 土壤指标 在腐解30 d后，对于连作辣椒的土壤测量采用pH测量仪、细菌培养基以及比色法等方法，分别测量连作辣椒土壤的pH、电导率、土壤微生物以及酶活性等参数。

1.4 数据统计

试验数据通过多次试验比较获取平均值及方差，并采用EXCEL 2019以及SPSS 22.0进行数据分析，多重比较釆用LSR法(Duncan’s法)，显著水平P<0.05。

2 结果与分析

2.1 不同作物秸秆腐解处理对连作辣椒生长的影响

图1为30 d的辣椒植株的株高和茎粗生长情况，从图中可以发现，辣椒植株的株高和茎粗在经过不同作物秸秆腐解处理后，均高于不处理的对照，其中万寿菊植株(WS)的秸秆腐解作用效果最好，对应各个时期辣椒植株的株高和茎粗都是最高的，其次是玉米秸秆和芹菜秸秆，在各个时期也均高于不处理的对照。与对照组相比，辣椒在定植30 d的株高和茎粗分别增加了5%、2.9%、3.3%以及8.7%、7.6%、7.7%，增幅较为明显，达到显著水平。

2.2 不同作物秸秆腐解处理对连作辣椒的发育状态的影响

从表1可以发现，相比对照组(CK)，不同作物处理后的辣椒作物总质量均高于CK，特别是WS的秸秆腐解处理，总质量增长量显著增加，存在显著性差异。同时从表1还可看出，YM和QC处理后的辣椒作物总质量、根质量及茎质量都比对照CK增加，但增加量较小，WS处理后的辣椒根干质量相比对照CK减小，但减少量并不显著，而WS处理后的辣椒茎干质量相比CK显著增加，呈现显著性差异，也即WS处理后对辣椒的茎部有明显的促进生长作用。CK组、YM组以及WS组的壮苗指数基本一致，无显著性差异，表明YM、WS、QC处理对辣椒的整体生长促进作用较小，并无显著影响。

表1 不同处理下连作辣椒发育状态Table 1 Development status of continuous cropping pepper under different treatments

2.3 不同作物秸秆腐解处理对连作辣椒根系形态的影响

从表2可以看出，相比CK组，YM组、WS组及QC组均能显著促进辣椒根系的生长发育，辣椒根系的长度、根系表面积以及体积均显著增长，与CK存在显著性差异，其中WS组的处理效果最好，辣椒植株的根系长度、根系表面积、根系体积和根尖数相比对照组均增加24.49%、46.62%、76.92%和31.63%，对辣椒植株根系的整体生长发育状态效果最好，YM和QC组低于WS组的影响效果。

表2 不同处理方式下连作辣椒根系形态Table 2 Root status of continuous cropping pepper under different treatments

2.4 不同作物秸秆腐解处理对连作辣椒光合作用能力的影响

从表3可以看出，相比CK，YM组、WS组及QC组均能提高辣椒植株的光合作用，对应的叶绿素荧光参数如PSII最大量子产量Fv/Fm、PSII实际量子产量Y(II)、光化学淬灭系数qP等均有一定程度的提高，但相比CK差异并不显著，另外YM组、WS组及QC组较CK的非化学淬灭系数NQP有一定程度的下降，但差异也不显著。

表3 不同处理方式下连作辣椒叶片光合作用能力Table 3 Photosynthetic capacity of continuous cropping pepper leaves under different treatments

2.5 不同作物秸秆腐解处理对辣椒叶绿素含量的影响

从表4可以看出，YM组、WS组及QC组的处理方式对辣椒植株叶片叶绿素含量均有一定程度的提高，其中YM处理方式对辣椒植株的叶绿素含量提升最为明显，相比CK呈现显著性差异，3种叶绿素相比CK分别增加29.19%、56.07%及30.16%，呈现显著差异，WS组和QC组与CK组相比，并无显著差异。

表4 不同处理方式下辣椒叶绿素含量Table 4 Chlorophyll content of pepper under different treatments

2.6 不同作物秸秆腐解处理对连作辣椒土壤pH及电导率的影响

从表5可以看出，进行YM、WS和QC处理后，土壤pH相比CK都有提高，其中YM处理对土壤pH提高显著，相比CK增加27.58%，呈现显著性差异。另外YM、WS及QC处理后土壤电导率有所降低，其中YM组降低程度最多，相比CK，降低44.19%，影响较为显著，其他两组也存在一定程度的下降。

表5 不同处理方式下连作辣椒土壤pH及电导率Table 5 Soil pH and conductivity of continuous cropping pepper under different treatments

2.7 不同作物秸秆腐解处理对种植辣椒土壤微生物的影响

从表6可以看到，YM、WS及QC处理方式对土壤微生物元素含量都有提高，其中WS处理方式提高的最为显著，显示了该处理方式对土壤微生物的重要调节作用。另外，从表6还可以看出，YM和QC处理方式能够有效降低土壤中真菌数量，但WS处理方式相比CK最为显著，有效地降低辣椒等经济作物连作对土壤的破坏。

表6 不同处理方式对种植辣椒土壤微生物Table 6 Soil microorganisms in pepper planting under different treatments

2.8 不同作物秸秆腐解处理对辣椒种植土壤酶活性的影响

从表7可看出，YM、WS及QC处理方式可显著增强土壤酶活性，除了对土壤脲酶有降解作用外，其他蔗糖酶、酸性磷酸酶及多酚氧化酶均较CK显著增加，特别是YM处理方式，对以上几种处理下土壤酶活性显著增强，增长率分别为 132.69%、186.36%和198.73%，显示玉米秸秆对土壤酶的显著改善作用，增强了辣椒植株连作土壤的总体活性，其他两种处理方式的影响效果相比YM较低。

表7 不同处理方式下辣椒种植土壤酶活性Table 7 Soil enzyme activities in pepper plantation under different treatments

3 讨 论

大量研究显示，不同作物的秸秆完全腐解后产生了氮、磷、钾等多种有机物及肥料，能够满足种植植物所需，这些有机物进入种植植物的土壤中，提高了土壤的微生物含量及活性，对种植作物的生长发育有着显著的促进作用，显著提高农作物的产量。学者[15-17]研究发现，将常见蔬菜作物的秸秆腐解处理后放置在种植的甘蔗，促进了甘蔗作物幼苗根茎的生长，同时改善土壤的微生物活性剂含量，促进甘蔗土壤养分的吸收，提升甘蔗的产量。本研究也得到如下结论，通过在辣椒连作土壤中加入玉米、万寿菊以及芹菜3种作物的秸秆，压碎处理后放入辣椒连作土壤中，提高辣椒的株高、茎粗、生物量及壮苗指数，其中万寿菊秸秆的腐解效果最好，究其原因，主要是不同作物秸秆腐解处理后辣椒根系长度、体积、表面积以及根尖数均显著提高，促进了根系对养分的吸收，有效改善了辣椒连作土壤的根部环境，增强了辣椒作物吸收土壤肥料的能力，其中万寿菊秸秆腐解后对辣椒根系生长的促进作用最为显著。

叶绿素荧光是测定叶片光合作用的无损伤探针，其与光合色素之间存在很好的相关性，能够反映逆境因子对光合作用的影响。植物叶绿素等参数是衡量植物光合作用的主要参数，对于改善整体农业作业环境，增强有机物合成有显著作用，植物叶绿色等参数的测量通常采用荧光法。结合本研究的结果，目前玉米秸秆、芹菜秸秆以及万寿菊秸秆均能提高辣椒植株的光合作用，相关的光合作用等参数均有一定程度的提高，显示腐解处理能够增加辣椒叶片的光合作用利用率，但农作物秸秆对辣椒非化学淬灭系数(NQP)影响较小，猜测可能是与辣椒自身叶绿素系统的胁迫效应及自我保护机制有关，以上研究成果与文献[18-19]中提到的荠菜秸秆对种植茄子光合作用的提高类似，充分说明了秸秆腐物对土壤活性成分的变强，增强了光合作用。另外结合本试验研究发现，玉米秸秆、芹菜秸秆及万寿菊秸秆均能提高连作辣椒的叶绿素含量，增强辣椒的根系活性，提升辣椒作物的生长能力。

在农作物种植过程中，适当的土壤pH及较低的土壤电导率可以有效提升农作物的生长活力，在本次试验中，玉米秸秆、万寿菊秸秆及芹菜秸秆均能够改善土壤的pH及电导率，促进了辣椒的生长。这与文献[20-21]提到的通过玉米秸秆的粉碎提高黄瓜等农作物土壤的活性，有效改善土壤的pH及电导率有相似之处。主要原因可能与玉米秸秆腐解后改善了土壤的有机物质，活化了土壤养分，改善了土壤的各项性能。另外从本研究中发现，秸秆腐解方式释放进土壤的有机物质被土壤微生物利用，进而活化了土壤中的养分。土壤微生物是土壤生命活体中最活跃的有机体，其主要组成类群包括细菌、放线菌和真菌，在维持土壤微生态结构和功能中发挥重要作用。本研究显示，玉米秸秆及万寿菊秸秆处理对连作辣椒的土壤微生物中的放线菌、细菌及总菌数都有提高，同时玉米秸秆、芹菜秸秆及万寿菊秸秆也能够改善土壤的酶活性，是土壤有益的催化剂，可增强辣椒连作植株生理代谢及养分吸收能力。

4 结 论

本研究以辣椒为研究对象，通过试验研究及数据分析，重点研究玉米秸秆、万寿菊秸秆以及芹菜秸秆腐解对辣椒生长及土壤的影响，研究结果显示，玉米、万寿菊及芹菜作物的秸秆腐物提高了辣椒的株高、茎粗、生物量及壮苗指数，同时一定程度上增强了辣椒植株的光合作用及提高了叶绿素含量，另外作物秸秆均能改善土壤的pH、电导率以及土壤微生物结构，增强土壤的酶活性，不同作物的改善程度也有所不同。综上所述，本研究成果对改善辣椒等经济作物连作土壤活性及生产能力有重要的理论及实践参考价值，研究成果可以进一步在农业生产中推广应用。