Effects of Straw Mulching on Soil Quality, Corn Yield and Quality
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摘要:目的 探究甘蔗叶、菠萝茎叶等热带作物秸秆作为农业覆盖材料对土壤质量及玉米生长的影响，为热带作物秸秆废弃物资源化利用提供参考依据。方法 以玉米为种植对象，采用田间小区对比试验，设置甘蔗叶覆盖（SLM）、腐熟甘蔗叶覆盖（RSLM）、菠萝茎叶覆盖（PLM）和富贵竹茎叶覆盖（FLM）4个处理，以塑料地膜覆盖（CK1）和无覆盖（CK2）为对照，研究不同秸秆覆盖对土壤pH、有机质、全氮、有效磷和速效钾的影响，以及对玉米产量和品质的影响。结果 热带作物秸秆覆盖，与无覆盖相比，可以有效提升土壤pH、有机质、全氮、有效磷和速效钾含量，对提升土壤质量具有积极作用。富贵竹茎叶覆盖效果最显著，与塑料地膜覆盖相比，土壤pH提高9.01%，有机质提高6.42%，全氮提高17.59%，速效钾提高477.79%，有效磷含量低于塑料地膜覆盖，但差异不显著；与无覆盖相比，土壤pH提高22.22%，有机质提高21.63%，全氮提高24.51%，有效磷提高2.74%，速效钾提高389.38%。腐熟甘蔗叶和富贵竹茎叶覆盖可以显著提升玉米产量，其他秸秆覆盖对玉米产量和品质的影响均不显著。结论 热带作物秸秆覆盖可以提升土壤质量、促进玉米增产，富贵竹茎叶覆盖在改良土壤方面的效果显著，腐熟甘蔗叶覆盖对于玉米增产有较好的促进作用。Abstract:Objective Effects of spent straws of tropical plants used for mulching on farm soil and corn crop were studied.Method A field experimentation was conducted on designated plots applying sugarcane leaves mulching (SLM) , decayed sugarcane leaves mulching (DSLM) , pineapple leaves mulching (PLM), Fugui bamboo leaves mulching (FLM), or two controls of plastic film covering (CK1) and no mulching (CK2). Soil pH, organic matter, total N, available P, and available K as well as corn yield and quality of the plots were determined.Result All straw mulching increased pH, organic matter, total N, available P, and available K over CK2. Specifically, FLM increased pH by 22.22% , organic matter by 21.63%, total N by 24.51%, available P by 2.74%, and available K by 389.38%. In comparison with CK1, the increases were by 9.01% on pH, by 6.42% on organic matter, by 17.59% on total N, and by 477.79% on available K but an insignificant decline on available P. For the yield of corn crop, significant increases were observed with DSLM and FLM, but no significant effect on the others.Conclusion Mulching the corn field with tropical straws improved the soil properties, corn quality, and crop yield. FLM significantly upgraded the soil fertility, while RSLM enhanced the crop yield.
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Keywords:
- Straws of tropical plants /
- mulching /
- soil quality /
- corn yield /
- resource utilization
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0. 引言
【研究意义】秸秆是一种具有多用途的可再生生物资源，热带地区秸秆资源丰富多样，资源量大且性状差异明显。据统计，仅广东湛江地区每年废弃的甘蔗叶约3000万 t、菠萝茎叶1 000万t、富贵竹茎叶100万t，多数被随意堆放或焚烧，既浪费资源，又破坏环境[1]。如将其集中回收利用，开发剩余价值，既能实现资源的有效利用，又能减少农业面源污染，对热区生态环境保护与资源可持续利用具有积极意义。【前人研究进展】秸秆覆盖是地面覆盖最典型的方式之一[2]。研究表明，采用玉米秸秆和小麦秸秆进行覆盖处理可以提高土壤含水量以及有机碳含量[3−4]，促进拔节期小麦根系在表层土壤中的生长，进而促进氮素吸收利用、提高冬小麦产量与水肥利用效率[5]；采用秸秆覆盖可使小麦、玉米增产，花生每公顷产量增加900 kg以上[6-7]；与常规施肥相比，采用秸秆覆盖可使茶叶叶绿素含量增加23.7%[8]，还具有较好的抑草性能，其中油菜秸秆覆盖处理对直播稻田杂草株防效达98.4%[9−10]。大量研究表明秸秆覆盖对改良土壤质量、改善作物品质及提高作物产量均有积极作用，但一些学者也提出了不同意见。有研究发现稻秆还田处理后直播稻出苗率比不还田处理低25.66%，以及由于秸秆中C/N较高，在土壤中分解缓慢，发生秸秆与作物争氮的现象，影响幼苗生长从而导致减产等问题[11−12]。因此，秸秆还田也有可能产生不利影响。【本研究切入点】目前热区田间覆盖多使用塑料地膜，其残留在土壤中极难分解，且大量残留不仅破坏土壤结构，还影响土壤微生物活动和土壤中肥料的利用水平，最终影响农作物生长，导致减产。甘蔗叶、菠萝茎叶等热带作物秸秆中富含大量的营养元素[13]，且天然可降解，作为覆盖材料利用潜力巨大，但其覆盖还田对土壤及农作物的影响效应尚不明确，如何充分利用这些热带作物秸秆资源，探索更加科学有效的覆盖利用方式十分必要。【拟解决的关键问题】本研究主要以甘蔗叶、菠萝茎叶、富贵竹茎叶等热带作物秸秆为对象，探究不同秸秆覆盖对土壤质量、玉米产量和品质的影响，与塑料地膜覆盖和不覆盖相对比，明确不同秸秆的覆盖应用效果，探讨秸秆覆盖替代塑料地膜的可行性，为热带作物秸秆覆盖还田利用提供科学依据。
1. 材料与方法
1.1 试验地概况
试验地位于中国热带农业科学院湛江院区试验基地（21 °16' N，110 °28' E)，亚热带气候，受海洋气候调节，年平均气温23.2 ℃，年降水量1300～1700 mm，土壤以玄武岩母质发育的砖红壤为主[14−16]。供试土壤基本肥力指标为：有机质含量20.7 g·kg−1，全氮含量1.11 g·kg−1，有效磷含量2.54 mg·kg−1，速效钾含量73.65 mg·kg−1，pH值为4.85。
1.2 试验材料
供试甘蔗叶来自中国热带农业科学院南亚热带作物研究所甘蔗研究中心基地，晒干后粉碎至5～10 cm；腐熟甘蔗叶为将甘蔗叶经过30 d高温好氧堆肥发酵后的产物；菠萝茎叶来自中国热带农业科学院南亚热带作物研究所菠萝研究中心基地，晒干后粉碎至3～5 cm；富贵竹茎叶来自湛江市麻章区高阳苗木基地，为富贵竹修剪后的新鲜废弃茎叶；塑料地膜从市场上采购，为传统白色地膜。秸秆覆盖材料基础养分情况如表1所示。
表 1 秸秆覆盖材料基础养分Table 1. Nutritional compositions of mulching materials覆盖材料
Covering material含水率
Moisture Content/%全氮
Total nitrogen/(g·kg−1)全磷
Total phosphorus/(g·kg−1)全钾
Total potassium/(g·kg−1)甘蔗叶（SLM） 43.24 17.42 1.88 9.54 腐熟甘蔗叶（RSLM） 26.17 26.91 2.02 8.62 菠萝茎叶（PLM） 63.18 26.46 1.05 9.83 富贵竹茎叶（FLM） 72.91 33.25 1.23 16.53 1.3 试验设计
试验于2021–2022年进行两轮春玉米种植。在试验基地中部设置试验小区，采用起垄种植，垄宽1.2 m，每垄种两行玉米。每个小区面积45.6 m2（38 m×1.2 m），随机区组排列。每个小区依据玉米植株情况和管理经验进行水肥统一、同步管理。
试验共设甘蔗叶覆盖（SLM）、腐熟甘蔗叶覆盖（RSLM）、菠萝茎叶覆盖（PLM）和富贵竹茎叶覆盖（FLM）4个处理，以塑料地膜覆盖（CK1）和无覆盖（CK2）为对照，秸秆覆盖用量以均能完全覆盖试验小区土壤、没有裸露面积来计算，每个处理用量为136.8 kg，各重复2次。
1.4 测定指标
1.4.1 土壤样品采集及指标分析
在玉米收获后，每个小区用土钻采集耕层（0~20 cm）土壤样品，每个小区随机采集5个点的土样混合，带回室内自然风干后过筛，分别按照《NY/T 1377—2007土壤pH的测定》《NY/T 1121.6—2006土壤检测第6部分：土壤有机质的测定》《LY/T 1228—2015森林土壤氮的测定》《LY/T 1232—2015森林土壤磷的测定》《LY/T 1234—2015森林土壤钾的测定》检测试验小区土壤的pH、有机质、全氮、有效磷和速效钾。
1.4.2 玉米产量和品质测定
玉米产量以小区为单位进行人工采收，称重计算；玉米品质（粗纤维、蛋白质、淀粉、总糖、钙和锌）测定分别按照《GB/T 5009.10—2003植物类食品中粗纤维的测定》《GB 5009.5—2016食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》《GB 5009.9—2016食品安全国家标准 食品中淀粉的测定》《GB/T 15672—2009食用菌中总糖含量的测定》《GB 5009.92—2016食品安全国家标准 食品中钙的测定》《GB 5009.14—2017食品安全国家标准 食品中锌的测定》进行检测。
1.5 数据分析
采用 Excel 2007进行数据整理，采用SPSS 25.0对数据进行统计分析。
2. 结果与分析
2.1 不同秸秆覆盖对土壤质量的影响
2.1.1 不同秸秆覆盖对土壤pH的影响
秸秆覆盖种植玉米对土壤pH的影响如图1所示。从图1可以看出，富贵竹茎叶覆盖（FLM）后土壤pH值为6.05，与塑料地膜覆盖（CK1）的土壤pH值5.55相比提高9.01%，与无覆盖（CK2）土壤pH值4.95相比提高22.22%，为供试处理中最高的；其他秸秆覆盖后土壤pH均为5.0，与无覆盖相比变化不大。可见采用富贵竹茎叶覆盖可以明显提高土壤pH，避免土壤酸化，其他秸秆覆盖对土壤pH值的提升无明显促进作用，覆盖效果不如塑料地膜。
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2.1.2 不同秸秆覆盖对土壤有机质的影响
秸秆覆盖种植玉米对土壤有机质的影响如图2所示。从图2可以看出，采用富贵竹茎叶覆盖（FLM）土壤有机质含量相对最高，达30.65 g·kg−1，与塑料地膜覆盖（CK1）相比提高了6.42%，与无覆盖（CK2）相比提高了21.63%；菠萝茎叶覆盖（PLM）土壤有机质含量为27.15 g·kg−1，效果不及塑料地膜覆盖（CK1），但比无覆盖（CK2）提高了7.74%；其余两组秸秆覆盖后土壤有机质含量均低于CK1，但是与CK2相比差别不大。说明采用富贵竹茎叶和菠萝茎叶进行地面覆盖，与不覆盖相比，均可提升土壤有机质含量，但甘蔗叶和腐熟甘蔗叶覆盖对土壤有机质含量的影响不明显。
2.1.3 不同秸秆覆盖对土壤全氮的影响
土壤全氮含量用于反映土壤氮素水平的高低，是直接关系到作物生长状况的重要指标。不同秸秆覆盖后土壤全氮含量如图3所示，从图中可以看出，各处理组土壤全氮含量均高于对照组，由高到低的顺序为FLM＞PLM＞SLM＞RSLM＞CK1＞CK2。其中富贵竹茎叶覆盖（FLM）土壤全氮含量最高，为1.27 g·kg−1，与塑料地膜覆盖（CK1）相比提高了17.59%，与无覆盖（CK2）相比提高了24.51%；菠萝茎叶覆盖（PLM）与塑料地膜覆盖（CK1）相比差异不显著，但显著高于无覆盖（CK2）；甘蔗叶和腐熟甘蔗叶覆盖后土壤全氮含量虽然也增加，但与对照组相比差异均不显著。
2.1.4 不同秸秆覆盖对土壤有效磷的影响
采用不同秸秆进行地面覆盖，土壤中有效磷的含量如图4所示。在不同处理情况下，腐熟甘蔗叶覆盖（RSLM）土壤有效磷含量最高，达35.8 mg·kg−1，与塑料地膜覆盖（CK1）相比提高了9.20%，与无覆盖（CK2）相比提高了18.52%；富贵竹茎叶覆盖（FLM）最低，为31.9 mg·kg−1，土壤有效磷含量没有塑料地膜覆盖（CK1）高，但是比无覆盖（CK2）提高了2.74%。各组秸秆覆盖后土壤有效磷含量与无覆盖（CK2）相比均有所增加，除了腐熟甘蔗叶覆盖（RSLM）之外，其他秸秆覆盖与塑料地膜覆盖相比，效果均不显著。
2.1.5 不同秸秆覆盖对土壤速效钾的影响
农作物秸秆中一般含有较多的钾素，且都是水溶性的，因此秸秆覆盖能够明显提高土壤中速效钾的含量。如图5所示，各组秸秆覆盖后土壤中速效钾含量均高于对照组，其中富贵竹茎叶覆盖（FLM）土壤速效钾最高，达313.45 mg·kg−1，然后分别是PLM、RSLM和SLM组。与塑料地膜覆盖（CK1）相比，富贵竹茎叶覆盖（FLM）土壤速效钾含量提高了477.79%，与无覆盖（CK2）相比提高了389.38%；覆盖效果相对较差的甘蔗叶覆盖（SLM）组与塑料地膜覆盖（CK1）相比提高了28.02%，与无覆盖（CK2）相比提高了8.43%，可见采用不同秸秆覆盖，对提升土壤中速效钾含量的作用明显。
2.2 不同秸秆覆盖对玉米产量和品质的影响
2.2.1 不同秸秆覆盖对玉米产量的影响
从图6可以看出，不同秸秆覆盖后玉米产量差异明显，产量从大到小的顺序为：腐熟甘蔗叶覆盖（RSLM）＞富贵竹茎叶覆盖（FLM）＞塑料地膜覆盖（CK1）＞菠萝茎叶覆盖（PLM）＞甘蔗叶覆盖（SLM）＞无覆盖（CK2）。腐熟甘蔗叶覆盖（RSLM）玉米产量为7.58 t·hm−2，比塑料地膜覆盖（CK1）提高40.63%，比无覆盖（CK2）提高了67.70%；相对较差的菠萝茎叶覆盖（PLM）玉米产量为5.15 t·hm−2，不及塑料地膜覆盖（CK1）高，但是比无覆盖（CK2）提高了13.94%。可见秸秆覆盖与无覆盖相比，可以促进玉米增产，且采用腐熟甘蔗叶种植玉米的增产效果最明显，与对照组相比差异显著。
2.2.2 不同秸秆覆盖对玉米品质的影响
从表2可以看出，菠萝茎叶覆盖（PLM）种植的玉米所含蛋白质、淀粉、粗纤维和锌含量最高，总体表现最好。甘蔗叶覆盖（SLM）种植的玉米钙含量最高，达（45.05±6.29）mg·kg−1，显著高于其他组，这可能与甘蔗叶钙含量相对较高有关，有研究表明甘蔗叶片中钙含量最高可达1.34%[17]，而菠萝茎叶、富贵竹等秸秆中钙含量均在1%以下，差异较大，因此不同秸秆覆盖后对作物钙含量的影响也明显不同。
表 2 不同秸秆覆盖对玉米品质的影响Table 2. Effect of straw mulching on quality of corn处理
Treatment蛋白质
Protein/(g·hg−1)总糖
Total sugar/%淀粉
Starch/(g·hg−1)粗纤维
Coarse fibre/%钙
Calcium/(mg·kg−1)锌
Zinc/(mg·kg−1)SLM 2.56±0.33a 1.95±0.49c 5.54±1.46a 0.80±0.14b 45.05±6.29a 4.55±0.47ab RSLM 2.86±0.11a 4.30±0.14ab 6.20±0.65a 0.90±0.14ab 15.75±0.35b 3.31±0.19b PLM 3.18±0.06a 2.80±0.14bc 6.30±0.40a 1.15±0.07a 13.90±0.28b 5.51±0.13a FLM 2.53±0.13a 3.25±0.35abc 5.06±1.44a 1.00±0.14ab 22.40±4.24b 3.93±1.60ab CK1 2.99±0.53a 4.85±1.63a 5.67±1.35a 1.00±0.00ab 21.95±13.22b 3.89±0.11ab CK2 2.82±0.15a 3.80±0.71abc 5.56±1.36a 0.70±0.14b 19.10±2.26b 4.89±0.35ab 3. 讨论
3.1 不同秸秆覆盖对土壤质量的影响
秸秆覆盖是一种以农作物秸秆覆盖还田、免耕播种为主的保护性耕作技术。研究结果表明，甘蔗叶作为覆盖材料，与塑料地膜覆盖和无覆盖相比，可以提升土壤全氮、有效磷和速效钾的含量，但提升效果不显著，且对土壤pH和有机质的影响不大，这可能是因为甘蔗叶水分含量低、表层蜡质厚，不易于软化降解[18]，因此氮磷钾等养分物质难以被土壤吸收利用，覆盖效果不明显；采用腐熟甘蔗叶进行地面覆盖后，与塑料地膜覆盖和无覆盖相比，能够显著提升土壤有效磷和速效钾含量，说明甘蔗叶经过高温腐熟后更易分解，有利于土壤吸收，这种变化特征与王飞等[19−20]研究结论一致；菠萝茎叶作为覆盖材料，与塑料地膜覆盖和无覆盖相比，对土壤pH和有机质的影响不显著，但土壤全氮、有效磷和速效钾的含量均高于两个对照组，其中速效钾含量显著高于对照组，这可能是因为菠萝茎叶水分含量相对较高且材料自身钾含量高，生物活性强，覆盖后腐解快，促进了土壤对氮、磷、钾等养分的吸收。
研究结果还表明，采用富贵竹茎叶进行地面覆盖，与塑料地膜覆盖相比，土壤pH提高9.01%，有机质提高6.42%，全氮提高17.59%，速效钾提高477.79%，有效磷含量虽低于塑料地膜覆盖，但差异不显著，整体表现优异；与无覆盖相比，土壤pH提高22.22%，有机质提高21.63%，全氮提高24.51%，有效磷提高2.74%，速效钾提高389.38%，促进效果更加明显。土壤中速效钾含量的大幅度提升是因为钾在秸秆内以离子态存在，极易被淋洗出来而进入土壤，而富贵竹茎叶中全钾含量达16.53 g·kg−1，是所有覆盖材料中钾含量最高的，因此土壤对钾的吸收率也最高。富贵竹茎叶覆盖后土壤质量整体效果最好，这一方面与富贵竹废弃茎叶本身养分含量高有关，提供了大量氮磷钾元素；另一方面是因为富贵竹茎叶为鲜叶，其水分含量达70%以上，高水分可以加速秸秆腐解转化，土壤可利用物质增多，从而促进土壤质量提升。这与李凤博等[11]研究发现的小麦秸秆覆盖还田可以同时提高土壤有机质、全氮、速效磷和速效钾含量的结论一致。
通过研究还发现，这几种热带作物秸秆覆盖并没有发生与土壤争夺养分的情况，全氮、有效磷和速效钾含量与无覆盖相比，总体持平或者呈增加趋势，其中以富贵竹茎叶覆盖效果最好，作为全天然可降解材料，富贵竹茎叶覆盖可以替代塑料地膜使用，减少“白色污染”，生态效益显著。已有研究表明，富贵竹废料中含有丰富的纤维素和一定含量的木质素，是培养食用菌的优质原料[21]，但作为农作物覆盖材料的研究及应用还未见报道，以富贵竹废弃物作为覆盖材料创新了富贵竹废弃物利用方式，下一步还需深入分析覆盖量、覆盖方式等对土壤、环境和作物的影响，为寻求最佳的富贵竹废弃物田间覆盖技术提供科学依据。
3.2 不同秸秆覆盖对玉米产量和品质的影响
根据研究结果可知，不同秸秆覆盖与无覆盖相比均可以提升玉米产量，这与前人研究的秸秆覆盖可以提高玉米产量结果一致[8−9]，究其原因是秸秆覆盖增加了土壤有机质含量，改良了土壤结构，因此可以提升玉米根系活力和促进根系对养分的吸收。此外，秸秆覆盖可以有效保持土壤的水分和温湿度，从而促进玉米出苗和生长发育，也有利于玉米增产[22−24]。腐熟甘蔗叶覆盖后玉米产量最高，达7.58 t·hm−2，比塑料地膜覆盖高40.63%，比无覆盖高67.70%，差异显著，一方面是因为秸秆经过腐熟已分解矿化成为简单的有机质、腐殖质以及矿物质成分，更加有利于作物吸收，另一方面磷是限制作物产量的重要因素之一，腐熟甘蔗叶覆盖后土壤有效磷含量最高，能够直接被作物吸收利用从而促进玉米产量提升，这与廖恒等[25]的研究结果一致。富贵竹茎叶覆盖的玉米产量仅次于腐熟甘蔗叶覆盖，与两个对照组相比同样差异显著，这可能是因为富贵竹废弃茎叶覆盖后土壤有效磷含量虽然不高，但其叶片中含有较高的生长素IAA和酚类物质，可以显著促进作物生根[26]，从而促进玉米生长和提升玉米产量。
对玉米品质的影响方面，采用不同秸秆覆盖后，各指标变化规律不明显，除了粗纤维含量均有所提高之外，其他指标与塑料地膜覆盖和无覆盖的差异并不显著，甚至有些还低于对照组。刘兴斌等[24, 27−28]则认为秸秆还田后有效改善了制种玉米品质，与传统化肥和对照处理比较，小麦秸秆覆盖和玉米秸秆覆盖其可溶性糖含量分别增加16.01%和25.92%，淀粉含量分别增加11.15%和29.30%，粗蛋白含量分别增加13.36%和20.69%，差异显著。由此可见，南北方不同秸秆对玉米品质的影响大为不同，相关影响机理还应进一步深入研究。
4. 结论
甘蔗叶、菠萝茎叶和富贵竹茎叶都可以作为覆盖材料用于农作物种植，一方面可以减少这些资源被随意丢弃带来的农业面源污染，另一方面也可以提升土壤质量、促进作物生长，对改良热区土壤和作物增产具有积极作用。秸秆自身的养分含量对土壤养分具有直接影响，含水率高的秸秆，在覆盖过程中更容易降解转化被土壤吸收利用，尤其以富贵竹茎叶覆盖应用效果最好，不仅可以显著提升土壤pH值，避免土壤酸化，还能增加土壤有机质和氮磷钾含量；腐熟秸秆对作物增产的影响最为显著，因此可以根据不同的应用需求选择不同的秸秆原料进行覆盖，以达到科学利用目的和最佳使用效果。
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表 1 秸秆覆盖材料基础养分
Table 1 Nutritional compositions of mulching materials
覆盖材料
Covering material含水率
Moisture Content/%全氮
Total nitrogen/(g·kg−1)全磷
Total phosphorus/(g·kg−1)全钾
Total potassium/(g·kg−1)甘蔗叶（SLM） 43.24 17.42 1.88 9.54 腐熟甘蔗叶（RSLM） 26.17 26.91 2.02 8.62 菠萝茎叶（PLM） 63.18 26.46 1.05 9.83 富贵竹茎叶（FLM） 72.91 33.25 1.23 16.53 
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表 2 不同秸秆覆盖对玉米品质的影响
Table 2 Effect of straw mulching on quality of corn
处理
Treatment蛋白质
Protein/(g·hg−1)总糖
Total sugar/%淀粉
Starch/(g·hg−1)粗纤维
Coarse fibre/%钙
Calcium/(mg·kg−1)锌
Zinc/(mg·kg−1)SLM 2.56±0.33a 1.95±0.49c 5.54±1.46a 0.80±0.14b 45.05±6.29a 4.55±0.47ab RSLM 2.86±0.11a 4.30±0.14ab 6.20±0.65a 0.90±0.14ab 15.75±0.35b 3.31±0.19b PLM 3.18±0.06a 2.80±0.14bc 6.30±0.40a 1.15±0.07a 13.90±0.28b 5.51±0.13a FLM 2.53±0.13a 3.25±0.35abc 5.06±1.44a 1.00±0.14ab 22.40±4.24b 3.93±1.60ab CK1 2.99±0.53a 4.85±1.63a 5.67±1.35a 1.00±0.00ab 21.95±13.22b 3.89±0.11ab CK2 2.82±0.15a 3.80±0.71abc 5.56±1.36a 0.70±0.14b 19.10±2.26b 4.89±0.35ab
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1. 赵旭珍. 秸秆覆盖相关研究汇总分析. 水土保持应用技术. 2025(01): 65-68 . 
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