張勇勇趙鳳艷楊麗娟

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院,遼寧 沈陽 110866; 2.遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作栽培研究所,遼寧 沈陽110161)

番茄是我國設(shè)施蔬菜的主要作物種類之一,連作現(xiàn)象普遍存在。長(zhǎng)期大量投入化肥來維持其增產(chǎn),導(dǎo)致土壤環(huán)境惡化,植株長(zhǎng)勢(shì)變?nèi)?病蟲害加劇[1]。近年來,因其高產(chǎn)出、土地利用率高且受季節(jié)影響小等特點(diǎn)使設(shè)施番茄產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。然而,在傳統(tǒng)的管理措施下,以及高溫高濕、無雨水淋溶的環(huán)境下,溫室內(nèi)長(zhǎng)期連作也會(huì)對(duì)土壤質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響,最終導(dǎo)致作物產(chǎn)量和品質(zhì)下降,以及病蟲害的加劇[2]。同時(shí),在連作系統(tǒng)中長(zhǎng)期施用化肥還會(huì)導(dǎo)致土壤酸化和次生鹽漬化[3～4]。施肥是影響土壤質(zhì)量、番茄產(chǎn)量及品質(zhì)的重要因素[5]。研究表明,施用蚯蚓糞,可通過維持土壤營養(yǎng)均衡和土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、向土壤中輸送有益菌來抑制有害菌的繁殖及調(diào)節(jié)土壤pH等方面,以達(dá)到土壤微環(huán)境、土傳病害防治、作物產(chǎn)量和品質(zhì)等多方面受益[6]。蚯蚓糞因其良好的理化性狀(包括pH、孔隙結(jié)構(gòu)、持水排水能力和營養(yǎng)狀態(tài)等)、較高的微生物活性以及豐富的有益菌和植物激素等優(yōu)點(diǎn),輸入到土壤中后可產(chǎn)生物理、化學(xué)和生物學(xué)均適宜植株生長(zhǎng)發(fā)育所需的土壤肥力[7]。蚯蚓糞相較于傳統(tǒng)有機(jī)肥具有很多優(yōu)點(diǎn),合理的施用對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可發(fā)揮顯著的改良作用,近年來已成為研究的熱點(diǎn)。基于此,前人針對(duì)蚯蚓糞對(duì)番茄連作土壤特性及產(chǎn)量的影響已進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究[8～9],但主要集中在單因素方面,針對(duì)蚯蚓糞對(duì)設(shè)施土壤生物化學(xué)特性和產(chǎn)量及品質(zhì)的綜合研究鮮有報(bào)道。本研究在保證N、P2O5、K2O等量的基礎(chǔ)上,研究了蚯蚓糞配施化肥、牛糞配施化肥和單施化肥對(duì)設(shè)施內(nèi)連作番茄產(chǎn)量、品質(zhì)、土壤養(yǎng)分含量、微生物量和酶活性的影響,以期為設(shè)施農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)與實(shí)踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與供試材料

盆栽試驗(yàn)于2015年2月～6月在遼寧省沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)的日光溫室中進(jìn)行。供試土壤為番茄連作5年的土壤,土壤基本性質(zhì)為pH 6.32,C/N值8.26,速效氮124.63 mg/kg,速 效 磷 157.34mg/kg,速 效 鉀167.92 mg/kg,全碳14.14 g/kg,全氮1.71 g/kg,容重1.34 g/cm,孔隙度49.4%。供試番茄品種為遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所育成的“遼園多麗”。試驗(yàn)用盆選用上、下直徑和高分別為30 cm、20 cm、25 cm聚乙烯塑料盆,緊靠順序排列。生長(zhǎng)季節(jié)溫室內(nèi)晝夜溫度為15～35℃。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì),供設(shè)4個(gè)處理,分別為蚯蚓糞配施化肥(VM,以牛糞、廚余垃圾混合腐熟后喂食蚯蚓后所獲得的產(chǎn)物)、牛糞配施化肥(CM)、單施化肥(CF)和不施肥對(duì)照(CK)。每個(gè)處理有5個(gè)重復(fù)。

每盆裝過1 cm篩后的風(fēng)干土16 kg。所有施肥處理N、P2O5、K2O施肥量一致,N、P2O5、K2O用量分別為0.40、0.30、0.40 g/kg土壤,供試肥料養(yǎng)分含量見表1。為與CF處理保持等量的N、P2O5、K2O含量,VM和CM處理有機(jī)肥均為部分代替化肥,其中有機(jī)肥用量分別為19.84、11.79 g/kg土壤,不足的養(yǎng)分需加入額外的尿素、磷酸氫二銨和硫酸鉀補(bǔ)足。所有肥料在番茄移栽前與土壤充分混合,生長(zhǎng)季不進(jìn)行施肥。每盆定植一株40日苗齡的番茄幼苗。10 d后補(bǔ)第1次緩苗水,并保證每盆每次澆水量相同。番茄生育期為120 d。

表 1 供試肥料養(yǎng)分含量Table 1 Nutrient content in manures or fertilizers

1.3 樣品采集與測(cè)定方法

番茄果實(shí)保留三穗果,收獲期為5月21日(71 d)至7月13日(120 d)。用百分天平稱重并計(jì)算每株番茄產(chǎn)量。當(dāng)番茄第二穗果實(shí)成熟度達(dá)到80%左右,取果實(shí)樣品測(cè)定番茄品質(zhì)。

可溶性糖、總酸度、維生素C(VC)和硝酸鹽含量均使用均質(zhì)果汁測(cè)定[10],分別采用氰化鹽碘量法、堿中和滴定法、2,4-二硝基苯肼比色法和水楊酸分光光度法測(cè)定。

于番茄收獲期采集0～20 cm土層土壤樣品,過2 mm尼龍篩后分為兩份保存。一部分存于4 ℃的新鮮土壤樣品用于測(cè)定土壤酶活性和微生物生物量,另一部分風(fēng)干后的土壤樣品用于測(cè)定土壤化學(xué)性質(zhì)。

使用元素分析儀(Elementar Ⅲ,Germany)測(cè)定土壤全碳、全氮含量和碳氮比。采用1.0 mol/L NaOH水解擴(kuò)散法和0.5 mol/L NaHCO3(pH 8.5)溶液萃取后用分光光度計(jì)比色法測(cè)定土壤速效氮和速效磷含量[11～12]。使用雷磁SJ-3F pH計(jì)測(cè)定土壤pH值(土水比為1/5)。根據(jù)Vanceetal.和Brookesetal.的方法測(cè)定土壤微生物量碳和氮[13～14]。稱取鮮土(約20 g風(fēng)干土)在室溫黑暗條件下將其放置于真空干燥器中并經(jīng)去乙醇CHCl3熏蒸24 h,同時(shí)在相同環(huán)境條件下進(jìn)行無熏蒸的對(duì)照處理。然后,所有土壤樣品用0.5 mol/L K2SO4(土液比為1/4)浸提,浸提液中的微生物量碳和氮含量使用Multi N/C 3100分析儀(Analytikjena,德國)進(jìn)行測(cè)定;土壤微生物量碳和氮計(jì)算公式分別為BC=EC/kEC和BN=EN/kEN,EC和EN為熏蒸與未熏蒸浸提液中碳、氮的差值,kEC和kEN為校正因子,分別為0.45、0.54。

根據(jù)關(guān)松蔭等的方法,用鮮土測(cè)定土壤酶活性[15]。采用0.1 mol/L KMnO4滴定法測(cè)定過氧化氫酶活性,并表示為ml/(g h)。采用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定脲酶活性,并表示為mg NH3-N/(g 24 h)。采用鄰苯三酚法測(cè)定多酚氧化酶,并將其表示為mg/(g 3 h)。采用水楊酸比色法測(cè)定蔗糖酶活性,以mg Glucose/(g 24 h)表示。多酚氧化酶活性采用鄰苯三酚比色法測(cè)定,以mg/g表示。采用2,3,5 -三苯基氯化四唑(TTC)比色法測(cè)定脫氫酶活性,并以mg TPF/g(即mg Triphenyl Formazan/g)表示。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

運(yùn)用SPSS 17.0軟件(SPSS Inc, Chicago, USA)對(duì)所獲數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析(ANOVA),在5%顯著水平下,采用Duncan’s test對(duì)處理間的均值差異進(jìn)行比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 番茄產(chǎn)量

施肥處理對(duì)番茄產(chǎn)量有顯著影響(圖1,P＜0.05)。所有處理中VM處理的番茄產(chǎn)量最高,其次是CM、CF和CK,VM處理番茄產(chǎn)量比CM、CF和CK處理分別提高了13.13%、28.04%和44.21%。

圖 1 施肥對(duì)番茄產(chǎn)量的影響Figure 1 Effects of different fertilization treatments on tomato yield

2.2 番茄品質(zhì)

對(duì)番茄品質(zhì)分析結(jié)果表明(圖2),不同施肥處理對(duì)番茄品質(zhì)的影響效果不同。各處理維生素C含量表現(xiàn)為VM＞CM＞CF＞CK,其中VM和CM處理間以及CF和CK處理間維生素C含量均無顯著差異(P＞0.05),但VM和CM維生素C含量顯著高于CF和CK處理(P＜0.05)。施肥處理間總酸度差異不顯著(P＞0.05),但施肥降低了番茄總酸度,且VM和CM顯著低于CK(P＜0.05),VM最低。施肥顯著提高了番茄果實(shí)糖酸比和可溶性糖含量(P＜0.05),其中VM處理中糖酸比和可溶性糖含量均顯著高于CF和CK處理,而與CM處理間無顯著差異。施肥降低了番茄果實(shí)硝酸鹽含量(P＜0.05),表現(xiàn)為VM＜CM＜CF＜CK,有機(jī)肥處理的硝酸鹽含量顯著低于化肥和對(duì)照處理,而VM處理的硝酸鹽含量顯著低于CM處理。

2.3 土壤化學(xué)性質(zhì)

施有機(jī)肥可提高土壤pH、速效氮、速效磷、全氮和全碳含量,其中VM處理最高,其次是CM。與CM、CF和CK處理相比,VM處理pH分別提高0.20、0.63和0.50個(gè)單位,速效氮含量分別增加20.22%、22.62%和30.73%,速效磷含量分別增加18.60%、62.23%和101.10%,全氮含量分別增加2.25%、15.92%和12.35%,全碳含量增加2.27%、18.23%和13.22%。與CK相比,CF處理降低了土壤pH、全氮和全碳含量,但增加了速效氮和速效磷含量。各施肥處理對(duì)土壤碳氮比無顯著影響(P＞0.05)。說明本試驗(yàn)條件下施用有機(jī)肥,特別是蚯蚓糞,可提高番茄連作土壤pH、土壤養(yǎng)分供給及庫存(表2)。

2.4 土壤微生物量

施用有機(jī)肥的VM和CM處理的土壤微生物量碳(MBC)含量分別329.2 mg/kg和288.5 mg/kg,均高于CK和CF處理的235.4 mg/kg和201.1 mg/kg。土壤微生物量氮(MBN)含量與MBC變化趨勢(shì)相似,VM和CM處理的MBN含量分別158.3 mg/kg和135.2 mg/kg,也均高于CK和CF處理的75.8 mg/kg和111.3 mg/kg。MBC/MBN值表現(xiàn)出了相反趨勢(shì),VM(2.1)和CM(2.1)處理的MBC/MBN值均低于CK(3.2),但高于CF處理(1.8)(見表3)。

表 2 施肥對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響Table 2 Effects of of different fertilization treatments on soil chemical properties

表 3 施肥對(duì)土壤微生物生物量的影響Table 3 Effects of of different fertilization treatments on soil microbial biomass

2.5 土壤酶活性

施肥處理顯著影響了土壤脫氫酶、過氧化氫酶、多酚氧化酶、蔗糖酶和脲酶的活性(圖3)。與其他處理相比,VM的土壤脫氫酶、過氧化氫酶、多酚氧化酶、蔗糖酶和脲酶活性提高了23.53%～110.00%、52.78%～125.41%、15.79%～41.94%、60.98%～102.45%和21.62%～55.17%。脫氫酶、過氧化氫酶和蔗糖酶變化趨勢(shì)一致,即VM＞CM＞CF＞CK。VM處理多酚氧化酶活性顯著高于CM處理,而CM處理顯著高于CF和CK處理(P＜0.05),但CF和CK處理相似,無顯著差異(P＞0.05)。此外,有機(jī)肥處理顯著提高了脲酶活性,且VM處理顯著高于CM處理,相反,CF處理降低了脲酶活性。

圖 2 施肥對(duì)番茄品質(zhì)的影響Figure 2 Effects of different fertilization treatments on tomato quality

圖 3 施肥對(duì)收獲期土壤酶活性的影響Figure 3 Effects of different fertilization treatments on soil enzymatic activity

3 結(jié)論與討論

3.1 化肥有機(jī)替代對(duì)番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

有機(jī)肥,特別是蚯蚓糞替代化肥可提高番茄產(chǎn)量并改善品質(zhì)。在本實(shí)驗(yàn)條件下,各施肥處理的N、P2O5、K2O用量相同,而有機(jī)肥替代化肥的處理土壤速效氮、速效磷等養(yǎng)分含量高于單施化肥和對(duì)照處理,促進(jìn)了番茄植株的養(yǎng)分吸收,進(jìn)而提高產(chǎn)量。此外,蚯蚓糞和牛糞中含有番茄生長(zhǎng)發(fā)育所需的Ca、Mg等營養(yǎng)物質(zhì),而外源添加Ca、Mg等營養(yǎng)物質(zhì)可顯著提高番茄產(chǎn)量[16]。然而,蚯蚓糞替代化肥處理的番茄產(chǎn)量高于牛糞替代化肥處理。這一現(xiàn)象可以從以下幾個(gè)方面來解釋。首先,蚯蚓糞是有機(jī)物質(zhì)經(jīng)過蚯蚓的消化系統(tǒng)后而獲得的產(chǎn)物,因此,不同于傳統(tǒng)的糞肥[17]。蚯蚓和微生物在蚯蚓堆肥過程中均起著主要作用,有機(jī)物質(zhì)通過蚯蚓分解(腐殖化)而穩(wěn)定下來,而在傳統(tǒng)的堆肥過程中只有微生物起著主要作用[18]。

其次,蚯蚓糞中的養(yǎng)分形態(tài)易被植物吸收利用,如可溶性大量元素(NO3-N,K、Ca和Mg)和微量元素(Zn、Cu、Mn、Fe、B)[19～21]。再者,蚯蚓糞中還含有生物活性物質(zhì),如植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑、酶和大量功能性微生物[22～24]。與單施化肥和牛糞替代化肥處理相比,蚯蚓糞替代化肥處理的番茄果實(shí)中維生素C、可溶性糖含量和糖酸比均為最高,而

總酸度和硝酸鹽含量均最低。Colpanetal.[25].研究表明,蚯蚓糞中富含的K元素營養(yǎng)可以提高番茄果實(shí)品質(zhì)。另外,蚯蚓糞中含有大量的Ca元素以及不同類型的激素均可以改善番茄果實(shí)品質(zhì)[26～28]。這也解釋了施用蚯蚓糞后番茄果實(shí)品質(zhì)得到改善的原因。

3.2 化肥有機(jī)替代對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

在蚯蚓糞有機(jī)替代的相關(guān)試驗(yàn)研究表明,施加蚯蚓糞能明顯提高土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量[5,29]。這與本試驗(yàn)研究結(jié)果基本一致,相較于單施化肥處理,有機(jī)肥替代化肥處理,特別是蚯蚓糞替代化肥處理能顯著提高土壤中pH、速效氮、速效磷、全氮和全碳含量。施用有機(jī)肥后土壤pH升高,蚯蚓糞替代化肥處理和牛糞替代化肥處理的土壤pH分別升高至6.79和6.59,比對(duì)照升高了0.50和0.30個(gè)單位,比單施化肥升高了0.63和0.43個(gè)單位,而設(shè)施番茄生長(zhǎng)所需最適宜的土壤pH在7左右,有機(jī)肥,特別是蚯蚓糞,替代化肥施入土壤后使土壤的酸堿度更適宜番茄生長(zhǎng)。速效氮、磷養(yǎng)分含量的提高表明當(dāng)季土壤供肥能力增強(qiáng)[9,28],而全碳和全氮含量升高,可能是施用有機(jī)肥后土壤中微生物活動(dòng)強(qiáng)烈,加速分解有機(jī)物質(zhì)而釋放出碳和氮[26,27]

。

3.3 化肥有機(jī)替代對(duì)土壤微生物量和酶活性的影響

土壤微生物量是表征土壤肥力和質(zhì)量的重要指標(biāo),對(duì)環(huán)境因素(包括pH、養(yǎng)分條件、團(tuán)粒結(jié)構(gòu)等因素)的反應(yīng)非常敏感[30]。蚯蚓糞和牛糞(特別是蚯蚓糞)替代化肥處理的土壤微生物量(MBC和MBN)顯著高于化肥和對(duì)照處理。這可能是由于蚯蚓糞和牛糞中含有豐富的微生物以及具有良好的團(tuán)粒結(jié)構(gòu),施入土壤后改善土壤結(jié)構(gòu)并增加了土壤中自身微生物數(shù)量,且有機(jī)肥中含有豐富的有機(jī)物質(zhì),可作為微生物的食源和能量,促進(jìn)微生物繁殖生長(zhǎng)[31]

。

土壤酶活性是表征土壤功能的基本指標(biāo)[32～33]。本研究結(jié)果表明,與單施化肥處理相比,施用蚯蚓糞和牛糞處理的土壤脫氫酶、過氧化氫酶、多酚氧化酶、蔗糖酶和脲酶活性均顯著升高。有機(jī)肥,特別是蚯蚓糞,作為生物能源物質(zhì),可以提供可用的能量并加速土壤微生物的繁殖,進(jìn)而促進(jìn)某些酶分泌[34～35]。由于過氧化氫酶和多酚氧化酶能夠分解對(duì)土壤生物有毒性作用的過氧化物或酚類化合物[36～37]。而作物長(zhǎng)期連作后,植物根系分泌的自身毒素(如酚類物質(zhì))積累可導(dǎo)致土壤微生物群落失衡[38]。

施用牛糞和蚯蚓糞后土壤過氧化氫酶和多酚氧化酶升高,表明施用有機(jī)肥的土壤增強(qiáng)了微生物對(duì)過氧化物和酚類化合物的分解能力,降低了過氧化物和酚類化合物的毒害作用,有助于土壤的健康[39]。脫氫酶活性升高表明土壤微生物氧化能力增強(qiáng)。蔗糖酶和脲酶活性升高可以反映土壤的碳、氮供應(yīng)能力提高,土壤化學(xué)性質(zhì)結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。因此,蚯蚓糞和牛糞替代化肥更有利于土壤微生物發(fā)揮其功能作用。