張凱歌，王曉東，馬永杰，韓聰穎，張雪艷

(寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，銀川 750021)

【研究意義】現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，有機(jī)肥施用比例雖不斷增加，但仍以無機(jī)肥投入為主，其用量占總用肥量90%以上[1-2]。大量無機(jī)肥料投入短期內(nèi)提高了蔬菜產(chǎn)量效益，但長期盲目施用將造成作物品質(zhì)和產(chǎn)量下降，土壤養(yǎng)分比例失調(diào)，微生物區(qū)系失衡[3]。在集約化生產(chǎn)中面臨更為嚴(yán)重的土壤障礙問題[4]，尤其在設(shè)施栽培中，溫室半封閉環(huán)境，以及較露地更多的殺蟲劑、化肥應(yīng)用造成了土壤質(zhì)量下降嚴(yán)重，黃瓜長勢變差，果實(shí)品質(zhì)和產(chǎn)量降低[5]。有機(jī)肥施用可有效改善農(nóng)田土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤透氣能力、保水能力以及蓄熱能力，并能培肥地力，活化土壤養(yǎng)分，提高作物對肥料的利用效率[6]，同時(shí)為土壤微生物提供適應(yīng)的生存環(huán)境，增強(qiáng)土壤微生物活性和群落功能多樣性，是改良農(nóng)田土壤的有效措施[7]。傳統(tǒng)有機(jī)肥由于產(chǎn)業(yè)供給體系不完善，并不能滿足所有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求[8]，因此，進(jìn)行新型有機(jī)肥肥料替代傳統(tǒng)有機(jī)肥的研究具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】堆肥是有效利用農(nóng)業(yè)廢棄資源的重要方式。堆肥的施入可通過調(diào)整土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)特性達(dá)到積極修復(fù)土壤質(zhì)量的效果[9]。張雪艷等[10]研究表明，堆肥結(jié)合接種蠟樣芽孢桿菌不僅能有效促進(jìn)黃瓜植株的生長，而且能提高果實(shí)品質(zhì)和產(chǎn)量。檸條(Caraganamicrophylla)是多年生豆科灌木，作為防風(fēng)固沙生態(tài)功能植物大面積種植于我國西北地區(qū)，其殘茬是西北地區(qū)重要的農(nóng)業(yè)廢棄資源。寧夏全區(qū)每年可開發(fā)利用的檸條種植面積達(dá)40萬hm2以上，產(chǎn)量超過80萬t[11]。檸條殘茬中氮素和有機(jī)質(zhì)含量較高，進(jìn)行堆肥處理后適合用于蔬菜作物栽培。檸條堆肥施用將減少檸條殘茬處理不當(dāng)對生態(tài)環(huán)境造成的污染，提高農(nóng)業(yè)廢棄資源的利用效率。有機(jī)肥施入往往伴隨著翻耕進(jìn)行，土壤深翻可打破犁底層，改變土層結(jié)構(gòu)，通過深翻建立的耕作層可較好地協(xié)調(diào)土壤中的水、肥、氣和熱，對大幅度提升土壤質(zhì)量及促進(jìn)作物生長具有重要意義[12]，但過度深耕將增加水分和養(yǎng)分流失。目前，關(guān)于翻耕深度對作物生長影響的研究多集中在小麥[13]、玉米[14]、大豆[15]和棉花[16]等大田作物上，針對園藝作物特別是設(shè)施蔬菜栽培翻耕深度結(jié)合有機(jī)肥進(jìn)行土壤培肥研究卻鮮有報(bào)道?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】以傳統(tǒng)腐熟雞糞結(jié)合常規(guī)翻耕深度為對照，設(shè)置檸條堆肥結(jié)合不同翻耕深度處理，探究檸條堆肥結(jié)合翻耕對黃瓜生長、葉片熒光特性、果實(shí)品質(zhì)和產(chǎn)量的協(xié)同影響?！緮M解決的關(guān)鍵問題】明確檸條堆肥下的合理翻耕深度，為檸條殘茬堆肥化利用下促進(jìn)黃瓜生長、品質(zhì)和產(chǎn)量形成的合理耕作模式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況與試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在寧夏銀川賀蘭國家園區(qū)4號日光溫室進(jìn)行，該區(qū)域海拔1110.14 m，地處寧夏回族自治區(qū)東北部(105°53′～106°36′E、38°26′～38°48′N)，屬于中溫帶干旱氣候。年平均太陽輻射5711～ 6096 MJ/m2，平均溫度6.28～13.10 ℃，年均降雨量為129～600 mm。供試土壤類型為粉壤土(23.5%的沙子，52.8%的淤泥和3.7%的粘土)。供試黃瓜品種為博美626(天津德瑞特種業(yè)有限公司)，檸條堆肥以檸條、羊糞為原料，按照碳氮比25∶1好氧發(fā)酵50 d后獲得，容重為0.25 g/cm3，總孔隙度為79.2%。

表1 供試土壤和肥料的基本性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以傳統(tǒng)腐熟雞糞+翻耕15 cm(常規(guī)耕作)為對照(CK)，檸條堆肥+免耕(T1)、檸條堆肥+翻耕15 cm(T2)、檸條堆肥+翻耕35 cm(T3)、檸條堆肥+翻耕45 cm(T4)為處理，連續(xù)進(jìn)行4茬田間試驗(yàn)，第1茬(2018年2—7月，早春茬)，第2茬(2018年9月至2019年1月，秋冬茬)，第3茬(2019年2—7月，早春茬)，第4茬(2019年9月至2020年1月，秋冬茬)。每個(gè)處理3次重復(fù)，小區(qū)隨機(jī)排列，每個(gè)小區(qū)面積9 m2。試驗(yàn)采用高畦栽培，雙行種植，株距33 cm，行距70 cm。雞糞和檸條堆肥等氮施用，雞糞施用量為22.5 t/hm2，檸條堆肥施用量為23.2 t/hm2，同時(shí)各處理施用磷酸氫二銨450 kg/hm2，復(fù)混肥[m(N)∶m(P)∶m(K)=20∶20∶20]450 kg/hm2，進(jìn)行統(tǒng)一追肥和灌水，為防止處理間水分橫向運(yùn)移，小區(qū)之間用泡沫板進(jìn)行隔離，泡沫板深度為80 cm。

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1 植株長勢的測定 2018—2020年每茬植株定植后第2周開始，每個(gè)處理選取代表性植株10株，每隔2周進(jìn)行植株長勢的測定，共測5次。利用鋼制卷尺從黃瓜莖基部到黃瓜生長點(diǎn)進(jìn)行株高的測定，利用游標(biāo)卡尺在距地面1 cm處測定黃瓜植株莖粗。測定后分別計(jì)算黃瓜株高相對生長率莖體積相對生長率[17]：

RGH-PH[cm/(cm·d)]=[ln(h2)-ln(h1)]/(t2-t1)

(1)

RGH-SV[cm3/(cm3·d)]=[ln(d2·d2·h2)-ln(d1·d1·h1)]/(t2-t1)

(2)

式中，h1、h2代表2次測量時(shí)間點(diǎn)的株高。d1、d2代表2次測量時(shí)間點(diǎn)的莖粗，t1、t2代表2次測量的時(shí)間點(diǎn)。

1.3.2 植株葉片熒光參數(shù)的測定 每個(gè)栽培茬的植株定植后6周左右，在晴天上午的09：00—11：00每個(gè)處理選取10株具有代表性的植株，用OSI-FL便攜式葉綠素儀選取相同節(jié)位(從上數(shù)第5片)的黃瓜功能葉片測定葉片熒光參數(shù)。測定前，先用熒光夾子夾住黃瓜葉片進(jìn)行30 min暗適應(yīng)，使其反應(yīng)中心處于完全開放狀態(tài)，用便攜式熒光儀對準(zhǔn)夾子接口處，然后拉開暗室板直接測定葉片的熒光參數(shù)Fo和Fm，并計(jì)算PSⅡ最大光化學(xué)轉(zhuǎn)化率(Fv/Fm)和PSⅡ最大光化學(xué)轉(zhuǎn)化作用光下實(shí)際的光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)[18]。

1.3.3 黃瓜果實(shí)品質(zhì)和產(chǎn)量的測定 全生育期記錄每個(gè)小區(qū)黃瓜產(chǎn)量，分別統(tǒng)計(jì)各處理的總產(chǎn)量，并按照小區(qū)面積計(jì)算整個(gè)生育期的公頃產(chǎn)量。在黃瓜盛果期采集黃瓜果實(shí)測定品質(zhì)指標(biāo)?？扇苄怨绦挝锖坎捎肨D-45數(shù)值折光儀測定，硝酸鹽含量采用水楊酸比色法測定，可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定，Vc含量采用鉬藍(lán)比色法測定，有機(jī)酸含量采用酸堿中和轉(zhuǎn)移法進(jìn)行測定[19]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

所有數(shù)據(jù)采用Office 2016和SPSS 24.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。分別對春、秋茬數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)，并采用Tukey多重比較方法進(jìn)行顯著性差異分析(P<0.05)。利用主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)對不同處理的植株長勢，葉片熒光參數(shù)、果實(shí)品質(zhì)和產(chǎn)量特性進(jìn)行綜合評價(jià)，利用Origin 2018進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 檸條堆肥和翻耕深度對黃瓜植株生長的影響

翻耕和不同底肥處理對黃瓜植株生長有顯著影響(圖1)。株高、莖體積相對生長率存在明顯的季節(jié)差異，春茬數(shù)據(jù)顯著高于秋茬。在春茬種植中，除T2株高相對生長率顯著高于CK外，其他處理與CK間無顯著差異，T2處理的株高相對生長率相對于CK提高了1.63%。秋茬中各處理株高相對生長率顯著低于CK：CK>T2>T1>T4>T3(圖1-A、1-B)。在春茬種植中CK處理的莖體積相對生長率顯著高于其他處理：CK>T1>T2>T3>T4，且隨著耕作深度的增加而降低。而在秋茬栽培中，T2處理的莖體積相對生長率最高，相對于CK、T1、T3和T4分別提高了0.63%、5.59%、14.16%和14.81%，T2與CK處理間沒有顯著差異，各處理間的差異主要由耕作方式不同造成。

2.2 檸條堆肥和翻耕深度對葉片熒光參數(shù)的影響

如圖2所示，除qP外，F(xiàn)o、Fm、Fv/Fm值存在顯著的季節(jié)性差異，春季數(shù)據(jù)大于秋季。在春茬中T1處理的Fo值與CK相比無顯著差異，CK處理的Fo和Fm值最高，各處理葉片F(xiàn)o和Fm值隨翻耕深度增加呈降低趨勢，秋茬種植中T1處理的Fo和Fm值與CK無顯著差異，T2和T4處理顯著低于CK，相對于CK的Fo和Fm值分別降低了3.40%、10.76%、3.16%和14.83%，且T4處理最低。春茬種植中T3和T4處理的Fo和Fm值顯著高于CK和其他處理：T4>T3>CK>T1>T2。秋茬中除T3處理的Fv/Fm值顯著低于CK外，其他處理與CK間無顯著差異。春茬種植中各處理與CK的qP值無顯著差異，且T1處理的qP值顯著高于T2、T3和T4處理的9.05%、7.37%和29.10%，秋茬中除T4處理的qP值顯著低于CK外，其它處理與CK相比無顯著差異，T1處理相對于其他處理分別提高了0.33%、9.05%、7.37%、29.1%。

圖1 不同處理下黃瓜株高和莖體積相對生長率的變化Fig.1 Change of cucumber plant height and stem volume growth rate under different treatments

2.3 檸條堆肥和翻耕深度對黃瓜果實(shí)品質(zhì)和產(chǎn)量的影響

由圖3可知，果實(shí)Vc、可溶性固形物、硝酸鹽含量無明顯的季節(jié)性變化。在春茬中除T3處理外，其他處理的Vc含量與CK無顯著差異，T1處理的Vc含量最高。各處理相對CK顯著增加了果實(shí)可溶性固形物含量，分別提高了6.12%、4.08%、9.69%和6.63%。而在秋茬中則降低了果實(shí)可溶性固形物含量，且2個(gè)栽培季節(jié)均表現(xiàn)出T3和T4處理的果實(shí)可溶性固形物顯著高于T1和T2處理。在春茬中，T3和T4處理相對于CK顯著增加了果實(shí)硝酸鹽含量，分別提高了20.71%和18.68%，在秋茬各堆肥處理的硝酸鹽含量與CK無顯著差異。

果實(shí)可溶性糖和有機(jī)酸含量與植株生長指標(biāo)一樣存在明顯的季節(jié)性差異，春茬數(shù)據(jù)顯著高于秋茬數(shù)據(jù)。在春茬中除T2處理外，其他處理與CK相比顯著增加果實(shí)可溶性糖含量4.70%、23.20%和5.20%，T3和T4處理顯著降低了果實(shí)有機(jī)酸含量，且T3和T4處理的果實(shí)糖酸比值相對于CK分別顯著增加了35.86%和31.83%。在秋茬種植中，各處理的果實(shí)可溶性糖含量隨翻耕深度增加呈降低趨勢，T3和T4處理的可溶性糖含量相對于CK顯著降低了21.94%和27.65%，各檸條堆肥處理均顯著降低了果實(shí)有機(jī)酸含量，除T3處理外，其他處理顯著增加果實(shí)糖酸比，相對于CK分別增加了17.25%、42.86%、9.03%和17.67%(圖4)。各檸條堆肥處理與CK相比果實(shí)產(chǎn)量無顯著差異，但檸條堆肥結(jié)合淺耕對黃瓜產(chǎn)量有增加趨勢(圖5)。

2.4 三因素和主成分分析

栽培季節(jié)對各指標(biāo)均產(chǎn)生了顯著影響，株高和莖體積相對生長率、Fo、Fm、Vc、可溶性固形物、可溶性糖、有機(jī)酸和糖酸比均受檸條堆肥(Caragana compost，CM)和翻耕深度(Ploughing depth，PD)的顯著影響(表2，P<0.05)。CM和PD單一處理對Fv/Fm、qP、產(chǎn)量和硝酸鹽的影響不顯著(P>0.05)，對其它指標(biāo)均有顯著影響(P<0.05)。種植季節(jié)(Cropping season，CS)與CM互作對Fo和糖酸比無顯著影響，CS與PD互作對Fo和產(chǎn)量的影響不顯著，對其它指標(biāo)均有顯著影響。CM與PD互作增強(qiáng)了對qP和產(chǎn)量硝酸鹽的影響，而對Fv/Fm、可溶性糖有機(jī)酸糖酸比的影響不顯著。CS、CM、PD三因素互作對Fo、Fm和Fv/Fm無顯著影響，對其他指標(biāo)均有顯著影響。

圖2 不同處理下黃瓜葉片熒光特性的變化Fig.2 Change of cucumber fluorescence properties under different treatments

選取特征值大于1的主成分進(jìn)行分析，春茬數(shù)據(jù)提取出3個(gè)主成分，其特征值分別為8.549、2.540和1.168(表3)，貢獻(xiàn)率分別為65.760%、19.540%和8.988%，累積貢獻(xiàn)率為94.29%。秋茬數(shù)據(jù)提取出3個(gè)主成分，其特征值分別為7.132、3.393和1.828，貢獻(xiàn)率分別為54.858%、26.298%和14.061%，累積貢獻(xiàn)率為95.02%。按照提取的主成分進(jìn)行綜合得分分析(表4)，在春茬各處理綜合得分排序?yàn)門3>T4>T1>T2>CK，秋茬各處理綜合得分從高到低依次為：T2 >CK> T1 >T4 >T3。

3 討 論

3.1 檸條堆肥和不同翻耕深度下對黃瓜植株生長的差異

長期有機(jī)肥添加能有效提高養(yǎng)分有效性，緩解土壤酸化，改善作物的土壤環(huán)境，通過深翻等耕作措施進(jìn)一步改善了土壤耕層結(jié)構(gòu)，促進(jìn)作物生長[12,20-21]。本研究中，相對于檸條堆肥，傳統(tǒng)雞糞施用促進(jìn)了黃瓜前期生長，這是因?yàn)閯?dòng)物糞便處理過的土壤有機(jī)氮礦化速率通常更高[22]?？傮w來說，黃瓜株高和莖體積相對生長率隨翻耕深度增加呈先增后減的趨勢，15 cm翻耕處理植株長勢整體優(yōu)于免耕和深耕處理，主要是因?yàn)辄S瓜的根系主要集中在20 cm以內(nèi)，屬于典型的淺根系作物[17]。15 cm翻耕處理促進(jìn)了養(yǎng)分在根系主要分布范圍內(nèi)的均勻分布，使黃瓜根系獲得了適宜的生長環(huán)境，促進(jìn)了黃瓜植株的生長[23]。而免耕處理養(yǎng)分主要富集在土壤表層，與表層土壤空氣充分的接觸，加快了肥料的礦化速率，不利于作物生長。深翻打破犁地層，可以促進(jìn)養(yǎng)分向深層土壤分布，但黃瓜根系分布較淺，不能吸收深層土壤的養(yǎng)分，不利于作物生長[17]。

圖4 不同處理下黃瓜果實(shí)可溶性糖、有機(jī)酸和糖酸比的變化Fig.4 Change of cucumber fruit soluble sugar,organic acids and sugar acid ratio under different treatments

圖5 不同處理下黃瓜果實(shí)產(chǎn)量的變化Fig.5 Change of fruit yield of cucumber under different treatments

表2 季節(jié)、肥料和翻耕對土壤黃瓜生長、葉片熒光、果實(shí)品質(zhì)和產(chǎn)量的影響

表3 主成分分析的特征值與方差貢獻(xiàn)率

3.2 檸條堆肥和不同翻耕深度下黃瓜葉片熒光參數(shù)的差異

植物通過光合作用轉(zhuǎn)化利用光能，葉綠素?zé)晒獠粌H能探測光合作用的變化，也可以直接反映植株對逆境的響應(yīng)[24]。本研究發(fā)現(xiàn)在春茬、秋茬栽培中CK和T1處理的Fo和Fm值均高于其他處理，主要是由于黃瓜根系受到土壤環(huán)境脅迫時(shí)，光合作用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)被破壞或可逆性失活使Fo和Fm升高。檸條堆肥結(jié)合耕作各處理Fo和Fm均低于CK，說明檸條堆肥和耕作為盛果期黃瓜根系創(chuàng)造了更為適宜的土壤環(huán)境。Fv/Fm反映植物的潛在最大光化學(xué)轉(zhuǎn)化率，對逆境脅迫也較為敏感。在健康生理狀態(tài)下，絕大多數(shù)高等植物的Fv/Fm在0.75～0.85，當(dāng)最大光合轉(zhuǎn)化率下降時(shí)，代表植物受到了脅迫[25]。春茬中T3處理Fv/Fm最大，秋茬各處理整體上顯著低于春茬，植株在秋冬受到輕度低溫脅迫，抑制了黃瓜葉片能量轉(zhuǎn)化。熒光與光合也存在競爭，在光照射下PSⅡ中有部分電子門處于關(guān)閉態(tài)，實(shí)時(shí)的F比Fm要低，說明發(fā)生了熒光淬滅，由光合作用引起的熒光淬滅稱為光化學(xué)淬滅，反映了植株光合活性的高低。本研究中，qP值隨著翻耕深度的增加而呈現(xiàn)下降趨勢，且T2處理低于CK處理，說明檸條堆肥及深翻處理施用能夠促進(jìn)黃瓜的光合作用。

表4 不同處理各主成分綜合得分及排名

3.3 檸條堆肥和不同翻耕深度下黃瓜果實(shí)品質(zhì)和產(chǎn)量的差異

有機(jī)肥施用和耕作不僅可以促進(jìn)植株生長，還具有提高蔬菜品質(zhì)的作用[26-27]。本研究中，連續(xù)施用有機(jī)肥后，黃瓜果實(shí)中Vc、可溶性糖、可溶性固形物含量和糖酸比均有明顯增加。在春茬栽培中，檸條堆肥及深翻處理促進(jìn)了黃瓜果實(shí)可溶性固形物和可溶性糖含量的積累，提高了糖酸比，秋茬栽培中提高了Vc的含量并且能夠有效降低果實(shí)中的有機(jī)酸的含量。有機(jī)肥的施用能夠降低果實(shí)中硝酸鹽的含量，并遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國家安全標(biāo)準(zhǔn)，秋冬茬中檸條堆肥的施用較雞糞處理能夠顯著降低黃瓜果實(shí)中有機(jī)酸含量，并且隨著翻耕深度和栽培茬次的增加而降低，提高了糖酸比，說明有機(jī)肥特別是檸條堆肥的長期施用能夠提高黃瓜風(fēng)味。不同肥料處理對黃瓜產(chǎn)量影響差異不顯著，整體上黃瓜產(chǎn)量也在隨著栽培茬次的增加而提高，產(chǎn)量的差異主要是耕作造成的，T4處理過度的耕作深度不利于產(chǎn)量的形成。

3.4 檸條堆肥和不同翻耕深度下黃瓜對栽培季節(jié)的響應(yīng)及綜合評價(jià)

低溫對黃瓜生長、及土壤肥力造成了不利影響，有機(jī)肥的施用可以抵御低土壤溫度對黃瓜生長的不利影響，提高土壤溫度可以明顯提升這種促進(jìn)作用[28]。本研究中，春茬各處理的株高和莖體積相對生長率、Fv/Fm、可溶性糖、糖酸比和產(chǎn)量均高于秋茬，可能是秋冬季節(jié)低溫環(huán)境抑制了黃瓜植株的生長、養(yǎng)分的吸收和轉(zhuǎn)化。這與閆秋艷等[28]研究結(jié)果一致。主成分分析表明，2個(gè)栽培季節(jié)3個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率均在85%以上，可以解釋原來指標(biāo)所反映的信息。在春茬栽培中，T3處理提高了Fv/Fm和果實(shí)品質(zhì)(可溶性固形物、可溶性糖和糖酸比)，綜合得分最高。在秋茬栽培中，T2處理綜合得分最高，檸條堆肥結(jié)合淺耕保持較好的植株生長、果實(shí)產(chǎn)量，有效減少果實(shí)有機(jī)酸含量，提高了果實(shí)糖酸比。

4 結(jié) 論

植株生長、熒光特性、果實(shí)品質(zhì)和產(chǎn)量存在明顯的季節(jié)性差異，春茬數(shù)據(jù)顯著高于秋茬，并顯著受栽培茬口、底肥、翻耕深度的影響。總體來說，相比傳統(tǒng)雞糞底肥處理，檸條堆肥結(jié)合淺耕能夠保持較好的植株生長和果實(shí)產(chǎn)量，而檸條堆肥處理結(jié)合深翻降低了株高和莖體積相對生長率、qP，顯著提高了黃瓜Fv/Fm和果實(shí)品質(zhì)。因此，春季采取檸條堆肥結(jié)合深翻的耕作方式有利于作物能量轉(zhuǎn)化和果實(shí)品質(zhì)的提升，秋季則采取檸條堆肥結(jié)合淺耕的耕作方式有利于作物生長和產(chǎn)量形成。