張勇勇趙鳳艷楊麗娟

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學土地與環(huán)境學院,遼寧 沈陽 110866; 2.遼寧省農(nóng)業(yè)科學院耕作栽培研究所,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。長期大量投入化肥來維持其增產(chǎn),導致土壤環(huán)境惡化,植株長勢變?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)長期連作也會對土壤質(zhì)量產(chǎn)生負面影響,最終導致作物產(chǎn)量和品質(zhì)下降,以及病蟲害的加劇[2]。同時,在連作系統(tǒng)中長期施用化肥還會導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,輸入到土壤中后可產(chǎn)生物理、化學和生物學均適宜植株生長發(fā)育所需的土壤肥力[7]。蚯蚓糞相較于傳統(tǒng)有機肥具有很多優(yōu)點,合理的施用對農(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?；诖?前人針對蚯蚓糞對番茄連作土壤特性及產(chǎn)量的影響已進行了大量試驗研究[8～9],但主要集中在單因素方面,針對蚯蚓糞對設(shè)施土壤生物化學特性和產(chǎn)量及品質(zhì)的綜合研究鮮有報道。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)展提供科學依據(jù)與實踐指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與供試材料

盆栽試驗于2015年2月～6月在遼寧省沈陽農(nóng)業(yè)大學的日光溫室中進行。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)科學院園藝研究所育成的“遼園多麗”。試驗用盆選用上、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。生長季節(jié)溫室內(nèi)晝夜溫度為15～35℃。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗采用完全隨機設(shè)計,供設(shè)4個處理,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)和不施肥對照(CK)。每個處理有5個重復。

每盆裝過1 cm篩后的風干土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處理有機肥均為部分代替化肥,其中有機肥用量分別為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足。所有肥料在番茄移栽前與土壤充分混合,生長季不進行施肥。每盆定植一株40日苗齡的番茄幼苗。10 d后補第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 樣品采集與測定方法

番茄果實保留三穗果,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算每株番茄產(chǎn)量。當番茄第二穗果實成熟度達到80%左右,取果實樣品測定番茄品質(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定土壤酶活性和微生物生物量,另一部分風干后的土壤樣品用于測定土壤化學性質(zhì)。

使用元素分析儀(Elementar Ⅲ,Germany)測定土壤全碳、全氮含量和碳氮比。采用1.0 mol/L NaOH水解擴散法和0.5 mol/L NaHCO3(pH 8.5)溶液萃取后用分光光度計比色法測定土壤速效氮和速效磷含量[11～12]。使用雷磁SJ-3F pH計測定土壤pH值(土水比為1/5)。根據(jù)Vanceetal.和Brookesetal.的方法測定土壤微生物量碳和氮[13～14]。稱取鮮土(約20 g風干土)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,同時在相同環(huán)境條件下進行無熏蒸的對照處理。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)進行測定;土壤微生物量碳和氮計算公式分別為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,用鮮土測定土壤酶活性[15]。采用0.1 mol/L KMnO4滴定法測定過氧化氫酶活性,并表示為ml/(g h)。采用靛酚藍比色法測定脲酶活性,并表示為mg NH3-N/(g 24 h)。采用鄰苯三酚法測定多酚氧化酶,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定,以mg/g表示。采用2,3,5 -三苯基氯化四唑(TTC)比色法測定脫氫酶活性,并以mg TPF/g(即mg Triphenyl Formazan/g)表示。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

運用SPSS 17.0軟件(SPSS Inc, Chicago, USA)對所獲數(shù)據(jù)進行方差分析(ANOVA),在5%顯著水平下,采用Duncan’s test對處理間的均值差異進行比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 番茄產(chǎn)量

施肥處理對番茄產(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)

對番茄品質(zhì)分析結(jié)果表明(圖2),不同施肥處理對番茄品質(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硝酸鹽含量(P＜0.05),表現(xiàn)為VM＜CM＜CF＜CK,有機肥處理的硝酸鹽含量顯著低于化肥和對照處理,而VM處理的硝酸鹽含量顯著低于CM處理。

2.3 土壤化學性質(zhì)

施有機肥可提高土壤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。各施肥處理對土壤碳氮比無顯著影響(P＞0.05)。說明本試驗條件下施用有機肥,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,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 施肥對土壤化學性質(zhì)的影響Table 2 Effects of of different fertilization treatments on soil chemical properties

表 3 施肥對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 施肥對番茄品質(zhì)的影響Figure 2 Effects of different fertilization treatments on tomato quality

圖 3 施肥對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 化肥有機替代對番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

有機肥,特別是蚯蚓糞替代化肥可提高番茄產(chǎn)量并改善品質(zhì)。在本實驗條件下,各施肥處理的N、P2O5、K2O用量相同,而有機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照處理,促進了番茄植株的養(yǎng)分吸收,進而提高產(chǎn)量。此外,蚯蚓糞和牛糞中含有番茄生長發(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)象可以從以下幾個方面來解釋。首先,蚯蚓糞是有機物質(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品質(zhì)[26～28]。這也解釋了施用蚯蚓糞后番茄果實品質(zhì)得到改善的原因。

3.2 化肥有機替代對土壤化學性質(zhì)的影響

在蚯蚓糞有機替代的相關(guān)試驗研究表明,施加蚯蚓糞能明顯提高土壤有機質(zhì)、全氮、全磷含量[5,29]。這與本試驗研究結(jié)果基本一致,相較于單施化肥處理,有機肥替代化肥處理,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,比對照升高了0.50和0.30個單位,比單施化肥升高了0.63和0.43個單位,而設(shè)施番茄生長所需最適宜的土壤pH在7左右,有機肥,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。速效氮、磷養(yǎng)分含量的提高表明當季土壤供肥能力增強[9,28],而全碳和全氮含量升高,可能是施用有機肥后土壤中微生物活動強烈,加速分解有機物質(zhì)而釋放出碳和氮[26,27]

。

3.3 化肥有機替代對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,對環(huán)境因素(包括pH、養(yǎng)分條件、團粒結(jié)構(gòu)等因素)的反應非常敏感[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,且有機肥中含有豐富的有機物質(zhì),可作為微生物的食源和能量,促進微生物繁殖生長[31]

。

土壤酶活性是表征土壤功能的基本指標[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,進而促進某些酶分泌[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,表明施用有機肥的土壤增強了微生物對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。蔗糖酶和脲酶活性升高可以反映土壤的碳、氮供應能力提高,土壤化學性質(zhì)結(jié)果也證明了這一點。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。