董麗華, 游宏建, 雍艷霞, 蘭正芳, 馬 蘭, 張美君, 申佳麗, 安明遠(yuǎn), 魏彥鳳, 曹云娥

(1.寧夏大學(xué)葡萄酒與園藝學(xué)院,寧夏銀川 750021; 2.寧夏科技發(fā)展戰(zhàn)略和信息研究所,寧夏銀川 750002;3.寧夏回族自治區(qū)吳忠市紅寺堡區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局,寧夏吳忠 751100)

目前,以日光溫室和塑料大棚為代表的設(shè)施蔬菜生產(chǎn)已經(jīng)成為我國蔬菜供應(yīng)不可或缺的方式[1]。但是,設(shè)施蔬菜生產(chǎn)也是一種強烈的人為干預(yù)的蔬菜生產(chǎn)模式,化肥、畜禽便等有機(jī)肥的過量施用,農(nóng)藥、激素的濫用以及多年的連作,會對設(shè)施栽培土壤產(chǎn)生不良影響,如營養(yǎng)元素比例失衡、土壤鹽漬化等[2-3]。

生物炭 (biochar)有較大的比表面積,官能團(tuán)豐富,并且離子交換能力強,從而具有高效的土壤改良作用[4]。研究發(fā)現(xiàn)配施高量生物炭可有效促進(jìn)土壤養(yǎng)分固持,配施低量生物炭可顯著提高玉米單株干物質(zhì)積累[5]。李大偉等研究表明,土壤添加生物炭可顯著提高番茄產(chǎn)量和氮素利用率[6]。生物炭的添加在一定程度上也可以緩解土壤退化,并且提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。

蚯蚓堆肥(vermicompost)是一種仿造自然、高效且實用的堆肥方式,通過這種方式產(chǎn)生的蚯蚓糞可以調(diào)節(jié)土壤的性質(zhì)與結(jié)構(gòu),在減少水土流失、增加土壤肥力、保持土壤碳平衡、調(diào)節(jié)土壤的pH值等方面效果顯著[7]。蚯蚓糞的主要成分是通過蚯蚓分泌物之間的反應(yīng)所形成的腐殖質(zhì),其中蚯蚓糞中腐殖質(zhì)的含量可高達(dá)10%～25%,且腐殖質(zhì)不僅可為作物生長和發(fā)育提供營養(yǎng),還能持續(xù)改善土壤養(yǎng)分結(jié)構(gòu)和陽離子交換能力[8-9]。蚯蚓糞中腐殖質(zhì)的強度還可以固定更換可交換態(tài)重金屬,持續(xù)降低土壤重金屬的有效性[10]。但是關(guān)于不同蚯蚓堆肥方式與生物炭協(xié)調(diào)作用對土壤養(yǎng)分和植株生長方面影響的研究較少。所以,本試驗在連作3年的日光溫室土壤內(nèi),研究不同蚯蚓堆肥處理方式和不同生物炭比例質(zhì)配對設(shè)施土壤肥力狀況、西瓜產(chǎn)量及品質(zhì)的影響,旨在利用蚯蚓堆肥和生物炭聯(lián)合處理下的新型栽培模式為設(shè)施蔬菜的無公害生產(chǎn)提供科學(xué)與理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2021年3—7月在寧夏賀蘭寧夏園藝產(chǎn)業(yè)園(106°16′E,38°20′N)的日光溫室(溫室長 80 m,跨度9 m,脊高3.7 m)進(jìn)行,園區(qū)內(nèi)年降水量180～200 mm,其中降水量約80%都集中在6—8月,年平均氣溫8.5 ℃,無霜期185 d左右,具有典型的大陸性氣候特點[11]。

試驗供試西瓜品種為黃金寶,蚯蚓為赤子愛勝蚓,由寧夏萬輝生物環(huán)?？萍加邢薰咎峁?供試的蚯蚓糞由寧夏萬輝生物有限公司提供;供試生物炭,由上海海諾炭業(yè)有限公司提供?；攫B(yǎng)分如表1所示。

表1 供試材料的基本養(yǎng)分含量

1.2 試驗設(shè)計

蚯蚓原位堆肥處理[12]是筆者所在課題組經(jīng)過長期研究發(fā)明出來的一種新型栽培模式:每個小區(qū)設(shè)置2條壟,均寬0.4 m,長7.0 m。分別作為種植壟和養(yǎng)殖壟,養(yǎng)殖壟用腐熟1個月后的牛糞(179.4 t/hm2)作為蚯蚓培育壟,蚯蚓投放量 1.76 t/hm2,壟上布置2條滴灌帶,滴頭間距0.3 m,每日滴水,使養(yǎng)殖壟濕度達(dá)到55%即可;種植壟是利用蚯蚓將牛糞及蔬菜秸稈腐熟后產(chǎn)生的蚯蚓糞做栽培基質(zhì)。每一茬拉秧結(jié)束后,將種植壟與養(yǎng)殖壟互換,蚯蚓會隨著滴灌水源進(jìn)行切換,移動到另一側(cè),無需再次投放蚯蚓。而蚯蚓異位堆肥是將已經(jīng)腐熟好的蚯蚓糞直接均勻地撒施在栽培壟上,按照壟高0.2 m,寬 0.4 m,長7.0 m進(jìn)行根區(qū)土壤替代。

試驗采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計,設(shè)計7個處理,每個處理種植3壟,1壟30株。具體試驗設(shè)計如下,對照(CK):未添加蚯蚓原位堆肥與生物炭;T1:蚯蚓原位堆肥;T2:蚯蚓異位堆肥(以牛糞為基肥,將蚯蚓置于其中,消解所得的產(chǎn)物即為蚯蚓糞,而后均勻撒在栽培壟上);T3:蚯蚓原位堆肥+生物炭1.5 t/hm2;T4:蚯蚓異位堆肥+生物炭1.5 t/hm2;T5:蚯蚓原位堆肥+生物炭3.0 t/hm2;T6:蚯蚓異位堆肥+生物炭3.0 t/hm2。整個種植期間,采用水肥一體化滴管裝置進(jìn)行水肥管理。定植后,采用園試配方1/2倍液進(jìn)行灌溉。灌溉上限和下限分別為基礎(chǔ)土樣田間持水量的90%和70%[13]。

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1 土壤理化性狀指標(biāo)測定 分別于拉秧期采用五點取樣法采集各處理0～20 cm耕層基質(zhì)樣品,自然風(fēng)干,除去雜物,經(jīng)充分混勻,過2 mm篩后,測定土壤理化指標(biāo)[14]。土壤養(yǎng)分指標(biāo)及土壤酶活性指標(biāo)參考《土壤農(nóng)化分析》[15]進(jìn)行測定。

1.3.2 西瓜光合作用的測定 西瓜定植40 d后,在09:00—11:00測定西瓜功能葉的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、對水汽的氣孔導(dǎo)度(Gs)和胞間二氧化碳濃度(Ci)。每個處理重復(fù)3次,以LED為光源,用PPSystems公司生產(chǎn)的CIRAS-3光合測定儀測定,測定條件為光照度 1 100 μmol/(m2·s),二氧化碳濃度為(410±10) μmol/mol[16]。

1.3.3 西瓜果實產(chǎn)量與品質(zhì)指標(biāo)的測定 在果實成熟期,分別從每個處理中采收6個果實,記錄不同小區(qū)西瓜的產(chǎn)量,按照小區(qū)面積折合為每公頃的最終產(chǎn)量,并測定果實品質(zhì)。果實品質(zhì)指標(biāo)的測定參考《植物生理學(xué)實驗指導(dǎo)》[17]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計采用Excel 2021,數(shù)據(jù)分析采用SPSS 20.0和Origin 2018。 計算各不同處理對西瓜生長及生理特性標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)據(jù)的綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值[18]。用SPSS軟件進(jìn)行主成分分析、相關(guān)性分析和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理,得出因子得分系數(shù)矩陣與權(quán)重(Wn),計算綜合評價F值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同蚯蚓堆肥配施生物炭對土壤理化性狀和酶活性的影響

2.1.1 土壤理化性狀 如表2所示,蚯蚓原位堆肥(T1、T3、T5)和異位堆肥(T2、T4、T6)處理下土壤pH值顯著降低,EC值顯著升高,說明蚯蚓堆肥均可顯著降低土壤的pH值,緩解土壤的鹽漬化問題。相較于CK,經(jīng)過蚯蚓堆肥配施生物炭后,土壤的速效氮、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量顯著增加,且最高值均出現(xiàn)在T5處理,相較于CK,T5處理的速效氮、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量分別提高了168.37%、78.29%、73.21%、390.36%。而且,在等量生物炭的添加下,相較于蚯蚓異位堆肥,蚯蚓原位堆肥提高土壤養(yǎng)分的能力更明顯,且蚯蚓原位堆肥無需每一茬定植前重新投放蚯蚓,其堆肥的制作和使用成本也大大降低。

表2 不同蚯蚓堆肥配施生物炭對土壤理化性狀的影響

2.1.2 土壤酶活性 通過蚯蚓堆肥配施生物炭處理,可以活化土壤中的微生物,從而直接或間接地提高了土壤的酶活性。如表3所示,通過不同蚯蚓堆肥配施生物炭顯著增加了土壤的酶活性(P<0.05),其中,最高值均出現(xiàn)在T5處理,相較于CK,T5處理的脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶和磷酸酶活性分別提高了176.80%、68.66%、31.71%、388.35%。相較于蚯蚓異位堆肥,在同等生物炭的添加下,蚯蚓原位堆肥提升土壤酶活性的效果更明顯。

2.2 不同蚯蚓堆肥配施生物炭對西瓜葉片光合作用的影響

通過不同蚯蚓堆肥方式處理后,可顯著改善土壤的肥力狀況,進(jìn)而影響西瓜植株吸收的養(yǎng)分,直接或間接地提高植物的光合作用。由圖1 可知,相較于CK,經(jīng)過蚯蚓原位堆肥配施生物炭后,西瓜葉片的凈光合速率、對水汽的氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和胞間二氧化炭濃度均顯著增加,其中,西瓜葉片的蒸騰速率相較于CK,T1～T6分別提高了19.50%、9.13%、60.58%、36.10%、78.01%、71.37%;凈光合速率分別比CK提高了14.92%、7.34%、26.00%、12.23%、37.06%、13.58%;胞間二氧化炭的濃度分別比CK提高了9.00%、1.39%、52.06%、45.53%、55.43%、37.43%;對水汽的氣孔導(dǎo)度分別比CK提高了9.44%、1.90%、31.57%、14.43%、96.30%、85.86%。

2.3 不同蚯蚓堆肥配施生物炭對西瓜植株養(yǎng)分及生物量的影響

2.3.1 對西瓜植株養(yǎng)分的影響 蚯蚓堆肥是通過蚯蚓消解牛糞或秸稈產(chǎn)生蚯蚓糞,提高土壤的肥力水平,從而影響西瓜植株養(yǎng)分的吸收。由表4可知,通過不同蚯蚓堆肥配施生物炭后,相較于CK,西瓜植株的全氮、全磷、全鉀含量均有不同程度的增加,且差異顯著(P<0.05),其中,植株全氮含量相較于CK,T1～T6分別提高了34.49%、16.52%、61.44%、45.51%、66.96%、41.16%;全磷含量分別提高了46.22%、26.22%、61.33%、53.78%、154.22%、92.44%;全鉀含量分別提高了28.39%、11.86%、183.05%、144.49%、188.56%、150.00%。在同等生物炭的添加下,蚯蚓原位堆肥對于植株養(yǎng)分的增加效果優(yōu)于蚯蚓異位堆肥。

表4 不同蚯蚓堆肥配施生物炭對西瓜植株養(yǎng)分的影響

2.3.2 對西瓜植株生物量的影響 如圖2所示,不同蚯蚓堆肥處理配施生物炭對西瓜植株的地上部和地下部生物量有顯著影響(P<0.05)。其中,與對照相比,地上部生物量T1～T6分別提高了27.36%、14.66%、68.73%、55.05%、72.96%、41.04%,地下部生物量分別提高了42.86%、17.86%、53.57%、51.79%、86.61%、47.32%,且蚯蚓原位堆肥處理優(yōu)于異位堆肥。

2.4 不同蚯蚓堆肥配施生物炭對西瓜品質(zhì)和產(chǎn)量的影響

由圖3可知,相較于CK,蚯蚓原位堆肥(T1、T3、T5)和異位堆肥(T2、T4、T6)處理下,西瓜維生素C、可溶性固形物、可溶性糖含量和西瓜產(chǎn)量顯著增加,有機(jī)酸和硝酸鹽含量顯著降低。其中,相較于CK,維生素C、可溶性固形物含量的增幅在0.91%～110.11%不等,可溶性糖含量T3～T6的增幅在4.13%～50.52%不等,有機(jī)酸和硝酸鹽含量的降幅在9.06%～47.96%不等;對于西瓜的產(chǎn)量來說,T1～T6分別比CK提高了31.90%、17.74%、31.65%、35.63%、68.65%、47.72%。說明不同的蚯蚓堆肥處理配施生物炭顯著提高了西瓜的品質(zhì)和產(chǎn)量,且相較于不同蚯蚓堆肥,蚯蚓原位堆肥處理的果實品質(zhì)和產(chǎn)量整體優(yōu)于蚯蚓異位堆肥。

2.5 不同蚯蚓堆肥配施生物炭處理間的隸屬函數(shù)分析

在主成分分析的基礎(chǔ)上,為更直觀反映不同蚯蚓堆肥處理配施生物炭對土壤養(yǎng)分和西瓜植株產(chǎn)量和品質(zhì)的影響,進(jìn)一步分析了綜合指標(biāo)及隸屬函數(shù),結(jié)果如表4所示。利用模糊隸屬函數(shù)分析方法全面、客觀地反映不同蚯蚓堆肥處理配施生物炭對土壤養(yǎng)分和西瓜植株產(chǎn)量和品質(zhì)的影響,并根據(jù)D值得出綜合排名,綜合排名為T5>T3>T4>T6>T1>T2>CK,說明蚯蚓原位堆肥配施生物炭處理效果優(yōu)于蚯蚓異位堆肥配施生物炭。

3 討論

3.1 不同蚯蚓堆肥配施生物炭處理可改善土壤肥力水平和理化性狀

本研究發(fā)現(xiàn),通過添加蚯蚓堆肥所產(chǎn)生的蚯蚓糞和生物炭顯著降低了土壤的pH值,增加了土壤的EC值,提高了土壤中速效氮磷鉀含量和有機(jī)質(zhì)含量,且蚯蚓原位堆肥效果優(yōu)于蚯蚓異位堆肥。而且,在同量生物炭的添加下,蚯蚓原位堆肥處理的pH值、EC值低于蚯蚓異位堆肥處理,說明蚯蚓原位處理可以緩解部分土壤退化問題。Wang等也發(fā)表過相似結(jié)論[19]。蚯蚓原位堆肥能對連作土壤的肥力和理化性狀起到一個很好的改善效果,得到這種結(jié)果有2個原因:一個是由于蚯蚓原位堆肥消解的牛糞富含有機(jī)質(zhì), 而且隨著其在土壤中的施加量越大,對土壤肥力的改善越明顯。此外還能降低土壤容重、增加土壤孔隙度、提高土壤保持水肥能力等土壤物理性狀;其次是因為蚯蚓的日?；顒?不僅可以改變土壤質(zhì)地,而且能夠使土壤富含有機(jī)質(zhì),有利于作物根系延伸[20]。此外,曹云娥等研究發(fā)現(xiàn),蚯蚓堆肥中有益微生物數(shù)量顯著高于土壤中有益微生物,而且蚯蚓原位堆肥中有益微生物豐度高于蚯蚓異位堆肥,有益微生物能夠改善土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì),如促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的分解和養(yǎng)分的礦化,從而有利于植物對營養(yǎng)元素的吸收[12]。本研究表明,不同蚯蚓堆肥配施生物炭處理均顯著提高了土壤蔗糖酶、過氧化氫酶、脲酶和磷酸酶活性,土壤酶活性是影響土壤質(zhì)量好壞的直接因素,其活性的強弱反映了土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的強弱[21-22]。已有研究表明,土壤中的大多數(shù)酶是由土壤中的微生物、植物根系以及土壤中其他生物細(xì)胞共同作用而產(chǎn)生的,如蔗糖酶、磷酸酶、過氧化氫酶等[23-24],本研究中添加蚯蚓堆肥所產(chǎn)生的蚯蚓糞和生物炭處理可顯著增加土壤微生物的豐度和多樣性,并且蚯蚓糞和生物炭釋放的可溶性組分,與微生物發(fā)生反應(yīng),從而使土壤微生物分泌土壤酶的含量及活性有所差異[25]。因此,蚯蚓堆肥和生物炭的添加,可以活化土壤酶活性,促進(jìn)微生物的活動,并且蚯蚓原位堆肥省略了每次添加蚯蚓這一步驟,從而使其堆肥的制作時間和成本大大降低(無需占地和二次運輸)。

3.2 不同蚯蚓堆肥配施生物炭處理提高西瓜的光合作用和生物量

植物光合作用是將所吸收的光能轉(zhuǎn)化為植物本身能夠利用的化學(xué)能的過程[26],其直接反映了植株對逆境的響應(yīng)能力[27]。本研究表明,通過添加蚯蚓堆肥配施生物炭顯著提高了葉片的氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度,原因可能是通過蚯蚓堆肥和生物炭改變了土壤中的水勢,使得西瓜根系吸水能力增強,葉片的氣孔導(dǎo)度變大,蒸騰速率隨之增大,而氣孔導(dǎo)度變大又直接導(dǎo)致西瓜葉片胞間CO2的濃度變大。另外,通過蚯蚓堆肥和生物炭的添加,西瓜葉片的凈光合速率明顯提升,可能是由于蚯蚓堆肥和生物炭的添加,導(dǎo)致土壤孔隙增大,提高了土壤的透氣性,從而改善了土壤養(yǎng)分的供應(yīng),使植株能更好地從土壤中汲取養(yǎng)分,促進(jìn)植株更好地生長,這與前人研究結(jié)果[28]一致。

本研究表明,通過不同的蚯蚓堆肥方式,添加生物炭后,均可以提高西瓜植株地上部和地下部的生物量。前人研究表明,通過添加蚯蚓堆肥所產(chǎn)生的蚯蚓糞和生物炭均可促進(jìn)植物生長[29]和干物質(zhì)的積累[30]。原因可能是:一方面通過生物炭的添加,促進(jìn)了植株分泌生長素,使植物細(xì)胞擴(kuò)增,進(jìn)而促進(jìn)生物量的積累[31];另一方面,通過蚯蚓糞的添加持續(xù)改善土壤養(yǎng)分,并且蚯蚓糞含有較高的利于植物吸收的部分大量元素和微量元素[32-33],改善西瓜植株根部周圍環(huán)境的理化性質(zhì)并促進(jìn)根部吸收營養(yǎng),從而導(dǎo)致西瓜生物量的增加。

3.3 不同蚯蚓堆肥配施生物炭處理提高西瓜植株的產(chǎn)量和品質(zhì)

在本研究中,不同位置的蚯蚓堆肥配施不同量生物炭顯著提高了西瓜植株的生理代謝,促進(jìn)了植株的生長。原因可能是蚯蚓堆肥產(chǎn)生的蚯蚓糞中含有豐富的養(yǎng)分,將蚯蚓糞置于土壤后會使土壤中微生物的多樣性以及土壤酶活性增加,可以持續(xù)改善土壤肥力狀況,為西瓜植株持續(xù)提供營養(yǎng)成分,從而直接或間接地提高植株的光合作用,從而提高西瓜的產(chǎn)量和品質(zhì)。Ievinsh研究發(fā)現(xiàn),蚯蚓糞中含有豐富的腐殖酸,而腐殖酸對植物生長和產(chǎn)量具有明顯的改善作用,能夠顯著增加植株的株高、葉面積[34]。陳玲玲等研究發(fā)現(xiàn),蚯蚓糞中同樣含有大量有機(jī)酸,當(dāng)蚯蚓糞施入土壤后,有機(jī)酸能夠促進(jìn)土壤中某些不溶礦物的溶解,有利于植物對于營養(yǎng)元素的吸收,持續(xù)促進(jìn)植株的生長發(fā)育[35-36]。本研究中,蚯蚓堆肥配施生物炭處理都顯著提高了西瓜果實品質(zhì),如可溶性糖、可溶性固形物和維生素C的含量,降低了有機(jī)酸和硝酸鹽的含量。說明蚯蚓糞和生物炭的施入在提高西瓜品質(zhì)方面具有良好效果,這與Zaller的研究結(jié)果[37]一致。值得注意的是,蚯蚓原位堆肥對西瓜植株的生長、產(chǎn)量和品質(zhì)提高效果優(yōu)于蚯蚓異位堆肥,其原因是蚯蚓原位堆肥對土壤理化性質(zhì)以及土壤酶活性的影響優(yōu)于蚯蚓異位堆肥,而土壤理化性質(zhì)及土壤酶活性是直接或間接改善土壤細(xì)菌菌落的組成和提升連作土壤質(zhì)量的原因。

4 結(jié)論

蚯蚓原位堆肥配施生物炭和蚯蚓異位堆肥配施生物炭處理均顯著降低了土壤的pH值、EC值,緩解了連作土壤的酸化和鹽漬化程度;且提高了土壤養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)的含量,促進(jìn)了西瓜植株的生長,提高了西瓜植株的養(yǎng)分、產(chǎn)量和品質(zhì)。通過隸屬函數(shù)分析,T5處理最好,也就是蚯蚓原位堆肥配施生物炭3.0 t/hm2。

綜上,不管是蚯蚓原位堆肥還是異位堆肥,均能顯著改善土壤的肥力水平。蚯蚓原位堆肥相較于異位堆肥效果較好,且成本較低。因此,在生產(chǎn)上優(yōu)先推薦使用蚯蚓原位堆肥。