日光温室蔬菜栽培废弃基质露地还田对土壤理化性质及辣椒生理特性和产量的影响

张柏杨，张国斌，郁继华，冯 致，杜淼鑫，罗石磊，叶 洁，王翠丽

(甘肃农业大学 园艺学院，甘肃 兰州 730070)

日光温室蔬菜栽培废弃基质露地还田对土壤理化性质及辣椒生理特性和产量的影响

张柏杨，张国斌，郁继华，冯 致，杜淼鑫，罗石磊，叶 洁，王翠丽

(甘肃农业大学 园艺学院，甘肃 兰州 730070)

为了研究基质还田对大田土壤和辣椒生长生产的影响，以日光温室连续栽培蔬菜6年的废弃基质还施露地种植辣椒，测定了不同施用量(0，45，90，135 m3/hm2)的土壤理化性质及辣椒生理特性和产量。结果表明：基质还田能够减少土壤pH变化，减小土壤容重、略微增加土壤孔隙度、保持土壤气水比，改善了土壤的理化性状，促进辣椒植株的生长且利于其干物质积累，其中株高、茎粗及干物质积累量均以T2最好。提升了辣椒叶片光合荧光的表现，T2的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、Fv/Fm、ΦPSⅡ均为最高，T1的qP最高，NPQ为T3最低。提高了辣椒果实的品质及产量，T2产量达67.04 t/hm2，可溶性糖含量以T2最高，为2.21%，Vc含量T3最高，为1.97 mg/g，T1的可溶性蛋白含量最高、硝酸盐含量最低，分别为2.07，204.93 mg/kg。而与此同时，较大的还田施用量(135 m3/hm2)在辣椒生长的中前期造成了一定的毒害现象，在生育后期此现象消失，最终各项指标全面优于未还田处理。废弃基质露地还田这样的重复利用方式切实有效，(在种植同科作物的情况下)还田施用量宜选择90 m3/hm2。

废弃基质；基质还田；基质重复利用；理化性质；生理特性

基质栽培，作为无土栽培的主要方式，被广泛应用于设施栽培中。近几十年来，我国设施栽培迅速发展，对基质的研究利用也是蓬勃兴起；更有在盐碱地、荒滩戈壁等非耕地条件下建造设施进行高产高质的蔬菜栽培。基质栽培相比传统的土壤栽培具有一定优势，但随着设施连续种植、基质的使用年限增加，基质的理化性质变差[1-2]、养分含量减少，微生物数量及组分改变，酶活性降低[3-4]，作物根际环境恶化，农作物生产效果有一定程度的下降，甚至不适合继续种植。栽培基质经过多年的使用，虽仍含有一定的养分，但其性状不利于植株生长；当前主要的重复利用基质的处理方式仍以消毒为主，但消毒如暴晒、蒸汽、药剂等方式只能灭杀基质中的害虫、病菌，无法改良基质的生物活性，有很大局限性，且目前尚无经济可靠的大批量基质消毒方式。由于不同基质本身的性状及其利用方式复杂多变，无法制定一个行之有效的重复利用基质的处理方式，而废弃的基质一般不再直接利用，处理不当还会对环境造成一定的污染。

李威等[5]研究认为大棚番茄连作后利用冬闲时节轮作叶菜(蒜苗)对基质有不错的改良效果，轮作后继续种植番茄其生长、品质、产量均有不错的效果；但对于保温蓄热能力良好的日光温室来说，基本不存在“冬闲时期”，且在冬季，农户更愿意种植生产效益更高的反季节果菜，而在其他时期轮作叶菜则可能影响当地的茬口安排。王勤礼等[6]研究发现废弃基质还田虽然对玉米的生长发育和产量无显著影响，但可减少化肥投入，提高经济效益；所以基质还田不失为一个简单有效的废弃基质处理方式。目前，国内尚无其他基质还田及相关研究的报道。经甘肃农业大学园艺学院蔬菜学课题组多年来对日光温室基质性状的试验研究发现，基质在经过连续多年种植后，主要养分减少但其含量仍较丰富，补充一定量的肥料即可满足蔬菜生长需要；而pH值降低、容重增加、孔隙度减小、酶活性降低、微生物的总量减少且组分改变，理化性质变差及基质本身的生物活性劣化，这才是日光温室蔬菜生产效益下降的主要原因。本试验通过研究日光温室蔬菜栽培的废弃基质露地还田对土壤理化性质及辣椒生长理化特性和产量的影响，筛选出一个适合的施用量。

1 材料和方法

1.1 试验材料及地点

废弃基质取自甘肃省酒泉市总寨镇沙河村的非耕地设施农业示范园日光温室，于当茬栽培结束后、还未向基质中补充肥料前取得，基质使用年限为6年，前茬种植番茄；基质配方(V∶V)秸秆∶牛粪∶菇渣∶炉渣∶鸡粪=6.0∶4.5∶2.0∶1.5∶1.0。就近选择示范园区北面沙河村农户的大田中进行基质还田；大田土壤及还田基质的基础理化性质如表1所示，可以看到基质除pH值略低于土壤外，其他理化性质均优于土壤，养分含量也高于土壤。参试辣椒品种为河南农业大学园艺学院豫艺种业培育的西北旅旋风螺丝椒。

表1 土壤及还田所用基质的基础理化性质

1.2 试验设计

试验于2016年4-9月在上述大田中进行，以不同的基质还田量设4个处理，每个处理3次重复(表2)。小区面积4 m×3 m，于4月8日进行基质还田晾晒，3日后浅耕起垄、铺设黑色地膜并灌水浸田，垄长4 m，垄面宽0.6 m，沟宽0.4 m，即每小区起3条垄；4月23日定植辣椒幼苗，一垄双行，株距35 cm，行距40 cm；定植后按照当地露地栽培辣椒方式正常管理，灌溉使用祁连山冰雪融水漫灌，追肥随灌水冲施。

表2 试验处理

1.3 测定项目与方法

土壤、基质理化性质测定：随机取样取还田基质、原大田土壤以及定植时(记作0 d)、定植后35 d(第1次追肥前)、定植后135 d(拉秧)3次各处理土壤样品，风干后测定：容重、孔隙度等物理特性的测定参照郭世荣[7]的方法；酸碱度 (pH值) 和电导率(EC)的测定参照程斐等[8]的方法，1∶5水土比浸提；主要养分含量参照鲍士旦[9]的方法，其中全氮采用奈氏比色法，硝态氮含量采用双波长紫外分光光度计法(校正因数法)[10]。

植株生长指标：在5个生育期测定，株高、茎粗分别用卷尺和游标卡尺测量。

光合荧光指标：于辣椒盛果期使用PP System公司的CIRAS-2便携式光合测定仪测定叶片净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)，Hansatech公司的FMS-2脉冲调制式荧光仪测定叶片荧光参数。

辣椒果实品质：可溶性糖含量采用蒽酮法测定；维生素C含量采用2，6-二氯酚靛酚钠染色法；可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250溶液法；硝酸盐含量采用紫外吸收法[11]。

产量指标：从辣椒成熟期开始15～20 d采摘1次，对其重量进行统计，直至结束。

1.4 数据处理

数据采用SPSS 22软件进行ANOVA方差分析和Duncan新复极差法(P<0.05)多重比较。其他统计分析采用Excel 2016处理。

2 结果与分析

2.1 不同基质还田量对土壤理化性质的影响

各时期土壤pH值、容重、总孔隙度、通气孔隙度、持水孔隙度、气水比在处理间基本无显著差异；但如图1所示，随着还田量的增加，在0 d时土壤pH表现为T0>T1>T2>T3，在辣椒生育期结束时T0、T1的pH值显著降低，且T0的降幅更甚于T1、降低到7以下，而T2、T3无显著变化，表现出相对的稳定性，且应以T2变化趋势最为稳定，各处理pH值高于原土壤，是施用复合肥底肥的原因；各处理的土壤容重在辣椒整个生育期中都有减小趋势，而T0减小趋势不明显，T1、T2在0 d和135 d之间达显著差异，35 d时与前后差异不明显，T3的35 d及135 d均显著低于0 d，减小趋势更明显；各处理总孔隙度随着时间的变化无显著差异，但T0基本保持不变，T1、T2、T3的总孔隙度有不同程度的增大，T2、T3增加幅度较大；通气孔隙度在辣椒生育期中也无显著变化，但T0、T1、T2均有一定程度的下降，T0降幅最大，达到40.25%，T3还略有增加；相对于通气孔隙度的减小，持水孔隙度均表现出了不同程度的增加，T0增加幅度最大，135 d相比0 d增加了7.51%，但各时期的差异仍不明显；由于T0的通气孔隙度减小，持水孔隙度增加，其气水比在130 d时显著低于0 d及35 d，土壤结构发生较大变化，其他处理未表现出显著差异，其中T3表现最为稳定，T2次之。以上说明基质还田可在辣椒生育期中增加土壤生物活性，因此，土壤容重减小、气水比稳定，使土壤气水通畅，同时利于作物根际土壤保持生物活性。

2.2 不同基质还田量对辣椒生长的影响

辣椒的株高保持了比较平均的生长速度(图2)，在35 d时以T1最高，为18.2 cm，60 d及以后均为T2最高，T2在135 d时达到79.15 cm，T3的株高在35 d最低，在60，85 d株高高于T0、低于T1，在85 d之后高于T1，在后期的生长速度上超过T1，T0的株高在60～135 d均为最低，在中后期生长速度较低；辣椒茎粗的增加呈现了先快后慢的趋势，整个生育期中T0茎粗值最小，在35 d时同样是T1最大，为4.41 mm，之后T2最大，在135 d时为17.18 mm，T3的茎粗在85 d以后超过T1。各时期辣椒的株高、茎粗在处理间基本没有表现出显著差异。T3在前期表现较差，可能是基质的大量还田使土壤内同科作物毒害物质含量增加的原因。

同组不同字母表示在同处理不同时期间差异显著(P<0.05)。

图2 不同量的基质还田对辣椒株高、茎粗的影响

从图3可以看出，在整个辣椒生育期中，T2各时期的干物质积累量均为最高，表现了最高的干物质积累速率，35 d时为2.62 g，135 d时为182.96 g，并且在生育期结束时各处理干物质积累量表现为T2>T3>T1>T0，T3在35，60 d略高于T0，在85，110 d积累量最低，在135 d超过T1、T0，在最后一个时期表现了较高的干物质积累速率；在整个生育期的干物质积累速率中T2最高，T3在60 d时积累速率略高于最低的T0，85，110 d速率最低，在最后一个时期，T0、T1、T2的干物质积累速率都呈下降趋势，而T3仍有一定增加，速率超过了T0、T1，在后期表现了强劲的生长势头。

图3 不同量的基质还田对辣椒干物质量及积累速度的影响

2.3 不同基质还田量对辣椒光合荧光的影响

如表3所示，在辣椒的结果盛期，4个处理中净光合速率(Pn)表现为T2>T3>T1>T0，T2显著高于T0，与T1、T3无显著差异；蒸腾速率(Tr)同样呈T2>T3>T1>T0，T2显著高于T1、T0，与T3无显著差异；气孔导度(Gs)T2最高，且显著高于T0，与T3、T1差异不显著；胞间CO2浓度(Ci)T0最高，T1最低，但处理间无显著差异。基质还田可使辣椒叶片净光合速率、蒸腾速率、气孔导度升高，略微降低胞间CO2浓度。

荧光参数中，Fv/Fm T2最高且显著高于T0，与其他2组差异不显著；ΦPSⅡ呈T2>T3>T1>T0，T2显著高于T1、T0，与T3无显著差异；qP T1最高，T0最低，但处理间无显著差异；NPQ T0最高，显著高于T3，4个处理表现为T0>T1>T2>T3。基质还田提高了辣椒叶片的Fv/Fm、ΦPSⅡ，降低了NPQ。

表3 不同量的基质还田对辣椒光合荧光参数的影响

注：同列不同字母表示在处理间差异显著(P<0.05)。表4同。

Note：Means followed by different letters are significantly different among treatment atP<0.05 level.The same as Tab.4.

2.4 不同基质还田量对辣椒果实品质及产量的影响

从表4可以看出，果实可溶性糖含量T2最高且显著高于T1、T0，T3次之且显著高于T0，T0的可溶性糖含量最低，T1、T2、T3相比T0分别高出9.13%，21.97%，13.87%；维生素C含量T3最高，T2略低于T3，二者都显著高于T0，T1含量高于T0但差异不显著，T1、T2、T3相比T0分别高出4.31%，15.93%，17.11%；可溶性蛋白含量4个处理T1最高，T0最低，分别为2.07，1.97 mg/g，但处理间无显著差异；果实硝酸盐含量4个处理均低于标准[12]，其中T0最高，达322.26 mg/kg，显著高于其他3个处理，T3次之且显著高于T1，T2介于T1、T3之间且与二者无显著差异，T1、T2、T3的硝酸盐含量相比T0分别降低36.41%，31.64%，17.01%；经基质还田的3个处理4项果实品质均优于无基质的处理。辣椒产量T2>T3>T1>T0，其中T2达67.04 t/hm2，显著高于T1及T0，T3与T2接近，T0与T1无显著差异；T1、T2、T3分别相比T0增产0.89%，7.31%，6.32%。

表4 不同量的基质还田对辣椒品质及产量的影响

3 结论与讨论

如前所述，还田所用基质中有秸秆、牛粪、菇渣、炉渣、鸡粪，是该园区内自行收集原料、于基质场中发酵腐熟制成的基质，原料均来源于农业废弃物；而农业废弃物也有不少直接还田利用的案例，所以将废弃基质还田在理论上也是可行的。畜禽粪便作有机肥施用于农田中的做法古已有之，秸秆还田的利用方式也在不断得研究改进；20世纪70年代以来，国内秸秆还田、肥田得到研究[13]，秸秆还田能有效改善土壤结构[14]、理化性质及肥力状况，按需节约化肥用量，促进农业生产良性循环。李继福等[15]对秸秆还田替代钾肥的研究结果表明秸秆还田可不同程度的增加水稻产量和地上部钾素积累。慕平等[16]研究发现连续多年秸秆还田可降低耕层土壤容重，对碱性土壤有改良作用，提高土壤养分含量及土壤微生物群体数量。其他多项研究表明，秸秆还田可提升土壤呼吸速率[17-18]，增加土壤酶活性[19-20]。

食用菌因其食用价值、生产效益高被大量栽培，同时也带来了大量的废料，即菌渣；菌渣在还田上也取得了不错的效果，能够明显提升稻田土壤有效氮磷钾的含量，利于有机质的积累，同时节约化肥及降低成本[21]；菌渣还田同样也能降低土壤容重，增加孔隙度，提高微生物数量及酶活性，且连续还田有助于缓解长期施用化肥造成的稻田土壤地力退化问题[22]，进而提升果实品质[23]。另有研究发现，在施氮量一致的情况下，秸秆、牛粪、鸡粪还田可提高玉米植株的氮素积累量，提高氮素利用效率[24]；除秸秆、菌渣外，猪粪、酒渣、沼渣还田也能促进土壤团聚体的形成与稳定[25]。

上述材料还田可促进土壤团粒结构的形成，降低土壤容重，提高土壤孔隙度，增强土壤对水、肥、气、热的协调能力，有利于作物的生长发育[26]；还能减少氮素挥发损失的发生，增加作物对氮素的吸收利用，增加土壤中微生物有效性碳含量，刺激土壤微生物的活动[27-28]。基质经使用后，其养分减少，组分改变，但仍含有一定的有机组分。尽管本研究所用基质已有较长的使用年限，作物的种植生产效益已有下降趋势，其容重、孔隙度、EC值仍优于土壤，全氮磷钾及速效养分、铵硝态氮和有机质含量也比土壤更丰富，除相比土壤略显酸性外，基质的理化性质、养分指标全面优于土壤，加上还田后可能为土壤带来了更丰富的酶类及微生物组分，当然也不排除可能的毒害物质、病菌造成的同科连作障碍，基质还田还是取得了不错的效果。

本研究结果表明，基质还田可在辣椒的生育期中减少土壤pH变化，显著减小土壤的容重，在一定程度上增大孔隙度，保持土壤气水通畅(气水比不减小)；在一定程度上促进辣椒植株生长及干物质积累；提高了辣椒叶片的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、最大光化学量子产量、实际光化学量子产量，降低了非光化学猝灭系数；在果实品质上，提高了果实的可溶性糖、Vc的含量，降低了果实硝酸盐的含量，提高了辣椒产量。但由于还田所用基质前茬种植作物为番茄，和辣椒属同科作物，可能存在一定的连作毒害现象，随着还田量的增加(T3)在辣椒生长的初期确实出现了多数指标劣于还田量较少处理(T2，甚至是T1)的情况；而大还田量(T3)对土壤理化性质的改良也有一定的表现，并籍以更大施用量的基质带来更高的养分含量，在后期T3的多项生长指标有较大的增长，大部分指标反超T1。综上所述，基质还田是行之有效的废弃基质重复利用方式，且目前建议种植同科蔬菜的还田施用量为90 m3/hm2。

[1] Giuffrida F，Leonardi C，Marfà O. Substrate reuse in tomato soilless cultivation[J]. Acta Horticulturae，2008，801(2)：1577-1582.

[2] Jiménez S，Plaza B M，Segura M L，et al. T.Peat substrate reuse in lilium"helvetia"crop[J]. Communications in Soil Science and Plant Analysis，2012，43(1-2)：243-250.

[3] 马彦霞，郁继华，张 晶，等. 设施蔬菜栽培茬口对生态型无土栽培基质性状变化的影响[J]. 生态学报，2014，34(14)：4071-4079.

[4] 马彦霞，任 静，曹 刚，等. 不同茬口设施番茄栽培的根圈基质中酶活性与养分效应[J]. 中国生态农业学报，2013，21(6)：681-688.

[5] 李 威，孟焕文，程智慧，等. 轮作叶菜对大棚番茄连作基质重复利用效果的影响[J]. 西北农林科技大学学报：自然科学版，2012，40(1)：164-170.

[6] 王勤礼，许耀照. 有机生态型无土栽培废弃基质对玉米生长发育和产量的影响[J]. 草业科学，2012，29(5)：785-789.

[7] 郭世荣. 无土栽培学[M]. 北京：中国农业出版社，2003：423-424.

[8] 程 斐，孙朝晖，赵玉国，等. 芦苇末有机栽培基质的基本理化性能分析[J]. 南京农业大学学报，2001，24(3)：19-22.

[9] 鲍士旦. 土壤农化分析[M]. 北京：中国农业出版社，2000：30-107.

[10] 宋 歌，孙 波，教剑英. 测定土壤硝态氮的紫外分光光度法与其他方法的比较[J]. 土壤学报，2007，44(2)：288-293.

[11] 王学奎. 植物生理生化实验原理和技术[M]. 2版. 北京：高等教育出版社，2006.

[12] GB 19338-2003，蔬菜中硝酸盐限量[S].

[13] 刘 芳，张长生，陈爱武，等. 秸秆还田技术研究及应用进展[J]. 作物杂志，2012，2(2)：18-23.

[14] 张 鹏，贾志宽，王 维，等. 秸秆还田对宁南半干旱地区土壤团聚体特征的影响[J]. 中国农业科学，2012，45(8)：1513-1520.

[15] 李继福，鲁剑巍，任 涛，等. 稻田不同供钾能力条件下秸秆还田替代钾肥效果[J]. 中国农业科学，2014，47(2)：292-302.

[16] 慕 平，张恩和，王汉宁，等. 连续多年秸秆还田对玉米耕层土壤理化性状及微生物量的影响[J]. 水土保持学报，2011，25(5)：81-85.

[17] 杨滨娟，黄国勤，钱海燕. 秸秆还田配施化肥对土壤温度、根际微生物及酶活性的影响[J]. 土壤学报，2014(1)：150-157.

[18] 李金埔，王双磊，张美玲，等. 秸秆还田对棉田土壤微生物和土壤呼吸速率的影响[J]. 山东农业科学，2014，9(9)：69-73.

[19] 赵亚丽，薛志伟，郭海斌，等. 耕作方式与秸秆还田对土壤呼吸的影响及机理[J]. 农业工程学报，2014，19(19)：155-165.

[20] 路文涛，贾志宽，张 鹏，等. 秸秆还田对宁南旱作农田土壤活性有机碳及酶活性的影响[J]. 农业环境科学学报，2011，30(3)：522-528.

[21] 温广蝉，叶正钱，王旭东，等. 菌渣还田对稻田土壤养分动态变化的影响[J]. 水土保持学报，2012，26(3)：82-86.

[22] 胡杨勇，马嘉伟，叶正钱，等. 稻耳轮作制度下连续菌渣还田对土壤肥力性状的影响[J]. 水土保持学报，2013，27(6)：172-176.

[23] 陈世昌，常介田，吴文祥，等. 菌渣还田对梨园土壤性状及梨果品质的影响[J]. 核农学报，2012，26(5)：821-827.

[24] 王振华，曹国军，耿玉辉，等. 不同农业废弃物还田对玉米氮素吸收利用及氮平衡的影响[J]. 中国农学通报，2015，31(23)：127-133.

[25] 龙 攀，高旺盛，隋 鹏，等. 农业废弃物料还田对土壤团聚体及土壤C和N的影响[J]. 中国农业大学学报，2014，19(6)：107-118.

[26] Vanc E D，Bcokes P C，Jenkinson D S. An extraction method formeasuring soil microbial biomass C[J].Soil Biol Biocherm，1987，19(19)：703-707.

[27] Mary B，Recous S，Darwis D，et al. Interactions betweendecompo-sition of plant residues and nitrogen cycling in soil[J]. Plant and Soil，1996(181)：71-82.

[28] Recous S，Aita C，Mary B. In situ changes in gross N transformations in bare soil after addition of straw[J]. Soil Biology & Biochemistry，1999，31(1)：119-133.

Effects of Returning Different Amount of Waste Substrate to Field on the Physicochemical Properties of Soil and the Physiological Characteristics and Yield of Pepper

ZHANG Baiyang，ZHANG Guobin，YU Jihua，FENG Zhi，DU Miaoxin，LUO Shilei，YE Jie，WANG Cuili

(College of Horticulture，Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，China)

Planted pepper after returning waste substrate which cultivated vegetables in greenhouse continuously for 6 years to open field to explore the effect of soil and pepper growth from returning substrate to field. Set four returning amount：0，45，90，135 m3/ha，and measured physicochemical properties of soil and the physiological characteristics and yield of pepper. The results showed that returning waste substrate to field could reduce the degree of soil acidification and bulk density of soil，slightly increasing soil porosity，maintain soil void ratio，improved the physical and chemical properties of soil. Promoted the growth of pepper plants and the accumulation of dry matter，meanwhile T2 was the best on plant height，stem diameter and matter accumulation. Enhanced the performance of photosynthetic fluorescence of pepper leaves，T2 had the highest value of Pn，Tr，Gs，Fv/Fm and ΦPSⅡ，and T1 of qP，T3 was the minimum on NPQ. Raised the fruit quality and yield of pepper，maximum yield was found in T2 treatment，67.04 t/ha； The highest content of soluble sugar was T2，2.21%，the highest content of Vc was T3，1.97 mg/g，T1 had the highest content of soluble protein and lowest of nitrate，2.07,204.93 mg/kg. But at the same time，large returning amount(135 m3/ha) brought some continuous cropping poison in the early stage of pepper growth，this phenomenon disappeared in the late growth period，at last，the indexes were still all better than no returning treatment. Returning waste substrate to field was a practical and effective reusing way，and 90 m3/ha could be recommended as the amount of returning (in the case of the same crop planting).

Waste substrate； Returning substrate to field； Substrate reusing； Physicochemical properties； Physiological characteristics

2017-04-24

国家现代农业产业技术体系建设专项资金项目(CARS-25-C-07)；农业部公益性行业(农业)专项(201203001)

张柏杨(1991-)，男，陕西宝鸡人，在读硕士，主要从事设施蔬菜栽培生理与生长调控研究。

郁继华(1961-)，男，江苏无锡人，教授，博士，博士生导师，主要从事设施蔬菜栽培生理与环境调控教学和科研工作。

S641.01

A

1000-7091(2017)03-0161-07

10.7668/hbnxb.2017.03.025