生物有机肥与保水剂对设施连作黄瓜生长和土壤肥力的影响

王 荣,刘吉青,周海霞,兰挚谦,韩泽宇,张雪艳

(宁夏大学 农学院/宁夏设施园艺工程技术研究中心/宁夏设施园艺(宁夏大学)技术创新中心，宁夏 银川 750021)

我国设施蔬菜总面积呈稳定增长态势，设施蔬菜的产值一直占很高比例。2016 年全国蔬菜播种面积2 548.8万hm2，产量91 834.9万t，总产值首次突破 2 万亿元大关，其中设施蔬菜的播种面积、产量、产值分别占21.5%、30.5%、62.7%[1]。随着设施栽培面积的迅速扩大及栽培年限的增加，长期覆盖栽培、高度集约经营及设施环境内水、热失衡等因素导致设施内部的微生态环境发生显著变化，设施土壤普遍出现次生盐渍化、酸化、养分失调、微生物区系破坏、土传病害加重等一系列质量退化及连作障碍问题[2]。另外，化学肥料的盲目大量施用，导致肥料利用率低，造成设施土壤板结、盐渍化、酸化、污染等现象严重[2-4]。因此，在保证产量前提下，如何降低化学肥料投入，提高肥料利用率，改善设施连作土壤质量衰退现象显得尤为必要。

众多学者针对连作障碍提出很多解决方法[3-4]。其中，施用生物有机肥是重要措施之一。生物有机肥是指特定功能微生物与主要以动植物残体(如畜禽粪便、农作物秸秆等)为来源经无害化处理、腐熟的有机物料复合而成的一类兼具微生物肥和有机肥效应的肥料[5]。国内外众多学者针对生物有机肥对植物生长和土壤质量的改善效果进行了研究，结果表明，施用生物肥料能促进西瓜、西兰花、黄瓜等作物的生长，改善作物品质、土壤理化性质，提升土壤肥力，提高产量等[5-11]，但均作为底肥施用，同时生育期要追肥。保水剂能在短时间内吸收其自身质量几百倍甚至几千倍的水并具有良好的保水性能，吸收的水分能缓慢释放被植物吸收利用，目前已在农、林等领域发挥改良土壤，减少土壤水分和养分流失，提高土壤水肥利用率、造林成活率、产量等多种作用[12-16]。而且，保水剂无毒、无害、无环境污染，施于土壤后会逐渐被微生物分解，对人体无刺激，使用安全[16]。但采用穴施生物肥和保水剂，系统探讨生物有机肥一次施用、全生育期不追肥的土壤供肥能力，以及保水剂对土壤、生物有机肥的保水、保肥能力的研究鲜有报道。黄瓜是我国主要设施蔬菜作物，化肥需用量大，连作障碍严重[17]。因此，以设施连作土壤为研究对象，穴施不同用量生物有机肥，并施用保水剂，系统研究生物有机肥一次施用、全生育期不追肥的土壤供肥能力，明确其合理用量，并探究保水剂对土壤以及生物有机肥的保水、保肥能力，明确保水剂调控水、肥、土的能力，使目前依赖化肥的化学农业转变为依靠生物有机肥的生态农业，为设施连作黄瓜土壤的可持续健康利用提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验于2017年4月1日—9月1日在宁夏吴忠孙家滩国家园区C15棚进行，试验地土壤养分状况见表1。

表1 试验地土壤养分状况

黄瓜品种为德尔88，由宁夏天缘种业有限公司提供。

生物有机肥为丰田宝生物有机肥(颗粒，含芽孢杆菌≥0.2亿个/g、有机质≥40%)，由北京汉力淼新技术有限公司提供。

1.2 试验设计

以传统全营养液水溶肥(追肥)为对照(CK)，设置穴施(底施)生物有机肥(S)、保水剂(B,用100倍水溶解，由北京汉力淼新技术有限公司提供)+生物有机肥等处理，具体见表2。所有处理均底施牛粪60 000 kg/hm2、二铵(总养分≥62%，14-46-0)600 kg/hm2、复混肥(15∶15∶15)600 kg/hm2。常规水溶肥采用随水灌施法，苗期到花期为魔粒丰(16-8-32)和海法钾宝(12-2-44)1∶1配施，均为75 kg/hm2；结果期到拉秧期为魔粒丰和海法钾宝1∶2配施，魔粒丰为75 kg/hm2，海法钾宝为150 kg/hm2。穴施有机肥或保水剂处理全程不再追肥，全程追清水。每个处理小区面积15 m2，5次重复，所有处理灌水量一致，具体灌水量见表3。黄瓜采用平畦栽培，株距20 cm，行距80 cm。

表2 试验设计

表3 黄瓜不同生育时期的灌水量 m3/hm2

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤理化性状 盛果期，每个处理每个重复多点采集0～20、20～40 cm土样，进行混合，一部分用于测定土壤物理特性，另一部分风干后过孔径0.25 mm的筛，用于土壤pH值、EC及养分含量的测定。土壤含水量采用烘干称质量法测定，容重采用环刀法测定，比重采用比重瓶法测定，计算土壤总孔隙度，土壤总孔隙度(%)=(1-容重/比重)×100%；pH值采用1∶5土壤悬液—电位法测定，EC采用电导法测定，速效氮含量采用流动分析仪测定，速效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3浸提—钼锑抗比色法测定，速效钾含量采用1 mol/L NH4AC浸提—火焰光度法测定，有机质含量采用重铬酸钾容量法测定[18]。

1.3.2 地上部生长发育指标 定植缓苗后，每个处理每个重复分别取代表性植株5株，每2周进行1次，测定黄瓜的株高、茎粗及叶片数，进而计算株高、茎体积、叶片数相对生长速率，连续测定5次。株高为生长点到根基部的垂直距离，用卷尺测量；茎粗为子叶下1 cm的粗度，用游标卡尺测定；叶片数为直径大于2 cm的叶片的数目。

1.3.3 光合特性和根系性状 盛瓜期，每个处理每个重复取代表性植株5株，测定光合特性，并测定根系性状。利用光合仪测定黄瓜叶片的光合速率、蒸腾速率、气孔导度以及胞间CO2浓度；用EPSON EXPRESSION 4990 型扫描仪对根进行扫描，用Win RHIZO根系分析软件对扫描的根系图片进行分析，得到根长、表面积、体积和直径数据[19]。

1.3.4 产量 统计整个生育期各处理黄瓜产量，并折合成单位面积产量。

1.3.5 品质 盛果期，每个处理每个重复随机取5个大小均匀、着色一致的果实，测定果实品质。果实可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定[20]；有机酸含量采用酸碱中和转移法测定[20]；维生素C(Vc)含量采用钼蓝比色法测定[20]；硝酸盐含量采用水杨酸比色法测定[21]；可溶性固形物含量采用便携式糖度计进行测定。

1.4 数据统计与分析

试验数据用SPSS 17.0软件进行差异显著性分析(LSD法)。

2 结果与分析

2.1 生物有机肥与保水剂对设施连作黄瓜土壤理化性状的影响

2.1.1 物理性状 由表4可知，对于0～20 cm土壤，随着生物有机肥用量增加(200～400 g/株)，土壤含水量和容重均先增加后降低，土壤总孔隙度先降低后增加，比重总体呈降低趋势。其中，B+S600处理的土壤含水量、容重以及比重均最低，土壤总孔隙度最高，为49.35%。CK的土壤含水量、容重以及比重均最大。

表4 生物有机肥与保水剂对设施连作黄瓜0～20 cm土层土壤物理性状的影响

由表5可知，对于20～40 cm土壤，在不添加保水剂条件下，随着生物有机肥用量增加(200～400 g/株)，土壤含水量、容重、比重、总孔隙度变化趋势与0～20 cm土壤相似；在添加保水剂条件下，土壤含水量、容重、比重、总孔隙度变化趋势与不添加保水剂条件下正好相反。CK的土壤含水量和容重均最大，土壤总孔隙度最小；B+S400处理的土壤含水量和容重均最低，比重和总孔隙度最大。

2.1.2 养分含量等化学性状 由图1可知，对于0～20 cm土壤，在不添加保水剂条件下，随生物有机肥用量增加(200～400 g/株)，土壤EC显著降低，S600处理土壤EC与CK无显著差异，其他处理均显著高于CK；pH值先稍微升高后降低，所有处理pH值均显著低于CK。在添加保水剂条件下，随生物有机肥用量增加(200～400 g/株)，土壤EC先显著上升后显著降低，生物有机肥+保水剂处理EC均比单一生物有机肥处理、CK高；pH值先显著降低后显著升高，生物有机肥+保水剂处理pH值均比单一生物有机肥处理、CK低。整体来看，B+S400处理EC最高，为0.82，且pH值最接近7。

表5 生物有机肥与保水剂对设施连作黄瓜20～40 cm土层土壤物理性状的影响

由图1可知，对于20～40 cm土壤，在不添加保水剂条件下，随生物有机肥用量增加(200～400 g/株)，土壤EC变化趋势与0～20 cm土壤相似，S200处理EC最高；除B+S600处理外，生物有机肥+保水剂处理EC均比单一生物有机肥处理低，其中B+S200处理最低，且与CK无显著差异。土壤pH值变化趋势与0～20 cm土壤正好相反，所有处理pH值均较CK显著降低，B+S600处理最低，显著低于其他处理。

不同小写字母表示不同处理之间的差异显著(P<0.05),下同

由图2可知，对于0～20 cm土壤，随生物有机肥用量增加(200～400 g/株)，土壤速效钾含量下降，生物有机肥+保水剂处理速效钾含量较单一生物有机肥处理增加，但差异不显著，CK速效钾含量最高，S200处理与CK无显著差异，S600处理最低，其次为B+S600处理。20～40 cm土壤速效钾含量变化趋势与0～20 cm土壤相似。

由图2可知，对于0～20 cm土壤，相比CK，单一生物有机肥处理土壤速效磷含量降低，单一生物有机肥处理之间无显著差异；生物有机肥+保水剂处理土壤速效磷含量升高，彼此间差异显著，且均显著高于单一生物有机肥处理和CK。总体来看，B+S200处理速效磷含量最高，比CK提高17.21%，B+S600处理次之。对于20～40 cm土壤，S400处理土壤速效磷含量最高，随后依次为S600、B+S600处理，均显著高于CK；B+S400处理最低，显著低于CK，其余处理与CK之间的差异均不显著。

图2 生物有机肥与保水剂对设施连作黄瓜土壤速效钾、速效磷含量的影响

由图3可知，对于0～20 cm土壤，除S200处理外，其他处理土壤速效氮含量均显著高于CK。随生物有机肥用量增加，速效氮含量不断增加，且生物有机肥+保水剂处理土壤速效氮含量高于单一生物有机肥处理，B+S600处理速效氮含量最高，比CK显著提高59.48%。对于20～40 cm土壤，随生物有机肥用量增加，单一生物有机肥处理土壤速效氮含量先降低后升高，生物有机肥+保水剂处理土壤速效氮含量增加，B+S600处理速效氮含量最高，比CK显著提高51.20%，CK最低，随后为S400处理，其他处理间无显著差异。

由图3可知，对于0～20 cm土壤，S400、S600、B+S200、B+S400处理土壤有机质含量均显著高于CK，其中S400处理最高，比CK高72.7%，B+S400处理比CK提高62.74%，其他处理与CK均无显著差异；对于20～40 cm土壤，随生物有机肥用量增加，单一生物有机肥处理土壤有机质含量增加，且显著高于CK；生物有机肥+保水剂处理土壤有机质含量稍微降低，B+S200处理土壤有机质含量高于CK，其他处理与CK均无显著差异。总体来看，单一生物有机肥处理土壤有机质含量明显高于生物有机肥+保水剂处理。

图3 生物有机肥与保水剂对设施连作黄瓜土壤速效氮、有机质含量的影响

2.2 生物有机肥与保水剂对设施连作黄瓜生长发育的影响

2.2.1 地上部 由图4可知，株高相对生长速率以S400处理最低，其次为S200处理，两处理之间无显著差异，其余5个处理之间无显著差异，总体来看，以S600、B+S200、B+S600处理较高，三者相近。茎体积相对生长速率以B+S200处理最高，显著高于CK，S200处理与S400处理较低，两者之间无显著性差异，但均显著低于CK，其他各处理与CK均无显著性差异。叶片数相对生长速率在各处理之间均无显著性差异。

2.2.2 根系 由表6可知，相比CK，S200处理显著提高了根长、表面积、体积；S600处理显著提高了根长；B+S200处理显著提高了根长，但降低了根表面积、直径；B+S400处理显著提高了根长、表面积、体积；B+S600处理根长、表面积、直径、体积均与CK无显著差异。

表6 生物有机肥与保水剂对设施连作黄瓜根系生长发育的影响

注：同列数据后不同小写字母表示不同处理之间的差异显著(P<0.05),下同。

2.3 生物有机肥与保水剂对设施连作黄瓜叶片光合特性的影响

由图5可知，叶片蒸腾速率、光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度变化趋势一致。随生物有机肥用量增加，单一生物有机肥处理上述指标均增加，生物有机肥+保水剂处理上述指标均降低，上述4个指标总体均以S600处理最高，B+S200处理次之，S200处理最低。

图5 生物有机肥与保水剂对设施连作黄瓜叶片光合特性的影响

2.4 生物有机肥与保水剂对设施连作黄瓜产量的影响

由图6可知，B+S200处理总产量最高，为41 153.90 kg/hm2，CK最低，为36 568.28 kg/hm2，B+S200处理较CK提高12.54%，B+S600处理比CK提高5.37%。S600处理和B+S400处理总产量也相对较高，分别比CK提高10.17%和7.43%。单一生物有机肥处理中，S600处理总产量最高，为40 286.80 kg/hm2，分别比S200、S400处理提高4.43%、6.63%。生物有机肥+保水剂处理中，B+S200处理总产量分别比B+S400、B+S600处理提高4.75%、6.80%。

图6 生物有机肥与保水剂对设施连作黄瓜产量的影响

2.5 生物有机肥与保水剂对设施连作黄瓜果实形态及品质的影响

由表7可知，单果质量、果实纵径、果实横径总体均以B+S600处理最高，S200处理最低，B+S600处理显著高于S200处理，提高幅度分别为18.6%、11.6%、6.1%，其他处理与B+S600处理在单果质量、果实纵径(S600处理除外)、果实横径方面均无显著性差异；果实含水量也以B+S600处理最高，S600处理最低。

表7 生物有机肥与保水剂对设施连作黄瓜果实形态的影响

由图7可知，随生物有机肥用量增加，单一生物有机肥处理果实Vc含量不断增加，且所有处理均显著高于CK，S600处理最高，显著高于其他处理，S200、S400处理间无显著差异；Vc含量在生物有机肥+保水剂处理之间均无显著差异，且均高于单一生物有机肥处理，比CK提高44.48%～47.58%。与CK相比，S200、B+S400处理硝酸盐含量无显著差异，S400处理硝酸盐含量最高，显著高于其他处理，比CK显著提高16.3%，随后依次为B+S200、S600处理。除S200处理外，其他处理果实可溶性固形物含量均显著高于CK，加保水剂处理的可溶性固形物含量比CK提高7.73%～18.18%，其中B+S200处理可溶性固形物含量最高，为5.20%，CK最低，为4.40%，其他4个处理间均无显著差异。B+S400、B+S600处理可溶性糖含量较高，分别比CK高15.20%、15.08%，两者之间的差异不显著，但均显著高于其余处理， S600处理最低，其他处理间均无显著差异。除B+S600处理果实有机酸含量显著低于CK外，其他处理均与CK无显著差异。B+S200、B+S600处理糖酸比较高，两者之间的差异不显著，但均显著高于CK，其他5个处理间均无显著差异。

图7 生物有机肥与保水剂对设施连作黄瓜品质的影响

2.6 生物有机肥与保水剂处理的主成分分析

由表8可知，CK的综合得分最低；单一生物有机肥处理中，S600处理综合得分最高，即S600处理最优；生物有机肥+保水剂处理中，B+S200处理综合得分最高，即B+S200处理最优。

表8 不同处理主成分分析综合得分

3 结论与讨论

生物有机肥将功能微生物与有机肥结合，具有调节根际微生物区系结构、增加土壤肥力、增强植物对养分的吸收、提高作物的抗病能力等多种功能，且无污染、零残留，是消除黄瓜连作障碍的理想手段[7]。保水剂具有增强土壤持水能力、改良土壤结构、降低土壤容重和pH值、提高土壤孔隙度、增强根系活力、促进植物生长发育、改善黄瓜和辣椒果实品质等作用[22-24]。由于保水剂的活性基团可以和土壤颗粒表面的活性基团或离子发生相互作用，故保水剂可以通过创建和稳定水稳性团粒结构，增加对养分的吸附作用而抑制其流失[22]；也可通过静电引力、范德华力、离子交换、离子吸附、络合等机制增加对养分的吸附作用抑制其流失，并达到保水、保土、保肥的作用,进而促进植物生长[13]。

本研究结果表明，适量生物有机肥处理能够明显促进黄瓜株高的生长；降低土壤容重、比重以及pH值，提高土壤的总孔隙度、EC、速效氮、速效磷以及有机质含量；提高黄瓜果实的Vc、硝酸盐、可溶性固形物含量及糖酸比；提高黄瓜叶片的光合速率；明显促进根系的生长发育；提高产量，这与前人所报道的施用生物有机肥可以改善土壤的理化性状，减少土壤的酸化和盐渍化，增加有机质含量，提高根系活力、根系的吸收面积、光合速率，刺激叶片生长，从而提高植株产量等结论相符合[25-27]。通过主成分分析发现，单一生物有机肥处理中，S600处理的综合得分最高，说明合理施用生物有机肥可以提高黄瓜产量，改善植物学性状和生物学性状[28]。

生物有机肥+保水剂处理能够明显促进黄瓜地上部生长发育，这是因为保水剂与土壤混合后，自身会吸收大量的水分和营养物质，然后缓慢释放给需要的植物使用，因此，即使土壤中水分不足，植株也同样能维持生长[29]；降低土壤容重和比重，增大土壤总孔隙度，降低土壤pH值，这与前人研究结果相似[13-14,23]，但是土壤的含水量却明显降低，这是因为土壤和肥料中的可溶性盐可影响保水剂的吸水性能[30]；明显提高0～20 cm土壤的EC和速效磷含量，显著提高土壤速效氮含量，这与保水剂对铵态氮有明显的吸附作用，而且保水剂量一定时，吸肥量随肥料的增加而增加有关[16]；提高果实的单果质量、果实纵径、果实横径及Vc、可溶性糖、可溶性固形物含量和糖酸比；提高叶片的光合速率；提高产量。通过主成分分析发现，生物有机肥+保水剂处理中，B+S200处理的综合得分最高，说明保水剂对肥料的吸附是定量的，不是越多越好，所以在实际应用中需考察保水剂对肥料的吸附容量及其与肥料的化学结合性[31]。

综上所述，生物有机肥+保水剂处理在促进植株生长及改善土壤理化性质等方面的总体表现效果优于单一生物有机肥及传统全营养液水溶肥处理。