生物有机肥提高设施土壤生产力减缓黄瓜连作障碍的机制

曲成闯，陈效民*，张志龙，闾婧妍，嵇 晨，张 俊

（1 南京农业大学资源与环境科学学院，江苏南京 210095；2 如皋市农业科学研究所，江苏如皋 226500）

黄瓜作为日常必需蔬菜之一，市场需求量和消耗量较大，黄瓜种植也逐渐成为中国长江三角洲地区蔬菜种植业的主体。但由于耕地面积减少，人地矛盾不断加剧，加上种植户过度追求经济利益，导致该地区出现在同一地块连续种植多季黄瓜的现象[1]。连续在同一地块上栽培同种作物或近缘作物，即使在正常的管理措施下，也会引起作物产量降低、品质变劣和生育状况变差，造成土壤发生连作障碍，同时连作障碍会导致土壤出现养分不平衡、土壤次生盐渍化、土壤酸化和土壤酶活性紊乱等现象[2-4]，土壤连作障碍严重时还会造成黄瓜生长发育不良、病虫害增多、产量下降甚至绝收[5]。连作障碍已成为制约蔬菜种植产业发展的一个重要因素。在全球人口增加、人地矛盾日益加深和市场需求量增加等社会背景下，在同一地区高强度连续种植蔬菜和土壤发生连作障碍的状况不可避免[6]。如何改善土壤理化特征、减缓土壤连作障碍发生已成为当前农业可持续发展需要解决的重要问题。

研究发现，改变耕作方式、优化肥料配施比例和精准施肥等措施可在一定程度上缓解土壤连作障碍问题[7]。生物有机肥主要由功能微生物与以动植物残体 (如畜禽粪便、农作物秸秆等) 为来源并经无害化处理、腐熟的有机物料复合而成，兼具微生物肥料和有机肥的效应，且生物有机肥具备养分全面平衡、肥效持久和富含功能菌微生物等特点，已经用于培肥土壤、土壤污染修复以及土壤改良等方面[8-9]。大量理论研究和实践表明，生物有机肥可改善土壤理化性质和微生物群落结构，提高土壤肥力水平[10]；可抑制土壤病原菌微生物活性，降低植株病害发生率，增加土壤微生物多样性[11]。生物有机肥在改良土壤，改善土壤理化性质和优质农产品生产方面也发挥着积极的作用[12]。然而，大多数研究仅单一探讨生物有机肥对土壤理化性质、生物学特性和作物品质等的短期影响[13-15]，或者研究生物有机肥对已发生连作障碍土壤的修复和土传病害的控制作用[16-17]，且多数采用温室盆栽试验[18-19]，而有关高强度连作体系条件下生物有机肥对减缓土壤连作障碍发生、平衡土壤养分、调控土壤酶活性等的研究却鲜有报道，尤其是一次性施入生物有机肥对设施黄瓜连作土壤的影响及效果周期的研究还未发现。

本研究采用设施大棚田间小区试验，将生物有机肥于第一季黄瓜种植之前一次性施入，针对高强度连作体系下土壤板结、次生盐渍化、养分不平衡以及酶活性紊乱等现象，研究生物有机肥对连续种植3季黄瓜土壤理化性质、肥力特征和酶活性等的影响，探索高强度连作体系条件下生物有机肥对减缓土壤连作障碍发生、平衡土壤养分、调控土壤酶活性等的作用机制，为生物有机肥在改良土壤、促进农业可持续发展等方面提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2016年8月—2017年12月在江苏省南通市如皋市农业科学研究所 (东经 120°28′54.7″，北纬32°22′02.7″) 设施大棚基地进行，并建立长期监测定点试验。试验区位于长江三角洲北翼，南临长江，属于典型的亚热带季风气候 (属于东亚季风)，夏季高温多雨，冬季温和少雨，年平均气温15.6℃，气温年变化较小，年降水总量721 mm，全年无霜期224天。试验期间设施大棚中每日温度控制在23℃～26℃。

试验开始之前，试验田所在区域为撂荒地，新开垦后于2016年建成设施蔬菜大棚。供试土壤类型为典型潮土，耕层土壤基本理化性如下：土壤容重为1.40 g/cm3，总孔隙度48.3%，pH值是7.0，电导率0.97 ds/m，有机质6.54 g/kg，全氮1.03 g/kg，硝态氮120 mg/kg，速效磷64.4 mg/kg。

1.2 供试生物有机肥

试验所用的生物有机肥由江阴市联业生物科技有限公司提供，由牛粪、小麦秸秆经过微生物腐熟过程制作而成，其中牛粪和小麦秸秆用量比例为4∶1，活性功能菌微生物为有效活菌数30.56 ×106亿个/g，其化学性质如下：pH值是7.96，有机质含量387 g/kg，全氮22.2 g/kg，全磷22.2 g/kg、全钾9.68 g/kg、腐殖酸187 g/kg。

1.3 试验设计

试验共设计3个处理，重复3次，共计9个小区，每个小区面积21 m2(3 m × 7 m)，采用拉丁方随机区组排列，处理分别为：CK (生物有机肥施用量为0 t/hm2)，B10 (生物有机肥施用量为10 t/hm2)，B20 (生物有机肥施用量为20 t/hm2)，且小区周围设置保护行和田埂，保护行和田埂宽度分别是1 m和0.5 m。

生物有机肥于2016年8月13日第一季黄瓜种植前施入各小区，且通过人工翻耕与小区0—20 cm表层土壤混匀。黄瓜种植基肥采用187.5 kg/hm2复合肥 (N-P2O5-K2O为17-17-17)，于第一季黄瓜种植前一次性施入，提供黄瓜生命活动所需养分。黄瓜苗龄为30天时，将黄瓜幼苗从苗床统一移栽到试验小区，黄瓜株距和行距分别是25 cm和50 cm。试验期间不再追肥，定期人工除草，且采用滴灌方式适时适量灌水。试验期间采取同样的农作管理措施。

1.4 样品采集与测定

1.4.1 土壤样品采集 每一季黄瓜成熟期 (2016年12月5日、2017年6月28日、2017年11月26日)，采用“之”字形多点混合采样法，每个小区选择10个采样点，采集不同处理试验小区0—20 cm土壤样品。将土壤样品分成两份，一份放于4℃冰箱冷藏保存，用于测定土壤生物学性质；另一份风干后过筛处理，以供土壤理化性状分析。

1.4.2 土壤样品测定 1) 土壤理化性质指标：土壤容重和总孔隙度采用环刀法测定；土壤pH测定采用电位法 (其中土水比为1∶5)；土壤电导率采用电导率仪 (DDS-320型) 测定 (其中土水质量比为1∶5)；采用重铬酸钾容量法—外加热法测定土壤有机质含量；土壤全氮测定采用半微量开式法 (采用0.01 mol/L 1/2H2SO4滴定)；硝态氮采用1 mol/L KCl振荡浸提，滤液用TRACCS2000型连续流动分析仪测定；碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法测定土壤速效磷含量。2) 土壤生物学指标：土壤脲酶采用靛酚蓝比色法测定，37℃恒温培养24 h，脲酶活性以单位土壤中NH3-N毫克数表示；采用KMnO4滴定法测定过氧化氢酶活性；土壤蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定，其活性以24 h后1 g土壤产生1 mg还原糖表示；采用磷酸苯二钠比色法测定碱性磷酸酶活性，结果以酚含量 (37℃，24 h) 表示；采用氯仿熏蒸提取法测定土壤微生物量碳 (MBC) 和微生物量氮 (MBN) 含量，其中土壤微生物量碳含量采用熏蒸提取—容量分析法测定，土壤微生物量氮含量采用熏蒸提取后凯氏定氮法测定。

1.4.3 黄瓜产量统计 试验过程中，在主要收获期对黄瓜果实进行分批采摘，摘取成熟黄瓜果实进行称重，直到黄瓜叶片严重衰落时期，黄瓜产量无法计入有效产量为止，且每个小区分批累计记产，计算黄瓜产量。

1.5 数据统计与分析

利用Excel 2010软件和SPSS20.0软件对数据进行统计和分析，同时采用LSD法进行多重比较，其中显著性水平设为α = 0.05。

2 结果与分析

2.1 生物有机肥对黄瓜连作土壤容重和总孔隙度的影响

由图1可知，从第一季到第三季黄瓜成熟期，CK处理中土壤容重由1.35 g/cm3增加到1.40 g/cm3，土壤总孔隙度由49.0%下降到46.6%，说明随着黄瓜连作季数增加，土壤疏松程度和通气性均出现不同程度变差的现象。连续种植3季黄瓜过程中，施用生物有机肥B10和B20处理与CK相比，土壤容重分别下降了9.6%、13.0%、15.0%和19.3%、17.4%、20.7%，且到第三季黄瓜成熟期，B10和B20处理与CK相比，差异明显 (P＜ 0.05)。从黄瓜种植第一季到第三季，CK处理中土壤总孔隙度分别为49.0%、47.8%和46.6%，土壤总孔隙度随黄瓜连作季数增加而逐渐减少，而与CK相比，施用生物有机肥处理中土壤总孔隙度较大，且连续种植3季黄瓜后土壤总孔隙度并无明显变化。

2.2 生物有机肥对黄瓜连作土壤化学性质的影响

为了探索黄瓜连作条件下生物有机肥对土壤化学性质的影响，本试验研究了施用生物有机肥条件下连续种植3季黄瓜的土壤pH、电导率、有机质、全氮、硝态氮、速效磷含量变化状况 (表1)。从第一季到第三季黄瓜成熟期，CK处理中土壤pH、有机质、速效磷含量均出现下降趋势，土壤电导率和全氮呈现增加趋势，其中电导率和全氮分别增加了6.8%和12.0%，且到第三季黄瓜成熟期，全氮与有机质、速效磷之间比例变大。与CK相比，除土壤电导率外，施用生物有机肥处理中其他土壤指标都有不同程度增加，其中土壤有机质、速效磷和硝态氮含量分别增加了39.3%～83.9%、6.0%～14.2%和10.0%～22.0%，而土壤电导率降低了8.6%～12.7%，且每一季黄瓜成熟期施用生物有机肥处理中土壤有机质含量与CK相比，差异均达到显著性水平 (P＜0.05)。连续种植3季黄瓜过程中，施用生物有机肥处理的土壤各养分比例与CK相比，变化幅度较小，土壤各养分含量比较均衡。不同处理之间土壤pH差异不明显，但施用生物有机肥的B10和B20处理中土壤pH高于CK。由表1可知，第三季黄瓜成熟期中CK处理的土壤pH、全氮、硝态氮、铵态氮、速效磷含量与前两季黄瓜成熟期相比，差异均达显著水平 (P＜ 0.05)，而施用生物有机肥的B20处理中土壤各指标变化均不明显。

图 1 施用生物有机肥对黄瓜连作过程中土壤容重和总孔隙度的影响Fig. 1 Soil bulk density and total porosity response to bio-organic fertilizer addition in cucumber continuous cropping seasons

表 1 施用生物有机肥对黄瓜连作过程中土壤化学性质的影响Table 1 Soil chemical indexes response to bio-organic fertilizer addition in cucumber continuous cropping system

2.3 生物有机肥对黄瓜连作土壤酶活性的影响

土壤酶为土壤生态系统代谢提供了动力，且其大部分来自于微生物，探讨高强度连作设施黄瓜土壤酶活性的变化可在一定程度上反映微生物的活性。从第一季到第三季黄瓜成熟期，不同处理中土壤脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶和磷酸酶活性(表2)表明，施用生物有机肥可增加土壤脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶和磷酸酶活性。同一黄瓜成熟期不同处理中土壤脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶和磷酸酶活性由大到小排列均表现为B20 ＞ B10 ＞ CK。生物有机肥可明显影响第一季黄瓜土壤脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶和磷酸酶活性，其中与CK处理相比，第一季黄瓜成熟期B10和B20处理中土壤脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶和磷酸酶活性分别提高了47.0%、14.4%、9.1%、4.6%和62.1%、23.7%、16.6%、34.6%。

2.4 生物有机肥对黄瓜连作土壤微生物量碳氮含量的影响

土壤微生物量碳、氮含量均随生物有机肥施用量的增加而增加 (图2)。施用生物有机肥处理中土壤微生物量碳、氮含量均明显高于CK。连续种植3季黄瓜期间，B10和B20处理中微生物量碳、氮含量与CK相比增幅范围分别为43.0%～23.2%和21.8%～56.2%。第一季到第二季黄瓜成熟期各处理土壤微生物量碳、氮含量均呈增加趋势，第二季到第三季黄瓜成熟期各处理土壤微生物量碳、氮含量均呈下降趋势。第一季到第三季黄瓜成熟期B10和B20处理中微生物量碳含量与CK相比，分别增加了20.6、28.3、7.5 mg/kg 和 40.5、42.2、18.0 mg/kg，微生物量氮含量与CK相比，分别增加了4.0、4.1、2.5 mg/kg和6.3、6.7、3.6 mg/kg。第三季黄瓜成熟期不同处理之间土壤微生物量碳、氮含量的差异较小。

表 2 施用生物有机肥对黄瓜连作过程中土壤酶活性的影响Table 2 Soil enzymatic activities response to bio-organic fertilizer addition in cucumber continuous cropping system

图 2 施用生物有机肥对黄瓜连作过程中土壤微生物量碳、氮含量的影响Fig. 2 Soil microbial biomass carbon and nitrogen response to bio-organic fertilizer addition in cucumber continuous cropping seasons

2.5 生物有机肥对连作黄瓜产量的影响

施用生物有机肥可提高黄瓜产量 (图3)。随黄瓜连续种植季数增加，CK处理中黄瓜产量呈下降趋势，第二季到第三季黄瓜产量下降幅度为9.4%，且第三季黄瓜产量与第一和第二季相比，差异均达显著水平 (P＜ 0.05)。与CK相比，第一季、第二季和第三季黄瓜生育期B10处理中黄瓜产量分别提高了3.9%、9.7%和10.7%，B20处理中黄瓜产量分别提高了12.9%、18.8%和20.2%，B20处理中黄瓜产量最高，第一季、第二季和第三季黄瓜产量分别是28.8、29.0和26.5 t/hm2，且连续种植3季黄瓜过程中B10和B20处理的黄瓜产量变化不明显。

图 3 施用生物有机肥对连作黄瓜产量的影响Fig. 3 Cucumber yield response to bio-organic fertilizer addition in continuous cropping seasons

2.6 连作条件下土壤理化性状与生物学特征、黄瓜产量的相关性分析

由表3可知，除土壤pH和电导率外，其它土壤理化指标均与土壤生物学指标 (脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶、磷酸酶、微生物量碳和微生物量氮) 呈显著相关关系 (P＜ 0.05)，且与土壤有机质含量呈极显著正相关关系 (P＜ 0.01)，与土壤容重呈显著负相关关系。土壤肥力指标 (有机质、全氮、硝态氮速效磷)与土壤生物学指标呈显著相关，说明土壤肥力水平与土壤微生物生命活动关系密切，尤其是土壤有机质含量与生物学指标呈极显著相关性，表明黄瓜连作过程中有机质含量与土壤微生物生命活动存在较高相关关系。土壤理化指标与生物学指标之间相关分析表明，土壤理化指标与各生物学指标均具有一定相关性，说明连作条件下土壤理化性质变化会直接或间接影响土壤生物学特征变化。黄瓜连作过程中，除土壤全氮外，其他土壤理化指标均与黄瓜产量呈明显相关性，其中电导率、速效磷和有机质含量与黄瓜产量相关性达极显著水平。

3 讨论

同一地块连续种植同种或近缘作物，即使采用正常管理措施，作物也会出现产量降低、品质变坏等情况，且土壤会发生耕性变差、养分失衡、土壤酸化以及次生盐渍化等现象[5]。本研究发现，施用生物有机肥处理后高强度连续种植3季黄瓜，同一季黄瓜成熟期施用生物有机肥处理与对照相比，土壤容重降低，土壤总孔隙度增加，原因是生物有机肥中含有丰富有机质，添加生物有机肥对土壤有一定的稀释作用，另一方面生物有机肥中含有多种微量元素，可提高土壤中土著微生物生命活动过程中所需要的养分和能量，促进微生物种群增加，土壤中以微生物为食物的动物活性增加[20]，其活动过程中同样可以疏松土壤，增加土壤通气性，从而降低土壤容重，增加了土壤总孔隙度，连作土壤通气性得到改善。连续种植3季黄瓜过程中，施用生物有机肥处理中土壤pH高于对照，原因可能是生物有机肥中的Ca、Mg、K等盐基离子在土壤中以碳酸盐和氧化物形式存在，溶于水后呈碱性从而中和土壤活性酸和潜性酸，导致土壤pH值升高，减缓黄瓜连作过程中土壤酸化问题。本研究发现，同一季黄瓜成熟期施用生物有机肥处理与对照处理相比，土壤电导率均出现下降趋势，这是因为生物有机肥疏松了土壤，土壤盐分会因淋溶作用而减少，从而也降低了土壤电导率。Kumar等[21]研究表明，生物有机肥可增加土壤肥力水平，改善土壤养分缺失的状况。Habashy等在瘠薄地土壤中施入生物有机肥后发现，经过生物有机肥处理后土壤磷素缺失现象得到有效解决，土壤硝态氮、铵态氮、有机质等含量与原始土壤相比均明显增加[22]。本文研究与Kumar等和Habashy等研究结果基本一致，生物有机肥施用量越大，黄瓜连作土壤中各肥力指标含量越高，且连作过程中土壤养分含量变化幅度较小，各养分含量比较均衡。生物有机肥本身含有丰富的养分、有机质和微量元素，提高了土壤各肥力指标，且生物有机肥中功能性微生物可以活化土壤中矿物固定的养分[23]，从而增加土壤有效养分含量。

表 3 土壤理化性状与生物学特征指标的相关系数Table 3 Correlation coefficients between soil physical and chemical properties and biological characteristics

土壤酶活性可以直接反映土壤微生物活性、土壤生物化学反应的方向和强度等信息，而土壤微生物量碳氮是土壤中易利用的养分库及有机物分解和氮矿化的动力，其与土壤各养分循环均有密切的关系[24]，且土壤微生物量碳氮可作为土壤微生物量大小的指标。研究生物有机肥对黄瓜连作土壤中酶活性和微生物量碳氮的影响以及对黄瓜连作土壤生态环境的改善，对探讨连作土壤中微生物活性状况具有非常重要意义。Brockett等[25]研究发现农田管理措施、土壤理化性状以及土壤肥力水平等因素对土壤生物学性质均有较大影响。本试验发现，连续种植3季黄瓜过程中，施用生物有机肥处理与对照相比，土壤酶活性 (脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶、磷酸酶)和微生物量碳氮含量均有不同程度的提高，这与王兴龙等[26]研究的土壤酶活性和微生物量的变化结果基本一致。生物有机肥含有的功能菌微生物利用土壤中养分进行生命活动，同时生物有机肥中含有的丰富有机质和营养元素为土壤土著微生物和功能菌微生物活动提供了能量和动力，可改善土壤微生物群落结构，增加微生物种群丰度，而且其还含有较高的氮、磷、钾以及微量元素，也为微生物提供了生命过程中所需要的养分和能量，土壤微生物生物量增加，使微生物量碳、氮含量提高，微生物在新陈代谢过程中分泌的酶含量增多，使土壤中酶活性增强，从而减缓因连作造成土壤生物学性质变差。土壤腐殖质对微生物活动的稳定性起着重要的作用[27]，生物有机肥是一种由功能菌微生物和腐熟有机物料复合而成的肥料，其含有丰富有机物质和腐殖酸类物质，不仅促进了土壤酶活性的提高，还能长期保持酶活性处于较高水平，减缓因黄瓜连作造成的酶活性紊乱，增强了土壤生态系统稳定性。

连续种植3季黄瓜过程中，对照处理中黄瓜产量呈逐渐降低趋势，而同一季黄瓜生育期施用生物有机肥处理中黄瓜产量均高于对照处理，且各处理第三季黄瓜产量均明显下降。黄瓜属于极易发生连作障碍的蔬菜，高强度连续种植多季黄瓜，黄瓜次生代谢过程中根部分泌自毒物质，自毒物质在土壤中逐渐积累[28]，加上黄瓜整个生育期对养分的选择性吸收，土壤中个别元素逐渐缺乏[29]，导致黄瓜连作年限越长，产量越低[30]。施用生物有机肥可增加连作黄瓜产量，这是因为生物有机肥补充了土壤因连续种植黄瓜缺失的有机质和多种养分元素[31]，同时生物有机肥中功能菌微生物和土壤中土著微生物因获得足够养分，加快对黄瓜连作过程中自毒物质的部分再分解和重新合成，降低了自毒物质含量和毒性[32]。由于高强度连续种植黄瓜，土壤中养分失衡，自毒物质积累，且生物有机肥效作用随时间延长逐渐减小，从而造成各处理中第三季黄瓜产量均出现明显下降。

相关性分析表明，土壤各生物学指标 (脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶、磷酸酶、微生物量碳和微生物量氮) 均与土壤容重、孔隙度和土壤肥力指标均呈显著相关关系，且与土壤有机质含量均呈极显著正相关关系，说明黄瓜连作过程中土壤理化性质变化会与土壤微生物的生命活动密切相关。黄瓜连作过程中理化性质优良的土壤为微生物提供了适宜的隐蔽场所、食物来源和环境梯度等条件，自养型微生物因获得足够的代谢能量，繁殖加快，数量和种群逐渐增多，丰富了土壤生物多样性，异养型微生物也因获得充足食物，生物活性也变得逐渐增强。另外，黄瓜连作过程中土壤理化性质变化也会影响黄瓜产量，这是因为黄瓜连作过程中土壤逐渐发生耕性变差、次生盐渍化和养分失衡等现象，黄瓜连作土壤电导率过高、有机质和磷素缺失都会影响了黄瓜产量。

4 结论

生物有机肥可改善黄瓜连作土壤理化性质，降低土壤容重和电导率，提高土壤总孔隙度、pH、养分含量、黄瓜产量和土壤生物学指标 (土壤脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶和磷酸酶和土壤微生物量碳、氮含量)，减缓黄瓜连作过程中土壤耕性变差、养分失衡和次生盐渍化的发生，且土壤理化性质和生物学特征指标均明显得到改善，生物有机肥可在一定程度上减缓黄瓜连作障碍发生。黄瓜连作过程中土壤理化指标与微生物活动关系密切，通过改善连作土壤理化性质可调控土壤生物学特征。