生物有机肥对连作压砂田土壤肥力及西瓜品质的影响

李停锋，李 雯，郭君钰，刘艳薇，顾 欣

（宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021）

我国中西部地区耕地以旱地为主，年降水量不足180 mm，蒸发量为2 400 mm，且地力薄弱［1］，但宁夏中卫由于光照、温度、土壤等条件是西瓜生长的绝佳环境，而且本地区采用压砂这一种植方式，也是中国最适宜的高品质的压砂西瓜种植区域。压砂田是中国西北干旱地区农民经过长期的耕作实践形成的一种抗旱、抗风蚀的耕作方式，具有增湿、保墒等作用［2］。压砂西瓜作为当地重要的经济来源，单一作物种植规模化，农业复种指数偏高，人地矛盾日益增长。随着种植年限的增加，压砂田出现土壤肥力严重下降，压砂西瓜产量降低、品质变劣等问题［3］。

农作物品质下降是作物与土壤环境的系统性问题［4］，原因复杂多样。土壤养分偏失、土壤理化性质恶化、农作物自毒物质累积、土壤反应异常、土壤微生物群落改变是诱导土壤肥力下降、农作物品质下降的重要因素［5］。随着压砂西瓜种植年限的增加，土壤板结现象在连作土壤中普遍存在，其主要表现为土壤容重提高、孔隙率下降、耕层变浅、气水比下降、氧气含量不足，导致土壤理化性质恶化［6］，同时压砂西瓜长期连作会导致土壤出现养分不平衡和土壤酶活性紊乱等现象，进而引起作物生育状况变差，造成其产量降低、品质变劣［7］。由于土壤肥力的下降，压砂西瓜种子在发芽期发芽缓慢、出土困难；在苗期出现幼苗易倒伏、死苗等现象，伸蔓期瓜蔓细弱长势慢，极易枯萎死亡；结果期畸形果率高、产量低、甜度低，给当地压砂西瓜产业的可持续发展带来严重问题［8］。土壤中营养元素失衡、土壤肥力下降、离子拮抗作用加剧等也可诱发农作物发生营养元素缺乏，造成生育障碍［9］，进而影响作物品质。在人地矛盾日益加深和市场需求量增加的社会背景下，本地区高强度连续种植压砂西瓜和土壤肥力下降、西瓜果实品质下降的状况不可避免，所以，提高土壤肥力，改善土壤环境，成为解决宁夏中部干旱带压砂田可持续利用的关键问题。

针对压砂田土壤肥力下降，当地常用的改良措施主要有休田、施用土壤调理剂和有机改良。合理休耕确实对土壤肥力退化具有一定的改良效果，但是压砂西瓜作为宁夏环香山地区的主要经济作物，休田措施难以大面积实行。目前市场上销售的土壤调理剂，对压砂西瓜土壤改良缺少针对性，局限性较强。生物有机肥是多种有益生物菌群与有机肥结合形成的新型、高效、安全的生物有机复合肥料［10］。研究表明，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［11］。曲成闯等［12］研究发现生物有机肥能提高设施土壤生产力，消除土壤板结，改善土壤团粒结构，增加土壤透气性，减少土壤养分流失、有效提高土壤有机质含量，进而提高黄瓜品质。Habashy 等［13］在瘠薄地土壤中施入生物有机肥后发现，土壤磷素缺失现象得到有效解决，土壤硝态氮、铵态氮、有机质含量与原始土壤相比均明显增加，表明施用生物有机肥不仅保护环境，而且能营造作物持续稳产、高产的土壤环境。然而，多数研究采用温室盆栽试验仅单一讨论生物有机肥对土壤理化性质、生物学等影响［14］，而有关压砂瓜大田连作条件下生物有机肥提高土壤养分、调控土壤酶活性等的研究鲜有报道，尤其是压砂瓜品质与土壤性质之间的关系研究较少。本试验通过田间小区试验，设置不同用量生物有机肥处理，探索其最佳用量下土壤性质与西瓜品质的关系，旨在为生物有机肥改良压砂田土壤，提高压砂瓜产量和品质，为当地合理施肥提供一定的理论依据与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于中卫市香山镇景寨柯村（东经108°28′53.2″，北纬37°21′02.8″）。香山镇地处中卫市城区南部山区，东与海原县兴仁镇接壤，西、北临常乐镇，南连甘肃靖远县。试验地位于宁夏中部干旱带核心区，平均海拔1 740 m，日照充足，年均日照时数2 706 h，年均温度7.1℃，平均气温日较差13.3℃，无霜期149 ～171 d。干旱少雨，年平均降水量180 mm，而蒸发量则达2 100 ～2 400 mm，农业生产对自然降水依赖性很强。

1.2 试验材料

供试地连作年限为6 年，土壤为风沙土，肥力较弱，耕层土壤基本理化性质如下:土壤容重1.20 g·cm-3，pH 值8.67，全盐2.09 g·kg-1，有机质8.54 g·kg-1，全 磷0.26 g·kg-1，全 氮0.15 g·kg-1，碱解氮25.36 mg·kg-1，速效钾86.61 mg·kg-1，有效磷2.75 mg·kg-1。西瓜品种为金城5 号。

供试生物有机肥含有机质43.6%，水分21.6%，pH 值8.21，含枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）和巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium），有效活菌数1.27×108CFU·g-1，追肥为沼液肥，稀释500倍施用，其中含有机质0.72%，全氮1.13%，有效磷（P2O5）0.29%，氧化钾（K2O）0.66%，pH 值7.01，含枯草芽孢杆菌和巨大芽孢杆菌，有效活菌数0.56×108CFU·mL-1。

1.3 试验设计

试验采用单因素多水平设计，共设6 个处理，重复3 次，共计18 个小区，小区面积为136 m2，株距为1.5 m，行距为1.7 m。处理分别为:CK:不施生物有机肥；T1:施生物有机肥750 kg·hm-2；T2:施生物有机肥1 500 kg·hm-2；T3:施生物有机肥2 250 kg·hm-2；T4:施生物有机肥3 000 kg·hm-2；T5:施生物有机肥3 750 kg·hm-2。生物有机肥于2017 年4 月22 日基施，4 月26 日开穴定植，沼液肥分别在苗期、伸蔓期和挂果期灌根，施用量每次每株100 mL。采用膜下滴灌，试验期间采取常规的农作物管理措施。

1.4 土样采集方法

土壤采样方法为S 形五点取样，混合后四分法取样，分别在压砂瓜种植前和收获期用土钻分别在各处理小区采取土层0 ～20、20 ～40 cm 土样。采回土样在室内自然风干，在玛瑙研钵中磨碎分别过0.85、0.15 mm 尼龙筛，完成后样品混匀，装袋密封保存，贴标签、编号，进行测定。

1.5 测定项目

土壤化学性质测定:pH 值用酸度计法测定；全盐用电导率仪测定；有机质用重铬酸钾-硫酸亚铁滴定法测定；碱解氮用扩散法测定；有效磷用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定；速效钾用火焰光度法测定；全氮用H2SO4-H2O2消煮蒸馏法测定；全磷采用HClO4-H2SO4消化，钼锑抗比色法测定［15］。

土壤酶活性测定:土壤脲酶活性用靛酚蓝比色法测定，以每克土24 h 产生的NH3-N 毫克数表示；过氧化氢酶活性用高锰酸钾滴定法测定，以每克土消耗0.1 mol·L-1KMnO4毫升数表示；蔗糖酶活性用3，5-二硝基水杨酸比色法测定，以每克土24 h 产生的葡萄糖毫克数表示；碱性磷酸酶活性用磷酸苯二钠比色法测定，以每克土24 h 产生的酚毫克数表示；脲酶活性采用苯酚-次氯酸钠比色法［16］测定。

西瓜产量测定:西瓜成熟后各处理小区单独采收，以3 次重复产量的平均值来代表该处理的实际产量。

西瓜品质测定:硝酸盐含量的测定采用水杨酸法；有机酸采用NaOH 滴定法；可溶性固形物采用手持式糖度计测定；维生素C 含量采用2，4-二硝基比色法［15］测定。

1.6 数据统计及分析

试验数据以Excel 2016 软件整理数据和作图，同时采用SPSS 21.0 软件进行统计分析，对相关性指标进行显著性检验，显著性水平为P＜0.05，n=5。

2 结果与分析

2.1 生物有机肥对压砂田土壤pH 值、全盐的影响

土壤pH 值、全盐是土壤的基本性质，是土壤肥力的重要影响因子，也是影响植物生长的必要因素。由图1 可知，CK 处理下，0 ～20、20 ～40 cm 土壤pH 值分别达到8.51、8.52，碱性偏大，0 ～20、20 ～40 cm 土壤全盐含量分别达到3.17、2.31 g·kg-1，说明该土壤属于盐渍化土，由于易溶性盐分在土壤中的积累作用，使土壤溶液的浓度增加，渗透压增高，对作物根系有腐蚀作用，可能影响到对盐分敏感的作物产量。图1 表明，T5、T4、T3、T2、T1 处 理 下0 ～20、20 ～40 cm 土 壤pH值、全盐均较CK 处理小，说明施用生物有机肥能不同程度降低土壤pH 值和全盐含量。其中T5 处理0 ～20 cm 土壤pH 值为8.39，较CK 处理 降低1.76%，全盐含量为2.34 g·kg-1，较CK 处理降低26.18%，均呈显著性差异。

图1 生物有机肥对压砂田土壤pH 值、全盐的影响

2.2 生物有机肥对压砂田土壤有机质及速效养分的影响

土壤速效养分是土壤中最活跃的部分，是衡量土壤肥力的重要指标，与作物生长关系密切。由表1 可以看出，施用生物有机肥后土壤中有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量分别呈不同程度的提高，其中0 ～20 cm 土壤养分提高较为明显，这可能是施入生物有机肥后促进了土壤中微生物活性，有利于土壤中速效养分的释放。T1、T2、T3、T4、T5 处理下0 ～20 cm 土壤有机质含量较CK 处理分别提高0.59%、2.13%、2.72%、7.91%、12.99%，碱解氮含量分别较CK 处理提高7.29%、14.56%、33.04%、47.93%、56.06%，有效磷含量分别较CK 处理提高27.40%、32.69%、56.49%、70.43%、71.63%， 速 效钾含量分别较CK 处理提高0.41%、4.75%、13.43%、16.56%、28.78%，均呈显著性差异。T1、T2、T3、T4、T5 处理下20 ～40 cm 土壤有机质含量较CK处 理 分 别 提 高7.69%、6.95%、12.07%、12.61%、14.63%，碱解氮含量分别较CK 处 理 提 高11.64%、16.51%、21.79%、26.82%、30.97%， 有 效 磷 含 量分 别 较CK 处 理 提 高25.00%、41.94%、69.35%、77.82%、84.27%，速效钾含量分别较CK 处理提高15.63%、21.37%、32.33%、34.13%、34.66%。 总 体上看，0 ～20 cm 土层有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量较20 ～40 cm 土层含量高，其T5 处理下有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量较高，说明生物有机肥能提高土壤肥力。

2.3 生物有机肥对压砂田土壤全量养分的影响

全氮、全磷含量是衡量土壤氮素、磷素供应的基本指标，受土壤母质、成土作用和耕作施肥的影响很大。由图2 可以看出，施用生物有机肥后，土壤全氮、全磷含量均呈现升高趋势。T1、T2、T3、T4、T5 处理下0 ～20 cm 土壤全氮含量较CK 处理分别提高42.37%、121.47%、141.81%、151.41%、176.84%，全磷含量分别较CK 处理提高10.58%、49.71%、55.28%、87.95%、92.53%，均呈显著性差异。T1、T2、T3、T4、T5 处理下20 ～40 cm 土壤全氮含量较CK 处理分别提高5.26%、21.25%、54.47%、56.79%、69.08%，全磷含量分别较CK 处理提高10.53%、15.57%、27.24%、40.55%、41.65%，均呈显著性差异。

表1 生物有机肥对压砂田土壤有机质及速效养分的影响

图2 生物有机肥对压砂田土壤全量养分的影响

2.4 生物有机肥对压砂田土壤酶活性的影响

土壤酶参与土壤中几乎所有的生物化学过程，其活性高低影响着土壤微生物的种群和数量变化，进而影响土壤养分的高低、作物的品质和产量。如表2 所示，T1、T2、T3、T4、T5 处理下0 ～20 cm土壤脲酶活性较CK 处理分别提高5.36%、12.50%、16.07%、30.36%、46.43%，蔗糖酶活性分别较CK处理提高7.10%、28.06%、31.62%、40.14%、44.58%，碱性磷酸酶活性较CK 处理分别提高31.58%、43.86%、52.63%、61.40%、73.68%，过氧化氢酶活性较CK 处理分别提高0.55%、3.60%、14.11%、17.40%、21.10%，均呈显著性差异。T1、T2、T3、T4、T5 处理下20 ～40 cm 土壤脲酶活性较CK 处理分别提高30.00%、32.50%、37.50%、60.70%、70.00%，蔗糖酶活性分别较CK 处理提高20.79%、45.39%、46.42%、49.65%、97.56%，碱性磷酸酶活性较CK 处理分别提高34.15%、65.85%、78.05%、80.49%、80.49%，过氧化氢酶活性较CK处理分别提高19.04%、28.92%、48.92%、65.06%、81.69%，均呈显著性差异。说明施用生物有机肥能提高土壤酶活性。

表2 生物有机肥对压砂田土壤酶活性的影响 （mg·g-1）

2.5 生物有机肥对压砂瓜产量的影响

图3 表明施用生物有机肥能提高压砂西瓜产量，且各处理均呈显著性差异。其中CK 处理下压砂西瓜产量为31 515.75 kg·hm-2，而T1、T2、T3、T4、T5 各处理下压砂西瓜产量分别为35 626.50、37 388.25、38 562.75、42 477.75、46 392.75 kg·hm-2，分 别 较CK 处 理 增 产4 110.70、5 872.50、7 047.00、10 962.00、14 877.00 kg·hm-2，增 产 率 分 别 达 到13.04%、18.63%、22.36%、34.70%、47.20%。

图3 生物有机肥对压砂西瓜产量的影响

2.6 生物有机肥对压砂西瓜品质的影响

硝酸盐、维生素C、可溶性固形物、有机酸是衡量瓜菜品质的重要指标。表3 表明，随着生物有机肥施用量的增加，硝酸盐、有机酸含量呈下降趋势，而维生素C、可溶性固形物含量则呈现上升趋势。其中T5 处理硝酸盐含量为21.18 mg·kg-1，分别较CK、T1、T2、T3、T4 处理减小8.63%、8.59%、8.51%、8.43%、0.70%，有机酸含量为0.051%，分别较CK、T1、T2、T3、T4 处理减小41.38%、40.00%、29.17%、16.39%、13.56%，维生素C 含量为12.74 mg·kg-1，分别较CK、T1、T2、T3、T4 处 理 增 加39.23%、38.78%、27.66%、12.15%、5.38%，可溶性固形物含量为14.69%，分 别 较CK、T1、T2、T3、T4 处理增加22.62%、19.82%、13.96%、7.62%、5.76%。

表3 生物有机肥对压砂西瓜品质的影响

2.7 土壤理化性状与土壤酶活性、压砂瓜品质指标的相关性分析

由表4 可以看出，土壤理化性状与土壤酶活性、压砂西瓜品质均存在一定的相关性。其中，土壤pH 值、全盐与脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶、Vc、可溶性固形物均呈极显著和显著负相关，与硝酸盐、有机酸呈极显著和显著正相关。土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、全氮、全磷与脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶、Vc、可溶性固形物均呈现正相关关系，与硝酸盐、有机酸呈现负相关关系。土壤理化性质决定着土壤酶活性的高低，相反，土壤酶活性也影响着土壤理化性质，进而影响压砂西瓜品质的高低。

表4 土壤理化性状与土壤酶活性、压砂西瓜品质指标的相关系数

3 讨论

土壤肥力是影响作物产量及品质的重要原因。研究表明，施用生物有机肥可以提高土壤养分［17］，有利于根际微生物区系的改良，促进作物根系生长，提高作物品质与产量［18］。所以，施用生物有机肥可以为作物创造良好的生长环境，提高土壤肥力，显著改善作物生长，为作物优质高产提供保证。

土壤是压砂西瓜生长的基础，而连年种植及单一使用化肥导致压砂田肥力严重下降。土壤理化性质是土壤肥力的重要组成部分。本研究表明，随着施用生物有机肥量的增加，土壤pH 值、全盐含量呈现下降趋势，有利于压砂瓜生长。土壤盐碱化是易溶性盐分在土壤中的累积现象，使土壤溶液的浓度增加，渗透压增高，对作物根系有腐蚀作用［19］。宁夏香山地区气候干旱，蒸发量大。水分蒸发后盐分在土壤表层积累，进而导致作物的生长受害。赵婧文等［20］研究表明，膜下滴灌配施有机肥处理的土壤，pH 值和全盐含量较未施生物有机肥处理有所降低，与本研究结果一致。这可能是生物有机肥的施用改善了土壤团粒结构，使土壤碱性降低，淋溶作用增强，土壤离子间代换量提高，导致多种元素流失［21］。土壤有机质能提供作物生长所需物质，本研究表明，施生物有机肥3 750 kg·hm-2处理土壤0 ～20 cm 有机质含量达到9.57 g·kg-1，且土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量也显著提高，说明生物有机肥能提高土壤有机质含量，促进速效养分的释放，与郑镁钰等［22］研究结论一致。全氮、全磷含量是衡量土壤基础肥力的重要指标。本研究表明，施用生物有机肥能提高土壤全氮、全磷含量，其中施用生物有机肥3 750 kg·hm-2处理下0 ～20 cm 土壤全氮含量较未施用生物有机肥处理提高176.84%，全磷含量较未施用生物有机肥处理提高92.53%，与王立刚等［23］关于生物有机肥对作物生长、土壤肥力及产量的影响研究结果一致。

常文颖等［24］研究认为，施用生物有机肥能显著提高0 ～20 cm 土壤脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶活性。本研究表明T5 处理下0 ～20 cm 土壤脲酶活性较CK 处理提高46.43%，蔗糖酶活性较CK 处理提高44.58%，碱性磷酸酶活性较CK 处理提高73.68%，过氧化氢酶活性较CK 处理提高21.10%。这说明土壤理化性质与土壤酶活性具有相关性，随着土壤肥力的提高，土壤酶活性也呈升高趋势，与胡景田等［25］研究结果一致。土壤脲酶、蔗糖酶及过氧化氢酶都与土壤微生物活动相关，其酶活性的增加往往反映了土壤氮素和有机质含量的升高［26］。土壤碱性磷酸酶活性增加与土壤有机磷含量增加具有较强的相关性，所以在压砂田中施用生物有机肥，土壤酶活性的增高在一定程度上反映了土壤肥力的提升［27］。

哈雪姣等［28］研究表明施用生物有机肥能提高西瓜产量和品质。本研究表明T5 处理下压砂西 瓜 产 量 为46 392.75 kg·hm-2，较CK 处 理 增产14 877.00 kg·hm-2，增产率为47.20%。随着生物有机肥施用量的增加，硝酸盐、有机酸含量呈下降趋势，而维生素C、可溶性固形物含量则呈现上升趋势。李亚娟等［29］研究表明施用生物有机肥能提高西瓜可溶性固形物含量，该指标对鉴定果蔬、糖用作物的品质具有重要意义。本研究表明，T5 处理下西瓜可溶性固形物含量达到14.69%，较CK 处理升高，与此研究结果一致。有机酸广泛存在于植物体中，一定的酸度可增加果蔬的风味，但过量时又会呈显出不良的品质［30］。T5 处理的果实有机酸含量为0.051%，较CK 处理降低41.38%。维生素是人体生命活动不可缺少的物质，具有多种生理作用。本研究中，T5 处理果实的维生素C 含量达到12.74 mg ·kg-1，分别较CK、T1、T2、T3、T4 处理增加39.23%、38.78%、27.66%、12.15%、5.38%，说明施用生物有机肥能增加作物维生素C 含量，与段大海等［31］研究结果一致。

目前，有关连作压砂田生物有机肥最佳施用量的研究较少。鉴于本研究仅为一年的试验结果，而生物有机肥是缓效肥，其对土壤的持续性影响还有待长期的试验结果进行验证，并结合经济效益进行综合分析研究。

4 结论

施用生物有机肥可以有效改善土壤理化性质，提高土壤酶活性，对压砂瓜产量和品质具有改善作用，能够有效缓解土壤肥力下降。本试验中施用生物有机肥3 750 kg·hm-2处理为最佳处理，可有效降低土壤pH 值、全盐含量，提高土壤碱解氮、有效磷、速效钾、全氮、全磷含量，进而提高土壤蔗糖酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶、脲酶活性。相关性分析表明，土壤理化性状与土壤酶活性、压砂瓜品质均存在一定的相关性，其中施用生物有机肥3 750 kg·hm-2处理的压砂瓜产量为46 392.75 kg·hm-2，产量显著提高，其维生素C 含量、可溶性固形物也显著提高。