中药渣有机肥改良富营养设施番茄土壤效果

王光飞，郭德杰，马 艳，罗 佳

（1江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，南京 210014；2农业农村部长江下游平原农业环境重点实验室，南京 210014）

0 引言

设施蔬菜生产经济效益较高，栽培面积逐年增加，设施蔬菜产量已占蔬菜总产量30.5%。与露地蔬菜相比，设施蔬菜种植茬次多，为片面追求产量实现高回报，菜农过量施肥现象普遍[1]。多省份种植年限较长的设施蔬菜土壤已呈现富营养化[2-5]。土壤养分过度积累，使得土壤次生盐渍化和酸化严重，土壤生物学性状恶化，土壤综合肥力质量下降，不利于土壤可持续利用[6-7]。

番茄是主要设施作物之一，养分需求量大。因其果实采收期长、产量高，生产中盲目过量施肥严重[4,8]。农家肥具有廉价易得、养分丰富但腐熟性差等特点。目前在设施番茄主产区，有机物料投入仍以农家肥为主，长期大量施用未腐熟农家肥是引起设施番茄产区土壤富营养化的重要原因之一[3,9]。另外，农家肥含有重金属和抗生素等，长期施用具有土壤生态风险[6,10-11]。因此，针对富营养化设施番茄土壤，寻求可改善土壤的有机肥施用技术有利于设施番茄生产。

国内中医药企业多，中药渣年产量可达3000万t[12]，对其进行资源化利用可生产中药渣有机肥，该肥具有有机质含量高、重金属含量低且不含病原菌和抗生素的优点[13]。另外，中药渣有机肥养分具有缓效性和长效性[13]，可适用于养分充足的设施土壤。笔者推测中药渣有机肥替代农家肥应用于富营养设施土壤，可在补充土壤有机质和满足作物养分需求的基础上改善土壤性状，使作物稳产或增产。

本研究在设施番茄主产区选取代表性富营养化日光温室，以当地常用鸡粪稻壳为施肥对照，探究不同用量中药渣有机肥对土壤化学和生物学性状的改善效果，并与产量建立联系，以期为富营养设施土壤改良提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验在江苏省连云港市东海县桃林镇设施蔬菜基地(34°32′N，118°29′E)开展。该区域为暖温带湿润季风气候，年平均气温14.3℃，年均降水量913 mm，土壤为砂姜黑土。选取种植年限10年的富营养日光温室进行试验，土壤pH 7.47，电导率867.6 μS/cm，有机质含量38.4 g/kg，铵态氮含量54.5 mg/kg，硝态氮含量310.3 mg/kg，有效磷含量543.9 mg/kg，速效钾含量1545.7 mg/kg。

1.2 供试材料

鸡粪稻壳购于当地养鸡场，为鲜鸡粪与稻壳混合晾干后产物。中药渣有机肥购于江苏省好徕斯肥业有限公司，主要堆肥原料为金银花、青蒿、元胡、平贝、茯苓、桂枝等。有机肥化学性状见表1。供试番茄品种为‘凯胜’。供试基肥化肥为15-15-15复合肥、硫酸钾、磷酸二铵。供试冲施肥为史丹利20-20-20、顺欣15-15-30及施可丰15-7-38。

1.3 试验设计

日光温室内设置4个处理。CK处理基肥施用45 t/hm2鸡粪稻壳，CMR30处理基肥施用30 t/hm2中药渣有机肥，CMR45处理基肥施用45 t/hm2中药渣有机肥，CMR60处理基肥施用60 t/hm2中药渣有机肥。各处理化肥施用一致，基肥化肥每公顷施用15-15-15 675 kg、硫酸钾225 kg和磷酸二铵300 kg，追肥每公顷追施史丹利20-20-20 150 kg 2次、顺欣15-15-30 180 kg 3次、施可丰15-7-38 180 kg 3次。每个处理3个重复小区，小区面积为100 m2，随机排列。2018年8月26日肥料撒施后翻地，9月5日移栽番茄苗，12月—次年2月为番茄采收期。收获结束后各小区按照S型多点法选取植株再采集根际土。

表1 供试有机肥基本性质

1.4 测定项目与方法

1.4.1 土壤常规化学指标分析 土壤pH采用土水比=1:5浸提，用pH计测定；电导率采用土水比=1:5浸提，用电导仪测定；有机质含量采用重铬酸钾氧化法测定；硝态氮含量采用紫外分光光度法测定；有效磷含量采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定；速效钾含量采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定[14]。

1.4.2 土壤酶活 脲酶采用苯酚-次氯酸钠比色法测定，以1 g土壤24 h后催化底物产生的NH3-N的毫克数表示；蔗糖酶采用3,5-二硝基水杨酸比色法，以1 g土壤24 h后产生葡萄糖的毫克数表示；碱性磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法，以1 g土壤24 h后催化底物产生酚的摩尔数表示[15]。

1.4.3 土壤细菌和真菌数量 采用实时荧光定量PCR技术测定土壤细菌和真菌数量[16]。

1.4.4 土壤微生物碳源利用分析 采用Biolog-Eco生态测试板测定土壤微生物碳源利用能力[17]。孔平均颜色变 化 率 (average well color development，AWCD)、Shannon物种多样性指数(H)、Simpson优势度指数(D)、Shannon群落均匀度指数(E)[17]的计算如式(1)～(5)。

式中，Ci为各反应孔在590 nm的光密度值；R为Eco板对照孔A1的光密度值；Ci-R小于零的孔计算中记为零；Pi表示有碳源的孔与对照孔A1的光密度值之差与整板总差的比值；S为颜色发生变化的孔数（AWCD＞0.2代表该孔碳源被利用）。

1.5 数据处理

测定数据经Microsoft Excel 2016软件整理后，用SPSS 19.0软件进行统计分析。文中产量、土壤理化指标和土壤生物学指标均为3次重复平均值。应用Canoco 4.5软件进行主成分分析(PCA)，其结果用排序图表示。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤化学性状的影响

表2为不同用量中药渣有机肥对土壤化学性状的影响。与CK处理相比，CMR30、CMR45处理可分别显著降低电导率 252.9、268.7 μS/cm，硝态氮 184.9、144.3 mg/kg，速效钾109.4、128.3 mg/kg。而CMR60处理可降低电导率168.3 μS/cm、硝态氮116.6 mg/kg、速效钾87.0 mg/kg，但与CK未达显著差异。CMR30和CMR45处理略减少土壤有机质含量，而CMR60略增加土壤有机质含量。另外，CMR30、CMR45和CMR60处理均能在一定程度上提高土壤pH、降低有效磷含量。

2.2 不同处理对土壤微生物数量和酶活的影响

不同用量中药渣有机肥对土壤微生物数量和酶活活性有很大影响（表3）。CMR30、CMR45和CMR60处理较CK处理可分别增加22.3%、14.2%和12.7%细菌数量，CMR30处理为显著增加，此增加作用随中药渣有机肥用量增加而减弱。另外，CMR30、CMR45和CMR60处理较CK处理可分别减少12.2%、12.5%和17.6%真菌数量，CMR60与CK处理达到显著差异，可见中药渣有机肥抑制真菌化作用随用量增加而增强。土壤酶活性方面，不同用量中药渣有机肥均抑制了脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶活，其中对脲酶和碱性磷酸酶为显著抑制。另外，CMR45处理抑制3种酶活作用强于CMR30和CMR60处理。

2.3 不同处理对土壤微生物碳源利用能力及多样性的影响

平均颜色变化率(AWCD)表征微生物群落碳源利用率，反映了土壤微生物活性和微生物群落生理功能多样性等。图1中各处理AWCD值整体趋势表现为CMR45＞CMR60≥CMR30＞CK。说明不同用量中药渣有机肥均促进了根际微生物群落对碳源的利用能力，而CMR45处理效果最佳。

Shannon多样性指数(H)反映微生物群落物种的丰富度，Shannon均匀度指数(E)是微生物群落物种均一性的度量，Simpson优势度指数(D)反映微生物群落物种集中度。表4显示，CMR45和CMR60的多样性指数和均匀度指数明显高于CK；而CMR30也可增加多样性指数和均匀度指数，但未达显著差异。优势度指数表明CMR45和CMR60处理微生物群落物种集中度较小于CK。因此CMR45和CMR60处理根际微生物功能多样性较高。

表2 不同处理土壤化学性状

表3 不同处理土壤微生物数量及酶活活性

图1 不同处理土壤平均颜色变化率(AWCD)

表4 不同处理土壤微生物功能多样性指数(96 h)

2.4 不同处理对番茄产量的影响

不同用量中药渣有机肥处理均对番茄有增产作用。与CK相比，CMR30、CMR45和CMR60分别可增产1.87、5.89、3.79 t/hm2（图2）。可见，增产效果不随中药渣用量增加而增强，最佳中药渣有机肥用量为45 t/hm2。

2.5 土壤主要性状与产量主成分分析

图2 不同处理番茄产量

采用PCA分析，建立番茄产量和土壤性状二维排序图（图3）。若产量与某土壤性状向量方向一致，夹角越小，向量和越大，表明产量受其正向影响越大。若产量与某土壤性状向量方向相反，夹角越接近180°，向量和越小，表明受其负向影响越大。由此，番茄产量受AWCD、微生物多样性和均匀度指数、细菌数量正向影响，而受真菌数量、脲酶活、磷酸酶活和蔗糖酶活负向影响。另外，土壤化学指标电导率、硝态氮、速效钾和有效磷对番茄产量有负向影响，pH对产量有一定的正向影响。由此推测，中药渣有机肥提高产量与其降低土壤盐分、速效养分及改善土壤生物学性状相关。

3 结论

研究结果显示，中药渣有机肥替代农家肥可有效削减富营养设施土壤盐分和过剩养分，增加土壤细菌数量及土壤微生物活性和多样性，并抑制土壤真菌化，进而提高番茄产量。中药渣有机肥用量与其改善土壤综合性状效果呈现倒U型曲线关系。与此对应，中药渣有机肥增产效果也与用量呈倒U型曲线关系，最佳用量为45 t/hm2。

4 讨论

图3 土壤性状与产量PCA双序图

本试验中鸡粪稻壳虽与中药渣有机肥总养分一致，但其速效养分和盐分含量显著高于中药渣有机肥。李书田等[18]研究也表明，鸡粪对于多年设施土壤而言，养分含量和盐分高，不利于土壤持续性。另外，施用腐熟有机肥可在输入有机质的同时平衡土壤养分[6]。30、45 t/hm2中药渣有机肥均显著降低了过剩的土壤盐分和氮钾速效养分，60 t/hm2用量效果不显著。这与前人研究较为一致，即高量有机肥对土壤化学性状改善作用减弱，可能会引起养分和盐分积累[19-21]。过量有机肥输入可降低肥料利用率，养分平衡指数下降，同时加剧富营养土壤养分流失，对农业环境造成压力[19,22]。而适中有机肥用量可缓解富营养土壤盐渍化，维持作物养分需求和土壤可持续利用性[4,23]。因此，对于改善本试验土壤化学性状而言，30～45 t/hm2为最佳用量，而60 t/hm2用量偏高。

与鸡粪稻壳相比，中药渣有机肥可增加富营养化土壤细菌数量并抑制土壤真菌化，这有利于提高土壤生物肥力质量[24-25]。细菌增殖效应随中药渣有机肥用量增加而减弱，但抑制真菌化作用随用量增加而增强，45 t/hm2用量均有良好效果。微生物碳源利用分析显示，45 t/hm2用量提高微生物活性效果最强，其次为30、60 t/hm2。而微生物多样性和均匀度则表现为45、60 t/hm2用量较好。因此，对于土壤微生物性状，45 t/hm2用量综合效果最佳。这与闫实等[20]的研究一致，少量和过量有机肥改善土壤生物性状效果弱于适量有机肥。另外，中药渣有机肥抑制了脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶活性，这与陈美兰等[26]和冯龙等[27]的研究相异。可能是因为本试验土壤为高养分土壤，中药渣有机肥对部分生物学性状可能存在负面作用。

45 t/hm2用量增产效果最佳，而30、60 t/hm2效果次之。这与前人研究[19,22,28-29]一致，即适量有机肥可提高作物产量，而过量有机肥投入无济于产量甚至降低产量。主成分分析显示，番茄产量受土壤电导率及氮磷钾速效养分负向影响，因此中药渣有机肥对富营养土壤化学性状的改善作用与其增产作用密切相关。细菌数量、微生物活性和多样性指数对产量有显著正向作用，而真菌数量对产量有负向作用，因此中药渣有机肥引起的土壤生物学性状变化也是其增产的重要原因。改善土壤化学性状效果随中药渣有机肥用量增加而有所下降，30～45 t/hm2用量效果较好。而大部分土壤生物学性状在适量中药渣有机肥用量下即45 t/hm2最佳，60 t/hm2次之，30 t/hm2较弱。这可能是中药渣有机肥用量与增产作用呈倒U型曲线关系的主要原因。在本研究中，45 t/hm2中药渣有机肥各项土壤化学和生物学指标已达最佳值或接近最佳值，因此45 t/hm2中药渣有机肥增产效果最佳。

中药渣有机肥有机质含量高、总养分达标，但养分缓效，因此应用不广泛，限制中药渣资源化生产有机肥。本研究表明中药渣有机肥适用于富营养化土壤，在削减过剩营养的同时改善土壤生物学性状，并且有增产效果。故对于中药渣有机肥而言，需在应用上进行适用范围指导，以推广中药渣有机肥应用进而促进中药渣资源化利用。对于高产设施土壤，有机肥和化肥农户施用过足引起土壤富营养化，化肥施用种类和总量尤为关键，施用中药渣有机肥改善土壤效果有限，故中药渣有机肥还需结合优化化肥施用技术改善土壤，这有待进一步深入研究。