尾菜酵液制备及部分替代化肥对设施番茄土壤养分、酶活性及品质影响

高利娟　邹国元　丁效东　杜连凤　马茂亭　康凌云　刘静　李顺江

摘    要：針对北方设施菜地土壤质量下降，尾菜资源浪费的问题，对不同蔬菜的尾菜进行发酵，分析研究发酵液的理化性质;并采用大田试验，研究发酵液与有机无机配施对设施菜地土壤养分、酶活性及番茄产量与品质的影响。结果表明：白菜、番茄两种尾菜发酵液抗氧化系统活性随着发酵时间的延长而增强，其中总抗氧化能力、超氧化物歧化酶、谷胱甘肽还原酶和还原型谷胱甘肽活性均表现为发酵60 d高于发酵30 d的，两者都显著高于未发酵的尾菜;而两种发酵液的羟自由基清除能力表现出相反的趋势，与尾菜相比，发酵30 d和60 d后该指标显著降低;与发酵30 d相比，发酵60 d时白菜和番茄尾菜发酵液纤维素酶和蔗糖酶含量均显著提高;而两者过氧化氢酶含量却随发酵时间而显著降低;番茄和白菜尾菜发酵液可溶性碳含量随发酵时间的延长而增加。大田试验表明，有机肥+化肥（减半）+番茄发酵液处理显著降低土壤容重，提高了土壤速效磷、铵态氮和硝态氮含量。从根际土壤微生物量氮磷含量来看，有机肥+化肥（减半）+番茄发酵液处理时土壤微生物量氮磷含量、土壤脲酶、过氧化氢酶活性最高;而有机肥+化肥（减半）+两种尾菜发酵液处理番茄酸度最低，而氨基酸、Vc含量最高。上述结果表明，相对于发酵30 d时，两种尾菜发酵60 d田间应用效果较佳，特别是番茄尾菜发酵液的基施有机肥+化肥（减半）+两种尾菜发酵液处理效果最优，在实际生产中能够部分替代有机肥与化肥施用。

关键词：尾菜;发酵液;设施菜地;土壤酶活性;微生物量碳氮

中图分类号：S641.2         文献标识码：A          DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2021.01.001

Effects of Fermented Broth of Tail Vegetable Preparation and Replacement of Chemical Fertilizer on Soil Nutrients， Enzyme activity and Tomato Quality in Greenhouse Vegetable Soil

GAO Lijuan1， ZOU Guoyuan1， DING Xiaodong2， DU Lianfeng1， MA Maoting1， KANG Lingyun1， LIU Jing1， LI Shunjiang1

（1. Institute of Plant Nutrition and Resources， Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences， Beijing 100097， China; 2. College of Resources and Environment， Qingdao Agricultural University， Qingdao，Shandong 266109， China）

Abstract： In order to solve the problems of soil quality deterioration and tail vegetables waste in North China greenhouse vegetable soil， the tail vegetable of different vegetables was fermented to analyze the physicochemical properties of fermentation broth. Field experiments were carried out to study the effects of combined application of fermentation broth and organic and inorganic fertilizer on soil nutrients， enzyme activities， yield and quality of tomato in protected vegetable plots. The results showed that the antioxidant system activity of the fermentation broth of cabbage and tomato increased with the extension of fermentation time， among the activities of total antioxidant capacity， superoxide dismutase， glutathione reductase and reduced glutathione were significantly higher than those of unfermented tail vegetables after 60 d than after 30 d of fermentation. The hydroxyl radical scavenging ability of the two fermentation broth showed an opposite trend， which was significantly decreased after 30 d and 60 d fermentation compared with that of tail cabbage. Compared with 30 d fermentation， the cellulase and sucrase contents of fermentation broth of cabbage and tomato tail were significantly increased after 60 d fermentation， while the content of catalase decreased significantly with fermentation time. The content of soluble carbon in the fermentation broth of tomato and cabbage tail increased with the prolonging of fermentation time. Field experiments showed that the treatment of organic fertilizer + mineral fertilizer（50%）+tomato fermentation broth significantly reduced soil bulk density， and increased soil available P， ammonium N and nitrate N contents. In terms of rhizosphere soil microbial biomass nitrogen and phosphorus content， organic fertilizer + mineral fertilizer（50%）+tomato fermentation broth has the highest soil microbial biomass nitrogen and phosphorus content， soil urease and catalase activities; while organic fertilizer + mineral fertilizer（50%）+two kinds of tail vegetable fermentation broth treatment tomato acidity was the lowest， and amino acid and Vc content were the highest. The above results showed that compared with 30 d of fermentation， the two kinds of tail vegetables had better effects in the field for 60 d of fermentation， especially the organic fertilizer + mineral fertilizer （50%）+two kinds of tail vegetables fermentation liquid treatment， which could partially replace the application of organic fertilizer and mineral fertilizer in the actual production.

Key words： tail vegetable; fermentation broth; protected vegetable field; soil enzyme activity; microbial biomass carbon and nitrogen

我国蔬菜种植面积和产量的不断增加。数据显示，截至2018年底，我国集约化蔬菜种植面积达2 043.9万 hm2，占总农作物播种面积的12.32% [1]，对保证蔬菜供应具有重要作用。设施蔬菜“高投入-高累积-低利用率”的管理模式是当前国家实施“化肥零增长计划”与“发展绿色农业”所面临的重大挑战，也是制约农业可持续发展的重要因子之一[2]。设施蔬菜种植体系“高投入-高产出”的种植模式不利于农业可持续发展。在利益的驱动下，菜农过量施肥，大大超出蔬菜作物本身需求，导致设施土壤板结、土壤质量退化[3]。

2014年我国蔬菜产量已达7.6亿t，同时蔬菜废弃物产量也逐年增长[4]。在蔬菜种植过程中，根据蔬菜本身特性，掐尖、打叶，收货后遗留田间的残株、废果和储存、净菜销售等过程中，产生大量果蔬废弃物。据统计，蔬菜废弃物的产量从2002年的1.51 t增加到2015年的2亿多t，增加了32%[1]。随着蔬菜产业的快速发展，人们对食用蔬菜的要求日益提高，尾菜的产量也在迅速增加。蔬菜废弃物中含有大量的水分、较高的有机质和氮磷钾养分含量，如果随意丢弃，必将造成严重的资源浪费和环境污染，将其进行肥料化处理后还田对于土壤肥力的保持及减少资源浪费和生产成本的投入有重要意义[5-6]。蔬菜尾菜等废弃物是放错了地方的资源，这些废弃物如果处理不当，会造成材料的浪费和对环境的污染[7-8]。

将果蔬废弃物经合理的发酵制备，可制成具有催化活性的发酵液，又称酵素[8-9]。果蔬尾菜废弃物经过发酵制备环保酵素富含大量的养分、酶类、维生素和矿物质等营养成分，可促进土壤肥力提高[10-11]。蔬菜废弃物营养含量丰富，但含水率较高，适合进行厌氧发酵处理。厌氧发酵是微生物在厌氧条件下，将大分子有机物逐步分解成水溶性小分子有机物的过程，厌氧发酵后的有机物主要以水溶性分子形式存在，是一种营养丰富的优质液体肥料[12-13]。为了扩展尾菜的资源化利用方式，优化发酵工艺，快速获取小分子水溶性有机物为主的尾菜发酵产物，主要用于调控根际土壤微生物活性，进而调控设施土壤碳氮转化和改善蔬菜作物生长条件，提高蔬菜产量及品质，降低设施土壤养分流失风险[14-15]。本试验中发酵的主要目的是在相同环境条件下，明确番茄和白菜尾菜发酵过程中发酵液的理化性质，采用大田试验，利用尾菜发酵液替代或部分替代有机肥及化肥，探索对设施菜地土壤理化性质及番茄产量、品质影响，以期为设施蔬菜尾菜管理及土壤质量提升提供依据。

1 材料和方法

1.1 发酵液制备

番茄和白菜的尾菜均从青岛农贸市场收集，将采集的果蔬尾菜（番茄尾菜和白菜）进行简单的分拣，把经过分拣的菜叶尾菜水洗一次后，先切碎，使粒径在1～2 cm，再用组织捣碎机和研钵加以粉碎，研磨，破坏蔬菜尾菜的内部组织，提高纤维素的降解性。经清洗破碎，按质量比为1∶3∶10的比例和顺序，分别放入红糖、果蔬原料和去离子水，混合后放入密封罐中，发酵温度为35 ℃，发酵液总固体含量为10%，发酵原料粒度為1～2 cm。每天搅拌1次，时间1 h，震荡速度70 r·min-1。早期每天放气1～2次，1个月后待无气放出，将发酵液中的残渣滤出，静置发酵液进入静后发酵30 d，60 d后，对发酵液抗氧化物质含量及抗氧化能力等指标的测定。

1.2 发酵液大田应用设计

采用大田试验，根据当地农民的施肥习惯，共设七个处理，即T1：CK，不施肥处理;T2：有机肥（10 050 kg·hm-2施用，下同）;T3：有机肥+番茄尾菜发酵液处理;T4：有机肥+白菜尾菜发酵液处理;T5：有机肥+100%化肥（与T3、T4等氮量，农民传统施肥）;T6：有机肥+50%化肥+番茄尾菜发酵液处理（与T5等氮量）;T7：有机肥+50%化肥+白菜尾菜发酵液处理（与T5等氮量）。发酵液施用按照45 000 L·hm-2，其他磷钾肥施用量完全一致，番茄生长过程中的农艺管理与当地农民相同。

1.3 测定指标及方法

在发酵液发酵30 d，60 d时测定发酵液抗氧化物质含量及抗氧化能力，包括总抗氧化能力、羟自由基清除能力、SOD活性、GR活性;纤维素酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性，及其发酵液可溶性碳、氮磷钾含量测定;发酵液蔗糖酶活性采用 3，5-二硝基水杨酸比色法测定;发酵液过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定[16]。

在番茄盛果期测定土壤容重、土壤铵态氮、硝态氮、速效磷、微生物量碳氮磷含量、土壤脲酶、磷酸酶、蔗糖酶、过氧化氢酶活性[17];在收获期测定番茄维生素Vc、含糖量、酸度[16];叶片抗氧化酶活性及测定产量。其中土壤容重采用环刀取样，称重法;土壤NO3 -  - N含量采用联氨还原比色法，紫外可见分光光度计在540 nm波长下比色;土壤土壤NH+ 4 -N含量采用靛酚蓝比色法;土壤速效磷采用0.5 mol·L-1 NAHCO3浸提—钼锑抗比色法;土壤转化酶活性采用硫代硫酸钠滴定法;土壤磷酸酶活性（以酚的质量计37 ℃）采用对硝基苯磷酸盐法;土壤过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法;土壤脲酶活性采用靛酚蓝比色法;土壤微生物量碳、氮、磷（MBN/C/P）含量采用氯仿熏蒸—0.5 mol·L-1 K2SO4浸提，土壤微生物量氮含量以熏蒸和未熏蒸土壤的有机氮之差除以KE（0.45）得到，土壤微生物量碳含量以熏蒸和未熏蒸土壤的有机碳之差除以KE（0.38）得到;总酸度采用碱液滴定法测定;番茄红素含量采用萃取比色法测定;番茄Vc含量采用紫外快速测定法。

1.4 数据处理

用Excel 2003软件进行数据整理和作图，用SPSS18.0数据分析软件进行统计分析，采用LSD法进行差异显著性检验（α=0.05）。

2 结果与分析

2.1 发酵时间对尾菜发酵液抗氧化系统活性的影响

如图1-A可见，随着发酵时间的延长，2种尾菜发酵液总抗氧化能力显著增加，发酵30 d和60 d后均显著高于尾菜，而超氧化物歧化酶、谷胱甘肽还原酶和还原型谷胱甘肽活性变化规律与总抗氧化能力表现一致。从图1-B得出，随发酵时间延长，2种尾菜发酵液的羟自由基清除能力均降低，与尾菜相比，发酵30 d和60 d后该指标显著降低。

2.2 发酵时间对尾菜发酵液超氧化物歧化酶、谷胱甘肽还原酶、还原型谷胱甘肽活性的影响

如表1 所示，与原尾菜相比，随发酵时间延长白菜和番茄尾菜发酵液超氧化物歧化酶、还原型谷胱甘肽活性均显著提高，而谷胱甘肽还原酶在发酵30 d时无显著性变化，但是发酵60 d时显著增加。无论发酵30 d或60 d时，番茄发酵液超氧化物歧化酶、还原型谷胱甘肽、谷胱甘肽还原酶活性均显著高于白菜发酵液中相应酶活性。

2.3 发酵时间对尾菜发酵液纤维素酶、蔗糖酶及过氧化氢酶活性的影响

如表2 所示，发酵30 d时相比，发酵60 d的白菜和番茄发酵液，其纤维素酶和转化酶含量均显著提高。与此相反，两種发酵液的过氧化氢酶含量却随着发酵时间的延长而显著降低。发酵30 d或60 d时，番茄发酵液各种酶活性均显著高于白菜发酵液中相应酶活性。

2.4 发酵时间对尾菜发酵液可溶性碳及氮磷钾含量的影响

由表3可见，番茄和白菜发酵液随着发酵时间的延长，其可溶性碳含量增加;番茄发酵液全钾含量最高、其次是全氮和全磷含量，而白菜发酵液中全氮含量为0.04±0.00 g·L-1，而磷和钾含量极低，几乎未检出。

2.5 尾菜发酵液与化肥配施对设施番茄盛果期土壤容重及速效磷含量影响

如图2所示，与对照（T1）相比，各处理土壤容重均显著降低。其中有机肥+番茄尾菜发酵液（T3）处理与有机肥+白菜尾菜发酵液（T4）处理的土壤容重均低于单施有机肥处理（T2）;而与有机肥+化肥（T5）相比，等氮量条件下有机肥+化肥（减半）+番茄发酵液处理（T6）和有机肥+化肥（减半）+白菜发酵液处理（T7）处理显著降低土壤容重（图2-A），表明两种尾菜发酵液施用在一定程度上降低土壤容重。

从根际土壤速效磷含量来看（图2-B），与对照相比，各施肥处理土壤速效磷含量均显著增加。与单施有机肥处理相比，增施尾菜发酵液处理显著增加土壤速效磷含量，其中以有机肥+化肥（减半）+番茄尾菜发酵液处理（T6）根际土壤速效磷含量最高。

2.6 尾菜发酵液与化肥配施对设施番茄盛果期根际土壤铵态氮、硝态氮含量影响

由图3-A可见，与对照相比，各施肥处理均提高了土壤铵态氮的含量。其中与单施有机肥处理（T2）相比，有机肥+番茄尾菜发酵液（T3）和有机肥+白菜尾菜发酵液（T4）处理的土壤硝态氮含量增加;与有机肥+化肥处理（T5）相比，等氮量条件下有机肥+化肥（减半）+番茄发酵液处理（T6）和有机肥+化肥（减半）+白菜发酵液（T7）均提高了根际土壤铵态氮含量，而有机肥+化肥（减半）+番茄发酵液处理（T6）土壤铵态氮含量最高。

由图3-B可见根际土壤硝态氮含量变化。与对照及常规有机肥相比，各施肥处理均提高了土壤硝态氮的含量，其中有机肥+化肥（减半）+番茄发酵液处理（T6）土壤硝态氮含量最高。

2.7 尾菜发酵液与化肥配施对设施番茄盛果期土壤微生物量碳氮磷含量影响

由图4可见尾菜酵液与化肥配施对设施番茄盛果期土壤微生物量碳氮磷含量影响。与对照及常规有机肥处理相比，有机肥+番茄尾菜发酵液（T3）、有机肥+白菜尾菜发酵液（T4）均提高根际土壤微生物量碳含量，而有机肥+化肥（减半）+番茄发酵液（T6）或白菜尾菜发酵液（T7）处理显著根际土壤微生物量碳含量最高，且两者没有显著差异（图3-A）;从根际土壤微生物量氮磷含量来看，有机肥+化肥（减半）+番茄发酵液（T6）处理的微生物量氮磷含量最高，其他处理微生物量氮磷含量均高于对照处理（图4-B，4-C）。

2.8 尾菜发酵液与化肥配施对设施番茄盛果期土壤酶活性的影响

图5所示，与对照相比，有机肥+化肥（减半）+番茄发酵液处理（T6）和有机肥+化肥（减半）+白菜发酵液（T7）处理的根际土壤脲酶和过氧化氢酶活性均显著提高;而各施肥处理的磷酸酶和转化酶活性与对照无显著差异。

2.9 尾菜发酵液与有机无机不同配施处理对设施番茄产量、品质的影响

由图6可见，与对照和单施有机肥处理，添加白菜或者番茄发酵液处理均有效提高了番茄产量，其中以有机肥+化肥（减半）+番茄发酵液（T6）处理番茄产量最高。在番茄品质指标方面，与对照和单施有机肥处理，添加白菜或者番茄发酵液处理显著提高了番茄氨基酸和Vc含量，且有效降低了番茄总酸度。

3 结论与讨论

3.1 讨 论

据测算，我国每公顷蔬菜大棚年产废弃物（茎秆、烂果等）约0.2 t[18]。尾菜废弃物大量堆积、乱堆乱倒、随意填埋等不恰当的处理方式导致了周边生态环境受到严重污染，成为限制产业健康发展的主要因素之一[19-20]。目前我国尾菜的处理方式主要有：收集填埋、直接还田、沼气制取、饲料加工、好氧堆肥等。由于尾菜易腐烂变质，腐烂变质后会产生恶臭气体和渗滤液，不仅污染环境，而且易滋养病菌，采用堆肥发和直接还田处理尾菜，操作不当容易造成尾菜腐烂污染环境。

利用厌氧发酵处理尾菜，具有经济性好、无污染、资源化利用率高等特点。本研究发现，以白菜菜叶和番茄菜叶为原料，尾菜厌氧发酵不同时间的抗氧化系统活性增强，尤其是总抗氧化能力、超氧化物歧化酶、谷胱甘肽还原酶和还原型谷胱甘肽活性等参数，在60 d内随发酵时间增加增加;尾菜发酵液随发酵进程可溶性碳含量增加。与发酵30 d相比，发酵60 d的白菜和番茄发酵液，其纤维素酶和转化酶含量均显著提高。与此相反，两种发酵液的过氧化氢酶含量却随着发酵时间的延长而显著降低。发酵30 d或60 d时，番茄发酵液各种酶活性均显著高于白菜发酵液中相应酶活性。发酵30 d时相比，发酵60 d的白菜和番茄发酵液，其纤维素酶和转化酶含量均显著提高。与此相反，两种发酵液的过氧化氢酶含量却随着发酵时间的延长而显著降低。发酵30 d或60 d时，番茄发酵液各种酶活性均显著高于白菜发酵液中相应酶活性。上述结果表明，发酵过程中，番茄和白菜尾菜发酵过程中发酵液的理化性质得到一定程度的改善提高;而建立蔬菜尾菜废弃物发酵工艺，推动发酵液大田应用对于蔬菜产业可持续发展具有重要意义。

在发酵液大田实验中，与添加尾菜发酵液相比，番茄、白菜尾菜发酵与有机无机配施后，土壤理化性质得到一定程度改善。有机肥+化肥相比，等氮量条件下有机肥+化肥（减半）+番茄发酵液处理和有机肥+化肥（减半）+白菜发酵液处理处理显著降低土壤容重，增加根际土壤铵态氮、硝态氮含量，表明两种尾菜发酵液施用在一定程度上降低土壤容重，提高氮含量。 而从根际土壤速效磷及微生物碳氮磷含量来看，与单施有机肥处理相比，增施尾菜发酵液处理显著增加土壤速效磷及微生物量氮磷含量，其中以有机肥+化肥（减半）+番茄尾菜发酵液处理根际土壤速效磷、微生物氮磷含量最高，表明添加尾菜发酵液后土壤速效磷含量及微生物对氮磷周转速率加大。通过对脲酶、过氧化氢酶及磷酸酶、转化酶活性分析发现，上述脲酶及过氧化氢酶在尾菜发酵液处理中含量较高;而且与对照和单施有机肥处理，添加白菜或者番茄发酵液处理均有效提高了番茄产量，其中以有机肥+化肥（减半）+番茄发酵液处理番茄产量最高。在番茄品质指标方面，与对照和单施有机肥处理，添加白菜或者番茄发酵液处理显著提高了番茄氨基酸和Vc含量，且有效降低了番茄总酸度。本研究发现，白菜及番茄尾菜发酵液经过60 d发酵后，尾菜发酵液与有机无机配合使用，能够实现土壤理化性质改善，探索建立适宜蔬菜尾菜液利用技术模式，并筛选出适宜应用的先进技术对尾菜高效资源化利用具有重要意义。

3.2 结 论

随发酵时间的延长，番茄和白菜尾菜发酵液抗氧化系统活性增强。尤其是总抗氧化能力、超氧化物歧化酶、谷胱甘肽还原酶和还原型谷胱甘肽活性等参数;番茄和白菜尾菜发酵液随发酵进程可溶性碳含量增加。

与对照及常规有机肥施用相比，尾菜发酵液施用有效降低土壤容重，提高土壤有效养分含量，特别是有机肥+化肥（减半）+番茄发酵液处理根际土壤速效磷、铵态氮、硝态氮含量最高。尾菜发酵液与化肥配施改善根际土壤微生物量及酶活性，有机肥+化肥（减半）+番茄发酵液或白菜发酵液处理显著根际土壤脲酶、过氧化氢酶活性最高。同时，尾菜发酵液与化肥配施改善番茄品质番茄酸度降低，而氨基酸、Vc含量显著提升。由此可见，尾菜发酵液部分替代有机肥对设施番茄的可持续发展具有重要的现实意义。

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收稿日期：2020-06-26

基金项目：国家重点研发计划（2016YFD0201206; 2017YFD0200208）;北京市农林科学院青年科研基金（QNJJ201831）;北京市农林科学院科技创新能力建设专项区域协同创新项目资助（KJCX20180708）;北京市农林科学院科技创新能力建设专项，京津冀循环农业技术集成创新研究与示范（KJCX20180708）

作者简介：高利娟（1980—），女，山西朔州人，副研究员，主要从事施肥与环境、农业废弃物循环利用研究。

通讯作者简介：李顺江（1976—），男，山东青岛人，副研究员， 博士，主要从事环境质量安全与健康、农业面源污染监测与防治研究。