醋糟和菇渣基质改良剂对连作障碍土壤理化性质及栽培黄瓜的影响

周冉冉陈 佩郭世荣*蔡 忠

（1 南京农业大学园艺学院，江苏南京 210095；2 江苏兴农基质科技有限公司，江苏镇江 212016）

连作是世界范围内作物栽培普遍存在的现象，但过度、不合理连作常常会导致土壤退化，包括土壤酸化、硬化和养分富集，从而导致土传病虫害的发生，极大地抑制栽培植物的生长并减少作物产量（王长义 等，2020）。在设施农业中，由于长期缺乏雨水侵蚀和过量施肥造成的土壤连作障碍已成为限制植物生长的主要因素之一（刘来 等，2013）。大量研究表明，施用土壤改良剂是缓解土壤连续种植障碍的有效方法（唐乐 等，2020；王光飞 等，2020）。在连续种植的土壤中施用秸秆堆肥可以提高土壤持水能力、微生物总生物量并促进植物的生长，提高果实产量（Tian et al.，2016）。同样，有研究表明，短期秸秆堆肥的添加增强了长期连作黄瓜的根际土壤碳矿化作用并促进了根的生长（Zhang et al.，2014）。此外，堆肥的添加还可以提高有益真菌的丰度并减少病原真菌的数量，有利于温室连续种植条件下黄瓜产量和品质的提高（Zhao et al.，2017）。这些结果表明，土壤改良剂可通过改善土壤理化特性和土壤微生物的结构来减轻连作障碍。

醋生产过程中产生的副产品醋糟由于其酸度和腐蚀性会严重危害环境。但是，醋糟中含有大量的营养物质和有机物，具有良好的物理和化学特性（余桂红 等，2020）。有研究表明，醋糟可在厌氧发酵后用作有机肥料和无土栽培基质（王玉 等，2019）。此外，醋糟堆肥与草炭混合不仅可以促进黄瓜的生长，还能通过调节生理和生化反应增强植株对枯萎病病原菌的防御能力（Shi et al.，2016）。菇渣是蘑菇生产中的废弃基质，富含大量营养，也可作为无土栽培的基质和土壤改良剂（张颖 等，2019）。有研究表明，菇渣堆肥可增强重金属污染土壤的植物响应能力和植物修复作用（Asemoloye et al.，2020）。然而，目前醋糟和菇渣对减轻连作障碍的影响尚不清楚。

黄瓜是设施栽培中广泛种植的蔬菜，已成为设施栽培主要蔬菜作物之一。但是，由于过分追求经济利益，在设施条件下黄瓜连续种植引发的土壤障碍问题逐渐凸显，严重影响了黄瓜的产量和品质。本试验将经过生物发酵后的醋糟和菇渣以不同比例混合后作为基质改良剂，研究其对连作障碍土壤理化性质和黄瓜生长的影响，以期为醋糟、菇渣有机废弃物提供一种可供选择的处理方式，有利于农业的可持续性发展。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试黄瓜（Cucumis sativusL.）品种为津春4号，由天津科润农业科技股份有限公司黄瓜研究所提供，发酵后的醋糟和菇渣基质材料由江苏兴农基质科技有限公司提供，商品土壤改良剂由江平生物基质技术股份有限公司提供。连作土壤取自南京农业大学江浦农场大棚，连作黄瓜长达8 a。供试土壤的理化性质为：酸碱度（pH）5.58，电导率（EC）0.71 mS·cm-1，容 重1.19 g·cm-3，总孔隙 度48.95%，总氮含量2.01 g·kg-1，总磷含量1.41 g·kg-1，总钾含量14.27 g·kg-1，碱解氮含量126.14 mg·kg-1，有效磷含量105.62 mg·kg-1，有效钾含量387.12 mg·kg-1，有机碳含量17.64 g·kg-1。醋糟、菇渣及其混合物和商品土壤改良剂的基本理化性质如表1 所示。

1.2 试验方法

试验于2017 年2—7 月在南京农业大学白马基地进行。醋糟和菇渣基质分别以1∶3、1∶1 和3∶1 的体积比混合作为不同的基质改良剂，将基质改良剂及商品土壤改良剂与连作土壤以1∶10、1∶8 和1∶5 的体积比混合进行连作土壤改良处理。以连作土壤作为对照（CK），共设置12 个处理（表2）。试验前将发芽的黄瓜种子播种在装有育苗基质的32 孔穴盘中，两叶一心时将幼苗移栽到装有8 L 不同处理土壤的NAU-G1 培养桶中，放置在南京农业大学的温室中生长，该温室温度保持在（28 ± 1）℃/（19 ± 1）℃（昼/夜），相对湿度为65%～75%。每个处理10 桶，每桶移栽2 株，每天用1/2 浓度的Hoagland 营养液浇灌幼苗。在黄瓜种植前和收获后，除去栽培桶中的表土，随机收集0～15 cm 深度的土壤样品，混合成3 个生物学重复。将样品风干用于测定土壤理化性质和土壤酶活性。黄瓜定植后20 d（初花期）测定植株的生长指标和生理参数，收获期测定黄瓜的果实品质。

表1 基质改良剂的理化性质

1.3 测定方法

1.3.1 土壤理化性质和土壤酶活性 根据李谦盛等（2003）的方法测定土壤容重和孔隙度。风干的土壤和蒸馏水以1∶5（m∶V）的比例混合，搅拌并浸泡2 h，然后过滤，滤液使用pH 计和电导率计测定pH 和EC 值。采用重铬酸钾外加热法测定土壤有机碳含量（鲍士旦，2000）。取风干的土壤0.5 g 溶于5 mL 浓H2SO4中，滴加H2O2进行消煮，用无磷定量滤纸过滤溶液，并用去离子水稀释。稀释液通过电感耦合等离子体原子发射光谱法测定磷（P）、钾（K）、钙（Ca）、镁（Mg）、钠（Na）等元素的含量。采用凯氏定氮仪测定总氮（N）的含量。土壤蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性分别采用3，5 二硝基水杨酸比色法、苯酚钠-次氯酸钠比色法和磷酸苯二钠比色法测定（孙正国，2015）。

表2 醋糟和菇渣基质改良剂的不同比例和组成

1.3.2 植株生长指标 定植20 d 后，测定植株的株高、茎粗和地上部干鲜质量。每个处理随机选择4 株幼苗，用直尺测量从子叶到生长点的高度为株高，用游标卡尺在子叶以下1 cm 处测量茎的直径为茎粗。使用电子天平称量植株地上部鲜质量，然后将样品在105 ℃下干燥15 min，将温度降至75℃直至获得恒重，称量植株地上部干质量。

1.3.3 产量和品质 每个处理随机挑选10 株植株挂牌标记，在黄瓜开花后10 d 开始采摘，称量果实质量，拉秧后计算单株产量。收获期，每个处理随机收集6 根黄瓜进行品质测定；可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定，VC 含量采用2，6-二氯酚靛酚滴定法测定，可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝法测定。

1.3.4 数据分析 灰色关联分析可以确定系统中各个因素之间的主要关系，并找出影响目标值的重要因素（Gau et al.，2006）。本试验确定了理想的参数指标，并通过灰色关联分析法对16 个参数指标进行综合分析，得出了相关系数，从而得出醋糟菇渣基质改良剂改良连作土壤的最佳比例。所有处理和测量均至少进行了3 个生物学重复。采用SPSS统计软件对数据进行统计分析，采用Duncan 法进行多重比较（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 基质改良剂对土壤理化性质的影响

不同比例醋糟和菇渣基质改良剂的使用改变了土壤物理特性和养分含量。如表3 所示，与CK 相比，在连作土壤中施用改良剂显著降低了土壤的容重，并且随着改良剂比例的增加，降低效果更加显著。与CK 相比，C3 处理的容重降低了16.1%。当基质改良剂的添加比例为1∶10 和1∶8 时，这些处理和CK 之间的总孔隙度没有显著差异，而处理比例为1∶5 时，虽与CK 也没有显著差异，但略有提高。与CK 相比，所有处理的通气孔隙均增加，尤其是A3、B3 和C3 处理增加显著。除C3 处理外，各处理持水孔隙与CK 无显著差异。C3 处理的大小孔隙比是CK 的8.3 倍。

施用基质改良剂后，土壤的养分含量也显著增加，尤其是有机碳、氮、磷和钙的含量。与CK 相比，添加基质改良剂后，全氮、全磷、碱解氮和有效磷含量分别增加了12.94%～85.57%、14.89%～43.26%、6.84%～25.68%和16.26%～41.55%（表4），有机碳含量增加了26.6%～144.8%（表5），钙含量 也增加 了13.48%～75.85%。但是，基质改良剂对全钾、镁和钠的含量几乎没有显著影响。商品土壤改良剂与连作土以1∶5（V∶V）添加的C0 处理的养分含量增量最大。

表4 醋糟和菇渣基质改良剂对种植前土壤氮、磷、钾含量的影响

表5 醋糟和菇渣基质改良剂对种植前土壤有机碳及钙、镁、钠含量的影响

由图1 可知，除B2 和B3 处理外，收获后其他处理的pH 值均比种植前低，但仍显著高于CK。除了B3、C1、C2 和C3 处理，收获后与种植前的pH 值均具有显著性差异。随着基质改良剂比例的增加，种植前pH 值有增加的趋势。收获后，C1、C2 和C3 处理仍具有较高的pH 值。同样，添加基质改良剂后，除了A0 和C3 处理，其他处理种植前的EC 值均显著高于CK。与种植前相比，收获后各处理的EC 值均显著降低，并且收获后各处理的EC 值均低于CK。

2.2 基质改良剂对土壤酶活性的影响

如图2 所示，醋糟和菇渣基质改良剂的应用影响了土壤酶的活性。除B2 和B3 处理外，基质改良剂处理的土壤蔗糖酶活性比CK 显著增加，其中基质改良剂与连作土壤以1∶5（V∶V）的比例混合时，增加幅度最大。同样，除了B2 处理，基质改良剂处理的土壤脲酶活性显著高于CK。然而，部分基质改良剂添加处理，如A1、A2、B1、B2、C2 处理土壤磷酸酶的活性显著降低，但是C3 处理和添加商品土壤改良剂的C0 处理的土壤磷酸酶活性比CK 显著增加。

2.3 基质改良剂对黄瓜生长、产量和品质的影响

如 表6 所 示，B3、C1、C2 和C3 处理的株高分别比CK 增加13.35%、20.47%、17.80%和11.57%，且与CK 差异显著。同时，茎粗、地上部干鲜质量在添加基质改良剂后有所增加，茎粗增 加8.00%～27.00%，地上部鲜质量增加6.60%～40.08%，地上部干质量增加2.45%～40.28%。整体来看，当基质改良剂与连作土壤比例为1∶5（V∶V）时的C 处理组更高。如表7 所示，A2 处理的单株产量最高，比CK 增加19.81%；A 处理组的产量高于其他处理。在CK 和所有处理之间未观察到可溶性糖含量有显著差异。然而，添加基质改良剂的处理显著增加了可溶性蛋白含量（A1 处理除外）和VC 含量（A0 处理除外）。

表6 醋糟和菇渣基质改良剂对黄瓜生长的影响

表7 醋糟和菇渣基质改良剂对黄瓜产量和品质的影响

2.4 灰色关联分析

不同比例基质添加处理对土壤改良的影响不同，可以通过不同处理与理想参数之间的相关系数来表示。采用灰色关联法综合分析不同处理对连作土壤的改良作用。不同处理的相关系数顺序为A2 ＞B1 ＞A1 ＞B2 ＞A0 ＞A3 ＞B0 ＞B3 ＞C1 ＞C0 ＞C3 ＞C2 ＞CK（表8）。其中A2 处理的相关系数最高，而CK 的相关系数最低，表明在连作障碍土壤中以1∶10（V∶V）的比例添加醋糟、菇渣基质改良剂（1∶1，V∶V）改良土壤为最佳比例。

表8 不同醋糟和菇渣基质改良处理的相关系数

3 讨论与结论

本试验通过确定不同比例的醋糟和菇渣基质对土壤理化性质和植物生长的影响，评估了基质改良剂对连作土壤的作用。土壤容重和孔隙度是土壤的两个重要物理特性，与土壤肥力的协调、作物根系的延伸以及土壤的物理特性（例如透水性和保水性）密切相关（王瑞 等，2020）。本试验结果表明，使用醋糟和菇渣基质改良剂可显著改变土壤物理性质，包括降低土壤容重，增加通气孔隙和大小孔隙比，这与之前的研究结果一致（王明亮 等，2020）。有研究表明连续种植会导致土壤有机质含量下降（张立恒 等，2015）。由于基质改良剂中含有大量的有机物，因此改良后土壤的有机碳含量显著高于对照。林颖等（2018）研究土壤中添加生物炭观察到相似的结果。同时，本试验发现施用基质改良剂增加了土壤氮、磷和钙的含量，而对全钾、镁和钠的含量没有显著影响。一些研究也表明，秸秆还田等改良措施可以增加土壤中总氮的含量（安嫄嫄 等，2020）。使用基质改良剂可能会改变土壤的化学组成，进一步促进植物生长并减少枯萎病等病害的发生（杜南山，2017）。

研究表明连续种植黄瓜超过15 年，碱性土壤逐渐变为酸性土壤（Zhang et al.，2014），本试验中对照土壤的pH 值为5.58，表明连作导致土壤酸化。施用基质改良剂可显著提高pH 值。同时，土壤的EC 值在收获后较种植前显著降低，这可能是由于基质改良剂的应用，促进了植物的生长并吸收了更多的营养元素，也可能是由于基质改良剂增加了土壤含水量，抑制了土壤营养元素在地表的聚集。在种植前添加基质改良剂的处理EC 值高于CK（C3处理除外），但收获后的土壤EC 值比CK 低，表明添加基质改良剂的处理EC 值的减少量大于对照。这可能是由于种植前有机物料的添加增加了土壤养分含量，种植过程中添加基质改良剂的处理能够更好地促进植株对养分的吸收，进而表明基质改良剂可以改善土壤盐碱化以促进植株生长。

土壤酶是土壤中最活跃的有机成分之一，直接参与土壤中各种物质的代谢和转化以及养分的释放和固定（许云翔 等，2019）。土壤酶的活性是评估土壤肥力和土壤质量的重要指标。在本试验中，醋糟和菇渣基质改良剂的应用增加了土壤蔗糖酶和脲酶的活性，部分处理增加了磷酸酶的活性。土壤酶活性的增加可以加速土壤养分的转化和利用，减少土壤中毒素的积累，改善土壤环境。

本试验中醋糟和菇渣基质改良剂的使用增加了黄瓜植株茎粗、地上部干鲜质量。随着添加量的增加，其效果更加明显。黄瓜的产量和果实品质是评估土壤改良剂应用效果的最重要指标。施用土壤改良剂可提高黄瓜果实中可溶性蛋白含量和VC 含量。同样，吴平江等（2019）的研究表明生物有机肥的添加提升了黄瓜的品质和产量。

长期连续种植会改变土壤团聚体结构并导致土壤压实，从而抑制植物的生长。在本试验中，醋糟菇渣基质改良剂的施用改善了土壤理化性质，从而促进了植物的生长并提高了果实的产量和品质，这与之前的研究结果一致（吴芯夷 等，2015）。最后，尽管A2 处理的土壤理化特性不是最佳的，但它具有最高的黄瓜产量。根据灰色关联分析，与其他处理相比，A2 处理具有最高的相关系数，表明A2 处理是醋糟和菇渣基质改良剂改善土壤理化性质、促进黄瓜生长和提高产量的最佳方法。

综上，在连续种植的土壤中施用醋糟和菇渣基质改良剂可降低土壤容重，增加土壤有机碳含量、pH、通气孔隙和土壤酶活性，改善障碍土壤理化性状，从而促进黄瓜植株对水和养分的吸收利用，有利于植株的生长。灰色关联分析表明，与其他处理相比，在连作障碍土壤中以1∶10（V∶V）的比例添加醋糟和菇渣基质改良剂（1∶1，V∶V）可显著改善土壤理化特性，促进黄瓜生长，提高产量。