化肥减量配施有机肥对樱桃番茄产量、品质和微生物群落结构的影响

雷 菲，张冬明，吴宇佳，谭 皓，吉清妹，潘孝忠

（海南省农业科学院 农业环境与土壤研究所/农业农村部海南耕地保育科学观测实验站/海南省耕地保育重点实验室，海南 海口 571100）

【研究意义】樱桃番茄（S.lyopersicumvar.cerasi forme）是番茄属中多汁浆果1 年生草本植物，味道可口、营养丰富[1]，深受消费者喜爱，经济价值高。樱桃番茄在我国的种植面积约为15 万hm2，在山东、江苏、广西、广东、海南等地方均有种植[2]。而且樱桃番茄已成为海南冬种北菜的优势瓜菜种类之一[3]，根据海南省农业农村厅统计数据，2020 年樱桃番茄在海南省种植面积已经达到了6 953 hm2。樱桃番茄是需肥量较大的果菜，化肥是其优质高产的物质基础，但由于盲目追求经济利益，普遍存在有机肥和化肥基施比例不合理和化肥过量施用等现象[4-5]，这不仅导致了果实品质下降、土壤质量退化，还带来了一系列环境问题[6]。因此，改变施肥方式，减少化肥用量，合理施用有机肥，对提升樱桃番茄品质已显得十分重要。【前人研究进展】研究发现有机无机肥配施不仅有助于提高作物的产量、品质、肥料利用率，还能提高土壤有机质含量、改善土壤物理性能、稳定土壤生态系统[7-11]。赵征宇等[8]研究发现有机氮与无机氮配施比例为3∶2 有利于增加番茄产量，提升土壤氮素矿化与固持、土壤全氮和有机碳提升。刘平静等[10]发现与不施肥相比，长期有机无机肥配施显著增加了拟杆菌门的相对丰富度，降低了放线菌门的相对丰富度。【本研究切入点】我国2016 年首次实现化肥零增长，其中有机肥替代化肥是我国化肥减量增效的主要技术途径之一，为我国化肥零增长目标的实现做出了重要贡献。而当前关于有机肥替代化肥技术在海南热带地区樱桃番茄栽培生产中的应用研究还较少，尤其是在探究化肥减量配施对热带地区的土壤微生物和樱桃番茄生长的影响方面报道较少。【拟解决关键问题】本文通过设计基施不同比例化肥和有机肥田间试验，研究基施化肥和有机肥比例对樱桃番茄产量、果实品质以及土壤理化性质的影响，明确化肥减量配施有机肥在樱桃番茄上的应用效果，以期为樱桃番茄栽培中化肥和有机肥的合理施用提供科学依据和技术指导。

1 材料与方法

1.1 材料

供试作物为樱桃番茄，品种为‘千禧’，购自海南省农业科学院蔬菜研究所。商品有机肥（N∶P2O5∶K2O 为1.71∶1.93∶1.59），复合肥（N∶P2O5∶K2O 为15∶15∶15），水溶肥（N∶P2O5∶K2O 为20∶20∶20），氯化钾（K2O 为60%），分别购自海南文昌腾达生物科技有限公司、挪威雅苒国际有限公司，以色列化工集团特种肥料公司、中化化肥有限公司。试验于2018 年11 月至2019 年3 月在海南省澄迈县永发镇海南省农业科学院试验基地进行。供试土壤pH 5.51，有机质1.55%，碱解氮114.0 mg/kg，有效磷67.2 mg/kg，速效钾74.5 mg/kg。

1.2 方法

1.2.1 试验处理 试验设6 个处理（表1），每个处理3 个重复，共18 个小区，随机排列，每小区面积为13.3 m2。施肥方案以等量氮肥为原则，根据基肥化肥和有机肥含氮量百分数计算，各试验处理分别为单施化肥（T1）、基施80%化肥+20%有机肥（T2）、基施60%化肥+40%有机肥（T3）、基施40%化肥+60%有机肥（T4）、基施20%化肥+80%有机肥（T5）、基施100%有机肥（T6）。施肥分1 次基肥和6 次追肥，基肥和追肥中施氮量分别为225 kg/hm2、112.5 kg/hm2，有机肥和化肥在移栽前以底肥施入；各处理追肥一致，均以水肥一体化装置追施水溶肥和氯化钾。

表1 施肥方案Tab.1 Fertilizer application

1.2.2 指标测定 产量及品质：樱桃番茄收获期（2019 年1 月16 起），每3～7 天采集成熟度一致的果实，测定其产量。盛果期，每个小区采摘成熟度一致的果实30个进行品质测定，维生素C含量采用2,6-二氯靛酚滴定法测定，可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定，可滴定酸含量采用酸碱中和法方法测定。

土壤理化性质：每个小区设置3 个采样点，采集耕层0～20 cm 土壤并混合均匀，剔除石子、植物残留碎片及根系后，一份立即装入已灭菌袋中，放入冰盒迅速带回，于-80 ℃保存，用于DNA 提取。一份带回实验室自然风干，过筛后，采用pH 计法测定pH 值，重铬酸钾滴定法测定有机质，扩散吸收法测定碱解氮，0.5 mol/L NaHCO3浸提-硫酸钼锑抗比色法测定有效磷，1 mol/L 乙酸铵浸提-火焰光度计测定速效钾。

土壤微生物多样性：土壤总DNA 采用DNA 提取试剂盒进行提取，PCR 扩增采用细菌16S rRNA（V3+V4）区域引物（5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3′，5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′），真菌ITS1 区域引物（5′-CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA-3′，5′-GCTGCGTTCTTCATCGATGC-3′）进行目的基因扩增。PCR 扩增后产物进行纯化，将纯化后的样品送至北京百迈客生物科技有限公司利用Illumina HiSeq2500 高通量测序技术进行测序。通过FLASH v1.2.7 软件进行PE reads 拼接，使用Trimmomatic v0.33软件对拼接得到的Raw Tags进行过滤，UCHIME v4.2软件进行鉴定并去除嵌合体序列，得到最终有效数据。使用QIIME（version 1.8.0）软件对Tags 在97%的相似度水平下进行OTU 聚类、并基于Silva（细菌）和UNITE（真菌）分类学数据库对OTU进行物种注释及丰度分析，揭示样品的物种构成。

1.3 数据处理

采用Excel 2007软件对原始数据进行整理计算、绘制图表，采用SPSS软件对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对樱桃番茄产量的影响

图1为不同处理对樱桃番茄产量的影响，由图1可知，随着有机肥施用量的增加，樱桃番茄产量呈先上升后下降的趋势，其中T4处理（40%化肥+60%有机肥）的产量最高，为23.59 t/hm2，显著高于其他处理（T3 处理除外）（P＞0.05）；T6 处理（100%有机肥）产量最低，较T4 处理产量减少4.36 t/hm2，较T1 处理（不施有机肥）产量减少1.47 t/hm2。

图1 不同处理对樱桃番茄产量的影响Fig.1 Yield of cherry tomatoes under different treatments

2.2 不同处理对樱桃番茄品质的影响

表2 为不同处理对樱桃番茄品质的影响，由表2 可知，樱桃番茄的维生素C 含量随着有机肥用量的增加而增加，T6 处理樱桃番茄果实维生素C 含量显著高于其他处理，较T1 处理增加了5.78 mg/100 g；T4处理的可溶性糖含量较T1 和T2 处理显著增加，但与其他处理差异不显著；各处理的可滴定酸含量差异不显著，糖酸比随着有机肥用量的增加呈先上升后下降的趋势，T4 处理最高，较T1、T2 和T3 显著增加，但与T5和T6差异不显著。

表2 不同处理对樱桃番茄品质的影响Tab.2 Quality of cherry tomatoes under different treatments

2.3 不同处理对土壤理化性状的影响

由表3可知，与T1处理相比，T2～T6处理土壤pH 值升高了0.08～0.19，随着有机肥用量呈先上升后下降的趋势，T4 处理土壤pH 值最高。T2～T6 处理的土壤有机质含量较T1 处理显著升高，且随着有机肥用量的增加而增加。T3、T4 和T5 处理土壤碱解氮含量显著大于T1 处理，T2 和T6 处理与T1 处理差异不显著。各处理的土壤有效磷和速效钾含量差异均不显著。

表3 不同处理对土壤理化性状的影响Tab.3 Physical and chemical properties of soil under different treatments

2.4 不同处理对土壤细菌和根际真菌群落结构的影响

图2A 表示土壤细菌的群落结构，变形菌门（Proteobacteria）和绿弯菌门（Chloroflexi）为土壤细菌的优势菌门，变形菌门相对丰度随着有机肥用量的增加呈先上升后下降的趋势，其中T3处理的丰度最高，为51.09%，绿弯菌门则呈先下降后上升的趋势，T3 处理的丰度最低，较T1 处理降低了13.98%。拟杆菌门（Bacteroidetes）的相对丰度变化趋势与变形菌门趋势一致，T4 处理的丰度最高，较T1 处理增加了32.11%。而酸杆菌门（Acidobacteria）的相对丰度则与拟杆菌门变化趋势相反，呈先下降后上升的趋势，T4 处理的酸杆菌门数量最少，为6.08%；硝化螺旋菌（Nitrospinae）的相对丰度随着有机肥施用量的增加呈下降趋势。图2B表示土壤真菌群落结构。由图2B可知，各处理土壤中子囊菌门（Ascomycota）相对丰度均为60%以上，且随着有机肥用量增加，子囊菌门相对丰度呈先上升后下降的趋势；T1处理（不施有机肥）壶菌门（Chytridiomycota）的相对丰度为8.39%，T2 处理（80%化肥20%有机肥），壶菌门的丰度为6.01%，随着有机肥用量的增加，壶菌门的丰度呈逐渐下降的趋势。担子菌门（Basidiomycota）相对丰度随着有机肥用量的增加呈逐渐上升的趋势，其中T6处理（100%有机肥）担子菌门相对丰度较T1处理（不施有机肥）增加了34.15%。

图2 不同处理对土壤细菌和真菌群落结构的影响Fig.2 Structure of bacterial and fungi communities in soil under different treatments

3 结论与讨论

研究表明化肥减量施用配施有机肥可改善土壤理化性质[12-13]。本研究结果也发现，与单施化肥相比，化肥减量施用配施有机肥处理均显著增加土壤有机质含量，与前人研究结果相同[14-15]。土壤pH 值和土壤碱解氮含量则随着有机肥用量的增加呈先上升后下降的趋势，有机肥施用比例为60%（T4 处理）时，较不施有机肥处理，土壤pH 值显著提高，提高了0.19。当有机肥施用比例达到40%～80%（T3、T4 和T5 处理）时，土壤碱解氮含量较不施有机肥处理（T1 处理）增加了11.02%～21.58%，施用比例高于80%或低于40%时，土壤碱解氮含量与不施有机肥处理差异不显著。其原因可能是化肥肥效快，容易发生氮肥淋洗损失，这个过程产生的大量质子也加速了土壤酸化，而有机肥肥效慢，适量施用有机肥一方面对保持速效氮及减少氮淋失有一定的作用，另一方面也能缓解土壤酸化[16-18]。与其他研究结果[12]不同，本研究不同有机肥替代处理的土壤有效磷和速效钾含量与不施有机肥差异不显著，这可能是因为本试验时间较短，有机肥肥效慢，对土壤磷和钾的转化比较迟钝，致使土壤有效磷和速效钾含量差异不显著。

化肥减量配施有机肥对土壤微生物的群落结构有一定的影响[19-20]，本试验发现绿弯菌门相对丰度随着有机肥用量的增加呈先下降后上升的趋势，其中T1 施肥处理的绿弯菌门相对丰度为25.68%，T3和T4 处理的绿弯菌门相对丰度很低，为11.71%和13.14%。研究表明，绿弯菌门细菌在低养分和酸性环境中是优势种群[19]，这也与本试验结果一致。变形菌门具有促进土壤氮素利用、土壤修复和降解复合污染物等作用，化肥减量配施有机肥土壤中变形菌门相对丰度较单施化肥高[21]，本研究发现变形菌门相对丰度随着有机肥用量的增加呈先上升后下降的趋势，这可能与土壤中可利用氮含量相关。拟杆菌门适合在富营养的有机环境中生长[19]，本研究拟杆菌门相对丰度随着有机肥用量的增加呈先上升后下降的趋势，T1 施肥处理的拟杆菌门占比为2.82%，T4 处理的拟杆菌门占比为34.94%，这可能与土壤中有机质含量、酸碱度以及碱解氮含量有关。另外，土壤真菌群落结构也受不同施肥处理的影响，但其敏感度低于细菌[22]。从真菌群落组成来看，本试验中6 个处理主要鉴定出子囊菌门、壶菌门、担子菌门等主要菌门，其中子囊菌门是真菌中丰富度最高的种群，这与其他的研究结果一致[23-24]。随着有机肥用量的增加，子囊菌门相对丰度先上升后下降，这可能与子囊菌门具有降解土壤中可溶性有机底物的功能有关[25-27]，有机肥用量增加会给子囊菌创造良好的土壤环境，使其更好地利用有机物并快速繁殖，但当有机肥施用比例超过80%时，土壤中碱解氮含量减少，可提供子囊菌快速繁殖所需的氮源减少，因此子囊菌门相对丰度有轻微的下降趋势。担子菌门相对丰度随着有机肥用量的增加呈逐渐上升的趋势，其中T6 处理（100%有机肥）担子菌门的相对丰度较T1 处理（不施有机肥）增加了34.15%，这可能与担子菌门参与分解难降解的碳有关[26]，有机肥用量增加，土壤中碳源含量增加，有利于担子菌门的快速繁殖。

化肥减量配施有机肥有助于提高作物的产量和品质，唐宇等[28]研究发现用生物有机肥代替化肥能提高番茄的VC 含量和可溶性糖含量，但是番茄产量与常规施肥持平。刘红明等[29]发现与常规施肥相比，化肥减量配施有机肥柠檬产量增加了28.60%，VC 含量和可溶性糖含量增加了27.85%和6.2%。宋雅欣等[30]研究发现番茄产量随有机肥替代量增加呈先上升后下降趋势，50%有机肥+50%化肥番茄的产量最高，品质最优。本研究发现化肥减量配施有机肥，樱桃番茄的产量和可溶性糖含量也呈先上升后下降的趋势，其中T4 处理（40%化肥+60%有机肥）产量和可溶性糖含量均为最高，与不施有机肥相比，T4 处理的产量和可溶性糖含量分别增加了14%和2.02%。化肥减量配施有机肥能满足作物生长的需求并获得稳产高产，且能有效改善作物的品质[31]，这一方面可能与有机肥配施化肥能改善土壤的酸碱性、提高有机质含量以及改善微生物结构，从而促进作物生长和改善作物品质有关，另一方面可能是有机肥在分解过程产生的多种氨基酸和多肽类物质也有助于改善作物品质[32]。另外，本研究基施40%化肥+60%有机肥处理的产量和品质最佳，其原因可能与40%化肥+60%有机肥处理的土壤pH 值和碱解氮含量最高有关，本试验田为酸性土壤，樱桃番茄适宜种植于pH 为5.6～6.7 的土壤中[33]，提高pH值更适宜樱桃番茄生长，且适宜的土壤pH 值，有利于调整土壤微生物群落结构，促进有益微生物在土壤中繁殖，提高土壤养分的有效性和樱桃番茄养分的吸收能力[34]，从而促进樱桃番茄生长，提升樱桃番茄的产量和品质。

与不施有机肥相比，化肥减量配施有机肥可增加樱桃番茄维生素C 含量和可溶性糖含量，提升土壤pH，显著增加土壤有机质含量，并改善了土壤微生物群落结构。其中基施40%化肥+60%有机肥处理显著增加了樱桃番茄产量、果实维生素C 含量及可溶性糖含量，土壤pH 值升高了0.19，有机质和碱解氮含量分别增加了0.37 g/kg 和27.12 g/kg，而且降低了绿弯菌门相对丰度，增加了拟杆菌门、子囊菌门和担子菌门相对丰度。综合考虑产量、品质、土壤等因素，基施40%化肥+60%有机肥处理对樱桃番茄产量、品质以及改土效果最佳。