有机废料生态肥还田对温室土壤环境质量及番茄品质和效益的影响

杨 霞，潘子涵，唐伟杰，秦嘉海

（1.培黎职业学院，甘肃 张掖 734000；2.河西学院农业与生态工程学院，甘肃 张掖 734000）

近年来，温室蔬菜产业已发展成为菜民增收的支柱产业之一。截至2020年，甘肃省张掖市已建立温室蔬菜基地4 600 hm，年产蔬菜33.1万t，产值达4.49亿元。经实践调查，菜民种植的番茄产量一般为91.28～97.50 t/hm，化肥氮、磷、钾纯养分投入量为1.47～1.63 t/hm，而有机肥氮、磷、钾纯养分投入量为0.27～0.30 t/hm。由于化肥超量施用，土壤环境质量下降，番茄品质和产量低而不稳，影响了蔬菜产业的可持续发展。有关有机废料对土壤环境质量和作物品质影响的研究报道较多，主要集中在牛粪、马粪、鸡粪、羊粪、猪粪、蚯蚓粪、稻秆、麦秸、稻壳、风化煤、生物炭、沼渣和菌渣等对土壤有机质、理化性质、微生物、酶活性和作物品质等方面，而有机废料生态肥还田对温室土壤环境质量及番茄品质和效益影响研究尚少见文献报道。

据统计，甘肃省张掖市分布着978.12万t的有机废料，其中用于沼气工程、直接还田的占55%，剩余440.15万t有机废料堆放在农村居民点周围，对生态环境造成了污染。经分析，这些有机废料含有机质25.41%～42.27%，N 0.21%～1.03%，PO0.17%～0.81%，KO 0.13%～0.63%，而重金属离子Hg、Cd、Cr、Pb含量均小于国家规定的畜禽粪便含量标准（GB 4284—2018）。为了保障张掖地区蔬菜安全生产，开展有机废料生态肥还田对温室土壤环境质量及番茄品质和效益影响的研究，旨在为研究区有机废料资源化循环利用，改善土壤环境质量，提高番茄品质和效益提供理论指导和技术支撑。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验连续2年在甘肃省张掖市甘州区长安镇五座桥村连续8年种植蔬菜的温室内进行（100°21'45″E，39°01'13″N）。试验地点海拔1 510 m，年均降水量116 mm，蒸发量1 850 mm，气温7.5 ℃，日照时长3 053 h，无霜期160 d。土壤类型是灌漠土，0～20 cm土层碱解氮、速效磷、速效钾含量分别为86.44、13.19、122.48 mg/kg，有机质、可溶性盐含量、阳离子交换量（CEC）和pH值分别为20.04 g/kg、1.93 g/kg、17.55 cmol/kg和8.02，前茬作物是茄子。

1.2 试验材料

尿素，含N 46%，粒径1～2 mm；磷酸二铵，含N 18%、PO46%，粒径3～5 mm；硫酸钾，含KO 50%，粒径1～2 mm；鸡粪，含有机质42.77%、N 1.03%、PO0.41%、KO 0.72%，粒径1～10 mm；菇渣，含有机质56.43%、N 1.22%、PO0.73%、KO 1.46%，粒径1～10 mm；油菜籽饼肥，含有机质73.80%，N 3.25%、PO0.80%、KO 1.04%，粒径1～10 mm。均为市场购买。

番茄品种为中杂102号，由中国农业科学院蔬菜花卉研究所选育。

1.3 试验方法

1.3.1 有机废料生态肥配制

将鸡粪、菇渣、油菜籽饼肥自然风干，分别粉碎后过20 mm筛。喷自来水到水分含量达60%～65%，堆成高1.5 m的梯形，盖上废旧塑料薄膜，堆在温室内（室温25～30 ℃），鸡粪发酵80 d，间隔40 d捣翻1次；菇渣发酵108 d，间隔35 d捣翻1次；油菜籽饼肥发酵140 d，间隔45 d捣翻1次。待堆内温度降到室温，堆内出现灰白色菌丝发酵结束，将发酵物料放置在阴凉干燥处自然风干（含水量小于5%）备用。将发酵腐熟的鸡粪、菇渣、油菜籽饼肥按风干质量比0.850∶0.125∶0.025混合搅拌均匀，过10 mm筛得到有机废料生态肥，经室内分析含有机质45.25%、N 1.11%、PO0.46%、KO 0.82%，粒径1～10 mm。

1.3.2 试验设计

试验1：有机废料生态肥适宜施用量研究。2019年，将有机废料生态肥施用量梯度设计为0.0（对照）、12.5、25.0、37.5、50.0、62.5、75.0 t/hm共7个处理，分别标记为处理1—处理7，每个处理3次重复，随机区组排列。番茄定植前在栽培行内挖深和宽20 cm×65 cm的土槽，按每个小区的有机废料生态肥计量撒入土槽后起垄。

试验2：有机废料生态肥还田对温室土壤环境质量及番茄品质和效益的影响研究。2020年设3个处理：处理8，不施肥（对照）；处理9，常规化肥（尿素、磷酸二铵、硫酸钾施用量分别为1.02、0.50、0.82 t/hm）；处理10，有机废料生态肥（施用量50.00 t/hm）。为了使试验具有可比性，处理9和10的氮、磷、钾纯养分投入量设计为等量（均为N 0.56 t/hm＋PO0.23 t/hm、KO 0.41 t/hm）。每个处理3次重复，随机区组排列。番茄定植前在栽培行内挖深和宽20 cm×65 cm的土槽，将处理9的磷酸二铵、硫酸钾和处理10的有机废料生态肥分别计量撒入小区土槽内起垄。处理9的尿素在番茄第1穗果乒乓球大小时结合灌水追施0.37 t/hm，第2穗果乒乓球大小时结合灌水追施0.75 t/hm，追肥方法为穴施。

小区面积均为22.75 m（7.0 m×3.25 m），小区四周筑埂后起垄，垄高、垄距和垄宽为35 cm×65 cm×65 cm，垄上铺滴灌带和地膜。番茄于5月20日定植，深度和株距为15 cm×35 cm，每垄2行，每小区3垄。在定植后、开花期、第1果穗、第2果穗、第3果穗膨大期各灌水1次，每个小区灌水量为3.4 m。

1.4 样品采集方法

试验1：每个小区每次采收分别计产，换算成公顷产量进行统计分析。

试验2：同试验1方法计产。于盛收期每小区随机选择15株番茄，测定单果质量和单株产量以及果实品质性状。拉秧后，分别在各试验小区按照5点采样法采集0～20 cm耕层土样，用四分法留取2 kg，1 kg新鲜土样放入4 ℃冰箱保存，用于测定微生物数量和酶活性，另外1 kg土样风干过1 mm筛后测定pH值、CEC、有机质含量、可溶性盐含量、速效氮磷钾含量和重金属含量，其中土壤容重、土壤团聚体用环刀采集原状土，未进行风干。

1.5 指标测定

番茄果实可溶性糖、VC和可滴定酸含量分别采用蒽酮-硫酸法、2,6-二氯靛酚滴定法和碱滴定法测定。土壤容重、总孔隙度和＞0.25 mm团聚体分别采用环刀法、计算法和和团粒结构分析仪测定；pH值、CEC、全盐和有机质含量分别采用酸度计法（水土比5∶1）、乙酸铵-氯化铵法、电导法和重铬酸钾氧化-外加热法测定；碱解氮、速效磷和速效钾含量分别采用扩散法、NaHCO浸提-钼锑抗比色法和NHOAC浸提-火焰光度法测定；微生物种群数量采用稀释平板法测定；蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和多酚氧化酶活性分别采用3,5-二硝基水杨酸比色法、靛酚比色法、磷酸苯二钠比色法和碘量滴定法测定；Cd和Pb全量采用火焰原子吸收光谱法测定，Hg和Cr全量采用冷原子吸收法和原子吸收光谱法测定。

计算公式：总持水量＝面积×总孔隙度×土层深度；有机碳含量＝有机质含量×1.724；有机碳密度＝有机碳含量×容重×采样深度×0.01；供碳量＝有机碳含量×2.25；供氮量＝碱解氮含量×2.25×土壤氮素利用系数（0.40）；供磷量＝速效磷含量×2.25×土壤磷素利用系数（0.20）；供钾量＝速效钾含量×2.25×土壤钾素利用系数（0.30）；施肥利润＝增产值－施肥成本；千克肥料增产量＝增产量/施肥量；肥料投资效率＝施肥利润/施肥成本。

1.6 数据分析

采用SPSS 19.0软件进行数据统计分析，采用Duncan新复极差法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 有机废料生态肥最大利润施肥量确定

对2019年番茄产量数据进行回归统计分析，得到线性回归方程为＝81.752 0＋2.114 0，相关系数（）为0.815 2，说明有机废料生态肥施肥量与番茄产量之间呈正相关关系。随着有机废料生态肥施肥量的增加，番茄产量在递增，千克肥料增产量和肥料投资效率在递减。有机废料生态肥施肥量为75.0 t/hm时产量最高，与62.5、50.0 t/hm处理相比较无显著差异，但显著高于37.5 t/hm处理，极显著高于25.0、12.5 t/hm处理和对照。采用经济学理论分析可以得出，有机废料生态肥施肥量由12.5 t/hm递增到50.0 t/hm，施肥利润则呈递增趋势，当超过50.0 t/hm时施肥利润开始下降，由此可见，有机废料生态肥最大利润施肥量为50.00 t/hm（表1）。

表1 不同梯度有机废料生态肥对番茄产量和经济效益的影响

2.2 有机废料生态肥还田对温室土壤环境质量的影响

2.2.1 对理化性质和持水量的影响

从表2可以看出，不同处理土壤容重和pH值均表现为有机废料生态肥＜常规化肥＜对照；总孔隙度、＞0.25 mm团聚体、总持水量和CEC均表现为有机废料生态肥＞常规化肥＞对照；电导率和可溶性盐含量均表现为常规化肥＞有机废料生态肥＞对照。有机废料生态肥与常规化肥相比较，容重极显著降低10.00%，pH值、电导率和可溶性盐分别显著降低9.40%、7.75%和7.37%，总孔隙度、＞0.25 mm团聚体、总持水量和CEC分别极显著增加9.64%、16.87%、9.64%和17.83%；与对照相比较，容重和pH值分别极显著降低12.82%和9.85%，总孔隙度、＞0.25 mm团聚体、总持水量和CEC分别极显著增加11.28%、18.08%、11.28%和23.53%，电导率和可溶性盐含量分别增加了3.73%和4.15%，但差异不显著。常规化肥与对照相比较，容重和pH值分别降低1.52%和0.50%，总孔隙度、＞0.25 mm团聚体、总持水量和CEC分别增加1.49%、3.81%、1.49%和4.84%，但差异均不显著，电导率和可溶性盐则显著增加12.45%和12.44%。

表2 有机废料生态肥还田对温室土壤理化性质和持水量的影响

2.2.2 对土壤有机质及速效氮磷钾和供肥量的影响

由表3可知，不同处理土壤有机质含量、有机碳含量、有机碳密度、供碳量、碱解氮含量、速效磷含量、速效钾含量和供肥量均表现为有机废料生态肥＞常规化肥＞对照。有机废料生态肥与常规化肥相比较，有机质含量、有机碳含量、供碳量分别极显著增加16.71%、16.72%和16.74%，有机碳密度、碱解氮含量、速效磷含量、速效钾含量、供氮量、供磷量和供钾量分别增加4.78%、2.04%、3.14%、3.69%、2.05%、3.21%和3.70%，但差异不显著；与对照相比较，有机质含量、有机碳含量、供碳量、碱解氮含量、速效磷含量、速效钾含量、供氮量、供磷量和供钾量分别极显著增加21.26%、21.24%、21.34%、37.24%、24.64%、27.56%、37.24%、24.58%和27.57%，有机碳密度显著增加7.52%。常规化肥与对照相比较，有机质含量、有机碳含量、有机碳密度、供碳量分别增加3.89%、3.96%、2.61%、3.94%，但差异不显著（除有机碳密度外），碱解氮含量、速效磷含量、速效钾含量、供氮量、供磷量和供钾量分别极显著增加34.50%、20.85%、23.02%、34.49%、20.71%和23.02%。

表3 有机废料生态肥还田对温室土壤有机质、有机碳、氮磷钾含量及供肥量的影响

2.2.3 对土壤微生物数量、酶活性及重金属含量的影响

由表4可知，不同处理土壤真菌数量表现为对照＞常规化肥＞有机废料生态肥；细菌、放线菌数量及蔗糖酶、脲酶、磷酸酶、多酚氧化酶活性均为有机废料生态肥＞常规化肥＞对照。有机废料生态肥与常规化肥相比较，真菌数量显著降低6.42%，细菌数量、放线菌数量、蔗糖酶活性和多酚氧化酶活性分别极显著增加17.79%、31.80%、14.92%和12.99%，脲酶和磷酸酶活性分别增加了2.17%和0.98%；与对照相比较，真菌数量显著降低7.87%，细菌、放线菌数量和蔗糖酶、脲酶、磷酸酶、多酚氧化酶活性分别极显著增加19.63%、33.02%、19.09%、27.30%、32.90%和16.00%。常规化肥与对照相比较，真菌数量降低1.55%，细菌数量和放线菌数量、蔗糖酶活性和多酚氧化酶活性分别增加1.56%、0.93%、3.63%和2.67%，脲酶活性和磷酸酶活性分别极显著增加24.32%和31.60%。

不同处理土壤重金属含量均表现为常规化肥＞有机废料生态肥＞对照（表4）。有机废料生态肥与常规化肥相比较，土壤Hg、Cd、Cr和Pb含量分别极显著降低6.25%、7.50%、6.20%和18.05%；与对照相比较，Hg、Cd、Cr和Pb含量分别增加4.65%、2.78%、3.94%和2.85%，除Cr外其他增加均不显著。常规化肥与对照相比较，Hg、Cd、Cr和Pb含量分别极显著增加11.63%、11.11%、10.81%和25.50%。

表4 有机废料生态肥还田对温室土壤微生物数量、酶活性及重金属含量的影响

2.3 有机废料生态肥对番茄品质、经济性状及效益的影响

由表5可知，不同处理可溶性糖含量、VC含量、单果质量、单株产量和产量均表现为有机废料生态肥＞常规化肥＞对照；可滴定酸含量为对照＞常规化肥＞有机废料生态肥；增产值、施肥成本、施肥利润、肥料投资效率均表现为有机废料生态肥＞常规化肥。有机废料生态肥与常规化肥相比较，可溶性糖含量、单果质量、单株产量和产量分别显著增加6.97%、6.68%、6.81%和5.45%，VC含量极显著增加10.79%，可滴定酸含量极显著降低19.15%，增产值、施肥利润和肥料投资效率分别增加25.73%、29.64%和27.77%；与对照相比较，可溶性糖含量、VC含量、单果质量、单株产量和产量分别极显著增加32.49%、27.20%、25.58%、36.91%和33.74%，可滴定酸含量极显著降低20.83%。常规化肥与对照相比较，可溶性糖含量、VC含量、单果质量、单株产量和产量分别极显著增加23.86%、14.81%、17.72%、28.19%和26.83%，可滴定酸含量降低2.08%。

表5 有机废料生态肥对番茄品质、经济性状及效益的影响

3 结论与讨论

利用鸡粪、菇渣和油菜籽饼肥配制有机废料生态肥，具有生产上的实践意义和科学研究中的创新意义，促进了废弃物资源的循环利用，解决了番茄生产过程中化肥超量施用，温室土壤环境质量下降、产品产量低而不稳和品质差等疑难问题。施用有机废料生态肥降低了温室土壤容重，增大了孔隙度和水稳性团聚体，提高了有机质含量，这种变化规律与有机废料生态肥中的有机质含量有关，有机质促进了水稳性团聚体的形成，使土壤疏松、容重降低、孔隙度增大。施用有机废料生态肥的温室土壤CEC、总持水量增大，pH值降低，主要是有机废料生态肥吸附能力较强，提高了温室土壤的CEC，有机废料生态肥吸水率较大，提高了总持水量，有机废料生态肥在分解过程中产生的有机酸降低了土壤pH值。施用有机废料生态肥提高了温室土壤酶活性，究其原因是有机废料生态肥中的有机质补充了土壤有机碳含量，因而提高了酶活性。施用有机废料生态肥后温室土壤重金属离子Hg、Cd、Cr、Pb含量分别为0.45、0.37、17.41、6.13 mg/kg，均小于土壤环境质量标准（分别为0.50、0.30、150.00、70.00 mg/kg），与对照差异不显著，不会对蔬菜造成风险；常规化肥处理重金属离子含量与对照差异极显著，说明施用化肥对重金属离子有明显的富集作用。施用有机废料生态肥有利于改善番茄品质，这与杜中平等的研究结果相一致。有关利用有机废料生态肥替代部分化肥对温室土壤理化性质和生物学特性的影响有待进一步研究。

有机废料生态肥施肥量为50.00 t/hm时，施肥利润达到最大值。施用有机废料生态肥，有效降低了温室土壤容重、pH值、电导率、可溶性盐和真菌数量，提高了总孔隙度、＞25 mm团聚体、总持水量、CEC、有机质含量、供肥量、细菌、放线菌数量和酶活性，降低了番茄可滴定酸含量，提高了可溶性糖和VC含量、施肥利润和肥料投资效率。施用有机废料生态肥提高了温室土壤环境质量，改善了番茄品质，提高了番茄产量，达到了提升温室土壤质量的目的。