不同土壤改良措施对土壤特性和番茄生长发育及品质、产量的影响

杨海波，杨荣华，李承男，马 兰，曹云娥

(宁夏大学农学院，宁夏银川 750021)

随着设施栽培的逐步推广，设施蔬菜生产已成为不少地区的主导产业。然而种植户为了提高经济效益，大量使用农药、化肥，导致环境恶化；此外，种植户种植的作物单一且存在连作现象，直接致使土壤的肥力下降，作物的品质、产量也随之下降，并对生态环境产生了严重威胁。针对这个问题，添加有机肥，在合理的范围内施用化肥可以改良土壤结构，提高土壤的蓄肥能力和土壤肥力效能；在土壤中施用有机物料能够提高土壤微生物量碳、氮的含量以及土壤酶活性，并且随着有机肥的施用量增大，其展现出来的效果越明显。此外，施用有机肥还能够对土壤微生物多样性的恢复起到一定的促进作用，有效地抑制连作障碍的发生进程。

生物炭是枯枝落叶、作物秸秆等在缺氧的条件下通过高温裂解形成的稳定的固体富碳产物，具有巨大的比表面积，能够长时间地稳定土壤结构。蚯蚓粪是蚯蚓处理有机废弃物的产物，是一种良好的土壤改良剂，富含多种有益微生物、腐殖质、氨基酸活性酶等天然活性物质。二者作为新兴的有机物料，能够在一定程度上改善土壤理化性质，促进作物的生长发育，还能提高农产品的产量、品质，增强作物的抗逆性。

由于农户盲目追求作物产量和大量施用化肥，造成了土壤板结、病害加剧、土壤肥力下降、环境污染等一系列问题，不仅降低了作物的产量和品质，也影响了设施农业的可持续发展。而覆盖作物有改变土壤化学特性的潜力，通过增加土壤有机质含量、提升氮的矿化潜力、减少硝酸盐淋失等作用，促进后续农作物产量的提升。我国绿肥资源丰富，截止目前，我国常用绿肥作物有916种，鉴定为4科20个属26个种，并经过筛选，得到了综合性状好、适宜在不同地区种植的70多种绿肥作物，主要有紫云英、紫花苜蓿、白三叶草、山黧豆、高羊茅、二月兰等。在栽培面积较大的绿肥品种中，豆科占大多数。豆科植物可以和固氮菌共生，进行生物固氮，从而为果-草系统提供部分氮源。豆科植物生物固氮是指在自然条件下，部分微生物或蓝藻将大气中氮气转化为氨，为植物或微生物的生长发育提供氮源。

前期的研究主要是针对每一项措施的单一研究，对于不同土壤改良措施复合的研究较少，笔者通过对生物炭、蚯蚓粪、覆盖植物白花三叶草的复配来进行土壤处理，探究日光温室内不同土壤改良措施对土壤特性和番茄生长发育及品质、产量的影响。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2019年4月12日至8月9日在宁夏贺兰县园艺产业园(106°15′E，38°18′N)内进行，该园区属于国家级农业示范园区，园区内的年降水量为180～200 mm，其中80%的降水集中在6—8月，年平均气温9.7 ℃，无霜期160～170 d，属中温带干旱气候区，具有典型的大陆性气候特点。日光温室，长80 m，跨度8 m，脊高4.4 m，后墙高4.7 m。

1.2 试验材料

供试番茄品种为粉宴1号。生物炭(主要成分为椰壳，有效碳成分为95%)购买于河南泰源环保科技有限公司；蚯蚓粪由试验开始前投放的蚯蚓原位消解半腐熟的牛粪产生；覆盖作物是白花三叶草。

1.3 试验设计

试验共设8个处理：空白对照(CK)，不作处理；定植前土壤增施生物炭(B)，3 000 kg/667 m；定植前土壤增施蚯蚓粪(V)，3 000 kg/667 m；覆盖(作物两边)三叶草(T)；定植前土壤增施生物炭+蚯蚓粪(B+V)，生物炭3 000 kg/667 m，蚯蚓粪 3 000 kg/667 m；定植前土壤增施生物炭+覆盖(作物两边)三叶草(B+T)；生物炭3 000 kg/667 m；定植前土壤增施蚯蚓粪+覆盖(作物两边)三叶草(V+T)，蚯蚓粪3 000 kg/667 m；定植前土壤增施生物炭+蚯蚓粪+覆盖(作物两边)三叶草(B+V+T)，生物炭3 000 kg/667 m，蚯蚓粪3 000 kg/667 m。每个处理2个小区，每个小区种植3垄，3个重复，每个小区长5 m、宽4 m，面积为20 m，小区间隔开。

1.4 样品采集与测定方法

植株和果实样品采集自番茄盛果期，采样时，从每个小区随机选取6棵植株，将根系完全挖出后，用水将根系冲洗干净。用刀将植株地上部与地下部分开，在收获期统计番茄的产量。

1.4.1 土壤理化性质测定 于番茄盛果期，采用五点取样法，取各处理0～20 cm土层的土壤，将其物理晾干后过1 mm筛，用于测定土壤的理化指标。用电导法测定pH值和EC值；用环刀法测定土壤容重；用凯氏定氮法测定土壤全氮含量；用钼锑抗比色法测定土壤全磷含量；用重铬酸钾-油浴锅加热法测定土壤有机质含量。

1.4.2 土壤重金属测定 用分析天平准确称取0.1 g土样，置于消煮管底部，加入5 mL 浓硝酸(优级纯)，静置过夜，次日，先用100 ℃消煮30 min后，将消煮炉温度上升至170 ℃，消煮至底部残渣转白、溶液澄清透明即可。冷却至常温后，将消煮管内的溶液用蒸馏水转移至100 mL容量瓶，定容至刻度线，用0.45 μm过滤器过滤至离心管中，待上机测定。利用电感耦合等离子体光发射光谱仪测定。使用1.0～1 000.0 μg/L分析参考溶液进行外部校准，通过多元素储备溶液适当稀释以5%硝酸制备标准溶液。

客观、科学衡量县域经济发展水平是一项具有系统性、动态性和相对性的复杂工作.构建经济综合评价体系需要依据科学性、全面性和可获取性原则，参考前人相关研究成果[15-16]并结合成都平原城市群经济发展的实际情况，从经济规模、经济效益、经济结构和政府调控能力4个方面，选取了17个具体评价指标，从而构建了县域经济综合评价指标体系(见表1).

1.4.3 酶活性测定 土壤过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定；纤维素酶活性采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定；蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定；土壤脲酶活性采用苯酚钠比色法测定。

1.4.4 果实品质测定 番茄的可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定；可滴定酸含量采用NaOH滴定法测定；维生素C含量采用 2，6-二氯酚靛酚滴定法测定；采用手持糖度计测定番茄可溶性固形物含量。

1.5 数据分析

使用Excel 2010、Origin 2018进行试验数据图表的绘制，采用SPSS 24.0进行数据统计分析，采用Duncan’s法对有显著差异的处理进行显著性分析，显著性水平设置为=0.05。

2 结果与分析

2.1 不同土壤改良措施对土壤养分的影响

由表1可知，不同的土壤处理下，V和V+T处理pH值最高，为7.52；B+V处理的EC值显著低于其他处理，为1.20 mS/cm；B处理土壤容重最高，为1.78 g/cm；B+V+T处理的全氮含量为0.93 g/kg，显著高于其他7个处理，与对照相比提高了40.91%；V+T处理的全磷含量最高，为5.22 g/kg；V+T 处理全钾含量最高，为4.57 g/kg，CK处理全钾含量最低，为3.40 g/kg，与CK处理相比V+T处理提高了34.41%；除B+V、B+T处理外，B+V+T处理的有机质含量显著高于其他处理，为44.74 g/kg。与对照相比，蚯蚓粪与三叶草复配(V+T)处理能够显著提高土壤全磷、全钾含量，生物炭、蚯蚓粪与三叶草三者复配(B+V+T)处理显著提高了土壤全氮、有机质含量。

表1 不同土壤改良措施对土壤养分的影响

2.2 不同土壤改良措施对土壤重金属含量的影响

由表2可知，不同土壤处理均能不同程度地降低土壤重金属含量。B+V+T处理Pb、Cd、Cr、Hg元素的含量均最低；将B+V+T处理与B、V、T处理分别相比7种重金属含量均有所降低，说明生物炭、蚯蚓粪和三叶草配施能有效降低这7种重金属的含量。V+T处理中Zn、As元素的含量最低；B+V处理中Cu元素的含量最低。生物炭、蚯蚓粪、覆盖三叶草均能降低土壤重金属含量。

表2 不同土壤改良措施对土壤重金属含量的影响

2.3 不同土壤改良措施对土壤酶活性的影响

由图1可知，不同土壤处理对土壤过氧化氢酶活性影响显著，对纤维素酶影响不显著。整体来看，不同处理的土壤酶活性与对照相比均有所提高。B+V处理过氧化氢酶和蔗糖酶活性最高，分别为4.02 mL/(g·h)、13.28 mg/(g·d)；B+V+T处理脲酶活性最高，与CK相比提高了49.93%；V+T 处理纤维素酶活性最高，为0.11 mg/(g·d)。与对照相比，生物炭与蚯蚓粪配施(B+V)显著提高过氧化氢酶、脲酶和蔗糖酶活性，蚯蚓粪与三叶草配施(V+T)提高了纤维素酶活性，生物炭、蚯蚓粪和三叶草配施(B+V+T)显著提高了过氧化氢酶、脲酶和蔗糖酶活性。综合来看，蚯蚓粪对土壤酶活性的提高起着重要作用。

2.4 不同土壤改良措施对果实品质的影响

由表3可知，B+V+T处理的可溶性糖含量最高，为0.57 g/kg，与CK处理相比提高了23.91%；B+T 处理有机酸含量显著高于其他处理；B+V+T处理维生素C含量最高，为29.99 mg/100 g，CK处理最低；B+T处理可溶性固形物含量显著高于其他处理，为5.00%；增施生物炭、蚯蚓粪、覆盖三叶草对可溶性糖、有机酸、维生素C含量均有一定程度的提高；与对照相比，生物炭与三叶草配施(B+T)显著提高了可溶性固形物含量，生物炭、蚯蚓粪和三叶草三者配施显著提高了果实可溶性糖、维生素C含量。

表3 不同土壤改良措施对果实品质的影响

2.5 不同土壤改良措施对番茄产量的影响

3 讨论与结论

3.1 不同土壤改良措施对土壤理化性质的影响

土壤作为植物生长发育的载体，其养分含量的高低直接反映了作物生长状况的优劣，在合理的范围内添加有机物料对土壤进行改良，是目前生产中获得优质高产园艺产品的一大重要举措。

Harris等研究发现，在土壤中添加疏松多孔的生物炭可以有效地提高土壤养分含量。单颖等研究发现，蚯蚓处理农业废弃物的产物——蚯蚓粪，具有优良的理化性质，能够很好地供肥、保肥和改良土壤。Wei等对76篇关于果园生草对土壤养分状况影响的文献进行整合分析发现，在果园中覆草能显著提高土壤有机质(14.1%)、全氮(7.0%)、速效氮(27.7%)、速效磷(12.6%)和全钾含量(2.1%)，其中豆科植物由于能够进行生物固氮，显著提高了土壤全氮(8.8%)、有效氮含量(24.7%)。土壤 EC值代表土壤中盐分的浓度，沈汉等研究得出，设施土壤 EC 值在1.0以上会影响作物生长。本研究中B+V处理EC值最低，为1.20 mS/cm，且其他处理的EC值均低于对照，各处理均降低了土壤的盐胁迫。全氮含量的高低反映土壤氮素的整体水平，是土壤潜在肥力的表征之一。本研究中，T、B+T、V+T以及B+V+T处理的全氮含量相比于对照均有所提高；V+T处理相比于对照显著提高了土壤全磷、全钾含量。土壤中添加蚯蚓粪、覆盖三叶草能够明显提高土壤养分。有研究表明，在土壤中添加生物炭与参与利用氮和磷等矿质元素相关的土壤酶活性之间呈正相关，而与参与土壤碳矿化等生态学过程的土壤酶活性之间呈负相关，这样有利于土壤中碳的固定，从而保证生物炭在土壤环境中长期稳定存在。本研究表明，土壤中添加生物炭、蚯蚓粪、覆盖三叶草，均能够提高土壤酶活性，其中，施加生物炭、蚯蚓粪和覆盖三叶草这三者结合对脲酶活性的增强最为显著。

由于土壤酶对重金属离子的作用较为敏感，且其活性变化对作物有着直接的影响，因此，土壤酶活性的高低有利于明确土壤中重金属含量的高低及其对植物生长和土壤质量的影响。陈玲玲研究发现，重金属Cd、Cr和Pb的浓度与脲酶和蔗糖酶活性都呈现负相关关系，表现为抑制作用；其中Cd与脲酶活性、Pb与蔗糖酶活性分别呈显著负相关；Cd和Cr与过氧化氢酶活性呈负相关关系。梅闯等研究发现，生物炭施入土壤后，不仅可以与微生物结合，利用微生物的表面吸附和体内转化作用等直接影响重金属的存在形态，还能够间接改变土壤环境。侯月卿等在堆肥中添加不同生物炭后，发现花生壳炭、玉米秸秆炭和木屑炭分别对堆肥产品中重金属元素Cu、Pb、Cd具有良好的钝化效果。蚯蚓黏液中的小分子有机物，如有机酸、氨基酸等能溶解重金属化合物，可提高土壤中重金属的生物可利用性，它能促进土壤中重金属的溶解，有助于超富集植物对重金属的吸收和富集。本研究中不论是单施生物炭、单施蚯蚓粪、覆盖三叶草，还是这三者混施，均能降低土壤重金属含量，改善土壤环境。将B、V、T处理与B+V、B+V+T处理相比较，除Cu、Cd元素外，单一施用生物炭、蚯蚓粪、覆盖三叶草处理下的重金属含量比两两混施处理下的重金属含量要高，且这三者配施的处理降低土壤重金属的效果最佳。

3.2 不同土壤改良措施对番茄品质的影响

本研究中增施生物炭、蚯蚓粪、覆盖三叶草均不同程度地降低了土壤中的重金属含量，土壤重金属对土壤酶活性表现为负相关关系，随着土壤重金属的含量降低，土壤酶活性提高，其中B+V处理的过氧化氢酶和蔗糖活性最高，B+V+T处理的脲酶活性最高，V+T处理的纤维素酶活性最高。土壤酶活性的增强提高了土壤生产力，促进了番茄的生理代谢。吴珏等研究发现，在土壤中适量地添加生物炭，番茄产量、可溶性糖含量会有所增加，可滴定酸含量显著减少，生物炭伴生与单作相比，提高了果实维生素C、可溶性糖含量和糖酸比，降低了有机酸含量；添加1.2%生物炭伴生与单作相比，增加了糖酸比，降低了有机酸含量；与未添加生物炭相比，添加1.2%生物炭增加了单作和伴生的维生素C含量和糖酸比，降低了有机酸含量。曹雪娜研究指出，在土壤中添加生物炭显著提高了樱桃番茄果实维生素C含量和可溶性糖含量，说明在土壤中适量的添加生物炭能够改善番茄果实的品质。此外，伴生可明显改善蔬菜果实品质。周东兴等研究发现，施用蚯蚓粪能够提高维生素C、可溶性糖和可溶性固形物含量。吴兴洪在猕猴桃园研究发现，与单施化肥相比，翻压黑麦草15%～45%提高了可溶性固形物、维生素C、可溶性糖含量，分别提高了3.03%～8.43%、9.75%～18.92%和4.60%～19.17%。本研究中，B+V+T处理的可溶性糖含量最高，相比于对照提高了23.91%；B+T处理有机酸含量显著高于其他处理；而维生素C含量中，除B+T处理外，B+V+T 处理显著高于其他处理；相比于B处理，B+V、B+T、B+V+T处理的可溶性固形物含量均有提高，B+T处理可溶性固形物含量显著高于其他处理。与V、T处理相比较，B+V、B+T、V+T、B+V+T处理的可溶性糖和维生素C含量均有所提高，这充分证明了单一地增施生物炭、蚯蚓粪、覆盖三叶草的果实品质显然不如2种措施结合施用的好。与对照相比，不同的土壤改良措施均不同程度地提高了番茄品质，其中生物炭、蚯蚓粪和三叶草三者配施处理下的番茄果实综合品质较优。

3.3 不同土壤改良措施对番茄产量的影响

产量是作物生产力的体现，通过增施生物炭、蚯蚓粪和覆盖三叶草可降低土壤重金属含量，从而提高土壤酶活性，达到改善土壤环境、提高土壤养分利用率的目的，进而提高番茄的产量。已有研究表明，在土壤中适量增施生物炭可以优化番茄根系形态，显著提高番茄产量。生物炭疏松多孔，具有较大的孔隙度，改变了土壤的孔隙分布，增加了土壤的微孔孔隙率，从而促进根系的生长，有利于提高产量。蚯蚓粪可以持续地为番茄提供其所需营养，提高植物的光合作用和根系活力，促进植株对养分的吸收，从而提高番茄的产量和品质。杨冬艳等研究发现，在樱桃番茄根际种植三叶草后，樱桃番茄根际生态环境发生了显著的改变，通过作物之间的相互作用，增加土壤微生物活性，改善番茄根际土壤酶环境，减轻根际土壤速效磷钾养分的富集，提高了土壤养分的利用率，增加了果实品质和产量。本研究中，番茄产量差异不显著，与对照相比各处理均有所增加，以生物炭、蚯蚓粪、覆盖三叶草处理为基准，分别比较其对应的两两混施处理发现，单一施用某一种改良措施的效果不如2种措施结合施用，其中以B+V+T处理三者配施的产量最高，说明生物炭、蚯蚓粪和覆盖作物不仅能促进植株对养分的吸收，还可以提高番茄的产量。

综上所述，不同土壤改良措施对番茄的生长发育具有促进作用。添加生物炭、蚯蚓粪和覆盖作物三叶草可以在不同程度上改善土壤理化性质，提高番茄产量和品质。B+V+T处理显著提高了土壤全氮和有机质含量，与对照相比分别提高了40.91%、13.24%；V+T处理显著提高了土壤pH值及全磷、全钾含量。B+V处理的过氧化氢酶和蔗糖酶活性最高，B+V+T处理的脲酶活性最高，与CK处理相比脲酶活性提高了49.93%，V+T处理的纤维素酶活性最高。B+V+T处理Pb、Cd、Cr、Hg元素的含量均最低；B+V+T处理的可溶性糖含量最高，为0.57 g/kg，CK处理最低，与CK处理相比提高了23.91%；B+V+T处理维生素C含量最高，为29.99 mg/100 g，CK处理最低；B+T处理可溶性固形物含量显著高于其他处理，为5.00%；B+V+T处理的番茄产量最高，为3 970.22 kg/667 m，与CK处理相比增加了36.57%。总的来说，生物炭、蚯蚓粪和覆盖三叶草这三者配施改善了土壤理化性质，降低了土壤重金属含量，提高了土壤酶活性，提高了番茄的品质和产量。