化肥有机替代对温室连作番茄产量、品质和土壤生物化学特性的影响

张勇勇赵凤艳杨丽娟

(1.沈阳农业大学土地与环境学院,辽宁 沈阳 110866; 2.辽宁省农业科学院耕作栽培研究所,辽宁 沈阳110161)

番茄是我国设施蔬菜的主要作物种类之一,连作现象普遍存在。长期大量投入化肥来维持其增产,导致土壤环境恶化,植株长势变弱,病虫害加剧[1]。近年来,因其高产出、土地利用率高且受季节影响小等特点使设施番茄产业迅速发展。然而,在传统的管理措施下,以及高温高湿、无雨水淋溶的环境下,温室内长期连作也会对土壤质量产生负面影响,最终导致作物产量和品质下降,以及病虫害的加剧[2]。同时,在连作系统中长期施用化肥还会导致土壤酸化和次生盐渍化[3～4]。施肥是影响土壤质量、番茄产量及品质的重要因素[5]。研究表明,施用蚯蚓粪,可通过维持土壤营养均衡和土壤微生物群落结构、向土壤中输送有益菌来抑制有害菌的繁殖及调节土壤pH等方面,以达到土壤微环境、土传病害防治、作物产量和品质等多方面受益[6]。蚯蚓粪因其良好的理化性状(包括pH、孔隙结构、持水排水能力和营养状态等)、较高的微生物活性以及丰富的有益菌和植物激素等优点,输入到土壤中后可产生物理、化学和生物学均适宜植株生长发育所需的土壤肥力[7]。蚯蚓粪相较于传统有机肥具有很多优点,合理的施用对农业生产可发挥显著的改良作用,近年来已成为研究的热点。基于此,前人针对蚯蚓粪对番茄连作土壤特性及产量的影响已进行了大量试验研究[8～9],但主要集中在单因素方面,针对蚯蚓粪对设施土壤生物化学特性和产量及品质的综合研究鲜有报道。本研究在保证N、P2O5、K2O等量的基础上,研究了蚯蚓粪配施化肥、牛粪配施化肥和单施化肥对设施内连作番茄产量、品质、土壤养分含量、微生物量和酶活性的影响,以期为设施农业的可持续发展提供科学依据与实践指导。

1 材料与方法

1.1 试验地点与供试材料

盆栽试验于2015年2月～6月在辽宁省沈阳农业大学的日光温室中进行。供试土壤为番茄连作5年的土壤,土壤基本性质为pH 6.32,C/N值8.26,速效氮124.63 mg/kg,速 效 磷 157.34mg/kg,速 效 钾167.92 mg/kg,全碳14.14 g/kg,全氮1.71 g/kg,容重1.34 g/cm,孔隙度49.4%。供试番茄品种为辽宁省农业科学院园艺研究所育成的“辽园多丽”。试验用盆选用上、下直径和高分别为30 cm、20 cm、25 cm聚乙烯塑料盆,紧靠顺序排列。生长季节温室内昼夜温度为15～35℃。

1.2 试验设计

本试验采用完全随机设计,供设4个处理,分别为蚯蚓粪配施化肥(VM,以牛粪、厨余垃圾混合腐熟后喂食蚯蚓后所获得的产物)、牛粪配施化肥(CM)、单施化肥(CF)和不施肥对照(CK)。每个处理有5个重复。

每盆装过1 cm筛后的风干土16 kg。所有施肥处理N、P2O5、K2O施肥量一致,N、P2O5、K2O用量分别为0.40、0.30、0.40 g/kg土壤,供试肥料养分含量见表1。为与CF处理保持等量的N、P2O5、K2O含量,VM和CM处理有机肥均为部分代替化肥,其中有机肥用量分别为19.84、11.79 g/kg土壤,不足的养分需加入额外的尿素、磷酸氢二铵和硫酸钾补足。所有肥料在番茄移栽前与土壤充分混合,生长季不进行施肥。每盆定植一株40日苗龄的番茄幼苗。10 d后补第1次缓苗水,并保证每盆每次浇水量相同。番茄生育期为120 d。

表 1 供试肥料养分含量Table 1 Nutrient content in manures or fertilizers

1.3 样品采集与测定方法

番茄果实保留三穗果,收获期为5月21日(71 d)至7月13日(120 d)。用百分天平称重并计算每株番茄产量。当番茄第二穗果实成熟度达到80%左右,取果实样品测定番茄品质。

可溶性糖、总酸度、维生素C(VC)和硝酸盐含量均使用均质果汁测定[10],分别采用氰化盐碘量法、碱中和滴定法、2,4-二硝基苯肼比色法和水杨酸分光光度法测定。

于番茄收获期采集0～20 cm土层土壤样品,过2 mm尼龙筛后分为两份保存。一部分存于4 ℃的新鲜土壤样品用于测定土壤酶活性和微生物生物量,另一部分风干后的土壤样品用于测定土壤化学性质。

使用元素分析仪(Elementar Ⅲ,Germany)测定土壤全碳、全氮含量和碳氮比。采用1.0 mol/L NaOH水解扩散法和0.5 mol/L NaHCO3(pH 8.5)溶液萃取后用分光光度计比色法测定土壤速效氮和速效磷含量[11～12]。使用雷磁SJ-3F pH计测定土壤pH值(土水比为1/5)。根据Vanceetal.和Brookesetal.的方法测定土壤微生物量碳和氮[13～14]。称取鲜土(约20 g风干土)在室温黑暗条件下将其放置于真空干燥器中并经去乙醇CHCl3熏蒸24 h,同时在相同环境条件下进行无熏蒸的对照处理。然后,所有土壤样品用0.5 mol/L K2SO4(土液比为1/4)浸提,浸提液中的微生物量碳和氮含量使用Multi N/C 3100分析仪(Analytikjena,德国)进行测定;土壤微生物量碳和氮计算公式分别为BC=EC/kEC和BN=EN/kEN,EC和EN为熏蒸与未熏蒸浸提液中碳、氮的差值,kEC和kEN为校正因子,分别为0.45、0.54。

根据关松荫等的方法,用鲜土测定土壤酶活性[15]。采用0.1 mol/L KMnO4滴定法测定过氧化氢酶活性,并表示为ml/(g h)。采用靛酚蓝比色法测定脲酶活性,并表示为mg NH3-N/(g 24 h)。采用邻苯三酚法测定多酚氧化酶,并将其表示为mg/(g 3 h)。采用水杨酸比色法测定蔗糖酶活性,以mg Glucose/(g 24 h)表示。多酚氧化酶活性采用邻苯三酚比色法测定,以mg/g表示。采用2,3,5 -三苯基氯化四唑(TTC)比色法测定脱氢酶活性,并以mg TPF/g(即mg Triphenyl Formazan/g)表示。

1.4 数据分析方法

运用SPSS 17.0软件(SPSS Inc, Chicago, USA)对所获数据进行方差分析(ANOVA),在5%显著水平下,采用Duncan’s test对处理间的均值差异进行比较。

2 结果与分析

2.1 番茄产量

施肥处理对番茄产量有显著影响(图1,P＜0.05)。所有处理中VM处理的番茄产量最高,其次是CM、CF和CK,VM处理番茄产量比CM、CF和CK处理分别提高了13.13%、28.04%和44.21%。

图 1 施肥对番茄产量的影响Figure 1 Effects of different fertilization treatments on tomato yield

2.2 番茄品质

对番茄品质分析结果表明(图2),不同施肥处理对番茄品质的影响效果不同。各处理维生素C含量表现为VM＞CM＞CF＞CK,其中VM和CM处理间以及CF和CK处理间维生素C含量均无显著差异(P＞0.05),但VM和CM维生素C含量显著高于CF和CK处理(P＜0.05)。施肥处理间总酸度差异不显著(P＞0.05),但施肥降低了番茄总酸度,且VM和CM显著低于CK(P＜0.05),VM最低。施肥显著提高了番茄果实糖酸比和可溶性糖含量(P＜0.05),其中VM处理中糖酸比和可溶性糖含量均显著高于CF和CK处理,而与CM处理间无显著差异。施肥降低了番茄果实硝酸盐含量(P＜0.05),表现为VM＜CM＜CF＜CK,有机肥处理的硝酸盐含量显著低于化肥和对照处理,而VM处理的硝酸盐含量显著低于CM处理。

2.3 土壤化学性质

施有机肥可提高土壤pH、速效氮、速效磷、全氮和全碳含量,其中VM处理最高,其次是CM。与CM、CF和CK处理相比,VM处理pH分别提高0.20、0.63和0.50个单位,速效氮含量分别增加20.22%、22.62%和30.73%,速效磷含量分别增加18.60%、62.23%和101.10%,全氮含量分别增加2.25%、15.92%和12.35%,全碳含量增加2.27%、18.23%和13.22%。与CK相比,CF处理降低了土壤pH、全氮和全碳含量,但增加了速效氮和速效磷含量。各施肥处理对土壤碳氮比无显著影响(P＞0.05)。说明本试验条件下施用有机肥,特别是蚯蚓粪,可提高番茄连作土壤pH、土壤养分供给及库存(表2)。

2.4 土壤微生物量

施用有机肥的VM和CM处理的土壤微生物量碳(MBC)含量分别329.2 mg/kg和288.5 mg/kg,均高于CK和CF处理的235.4 mg/kg和201.1 mg/kg。土壤微生物量氮(MBN)含量与MBC变化趋势相似,VM和CM处理的MBN含量分别158.3 mg/kg和135.2 mg/kg,也均高于CK和CF处理的75.8 mg/kg和111.3 mg/kg。MBC/MBN值表现出了相反趋势,VM(2.1)和CM(2.1)处理的MBC/MBN值均低于CK(3.2),但高于CF处理(1.8)(见表3)。

表 2 施肥对土壤化学性质的影响Table 2 Effects of of different fertilization treatments on soil chemical properties

表 3 施肥对土壤微生物生物量的影响Table 3 Effects of of different fertilization treatments on soil microbial biomass

2.5 土壤酶活性

施肥处理显著影响了土壤脱氢酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶、蔗糖酶和脲酶的活性(图3)。与其他处理相比,VM的土壤脱氢酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶、蔗糖酶和脲酶活性提高了23.53%～110.00%、52.78%～125.41%、15.79%～41.94%、60.98%～102.45%和21.62%～55.17%。脱氢酶、过氧化氢酶和蔗糖酶变化趋势一致,即VM＞CM＞CF＞CK。VM处理多酚氧化酶活性显著高于CM处理,而CM处理显著高于CF和CK处理(P＜0.05),但CF和CK处理相似,无显著差异(P＞0.05)。此外,有机肥处理显著提高了脲酶活性,且VM处理显著高于CM处理,相反,CF处理降低了脲酶活性。

图 2 施肥对番茄品质的影响Figure 2 Effects of different fertilization treatments on tomato quality

图 3 施肥对收获期土壤酶活性的影响Figure 3 Effects of different fertilization treatments on soil enzymatic activity

3 结论与讨论

3.1 化肥有机替代对番茄产量和品质的影响

有机肥,特别是蚯蚓粪替代化肥可提高番茄产量并改善品质。在本实验条件下,各施肥处理的N、P2O5、K2O用量相同,而有机肥替代化肥的处理土壤速效氮、速效磷等养分含量高于单施化肥和对照处理,促进了番茄植株的养分吸收,进而提高产量。此外,蚯蚓粪和牛粪中含有番茄生长发育所需的Ca、Mg等营养物质,而外源添加Ca、Mg等营养物质可显著提高番茄产量[16]。然而,蚯蚓粪替代化肥处理的番茄产量高于牛粪替代化肥处理。这一现象可以从以下几个方面来解释。首先,蚯蚓粪是有机物质经过蚯蚓的消化系统后而获得的产物,因此,不同于传统的粪肥[17]。蚯蚓和微生物在蚯蚓堆肥过程中均起着主要作用,有机物质通过蚯蚓分解(腐殖化)而稳定下来,而在传统的堆肥过程中只有微生物起着主要作用[18]。

其次,蚯蚓粪中的养分形态易被植物吸收利用,如可溶性大量元素(NO3-N,K、Ca和Mg)和微量元素(Zn、Cu、Mn、Fe、B)[19～21]。再者,蚯蚓粪中还含有生物活性物质,如植物生长调节剂、酶和大量功能性微生物[22～24]。与单施化肥和牛粪替代化肥处理相比,蚯蚓粪替代化肥处理的番茄果实中维生素C、可溶性糖含量和糖酸比均为最高,而

总酸度和硝酸盐含量均最低。Colpanetal.[25].研究表明,蚯蚓粪中富含的K元素营养可以提高番茄果实品质。另外,蚯蚓粪中含有大量的Ca元素以及不同类型的激素均可以改善番茄果实品质[26～28]。这也解释了施用蚯蚓粪后番茄果实品质得到改善的原因。

3.2 化肥有机替代对土壤化学性质的影响

在蚯蚓粪有机替代的相关试验研究表明,施加蚯蚓粪能明显提高土壤有机质、全氮、全磷含量[5,29]。这与本试验研究结果基本一致,相较于单施化肥处理,有机肥替代化肥处理,特别是蚯蚓粪替代化肥处理能显著提高土壤中pH、速效氮、速效磷、全氮和全碳含量。施用有机肥后土壤pH升高,蚯蚓粪替代化肥处理和牛粪替代化肥处理的土壤pH分别升高至6.79和6.59,比对照升高了0.50和0.30个单位,比单施化肥升高了0.63和0.43个单位,而设施番茄生长所需最适宜的土壤pH在7左右,有机肥,特别是蚯蚓粪,替代化肥施入土壤后使土壤的酸碱度更适宜番茄生长。速效氮、磷养分含量的提高表明当季土壤供肥能力增强[9,28],而全碳和全氮含量升高,可能是施用有机肥后土壤中微生物活动强烈,加速分解有机物质而释放出碳和氮[26,27]

。

3.3 化肥有机替代对土壤微生物量和酶活性的影响

土壤微生物量是表征土壤肥力和质量的重要指标,对环境因素(包括pH、养分条件、团粒结构等因素)的反应非常敏感[30]。蚯蚓粪和牛粪(特别是蚯蚓粪)替代化肥处理的土壤微生物量(MBC和MBN)显著高于化肥和对照处理。这可能是由于蚯蚓粪和牛粪中含有丰富的微生物以及具有良好的团粒结构,施入土壤后改善土壤结构并增加了土壤中自身微生物数量,且有机肥中含有丰富的有机物质,可作为微生物的食源和能量,促进微生物繁殖生长[31]

。

土壤酶活性是表征土壤功能的基本指标[32～33]。本研究结果表明,与单施化肥处理相比,施用蚯蚓粪和牛粪处理的土壤脱氢酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶、蔗糖酶和脲酶活性均显著升高。有机肥,特别是蚯蚓粪,作为生物能源物质,可以提供可用的能量并加速土壤微生物的繁殖,进而促进某些酶分泌[34～35]。由于过氧化氢酶和多酚氧化酶能够分解对土壤生物有毒性作用的过氧化物或酚类化合物[36～37]。而作物长期连作后,植物根系分泌的自身毒素(如酚类物质)积累可导致土壤微生物群落失衡[38]。

施用牛粪和蚯蚓粪后土壤过氧化氢酶和多酚氧化酶升高,表明施用有机肥的土壤增强了微生物对过氧化物和酚类化合物的分解能力,降低了过氧化物和酚类化合物的毒害作用,有助于土壤的健康[39]。脱氢酶活性升高表明土壤微生物氧化能力增强。蔗糖酶和脲酶活性升高可以反映土壤的碳、氮供应能力提高,土壤化学性质结果也证明了这一点。因此,蚯蚓粪和牛粪替代化肥更有利于土壤微生物发挥其功能作用。