种养废弃物堆肥对日光温室西葫芦养分利用和土壤性质的影响

铁建中,刘亚昱,高雪琴,徐之奇,胡琳莉,2,*,郁继华,2

(1.甘肃农业大学 园艺学院,甘肃 兰州 730070; 2.省部共建干旱生境作物学国家重点实验室,甘肃 兰州 730070)

我国是设施农业大国,设施农业面积居全球首位。设施栽培是我国现代农业的重要组成部分[1-2],但在其快速发展中也出现了各种各样的问题。例如,一些生产者为了追求经济利益而盲目大量施用化肥,导致设施土壤出现次生盐渍化和盐害,作物生长发育出现生理障碍,减产幅度不断增加。这些问题严重阻碍,甚至威胁设施农业的可持续发展[3]。目前,我国北方地区的设施农业主要以日光温室为主,过量施用化肥是日光温室蔬菜栽培中存在的突出问题[4-5]。近年的调查结果表明,在当下的日光温室蔬菜栽培条件下,有机肥的增产效果远优于化肥[6]。增施优良的有机肥、提高肥料利用率是目前实现减量施肥和设施蔬菜绿色生产的有效途径之一[7-8]。

在西北高原地区,良好的气候条件成就了高原夏菜产业;但尾菜废弃物处理不当、资源化利用效率低的问题制约着该产业的持续健康发展[9]。同时,随着西北地区畜禽养殖业的专业化、规模化、集约化发展,畜禽粪污产生量也日益增加[10]。农业废弃物处理不当、利用效率不高、资源浪费等问题,在导致大量养分和高附加值成分流失的同时,还会引发农业生态系统环境的恶化,从而危及农业可持续发展[11-12]。因此,加快推动农业废弃物综合治理,探索并推广适合西北地区的节本降耗、绿色增产、循环利用等技术模式,建立农牧结合、循环发展的综合利用机制迫在眉睫[13]。

利用发酵技术将农业生产中的废料制成有机肥,再用有机肥改良土壤环境,提高蔬菜的产量和品质,是近年来的研究热点[14-15]。赵雪淞等[16]发现,向花生连作土壤添加玉米秸秆可有效改善土壤的生物活性,缓解连作障碍,实现增产增收。钱晓雍等[17]研究表明,畜禽粪便和秸秆对日光温室菜地次生盐渍化土壤具有良好的修复效果,并能不同限度地提高作物产量。目前,关于农业废弃物还田的研究主要集中在露地大田作物上,在设施蔬菜栽培上的相关研究还相对很少,且这些研究大多只关注作物生长品质和土壤生物学特性,对养分利用的影响报道较少[18-19]。西葫芦(CucurbitapepoL.)为葫芦科一年生攀缘草本植物,在我国北方的栽培面积仅次于黄瓜,是日光温室栽培的主要商品蔬菜之一[20]。本试验在西北农牧交错地带的代表地区——榆中县,收集当地主要的种养废弃物(牛粪、羊粪、尾菜、菇渣、玉米秸秆),在当地常规商品有机肥配方的基础上,将主要种养废弃物通过不同比例复配后好氧发酵为堆肥,再将堆肥用于日光温室西葫芦栽培,研究其对日光温室西葫芦产量、养分利用和土壤理化性质的影响,以期为当地种养废弃物的合理利用、有机肥研发和设施农业的可持续发展等提供技术依据和理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况与试验材料

试验在甘肃省榆中县李家庄田园综合体六区的5号日光温室内进行。该日光温室的栽培年限为3 a,前茬作物为番茄。供试土壤为黄绵土,富含碳酸钙,0～20 cm耕层土壤中,<0.01 mm的矿质颗粒占43.3%,全氮含量0.547 g·kg-1,全磷含量6.655 g·kg-1,全钾含量53.6 g·kg-1,碱解氮含量79 mg·kg-1,速效磷含量131 mg·kg-1,速效钾含量376 mg·kg-1,有机质含量5.31 g·kg-1,电导率(EC)296 μS·cm-1,pH值8.15。

供试西葫芦品种为冬丰5号,由榆中县农业技术推广中心提供。供试化肥为尿素(N含量≥46%)、过磷酸钙(P2O5含量≥16%)、硫酸钾(K2O含量≥52%)。商品有机肥购自兰州大帝长城肥料有限公司。供试种养废弃物原料包括羊粪、尾菜(甘蓝和娃娃菜尾菜)、牛粪、菇渣、玉米秸秆。将上述原料的基本理化性质整理于表1。将各原料按照设计的配方混合,堆置成高1 m、底宽2 m、顶宽1 m、长度不限的台形堆(即切面为梯形),调节堆体含水量至60%～65%。监测堆体顶端25 cm深处的温度,当温度超过70 ℃时,进行第一次翻堆,之后每隔7 d翻混一次。当堆体温度接近环境温度、颜色变褐、有轻微草香味时,发酵完成,需38～40 d。

表1 种养废弃物原料的基本理化性质

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计,共设10个处理：CK1,不施肥(化肥、有机肥均不施);CK2,当地商品有机肥(由羊粪和尾菜按照6.5∶3.5的质量比混合堆肥制成);T1,羊粪和尾菜按照5.5∶4.5的质量比混合堆肥;T2,羊粪、尾菜、牛粪按照6∶3∶1的质量比混合堆肥;T3,羊粪、尾菜、菇渣按照6∶3∶1的质量比混合堆肥;T4,羊粪、尾菜、秸秆按照6∶3∶1的质量比混合堆肥;T5,羊粪、尾菜、牛粪、菇渣按照6∶2∶1∶1的质量比混合堆肥;T6,羊粪、尾菜、牛粪、秸秆按照6∶2∶1∶1的质量比混合堆肥;T7,羊粪、尾菜、菇渣、秸秆按照6∶2∶1∶1的质量比混合堆肥;T8,羊粪、尾菜、牛粪、菇渣、秸秆按照5∶2∶1∶1∶1的质量比混合堆肥。每个处理均重复3次。将不同配方种养废弃物堆肥(T1～T8处理)和当地商品有机肥的基本理化性质整理于表2。

表2 种养废弃物堆肥的基本理化性质

定植前结合整地,按照6 000 kg·hm-2的施用量将各处理的有机肥(堆肥)作为基肥施入。基肥撒施后深翻25～30 cm整平、起垄,定植后及时浇水。采用一垄双行的栽培模式,垄宽80 cm,沟宽40 cm,垄面宽60 cm,栽培密度为18 890株·hm-2,株距100 cm,行距20 cm。除CK1外,各处理统一施用化肥(施用量相同)作为追肥,全生育期的施用量折纯为N 168.22 kg·hm-2,P2O5135.83 kg·hm-2,K2O 166.27 kg·hm-2。西葫芦于2021年9月30日播种,2022年3月20日收获结束,全田间生育期172 d。西葫芦生长期间,根瓜在250～300 g时及时采收,其他瓜不宜超过400 g。灌水、植株调整和病虫害防治均按当地种植习惯统一管理。

1.3 测定指标与方法

于每小区内S形标记5株,摘除根瓜后,记录生育期内总产量。记录标记植株整个生育期内所有果实的鲜重,然后于105 ℃杀青30 min,再在80 ℃烘至恒重后记录干重。拉秧时每小区取完整标记植株,将其分为根、茎、叶、叶柄各部分,分别称量其鲜重,并于105 ℃杀青30 min、80 ℃烘至恒重后记录干重。对植物样品进行H2SO4-H2O2湿氏消解,然后分别采用凯氏定氮法测定全氮含量,钼锑抗比色法测定全磷含量,火焰光度计法测定全钾含量[21]。

在西葫芦拉秧时,取标记植株0～20 cm的表层土壤,风干后过20目筛,用于土壤养分测定[21]。其中,pH值用pH计测定(浸提液的土水质量体积比为 1∶5),有机质含量用重铬酸钾外加热法测定,碱解氮含量用碱解扩散法测定,有效磷含量用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定,速效钾含量采用中性乙酸铵提取-火焰光度计法测定。土壤全氮、全磷、全钾含量的测定方法与植物样品相同。

1.4 数据处理与分析

参照文献[22-23]的方法测定氮(磷、钾)肥利用率。参照文献[24]的方法测定肥料贡献率(FCR)。参照文献[25]的方法测定地上部氮(磷、钾)吸收量和养分收获指数(HI)。

用Excel 2019软件进行数据统计和作图。用SPSS 25.0软件进行单因素方差分析(one-way ANOVA)和皮尔逊(Pearson)相关分析,对有显著(P<0.05)差异的,采用Duncan’s新复极差法进行多重比较。用Origin 2022软件制图。

2 结果与分析

2.1 种养废弃物堆肥对日光温室西葫芦产量和肥料贡献率的影响

与CK2相比,仅T4、T7处理的产量显著升高(表3),增幅分别为23.12%和18.01%,其余处理差异不显著。肥料贡献率以T4处理最高,较CK2显著提升12.90百分点,其余处理的肥料贡献率与CK2均无显著差异。

表3 不同处理对日光温室西葫芦产量和肥料贡献率的影响

2.2 种养废弃物堆肥对日光温室西葫芦干物质积累和分配率的影响

不同处理不仅影响各部分干物质的积累,而且影响干物质在不同部分的分配比例(表4)。在西葫芦的整个生育期,干物质在不同部分中的分配比例和积累量从大到小依次为果实>叶>叶柄>茎>根。T3、T4、T5、T6、T7处理的干物质积累总量较CK2分别显著增加了4.34%、14.69%、5.05%、11.01%、9.97%。与CK2相比,T3、T4、T7处理显著提高了西葫芦根部的干物质积累量,增幅分别为2.87%、4.22%、9.78%。T4、T6、T7处理的茎、叶、果实干物质积累量都较CK2显著提升,增幅分别为13.17%、15.62%、11.13%(茎),8.59%、2.56%、4.43%(叶)和8.40%、8.19%、4.71%(果实)。与CK2相比,T4、T6的叶柄干物质积累量分别显著提高了6.27%、16.72%。

表4 不同处理对日光温室西葫芦干物质积累和分配的影响

2.3 种养废弃物堆肥对日光温室西葫芦氮、磷、钾吸收、分配的影响

与不施肥的对照相比,其他处理均可以促进西葫芦不同部分的氮素积累(表5)。整体来看,不同部分的氮积累量(吸氮量)和分配率从大到小依次为果实>叶>叶柄>茎>根。氮在果实中的分配率达64.09%～71.68%。T4、T6处理果实的吸氮量最高,分别较CK2显著提升31.4%、16.8%。根、茎、叶、叶柄的吸氮量均以T7处理最高,分别较CK2显著提升10.3%、13.8%、22.3%、26.2%。上述结果说明,T4、T6处理更有利于果实的氮素积累,T7处理更有利于根、茎、叶、叶柄的氮素积累。

表5 不同处理对日光温室西葫芦氮素吸收、分配的影响

不同部分的磷积累量(吸磷量)和分配率从大到小依次为果实>叶>叶柄>茎>根(表6)。T4处理茎、叶、果实的吸磷量最高,与CK2处理相比分别显著提高了30.6%、10.4%、50.4%,T7处理的根部积磷量最高,较CK2显著提高了20.9%。T1～T8处理中, T2处理叶柄的吸磷量最低,较CK2处理显著下降了35.5%,而T6、T7处理叶柄的吸磷量与CK2处理无显著差异。上述结果说明,T4处理更有利于促进磷素向茎、叶、果实的输送、积累和分配。

表6 不同处理对日光温室西葫芦磷素吸收、分配的影响

不同部分的钾积累量(吸钾量)从大到小也依次为果实>叶>叶柄>茎>根(表7)。T4处理根、茎、叶、叶柄、果实的吸钾量分别较CK2显著提高了13.5%、7.9%、8.8%、8.1%、11.0%,T7处理的根、茎、果实吸钾量与T4处理无显著差异。总的来看,T4处理更有利于提升整株各部分对钾的积累。钾在果实中的分配率达58.64%～62.45%。

表7 不同处理对日光温室西葫芦钾素吸收、分配的影响

对比西葫芦植株对氮、磷、钾的积累量,以钾素最高,果实的吸钾量是吸磷量的3.51～4.81倍,是吸氮量的3.30～4.46倍,说明西葫芦是高需钾型作物。

2.4 种养废弃物堆肥对日光温室西葫芦氮磷钾元素收获指数的影响

整体来看,施入种养废弃物堆肥后,各处理的磷素收获指数均显著高于CK1(图1);除T1、T2、T7处理(这三者与CK1无显著差异)外,其他处理的氮素指数均显著高于CK1;除T3外,其他处理的钾素收获指数均显著低于CK1。T4、T5、T6处理的氮素收获指数较CK2处理分别显著提高了2.77%、3.78%、3.30%。T4处理的磷素收获指数最高,较CK2显著提升了7.39%。T3处理的钾素收获指数较CK2处理显著提升了3.78%。综上,施用种养废弃物堆肥有助于提升N、P元素的收获指数。

柱上无相同字母的表示处理间差异显著(P<0.05)。Bars marked without the same letters indicate significant difference at P<0.05.图1 不同处理对日光温室西葫芦氮、磷、钾收获指数的影响Fig.1 Effect of different treatments on nitrogen, phosphorus and potassium harvest indices of zucchini in greenhouse

2.5 种养废弃物堆肥对日光温室西葫芦肥料利用率的影响

各处理的氮肥利用率在16.83%～26.33%(表8),T3、T4、T6、T7处理的氮肥利用率较CK2处理分别显著提高2.98、8.19、3.51、3.54百分点。各处理的磷肥利用率在18.32%～33.73%,T3、T4、T5、T6、T7处理的磷肥利用率分别比CK2处理显著提升2.83、12.24、5.17、3.96、5.67百分点。各处理的钾肥利用率在32.96%～61.25%,较氮肥利用率和磷肥利用率都高。与CK2处理相比,T4、T7处理的钾肥利用率分别显著提高了14.38、12.16百分点。总体来看,T4和T7处理能显著提升氮、磷、钾肥的肥料利用率,且以T4处理的效果更好。

表8 不同处理对日光温室西葫芦肥料利用率的影响

2.6 种养废弃物堆肥对日光温室土壤理化性质的影响

与CK2处理相比,T3、T4、T7处理的土壤碱解氮含量分别显著提升了3.28%、6.16%、8.80%(表9),T4、T7、T8处理的速效磷含量分别显著升高了6.92%、1.77%、8.50%,T3、T4、T7、T8处理的速效钾含量分别显著提高了11.37%、15.66%、14.97%、8.89%,T4、T6、T7、T8处理的有机质含量分别提升了9.28%、3.17%、11.16%、9.17%,T4、T7、T8处理的土壤pH值分别显著下降了0.05、0.03、0.08个pH单位,T5、T7、T8处理的土壤电导率(EC)分别较CK2处理显著提高了8.01%、8.63%、6.25%。

表9 不同处理对日光温室土壤理化性质的影响

2.7 各指标的相关性分析

相关性分析结果(图2)显示,西葫芦产量与肥料贡献率、干物质积累总量、氮肥利用率、磷肥利用率、钾肥利用率、磷素收获指数、土壤有机质、土壤碱解氮、土壤速效磷、土壤速效钾呈显著正相关,与钾素收获指数呈显著负相关。肥料贡献率、干物质积累总量、氮肥利用率、磷肥利用率、钾肥利用率、磷素收获指数之间呈显著正相关。土壤有机质、土壤碱解氮、土壤速效磷、土壤速效钾之间相互呈显著正相关。

Yield,产量;FCR,肥料贡献率;TDM,干物质积累总量;NUE,氮肥利用率,NHI,氮素收获指数;PUE,磷肥利用率;PHI,磷素收获指数;KUE,钾肥利用率;KHI,钾素收获指数;EC,土壤电导率;pH,土壤酸碱度;SOM,土壤有机质;AN,土壤碱解氮;AP,土壤速效磷;AK,土壤速效钾。“*”表示相关性达显著水平(P<0.05)。红色越深,相关系数越接近1,说明正相关性越强;蓝色越深,相关系数越接近-1,说明负相关性越强。FCR, Fertilizer contribution rate; TDM, Total dry matter accumulation amount; NUE, N use efficiency; NHI, N harvest index; PUE, P use efficiency; PHI, P harvest index; KUE, K use efficiency; KHI, K harvest index; EC, Soil electrical conductivity; pH, Soil pH value; SOM, Soil organic matter; AN, Soil alkaline hydrolysis N; AP, Soil available phosphorus; AK, Soil available potassium. “*” indicates significant correlation at P<0.05. The redder, the higher positive correlation coefficient to 1; the bluer, the higher negative correlation coefficient to -1.图2 种养废弃物堆肥处理下产量与养分之间相关性分析Fig.2 Correlation analysis between yield and nutrients under planting and breeding waste composting treatment

3 讨论

3.1 种养废弃物堆肥对日光温室西葫芦干物质积累和产量的影响

作物产量的形成过程,实质是干物质生产、分配、运转的过程,产量取决于作物干物质生产量及其向果实运转的分配率[26]。本试验中,相关性分析的结果也表明,产量与干物质积累量显著正相关。本研究表明,与当地商品有机肥处理(CK2)相比,T4、T6、T7处理显著增加了茎、叶、果实的干物质积累量,说明T4、T6、T7处理有利于整株干物质的积累。从堆肥原料配方来看,在羊粪、尾菜的基础上添加秸秆或牛粪、秸秆,可以显著提高西葫芦果实的干物质积累量。原因可能是,添加秸秆、牛粪有助于改善堆沤的水热条件,提高水解酶活性,进而加快堆沤腐解进程[27]。孔涛等[28]、张新建等[29]发现,在蔬菜产量方面,蔬菜废弃物堆肥的效果优于牛粪。李小英等[30]研究表明,施用20 t·hm-2的羊粪有机肥可增强紫甘蓝的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和胞间CO2浓度,进而提高紫甘蓝的光合作用。本试验结果也表明,羊粪、尾菜、秸秆组合的增产效果最优,与上述研究结果一致。本试验还发现,配方中添加牛粪的西葫芦产量低于添加菇渣或秸秆的处理,这与其所含的养分含量有关,也与石晓晓等[31]的研究结果相同。

3.2 种养废弃物堆肥对日光温室西葫芦养分利用的影响

研究发现,有机无机肥配施能够提高作物的当季肥料利用率和单产[32-33]。本试验发现,T4和T7处理较当地商品有机肥能显著提升氮、磷、钾肥的肥料利用率,且所有施肥处理对钾肥利用率的提升效果要高于对氮、磷肥利用率的提升效果。原因可能是,西葫芦是高需钾型蔬菜,而各堆肥配方中的钾含量远高于氮、磷,高需钾作物和堆肥的高钾含量之间形成了耦合作用[34-35]。本研究表明,与CK2相比,T4处理显著提升了果实中的氮、磷、钾含量,T7处理显著提升了根中的氮、磷、钾和果实中的钾含量。一方面,可能是因为T4、T7处理堆肥的有效养分含量相对较高;另一方面,可能是在羊粪、尾菜基础上添加秸秆或菇渣后,增强了微生物与作物根际土壤环境的相互作用,在一定阶段可通过微生物的活化作用调节养分水溶态、吸附态和结合态的比例,从而增加土壤氮、磷、钾的供应,并有效减少氮、磷、钾经地表径流的流失,同时未被植株吸收利用的化肥被生物有机肥中的有益菌吸收消化转化为有机质后再供作物利用,也有助于减少养分的流失,进而提高氮磷钾的积累[36]。T7处理显著提高根中氮、磷、钾含量的原因可能是,菇渣、秸秆堆肥后,可以促进土壤环境中有益微生物的生长繁殖。菇渣和秸秆堆肥后形成的草木灰中本身就含有固氮菌,以及具有解磷、解钾等功能的有益微生物,可以优化根际微生态环境。同时,微生物代谢产生的有机酸也有利于养分的分解。此外,菇渣中丰富的氨基酸等活性物质也有助于提高根系活力,进而促进果实对养分的吸收利用[37]。在配方中降低羊粪比重后,氮、磷、钾肥的肥料利用率降低,可能是因为羊粪对植株生长发育具有正向调控作用,会影响地上部的生长发育和根系的构建[38]。

3.3 种养废弃物堆肥对日光温室土壤理化性质的影响

施肥对于维持农田土壤的可持续生产来说至关重要。农业废弃物与化肥的合理配施利于土壤培肥,能为作物生长发育提供丰富的养分和良好的土壤环境[39-40]。Verleysen等[41]发现,无机肥配施有机肥培肥土壤、提高土壤有机质含量的作用明显。本研究也发现,化肥配施种养废弃物堆肥后,显著提高了土壤碱解氮、速效磷、速效钾、有机质的含量。在羊粪、尾菜的基础上添加菇渣或秸秆或菇渣、秸秆堆肥,施入后显著增加了土壤的碱解氮含量;在羊粪、尾菜的基础上添加秸秆或菇渣、秸秆堆肥,施入后显著增加了土壤的速效钾含量;在羊粪、尾菜的基础上添加秸秆的堆肥,施入后均显著提高了土壤有机质的含量。这一方面可能是因为,大量的种养废弃物堆肥将大量有机质带入土壤,有机质的分解会产生有机酸,在酸溶作用下可促进矿物的风化和养分释放,并通过络合(螯合)作用增加矿质养分的有效性,增加土壤活性炭和活性氮组分,增强与养分转化有关的微生物和酶的活性,从而提高土壤有效养分[42]。另一方面可能是因为,秸秆配合羊粪和尾菜,能够给土壤微生物提供合适的碳、氮养分,从而维持和增加微生物的活性和数量,加速有机物质的分解和矿质养分的转化,进而提高土壤有效氮含量[43]。这与李琳等[44]的研究结果一致。研究表明,中国土壤具有典型的“南酸北碱”特征,尤其是在设施栽培过程中,化肥的过量施用导致其耕层土出现明显的酸化,而施用有机肥不仅能缓解化肥过量施用导致的土壤酸化、养分流失等问题,还可提高土壤中有效养分的含量,改善土壤结构,促进土壤有益微生物的生长,抑制蔬菜病害的发生[45]。但要说明的是,本试验仅进行了一季,后续还应通过定位试验持续关注种养废弃物堆肥对土壤环境的长期影响。

4 结论

本试验研究了种养废弃物堆肥对日光温室西葫芦产量、养分利用和土壤质量的影响。结合试验结果和相关性分析,羊粪、尾菜、秸秆按6∶3∶1的质量比混合、堆肥,施用后,西葫芦获得最大产量。同时,该处理下果实的干物质积累量,氮、磷、钾肥利用率和氮、磷、钾素收获指数均较当地商品有机肥处理显著提高,土壤碱解氮、速效磷、速效钾含量显著提升。研究结果可为当地种养废弃物堆肥配方的优化和陇中半干旱区农牧菜循环模式的构建提供理论参考。