不同蚯蚓堆肥方式配施生物炭对设施土壤肥力水平及西瓜产量和品质的影响

董丽华, 游宏建, 雍艳霞, 兰正芳, 马 兰, 张美君, 申佳丽, 安明远, 魏彦凤, 曹云娥

(1.宁夏大学葡萄酒与园艺学院,宁夏银川 750021; 2.宁夏科技发展战略和信息研究所,宁夏银川 750002;3.宁夏回族自治区吴忠市红寺堡区农业农村局,宁夏吴忠 751100)

目前,以日光温室和塑料大棚为代表的设施蔬菜生产已经成为我国蔬菜供应不可或缺的方式[1]。但是,设施蔬菜生产也是一种强烈的人为干预的蔬菜生产模式,化肥、畜禽便等有机肥的过量施用,农药、激素的滥用以及多年的连作,会对设施栽培土壤产生不良影响,如营养元素比例失衡、土壤盐渍化等[2-3]。

生物炭 (biochar)有较大的比表面积,官能团丰富,并且离子交换能力强,从而具有高效的土壤改良作用[4]。研究发现配施高量生物炭可有效促进土壤养分固持,配施低量生物炭可显著提高玉米单株干物质积累[5]。李大伟等研究表明,土壤添加生物炭可显著提高番茄产量和氮素利用率[6]。生物炭的添加在一定程度上也可以缓解土壤退化,并且提高作物的产量和品质。

蚯蚓堆肥(vermicompost)是一种仿造自然、高效且实用的堆肥方式,通过这种方式产生的蚯蚓粪可以调节土壤的性质与结构,在减少水土流失、增加土壤肥力、保持土壤碳平衡、调节土壤的pH值等方面效果显著[7]。蚯蚓粪的主要成分是通过蚯蚓分泌物之间的反应所形成的腐殖质,其中蚯蚓粪中腐殖质的含量可高达10%～25%,且腐殖质不仅可为作物生长和发育提供营养,还能持续改善土壤养分结构和阳离子交换能力[8-9]。蚯蚓粪中腐殖质的强度还可以固定更换可交换态重金属,持续降低土壤重金属的有效性[10]。但是关于不同蚯蚓堆肥方式与生物炭协调作用对土壤养分和植株生长方面影响的研究较少。所以,本试验在连作3年的日光温室土壤内,研究不同蚯蚓堆肥处理方式和不同生物炭比例质配对设施土壤肥力状况、西瓜产量及品质的影响,旨在利用蚯蚓堆肥和生物炭联合处理下的新型栽培模式为设施蔬菜的无公害生产提供科学与理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2021年3—7月在宁夏贺兰宁夏园艺产业园(106°16′E,38°20′N)的日光温室(温室长 80 m,跨度9 m,脊高3.7 m)进行,园区内年降水量180～200 mm,其中降水量约80%都集中在6—8月,年平均气温8.5 ℃,无霜期185 d左右,具有典型的大陆性气候特点[11]。

试验供试西瓜品种为黄金宝,蚯蚓为赤子爱胜蚓,由宁夏万辉生物环保科技有限公司提供;供试的蚯蚓粪由宁夏万辉生物有限公司提供;供试生物炭,由上海海诺炭业有限公司提供。基本养分如表1所示。

表1 供试材料的基本养分含量

1.2 试验设计

蚯蚓原位堆肥处理[12]是笔者所在课题组经过长期研究发明出来的一种新型栽培模式:每个小区设置2条垄,均宽0.4 m,长7.0 m。分别作为种植垄和养殖垄,养殖垄用腐熟1个月后的牛粪(179.4 t/hm2)作为蚯蚓培育垄,蚯蚓投放量 1.76 t/hm2,垄上布置2条滴灌带,滴头间距0.3 m,每日滴水,使养殖垄湿度达到55%即可;种植垄是利用蚯蚓将牛粪及蔬菜秸秆腐熟后产生的蚯蚓粪做栽培基质。每一茬拉秧结束后,将种植垄与养殖垄互换,蚯蚓会随着滴灌水源进行切换,移动到另一侧,无需再次投放蚯蚓。而蚯蚓异位堆肥是将已经腐熟好的蚯蚓粪直接均匀地撒施在栽培垄上,按照垄高0.2 m,宽 0.4 m,长7.0 m进行根区土壤替代。

试验采用单因素随机区组设计,设计7个处理,每个处理种植3垄,1垄30株。具体试验设计如下,对照(CK):未添加蚯蚓原位堆肥与生物炭;T1:蚯蚓原位堆肥;T2:蚯蚓异位堆肥(以牛粪为基肥,将蚯蚓置于其中,消解所得的产物即为蚯蚓粪,而后均匀撒在栽培垄上);T3:蚯蚓原位堆肥+生物炭1.5 t/hm2;T4:蚯蚓异位堆肥+生物炭1.5 t/hm2;T5:蚯蚓原位堆肥+生物炭3.0 t/hm2;T6:蚯蚓异位堆肥+生物炭3.0 t/hm2。整个种植期间,采用水肥一体化滴管装置进行水肥管理。定植后,采用园试配方1/2倍液进行灌溉。灌溉上限和下限分别为基础土样田间持水量的90%和70%[13]。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 土壤理化性状指标测定 分别于拉秧期采用五点取样法采集各处理0～20 cm耕层基质样品,自然风干,除去杂物,经充分混匀,过2 mm筛后,测定土壤理化指标[14]。土壤养分指标及土壤酶活性指标参考《土壤农化分析》[15]进行测定。

1.3.2 西瓜光合作用的测定 西瓜定植40 d后,在09:00—11:00测定西瓜功能叶的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、对水汽的气孔导度(Gs)和胞间二氧化碳浓度(Ci)。每个处理重复3次,以LED为光源,用PPSystems公司生产的CIRAS-3光合测定仪测定,测定条件为光照度 1 100 μmol/(m2·s),二氧化碳浓度为(410±10) μmol/mol[16]。

1.3.3 西瓜果实产量与品质指标的测定 在果实成熟期,分别从每个处理中采收6个果实,记录不同小区西瓜的产量,按照小区面积折合为每公顷的最终产量,并测定果实品质。果实品质指标的测定参考《植物生理学实验指导》[17]。

1.4 数据处理

数据统计采用Excel 2021,数据分析采用SPSS 20.0和Origin 2018。 计算各不同处理对西瓜生长及生理特性标准化后数据的综合指标的隶属函数值[18]。用SPSS软件进行主成分分析、相关性分析和数据标准化处理,得出因子得分系数矩阵与权重(Wn),计算综合评价F值。

2 结果与分析

2.1 不同蚯蚓堆肥配施生物炭对土壤理化性状和酶活性的影响

2.1.1 土壤理化性状 如表2所示,蚯蚓原位堆肥(T1、T3、T5)和异位堆肥(T2、T4、T6)处理下土壤pH值显著降低,EC值显著升高,说明蚯蚓堆肥均可显著降低土壤的pH值,缓解土壤的盐渍化问题。相较于CK,经过蚯蚓堆肥配施生物炭后,土壤的速效氮、速效磷、速效钾、有机质含量显著增加,且最高值均出现在T5处理,相较于CK,T5处理的速效氮、速效磷、速效钾、有机质含量分别提高了168.37%、78.29%、73.21%、390.36%。而且,在等量生物炭的添加下,相较于蚯蚓异位堆肥,蚯蚓原位堆肥提高土壤养分的能力更明显,且蚯蚓原位堆肥无需每一茬定植前重新投放蚯蚓,其堆肥的制作和使用成本也大大降低。

表2 不同蚯蚓堆肥配施生物炭对土壤理化性状的影响

2.1.2 土壤酶活性 通过蚯蚓堆肥配施生物炭处理,可以活化土壤中的微生物,从而直接或间接地提高了土壤的酶活性。如表3所示,通过不同蚯蚓堆肥配施生物炭显著增加了土壤的酶活性(P<0.05),其中,最高值均出现在T5处理,相较于CK,T5处理的脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶和磷酸酶活性分别提高了176.80%、68.66%、31.71%、388.35%。相较于蚯蚓异位堆肥,在同等生物炭的添加下,蚯蚓原位堆肥提升土壤酶活性的效果更明显。

2.2 不同蚯蚓堆肥配施生物炭对西瓜叶片光合作用的影响

通过不同蚯蚓堆肥方式处理后,可显著改善土壤的肥力状况,进而影响西瓜植株吸收的养分,直接或间接地提高植物的光合作用。由图1 可知,相较于CK,经过蚯蚓原位堆肥配施生物炭后,西瓜叶片的净光合速率、对水汽的气孔导度、蒸腾速率和胞间二氧化炭浓度均显著增加,其中,西瓜叶片的蒸腾速率相较于CK,T1～T6分别提高了19.50%、9.13%、60.58%、36.10%、78.01%、71.37%;净光合速率分别比CK提高了14.92%、7.34%、26.00%、12.23%、37.06%、13.58%;胞间二氧化炭的浓度分别比CK提高了9.00%、1.39%、52.06%、45.53%、55.43%、37.43%;对水汽的气孔导度分别比CK提高了9.44%、1.90%、31.57%、14.43%、96.30%、85.86%。

2.3 不同蚯蚓堆肥配施生物炭对西瓜植株养分及生物量的影响

2.3.1 对西瓜植株养分的影响 蚯蚓堆肥是通过蚯蚓消解牛粪或秸秆产生蚯蚓粪,提高土壤的肥力水平,从而影响西瓜植株养分的吸收。由表4可知,通过不同蚯蚓堆肥配施生物炭后,相较于CK,西瓜植株的全氮、全磷、全钾含量均有不同程度的增加,且差异显著(P<0.05),其中,植株全氮含量相较于CK,T1～T6分别提高了34.49%、16.52%、61.44%、45.51%、66.96%、41.16%;全磷含量分别提高了46.22%、26.22%、61.33%、53.78%、154.22%、92.44%;全钾含量分别提高了28.39%、11.86%、183.05%、144.49%、188.56%、150.00%。在同等生物炭的添加下,蚯蚓原位堆肥对于植株养分的增加效果优于蚯蚓异位堆肥。

表4 不同蚯蚓堆肥配施生物炭对西瓜植株养分的影响

2.3.2 对西瓜植株生物量的影响 如图2所示,不同蚯蚓堆肥处理配施生物炭对西瓜植株的地上部和地下部生物量有显著影响(P<0.05)。其中,与对照相比,地上部生物量T1～T6分别提高了27.36%、14.66%、68.73%、55.05%、72.96%、41.04%,地下部生物量分别提高了42.86%、17.86%、53.57%、51.79%、86.61%、47.32%,且蚯蚓原位堆肥处理优于异位堆肥。

2.4 不同蚯蚓堆肥配施生物炭对西瓜品质和产量的影响

由图3可知,相较于CK,蚯蚓原位堆肥(T1、T3、T5)和异位堆肥(T2、T4、T6)处理下,西瓜维生素C、可溶性固形物、可溶性糖含量和西瓜产量显著增加,有机酸和硝酸盐含量显著降低。其中,相较于CK,维生素C、可溶性固形物含量的增幅在0.91%～110.11%不等,可溶性糖含量T3～T6的增幅在4.13%～50.52%不等,有机酸和硝酸盐含量的降幅在9.06%～47.96%不等;对于西瓜的产量来说,T1～T6分别比CK提高了31.90%、17.74%、31.65%、35.63%、68.65%、47.72%。说明不同的蚯蚓堆肥处理配施生物炭显著提高了西瓜的品质和产量,且相较于不同蚯蚓堆肥,蚯蚓原位堆肥处理的果实品质和产量整体优于蚯蚓异位堆肥。

2.5 不同蚯蚓堆肥配施生物炭处理间的隶属函数分析

在主成分分析的基础上,为更直观反映不同蚯蚓堆肥处理配施生物炭对土壤养分和西瓜植株产量和品质的影响,进一步分析了综合指标及隶属函数,结果如表4所示。利用模糊隶属函数分析方法全面、客观地反映不同蚯蚓堆肥处理配施生物炭对土壤养分和西瓜植株产量和品质的影响,并根据D值得出综合排名,综合排名为T5>T3>T4>T6>T1>T2>CK,说明蚯蚓原位堆肥配施生物炭处理效果优于蚯蚓异位堆肥配施生物炭。

3 讨论

3.1 不同蚯蚓堆肥配施生物炭处理可改善土壤肥力水平和理化性状

本研究发现,通过添加蚯蚓堆肥所产生的蚯蚓粪和生物炭显著降低了土壤的pH值,增加了土壤的EC值,提高了土壤中速效氮磷钾含量和有机质含量,且蚯蚓原位堆肥效果优于蚯蚓异位堆肥。而且,在同量生物炭的添加下,蚯蚓原位堆肥处理的pH值、EC值低于蚯蚓异位堆肥处理,说明蚯蚓原位处理可以缓解部分土壤退化问题。Wang等也发表过相似结论[19]。蚯蚓原位堆肥能对连作土壤的肥力和理化性状起到一个很好的改善效果,得到这种结果有2个原因:一个是由于蚯蚓原位堆肥消解的牛粪富含有机质, 而且随着其在土壤中的施加量越大,对土壤肥力的改善越明显。此外还能降低土壤容重、增加土壤孔隙度、提高土壤保持水肥能力等土壤物理性状;其次是因为蚯蚓的日常活动,不仅可以改变土壤质地,而且能够使土壤富含有机质,有利于作物根系延伸[20]。此外,曹云娥等研究发现,蚯蚓堆肥中有益微生物数量显著高于土壤中有益微生物,而且蚯蚓原位堆肥中有益微生物丰度高于蚯蚓异位堆肥,有益微生物能够改善土壤的物理、化学和生物学性质,如促进土壤有机质的分解和养分的矿化,从而有利于植物对营养元素的吸收[12]。本研究表明,不同蚯蚓堆肥配施生物炭处理均显著提高了土壤蔗糖酶、过氧化氢酶、脲酶和磷酸酶活性,土壤酶活性是影响土壤质量好坏的直接因素,其活性的强弱反映了土壤养分转化的强弱[21-22]。已有研究表明,土壤中的大多数酶是由土壤中的微生物、植物根系以及土壤中其他生物细胞共同作用而产生的,如蔗糖酶、磷酸酶、过氧化氢酶等[23-24],本研究中添加蚯蚓堆肥所产生的蚯蚓粪和生物炭处理可显著增加土壤微生物的丰度和多样性,并且蚯蚓粪和生物炭释放的可溶性组分,与微生物发生反应,从而使土壤微生物分泌土壤酶的含量及活性有所差异[25]。因此,蚯蚓堆肥和生物炭的添加,可以活化土壤酶活性,促进微生物的活动,并且蚯蚓原位堆肥省略了每次添加蚯蚓这一步骤,从而使其堆肥的制作时间和成本大大降低(无需占地和二次运输)。

3.2 不同蚯蚓堆肥配施生物炭处理提高西瓜的光合作用和生物量

植物光合作用是将所吸收的光能转化为植物本身能够利用的化学能的过程[26],其直接反映了植株对逆境的响应能力[27]。本研究表明,通过添加蚯蚓堆肥配施生物炭显著提高了叶片的气孔导度和胞间CO2浓度,原因可能是通过蚯蚓堆肥和生物炭改变了土壤中的水势,使得西瓜根系吸水能力增强,叶片的气孔导度变大,蒸腾速率随之增大,而气孔导度变大又直接导致西瓜叶片胞间CO2的浓度变大。另外,通过蚯蚓堆肥和生物炭的添加,西瓜叶片的净光合速率明显提升,可能是由于蚯蚓堆肥和生物炭的添加,导致土壤孔隙增大,提高了土壤的透气性,从而改善了土壤养分的供应,使植株能更好地从土壤中汲取养分,促进植株更好地生长,这与前人研究结果[28]一致。

本研究表明,通过不同的蚯蚓堆肥方式,添加生物炭后,均可以提高西瓜植株地上部和地下部的生物量。前人研究表明,通过添加蚯蚓堆肥所产生的蚯蚓粪和生物炭均可促进植物生长[29]和干物质的积累[30]。原因可能是:一方面通过生物炭的添加,促进了植株分泌生长素,使植物细胞扩增,进而促进生物量的积累[31];另一方面,通过蚯蚓粪的添加持续改善土壤养分,并且蚯蚓粪含有较高的利于植物吸收的部分大量元素和微量元素[32-33],改善西瓜植株根部周围环境的理化性质并促进根部吸收营养,从而导致西瓜生物量的增加。

3.3 不同蚯蚓堆肥配施生物炭处理提高西瓜植株的产量和品质

在本研究中,不同位置的蚯蚓堆肥配施不同量生物炭显著提高了西瓜植株的生理代谢,促进了植株的生长。原因可能是蚯蚓堆肥产生的蚯蚓粪中含有丰富的养分,将蚯蚓粪置于土壤后会使土壤中微生物的多样性以及土壤酶活性增加,可以持续改善土壤肥力状况,为西瓜植株持续提供营养成分,从而直接或间接地提高植株的光合作用,从而提高西瓜的产量和品质。Ievinsh研究发现,蚯蚓粪中含有丰富的腐殖酸,而腐殖酸对植物生长和产量具有明显的改善作用,能够显著增加植株的株高、叶面积[34]。陈玲玲等研究发现,蚯蚓粪中同样含有大量有机酸,当蚯蚓粪施入土壤后,有机酸能够促进土壤中某些不溶矿物的溶解,有利于植物对于营养元素的吸收,持续促进植株的生长发育[35-36]。本研究中,蚯蚓堆肥配施生物炭处理都显著提高了西瓜果实品质,如可溶性糖、可溶性固形物和维生素C的含量,降低了有机酸和硝酸盐的含量。说明蚯蚓粪和生物炭的施入在提高西瓜品质方面具有良好效果,这与Zaller的研究结果[37]一致。值得注意的是,蚯蚓原位堆肥对西瓜植株的生长、产量和品质提高效果优于蚯蚓异位堆肥,其原因是蚯蚓原位堆肥对土壤理化性质以及土壤酶活性的影响优于蚯蚓异位堆肥,而土壤理化性质及土壤酶活性是直接或间接改善土壤细菌菌落的组成和提升连作土壤质量的原因。

4 结论

蚯蚓原位堆肥配施生物炭和蚯蚓异位堆肥配施生物炭处理均显著降低了土壤的pH值、EC值,缓解了连作土壤的酸化和盐渍化程度;且提高了土壤养分及有机质的含量,促进了西瓜植株的生长,提高了西瓜植株的养分、产量和品质。通过隶属函数分析,T5处理最好,也就是蚯蚓原位堆肥配施生物炭3.0 t/hm2。

综上,不管是蚯蚓原位堆肥还是异位堆肥,均能显著改善土壤的肥力水平。蚯蚓原位堆肥相较于异位堆肥效果较好,且成本较低。因此,在生产上优先推荐使用蚯蚓原位堆肥。