施肥對連作大棚蔬菜產量、土壤養(yǎng)分和微生物種群的影響

蔣玉根，邵賽男，蔣沈悅，張奇春，徐君，周成云，羊國芳，張立群，夏曉燕

(1.杭州市富陽區(qū)農業(yè)技術推廣中心，浙江 杭州 311400； 2.浙江華再環(huán)境技術有限公司，浙江 杭州 311108;3.浙江大學 環(huán)境與資源學院，浙江 杭州 310058)

大棚種植是一種受人為因素作用十分強烈的土地利用方式，復種指數(shù)高，施肥、灌溉、耕作頻率都超過一般農田，加上得不到自然降水淋洗的人工保護條件，土壤理化性狀發(fā)生了很大改變，逐步形成了高度熟化、有別于一般農田的“人為土壤”[1]。目前，大棚種植的配套技術仍不成熟，農戶普遍將露地施肥的習慣盲目地應用于大棚種植中，隨著種植年限延長，由于過量使用化肥而引起的鹽分障礙和離子拮抗所造成的微量元素不足致使土壤的理化性狀和營養(yǎng)平衡遭到破壞，導致連作障礙嚴重，各種生理病害、土傳病害大量發(fā)生，嚴重影響作物的產量和品質[2]。此外，大棚蔬菜生產中偏施化肥的現(xiàn)狀加上設施內土壤缺乏雨水淋溶，土壤的物理結構也極易被破壞，土壤鹽分大量累積[3]。為了降低大棚蔬菜栽培的化肥施用量，提高有機肥替代化肥的力度，特于2013年設置有機與無機相結合的長期定位監(jiān)測試驗，分析不同肥料及其組合對土壤肥力和微生物種群的影響，以期為大棚蔬菜的科學施肥提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 田間監(jiān)測點建設與處理設計

監(jiān)測點建立在杭州市富陽區(qū)富春街道春華村金國祥蔬菜基地，該基地從20世紀80年代開始發(fā)展蔬菜種植。監(jiān)測點于2013年8月建立，至2018年底共種植了17茬作物。監(jiān)測點分為4個處理，不設重復：處理1(CK)，空白，不施任何肥料；處理2，純化肥處理，按作物需求設置化肥需肥量和需肥時期；處理3，沼液與化肥混合施用區(qū)，每667 m2每季作物施用沼液100 t，化肥用量為純化肥處理的1/2；處理4，商品有機肥與化肥的混合施用區(qū)，每667 m2每季作物施用商品有機肥350 kg，化肥用量為純化肥處理的1/2。CK的小區(qū)面積為16.5 m2，處理2～4的小區(qū)面積均為33.0 m2。小區(qū)之間用水泥現(xiàn)澆隔離。

1.2 樣本采集與分析

對監(jiān)測點每個小區(qū)的作物產量都分別進行收割稱量測產，并在每季作物收獲后采集土壤樣本，測定水溶性鹽總量、陽離子交換量、pH值，以及有機質、全氮、有效磷、速效鉀含量。上述指標均按照相關檢測標準，由富陽區(qū)土壤肥料檢測中心檢測。

于2017年7月番茄采收后，由浙江大學張奇春老師進行土壤鮮樣采集，基于磷脂脂肪酸(PLFA)分析土壤微生物樣本，具體地，采用修正的Bligh & Dyer方法進行脂類提取和磷酸酯脂肪酸分析?；静襟E如下：將新鮮土樣在-20 ℃條件下冰凍干燥，然后過100目(孔徑0.149 mm)篩。取2.0 g樣品于干凈的試管內，用氯仿-甲醇-檸檬酸緩沖液(體積比1∶2∶0.8)振蕩提取脂類，通過硅酸柱層析法分離得到磷酸酯脂肪酸，然后經堿性甲酯化后用氣相色譜分析各種脂肪酸的含量。

2 結果與分析

2.1 對作物產量的影響

從產量數(shù)據(jù)(表1)來看，相較于CK和純化肥處理，化肥用量減半搭配沼液或商品有機肥的處理，作物產量增加。但隨著種植年限的增加，同一作物的產量在后期逐茬減產，有些茬口產量極低，如2016年第一季和第二季，這一方面與作物的重茬有關，但更大的原因可能與土壤的酸化，及土壤微生物種群惡化相關。

土壤酸化與次生鹽漬化嚴重影響蔬菜生長、品質[4]。土壤酸化對作物根系生長具有不利影響。在酸性土壤中，植物生長會受到低pH值脅迫[4]。有研究報道，在大量施用化肥、周年覆蓋的不間斷生產下，出現(xiàn)了土壤板結、植株早衰、苗老而不發(fā)等現(xiàn)象[5]。

表1 不同處理各季作物的產量

注：表中產量數(shù)據(jù)系根據(jù)小區(qū)實測產量換算而來。

2.2 對土壤理化性狀的影響

如圖1所示，土壤水溶性鹽總量，CK除一個監(jiān)測季數(shù)據(jù)呈上升趨勢外，其他監(jiān)測季的數(shù)據(jù)都呈下降趨勢，特別是前2 a直線下降，后4 a緩慢下降；處理2～4各監(jiān)測季之間土壤水溶性鹽總量變異較大，特別是前幾年的數(shù)據(jù)，但2017年以后變化趨勢較為一致?？傮w來看，至本研究結束時止，處理2呈上升趨勢，處理3與監(jiān)測點建立前基本持平，處理4較監(jiān)測點建立前略有上升。這可能是因為過量施肥和常年連作致使肥料中的鹽分離子逐年累積于土壤中[4]。

月份序號：1—2013年8月；2—2013年12月；3—2014年5月；4—2014年8月；5—2014年11月；6—2015年7月；7—2015年8月；8—2016年5月；9—2016年8月；10—2017年6月；11—2017年11月；12—2018年5月；13—2018年9月(圖2～7同)。圖1 監(jiān)測點各處理的土壤水溶性鹽總量變化

從圖2可以看出，相較于監(jiān)測點建立前，至本研究結束時，CK和處理4的pH值上升，而處理2和處理3的pH值下降，特別是添加沼液的處理3，其降幅較純化肥的處理2更大。研究表明，化學氮肥用量的增加，尤其是在大棚栽培的特定條件下，會導致土壤酸化[6]，長期單一施用無機肥會造成土壤嚴重酸化，而有機、無機肥料配施則可以避免此種情況發(fā)生[4]。這與本研究結果較為一致。

圖2 監(jiān)測點各處理的pH值變化

從圖3可以看出，CK的土壤有機質含量一直呈下降趨勢，而處理4的土壤有機質含量在不同監(jiān)測季之間變異較大，但總的呈上升趨勢，而處理2和處理3的土壤有機質含量總體呈下降趨勢。

圖3 監(jiān)測點各處理的土壤有機質含量變化

從圖4可以看出，CK各監(jiān)測季的土壤有效磷含量變化較小，但總體呈下降趨勢，處理2的土壤有效磷含量呈緩慢上升趨勢，處理3和處理4不同監(jiān)測季之間變異較大，總體呈上升趨勢，且增幅要大于處理2。

圖4 監(jiān)測點各處理的土壤有效磷含量變化

從圖5可以看出，CK的土壤速效鉀含量呈緩慢下降趨勢，其他處理的土壤速效鉀含量在不同監(jiān)測季間變異較大，但總體呈上升趨勢，其中，處理2、處理3要比處理4增加得更快。

圖5 監(jiān)測點各處理的土壤速效鉀含量變化

從圖6可以看出，相較于監(jiān)測點建立前，至本研究結束時，CK、處理2、處理3的土壤全氮含量呈下降趨勢，而處理4略增。

圖6 監(jiān)測點各處理的土壤全氮含量變化

從圖7可以看出，相較于監(jiān)測點建立前，至本研究結束時，CK的陽離子交換量下降明顯，處理2和處理3略有下降，處理4上升明顯。合理配施有機肥是減少土壤酸化、次生鹽漬化的重要措施之一，增施有機肥可提高土壤交換性鹽基離子含量，使得電導率(EC)和pH值隨有機肥施用比例提高而升高[4]。

圖7 監(jiān)測點不同處理的土壤陽離子交換量變化

2.3 對土壤微生物種群的影響

采用修正的Bligh & Dyer方法進行脂類提取和磷脂脂肪酸分析。特定脂肪酸的排列為碳的數(shù)目：雙鍵的數(shù)目，隨后跟隨雙鍵的位置(甲基端起)，c、t分別表示順式和反式脂肪酸，a和i分別指反異支鏈脂肪酸和異式支鏈脂肪酸，br表示未知結構的支鏈脂肪酸，cy表示環(huán)狀脂肪酸，10Me表示第十個碳原子的甲基(從羥基端起)。以18∶2w6,9作為真菌的特征脂肪酸，格蘭氏陽性菌與格蘭氏陰性菌之比通過16∶0(10Me)、17∶0(10Me)、18∶0(10Me)、i15∶0、i17∶0、a17∶0脂肪酸之和與16∶1w5、16∶1wt、16∶1w9、cy17∶0、18∶1w5、18∶1w7、cy19∶0脂肪酸之和的比值估算。

從表2的分析數(shù)據(jù)看出，各個處理的土壤均含有各種飽和的、不飽和的、分支的，及環(huán)狀的脂肪酸。本試驗共鑒定了C15到C20的22種脂肪酸，它們的相對含量如圖8所示?？梢钥闯?，各處理的磷脂脂肪酸含量表現(xiàn)出一定差異。比如，具有分支的磷脂脂肪酸i16∶0和i15∶0的物質的量占比在所有處理中均以處理4最高，而單不飽和脂肪酸16∶1w7和16∶1w5的物質的量占比則以處理2較高。各處理中的優(yōu)勢類群為16∶1ω7c、16∶1ω5c和16∶0，CK中優(yōu)勢類群占PLFA總量的75.9%，處理4中優(yōu)勢類群占83.4%，處理3中優(yōu)勢類群占77.2%，處理2中優(yōu)勢類群占76.9%。

表2 表征微生物的PLFA

圖8 不同處理脂肪酸的檢測結果

本研究中，脂肪酸主要以直鏈飽和脂肪酸和單烯脂肪酸為主，相對含量占總量的80%左右，其次是支鏈飽和脂肪酸。直鏈飽和脂肪酸占PLFA總量的29.44%～37.51%。在不同的施肥處理中，直鏈飽和脂肪酸的含量占比依次表現(xiàn)為處理4>CK>處理3>處理2(表3)；單烯脂肪酸是革蘭氏陰性細菌的生物標記物，占PLFA總量的49.04%～53.88%。支鏈飽和脂肪酸是革蘭氏陽性細菌的生物標記物，處理1～4中支鏈飽和脂肪酸分別占PLFA總量的11.71%、14.77%、14.31%、11.35%，說明革蘭氏陽性細菌在各處理中所占的比例依次為處理2>處理3>CK>處理4。

不同處理下表征土壤微生物的真菌和放線菌PLFA含量差異顯著(表4)，表征細菌的PLFA含量無顯著差異。處理2和處理3的真菌PLFA含量顯著高于其他處理，處理2的放線菌PLFA含量最高，顯著高于其他處理。這些結果說明，不同施肥處理改變了土壤微生物群落結構。

表3 不同處理土壤磷脂脂肪酸類型的數(shù)量及其比例

注：比例為對應處理下相應類型脂肪酸占全部磷脂脂肪酸的比例。

表4 不同處理土壤微生物的群落結構

注：同列數(shù)據(jù)后無相同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

3 小結

本研究表明，長期單一施用化肥加重了土壤酸化和次生鹽漬化，破壞了土壤結構。減少化肥施用量緩解了酸性、生理酸性肥料在土壤中的累積。施肥可以在一定程度上提高土壤的速效養(yǎng)分，但對維持土壤有機質的平衡不利，有機無機配合施用更有利于保持土壤有機質的穩(wěn)定，從而提高土壤的酸堿緩沖容量。不同施肥處理改變了土壤微生物種群結構，特別是純化肥處理下，真菌和放線菌等有害菌數(shù)量增加，加重了土壤連作障礙發(fā)生的機會。

減少化肥用量，尤其是氮肥用量是減緩設施土壤酸化、次生鹽漬化的重要措施。在農民習慣施肥量的基礎上適當減少化肥施用量，既可保證作物產量不下降，且能降低土壤鹽分累積，節(jié)約成本，提高經濟效益。因此，在蔬菜作物上采用有機肥部分替代化肥是可行的。但要注意的是，長期過量施用有機肥亦會造成土壤中硝酸鹽的累積和淋溶，加重土壤酸化、次生鹽漬化，影響蔬菜的生長，降低蔬菜的品質；因此，有機肥也要科學合理使用。