醋糟和菇渣基質改良劑對連作障礙土壤理化性質及栽培黃瓜的影響

周冉冉陳 佩郭世榮*蔡 忠

（1 南京農(nóng)業(yè)大學園藝學院，江蘇南京 210095；2 江蘇興農(nóng)基質科技有限公司，江蘇鎮(zhèn)江 212016）

連作是世界范圍內(nèi)作物栽培普遍存在的現(xiàn)象，但過度、不合理連作常常會導致土壤退化，包括土壤酸化、硬化和養(yǎng)分富集，從而導致土傳病蟲害的發(fā)生，極大地抑制栽培植物的生長并減少作物產(chǎn)量（王長義 等，2020）。在設施農(nóng)業(yè)中，由于長期缺乏雨水侵蝕和過量施肥造成的土壤連作障礙已成為限制植物生長的主要因素之一（劉來 等，2013）。大量研究表明，施用土壤改良劑是緩解土壤連續(xù)種植障礙的有效方法（唐樂 等，2020；王光飛 等，2020）。在連續(xù)種植的土壤中施用秸稈堆肥可以提高土壤持水能力、微生物總生物量并促進植物的生長，提高果實產(chǎn)量（Tian et al.，2016）。同樣，有研究表明，短期秸稈堆肥的添加增強了長期連作黃瓜的根際土壤碳礦化作用并促進了根的生長（Zhang et al.，2014）。此外，堆肥的添加還可以提高有益真菌的豐度并減少病原真菌的數(shù)量，有利于溫室連續(xù)種植條件下黃瓜產(chǎn)量和品質的提高（Zhao et al.，2017）。這些結果表明，土壤改良劑可通過改善土壤理化特性和土壤微生物的結構來減輕連作障礙。

醋生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品醋糟由于其酸度和腐蝕性會嚴重危害環(huán)境。但是，醋糟中含有大量的營養(yǎng)物質和有機物，具有良好的物理和化學特性（余桂紅 等，2020）。有研究表明，醋糟可在厭氧發(fā)酵后用作有機肥料和無土栽培基質（王玉 等，2019）。此外，醋糟堆肥與草炭混合不僅可以促進黃瓜的生長，還能通過調節(jié)生理和生化反應增強植株對枯萎病病原菌的防御能力（Shi et al.，2016）。菇渣是蘑菇生產(chǎn)中的廢棄基質，富含大量營養(yǎng)，也可作為無土栽培的基質和土壤改良劑（張穎 等，2019）。有研究表明，菇渣堆肥可增強重金屬污染土壤的植物響應能力和植物修復作用（Asemoloye et al.，2020）。然而，目前醋糟和菇渣對減輕連作障礙的影響尚不清楚。

黃瓜是設施栽培中廣泛種植的蔬菜，已成為設施栽培主要蔬菜作物之一。但是，由于過分追求經(jīng)濟利益，在設施條件下黃瓜連續(xù)種植引發(fā)的土壤障礙問題逐漸凸顯，嚴重影響了黃瓜的產(chǎn)量和品質。本試驗將經(jīng)過生物發(fā)酵后的醋糟和菇渣以不同比例混合后作為基質改良劑，研究其對連作障礙土壤理化性質和黃瓜生長的影響，以期為醋糟、菇渣有機廢棄物提供一種可供選擇的處理方式，有利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試黃瓜（Cucumis sativusL.）品種為津春4號，由天津科潤農(nóng)業(yè)科技股份有限公司黃瓜研究所提供，發(fā)酵后的醋糟和菇渣基質材料由江蘇興農(nóng)基質科技有限公司提供，商品土壤改良劑由江平生物基質技術股份有限公司提供。連作土壤取自南京農(nóng)業(yè)大學江浦農(nóng)場大棚，連作黃瓜長達8 a。供試土壤的理化性質為：酸堿度（pH）5.58，電導率（EC）0.71 mS·cm-1，容 重1.19 g·cm-3，總孔隙 度48.95%，總氮含量2.01 g·kg-1，總磷含量1.41 g·kg-1，總鉀含量14.27 g·kg-1，堿解氮含量126.14 mg·kg-1，有效磷含量105.62 mg·kg-1，有效鉀含量387.12 mg·kg-1，有機碳含量17.64 g·kg-1。醋糟、菇渣及其混合物和商品土壤改良劑的基本理化性質如表1 所示。

1.2 試驗方法

試驗于2017 年2—7 月在南京農(nóng)業(yè)大學白馬基地進行。醋糟和菇渣基質分別以1∶3、1∶1 和3∶1 的體積比混合作為不同的基質改良劑，將基質改良劑及商品土壤改良劑與連作土壤以1∶10、1∶8 和1∶5 的體積比混合進行連作土壤改良處理。以連作土壤作為對照（CK），共設置12 個處理（表2）。試驗前將發(fā)芽的黃瓜種子播種在裝有育苗基質的32 孔穴盤中，兩葉一心時將幼苗移栽到裝有8 L 不同處理土壤的NAU-G1 培養(yǎng)桶中，放置在南京農(nóng)業(yè)大學的溫室中生長，該溫室溫度保持在（28 ± 1）℃/（19 ± 1）℃（晝/夜），相對濕度為65%～75%。每個處理10 桶，每桶移栽2 株，每天用1/2 濃度的Hoagland 營養(yǎng)液澆灌幼苗。在黃瓜種植前和收獲后，除去栽培桶中的表土，隨機收集0～15 cm 深度的土壤樣品，混合成3 個生物學重復。將樣品風干用于測定土壤理化性質和土壤酶活性。黃瓜定植后20 d（初花期）測定植株的生長指標和生理參數(shù)，收獲期測定黃瓜的果實品質。

表1 基質改良劑的理化性質

1.3 測定方法

1.3.1 土壤理化性質和土壤酶活性 根據(jù)李謙盛等（2003）的方法測定土壤容重和孔隙度。風干的土壤和蒸餾水以1∶5（m∶V）的比例混合，攪拌并浸泡2 h，然后過濾，濾液使用pH 計和電導率計測定pH 和EC 值。采用重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機碳含量（鮑士旦，2000）。取風干的土壤0.5 g 溶于5 mL 濃H2SO4中，滴加H2O2進行消煮，用無磷定量濾紙過濾溶液，并用去離子水稀釋。稀釋液通過電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法測定磷（P）、鉀（K）、鈣（Ca）、鎂（Mg）、鈉（Na）等元素的含量。采用凱氏定氮儀測定總氮（N）的含量。土壤蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性分別采用3，5 二硝基水楊酸比色法、苯酚鈉-次氯酸鈉比色法和磷酸苯二鈉比色法測定（孫正國，2015）。

表2 醋糟和菇渣基質改良劑的不同比例和組成

1.3.2 植株生長指標 定植20 d 后，測定植株的株高、莖粗和地上部干鮮質量。每個處理隨機選擇4 株幼苗，用直尺測量從子葉到生長點的高度為株高，用游標卡尺在子葉以下1 cm 處測量莖的直徑為莖粗。使用電子天平稱量植株地上部鮮質量，然后將樣品在105 ℃下干燥15 min，將溫度降至75℃直至獲得恒重，稱量植株地上部干質量。

1.3.3 產(chǎn)量和品質 每個處理隨機挑選10 株植株掛牌標記，在黃瓜開花后10 d 開始采摘，稱量果實質量，拉秧后計算單株產(chǎn)量。收獲期，每個處理隨機收集6 根黃瓜進行品質測定；可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定，VC 含量采用2，6-二氯酚靛酚滴定法測定，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍法測定。

1.3.4 數(shù)據(jù)分析 灰色關聯(lián)分析可以確定系統(tǒng)中各個因素之間的主要關系，并找出影響目標值的重要因素（Gau et al.，2006）。本試驗確定了理想的參數(shù)指標，并通過灰色關聯(lián)分析法對16 個參數(shù)指標進行綜合分析，得出了相關系數(shù)，從而得出醋糟菇渣基質改良劑改良連作土壤的最佳比例。所有處理和測量均至少進行了3 個生物學重復。采用SPSS統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采用Duncan 法進行多重比較（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 基質改良劑對土壤理化性質的影響

不同比例醋糟和菇渣基質改良劑的使用改變了土壤物理特性和養(yǎng)分含量。如表3 所示，與CK 相比，在連作土壤中施用改良劑顯著降低了土壤的容重，并且隨著改良劑比例的增加，降低效果更加顯著。與CK 相比，C3 處理的容重降低了16.1%。當基質改良劑的添加比例為1∶10 和1∶8 時，這些處理和CK 之間的總孔隙度沒有顯著差異，而處理比例為1∶5 時，雖與CK 也沒有顯著差異，但略有提高。與CK 相比，所有處理的通氣孔隙均增加，尤其是A3、B3 和C3 處理增加顯著。除C3 處理外，各處理持水孔隙與CK 無顯著差異。C3 處理的大小孔隙比是CK 的8.3 倍。

施用基質改良劑后，土壤的養(yǎng)分含量也顯著增加，尤其是有機碳、氮、磷和鈣的含量。與CK 相比，添加基質改良劑后，全氮、全磷、堿解氮和有效磷含量分別增加了12.94%～85.57%、14.89%～43.26%、6.84%～25.68%和16.26%～41.55%（表4），有機碳含量增加了26.6%～144.8%（表5），鈣含量 也增加 了13.48%～75.85%。但是，基質改良劑對全鉀、鎂和鈉的含量幾乎沒有顯著影響。商品土壤改良劑與連作土以1∶5（V∶V）添加的C0 處理的養(yǎng)分含量增量最大。

表4 醋糟和菇渣基質改良劑對種植前土壤氮、磷、鉀含量的影響

表5 醋糟和菇渣基質改良劑對種植前土壤有機碳及鈣、鎂、鈉含量的影響

由圖1 可知，除B2 和B3 處理外，收獲后其他處理的pH 值均比種植前低，但仍顯著高于CK。除了B3、C1、C2 和C3 處理，收獲后與種植前的pH 值均具有顯著性差異。隨著基質改良劑比例的增加，種植前pH 值有增加的趨勢。收獲后，C1、C2 和C3 處理仍具有較高的pH 值。同樣，添加基質改良劑后，除了A0 和C3 處理，其他處理種植前的EC 值均顯著高于CK。與種植前相比，收獲后各處理的EC 值均顯著降低，并且收獲后各處理的EC 值均低于CK。

2.2 基質改良劑對土壤酶活性的影響

如圖2 所示，醋糟和菇渣基質改良劑的應用影響了土壤酶的活性。除B2 和B3 處理外，基質改良劑處理的土壤蔗糖酶活性比CK 顯著增加，其中基質改良劑與連作土壤以1∶5（V∶V）的比例混合時，增加幅度最大。同樣，除了B2 處理，基質改良劑處理的土壤脲酶活性顯著高于CK。然而，部分基質改良劑添加處理，如A1、A2、B1、B2、C2 處理土壤磷酸酶的活性顯著降低，但是C3 處理和添加商品土壤改良劑的C0 處理的土壤磷酸酶活性比CK 顯著增加。

2.3 基質改良劑對黃瓜生長、產(chǎn)量和品質的影響

如 表6 所 示，B3、C1、C2 和C3 處理的株高分別比CK 增加13.35%、20.47%、17.80%和11.57%，且與CK 差異顯著。同時，莖粗、地上部干鮮質量在添加基質改良劑后有所增加，莖粗增 加8.00%～27.00%，地上部鮮質量增加6.60%～40.08%，地上部干質量增加2.45%～40.28%。整體來看，當基質改良劑與連作土壤比例為1∶5（V∶V）時的C 處理組更高。如表7 所示，A2 處理的單株產(chǎn)量最高，比CK 增加19.81%；A 處理組的產(chǎn)量高于其他處理。在CK 和所有處理之間未觀察到可溶性糖含量有顯著差異。然而，添加基質改良劑的處理顯著增加了可溶性蛋白含量（A1 處理除外）和VC 含量（A0 處理除外）。

表6 醋糟和菇渣基質改良劑對黃瓜生長的影響

表7 醋糟和菇渣基質改良劑對黃瓜產(chǎn)量和品質的影響

2.4 灰色關聯(lián)分析

不同比例基質添加處理對土壤改良的影響不同，可以通過不同處理與理想?yún)?shù)之間的相關系數(shù)來表示。采用灰色關聯(lián)法綜合分析不同處理對連作土壤的改良作用。不同處理的相關系數(shù)順序為A2 ＞B1 ＞A1 ＞B2 ＞A0 ＞A3 ＞B0 ＞B3 ＞C1 ＞C0 ＞C3 ＞C2 ＞CK（表8）。其中A2 處理的相關系數(shù)最高，而CK 的相關系數(shù)最低，表明在連作障礙土壤中以1∶10（V∶V）的比例添加醋糟、菇渣基質改良劑（1∶1，V∶V）改良土壤為最佳比例。

表8 不同醋糟和菇渣基質改良處理的相關系數(shù)

3 討論與結論

本試驗通過確定不同比例的醋糟和菇渣基質對土壤理化性質和植物生長的影響，評估了基質改良劑對連作土壤的作用。土壤容重和孔隙度是土壤的兩個重要物理特性，與土壤肥力的協(xié)調、作物根系的延伸以及土壤的物理特性（例如透水性和保水性）密切相關（王瑞 等，2020）。本試驗結果表明，使用醋糟和菇渣基質改良劑可顯著改變土壤物理性質，包括降低土壤容重，增加通氣孔隙和大小孔隙比，這與之前的研究結果一致（王明亮 等，2020）。有研究表明連續(xù)種植會導致土壤有機質含量下降（張立恒 等，2015）。由于基質改良劑中含有大量的有機物，因此改良后土壤的有機碳含量顯著高于對照。林穎等（2018）研究土壤中添加生物炭觀察到相似的結果。同時，本試驗發(fā)現(xiàn)施用基質改良劑增加了土壤氮、磷和鈣的含量，而對全鉀、鎂和鈉的含量沒有顯著影響。一些研究也表明，秸稈還田等改良措施可以增加土壤中總氮的含量（安嫄嫄 等，2020）。使用基質改良劑可能會改變土壤的化學組成，進一步促進植物生長并減少枯萎病等病害的發(fā)生（杜南山，2017）。

研究表明連續(xù)種植黃瓜超過15 年，堿性土壤逐漸變?yōu)樗嵝酝寥溃╖hang et al.，2014），本試驗中對照土壤的pH 值為5.58，表明連作導致土壤酸化。施用基質改良劑可顯著提高pH 值。同時，土壤的EC 值在收獲后較種植前顯著降低，這可能是由于基質改良劑的應用，促進了植物的生長并吸收了更多的營養(yǎng)元素，也可能是由于基質改良劑增加了土壤含水量，抑制了土壤營養(yǎng)元素在地表的聚集。在種植前添加基質改良劑的處理EC 值高于CK（C3處理除外），但收獲后的土壤EC 值比CK 低，表明添加基質改良劑的處理EC 值的減少量大于對照。這可能是由于種植前有機物料的添加增加了土壤養(yǎng)分含量，種植過程中添加基質改良劑的處理能夠更好地促進植株對養(yǎng)分的吸收，進而表明基質改良劑可以改善土壤鹽堿化以促進植株生長。

土壤酶是土壤中最活躍的有機成分之一，直接參與土壤中各種物質的代謝和轉化以及養(yǎng)分的釋放和固定（許云翔 等，2019）。土壤酶的活性是評估土壤肥力和土壤質量的重要指標。在本試驗中，醋糟和菇渣基質改良劑的應用增加了土壤蔗糖酶和脲酶的活性，部分處理增加了磷酸酶的活性。土壤酶活性的增加可以加速土壤養(yǎng)分的轉化和利用，減少土壤中毒素的積累，改善土壤環(huán)境。

本試驗中醋糟和菇渣基質改良劑的使用增加了黃瓜植株莖粗、地上部干鮮質量。隨著添加量的增加，其效果更加明顯。黃瓜的產(chǎn)量和果實品質是評估土壤改良劑應用效果的最重要指標。施用土壤改良劑可提高黃瓜果實中可溶性蛋白含量和VC 含量。同樣，吳平江等（2019）的研究表明生物有機肥的添加提升了黃瓜的品質和產(chǎn)量。

長期連續(xù)種植會改變土壤團聚體結構并導致土壤壓實，從而抑制植物的生長。在本試驗中，醋糟菇渣基質改良劑的施用改善了土壤理化性質，從而促進了植物的生長并提高了果實的產(chǎn)量和品質，這與之前的研究結果一致（吳芯夷 等，2015）。最后，盡管A2 處理的土壤理化特性不是最佳的，但它具有最高的黃瓜產(chǎn)量。根據(jù)灰色關聯(lián)分析，與其他處理相比，A2 處理具有最高的相關系數(shù)，表明A2 處理是醋糟和菇渣基質改良劑改善土壤理化性質、促進黃瓜生長和提高產(chǎn)量的最佳方法。

綜上，在連續(xù)種植的土壤中施用醋糟和菇渣基質改良劑可降低土壤容重，增加土壤有機碳含量、pH、通氣孔隙和土壤酶活性，改善障礙土壤理化性狀，從而促進黃瓜植株對水和養(yǎng)分的吸收利用，有利于植株的生長?；疑P聯(lián)分析表明，與其他處理相比，在連作障礙土壤中以1∶10（V∶V）的比例添加醋糟和菇渣基質改良劑（1∶1，V∶V）可顯著改善土壤理化特性，促進黃瓜生長，提高產(chǎn)量。