生物炭與生物基質(zhì)對(duì)設(shè)施黃瓜連作土壤改良效果研究

周冉冉，馬司光，張文晶，王 晗，魯 凡，蔡 忠，郭世榮*

（1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院，江蘇 南京 210095；2.江蘇興農(nóng)基質(zhì)科技有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212016）

【研究意義】近年來我國設(shè)施產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，設(shè)施栽培面積迅速增加。但由于集約化種植，復(fù)種指數(shù)較高，連作障礙成為制約設(shè)施蔬菜發(fā)展的主要瓶頸[1]。連作障礙引起了作物生長狀況變差，作物產(chǎn)量降低，同時(shí)還導(dǎo)致設(shè)施土壤酸化、次生鹽漬化、土壤養(yǎng)分缺失，土壤酶活性紊亂、自毒物質(zhì)積累，微生物群落失衡等現(xiàn)象[2]。【前人研究進(jìn)展】有研究表明作物連作后土壤容重增大，保肥能力下降，且土壤酸化鹽漬化加重[3]。目前，黃瓜作為設(shè)施蔬菜主要作物普遍栽培，連年栽培已經(jīng)引起了黃瓜設(shè)施土壤酸化，產(chǎn)量和品質(zhì)下降等問題。有機(jī)材料具有豐富的營養(yǎng)且能夠改善土壤環(huán)境，為有益微生物提供了有利的生長環(huán)境，并增加了一些土壤酶的活性。土壤酶作為一類活性物質(zhì)可以促進(jìn)土壤有效養(yǎng)分的增加，并且可以表征土壤質(zhì)量[4]。因此，施用有機(jī)材料提高土壤保肥能力，增加土壤酶活性，提高土壤可持續(xù)生產(chǎn)力是解決連作障礙的有效方式。我國是食醋和食用菌生產(chǎn)大國，每年醋糟、菇渣廢棄物排出約200萬噸[5]，有效利用醋糟、菇渣等有機(jī)廢棄物意義重大。大量研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)固體廢棄物（如園林廢棄物、醋糟、生物炭、木薯渣、動(dòng)物糞便等）經(jīng)過生物發(fā)酵充分腐熟后形成的生物基質(zhì)具有較好的理化性質(zhì)，含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，含有促進(jìn)植物生長、抑制病原菌繁殖的促生菌，可以用來改良土壤的理化性質(zhì)，提高土壤肥力，促進(jìn)作物的生長等[6-9]。生物炭源自部分燒焦有機(jī)物富含碳的殘?jiān)牧?，作為土壤改良劑已被廣泛研究。它具有較大的比表面積和豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，且表面富含較多的活性氧基團(tuán)，已有研究表明生物炭具有提高土壤肥力、固碳減排、緩解連作障礙的作用[10-11]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】然而，目前大量研究僅探討單一改良劑對(duì)土壤性狀及作物產(chǎn)量的影響[12-13]，或者研究連作條件下土壤性狀的變化[14-15]，一次性施入單一或混配改良劑對(duì)連作土壤的持續(xù)效應(yīng)研究卻鮮有報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】為提高有機(jī)廢棄物和生物炭的資源利用率，本試驗(yàn)將單一生物炭、生物基質(zhì)及混配改良劑一次性施入連作土壤，連續(xù)種植兩茬后測定土壤理化性狀、土壤酶活及黃瓜生長指標(biāo)，探索改良劑對(duì)土壤養(yǎng)分的保持和連作障礙的緩解作用，為促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供思路。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試黃瓜（Cucumis sativusL.）品種為‘津春4 號(hào)’，由天津科潤農(nóng)業(yè)科技股份有限公司黃瓜研究所提供；供試連作土壤為南京林業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生態(tài)園連棟塑料大棚內(nèi)連續(xù)種植9 年黃瓜等瓜類蔬菜的土壤，供試土壤的理化性狀：酸堿度（pH）5.97、電導(dǎo)率（EC）1.49 mS/cm、全氮1.38 g/kg、全磷1.02 g/kg、全鉀10.91 g/kg和有機(jī)質(zhì)12.15 g/kg；供試生物炭為水稻秸稈炭，由鎮(zhèn)江澤地農(nóng)業(yè)生物科技有限公司提供；供試醋糟和菇渣生物基質(zhì)由江蘇興農(nóng)基質(zhì)科技有限公司提供；供試商品土壤改良劑為連作障礙微生物修復(fù)基質(zhì)，由江平生物基質(zhì)技術(shù)股份有限公司提供。各供試材料的理化性狀如表1所示。

表1 土壤改良劑材料的理化性狀Tab.1 Physico-chemical properties of soil amending materials

1.2 試驗(yàn)方法

于2019年2—6月在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)牌樓教學(xué)基地溫室內(nèi)進(jìn)行土壤改良第一茬試驗(yàn)。醋糟基質(zhì)、菇渣基質(zhì)以3∶1 體積比進(jìn)行混合用作生物基質(zhì)（VM）改良劑。試驗(yàn)設(shè)連作土壤對(duì)照（CK）、商品土壤改良劑（C）和單一生物炭（B）、生物基質(zhì)（VM）、生物炭+生物基質(zhì)（VMB，1∶1）5 個(gè)實(shí)驗(yàn)處理，將單一改良劑或混配改良劑一次性與連作土壤以1∶10（V∶V）混合，即土壤改良劑施用量約每667 m2施用13.35 m3。采用盆栽試驗(yàn)，每個(gè)處理均種植30盆，隨機(jī)排列。第一茬改良過程中不添加任何無機(jī)肥料；第一茬結(jié)束收集改良土壤，于2019年8—12月在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)白馬基地繼續(xù)盆栽種植，不再添加改良劑，進(jìn)行第二茬種植。試驗(yàn)中所有處理每隔3 d 均澆灌1 次1/2 濃度的Hoagland 營養(yǎng)液以供黃瓜生長，其他時(shí)間視情況補(bǔ)澆清水，同時(shí)按照常規(guī)溫室栽培措施管理。收獲后，每個(gè)處理隨機(jī)采集土壤樣品，并將其混合成3個(gè)生物學(xué)重復(fù)用于指標(biāo)測定。土壤分為兩部分，分別用于土壤理化性狀與土壤酶活的測定。

1.3 測定方法

1.3.1 土壤理化性質(zhì)測定 第二茬黃瓜拉秧后，一部分土壤風(fēng)干、過篩（0.25 mm）保存于4 ℃測定理化性狀。土壤pH和EC分別采用Spectrum’s pH400 Meter和Direct Soil EC Meter測定；土壤含水率采用風(fēng)干土壤烘干至恒重的失水率測定；土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱法測定；土壤全氮含量采用凱氏定氮法測定；土壤速效氮含量采用堿解擴(kuò)散滴定法測定；土壤速效磷含量采用碳酸氫鈉比色法測定；土壤速效鉀含量采用乙酸銨浸提-原子分光光度計(jì)測定；土壤采用H2SO4-H2O2消煮，消煮液采用等離子體發(fā)射儀（ICP）測定土壤全磷、全鉀、鈣鎂元素含量[18]。

1.3.2 土壤酶活測定 另一部分新鮮土壤樣品測定根際土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶、過氧化氫酶、蛋白酶、多酚氧化酶活性[19]。土壤蔗糖酶活性采用3,5二硝基水楊酸比色法測定；土壤脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定。土壤磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定；土壤過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定；土壤蛋白酶采用茚三酮比色法測定；土壤多酚氧化酶采用鄰苯三酚比色法測定。

1.3.3 植株生長、根系活力及葉綠素含量測定 第二茬黃瓜定植20 d后（初花期）測定株高、莖粗并對(duì)植株拍照，分析各處理間植株表型差異。然后將幼苗放入烘箱105 ℃殺青20 min，再置于75 ℃烘干至恒質(zhì)量，測定總干質(zhì)量。不同處理另取3株長勢(shì)一致幼苗清洗根系，擦干，取0.5 g根尖樣品，采用氯化三苯基四氯唑（TTC）比色法測定根系活力[16]。同時(shí)剪取同一葉位葉片0.2 g，采用乙醇、丙酮混合浸泡比色法測定葉綠素含量[17]。

1.3.4 果實(shí)品質(zhì)及產(chǎn)量測定 在第二茬黃瓜結(jié)果期各處理選取同一節(jié)位的果實(shí)測定可溶性糖、Vc、可溶性蛋白的含量。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；可溶性蛋白質(zhì)含量采用考馬斯亮藍(lán)法測定[14]。第二茬生長過程中每個(gè)處理選取長勢(shì)一致的5株黃瓜進(jìn)行標(biāo)記，結(jié)果期記錄每次采收的單株結(jié)果數(shù)及單果質(zhì)量，最終統(tǒng)計(jì)單株總質(zhì)量及總產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2013 和SPSS 22.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，使用單因素方差分析不同改良劑對(duì)連作土壤理化性狀、土壤酶活性及黃瓜生長的影響。采用Duncan法進(jìn)行多重比較，以最小顯著差數(shù)法（LSD）分析差異顯著性（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤改良劑對(duì)連作土壤理化性質(zhì)的影響

由表2 可知，不同處理均可緩解土壤酸化，提高連作土壤營養(yǎng)元素含量，增加土壤含水量，提升土壤質(zhì)量。4 個(gè)處理均顯著提高土壤pH，C 處理pH 提高到7.25。同時(shí)，C 處理提升土壤有機(jī)碳含量、總氮含量、總磷含量最為顯著，分別較CK 增加32.85%、31.45%和15.79%，其次為VMB 處理較為顯著，分別較CK 增加23.85、26.42%和6.77%。各處理間總鉀含量并無顯著差異。C、B、VM 和VMB 處理均顯著提高土壤速效養(yǎng)分，速效氮含量分別比CK 增加46.97%、18.18%、21.21%和71.21%，速效磷含量分別比CK 增加70.26%、36.30%、35.16%和38.10%，速效鉀含量分別比CK 增加76.80%、3.08%、84.31%和82.13%。同時(shí)C處理顯著增加鈣元素含量，其他處理與CK相比鈣鎂元素含量并無顯著差異。

表2 土壤改良劑對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響Tab.2 Effects of soil amendments on physico-chemical properties of soil

2.2 土壤改良劑對(duì)連作土壤酶活性的影響

由表3可知，不同處理均可增加連作黃瓜根際土壤酶活性，其中VMB處理最為顯著。VMB處理提高土壤蔗糖酶、磷酸酶、多酚氧化酶活性最高，分別比CK 增加81.06%、27.73%和58.92%。VMB 處理與CK相比，脲酶、過氧化氫酶、蛋白酶也有顯著差異，分別增加133.33%、42.11%和12.5%。

表3 土壤改良劑對(duì)土壤酶活性的影響Tab.3 Effects of soil amendments on soil enzyme activity

2.3 土壤改良劑對(duì)連作黃瓜生長的影響

由圖1 可知，不同處理均提高黃瓜株高、莖粗和總干質(zhì)量，促進(jìn)黃瓜生長。其中VMB 處理效果最為顯著，其株高、莖粗和總干質(zhì)量分別比CK增加39.46%、30.99%和41.38%。C、B和VM處理總干質(zhì)量分別增加13.00%、16.45%和38.22%。從表4可以看出，VM 和VMB 處理顯著增加葉綠素a含量，分別比CK 提高54.80%和40.67%。C 和VMB 處理顯著增加葉綠素b 含量，分別比CK 增加18.18%和22.38%。但不同處理與CK 相比，葉綠素a/b 并沒有顯著差異。此外，不同處理也顯著提高了黃瓜根系活力，C、B、VM 和VMB處理根系活力分別比CK增加102.37%、197.35%、132.80%和170.90%（表4）。

表4 土壤改良劑對(duì)黃瓜葉綠素含量和根系活力的影響Tab.4 Effects of soil amendments on chlorophyll content and root activity of cucumber

圖1 土壤改良劑對(duì)黃瓜植株生長的影響Fig.1 Effects of soil amendments on plant growth of cucumber

2.4 土壤改良劑對(duì)連作黃瓜果實(shí)品質(zhì)及產(chǎn)量的影響

由表5可知，不同處理均提高黃瓜果實(shí)可溶性糖和可溶性蛋白含量。VM和VMB處理顯著提高可溶性糖含量，分別較CK 增加92.89%、93.87%。B、VM 和VMB 處理顯著提高可溶性蛋白含量，分別較CK 增加76.28%、37.64%和32.37%。各處理間Vc含量沒有顯著差異，只有VM 和VMB 處理略有提高。不同處理均提高連作黃瓜產(chǎn)量，而VMB處理效果最佳，較CK增加28.56%。

表5 土壤改良劑對(duì)黃瓜果實(shí)品質(zhì)及產(chǎn)量的影響Tab.5 Effects of soil amendments on quality and yield of cucumber

2.5 土壤性狀與產(chǎn)量主成分分析

采用PCA 分析，構(gòu)建土壤理化性質(zhì)、土壤酶活與產(chǎn)量間的二維排序圖（圖2）。從土壤理化性質(zhì)與產(chǎn)量的PCA分析可以看出，產(chǎn)量顯著受土壤含水量、有效氮、有效鉀和總鉀含量正向影響，而與鈣鎂元素含量無顯著影響。從土壤酶活與產(chǎn)量的PCA 分析可以看出，各種酶活均正向影響產(chǎn)量。綜合2 個(gè)PCA 分析可知，土壤養(yǎng)分和土壤酶活均正向影響產(chǎn)量。由此可推，不同改良劑的施用可通過提升土壤酶活性，加強(qiáng)土壤養(yǎng)分的分解與釋放，進(jìn)而促進(jìn)產(chǎn)量的提升。

圖2 土壤理化性質(zhì)與產(chǎn)量間的主成分分析（A）和土壤酶活與產(chǎn)量間的主成分分析（B）Fig.2 The principal component analysis between soil physico-chemical properties and yield（A）and the principal component analysis between soil enzyme activity and yield（B）

3 結(jié)論與討論

長期同類作物連作會(huì)使土壤質(zhì)量下降，生產(chǎn)力降低，設(shè)施栽培中由于連年的集約化種植也會(huì)導(dǎo)致土壤障礙嚴(yán)重、作物產(chǎn)量連年下降。王彩云等[20]使用5%的生物炭添加到連作6 年和10 年的設(shè)施土壤中，減緩了連作對(duì)黃瓜的生育障礙，發(fā)現(xiàn)生物炭促進(jìn)了黃瓜植株生長，完善了葉片結(jié)構(gòu)，增加了果實(shí)產(chǎn)量。與王彩云等研究結(jié)果基本一致，第二茬種植后單一生物炭改良處理促進(jìn)設(shè)施連作黃瓜生長，提升產(chǎn)量，表明生物炭對(duì)土壤有持續(xù)的改良效應(yīng)。其中生物炭+生物基質(zhì)改良處理效果最為顯著，植株生長和果實(shí)品質(zhì)均顯著高于對(duì)照，表明生物炭與生物基質(zhì)共同修復(fù)連作土壤、持續(xù)促進(jìn)黃瓜生長，提高果實(shí)營養(yǎng)品質(zhì)更為有效。雖然商品土壤改良劑處理增加土壤營養(yǎng)元素含量最為顯著，生物炭+生物基質(zhì)改良處理次之，但生物炭和生物基質(zhì)的結(jié)合提供的土壤環(huán)境更適合植株對(duì)養(yǎng)分的吸收。同時(shí)，生物炭+生物基質(zhì)改良處理有較高的土壤酶活性和根系活力，因此，混配改良處理能夠更好的緩解連作障礙，持續(xù)改良障礙土壤，促進(jìn)植株生長。

設(shè)施土壤由于長期缺乏雨水淋洗，高溫蒸發(fā)且大量施用化肥，破壞了土壤的緩沖能力，導(dǎo)致土壤pH值逐漸下降，EC值逐漸升高，酸化鹽漬化逐漸嚴(yán)重[21]。連續(xù)種植兩茬后，不同改良處理土壤pH均顯著高于對(duì)照，其中商品土壤改良劑提升土壤pH 最為顯著。商品土壤改良劑為海蠣殼粉等堿性基質(zhì)組成，其含有較高的Ca、Mg 等鹽基離子可能以碳酸鹽和氧化物形式在土壤中存在，溶于水后呈堿性從而中和土壤活性酸和潛性酸，同時(shí)使土壤中鈣鎂元素含量升高。生物基質(zhì)具有較低的容重和較大的孔隙度，擁有良好的理化性質(zhì)且含有豐富的外源微生物，其可以增強(qiáng)土壤的緩沖能力提高土壤pH，提升土壤質(zhì)量。王篤超等[22]研究表明不同有機(jī)物料可以提高大豆土壤養(yǎng)分含量，改善土壤養(yǎng)分性狀。Zhao等[23]在長期施肥的土壤中添加秸稈發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過秸稈分解后土壤有效養(yǎng)分提升，與對(duì)照相比養(yǎng)分含量明顯增加。本論文與其研究基本相似，不同的改良處理均增加了土壤營養(yǎng)元素含量，混配改良比單一施用具有良好的持續(xù)改良效果。可能是生物炭、醋糟、菇渣的添加額外補(bǔ)充了營養(yǎng)元素含量，也可能影響了土壤微生物區(qū)系，加強(qiáng)了土壤有效養(yǎng)分釋放。

土壤酶是一類具有催化能力的生物活性物質(zhì)，由微生物、動(dòng)植物活體分泌及動(dòng)植物殘?bào)w分解釋放于土壤中，其活性的高低可以表征土壤養(yǎng)分的循環(huán)狀況和土壤質(zhì)量[4]。同時(shí)土壤酶活性提供了有關(guān)土壤進(jìn)行生物地球化學(xué)反應(yīng)能力的信息，所以它們常常被用作檢測人為管理或污染對(duì)土壤的影響指標(biāo)[24]。土壤蔗糖酶與土壤肥力成正相關(guān)，可以影響土壤有機(jī)質(zhì)、氮、磷含量；土壤脲酶以尿素為底物可以表征土壤氮元素狀況；土壤磷酸酶可以提高植物對(duì)磷元素的吸收；土壤蛋白酶與土壤全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量正相關(guān)；土壤過氧化氫酶可以分解由呼吸或其他生物氧化過程產(chǎn)生的H2O2，同時(shí)土壤過氧化氫酶和土壤多酚氧化酶可以驅(qū)動(dòng)土壤中芳香族化合物的分解與轉(zhuǎn)化，從而消除土壤中過氧化物和芳香族化合物對(duì)植株的毒害作用，緩解自毒物質(zhì)對(duì)植株的連作影響[25-27]。生物炭+生物基質(zhì)持續(xù)改良后土壤蔗糖酶、磷酸酶、多酚氧化酶活性與對(duì)照相比增加最為顯著，其他酶活也具有顯著差異，這與舒秀麗等[28]和李小煒等[29]研究改良劑對(duì)土壤酶活影響結(jié)果基本一致。同時(shí)，生物炭+生物基質(zhì)改良處理提高土壤酶活性的同時(shí)土壤有效養(yǎng)分含量也顯著增加。土壤酶活與土壤中營養(yǎng)元素含量正相關(guān)，表明改良劑可以通過增加土壤酶活性增加土壤氮、磷、鉀含量，從而減緩因連作造成的土壤生物學(xué)性質(zhì)變差。PCA 分析也表明土壤有效養(yǎng)分、土壤酶活性與黃瓜產(chǎn)量正相關(guān)，因此，改良處理能夠通過提升土壤酶活性，提高土壤有效養(yǎng)分含量，促進(jìn)植株對(duì)養(yǎng)分的吸收，增加黃瓜產(chǎn)量。生物炭+生物基質(zhì)改良與單一施入生物炭改良和生物基質(zhì)改良相比也具有較高的土壤酶活及理化性質(zhì)，表明混配改良連作土壤具有良好的持續(xù)效應(yīng)，增強(qiáng)了土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。醋糟基質(zhì)、菇渣基質(zhì)改良連作土壤取得了雙贏效果，有利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

因此，生物炭和生物基質(zhì)混合形成的土壤改良劑對(duì)設(shè)施黃瓜連作障礙土壤改良效果較好，且具有持續(xù)改良的效果。經(jīng)過充分生物發(fā)酵腐熟的醋糟和菇渣按3∶1體積比進(jìn)行混合形成生物基質(zhì)，生物基質(zhì)與水稻秸稈生物炭按1∶1 體積比進(jìn)行混合形成土壤改良劑，按障礙土壤與土壤改良劑10∶1 的體積比施入土壤，每667 m2土壤改良劑施用量約13.35 m3。