大棚黃瓜秸稈原位還田對番茄生長及土壤環(huán)境的影響

吳鳳芝，王葉群，王慧敏，李一諾，高梓雪

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝園林學(xué)院，哈爾濱 150030）

隨著設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，蔬菜面積、產(chǎn)量和秸稈產(chǎn)量增加。設(shè)施中處理秸稈需耗費(fèi)大量人力和物力，不利于蔬菜輕簡化種植，污染環(huán)境、阻礙交通。蔬菜秸稈含水量高，富含有機(jī)質(zhì)，處置不當(dāng)會造成生物質(zhì)資源浪費(fèi)以及環(huán)境污染問題，蔬菜廢棄物生產(chǎn)和綜合利用成為目前亟待解決的問題[1]。

近年來，蔬菜作物原位還田研究相繼開展，西蘭花廢棄物還田后，西蘭花生物量顯著增加[2]，作物秸稈還田促進(jìn)植株株高增長及葉片數(shù)增加[3]。劉中良等研究表明，在連作設(shè)施區(qū)中，不同比例還田麥秸、稻殼和菌渣，可提高番茄果實(shí)可溶性糖含量，降低有機(jī)酸，提高糖酸比，番茄紅素和VC含量也顯著提高[4]。另外，鄒浩然和劉中良等研究也表明，秸稈還田促進(jìn)單果重增加，顯著提高作物產(chǎn)量[5-6]。秸稈還田能夠促進(jìn)植株生長，改善番茄品質(zhì)，提高作物產(chǎn)量，是土壤培肥重要措施。植物秸稈是土壤中碳和氮重要來源，土壤中微生物需利用秸稈中的碳進(jìn)行繁殖，秸稈通過微生物腐解作用分解成可為植物所需的速效養(yǎng)分，增加土壤中有機(jī)物含量和土壤肥力，提高作物產(chǎn)量[7]。蔬菜秸稈還田可提高土壤pH及堿解氮、速效磷、速效鉀含量,提高土壤有機(jī)碳、全氮含量和土壤酶活性[8-10]，促進(jìn)植株生長[11]，緩解連作障礙，實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)增收。

楊冬艷等通過盆栽試驗(yàn)研究番茄秸稈還田對番茄生長發(fā)育、土壤碳氮含量及土壤酶活性等影響，結(jié)果表明，番茄秸稈直接還田60 d時對番茄生長具有一定抑制作用，還田110 d后顯著促進(jìn)番茄生長，提高土壤養(yǎng)分含量[12]。原位還田對實(shí)現(xiàn)資源配置和維持土壤碳庫平衡、提高土壤肥力及提升土壤質(zhì)量具有重要意義，秸稈還田后土壤碳氮比增高，微生物與作物爭奪氮營養(yǎng)，前期抑制植株生長。因此，研究原位還田下氮肥配施可調(diào)整碳氮比，增加土壤氮肥供給。黑龍江省地處高寒地區(qū)，大棚蔬菜在秋季拉秧后還田，將經(jīng)過漫長冬季，第二年春季種植蔬菜效果如何尚不清楚。在黑龍江地區(qū)進(jìn)行秸稈原位還田技術(shù)研究，對高寒地區(qū)開展設(shè)施蔬菜原位還田技術(shù)的應(yīng)用具有重要指導(dǎo)意義。

本研究以番茄為試驗(yàn)材料，在秋季大棚黃瓜拔秧后進(jìn)行秸稈原位還田，次年春季種植番茄，設(shè)置增施氮肥處理，研究原位還田對番茄生長、產(chǎn)量、土壤化學(xué)性質(zhì)和酶活性的影響，為高寒地區(qū)大棚蔬菜植株秸稈原位還田技術(shù)應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)地點(diǎn)：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)施園藝中心黃瓜連作棚。土壤性質(zhì)為pH 6.7，EC值410 μS·cm-1，銨態(tài)氮2.73 mg·kg-1，硝態(tài)氮72.60 mg·kg-1，速效磷107.31 mg·kg-1，速效鉀153.54 mg·kg-1。

供試番茄（Solanum esculentum)：品種為“草莓番茄”，購自山東壽光。

供試黃瓜（Cucumis sativusL.）：品種為“津早一號”，購自天津科潤黃瓜研究所。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 大棚黃瓜秸稈原位還田與試驗(yàn)處理

試驗(yàn)于2020年10月至2021年7月在大棚內(nèi)進(jìn)行，秋茬黃瓜畦作，每畦雙行24株，2020年10月15日黃瓜拔秧后，將黃瓜秸稈剪成10～15 cm碎段，每栽培畦（3.7 m×0.8 m）還田24株黃瓜秸稈，于2020年10月27日秸稈全量翻壓還田，翻壓還田深度為20 cm。

試驗(yàn)共設(shè)3個處理：秸稈不還田（CK）；秸稈原位還田（T1）；秸稈原位還田增施氮肥（T2），隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個處理設(shè)置3次重復(fù)，每個重復(fù)為一個栽培畦。每個畦用塑料膜隔離，長3.7 m，寬0.8 m，每畦種植2行，行距40 cm，株距33 cm，共22株番茄。定植前施基肥750 kg·hm-2，包括225 kg復(fù)合肥料（氮磷鉀含量為18%、8%和18%），525 kg蛋白酶肥（氮磷鉀含量為10%），T2定植時增施尿素量（氮含量≥46%）為147 kg·hm-2。地膜覆蓋，膜下滴灌，其他常規(guī)田間管理。

1.2.2 試驗(yàn)方法

番茄常規(guī)育苗，2021年4月21日五葉一心時定植，于定植后30、50、70 d各重復(fù)隨機(jī)選取3株健康植株測定生長指標(biāo)，同時取土體土，過2 mm篩后一部分風(fēng)干測定土壤化學(xué)性質(zhì)，一部分裝袋儲存于4℃冰箱測定土壤酶活性。

植株留四穗果摘心，各重復(fù)隨機(jī)選取5株定株累計(jì)測產(chǎn)，取第2穗果測定果實(shí)品質(zhì)。

1.3 測定方法

1.3.1 生長指標(biāo)及產(chǎn)量測定

卷尺測量子葉到植株生長點(diǎn)高度為株高；計(jì)數(shù)法測定葉片數(shù)；拔秧洗凈擦干水分使用電子天平測植株鮮重，將番茄植株用報(bào)紙包好，烘箱中105℃殺青30 min，恒溫80℃下烘至恒重，天平稱量干重。番茄結(jié)果數(shù)采用計(jì)數(shù)法，番茄達(dá)到采收標(biāo)準(zhǔn)時，采摘稱重，計(jì)算平均值得到單果重，根據(jù)單果重與結(jié)果數(shù)計(jì)算單株產(chǎn)量，折合成產(chǎn)量。

1.3.2 番茄品質(zhì)測定

可溶性糖含量測定采用蒽酮比色法，可溶性蛋白含量測定采用考馬斯亮藍(lán)染色法[13]，VC含量測定采用2，6-二氯酚靛酚滴定法，有機(jī)酸含量測定采用酸堿滴定法[14]，可溶性固形物含量測定采用阿貝折射儀法，糖酸比計(jì)算公式為可溶糖含量與有機(jī)酸含量比值。

1.3.3 土壤環(huán)境測定

土壤pH測定使用酸度計(jì)，土壤EC值測定使用電導(dǎo)率儀，土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、速效磷測定使用流動分析儀[15]，土壤速效鉀測定采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜，土壤全氮測定采用凱式定氮法，土壤有機(jī)碳測定使用重鉻酸鉀外加熱法[16]，土壤C/N為有機(jī)碳/全氮比值，土壤蔗糖酶活性測定采用3，5-二硝基水楊酸比色法，土壤脲酶活性測定采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法，土壤過氧化氫酶活性測定采用高錳酸鉀滴定法。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Microsoft Excel（Office 2019）統(tǒng)計(jì)并整理試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)，利用SPSS 22.0軟件檢驗(yàn)方差同質(zhì)性，在差異水平P＜0.05下分析，使用Origin 2019軟件繪制柱狀圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 大棚黃瓜秸稈原位還田對番茄生長的影響

2.1.1 大棚黃瓜秸稈原位還田對番茄株高、葉片數(shù)及生物量的影響

結(jié)果如圖1所示。

圖1 大棚黃瓜秸稈原位還田對番茄株高、葉片數(shù)及生物量的影響Fig.1 Effects of in situ return of cucumber residue in greenhouse on plant height,leaf number and biomass of tomato

由圖1可知，番茄定植后30 d時，原位還田處理（T1）的株高、葉片數(shù)顯著低于對照（CK）和原位還田增施氮肥處理（T2）（P＜0.05）；定植后50、70 d時，原位還田與原位還田后增施氮肥處理（T1、T2）番茄株高、葉片數(shù)顯著高于對照（CK）（P＜0.05），定植后50 d時，原位還田（T1）與原位還田增施氮肥（T2）處理的番茄株高分別比對照（CK）增加10.2%和24%，定植后70 d時，株高分別比對照增加18.7%和21.5%。定植后30 d時，原位還田處理（T1）番茄植株干鮮重顯著低于對照（CK）與原位還田增施氮肥處理（T2）（P＜0.05）；定植后70 d時，原位還田與原位還田增施氮肥處理（T1、T2）干鮮重顯著高于對照（CK）（P＜0.05），T1、T2間差異不顯著。

2.1.2 大棚黃瓜秸稈原位還田對番茄產(chǎn)量的影響

如圖2所示，番茄結(jié)果數(shù)各處理間無顯著差異。原位還田（T1）和原位還田增施氮肥處理（T2）番茄單果重和產(chǎn)量均顯著高于對照（P＜0.05），原位還田增施氮肥處理（T2）單果重、產(chǎn)量顯著高于原位還田（T1）處理，原位還田和原位還田增加氮肥處理產(chǎn)量分別為8.74和9.73 kg·m-2，與對照相比分別提高20.7%和34.4%。大棚黃瓜秸稈原位還田后顯著提高番茄產(chǎn)量，且原位還田增施氮肥（T2）處理促進(jìn)作用顯著。

圖2 大棚黃瓜秸稈原位還田對番茄結(jié)果和產(chǎn)量的影響Fig.2 Effects of in situ return of cucumber residue in greenhouse on tomato fruit and yield

2.2 大棚黃瓜秸稈原位還田對番茄品質(zhì)的影響

大棚黃瓜秸稈原位還田對番茄品質(zhì)影響如圖3所示。

圖3 大棚黃瓜秸稈原位還田對番茄品質(zhì)的影響Fig.3 Effects of in situ return of cucumber residue in greenhouse on tomato quality

由圖3可知，原位還田與原位還田增施氮肥處理（T1、T2）番茄品質(zhì)顯著高于對照（CK）（P＜0.05），主要體現(xiàn)在提高番茄可溶性糖含量，降低有機(jī)酸含量，提高糖酸比、VC含量，提高可溶性蛋白及可溶性固形物含量。

2.3 大棚黃瓜秸稈原位還田對土壤環(huán)境的影響

2.3.1 大棚黃瓜秸稈原位還田對土壤pH、EC值的影響

大棚黃瓜秸稈原位還田對土壤pH、EC值的影響如圖4所示，番茄定植后30 d時，原位還田增施氮肥處理（T2）的土壤pH顯著低于對照與原位還田處理（CK、T1）（P＜0.05），定植后50 d和70 d時原位還田與原位還田增施氮肥處理（T1、T2）的土壤pH顯著高于對照（CK）（P＜0.05）。在番茄定植后30 d時，原位還田增施氮肥處理（T2）土壤EC值顯著高于對照（CK）（P＜0.05），在定植后50 d和70 d時原位還田與原位還田增施氮肥處理（T1、T2）顯著低于對照（CK）（P＜0.05）。

圖4 大棚黃瓜秸稈原位還田對土壤pH及EC值的影響Fig.4 Effects of in situ return of cucumber residue in greenhouse on soil pH and electrical conductivity

2.3.2 大棚黃瓜秸稈原位還田對土壤速效養(yǎng)分的影響

大棚黃瓜秸稈原位還田對土壤速效養(yǎng)分影響如圖5所示。

圖5 大棚黃瓜秸稈原位還田對土壤速效養(yǎng)分的影響Fig.5 Effects of in situ return of cucumber residue in greenhouse on soil available nutrients

由圖5可知，銨態(tài)氮含量各處理間無顯著差異。原位還田處理（T1）在定植后30 d時土壤中硝態(tài)氮含量顯著低于對照（CK）（P＜0.05）。定植后30 d時，原位還田（T1）及原位還田增施氮肥處理（T2）的土壤速效磷含量均顯著高于對照，定植后50 d時原位還田增施氮肥處理（T2）的土壤速效磷顯著高于對照（CK）（P＜0.05），速效鉀含量顯著高于對照（CK）和原位還田處理（T1）（P＜0.05），定植后70 d時原位還田與原位還田增氮處理（T1、T2）的速效磷、速效鉀含量顯著高于對照（CK）（P＜0.05）。

2.3.3 大棚黃瓜秸稈原位還田對土壤全氮、有機(jī)碳及C/N的影響

圖6結(jié)果表明，番茄定植后30 d時，原位還田增氮處理（T2）土壤全氮含量顯著高于原位還田處理（T1）（P＜0.05），定植后70 d時，原位還田與原位還田增氮處理（T1、T2）土壤全氮含量顯著高于對照（CK）（P＜0.05）。土壤有機(jī)碳含量在定植后30 d時原位還田增氮處理（T2）顯著高于對照（CK）（P＜0.05），定植后70 d時，原位還田兩個處理（T1、T2）有機(jī)碳含量顯著高于對照（CK）（P＜0.05）。番茄定植后30 d時，原位還田處理（T1）C/N顯著高于對照（CK）（P＜0.05），定植后50 d和70 d時原位還田與原位還田增氮處理（T1、T2）顯著高于對照（CK）（P＜0.05）。

圖6 大棚黃瓜秸稈原位還田對土壤碳氮的影響Fig.6 Effects of in situ return of cucumber straw in greenhouses on soil carbon and nitrogen

2.3.4 大棚黃瓜秸稈原位還田對土壤酶活性的影響

大棚黃瓜秸稈原位還田對土壤酶活性影響如圖7所示，番茄定植后30 d時，原位還田處理（T1）土壤脲酶活性顯著低于對照（CK）（P＜0.05），原位還田與原位還田增氮處理（T1、T2）的過氧化氫酶活性、蔗糖酶活性顯著高于對照（CK）（P＜0.05）；定植后50 d和70 d時，原位還田處理與原位還田增氮處理（T1、T2）土壤蔗糖酶活性、過氧化氫酶活性均顯著高于對照（CK）（P＜0.05）。

圖7 大棚黃瓜秸稈原位還田對土壤酶活性的影響Fig.7 Effects of in situ return of greenhouse cucumber straw on soil enzyme activity

3 討論與結(jié)論

3.1 大棚黃瓜秸稈原位還田對番茄生長與產(chǎn)量的影響

多數(shù)還田研究均針對大田作物[17]，近年研究表明，秸稈還田后，前期抑制番茄生長，降低株高、葉片數(shù)與生物量，后期促進(jìn)番茄生長[12]。本研究表明，大棚黃瓜秸稈原位還田處理在番茄生長前期出現(xiàn)抑制番茄生長現(xiàn)象，中后期促進(jìn)番茄生長，但秸稈原位還田增施氮肥處理未出現(xiàn)抑制生長現(xiàn)象。原因可能是秸稈還田后因冬季較長，腐解率較低，番茄定植后黃瓜秸稈繼續(xù)腐解，腐解過程微生物與番茄生長形成氮素競爭，影響番茄生長。隨著秸稈腐解釋放養(yǎng)分，養(yǎng)分競爭消失，由前期的抑制生長變?yōu)橹泻笃诘拇龠M(jìn)生長。增施氮肥補(bǔ)充了秸稈腐解所需要的養(yǎng)分，緩解氮素競爭，因此未出現(xiàn)前期抑制生長現(xiàn)象。說明高寒地區(qū)大棚秋季果菜秸稈原位還田后，在保證氮肥充足下才能取得更高產(chǎn)量。

3.2 大棚黃瓜秸稈原位還田對番茄品質(zhì)的影響

秦濤研究表明，辣椒秸稈全量還田改善西瓜品質(zhì)風(fēng)味，提高可溶性固形物含量[18]。王敏等研究發(fā)現(xiàn)，菌菇渣和番茄秸稈還田顯著提高青椒VC含量、可溶性糖含量，降低亞硝酸鹽含量[19]。大棚黃瓜秸稈原位還田后提高番茄可溶性糖含量，降低有機(jī)酸含量，提高糖酸比，原位還田后番茄糖酸比在較好范圍內(nèi)，提高VC、可溶性蛋白及可溶性固形物含量，說明還田可提高番茄品質(zhì)，與前人研究相似。

3.3 大棚黃瓜秸稈原位還田對土壤環(huán)境的影響

土壤pH影響土壤礦物質(zhì)轉(zhuǎn)化和有機(jī)質(zhì)礦化過程，秸稈還田在一定程度上提高土壤pH[20]，與本研究相同，大棚黃瓜秸稈原位還田后提高土壤pH，使番茄擁有較好生長環(huán)境，秸稈原位還田后土壤電導(dǎo)率出現(xiàn)下降，秸稈原位還田配施氮肥降低土壤鹽分，可能與增施氮肥量有關(guān)[21]。植物秸稈原位還田后，釋放養(yǎng)分，因此提高土壤中氮、磷、鉀等元素含量，增加速效養(yǎng)分含量，其增長變化為先升后降，但對銨態(tài)氮影響小[22]。本研究發(fā)現(xiàn)，原位還田處理前期降低硝態(tài)氮含量，在原位還田增施氮肥后提高硝態(tài)氮含量。因秸稈腐解過程微生物分解秸稈與番茄爭氮，導(dǎo)致番茄生長前期因缺氮長勢差，原位還田增施氮肥處理番茄前期未出現(xiàn)缺氮的黃化現(xiàn)象，中后期隨秸稈腐解后釋放養(yǎng)分促進(jìn)番茄生長，秸稈中鉀、磷元素在秸稈腐解后釋放，增加土壤中速效鉀和速效磷含量。研究表明，秸稈還田增加土壤中全氮含量，且比傳統(tǒng)施肥土壤全氮含量增加3.2%～11.2%[23]，秸稈還田后直接增加土壤中有機(jī)碳含量[24]，土壤C/N也增加[9]。本研究發(fā)現(xiàn)在番茄生長前期，對照與原位還田的全氮含量均低于原位還田增施氮肥處理，生長中后期原位還田處理顯著提高全氮含量；原位還田與原位還田增施氮肥后均增加有機(jī)碳含量，提高C/N。大棚黃瓜秸稈原位還田為番茄生長提供營養(yǎng)充足的土壤環(huán)境，為生物活動提供豐富氮源與碳源，微生物反應(yīng)活躍，從而提高土壤脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性。

土壤酶活性是評價土壤微生態(tài)系統(tǒng)常用指標(biāo)之一[25]，土壤脲酶促進(jìn)氨與二氧化碳生成，促進(jìn)土壤養(yǎng)分吸收，土壤蔗糖酶反應(yīng)土壤呼吸強(qiáng)度，提供植物所需營養(yǎng)，土壤過氧化氫酶反應(yīng)有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化情況。劉艷慧研究證明，秸稈還田后增加微生物總數(shù)量，土壤脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性均得到顯著提高[26]。但路文濤試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，還田后土壤酶活性低于不還田土壤酶活性，且脲酶差異不顯著[27]。由此可知，不同試驗(yàn)條件下，酶活性變化不同，可能與土壤質(zhì)地、當(dāng)天天氣條件、還田植物種類等因素有關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)，番茄生長前期原位還田處理的土壤脲酶較低，可能是因番茄生長前期土壤中氮素不足引起，原位還田增施氮肥處理較原位還田處理的脲酶活性高；蔗糖酶活性反映肥力水平，其酶促反應(yīng)產(chǎn)物直接影響番茄生長，大棚黃瓜秸稈原位還田后土壤中有機(jī)物質(zhì)及養(yǎng)分含量增加，提高蔗糖酶活性；土壤過氧化氫與土壤蔗糖酶活性變化趨勢一致，原位還田及原位還田增施氮肥處理比不還田處理高，可能是因C/N比例適中，促進(jìn)土壤微生物繁殖，生物反應(yīng)活躍，提高土壤過氧化氫酶活性。原位還田后改善土壤環(huán)境，增加土壤中養(yǎng)分含量，植株生長環(huán)境良好，營養(yǎng)供應(yīng)增加，原位還田增施氮肥后土壤氮素增加，秸稈腐解更充分，從而提高番茄產(chǎn)量。