楊海波,楊榮華,李承男,馬 蘭,曹云娥
(寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院,寧夏銀川 750021)
隨著設(shè)施栽培的逐步推廣,設(shè)施蔬菜生產(chǎn)已成為不少地區(qū)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。然而種植戶為了提高經(jīng)濟(jì)效益,大量使用農(nóng)藥、化肥,導(dǎo)致環(huán)境惡化;此外,種植戶種植的作物單一且存在連作現(xiàn)象,直接致使土壤的肥力下降,作物的品質(zhì)、產(chǎn)量也隨之下降,并對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重威脅。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,添加有機(jī)肥,在合理的范圍內(nèi)施用化肥可以改良土壤結(jié)構(gòu),提高土壤的蓄肥能力和土壤肥力效能;在土壤中施用有機(jī)物料能夠提高土壤微生物量碳、氮的含量以及土壤酶活性,并且隨著有機(jī)肥的施用量增大,其展現(xiàn)出來(lái)的效果越明顯。此外,施用有機(jī)肥還能夠?qū)ν寥牢⑸锒鄻有缘幕謴?fù)起到一定的促進(jìn)作用,有效地抑制連作障礙的發(fā)生進(jìn)程。
生物炭是枯枝落葉、作物秸稈等在缺氧的條件下通過(guò)高溫裂解形成的穩(wěn)定的固體富碳產(chǎn)物,具有巨大的比表面積,能夠長(zhǎng)時(shí)間地穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)。蚯蚓糞是蚯蚓處理有機(jī)廢棄物的產(chǎn)物,是一種良好的土壤改良劑,富含多種有益微生物、腐殖質(zhì)、氨基酸活性酶等天然活性物質(zhì)。二者作為新興的有機(jī)物料,能夠在一定程度上改善土壤理化性質(zhì),促進(jìn)作物的生長(zhǎng)發(fā)育,還能提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量、品質(zhì),增強(qiáng)作物的抗逆性。
由于農(nóng)戶盲目追求作物產(chǎn)量和大量施用化肥,造成了土壤板結(jié)、病害加劇、土壤肥力下降、環(huán)境污染等一系列問(wèn)題,不僅降低了作物的產(chǎn)量和品質(zhì),也影響了設(shè)施農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。而覆蓋作物有改變土壤化學(xué)特性的潛力,通過(guò)增加土壤有機(jī)質(zhì)含量、提升氮的礦化潛力、減少硝酸鹽淋失等作用,促進(jìn)后續(xù)農(nóng)作物產(chǎn)量的提升。我國(guó)綠肥資源豐富,截止目前,我國(guó)常用綠肥作物有916種,鑒定為4科20個(gè)屬26個(gè)種,并經(jīng)過(guò)篩選,得到了綜合性狀好、適宜在不同地區(qū)種植的70多種綠肥作物,主要有紫云英、紫花苜蓿、白三葉草、山黧豆、高羊茅、二月蘭等。在栽培面積較大的綠肥品種中,豆科占大多數(shù)。豆科植物可以和固氮菌共生,進(jìn)行生物固氮,從而為果-草系統(tǒng)提供部分氮源。豆科植物生物固氮是指在自然條件下,部分微生物或藍(lán)藻將大氣中氮?dú)廪D(zhuǎn)化為氨,為植物或微生物的生長(zhǎng)發(fā)育提供氮源。
前期的研究主要是針對(duì)每一項(xiàng)措施的單一研究,對(duì)于不同土壤改良措施復(fù)合的研究較少,筆者通過(guò)對(duì)生物炭、蚯蚓糞、覆蓋植物白花三葉草的復(fù)配來(lái)進(jìn)行土壤處理,探究日光溫室內(nèi)不同土壤改良措施對(duì)土壤特性和番茄生長(zhǎng)發(fā)育及品質(zhì)、產(chǎn)量的影響。
試驗(yàn)于2019年4月12日至8月9日在寧夏賀蘭縣園藝產(chǎn)業(yè)園(106°15′E,38°18′N)內(nèi)進(jìn)行,該園區(qū)屬于國(guó)家級(jí)農(nóng)業(yè)示范園區(qū),園區(qū)內(nèi)的年降水量為180~200 mm,其中80%的降水集中在6—8月,年平均氣溫9.7 ℃,無(wú)霜期160~170 d,屬中溫帶干旱氣候區(qū),具有典型的大陸性氣候特點(diǎn)。日光溫室,長(zhǎng)80 m,跨度8 m,脊高4.4 m,后墻高4.7 m。
供試番茄品種為粉宴1號(hào)。生物炭(主要成分為椰殼,有效碳成分為95%)購(gòu)買(mǎi)于河南泰源環(huán)??萍加邢薰?;蚯蚓糞由試驗(yàn)開(kāi)始前投放的蚯蚓原位消解半腐熟的牛糞產(chǎn)生;覆蓋作物是白花三葉草。
試驗(yàn)共設(shè)8個(gè)處理:空白對(duì)照(CK),不作處理;定植前土壤增施生物炭(B),3 000 kg/667 m;定植前土壤增施蚯蚓糞(V),3 000 kg/667 m;覆蓋(作物兩邊)三葉草(T);定植前土壤增施生物炭+蚯蚓糞(B+V),生物炭3 000 kg/667 m,蚯蚓糞 3 000 kg/667 m;定植前土壤增施生物炭+覆蓋(作物兩邊)三葉草(B+T);生物炭3 000 kg/667 m;定植前土壤增施蚯蚓糞+覆蓋(作物兩邊)三葉草(V+T),蚯蚓糞3 000 kg/667 m;定植前土壤增施生物炭+蚯蚓糞+覆蓋(作物兩邊)三葉草(B+V+T),生物炭3 000 kg/667 m,蚯蚓糞3 000 kg/667 m。每個(gè)處理2個(gè)小區(qū),每個(gè)小區(qū)種植3壟,3個(gè)重復(fù),每個(gè)小區(qū)長(zhǎng)5 m、寬4 m,面積為20 m,小區(qū)間隔開(kāi)。
植株和果實(shí)樣品采集自番茄盛果期,采樣時(shí),從每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取6棵植株,將根系完全挖出后,用水將根系沖洗干凈。用刀將植株地上部與地下部分開(kāi),在收獲期統(tǒng)計(jì)番茄的產(chǎn)量。
1.4.1 土壤理化性質(zhì)測(cè)定 于番茄盛果期,采用五點(diǎn)取樣法,取各處理0~20 cm土層的土壤,將其物理晾干后過(guò)1 mm篩,用于測(cè)定土壤的理化指標(biāo)。用電導(dǎo)法測(cè)定pH值和EC值;用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重;用凱氏定氮法測(cè)定土壤全氮含量;用鉬銻抗比色法測(cè)定土壤全磷含量;用重鉻酸鉀-油浴鍋加熱法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量。
1.4.2 土壤重金屬測(cè)定 用分析天平準(zhǔn)確稱取0.1 g土樣,置于消煮管底部,加入5 mL 濃硝酸(優(yōu)級(jí)純),靜置過(guò)夜,次日,先用100 ℃消煮30 min后,將消煮爐溫度上升至170 ℃,消煮至底部殘?jiān)D(zhuǎn)白、溶液澄清透明即可。冷卻至常溫后,將消煮管內(nèi)的溶液用蒸餾水轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶,定容至刻度線,用0.45 μm過(guò)濾器過(guò)濾至離心管中,待上機(jī)測(cè)定。利用電感耦合等離子體光發(fā)射光譜儀測(cè)定。使用1.0~1 000.0 μg/L分析參考溶液進(jìn)行外部校準(zhǔn),通過(guò)多元素儲(chǔ)備溶液適當(dāng)稀釋以5%硝酸制備標(biāo)準(zhǔn)溶液。
客觀、科學(xué)衡量縣域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平是一項(xiàng)具有系統(tǒng)性、動(dòng)態(tài)性和相對(duì)性的復(fù)雜工作.構(gòu)建經(jīng)濟(jì)綜合評(píng)價(jià)體系需要依據(jù)科學(xué)性、全面性和可獲取性原則,參考前人相關(guān)研究成果[15-16]并結(jié)合成都平原城市群經(jīng)濟(jì)發(fā)展的實(shí)際情況,從經(jīng)濟(jì)規(guī)模、經(jīng)濟(jì)效益、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和政府調(diào)控能力4個(gè)方面,選取了17個(gè)具體評(píng)價(jià)指標(biāo),從而構(gòu)建了縣域經(jīng)濟(jì)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(見(jiàn)表1).
1.4.3 酶活性測(cè)定 土壤過(guò)氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測(cè)定;纖維素酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定;蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定;土壤脲酶活性采用苯酚鈉比色法測(cè)定。
1.4.4 果實(shí)品質(zhì)測(cè)定 番茄的可溶性糖含量采用蒽酮比色法測(cè)定;可滴定酸含量采用NaOH滴定法測(cè)定;維生素C含量采用 2,6-二氯酚靛酚滴定法測(cè)定;采用手持糖度計(jì)測(cè)定番茄可溶性固形物含量。
使用Excel 2010、Origin 2018進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖表的繪制,采用SPSS 24.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,采用Duncan’s法對(duì)有顯著差異的處理進(jìn)行顯著性分析,顯著性水平設(shè)置為=0.05。
由表1可知,不同的土壤處理下,V和V+T處理pH值最高,為7.52;B+V處理的EC值顯著低于其他處理,為1.20 mS/cm;B處理土壤容重最高,為1.78 g/cm;B+V+T處理的全氮含量為0.93 g/kg,顯著高于其他7個(gè)處理,與對(duì)照相比提高了40.91%;V+T處理的全磷含量最高,為5.22 g/kg;V+T 處理全鉀含量最高,為4.57 g/kg,CK處理全鉀含量最低,為3.40 g/kg,與CK處理相比V+T處理提高了34.41%;除B+V、B+T處理外,B+V+T處理的有機(jī)質(zhì)含量顯著高于其他處理,為44.74 g/kg。與對(duì)照相比,蚯蚓糞與三葉草復(fù)配(V+T)處理能夠顯著提高土壤全磷、全鉀含量,生物炭、蚯蚓糞與三葉草三者復(fù)配(B+V+T)處理顯著提高了土壤全氮、有機(jī)質(zhì)含量。
表1 不同土壤改良措施對(duì)土壤養(yǎng)分的影響
由表2可知,不同土壤處理均能不同程度地降低土壤重金屬含量。B+V+T處理Pb、Cd、Cr、Hg元素的含量均最低;將B+V+T處理與B、V、T處理分別相比7種重金屬含量均有所降低,說(shuō)明生物炭、蚯蚓糞和三葉草配施能有效降低這7種重金屬的含量。V+T處理中Zn、As元素的含量最低;B+V處理中Cu元素的含量最低。生物炭、蚯蚓糞、覆蓋三葉草均能降低土壤重金屬含量。
表2 不同土壤改良措施對(duì)土壤重金屬含量的影響
由圖1可知,不同土壤處理對(duì)土壤過(guò)氧化氫酶活性影響顯著,對(duì)纖維素酶影響不顯著。整體來(lái)看,不同處理的土壤酶活性與對(duì)照相比均有所提高。B+V處理過(guò)氧化氫酶和蔗糖酶活性最高,分別為4.02 mL/(g·h)、13.28 mg/(g·d);B+V+T處理脲酶活性最高,與CK相比提高了49.93%;V+T 處理纖維素酶活性最高,為0.11 mg/(g·d)。與對(duì)照相比,生物炭與蚯蚓糞配施(B+V)顯著提高過(guò)氧化氫酶、脲酶和蔗糖酶活性,蚯蚓糞與三葉草配施(V+T)提高了纖維素酶活性,生物炭、蚯蚓糞和三葉草配施(B+V+T)顯著提高了過(guò)氧化氫酶、脲酶和蔗糖酶活性。綜合來(lái)看,蚯蚓糞對(duì)土壤酶活性的提高起著重要作用。
由表3可知,B+V+T處理的可溶性糖含量最高,為0.57 g/kg,與CK處理相比提高了23.91%;B+T 處理有機(jī)酸含量顯著高于其他處理;B+V+T處理維生素C含量最高,為29.99 mg/100 g,CK處理最低;B+T處理可溶性固形物含量顯著高于其他處理,為5.00%;增施生物炭、蚯蚓糞、覆蓋三葉草對(duì)可溶性糖、有機(jī)酸、維生素C含量均有一定程度的提高;與對(duì)照相比,生物炭與三葉草配施(B+T)顯著提高了可溶性固形物含量,生物炭、蚯蚓糞和三葉草三者配施顯著提高了果實(shí)可溶性糖、維生素C含量。
表3 不同土壤改良措施對(duì)果實(shí)品質(zhì)的影響
土壤作為植物生長(zhǎng)發(fā)育的載體,其養(yǎng)分含量的高低直接反映了作物生長(zhǎng)狀況的優(yōu)劣,在合理的范圍內(nèi)添加有機(jī)物料對(duì)土壤進(jìn)行改良,是目前生產(chǎn)中獲得優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)園藝產(chǎn)品的一大重要舉措。
Harris等研究發(fā)現(xiàn),在土壤中添加疏松多孔的生物炭可以有效地提高土壤養(yǎng)分含量。單穎等研究發(fā)現(xiàn),蚯蚓處理農(nóng)業(yè)廢棄物的產(chǎn)物——蚯蚓糞,具有優(yōu)良的理化性質(zhì),能夠很好地供肥、保肥和改良土壤。Wei等對(duì)76篇關(guān)于果園生草對(duì)土壤養(yǎng)分狀況影響的文獻(xiàn)進(jìn)行整合分析發(fā)現(xiàn),在果園中覆草能顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)(14.1%)、全氮(7.0%)、速效氮(27.7%)、速效磷(12.6%)和全鉀含量(2.1%),其中豆科植物由于能夠進(jìn)行生物固氮,顯著提高了土壤全氮(8.8%)、有效氮含量(24.7%)。土壤 EC值代表土壤中鹽分的濃度,沈漢等研究得出,設(shè)施土壤 EC 值在1.0以上會(huì)影響作物生長(zhǎng)。本研究中B+V處理EC值最低,為1.20 mS/cm,且其他處理的EC值均低于對(duì)照,各處理均降低了土壤的鹽脅迫。全氮含量的高低反映土壤氮素的整體水平,是土壤潛在肥力的表征之一。本研究中,T、B+T、V+T以及B+V+T處理的全氮含量相比于對(duì)照均有所提高;V+T處理相比于對(duì)照顯著提高了土壤全磷、全鉀含量。土壤中添加蚯蚓糞、覆蓋三葉草能夠明顯提高土壤養(yǎng)分。有研究表明,在土壤中添加生物炭與參與利用氮和磷等礦質(zhì)元素相關(guān)的土壤酶活性之間呈正相關(guān),而與參與土壤碳礦化等生態(tài)學(xué)過(guò)程的土壤酶活性之間呈負(fù)相關(guān),這樣有利于土壤中碳的固定,從而保證生物炭在土壤環(huán)境中長(zhǎng)期穩(wěn)定存在。本研究表明,土壤中添加生物炭、蚯蚓糞、覆蓋三葉草,均能夠提高土壤酶活性,其中,施加生物炭、蚯蚓糞和覆蓋三葉草這三者結(jié)合對(duì)脲酶活性的增強(qiáng)最為顯著。
由于土壤酶對(duì)重金屬離子的作用較為敏感,且其活性變化對(duì)作物有著直接的影響,因此,土壤酶活性的高低有利于明確土壤中重金屬含量的高低及其對(duì)植物生長(zhǎng)和土壤質(zhì)量的影響。陳玲玲研究發(fā)現(xiàn),重金屬Cd、Cr和Pb的濃度與脲酶和蔗糖酶活性都呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系,表現(xiàn)為抑制作用;其中Cd與脲酶活性、Pb與蔗糖酶活性分別呈顯著負(fù)相關(guān);Cd和Cr與過(guò)氧化氫酶活性呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。梅闖等研究發(fā)現(xiàn),生物炭施入土壤后,不僅可以與微生物結(jié)合,利用微生物的表面吸附和體內(nèi)轉(zhuǎn)化作用等直接影響重金屬的存在形態(tài),還能夠間接改變土壤環(huán)境。侯月卿等在堆肥中添加不同生物炭后,發(fā)現(xiàn)花生殼炭、玉米秸稈炭和木屑炭分別對(duì)堆肥產(chǎn)品中重金屬元素Cu、Pb、Cd具有良好的鈍化效果。蚯蚓黏液中的小分子有機(jī)物,如有機(jī)酸、氨基酸等能溶解重金屬化合物,可提高土壤中重金屬的生物可利用性,它能促進(jìn)土壤中重金屬的溶解,有助于超富集植物對(duì)重金屬的吸收和富集。本研究中不論是單施生物炭、單施蚯蚓糞、覆蓋三葉草,還是這三者混施,均能降低土壤重金屬含量,改善土壤環(huán)境。將B、V、T處理與B+V、B+V+T處理相比較,除Cu、Cd元素外,單一施用生物炭、蚯蚓糞、覆蓋三葉草處理下的重金屬含量比兩兩混施處理下的重金屬含量要高,且這三者配施的處理降低土壤重金屬的效果最佳。
本研究中增施生物炭、蚯蚓糞、覆蓋三葉草均不同程度地降低了土壤中的重金屬含量,土壤重金屬對(duì)土壤酶活性表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系,隨著土壤重金屬的含量降低,土壤酶活性提高,其中B+V處理的過(guò)氧化氫酶和蔗糖活性最高,B+V+T處理的脲酶活性最高,V+T處理的纖維素酶活性最高。土壤酶活性的增強(qiáng)提高了土壤生產(chǎn)力,促進(jìn)了番茄的生理代謝。吳玨等研究發(fā)現(xiàn),在土壤中適量地添加生物炭,番茄產(chǎn)量、可溶性糖含量會(huì)有所增加,可滴定酸含量顯著減少,生物炭伴生與單作相比,提高了果實(shí)維生素C、可溶性糖含量和糖酸比,降低了有機(jī)酸含量;添加1.2%生物炭伴生與單作相比,增加了糖酸比,降低了有機(jī)酸含量;與未添加生物炭相比,添加1.2%生物炭增加了單作和伴生的維生素C含量和糖酸比,降低了有機(jī)酸含量。曹雪娜研究指出,在土壤中添加生物炭顯著提高了櫻桃番茄果實(shí)維生素C含量和可溶性糖含量,說(shuō)明在土壤中適量的添加生物炭能夠改善番茄果實(shí)的品質(zhì)。此外,伴生可明顯改善蔬菜果實(shí)品質(zhì)。周東興等研究發(fā)現(xiàn),施用蚯蚓糞能夠提高維生素C、可溶性糖和可溶性固形物含量。吳興洪在獼猴桃園研究發(fā)現(xiàn),與單施化肥相比,翻壓黑麥草15%~45%提高了可溶性固形物、維生素C、可溶性糖含量,分別提高了3.03%~8.43%、9.75%~18.92%和4.60%~19.17%。本研究中,B+V+T處理的可溶性糖含量最高,相比于對(duì)照提高了23.91%;B+T處理有機(jī)酸含量顯著高于其他處理;而維生素C含量中,除B+T處理外,B+V+T 處理顯著高于其他處理;相比于B處理,B+V、B+T、B+V+T處理的可溶性固形物含量均有提高,B+T處理可溶性固形物含量顯著高于其他處理。與V、T處理相比較,B+V、B+T、V+T、B+V+T處理的可溶性糖和維生素C含量均有所提高,這充分證明了單一地增施生物炭、蚯蚓糞、覆蓋三葉草的果實(shí)品質(zhì)顯然不如2種措施結(jié)合施用的好。與對(duì)照相比,不同的土壤改良措施均不同程度地提高了番茄品質(zhì),其中生物炭、蚯蚓糞和三葉草三者配施處理下的番茄果實(shí)綜合品質(zhì)較優(yōu)。
產(chǎn)量是作物生產(chǎn)力的體現(xiàn),通過(guò)增施生物炭、蚯蚓糞和覆蓋三葉草可降低土壤重金屬含量,從而提高土壤酶活性,達(dá)到改善土壤環(huán)境、提高土壤養(yǎng)分利用率的目的,進(jìn)而提高番茄的產(chǎn)量。已有研究表明,在土壤中適量增施生物炭可以優(yōu)化番茄根系形態(tài),顯著提高番茄產(chǎn)量。生物炭疏松多孔,具有較大的孔隙度,改變了土壤的孔隙分布,增加了土壤的微孔孔隙率,從而促進(jìn)根系的生長(zhǎng),有利于提高產(chǎn)量。蚯蚓糞可以持續(xù)地為番茄提供其所需營(yíng)養(yǎng),提高植物的光合作用和根系活力,促進(jìn)植株對(duì)養(yǎng)分的吸收,從而提高番茄的產(chǎn)量和品質(zhì)。楊冬艷等研究發(fā)現(xiàn),在櫻桃番茄根際種植三葉草后,櫻桃番茄根際生態(tài)環(huán)境發(fā)生了顯著的改變,通過(guò)作物之間的相互作用,增加土壤微生物活性,改善番茄根際土壤酶環(huán)境,減輕根際土壤速效磷鉀養(yǎng)分的富集,提高了土壤養(yǎng)分的利用率,增加了果實(shí)品質(zhì)和產(chǎn)量。本研究中,番茄產(chǎn)量差異不顯著,與對(duì)照相比各處理均有所增加,以生物炭、蚯蚓糞、覆蓋三葉草處理為基準(zhǔn),分別比較其對(duì)應(yīng)的兩兩混施處理發(fā)現(xiàn),單一施用某一種改良措施的效果不如2種措施結(jié)合施用,其中以B+V+T處理三者配施的產(chǎn)量最高,說(shuō)明生物炭、蚯蚓糞和覆蓋作物不僅能促進(jìn)植株對(duì)養(yǎng)分的吸收,還可以提高番茄的產(chǎn)量。
綜上所述,不同土壤改良措施對(duì)番茄的生長(zhǎng)發(fā)育具有促進(jìn)作用。添加生物炭、蚯蚓糞和覆蓋作物三葉草可以在不同程度上改善土壤理化性質(zhì),提高番茄產(chǎn)量和品質(zhì)。B+V+T處理顯著提高了土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量,與對(duì)照相比分別提高了40.91%、13.24%;V+T處理顯著提高了土壤pH值及全磷、全鉀含量。B+V處理的過(guò)氧化氫酶和蔗糖酶活性最高,B+V+T處理的脲酶活性最高,與CK處理相比脲酶活性提高了49.93%,V+T處理的纖維素酶活性最高。B+V+T處理Pb、Cd、Cr、Hg元素的含量均最低;B+V+T處理的可溶性糖含量最高,為0.57 g/kg,CK處理最低,與CK處理相比提高了23.91%;B+V+T處理維生素C含量最高,為29.99 mg/100 g,CK處理最低;B+T處理可溶性固形物含量顯著高于其他處理,為5.00%;B+V+T處理的番茄產(chǎn)量最高,為3 970.22 kg/667 m,與CK處理相比增加了36.57%??偟膩?lái)說(shuō),生物炭、蚯蚓糞和覆蓋三葉草這三者配施改善了土壤理化性質(zhì),降低了土壤重金屬含量,提高了土壤酶活性,提高了番茄的品質(zhì)和產(chǎn)量。