生物炭引入蚯蚓糞和草炭對基質(zhì)環(huán)境、黃瓜植株生長和果實(shí)品質(zhì)特性的影響

胡蒙愛，馬嘉偉，張雪艷

（寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

【研究意義】我國設(shè)施栽培園藝快速發(fā)展，化肥農(nóng)藥的過量施用導(dǎo)致了土壤次生鹽漬化、土傳病害加重等連作障礙問題，嚴(yán)重制約了設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1-2]。無土栽培是土壤嚴(yán)重連作障礙的有效替代栽培方式，可顯著改善作物品質(zhì)和產(chǎn)量，但無土栽培中的主要栽培基質(zhì)草炭是不可再生資源，自然資源的短缺也制約了無土栽培的發(fā)展[3-5]。因此，研究替代草炭無土栽培基質(zhì)，開發(fā)復(fù)合無土栽培基質(zhì)已成為新的趨勢?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】蚯蚓糞是蚯蚓對有機(jī)廢棄物進(jìn)行生物降解而形成的產(chǎn)物，具有良好的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、透氣性和較高持水能力[6]。研究[7-8]表明，蚯蚓糞含有豐富的腐殖質(zhì)，有利于土壤團(tuán)聚體的形成。徐仲楠等[9]發(fā)現(xiàn)隨著蚯蚓糞添加比例增加，基質(zhì)全氮、速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量均顯著提高，并可增加基質(zhì)養(yǎng)分有效性，改善基質(zhì)的微生物群落結(jié)構(gòu)，提高細(xì)菌和真菌的多樣性。研究[10-13]表明，蚯蚓糞可顯著緩解設(shè)施黃瓜栽培土壤的連作障礙，抑制黃瓜苗期土傳病害，并有效提升根際土壤肥力，促進(jìn)黃瓜生長。生物炭是作物秸稈經(jīng)熱裂解干餾形成的富碳產(chǎn)物，具有孔隙度高、含碳量高、比表面積大的特點(diǎn)，可有效吸附土壤養(yǎng)分，增加土壤陽離子交換量，減少土壤養(yǎng)分和水分流失；且具有提高養(yǎng)分利用率，提升土壤微生物活性，促進(jìn)作物生長的作用[14-16]。高陽等[17]研究表明施用生物炭可顯著提升番茄根表面積、根體積、根干重和根系活力。【本研究切入點(diǎn)】單一蚯蚓糞或生物炭對作物生長的影響多有報(bào)道，但蚯蚓糞和草炭結(jié)合生物炭混合的基質(zhì)對作物生長的影響鮮有報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】試驗(yàn)以草炭（P）和蚯蚓糞（V）為栽培基質(zhì)，在其基礎(chǔ)上分別引入生物炭（B），形成草炭+生物炭（PB），蚯蚓糞+生物炭（VB）處理，通過兩茬黃瓜種植，系統(tǒng)分析不同栽培基質(zhì)下基質(zhì)特性、黃瓜植株生長、果實(shí)品質(zhì)和產(chǎn)量的變化，探究生物炭的引入對黃瓜生長的影響，研究可為蚯蚓糞作為栽培基質(zhì)和生物炭對蚯蚓糞基質(zhì)的改善效果提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)黃瓜品種為‘航瓜玉妮’（神州綠鵬公司提供）。試驗(yàn)所需的蚯蚓糞購自華盛綠能（寧夏）農(nóng)業(yè)科技有限公司。生物炭購自南京市六合區(qū)大自然秸稈專業(yè)合作社，由玉米秸稈在400 ℃溫度下碳化獲得。草炭、生物炭和蚯蚓糞基本特性見表1。

表1 試驗(yàn)材料基本理化特性Tab.1 Physical and chemical properties of substrates

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在寧夏吳忠市國家農(nóng)業(yè)科技園區(qū)C4號日光溫室（38°33'75″N，106°38'54″E）進(jìn)行。于2018年9月30日至2019年1月18日進(jìn)行秋茬栽培，2019年3月5日至7月7日進(jìn)行春茬栽培。試驗(yàn)設(shè)置草炭（P）、草炭+生物炭（PB，質(zhì)量比4∶1）、蚯蚓糞（V）、蚯蚓糞+生物炭（VB，質(zhì)量比4∶1），共4個(gè)栽培基質(zhì)處理，每個(gè)處理5次重復(fù)，小區(qū)面積6 m2，各處理隨機(jī)區(qū)組排列。采用下挖槽式栽培，槽長寬高分別為10，0.6，0.45 m，槽間設(shè)置2 個(gè)保護(hù)行，最大程度避免處理間的相互干擾。采用單行種植，株距20 cm，行距140 cm，采用滴灌統(tǒng)一進(jìn)行水肥管理，黃瓜的整個(gè)生育期灌水量約2 700 t/hm2，肥料選用以色列海法有限公司的“海法魔粒豐”（N：16%、P2O5：12%、K2O：32%）和“海法鉀寶”（N：12%、P2O5：5%、K2O：42%），全生育期共投入氮肥378 kg/hm2、磷肥229.5 kg/hm2、鉀肥999 kg/hm2。

1.3 取樣和測定方法

分別在秋茬和春茬定植后第49 天用五點(diǎn)法取500 g 左右的基質(zhì)樣品，每個(gè)處理3 個(gè)重復(fù)。pH 和EC使用電極測定（SJ-3F and DDS-307A，Shanghai，China）[18]，基質(zhì)的總有機(jī)碳（TOC）含量采用重鉻酸鉀-硫酸氧化法測定，總氮（TN）含量采用H2SO4-H2O2消化-半微量凱氏定氮法測定，總磷（TP）含量采H2SO4-H2O2消化-鉬銻抗比色法測定，總鉀（TK）含量采用H2SO4-H2O2硝化火焰光度法測定，NO3-N含量采用2M KCL浸提-分光光度法測定，-N采用靛酚藍(lán)-分光光度法測定[19]。分別在秋茬和春茬定植緩苗一周后進(jìn)行黃瓜生長指標(biāo)測定，之后每2 周測量1 次。每個(gè)處理隨機(jī)選10 株長勢均一的代表性植株，測量株高、莖粗、葉片數(shù)，用SPAD-502 葉綠素儀測定葉綠素含量。分別計(jì)算株高相對生長率（RGH-PH）和莖體積相對生長率（RGH-SV），葉片數(shù)相對生長率（RGH-LN）公式如下[20]。

式（1）、（2）和（3）中，h1、h2代表兩次測量的株高，d1、d2代表兩次測量的莖直徑，n1、n2代表兩次測量的葉片數(shù)，t1、t2代表兩次取樣時(shí)間。

于2018年12月8日秋冬茬盛果期和2019年6月8日春茬盛果期每個(gè)處理分別選取代表性植株3株，取下大小均勻果實(shí)5 個(gè)，測定果實(shí)質(zhì)量與果實(shí)長度?？扇苄怨绦挝锖坎捎肨D-45 數(shù)字折光儀進(jìn)行測定，硝酸鹽采用水楊酸-硫酸比色法測定，可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定，Vc 含量采用鉬藍(lán)比色法測定，有機(jī)酸含量采用酸堿轉(zhuǎn)法測定[21]。全生育期記錄每個(gè)處理產(chǎn)量，按照小區(qū)面積產(chǎn)量折合成黃瓜畝產(chǎn)量。

在測定果實(shí)品質(zhì)同時(shí)，分別在同時(shí)期每個(gè)處理分別取代表性植株6株。天平測定地上部與地下部鮮重后，每個(gè)植株裝進(jìn)信封并標(biāo)記，將樣品置于烘箱105 ℃下殺青30 min，80 ℃烘干至恒重。用電子天平稱量地上部與地下部干重。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)重復(fù)3 次，采用Excel2019 和SPASS20.0 軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析。采用單因素ANOVA 在P＜0.05水平進(jìn)行顯著性分析，利用Pearson 對植株生長指標(biāo)與基質(zhì)養(yǎng)分間的相關(guān)性進(jìn)行分析，利用隸屬函數(shù)對基質(zhì)理化特性和植株生長指標(biāo)進(jìn)行綜合評價(jià)，使用Origin2018軟件制作數(shù)據(jù)圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 蚯蚓糞和草炭添加生物炭對基質(zhì)化學(xué)特性的影響

如表2所示，整體來說，有機(jī)碳、全氮、全磷、速效氮、EC隨茬口增加呈增加趨勢，pH 呈降低趨勢。秋茬PB 處理后有機(jī)碳、全氮、速效鉀、速效氮含量和EC 均高于其它處理，且顯著高于V 處理，全氮、全鉀、速效鉀、速效氮、EC 顯著高于VB 處理，全鉀、速效鉀、速效氮和EC 顯著高于P 處理；VB 處理相對V 處理顯著增加基質(zhì)有機(jī)碳、全鉀含量，P處理相對V處理顯著增加有機(jī)碳、全氮、全鉀、速效鉀含量；VB處理與P處理有機(jī)碳、全氮、全鉀、全磷含量間無顯著差異，且VB處理后速效鉀和速效磷顯著高于對照組。春茬PB 處理后有機(jī)碳、全氮、全鉀、速效鉀、速效氮含量均高于其它處理組，且有機(jī)碳、全氮、全鉀、速效氮顯著高于V 和VB 處理，有機(jī)碳、速效鉀顯著高于P 處理；VB 相對V 處理顯著增加有機(jī)碳、全鉀、速效鉀含量，P相對V 處理顯著增加全鉀、速效鉀、速效氮含量；VB 與P處理后全氮含量無顯著差異，且VB 處理后有機(jī)碳、速效鉀、全磷、速效磷顯著高于P處理。

表2 草炭、蚯蚓糞引入生物炭對基質(zhì)化學(xué)特性的影響Tab.2 Effects of peat and vermicompost with biochar on chemical properties of substrate

2.2 蚯蚓糞和草炭引入生物炭對黃瓜植株生長的影響

如圖1 所示，株高相對生長率、葉綠素含量、莖粗相對生長率（除V 處理）指標(biāo)春茬高于秋茬，表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性差異。在兩個(gè)種植茬口下，各處理間株高相對生長率無顯著差異；秋茬V 處理具有最高的莖粗相對生長率，相對P和PB 處理分別顯著增加103%和82.5%，VB 處理在春茬具有最高的莖粗相對生長率，相對V 處理顯著增加92.1%，兩個(gè)茬口下P、PB、VB 處理間均無顯著差異；秋茬PB 和VB 處理下葉綠素含量無顯著差異，且均顯著高于V和P處理，春茬VB處理具有最高的葉綠素含量，P和VB處理間無顯著差異，但顯著高于V和PB處理；秋茬PB處理具有最高的葉片相對生長率，P、PB和VB處理間無顯著差異，但P和PB處理分別高于V處理25.5%和37.7%。

圖1 不同基質(zhì)處理對黃瓜植株生長的影響Fig.1 Effects of different treatments on cucumber growth

如圖2所示，秋茬各處理的地上部、地下部干鮮重均低于春茬，存在明顯的季節(jié)差異。秋茬VB 處理的地上部鮮重最高，相對V 處理顯著增加地上部鮮重20.3%，PB 相對P 處理無顯著差異；春茬PB 處理具有最高的地上部鮮重，分別高于P、V 和VB 處理69%、28.8%和24.4%。兩個(gè)茬口下PB 和VB 處理地下部鮮重均無顯著差異，但顯著高于P和V處理，說明生物炭的引入顯著促進(jìn)黃瓜地下部鮮重的累積，對地上部鮮重累積也有一定的影響。秋茬黃瓜的地上部干重VB 處理最高，分別高于P 和PB 處理41.1%和49.7%。秋茬地下部干重V、VB 處理顯著高于P、PB 處理，蚯蚓糞可顯著提高黃瓜地下部干重。春茬PB處理地下部干重最高，顯著高于P和V處理77.8%和52.1%。

圖2 不同基質(zhì)處理對黃瓜生物量的影響Fig.2 Effects of different treatments on cucumber biomass

2.3 生物炭引入蚯蚓糞和草炭對黃瓜品質(zhì)的影響

如表3 所示，果實(shí)Vc、硝酸鹽、可溶性糖、可溶性酸含量均表現(xiàn)出季節(jié)性差異，春茬低于秋冬茬。秋冬茬V 處理的可溶性酸含量顯著高于P 處理33.3%，V 與P 處理的其他品質(zhì)指標(biāo)無顯著性差異；PB處理的Vc 含量顯著高于VB 處理34.5%，VB 處理的可溶性酸含量顯著高于PB 處理的38.5%，VB 與PB處理的其他品質(zhì)指標(biāo)無顯著性差異；PB 處理的Vc、硝酸鹽顯著高于P 處理57.4%、21%。春茬V 處理的可溶性固形物顯著高于P 處理10%，V 處理與P 處理的其他品質(zhì)指標(biāo)無顯著性差異，VB 處理可溶性固形物含量顯著高于PB 處理9.1%，PB 相對P 處理，VB 相對V 處理在Vc、硝酸鹽、可溶性糖和可溶性酸含量間均無顯著差異。

表3 不同基質(zhì)處理對黃瓜品質(zhì)特性的影響Tab.3 Effects of different treatments on cucumber quality

2.4 生物炭引入蚯蚓糞和草炭添對黃瓜果實(shí)長度和產(chǎn)量的影響

如圖3 所示，果實(shí)長度和果實(shí)產(chǎn)量均有明顯的季節(jié)性差異，春茬高于秋冬茬。秋冬茬各處理果實(shí)長度間無顯著性差異。春茬V 處理果實(shí)長度均顯著高于其他處理，其他處理間無顯著差異，且V 處理相對P處理分別顯著增加10.9%。秋冬茬各處理間黃瓜產(chǎn)量差異顯著，PB 和VB 處理顯著高于P和V 處理，且P 處理高于V 處理7.6%，PB 處理顯著高于VB 處理8.7%；春茬PB 處理具有最高的黃瓜產(chǎn)量，顯著高于其他處理，V處理產(chǎn)量最低，PB處理相對P處理顯著增加黃瓜產(chǎn)量6.7%，且PB處理顯著高于VB處理7.1%。

圖3 不同基質(zhì)處理對黃瓜單果長及產(chǎn)量的影響Fig.3 Effects of different substrate treatments on single fruit length and yield of cucumber

2.5 基質(zhì)養(yǎng)分與黃瓜長勢、品質(zhì)和產(chǎn)量的相關(guān)性分析

相關(guān)分析結(jié)果表明，基質(zhì)有機(jī)碳、全氮、全鉀、全磷、pH 對黃瓜生長和品質(zhì)影響顯著。莖粗與全磷呈顯著正相關(guān)；株高與全鉀、pH 呈顯著正相關(guān)，與全磷呈顯著負(fù)相關(guān)；根冠比與全氮、全磷呈顯著正相關(guān)，與全鉀、pH呈顯著負(fù)相關(guān)；Vc與pH呈顯著正相關(guān)，與全氮、全磷、速效氮呈顯著負(fù)相關(guān)；可溶性固形物與全氮、全磷呈顯著正相關(guān)，與全鉀呈顯著負(fù)相關(guān)；產(chǎn)量與有機(jī)碳、全氮、全磷、速效鉀、速效氮呈顯著正相關(guān)，與pH呈顯著負(fù)相關(guān)（表4）。

表4 基質(zhì)養(yǎng)分與黃瓜長勢、品質(zhì)、產(chǎn)量的相關(guān)性分析Tab.4 Correlation between substrate nutrients and growth，quality，yield of cucumber

3 討論與結(jié)論

基質(zhì)養(yǎng)分特性影響植株的生長發(fā)育，不同配比基質(zhì)的養(yǎng)分特性不同，因而對黃瓜的生長發(fā)育也產(chǎn)生不同的影響。適宜的栽培基質(zhì)可有效促進(jìn)黃瓜生長、品質(zhì)及產(chǎn)量。草炭添加生物炭對第一茬（秋茬）基質(zhì)養(yǎng)分含量影響大于第二茬，秋茬提高草炭的全鉀和各速效養(yǎng)分含量，并提高基質(zhì)pH，春茬顯著提高有機(jī)碳、速效鉀含量。相比蚯蚓糞，添加生物炭的蚯蚓糞可顯著增加兩茬有機(jī)碳、全鉀和速效鉀含量。這與韓光明等[22]的研究結(jié)果一致。養(yǎng)分的積累可能與生物炭比表面積大、含碳量高的特性有關(guān)，富含生物碳的土壤環(huán)境適宜微生物生長，添加生物炭后土壤環(huán)境中的微生物的多樣性增加，促進(jìn)菌根菌快速生長，加速養(yǎng)分的分解，促進(jìn)作物生長[23]。蚯蚓糞添加生物炭處理在速效鉀和速效磷含量上顯著高于草炭處理，春茬在以上基礎(chǔ)上還顯著提高基質(zhì)有機(jī)碳和速效氮含量，另外蚯蚓糞處理在連續(xù)茬口種植后相對草炭處理可提高基質(zhì)pH，這是因?yàn)轵球炯S本身的pH高于草炭，連續(xù)施用會提高栽培基質(zhì)的pH值。

兩茬黃瓜栽培在生長與品質(zhì)、產(chǎn)量等指標(biāo)上表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性差異。株高相對生長率、葉綠素含量、莖粗相對生長率（除V 處理）指標(biāo)春茬高于秋茬。這個(gè)現(xiàn)象與不同季節(jié)日光溫室內(nèi)的光溫環(huán)境差異大有關(guān)，春茬溫室內(nèi)光溫環(huán)境的變化相比于秋茬更適合黃瓜生育，尤其是結(jié)瓜期。相較于秋茬，春茬結(jié)瓜期光溫環(huán)境更適宜黃瓜的生長發(fā)育[24]。秋茬各處理莖粗相對生長率和葉綠素存在一定差異，秋茬蚯蚓糞處理相對草炭處理可增加莖粗相對生長率，且草炭和蚯蚓糞添加生物炭后均顯著增加葉綠素含量，在春茬蚯蚓糞添加生物炭處理具有最高的莖粗相對生長率，且葉綠素與草炭處理間無顯著差異，而蚯蚓糞處理株高相對生長率和葉綠素含量顯著低于草炭處理。蚯蚓糞處理可促進(jìn)黃瓜植株生長可能與蚯蚓糞中含有大量有益微生物和生長調(diào)節(jié)物質(zhì)有關(guān)，它們能夠改善園藝作物根際土壤的微生物環(huán)境，從而調(diào)節(jié)植株的生理狀態(tài)，促進(jìn)植株的生長和干物質(zhì)的積累[25]。生物炭和蚯蚓糞具有較高全磷、速效磷、速效氮及pH，其施入明顯增強(qiáng)光合作用，凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度，促進(jìn)植株的生長發(fā)育[26]。

添加生物炭顯著增加草炭和蚯蚓糞基質(zhì)下植株地上部和地下部鮮重，并顯著增加地下部干重，草炭和蚯蚓糞處理總體上植株干鮮重差異不顯著（在秋茬增加地下部干重，春茬增加地上部鮮重），相比草炭處理，蚯蚓糞添加生物炭處理可顯著增加地下部鮮重和干重。這是因?yàn)樯锾烤哂胸S富的微觀孔隙結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)，改善了土壤微環(huán)境，也提高了微生物的種群和數(shù)量。同時(shí)，生物炭富含多種作物生長所需的元素，生物炭對基質(zhì)理化特性的改變?yōu)楦堤峁┝肆己玫纳L空間，促進(jìn)根系的發(fā)育及地上部生物量的累積[27]。蚯蚓糞及蚯蚓糞添加生物炭相對草炭不降低黃瓜產(chǎn)量，草炭添加生物炭可顯著增加黃瓜產(chǎn)量（春茬6.7%，秋茬15.2%）。王彩云等[28]、房彬等[29]研究結(jié)果表明，單一生物炭處理可促進(jìn)黃瓜、玉米、油菜生長，提升產(chǎn)量，表明生物炭對土壤有持續(xù)的改良效應(yīng)，并因?yàn)橥寥览砘再|(zhì)的改善促進(jìn)植株發(fā)育。本試驗(yàn)引入生物炭提高全氮、全磷等指標(biāo)，且相關(guān)分析表明，全氮、全磷的累積與產(chǎn)量呈正相關(guān)，生物炭的引入對黃瓜產(chǎn)量有促進(jìn)作用。

蚯蚓糞添加生物炭相對草炭和蚯蚓糞可增加可溶性固形物、草炭添加生物炭相對草炭可增加秋茬果實(shí)Vc，且可溶性固形物與全氮、全磷含量顯著正相關(guān)。王恩煜等[30]研究表明蚯蚓糞單一施入或與其他物料（如化肥、生物炭等）配施具有改善土壤生態(tài)環(huán)境，改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的效果。添加生物炭的處理在品質(zhì)指標(biāo)上表現(xiàn)出促進(jìn)作用，這與石曉宇等[31]的研究結(jié)果一致。品質(zhì)的改善可能是因?yàn)槭┤肷锾吭黾恿巳~片的光合和蒸騰速率，增加作物葉綠素含量和面積，進(jìn)而促進(jìn)了光合產(chǎn)物向果實(shí)的運(yùn)輸，并且提高了植株氮、磷和鉀的利用效率，從而提高果實(shí)品質(zhì)[32]。周冉冉等[33]認(rèn)為引入生物炭可顯著增加土壤磷酸酶、蔗糖酶、脲酶等活性，黃瓜可溶性固形物的累積與速效磷含量存在顯著正相關(guān)關(guān)系，磷酸酶活性的提高增加土壤磷含量，進(jìn)而提升黃瓜品質(zhì)。

基質(zhì)全氮、全磷、速效氮、有機(jī)碳含量隨茬口增加呈增加趨勢，pH 呈降低趨勢。生物炭引入草炭基質(zhì)的養(yǎng)分含量為各處理最高，其中全鉀和速效鉀含量高于草炭處理，全氮和有機(jī)質(zhì)高于蚯蚓糞處理，蚯蚓糞引入生物炭增加基質(zhì)有機(jī)碳和全鉀含量，蚯蚓糞連續(xù)兩茬后基質(zhì)酸化趨勢低于草炭；植株生長特性指標(biāo)有明顯季節(jié)差異，綜合來看春茬高于秋茬，蚯蚓糞添加生物炭與草炭相比，莖粗相對生長率、葉綠素、株高相對生長率、葉片相對生長率、地下部干重（秋茬）上均無顯著差異，并增加果實(shí)可溶性固形物；蚯蚓糞和蚯蚓糞添加生物炭相比草炭不降低黃瓜產(chǎn)量，草炭添加生物炭顯著增加黃瓜產(chǎn)量?？傊萏刻砑由锾?，提高基質(zhì)養(yǎng)分、品質(zhì)和產(chǎn)量，蚯蚓糞添加生物炭處理可替代草炭作為黃瓜的栽培基質(zhì)，并促進(jìn)黃瓜生長和可溶性固形物含量增加。

綜上所述，草炭添加生物炭，可提高基質(zhì)養(yǎng)分、品質(zhì)和產(chǎn)量，蚯蚓糞添加生物炭處理可替代草炭作為黃瓜的栽培基質(zhì)，并促進(jìn)黃瓜生長和可溶性固形物含量增加。

致謝：寧夏園藝學(xué)國家一流建設(shè)學(xué)科（2021-2025）同時(shí)對本研究給予了資助，謹(jǐn)致謝意！