有機(jī)氮替代化肥氮對設(shè)施菠菜品質(zhì)·土壤肥力及根際細(xì)菌群落的影響

謝瑞斌 李婷婷 劉平

摘要? 為明確有機(jī)肥替代化肥對菠菜生長的影響，以等氮量替代為原則，設(shè)置配方施肥和有機(jī)肥等氮替代不同比例化肥處理，通過大田試驗(yàn)研究有機(jī)氮肥替代化肥氮對設(shè)施菠菜產(chǎn)量、品質(zhì)、土壤肥力和根際細(xì)菌群落的影響。結(jié)果表明，有機(jī)肥替代20%最有利于提升菠菜的產(chǎn)量和品質(zhì)，鮮干重、維生素C和可溶性糖含量均顯著高于配方施肥處理。有機(jī)肥替代可顯著增加土壤的pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀含量，顯著降低土壤的容重。有機(jī)氮肥替代比例為20%～80%時(shí)，土壤堿解氮含量均顯著低于配方施肥處理。施用有機(jī)肥可顯著增加土壤細(xì)菌的α多樣性，降低其β多樣性。菠菜有機(jī)酸含量和土壤堿解氮含量對β多樣性貢獻(xiàn)率最高，分別為12.80%和-4.71%。施用有機(jī)肥可提高好氧菌群、耐脅迫菌群等有益菌群的相對豐度，但也會增加潛在致病菌群的相對豐度。綜上，有機(jī)氮肥部分替代化學(xué)氮肥可改善菠菜品質(zhì)，提升土壤肥力和抗性。

關(guān)鍵詞? 有機(jī)肥；菠菜；等氮替代；土壤肥力；細(xì)菌群落

中圖分類號? S153?? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼? A?? 文章編號? 0517-6611（2024）07-0152-06

doi： 10.3969/j.issn.0517-6611.2024.07.037

Effects of Substituting Chemical Fertilizer with Organic Fertilizer Nitrogen on Quality of Greenhouse Spinach， Soil Fertility and Rhizosphere Microbial Community

XIE Rui-bin1，2， LI Ting-ting1，2， LIU Ping2，3

（1.Haian City Farmland Quality Protection Station， Jiangsu Province， Nantong， Jiangsu 226602;2.Jiangsu Yangzhou Agricultural Environmental Safety Technology Service Center， Yangzhou， Jiangsu 225127;3.School of Environmental Science and Engineering， Yangzhou University， Yangzhou， Jiangsu 225127）

Abstract? Effects of substituting chemical nitrogen fertilizer with organic nitrogen fertilizer on greenhouse spinach yield， quality， soil fertility and rhizosphere bacterial community were studied. The experiment adopted an equal nitrogen design with six treatments， i.e.， 0 （CF）， 20% （OM20）， 40% （OM40）， 60% （OM60）， 80% （OM80）， and 100% （OM100） of chemical nitrogen being replaced respectively. The results showed that 20% of chemical nitrogen replacement with organic fertilizer was most conducive to improving the yield and quality of spinach， with fresh and dry weight， vitamin C， and soluble sugar significantly higher than that of CF. In all treatments， adding organic fertilizer could significantly increase the soil pH， organic matter， nitrogen， available phosphorus， and available potassium content， and significantly reduce the bulk density. When the proportion of organic nitrogen fertilizers was 20%-80%， the content of alkaline nitrogen was significantly lower than CF.? Applying organic fertilizer could significantly increase the α diversity of soil bacteria and reduce β diversity. Spinach organic acid content and soil alkaline nitrogen content significantly contributed to β diversity， which was 12.80% and -4.71% respectively. Application of organic fertilizer can improve the relative abundance of beneficial bacteria such as aerobic and stress tolerant， but it might also increase the relative abundance of potential pathogenic bacteria. In summary， the replacement of chemical nitrogen fertilizer with organic nitrogen fertilizers can improve the quality of spinach and improve soil fertility and resistance.

Key words? Organic fertilizer;Spinach;Substituting chemical fertilizer;Soil fertility;Bacterial community

設(shè)施蔬菜中過量施用化肥雖然可以保障蔬菜營養(yǎng)吸收，但難以達(dá)到高效、高產(chǎn)，同時(shí)會破壞土壤環(huán)境，導(dǎo)致施用成本的增加、環(huán)境的污染、土壤的退化等一系列問題［1-2］。隨著綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展，施肥理念也隨之發(fā)生了變化。有機(jī)肥替代化肥可增產(chǎn)增收，產(chǎn)品綠色健康，是提高蔬菜品質(zhì)的重要途徑［3-4］。在設(shè)施蔬菜栽培中，有機(jī)肥替代化肥還能使土壤得到明顯改良，從而增強(qiáng)作物抗病蟲能力［5-6］。施用有機(jī)肥可有效促進(jìn)綠色種養(yǎng)循環(huán)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，使畜禽糞便的利用率得到明顯提高，為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐與保障，實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)、農(nóng)民增收、農(nóng)業(yè)增效的發(fā)展目標(biāo)［7-8］。但由于有機(jī)肥的肥源不同，其養(yǎng)分含量存在差異，對土壤的地力改善效果差異較大［9］，因此，確定施用過程中有機(jī)肥替代化學(xué)氮肥的合理比例是實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)和氮利用效率提高的關(guān)鍵。筆者以設(shè)施菠菜為材料，研究畜禽糞便腐熟的有機(jī)肥替代化肥的可行性及其對菠菜生長發(fā)育、品質(zhì)、土壤理化性質(zhì)以及根際細(xì)菌群落的影響，為探索適合長江中下游地區(qū)設(shè)施菠菜高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的施肥技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)點(diǎn)位于海安市霞山家庭農(nóng)場（120312 737°E，32.413 364°N）。試驗(yàn)時(shí)間為2021年11月5日至2022年1月5日。供試土壤為設(shè)施潮土，試驗(yàn)前0～20 cm土壤pH、EC值分別為7.09和26.91 μS/cm，土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、硝酸鹽、有效磷及速效鉀的含量分別為22.5 g/kg、5.96 g/kg、0.56 g/kg、2.77 g/kg、1753 mg/kg、25.9 mg/kg和278 mg/kg。供試菠菜品種為尖葉菠菜，生育期為55～60 d。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)配方施肥（18-5-18復(fù)合肥1 200 kg/hm2）（CF）、有機(jī)肥等氮量替代20%化肥（OM20）、有機(jī)肥等氮量替代40%化肥（OM40）、有機(jī)肥等氮量替代60%化肥（OM60）、有機(jī)肥等氮量替代80%化肥（OM80），有機(jī)肥等氮量替代100%化肥（OM100）6個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列，區(qū)組內(nèi)土壤、地形等條件保持相對一致。有機(jī)肥為海安市當(dāng)?shù)赜袡C(jī)肥公司生產(chǎn)的商品有機(jī)肥，養(yǎng)分含量：有機(jī)質(zhì)31.3 g/kg，氮（N）16.1 g/kg，磷（P2O5）13.5 g/kg，鉀（K2O）15.7 g/kg。

試驗(yàn)前將土地平整，左右各設(shè)置0.5 m的保護(hù)行，前后各設(shè)置1.5 m的保護(hù)行用于機(jī)械作業(yè)。各小區(qū)面積為4 m×7 m，小區(qū)之間采用塑料膜隔開，埋深50 cm，避免小區(qū)間肥水相互滲透。每個(gè)小區(qū)3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。田間管理同一般設(shè)施菠菜。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

在菠菜采收期測定不同處理的株高、主根長，測定單株鮮重、干重。在每個(gè)小區(qū)選取10株長勢一致的植株，利用分光光度計(jì)測定整個(gè)植株的葉綠素含量。采用2，6－二氯靛酚滴定法測定不同施肥量處理下2個(gè)菠菜品種的維生素Ｃ含量，采用蒽酮比色法測定可溶性糖含量，采用分光光度法測定草酸含量和硝酸鹽含量。土壤養(yǎng)分測定參照鮑士旦［10］的方法。

土壤微生物特征測試方法：無菌環(huán)境條件下，取菠菜根際土壤10 g，放入10 mL的凍存管中，用封口膜封住，置于液氮中過夜，第二天將凍存管取出，立刻置于干冰中。每個(gè)處理設(shè)3個(gè)平行，共計(jì)6組18個(gè)樣品。從樣本中提取基因組DNA后，用帶有barcode的特異引物擴(kuò)增16S rDNA的V3 + V4區(qū)，構(gòu)建測序文庫，Illumina上機(jī)測序?；贠TU、豐度數(shù)據(jù)，開展物種注釋、物種組成分析、指示物種分析、α多樣性分析、β多樣性分析、群落功能預(yù)測。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Microsoft Excel整理，SPSS 23.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 菠菜生長發(fā)育

由表1可知，OM20（有機(jī)肥替代氮肥20%）處理下菠菜生長的株高最高，且CF（優(yōu)化配方施肥）與OM20之間差異顯著。除主根長外，單株鮮重、單株干重均在OM20處理下最大，說明有機(jī)肥替代20%化學(xué)氮肥時(shí)，最有利于植株的生長，可增加菠菜產(chǎn)量。所有處理中，OM40的主根最長，但各處理之間差異不顯著。菠菜葉綠素含量總體呈隨著有機(jī)肥的替代比例增加而減少趨勢，僅OM20和OM40這2個(gè)處理的葉綠素含量顯著高于其他處理。

2.2 菠菜品質(zhì)

由圖1a可知，OM20處理下菠菜的維生素C含量最高，隨著有機(jī)肥替代比例的增加，維生素C的 含量有下降趨勢，但其他各處理差異不顯著，表明適量施用有機(jī)肥有利于維生素C含量的積累。有機(jī)肥最佳替代比例為20%。

由圖1b可知，可溶性糖含量在有機(jī)肥替代比例為20%時(shí)最高，隨著有機(jī)肥替代比例增加，有降低趨勢。由圖1c可知，配方施肥處理（CF）的草酸含量最高，隨著有機(jī)肥替代比例的增加，草酸含量有下降趨勢，但各處理間差異不顯著。菠菜硝酸鹽含量低于432 mg/kg為正常。由圖1d可知，配方施肥處理中菠菜硝酸鹽含量最高，有機(jī)肥替代氮肥后能顯著降低菠菜硝酸鹽的含量，且硝酸鹽含量隨著替代比例的增加而降低。

2.3 土壤養(yǎng)分特征

有機(jī)肥替代化學(xué)氮顯著改變土壤理化性質(zhì)。由表2可知，隨著有機(jī)肥替代比例的增加，土壤中有機(jī)質(zhì)呈上升趨勢，有機(jī)肥替代20%～100%處理與CF相比顯著增加，有機(jī)肥替代100%處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量最高，比CF增加了30.49%。土壤中的全氮含量隨有機(jī)肥替代比例的增加呈波動趨勢，有機(jī)肥替代100%處理全氮含量最高。有機(jī)肥替代處理的土壤中有效磷含量與CF相比均顯著上升，但有機(jī)肥替代處理的有效磷含量無顯著差異，均值為28.77 mg/kg。

有機(jī)肥替代處理的土壤中堿解氮含量和CF相比呈先減少后增加的趨勢，有機(jī)肥替代20%處理土壤中堿解氮含量最低，與CF相比下降了12.24%，有機(jī)肥替代100%處理土壤中的堿解氮含量最高，與CF相比增加了2.46%。有機(jī)肥替代處理土壤中的速效鉀均顯著增加，但有機(jī)替代80%處理的土壤中速效鉀含量最高，比CF上升了16.58%。

2.4 土壤pH和容重

不同的有機(jī)肥替代比例對菠菜土壤pH有不同的影響。圖2表明，CF處理的土壤pH最低為696，OM20處理的土壤pH最高為7.09。不同的有機(jī)肥替代土壤的pH總體呈下降趨勢，OM80和OM100與CF處理均無顯著差異。隨著有機(jī)肥替代比例的增加，土壤容重呈下降趨勢。CF處理的土壤容重最高，為1.37 g/cm3，OM80和OM100處理的土壤容重最低，為1.25 g/cm3左右。

2.5 土壤根際微生物

由圖3可知，施用有機(jī)肥能顯著提高菠菜根際土壤微生物豐度，除OM80處理外，其他有機(jī)肥替代化學(xué)氮處理的細(xì)菌多樣性均高于配方施肥處理土壤。各處理中，優(yōu)勢菌門主要為變形菌門（Proteobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）、放線菌門（Actinobacteria）、髕骨細(xì)菌門（Patescibacteria）、浮霉菌門（Planctomyoetes）等。優(yōu)勢菌門在有機(jī)肥替代的各處理中豐度所占的比例有差異，如OM80的處理中變形菌門（Proteobacteria）的相對豐度顯著高于其他處理。OM100處理土壤中的細(xì)菌α多樣性顯著高于配方施肥處理，但β多樣性顯著低于配方施肥，表明有機(jī)肥替代100%處理的細(xì)菌群落多樣性高，且群落結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。各處理之間的指示屬差異較大（圖4a），有機(jī)肥替代100%處理和配方施肥2個(gè)處理間的指示屬分別為Solitalea和Luteolibacter（圖3e）。

相關(guān)性分析表明（圖4b），草酸對菠菜土壤根際細(xì)菌β多樣性貢獻(xiàn)率最高，為12.80%，其次堿解氮，為-4.71%，表明根際土壤中有機(jī)酸含量越高，細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定，而堿解氮含量越高，細(xì)菌群落越穩(wěn)定。

群落功能預(yù)測結(jié)果表明（圖5），好氧菌群、潛在致病菌群和耐脅迫菌群的相對豐度隨著有機(jī)肥替代比例的增加而增加，厭氧菌群相對豐度隨著有機(jī)肥替代比例增加而降低。有機(jī)肥替代化肥不僅能提高有益菌群如好氧菌群和耐脅迫菌群的豐富度，也會提高土壤攜帶易致病菌群的風(fēng)險(xiǎn)。

3 討論與結(jié)論

3.1 有機(jī)氮肥替代化學(xué)氮肥對菠菜生長發(fā)育和品質(zhì)的影響

有機(jī)肥含有功能菌，功能菌的快速繁殖可優(yōu)化土壤微生物種群結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤酶活性，活化土壤養(yǎng)分，提高根系活力，促進(jìn)根系對營養(yǎng)元素的吸收利用，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥替代化肥可促進(jìn)水稻［11］、茶葉［12］、橘子［13］、辣椒［14］等農(nóng)作物產(chǎn)量的增加和品質(zhì)的提升。配施有機(jī)肥可通過提高植株的葉綠素含量進(jìn)而增強(qiáng)作物的光合作用，有利于維生素C、有機(jī)酸、糖分和蛋白等物質(zhì)的積累［15-16］。該研究結(jié)果表明，與當(dāng)?shù)亓?xí)慣施肥相比，有機(jī)肥部分替代化學(xué)氮肥可增加鮮重、干重和主根長，提高菠菜維生素C和可溶性糖的含量，降低菠菜有機(jī)酸和硝酸鹽含量，這與潘亞杰等［17］研究結(jié)果一致。其中，有機(jī)肥替代化學(xué)氮肥比例為20%時(shí)，植株生長發(fā)育最好，菠菜的品質(zhì)最佳。

3.2 有機(jī)氮肥替代化學(xué)氮肥對土壤地力的影響

有機(jī)肥替代化肥最直接的影響是提升土壤的有機(jī)質(zhì)含量，降低土壤的容重，但有機(jī)肥替代比例并不是越高越好［18］。有機(jī)肥替代20%最有利于水稻田土壤有機(jī)質(zhì)含量、速效氮、速效磷、速效鉀等含量的增加［19］，有機(jī)肥替代10%以內(nèi)最有利于提高花椰菜的肥料利用率［20］，有機(jī)肥氮替代15%～30%的化學(xué)氮最有利于大蒜對養(yǎng)分的吸收［21］。該試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)有機(jī)肥替代化學(xué)氮肥比例為80%時(shí)，有效態(tài)養(yǎng)分如有效磷、速效鉀和堿解氮等含量最高，而替代比例為20%時(shí)有效態(tài)養(yǎng)分含量最低，表明有機(jī)肥替代20%時(shí)最有利于當(dāng)季作物養(yǎng)分的吸收利用和品質(zhì)的改善，但有機(jī)肥替代80%時(shí)最有利于設(shè)施土壤后續(xù)的地力培肥。

3.3 有機(jī)氮肥替代化學(xué)氮肥對根際土壤微生物的影響

施用有機(jī)肥能顯著提高植株根際土壤中細(xì)菌的多樣性［22］，從而更有利于活化土壤養(yǎng)分，提高根系活力，促進(jìn)根系對營養(yǎng)元素的吸收利用，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)，增強(qiáng)作物抗病和抗逆性［23］。與配方施肥相比，有機(jī)肥中的指示屬Luteolibacter為根際土壤系統(tǒng)中的常見菌群［24］，配施有機(jī)肥可增加根際有益菌的相對豐度。施用有機(jī)肥可增加細(xì)菌群落的α多樣性，但降低細(xì)菌群落的β多樣性，表明施用有機(jī)肥可增加細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。但對不同作物不同土壤的研究結(jié)果不完全一致，江尚燾等［25］研究表明，施用有機(jī)肥可提高芒果根系內(nèi)部的細(xì)菌多樣性，而對土壤根際的細(xì)菌多樣性無顯著影響。土壤全氮、堿解氮等含量能夠較好地解釋門水平下土壤細(xì)菌組成的變異［26］。相關(guān)性分析表明，有機(jī)酸和堿解氮是影響土壤細(xì)菌群落構(gòu)建的關(guān)鍵因素。

施用有機(jī)肥可改變土壤細(xì)菌群落中功能菌群的結(jié)構(gòu)。該研究表明，施用生物有機(jī)肥能增加土壤好氧菌群和耐脅迫菌群的相對豐度，配施有機(jī)肥有利于改善土壤微生物的結(jié)構(gòu)及土壤水分、營養(yǎng)、通氣等環(huán)境條件，為土壤微生物提供了良好的生長環(huán)境，提高了土壤微生物的代謝能力，增加了土壤中的好氧菌群和耐脅迫菌群。此外，該研究還發(fā)現(xiàn)，施用有機(jī)肥處理的菠菜根際潛在致病菌群的相對豐富有所提升，其作用機(jī)制需要進(jìn)一步研究。

綜上，有機(jī)氮肥部分替代化學(xué)氮肥可改善菠菜品質(zhì)，有機(jī)肥替代20%最有利于提升菠菜的產(chǎn)量和品質(zhì)。有機(jī)肥替代能夠提升土壤肥力，可顯著增加土壤養(yǎng)分含量、降低土壤容重，顯著增加土壤細(xì)菌的α多樣性、降低β多樣性，提高好氧菌群、耐脅迫菌群等有益菌群的相對豐度，但也會增加潛在致病菌群的相對豐度。

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基金項(xiàng)目?? 國家綠色種養(yǎng)循環(huán)農(nóng)業(yè)試點(diǎn)縣項(xiàng)目。

作者簡介?? 謝瑞斌（1979—），男，江蘇海安人，高級農(nóng)藝師，從事土壤肥料研究。

通信作者，講師，博士，從事土壤耕地質(zhì)量提升、土壤生態(tài)學(xué)研究。