蚓粪替代部分无机基肥对温室连作黄瓜生长及土壤性质的影响

郑盛阳，赵海涛，吴玉凤，赵雷明，李天鹏，钱如琰，单玉华，封 克

(扬州大学环境科学与工程学院，扬州 225127；江苏省有机固体废弃物资源化协同创新中心，南京 210095)

设施栽培是现代农业中发展较快的新兴产业，但是由于设施栽培具有高度集约化、复种指数高和种类单一等特点，易造成土壤环境恶化，继而降低作物产量、导致品质变劣、植株生育状况变差，已成为目前制约设施栽培健康发展的瓶颈问题[1-2]。适量施肥能够提升作物产量和品质，但是生产者习惯采用大量施肥的方法来维持作物高产。连年大量施肥导致土壤中盐分大量累积、土壤板结，土壤发生次生盐渍化现象日趋严重[3-4]。黄瓜是设施栽培中常见的作物，也是对土壤发生次生盐渍化现象比较敏感的作物[5]。近年来设施连作栽培导致黄瓜连作障碍发生严重，产量和品质明显下降，严重影响经济收益。因此，探求有效缓解设施连作土壤质量劣变的方法，对于设施栽培的健康可持续发展具有重要意义。

蚓粪是蚯蚓消解有机固废(如餐厨垃圾、园艺栽培废弃物、畜禽粪便和食品工业污泥等)的产物[6-9]，具有稳定的理化性质和较高的微生物活性，含有多种植物激素及丰富的腐殖酸类物质，能够有效保持土壤营养物质的含量，促进作物生长、提升品质[10-13]。施用蚓粪能够有效增加土壤养分，提高土壤利用效率，增强土壤中过氧化氢酶、酸性磷酸酶以及脲酶的活性[14-15]。蚓粪能够通过调节土壤性质以及加强植物抵抗力显著抑制作物的根系病害[16]。优异的理化和生物学性质决定了蚓粪是较好的温室连作土壤性质调节材料[17]。大量施用化肥导致农业面源污染、影响农产品安全已成为农业可持续发展面临的重要问题，减少化肥用量、提高化肥效率已成为社会共识。采用有机肥替代部分化肥是实现肥料高效、科学运筹的重要技术方法。本研究以蚓粪为有机材料，替代部分无机基肥，探究不同蚓粪用量对温室连作土壤性质和黄瓜生长的影响，以期为肥料科学运筹、促进黄瓜设施种植业持续发展提供技术依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验选用肥料为无机复合肥和蚓粪。无机复合肥的氮磷钾配比为15∶15∶15；蚓粪取自江苏省扬州农业环境安全技术服务中心有机固废生物消解基地，由‘大平2号’蚯蚓消解奶牛粪后得到，总氮7.59 gkg，速效磷2.96 gkg，速效钾0.63 gkg，有机质 254.61 gkg，pH 7.11。供试黄瓜品种为‘津春五号’，由扬州市种子公司提供。试验用土壤为沙质壤土，土壤总氮1.93 gkg，速效磷84.83 mgkg，速效钾 145.56 mgkg，有机质22.30 gkg，pH 7.80。

1.2 试验设计

试验在扬州大学沙头蔬菜试验基地已经连续3年种植黄瓜的温室大棚中进行(春季和秋季各种植一茬黄瓜，两茬之间抛荒休闲处理)。大棚长49 m、宽6 m，周年覆盖塑料薄膜。每个小区长9 m，宽3 m，面积27 m2，小区间隔25 cm。试验设不同用量蚓粪替代20%无机复合肥处理：FT，施用无机复合肥(750 kghm2)；VP1，施用无机复合肥(600 kghm2)和低量蚓粪(3 000 kghm2)；VP2，施用无机复合肥(600 kghm2)和中量蚓粪(6 000 kghm2)；VP3，施用无机复合肥(600 kghm2)和大量蚓粪(24 000 kghm2)；CK，不施基肥。所有处理的肥料于黄瓜移栽前7d一次性施入土壤，用旋耕机充分旋耕。试验随机区组设计，3次重复。2014年4月20日催芽育苗，2014年5月10日黄瓜幼苗移栽。2014年6月下旬(黄瓜盛果期)采样0—15cm耕层土壤，测定土壤性质，同时测定黄瓜生长发育的各项指标。采样前不施用肥料，其他管理措施与一般大田生产相同。

1.3 测定项目与方法

土壤性质指标包括：全氮、铵氮、硝氮、全磷、速效磷、速效钾、有机质、可溶性有机碳、阳离子交换量(CEC)、pH、电导率(EC)。土壤全氮采用凯氏定氮法测定；铵态氮采用KCl浸提-靛酚蓝比色法测定，硝态氮采用KCl溶液浸提-紫外直接比色法测定[18]；全磷采用HClO4-H2SO4消煮-钼蓝比色法测定；速效磷采用NaHCO3浸提、钼蓝比色法测定；速效钾采用醋酸铵浸提(水∶土=5∶1)，火焰光度法测定；有机质采用重铬酸钾外加热法测定；可溶性有机碳采用纯净水浸提(水∶土=5∶1)，TOC仪测定；CEC采用乙酸钠-火焰光度法测定；pH采用浸提法(水∶土=5∶1)，pH计直接测定；EC值采用浸提法(水∶土=5∶1)，电导仪直接测定[19]。

黄瓜生长发育指标包括植株性状(叶片数、株高、茎粗、叶片叶绿素)、产量性状(单果重、产量)和品质性状(可溶性糖、有机酸、可溶性固形物、可溶性蛋白质)。叶片数：以完全展开叶为标准，计数法统计；株高：基质表面到心叶的距离，采用直尺测量；茎粗：以茎基部的粗度为标准，采用游标卡尺测量；叶绿素含量：采用SPAD仪(SPAD-502，JAPAN)直接测定。单果重采用直接称重法测定；产量采用标记称重法测定，由单株黄瓜产量乘以种植密度折算得到。可溶性糖含量采用蒽酮比色法[20]测定，可溶性蛋白质含量采用考马斯亮蓝G-250法测定，有机酸含量采用氢氧化钠滴定法测定可滴定酸[21]。

1.4 数据分析

土壤理化性质、黄瓜产量、品质以及植株性状数据使用Excel 2010软件整理，SPSS 18.0软件进行统计分析。方差分析采用单因素方差分析法(One-way ANOVA)，多重比较方法使用新复极差法(Duncan法)，P<0.05为显著水平。

2 结果与分析

2.1 蚓粪替代对连作土壤性质的影响

2.1.1 土壤氮磷钾碳含量

在温室连作土壤中施用基肥能够明显改变土壤氮、磷、钾和碳元素的赋存特征。由表1可知，FT处理土壤的全氮、铵态氮和可溶性有机碳含量均小于CK，而硝态氮、全磷、速效磷和有机质含量均大于CK，但差异并不显著。FT处理土壤的全氮、硝态氮、速效磷、速效钾和有机质含量显著小于VP1处理。VP2处理土壤的速效钾含量(0.33 mgkg)和有机质含量(18.24 gkg)显著小于VP1(0.51 mgkg，21.46 gkg)，其他指标间差异不显著。VP3处理土壤的各类指标均为最高值。以上结果表明，大量的蚓粪(24 000 kghm2)替代无机复合肥既能够显著增加土壤的氮磷碳全量，也能够显著增加土壤有效态的氮磷钾碳。6 000 kghm2蚓粪替代20%的无机复混肥作为基肥，比3 000kghm2蚓粪替代总体上更能导致土壤氮磷钾碳含量的下降，但土壤速效钾含量呈现相反特征。

表1 蚓粪替代处理对土壤矿质营养赋存的影响

注：同列不同字母表示差异显著(P<0.05)，下同

2.1.2 土壤盐分和pH

从表2可知，FT处理土壤的CEC、EC值以及pH大于CK，但差异不显著。FT处理土壤的CEC(0.2 cmolkg)和pH(6.78)显著大于VP1，而EC值(1.31 mScm)显著小于VP1。在VP处理中，VP3处理土壤的CEC、EC值和pH最大，VP2处理土壤的CEC(0.28 cmolkg)显著大于VP1，VP2处理土壤的EC值(1.98mScm)与VP1差异不显著，VP2处理土壤的pH(6.43)与VP3差异不显著。可见，大量的蚓粪(24 000kghm2)替代无机复合肥能够显著增加土壤的CEC和EC值。蚓粪替代无机肥料作为基肥能够降低土壤的pH，3 000kghm2蚓粪替代降低土壤pH的效果显著。

表2 蚓粪替代处理对土壤盐和pH的影响

2.2 蚓粪替代对黄瓜生长和产量品质的影响

2.2.1 植株生长

由表3可知，FT处理黄瓜植株的叶片叶绿素含量、茎粗和叶片数与CK和VP1无显著差异，但FT处理黄瓜植株的株高显著小于CK和VP1。在VP处理中，VP2处理的黄瓜叶片叶绿素含量明显大于VP1和VP3，VP3处理的黄瓜株高显著小于VP1(78.82 cm)和VP2(75.07cm)。VP1、VP2处理和VP3处理间的茎粗和叶片数差异不显著。以上结果表明，基肥单施无机复合肥整体上对黄瓜植株生长无显著促进作用。蚓粪替代无机复合肥能够显著促进黄瓜植株生长，6 000kghm2蚓粪替代20%无机复合肥的综合效果最好。

表3 蚓粪替代处理对黄瓜植株生长的影响

2.2.2 黄瓜产量

连作温室黄瓜栽培中，蚓粪替代部分无机复合肥作为基肥施用有利于黄瓜产量和单果重的增加。由表4可知，FT处理的黄瓜产量和单果重均大于CK，但差异不显著。FT处理的黄瓜产量和单果重均小于VP1，差异也不显著。在VP处理中，VP3处理黄瓜的产量和单果重与VP2差异不显著，但显著大于VP1。以上结果表明，基肥单施无机复合肥不能显著增加黄瓜的产量和单果重，而24 000kghm2和6 000kghm2用量的蚓粪替代无机复合肥能够显著增加黄瓜的产量和单果重，两种用量间差异不显著。

表4 蚓粪替代处理对黄瓜产量和单果重的影响

2.2.3 黄瓜品质

由表5可知，FT处理黄瓜果实的可溶性糖、有机酸、可溶性固形物和可溶性蛋白含量与CK间差异不显著。FT处理黄瓜果实的可溶性糖含量显著小于VP1(12.35%)、VP2(12.80%)和VP3(12.35%)，可溶性蛋白含量也显著小于VP1(1.59 mgg)和VP2(1.56mgg)。在VP处理中，VP2处理黄瓜果实的可溶性糖含量(12.80%)最大，显著大于VP1。VP3处理黄瓜果实的有机酸含量(0.20%)和VP2的可溶性固形物含量(3.26 Brix)最高，但与VP1、VP2处理和VP3处理间无显著差异。VP3处理黄瓜果实的可溶性蛋白含量(1.30 mgg)显著小于VP1和VP2。可见，与不施基肥相比，单施无机复合肥对黄瓜果实品质的提升无显著促进作用。蚓粪替代无机复合肥整体上能够显著提升黄瓜果实品质各指标，6 000kghm2蚓粪替代20%无机复合肥的综合效果最好。

表5 蚓粪替代处理对黄瓜果实品质的影响

3 讨论与结论

黄瓜是我国设施栽培的大宗蔬菜作物，由于生产栽培条件及市场等因素的限制，设施连作现象普遍，严重制约了黄瓜设施栽培的可持续发展。黄瓜连作使土壤理化性质和生物学性质劣变，继而导致连作黄瓜生长产生明显的生理障碍[22]。本研究的前期工作也表明，温室连作黄瓜后土壤pH明显降低、EC值升高、土壤养分含量增加，继而对黄瓜生长产生不利影响[23]。

本研究表明，与不施基肥相比，温室连作劣变土壤中施用氮磷钾无机复合肥(750 kghm2)对黄瓜盛果期土壤的全氮、铵态氮、态氮、全磷、速效磷、有机质和可溶性有机碳含量，以及土壤CEC、EC值和pH等影响都不显著。施用氮磷钾无机复合肥显著降低了黄瓜株高，但对黄瓜叶片叶绿素含量、茎粗和叶片数影响不显著，对黄瓜产量、单果产量以及果实品质也无显著影响。可见，在温室连作黄瓜土壤上，施用无机复合肥已无明显的有益作用，其原因主要是温室连作黄瓜后土壤盐矿质营养元素含量已经达到较高水平，施肥的有益作用得不到显现。相比国家农业标准《南方地区耕地土壤肥力诊断与评价》(NYT 1749—2009)提出的南方地区土壤肥力评价建议参考标准值，本研究中温室连作黄瓜6茬后土壤的有机质为22.30 gkg、全氮为1.93 gkg、有效磷为84.83 mgkg、速效钾为145.56 mgkg，依次是评价建议参考标准1.8倍、1.9倍、11.3倍和1.8倍，土壤碳氮磷钾元素含量已经明显超出建议参考标准值，土壤植物必需营养元素完全能够满足下茬黄瓜生长的需求。在此条件下，施用无机基肥为作物提供的矿质营养已经超出了作物生长发育的需要，而施肥导致土壤盐渍化加剧，质量下降，继而对黄瓜生长产生不利影响。对连作劣变土壤性质和黄瓜生长的有益和有害两个方面影响的共同作用下，导致施用无机基肥和不施基肥处理对黄瓜植株生长、产量和品质的影响无显著差异。

有机类肥料与无机肥料配合施用，不仅可以满足作物营养需求，提高养分资源利用率，而且对改善土壤理化性状，形成健康土壤微生物区系，提升土壤肥力，促进植物系统发育等都具有重要意义。研究表明，施入外源有机物质可以改变土壤的细菌群落结构、提高土壤微生物多样性，而施入化肥对土壤的细菌群落结构无显著影响，有机肥与化肥配施能有效提高土壤中细菌的多样性和丰富度、提高氮素利用效率，有利于黄瓜果实产量和品质的提高[26]。蚓粪施入土壤后，可显著降低植物寄生线虫的数量，降低植物的感病率[27-28]；也可诱导黄瓜产生炭疽病系统抗性，控制病害的发生[29-30]。也有研究表明,施用蚓粪有利于提高作物产量、氮有效性以及土壤的整体健康状况[31]。本研究表明，蚓粪替代部分无机肥料对土壤性质和黄瓜生长发育都产生了不同的影响。蚓粪(3 000—24 000 kghm2)替代20%无机复合肥(150kghm2)作为基肥施用后显著增加了土壤速效磷、速效钾、有机质含量和EC值，可见蚓粪替代部分无机肥有利于土壤速效磷钾养分和碳的赋存，但会导致土壤盐分上升。蚓粪替代对土壤氮的影响不同，低量蚓粪(3 000 kghm2)替代显著增加了土壤全氮、硝态氮，中量蚓粪(6 000 kghm2)替代显著增加了土壤铵态氮，而大量蚓粪(24 000 kghm2)替代显著增加了土壤全氮、铵态氮、硝态氮，表明中量蚓粪(6 000 kghm2)替代有利于作物吸收利用土壤氮素。低量和中量蚓粪替代有效减少了土壤可溶性有机碳含量，其主要原因可能是蚓粪替代显著促进了土壤健康微生物区系的构建，增加了土壤微生物量，继而有效固定了土壤中的可溶性有机碳，而大量蚓粪替代提供的可溶性有机碳超出了土壤微生物的需求。本研究表明，蚓粪替代可以增加土壤阳离子交换量和土壤电导率。同时，由于蚓粪自身含有大量营养盐，使得许多有益微生物得以生存[32]。蚓粪替代总体上有利于连作黄瓜产量增加，保持或者利于黄瓜植株健康生长和黄瓜果实品质提高。这可能是由于蚓粪中含有大量的GA3、IAA等生物活性物质和有益微生物[33]，促进了连作黄瓜生长发育。在温室连作劣变土壤施用基肥中，不同蚓粪量替代无机复合肥对土壤性质和黄瓜生长发育的影响存在差异。

温室连作黄瓜劣变土壤中，以基肥的方式施用氮磷钾无机复合肥(750 kghm2)对于连作黄瓜无增产效应。低量蚓粪(3 000 kghm2)替代无机复合肥作为基肥施用显著增加了土壤全氮、硝态氮、速效磷、速效钾、有机质和EC值以及黄瓜可溶性糖和可溶性蛋白含量，显著降低了土壤CEC值和pH；中量蚓粪(6 000 kghm2)替代显著增加了土壤铵态氮、速效磷、速效钾、有机质、CEC和EC值，同时显著增加了黄瓜单果重和叶片叶绿素含量，也显著增加了果实的可溶性糖、可溶性固形物和可溶性蛋白含量，但显著降低了土壤可溶性有机碳含量；大量蚓粪(24 000kghm2)替代显著增加了土壤全氮、铵态氮、硝态氮、全磷、速效磷、速效钾、有机质、CEC和EC值，也显著增加了黄瓜产量和单果重，但显著降低了黄瓜株高。