有机肥替代化肥对土壤环境和番茄品质的影响

刘中良 高俊杰 谷端银 闫伟强

摘要：【目的】探讨有机肥替代化肥对设施土壤环境、番茄品质及产量的影响，为设施番茄科学有效的有机肥替代无机肥提供理论依据。【方法】以番茄青农866为试验材料，设置有机肥不同配施量处理（CK，100%化肥;T1，15%有机肥+85%化肥;T2，30%有机肥+70%化肥;T3，45%有机肥+55%化肥;T4，60%有机肥+40%化肥;T5，75%有机肥+25%化肥;T6，100%有机肥）。研究不同处理对土壤微生物数量、土壤酶活性、土壤团粒结构、土壤养分及番茄品质和产量的影响。【结果】有机肥替代化肥能提高设施土壤微生物数量和酶活性，其中T3处理真菌数量最多，为50.0×105 CFU/g，土壤细菌数量以T4处理最多，为6.3×108 CFU/g;土壤过氧化氢酶活性和脲酶活性均以T5处理为最高，分别为0.44和16.38 mg/g，T4处理的土壤蔗糖酶活性最高，为0.35 mg/g。与CK相比，>0.25 mm水稳性团聚体含量增加12.94%～20.59%，土壤有机质含量增加26.30%～143.37%，全氮含量提高16.56%～129.80%，C/N提高6.29%～17.39%。此外，有机肥替代化肥能改善番茄品质和提高产量，T1处理的番茄红素含量最高，达7.22 mg/kg，较CK增加80.50%，糖酸比以T2和T1处理较佳，分别为8.80和8.67;产量以T1处理最高，为161890.94 kg/ha，较CK增产12.01%。【结论】有机肥替代化肥能显著改善设施土壤环境、提高番茄品质及产量的影响，且土壤环境改善与品质、产量的提高并非不可协调，在实际番茄生產中可优先采用减少15%化肥施用量同时配施适当有机肥的处理。

关键词： 有机肥;番茄;土壤理化特性;品质;产量

中图分类号： S141                                 文献标志码： A 文章编号：2095-1191（2020）02-0357-07

Effects of organic fertilizer substituting chemical fertilizer on soil environment and tomato quality

LIU Zhong-liang， GAO Jun-jie*， GU Duan-yin， YAN Wei-qiang

（Taian Academy of Agricultural Sciences， Taian， Shandong  271000， China）

Abstract：【Objective】In order to provide theoretical basis for organic fertilizer substituting chemical fertilizer， the effects of organic fertilizer substituting chemical fertilizer on soil environment， tomato quality and yield were studied.【Method】The tomato Qingnong 866 was used as the test material， and the different organic fertilizer application amounts were set （CK： 100% chemical fertilizer， T1： 15% organic fertilizer+85% chemical fertilizer， T2： 30% organic fertilizer+70% chemical fertilizer， T3： 45% organic fertilizer+55% chemical fertilizer， T4： 60% organic fertilizer+40% chemical fertilizer， T5： 75% organic fertilizer+25% chemical fertilizer， T6： 100% organic fertilizer）. Effects of various treatments on soil microbial number， soil enzyme activity， soil aggregate structure， soil nutrients， tomato quality and yield were studied. 【Result】The organic fertilizer substituting chemical fertilizer could improve soil microbial number and enzyme activity， the fungi number with T3 treatment reached maximum（50.0×105 CFU/g）， the bacteria number with T4 treatment was the most（6.3×108 CFU/g）. Under T5 treatment， the soil catalase activity and urease activity reached the highest， 0.44 mg/g and 16.38 mg/g respectively， while the sucrase activity was the highest（0.35 mg/g） under T4 treatment. Compared with CK，>0.25 mm water stable aggregate， organic matter， total nitrogen content and C/N were increased by 12.94%-20.59%， 26.30%-143.37%， 16.56%-129.80%， 6.29%-17.39%， respectively. In addition， organic fertilizer substituting chemical fertilizer could improve tomato quality and yield， the lycopene content under T1 treatment was the highest， which was 7.22 mg/kg， 80.50% higher than CK treatment， the sugar-acid ratio of T2 treatment and T1 treatment were 8.80 and 8.67， respectively， and performed well. The highest yield of T1 treatment was 161890.94 kg/ha， and increased by 12.01% than CK treatment. 【Conclusion】The effects of organic fertilizer substituting chemical fertilizer on soil environment， tomato quality and yield can be improved， and coordinating soil environment in contradiction to good tomato quality and yield might be possible， and decreasing 15% chemical fertilizer combined with proper organic fertilizer amounts treatment should be used preferentially in actual tomato production.

Key words： organic fertilizer; tomato; soil physical and chemical characteristics; quality; yield

Foundation item： Shandong Key Research and Development Project（2018GNC110037）;Vegetable Innovation Group Construction Project of Shandong Modern Agricultural Industry System（SDAIT-05-09）

0 引言

【研究意义】设施番茄生产复种指数高，需肥量大，生产中为获得高产盲目增施化肥现象普遍，使生产成本增加，肥料资源浪费严重（梁静等，2015;武良等，2016）。此外，过量及不合理使用化肥破坏了土壤团粒结构，造成土壤有机质和生物多样性下降，导致菜田生态系统失衡、土壤板结、盐渍化及土传病害加重等，制约着设施番茄产业可持续发展（周静等，2017）。近年来，有机肥与无机肥配施改善土壤结构、调节土壤微生物、改善土壤生态环境的功能愈来愈引起国内外学者的关注（黄绍文等，2017）。因此，研究有机肥替代化肥对设施番茄土壤环境、番茄品质和产量的影响，可为推廣有机肥替代技术提供理论依据，同时对改善设施土壤环境，推动番茄产业长效健康发展及增加农民收入具有重要现实意义。【前人研究进展】有机肥具有肥效期长、营养全面和有机质丰富等特点（付丽军等，2017）。有研究认为，有机肥与无机肥配施满足了番茄植株对养分的需求，有利于改善土壤生态环境（宁川川等，2016），如提高土壤保水保肥能力，增加呼吸累积量，增大孔隙度，进而增强番茄植株根系活力，并达到提高番茄产量、品质的目的（查钱慧等，2015;王春新等，2017）;同时，氮磷钾肥配施有机肥可增加作物根际土壤细菌和放线菌数量（张鹏等，2013;Rong et al.，2018），提高土壤脲酶、磷酸酶和过氧化氢酶等酶活性，促进有机质分解和养分循环利用（张恩平等，2015）。魏宇轩等（2018）研究表明，有机肥配施化肥显著增加土壤各粒级团聚体有机碳含量。而有机碳含量增加能提升土壤碳库的作用，提高土壤团聚体的形成和稳定性（Levanon and Pluda，2002;高梦雨等，2018）。周博等（2015）研究表明，施用有机肥能提高番茄地块有机质、硝态氮和有效磷的累积量;同时，降低氮素损失及保证较高的氮素后茬利用率（孙雅杰等，2017）;随着有机肥施入量的增加，番茄植株磷素吸收量呈增加趋势（许俊香等，2016）;另外，有研究表明配施有机肥对番茄青枯病、枯萎病和茎基腐病3种土传病害具有显著的防治效果（李胜华等，2009）。【本研究切入点】目前，已有不少关于不同氮磷钾肥料配施有机肥对土壤微生物、酶活性、养分及蔬菜品质产量影响的研究报道，而基于无机肥与有机肥氮磷钾有效含量配施的研究主要集中于1种或2种元素替代研究，3种元素有效含量替代的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】采用无机肥与有机肥的氮磷钾有效含量定量配施，研究其对土壤环境及番茄产量和品质的影响，通过对土壤微生物数量、酶活性、团粒结构、土壤肥力及番茄品质和产量进行分析，为设施番茄科学有效的有机肥替代无机肥提供理论依据，以实现有机肥代替无机肥在番茄肥料管理上的可操作性。

1 材料与方法

1. 1 试验材料

供试番茄品种为青农866（鲁农审2013037号），由青岛农业大学选育、提供;有机肥购自潍坊根源生物科技有限公司，总养分≥5%，有机质≥50%;水溶肥料为山东金正大生态工程股份有限公司生产，养分为纯氮（N）20%、纯磷（P2O5）20%、纯钾（K2O）20%，微量元素0.2%～3.0%，5 kg/袋。

1. 2 试验设计

试验于2018年3—7月在山东省泰安市农业科学研究院蔬菜基地日光温室中进行。土壤类型为壤土，理化性质为：有机质含量28.35 g/kg，全氮含量1.98 g/kg，碱解氮、速效磷和速效钾含量分别为619.90、484.19和25.81 mg/kg，C/N 8.30，pH 6.75。前茬作物为大白菜，日光温室去膜栽培，生育期内基施等氮磷钾（15-15-15）复合肥50 kg，生育期内追施水溶肥5次，15 kg/次。

番茄于2018年2月2日育苗，3月20日定植，定植采取全隔离式土壤栽培，槽距1.4 m，栽培槽长宽深为8.00 m×0.40 m×0.25 m，每槽2行，株距0.30 m，水肥一体化管理。以当地农户番茄常规水溶肥（20-20-20+TE）施用量为对照（CK），TE代表微量元素（B、Fe、Mn、Zn和Cu），含量为0.2%～3.0%，生育期内水溶肥总量为1500 kg/ha，其中含N 300 kg、P2O5 300 kg、K2O 300 kg。按照氮磷钾总量换算，设7个处理：CK，100%化肥（1500 kg/ha）;T1处理，15%有机肥（2700 kg/ha）+85%化肥（1275 kg/ha）;T2处理，30%有机肥（5400 kg/ha）+70%化肥（1050 kg/ha）;T3：45%有机肥（8100 kg/ha）+55%化肥（825 kg/ha）;T4处理，60%有机肥（10800 kg/ha）+40%化肥（600 kg/ha）;T5处理，75%有机肥（13500 kg/ha）+25%化肥（375 kg/ha）;T6处理，100%有机肥（18000 kg/ha）。有机肥一次基肥施入，每处理设3次重复，小区随机区组排列。

1. 3 测定项目及方法

果实品质和土壤等指标于山东农业大学园艺学院农业部园艺作物生物学重点开放实验室进行测定。番茄生育期内留五穗果，选取有代表性的第三穗果测定果实品质，于2018年7月1日第三穗果成熟时，选择发育状况一致的果实进行品质测定。维生素C（Vc）和可溶性糖含量分别采用2，6-二氯靛酚比色法和硫酸—蒽酮比色法测定，糖酸比为可溶性糖含量与有机酸含量比值（李小方和张志良，2016），番茄红素含量采用NY/T 1651—2008《蔬菜及制品中番茄红素的测定 高效液相色谱法》进行测定。7月25日拉秧时采集土样，鲜样测定土壤微生物，干样测定团聚体含量、酶活性和养分含量。微生物数量（细菌、真菌和放线菌）采用平板菌落计数法测定，其中细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基培养，真菌采用马丁氏培养基培养，放线菌采用高氏一号培养基培养（林先贵，2010）。土壤过氧化氢酶、脲酶和蔗糖酶活性测定方法参照苏州科铭生物技术有限公司土壤酶测定试剂盒说明书（http：//www.cominbio.com/a/shijihe/shenghuashiji/turangxilie/）。团聚体百分含量采用湿筛法测定。有机质采用重铬酸钾容量法测定，全氮采用凯氏法测定，速效磷、速效钾分别采用碳酸氢钠浸提比色法、醋酸铵浸提—火焰光度计法测定（鲁如坤，2000）。每次收获计产，累计总产量。

1. 4 统计分析

采用Excel 2007、DPS 7.05进行数据整理和分析，使用Sigmaplot 11.0绘制图表。

2 结果与分析

2. 1 有机肥替代化肥对土壤微生物数量及酶活性的影响

由图1-A可知，随有机肥替代量的增加，土壤真菌数量先逐渐增加，至T3处理达最多，为50.0×105 CFU/g，而后开始减少，土壤细菌数量以T4处理最多，为6.3×108 CFU/g，较CK增加129.09%，与CK间差异显著（P<0.05，下同），说明适量有机肥替代化肥可促进低肥的“真菌型”土壤向高肥的“细菌型”土壤转化;各施肥处理放线菌数量较CK减少10.71%～73.21%，可能与微生物群落间营养竞争有很大关系。由图1-B可知，土壤过氧化氢酶活性随着有机肥替代量增加呈逐渐升高趋势，与CK相比提高23.46%～116.69%，其中T5处理最高，为0.44 mg/g，与其他处理差异达显著水平;T5处理土壤脲酶活性也最高，为16.38 mg/g，土壤蔗糖酶活性以T4处理最高，为0.35 mg/g，二者与CK差异均达显著水平，而后随有机肥替代量增加，脲酶和蔗糖酶活性呈现下降趋势。由于脲酶、蔗糖酶分别与土壤中氮、糖的转化和利用密切相关，说明有机肥可提高酶活性，促进土壤中养分的利用。

2. 2 有机肥替代化肥对土壤团粒结构的影响

从表1可知，各施肥处理的土壤团聚体组成以>5.00 mm大团聚体和<0.25 mm微团聚体为主，其次是1.00～2.00 mm和0.25～0.50 mm的团聚体。与CK相比，各施肥处理的>5.0 mm大团聚体含量均有所增加，其中以T2处理最高，为25.30%，差异达显著水平;而3.00～5.00 mm团聚体含量以T6处理最高，较CK增加39.02%;各施肥处理的2.00～3.00 mm团聚体含量为3.80%～5.97%，T4和T1处理较CK分别增加57.11%和56.59%，差异达显著水平;T4处理的1.00～2.00 mm团聚体含量高于其他处理，但T1和T5处理低于CK;随有机肥替代量的增加，0.50～1.00 mm团聚体含量变化趋势同样存在差异，T5处理最高，较CK增加7.21%，差异达显著水平;而0.25～0.50 mm团聚体含量以CK最高，说明增施有机肥不利于此粒径下团聚体的形成;与CK相比，各施肥处理>0.25 mm水稳性团聚体含量较CK增加12.94%～20.59%，其中T2处理（83.94%）最高，T1处理（83.93%）次之，差异均达显著水平。由于>0.25 mm水稳性团聚体含量与土壤通气性、肥力、团粒结构等有直接关系，综上所述，T2和T1处理较利于土壤结构改善。

2. 3 有机肥替代化肥对土壤养分的影响

从表2可知，各施肥处理的有机质含量均高于CK，且随有机肥替代量增加而逐渐增加，增幅为26.30%～143.37%，以T6处理最高，除T1处理外均与CK差异显著;全氮含量随有机肥替代量增加呈先升高后降低的变化趋势，较CK增加16.56%～129.80%，以T4处理最高，为3.47 g/kg，说明有机肥替代化肥能有效增加土壤全氮含量，适当替代量优于不施有机肥和过量有机肥;速效磷含量变化趋势与全氮含量变化趋势类似，其中T2处理最高，达866.44 mg/kg，与CK相比，T2处理增加136.39%，差异达显著水平，T5和T6处理分别比CK减少53.15%和52.66%，但二者差异不显著（P>0.05，下同）;各施肥处理的速效钾含量较CK减少18.12%～77.50%;而各施肥处理的C/N均高于CK，提高6.29%～17.39%。综上所述，有机肥替代化肥可改善土壤营养的分配，提高C/N，从而改善土壤养分平衡，促进番茄植株养分吸收、代谢，进而有效提高番茄的产量和品质。

2. 4 有机肥替代化肥对番茄品质及产量的影响

由表3可知，T6处理的Vc含量（41.61 mg/kg）最高，比CK增加1.27%，且表现为随有机肥替代量增加总体上呈增加趋势，说明有机肥用量对Vc含量具有正向影响;各施肥处理的番茄红素含量均高于CK，其中T1和T2处理与其他处理间差异显著，T1处理番茄红素含量最高，达7.22 mg/kg，T2处理次之，为6.65 mg/kg，二者较CK分别增加80.50%和66.25%，且差异达显著水平;T6处理可溶性糖含量显著高于其他处理，但其他处理间差异均不显著，说明有机肥替代量对可溶性糖含量影响较小。可见，有机肥配施处理下品质指标（Vc、番茄红素及可溶性糖含量）均有所提高，可能与有机肥改善土壤生态环境及养分均衡更有利于植株成分的吸收、利用有很大关系。糖酸比作为番茄重要的口感品质指标，8.00～9.00口感最好，T2和T1处理的糖酸比分别为8.80和8.67，口味最佳;番茄产量在T2处理之后随有机肥替代量增加整体呈下降趋势，T1处理产量最高，为161890.94 kg/ha，较CK增产12.01%，可见适当的有机肥替代量可提高产量，过量则会减产。综上所述，有机肥替代化肥T1处理改善番茄品质，提高产量效果最佳。

3 讨论

相关研究表明，土壤微生物是土壤生态系统的组成部分之一，对有机物质分解转化具有重要影响，有机肥与无机肥配施能提高土壤细菌、放线菌等菌群数量，促使“真菌型”土壤转化成“细菌型”土壤（Lazcano et al.，2013）。姜蓉等（2017）研究认为，减施化肥增施生物有机肥增加了土壤细菌、放线菌数量和细菌/真菌值，降低真菌数量，提升土壤酶活性。宋以玲等（2018）研究表明，与常规施肥（100%化肥）相比，化肥减量10%、20%和30%并配施与所减化肥相同用量的生物有机肥，可使油菜根际土壤细菌和放線菌数分别提高111.26%～210.76%和12.49%～34.09%，而真菌数量降低20.37%～39.68%，同时提高了根际土壤中性磷酸酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性。本研究中，土壤真菌数量先随着有机肥替代量增加而增加，至T3处理达最多，而后开始减少;与CK相比，随着有机肥替代量增加，土壤细菌数量整体呈上升趋势，以T4和T5处理为最多，分别为6.3×108和6.2×108 CFU/g;而放线菌数量变化趋势与细菌相反。该结果与姜蓉等（2017）、宋以玲等（2018）的研究结果不同，可能与施肥影响土壤pH进而改变土壤微生物的群落结构有很大关系（O'Donnell et al.，2001）。细菌和放线菌等数量的增加有利于土壤团粒结构形成及土壤养分转化，从而提升土壤质量，抑制土传病害的发生（Sturz and Christie，2003）。此外，有机肥给土壤提供了氮、磷、钾大量元素及铜、铁、钙等微量元素营养，增加土壤有机质，为微生物提供了原料，改善了土壤生态环境，促进了土壤微生物的代谢活性，进而加速植株生长（Daudén and Quílez，2004）。

土壤酶活性作为土壤新陈代谢重要的肥力指标，其中脲酶、过氧化氢酶和磷酸酶分别与土壤中氮、有机质和磷的转化密切相关。本研究中过氧化氢酶活性随有机肥替代量增加呈增大趋势，较CK提高23.46%～116.69%;T5处理脲酶活性最大，为16.38 mg/g，蔗糖酶活性以T4处理最大，为0.35 mg/g。张恩平等（2015）研究认为，番茄产量、品质与土壤酶活性三者之间存在相关性，与有机肥改善土壤理化性质，为微生物提供良好的生长环境，促进有机质分解，为土壤酶提供丰富的反应底物有关（Supradip et al.，2008）。也有研究表明，土壤脲酶、碱性磷酸酶和蔗糖酶活性与土壤全氮、速效磷及有机碳含量存在显著或极显著相关性（宋震震等，2014）。本研究中土壤酶活性与土壤养分含量的相关性有待进一步研究。

作为土壤结构的基本单元，土壤团聚体是衡量土壤肥力和土壤质量的重要指标之一。本研究田间试验结果表明，减量化肥配施有机肥可显著优化土壤团聚体含量分布。与CK相比，配施后土壤中>0.25 mm水稳性团聚体含量增加12.94%～20.59%，与高焕平等（2018）的研究结果一致。也有研究认为，不同有机物肥料处理降低了>0.25 mm土壤水稳性团聚体的含量，但增强了土壤团聚体结构稳定性（刘哲等，2018），这可能与土壤类型、理化特性不同等有关。

相关研究表明，有机肥增加土壤有机质，进而提高土壤功能菌的活性来分解释放有机质中的氮、磷和钾（孔涛等，2016），且活化土壤中难溶态氮、磷、钾等养分。此外，有机肥也可降低氮素损失，减少磷素在土壤中的累积和淋溶、提高肥料利用率，降低环境污染风险（李胜华等，2009;许俊香等，2016）。本研究结果显示，减量化肥配施有机肥提高了土壤有机质、速效养分及全氮含量，与周博等（2015）的研究结果一致，说明合理配施有机肥有利于提升土壤碳氮转化，提升土壤肥力可持续性。但本研究中产量以T1处理最高，为161890.94 kg/ha，较CK增产12.01%，结果与周博等（2015）的研究结果不同，即认为增施有机肥对番茄产量无显著影响。番茄红素含量以T1处理最高，达7.22 mg/kg，较CK增加80.50%;番茄果实糖酸比8.00～9.00口感最好，本研究中T2和T1处理糖酸比分别为8.80和8.67，口味最佳，这与减量化肥配施生物有机肥改善土壤酶活性、提高肥料利用率有很大关系（姜蓉等，2017），且能显著增加番茄风味化合物的种类和数量（李恕艳等，2017）。

4 结论

有机肥替代化肥增加了土壤有益微生物数量、酶活性及团粒结构，进而改善了土壤生态环境，也提高了番茄品质产量，其中以减少15%化肥施用量同时配施2700 kg/ha的有机肥效果最佳，值得推广应用。

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