施肥对连作大棚蔬菜产量、土壤养分和微生物种群的影响

蒋玉根，邵赛男，蒋沈悦，张奇春，徐君，周成云，羊国芳，张立群，夏晓燕

(1.杭州市富阳区农业技术推广中心，浙江 杭州 311400； 2.浙江华再环境技术有限公司，浙江 杭州 311108;3.浙江大学 环境与资源学院，浙江 杭州 310058)

大棚种植是一种受人为因素作用十分强烈的土地利用方式，复种指数高，施肥、灌溉、耕作频率都超过一般农田，加上得不到自然降水淋洗的人工保护条件，土壤理化性状发生了很大改变，逐步形成了高度熟化、有别于一般农田的“人为土壤”[1]。目前，大棚种植的配套技术仍不成熟，农户普遍将露地施肥的习惯盲目地应用于大棚种植中，随着种植年限延长，由于过量使用化肥而引起的盐分障碍和离子拮抗所造成的微量元素不足致使土壤的理化性状和营养平衡遭到破坏，导致连作障碍严重，各种生理病害、土传病害大量发生，严重影响作物的产量和品质[2]。此外，大棚蔬菜生产中偏施化肥的现状加上设施内土壤缺乏雨水淋溶，土壤的物理结构也极易被破坏，土壤盐分大量累积[3]。为了降低大棚蔬菜栽培的化肥施用量，提高有机肥替代化肥的力度，特于2013年设置有机与无机相结合的长期定位监测试验，分析不同肥料及其组合对土壤肥力和微生物种群的影响，以期为大棚蔬菜的科学施肥提供依据。

1 材料与方法

1.1 田间监测点建设与处理设计

监测点建立在杭州市富阳区富春街道春华村金国祥蔬菜基地，该基地从20世纪80年代开始发展蔬菜种植。监测点于2013年8月建立，至2018年底共种植了17茬作物。监测点分为4个处理，不设重复：处理1(CK)，空白，不施任何肥料；处理2，纯化肥处理，按作物需求设置化肥需肥量和需肥时期；处理3，沼液与化肥混合施用区，每667 m2每季作物施用沼液100 t，化肥用量为纯化肥处理的1/2；处理4，商品有机肥与化肥的混合施用区，每667 m2每季作物施用商品有机肥350 kg，化肥用量为纯化肥处理的1/2。CK的小区面积为16.5 m2，处理2～4的小区面积均为33.0 m2。小区之间用水泥现浇隔离。

1.2 样本采集与分析

对监测点每个小区的作物产量都分别进行收割称量测产，并在每季作物收获后采集土壤样本，测定水溶性盐总量、阳离子交换量、pH值，以及有机质、全氮、有效磷、速效钾含量。上述指标均按照相关检测标准，由富阳区土壤肥料检测中心检测。

于2017年7月番茄采收后，由浙江大学张奇春老师进行土壤鲜样采集，基于磷脂脂肪酸(PLFA)分析土壤微生物样本，具体地，采用修正的Bligh & Dyer方法进行脂类提取和磷酸酯脂肪酸分析。基本步骤如下：将新鲜土样在-20 ℃条件下冰冻干燥，然后过100目(孔径0.149 mm)筛。取2.0 g样品于干净的试管内，用氯仿-甲醇-柠檬酸缓冲液(体积比1∶2∶0.8)振荡提取脂类，通过硅酸柱层析法分离得到磷酸酯脂肪酸，然后经碱性甲酯化后用气相色谱分析各种脂肪酸的含量。

2 结果与分析

2.1 对作物产量的影响

从产量数据(表1)来看，相较于CK和纯化肥处理，化肥用量减半搭配沼液或商品有机肥的处理，作物产量增加。但随着种植年限的增加，同一作物的产量在后期逐茬减产，有些茬口产量极低，如2016年第一季和第二季，这一方面与作物的重茬有关，但更大的原因可能与土壤的酸化，及土壤微生物种群恶化相关。

土壤酸化与次生盐渍化严重影响蔬菜生长、品质[4]。土壤酸化对作物根系生长具有不利影响。在酸性土壤中，植物生长会受到低pH值胁迫[4]。有研究报道，在大量施用化肥、周年覆盖的不间断生产下，出现了土壤板结、植株早衰、苗老而不发等现象[5]。

表1 不同处理各季作物的产量

注：表中产量数据系根据小区实测产量换算而来。

2.2 对土壤理化性状的影响

如图1所示，土壤水溶性盐总量，CK除一个监测季数据呈上升趋势外，其他监测季的数据都呈下降趋势，特别是前2 a直线下降，后4 a缓慢下降；处理2～4各监测季之间土壤水溶性盐总量变异较大，特别是前几年的数据，但2017年以后变化趋势较为一致。总体来看，至本研究结束时止，处理2呈上升趋势，处理3与监测点建立前基本持平，处理4较监测点建立前略有上升。这可能是因为过量施肥和常年连作致使肥料中的盐分离子逐年累积于土壤中[4]。

月份序号：1—2013年8月；2—2013年12月；3—2014年5月；4—2014年8月；5—2014年11月；6—2015年7月；7—2015年8月；8—2016年5月；9—2016年8月；10—2017年6月；11—2017年11月；12—2018年5月；13—2018年9月(图2～7同)。图1 监测点各处理的土壤水溶性盐总量变化

从图2可以看出，相较于监测点建立前，至本研究结束时，CK和处理4的pH值上升，而处理2和处理3的pH值下降，特别是添加沼液的处理3，其降幅较纯化肥的处理2更大。研究表明，化学氮肥用量的增加，尤其是在大棚栽培的特定条件下，会导致土壤酸化[6]，长期单一施用无机肥会造成土壤严重酸化，而有机、无机肥料配施则可以避免此种情况发生[4]。这与本研究结果较为一致。

图2 监测点各处理的pH值变化

从图3可以看出，CK的土壤有机质含量一直呈下降趋势，而处理4的土壤有机质含量在不同监测季之间变异较大，但总的呈上升趋势，而处理2和处理3的土壤有机质含量总体呈下降趋势。

图3 监测点各处理的土壤有机质含量变化

从图4可以看出，CK各监测季的土壤有效磷含量变化较小，但总体呈下降趋势，处理2的土壤有效磷含量呈缓慢上升趋势，处理3和处理4不同监测季之间变异较大，总体呈上升趋势，且增幅要大于处理2。

图4 监测点各处理的土壤有效磷含量变化

从图5可以看出，CK的土壤速效钾含量呈缓慢下降趋势，其他处理的土壤速效钾含量在不同监测季间变异较大，但总体呈上升趋势，其中，处理2、处理3要比处理4增加得更快。

图5 监测点各处理的土壤速效钾含量变化

从图6可以看出，相较于监测点建立前，至本研究结束时，CK、处理2、处理3的土壤全氮含量呈下降趋势，而处理4略增。

图6 监测点各处理的土壤全氮含量变化

从图7可以看出，相较于监测点建立前，至本研究结束时，CK的阳离子交换量下降明显，处理2和处理3略有下降，处理4上升明显。合理配施有机肥是减少土壤酸化、次生盐渍化的重要措施之一，增施有机肥可提高土壤交换性盐基离子含量，使得电导率(EC)和pH值随有机肥施用比例提高而升高[4]。

图7 监测点不同处理的土壤阳离子交换量变化

2.3 对土壤微生物种群的影响

采用修正的Bligh & Dyer方法进行脂类提取和磷脂脂肪酸分析。特定脂肪酸的排列为碳的数目：双键的数目，随后跟随双键的位置(甲基端起)，c、t分别表示顺式和反式脂肪酸，a和i分别指反异支链脂肪酸和异式支链脂肪酸，br表示未知结构的支链脂肪酸，cy表示环状脂肪酸，10Me表示第十个碳原子的甲基(从羟基端起)。以18∶2w6,9作为真菌的特征脂肪酸，格兰氏阳性菌与格兰氏阴性菌之比通过16∶0(10Me)、17∶0(10Me)、18∶0(10Me)、i15∶0、i17∶0、a17∶0脂肪酸之和与16∶1w5、16∶1wt、16∶1w9、cy17∶0、18∶1w5、18∶1w7、cy19∶0脂肪酸之和的比值估算。

从表2的分析数据看出，各个处理的土壤均含有各种饱和的、不饱和的、分支的，及环状的脂肪酸。本试验共鉴定了C15到C20的22种脂肪酸，它们的相对含量如图8所示。可以看出，各处理的磷脂脂肪酸含量表现出一定差异。比如，具有分支的磷脂脂肪酸i16∶0和i15∶0的物质的量占比在所有处理中均以处理4最高，而单不饱和脂肪酸16∶1w7和16∶1w5的物质的量占比则以处理2较高。各处理中的优势类群为16∶1ω7c、16∶1ω5c和16∶0，CK中优势类群占PLFA总量的75.9%，处理4中优势类群占83.4%，处理3中优势类群占77.2%，处理2中优势类群占76.9%。

表2 表征微生物的PLFA

图8 不同处理脂肪酸的检测结果

本研究中，脂肪酸主要以直链饱和脂肪酸和单烯脂肪酸为主，相对含量占总量的80%左右，其次是支链饱和脂肪酸。直链饱和脂肪酸占PLFA总量的29.44%～37.51%。在不同的施肥处理中，直链饱和脂肪酸的含量占比依次表现为处理4>CK>处理3>处理2(表3)；单烯脂肪酸是革兰氏阴性细菌的生物标记物，占PLFA总量的49.04%～53.88%。支链饱和脂肪酸是革兰氏阳性细菌的生物标记物，处理1～4中支链饱和脂肪酸分别占PLFA总量的11.71%、14.77%、14.31%、11.35%，说明革兰氏阳性细菌在各处理中所占的比例依次为处理2>处理3>CK>处理4。

不同处理下表征土壤微生物的真菌和放线菌PLFA含量差异显著(表4)，表征细菌的PLFA含量无显著差异。处理2和处理3的真菌PLFA含量显著高于其他处理，处理2的放线菌PLFA含量最高，显著高于其他处理。这些结果说明，不同施肥处理改变了土壤微生物群落结构。

表3 不同处理土壤磷脂脂肪酸类型的数量及其比例

注：比例为对应处理下相应类型脂肪酸占全部磷脂脂肪酸的比例。

表4 不同处理土壤微生物的群落结构

注：同列数据后无相同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

3 小结

本研究表明，长期单一施用化肥加重了土壤酸化和次生盐渍化，破坏了土壤结构。减少化肥施用量缓解了酸性、生理酸性肥料在土壤中的累积。施肥可以在一定程度上提高土壤的速效养分，但对维持土壤有机质的平衡不利，有机无机配合施用更有利于保持土壤有机质的稳定，从而提高土壤的酸碱缓冲容量。不同施肥处理改变了土壤微生物种群结构，特别是纯化肥处理下，真菌和放线菌等有害菌数量增加，加重了土壤连作障碍发生的机会。

减少化肥用量，尤其是氮肥用量是减缓设施土壤酸化、次生盐渍化的重要措施。在农民习惯施肥量的基础上适当减少化肥施用量，既可保证作物产量不下降，且能降低土壤盐分累积，节约成本，提高经济效益。因此，在蔬菜作物上采用有机肥部分替代化肥是可行的。但要注意的是，长期过量施用有机肥亦会造成土壤中硝酸盐的累积和淋溶，加重土壤酸化、次生盐渍化，影响蔬菜的生长，降低蔬菜的品质；因此，有机肥也要科学合理使用。