配施生物有机肥与无机肥对连作菠萝土壤的影响

李炳韵，程云飞，唐浩真，张晓波，阮云泽，王蓓蓓，赵 艳，吕烈武，王朝弼

（1. 海南大学 热带作物学院，海口，570228; 2. 海南大学 旅游学院，海口，570228;3. 海南省土壤肥料总站，海口 570208）

菠萝是我国岭南四大水果之一，具有独特的营养价值及经济价值，是热带亚热带地区重要的经济作物之一，在热带水果生产及贸易中的地位仅次于香蕉[1-4]。菠萝品质优异，风味独特，被欧洲人称为“杰出的水果”[5]。土壤和植株营养影响着菠萝的品质和产量，其中制约菠萝品质和产量最基本的营养因素主要是土壤营养。近几年来由于连作模式及施肥栽培管理模式不当[6]，造成土壤板结、土壤酸化、土壤微生态系统失衡及病虫害发生严重，使菠萝品质和产量大幅度降低[7]；由于菠萝种植周期短且结构单一，导致农业生态环境恶化、水土流失、肥力下降[8]。受气候条件的限制，我国可种植菠萝的耕地面积原本就小，若再不采取有效的土壤改良措施，我国菠萝产业将面临严峻形势[9]。因此，土壤连作障碍导致菠萝土壤质量下降是目前菠萝生产亟需解决的关键问题。对于土壤连作障碍防控措施，国内外研究人员在香蕉等作物上进行了研究，提出了各种的措施，包括轮作、间作、土壤改良剂、有机肥等施用技术，这些技术可以改善土壤结构，调整土壤酸碱度，提高土壤肥力，减少部分土传病害的发生[10]。近几年，随着绿色农业和可持续发展农业观念的提出，施用有机肥缓解作物连作障碍的有效措施越来越受到关注。有研究表明，施用生物有机肥具有改善连作土壤理化性质、提高连作土壤微生物活性等作用[11-12]；施用有机肥对缓解茶园连作障碍有一定作用[13]。然而，在田间试验状况下，施用生物有机肥对连作菠萝园土壤理化性质的影响尚未见报道。因此，本研究将生防菌（枯草芽孢杆菌HL2）、载体（椰糠，菜籽饼，泥炭土）和普通有机肥利用二次发酵技术制成生物有机肥，通过大田试验研究生物有机肥对连作菠萝土壤理化性质和生长发育的影响，旨在为连作障碍菠萝园土壤改良和建立合理的施肥制度提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况田间试验于2018年7月至2019年9月在海南省乐东黎族自治区尖峰镇进行，该地区处于热带季风气候区，气候温和，温差小积温高，轻风无霜，年平均温度23～25 ℃，年降水量1 400～1 800 mm，光照充足、热量丰富、雨量充沛。旱季雨季分明。该试验地已连作菠萝4年以上，施用化肥为主。土壤类型为海相沉积物发育的燥红土。土壤基本理化性质为：土壤pH为4.57，土壤有机质为0 .73%，有效磷含量为120.45 mg·kg-1，碱解氮含量为31.5 mg·kg-1，速效钾含量为32.65 mg·kg-1。

1 .2 供试作物供试菠萝品种为‘金菠萝（MD-2）’，由海南万钟实业有限公司提供。

1.3 供试肥料供试普通有机肥料为羊粪肥料，由内蒙古锡林郭勒羊养殖专业合作社提供，有机质≥45%，总养分（N+P2O5+K2O）≥6%。供试生物有机肥为自行堆制，将对菠萝心腐病病原菌（烟草疫霉菌）有显著拮抗作用的枯草芽孢杆菌HL2（由海南省乐东黎族自治县香蕉枯萎病防控研究所保存提供）分别接种于腐熟羊粪有机肥中，与不同的载体（椰糠、菜籽饼、泥炭土）经二次固体堆制而成。其中羊粪有机肥和不同的载体（椰糠、菜籽饼、泥炭土）分别按照4∶1的比例混合，将液体菌剂按50 L·t-1的比例接种到堆肥进行固体发酵。其生物化学指标如下：枯草芽孢杆菌HL2有效活菌数≥109CFU·g-1、有机质≥46.5%、养分（N+P2O5+K2O）≥5.5%，水分＜30%。供试化肥为国产“雅苒苗乐”三元复合肥，N∶P2O5∶K2O =1 6∶16∶16。

1.4 试验设计试验共设5个处理，（1）处理1：常规复合肥（CK）；（2）处理2：羊粪有机肥（OF）；（3）处理3：羊粪有机肥与菜籽饼载体和生防菌HL2经过二次发酵制得的生物有机肥（BOF1）；（4）处理4：羊粪有机肥与泥炭土载体和生防菌HL2经过二次发酵制得的生物有机肥（BOF2）；（5）处理5：羊粪有机肥与椰糠载体和生防菌HL2经过二次发酵制得的生物有机肥（BOF3）。每个处理设3个重复，共15个小区，采用完全随机区组排列，种植密度为每亩2 800株，每个小区面积为30 m2。起垄覆膜种植，每垄2行，株距为33 cm。常规处理复合肥，按本试验施肥情况一部分以底肥形式施入，一部分以追肥方式施入，其余各处理中有机肥和生物有机肥均以底肥的形式一次性施入，有机肥施入量均为9 100 kg·hm-2；追施化肥，以水肥方式施入，各处理氮、磷、钾肥施用量均一致，施肥量分别为N 600 kg·hm-2、P2O5400 kg·hm-2、K2O 900 kg·hm-2。普通有机肥中氮、磷、钾的含量为2.6% N、1.6% P2O5、1.6% K2O；BOF1中氮、磷、钾的含量为2.5% N、1.5% P2O5、1.4% K2O；BOF2中氮、磷、钾的含量为：2.4% N、1.2% P2O5、1.7% K2O；B OF3中氮、磷、钾的含量为：2.1% N、1.5% P2O5、1.8% K2O。常规水肥管理，具体施肥情况见表1。

表1 试验施肥情况Tab. 1 Experimental fertilization scheme

1.5 测定指标与方法分别在菠萝缓慢生长期、快速生长-催花期、催花-现红期和果实发育期，按照S型选取采样点[14]。采集土样时用土钻收集0～20 cm的表土，各小区选取5点并混匀为1个土样，装袋，带回实验室晾干、过筛备用。参照鲍士旦《土壤农化分析》[15]采用电位法测定土壤pH值，碱解扩散法测定土壤碱解氮，氟化铵-盐酸浸提-钼锑抗比色法测定土壤速效磷，乙酸铵浸提-火焰光度计法测定土壤速效钾，重铬酸钾容量法测定土壤有机质。菠萝成熟时进行收获测产，每个小区随机采摘成熟菠萝10个，称 量鲜质量，根据种植密度计算理论产量。

1.6 数据分析与统计利用WPS进行数据处理和图表的制作，利用IBM SPSS Statistics 20进行数据的差 异显著性分析，差异显著水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 不同有机肥对连作菠萝土壤pH值的影响由图1可知，在缓慢生长期、快速生长期、催花现红期和果实发育期各处理土壤pH值与CK相比分别提升了43.91%～51.95%、26.99%～45.07%、37.5%～48.80%，55.72%～67.41%；由方差分析可知，在菠萝的整个生育期，4种有机肥处理（OF、BOF1、BOF2、BOF3）的土壤pH值与CK相比呈显著性差异（P＜0.05），其中处理BOF3的pH值最高；在快速生长期，处理BOF1与处理OF、BOF2、BOF3差异显著（P＜0.05），处理OF、BOF3、BOF2之间差异不显著。

图1 不同有机肥对连作菠萝土壤pH值的影响不同字母表示不同处理间差异显著（P＜0.05），下同。Fig. 1 Effect of different organic or bio-organic fertilizers on pH value of continuous cropping pineapple soilDifferent letters indicate significant difference among different treatments (P＜0.05), similarly hereinafter

2.2 不同有机肥对连作菠萝土壤有机质含量的影响由图2可知，在菠萝整个生长发育时期，随着菠萝生长发育时期的增长，各处理土壤有机质含量均呈下降趋势。在不同生长发育时期，与CK相比，生物有机肥处理（BOF1、BOF2、BOF3）均显著提高。其中，在缓慢生长期、快速生长期、催花现红期、各处理土壤有机质含量与CK相比分别提升了69.23%～130.77%、76.64%～150.32%、37.49%～119.06%，在果实收获期，处理OF相比于CK降低了13.65%，处理BOF2相比于CK提升了81.82%。由方差分析可知，在各个时期处理BOF2与处理OF均呈显著性差异（P＜0.05），处理BOF1、BOF2、BOF3之间差异不显著；在缓慢生长期和快速生长期，与CK相比，处理OF、BOF1、BOF2、BOF3均呈显著性差异（P＜0.05）；催花现红期，与CK相比，处理BOF1、BOF2、BOF3均呈显著性差异（P＜0.05），而处理OF差异不显著；果实发育 期，与CK相比，处理OF、BOF1、BOF2、BOF3差异不显著。

图2 不同有机肥对连作菠萝土壤有机质含量的影响Fig. 2 Effect of different organic or bio-organic fertilizers on soil organic matter in the pineapple plantation under continuous cropping

2.3 不同有机肥对菠萝土壤速效磷含量的影响由图3可知，在菠萝整个生育期间，催花现红期的有效磷含量达到最高，果实发育期有效磷含量最低。各个有机肥处理（OF、BOF1、BOF2、BOF3）的土壤有效磷的含量均较CK含量高，其中BOF1的有效磷含量最高，各个处理的有效磷含量大小顺序为：BOF1＞BOF2＞BOF3＞OF＞CK。在缓慢生长期、快速生长期、催花现红期、果实发育期各处理有效磷含量与CK相比分别提升了5.04%～18.23%、8.4%～70.9%、4.96%～16.03%、8.97%～33.84%。由方差分析可知，在各个时期，处理BOF1与CK、处理OF呈显著性差异（P＜0.05），而CK、处理OF之间差异不显著；在缓慢生长期和催花现红期BOF2与CK、处理OF、处理BOF3有差异性（P＜0.05）；在果实发育期，处理B OF2与CK、处理OF、处理BOF3差异不显著。

图3 不同载体有机肥对土壤速效磷含量的影响Fig. 3 Effect of different organic or bio-organic fertilizers on the content of soil available phosphorus

2.4 不同有机肥对菠萝土壤速效钾含量的影响由图4可知，各处理土壤速效钾含量在菠萝催花现红期时达到最高，在果实发育期最低。其中，处理BOF1的速效钾含量在各个时期都呈现最高水平，各处理的速效钾含量大小顺序为：BOF1＞CK＞BOF2＞OF＞BOF3。在各个时期，含量最低的为BOF3，含量最高的为BOF1，在缓慢生长期速效钾含量与CK相比，BOF3降低了26.37%，BOF1提高了12.99%，在快速生长期与CK相比，BOF3降低了14.36%，BOF1提高了33.07%，在催花现红期与CK相比，BOF3降低了24.26%，BOF1提高了9.04%、在果实发育期与CK相比，BOF3降低了55.77%，BOF1提高了37.38%。由方差分析可知，在各个时期，处理BOF1与处理OF、处理BOF3差异显著（P＜0.05），处理BOF1、处理BOF2与CK差异不显著；在缓慢生长期，催花现红期，果实发育期，与CK相比，处理OF、处理BOF3差异 均显著（P＜0.05）。

图4 不同载体有机肥对土壤速效钾含量的影响Fig. 4 Effect of different organic or bio-organic fertilizers on the content of soil available potassium

2.5 不同有机肥对菠萝土壤碱解氮含量的影响由图5可知，在菠萝生育期间，缓慢生长期土壤碱解氮含量最高，在快速生长期碱解氮含量最低。在快速生长期，处理BOF1的碱解氮高于CK。在缓慢生长期碱解氮含量相比于CK，含量最低的BOF1降低了6%，含量最高的OF提升了1%，在快速生长期相比于CK，含量最低的BOF2降低了10.6%，含量最高的BOF1提升了2.5%，在催花现红期相比于CK，含量最低的BOF1降低了0.67%，含量最高的BOF2提升了8.3%，在果实发育期相比于CK，含量最低的BOF3降低了6%，含量最高的OF提升了1.3%。方差分析可知，与CK相比，各个时期各处理（OF、BOF1、BOF2、B OF3）差异均不显著。

图5 不同载体有机肥对土壤碱解氮含量的影响Fig. 5 Effect of different organic or bio-organic fertilizers on the content of soil alkali hydrolyzed nitrogen

2.6 不同有机肥对连作菠萝产量的影响由表2可知，与CK相比，不同有机肥处理平均产量提升了30.28%～66.83%，其中产量最高的是处理BOF1，为58 040 kg·hm-2，提升了66.83%，其次为处理BOF2，提升为60.53%。CK处理中产量最低，为34 790 kg·hm-2。方差分析显示，与CK相比，不同有机肥处理（OF、BOF1、BOF2、BOF3）差异均显著（P＜0.05）；处理BOF1与处理OF、处理BOF3相比差异显著（P＜0.05），与处理BOF2相比差异不显著；处理BOF2与处理BOF3差异显著（P＜0.05）。

表2 不同处理菠萝的产量Tab. 2 Pineapple yield of different treatments

2.7 不同施肥模式的经济效益分析由表3可知，不同处理的净收益大小为：BOF1＞BOF2＞OF＞BOF3＞CK。处理CK、OF、BOF1、BOF2、BOF3的投入产出比分别为2.18∶1、2.86∶1、2.91∶1、2.81∶1、2.48∶1。与CK相比，处理OF、BOF1、BOF2、BOF3的每公顷净收益分别提高了58 630、69 750、63 180、31 605元。由此可见，无机配施有机肥处理的净收益显著高于CK处理，其中处理BOF1的净收益最高 。相比于处理CK，其他处理提高了25.31%～55.88%。

表3 不同施肥模式下经济效益分析Tab. 3 Economic benefit analysis under different fertilization modes

2.8 菠萝产量与土壤养分指标之间的相关性通过菠萝产量与土壤理化指标评价指数进行回归分析来反 映菠萝产量和土壤理化性质的相关性，首先要对土壤理化性质进行主成分分析，得到主成分得分表达式。

2.8.1 土壤养分指标进行因子分析的数据检验对原始数据进行相关分析(表4)，结果表明，部分数据有极显著相关性。各处理的菠萝土壤pH与有机质是呈极显著正相关（P＜0.01），有机质与速效磷呈极显著正相关(P＜0.01)，有机质与速效钾呈极显著正相关(P＜0.01)，速效磷与速效钾呈极显著正相关(P＜0.01)，速 效磷与碱解氮呈极显著正相关(P＜0.01)，速效钾与碱解氮呈极显著正相关(P＜0.01)。

表 4 土壤养分指标间的相关性分析Tab. 4 Correlation analysis of soil physical and chemical indicators

2.8.2 土壤养分指标的因子分析经KMO和巴里特球形度检验，得到原有数据KMO测度＞0.5，球形检验统计量为96.865，伴随概率0，其对应的因子贡献率较大，支持进行主成分分析。菠萝土壤养分指标评价的主成分模型表5为部分主成分的特征值，根据主成分分析法的要求选取特征值＞1的主成分来解释原始变量，得到2个特征值大于1的主成分，其特征值依次为2.47、1.211，其方差贡献率依次为49.204%、24.21%，累计贡献率达到73.614%，即这2个主成分可以解释土壤大部分的变异，因此，将这2个主成分作为评价菠萝土壤样品土壤质量的综合变量。由表5可见，主成分1在速效磷、速效钾、碱解氮3个指标上有较高的载荷，其因子负荷值分别为0.712、0.924、0.683，说明主成分1主要反映了速效磷、速效钾、碱解氮3个指标的信息，主成分2在pH和有机质2个指标上有较高的载荷，其因子负荷值分别为0.957、0.680，说明主成分2主要反映了pH和有机质2个指标的信息。将对应的载荷系数除以特征值的平方根可以得到各成分得分系数(表6），根据表6，将得到的特征向量与标准化后的数据相乘，得到主成分得分表达式：F1=-0.208z1+0.13z2+0.305z3+0.529z4+0.326z5；F2=0.670z1+0.375z2+0.139z3-0.289z4+0.016z5。F1、F2为第1、2主成分得分，z1～z5为标准化后的数据。以各主成分的方差贡献率为权重可以得到fx=0.494 04×F1+0.242 1×F2(fx为x号样品的土壤养分指标评价指数)。

表 5 旋转因子载荷矩阵及累积贡献率Tab. 5 Rotation factor load matrix and cumulative contribution rate

2.8.3 菠萝产量与土壤养分指标评价指数的线性回归分析在收获期收集了部分样本地块的产量数据，与土壤养分指标评价指数进行回归分析（图6），结果表明，土壤养分指标评价指数与产量呈正相关，产量与土壤质量综合评价指数的回归方程为y=16 136x+44 823（R2=0.861 3），线性模型拟合度良好，这说明菠萝产量和土壤理化指标评价指数有显著的线性相关关系。

表 6 因子得分系数矩阵Tab. 6 Factor score coefficient matrix

图6 土壤养分指标评价指数与菠萝产量的线性回归分析Fig. 6 Linear regression analysis of the evaluation indexes of soil physical and chemical indicators and the pineapple yield

3 讨 论

由于长期连作和不合理施肥导致菠萝园发生严重的连作障碍，造成土壤酸化严重、有机质含量下降、土壤养分不平衡及土壤微生物结构破坏[16-17]。研究结果表明，施用生物有机肥可提高土壤肥力，平衡土壤微生物群落结构，从而改善作物产量和品质[18-19]。

土壤pH值是土壤酸碱性的直接反映，是影响土壤养分状况的重要因素。本研究发现，连作4年的菠萝园，与CK相比，不同生物有机肥（BOF1、BOF2、BOF3）和普通有机肥（OF）均能提高菠萝园土壤的pH值，其中生物有机肥BOF3处理的土壤pH值最高，可能是由于生物有机肥中的钾、钙、镁等阳离子在土壤中以碳酸盐的形式存在，溶于水后呈碱性，可以中和土壤酸性，导致土壤pH值升高，因此，可以减缓菠萝连作过程中土壤酸化问题。曲成闯等[20]研究表明，施用生物有机肥可以提高连作黄瓜土壤pH值，这一结论与本研究结论一致。

土壤有机质是土壤的重要组成成分，是评价土壤肥力高低的重要指标[21]。本研究发现，与CK相比，施用生物有机肥（BOF1、BOF2、BOF3）均显著提高连作菠萝园土壤有机质含量，这一结论与刘哲[22]、邱吟霜[23]等研究施用有机肥可以提高玉米地土壤有机质含量结论基本相符。本研究还发现，随着菠萝的生长发育，各处理土壤有机质含量总体呈下降趋势，菠萝在果实发育期时土壤有机质含量较其他时期有一个大幅度的下降，可能是由于果实发育期温度较高，呼吸作用加强，从而加快了有机质的矿化作用，这与王珂等[24]研究玉米的结果一致。

KUMAR等[25]研究表明，生物有机肥促进土壤有效养分转化，增加土壤肥力。本研究结果表明，与CK相比，施用不同生物有机肥（BOF1、BOF2、BOF3）和普通有机肥（OF）均能提高连作菠萝土壤的速效磷含量，可能是因为生物有机肥含有的有益菌对土壤磷的矿化作用和有机物对肥料磷络合作用，可有效提高磷的肥料利用率，这一结论与王荣等[26]研究施用生物有机肥可提高连作黄瓜土壤速效磷含量结果相符。本研究中，菠萝在快速生长期除处理BOF1外，其他处理的土壤有效磷有所下降，虽然在金菠萝生长发育期中对磷素的需求量少，但是在菠萝生长前期也有少量的吸收和流失，尤其CK菠萝不断吸收土壤有效磷。随着追肥，加入了更多磷肥，导致催花现红期的土壤有效磷含量增多，但后期植株体较大和根系增加需要磷素也相对较多，果实发育期土壤有效磷缓慢下降[27]。钾素是菠萝生长需求量最大的养分，对优质品质的形成有重要的作用。本研究结果表明，与CK相比，施用菜籽饼载体配施的生物有机肥（BOF1）能提高连作菠萝土壤的速效钾含量，而其他载体配施的生物有机肥（BOF2、BOF3）和普通有机肥（OF）均未提高连作菠萝土壤的速效钾含量。DONG[28]研究表明，有机肥施用可以增加土壤有效磷的含量，但是对钾的作用不明显，本研究结论与其研究结果有相似之处，但具体不同的生物有机肥如何影响菠萝连作土壤速效钾的含量还需进一步探究。本研究结果还表明，菠萝的果实发育期，土壤中各处理的速效钾含量与前三个时期比较，呈现明显的下降趋势，这可能是因为在菠萝生长前期钾肥用量偏高，而后期施用的钾肥较少，导致前期施入的钾肥随降雨流失风险增加，后期则出现不足现象。另有研究发现，随氮磷肥施用量的增多，土壤速效钾和缓效钾含量均逐渐减少[29]。钾素是菠萝生长需求量最大的养分，所以在菠萝生长发育后期会消耗大量的钾素。氮素是植物生长过程中必需元素，其主要来源于土壤。土壤中碱解氮的含量可以反应土壤的供氮能力和供氮水平。各有机肥处理与CK相比，无明显差异，但在数值上每个时期羊粪有机肥（OF）的碱解氮数值要比CK高，其他处理要略低于CK，这可能是由于常规施肥无机氮含量比例较大，转化率高。导致土壤中有效氮含量升高[30]。

本研究还表明，与CK相比，施用不同的生物有机肥（BOF1，BOF2，BOF3）和普通有机肥（OF）均能提高连作菠萝产量，这一结论与袁先福等[31]、剧虹伶[32]、曲成闯等[20]陈会鲜等[33]施用有机肥在香蕉、黄瓜和食用木薯等作物上研究结果相一致。这可能是因为生物有机肥是一种新型的微生物有机复合肥，它不仅养分齐全，能够改良土壤，提高肥料的利用率，而且还含有大量功能菌，可以减少病虫害的发生，对作物的生长发挥重要的作用[34]。还有研究结果表明有机无机配施处理不仅提高作物产量，还能获得较高的生态环境效益，即减少了N2O排放[35]。菠萝产量提高的同时也要保证农户的经济收益，因此种植菠萝的经济效益是对生物有机肥选择的主要考量因素[36]，本研究结果表明，施用有机肥和生物有机肥处理产生的净收益高于常规施肥处理，虽然生物有机肥处理的人工成本较高，但是菠萝产量增加，所以相比于常规施肥处理净收益有显著增加。改良土壤，提高菠萝产量和品质，可有效增加菠萝经济效益。

综上所述，在连作障碍严重的菠萝园施不同生物有机肥和普通有机肥处理，可提高土壤PH值、有机质含量和速效磷含量，提高菠萝的产量，处理BOF1可以显著提高土壤速效钾含量。不同施肥处理对菠萝产量提高效果依次为BOF1＞BOF2＞BOF3＞OF＞CK，不同施肥处理对菠萝经济效益提高效果依次为BOF1＞BOF2＞OF＞BOF3＞CK，并且通过对产量数据与土壤养分指标评价指数进行回归分析，表明菠萝产量和土壤养分指标评价指数有显著的线性相关关系。因此，为实现菠萝连作土壤的可持续发展，提高菠萝产量，增加经济效益，应施用生物有机肥。