不同改良措施对设施蔬菜土壤肥力和番茄品质的影响

范拴喜，崔佳茜，李 丹，付林涛，赫晓云，闻 杰

不同改良措施对设施蔬菜土壤肥力和番茄品质的影响

范拴喜1,2，崔佳茜1，李 丹1，付林涛3，赫晓云4，闻 杰5

（1. 宝鸡文理学院地理与环境学院，宝鸡 721013；2. 陕西省灾害监测与机理模拟重点实验室，宝鸡 721013；3. 宝鸡市生态环境局凤县分局，宝鸡 721700；4. 宝鸡市环保宣教信息中心，宝鸡 721004；5. 陕西秦西农林开发有限责任公司，宝鸡 721600）

为探明不同改良措施对设施蔬菜土壤及番茄果实品质的影响，该研究以陕西省太白县秦西蔬菜种植示范园大棚为研究试点，选取草木灰、生物炭、EM菌（Effective Microorganisms）3种改良剂，设置了EM菌（E）、生物炭（S）、生物炭+EM菌（SE）、草木灰（C）、草木灰+生物炭（CS）、草木灰+生物炭+EM菌（CSE）和不施加任何改良剂的空白对照（CK）7个处理。结果表明：各处理均能改善土壤理化性质，其中草木灰+生物炭+EM菌（CSE）处理在提高土壤 pH 值、有机质、全氮、碱解氮、全磷、速效磷、全钾及速效钾含量方面效果最显著，与CK处理相比，分别提高了23.06%、130.94%、44.34%、52.78%、67.72%、126.71%、16.24%、119.48%；与CK处理相比，各种配施改良剂处理的植株全氮含量显著高于单施改良剂处理，草木灰+生物炭+EM菌（CSE）处理最显著，提高了25.17%；各处理的植株全磷含量较 CK 处理均显著增加，草木灰+生物炭+EM菌（CSE）处理效果最明显，且草木灰+生物炭+EM菌（CSE）处理是CK处理的2.09倍；除EM菌（E）处理外，其他5个处理均能显著提高植株全钾含量，草木灰+生物炭+EM菌（CSE）处理效果最显著，且草木灰+生物炭+EM菌（CSE）处理是CK处理的1.44倍；但6个处理均对植株灰分无显著影响；与 CK 处理相比，草木灰+生物炭+EM菌（CSE）处理的糖酸比最高，达69.23%；与CK处理相比，各处理的土壤综合肥力指数均显著提高，而草木灰+生物炭+EM菌（CSE）处理效果最显著；通过对各处理的综合得分均值进行比较，草木灰+生物炭+EM菌（CSE）处理得分最高。综合分析得出，施加草木灰+生物炭+EM菌能有效改善太白县高山设施蔬菜种植土壤的酸化、肥力等，提高西红柿的品质。

设施；农业；土壤；改良；太白县

0 引 言

设施农业在国内外农业结构调整中发挥重要作用。陕西省是中国西北地区主要的设施蔬菜基地之一，设施面积约占西北地区的15%[1]。但高肥的水肥管理模式、连作与重茬等不合理的种植方式，导致部分土壤理化和生物性状失调、连作障碍明显、土传病虫害频发、蔬菜品质与产量逐年下降等一系列问题[2]，严重影响设施农业产品品质与区域农业可持续发展。因此，亟需通过施加不同改良剂来解决设施农业土壤问题。

近年来，土壤改良剂及其改良效果一直是农业研究的热点。如草木灰是一种来源广泛、成本低廉的传统农家热性速效钾肥，含大量的钾、钙、磷等营养元素，施入后能调节土壤酸碱度、提高土壤肥力和活性、增大土壤颗粒的间隙，同时草木灰具有消毒和杀菌的作用，防控作物猝倒病、立枯病、灰霉病等病害的发生[3]。生物炭含碳量约50%，孔隙结构丰富，比较表面积大，理化性质稳定，施入后能改善土壤理化性质、增加土壤透气性、提升土壤肥力和提高蔬菜产量[4-6]。EM（Effective Microorganisms）菌是由光合菌、放线菌、酵母菌、乳酸菌等80多种有益微生物组成的复合微生物，能有效的加速土壤中有机质的分解、增加土壤中微生物数量和活性、防治病虫害，还可以促进植物生长等[7-10]。

目前，施用单一土壤改良剂的研究较多，而将不同改良剂混合施用，综合分析其对设施农业土壤理化性质及西红柿品质的研究鲜有报道。因此，本文选取陕西省宝鸡市太白县大棚作为研究试点，探究草木灰、生物炭、EM菌3种改良剂单施及配施对设施农业土壤理化性质及西红柿品质的影响，以期筛选出适合太白县大棚土壤的改良措施，为进一步深入研究和解决陕西省太白县高山设施蔬菜种植区域土壤面临的一系列问题奠定基础，以期助力太白县全面推进乡村振兴加快农业农村现代化建设，也为全国设施农业土壤问题改良提供思路和借鉴依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本研究以陕西省宝鸡市太白县秦西示范园蔬菜大棚土壤为试验点，该地位于太白县中部（33°38′13″～34°09'55″N，107°03'00″～107°46'40″E）。太白县地形为中间高、南北低，具有大陆性季风气候与高山气候相间的气候类型，年平均气温7.6 ℃，年降水量700～1 000 mm，土壤以棕壤、潮土、淤土为主。太白县86%的耕地种植蔬菜，截止2020年全县蔬菜种植面积约6 666.67 hm2，种植的反季节高山蔬菜畅销全国，远销欧洲、北美、东南亚等国际市场。但不合理的耕作及管理模式，导致土壤酸化、板结、养分不均，蔬菜质量和产量降低等一系列问题。

试验地土壤的基础性质为容重1.82g/cm3、孔隙度30.68%、pH值5.49、有机质25.04g/kg，全氮、全磷和全钾质量比分别为2.37、0.79、21.09 g/kg，碱解氮、速效磷和速效钾质量比分别为161.95、120.14、118.60 mg/kg。

1.2 试验设计

本试验于2020年在太白县秦西示范园7# 蔬菜大棚开始实施。试验设置EM菌（E）、生物炭（S）、生物炭+EM菌（SE）、草木灰（C）、草木灰+生物炭（CS）、草木灰+生物炭+EM菌（CSE）以及不施加任何改良剂的空白参照（CK）7个处理，每个处理3个重复，各区域面积均为166 m2。其中各处理中改良剂施用量均为：EM菌（水菌比）43.8∶1，生物炭5 310 kg/hm2，草木灰2 660 kg/hm2。种植作物为西红柿，采用示范园种植的品种“普罗旺斯”。7月15日将草木灰施于包含其处理的土壤表面，人工翻耕深度约为30 cm，8月1日将生物炭和EM菌分别施于包含其处理的土壤表面，人工翻耕深度约为30 cm。8月15日栽种秧苗，株距30 cm，行距40 cm。在西红柿生长的整个周期内使用膜下滴灌方式，保持各区域管理一致。

1.3 样品采集与分析

本次田间试验从土壤改良前到果实收获后共进行了2次土壤样品采集，使用“S”型采样方法采集，用土钻采取0～20 cm的土样作为试验样品，每个处理布设6个采样点，共36个土样，分别装入样品袋中，做好标记，带回试验室，挑出样品中植物根系与石子杂物等，置于样品处理室自然风干。将风干后的样品研磨、过筛（孔径1 mm），装入样品袋中，用于后续测定土壤pH值、有机质、全氮、碱解氮、全磷、速效磷、全钾和速效钾的含量。

1.4 测定项目及方法

土壤分析方法[11]：pH值采用电位法测定；有机质含量采用重铬酸钾容量法-外加热法测定；全氮含量采用混合加速剂（K2SO4∶CuSO4∶Se=100∶10∶1）和浓硫酸消煮-凯氏定氮法测定；碱解氮含量采用碱解扩散法测定；全磷含量采用NaOH熔融-钼锑抗比色法测定；速效磷含量采用0.5 mol/LNaHCO3法测定；全钾含量采用NaOH熔融-火焰光度法测定；速效钾含量采用NH4OAc浸提-火焰光度法测定。

植株分析方法[11]：全氮含量采用H2SO4-H2O2消煮-凯氏定氮仪测定；全磷含量采用H2SO4-H2O2消煮-钼锑抗比色法测定；全钾含量采用H2SO4-H2O2消煮-火焰光度法测定。西红柿果实：水溶性糖采用酸水解铜还原直接滴定法（HCL转化）测定；总酸度采用NaOH滴定法测定。

1.5 数据计算

土壤综合肥力指数（Soil Integrated Fertility Index，IFI）：本研究选用土壤pH值、有机质、全氮、碱解氮、全磷、速效磷、全钾及速效钾作为分肥力指标，计算分肥力系数，利用修正的内梅罗公式计算土壤综合肥力指数[12]。

1）分肥力指数IFI的计算

分肥力指数IFI的计算公示如下：

式中IFI为分肥力系数；为相应属性测定值；X为分级标准下限；X为分级标准上限；X为介于分级标准上、下限间（表1）。

2）综合土壤肥力指数IFI的计算：

式中IFI平均为土壤各属性分肥力的均值；IFI最小为土壤各属性分肥力的最小值；为评价指标个数。

表1 土壤各属性的分级标准值

注：X为分级标准下限，X为分级标准上限，X为介于分级标准上、下限间，主要参考第二次全国土壤普查标准。

Note:Xis the lower limit of the classification standard,Xis the upper limit of the classification standard,Xis between the upper and lower limits of the classification standard, mainly referring to the second National soil census standard.

1.6 试验仪器

主要试验仪器有：电热鼓风干燥箱（101-OA，天津天泰仪器有限公司），台式恒温振荡器（TH-320，上海精宏试验设备有限公司），马弗炉（SX2-10-12RY，上海茸研仪器有限公司），电子天平（BSA224S，赛多利斯科学仪器有限公司），精密增力电动搅拌器，旋片式真空泵（2XZ-2，北京科伟永兴仪器有限公司），原子吸收分光光度计（AA6800，岛津香港有限公司），精密酸度计（VZ8685BZ，衡欣科技股份有限公司），紫外分光光度计（UV-2102C，尤尼柯上海仪器有限公司），石墨消解仪（SH402，济南海能仪器股份有限公司），数显恒温油浴锅（HH-S，江苏科析仪器有限公司），凯氏定氮仪（K9860，济南海能仪器股份有限公司），便携式酸度计（PHB-5，杭州雷磁分析仪器厂）。

1.7 数据处理

采用Microsoft Excel 2010 软件进行数据处理，用Origin 2018 绘图，利用SPSS 25.0软件对数据进行单因素方差分析及主成分分析，采用LSD法进行差异显著性检验（<0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤pH值、全氮、全磷、全钾的影响

土壤酸碱性是土壤肥力及作物生长状况的重要参考指标。酸性土壤易滋生真菌，增加蔬菜根际病害，尤其是十字花科蔬菜的根肿病以及根线虫病、茄果类蔬菜的青枯病与黄萎病。由表2可知，与CK处理相比，各处理土壤pH值均显著升高，增幅0.58～1.28，表明各处理在一定程度上改善了土壤酸化问题， CSE措施对pH影响最大，提高了23.06%。这主要是草木灰、生物炭和EM菌共同作用的结果。草木灰中含有大量的碳酸盐，其与土壤中水分发生水解反应可以有效的改善土壤酸化问题[13]；生物炭表面具有酚基、羧基和羟基，它们与土壤溶液中的H+离子结合，降低土壤溶液中的H+浓度，提高土壤pH值[14]；而EM菌中多种微生物代谢产生了大量氨基酸，其阴阳电解质具有酸碱缓冲作用，提高了土壤pH值[15]。

表2 不同处理对土壤pH、全氮、全磷、全钾的影响

注：不施加任何改良剂的空白参照（CK）、EM菌（E）、生物炭（S）、生物炭+EM菌（SE）、草木灰（C）、草木灰+生物炭（CS）、草木灰+生物炭+EM菌（CSE）。同一列不同字母表示差异显著（<0.05）。下同。

Note: Blank reference (CK), Effective Microorganisms bacteria (E), biochar (S), biochar +EM bacteria (SE), plant ash (C), plant ash + biochar (CS), plant ash + biochar +EM bacteria (CSE) without any modifier. Values followed by different letters within the same column are significantly different at the 0.05 probability level. The same below.

土壤全氮是影响作物叶片中叶绿素的重要组成成分；土壤全磷是植物细胞核中蛋白质的重要组成成分；土壤全钾促进作物碳水化合物的合成运转，增强叶片的光合作用，提高抗病、抗旱和抗寒能力。与CK处理相比，CS、CSE 处理均能显著提高土壤含氮量，分别增加了41.63%、44.34%，CSE处理增加最高，是CK处理的1.44倍；与CK处理相比，各处理的土壤全磷含量提高了38.58%～69.29%，CS处理增加最大；SE、C、CS、CSE 处理的土壤全钾含量较CK处理显著增加，CSE 处理增加最大，增加了16.24%。主要是因为生物炭表面及草木灰中均含有碱性基团，能够中和土壤酸度；通常随着土壤pH的改善，土壤氮、磷、钾含量也会随之提升，邱海燕[16]的研究研究也证实了这一点；此外，EM菌中含有大量的有益微生物，将土壤中的有机物等分解转化成作物生长所需的氨基酸和碳水化合物（糖类）等，能有效的增加土壤中的氮含量[17]；而且土壤中施入EM菌，可以改善土壤微生物环境，促进植物根系分泌物的合成，具有固定氮、磷、钾等元素的作用[18]。

2.2 不同处理对土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾的影响

土壤有机质是土壤中有机化合物的组成，也是衡量土壤肥力的重要指标，不仅为作物提供了生长所需的营养元素，同时促进作物养分的有效吸收和利用[19]。由表3可知，与CK处理相比，各处理均显著提高土壤有机质含量，且CSE处理提升幅度最大，提升了130.94%。主要是草木灰可提供钾、磷、钙及部分微量元素；生物炭可以有效促进土壤中养分的积累，增强自身对有机质的吸附能力，增加土壤对有机质的储量；EM菌为土壤微生物提供良好的环境，一定程度上促进土壤养分的分解和肥力的提升。

表3 不同处理对碱解氮、速效磷、速效钾的影响

碱解氮、速效磷及速效钾是反映近期土壤养分供给能力大小的重要指标，是指可以被植物直接迅速利用，或经过简单转化后可直接利用的那部分氮、磷、钾元素。

S、SE、C、CS、CSE处理的土壤碱解氮含量较CK处理差异显著，且CSE处理提升幅度最大，提高了52.78%；与CK处理比较，各处理土壤速效磷含量均显著增加，增幅 16.97%～126.71%，CSE处理效果最好，是CK处理的2.27倍；而各处理的土壤速效钾含量较CK处理均有显著差异，CSE处理增加最大，提高了119.48%，是CK处理的2.19倍。这主要是由于草木灰中含有大量的氮、钾、钙、镁及多种速效养分；生物炭可以改善土壤团聚体及稳定性，有利于水分的渗透、微生物的活动，促进土壤养分的吸收和转换[20]；施用EM菌，增加土壤中微生物的数量，促进微生物的活动，加速土壤养分的分解与转换，提高土壤的养分含量[21]；有研究表明生物炭可以作为EM菌的载体，可以有效的吸附EM菌[22]。因此将草木灰、生物炭与EM菌三者合理配施，在一定程度上提高土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾的含量，从而使土壤肥力增加，促进作物对土壤养分的吸收和利用。

2.3 不同处理对植株全氮、全磷、全钾、灰分的影响

植株中氮、磷、钾及灰分的含量可以判断土壤养分的供应状况、作物的营养水平、施肥效应及肥料利用率。

表4 不同处理对植株全氮、全磷、全钾、灰分的影响

由表4可知，S、SE、CS、CSE处理的植株全氮含量较CK处理差异显著，SE、CS、CSE处理分别增加了8.61%、21.85%、25.17%，而 S 处理降低了13.25%；与CK处理相比，各处理的植株全磷含量分别提升了72.73%、81.82%、90.91%、54.55%、90.91%、109.09%，CSE提高最大；S、SE、CS、CSE处理的植株全钾含量较CK处理分别提升了9.57%、36.42%、29.94%、39.81%、43.52%，CSE处理提高最大；各处理的植株灰分含量较 CK处理差异均不显著。屈忠义等[23]的研究结果证实施用生物炭可以促进番茄养分的吸收，并提高其产量；邵文奇等[24]的研究证实施用草木灰可以促进植株的生长及代谢，增强抗病虫害、自然灾害的能力；而施用EM菌可以促进作物植株的生长、根系的繁殖，同时降低植株的发病率[25]。此外，微生物、有机及无机肥料配施有利于土壤氮素供应，促进植株氮磷钾的吸收及利用[26-27]。因此，草木灰、生物炭与EM菌合理配施能有效的促进植株对全氮、全磷、全钾等养分的积累。

2.4 不同处理对果实水溶性糖、总酸度的影响

水溶性糖、总酸度及糖酸比是判断西红柿品质好坏的重要指标，也是判断西红柿口味的重要参考指标。本研究中各处理对西红柿品质的影响见表5。

由表5可知，与CK处理相比较，CS、CSE处理的西红柿水溶性糖显著增加，分别增加了13.33%、39.73%；SE、CSE处理的西红柿总酸度显著低于CK处理，且CSE处理降低最多，降低了17.36%；各处理的西红柿糖酸比与CK处理相比，CSE处理增加最多，增加了69.23%。这主要是由于：草木灰促进西红柿植株对钾肥的吸收和利用，对西红柿品质也有一定的影响[28]；生物炭的施用可以有效地提高西红柿的产量及品质，且生物炭施用量会影响西红柿的生长[29]；EM菌的施用有效促进瓜果的糖分积累，提高其品质[30]；草木灰、生物炭及EM菌配合施用对西红柿品质有协同作用。

表5 不同处理对西红柿品质的影响

2.5 不同处理对土壤肥力综合指标的影响

土壤肥力是反映土壤质量的重要参考指标，体现土壤物理、化学、生物等基本性质，本研究选取pH值、有机质、全氮、碱解氮、全磷、速效磷、全钾及速效钾计算土壤综合肥力指数（IFI），反映了不同改良措施对土壤肥力的影响。

由图1可知，与CK处理相比，E、S、SE、C、CS、CSE处理的土壤综合肥力指数（IFI）显著增加，分别增加了14.55%、19.90%、23.36%、36.10%、41.08%、47.97%，CSE处理增加最大。研究表明，施用草木灰、生物炭、EM菌，能够有效提高土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷、速效磷、全钾及速效钾的含量，提升土壤综合肥力[31-33]。由此可见，本研究与以上研究结论一致，说明本研究结果准确、可信。

2.6 各处理基于主成分分析的综合评价

对改良后的土壤、植株、果实各项相关指标进行主成分分析。由图2可知，与CK处理相比，综合得分最高的是CSE处理，综合得分均值为3.77，其次是CS、C处理，而SE、S、E处理综合得分均值最低。以上表明，CSE处理可以更好地改善土壤理化性质，促进微生物对土壤养分的分解，为作物生长提供必要的养分，从而提高了西红柿品质。

3 结 论

1）6种处理均能使酸化土壤的 pH 值提升至中性附近，且草木灰+生物炭+EM菌（CSE）处理提升最显著，提升了23.06%。与CK处理相比，草木灰+生物炭+EM菌（CSE）处理使得土壤全氮、全钾、有机质、碱解氮、速效磷、速效钾含量增加最多，分别增加了44.34%、16.24%、130.94%、52.78%、126.71%、119.48%；草木灰+生物炭（CS）处理使得全磷含量增加最多，增加了69.29%。

2）与CK处理相比，草木灰+生物炭+EM菌（CSE）处理增加植株全氮、全磷、全钾含量最显著，分别增加了25.17%、109.09%、43.52%；但6个处理均对植株灰分无显著影响。

3）与CK处理相比，草木灰+生物炭+EM菌（CSE）处理增加西红柿水溶性糖含量最显著，增加了39.73%；草木灰+生物炭+EM菌（CSE）处理减少西红柿总酸度最显著，减少了17.36%；且草木灰+生物炭+EM菌（CSE）处理的糖酸比增加最大，增加了69.23%。

4）结合土壤综合肥力及主成分分析的综合评价结果，综合分析可得太白县示范区施入草木灰+生物炭+EM菌（CSE）改良剂，对设施土壤肥力、植株理化性质、西红柿品质效果更好。

本研究没有分析6个处理对西红柿产量的影响，但为后续深入研究草木灰+生物炭+EM菌（CSE）处理对西红柿产量和土壤微生物等影响奠定了基础。

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Effects of different improvement measures on soil fertility and the tomato quality of facilities vegetables

Fan Shuanxi1,2, Cui Jiaxi1, Li Dan1, Fu Lintao3, He Xiaoyun4, Wen Jie5

(1.,,721013,; 2.,721013,; 3.,721700,; 4.,721004,; 5..,,721600,)

This study aims to explore the effect of amelioration measures on the facility agriculture soil, as well as the physical and chemical properties of tomatoes grown through facility agriculture. The most suitable amelioration was then screened for the local degraded soils. The study site was also chosen as the greenhouse of Qinxi vegetable planting demonstration garden, Taibai County, Shaanxi Province, China. The soil samples were collected from the greenhouse, where tomato fruits were used as research materials. Three soil ameliorants were selected, including plant ash, biochar, and EM fungi. Seven treatments were then combined, including EM fungi (E), biochar (S), biochar + EM fungi (SE), plant ash (C), plant ash + biochar, plant ash + biochar + EM fungi (CSE), and the control treatment (CK). The results indicated that the seven treatments improved the physical and chemical properties of soil, where the CSE treatment performed the most, compared with the CK. Specifically, the CSE treatment significantly increased the soil pH, organic matter, total nitrogen, alkali nitrogen, total phosphorous, available phosphorous, total potassium, and available potassium by 23.06%, 130.94%, 44.34%, 52.78%, 67.72%, 127.35%, 16.24%, and 119.48%, respectively. In tomato fruits, the combined application of ameliorants was much more significant than the singular in increasing the total nitrogen of the whole plant, where the CSE treatment increased the most by 25.16%, compared with CK. A similar effect was also observed in the total phosphorous of the tomato plant, where the CSE treatment presented 2.09 folds higher than that of CK. In the total potassium of the tomato plant, the rest five ameliorant treatments except for E treatment significantly increased the total potassium, where the CSE treatment presented 1.44 folds higher than that of CK. Additionally, there was only a little effect of ameliorant application on plant ash. However, the sugar/acid ratio of tomato increased significantly, where the CSE treatment increased by 69.3%, compared with the CK. Correspondingly, there was a positive effect of soil ameliorants on soil fertility. The soil integrated fertility index of each treatment showed that the soil ameliorant increased the soil fertility, compared with the CK, where the CSE was observed with the best effect to improve the soil fertility. The highest integrated score in the principal analysis was also achieved in the CSE treatment, compared with the rest treatments. Consequently, the simultaneous application of plant ash, biochar, and EM fungi can be expected to effectively mitigate the soil acidification for better soil fertility and tomato quality of alpine facility agriculture in the study area. The finding can provide a promising way to improve the soil fertility of facility agriculture, thereby optimizing effective measures for the remediation of degraded soil.

facility; agriculture; soil; soil amelioration; taibai county

范拴喜，崔佳茜，李丹，等. 不同改良措施对设施蔬菜土壤肥力和番茄品质的影响[J]. 农业工程学报，2021，37(16)：58-64.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.17.008 http://www.tcsae.org

Fan Shuanxi, Cui Jiaqian, Li Dan, et al. Effects of different improvement measures on soil fertility and the tomato quality of facilities vegetables[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(16): 58-64. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.17.008 http://www.tcsae.org

2021-05-24

2021-07-16

陕西省科技厅自然科学基金项目（2020SF-438）；宝鸡文理学院博士启动资金资助；宝鸡文理学院重点项目（YJSCX20ZD04）。

范拴喜，博士，副教授，研究方向为土壤污染评估与修复研究。Email：fanshuanxi@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.008

S156.2

A

1002-6819(2021)-16-0058-07