大棚黄瓜秸秆原位还田对番茄生长及土壤环境的影响

吴凤芝，王叶群，王慧敏，李一诺，高梓雪

（东北农业大学园艺园林学院，哈尔滨 150030）

随着设施蔬菜产业快速发展，蔬菜面积、产量和秸秆产量增加。设施中处理秸秆需耗费大量人力和物力，不利于蔬菜轻简化种植，污染环境、阻碍交通。蔬菜秸秆含水量高，富含有机质，处置不当会造成生物质资源浪费以及环境污染问题，蔬菜废弃物生产和综合利用成为目前亟待解决的问题[1]。

近年来，蔬菜作物原位还田研究相继开展，西兰花废弃物还田后，西兰花生物量显著增加[2]，作物秸秆还田促进植株株高增长及叶片数增加[3]。刘中良等研究表明，在连作设施区中，不同比例还田麦秸、稻壳和菌渣，可提高番茄果实可溶性糖含量，降低有机酸，提高糖酸比，番茄红素和VC含量也显著提高[4]。另外，邹浩然和刘中良等研究也表明，秸秆还田促进单果重增加，显著提高作物产量[5-6]。秸秆还田能够促进植株生长，改善番茄品质，提高作物产量，是土壤培肥重要措施。植物秸秆是土壤中碳和氮重要来源，土壤中微生物需利用秸秆中的碳进行繁殖，秸秆通过微生物腐解作用分解成可为植物所需的速效养分，增加土壤中有机物含量和土壤肥力，提高作物产量[7]。蔬菜秸秆还田可提高土壤pH及碱解氮、速效磷、速效钾含量,提高土壤有机碳、全氮含量和土壤酶活性[8-10]，促进植株生长[11]，缓解连作障碍，实现作物增产增收。

杨冬艳等通过盆栽试验研究番茄秸秆还田对番茄生长发育、土壤碳氮含量及土壤酶活性等影响，结果表明，番茄秸秆直接还田60 d时对番茄生长具有一定抑制作用，还田110 d后显著促进番茄生长，提高土壤养分含量[12]。原位还田对实现资源配置和维持土壤碳库平衡、提高土壤肥力及提升土壤质量具有重要意义，秸秆还田后土壤碳氮比增高，微生物与作物争夺氮营养，前期抑制植株生长。因此，研究原位还田下氮肥配施可调整碳氮比，增加土壤氮肥供给。黑龙江省地处高寒地区，大棚蔬菜在秋季拉秧后还田，将经过漫长冬季，第二年春季种植蔬菜效果如何尚不清楚。在黑龙江地区进行秸秆原位还田技术研究，对高寒地区开展设施蔬菜原位还田技术的应用具有重要指导意义。

本研究以番茄为试验材料，在秋季大棚黄瓜拔秧后进行秸秆原位还田，次年春季种植番茄，设置增施氮肥处理，研究原位还田对番茄生长、产量、土壤化学性质和酶活性的影响，为高寒地区大棚蔬菜植株秸秆原位还田技术应用提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验地点：东北农业大学设施园艺中心黄瓜连作棚。土壤性质为pH 6.7，EC值410 μS·cm-1，铵态氮2.73 mg·kg-1，硝态氮72.60 mg·kg-1，速效磷107.31 mg·kg-1，速效钾153.54 mg·kg-1。

供试番茄（Solanum esculentum)：品种为“草莓番茄”，购自山东寿光。

供试黄瓜（Cucumis sativusL.）：品种为“津早一号”，购自天津科润黄瓜研究所。

1.2 试验设计

1.2.1 大棚黄瓜秸秆原位还田与试验处理

试验于2020年10月至2021年7月在大棚内进行，秋茬黄瓜畦作，每畦双行24株，2020年10月15日黄瓜拔秧后，将黄瓜秸秆剪成10～15 cm碎段，每栽培畦（3.7 m×0.8 m）还田24株黄瓜秸秆，于2020年10月27日秸秆全量翻压还田，翻压还田深度为20 cm。

试验共设3个处理：秸秆不还田（CK）；秸秆原位还田（T1）；秸秆原位还田增施氮肥（T2），随机区组设计，每个处理设置3次重复，每个重复为一个栽培畦。每个畦用塑料膜隔离，长3.7 m，宽0.8 m，每畦种植2行，行距40 cm，株距33 cm，共22株番茄。定植前施基肥750 kg·hm-2，包括225 kg复合肥料（氮磷钾含量为18%、8%和18%），525 kg蛋白酶肥（氮磷钾含量为10%），T2定植时增施尿素量（氮含量≥46%）为147 kg·hm-2。地膜覆盖，膜下滴灌，其他常规田间管理。

1.2.2 试验方法

番茄常规育苗，2021年4月21日五叶一心时定植，于定植后30、50、70 d各重复随机选取3株健康植株测定生长指标，同时取土体土，过2 mm筛后一部分风干测定土壤化学性质，一部分装袋储存于4℃冰箱测定土壤酶活性。

植株留四穗果摘心，各重复随机选取5株定株累计测产，取第2穗果测定果实品质。

1.3 测定方法

1.3.1 生长指标及产量测定

卷尺测量子叶到植株生长点高度为株高；计数法测定叶片数；拔秧洗净擦干水分使用电子天平测植株鲜重，将番茄植株用报纸包好，烘箱中105℃杀青30 min，恒温80℃下烘至恒重，天平称量干重。番茄结果数采用计数法，番茄达到采收标准时，采摘称重，计算平均值得到单果重，根据单果重与结果数计算单株产量，折合成产量。

1.3.2 番茄品质测定

可溶性糖含量测定采用蒽酮比色法，可溶性蛋白含量测定采用考马斯亮蓝染色法[13]，VC含量测定采用2，6-二氯酚靛酚滴定法，有机酸含量测定采用酸碱滴定法[14]，可溶性固形物含量测定采用阿贝折射仪法，糖酸比计算公式为可溶糖含量与有机酸含量比值。

1.3.3 土壤环境测定

土壤pH测定使用酸度计，土壤EC值测定使用电导率仪，土壤硝态氮、铵态氮、速效磷测定使用流动分析仪[15]，土壤速效钾测定采用电感耦合等离子体发射光谱，土壤全氮测定采用凯式定氮法，土壤有机碳测定使用重铬酸钾外加热法[16]，土壤C/N为有机碳/全氮比值，土壤蔗糖酶活性测定采用3，5-二硝基水杨酸比色法，土壤脲酶活性测定采用苯酚钠-次氯酸钠比色法，土壤过氧化氢酶活性测定采用高锰酸钾滴定法。

1.4 数据处理与分析

利用Microsoft Excel（Office 2019）统计并整理试验原始数据，利用SPSS 22.0软件检验方差同质性，在差异水平P＜0.05下分析，使用Origin 2019软件绘制柱状图。

2 结果与分析

2.1 大棚黄瓜秸秆原位还田对番茄生长的影响

2.1.1 大棚黄瓜秸秆原位还田对番茄株高、叶片数及生物量的影响

结果如图1所示。

图1 大棚黄瓜秸秆原位还田对番茄株高、叶片数及生物量的影响Fig.1 Effects of in situ return of cucumber residue in greenhouse on plant height,leaf number and biomass of tomato

由图1可知，番茄定植后30 d时，原位还田处理（T1）的株高、叶片数显著低于对照（CK）和原位还田增施氮肥处理（T2）（P＜0.05）；定植后50、70 d时，原位还田与原位还田后增施氮肥处理（T1、T2）番茄株高、叶片数显著高于对照（CK）（P＜0.05），定植后50 d时，原位还田（T1）与原位还田增施氮肥（T2）处理的番茄株高分别比对照（CK）增加10.2%和24%，定植后70 d时，株高分别比对照增加18.7%和21.5%。定植后30 d时，原位还田处理（T1）番茄植株干鲜重显著低于对照（CK）与原位还田增施氮肥处理（T2）（P＜0.05）；定植后70 d时，原位还田与原位还田增施氮肥处理（T1、T2）干鲜重显著高于对照（CK）（P＜0.05），T1、T2间差异不显著。

2.1.2 大棚黄瓜秸秆原位还田对番茄产量的影响

如图2所示，番茄结果数各处理间无显著差异。原位还田（T1）和原位还田增施氮肥处理（T2）番茄单果重和产量均显著高于对照（P＜0.05），原位还田增施氮肥处理（T2）单果重、产量显著高于原位还田（T1）处理，原位还田和原位还田增加氮肥处理产量分别为8.74和9.73 kg·m-2，与对照相比分别提高20.7%和34.4%。大棚黄瓜秸秆原位还田后显著提高番茄产量，且原位还田增施氮肥（T2）处理促进作用显著。

图2 大棚黄瓜秸秆原位还田对番茄结果和产量的影响Fig.2 Effects of in situ return of cucumber residue in greenhouse on tomato fruit and yield

2.2 大棚黄瓜秸秆原位还田对番茄品质的影响

大棚黄瓜秸秆原位还田对番茄品质影响如图3所示。

图3 大棚黄瓜秸秆原位还田对番茄品质的影响Fig.3 Effects of in situ return of cucumber residue in greenhouse on tomato quality

由图3可知，原位还田与原位还田增施氮肥处理（T1、T2）番茄品质显著高于对照（CK）（P＜0.05），主要体现在提高番茄可溶性糖含量，降低有机酸含量，提高糖酸比、VC含量，提高可溶性蛋白及可溶性固形物含量。

2.3 大棚黄瓜秸秆原位还田对土壤环境的影响

2.3.1 大棚黄瓜秸秆原位还田对土壤pH、EC值的影响

大棚黄瓜秸秆原位还田对土壤pH、EC值的影响如图4所示，番茄定植后30 d时，原位还田增施氮肥处理（T2）的土壤pH显著低于对照与原位还田处理（CK、T1）（P＜0.05），定植后50 d和70 d时原位还田与原位还田增施氮肥处理（T1、T2）的土壤pH显著高于对照（CK）（P＜0.05）。在番茄定植后30 d时，原位还田增施氮肥处理（T2）土壤EC值显著高于对照（CK）（P＜0.05），在定植后50 d和70 d时原位还田与原位还田增施氮肥处理（T1、T2）显著低于对照（CK）（P＜0.05）。

图4 大棚黄瓜秸秆原位还田对土壤pH及EC值的影响Fig.4 Effects of in situ return of cucumber residue in greenhouse on soil pH and electrical conductivity

2.3.2 大棚黄瓜秸秆原位还田对土壤速效养分的影响

大棚黄瓜秸秆原位还田对土壤速效养分影响如图5所示。

图5 大棚黄瓜秸秆原位还田对土壤速效养分的影响Fig.5 Effects of in situ return of cucumber residue in greenhouse on soil available nutrients

由图5可知，铵态氮含量各处理间无显著差异。原位还田处理（T1）在定植后30 d时土壤中硝态氮含量显著低于对照（CK）（P＜0.05）。定植后30 d时，原位还田（T1）及原位还田增施氮肥处理（T2）的土壤速效磷含量均显著高于对照，定植后50 d时原位还田增施氮肥处理（T2）的土壤速效磷显著高于对照（CK）（P＜0.05），速效钾含量显著高于对照（CK）和原位还田处理（T1）（P＜0.05），定植后70 d时原位还田与原位还田增氮处理（T1、T2）的速效磷、速效钾含量显著高于对照（CK）（P＜0.05）。

2.3.3 大棚黄瓜秸秆原位还田对土壤全氮、有机碳及C/N的影响

图6结果表明，番茄定植后30 d时，原位还田增氮处理（T2）土壤全氮含量显著高于原位还田处理（T1）（P＜0.05），定植后70 d时，原位还田与原位还田增氮处理（T1、T2）土壤全氮含量显著高于对照（CK）（P＜0.05）。土壤有机碳含量在定植后30 d时原位还田增氮处理（T2）显著高于对照（CK）（P＜0.05），定植后70 d时，原位还田两个处理（T1、T2）有机碳含量显著高于对照（CK）（P＜0.05）。番茄定植后30 d时，原位还田处理（T1）C/N显著高于对照（CK）（P＜0.05），定植后50 d和70 d时原位还田与原位还田增氮处理（T1、T2）显著高于对照（CK）（P＜0.05）。

图6 大棚黄瓜秸秆原位还田对土壤碳氮的影响Fig.6 Effects of in situ return of cucumber straw in greenhouses on soil carbon and nitrogen

2.3.4 大棚黄瓜秸秆原位还田对土壤酶活性的影响

大棚黄瓜秸秆原位还田对土壤酶活性影响如图7所示，番茄定植后30 d时，原位还田处理（T1）土壤脲酶活性显著低于对照（CK）（P＜0.05），原位还田与原位还田增氮处理（T1、T2）的过氧化氢酶活性、蔗糖酶活性显著高于对照（CK）（P＜0.05）；定植后50 d和70 d时，原位还田处理与原位还田增氮处理（T1、T2）土壤蔗糖酶活性、过氧化氢酶活性均显著高于对照（CK）（P＜0.05）。

图7 大棚黄瓜秸秆原位还田对土壤酶活性的影响Fig.7 Effects of in situ return of greenhouse cucumber straw on soil enzyme activity

3 讨论与结论

3.1 大棚黄瓜秸秆原位还田对番茄生长与产量的影响

多数还田研究均针对大田作物[17]，近年研究表明，秸秆还田后，前期抑制番茄生长，降低株高、叶片数与生物量，后期促进番茄生长[12]。本研究表明，大棚黄瓜秸秆原位还田处理在番茄生长前期出现抑制番茄生长现象，中后期促进番茄生长，但秸秆原位还田增施氮肥处理未出现抑制生长现象。原因可能是秸秆还田后因冬季较长，腐解率较低，番茄定植后黄瓜秸秆继续腐解，腐解过程微生物与番茄生长形成氮素竞争，影响番茄生长。随着秸秆腐解释放养分，养分竞争消失，由前期的抑制生长变为中后期的促进生长。增施氮肥补充了秸秆腐解所需要的养分，缓解氮素竞争，因此未出现前期抑制生长现象。说明高寒地区大棚秋季果菜秸秆原位还田后，在保证氮肥充足下才能取得更高产量。

3.2 大棚黄瓜秸秆原位还田对番茄品质的影响

秦涛研究表明，辣椒秸秆全量还田改善西瓜品质风味，提高可溶性固形物含量[18]。王敏等研究发现，菌菇渣和番茄秸秆还田显著提高青椒VC含量、可溶性糖含量，降低亚硝酸盐含量[19]。大棚黄瓜秸秆原位还田后提高番茄可溶性糖含量，降低有机酸含量，提高糖酸比，原位还田后番茄糖酸比在较好范围内，提高VC、可溶性蛋白及可溶性固形物含量，说明还田可提高番茄品质，与前人研究相似。

3.3 大棚黄瓜秸秆原位还田对土壤环境的影响

土壤pH影响土壤矿物质转化和有机质矿化过程，秸秆还田在一定程度上提高土壤pH[20]，与本研究相同，大棚黄瓜秸秆原位还田后提高土壤pH，使番茄拥有较好生长环境，秸秆原位还田后土壤电导率出现下降，秸秆原位还田配施氮肥降低土壤盐分，可能与增施氮肥量有关[21]。植物秸秆原位还田后，释放养分，因此提高土壤中氮、磷、钾等元素含量，增加速效养分含量，其增长变化为先升后降，但对铵态氮影响小[22]。本研究发现，原位还田处理前期降低硝态氮含量，在原位还田增施氮肥后提高硝态氮含量。因秸秆腐解过程微生物分解秸秆与番茄争氮，导致番茄生长前期因缺氮长势差，原位还田增施氮肥处理番茄前期未出现缺氮的黄化现象，中后期随秸秆腐解后释放养分促进番茄生长，秸秆中钾、磷元素在秸秆腐解后释放，增加土壤中速效钾和速效磷含量。研究表明，秸秆还田增加土壤中全氮含量，且比传统施肥土壤全氮含量增加3.2%～11.2%[23]，秸秆还田后直接增加土壤中有机碳含量[24]，土壤C/N也增加[9]。本研究发现在番茄生长前期，对照与原位还田的全氮含量均低于原位还田增施氮肥处理，生长中后期原位还田处理显著提高全氮含量；原位还田与原位还田增施氮肥后均增加有机碳含量，提高C/N。大棚黄瓜秸秆原位还田为番茄生长提供营养充足的土壤环境，为生物活动提供丰富氮源与碳源，微生物反应活跃，从而提高土壤脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性。

土壤酶活性是评价土壤微生态系统常用指标之一[25]，土壤脲酶促进氨与二氧化碳生成，促进土壤养分吸收，土壤蔗糖酶反应土壤呼吸强度，提供植物所需营养，土壤过氧化氢酶反应有机质转化情况。刘艳慧研究证明，秸秆还田后增加微生物总数量，土壤脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性均得到显著提高[26]。但路文涛试验发现，还田后土壤酶活性低于不还田土壤酶活性，且脲酶差异不显著[27]。由此可知，不同试验条件下，酶活性变化不同，可能与土壤质地、当天天气条件、还田植物种类等因素有关。本研究发现，番茄生长前期原位还田处理的土壤脲酶较低，可能是因番茄生长前期土壤中氮素不足引起，原位还田增施氮肥处理较原位还田处理的脲酶活性高；蔗糖酶活性反映肥力水平，其酶促反应产物直接影响番茄生长，大棚黄瓜秸秆原位还田后土壤中有机物质及养分含量增加，提高蔗糖酶活性；土壤过氧化氢与土壤蔗糖酶活性变化趋势一致，原位还田及原位还田增施氮肥处理比不还田处理高，可能是因C/N比例适中，促进土壤微生物繁殖，生物反应活跃，提高土壤过氧化氢酶活性。原位还田后改善土壤环境，增加土壤中养分含量，植株生长环境良好，营养供应增加，原位还田增施氮肥后土壤氮素增加，秸秆腐解更充分，从而提高番茄产量。