发酵黄粉虫粪沙对连作谷子生长及土壤养分的影响

王子建，张天宝，郭继虎，杜慧玲，赵丽洁，赵海燕，王 江，韩根兰

（1.山西农业大学 植物保护学院，山西 太谷 030801；2.山西农业大学 基础部，山西 太谷 030801；3.山西农业大学 农学院，山西 太谷 030801）

谷子（Setaria italica）作为山西特色杂粮代表，随着“山西小米”特色品牌的建设，其需求量逐年上升，因此，种植面积逐年增加，也增加了谷子连作概率，而连作会导致土壤质量下降[1-2]，谷子连作会导致黑穗病、白发病和地下害虫等病虫害发生以及谷莠草和草海等草害的发生，严重影响谷子的产量和品质。妙佳源等[3]研究表明，连作会明显降低谷子的产量，且随连作年限增长，谷子减产明显，且连作对土壤养分和酶活性均有不利影响。

目前，缓解连作障碍的方式主要有土壤消杀、优化种植方式、改土翻土、合理施用有机肥等[4]。其中，施用有机肥可缓解连作障碍，改善作物生长环境。李炳韵等[5]研究表明，向连作土壤中施加有机肥，可提高土壤有机质和速效磷含量；李停峰等[6]研究表明，向连作土壤中施用生物有机肥可提高土壤碱解氮、有效磷、速效钾、全氮含量，降低土壤pH值，可提高土壤脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶、过氧化氢酶的活性。

黄粉虫粪沙是黄粉虫排泄物，含有丰富的营养物质[7]。本试验基于黄粉虫粪沙特点，用其作为谷子连作土壤调理剂，探究其对连作谷子土壤改良和谷子生长的影响，旨在实现废弃物的资源再利用，减少化学肥料用量，提升土壤地力，为发展循环农业、绿色农业以及改善生态环境、实现优质谷子可持续发展的目标提供一定的理论和实践依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

供试土壤采自山西农业大学农作站连作谷子7 a的土壤，其类型为石灰性褐土，pH值为8.2，有机质为9.06 g/kg、碱解氮为68.62 mg/kg、有效磷为7.439 mg/kg、速效钾为68.62 mg/kg。

1.2 试验材料

供试谷子品种为晋谷21号，购于山西汾都香种业科技有限公司；发酵黄粉虫粪沙，由山西农业大学农业废弃物生物转化技术中心提供，其理化性质为：p H值6.62、全氮含量125.18 mg/kg、全磷含量99.04 mg/kg、全钾含量13.26 mg/kg、有机质含量42.6 g/kg。

1.3 试验方法

试验设置粪沙与土壤干质量比分别为0（T 0）、1∶400（T 1）、1∶200（T 2）、1∶100（T 3）、1∶50（T 4）、1∶25（T 5）6个处理，每个处理3次重复。按照试验设计比例，将土壤与发酵黄粉虫粪沙充分混匀，装入25 cm×30 cm的塑料盆，每盆装5 kg，播种20穴，待谷子长至二叶一心时定植，留苗15株。生长过程中确保土壤水分维持在田间持水量的60%。

在谷子生长第30、60天时，每盆分别取3株，测定其株高、茎粗，并称取鲜质量，然后105℃烘箱杀青30 min，70℃烘干至恒质量。60 d时全部收获，采集土壤样品,用于土壤有机质、氮磷钾等指标的测定。

1.4 测定指标及方法

取5 g土壤与25 mL水于塑料烧杯中，充分搅拌，静置30 min，用于测定土壤p H、电导率，其中，土壤pH用pH计测定，电导率用电导率仪测定；土壤养分参照鲍士旦[8]的方法测定，其中，有机质含量采用重铬酸钾外加热法，碱解氮含量采用碱解扩散法，有效磷含量采用钼蓝比色法，速效钾含量采用火焰光度计法[9-10]。土壤酶活性参照关松荫[11]的方法测定，其中，过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法，碱性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法，脲酶活性采用苯酚-次氯酸钠比色法，蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法。

1.5 数据处理

使用Excel 2019对数据进行处理及作图；使用SPSS 18.0软件对数据进行方差分析，使用最小显著差异法（LSD）进行多重比较（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 发酵黄粉虫粪沙对连作谷子生长的影响

2.1.1 发酵黄粉虫粪沙对谷子株高和茎粗的影响 谷子株高和茎粗是反映谷子生长情况较直观的指标[12]。发酵黄粉虫粪沙对连作谷子株高、茎粗的影响的试验结果如表1所示，随发酵粪沙施用比例升高，30 d谷子株高均呈上升趋势且均高于对照，60 d时处理T 3、T 4和T 5显著促进了谷子的株高（P＜0.05），T 5处理对谷子株高增长最为显著；在30 d和60 d株高分别为26.86 cm和71.01 cm，较CK（T 0）分别增长97.21%和95.94%。60 d时，茎粗随发酵粪沙施用比例增加而增加，T 4和T 5处理的茎粗显著高于其他处理（P＜0.05），但与其他处理相比，T 4到T 5处理茎粗的增加幅度减缓，且T 4处理和T 5处理间无显著差异。

表1 不同用量发酵黄粉虫粪沙对谷子株高和茎粗的影响Tab.1 Effects of different dosages of fermented mealworm excrement on plant height and stemdiameter of Setaria italic a

2.1.2 发酵黄粉虫粪沙对谷子生物量的影响 从表2可以看出，谷子生长30 d和60 d的干、鲜质量均随着连作土壤中发酵粪沙比例升高而增加，其中，T 2处理比T 1处理增加11.68%，T 3处理比T 2处理增加37.37%，T 4处理比T 3处理增加6.76%，T 5处理比T 4处理增加0.89%。T 5处理的植株鲜质量达到最大，较CK增加276.61%；T 5处理30 d鲜质量达到2.930 g，60 d鲜质量达到13.988 g，30 d干质量达到0.430 g，60 d干质量达到4.814 g。

表2 不同用量发酵黄粉虫粪沙对谷子地上部分干、鲜质量的影响Tab.2 Effects of different dosages of fer mented mealworm excrement on fr esh weight and dr y weight of aboveground parts of Setaria italica

2.2 发酵黄粉虫粪沙对对土壤p H和电导率的影响

发酵黄粉虫粪沙对连作土壤pH影响如图1所示，播种前随土壤中施加发酵粪沙比例升高，土壤pH值逐渐降低，T 5处理为7.07，显著低于其他处理（P＜0.05）。收获后各处理土壤p H无显著性差异，且均为弱碱性，与播种前相比，T 0和T 1处理在收获后pH值显著降低（P＜0.05），T 2处理的土壤pH无显著变化，T 3、T 4和T 5处理的土壤pH值在收获后显著升高（P＜0.05），其中T 5处理升高至7.98。

发酵黄粉虫粪沙对连作土壤电导率影响如图2所示，播种前随土壤中发酵粪沙比例升高，土壤电导率逐渐升高，T 2、T 3、T 4和T 5处理的土壤电导率显著高于CK（P＜0.05），T 5处理最高，为0.483，较CK升高2.5倍。收获后各处理土壤电导率均有变化，但变化程度不同；与播种前相比，收获后T 0处理的土壤电导率显著升高（P＜0.05），T 1和T 2处理无显著变化，T 3、T 4、T 5处理显著降低（P＜0.05），分别为0.192、0.196、0.347。

2.3 发酵黄粉虫粪沙对连作谷子土壤养分的影响

如图3所示，随着连作土壤中施加发酵黄粉虫粪沙比例升高，播种前，土壤中有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量均呈上升趋势，随施加发酵粪沙比例增加，土壤有机质含量增加，T 2、T 3、T 4、T 5处理与CK间差异显著（P＜0.05），且T 5处理最高，较CK增长38.32%；与CK相比，收获后T 2、T 3、T 4、T 5处理的有机质含量显著升高（P＜0.05），分别较CK增长11.62%、11.66%、13.08%、33.14%，T 1、T 2、T 3、T 4处理间无显著差异。

播种前，随着发酵粪沙比例的增加，土壤碱解氮含量增加，与CK相比，T 4、T 5处理的土壤碱解氮含量分别显著增加109.46%、435.47%（P＜0.05）；收获后，T 0～T 5处理土壤碱解氮含量变化较小，且各处理间差异不显著。

播种前，随着向土壤中添加发酵粪沙比例的增加，土壤有效磷含量显著增加，各处理间差异显著（P＜0.05），其中，T 5处理最高，是CK的34.49倍。说明施加发酵黄粉虫粪沙可显著提高土壤有效磷含量。收获后，土壤中速效磷含量也随着添加发酵粪沙比例的升高而升高，且各试验处理均显著高于CK（P＜0.05），T 1、T 2、T 3、T 4、T 5处理分别较CK提高243.78%、298.70%、485.84%、1 311.43%、2 572.93%。播种前，随着土壤中发酵粪沙比例升高，土壤速效钾含量逐渐上升，与CK相比，T 3、T 4、T 5处理的速效钾含量分别显著增加36.24%、65.37%、79.92%（P＜0.05）。说明发酵黄粉虫粪沙钾含量丰富。收获后T 1、T 4、T 5处理土壤速效钾含量显著高于CK（P＜0.05）。

2.4 发酵黄粉虫粪沙对连作谷子土壤酶活性的影响

2.4.1 发酵黄粉虫粪沙对连作谷子土壤过氧化氢酶活性的影响 由图4可知，播种前，过氧化氢酶活性随土壤中发酵粪沙比例升高呈现出先上升后降低的趋势，与CK相比，T 2、T 3、T 4处理的过氧化氢酶活性显著升高（P＜0.05），其中，T 3处理的土壤过氧化氢酶活性升高了53.18%。说明施加发酵黄粉虫粪沙可提高土壤过氧化氢酶活性。收获后，土壤过氧化氢酶活性变化趋势与播种前相同，T 3处理的土壤过氧化氢酶活性最高，达1.578 mg/（g·h），显著高于CK和T 1、T 5处理（P＜0.05）。

2.4.2 发酵黄粉虫粪沙对连作谷子土壤蔗糖酶活性的影响 不同用量发酵黄粉虫粪沙对连作谷子土壤蔗糖酶活性影响如图4所示，播种前和收获后土壤蔗糖酶活性均随土壤中施加发酵粪沙增加而升高。播种前，与CK相比，T 2、T 3、T 4和T 5处理的土壤蔗糖酶活性分别显著升高了18.76%、41.05%、85.86%、119.92%（P＜0.05），说明发酵黄粉虫粪沙可显著提高土壤蔗糖酶活性。收获后，与CK相比，T 3、T 4、T 5处理的土壤蔗糖酶活性分别显著增加43.96%、80.95%、148.89%（P＜0.05）。

2.4.3 发酵黄粉虫粪沙对连作谷子土壤脲酶活性的影响 施加不同量发酵黄粉虫粪沙对连作谷子土壤脲酶活性影响如图4所示，播种前，随着发酵粪沙在土壤中占比升高各处理脲酶活性升高，且T 3、T 4、T 5处理显著高于CK（P＜0.05），但这3个处理之间差异不显著，说明土壤中脲酶活性升高到一定值时趋于平稳。收获后，随着土壤中黄粉虫粪沙比例升高脲酶活性先升高后降低再升高，呈波浪式变化，其中，T 1、T 2、T 4处理较CK显著升高（P＜0.05），说明向土壤中添加发酵粪沙可改善土壤环境，从而使脲酶活性升高。

2.4.4 发酵黄粉虫粪沙对连作谷子土壤碱性磷酸酶活性的影响 不同用量发酵黄粉虫粪沙对连作谷子土壤碱性磷酸酶活性影响如图4所示，播种前、收获后碱性磷酸酶活性均随着土壤中黄粉虫粪沙比例升高而升高，其中，播种前，与CK相比，T 4、T 5处理的土壤碱性磷酸酶活性显著增加（P＜0.05），分别较CK增加33.20%和91.48%；收获后，T 2、T 3、T 4、T 5处理的土壤碱性磷酸酶活性分别较CK显著增加17.73%、24.66%、48.08%、75.65%（P＜0.05）。

3 结论与讨论

随着山西省特色杂粮品牌建设，谷子越来越受到人们重视，近些年，全省谷子种植面积基本维持在20万hm2，由于谷子受关注度上升及种植面积有限，造成谷子连作。我国农谚中写道：“重茬谷，坐着哭；一年谷子，三年莠子”。谷子作为一种典型的忌连作作物，长期连作会导致谷子对养分的吸收利用受到抑制，造成严重的病虫草害，从而影响其产量和品质[13-14]。

骆洪义等[15]研究表明，向土壤中加入土壤质量的1.5%黄粉虫粪沙，能够明显增加油菜的产量。在本试验中，随着连作土中发酵粪沙比例升高，谷子茎长、茎粗、生物量均逐渐增加，所有处理均高于对照，说明发酵黄粉粪沙改善了连作谷子的生长情况，促进了谷子的生长。

高添等[16]研究表明，向土壤中添加生物有机肥能降低根际土壤pH值，使得土壤养分有效性升高，从而促进地黄根系对养分的吸收利用。本研究表明，pH值在播种前，随着土壤中粪沙比例升高呈下降趋势，这是由于黄粉粪沙本身呈弱酸性；收获后，土壤各处理间pH值无显著差异。

土壤有机质是土壤碳储量、土壤养分供应能力和肥力的重要参考指标，在土地质量、环境、气候和农业可持续发展方面均有着至关重要的作用[17]。陈宜勇[18]研究表明，施用商品有机肥能明显提高土壤有机质含量，每公顷施用7 500 kg商品有机肥并减少20%～30%化肥施用量，能够改善土壤理化性状，协调养分平衡供应，从而提高冬瓜产量。土壤速效养分是一种重要的土壤肥力评价指标[19]，而土壤肥力是土壤的基本属性和特征，是能够为植物持续提供养分最基本的保证[20]。孔涛等[21]研究表明，追施有机肥能不同程度提高土壤有机质、有效磷含量。本研究中，随着土壤中发酵黄粉粪沙比例升高有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量均呈逐渐上升的趋势，收获后，有机质、有效磷、速效钾等养分含量所呈趋势与种植前相同，说明黄粉虫粪沙能够提高土壤养分。收获后土壤碱解氮与对照相比趋于平稳，这可能是由植物在生长过程中有消耗所致。

季鑫等[22]研究表明，向土壤中施用竹炭导致土壤酸性磷酸酶活性降低、蔗糖酶活性升高。靳亚忠等[23]研究表明，施用50%木霉菌有机肥并减量30%化肥，可提高根际土壤蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶活性。在本研究中，土壤过氧化氢酶随着土壤中粪沙比例的升高呈先升高后降低，原因可能与土壤微生物活性有关，具体原因还有待进一步研究；碱性磷酸酶和蔗糖酶随着土壤中粪沙比例的升高呈上升趋势。

综上所述，向连作土壤中添加不同比例的发酵黄粉粪沙对谷子生长、土壤养分和酶活性均有促进作用，各处理对谷子的株高、茎粗、干鲜质量均有影响。播种前、收获后，按1∶100～1∶50比例施加发酵黄粉虫粪沙的土壤过氧化氢酶、蔗糖酶活性均高于对照，且与对照有显著差异。考虑投入产出比，向土壤中按1∶100～1∶50比例施加发酵黄粉虫粪沙对谷子连作障碍具有一定改良效果。