不同比例蚯蚓粪替代化肥对土壤化学性状及小白菜产量和品质的影响

赵永鑫　赵吉霞　范茂攀　王自林　徐昆龙　李永梅

摘    要：为探究不同比例蚯蚓粪替代化肥对山原红壤土壤化学性状及小白菜产量和品质的影响，在相同施氮量的条件下，设置4个不同比例蚯蚓粪处理：70%化肥和30%蚯蚓粪（T30）、50%化肥和50%蚯蚓粪（T50）、30%化肥和70%蚯蚓粪（T70）、100%蚯蚓粪（T100），以常规施肥（CK）为对照，测定小白菜收获后土壤肥力变化以及小白菜产量和品质指标。结果表明，相较CK，不同比例蚯蚓粪替代化肥改善了土壤化学性状，土壤全氮、速效磷、速效钾及有机质含量显著增加;土壤pH除T50较CK无显著差异外，其他处理土壤pH均较CK显著降低;T50可在显著提高小白菜产量的同时增加可溶性糖和维生素C含量，降低硝酸盐含量。综上所述，50%蚯蚓粪替代化肥可在云南地区小白菜生产中推广应用。

关键词：小白菜;土壤肥力;产量;品质

中图分类号：S634.3 文献标志码：A 文章编号：1673-2871（2022）06-062-07

Different proportion of vermicompost replacing chemical fertilizer affects soil chemical properties and yield and quality of Chinese cabbage

ZHAO Yongxin ZHAO Jixia FAN Maopan WANG Zilin XU Kunlong LI Yongmei

（1. College of Resources and Environment， Yunnan Agricultural University， Kunming 650201， Yunnan， China; 2. Yunnan Agricultural University， Kunming 650201， Yunnan， China）

Abstract：This experiment was conducted to explore the effects of different proportion of vermicompost replacing chemical fertilizer on soil chemical character and yield and quality of Chinese cabbage in montane red soil. Under the same amount of nitrogen four different proportion of vermicompost were tested， 70% chemical fertilizer and 30% vermicompost （T30）， 50% chemical fertilizer and 50% vermicompost （T50）， 30% chemical fertilizer and 70% vermicompost （T70）， 100% vermicompost （T100）， Changes of soil fertility and yield and quality indexes of Chinese cabbage after harvest were determined. The results showed that different proportions of vermicompost replacing chemical fertilizer improved soil chemical properties， and the contents of total nitrogen， available phosphorus， available potassium and organic matter in the soil were significantly increased. Soil pH was significantly lower than CK except T50. Compared with CK the yield of Chinese cabbage in T30， T50 and T70 treatments was increased by 90.06%， 190.64%， 129.90%， respectively. 50% vermicompost treatment significantly increased the yield of Chinese cabbage， increased soluble sugar content and vitamin C content， and decreased nitrate content. Therefore， the T50 treatment （N 15 kg·hmPO 30 kg·hm， KO 45 kg·hm， vermicompost organic fertilizer 1 111.11 kg·hm） can be used to replace chemical fertilizer in Chinese cabbage production in Yunnan.

Key words： Chinese cabbage; Soil fertility; Yield; Quality

我國是世界上最大的蔬菜生产和消费国。2020年，我国蔬菜总产量超过7亿t，超过全球蔬菜产量的50%[1]。目前蔬菜生产仍然多以高产为目标，而施用化肥作为提升蔬菜产量的主要途径，在我国的农业生产中发挥着举足轻重的作用。但过量施用化肥导致土壤次生盐渍化严重，破坏耕地质量。此外，长期施用化肥会导致土壤板结，土壤结构被破坏，作物生长严重受阻等问题[2-4]，影响蔬菜的产量和品质，进而破坏整个农田生态系统。而有机肥作为一种广泛应用的土壤改良剂，具有提升农作物产量、品质和改善土壤质量等方面的优势[5]。因此，有机肥替代对维持土壤养分平衡，实现农业可持续发展具有重要意义。

蚯蚓粪作为蚯蚓堆肥化过程中产生的一种绿色生物有机肥，与常规有机肥在堆肥方式、场所等方面存在着诸多不同，这也导致蚯蚓粪在性质、构成及作用方面与常规有机肥存在差异。首先，蚯蚓堆肥化过程在蚯蚓的肠道内进行，不会经历高温，而普通有机肥则多在空旷场所经高温过程堆制产生，这也决定了蚯蚓粪中比普通有机肥更具有相对稳定的微生物群落结构。蚯蚓粪是一种具有自然泥土清香的细碎类物质，堆肥过程不像普通有机肥会产生气体污染、水体污染等问题[6]。蚯蚓粪具有均一、多孔结构，且比表面积大，有很好的孔性、通气性、排水性和高持水量，富含多糖，对土壤团聚体的形成和保持具有积极作用[7]。蚯蚓粪与土壤混合后可增进土壤与空气接触，改善土壤板结状况。蚯蚓粪多为中性偏碱性，研究表明，将蚯蚓粪施于酸性土壤或碱性土壤，最终土壤pH值会趋近于中性，适宜作物生长[8]。此外，蚯蚓粪中含有大量的微生物，施入土壤可以降低作物根际真菌及病原菌丰度，增加细菌种群和丰度，保障土壤微生物群落结构的稳定性[9]。

蚯蚓粪作为一种绿色生物有机肥，在提升作物产量和品质方面成效显著。有研究表明，将不同比例的蚯蚓粪施用于果园土和菜园土，能显著增加玉米株高、干物质量，其中以20%比例蚯蚓粪的综合特征最优[10]。在等氮量的前提下，30%～50%蚯蚓粪氮占比可以显著提高盆栽油麦菜产量[11]。50%蚯蚓粪与50%化肥配施可以显著改善桑树根际微域环境，桑叶产量得以大幅提升[12]。蚯蚓粪和无机肥以质量比1∶30复混较无机复混肥相比，能显著提高温室大棚黄瓜的糖酸比及维生素C、可溶性蛋白、可溶性糖及可溶性固形物含量，降低黄瓜硝酸盐含量[13]。冯腾腾等[14]在连作黄瓜大棚试验中也得到了类似结果。与单施化肥相比，蚯蚓粪替代40%化肥显著增加了白菜和西蓝花的可溶性蛋白和维生素C含量，改善其品质[15]。总的来讲，蚯蚓粪配施比例在20%～50%之间时，多数经济作物可获得较好的产量和品质。

叶菜作为我国广泛种植的经济作物，约占蔬菜需求总量的25%[16]。小白菜具有生育期短，较耐低温和高温等特点，适应性强，在云南一年四季均可种植。红壤作为云南主要的耕作土壤，是我国重点改良和研究的土壤[17]。目前，关于蚯蚓粪不同比例替代化肥对云南红壤区土壤化学性状及叶菜产量和品质的效应尚不清楚。因此，笔者通过设置不同比例的蚯蚓粪替代化肥试验，研究对山原红壤土壤化学性状及小白菜产量、品质的影响，以期为云南山原红壤区优化田间管理、科学施用蚯蚓粪肥提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验于2021年4—6月在云南省昆明市盘龙区云南农业大学大棚内进行。供试土壤为山原红壤，取自云南农业大学试验基地0～20 cm耕作土层;供试小白菜品种为农夫皇冠（河南欧兰德种业有限公司），类型为速生杂交小白菜，比较耐热耐湿，供试蚯蚓粪为蚯蚓消解牛粪得到。土壤及蚯蚓粪理化性质见表1。

1.2 试验设计

盆栽试验采用完全随机设计，共设置5个处理，3次重复，共15盆，大棚面积10 m，试验选用上口径25 cm育苗盆进行，每盆定植5株小白菜，株间距5 cm，共计75株。在优化施肥的前提下，分别设置CK：100%化肥;T30：70%化肥+30%蚯蚓粪;T50：50%化肥+50%蚯蚓粪;T70：30%化肥+70%蚯蚓粪;T100：100%蚯蚓粪。

每个处理的氮水平保持一致，化肥种类分别为尿素（N 46%）、过磷酸钙（PO 12%）和硫酸钾（KO 50%），施肥量分别为每kg土施纯氮（N）0.2 g、纯磷（PO）0.2 g、纯钾（KO）0.3 g，其中，氮肥分为基肥和追肥各50%共分2次施入，磷钾肥以及蚯蚓粪均做基肥一次性施入。各处理具体施肥情况见表2。

1.3 栽培管理

用育苗盆每盆装土3 kg，并与肥料混匀（蚯蚓粪和与风干后土壤均过2 mm筛孔）。常温催芽，种子50%露白时播种，每盆播种10粒种子，待发芽后幼苗长出3～4片叶时进行间苗，每盆留苗5株。小白菜于2021年4月25日种植，6月3日收获。

1.4 样品采集及测定

各处理于2021年6月3日采集小白菜成熟期植株样品和土壤样品。每盆采集小白菜5株进行鲜样测产，用试验室千分之一天平称质量后计算平均小白菜单株质量，然后按每667 m 8889株折算每667 m产量。测产后立即进行植株可溶性糖、维生素C和硝酸盐含量测定。土壤样品从小白菜植株根系位置自上而下采300 g土壤样品，带回实验室自然风干，备用。土壤化学性状测定参考《土壤农化分析》[18]，采用雷磁PHS-3C型酸度计测定土壤pH（V∶m=2.5∶1）;采用油浴加热重铬酸钾容量法测定土壤有机质含量;采用海能K9860全自动凯氏定氮仪测定土壤全氮含量;采用碱解扩散法测定碱解氮含量;采用NaHCO浸提-钼锑抗比色法测定速效磷含量;采用NHAc浸提-火焰光度法测定速效钾含量;采用蒽酮比色法[19]测定可溶性糖含量;采用2，6-二氯靛酚法[20]测定维生素C含量;采用水杨酸比色法[21]测定硝酸盐含量。

1.5 统计分析

试验数据采用Excel 2007进行统计和作图。采用SPSS 20.0软件进行统计分析，利用单因素方差分析（ANOVA）进行差异显著性分析，采用Canoco 5.0软件进行冗余分析，并用R 4.0.2进行置换多元方差分析（PERMANOVA）。

2 結果与分析

2.1 不同比例蚯蚓粪替代化肥对土壤化学性状的影响

2.1.1    不同比例蚯蚓粪替代化肥对土壤氮、磷、钾养分含量的影响    由表3可以看出，随着蚯蚓粪替代比例的增加，土壤全氮和碱解氮含量均呈逐渐上升趋势。T50、T70、T100处理全氮含量分别较CK增加了11.73%、12.35%、14.81%，且差异显著。除T100外，所有蚯蚓粪替代化肥处理的碱解氮含量均较CK处理无显著差异。土壤速效磷含量随着蚯蚓粪替代比例的增加呈先升高后降低趋势，速效钾含量随蚯蚓粪替代比例的增加呈先升高后降低随后升高趋势。土壤速效磷含量在T50处理时达到最大，为26.86 mg·kg。与CK处理相比，T50、T70处理速效磷含量显著增加，而T30、T100处理则与CK无显著差异。所有蚯蚓粪处理土壤速效钾含量均较CK处理显著增加，其含量在T30时达到最大，为452.47 mg·kg。

2.1.2    不同比例蚯蚓粪替代化肥对土壤有机质含量的影响    由图1可以看出，在小白菜成熟后土壤有机质含量呈现出随蚯蚓粪替代比例的增加而增加的趋势，T30、T50、T70、T100处理土壤有机质含量均显著高于CK处理，分别较CK处理增加14.92%、18.10%、18.54%、61.17%，而T30、T50、T70各处理间无显著差异。土壤有机质含量以T100处理达到最大，为52.17 g·kg。

2.1.3 不同比例蚯蚓粪替代化肥对土壤pH的影响 由图2可以看出，各处理间土壤pH表现为T50=CK>T100>T70>T30。土壤的pH以CK、T50为最高，T30、T70、T100处理pH均较CK处理显著降低，且T30与T70、T70与T100处理之间无显著差异。在所有蚯蚓粪替代化肥处理中，蚯蚓粪替代比例为50%时，土壤pH值最高，为6.82。

2.2 不同比例蚯蚓粪替代化肥对小白菜产量的影响

由图3可以看出，各处理间小白菜产量表现为T50>T70>T30>T100>CK，小白菜产量呈现出随着蚯蚓粪替代比例的增加先升高后降低趋势。蚯蚓粪替代比例为0%～50%时，小白菜产量迅速增加，在施用50%蚯蚓粪时，小白菜产量达到最大，667 m2产量为850.23 kg。自此随着蚯蚓粪替代比例增加，小白菜产量开始下降。T30、T50、T70、T100处理小白菜产量均显著高于CK处理。其中T30、T50、T70处理小白菜产量分别较CK处理显著增加了90.08%、190.65%、129.91%。综上所述，一定比例的蚯蚓粪替代化肥可以显著提高小白菜产量，其中以T50处理效果为最佳。

2.3 不同比例蚯蚓粪替代化肥对小白菜品质的影响

2.3.1 不同比例蚯蚓粪替代化肥对小白菜可溶性糖含量的影响 由图4可以看出，随着蚯蚓粪替代比例的增加，小白菜可溶性糖含量呈先升高后降低趋势。各处理间的小白菜可溶性糖含量表现为：T50>T30>CK>T100>T70，其中T30、T50处理小白菜可溶性糖含量分别较CK处理显著增加33.71%和62.29%。T50处理小白菜可溶性糖含量达到最大，为2.84%。当蚯蚓粪替代比例超过50%时，可溶性糖含量开始显著降低。相较于CK处理，30%和50%蚯蚓粪替代量可显著提高小白菜可溶性糖含量。而当蚯蚓粪替代量达到70%和100%时，小白菜可溶性糖含量则较CK处理显著降低。综上所述，30%和50%比例蚯蚓粪替代化肥可以显著提高小白菜可溶性糖含量，但当蚯蚓粪比例过高时则可能降低其含量。

2.3.2 不同比例蚯蚓粪替代化肥对小白菜维生素C含量的影响 由图5可以看出，各处理间小白菜维生素C含量为T50>T70>T100>T30>CK，且呈现出随着蚯蚓粪替代比例的增加先升高后降低趋势。T30、T50、T70、T100处理小白菜维生素C含量较CK处理均有所增加，其中T50、T70处理较CK处理显著增加67.40%、29.28%，T30、T100处理则与CK处理之间无显著差异。小白菜维生素C含量以T50处理为最高，为24.24 mg·100 g。总体来讲，施用50%、70%比例蚯蚓粪替代化肥，可以显著提高小白菜中维生素C含量，使其营养价值得到改善，其中，以施用50%蚯蚓粪效果最佳。

2.3.3 不同比例蚯蚓粪替代化肥对小白菜硝酸盐含量的影响 由图6可以看出，各处理间小白菜硝酸盐含量表现为CK>T30>T70>T100>T50，且小白菜硝酸盐含量随着蚯蚓粪替代比例的增加呈现出先降低后升高再降低的趋势，在蚯蚓粪替代比例为50%时达到最低值。与CK处理相比，T30、T50、T70、T100处理硝酸盐含量均有所降低，且差异显著。CK处理小白菜硝酸盐含量最高，达到454 mg·kg，含量高于国际粮农组织关于蔬菜中硝酸盐一级限量标准的432 mg·kg，随着蚯蚓粪施入，小白菜硝酸盐含量下降，T30、T50、T70、T100处理小白菜硝酸盐含量分别为354.33、258、349.33、322 mg·kg，均低于国际限量标准。由此可见，一定比例蚯蚓粪替代化肥可以显著降低小白菜硝酸盐含量，进而改善其品质。

2.4 土壤环境因子与小白菜产量和品质的关系

由图7冗余分析表明，土壤环境因子解释了两轴总变异的96.4%。通过蒙特卡罗置换检验来评估环境因子对小白菜产量和品质变化的贡献度，结果表明，土壤有机质（82.5%）、速效磷（10.4%）和速效钾（2.4%）含量是影响小白菜产量和品质的主要环境因子（P<0.05）。多元置換方差分析的结果表明，不同施肥处理下的土壤性状和小白菜产量和品质存在极显著的差异。

3 讨论与结论

有研究表明，大量长期单施化肥甚至会带来土壤有机质含量降低的负面影响[22]。本试验结果表明，与CK相比，蚯蚓粪替代化肥均可以显著提升土壤有机质含量，且随着蚯蚓粪替代化肥比例的增加，土壤有机质含量随之增加。葛立傲等[23]研究表明，与常规施肥相比，蚯蚓粪与化肥减量配施显著提高了设施青菜土壤中的有机质含量，这与本研究结果一致。蚯蚓粪能提高土壤中有机质含量，究其原因一方面是因为蚯蚓粪本身有机质含量丰富，另一方面可能是蚯蚓粪分解产生有机酸，进一步通过酸溶作用促进矿物分解以及养分释放，并通过螯合作用使矿质养分有效性得到提高[24]。除T50处理土壤pH较CK处理无显著差异外，T30、T70、T100处理pH值均显著降低，土壤的pH值有所下降但总体趋于中性。有研究表明，蚯蚓粪有较大的酸碱缓冲容量[25]，使碱性土壤pH值下降，使酸性土壤pH值上升，最终使土壤pH值趋于中性，为作物生长提供更好的微域环境。本试验中，碱性蚯蚓粪施入中性偏碱性土壤后土壤pH有所降低，导致这种现象的原因可能是有机改良剂分解过程中产生的有机酸的酸溶作用或者是加剧了盐分的渗透和淋失[26]。然而，土壤pH在6～7之间似乎促进了养分对植物的有效性，因此蚯蚓粪是一种合适的土壤改良剂。此外，本试验中土壤全氮、碱解氮、速效磷、速效钾养分含量提升可能也得益于蚯蚓粪在土壤中的分解过程。蚯蚓粪施入土壤在增加土壤养分含量的同时也可以增加土壤中微生物及活性进而提高养分分解释放[27]。但蚯蚓粪替代比例偏高则不能满足小白菜前期对养分的需求，这也是为何随着蚯蚓粪替代比例的增加土壤的速效磷、钾含量并不随之提高的原因，这是由肥料特性所决定的，化肥可以快速增加作物生长所需的各种速效养分含量，而蚯蚓粪有机肥中养分释放过程则比较缓慢[28]。综上所述，30%～50%蚯蚓粪替代化肥能有效平衡化肥和蚯蚓粪的优缺点，化肥能保证作物前期的速效养分供应、减少淋溶，蚯蚓粪又能缓慢释放养分，保障小白菜后期的养分供应。

蚯蚓粪富含大量的有益微生物和植物生长调节物质，可以改善作物的农艺性状[29]。王恩煜等[30]研究表明，每667 m西瓜配施蚯蚓粪500 kg，可以保证在不降低产量的基础上显著提升西瓜维生素C含量、可溶性蛋白含量、还原糖含量等品质属性，进而改善西瓜品质。与单施化肥或单施蚯蚓粪相比，蚯蚓粪和化肥按体积比1∶1混施后洋葱的鳞茎大小、鳞茎总数及所有鳞茎鲜质量均有增加，同时混合处理洋葱叶片中总叶绿素、类胡萝卜素等含量也显著增加，并且蚯蚓粪和化肥混施处理也使土壤有更好的土壤肥力以及生物活性，在降低洋葱栽培成本的同时维持了土壤健康[31]。本研究表明，蚯蚓粪替代化肥能在增加小白菜产量的同时在一定程度上提高小白菜维生素C和可溶性糖含量，并降低硝酸盐含量。在各处理中，T50处理小白菜产量品质最优。有研究表明，50%有机肥替代化肥在辣椒产量品质方面要优于单施有机肥[32]，这与本试验结果相似。造成这种结果的原因可能是作物生长前期对氮肥的需求较旺盛，而蚯蚓粪养分释放具有缓释性。T70和T100处理前期养分无法得到有效供应，而T50处理既能保证小白菜前期的养分供应，蚯蚓粪的缓释性又能为小白菜生长后期提供保障，故而产量更高、品质更优。有研究表明，蚯蚓粪中富含各类氨基酸，氨基酸态氮的投入可通过对硝酸还原酶的抑制作用使作物中硝酸盐含量明显下降，配施化肥后使氮素的供应形态发生变化，这可能是导致小白菜硝酸盐含量下降的原因[11]。此外，蚯蚓粪中富含谷氨酸、甘氨酸等必需氨基酸，可通过作物根部参与到可溶性糖代谢过程，促进作物茎、叶可溶性糖含量提升[33]。此外，可能是蚯蚓粪的施入提高了土壤氮循环酶的活性，提高了作物对氮素的利用率，从而促进了作物的产量、品质的提高[15]。

综上所述，不同比例蚯蚓粪替代化肥对云南山原红壤区土壤化学性状及小白菜产量和品质的影响存在剂量效应，其中，50%蚯蚓粪替代化肥可有效改善土壤化學性状，而不会对土壤pH产生显著影响，同时可以在提高小白菜产量的情况下增加其植株可溶性糖含量及维生素C含量，降低硝酸盐含量，改善小白菜的品质。土壤有机质、速效磷及速效钾是小白菜产量和品质综合影响因子。本试验为盆栽试验，试验结果具有一定的局限性，还需开展田间试验进一步探究蚯蚓粪替代在小白菜种植中的最适比例，并对影响小白菜产量、品质的关键因子及其机制开展深入研究。

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