生物炭引入蚯蚓粪和草炭对基质环境、黄瓜植株生长和果实品质特性的影响

胡蒙爱，马嘉伟，张雪艳

（宁夏大学 农学院，宁夏 银川 750021）

【研究意义】我国设施栽培园艺快速发展，化肥农药的过量施用导致了土壤次生盐渍化、土传病害加重等连作障碍问题，严重制约了设施园艺产业的可持续发展[1-2]。无土栽培是土壤严重连作障碍的有效替代栽培方式，可显著改善作物品质和产量，但无土栽培中的主要栽培基质草炭是不可再生资源，自然资源的短缺也制约了无土栽培的发展[3-5]。因此，研究替代草炭无土栽培基质，开发复合无土栽培基质已成为新的趋势。【前人研究进展】蚯蚓粪是蚯蚓对有机废弃物进行生物降解而形成的产物，具有良好的团粒结构、透气性和较高持水能力[6]。研究[7-8]表明，蚯蚓粪含有丰富的腐殖质，有利于土壤团聚体的形成。徐仲楠等[9]发现随着蚯蚓粪添加比例增加，基质全氮、速效钾和有机质含量均显著提高，并可增加基质养分有效性，改善基质的微生物群落结构，提高细菌和真菌的多样性。研究[10-13]表明，蚯蚓粪可显著缓解设施黄瓜栽培土壤的连作障碍，抑制黄瓜苗期土传病害，并有效提升根际土壤肥力，促进黄瓜生长。生物炭是作物秸秆经热裂解干馏形成的富碳产物，具有孔隙度高、含碳量高、比表面积大的特点，可有效吸附土壤养分，增加土壤阳离子交换量，减少土壤养分和水分流失；且具有提高养分利用率，提升土壤微生物活性，促进作物生长的作用[14-16]。高阳等[17]研究表明施用生物炭可显著提升番茄根表面积、根体积、根干重和根系活力。【本研究切入点】单一蚯蚓粪或生物炭对作物生长的影响多有报道，但蚯蚓粪和草炭结合生物炭混合的基质对作物生长的影响鲜有报道。【拟解决的关键问题】试验以草炭（P）和蚯蚓粪（V）为栽培基质，在其基础上分别引入生物炭（B），形成草炭+生物炭（PB），蚯蚓粪+生物炭（VB）处理，通过两茬黄瓜种植，系统分析不同栽培基质下基质特性、黄瓜植株生长、果实品质和产量的变化，探究生物炭的引入对黄瓜生长的影响，研究可为蚯蚓粪作为栽培基质和生物炭对蚯蚓粪基质的改善效果提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验黄瓜品种为‘航瓜玉妮’（神州绿鹏公司提供）。试验所需的蚯蚓粪购自华盛绿能（宁夏）农业科技有限公司。生物炭购自南京市六合区大自然秸秆专业合作社，由玉米秸秆在400 ℃温度下碳化获得。草炭、生物炭和蚯蚓粪基本特性见表1。

表1 试验材料基本理化特性Tab.1 Physical and chemical properties of substrates

1.2 试验方法

试验在宁夏吴忠市国家农业科技园区C4号日光温室（38°33'75″N，106°38'54″E）进行。于2018年9月30日至2019年1月18日进行秋茬栽培，2019年3月5日至7月7日进行春茬栽培。试验设置草炭（P）、草炭+生物炭（PB，质量比4∶1）、蚯蚓粪（V）、蚯蚓粪+生物炭（VB，质量比4∶1），共4个栽培基质处理，每个处理5次重复，小区面积6 m2，各处理随机区组排列。采用下挖槽式栽培，槽长宽高分别为10，0.6，0.45 m，槽间设置2 个保护行，最大程度避免处理间的相互干扰。采用单行种植，株距20 cm，行距140 cm，采用滴灌统一进行水肥管理，黄瓜的整个生育期灌水量约2 700 t/hm2，肥料选用以色列海法有限公司的“海法魔粒丰”（N：16%、P2O5：12%、K2O：32%）和“海法钾宝”（N：12%、P2O5：5%、K2O：42%），全生育期共投入氮肥378 kg/hm2、磷肥229.5 kg/hm2、钾肥999 kg/hm2。

1.3 取样和测定方法

分别在秋茬和春茬定植后第49 天用五点法取500 g 左右的基质样品，每个处理3 个重复。pH 和EC使用电极测定（SJ-3F and DDS-307A，Shanghai，China）[18]，基质的总有机碳（TOC）含量采用重铬酸钾-硫酸氧化法测定，总氮（TN）含量采用H2SO4-H2O2消化-半微量凯氏定氮法测定，总磷（TP）含量采H2SO4-H2O2消化-钼锑抗比色法测定，总钾（TK）含量采用H2SO4-H2O2硝化火焰光度法测定，NO3-N含量采用2M KCL浸提-分光光度法测定，NH4+-N采用靛酚蓝-分光光度法测定[19]。

分别在秋茬和春茬定植缓苗一周后进行黄瓜生长指标测定，之后每2 周测量1 次。每个处理随机选10 株长势均一的代表性植株，测量株高、茎粗、叶片数，用SPAD-502 叶绿素仪测定叶绿素含量。分别计算株高相对生长率（RGH-PH）和茎体积相对生长率（RGH-SV），叶片数相对生长率（RGH-LN）公式如下[20]。

式（1）、（2）和（3）中，h1、h2代表两次测量的株高，d1、d2代表两次测量的茎直径，n1、n2代表两次测量的叶片数，t1、t2代表两次取样时间。

于2018年12月8日秋冬茬盛果期和2019年6月8日春茬盛果期每个处理分别选取代表性植株3株，取下大小均匀果实5 个，测定果实质量与果实长度。可溶性固形物含量采用TD-45 数字折光仪进行测定，硝酸盐采用水杨酸-硫酸比色法测定，可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定，Vc 含量采用钼蓝比色法测定，有机酸含量采用酸碱转法测定[21]。全生育期记录每个处理产量，按照小区面积产量折合成黄瓜亩产量。

在测定果实品质同时，分别在同时期每个处理分别取代表性植株6株。天平测定地上部与地下部鲜重后，每个植株装进信封并标记，将样品置于烘箱105 ℃下杀青30 min，80 ℃烘干至恒重。用电子天平称量地上部与地下部干重。

1.4 数据分析

所有数据重复3 次，采用Excel2019 和SPASS20.0 软件对试验数据进行统计与分析。采用单因素ANOVA 在P＜0.05水平进行显著性分析，利用Pearson 对植株生长指标与基质养分间的相关性进行分析，利用隶属函数对基质理化特性和植株生长指标进行综合评价，使用Origin2018软件制作数据图。

2 结果与分析

2.1 蚯蚓粪和草炭添加生物炭对基质化学特性的影响

如表2所示，整体来说，有机碳、全氮、全磷、速效氮、EC随茬口增加呈增加趋势，pH 呈降低趋势。秋茬PB 处理后有机碳、全氮、速效钾、速效氮含量和EC 均高于其它处理，且显著高于V 处理，全氮、全钾、速效钾、速效氮、EC 显著高于VB 处理，全钾、速效钾、速效氮和EC 显著高于P 处理；VB 处理相对V 处理显著增加基质有机碳、全钾含量，P处理相对V处理显著增加有机碳、全氮、全钾、速效钾含量；VB处理与P处理有机碳、全氮、全钾、全磷含量间无显著差异，且VB处理后速效钾和速效磷显著高于对照组。春茬PB 处理后有机碳、全氮、全钾、速效钾、速效氮含量均高于其它处理组，且有机碳、全氮、全钾、速效氮显著高于V 和VB 处理，有机碳、速效钾显著高于P 处理；VB 相对V 处理显著增加有机碳、全钾、速效钾含量，P相对V 处理显著增加全钾、速效钾、速效氮含量；VB 与P处理后全氮含量无显著差异，且VB 处理后有机碳、速效钾、全磷、速效磷显著高于P处理。

表2 草炭、蚯蚓粪引入生物炭对基质化学特性的影响Tab.2 Effects of peat and vermicompost with biochar on chemical properties of substrate

2.2 蚯蚓粪和草炭引入生物炭对黄瓜植株生长的影响

如图1 所示，株高相对生长率、叶绿素含量、茎粗相对生长率（除V 处理）指标春茬高于秋茬，表现出明显的季节性差异。在两个种植茬口下，各处理间株高相对生长率无显著差异；秋茬V 处理具有最高的茎粗相对生长率，相对P和PB 处理分别显著增加103%和82.5%，VB 处理在春茬具有最高的茎粗相对生长率，相对V 处理显著增加92.1%，两个茬口下P、PB、VB 处理间均无显著差异；秋茬PB 和VB 处理下叶绿素含量无显著差异，且均显著高于V和P处理，春茬VB处理具有最高的叶绿素含量，P和VB处理间无显著差异，但显著高于V和PB处理；秋茬PB处理具有最高的叶片相对生长率，P、PB和VB处理间无显著差异，但P和PB处理分别高于V处理25.5%和37.7%。

图1 不同基质处理对黄瓜植株生长的影响Fig.1 Effects of different treatments on cucumber growth

如图2所示，秋茬各处理的地上部、地下部干鲜重均低于春茬，存在明显的季节差异。秋茬VB 处理的地上部鲜重最高，相对V 处理显著增加地上部鲜重20.3%，PB 相对P 处理无显著差异；春茬PB 处理具有最高的地上部鲜重，分别高于P、V 和VB 处理69%、28.8%和24.4%。两个茬口下PB 和VB 处理地下部鲜重均无显著差异，但显著高于P和V处理，说明生物炭的引入显著促进黄瓜地下部鲜重的累积，对地上部鲜重累积也有一定的影响。秋茬黄瓜的地上部干重VB 处理最高，分别高于P 和PB 处理41.1%和49.7%。秋茬地下部干重V、VB 处理显著高于P、PB 处理，蚯蚓粪可显著提高黄瓜地下部干重。春茬PB处理地下部干重最高，显著高于P和V处理77.8%和52.1%。

图2 不同基质处理对黄瓜生物量的影响Fig.2 Effects of different treatments on cucumber biomass

2.3 生物炭引入蚯蚓粪和草炭对黄瓜品质的影响

如表3 所示，果实Vc、硝酸盐、可溶性糖、可溶性酸含量均表现出季节性差异，春茬低于秋冬茬。秋冬茬V 处理的可溶性酸含量显著高于P 处理33.3%，V 与P 处理的其他品质指标无显著性差异；PB处理的Vc 含量显著高于VB 处理34.5%，VB 处理的可溶性酸含量显著高于PB 处理的38.5%，VB 与PB处理的其他品质指标无显著性差异；PB 处理的Vc、硝酸盐显著高于P 处理57.4%、21%。春茬V 处理的可溶性固形物显著高于P 处理10%，V 处理与P 处理的其他品质指标无显著性差异，VB 处理可溶性固形物含量显著高于PB 处理9.1%，PB 相对P 处理，VB 相对V 处理在Vc、硝酸盐、可溶性糖和可溶性酸含量间均无显著差异。

表3 不同基质处理对黄瓜品质特性的影响Tab.3 Effects of different treatments on cucumber quality

2.4 生物炭引入蚯蚓粪和草炭添对黄瓜果实长度和产量的影响

如图3 所示，果实长度和果实产量均有明显的季节性差异，春茬高于秋冬茬。秋冬茬各处理果实长度间无显著性差异。春茬V 处理果实长度均显著高于其他处理，其他处理间无显著差异，且V 处理相对P处理分别显著增加10.9%。秋冬茬各处理间黄瓜产量差异显著，PB 和VB 处理显著高于P和V 处理，且P 处理高于V 处理7.6%，PB 处理显著高于VB 处理8.7%；春茬PB 处理具有最高的黄瓜产量，显著高于其他处理，V处理产量最低，PB处理相对P处理显著增加黄瓜产量6.7%，且PB处理显著高于VB处理7.1%。

图3 不同基质处理对黄瓜单果长及产量的影响Fig.3 Effects of different substrate treatments on single fruit length and yield of cucumber

2.5 基质养分与黄瓜长势、品质和产量的相关性分析

相关分析结果表明，基质有机碳、全氮、全钾、全磷、pH 对黄瓜生长和品质影响显著。茎粗与全磷呈显著正相关；株高与全钾、pH 呈显著正相关，与全磷呈显著负相关；根冠比与全氮、全磷呈显著正相关，与全钾、pH呈显著负相关；Vc与pH呈显著正相关，与全氮、全磷、速效氮呈显著负相关；可溶性固形物与全氮、全磷呈显著正相关，与全钾呈显著负相关；产量与有机碳、全氮、全磷、速效钾、速效氮呈显著正相关，与pH呈显著负相关（表4）。

表4 基质养分与黄瓜长势、品质、产量的相关性分析Tab.4 Correlation between substrate nutrients and growth，quality，yield of cucumber

3 讨论与结论

基质养分特性影响植株的生长发育，不同配比基质的养分特性不同，因而对黄瓜的生长发育也产生不同的影响。适宜的栽培基质可有效促进黄瓜生长、品质及产量。草炭添加生物炭对第一茬（秋茬）基质养分含量影响大于第二茬，秋茬提高草炭的全钾和各速效养分含量，并提高基质pH，春茬显著提高有机碳、速效钾含量。相比蚯蚓粪，添加生物炭的蚯蚓粪可显著增加两茬有机碳、全钾和速效钾含量。这与韩光明等[22]的研究结果一致。养分的积累可能与生物炭比表面积大、含碳量高的特性有关，富含生物碳的土壤环境适宜微生物生长，添加生物炭后土壤环境中的微生物的多样性增加，促进菌根菌快速生长，加速养分的分解，促进作物生长[23]。蚯蚓粪添加生物炭处理在速效钾和速效磷含量上显著高于草炭处理，春茬在以上基础上还显著提高基质有机碳和速效氮含量，另外蚯蚓粪处理在连续茬口种植后相对草炭处理可提高基质pH，这是因为蚯蚓粪本身的pH高于草炭，连续施用会提高栽培基质的pH值。

两茬黄瓜栽培在生长与品质、产量等指标上表现出明显的季节性差异。株高相对生长率、叶绿素含量、茎粗相对生长率（除V 处理）指标春茬高于秋茬。这个现象与不同季节日光温室内的光温环境差异大有关，春茬温室内光温环境的变化相比于秋茬更适合黄瓜生育，尤其是结瓜期。相较于秋茬，春茬结瓜期光温环境更适宜黄瓜的生长发育[24]。秋茬各处理茎粗相对生长率和叶绿素存在一定差异，秋茬蚯蚓粪处理相对草炭处理可增加茎粗相对生长率，且草炭和蚯蚓粪添加生物炭后均显著增加叶绿素含量，在春茬蚯蚓粪添加生物炭处理具有最高的茎粗相对生长率，且叶绿素与草炭处理间无显著差异，而蚯蚓粪处理株高相对生长率和叶绿素含量显著低于草炭处理。蚯蚓粪处理可促进黄瓜植株生长可能与蚯蚓粪中含有大量有益微生物和生长调节物质有关，它们能够改善园艺作物根际土壤的微生物环境，从而调节植株的生理状态，促进植株的生长和干物质的积累[25]。生物炭和蚯蚓粪具有较高全磷、速效磷、速效氮及pH，其施入明显增强光合作用，净光合速率、蒸腾速率和气孔导度，促进植株的生长发育[26]。

添加生物炭显著增加草炭和蚯蚓粪基质下植株地上部和地下部鲜重，并显著增加地下部干重，草炭和蚯蚓粪处理总体上植株干鲜重差异不显著（在秋茬增加地下部干重，春茬增加地上部鲜重），相比草炭处理，蚯蚓粪添加生物炭处理可显著增加地下部鲜重和干重。这是因为生物炭具有丰富的微观孔隙结构和理化性质，改善了土壤微环境，也提高了微生物的种群和数量。同时，生物炭富含多种作物生长所需的元素，生物炭对基质理化特性的改变为根系提供了良好的生长空间，促进根系的发育及地上部生物量的累积[27]。蚯蚓粪及蚯蚓粪添加生物炭相对草炭不降低黄瓜产量，草炭添加生物炭可显著增加黄瓜产量（春茬6.7%，秋茬15.2%）。王彩云等[28]、房彬等[29]研究结果表明，单一生物炭处理可促进黄瓜、玉米、油菜生长，提升产量，表明生物炭对土壤有持续的改良效应，并因为土壤理化性质的改善促进植株发育。本试验引入生物炭提高全氮、全磷等指标，且相关分析表明，全氮、全磷的累积与产量呈正相关，生物炭的引入对黄瓜产量有促进作用。

蚯蚓粪添加生物炭相对草炭和蚯蚓粪可增加可溶性固形物、草炭添加生物炭相对草炭可增加秋茬果实Vc，且可溶性固形物与全氮、全磷含量显著正相关。王恩煜等[30]研究表明蚯蚓粪单一施入或与其他物料（如化肥、生物炭等）配施具有改善土壤生态环境，改善农产品品质的效果。添加生物炭的处理在品质指标上表现出促进作用，这与石晓宇等[31]的研究结果一致。品质的改善可能是因为施入生物炭增加了叶片的光合和蒸腾速率，增加作物叶绿素含量和面积，进而促进了光合产物向果实的运输，并且提高了植株氮、磷和钾的利用效率，从而提高果实品质[32]。周冉冉等[33]认为引入生物炭可显著增加土壤磷酸酶、蔗糖酶、脲酶等活性，黄瓜可溶性固形物的累积与速效磷含量存在显著正相关关系，磷酸酶活性的提高增加土壤磷含量，进而提升黄瓜品质。

基质全氮、全磷、速效氮、有机碳含量随茬口增加呈增加趋势，pH 呈降低趋势。生物炭引入草炭基质的养分含量为各处理最高，其中全钾和速效钾含量高于草炭处理，全氮和有机质高于蚯蚓粪处理，蚯蚓粪引入生物炭增加基质有机碳和全钾含量，蚯蚓粪连续两茬后基质酸化趋势低于草炭；植株生长特性指标有明显季节差异，综合来看春茬高于秋茬，蚯蚓粪添加生物炭与草炭相比，茎粗相对生长率、叶绿素、株高相对生长率、叶片相对生长率、地下部干重（秋茬）上均无显著差异，并增加果实可溶性固形物；蚯蚓粪和蚯蚓粪添加生物炭相比草炭不降低黄瓜产量，草炭添加生物炭显著增加黄瓜产量。总之草炭添加生物炭，提高基质养分、品质和产量，蚯蚓粪添加生物炭处理可替代草炭作为黄瓜的栽培基质，并促进黄瓜生长和可溶性固形物含量增加。

综上所述，草炭添加生物炭，可提高基质养分、品质和产量，蚯蚓粪添加生物炭处理可替代草炭作为黄瓜的栽培基质，并促进黄瓜生长和可溶性固形物含量增加。

致谢：宁夏园艺学国家一流建设学科（2021-2025）同时对本研究给予了资助，谨致谢意！