玉米秸秆生物反应堆替代化肥对土壤理化性质和西瓜产量与品质的影响

张立联　闫学梅　张志伟　王江南　赵永明　刘婷婷

摘    要：2018－2020年通過设置传统施肥处理和玉米秸秆生物反应堆部分替代化肥处理，以期实现土壤理化性质与西瓜产量品质协同提升。结果表明，秸秆生物反应堆技术较常规栽培能够在减少化肥（15-15-15）用量375 kg·hm-2，且不施用农药的基础上，改善土壤理化性质、提高西瓜产量与品质。秸秆生物反应堆部分替代化肥处理的土壤有机质含量较试验前持续提高，增幅18.8%，而传统施肥导致土壤有机质含量持续降低，降幅12.4%。同时，秸秆生物反应堆部分替代化肥处理能够增加碱解氮的供应，减少有效磷与速效钾的累积。与传统施肥处理相比，秸秆反应堆部分替代化肥处理能够显著提高西瓜产量，平均增产6.8%（6.6%～8.1%）；2020年的西瓜蛋白质含量提高5.4%、可溶性固形物含量提高17.9%、维生素C含量提高7.5%。基于以上结果，安丘市西瓜产区应用秸秆生物反应堆技术对西瓜的优质可持续生产具有重要意义。

关键词：西瓜；秸秆生物反应堆；土壤理化性质；产量；品质

中图分类号：S651 文献标志码：A 文章编号：1673-2871（2024）03-087-07

Effects of maize straw biological reactor instead of chemical fertilizer on physical and chemical properties of soil and yield， quality of watermelon

ZHANG Lilian1， YAN Xuemei1， ZHANG Zhiwei1， WANG Jiangnan2， ZHAO Yongming1， LIU Tingting1

（1. Anqiu Agriculture and Rural Bureau， Anqiu 262100， Shandong， China; 2. Shandong Agricultural Engineering College， Jinan 250100， Shandong， China）

Abstract： In order to achieve the coordinated improvement of soil quality， watermelon yield and quality， two treatments： traditional fertilization and maize straw biological reactor partially instead of chemical fertilizer were designed during 2018-2020. The experimental results showed that the straw biological reactor technology could improve the soil quality and increase the yield and quality of watermelon on the basis of reducing the amount of chemical fertilizer （15-15-15） by 375 kg·hm-2 and no application of pesticides compared with conventional cultivation. Compared with original value， straw biological reactor partially instead of chemical fertilizer increased soil organic matter content by 18.8%， while the traditional fertilization treatment resulted in a reduction by 12.4%. Meanwhile， straw biological reactor partially instead of chemical fertilizer could increase the supply of alkali-hydrolyzed nitrogen， reduce the accumulation of available phosphorus and available potassium， and reduce the soil bulk density. Straw biological reactor partially instead of chemical fertilizer could also significantly increase the watermelon yield by 6.8% （6.6%-8.1%） on average. Watermelon protein content was increased by 5.4%， soluble solids content was increased by 17.9% and vitamin C content was increased by 7.5% in 2020. Overall， the application of straw biological reactor technology in watermelon producing areas of Anqiu city is of great significance to the high-quality and sustainable production of watermelon.

Key words： Watermelon; Maize straw biological reactor; Physical and chemical properties of soil; Yield; Quality

西瓜作为全球重要的经济作物[1]，生产规模仅次于苹果、葡萄、香蕉和柑橘，居第5位[2]。我国西瓜的种植面积从1961年的53.6万hm2增加到2021年的141.6万hm2，总产量从1961年的654.9万t增加到2021年的6 101.4万t，2021年的种植面积和总产量分别占世界总量的46.7%和60.0%，均居世界首位，在全国经济作物生产中占据重要地位[3]。西瓜具有高产稳产、抗逆能力强、适应范围广等特点，但是，由于当前需求量较大和种植面积的不断扩大，肥料施用不合理、播种时期不当等造成了土壤质量下降、肥料利用率降低等一系列问题，导致西瓜产量和品质下降，严重制约了我国西瓜产业的绿色可持续发展[4-6]。

农作物秸秆是农业生产中的主要副产品，具有碳氮比高、养分丰富，但循环利用率低等特点[7-8]。据估算，2014年我国的秸秆产生量约为8.2亿t[8]，并且随着农产品产量的增加，秸秆的数量也在不断增长[7，9]，我国秸秆焚烧的比例约为10%[10]，农作物秸秆还田被认为是农业可持续发展的重要措施[11-12]。近年来，我国政府出台了多项规定与政策推广秸秆还田技术[13]，旨在改善土壤理化性质、提高作物产量。秸秆生物反应堆技术是一项充分利用秸秆资源、大幅提高水果蔬菜产量和品质的现代农业生物工程创新技术，即在反应堆专用微生物菌种、催化剂和净化剂的作用下，将各种农作物秸秆定向、快速地转化为作物生长所需要的CO2、热量、抗病微生物孢子和有机、无机养料，从而实现资源科学利用、农民增收、农业增效、生态环境友好的目标。简单地说，就是用秸秆替代大部分化肥，用植物疫苗替代大部分农药，减少生产投入，提高产量与品质，增加农民收入[14-17]。

因此，笔者针对安丘市西瓜主产区急需解决的土壤退化、化肥利用率低、产量与品质下降等关键问题，利用玉米等作物秸秆生物反应堆技术部分替代化肥，研究其对西瓜产量、品质的影响，以及种植区土壤基础理化性质对施肥措施的响应，以期为科学施肥、改善土壤环境和提高西瓜产量与品质提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区域概况

试验于2018年3月至2020年5月在山东省潍坊市安丘市郚山镇泥沟村龙溪瓜菜种植专业合作社进行，该地区属于暖温带半湿润季风气候区，年平均气温为12.3 ℃，年平均降水量约为650.5 mm，该地区土壤类型为褐土，质地为轻壤土，土壤肥力较高，排灌条件良好。

1.2 试验设计

试验作物西瓜，品种为京欣一号，由北京市农林科学院蔬菜研究中心培育。秸秆腐熟剂菌种为枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌，由山东君德生物科技有限公司提供，每年3月移栽，5月初开始收获，在大棚种植，采用葫芦嫁接苗。2018－2020年选取3个农户按照传统施肥习惯（对照户），移栽前沟施15-15-15复合肥375 kg·hm-2，落花坐果期冲施20-20-20复合肥2次，每次75 kg·hm-2；选取3个农户应用秸秆生物反应堆技术（试验户），移栽前不施用复合肥，落花坐果期冲施20-20-20复合肥2次，每次75 kg·hm-2。秸秆生物反应堆技术：西瓜采用大小行（小行距40 cm，大行距160 cm）栽培的方式，在栽培行小行位置南北方向挖宽100 cm、深50 cm的沟，把秸秆填入沟内，填放秸秆深度约为40 cm，南北两端秸秆露出地面，以利于通气，玉米秸秆用量为37.5 t·hm-2，秸秆施肥每年施用1次。然后，在秸秆上撒施饼肥1.5 t·hm-2，再把秸秆腐熟剂菌种5 kg·hm-2均匀撒在秸秆上，覆土20 cm，定植前7～10 d，在大行内浇水湿透秸秆。试验采用随机区组设计，分为对照和玉米秸秆生物反应堆替代化肥处理，每个处理3次重复，每个小区667 m2。各處理间其他栽培管理措施相同。

1.3 样品采集与指标测定

每年西瓜收获后，采用五点取样法采集0～20 cm土层的土壤样品，置于阴凉通风干燥处风干后，分别过0.25 mm和1 mm筛，采用重铬酸钾容量法-外加热法测定土壤有机质含量；采用碱解扩散法测定碱解氮含量；采用0.5 mol·L-1 NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定有效磷含量；采用1 mol·L-1中性NH4OAc浸提-火焰光度法测定速效钾含量；按土水质量比1∶2.5用pH计测定土壤pH值。

试验采用完全随机设计，3次重复，收获时每个重复采集代表性西瓜果实6个，每个分取50～100 g后置于搅拌机搅成果浆，标记备测，采用分光光度法测定蛋白质含量；采用糖度仪测定可溶性固形物含量；采用2，6-二氯靛酚滴定法测定维生素C含量[18-20]。在西瓜成熟期测定每个小区的西瓜产量，并折算为每hm2产量

1.4 数据处理与统计

试验数据采用Microsoft Excel 2019和Sigmaplot 12.0软件分别进行处理分析与作图，相关指标采用IBM SPSS Statistics 20.0进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 秸秆生物反应堆部分替代化肥对土壤理化性质的影响

由图1可知，在试验前，试验户的土壤有机质含量较对照户低23.7%，差异达到显著水平。随着种植年限的增加，对照户的土壤有机质含量（w，后同）由试验前的18.03 g·kg-1下降到2020年的15.80 g·kg-1，降幅12.4%，差异达到显著水平；而秸秆生物反应堆部分替代化肥处理的土壤有机质含量逐年增加，由试验前的13.76 g·kg-1增加到2020年的16.34 g·kg-1，增幅18.8%，差异达到显著水平。2018－2020年试验户和对照户的土壤有机质含量无显著差异。

由图2可知，在试验前，对照户与试验户的土壤碱解氮含量无显著差异，随着种植年限的增加，对照户的土壤碱解氮含量无显著变化；而秸秆生物反应堆部分替代化肥处理的土壤碱解氮含量有所增加，2019年和2020年较试验前分别增加3.7%和7.3%，但差异未达到显著水平。2019－2020年试验户的土壤碱解氮含量均显著高于对照户，增幅分别为22.4%和15.5%。

由图3可知，在试验前、2019－2020年，试验户的土壤有效磷含量均显著高于对照户，增幅分别为29.8%、16.2%和22.5%。随着种植年限的增加，对照户的土壤有效磷含量表现为2018年最高，显著高于2019和2020年，但与试验前差异不显著；试验前对照户的土壤有效磷含量为104.17 mg·kg-1，2020年为96.67 mg·kg-1，降幅7.2%。秸秆生物反应堆部分替代化肥处理的土壤有效磷含量表现出类似的变化趋势，试验前的土壤有效磷含量为135.16 mg·kg-1，2020年为118.40 mg·kg-1，降幅12.4%，但未达到显著差异水平。

由图4可知，在试验前、2018－2020年，试验户与对照户的土壤速效钾含量均无显著差异。随着种植年限的增加，对照户的速效钾含量从236.43 mg·kg-1增加到265.67 mg·kg-1，增幅12.4%，但均未达到显著差异水平；而秸秆生物反应堆部分替代化肥处理的土壤速效钾含量随着种植年限的增加表现出先增加后下降的趋势，其中2018年含量最高，达到295.71 mg·kg-1，显著高于其他年份，2020年含量最低，但与试验前无显著差异。

由图5可知，在试验前、2018－2020年，试验户与对照户的土壤pH值均无显著差异，且随着种植年限的增加，试验户和对照户的pH值在各年份之间均无显著变化。

2.2 秸秆生物反应堆部分替代化肥对西瓜产量的影响

由图6可知，与对照户相比，秸秆生物反应堆部分替代化肥处理的西瓜产量显著提高，2018－2020年的增产幅度分别为6.6%、7.2%和8.1%。随着种植年限的增加，对照户的西瓜产量无显著变化，而秸秆生物反应堆部分替代化肥处理的产量表现出先降低后升高的趋势。

2.3 秸秆生物反应堆部分替代化肥对西瓜品质的影响

由图7可知，秸秆生物反应堆部分替代化肥处理的西瓜蛋白质、可溶性固形物含量仅在2020年显著高于对照户，增幅分别为5.4%和17.9%，而维生素C含量在3年间均显著高于对照户，增幅分别为6.6%、9.7%和7.5%。随着种植年限的增加，对照户的西瓜蛋白质和维生素C含量均无显著变化，而可溶性固形物含量表现为2019年显著高于其他年份。秸秆生物反应堆部分替代化肥处理的蛋白质含量、可溶性固形物含量均表现出逐年增加的趋势，2020年试验户的西瓜蛋白质含量较2018年增加10.5%，西瓜可溶性固形物含量增加19.7%，但维生素C含量在不同年份间无显著变化。

3 讨论与结论

3.1 秸秆生物反应堆部分替代化肥对西瓜种植区耕层土壤理化性质的影响

大量试验研究结果表明，有机物料还田可以改善土壤结构性能，提高土壤养分供应能力，减缓土壤酸化，对改善土壤理化性质、促进植物生长发育具有积极作用[17，21-22]。秸秆作为一种重要的“废弃物”，通过生物反应堆技术加以应用对农业生产具有重要意义。笔者测定了秸秆生物反应堆部分替代化肥处理下的土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量和pH以及土壤容重等土壤理化指标，结果表明，秸秆生物反应堆部分替代化肥较传统施肥能够增加土壤有机质、碱解氮含量。分析其原因，一方面秸秆中含有大量有机质，与化肥配施后可形成微团聚体及有机无机复合体，促进土壤有机质的累积，与此同时，秸秆在腐解过程中能够促进有效矿质养分的释放[17]。而土壤有效磷和速效钾含量有所降低，这可能是由于秸秆的投入促进了西瓜的生长发育和植株对磷钾养分的吸收[5，19]，这有利于减少长期过量施用化肥导致的土壤速效养分累积带来的环境风险，例如有效磷的淋洗等[23-24]。此外，秸稈生物反应堆部分替代化肥可能对土壤微生物群落结构产生影响，进而改善土壤微环境。有研究表明，有机物料的施用能够为微生物提供充足的碳源，同时增加根系生物量及根系分泌物数量，促进微生物生长[25-27]。

3.2 秸秆生物反应堆部分替代化肥对西瓜产量及品质的影响

科学合理的施肥是提高作物产量和改善作物品质的重要措施，有研究表明，采用秸秆生物反应堆处理可以有效改善土壤理化性质，降低番茄植株发病率和畸形果率；且使用不同作物的秸秆产生的效应也有所不同，以玉米秸秆和水稻秸秆作为生物反应堆的物料，土壤有机质含量的提升幅度表现出一定的差异，但均能增加番茄的产量[28]。本研究结果表明，采用秸秆生物反应堆部分替代化肥处理后西瓜产量显著高于传统施肥处理，平均增产5.46 t·hm-2，且随着种植年限的延长，试验户的西瓜产量表现出先减少后增加的趋势，同时，秸秆生物反应堆部分替代化肥处理能够提高西瓜蛋白质含量、可溶性固形物含量，显著提高维生素C含量，2020年，与传统施肥相比，秸秆生物反应堆部分替代化肥处理蛋白质含量增加5.4%，可溶性固形物含量增加17.9%，维生素含量增加7.5%，这与前人的研究结果相似[29-30]，究其原因，可能是秸秆生物反应堆与化肥配施保证了养分的长期释放，使得酶活性增强，光合效率提升，碳水化合物等的合成及转运加快，进而使有机物稳步累积，促进西瓜植株生长，从而改善了西瓜品质[31]。此外，本研究结果表明，秸秆生物反应堆部分替代化肥处理对西瓜蛋白质含量和可溶性固形物含量的提升效果随着年限的增加而增强，表明秸秆生物反应堆部分替代化肥对西瓜的高品质、可持续生产具有一定的效果。

试验结果表明，与传统施肥相比，应用秸秆生物反应堆部分替代化肥能够促进土壤理化性质的改善，尤其提高土壤有机质和碱解氮含量。同时，秸秆反应堆部分替代化肥处理能够显著提高西瓜产量，平均增产5.46 t·hm-2；提高西瓜蛋白质含量、可溶性固形物含量和维生素C含量，其中，以可溶性固形物含量增加最显著，2020年增幅为17.9%。此外，秸秆反应堆部分替代化肥处理对土壤理化性质、西瓜产量的提升与品质的改善效果随年限的增加而增强，因此，该技术对提升土壤质量与西瓜产量品质具有重要意义。

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收稿日期：2023-08-21；修回日期：2024-01-11

作者简介：张立联，男，高级农艺师，主要从事土肥方面的研究工作。E-mail：aqzhll@163.com

通信作者：刘婷婷，女，农艺师，主要从事土肥方面的研究工作。E-mail：sdaqtfz@163.com