番茄和黃瓜莖稈堆肥還田對生姜生長及根區環境的影響

程學超，李衍素，閆 妍，于賢昌，賀超興，林辰壹

(1.新疆農業大學林學與園藝學院，烏魯木齊 830052；2.中國農業科學院蔬菜花卉研究所,北京 100081)

0 引言

【研究意義】2013年我國蔬菜廢棄物產量近2.69×108t，可資源化利用的蔬菜廢棄物為2.15×108t，數量巨大[1]。高溫好氧堆肥，不僅能殺滅大量病原菌，降解蔬菜殘留農藥、抗生素，鈍化重金屬[2-4]，同時還能分解化感物質，消除其對作物的影響，可以作為處理莖稈的有效手段[5-6]。番茄、黃瓜莖稈堆肥還田不僅能充分利用一些廉價豐富的資源，變廢為寶，還可以減少化肥使用，降低生產成本，番茄、黃瓜莖稈的資源化利用還能減少環境污染，保護生態環境。【前人研究進展】研究表明，堆肥還田改善了土壤的理化性狀，土壤有機質、孔隙度、速效氮、酶活性等理化指標與還田量呈顯著正相關，達到促進植株生長增產的目的[7-8]。容重和孔隙度是土壤的重要物理性質，與土壤的結構、松緊狀況有關,在農業生產上是非常重要的土壤物理屬性指標[7]。【本研究切入點】目前針對蔬菜莖稈堆肥還田的研究相對較少。根據蔬菜莖稈本身含有豐富的有機質和氮磷鉀等礦質養分的特點，研究高溫堆腐發酵后將其還田,分析堆肥還田對生姜生長及根區環境的影響。【擬解決的關鍵問題】以生姜品種山農1號為供試材料，分析番茄、黃瓜莖稈堆肥還田對生姜生長及根區環境的影響，篩選出最適還田量,為蔬菜莖稈資源化利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

堆肥試驗于2017年6月25日至8月25日,在中國農業科學院蔬菜花卉研究所試驗農場10號日光溫室內的水泥腐熟池(長×寬×高：450 cm×120 cm×90 cm)進行，黃瓜與番茄蔬菜莖稈分置于6個腐熟池中，其中3個腐熟池放置黃瓜莖稈另外3個腐熟池放置番茄莖稈，每個腐熟池蔬菜莖稈的質量各520 kg。試驗使用到的番茄、黃瓜莖稈為日光溫室春茬收獲后拉秧的蔬菜地上莖稈，將蔬菜莖稈的根部去除，直接堆放在發酵池中，蓋上塑料膜進行高溫發酵堆肥。在發酵期間，利用風機(型號：TD-150E)每天08:00、12：00、17:00通氣處理，補充氧氣和排出CO2等氣體以完成腐熟過程，每7 d翻堆1次，以保證堆肥完全發酵。使用農用通(型號：N-BAC20-2S)環境監測儀對堆肥中心位置的溫度及環境溫度進行實時測量，待其溫度接近環境溫度，停止通風與翻堆將堆肥留在腐熟池中備用。經測定不同堆肥的肥效成分如下：黃瓜莖稈：全氮含量1.67% ，全鉀含量110.41 mg/kg ，全磷含量21.16 mg/kg，有機質含量40.17%；番茄莖稈：全氮含量2.11%，全鉀含量209.53 mg/kg，全磷含量23.77 mg/kg，有機質含量47.13%。

供試土壤性質為：容重1.17 g/cm3,孔隙度46.32%，有機質含量30.56 mg/kg，速效鉀含量為430.97 mg/kg，速效磷含量為10.43 mg/kg。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

2018年4～11月在中國農業科學院蔬菜花卉研究所農場塑料大棚內進行生姜栽培試驗，塑料大棚南北走向，長40 m寬11 m。采用單因子隨機區組設計，3次重復，共15畦。栽培畦長×寬×高:5 m×0.5 m×0.20 m，將菜秧堆肥鋪于栽培畦底部，然后用栽培土覆蓋施入基肥后做栽培畦，每畦施入10 kg雞糞有機肥，與土混勻后做栽培畦。雞糞有機肥基本性質：N 2.44%、P2O52.66%、K2O 4.73%。施肥量：尿素909 kg/hm2,硫酸鉀1 800 kg/hm2，復合肥2 000 kg/hm2，各施肥期的施肥比例：基肥40%，苗期20%，盛長期40%。試驗設置5個處理由北到南依次為：CK：0 t/hm2、T1：20 t/hm2、T2：40 t/hm2、T3：60 t/hm2、T4：80 t/hm2。還田時番茄、黃瓜莖稈的含水量為26.09%，30.11%，每畦番茄與黃瓜莖稈的還田比例為1∶1，混合均勻后還田。試驗所用生姜品種為山農1號，3月4號催芽，4月2號定植，4月下旬覆蓋遮陽網，每當生姜根莖露出土面時隨即覆土3 cm，覆土的同時伴隨著拔草，覆土3 d后澆水，9月中旬進入旺盛生長期，11月收獲，株距為20 cm，行距為65 cm。

在2018年10月26日，在每個小區用五點取樣法取0～20 cm深度的土壤，組成混合代表樣后去除雜物、細根，過10目、20目和100目篩，用于土壤理化性質、養分含量、微生物生物量和土壤酶活性測定。

1.2.2 指標測定

有機質采用110℃加熱法[9],容重采用環刀法：用一定容積已知重量的鋼制環刀，切割自然狀態下的土壤，使土壤恰好充滿環刀容積，然后稱量，吸水至飽和然后再75℃烘干，測定干重，然后用土壤三相儀測定土壤體積，最后換算成土壤容重。全氮使用同位素質譜儀測定[10]。全磷、全鉀采用ICP-AEC分析方法測定[11]，堿解氮采用堿解擴散法[12]，速效磷、速效鉀采用ICP-AEC分析法[13]，土壤微生物量碳和氮采用氯仿熏蒸浸提法測定[14]，土壤酶采用熒光微板檢測技術[15-16],用米尺測量株高，游標卡尺測量莖粗，人工計數法測定分枝數，葉綠素測定使用SPAD儀，凈光合速率采用Li-6400XT便攜式光合儀測定。

1.3 數據處理

使用Microsoft Excel 2016對數據進行計算分析，使用Prism 6作圖 SPSS19進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 番茄、黃瓜莖稈堆肥還田對土壤容重和孔隙度的影響

研究表明,隨著番茄、黃瓜莖稈堆肥還田量的不斷增加土壤容重逐漸減小而土壤孔隙度不斷增大,T1-T4處理的土壤容重與CK相比降低幅度為1.81%～17.27%,而T1、T2、T3處理的土壤孔隙度與CK相比差異不顯著，T4處理的土壤孔隙度與CK相比增加了24.64%，T4處理的容重最小、孔隙度最大，T4處理對土壤通氣狀況的改善效果最好。表1

表1 堆肥還田下土壤容重和孔隙度變化
Table 1 Effects of composting on soil bulk density and porosity

處理Treatment容重Bulkdensity(g/cm3)孔隙度Totalporosity(%)CK1.10a48.57bT11.08ab49.77bT21.08ab50.02bT31.07ab51.39bT40.91b60.54a

2.2 番茄、黃瓜莖稈堆肥還田對土壤養分含量的影響

研究表明,隨著番茄、黃瓜莖稈堆肥還田量的增加土壤中有機質、堿解氮、全氮、速效磷的含量呈遞增趨勢，T1、T2、T3、T4處理的土壤有機質含量分別較CK增加了3.37%、4.41%、9.1%、10.11%，堿解氮含量分別較CK增加了19.12%、21.73%、30.43%、39.13%，全氮含量分別較CK增加了7.88%、11.52%、20.61%、55.15%，速效磷含量分別較CK增加了10.46%、14.25%、19.48%、25.21%,而T1、T2、T3處理的土壤速效氮含量與CK差異不顯著，速效鉀的含量以T4處理含量最高，與CK相比增加了46.88%。表2

表2 堆肥還田下土壤養分含量變化
Table 2 Effects of composting on soil nutrient content

處理Treatment有機質Organicmatter(mg/kg)堿解氮AlkalihydrolyzableN(mg/kg)全氮TotalN(%)速效氮AvailableN(mg/kg)速效磷AvailableP(mg/kg)速效鉀AvailableK(mg/kg)CK32.63c134.17b0.17e127.00b11.86c940.14eT133.73bc159.83ab0.18d127.00b13.10b1041.64dT234.07b163.33ab0.18c130.00b13.55b1143.07cT335.60a175.00a0.20b134.33b14.17ab1315.97bT435.93a186.67a0.26a168.33a14.85a1380.91a

2.3 番茄、黃瓜莖稈堆肥還田對土壤微生物量碳和土壤微生物量氮的影響

研究表明,土壤微生物量碳和土壤微生物量氮的含量與番茄、黃瓜莖稈堆肥還田量呈正相關，T4處理的還田量對提高土壤微生物量碳和土壤微生物量氮含量的促進作用最為明顯，與CK相比土壤微生物量碳和土壤微生物量氮的含量分別增加了48.96%、50.14%，T1、T2處理的土壤微生物量碳含量與CK相比差異不顯著。圖1，圖2

2.4 番茄、黃瓜莖稈堆肥還田對土壤酶活性的影響

研究表明,番茄、黃瓜莖稈堆肥還田可在不同程度上增強與土壤碳循環、氮循環、磷循環相關的葡萄糖苷酶、氨基肽酶、磷酸酶以及多酚氧化酶和過氧化物酶的活性，上述五種酶的活性均受T4處理的影響最大，其中T4處理的葡萄糖苷酶、氨基肽酶、磷酸酶、多酚氧化酶、過氧化物酶的活性分別較CK相比增加了42.89%、97.13%、66.64%、51.22%、35.28%。T4處理土壤酶的活性最強，而T3次之。表3

圖1 番茄、黃瓜莖稈堆肥還田下土壤微生物量碳變化
Fig.1 Effects of composting and returning tomato and cucumber stalks to fields on soil microbial biomass carbon

圖2 番茄、黃瓜莖稈堆肥還田下土壤微生物量氮變化
Fig.2 Effects of composting and returning tomato and cucumber stalks to fields on soil microbial biomass nitrogen

2.5 番茄、黃瓜莖稈堆肥還田對生姜生長、產量的影響

研究表明,番茄、黃瓜莖稈堆肥還田提高了生姜葉綠素含量、凈光合速率、株高、莖粗和分枝數，生姜的產量得以提高。T4、T3、T2與CK相比其提高幅度為T4>T3>T2，而T1處理與CK相比在葉綠素含量與產量方面差異不顯著，T4、T3、T2處理的生姜產量分別比CK的生姜產量提高了26.31%、19.19%、13.49%，番茄、黃瓜莖稈堆肥還田量與生姜的生長、生理指標和產量呈顯著正相關，而T4處理對其提高效果最為明顯。表4

表3 堆肥還田下土壤酶活性變化
Table 3 Effects of composting and returning tomato and cucumber stalks to fields on soil enzyme activity(nmol/(g·h))

處理Treatment葡萄糖苷酶glycosidase氨基肽酶Leucineaminopeptidase磷酸酶Phosphatase多酚氧化酶Polyphenoloxidase過氧化物酶PeroxidaseCK1079.46b282.16b494.16c8.18c8.73bT11179.35ab315.05c610.41bc9.47bc9.37abT21302.98ab333.08c691.71ab9.94b9.42abT31538.28a522.62b750.81ab10.13b9.66abT41542.45a556.23a823.49a12.37a11.81a

表4 堆肥還田下生姜生長和產量變化
Table 4 Effects of composting and returning tomato and cucumber stalks to fields on the growth and yield of ginger

處理Treatment葉綠素含量SPADChlorophyllcontent凈光合速率Photosyntheticrate(μmol/(m2·s))株高Plantheight(cm)莖粗Stemdiameter(mm)分枝數(枚/株)Branchingnumber產量Yield(kg/667m2)CK48.45c10.43c87.33c9.32d8.67d2653.00dT148.45c10.59bc92.67bc10.00cd9.33cd2757.00dT248.76c11.22bc94.33b10.43bc10.33c3011.00cT353.22b11.89b96.89b10.86ab11.67b3162.00bT456.92a13.67a105.67a11.39a13.67a3351.00a

3 討 論

番茄、黃瓜莖稈堆肥還田能顯著改善土壤的物理性狀，降低容重增大孔隙度，提高土壤的有機質、堿解氮等養分含量。陳浩天等[17]用園林綠化廢棄物進行好氧堆肥處理后用于溫室盆栽試驗，結果表明園林廢棄物堆肥后還田可促進土壤中小團聚體向大團聚體轉化，提高土壤中毛管孔隙度和飽和導水率，并顯著提高土壤N、P、K的含量。韓伶[7]、張志剛等[18]研究結果表明，蔬菜殘株堆肥腐熟后還田與對照相比可顯著降低土壤容重增加土壤孔隙度，而且也在不同程度上提高了土壤有機質、堿解氮、全氮和速效養分含量，且隨著堆肥還田量的增加，其促進作用越明顯。溫明霞等[19]研究發現榨菜葉還田后能顯著提高土壤中有機質、全氮、全磷等營養物質的含量。研究中，蔬菜莖稈堆肥還田的處理1至處理4與未還田的對照相比土壤容重降低了1.81%、1.81%、2.72%、17.27%，而土壤孔隙度增加了2.5%、2.99%、5.81%、24.64%，而且土壤有機質、堿解氮、全氮和速效N、P、K含量，也隨還田量的增加而增大。宗慶姝[20]研究結果表明,與對照相比葡萄、桃、菜豆莖稈、黃瓜莖稈等體積混合的堆肥還田處理都可以顯著提高土壤微生物量碳和微生物量氮的含量，富含有機碳的園藝廢棄物堆肥還田后可以使土壤中的有機碳含量升高，從而顯著提高微生物量碳和微生物量氮。仝少偉等[21]研究發現在土壤中施入污泥、菇渣、牛糞三種有機堆肥可以,為細菌、真菌、放線菌等各種微生物提供豐富的碳源和氮源，因此土壤微生物量碳和微生物氮得以提高。李秀等[22]研究發現,莖稈堆肥還田相較不還田處理可以在作物生育期提高土壤微生物量碳和微生物量氮的含量并在0～10 cm的土層達最大值，楊冬艷等[8]試驗結果表明,番茄莖稈堆肥還田提高了土壤酶的活性，勞秀榮等[23]試驗結果表明莖稈還田量與脲酶活性強度等指標呈極顯著正相關。在研究中土壤微生物量碳、氮以處理4處理含量最高，而處理3、處理2、處理1次之，此外蔬菜莖稈堆肥還田還增強了土壤葡萄糖苷酶、氨基肽酶、磷酸酶以及多酚氧化酶和過氧化物酶的活性，以處理T4的效果最為明顯分別較對照增加了42.89%、97.13%、66.64%、39.93%、35.28%。孔祥波等[24]試驗研究發現生物有機肥能夠促進生姜莖稈變粗、分枝數增多，提高莖葉生長量、生姜產量。耿鳳展等[25]研究表明番茄莖稈堆肥添加到基質中，番茄幼苗的株高、莖粗等生長指標均顯著高于對照。何繼濤等[26]研究表明，堆肥用量越多對山藥的莖粗、葉綠素含量、光合速率、產量等生長指標的促進作用越明顯，以堆肥用量60 t/hm2效果最為顯著。王亞利等[27]研究表明蔬菜廢棄物堆肥還田能顯著提高雞毛菜的株高和葉面積。張志剛等[18]研究表明辣椒、結球甘藍等蔬菜殘株堆肥還田后通過增加辣椒單果重從而提高辣椒的產量。董燦興等[28]試驗研究表明，當栽培基質中玉米秸稈的含量為35.6%～46%時生姜的產量和品質均達最優水平。

在試驗研究中土壤環境的改善使得根系吸收養分的能力增強，因此，提高了地上部生姜的葉綠素含量、凈光合速率，增大了株高、莖粗、分枝數，最終生姜產量得以提高，但當還田量大于80 t/hm2時會對生姜生長產量和根區環境產生何種影響需要進行進一步的試驗探討。

4 結 論

還田量為80 t/hm2的T4處理對根區環境的改善作用最為顯著。與其他處理相比，還田量為80 t/hm2的T4處理的土壤容重最小，土壤孔隙度、有機質、堿解氮、全氮、速效氮、速效磷、速效鉀、微生物量碳和氮的含量最大，土壤葡萄糖苷酶、氨基肽酶、磷酸酶以及多酚氧化酶和過氧化物酶的活性最強。

還田量為80 t/hm2的T4處理對生姜的葉綠素含量、凈光合速率、株高、莖粗、分枝數、產量的促進作用最為顯著。