生物有機肥對連作壓砂田土壤肥力及西瓜品質的影響

李停鋒，李 雯，郭君鈺，劉艷薇，顧 欣

（寧夏大學農學院，寧夏 銀川 750021）

我國中西部地區耕地以旱地為主，年降水量不足180 mm，蒸發量為2 400 mm，且地力薄弱［1］，但寧夏中衛由于光照、溫度、土壤等條件是西瓜生長的絕佳環境，而且本地區采用壓砂這一種植方式，也是中國最適宜的高品質的壓砂西瓜種植區域。壓砂田是中國西北干旱地區農民經過長期的耕作實踐形成的一種抗旱、抗風蝕的耕作方式，具有增濕、保墑等作用［2］。壓砂西瓜作為當地重要的經濟來源，單一作物種植規模化，農業復種指數偏高，人地矛盾日益增長。隨著種植年限的增加，壓砂田出現土壤肥力嚴重下降，壓砂西瓜產量降低、品質變劣等問題［3］。

農作物品質下降是作物與土壤環境的系統性問題［4］，原因復雜多樣。土壤養分偏失、土壤理化性質惡化、農作物自毒物質累積、土壤反應異常、土壤微生物群落改變是誘導土壤肥力下降、農作物品質下降的重要因素［5］。隨著壓砂西瓜種植年限的增加，土壤板結現象在連作土壤中普遍存在，其主要表現為土壤容重提高、孔隙率下降、耕層變淺、氣水比下降、氧氣含量不足，導致土壤理化性質惡化［6］，同時壓砂西瓜長期連作會導致土壤出現養分不平衡和土壤酶活性紊亂等現象，進而引起作物生育狀況變差，造成其產量降低、品質變劣［7］。由于土壤肥力的下降，壓砂西瓜種子在發芽期發芽緩慢、出土困難；在苗期出現幼苗易倒伏、死苗等現象，伸蔓期瓜蔓細弱長勢慢，極易枯萎死亡；結果期畸形果率高、產量低、甜度低，給當地壓砂西瓜產業的可持續發展帶來嚴重問題［8］。土壤中營養元素失衡、土壤肥力下降、離子拮抗作用加劇等也可誘發農作物發生營養元素缺乏，造成生育障礙［9］，進而影響作物品質。在人地矛盾日益加深和市場需求量增加的社會背景下，本地區高強度連續種植壓砂西瓜和土壤肥力下降、西瓜果實品質下降的狀況不可避免，所以，提高土壤肥力，改善土壤環境，成為解決寧夏中部干旱帶壓砂田可持續利用的關鍵問題。

針對壓砂田土壤肥力下降，當地常用的改良措施主要有休田、施用土壤調理劑和有機改良。合理休耕確實對土壤肥力退化具有一定的改良效果，但是壓砂西瓜作為寧夏環香山地區的主要經濟作物，休田措施難以大面積實行。目前市場上銷售的土壤調理劑，對壓砂西瓜土壤改良缺少針對性，局限性較強。生物有機肥是多種有益生物菌群與有機肥結合形成的新型、高效、安全的生物有機復合肥料［10］。研究表明，生物有機肥可改善土壤理化性質和微生物群落結構，提高土壤肥力水平［11］。曲成闖等［12］研究發現生物有機肥能提高設施土壤生產力，消除土壤板結，改善土壤團粒結構，增加土壤透氣性，減少土壤養分流失、有效提高土壤有機質含量，進而提高黃瓜品質。Habashy 等［13］在瘠薄地土壤中施入生物有機肥后發現，土壤磷素缺失現象得到有效解決，土壤硝態氮、銨態氮、有機質含量與原始土壤相比均明顯增加，表明施用生物有機肥不僅保護環境，而且能營造作物持續穩產、高產的土壤環境。然而，多數研究采用溫室盆栽試驗僅單一討論生物有機肥對土壤理化性質、生物學等影響［14］，而有關壓砂瓜大田連作條件下生物有機肥提高土壤養分、調控土壤酶活性等的研究鮮有報道，尤其是壓砂瓜品質與土壤性質之間的關系研究較少。本試驗通過田間小區試驗，設置不同用量生物有機肥處理，探索其最佳用量下土壤性質與西瓜品質的關系，旨在為生物有機肥改良壓砂田土壤，提高壓砂瓜產量和品質，為當地合理施肥提供一定的理論依據與技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地位于中衛市香山鎮景寨柯村（東經108°28′53.2″，北緯37°21′02.8″）。香山鎮地處中衛市城區南部山區，東與海原縣興仁鎮接壤，西、北臨常樂鎮，南連甘肅靖遠縣。試驗地位于寧夏中部干旱帶核心區，平均海拔1 740 m，日照充足，年均日照時數2 706 h，年均溫度7.1℃，平均氣溫日較差13.3℃，無霜期149 ～171 d。干旱少雨，年平均降水量180 mm，而蒸發量則達2 100 ～2 400 mm，農業生產對自然降水依賴性很強。

1.2 試驗材料

供試地連作年限為6 年，土壤為風沙土，肥力較弱，耕層土壤基本理化性質如下:土壤容重1.20 g·cm-3，pH 值8.67，全鹽2.09 g·kg-1，有機質8.54 g·kg-1，全 磷0.26 g·kg-1，全 氮0.15 g·kg-1，堿解氮25.36 mg·kg-1，速效鉀86.61 mg·kg-1，有效磷2.75 mg·kg-1。西瓜品種為金城5 號。

供試生物有機肥含有機質43.6%，水分21.6%，pH 值8.21，含枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）和巨大芽孢桿菌（Bacillus megaterium），有效活菌數1.27×108CFU·g-1，追肥為沼液肥，稀釋500倍施用，其中含有機質0.72%，全氮1.13%，有效磷（P2O5）0.29%，氧化鉀（K2O）0.66%，pH 值7.01，含枯草芽孢桿菌和巨大芽孢桿菌，有效活菌數0.56×108CFU·mL-1。

1.3 試驗設計

試驗采用單因素多水平設計，共設6 個處理，重復3 次，共計18 個小區，小區面積為136 m2，株距為1.5 m，行距為1.7 m。處理分別為:CK:不施生物有機肥；T1:施生物有機肥750 kg·hm-2；T2:施生物有機肥1 500 kg·hm-2；T3:施生物有機肥2 250 kg·hm-2；T4:施生物有機肥3 000 kg·hm-2；T5:施生物有機肥3 750 kg·hm-2。生物有機肥于2017 年4 月22 日基施，4 月26 日開穴定植，沼液肥分別在苗期、伸蔓期和掛果期灌根，施用量每次每株100 mL。采用膜下滴灌，試驗期間采取常規的農作物管理措施。

1.4 土樣采集方法

土壤采樣方法為S 形五點取樣，混合后四分法取樣，分別在壓砂瓜種植前和收獲期用土鉆分別在各處理小區采取土層0 ～20、20 ～40 cm 土樣。采回土樣在室內自然風干，在瑪瑙研缽中磨碎分別過0.85、0.15 mm 尼龍篩，完成后樣品混勻，裝袋密封保存，貼標簽、編號，進行測定。

1.5 測定項目

土壤化學性質測定:pH 值用酸度計法測定；全鹽用電導率儀測定；有機質用重鉻酸鉀-硫酸亞鐵滴定法測定；堿解氮用擴散法測定；有效磷用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定；速效鉀用火焰光度法測定；全氮用H2SO4-H2O2消煮蒸餾法測定；全磷采用HClO4-H2SO4消化，鉬銻抗比色法測定［15］。

土壤酶活性測定:土壤脲酶活性用靛酚藍比色法測定，以每克土24 h 產生的NH3-N 毫克數表示；過氧化氫酶活性用高錳酸鉀滴定法測定，以每克土消耗0.1 mol·L-1KMnO4毫升數表示；蔗糖酶活性用3，5-二硝基水楊酸比色法測定，以每克土24 h 產生的葡萄糖毫克數表示；堿性磷酸酶活性用磷酸苯二鈉比色法測定，以每克土24 h 產生的酚毫克數表示；脲酶活性采用苯酚-次氯酸鈉比色法［16］測定。

西瓜產量測定:西瓜成熟后各處理小區單獨采收，以3 次重復產量的平均值來代表該處理的實際產量。

西瓜品質測定:硝酸鹽含量的測定采用水楊酸法；有機酸采用NaOH 滴定法；可溶性固形物采用手持式糖度計測定；維生素C 含量采用2，4-二硝基比色法［15］測定。

1.6 數據統計及分析

試驗數據以Excel 2016 軟件整理數據和作圖，同時采用SPSS 21.0 軟件進行統計分析，對相關性指標進行顯著性檢驗，顯著性水平為P＜0.05，n=5。

2 結果與分析

2.1 生物有機肥對壓砂田土壤pH 值、全鹽的影響

土壤pH 值、全鹽是土壤的基本性質，是土壤肥力的重要影響因子，也是影響植物生長的必要因素。由圖1 可知，CK 處理下，0 ～20、20 ～40 cm 土壤pH 值分別達到8.51、8.52，堿性偏大，0 ～20、20 ～40 cm 土壤全鹽含量分別達到3.17、2.31 g·kg-1，說明該土壤屬于鹽漬化土，由于易溶性鹽分在土壤中的積累作用，使土壤溶液的濃度增加，滲透壓增高，對作物根系有腐蝕作用，可能影響到對鹽分敏感的作物產量。圖1 表明，T5、T4、T3、T2、T1 處 理 下0 ～20、20 ～40 cm 土 壤pH值、全鹽均較CK 處理小，說明施用生物有機肥能不同程度降低土壤pH 值和全鹽含量。其中T5 處理0 ～20 cm 土壤pH 值為8.39，較CK 處理 降低1.76%，全鹽含量為2.34 g·kg-1，較CK 處理降低26.18%，均呈顯著性差異。

圖1 生物有機肥對壓砂田土壤pH 值、全鹽的影響

2.2 生物有機肥對壓砂田土壤有機質及速效養分的影響

土壤速效養分是土壤中最活躍的部分，是衡量土壤肥力的重要指標，與作物生長關系密切。由表1 可以看出，施用生物有機肥后土壤中有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別呈不同程度的提高，其中0 ～20 cm 土壤養分提高較為明顯，這可能是施入生物有機肥后促進了土壤中微生物活性，有利于土壤中速效養分的釋放。T1、T2、T3、T4、T5 處理下0 ～20 cm 土壤有機質含量較CK 處理分別提高0.59%、2.13%、2.72%、7.91%、12.99%，堿解氮含量分別較CK 處理提高7.29%、14.56%、33.04%、47.93%、56.06%，有效磷含量分別較CK 處理提高27.40%、32.69%、56.49%、70.43%、71.63%， 速 效鉀含量分別較CK 處理提高0.41%、4.75%、13.43%、16.56%、28.78%，均呈顯著性差異。T1、T2、T3、T4、T5 處理下20 ～40 cm 土壤有機質含量較CK處 理 分 別 提 高7.69%、6.95%、12.07%、12.61%、14.63%，堿解氮含量分別較CK 處 理 提 高11.64%、16.51%、21.79%、26.82%、30.97%， 有 效 磷 含 量分 別 較CK 處 理 提 高25.00%、41.94%、69.35%、77.82%、84.27%，速效鉀含量分別較CK 處理提高15.63%、21.37%、32.33%、34.13%、34.66%。 總 體上看，0 ～20 cm 土層有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀含量較20 ～40 cm 土層含量高，其T5 處理下有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀含量較高，說明生物有機肥能提高土壤肥力。

2.3 生物有機肥對壓砂田土壤全量養分的影響

全氮、全磷含量是衡量土壤氮素、磷素供應的基本指標，受土壤母質、成土作用和耕作施肥的影響很大。由圖2 可以看出，施用生物有機肥后，土壤全氮、全磷含量均呈現升高趨勢。T1、T2、T3、T4、T5 處理下0 ～20 cm 土壤全氮含量較CK 處理分別提高42.37%、121.47%、141.81%、151.41%、176.84%，全磷含量分別較CK 處理提高10.58%、49.71%、55.28%、87.95%、92.53%，均呈顯著性差異。T1、T2、T3、T4、T5 處理下20 ～40 cm 土壤全氮含量較CK 處理分別提高5.26%、21.25%、54.47%、56.79%、69.08%，全磷含量分別較CK 處理提高10.53%、15.57%、27.24%、40.55%、41.65%，均呈顯著性差異。

表1 生物有機肥對壓砂田土壤有機質及速效養分的影響

圖2 生物有機肥對壓砂田土壤全量養分的影響

2.4 生物有機肥對壓砂田土壤酶活性的影響

土壤酶參與土壤中幾乎所有的生物化學過程，其活性高低影響著土壤微生物的種群和數量變化，進而影響土壤養分的高低、作物的品質和產量。如表2 所示，T1、T2、T3、T4、T5 處理下0 ～20 cm土壤脲酶活性較CK 處理分別提高5.36%、12.50%、16.07%、30.36%、46.43%，蔗糖酶活性分別較CK處理提高7.10%、28.06%、31.62%、40.14%、44.58%，堿性磷酸酶活性較CK 處理分別提高31.58%、43.86%、52.63%、61.40%、73.68%，過氧化氫酶活性較CK 處理分別提高0.55%、3.60%、14.11%、17.40%、21.10%，均呈顯著性差異。T1、T2、T3、T4、T5 處理下20 ～40 cm 土壤脲酶活性較CK 處理分別提高30.00%、32.50%、37.50%、60.70%、70.00%，蔗糖酶活性分別較CK 處理提高20.79%、45.39%、46.42%、49.65%、97.56%，堿性磷酸酶活性較CK 處理分別提高34.15%、65.85%、78.05%、80.49%、80.49%，過氧化氫酶活性較CK處理分別提高19.04%、28.92%、48.92%、65.06%、81.69%，均呈顯著性差異。說明施用生物有機肥能提高土壤酶活性。

表2 生物有機肥對壓砂田土壤酶活性的影響 （mg·g-1）

2.5 生物有機肥對壓砂瓜產量的影響

圖3 表明施用生物有機肥能提高壓砂西瓜產量，且各處理均呈顯著性差異。其中CK 處理下壓砂西瓜產量為31 515.75 kg·hm-2，而T1、T2、T3、T4、T5 各處理下壓砂西瓜產量分別為35 626.50、37 388.25、38 562.75、42 477.75、46 392.75 kg·hm-2，分 別 較CK 處 理 增 產4 110.70、5 872.50、7 047.00、10 962.00、14 877.00 kg·hm-2，增 產 率 分 別 達 到13.04%、18.63%、22.36%、34.70%、47.20%。

圖3 生物有機肥對壓砂西瓜產量的影響

2.6 生物有機肥對壓砂西瓜品質的影響

硝酸鹽、維生素C、可溶性固形物、有機酸是衡量瓜菜品質的重要指標。表3 表明，隨著生物有機肥施用量的增加，硝酸鹽、有機酸含量呈下降趨勢，而維生素C、可溶性固形物含量則呈現上升趨勢。其中T5 處理硝酸鹽含量為21.18 mg·kg-1，分別較CK、T1、T2、T3、T4 處理減小8.63%、8.59%、8.51%、8.43%、0.70%，有機酸含量為0.051%，分別較CK、T1、T2、T3、T4 處理減小41.38%、40.00%、29.17%、16.39%、13.56%，維生素C 含量為12.74 mg·kg-1，分別較CK、T1、T2、T3、T4 處 理 增 加39.23%、38.78%、27.66%、12.15%、5.38%，可溶性固形物含量為14.69%，分 別 較CK、T1、T2、T3、T4 處理增加22.62%、19.82%、13.96%、7.62%、5.76%。

表3 生物有機肥對壓砂西瓜品質的影響

2.7 土壤理化性狀與土壤酶活性、壓砂瓜品質指標的相關性分析

由表4 可以看出，土壤理化性狀與土壤酶活性、壓砂西瓜品質均存在一定的相關性。其中，土壤pH 值、全鹽與脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶、Vc、可溶性固形物均呈極顯著和顯著負相關，與硝酸鹽、有機酸呈極顯著和顯著正相關。土壤有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀、全氮、全磷與脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶、Vc、可溶性固形物均呈現正相關關系，與硝酸鹽、有機酸呈現負相關關系。土壤理化性質決定著土壤酶活性的高低，相反，土壤酶活性也影響著土壤理化性質，進而影響壓砂西瓜品質的高低。

表4 土壤理化性狀與土壤酶活性、壓砂西瓜品質指標的相關系數

3 討論

土壤肥力是影響作物產量及品質的重要原因。研究表明，施用生物有機肥可以提高土壤養分［17］，有利于根際微生物區系的改良，促進作物根系生長，提高作物品質與產量［18］。所以，施用生物有機肥可以為作物創造良好的生長環境，提高土壤肥力，顯著改善作物生長，為作物優質高產提供保證。

土壤是壓砂西瓜生長的基礎，而連年種植及單一使用化肥導致壓砂田肥力嚴重下降。土壤理化性質是土壤肥力的重要組成部分。本研究表明，隨著施用生物有機肥量的增加，土壤pH 值、全鹽含量呈現下降趨勢，有利于壓砂瓜生長。土壤鹽堿化是易溶性鹽分在土壤中的累積現象，使土壤溶液的濃度增加，滲透壓增高，對作物根系有腐蝕作用［19］。寧夏香山地區氣候干旱，蒸發量大。水分蒸發后鹽分在土壤表層積累，進而導致作物的生長受害。趙婧文等［20］研究表明，膜下滴灌配施有機肥處理的土壤，pH 值和全鹽含量較未施生物有機肥處理有所降低，與本研究結果一致。這可能是生物有機肥的施用改善了土壤團粒結構，使土壤堿性降低，淋溶作用增強，土壤離子間代換量提高，導致多種元素流失［21］。土壤有機質能提供作物生長所需物質，本研究表明，施生物有機肥3 750 kg·hm-2處理土壤0 ～20 cm 有機質含量達到9.57 g·kg-1，且土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量也顯著提高，說明生物有機肥能提高土壤有機質含量，促進速效養分的釋放，與鄭鎂鈺等［22］研究結論一致。全氮、全磷含量是衡量土壤基礎肥力的重要指標。本研究表明，施用生物有機肥能提高土壤全氮、全磷含量，其中施用生物有機肥3 750 kg·hm-2處理下0 ～20 cm 土壤全氮含量較未施用生物有機肥處理提高176.84%，全磷含量較未施用生物有機肥處理提高92.53%，與王立剛等［23］關于生物有機肥對作物生長、土壤肥力及產量的影響研究結果一致。

常文穎等［24］研究認為，施用生物有機肥能顯著提高0 ～20 cm 土壤脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性。本研究表明T5 處理下0 ～20 cm 土壤脲酶活性較CK 處理提高46.43%，蔗糖酶活性較CK 處理提高44.58%，堿性磷酸酶活性較CK 處理提高73.68%，過氧化氫酶活性較CK 處理提高21.10%。這說明土壤理化性質與土壤酶活性具有相關性，隨著土壤肥力的提高，土壤酶活性也呈升高趨勢，與胡景田等［25］研究結果一致。土壤脲酶、蔗糖酶及過氧化氫酶都與土壤微生物活動相關，其酶活性的增加往往反映了土壤氮素和有機質含量的升高［26］。土壤堿性磷酸酶活性增加與土壤有機磷含量增加具有較強的相關性，所以在壓砂田中施用生物有機肥，土壤酶活性的增高在一定程度上反映了土壤肥力的提升［27］。

哈雪姣等［28］研究表明施用生物有機肥能提高西瓜產量和品質。本研究表明T5 處理下壓砂西 瓜 產 量 為46 392.75 kg·hm-2，較CK 處 理 增產14 877.00 kg·hm-2，增產率為47.20%。隨著生物有機肥施用量的增加，硝酸鹽、有機酸含量呈下降趨勢，而維生素C、可溶性固形物含量則呈現上升趨勢。李亞娟等［29］研究表明施用生物有機肥能提高西瓜可溶性固形物含量，該指標對鑒定果蔬、糖用作物的品質具有重要意義。本研究表明，T5 處理下西瓜可溶性固形物含量達到14.69%，較CK 處理升高，與此研究結果一致。有機酸廣泛存在于植物體中，一定的酸度可增加果蔬的風味，但過量時又會呈顯出不良的品質［30］。T5 處理的果實有機酸含量為0.051%，較CK 處理降低41.38%。維生素是人體生命活動不可缺少的物質，具有多種生理作用。本研究中，T5 處理果實的維生素C 含量達到12.74 mg ·kg-1，分別較CK、T1、T2、T3、T4 處理增加39.23%、38.78%、27.66%、12.15%、5.38%，說明施用生物有機肥能增加作物維生素C 含量，與段大海等［31］研究結果一致。

目前，有關連作壓砂田生物有機肥最佳施用量的研究較少。鑒于本研究僅為一年的試驗結果，而生物有機肥是緩效肥，其對土壤的持續性影響還有待長期的試驗結果進行驗證，并結合經濟效益進行綜合分析研究。

4 結論

施用生物有機肥可以有效改善土壤理化性質，提高土壤酶活性，對壓砂瓜產量和品質具有改善作用，能夠有效緩解土壤肥力下降。本試驗中施用生物有機肥3 750 kg·hm-2處理為最佳處理，可有效降低土壤pH 值、全鹽含量，提高土壤堿解氮、有效磷、速效鉀、全氮、全磷含量，進而提高土壤蔗糖酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶、脲酶活性。相關性分析表明，土壤理化性狀與土壤酶活性、壓砂瓜品質均存在一定的相關性，其中施用生物有機肥3 750 kg·hm-2處理的壓砂瓜產量為46 392.75 kg·hm-2，產量顯著提高，其維生素C 含量、可溶性固形物也顯著提高。