不同土壤改良措施對土壤特性和番茄生長發育及品質、產量的影響

楊海波，楊榮華，李承男，馬 蘭，曹云娥

(寧夏大學農學院，寧夏銀川 750021)

隨著設施栽培的逐步推廣，設施蔬菜生產已成為不少地區的主導產業。然而種植戶為了提高經濟效益，大量使用農藥、化肥，導致環境惡化；此外，種植戶種植的作物單一且存在連作現象，直接致使土壤的肥力下降，作物的品質、產量也隨之下降，并對生態環境產生了嚴重威脅。針對這個問題，添加有機肥，在合理的范圍內施用化肥可以改良土壤結構，提高土壤的蓄肥能力和土壤肥力效能；在土壤中施用有機物料能夠提高土壤微生物量碳、氮的含量以及土壤酶活性，并且隨著有機肥的施用量增大，其展現出來的效果越明顯。此外，施用有機肥還能夠對土壤微生物多樣性的恢復起到一定的促進作用，有效地抑制連作障礙的發生進程。

生物炭是枯枝落葉、作物秸稈等在缺氧的條件下通過高溫裂解形成的穩定的固體富碳產物，具有巨大的比表面積，能夠長時間地穩定土壤結構。蚯蚓糞是蚯蚓處理有機廢棄物的產物，是一種良好的土壤改良劑，富含多種有益微生物、腐殖質、氨基酸活性酶等天然活性物質。二者作為新興的有機物料，能夠在一定程度上改善土壤理化性質，促進作物的生長發育，還能提高農產品的產量、品質，增強作物的抗逆性。

由于農戶盲目追求作物產量和大量施用化肥，造成了土壤板結、病害加劇、土壤肥力下降、環境污染等一系列問題，不僅降低了作物的產量和品質，也影響了設施農業的可持續發展。而覆蓋作物有改變土壤化學特性的潛力，通過增加土壤有機質含量、提升氮的礦化潛力、減少硝酸鹽淋失等作用，促進后續農作物產量的提升。我國綠肥資源豐富，截止目前，我國常用綠肥作物有916種，鑒定為4科20個屬26個種，并經過篩選，得到了綜合性狀好、適宜在不同地區種植的70多種綠肥作物，主要有紫云英、紫花苜蓿、白三葉草、山黧豆、高羊茅、二月蘭等。在栽培面積較大的綠肥品種中，豆科占大多數。豆科植物可以和固氮菌共生，進行生物固氮，從而為果-草系統提供部分氮源。豆科植物生物固氮是指在自然條件下，部分微生物或藍藻將大氣中氮氣轉化為氨，為植物或微生物的生長發育提供氮源。

前期的研究主要是針對每一項措施的單一研究，對于不同土壤改良措施復合的研究較少，筆者通過對生物炭、蚯蚓糞、覆蓋植物白花三葉草的復配來進行土壤處理，探究日光溫室內不同土壤改良措施對土壤特性和番茄生長發育及品質、產量的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2019年4月12日至8月9日在寧夏賀蘭縣園藝產業園(106°15′E，38°18′N)內進行，該園區屬于國家級農業示范園區，園區內的年降水量為180～200 mm，其中80%的降水集中在6—8月，年平均氣溫9.7 ℃，無霜期160～170 d，屬中溫帶干旱氣候區，具有典型的大陸性氣候特點。日光溫室，長80 m，跨度8 m，脊高4.4 m，后墻高4.7 m。

1.2 試驗材料

供試番茄品種為粉宴1號。生物炭(主要成分為椰殼，有效碳成分為95%)購買于河南泰源環保科技有限公司；蚯蚓糞由試驗開始前投放的蚯蚓原位消解半腐熟的牛糞產生；覆蓋作物是白花三葉草。

1.3 試驗設計

試驗共設8個處理：空白對照(CK)，不作處理；定植前土壤增施生物炭(B)，3 000 kg/667 m；定植前土壤增施蚯蚓糞(V)，3 000 kg/667 m；覆蓋(作物兩邊)三葉草(T)；定植前土壤增施生物炭+蚯蚓糞(B+V)，生物炭3 000 kg/667 m，蚯蚓糞 3 000 kg/667 m；定植前土壤增施生物炭+覆蓋(作物兩邊)三葉草(B+T)；生物炭3 000 kg/667 m；定植前土壤增施蚯蚓糞+覆蓋(作物兩邊)三葉草(V+T)，蚯蚓糞3 000 kg/667 m；定植前土壤增施生物炭+蚯蚓糞+覆蓋(作物兩邊)三葉草(B+V+T)，生物炭3 000 kg/667 m，蚯蚓糞3 000 kg/667 m。每個處理2個小區，每個小區種植3壟，3個重復，每個小區長5 m、寬4 m，面積為20 m，小區間隔開。

1.4 樣品采集與測定方法

植株和果實樣品采集自番茄盛果期，采樣時，從每個小區隨機選取6棵植株，將根系完全挖出后，用水將根系沖洗干凈。用刀將植株地上部與地下部分開，在收獲期統計番茄的產量。

1.4.1 土壤理化性質測定 于番茄盛果期，采用五點取樣法，取各處理0～20 cm土層的土壤，將其物理晾干后過1 mm篩，用于測定土壤的理化指標。用電導法測定pH值和EC值；用環刀法測定土壤容重；用凱氏定氮法測定土壤全氮含量；用鉬銻抗比色法測定土壤全磷含量；用重鉻酸鉀-油浴鍋加熱法測定土壤有機質含量。

1.4.2 土壤重金屬測定 用分析天平準確稱取0.1 g土樣，置于消煮管底部，加入5 mL 濃硝酸(優級純)，靜置過夜，次日，先用100 ℃消煮30 min后，將消煮爐溫度上升至170 ℃，消煮至底部殘渣轉白、溶液澄清透明即可。冷卻至常溫后，將消煮管內的溶液用蒸餾水轉移至100 mL容量瓶，定容至刻度線，用0.45 μm過濾器過濾至離心管中，待上機測定。利用電感耦合等離子體光發射光譜儀測定。使用1.0～1 000.0 μg/L分析參考溶液進行外部校準，通過多元素儲備溶液適當稀釋以5%硝酸制備標準溶液。

客觀、科學衡量縣域經濟發展水平是一項具有系統性、動態性和相對性的復雜工作.構建經濟綜合評價體系需要依據科學性、全面性和可獲取性原則，參考前人相關研究成果[15-16]并結合成都平原城市群經濟發展的實際情況，從經濟規模、經濟效益、經濟結構和政府調控能力4個方面，選取了17個具體評價指標，從而構建了縣域經濟綜合評價指標體系(見表1).

1.4.3 酶活性測定 土壤過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定；纖維素酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定；蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定；土壤脲酶活性采用苯酚鈉比色法測定。

1.4.4 果實品質測定 番茄的可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定；可滴定酸含量采用NaOH滴定法測定；維生素C含量采用 2，6-二氯酚靛酚滴定法測定；采用手持糖度計測定番茄可溶性固形物含量。

1.5 數據分析

使用Excel 2010、Origin 2018進行試驗數據圖表的繪制，采用SPSS 24.0進行數據統計分析，采用Duncan’s法對有顯著差異的處理進行顯著性分析，顯著性水平設置為=0.05。

2 結果與分析

2.1 不同土壤改良措施對土壤養分的影響

由表1可知，不同的土壤處理下，V和V+T處理pH值最高，為7.52；B+V處理的EC值顯著低于其他處理，為1.20 mS/cm；B處理土壤容重最高，為1.78 g/cm；B+V+T處理的全氮含量為0.93 g/kg，顯著高于其他7個處理，與對照相比提高了40.91%；V+T處理的全磷含量最高，為5.22 g/kg；V+T 處理全鉀含量最高，為4.57 g/kg，CK處理全鉀含量最低，為3.40 g/kg，與CK處理相比V+T處理提高了34.41%；除B+V、B+T處理外，B+V+T處理的有機質含量顯著高于其他處理，為44.74 g/kg。與對照相比，蚯蚓糞與三葉草復配(V+T)處理能夠顯著提高土壤全磷、全鉀含量，生物炭、蚯蚓糞與三葉草三者復配(B+V+T)處理顯著提高了土壤全氮、有機質含量。

表1 不同土壤改良措施對土壤養分的影響

2.2 不同土壤改良措施對土壤重金屬含量的影響

由表2可知，不同土壤處理均能不同程度地降低土壤重金屬含量。B+V+T處理Pb、Cd、Cr、Hg元素的含量均最低；將B+V+T處理與B、V、T處理分別相比7種重金屬含量均有所降低，說明生物炭、蚯蚓糞和三葉草配施能有效降低這7種重金屬的含量。V+T處理中Zn、As元素的含量最低；B+V處理中Cu元素的含量最低。生物炭、蚯蚓糞、覆蓋三葉草均能降低土壤重金屬含量。

表2 不同土壤改良措施對土壤重金屬含量的影響

2.3 不同土壤改良措施對土壤酶活性的影響

由圖1可知，不同土壤處理對土壤過氧化氫酶活性影響顯著，對纖維素酶影響不顯著。整體來看，不同處理的土壤酶活性與對照相比均有所提高。B+V處理過氧化氫酶和蔗糖酶活性最高，分別為4.02 mL/(g·h)、13.28 mg/(g·d)；B+V+T處理脲酶活性最高，與CK相比提高了49.93%；V+T 處理纖維素酶活性最高，為0.11 mg/(g·d)。與對照相比，生物炭與蚯蚓糞配施(B+V)顯著提高過氧化氫酶、脲酶和蔗糖酶活性，蚯蚓糞與三葉草配施(V+T)提高了纖維素酶活性，生物炭、蚯蚓糞和三葉草配施(B+V+T)顯著提高了過氧化氫酶、脲酶和蔗糖酶活性。綜合來看，蚯蚓糞對土壤酶活性的提高起著重要作用。

2.4 不同土壤改良措施對果實品質的影響

由表3可知，B+V+T處理的可溶性糖含量最高，為0.57 g/kg，與CK處理相比提高了23.91%；B+T 處理有機酸含量顯著高于其他處理；B+V+T處理維生素C含量最高，為29.99 mg/100 g，CK處理最低；B+T處理可溶性固形物含量顯著高于其他處理，為5.00%；增施生物炭、蚯蚓糞、覆蓋三葉草對可溶性糖、有機酸、維生素C含量均有一定程度的提高；與對照相比，生物炭與三葉草配施(B+T)顯著提高了可溶性固形物含量，生物炭、蚯蚓糞和三葉草三者配施顯著提高了果實可溶性糖、維生素C含量。

表3 不同土壤改良措施對果實品質的影響

2.5 不同土壤改良措施對番茄產量的影響

3 討論與結論

3.1 不同土壤改良措施對土壤理化性質的影響

土壤作為植物生長發育的載體，其養分含量的高低直接反映了作物生長狀況的優劣，在合理的范圍內添加有機物料對土壤進行改良，是目前生產中獲得優質高產園藝產品的一大重要舉措。

Harris等研究發現，在土壤中添加疏松多孔的生物炭可以有效地提高土壤養分含量。單穎等研究發現，蚯蚓處理農業廢棄物的產物——蚯蚓糞，具有優良的理化性質，能夠很好地供肥、保肥和改良土壤。Wei等對76篇關于果園生草對土壤養分狀況影響的文獻進行整合分析發現，在果園中覆草能顯著提高土壤有機質(14.1%)、全氮(7.0%)、速效氮(27.7%)、速效磷(12.6%)和全鉀含量(2.1%)，其中豆科植物由于能夠進行生物固氮，顯著提高了土壤全氮(8.8%)、有效氮含量(24.7%)。土壤 EC值代表土壤中鹽分的濃度，沈漢等研究得出，設施土壤 EC 值在1.0以上會影響作物生長。本研究中B+V處理EC值最低，為1.20 mS/cm，且其他處理的EC值均低于對照，各處理均降低了土壤的鹽脅迫。全氮含量的高低反映土壤氮素的整體水平，是土壤潛在肥力的表征之一。本研究中，T、B+T、V+T以及B+V+T處理的全氮含量相比于對照均有所提高；V+T處理相比于對照顯著提高了土壤全磷、全鉀含量。土壤中添加蚯蚓糞、覆蓋三葉草能夠明顯提高土壤養分。有研究表明，在土壤中添加生物炭與參與利用氮和磷等礦質元素相關的土壤酶活性之間呈正相關，而與參與土壤碳礦化等生態學過程的土壤酶活性之間呈負相關，這樣有利于土壤中碳的固定，從而保證生物炭在土壤環境中長期穩定存在。本研究表明，土壤中添加生物炭、蚯蚓糞、覆蓋三葉草，均能夠提高土壤酶活性，其中，施加生物炭、蚯蚓糞和覆蓋三葉草這三者結合對脲酶活性的增強最為顯著。

由于土壤酶對重金屬離子的作用較為敏感，且其活性變化對作物有著直接的影響，因此，土壤酶活性的高低有利于明確土壤中重金屬含量的高低及其對植物生長和土壤質量的影響。陳玲玲研究發現，重金屬Cd、Cr和Pb的濃度與脲酶和蔗糖酶活性都呈現負相關關系，表現為抑制作用；其中Cd與脲酶活性、Pb與蔗糖酶活性分別呈顯著負相關；Cd和Cr與過氧化氫酶活性呈負相關關系。梅闖等研究發現，生物炭施入土壤后，不僅可以與微生物結合，利用微生物的表面吸附和體內轉化作用等直接影響重金屬的存在形態，還能夠間接改變土壤環境。侯月卿等在堆肥中添加不同生物炭后，發現花生殼炭、玉米秸稈炭和木屑炭分別對堆肥產品中重金屬元素Cu、Pb、Cd具有良好的鈍化效果。蚯蚓黏液中的小分子有機物，如有機酸、氨基酸等能溶解重金屬化合物，可提高土壤中重金屬的生物可利用性，它能促進土壤中重金屬的溶解，有助于超富集植物對重金屬的吸收和富集。本研究中不論是單施生物炭、單施蚯蚓糞、覆蓋三葉草，還是這三者混施，均能降低土壤重金屬含量，改善土壤環境。將B、V、T處理與B+V、B+V+T處理相比較，除Cu、Cd元素外，單一施用生物炭、蚯蚓糞、覆蓋三葉草處理下的重金屬含量比兩兩混施處理下的重金屬含量要高，且這三者配施的處理降低土壤重金屬的效果最佳。

3.2 不同土壤改良措施對番茄品質的影響

本研究中增施生物炭、蚯蚓糞、覆蓋三葉草均不同程度地降低了土壤中的重金屬含量，土壤重金屬對土壤酶活性表現為負相關關系，隨著土壤重金屬的含量降低，土壤酶活性提高，其中B+V處理的過氧化氫酶和蔗糖活性最高，B+V+T處理的脲酶活性最高，V+T處理的纖維素酶活性最高。土壤酶活性的增強提高了土壤生產力，促進了番茄的生理代謝。吳玨等研究發現，在土壤中適量地添加生物炭，番茄產量、可溶性糖含量會有所增加，可滴定酸含量顯著減少，生物炭伴生與單作相比，提高了果實維生素C、可溶性糖含量和糖酸比，降低了有機酸含量；添加1.2%生物炭伴生與單作相比，增加了糖酸比，降低了有機酸含量；與未添加生物炭相比，添加1.2%生物炭增加了單作和伴生的維生素C含量和糖酸比，降低了有機酸含量。曹雪娜研究指出，在土壤中添加生物炭顯著提高了櫻桃番茄果實維生素C含量和可溶性糖含量，說明在土壤中適量的添加生物炭能夠改善番茄果實的品質。此外，伴生可明顯改善蔬菜果實品質。周東興等研究發現，施用蚯蚓糞能夠提高維生素C、可溶性糖和可溶性固形物含量。吳興洪在獼猴桃園研究發現，與單施化肥相比，翻壓黑麥草15%～45%提高了可溶性固形物、維生素C、可溶性糖含量，分別提高了3.03%～8.43%、9.75%～18.92%和4.60%～19.17%。本研究中，B+V+T處理的可溶性糖含量最高，相比于對照提高了23.91%；B+T處理有機酸含量顯著高于其他處理；而維生素C含量中，除B+T處理外，B+V+T 處理顯著高于其他處理；相比于B處理，B+V、B+T、B+V+T處理的可溶性固形物含量均有提高，B+T處理可溶性固形物含量顯著高于其他處理。與V、T處理相比較，B+V、B+T、V+T、B+V+T處理的可溶性糖和維生素C含量均有所提高，這充分證明了單一地增施生物炭、蚯蚓糞、覆蓋三葉草的果實品質顯然不如2種措施結合施用的好。與對照相比，不同的土壤改良措施均不同程度地提高了番茄品質，其中生物炭、蚯蚓糞和三葉草三者配施處理下的番茄果實綜合品質較優。

3.3 不同土壤改良措施對番茄產量的影響

產量是作物生產力的體現，通過增施生物炭、蚯蚓糞和覆蓋三葉草可降低土壤重金屬含量，從而提高土壤酶活性，達到改善土壤環境、提高土壤養分利用率的目的，進而提高番茄的產量。已有研究表明，在土壤中適量增施生物炭可以優化番茄根系形態，顯著提高番茄產量。生物炭疏松多孔，具有較大的孔隙度，改變了土壤的孔隙分布，增加了土壤的微孔孔隙率，從而促進根系的生長，有利于提高產量。蚯蚓糞可以持續地為番茄提供其所需營養，提高植物的光合作用和根系活力，促進植株對養分的吸收，從而提高番茄的產量和品質。楊冬艷等研究發現，在櫻桃番茄根際種植三葉草后，櫻桃番茄根際生態環境發生了顯著的改變，通過作物之間的相互作用，增加土壤微生物活性，改善番茄根際土壤酶環境，減輕根際土壤速效磷鉀養分的富集，提高了土壤養分的利用率，增加了果實品質和產量。本研究中，番茄產量差異不顯著，與對照相比各處理均有所增加，以生物炭、蚯蚓糞、覆蓋三葉草處理為基準，分別比較其對應的兩兩混施處理發現，單一施用某一種改良措施的效果不如2種措施結合施用，其中以B+V+T處理三者配施的產量最高，說明生物炭、蚯蚓糞和覆蓋作物不僅能促進植株對養分的吸收，還可以提高番茄的產量。

綜上所述，不同土壤改良措施對番茄的生長發育具有促進作用。添加生物炭、蚯蚓糞和覆蓋作物三葉草可以在不同程度上改善土壤理化性質，提高番茄產量和品質。B+V+T處理顯著提高了土壤全氮和有機質含量，與對照相比分別提高了40.91%、13.24%；V+T處理顯著提高了土壤pH值及全磷、全鉀含量。B+V處理的過氧化氫酶和蔗糖酶活性最高，B+V+T處理的脲酶活性最高，與CK處理相比脲酶活性提高了49.93%，V+T處理的纖維素酶活性最高。B+V+T處理Pb、Cd、Cr、Hg元素的含量均最低；B+V+T處理的可溶性糖含量最高，為0.57 g/kg，CK處理最低，與CK處理相比提高了23.91%；B+V+T處理維生素C含量最高，為29.99 mg/100 g，CK處理最低；B+T處理可溶性固形物含量顯著高于其他處理，為5.00%；B+V+T處理的番茄產量最高，為3 970.22 kg/667 m，與CK處理相比增加了36.57%。總的來說，生物炭、蚯蚓糞和覆蓋三葉草這三者配施改善了土壤理化性質，降低了土壤重金屬含量，提高了土壤酶活性，提高了番茄的品質和產量。