玉米秸稈生物反應堆替代化肥對土壤理化性質和西瓜產量與品質的影響

張立聯　閆學梅　張志偉　王江南　趙永明　劉婷婷

摘? ? 要：2018－2020年通過設置傳統施肥處理和玉米秸稈生物反應堆部分替代化肥處理，以期實現土壤理化性質與西瓜產量品質協同提升。結果表明，秸稈生物反應堆技術較常規栽培能夠在減少化肥（15-15-15）用量375 kg·hm-2，且不施用農藥的基礎上，改善土壤理化性質、提高西瓜產量與品質。秸稈生物反應堆部分替代化肥處理的土壤有機質含量較試驗前持續提高，增幅18.8%，而傳統施肥導致土壤有機質含量持續降低，降幅12.4%。同時，秸稈生物反應堆部分替代化肥處理能夠增加堿解氮的供應，減少有效磷與速效鉀的累積。與傳統施肥處理相比，秸稈反應堆部分替代化肥處理能夠顯著提高西瓜產量，平均增產6.8%（6.6%～8.1%）；2020年的西瓜蛋白質含量提高5.4%、可溶性固形物含量提高17.9%、維生素C含量提高7.5%?；谝陨辖Y果，安丘市西瓜產區應用秸稈生物反應堆技術對西瓜的優質可持續生產具有重要意義。

關鍵詞：西瓜；秸稈生物反應堆；土壤理化性質；產量；品質

中圖分類號：S651 文獻標志碼：A 文章編號：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

西瓜作為全球重要的經濟作物[1]，生產規模僅次于蘋果、葡萄、香蕉和柑橘，居第5位[2]。我國西瓜的種植面積從1961年的53.6萬hm2增加到2021年的141.6萬hm2，總產量從1961年的654.9萬t增加到2021年的6 101.4萬t，2021年的種植面積和總產量分別占世界總量的46.7%和60.0%，均居世界首位，在全國經濟作物生產中占據重要地位[3]。西瓜具有高產穩產、抗逆能力強、適應范圍廣等特點，但是，由于當前需求量較大和種植面積的不斷擴大，肥料施用不合理、播種時期不當等造成了土壤質量下降、肥料利用率降低等一系列問題，導致西瓜產量和品質下降，嚴重制約了我國西瓜產業的綠色可持續發展[4-6]。

農作物秸稈是農業生產中的主要副產品，具有碳氮比高、養分豐富，但循環利用率低等特點[7-8]。據估算，2014年我國的秸稈產生量約為8.2億t[8]，并且隨著農產品產量的增加，秸稈的數量也在不斷增長[7，9]，我國秸稈焚燒的比例約為10%[10]，農作物秸稈還田被認為是農業可持續發展的重要措施[11-12]。近年來，我國政府出臺了多項規定與政策推廣秸稈還田技術[13]，旨在改善土壤理化性質、提高作物產量。秸稈生物反應堆技術是一項充分利用秸稈資源、大幅提高水果蔬菜產量和品質的現代農業生物工程創新技術，即在反應堆專用微生物菌種、催化劑和凈化劑的作用下，將各種農作物秸稈定向、快速地轉化為作物生長所需要的CO2、熱量、抗病微生物孢子和有機、無機養料，從而實現資源科學利用、農民增收、農業增效、生態環境友好的目標。簡單地說，就是用秸稈替代大部分化肥，用植物疫苗替代大部分農藥，減少生產投入，提高產量與品質，增加農民收入[14-17]。

因此，筆者針對安丘市西瓜主產區急需解決的土壤退化、化肥利用率低、產量與品質下降等關鍵問題，利用玉米等作物秸稈生物反應堆技術部分替代化肥，研究其對西瓜產量、品質的影響，以及種植區土壤基礎理化性質對施肥措施的響應，以期為科學施肥、改善土壤環境和提高西瓜產量與品質提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區域概況

試驗于2018年3月至2020年5月在山東省濰坊市安丘市郚山鎮泥溝村龍溪瓜菜種植專業合作社進行，該地區屬于暖溫帶半濕潤季風氣候區，年平均氣溫為12.3 ℃，年平均降水量約為650.5 mm，該地區土壤類型為褐土，質地為輕壤土，土壤肥力較高，排灌條件良好。

1.2 試驗設計

試驗作物西瓜，品種為京欣一號，由北京市農林科學院蔬菜研究中心培育。秸稈腐熟劑菌種為枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌、解淀粉芽孢桿菌，由山東君德生物科技有限公司提供，每年3月移栽，5月初開始收獲，在大棚種植，采用葫蘆嫁接苗。2018－2020年選取3個農戶按照傳統施肥習慣（對照戶），移栽前溝施15-15-15復合肥375 kg·hm-2，落花坐果期沖施20-20-20復合肥2次，每次75 kg·hm-2；選取3個農戶應用秸稈生物反應堆技術（試驗戶），移栽前不施用復合肥，落花坐果期沖施20-20-20復合肥2次，每次75 kg·hm-2。秸稈生物反應堆技術：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寬100 cm、深50 cm的溝，把秸稈填入溝內，填放秸稈深度約為40 cm，南北兩端秸稈露出地面，以利于通氣，玉米秸稈用量為37.5 t·hm-2，秸稈施肥每年施用1次。然后，在秸稈上撒施餅肥1.5 t·hm-2，再把秸稈腐熟劑菌種5 kg·hm-2均勻撒在秸稈上，覆土20 cm，定植前7～10 d，在大行內澆水濕透秸稈。試驗采用隨機區組設計，分為對照和玉米秸稈生物反應堆替代化肥處理，每個處理3次重復，每個小區667 m2。各處理間其他栽培管理措施相同。

1.3 樣品采集與指標測定

每年西瓜收獲后，采用五點取樣法采集0～20 cm土層的土壤樣品，置于陰涼通風干燥處風干后，分別過0.25 mm和1 mm篩，采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定土壤有機質含量；采用堿解擴散法測定堿解氮含量；采用0.5 mol·L-1 NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定有效磷含量；采用1 mol·L-1中性NH4OAc浸提-火焰光度法測定速效鉀含量；按土水質量比1∶2.5用pH計測定土壤pH值。

試驗采用完全隨機設計，3次重復，收獲時每個重復采集代表性西瓜果實6個，每個分取50～100 g后置于攪拌機攪成果漿，標記備測，采用分光光度法測定蛋白質含量；采用糖度儀測定可溶性固形物含量；采用2，6-二氯靛酚滴定法測定維生素C含量[18-20]。在西瓜成熟期測定每個小區的西瓜產量，并折算為每hm2產量

1.4 數據處理與統計

試驗數據采用Microsoft Excel 2019和Sigmaplot 12.0軟件分別進行處理分析與作圖，相關指標采用IBM SPSS Statistics 20.0進行顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 秸稈生物反應堆部分替代化肥對土壤理化性質的影響

由圖1可知，在試驗前，試驗戶的土壤有機質含量較對照戶低23.7%，差異達到顯著水平。隨著種植年限的增加，對照戶的土壤有機質含量（w，后同）由試驗前的18.03 g·kg-1下降到2020年的15.80 g·kg-1，降幅12.4%，差異達到顯著水平；而秸稈生物反應堆部分替代化肥處理的土壤有機質含量逐年增加，由試驗前的13.76 g·kg-1增加到2020年的16.34 g·kg-1，增幅18.8%，差異達到顯著水平。2018－2020年試驗戶和對照戶的土壤有機質含量無顯著差異。

由圖2可知，在試驗前，對照戶與試驗戶的土壤堿解氮含量無顯著差異，隨著種植年限的增加，對照戶的土壤堿解氮含量無顯著變化；而秸稈生物反應堆部分替代化肥處理的土壤堿解氮含量有所增加，2019年和2020年較試驗前分別增加3.7%和7.3%，但差異未達到顯著水平。2019－2020年試驗戶的土壤堿解氮含量均顯著高于對照戶，增幅分別為22.4%和15.5%。

由圖3可知，在試驗前、2019－2020年，試驗戶的土壤有效磷含量均顯著高于對照戶，增幅分別為29.8%、16.2%和22.5%。隨著種植年限的增加，對照戶的土壤有效磷含量表現為2018年最高，顯著高于2019和2020年，但與試驗前差異不顯著；試驗前對照戶的土壤有效磷含量為104.17 mg·kg-1，2020年為96.67 mg·kg-1，降幅7.2%。秸稈生物反應堆部分替代化肥處理的土壤有效磷含量表現出類似的變化趨勢，試驗前的土壤有效磷含量為135.16 mg·kg-1，2020年為118.40 mg·kg-1，降幅12.4%，但未達到顯著差異水平。

由圖4可知，在試驗前、2018－2020年，試驗戶與對照戶的土壤速效鉀含量均無顯著差異。隨著種植年限的增加，對照戶的速效鉀含量從236.43 mg·kg-1增加到265.67 mg·kg-1，增幅12.4%，但均未達到顯著差異水平；而秸稈生物反應堆部分替代化肥處理的土壤速效鉀含量隨著種植年限的增加表現出先增加后下降的趨勢，其中2018年含量最高，達到295.71 mg·kg-1，顯著高于其他年份，2020年含量最低，但與試驗前無顯著差異。

由圖5可知，在試驗前、2018－2020年，試驗戶與對照戶的土壤pH值均無顯著差異，且隨著種植年限的增加，試驗戶和對照戶的pH值在各年份之間均無顯著變化。

2.2 秸稈生物反應堆部分替代化肥對西瓜產量的影響

由圖6可知，與對照戶相比，秸稈生物反應堆部分替代化肥處理的西瓜產量顯著提高，2018－2020年的增產幅度分別為6.6%、7.2%和8.1%。隨著種植年限的增加，對照戶的西瓜產量無顯著變化，而秸稈生物反應堆部分替代化肥處理的產量表現出先降低后升高的趨勢。

2.3 秸稈生物反應堆部分替代化肥對西瓜品質的影響

由圖7可知，秸稈生物反應堆部分替代化肥處理的西瓜蛋白質、可溶性固形物含量僅在2020年顯著高于對照戶，增幅分別為5.4%和17.9%，而維生素C含量在3年間均顯著高于對照戶，增幅分別為6.6%、9.7%和7.5%。隨著種植年限的增加，對照戶的西瓜蛋白質和維生素C含量均無顯著變化，而可溶性固形物含量表現為2019年顯著高于其他年份。秸稈生物反應堆部分替代化肥處理的蛋白質含量、可溶性固形物含量均表現出逐年增加的趨勢，2020年試驗戶的西瓜蛋白質含量較2018年增加10.5%，西瓜可溶性固形物含量增加19.7%，但維生素C含量在不同年份間無顯著變化。

3 討論與結論

3.1 秸稈生物反應堆部分替代化肥對西瓜種植區耕層土壤理化性質的影響

大量試驗研究結果表明，有機物料還田可以改善土壤結構性能，提高土壤養分供應能力，減緩土壤酸化，對改善土壤理化性質、促進植物生長發育具有積極作用[17，21-22]。秸稈作為一種重要的“廢棄物”，通過生物反應堆技術加以應用對農業生產具有重要意義。筆者測定了秸稈生物反應堆部分替代化肥處理下的土壤有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀含量和pH以及土壤容重等土壤理化指標，結果表明，秸稈生物反應堆部分替代化肥較傳統施肥能夠增加土壤有機質、堿解氮含量。分析其原因，一方面秸稈中含有大量有機質，與化肥配施后可形成微團聚體及有機無機復合體，促進土壤有機質的累積，與此同時，秸稈在腐解過程中能夠促進有效礦質養分的釋放[17]。而土壤有效磷和速效鉀含量有所降低，這可能是由于秸稈的投入促進了西瓜的生長發育和植株對磷鉀養分的吸收[5，19]，這有利于減少長期過量施用化肥導致的土壤速效養分累積帶來的環境風險，例如有效磷的淋洗等[23-24]。此外，秸稈生物反應堆部分替代化肥可能對土壤微生物群落結構產生影響，進而改善土壤微環境。有研究表明，有機物料的施用能夠為微生物提供充足的碳源，同時增加根系生物量及根系分泌物數量，促進微生物生長[25-27]。

3.2 秸稈生物反應堆部分替代化肥對西瓜產量及品質的影響

科學合理的施肥是提高作物產量和改善作物品質的重要措施，有研究表明，采用秸稈生物反應堆處理可以有效改善土壤理化性質，降低番茄植株發病率和畸形果率；且使用不同作物的秸稈產生的效應也有所不同，以玉米秸稈和水稻秸稈作為生物反應堆的物料，土壤有機質含量的提升幅度表現出一定的差異，但均能增加番茄的產量[28]。本研究結果表明，采用秸稈生物反應堆部分替代化肥處理后西瓜產量顯著高于傳統施肥處理，平均增產5.46 t·hm-2，且隨著種植年限的延長，試驗戶的西瓜產量表現出先減少后增加的趨勢，同時，秸稈生物反應堆部分替代化肥處理能夠提高西瓜蛋白質含量、可溶性固形物含量，顯著提高維生素C含量，2020年，與傳統施肥相比，秸稈生物反應堆部分替代化肥處理蛋白質含量增加5.4%，可溶性固形物含量增加17.9%，維生素含量增加7.5%，這與前人的研究結果相似[29-30]，究其原因，可能是秸稈生物反應堆與化肥配施保證了養分的長期釋放，使得酶活性增強，光合效率提升，碳水化合物等的合成及轉運加快，進而使有機物穩步累積，促進西瓜植株生長，從而改善了西瓜品質[31]。此外，本研究結果表明，秸稈生物反應堆部分替代化肥處理對西瓜蛋白質含量和可溶性固形物含量的提升效果隨著年限的增加而增強，表明秸稈生物反應堆部分替代化肥對西瓜的高品質、可持續生產具有一定的效果。

試驗結果表明，與傳統施肥相比，應用秸稈生物反應堆部分替代化肥能夠促進土壤理化性質的改善，尤其提高土壤有機質和堿解氮含量。同時，秸稈反應堆部分替代化肥處理能夠顯著提高西瓜產量，平均增產5.46 t·hm-2；提高西瓜蛋白質含量、可溶性固形物含量和維生素C含量，其中，以可溶性固形物含量增加最顯著，2020年增幅為17.9%。此外，秸稈反應堆部分替代化肥處理對土壤理化性質、西瓜產量的提升與品質的改善效果隨年限的增加而增強，因此，該技術對提升土壤質量與西瓜產量品質具有重要意義。

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收稿日期：2023-08-21；修回日期：2024-01-11

作者簡介：張立聯，男，高級農藝師，主要從事土肥方面的研究工作。E-mail：aqzhll@163.com

通信作者：劉婷婷，女，農藝師，主要從事土肥方面的研究工作。E-mail：sdaqtfz@163.com