2024, Vol. 32
2. 上海交通大学农业与生物学院, 上海 200240;
3. 河南工业大学环境工程学院, 郑州 450001;
4. 上海市嘉定区农业技术推广服务中心, 上海 201899;
5. 上海黎明资源再利用有限公司, 上海 201209
2. School of Agriculture and Biology, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China;
3. School of Environmental Engineering, Henan University of Technology, Zhengzhou 450001, China;
4. Shanghai Jiading Agricultural Technology Extension and Service Center, Shanghai 200000, China;
5. Shanghai Liming Resources Reuse Limited Corporation, Shanghai 200000, China
连作障碍是指同种作物或近源作物在同一地块上连续种植两茬以上后，出现的作物生长环境恶化和生长发育异常的现象[1–2]。长期连作会导致作物对养分的吸收利用受抑制，造成严重的病虫害，从而影响作物的产量和品质[3–4]。作物连作障碍问题已存在多年，且空间分布广泛，作物种类繁多，危害较为严重，产生的原因也极为复杂，尤其是土壤、作物等诸多因素综合作用产生的结果[5]。有专家认为连作障碍发生的主要原因如下：土壤养分失衡、土壤酸化板结、土壤盐渍化、土壤病虫害现象加重、土壤的酶活性降低、蔬菜作物的自毒作用等[6–7]。目前生产上解决连作障碍的对策主要包括改善土壤理化性质、轮作换茬、间作套种、土壤消毒灭菌、抗性品种选育和生物防治等方法[8]。但是近些年常用的方法是改善土壤理化性质[8]，主要有施加堆肥有机肥、添加秸秆、施加生物有机肥、添加石灰、施加微生物菌肥等[9]。
蚯蚓粪是一种生物有机肥，含有大量养分且具有丰富微生物[10–12]，具有很高的应用价值，同时还可替代化肥，减少设施农业生产过程中化肥的施用量[13]，改善设施连作土壤团聚体结构，增加土壤中有机质的含量，减少土壤盐分含量[10]。有研究表明蚯蚓粪能够提高蔬菜的产量和品质，也可能减少土传病的发生[9–12]。施用蚯蚓粪能够使黄瓜的株高、茎粗、叶片数及产量提高[13–14]。有研究表明，蚯蚓粪可显著促进连作黄瓜(Cucumis sativus)幼苗生长，提高其根际土壤肥力，缓解黄瓜连作生长障碍[15–16]。
随着城市化的发展，湿垃圾产量与日俱增，湿垃圾资源化利用迫在眉睫。利用蚯蚓处理湿垃圾及湿垃圾沼渣制作蚯蚓粪肥用于农田土壤改良，是一项有效的湿垃圾资源化利用途径。目前大多数的研究主要集中在以牛粪为主的有机废弃物堆肥，而利用湿垃圾进行堆肥并应用于土壤改良的研究报道较少。本研究采用设施大棚田间小区试验，在小区中施用常规有机肥及利用湿垃圾制作的蚯蚓粪肥料对黄瓜连作土壤进行改良，研究不同种肥料在连续种植三季黄瓜后对土壤的理化性质、土壤肥力和土壤微生物特征等的影响，可为有机肥在土壤改良和克服连作障碍等方面的应用提供参考。
1 材料和方法 1.1 试验材料试验地点位于上海市嘉定区外冈镇的上海绿望蔬果产销专业合作社，该地区属于北亚热带季风气候区，四季分明，种植区为常年种植蔬菜瓜果的大棚, 土壤为青黄土，质地为壤土，土壤的基本理化性质如下：pH 6.87、有机质2.52%、全氮1.18%、硝态氮115 mg/kg、土壤碳氮比为1.24、速效磷220 mg/kg、速效钾232 mg/kg、全盐量1.79 g/kg、呼吸强度58.1 mL/kg。整体而言，肥力中上等[17]，地力均匀。
有机肥购自上海永辉羊业有限公司，其水分含量19.5%、全氮含量2.68%、全磷含量3.71% (以P2O5计, 下同)、全钾含量1.10% (以K2O计, 下同)、有机质含量75.2%、C/N为16.3、pH 7.94。湿垃圾来源的蚯蚓粪制作方法：湿垃圾处理站的日常湿垃圾、湿垃圾厌氧发酵装置中排出的沼渣、稻麦秸秆、菌菇渣按质量比1:1:1:1混合均匀后饲喂蚯蚓4周, 去除蚯蚓，将物料收集起来进行好氧发酵，其水分含量为17.93%、全氮含量2.77%、全磷含量2.96%、全钾含量2.59%、有机质含量46.90%、C/N为9.82、pH 7.30。
供试作物为黄瓜(Cucumis sativus)，品种为‘长青’。采用基质穴盘育苗，于每年4月7日—27日将一叶到二叶一心的黄瓜幼苗移栽田间，5月下旬至7月下旬开花后7 d左右采收，黄瓜采收结束后，收集试验终期土壤样品。黄瓜种植期间，进行常规田间试验的管理工作。
1.2 试验设计本试验连续种植3年黄瓜，每年种植时土壤中添加基肥(45%的复合肥3.33 kg/hm2)。设置5个处理，分别为：常规有机肥30.0 t/hm2 (CG)、蚯蚓粪肥15.0 (V1)、30.0 (V2)和60.0 t/hm2 (V3)、不添加有机肥的对照(CK)。计算有机肥和蚯蚓肥的氮磷钾含量，以最高含量为标准，不足的采用复合肥补充，使得各处理的氮磷钾施用量保持一致。肥料撒入土壤后再耕地，使得肥料与土壤充分混匀。每个处理设3个重复，本试验共计15个小区。每个小区面积为20.8 hm2，随机区组排列。
1.3 方法黄瓜移栽3个月后，每个小区按五点法采集0~20 cm层的土壤，混合缩分作为该小区的代表性样品。土壤分成两部分，一部分风干，除杂质，研磨，过筛，测定土壤全氮、硝态氮、速效钾、有效磷、有机质、pH值、全盐量；另一部分土壤鲜样参照《土壤农化分析》[18]和ISO/TS 29843—2[19]进行呼吸强度和细菌、真菌的测定，同时采用PLFA法测定磷脂脂肪酸。
1.4 数据的统计分析采用Excel 2019和SPSS 22.0软件对试验数据进行统计分析并作图。采用单因素和双因素方差分析法研究蚯蚓粪肥与常规有机肥对黄瓜连作土壤理化性质的影响。采用Tukey法进行多重比较，显著性水平设为0.05。
2 结果和分析 2.1 对黄瓜产量的影响从表 1可见，与对照(CK)相比，2017年施加普通有机肥(CG)没有显著影响黄瓜的产量，而施用蚯蚓粪肥处理的黄瓜产量均增加；2018年施加CG使黄瓜的产量略有降低，而施加蚯蚓粪肥对黄瓜的产量无显著影响(P > 0.05)；由于2019年种植期间遇到台风大雨灾害，黄瓜的产量分别比与前两年减少了8.39和9.49 t/hm2，以施加30.0 t/hm2蚯蚓粪肥(V2)的产量最高，为39.58 t/hm2，显著高于CK (P < 0.05)；而CG处理的产量最低，为37.50 t/hm2，与CK无显著差异(P > 0.05)。
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表 1 不同有机肥处理对黄瓜产量(t/hm2)的影响 Table 1 Effects of different organic fertilizer on Cucumis sativus yield (t/hm2) |
从图 1可见，施加有机肥后土壤有机质含量逐年升高，且2019年蚯蚓粪肥处理的土壤有机质含量显著高于常规有机肥处理(P < 0.05)，表明蚯蚓粪肥对增加土壤有机质含量的效果优于常规有机肥。双因素方差分析结果表明，土壤有机质含量在不同肥料类型间无显著差异(P=0.063)，但在种植年份间存在显著差异(P=0.001)，而肥料类型和种植年份间存在显著相互作用(P=0.041)。2019年黄瓜收获后，施加常规有机肥和蚯蚓粪肥的土壤有机质含量比对照均显著增加(P < 0.05)，对照土壤中的有机质含量为(2.65±0.13)%，常规有机肥处理的有机质含量比对照增加11.7%，而施加蚯蚓粪肥的比对照增加23.4%~42.5%。
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图 1 有机肥处理对土壤有机质含量的影响。柱上不同字母表示差异显著(P < 0.05)。下同。 Fig. 1 Effect of organic fertilizer on soil organic matter content. Different letters upon column indicate significant differences at 0.05 level. The same below |
从图 2可见，种植3年黄瓜的对照土壤全氮含量为0.18%~0.19%，年份间无显著差异；2017和2018年施加常规有机肥和蚯蚓粪肥的土壤全氮含量与对照无显著差异(P > 0.05)，但2019年施加常规有机肥和蚯蚓粪肥土壤的全氮含量比对照显著增加(P < 0.05), 以V3处理的最高，达0.24%，比对照升高了33.3%, 同时也显著高于施加常规有机肥处理(P < 0.05)。
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图 2 有机肥处理对土壤全氮和硝态氮含量的影响 Fig. 2 Effect of organic fertilizer on contents of total nitrogen and nitrate nitrogen in soil |
与对照相比，施加常规有机肥对土壤硝态氮含量无显著影响(P > 0.05)，而2017年施加蚯蚓粪肥也无显著影响(P > 0.05)。2018年施加蚯蚓粪肥的土壤硝态氮含量比对照分别降低了20.6%、18.4%和6.20%，2019年分别降低了24.6%、14.0%和14.1%。另外，土壤全氮和硝态氮含量均与黄瓜种植时间和有机肥类型有关，与两者的交互作用无关。
从图 3可见，2017和2018年施加蚯蚓粪肥和常规有机肥的土壤有效磷含量与对照间无显著差异(P > 0.05)。2019年，对照土壤的有效磷含量为170 mg/kg，施加肥料处理的分别比对照增加40.4% (CG)、19.4% (V1)、30.4% (V2)和22.1% (V3)，均差异显著(P < 0.05)。土壤有效磷含量与黄瓜连种次数和有机肥类型相关，但与二者的交互作用不相关。
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图 3 有机肥对土壤有效磷和速效钾含量的影响 Fig. 3 Effect of organic fertilizer on contents of available phosphorus and available potassium in soil |
黄瓜连种3年，对照的土壤速效钾含量逐年增加, 分别为(200±18.9)、(213±14.1)和(303±9.67) mg/kg。前2年施加肥料均显著增加土壤的速效钾含量(P < 0.05)，但常规有机肥和蚯蚓粪肥对速效钾含量的影响无显著差异。2019年土壤的速效钾含量依次为蚯蚓粪肥 > 常规有机肥 > 对照，以V3处理的最高，为450 mg/kg，比对照提高了48.3%。土壤速效钾含量与黄瓜种植时间、有机肥类型及两者的交互作用均呈极显著相关关系(P < 0.01)。
从图 4可见，除2017年V3处理外，施加常规有机肥和蚯蚓粪肥的土壤全盐含量与对照间均无显著差异(P > 0.05)。土壤全盐含量与黄瓜种植时间、有机肥类型及两者的交互作用均无显著相关关系(P > 0.05)。
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图 4 有机肥处理对土壤全盐量和pH值的影响 Fig. 4 Effect of organic fertilizer on total salt content and pH in soil |
连种前2年，施加常规有机肥和蚯蚓粪肥对土壤pH值无显著影响(P > 0.05)。2019年的土壤pH值由7.00降低到6.65，对照为6.72，施加常规有机肥为6.54，比对照显著降低(P < 0.05)；而施加蚯蚓粪肥的土壤pH值与对照无显著差异(P > 0.05)。总体上看，土壤pH值与黄瓜种植时间呈极显著相关关系(P=0.000)，而与有机肥类型及两者的交互作用均无显著相关关系(P > 0.05)。
2.3 对土壤微生物和呼吸强度的影响2017年土壤的呼吸强度为65.8 mL/kg, 显著低于2018年(142.6 mL/kg)和2019年(182 mL/kg) (图 5)。前2年施加有机肥对土壤呼吸强度的影响与对照均无显著差异(P > 0.05)，2019年土壤的呼吸强度分别为(203±24.2) (CG)、(190±34.1) (V1)、(208±11.2) (V2)、(229±21.5) (V3)和(182±5.10) mL/kg (CK)；V3比对照显著升高(P < 0.05)，其他有机肥处理与对照无显著差异(P > 0.05)。
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图 5 有机肥处理对土壤呼吸强度的影响 Fig. 5 Effect of organic fertilizer on soil respiration intensity |
Shannon指数表征微生物群落物种的丰富度, 其值越大，说明土壤微生物的物种丰富度越高。Pielou指数表征微生物群落物种的均匀度。Simpson指数表征微生物群落中优势物种的优势度。从表 2可见，与对照相比，2017年施加有机肥均显著增加了土壤微生物的物种丰富度(Shannon指数)、均匀度(Pielou指数)和优势物种的优势度(Simpson指数)(P < 0.05);然而，后2年施加常规有机肥显著降低了土壤微生物的Shannon指数、Pielou指数和Simpson指数(P < 0.05)，施加蚯蚓粪肥对土壤微生物的Shannon指数和Pielou指数没有显著影响(P > 0.05)，但降低了Simpson指数，说明长期施加常规有机肥降低土壤微生物的物种丰富度、均匀度和优势物种的优势度, 长期施加蚯蚓粪肥对土壤微生物的物种丰度的影响较小。2019年土壤微生物的物种丰富度比前2年显著降低，可能与连作障碍和当年的气候有关。
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表 2 磷脂脂肪酸生物标记物生态学指数 Table 2 Ecological index of phospholipid fatty acid biomarkers |
从表 3可见，与对照相比，2017年施加有机肥均显著降低了土壤的总磷脂脂肪酸(PFLA)含量(P < 0.05)，对土壤的细菌含量没有显著影响(P > 0.05); V2处理显著增加土壤的真菌含量(P < 0.05)，但其他处理无显著差异(P > 0.05)。2018年施加常规有机肥使土壤的总PLFA含量从62.7 nmol/g降低到30.5 nmol/g, 但施加蚯蚓粪肥则无显著影响(P > 0.05)；施加常规有机肥使土壤细菌含量从11.89 mol/g增加到17.0 mol/g, 施加蚯蚓粪肥则无显著影响(P > 0.05)。然而，施加常规有机肥和蚯蚓粪肥均显著降低土壤的真菌含量(P < 0.05)。2019年V2处理显著增加土壤的总PFLA、细菌和真菌含量(P < 0.05)，而其他处理则无显著影响(P > 0.05)。
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表 3 土壤的磷脂脂肪酸(PLFA)含量 Table 3 Content of phospholipid fatty acid (PLFA) in soil |
经过有机肥处理，土壤中细菌与真菌的比例发生显著变化(表 3)。2017年施加有机肥后土壤中细菌与真菌之比有不同程度降低，但与对照无显著差异；2018年施加常规有机肥使土壤中细菌与真菌比值显著提高(P < 0.05)；2019年土壤中细菌与真菌的比值以V2处理的最大，且显著高于其他处理(P < 0.05)。
2.4 土壤性质间的相关性分析从表 4可见，2017年施加有机肥后，除土壤细菌数量与有机质，全氮含量与全盐量间呈显著正相关外，其他理化因子和土壤生物学特征间无显著相关和极显著相关(P > 0.05)。土壤有机质含量与全氮含量、pH、细菌数量、真菌数量及二者的比例和黄瓜产量呈正相关；土壤全氮含量与所有因子(除呼吸强度外)均呈正相关；土壤养分之间，除速效磷和速效钾含量之间呈正相关外，其他均呈负相关。土壤的生物学性质之间除细菌和呼吸强度之间呈负相关外，其他几个因子之间均呈正相关。黄瓜产量与多数因子(硝态氮、pH和细菌/真菌)之间均呈正相关。
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表 4 有机肥处理下土壤理化性质间的相关性 Table 4 Relationship among soil properties under organic fertilizer treatment |
2018年，土壤有机质与速效磷含量，全氮与速效磷和速效钾之间呈显著正相关；硝态氮与pH之间，及呼吸强度与黄瓜含量之间呈显著负相关。呼吸强度与真菌数量成反比，细菌与真菌数量成反比。除硝态氮和真菌数量之外，黄瓜产量与其他因子均呈负相关。
2019年，土壤全氮含量与速效钾含量之间达到了极显著正相关。有机质含量和全氮含量和速效钾含量间达显著相关水平，相关系数分别为0.947和0.950。土壤硝态氮含量与前两季相似，同样与其他土壤性质之间均呈负相关(速效磷除外)。除硝态氮含量外，黄瓜产量与其他土壤化学性质和生物学性质间呈正相关，且与细菌数量和真菌数量之间呈显著正相关。
3 结论和讨论连作会对下茬作物产生抑制，影响作物的产量[14]，长期连作使土壤耕作性变差，导致养分失衡及次生盐渍化[16]。有机肥能够改善土壤微环境，促进植物生长和抑制病害，比普通肥料能更好的改善土壤质量。本研究结果表明，施用湿垃圾为原料制作的蚯蚓粪肥可提高黄瓜的产量。施加常规有机肥和湿垃圾制作的蚯蚓粪肥后在前2年对土壤有机质含量无显著影响，第3年土壤有机质含量依次为蚯蚓粪肥 > 常规有机肥 > 不施肥，这主要是因为蚯蚓粪肥含有丰富的有机质[15]和腐殖质[20]。这与张聪俐等[21]的研究结果相一致。蚯蚓粪肥有良好的物理性质，有利于团聚体和水稳性团聚体形成，长期施用蚯蚓粪肥能提高土壤质量[21]。在本研究中，黄瓜连作3年土壤的全氮含量也随蚯蚓粪肥的施入而显著增加，这与苏淑仪等[9]的研究结果类似，即添加了蚯蚓粪肥后，番茄(Lycopersicon esculentum)连作土壤的全氮含量显著增加。土壤养分是植物营养的主要来源，会直接影响植物的生长发育[22–23]。土壤中的碳氮元素可以反映土壤的养分循环和转化关系，也可以反映出土壤微生物的生长状态及土壤肥力特点[22]，在本研究中，施加蚯蚓粪肥后，土壤有机质和全氮量均有不同程度的增加，土壤肥力增加，这是因为蚯蚓粪肥中有大量的团粒结构，可以使碳在大颗粒的土壤中微团聚体处在一个长期稳定的状态中，加大了土壤中碳的有机碳物理保护作用和储备量[24]。蚯蚓粪肥处理的土壤有机质要高于添加常规有机肥的，可能是由于蚯蚓粪肥的长效性好于常规有机肥[25]。
有机肥能够提高土壤酶与微生物的活性，促进土壤养分的活化[26–27]，有研究表明蚯蚓粪肥能使土壤磷含量增加13.0%~26.0%，且在微生物与土壤酶的共同作用下，蚯蚓粪肥可以将有机磷转化成无机磷，使磷的有效性得以提高[27–28]。本研究中，施加蚯蚓粪肥使前2年土壤的有效磷含量略有增加，第3年则显著增加，添加蚯蚓粪肥可使土壤速效磷增加24.7%。土壤硝态氮是土壤速效氮的一部分，是判断旱地土壤相对供氮量的指标，也是影响作物品质的重要因素[29–30]。本研究中，添加蚯蚓粪肥使土壤硝态氮略有降低。速效钾含量随着蚯蚓粪肥的加入而升高，可能是由于蚯蚓粪肥中含有大量的微生物，微生物能够活化土壤中的解钾菌，从而提高土壤的速效钾含量[31–32]。申飞等[30]的研究表明施加蚯蚓粪肥能显著提高土壤有效磷含量及pH值，降低速效钾含量和铵态氮含量，这与本研究结果存在差异，可能由于土壤性质、蚯蚓粪肥施加剂量，研究条件等方面的不同造成的。
施加有机肥后，土壤pH值在前2年无显著变化，可能是由于土壤具有较强的缓冲作用。土壤pH值在第3年略有降低，可能是因为有机肥在分解过程中会产生一定量的腐殖酸，降低土壤的pH[25], 但施加蚯蚓粪肥对土壤pH的影响与对照无显著差异。2017年土壤的全盐量随蚯蚓粪肥用量的增加而增加，这主要是由于有机肥中含有大量的有机质和腐殖酸，在土壤中得以分解，增加了土壤的全盐量。
施加有机肥后，微生物群落在土壤中均发生了变化，与土壤理化性质的变化有关[32]。在本研究中连续3年施加常规有机肥降低了土壤微生物的物种丰富度、均匀度和优势物种的优势度，而施加蚯蚓粪肥对土壤微生物的物种丰度的影响较小。2019年V3处理能显著增加土壤的总PFLA含量、细菌含量和真菌含量，而其他处理则无显著影响，可能是由于有机肥中大量的微生物，对土壤中的微生物群落产生一定的影响[33–34]。通过向土壤中施加有机肥后，土壤中微生物的构成发生了一定的变化，尤其是细菌/真菌的值。正常土壤中，细菌含量较高，连作土壤中病原性真菌数量增多，土壤容易从细菌型转为真菌型，通过施加有机肥后，土壤细菌/真菌有所增加，这与吕海龙等[25]的研究结果类似。在本研究中，连续3年施加常规有机肥对黄瓜的产量无显著影响，而施加蚯蚓粪肥使黄瓜产量逐年提高。这与前人[23, 25, 30]研究结果类似，蚯蚓粪肥能提高黄瓜产量可能与土壤养分有关，蚯蚓粪肥中含有大量的微生物，能够提高土壤腐殖质含量及矿物营养，这些产物能释放出生长激素，刺激植物的生长，进而提高植物产量[35]。
整体而言，湿垃圾来源的蚯蚓粪肥能明显改善土壤的理化和生物学性质，可在一定程度上缓解土壤连作障碍的发生。这类蚯蚓粪肥对提高土壤肥力和农作物生长有明显的优势，能够改良连作障碍土壤的状态，可以作为化肥的替代品或与化肥相配合在农业生产中进行推广。
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