有機肥與化肥配施對黃瓜產量及土壤微生物多樣性的影響

羅 佳，劉麗珠，王 同，嚴少華，盧 信，范如芹，張振華

(江蘇省農業(yè)科學院農業(yè)資源與環(huán)境研究所，江蘇 南京 210014)

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有機肥與化肥配施對黃瓜產量及土壤微生物多樣性的影響

羅 佳，劉麗珠，王 同，嚴少華，盧 信，范如芹，張振華①

(江蘇省農業(yè)科學院農業(yè)資源與環(huán)境研究所，江蘇 南京 210014)

有機肥和化肥配合施用比單施化肥或有機肥具有明顯的優(yōu)勢，但在配合施用時其對土壤生物多樣性的影響方面還缺乏深入探討。在等氮量條件下，將水葫蘆(Eichhorniacrassipes)有機肥(WOF處理)、豬糞有機肥(POF處理)和發(fā)酵床熟化墊料有機肥(FOF處理)分別以1∶1的比例與化肥〔w(N)∶w(P2O5)∶w(K2O)=15∶15∶15〕配施，并以單施化肥(CF處理)和不施肥(CK處理)為對照，分析其對設施大棚黃瓜(Cucumissativus)產量及土壤微生物多樣性的影響。結果表明：采用不同有機肥與化肥配施可以獲得與化肥相當或者超過化肥的產量，其中FOF處理產量最高，比CF處理提高26.77%，其次為WOF處理。有機肥與化肥配施不僅可以保持或提高黃瓜果實產量，同時可以提高果實品質，WOF、POF和FOF處理維生素C含量比CF處理增加30%左右。與CF處理相比，有機肥與化肥配施能提高氮素利用效率，但是不同來源的有機肥與化肥配施在氮素利用效率上存在明顯差異。PCR-DGGE分析顯示細菌群落結構可分為3大類，CK和CF處理群落結構相似，WOF和POF處理群落結構相似，FOF處理則單獨成一類；不同來源的有機肥與化肥配施都能提高土壤中細菌的香農-威爾指數和豐度，與CF處理相比最高能提高5%以上。施入外源有機物質可以改變土壤的細菌群落結構，提高土壤微生物多樣性，而施入化肥對土壤的細菌群落結構無顯著影響。

有機肥；化肥；肥料配施；黃瓜；土壤微生物多樣性

化肥的大量施用是我國面源污染的主要誘因之一,我國目前每年化肥施用量是6 000萬t左右,農業(yè)生產已完全依附于化肥的投入[1]。單獨施用化肥和單獨施用有機肥均難以做到產量和品質兼顧,而有機無機復合(混)肥不僅可維持當季作物產量，改善作物品質與風味,同時能保護生態(tài)環(huán)境[2-4]。有機肥部分替代化肥不僅可以減少化肥過量施用引起的農業(yè)面源污染,還可改良農田土壤質量,提高農產品品質。

我國每年產生幾十億t的有機固體廢棄物[5]。有機固體廢棄物中含有大量的有機質和農作物生產所需的營養(yǎng)元素[6],合理利用有機固體廢棄物將其變成有機肥可以改善生態(tài)環(huán)境，減輕有機固體廢棄污染。因此,大力發(fā)展有機固體廢棄物肥料化對于我國農業(yè)部推動的“減肥減藥”行動,2020年實現我國化肥施用量的零增長具有十分重要的意義。

有機固體廢棄物經過高溫發(fā)酵和無害化處理后形成有機肥,但是由于其原料來源廣泛,易造成不同有機肥之間性狀和肥效差異。有機無機肥料配合施用比單施化肥或有機肥具有明顯的優(yōu)勢,但在配合施用對土壤生物多樣性的影響方面還缺乏深入探討[7-9]。因此,筆者選擇湖泊中污染比較嚴重的入侵植物水葫蘆(Eichhorniacrassipes)、畜牧養(yǎng)殖中最重要的養(yǎng)豬場廢棄物豬糞和近年興起的生態(tài)養(yǎng)豬廢棄物發(fā)酵床熟化墊料制成有機肥,試圖通過研究在設施大棚條件下不同有機肥和化肥配施對黃瓜(Cucumissativus)產量、氮素利用效率及土壤微生物多樣性的影響,為設施大棚栽培施肥、農業(yè)固體有機廢棄物資源化利用及有機肥和化肥配施提供理論和應用依據。

1 材料與方法

1.1 有機肥的來源和制備

水葫蘆來源于江蘇省農業(yè)科學院武進竺山湖水污染治理科研基地,在武進基地擠壓脫水后運至六合基地堆肥發(fā)酵;豬糞來源于江蘇省農業(yè)科學院六合基地豬場,經過干濕分離后堆肥發(fā)酵;發(fā)酵床熟化墊料來源于江蘇省農業(yè)科學院六合基地發(fā)酵床養(yǎng)殖場,主要成分為菌糠和稻殼,清理出來直接運至有機肥廠堆肥發(fā)酵。經過發(fā)酵腐熟和無害化處理后形成的3種有機肥養(yǎng)分指標均符合NY 525—2012《有機肥料》標準[10],重金屬和病原菌等均未超標,具體指標見表1。

表1 3種有機肥養(yǎng)分、重金屬和病原菌含量

Table 1 Contents of nutrients, heavy metals and pathogenic bacteria in the three kinds of organic manure

有機肥種類 w(有機質)/%w(總氮)/(g·kg-1)w(總磷)/(g·kg-1)w(總鉀)/(g·kg-1)w(砷)/(mg·kg-1)w(汞)/(mg·kg-1)w(鉛)/(mg·kg-1)w(鎘)/(mg·kg-1)w(鉻)/(mg·kg-1)糞大腸桿菌含量/g-1蛔蟲卵死亡率/%水葫蘆有機肥58.6533.8521.3712.321.580.121.940.2341.122398.75豬糞有機肥45.8235.2118.4313.860.270.027.260.2046.712797.12熟化墊料有機肥55.0428.3218.5214.883.470.045.670.5945.873397.77標準[10]≥45≥50≤15≤2≤50≤3≤150≤100≥95

有機肥養(yǎng)分和重金屬含量以烘干樣計,糞大腸桿菌和蛔蟲卵死亡率以鮮樣計。

1.2 大棚試驗設計

試驗在江蘇省農業(yè)科學院六合動物基地設施大棚內進行,試驗肥料為等氮量施用,總氮用量為112.44 kg·hm-2。設置5個處理,分別為:CK,不施用任何肥料; CF,僅施用化肥; WOF,施用50%化肥和50%水葫蘆有機肥; POF,施用50%化肥和50%豬糞有機肥;FOF,施用50%化肥和50%發(fā)酵床熟化墊料制成的有機肥?；屎陀袡C肥配施比例以總氮量為標準換算。供試土壤的基本理化性狀如下:w(全氮)為5.80 g·kg-1，w(全磷)為2.42 g·kg-1，w(全鉀)為9.86 g·kg-1，w(速效磷)為0.65 g·kg-1，w(速效鉀)為0.66 g·kg-1，w(有機質)為50.97 g·kg-1，pH值為 6.7?；适莣(氮)、w(磷)和w(鉀)均為15%的復合肥。試驗設置3個重復,試驗小區(qū)隨機排列,每個小區(qū)內黃瓜行距為50 cm,株距為50 cm,共計16株,小區(qū)面積為4.5 m×1.2 m,供試黃瓜品種為京育四號,所用肥料在黃瓜苗移栽前作基肥一次性施入。

1.3 樣品采集與測定方法

試驗周期為2個月,試驗期間每天進行日常管理和環(huán)境條件監(jiān)測,果實長至可食用及時采摘和計產,在試驗15、30、45和60 d時采集土樣進行相關測試,土壤化學指標測定方法參照文獻[11],維生素C含量測定采用2,6-二氯酚靛酚滴定法,可溶性糖測定采用蒽酮比色法,硝酸鹽含量測定采用水楊酸硝化法。同時,采集成熟期(60 d)植株根際土壤樣品，采用PCR-DGGE方法分析其土壤微生物多樣性,根際土壤采集方法見文獻[12],土樣進行PCR-DGGE分析測定前保存于-80 ℃的冰箱內。

1.4 PCR-DGGE檢測

利用PCR-DGGE技術[13],通過土壤DNA試劑盒(SoilMasterTMDNA Extraction Kit)提取土壤中細菌DNA,經過PCR擴增后(PCR引物[14]為F984GC:5-AAC GCG AAG AAC CTT AC-3和R1378:5-CGG TGT GTA CAA GGC CCG GGA ACG-3,在F984GC的5-端添加GC夾子:5-CGC CCG GGG CGC GCC CCG GGC GGG GCG GGG GCA CGG GGG G-3),采用D-Code突變檢測系統(tǒng)(Bio-Rad)對樣品進行DGGE分析。所用的聚丙烯酰胺凝膠w為8%,變性梯度為40%～60%,80 V、恒溫60 ℃條件下在1×TAE中電泳16 h,銀染后掃描。

所得圖像用Bio-Rad Quantity One 4.6.3 軟件進行處理,有關泳道和條帶的技術處理都用該軟件進行。通過Bio-Rad Quantity One 軟件系統(tǒng)將DGGE條帶轉換成數字信息,采用香農-威爾多樣性指數(Shannon-Wiener index,H)、豐度(S) 、均勻度指數(EH) 比較各個樣品的多樣性[15],其中H和EH的計算公式如下：

H=-∑Pi×lnPi。

(1)

式(1)中,Pi為種群i數量在群落中的比例,%。

EH=H/lnS。

(2)

1.5 數據分析與統(tǒng)計

采用Excel 2003和SPSS 13.0軟件分析數據,采用Bio-Rad Quantity One 4.6.3軟件分析樣品DGGE電泳條帶。

氮效率計算方法[5]如下:氮素果實生產效率(NFPE)=單位面積黃瓜產量/單位面積地上部植株氮積累總量;氮肥回收率(NRR)=(施氮區(qū)地上部吸氮量-無氮空白區(qū)地上部吸氮量)/施氮量×100;氮肥農學利用效率(ANUE)=(施氮區(qū)產量-無氮空白區(qū)產量)/施氮量;氮肥生理利用效率(PNUE)=(施氮區(qū)產量-無氮空白區(qū)產量)/(施氮區(qū)地上部吸氮量-無氮空白區(qū)地上部吸氮量)。

2 結果與分析

2.1 不同有機肥和化肥配施對黃瓜產量的影響

在等氮量施用條件下,不同的有機肥與化肥配施對黃瓜產量影響不同,結果見圖1。CF處理產量為54.3 t·hm-2,與CK處理(48.76 t·hm-2)間差異不顯著;而不同有機肥與化肥配施處理黃瓜產量均顯著高于CK處理(P<0.05)。其中FOF處理產量達到68.82 t·hm-2,顯著高于CF處理(P<0.05);其次為WOF和POF處理,產量分別為65.6和65.03 t·hm-2,但是與CF處理間差異不顯著。上述結果表明,采用不同有機肥與化肥配施可獲得與化肥相當或者超過化肥的產量。

CK─不施肥對照;CF─化肥;WOF─50%化肥+50%水葫蘆有機肥;POF─50%化肥+50%豬糞有機肥;FOF─50%化肥+50%發(fā)酵床熟化墊料有機肥。

2.2 不同有機肥和化肥配施對黃瓜品質的影響

由表2可知,有機肥和化肥配施可以提高黃瓜果實的維生素C含量,與CK相比,WOF、POF和FOF處理黃瓜果實體內維生素C含量分別顯著提高27.11%、30.12%和32.09%(P<0.05),而CF與CK處理黃瓜果實體內維生素C含量無顯著差異。不同有機肥和化肥配施處理黃瓜果實體內可溶性糖含量與CF處理間無顯著差異;各處理果實體內w(硝酸鹽)均低于440 mg·kg-1,均未超過GB 19338—2003《蔬菜中硝酸鹽限量》[16]。由此可見,有機肥和化肥配施不僅可以提高黃瓜果實產量,同時可改善黃瓜果實品質。

2.3 不同有機肥和化肥配施對黃瓜果實氮素積累的影響

圖2表明,不同施肥處理對黃瓜果實體內氮素積累影響存在差異,CF處理氮素積累量達到58.63 kg·hm-2,比CK提高10%以上。POF處理黃瓜果實體內氮素積累量為59.31 kg·hm-2,與CK和CF處理差異不顯著;而FOF處理氮素積累量與CK處理差異顯著,與CF處理差異不顯著;WOF處理氮素積累量顯著高于其他處理,達74.20 kg·hm-2。上述結果表明,有機肥和化肥配施可以提高黃瓜果實體內氮素積累量,但是不同的有機肥和化肥配施對黃瓜果實體內氮素積累影響不同。

表2 不同施肥處理對黃瓜果實品質的影響

Table 2 Effect of fertilization on quality of cucumber relative to combination of fertilizer

處理w(維生素C)/(mg·kg-1)w(可溶性糖)/(g·kg-1)w(硝酸鹽)/(mg·kg-1)CK149.83±15.13b20.54±3.21a43.17±4.62aCF177.97±28.66ab21.75±4.14a46.25±6.37aWOF190.45±23.05a19.30±1.70a49.03±5.32aPOF194.96±12.70a23.00±1.53a45.87±2.53aFOF197.97±20.73a19.58±0.94a44.32±6.41a

CK為不施肥對照;CF為化肥;WOF為50%化肥+50%水葫蘆有機肥;POF為50%化肥+50%豬糞有機肥;FOF為50%化肥+50%發(fā)酵床熟化墊料有機肥。 同一列數據后英文小寫字母不同表示不同處理間某指標差異顯著(P<0.05)。

2.4 不同有機肥和化肥配施對黃瓜氮效率的影響

由表3可知,WOF和FOF處理氮素果實生產效率顯著低于CK處理,CF和POF處理與CK處理間差異不顯著。CF處理氮肥回收率僅為29.03%,顯著低于有機肥和化肥配施的3個處理(P<0.05); FOF處理氮肥回收率最高,WOF處理次之,POF處理最低。CF處理氮肥農學利用效率和氮肥生理利用效率均最低,FOF處理氮肥農學利用效率最高,POF處理氮肥生理利用效率最高。因此,有機肥和化肥配施可以提高黃瓜果實氮效率,不同的有機肥和化肥配施對黃瓜果實氮效率影響存在差異。

CK─不施肥對照;CF─化肥;WOF─50%化肥+50%水葫蘆有機肥;POF─50%化肥+50%豬糞有機肥;FOF─50%化肥+50%發(fā)酵床熟化墊料有機肥。直方柱上方英文小寫字母不同表示不同處理間黃瓜果實氮素積累量差異顯著(P<0.05)。

表3 不同施肥處理對黃瓜氮肥利用和生產效率的影響

Table 3 Effect of fertilization on nitrogen use efficiency, nitrogen recovery rate, agronomic nitrogen use efficiency and physiological nitrogen use efficiency of cucumber relative to combination of fertilizer

處理氮素果實生產效率NFPE/(g·g)-1氮肥回收率NRR/%氮肥農學利用效率ANUE/(g·g-1)氮肥生理利用效率PNUE/(g·g-1)CK423.04±45.20a———CF366.99±40.55ab29.03±5.76c18.48±8.25c63.65±28.43cWOF343.10±54.00b67.53±10.39ab96.86±9.22b143.44±13.65bPOF364.76±27.32ab56.03±3.95b119.75±5.89b213.70±10.51aFOF339.23±17.57b77.90±3.05a160.66±11.34a206.22±14.55c

CK為不施肥對照;CF為化肥;WOF為50%化肥+50%水葫蘆有機肥;POF為50%化肥+50%豬糞有機肥;FOF為50%化肥+50%發(fā)酵床熟化墊料有機肥。 同一列數據后英文小寫字母不同表示不同處理間某指標差異顯著(P<0.05)。“—”表示無數據。

2.5 不同有機肥和化肥配施對土壤微生物區(qū)系的影響

利用PCR-DGGE技術分離黃瓜根際土壤中16S rDNA部分片段PCR產物,可以看到DNA片段被分離為若干條帶,DGGE圖譜見圖3。結果表明不同處理間樣品在DGGE圖譜中電泳條帶數量、強度和遷移率均存在一定差異。

表4表明,各施肥處理香農-威爾指數和豐度均比CK處理有明顯提高,CF、WOF、POF和FOF處理香農-威爾指數分別比CK處理提高5.80%、7.40%、11.71%和8.11%,豐度則由CK處理的38提高到44～50,施肥尤其是施用有機肥能提高土壤中細菌群落多樣性。采用鄰接法(neighbor joining)通過軟件Quantity One對DGGE圖譜進行相似分析。圖4表明5個處理可分為3大類,CK和CF處理群落結構相似,WOF和POF處理群落結構相似,FOF處理單獨歸為一類。這說明施入外源有機物質可能改變土壤細菌群落結構,而施入化肥對土壤細菌群落結構影響不大。

CK─不施肥對照;CF─化肥;WOF─50%化肥+50%水葫蘆有機肥;POF─50%化肥+50%豬糞有機肥;FOF─50%化肥+50%發(fā)酵床熟化墊料有機肥。

表4 不同樣品細菌的香農-威爾指數、豐度和均勻度指數

Table 4 Shannon-Wiener index, richness and evenness of the bacteria in soil samples

處理豐度S香農-威爾指數H均勻度EHCK383.520.97CF443.720.98WOF473.780.98POF543.930.99FOF503.800.97

CK為不施肥對照;CF為化肥;WOF為50%化肥+50%水葫蘆有機肥;POF為50%化肥+50%豬糞有機肥;FOF為50%化肥+50%發(fā)酵床熟化墊料有機肥。

CK─不施肥對照;CF─化肥;WOF─50%化肥+50%水葫蘆有機肥;POF─50%化肥+50%豬糞有機肥;FOF─50%化肥+50%發(fā)酵床熟化墊料有機肥。

3 討論

化肥對于我國糧食豐產起到重要的作用,但是長期施用化肥容易造成土壤理化性狀惡化,過多施用易造成農業(yè)面源污染[17-18];有機肥盡管具有長期效應,但由于分解緩慢,不能滿足當季作物生長養(yǎng)分需求[4]。因此,有機肥和化肥配施可以協(xié)調養(yǎng)分供應,滿足作物全生育期需要,改善土壤生物性狀,提高作物產量和品質;同時也可減少化肥過量施用對土壤和環(huán)境的影響[19]。有機肥和化肥配施刺激了土壤微生物活性,與單施化肥相比更多的無機氮被固定在微生物體內,從而避免了前期過多的無機氮存在于土壤中而產生揮發(fā)損失;當作物需肥量增加時,土壤中沒有更多的能源物質來維持微生物的生命活動,大量的微生物相繼死亡,被固持在這些微生物體內的這部分氮素釋放出來供作物吸收利用[20-22]。水葫蘆有機肥、豬糞有機肥和發(fā)酵床熟化墊料有機肥與化肥配施處理的黃瓜產量明顯增加,增幅在20%左右,其中發(fā)酵床熟化墊料有機肥與化肥配施效果最好。從黃瓜品質方面來看,3種有機肥和化肥配施處理黃瓜果實體內維生素C含量比CF處理增加10%左右,可溶性糖和硝酸鹽含量差異不顯著,說明有機肥和化肥配施未降低黃瓜品質,甚至可提高黃瓜的維生素C含量。

氮素利用率不僅可以反映單位施肥量對作物產量的影響,同時反映作物對肥料的回收利用效率,因此從提高作物產量、減少肥料損失、防止環(huán)境污染方面均具有重要意義[23]。有機無機肥配施可以改善土壤的供氮能力,明顯增加水稻地上部氮素積累量,加速氮素向籽粒的轉運,提高水稻對氮素的吸收利用效率[3]。不同的有機無機肥配施對玉米的氮素吸收量、氮素損失量以及氮素利用率不同,適宜的秸稈、牛糞和雞糞還田量能明顯提高氮肥利用率[24]。水葫蘆有機肥與化肥配施在黃瓜果實氮素積累量方面高于其他2種有機肥與化肥配施,然而在氮肥回收率、氮肥農學利用率方面發(fā)酵床熟化墊料有機肥與化肥配施最高。因此,與CF處理相比,有機肥與化肥配施能提高氮素利用效率,但是不同來源的有機肥與化肥配施在氮素利用效率上存在明顯差異。

有機無機肥配施在提高作物產量的同時可以改變土壤微生物群落碳源代謝模式,提高土壤微生物群落碳源利用能力,但是由于不同的有機肥施入后造成土壤中碳源及營養(yǎng)元素物質組成和含量差異，使微生物群落結構發(fā)生不同的變化[25]。利用PCR-DGGE技術分析紅壤中細菌和真菌群落組成和多樣性的變化,發(fā)現不同施肥方式可以導致微生物群落結構顯著差異,施用有機肥和生物炭顯著增加了細菌多樣性,但施肥造成次年真菌多樣性下降[26]。長期有機無機肥配施可以改變土壤細菌和真菌的群落結構,提高土壤酶活性,提高農田生態(tài)系統(tǒng)的生產力并對生態(tài)系統(tǒng)健康有改善作用[27]。到目前為止,與其他分析技術相比,盡管PCR-DGGE技術存在一些不足,但仍然是一種比較常見的研究不同環(huán)境中微生物群落變化的工具。施入外源有機物質可以改變土壤的細菌群落結構,而施入化肥對土壤的細菌群落結構影響不大。因此,應當鼓勵農民在生產過程中采用有機肥和化肥配施的方式,減少化學肥料的使用,降低對環(huán)境的不良影響。

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(責任編輯： 陳 昕)

Effect of Combined Application of Chemical Fertilizer With Organic Manure on Cucumber Yield and Soil Microbial Diversity.

LUO Jia, LIU Li-zhu, WANG Tong, YAN Shao-hua, LU Xin, FAN Ru-qin, ZHANG Zhen-hua

(Institute of Agricultural Resource and Environmental Sciences, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China)

Combined application of chemical fertilizer with organic manure has obvious advantages over application of chemical fertilizer or organic manure alone in terms of crop yield, but little has been reported about effect of the combination on soil microbial diversity. A greenhouse experiment was conducted to investigate effects of the combined application of chemical fertilizer with organic manure on cucumber yield and soil microbial diversity. The experiment was designed to have 5 treatments, that is, Treatment CK (no fertilization), Treatment CF [chemical fertilizer,w(N)∶w(P2O5)∶w(K2O)=15∶15∶15], Treatment WOF (NPK +water hyacinth), Treatment POF (NPK + pig manure) and Treatment FOF (NPK + fermented bedding). All the treatments, except for Treatment CK, were the same in N input and the combination followed 1∶1 ratio. Results show that the treatments of combined application were higher than or equal to Treatment CF in cucumber yield. Treatment FOF in particular was 26.77% higher, and followed by Treatment WOF. The combined fertilization was found to be able to maintain or raise cucumber yield and improve quality of the fruit as well. The cucumbers from the treatments of combined fertilization were about 30% higher than those from Treatment CF in Vitamin C content. The combined fertilization also improved nitrogen use efficiency, but the effect varied sharply from treatment to treatment. PCR-DGGE shows that soil bacteria community structure in the five treatments could be classified into three groups. Treatments CK and CF were quite similar in soil bacterial community structure and Treatments WOF and POF were similar too, while Treatment FOF was unique. The treatments of combined fertilization, regardless of source of organic manure, all increased the Shannon-Wiener index and abundance of soil bacteria by as far as over 5% as compared with Treatment CF,which indicates that application of extraneous organic matter could alter structure of the soil microbial community and improve soil microbial diversity, but the application of chemical fertilizer (CF) has little effect on the soil microbial community structure.

organic manure;chemical fertilizer;combined fertilization;cucumber;soil microbial diversity

2015-09-06

公益性行業(yè)(農業(yè))科研專項(201203050);江蘇省農業(yè)科技自主創(chuàng)新資金〔CX(15)1003〕

X53;S141.2

A

1673-4831(2016)05-0774-06

10.11934/j.issn.1673-4831.2016.05.013

羅佳(1982—),男,江蘇濱海人,副研究員,博士,主要從事污染物治理及資源化利用研究。E-mail: luo-jia-428@163.com

① 通信作者E-mail: zhenhuaz70@hotmail.com