辣椒秸稈還田量對(duì)西瓜根際土壤微環(huán)境及西瓜品質(zhì)的影響

秦 濤

（商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 商丘 476000）

全球每年因農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)秸稈廢棄物約70 億t，我國(guó)農(nóng)業(yè)種植產(chǎn)生的秸稈量為10.4億t[1?2]，占世界總量的1/7 以上。農(nóng)業(yè)秸稈廢棄物含有豐富的氮磷鉀等礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素，秸稈還田可增加土壤有機(jī)質(zhì)、培肥地力、改良土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤酶活性，促進(jìn)下茬作物生長(zhǎng)[3]。另外，秸稈還田還能解決秸稈處理難的問(wèn)題，減少環(huán)境污染。但秸稈還田量并非越多越好，其受到還田方式[4]、還田秸稈種類、下茬作物等多種因素的影響。此外，秸稈還田易導(dǎo)致土壤碳氮比（C/N）失調(diào)，秸稈腐解時(shí)期常出現(xiàn)與苗爭(zhēng)氮的現(xiàn)象[5]，進(jìn)而影響植株生長(zhǎng)狀況。過(guò)高的秸稈還田量不僅不利于土壤速效養(yǎng)分的積累和作物單產(chǎn)的提高[6]，還易造成植株葉綠素含量和干質(zhì)量降低[7]。因此，探尋適宜的秸稈還田量對(duì)改良土壤、減少化肥施用量、提高作物產(chǎn)量、改善品質(zhì)具有重要意義。

西瓜、辣椒輪作是黃淮地區(qū)的主要輪作方式之一。辣椒于秋季采收結(jié)束后，秸稈從田間移出，被堆放在地頭、道路兩旁、房前屋后或者遺棄在溝河之中，這不僅不利于美麗鄉(xiāng)村的建設(shè)，還造成大量農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物資源浪費(fèi)，因此加快辣椒秸稈還田再利用研究具有既迫切又重要的現(xiàn)實(shí)意義。當(dāng)前有關(guān)辣椒秸稈還田種植茄果類作物[8?9]的栽培模式已見(jiàn)報(bào)道，而辣椒秸稈還田對(duì)西瓜根際土壤微環(huán)境及西瓜生理特性等方面的影響研究尚未見(jiàn)報(bào)道。因此，將辣椒秸稈粉碎旋耕還田，研究辣椒秸稈不同還田量對(duì)西瓜根際土壤養(yǎng)分、微生物、酶活性以及西瓜單瓜質(zhì)量、品質(zhì)風(fēng)味的影響，為確定西瓜栽培中辣椒秸稈適宜的還田量，增加西瓜產(chǎn)量、改善西瓜品質(zhì)風(fēng)味提供理論支持，并為辣椒秸稈循環(huán)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2020 年1—5 月在商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院試驗(yàn)站進(jìn)行，供試西瓜品種為中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院育成的雜交種美秀。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共設(shè)置4 個(gè)處理和1 個(gè)對(duì)照（CK），處理和對(duì)照均3 次重復(fù)，共15個(gè)小區(qū)。每小區(qū)長(zhǎng)8 m、寬6 m，面積為48 m2，每小區(qū)種植西瓜60 株，小區(qū)間隔離帶寬2 m。4 個(gè)處理辣椒秸稈還田量分別為4 500、9 000、16 500、27 000 kg/hm2，分別記為L(zhǎng)300、L600、L1100、L1800，對(duì)照（CK）不進(jìn)行秸稈還田。2020 年1 月5 日，用粉碎機(jī)將辣椒秸稈粉碎成長(zhǎng)度0.5 cm 左右的小段，然后按還田量稱取相應(yīng)質(zhì)量的秸稈均勻撒于旋耕過(guò)的小區(qū)表面，同時(shí)在各個(gè)小區(qū)普施尿素（N 46%）225 kg/hm2、磷 酸 氫 二 銨（N 18%,P2O551%）150 kg/hm2、硫 酸 鉀（K2O 48%）275 kg/hm2，折 合 純N 130.5 kg/hm2、P2O576.5 kg/hm2、K2O 132 kg/hm2，再用小型旋耕機(jī)分別對(duì)各個(gè)小區(qū)進(jìn)行旋耕，將秸稈翻入土壤，翻深22 cm 左右。2020 年1 月15 日播種西瓜，3月1日定植，5月10日收獲。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

2020 年4 月1 日取各處理土壤，測(cè)定西瓜根際土壤養(yǎng)分含量、微生物數(shù)量和酶活性。采用S 形5點(diǎn)取樣法取0～20 cm 根際土樣，混勻后，從中取一部分自然風(fēng)干用于測(cè)定土壤酶活性，再?gòu)闹腥∫徊糠盅b入無(wú)菌袋，密封后于4 ℃條件下保存，用于測(cè)定微生物數(shù)量。5 月10 日測(cè)定西瓜單瓜質(zhì)量和品質(zhì)指標(biāo)。

土壤速效磷含量采用NaHCO3-鉬銻抗比色法測(cè)定，速效鉀含量采用火焰光度計(jì)比色法測(cè)定，有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定[10]，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量采用全自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀Smartchem 200（意大利產(chǎn)）測(cè)定；土壤細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量和微生物總量采用稀釋平板計(jì)數(shù)法測(cè)定[11]；土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和過(guò)氧化氫酶活性分別采用3,5-二硝基水楊酸比色法、靛酚比色法、磷酸苯二鈉比色法和高錳酸鉀（KMnO4）滴定法測(cè)定[12]。單瓜質(zhì)量采用河北信騰生物科技有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為XT-B 的電子天平稱量，皮厚用游標(biāo)卡尺測(cè)量，西瓜中心可溶性固形物和邊際可溶性固形物采用浙江托普儀器有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為L(zhǎng)B50T的測(cè)糖儀測(cè)定，有機(jī)酸含量采用氫氧化鈉（NaOH）滴定法測(cè)定[13]。每個(gè)指標(biāo)均進(jìn)行3 次重復(fù)，取平均值。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Excel 2007 軟件處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用DPS 6.55軟件進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 辣椒秸稈還田對(duì)西瓜根際土壤養(yǎng)分含量的影響

由表1 得出，辣椒秸稈還田能夠增加西瓜根際土壤速效磷、速效鉀、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和有機(jī)質(zhì)含量，且不同秸稈還田量的影響不同。其中，速效磷、速效鉀、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量隨秸稈還田量的增加均表現(xiàn)出先升高再降低的單峰變化規(guī)律，除L300處理下上述指標(biāo)與對(duì)照差異不顯著外，L600、L1100、L1800 均與對(duì)照差異顯著（P＜0.05）。L1100 處理下速效磷、速效鉀、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量最高，較對(duì)照分別增加13.86%、19.50%、51.29%、41.73%，表明該處理下的秸稈還田量較其他3個(gè)處理更有利于上述養(yǎng)分指標(biāo)的提高，也說(shuō)明土壤養(yǎng)分與秸稈還田量并非成正比。隨著秸稈還田量的增加，西瓜根際土壤有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)逐漸上升的態(tài)勢(shì)，且在L1800 處理下最高，L1100 處理次之，但二者差異不顯著（P＞0.05）。

表1 辣椒秸稈還田對(duì)西瓜根際土壤養(yǎng)分含量的影響Tab.1 Effect of pepper straw returning on nutrient content of watermelon rhizosphere soil

2.2 辣椒秸稈還田對(duì)西瓜根際土壤微生物數(shù)量的影響

由表2 可以得出，辣椒秸稈還田處理下的西瓜根際土壤細(xì)菌、放線菌、真菌數(shù)量和根際微生物總量均高于不還田處理。隨著秸稈還田量的增加，西瓜根際土壤細(xì)菌、放線菌、真菌數(shù)量和根際微生物總量均呈現(xiàn)先升高再降低的單峰變化規(guī)律，在L1100 處理下最大，較對(duì)照分別增加76.88%、60.70%、33.79%、42.80%，說(shuō)明秸稈還田可有效增加西瓜根際土壤微生物數(shù)量，但并不是秸稈還田量越大，根際土壤微生物數(shù)量就越多。4 個(gè)處理的細(xì)菌數(shù)量和微生物總量均與對(duì)照差異顯著（P＜0.05）；除L300 處理外，L600、L1100、L1800 處理的放線菌和真菌數(shù)量均與對(duì)照差異顯著（P＜0.05）。另外，從表2還可以得出，西瓜根際土壤細(xì)菌數(shù)量最多，放線菌次之，真菌最少，細(xì)菌為微生物菌群中的優(yōu)勢(shì)菌。

2.3 辣椒秸稈還田對(duì)西瓜根際土壤酶活性的影響

由表3 可以看出，辣椒秸稈不同還田量對(duì)西瓜根際土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和過(guò)氧化氫酶活性的影響存在差異。隨著辣椒秸稈還田量的增加，西瓜根際土壤蔗糖酶活性呈現(xiàn)逐漸升高的變化趨勢(shì)，在L1800 處理下活性最高，為12.50 mg/(g·d)，說(shuō)明秸稈還田能夠增加西瓜根際土壤有機(jī)碳的積累和轉(zhuǎn)化。蔗糖酶活性在L300 處理下較對(duì)照增加4.47%，L600 處理較L300 處理增加5.18%，L1100 處理較L600 處理增加25.27%，L1800 處理較L1100 處理增加6.84%，L1800 處理下蔗糖酶活性雖然呈升高趨勢(shì)但增幅卻呈下降趨勢(shì)。與對(duì)照相比，4 個(gè)秸稈還田處理的西瓜根際土壤脲酶和磷酸酶活性均升高，最大值均出現(xiàn)在L1100處理下，較對(duì)照分別顯著增加32.65%和24.66%，表明秸稈還田能提高西瓜根際土壤脲酶和磷酸酶活性，為土壤增加氮源和磷素。4個(gè)秸稈還田處理下的過(guò)氧化氫酶活性均高于對(duì)照，且均與對(duì)照差異顯著（P＞0.05），在L600 處理下最大[2.59 mL/(g·d)]，但L1100 處理與其差異不顯著（P＞0.05）。

表3 辣椒秸稈還田對(duì)西瓜根際土壤酶活性的影響Tab.3 Effects of pepper straw returning on enzyme activities of watermelon rhizosphere soil

2.4 辣椒秸稈還田對(duì)西瓜產(chǎn)量品質(zhì)的影響

由表4 可知，與對(duì)照相比，4 個(gè)秸稈還田處理均提高了西瓜單瓜質(zhì)量,其中L1100 處理下最大，L1800 處理次之，但二者差異不顯著（P＞0.05），較對(duì)照分別提高37.77%、28.72%，說(shuō)明秸稈還田可顯著提高單瓜質(zhì)量，有利于后期單產(chǎn)的提高。L300、L600、L1100 處理下西瓜皮厚與對(duì)照差異不顯著（P＞0.05），L1800 處理較對(duì)照顯著增加23.94%。西瓜中心可溶性固形物和邊際可溶性固形物含量均隨秸稈還田量的增加呈現(xiàn)先增后降的單峰變化規(guī)律，在L1100 處理下最大，較對(duì)照分別增加9.85%和30.57%，表明秸稈還田在提高西瓜中心糖度的同時(shí)，更有利于西瓜邊際糖度的提高。中邊差以L1100 處理下最小，較對(duì)照降低28.68%，表明該處理可減少西瓜的甜度梯度，增加口感。秸稈還田能夠提高西瓜果實(shí)有機(jī)酸含量，且以L1100 處理下相對(duì)較低。綜合而言，L1100 處理的秸稈還田量可顯著提高西瓜單瓜質(zhì)量，增加西瓜甜度，改善西瓜品質(zhì)。

表4 辣椒秸稈還田對(duì)西瓜品質(zhì)的影響Tab.4 Effect of pepper straw returning on watermelon quality

3 結(jié)論與討論

秸稈還田對(duì)增加農(nóng)田土壤肥力、減少化肥用量、提高保水保肥能力、改善土壤理化性質(zhì)等有重要作用。鄒清祺等[14]研究指出，小麥秸稈還田可顯著提高玉米茬土壤速效磷和速效鉀含量，且以秸稈粉碎還田效果最佳。施驥等[15]研究認(rèn)為，隨著水稻和玉米秸稈還田量的增加，田間土壤速效磷和速效鉀含量呈上升趨勢(shì)。本試驗(yàn)結(jié)果表明，西瓜根際土壤速效磷和速效鉀含量隨辣椒秸稈還田量的增加呈現(xiàn)先升高后降低的變化規(guī)律，且在秸稈還田量16 500 kg/hm2時(shí)最大，試驗(yàn)結(jié)果與前人研究結(jié)論并不完全一致，這可能與不同試驗(yàn)設(shè)置的秸稈還田量、土壤自身理化性質(zhì)等多種因素有關(guān)。本試驗(yàn)條件下，辣椒秸稈還田量達(dá)到27 000 kg/hm2時(shí)，西瓜根際速效磷和速效鉀含量開始下降，這可能是因?yàn)榻斩掃€田量過(guò)高時(shí)，土壤微生物所在的微環(huán)境發(fā)生改變，微生物數(shù)量減少，微生物活動(dòng)產(chǎn)生的酶活性也降低，使秸稈腐解的速率下降，秸稈中養(yǎng)分向土壤中釋放的速率也隨之降低。硝態(tài)氮和銨態(tài)氮是土壤中速效氮的2 種主要形態(tài)，它們常用于表征土壤供氮水平的高低[16]，且是可以被植株根系直接吸收的無(wú)機(jī)氮肥。本試驗(yàn)結(jié)果表明，秸稈還田可以增加土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量，但在秸稈還田量0～16 500 kg/hm2時(shí)，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量增加，而當(dāng)秸稈還田量達(dá)到27 000 kg/hm2時(shí)卻降低。這是因?yàn)?，土壤中的氮素只有?jīng)過(guò)微生物的分解、礦化才能成為可被根系吸收利用的速效氮[17]，而微生物的分解、礦化作用又與被降解的底物有關(guān)。當(dāng)被降解底物含量不超出一定閾值時(shí)，微生物通過(guò)礦化作用向土壤中釋放無(wú)機(jī)氮；當(dāng)被降解底物含量超出一定閾值時(shí)，微生物為了維持正常的代謝活動(dòng)必須從土壤中吸收無(wú)機(jī)氮素[18]。本試驗(yàn)中，辣椒秸稈還田量為27 000 kg/hm2時(shí)，土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量不升反降，是因?yàn)榻斩捥砑恿窟^(guò)高，微生物在分解秸稈時(shí)與土壤爭(zhēng)氮所致。土壤有機(jī)質(zhì)是衡量土壤肥力和土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，而作物秸稈因含有豐富的半纖維素、纖維素、木質(zhì)素等物質(zhì)常被作為土壤有機(jī)質(zhì)的重要來(lái)源。前人研究表明，秸稈還田能夠有效提高土壤的有機(jī)質(zhì)含量，培肥地力，改善土壤質(zhì)量[19]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，辣椒秸稈還田能夠顯著提高西瓜根際土壤有機(jī)質(zhì)含量，且有機(jī)質(zhì)含量隨秸稈還田量的增多而增加，這與秸稈還田引起的“激發(fā)效應(yīng)”有關(guān)，秸稈還田后刺激微生物分泌腐解秸稈的胞外酶，使秸稈逐漸被分解為可被利用的有機(jī)碳[20]。

土壤微生物為土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與循環(huán)過(guò)程提供動(dòng)力，在有機(jī)質(zhì)分解及腐殖質(zhì)形成過(guò)程中起重要作用[21]。細(xì)菌、真菌、放線菌是土壤微生物的三大主要菌類，其中細(xì)菌是土壤微生物的主體，占土壤微生物總量的70%～90%，對(duì)秸稈的分解有重要作用；真菌對(duì)有機(jī)物料的降解和腐殖化有重要影響[22]；放線菌對(duì)木質(zhì)素的分解起重要作用。李純燕等[23]研究得出，秸稈粉碎后深翻能有效增加土壤真菌、細(xì)菌和放線菌數(shù)量。徐蔣來(lái)等[24]研究得出，水稻小麥周年輪作種植全田秸稈50%的還田量有利于土壤細(xì)菌、放線菌數(shù)量的增加，而75%的還田量有利于土壤真菌數(shù)量的增加。高日平等[25]研究指出，玉米田秸稈總量50%的還田量有利于玉米全生育期土壤微生物數(shù)量的增加。本試驗(yàn)結(jié)果表明，與對(duì)照相比，4個(gè)秸稈還田處理下的根際土壤細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量均得到提高，試驗(yàn)結(jié)果與前人一致。另外，本試驗(yàn)結(jié)果還表明，西瓜根際微生物數(shù)量并不隨秸稈還田量的增加而保持上升趨勢(shì)，而且在秸稈還田量為16 500 kg/hm2時(shí)根際土壤細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量和根際微生物總量最大，繼續(xù)增加秸稈還田量至27 000 kg/hm2時(shí)上述指標(biāo)均降低，這可能是因?yàn)榻斩掃€田能夠?yàn)槲⑸锷L(zhǎng)提供充足的碳源，進(jìn)而對(duì)微生物數(shù)量及微生物區(qū)系產(chǎn)生影響[26]。當(dāng)秸稈還田量在適宜范圍內(nèi)時(shí)，充足的碳源刺激微生物的大量繁殖，而當(dāng)秸稈還田量過(guò)大時(shí)提高了土壤中的C/N，迫使微生物在進(jìn)行生命活動(dòng)時(shí)必須從土壤中爭(zhēng)奪氮素，氮素的缺乏降低了微生物的代謝水平，從而抑制微生物數(shù)量的增加[27]。另外，土壤含氧量的降低能夠在一定程度上抑制好氧微生物的繁殖。秸稈還田量過(guò)大會(huì)使土壤生態(tài)環(huán)境與外界物質(zhì)交換的能力受阻，可使土壤中氧氣含量降低。同時(shí)，有研究表明，秸稈還田能夠提高土壤呼吸速率[28]，還田量過(guò)高的土壤呼吸速率過(guò)大，進(jìn)一步降低土壤含氧量，從而抑制土壤微生物數(shù)量的增加。

土壤酶是土壤生態(tài)系統(tǒng)的核心[29]，土壤酶活性在土壤能量轉(zhuǎn)化及物質(zhì)循環(huán)過(guò)程中有重要作用，能夠反映土壤中各種生物化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的強(qiáng)弱[30]和預(yù)測(cè)土壤肥力的演變趨勢(shì)。涂建平等[31]研究指出，秸稈還田較不還田處理能夠顯著提高蔗糖酶、脲酶等土壤酶活性。蘇秦[32]研究認(rèn)為，在麥玉輪作模式下進(jìn)行秸稈還田能提高土壤酶活性，且土壤酶活性與秸稈還田量呈正比。路文濤等[33]通過(guò)秸稈還田試驗(yàn)研究得出，秸稈還田處理0～60 cm 土層脲酶、酸性磷酸酶活性均低于不還田處理，且秸稈還田處理在0～40 cm 土層的脲酶活性差異不顯著?？梢?jiàn)，不同試驗(yàn)條件下秸稈還田對(duì)土壤酶活性變化規(guī)律的影響并不完全一致，這可能與秸稈種類、還田量、還田模式、茬口、土壤質(zhì)地及當(dāng)?shù)貧夂驐l件等多種因素共同作用有關(guān)。本試驗(yàn)條件下，辣椒秸稈還田量為4 500、9 000、16 500 kg/hm2時(shí)，可有效提高西瓜根際土壤脲酶、磷酸酶和過(guò)氧化氫酶活性，而當(dāng)秸稈還田量達(dá)到27 000 kg/hm2時(shí)上述酶活性又降低，這可能是因?yàn)檫m宜范圍內(nèi)的秸稈還田能夠?yàn)槲⑸锾峁┏渥愕臓I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，提高微生物活性，促進(jìn)微生物繁殖，而土壤微生物數(shù)量的增加伴隨著包括土壤酶在內(nèi)的分泌物數(shù)量的增多，從而提高酶活性；當(dāng)秸稈還田量過(guò)高時(shí)，致使土壤C/N失調(diào)，微生物繁殖受到抑制，數(shù)量減少，進(jìn)而引起土壤酶等分泌物的減少[34]，酶活性也隨之降低。蔗糖酶活性雖隨辣椒秸稈還田量持續(xù)增加，但在還田量為27 000 kg/hm2時(shí)增幅明顯減小，這可能也與土壤酶C/N 失調(diào)致使微生物分泌土壤酶的數(shù)量減少有關(guān)。

單瓜質(zhì)量大小直接影響單產(chǎn)的高低，瓜皮厚度直接關(guān)系到西瓜可食部分的多少，可溶性固形物含量和中邊差是反映西瓜口感的重要指標(biāo)之一，有機(jī)酸含量是影響果實(shí)品質(zhì)的重要因素[35?36]。本試驗(yàn)條件下，辣椒秸稈還田量為16 500 kg/hm2時(shí)，西瓜單瓜質(zhì)量最大，中心可溶性固形物、邊際可溶性固形物含量最高，說(shuō)明辣椒秸稈還田能夠有效提高西瓜單瓜質(zhì)量，改善西瓜品質(zhì)。其原因可能該是，秸稈還田增加土壤礦質(zhì)元素含量，改善土壤肥水氣熱環(huán)境，提高西瓜根系活力，使葉片光合能力增強(qiáng)，光合產(chǎn)物的有效積累提高了單瓜質(zhì)量、可溶性固形物含量等，從而提高產(chǎn)量、改善果實(shí)品質(zhì)。本試驗(yàn)結(jié)果還表明，辣椒秸稈還田量為16 500 kg/hm2時(shí)，西瓜果肉中邊差最小，瓜皮厚度與對(duì)照差異不顯著，說(shuō)明此秸稈還田量最有利于西瓜口感的提升，且在提高西瓜產(chǎn)量、改善品質(zhì)的前提下，并未減少果肉在果實(shí)中的占比。