沼液和菌菇渣多年施用對日光溫室番茄生長發(fā)育及根際土壤環(huán)境的影響

樊銘璽， 周永馨， 馬宇陽， 陳曉峰

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺研究院，山東 煙臺 264670）

0 引言

改革開放以來，我國設(shè)施農(nóng)業(yè)取得了長足的發(fā)展，設(shè)施蔬菜栽培面積從1980 年的0.7 萬hm2逐漸擴(kuò)大到2020 年的410 萬hm2，2021 年我國西紅柿種植面積約111.3 萬hm2，占番茄總面積的57.2%，位居我國設(shè)施栽培播種面積第1 位[1-2]。普羅旺斯是由荷蘭引進(jìn)的一個新型水果型番茄，果形多樣，具有較高的營養(yǎng)價值，含有人體所必需的營養(yǎng)元素和抗氧化物質(zhì)，主要包括鈣、鎂、鐵、鋅，以及番茄紅素、β-胡蘿卜素、黃酮類物質(zhì)和維生素C[3-5]。但其生長發(fā)育對水肥要求嚴(yán)格，施肥不當(dāng)容易造成幼苗徒長、果實(shí)品質(zhì)下降等問題[6]。因此，合理施肥是保證番茄生長環(huán)境的關(guān)鍵。

目前，設(shè)施栽培中存在土壤連作、化肥濫用造成土壤板結(jié)嚴(yán)重，導(dǎo)致番茄產(chǎn)量下降、品質(zhì)和種植效益降低等問題。而生物有機(jī)肥能夠較好地解決上述問題，因此在設(shè)施栽培中被廣泛使用。根據(jù)已有研究主要針對不同處理下番茄一定試驗(yàn)時期（一季或一年）栽培耕作制度內(nèi)的生長發(fā)育特性和對土壤環(huán)境的影響，其對沼液和菌菇渣多年配施下番茄的生長發(fā)育狀況與番茄根際土壤基本理化性質(zhì)變化的研究未見報道[7-9]。

沼液是畜禽糞污厭氧發(fā)酵處理后的產(chǎn)物，含有蔬菜生長發(fā)育所需的氮、磷、鉀等礦質(zhì)營養(yǎng)元素，以及氨基酸、腐殖酸、赤霉素和吲哚乙酸等生物活性成分；菌菇渣是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的有機(jī)固體廢棄物，其還田施用不僅起到降低土壤容重、提高pH 值的作用，還可增加土壤微生物群落及土壤酶活性，有利于減輕連作障礙，改善土壤質(zhì)量[10-11]。厭氧發(fā)酵后的沼液和未經(jīng)腐熟的菌菇渣還田初期與土壤微生物存在競爭關(guān)系，對土壤微生物整體種類和數(shù)量存在影響[12]。

針對番茄種植區(qū)進(jìn)行對比試驗(yàn)，研究4 種不同處理對番茄產(chǎn)量、品質(zhì)、土壤理化性狀和根際微生物群落的影響，探索沼液和菌菇渣施用技術(shù)在番茄生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用條件，旨為設(shè)施栽培中沼液和菌菇渣的合理利用及設(shè)施農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)化發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)自 2019 年9 月—2022 年3 月在山東省煙臺市牟平區(qū)中國農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)實(shí)踐基地西桂農(nóng)場日光溫室內(nèi)進(jìn)行（37°23′07″N，121°34′23″E）。農(nóng)場為三位一體生態(tài)農(nóng)場，采用日光溫室、豬舍和沼液池3 個區(qū)域全封閉的系統(tǒng)進(jìn)行種養(yǎng)結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。溫室面積700 m2（70 m×10 m），其中豬舍面積 60 m2（6 m×10 m）。豬舍內(nèi)飼養(yǎng)育肥豬，年出欄2 批共40 頭（飼養(yǎng)周期6 個月），年產(chǎn)糞污量4 t，育肥豬產(chǎn)生的糞污直接通過漏糞地板排入沼氣池內(nèi)進(jìn)行厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼液，沼氣池體積10 m3。

試驗(yàn)地為中壤土，定植前土壤基本理化性狀如表1 所示。

表1 2019 年定植前土壤的基本理化性狀Tab.1 Basic physiochemical properties of soil before transplanting in 2019

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料采用的黃瓜品種為鮮明一號、不結(jié)球白菜品種為蘇州青及番茄品種為普羅旺斯。供試肥料為豬糞沼液、菌菇渣和 N-P-K 三元復(fù)合肥（15-15-15）。還田沼肥是以豬糞為原料，發(fā)酵周期>90 d 的沼液，如表2 所示。菌菇渣為平菇菇渣，2019 年3 月采收結(jié)束后的廢棄物，原料主要為棉籽殼、木屑和玉米秸，輔料主要為磷酸氫鈣Ca(HPO4)2。晾曬4 個月，風(fēng)干壓碎處理備用，具體理化性質(zhì)如表3 所示。整個試驗(yàn)過程中所用沼液與菌菇渣均為相同批次的產(chǎn)物。

表2 沼液基本理化性質(zhì)Tab.2 Basic physio-chemical properties of biogas slurry單位：mg/kg

表3 風(fēng)干后菌菇渣基本理化性質(zhì)Tab.3 Basic physio-chemical properties of dried mushroom residue

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

日光溫室在第1 次種植前（2019 年8 月）進(jìn)行整地，并將農(nóng)場養(yǎng)殖后充分腐熟發(fā)酵后豬糞作為基肥一次性施入10 m3。整地結(jié)束后采用周年輪作栽培制度（葉菜-黃瓜-番茄循環(huán)種植），最后栽培茬次為冬春茬番茄，于2021 年9 月10 日定植，2021 年12 月20日開始采收，2022 年2 月27 日采收結(jié)束；番茄栽培采用高壟覆地膜栽培，畦高20 cm、頂寬60 cm、溝寬50 cm，株行距35 cm×55 cm。

試驗(yàn)采用單因素變量法分析（除施肥方式外，其余栽培操作均相同），共設(shè)4 個處理：常規(guī)施肥栽培CK[采用 N-P-K（15-15-15）三元復(fù)合肥]、沼液還田BS、菌菇渣還田MR 和沼液與菌菇渣配施BM。每個處理3 個重復(fù)，每個小區(qū)面積11 m2（1.1 m×10 m ），共12 個小區(qū)，每個小區(qū)種植番茄15 株。

根據(jù)不同蔬菜的栽培制度和茬口安排，其追肥情況各不相同。設(shè)施葉菜于每年3 月1 日前后播種，共種植28 d，期間不進(jìn)行追肥；黃瓜于4 月初定植，緩苗后第1 次追肥，于5 月中旬開始采收，隨后20 d 左右追肥1 次，整個生長周期共3 次追肥，7 月底采收結(jié)束；每年8 月進(jìn)行棚室整理，番茄于9 月10 日左右進(jìn)行定植，12 月中下旬進(jìn)行采收，次年2 月底3 月初采收結(jié)束，期間共進(jìn)行3 次澆水。番茄緩苗結(jié)束小水后第1 次追肥，后期（盛果期）每采完1 穗果進(jìn)行1 次追肥，共進(jìn)行5 次追肥。其中，CK 處理采用小區(qū)每次隨水追施氮磷鉀復(fù)合肥（15-15-15）0.5 kg 進(jìn)行追肥，BS 處理在中耕后沼液隨水滴灌施用，MR 處理在菌菇渣施用后不再追施，BM 處理在施用菌菇渣后中耕混勻并澆透水，待水吸收后將沼液原液與水按照1∶5 混合，隨水滴灌施用，每個小區(qū)每次澆水沼液原液用量2 kg。

1.4 項(xiàng)目測定

1.4.1 番茄產(chǎn)量和品質(zhì)測定

番茄進(jìn)入盛果期后，排除每小區(qū)內(nèi)受邊緣效應(yīng)影響的植株，剩余的植株按小區(qū)分批次采收。采收結(jié)束后，將每小區(qū)隨機(jī)標(biāo)記的5 株番茄用蒸餾水洗凈后，濾紙吸干表面水分，測定單果質(zhì)量，并計(jì)算平均單果質(zhì)量和產(chǎn)量[13]。測定完畢后，取部分新鮮番茄組織樣品，分別測定可溶性固形物、總酸度、維生素C 含量、蛋白質(zhì)和果實(shí)硬度?？扇苄怨绦挝锖坑檬殖终酃鈨x測定，維生素C 含量用2，6-二靛酚法測定，總酸度用堿液滴定法測定，蛋白質(zhì)用凱氏定氮法測定，果實(shí)硬度用GY-1 型果實(shí)硬度計(jì)測定[13-17]。

1.4.2 沼液、菌菇渣和土壤各項(xiàng)理化指標(biāo)測定

于第1 次定植前7 d（2019 年9 月1 日）和最后1次采收結(jié)束后7 d（2022 年3 月5 日）分別測定溫室內(nèi)土壤理化性狀。用環(huán)刀法取0～30 cm 土樣，每個小區(qū)梅花形隨機(jī)取樣，取樣后充分混合并用四分法舍棄多余的部分。每小區(qū)保留500 g 左右的樣品，于實(shí)驗(yàn)室條件下去除直徑>2 mm 的石礫、殘留的根系和有機(jī)體，將土壤樣品風(fēng)干、磨細(xì)和過篩后對其進(jìn)行土壤理化性質(zhì)的測定。菌菇渣和沼液于2021 年9 月進(jìn)行采集后低溫保存，返回實(shí)驗(yàn)室后及時進(jìn)行各項(xiàng)理化指標(biāo)的測定。沼液、菌菇渣和土壤的項(xiàng)目測定方法如表4 所示。

表4 土壤理化性狀測定方法Tab.4 Determination methods of soil physiochemical properties

1.4.3 番茄根際土壤微生物數(shù)量測定

于2021 年12 月10 日番茄旺盛生長期采集根際土壤樣品，取樣遵循小區(qū)內(nèi)采取多點(diǎn)分布的原則，清除植被及覆蓋物后，采用抖落法采集根際5～10 cm 深度土壤樣品，將土樣充分混合后置于干冰盒內(nèi)運(yùn)輸回實(shí)驗(yàn)室，放在冰箱中儲存待測[18]。

利用OMBSA 試劑盒E.Z.N.A? Mag-Bind Soil DNA Kit 提取試劑盒進(jìn)行土壤DNA 的提取，利用Qubit3.0 DNA 檢測試劑盒對基因組DNA 精確定量，PCR 所用的引物如表5 所示。第1 輪擴(kuò)增完成后，引入Illumina 橋式PCR 兼容引物進(jìn)行第2 輪的擴(kuò)增。擴(kuò)增后的產(chǎn)物由2%瓊脂糖凝膠電泳檢測文庫大小，使用Qubit3.0 熒光定量儀進(jìn)行文庫濃度測定，后交由生工生物工程（上海）股份有限公司進(jìn)行高通量測序。

表5 用于PCR 檢測的特異引物Tab.5 Specific primers for PCR detection

1.5 數(shù)據(jù)分析

使用PEAR 0.9.8、cutadapt 1.18 和PRINSEQ 0.20.4軟件優(yōu)化微生物序列后，利用Usearch11.0.667 軟件按照97%相似性對序列進(jìn)行OUT 聚類，通過單樣品的多樣性分析（Alpha 多樣性）測定微生物群落的豐度和多樣性。使用軟件R 3.6.0 和統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法，觀測樣本在不同分類水平上的群落結(jié)構(gòu)。

采用WPS 2020、SPSS 26.0 和Origin 8.0 對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

多年處理下的番茄平均產(chǎn)量和品質(zhì)如表6 所示。與CK 處理（小區(qū)產(chǎn)量57.89 kg）相比，BS、MR 和BM 處理的小區(qū)產(chǎn)量均有提高，3 組處理小區(qū)產(chǎn)量分別為 69.08、66.18 和76.12 kg，分別提高了19.33%、14.32%和31.49%； BS、MR 和MR 處理番茄產(chǎn)量基本一致，BM 處理番茄產(chǎn)量更高。說明相比CK 處理，其余3 組處理均可提高番茄的產(chǎn)量，并且BM 處理的效果更顯著。

表6 不同處理對番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的影響Tab.6 Effects of different treatments on yield and quality of tomato

4 組處理對番茄的總酸度有一定影響，但差異不顯著；4 組處理對番茄的蛋白質(zhì)、果實(shí)硬度、可溶性固形物和維生素C 含量影響差異顯著。與CK 處理相比，BS 和MR 處理蛋白質(zhì)、果實(shí)硬度、可溶性固形物和維生素C 含量基本一致，分別升高26.37%～27.43%、20.69%～23.12%、13.38%～15.21%和22.66%～23.22%，而BM 處理各含量分別提高26.37%、12.52%、13.38%和22.66%。相對于化肥還田施用（CK 處理），生物有機(jī)肥單獨(dú)施用（BS 和MR 處理）和混合施用（BM 處理）條件下番茄果實(shí)的品質(zhì)較好，并且沼液和菌菇渣混合施用效果最好。其他試驗(yàn)因素對番茄品質(zhì)參數(shù)的交互作用無顯著性差異，因此在種植同一品種的情況下，單獨(dú)和混合施用生物有機(jī)肥的兩組效果更好。

2.2 不同處理對土壤基本理化性質(zhì)的影響

由表7 可知，2019—2022 年3 年時間，BM 處理土壤有機(jī)質(zhì)含量較高（23.26 g/kg），BS 和MR 處理次之，CK 處理最低。與定植前的數(shù)據(jù)相比，BM、BS 和MR 處理有機(jī)質(zhì)含量分別升高37.63%、0.41%、12.78%，CK 處理降低10.00%。對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，4 種處理數(shù)據(jù)間有顯著性差異，說明BS、MR 和BM 處理對于土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高有顯著的影響。

表7 不同處理對土壤理化性狀的影響Tab.7 Effects of different treatments on soil physio-chemical properties

與CK 處理相比，BS、MR 和BM 處理土壤中堿解氮、速效磷和速效鉀的含量較高。3 個處理堿解氮含量分別增加212.09%、48.10%和115.55%，速效磷含量分別增加2.70%、7.71%和14.56%；BS 和BM 處理速效鉀含量分別增加36.52%和20.44%，MR 處理降低22.58%?；屎驼右褐泻写罅康腘、P、K 元素，可及時補(bǔ)充作物生長所需養(yǎng)分，而菌菇渣在短時間內(nèi)無法腐熟釋放補(bǔ)充營養(yǎng)元素；因此相對于BS 和BM 處理，MR 處理土壤中營養(yǎng)元素的含量增幅較小或呈下降趨勢[19-20]。

與定植前土壤原始數(shù)據(jù)相比，CK、BS、MR 和BM 處理堿解氮含量分別增加6.97%、190.33%、37.77%和100.52%；CK 處理速效磷和速效鉀含量分別降低3.02%和38.31%，其他3 組試驗(yàn)組的速效磷分別增加5.79%、10.96%、18.02%，速效鉀分別增加88.83%、7.08%和66.58%。與定植前數(shù)據(jù)相比，4 組不同處理下的堿解氮和速效鉀含量均存在極顯著性差異，但BS 處理全氮含量的增幅較大，CK 堿解氮含量的增幅較大。說明施用沼液顯著增加了土壤的全氮含量，對土壤堿解氮含量的增加不如施用化肥顯著。

對比不同處理下土壤EC值，BS 處理土壤EC值最高，為3.12 ms/cm，與定植前相比下降617.50%；CK 和BM 處理的土壤EC值較高，分別為2.87 和2.85 ms/cm， 與定植前相比分別增加680.00%和612.50%； 而MR 處 理 土 壤EC值 相 對 較 低， 為1.01 ms/cm，與定植前相比增加152.50%。對4 個處理間土壤EC值進(jìn)行檢驗(yàn)分析，各處理間數(shù)據(jù)差異顯著，說明施用沼液或沼液與菌菇渣混合施用會使土壤的可溶性鹽濃度顯著增加，而不會造成土壤過分鹽漬化。

相較于定植前，3 年后的土壤孔隙度變化不大，4組處理土壤孔隙度變化范圍42.13%～49.23%，增幅12.32%～25.08%；土壤偏酸性（3 年后4 組處理的pH值6.3～6.6），適合番茄生長。

2.3 不同處理對番茄根際微生物的影響

2.3.1 古菌群落組成與群落結(jié)構(gòu)

由圖1 可知，多年后4 組處理下土壤中主要古菌門種類基本相同，為廣古菌門（Euryarchaeota）、佩斯 古 菌 門 （Pacearchaeota）、 奇 古 菌 門（Thaumarchaeota）、烏斯古菌門（Woesearchaeota）和未分類古菌（Unclassified-Archaea）。其中，將相對豐度≥1%的古菌門定義為優(yōu)勢古菌門；CK 處理優(yōu)勢古菌門及其相對豐度為廣古菌門（1%）、佩斯古菌門（1%）、奇古菌門（91%）、烏斯古菌門（5%）和未分類古菌（2%）；BS 處理的優(yōu)勢古菌門及其相對豐度為佩斯古菌門（4%）、奇古菌門（76%）、烏斯古菌門（6%）和未分類古菌（14%）；MR 處理的優(yōu)勢古菌門及其相對豐度為佩斯古菌門（3%）、奇古菌門（70%）、烏斯古菌門（19%）和未分類古菌（7%）；BM 處理的優(yōu)勢古菌門及其相對豐度為佩斯古菌門（5%）、奇古菌門（74%）、烏斯古菌門（12%）和未分類古菌（8%）。

圖1 番茄根際土壤古菌群落結(jié)構(gòu)Fig.1 Community structure of archaea in rhizosphere soil of tomato

與CK 處理相比，BS 處理使奇古菌門的相對豐度降低20%，使佩斯古菌門和未分類古菌的相對豐度分別增加200%和500%；MR 處理使奇古菌門的相對豐度降低29%，使烏斯古菌門和佩斯古菌門相對豐度分別增加300%和230%；BM 處理使奇古菌門的相對豐度降低22%，使烏斯古菌門和未分類古菌的相對豐度分別增加160%和250%。

2.3.2 細(xì)菌群落組成與群落結(jié)構(gòu)

土壤主要細(xì)菌群如圖2 所示，CK、BS、MR 和BM 處理土壤主要菌群均為變形菌門（Proteobacteria）、擬 桿 菌 門 （Bacteroidetes） 、 酸 桿 菌 門（Acidobacteria）、浮霉菌門（Planctomycetes）、放線菌門（Actinobacteria）、疣微菌門（Verrucomicrobia）、芽 單 胞 菌 門（Gemmatimonadetes） 、 綠 彎 菌 門（Chloroflexi）、擬桿菌門（Firmicutes）、TM7 菌門（Candidatus-Saccharibacteria） 、 OD1 菌 門（Parcubacteria）、未分類細(xì)菌（Unclassified-bacteria）和Other（所有樣本中豐度占比<1%的物種記為Other）。對4 組處理群落相對豐度前10 的細(xì)菌門進(jìn)行分析，變形菌門（45.20%～51.77%）、擬桿菌門（7.74%～13.87%）、酸桿菌門（5.79%～10.92%）、浮霉菌門（3.78%～7.84%）、放線菌門（2.21%～4.86%）、疣微菌門（1.91%～3.30%）、芽單胞菌門（1.01%～1.94%）、綠彎菌門（1.50%～1.94%）和未分類細(xì)菌（9.18%～13.25%），共占細(xì)菌總數(shù)的78%～95%。其中，變形菌門、擬桿菌門和酸桿菌門占細(xì)菌總數(shù)的58.73%～76.56%。4 種處理在門分類水平上相對豐度存在一定的差異：CK 處理中疣微菌門總量顯著高于其他處理；BS 處理放線菌門總量顯著高于其他處理；MR 處理擬桿菌門和浮霉菌門總量顯著高于其他處理。

圖2 番茄根際土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)Fig.2 Community structure of bacteria in rhizosphere soil of tomato

2.3.3 真菌群落組成與群落結(jié)構(gòu)

由圖3 可知，4 種處理主要真菌門分別為子囊菌門（Ascomycota）、被孢霉門（Mortierellomycota）、羅茲菌門（Rozellomycota）、油壺菌門（Olpidiomycota）、擔(dān) 子 菌 門 （Basidifiomycota） 、 壺 菌 門（Chytridiomycota）、捕蟲霉門（Zoopagomycota）、未分類真菌（Unclassified-Fungi）和Other。其中，CK處理的優(yōu)勢真菌門為子囊菌門、被孢霉門、羅茲菌門和擔(dān)子菌門，相對豐度分別為42%、53%、3%和1%；BS 處理的優(yōu)勢真菌門為子囊菌門、被孢霉門、羅茲菌門、壺菌門和未分類真菌，相對豐度分別為69%、23%、6%、1%和1%；MR 處理的優(yōu)勢真菌門為子囊菌門、被孢霉門、羅茲菌門、擔(dān)子菌門和捕蟲霉門，相對豐度分別為58%、38%、2%、1%和1%；BM 處理的優(yōu)勢真菌門為子囊菌門、被孢霉門、羅茲菌門、擔(dān)子菌門、壺菌門和未分類真菌，相對豐度分別為65%、27%、5%、1%、1%和1%。

圖3 番茄根際土壤真菌群落結(jié)構(gòu)Fig.3 Community structure of fungi in rhizosphere soil of tomato

與CK 處理相比，BS、MR 和BM 處理的優(yōu)勢真菌門相對豐度變化趨勢不同，3 種處理子囊菌門相對豐度增加38.03%～154.02%，被孢霉門相對豐度減少28.81%～56.93%，擔(dān)子菌門相對豐度在各處理之間變化不大；羅茲菌門相對豐度在各處理組表現(xiàn)各有差異，MR 處理相對豐度減少40.07%，BS 和BM 處理相對豐度分別增加113.59%和82.23%；其他種類真菌所占比例較少，差異變化不明顯。從結(jié)果可以看出，沼液單獨(dú)或者混合施用對子囊菌門和羅茲菌門相對豐度的增加，以及對被孢霉門相對豐度的降低作用效果非常明顯。

3 結(jié)束語

沼液和菌菇渣作為營養(yǎng)豐富的生物有機(jī)肥還田可以迅速補(bǔ)充番茄所需的養(yǎng)分物質(zhì)，提高番茄的產(chǎn)量和品質(zhì)，能顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)和營養(yǎng)元素（N、P、K）的含量，提高土壤肥力[21]。施用沼液或沼液與菌菇渣混合施用可以使番茄生長過程中因施肥導(dǎo)致的土壤EC值增加幅度減小，避免可溶性鹽濃度過高造成的作物減產(chǎn)等損失；并且沼液與菌菇渣混合施用可以使番茄地土壤的理化性狀得到顯著改善[22-23]。施用沼液和菌菇渣能顯著提高番茄根際土壤細(xì)菌群落的多樣性，顯著降低古菌和真菌的多樣性，使土壤的真菌/細(xì)菌比率降低，降低發(fā)生土傳病害的幾率，提高作物獲取養(yǎng)分的速率。BS、MR 和BM 處理在增加微生物總體豐度方面的作用沒有CK 處理顯著。沼液和菌菇渣的施用能改變根際微生物的群落組成與結(jié)構(gòu)，在一定程度上提高了土壤中養(yǎng)分分解速率，促進(jìn)作物對養(yǎng)分的吸收和利用[24-26]。

本研究結(jié)果表明，施用沼液和菌菇渣對提高番茄設(shè)施栽培的產(chǎn)量和品質(zhì)具有很大作用，是設(shè)施番茄栽培的一種較好的提供養(yǎng)分方式，在番茄設(shè)施栽培方面將會有著廣闊的應(yīng)用前景。