尿素配施木霉菌劑提高甜瓜產量、品質及土壤微生物功能多樣性

牛聰聰，耿國明，于 雷，解群杰，廖晶晶，齊紅巖

（沈陽農業大學園藝學院/設施園藝省部共建教育部重點實驗室/北方園藝設施設計與應用技術國家地方聯合工程研究中心，遼寧沈陽 110866）

我國是化肥生產和使用大國，但目前農業生產中因化肥過量施用或盲目施用帶來的人類健康、環境等問題越發嚴重[1-4]，為了能更好地解決這些問題，我國農業部于2015年初正式啟動“減肥減藥”行動，并制定了《到2020年化肥使用量零增長行動方案》。而氮肥是我國生產量最大、施用量最多的化學肥料之一。據國家統計局數據，2017年我國氮肥產量為3795.2萬t，其中農用氮肥施用量達2221.8萬t。甜瓜(Cucumis melo L.)作為世界重要的水果之一，在世界五大洲均有種植，主要分布范圍從北緯65°左右到南緯23°左右。自20 世紀90年代以來，世界甜瓜產業進入快速穩步發展時期，甜瓜的產量、收獲面積和產值都不斷攀高[5]。中國是世界最大的甜瓜生產國，約占世界總產量的50%以上。2016年，中國甜瓜產量為1635萬t，播種面積48.2萬hm2[6]。甜瓜為喜肥作物[7]，目前關于甜瓜施肥方面的研究主要集中在氮磷鉀耦合或合理施氮量上[8-12]，而關于不同氮肥類型、用量及配施木霉菌劑對設施甜瓜產量、品質等方面的影響還鮮見報道。近年來，為了減少農用氮肥施用量，已有不少學者在蔬菜氮肥減施方面開展了大量工作。研究發現，在太湖地區的大棚生產條件下，與農民習慣施氮量相比，減氮40%能保持番茄和黃瓜果實產量，且氮素當季利用率顯著高于習慣施氮，隨施氮量的增加和土壤供氮水平的提高氮素當季利用率逐漸降低[13]。日光溫室蔬菜生產中，在農民習慣水氮管理下，土壤硝態氮積累明顯并向深層遷移，節水20%～30%配合減氮50%處理，能夠提高氮肥利用率，保持較高的經濟效益[14]。隨著控釋肥(controlled-release fertilizer)在提高肥料利用率和作物產量、減少氮素損失和環境污染等方面的突出表現[15-19]，施用控釋氮肥實現蔬菜氮肥減施的研究也取得了一定進展。研究表明，與農民習慣施肥相比，適當減量施用控釋氮肥可提高甜椒產量，以減量控釋氮肥30%的甜椒產量、氮肥利用率和果實可溶性糖含量最高[20]。通過比較控釋肥和普通肥料混配基施與常規施肥對設施番茄農學特性和環境效應的影響，發現控釋肥與普通肥料混施處理在減氮40%后非但沒有降低番茄產量，反而改善了果實品質，促進了根系生長，減少了硝態氮的淋洗[21]。此外，大量試驗研究表明，適當減施化肥配施生物肥料(Bio-fertilizer)能夠促進花椰菜、甘藍、番茄等蔬菜作物的生長發育，改善蔬菜品質，且提高產量和肥料利用率[22-26]。目前關于薄皮甜瓜減量施氮的研究較少，同時，研究不同施氮量及生物肥料配施對甜瓜氮素吸收、產量和氮肥利用率等的影響鮮見報道。本研究以測土配方施肥為基礎，在不同氮肥用量條件下，研究不同氮肥種類和水平及是否配施木霉菌劑對薄皮甜瓜氮素吸收、果實品質、產量及土壤微生物功能多樣性的影響，以期為薄皮甜瓜栽培過程中的氮肥合理施用提供一定的科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗時間、地點及材料

供試材料為薄皮甜瓜(Cucumis melo var. makuwa Makino)‘玉美人’，試驗于2017年3—7月份在沈陽農業大學園藝科研基地的日光溫室內進行，栽培土壤組成為土∶草炭∶牛糞 = 4∶2∶1，其pH 6.68、EC 0.35 mS/cm、全氮3.69 g/kg、全磷3.94 g/kg、全鉀14.6 g/kg、堿解氮123 mg/kg、有效磷106 mg/kg和速效鉀342 mg/kg。

試驗中所用控釋尿素(N ≥ 43%)由中國科學院沈陽應用生態所提供，25℃恒溫水浸泡條件下其養分釋放曲線如圖1所示，普通尿素(N ≥ 46.4%)、過磷酸鈣(P2O5≥ 12%)、硫酸鉀(K2O ≥ 50%)均為市售，木霉菌劑(根部型)由田力保生物科技有限公司提供。

圖 1 控釋尿素氮養分釋放曲線Fig. 1 Nitrogen release rate curves of controlledrelease urea

1.2 試驗設計

試驗采用目標產量配方施肥法，以單株1.5 kg為目標產量，每生產1000 kg甜瓜需N 3.5 kg、P2O51.7 kg、K2O 6.8 kg[27]，氮、磷、鉀肥當季利用率分別按20%、20%、35%代入化肥施用量公式：(目標產量所需養分總量-土壤供肥量)/(肥料養分含量 × 肥料當季利用率)，估算出甜瓜施肥量(100%)。基于此，設9個氮肥處理，即50%普通尿素處理(T1)、50%控釋尿素處理(T2)、50%普通尿素 + 木霉菌劑處理(T3)、50%控釋尿素 + 木霉菌劑處理(T4)、30%控釋尿素 + 20%普通尿素 + 木霉菌劑處理(T5)、100%普通尿素處理(T6)、100%控釋尿素處理(T7)、150%普通尿素處理(T8)，以不施氮肥為對照(CK)。其中T1～T5的總養分含量相同，T6與T7的總養分含量相同，T3～T5的木霉菌劑用量相同，各處理具體施肥量見表1。

試驗于2016和2017年分別進行兩年的重復，因為兩茬的結果類似，因此，本文主要采用2017年的數據。2月13日播種，在甜瓜三葉一心時(3月24日)定植，定植時T1、T3、T6、T8處理均基施普通尿素7.8 g/株，分別占其總施氮量的60%、60%、30%和20% ，而T2、T4、T5、T7處理的氮肥全部基施，所有處理均基施50%磷、鉀肥，剩余氮、磷、鉀肥按3∶4∶3分別于甜瓜伸蔓期(4月21日)、開花結果期(5月1日)、果實膨大期(5月16日)隨水追施，此外，T3、T4、T5處理均于定植時(3月24日)和伸蔓期(4月21日)澆施木霉菌劑稀釋液(10 g木霉菌劑兌3 L水) 1 L/株。

試驗采用桶栽，桶的口徑30 cm、底徑20 cm、高度25 cm，每桶內定植1株甜瓜，每個處理14株，重復3次，隨機排列。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 果實品質與產量測定 在甜瓜成熟期，每個處理隨機選取6個瓜(花后35 d)，去掉果皮及瓜瓤，取赤道部分果肉，將果肉切碎，混合均勻，采用蒽酮比色法測定果實可溶性糖含量，鉬藍比色法測定果實Vc含量，水楊酸比色法測定果實硝酸鹽含量，ThermoTrace GC Ultra-ITQ900 氣質聯用儀測定香氣物質含量。此外，每個處理隨機選取6株測其單株產量。

1.3.2 氮素利用效率計算

氮肥表觀利用率 = (施氮處理氮累積量-不施氮處理氮累積量)/施氮量 × 100%；

氮肥農學利用率(kg/kg) = (施氮處理產量 - 不施氮處理產量)/施氮量；

氮肥生理利用率(kg/kg) = (施氮處理產量 - 不施氮處理產量)/(施氮處理氮累積量 - 不施氮處理氮累積量)[28]。

1.3.3 土壤微生物功能多樣性分析 成熟期進行破壞性取樣時，將桶內的土倒在干凈的塑料布上，混勻取鮮土，采用Biolog-Eco法測定土壤微生物功能多樣性[29]。稱取5 g新鮮土樣加到已滅菌的盛有45 mL 0.85% NaCl的三角瓶中，在恒溫振蕩箱中振蕩30 min，轉速150 r/min，靜置5 min后轉入超凈工作臺上操作。吸取上清液5 mL加入到45 mL 0.85%NaCl中，搖勻，吸取搖勻后的溶液5 mL，加到45 mL 0.85%NaCl中，搖勻后將溶液倒入移液槽中，用8孔道移液槍注射入Biolog-Eco板上，然后在25℃恒溫箱中培養，分別于培養24 h、48 h、72 h、96 h、120 h、144 h、168 h后取出，用Biolog微生物鑒定系統(型號：GEN III)測定吸光度。

表 1 不同處理的肥料施用量(g/plant)Table 1 Amount of fertilizer applied in different treatments

1.4 數據處理與分析

試驗采用Excel軟件進行數據處理，SPSS19.0軟件進行數據顯著性分析，Origin軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對薄皮甜瓜植株生長的影響

由表2可知，在甜瓜的生長過程中，所有施氮處理甜瓜的株高、莖粗、葉片數均高于不施氮處理(CK)。在甜瓜生長前期，植株的株高、莖粗、葉片數大體表現為隨施氮量增加而增加，而50%氮肥配施木霉菌處理表現出一定的優勢，尤其到生長后期時T3和T4處理的株高、莖粗、葉片數均高于其他處理。

表 2 不同處理薄皮甜瓜不同時期株高、莖粗、葉片數Table 2 Plant height, stem diameter and leaf number of oriental melon at different stages under each treatment

由圖2可知，不同氮肥處理對甜瓜各器官的干物質積累量影響不同，果實膨大期各施氮處理植株干物質積累總量均顯著高于CK，平均高出了49.15%～95.60%，但是除T5處理外，施氮處理之間差異均不顯著(圖2)。成熟期甜瓜以果實發育為主，因此，果實干物質積累量占植株干物質積累總量的比例明顯增加，達到65.64%。各施氮處理(T8除外)的干物質積累量均顯著高于CK，各施氮處理間無顯著差異，而T8處理植株的干物質積累受到了明顯抑制，與CK間無顯著差異。這說明氮肥不足或者過量施用均不利于甜瓜植株干物質的積累，尤其對果實影響顯著。

2.2 不同施肥處理對薄皮甜瓜產量和氮肥利用率的影響

由表3可知，不施氮肥(CK)和過量施氮(T8)處理均會導致甜瓜產量顯著下降。施100%控釋尿素(T7)的甜瓜單株產量顯著高于施100%尿素處理(T6)，而與50%控釋尿素處理(T2)和50%普通尿素(T1)差異不顯著，說明按照養分需求量計算的甜瓜施氮量，在施用普通尿素的情況下會造成產量的顯著下降。在減少氮素用量50%的情況下，配合施用木霉菌劑(T3、T4)，產量比不配施的T1、T2處理進一步增加，但未達到顯著水平；20%普通尿素加30%控釋尿素處理(T5)的產量也沒有顯著變化。

圖 2 不同氮肥處理薄皮甜瓜在果實膨大后期和成熟期各器官干物質積累量Fig. 2 Dry matter accumulation in organs of oriental melon at late fruit enlargement and ripening stages

表 3 不同處理薄皮甜瓜產量和氮肥利用率Table 3 Yield and fertilizer nitrogen use efficiency of oriental melon of different treatments

隨著施氮量的增加，氮肥表觀利用率和農學利用率均明顯降低，其中T1～T4處理與100%和150%施氮處理間的差異均達顯著水平，且在相同氮肥類型和50%施氮量處理下，T3和T4處理的氮肥農學利用率分別顯著高于T1和T2處理。從氮肥生理利用效率的角度分析，100%控釋尿素處理的氮肥生理利用率顯著高于100%普通尿素處理，而50%施氮處理間的差異均不顯著。

2.3 不同施肥處理對薄皮甜瓜果實品質的影響

不施氮處理(CK)甜瓜的可溶性糖、Vc和硝酸鹽含量均顯著低于施氮肥處理。果實可溶性糖含量以施50%控釋氮肥加木霉菌劑(T4)處理最高；施50%普通尿素處理(T1)最低，其與兩個50%控釋肥處理(T2、T4)差異達到顯著水平；T3處理的略高于T1，但也顯著低于T4。施肥對Vc含量的影響較小，只有施150%尿素的處理(T8)顯著低于T4，其余施氮處理間差異不顯著。對于硝酸鹽含量，150%施氮處理(T8)的果實硝酸鹽含量最高，達364.4 mg/kg，已接近國家對無公害蔬菜安全要求的瓜果類蔬菜硝酸鹽含量低于438 mg/kg的標準。而相同施氮量下控釋尿素處理的果實硝酸鹽含量均低于普通尿素處理，以T4處理最低(表4)。

選取T3、T4、T6、T7和CK的成熟甜瓜果實進行香氣物質含量測定(表5)，結果表明施氮的果實酯類物質含量顯著高于不施氮對照，施氮處理間差異不顯著。果實醇類物質含量T3顯著高于T6，T4顯著高于T7，雖然不論控釋與否，減施氮肥均顯著提高了果實醇類物質含量，但仍以配施木霉菌劑的T4效果最好。同樣施氮水平下，醛類物質含量控釋肥顯著高于普通尿素。各處理果實的總香氣物質含量表現為施氮處理均顯著高于不施氮處理，而不同氮肥類型相同施氮量或相同氮肥類型不同施氮量處理間的差異均不顯著，各處理中以T4的果實香氣物質總含量最高。

表 4 不同氮肥處理對成熟期甜瓜果實品質的影響Table 4 Effect of different treatments on quality of ripe melon

表 5 不同氮肥處理成熟期甜瓜果實香氣物質含量(μg/g)Table 5 Total contents of aroma compounds in ripe melon fruit under different treatments

綜上所述，不施氮肥會顯著降低甜瓜的品質，施50%氮處理不會對成熟甜瓜果實品質造成顯著影響，施50%控釋尿素配施木霉菌劑處理(T4)不僅有效降低了甜瓜果實的硝酸鹽含量，使果實的可溶性糖含量和Vc含量保持在較高水平，同時其果實中所含的香氣物質含量也最高。

2.4 不同施肥處理成熟期土壤微生物功能多樣性

圖 3 不同氮肥處理對土壤微生物吸光值平均變化率的影響Fig. 3 Effect of different nitrogen treatments on average well color developmen (AWCD) of soil microorganism

由圖3可知，隨著培養時間的增加，土壤微生物對碳源的利用量逐漸增加，其中在24 h內平均吸光值較低，之后快速升高，到144 h趨于平穩，這時微生物對碳源的利用量接近最大值。此外，在整個培養過程中，T8處理的AWCD值始終最低，說明過量施氮會抑制土壤微生物活性，不利于微生物對碳源的利用。而在144 h時，T1與T2相比、T3與T4相比、T6與T7相比均表現為施用控釋尿素的處理AWCD值較高，同時在所有處理中以T4處理的AWCD值最高，說明與施用普通尿素相比，控釋尿素由于緩慢釋放氮素，對土壤根域環境影響不同于普通尿素，更有利于維持土壤微生物活性和功能多樣性。控釋尿素減量配施木霉菌劑能夠顯著提高微生物對碳源的利用能力。

通過對培養144 h后不同氮肥處理下土壤微生物對六類碳源利用情況的分析(表6)可以看出，各處理土壤微生物對氨基酸類和聚合物類碳源的利用量顯著高于其他四類，施加控釋尿素的各處理(T2、T4、T5、T7)對六類碳源的利用程度均高于單施普通尿素處理(T1、T3、T6、T8)，其中以T4處理對六類碳源的利用率最高，T8處理最低。

由表7可知，T8處理的多樣性指數和優勢度指數均顯著低于CK和其他施氮處理，而其他施氮處理與CK間的差異不顯著，說明氮肥過量會顯著降低土壤微生物群落物種的多樣性和優勢度。施有控釋尿素的各處理(T2、T4、T5、T7)的均勻度指數均高于單施普通尿素處理(T1、T3、T6、T8)，其中T4處理的均勻度指數顯著高于CK。從豐富度指數分析結果可知，各施氮處理與CK相比差異均不顯著，但T8處理的豐富度指數顯著低于其他施氮處理。上述結果表明，相比于普通尿素處理，施用控釋尿素對土壤微生物的影響較小，且50%控釋尿素配施木霉菌劑處理顯著提高了微生物的碳源利用水平，而施氮量過多時土壤微生物的碳源利用率顯著降低。

表 6 不同處理土壤微生物對六類碳源的利用狀況(144 h)Table 6 The utilization of six kinds of carbon sources by soil microbes of different treatments

表 7 不同處理土壤微生物多樣性指數(144 h)Table 7 Diversity indexes of soil microbes of different treatments

3 討論

薄皮甜瓜營養生長期植株的株高、莖粗、葉片數大體表現為隨施氮量增加而增加，而氮肥減量配施木霉菌劑處理表現出一定的優勢，且到生殖生長初期時T3處理(50%普通尿素 + 木霉菌劑)的株高、莖粗、葉片數均明顯高于其他處理。對于甜瓜到成熟期時植株的干物質累積，150%施氮處理顯著降低了干物質積累量，而100%施氮處理與50%施氮處理間無顯著差異。主要原因可能是在本試驗條件下，由于營養土中摻入一定比例的牛糞，同時，當季氮素利用率按照20%計算有些偏低，按照目標產量計算施入的氮肥用量較高，因此，100%施氮量對于薄皮甜瓜來說也是過量施氮，植株的生長包括干物質積累并未表現出優勢。另外，盡管T5處理也配施了木霉菌劑，并且普通尿素和控釋尿素配施，但是甜瓜田間生長、產量等并未表現出優勢，可能原因是前期普通尿素施用量少，使得甜瓜緩苗后生長發育受到一定限制，即使中期配施了控釋尿素和木霉菌劑，也已經對生長產生了影響，因此，表現出干物質積累受到一定影響。

不同蔬菜對氮素的需求均有一個最適范圍，低于或超過這個范圍，不僅植株生長會受到限制，產量也會明顯降低[30-31]。本研究結果表明，隨著施氮量增加甜瓜單株產量呈先增加后減少的趨勢，適量施氮水平下，控釋尿素處理的單株產量顯著高于普通尿素處理，增幅為6.4%～14.8%，減量施氮水平下，尿素配施木霉菌劑處理(T3、T4)的單株產量、氮肥利用效率等均高于適量施肥，并與T6處理差異達到顯著水平，這說明氮肥減量配施生物肥能較好地保持薄皮甜瓜單株產量，并顯著提高氮肥利用率。而當氮肥施用過多時(T6、T7和T8)甜瓜的產量不但沒有提高，甚至顯著降低，而氮肥利用率等均低于其他施氮處理，造成氮肥的浪費，這與哈麗哈什·依巴提等[32]和郝江偉等[33]的研究結果相近。

任軼等[34]的研究結果表明，與100%農戶習慣化肥處理相比，減施25%化肥配施生物肥處理提高黃瓜果實Vc含量，減少硝酸鹽積累。董亮等[35]研究發現，減氮控釋肥處理能提高馬鈴薯品質，其中，以減氮20%的控釋肥處理提高馬鈴薯Vc含量的效果最好，減氮30%的控釋肥提高馬鈴薯還原糖含量效果最好，減氮40%的控釋肥降低馬鈴薯硝酸鹽含量效果最好。魏樹偉等[36]通過分析不同施氮量對‘鴨梨’果實香氣的影響發現，不同處理的果實香氣物質含量和種類差異顯著，以中氮處理的香氣物質總含量最高，低氮處理的香氣種類最多，而高氮處理的香氣物質總含量和種類均為最低。本試驗中施氮處理果實可溶性糖含量和Vc含量均高于不施氮處理，而各施氮處理中以減量控釋尿素配施木霉菌劑處理的可溶性糖含量和Vc含量最高，同時其果實中所含的香氣物質含量也最高，并與CK達顯著差異。在甜瓜果實硝酸鹽含量方面，施氮處理的果實硝酸鹽含量均高于不施氮處理，其中普通尿素處理的果實硝酸鹽含量與施肥量呈正相關，且相同施氮水平下控釋尿素處理的果實硝酸鹽含量較低，以T4處理最低，僅為162.38 mg/kg，說明控釋尿素減量配施木霉菌劑可以降低果實硝酸鹽含量。同樣，也觀察到由于氮肥施用過量導致甜瓜品質降低，尤其是硝酸鹽含量顯著提高，香氣成分含量下降。

土壤微生物多樣性是表征土壤質量變化的敏感指標，研究表明土壤微生物參與了90%左右的土壤反應過程[37]。微生物群落功能多樣性對土壤管理具有重要指示作用，施肥和其他農田管理措施可以顯著影響土壤微生物種群特性[38]，土壤微生物接種Biolog-Eco微平板后，微生物利用微平板中的碳源使顯色劑變色，并且隨碳源消耗量的增加而導致顏色加深，從而根據光密度值來判斷微生物對碳源的利用程度。平均顏色變化率( AWCD)反映了土壤微生物群落對不同碳源利用的整體情況及利用活性，是衡量土壤微生物群落利用碳源能力的重要指標之一，反映了土壤微生物活性和微生物群落生理功能多樣性[39]。在本試驗中，控釋尿素處理(T2、T4、T5、T7)的AWCD值均高于其他處理，其中以T4處理最為顯著，說明與普通尿素相比，控釋尿素由于緩慢釋放氮素，對土壤根域環境影響較小，使得土壤養分含量相對變化較小，養分濃度和土壤pH更利于維持土壤微生物活性和功能多樣性。這也可能是本試驗條件下100%控釋肥與50%控釋肥在一些指標上沒有顯著差異的原因，控釋尿素無論是100%還是50%施用量，前期由于其緩慢釋放率使得對甜瓜植株和土壤微生物的影響差異減小，有利于維持土壤微生物活性，控釋尿素減量配施生物肥能夠顯著提高微生物對碳源的利用能力。而過量施氮處理的AWCD值、對六類碳源的利用量和多樣性指數均低于其他施氮處理，這與Li等[40]的研究結果相似。

4 結論

供試土壤條件下，不施氮肥會顯著降低甜瓜的產量和品質。按照一般甜瓜百公斤果實養分需求量設計的施氮量顯然為過量施肥。在計算的施用養分需求量50%的氮素水平下，控釋尿素與普通尿素的增產提質效果沒有區別，但是在100%施氮量處理下，施用控釋尿素的危害顯著低于普通尿素。

木霉菌劑可以顯著增強土壤微生物活性，改善作物根系的土壤環境。減少50%氮肥投入量，配合施用木霉菌劑，可以顯著增加甜瓜果實可溶性糖含量、Vc含量及香氣物質含量，且硝酸鹽含量最低，50%控釋尿素與木霉菌劑配合的效果最為理想。