尾菜酵液制備及部分替代化肥對設施番茄土壤養分、酶活性及品質影響

高利娟　鄒國元　丁效東　杜連鳳　馬茂亭　康凌云　劉靜　李順江

摘 ? ?要：針對北方設施菜地土壤質量下降，尾菜資源浪費的問題，對不同蔬菜的尾菜進行發酵，分析研究發酵液的理化性質;并采用大田試驗，研究發酵液與有機無機配施對設施菜地土壤養分、酶活性及番茄產量與品質的影響。結果表明：白菜、番茄兩種尾菜發酵液抗氧化系統活性隨著發酵時間的延長而增強，其中總抗氧化能力、超氧化物歧化酶、谷胱甘肽還原酶和還原型谷胱甘肽活性均表現為發酵60 d高于發酵30 d的，兩者都顯著高于未發酵的尾菜;而兩種發酵液的羥自由基清除能力表現出相反的趨勢，與尾菜相比，發酵30 d和60 d后該指標顯著降低;與發酵30 d相比，發酵60 d時白菜和番茄尾菜發酵液纖維素酶和蔗糖酶含量均顯著提高;而兩者過氧化氫酶含量卻隨發酵時間而顯著降低;番茄和白菜尾菜發酵液可溶性碳含量隨發酵時間的延長而增加。大田試驗表明，有機肥+化肥（減半）+番茄發酵液處理顯著降低土壤容重，提高了土壤速效磷、銨態氮和硝態氮含量。從根際土壤微生物量氮磷含量來看，有機肥+化肥（減半）+番茄發酵液處理時土壤微生物量氮磷含量、土壤脲酶、過氧化氫酶活性最高;而有機肥+化肥（減半）+兩種尾菜發酵液處理番茄酸度最低，而氨基酸、Vc含量最高。上述結果表明，相對于發酵30 d時，兩種尾菜發酵60 d田間應用效果較佳，特別是番茄尾菜發酵液的基施有機肥+化肥（減半）+兩種尾菜發酵液處理效果最優，在實際生產中能夠部分替代有機肥與化肥施用。

關鍵詞：尾菜;發酵液;設施菜地;土壤酶活性;微生物量碳氮

中圖分類號：S641.2 ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ?DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2021.01.001

Effects of Fermented Broth of Tail Vegetable Preparation and Replacement of Chemical Fertilizer on Soil Nutrients， Enzyme activity and Tomato Quality in Greenhouse Vegetable Soil

GAO Lijuan1， ZOU Guoyuan1， DING Xiaodong2， DU Lianfeng1， MA Maoting1， KANG Lingyun1， LIU Jing1， LI Shunjiang1

（1. Institute of Plant Nutrition and Resources， Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences， Beijing 100097， China; 2. College of Resources and Environment， Qingdao Agricultural University， Qingdao，Shandong 266109， China）

Abstract： In order to solve the problems of soil quality deterioration and tail vegetables waste in North China greenhouse vegetable soil， the tail vegetable of different vegetables was fermented to analyze the physicochemical properties of fermentation broth. Field experiments were carried out to study the effects of combined application of fermentation broth and organic and inorganic fertilizer on soil nutrients， enzyme activities， yield and quality of tomato in protected vegetable plots. The results showed that the antioxidant system activity of the fermentation broth of cabbage and tomato increased with the extension of fermentation time， among the activities of total antioxidant capacity， superoxide dismutase， glutathione reductase and reduced glutathione were significantly higher than those of unfermented tail vegetables after 60 d than after 30 d of fermentation. The hydroxyl radical scavenging ability of the two fermentation broth showed an opposite trend， which was significantly decreased after 30 d and 60 d fermentation compared with that of tail cabbage. Compared with 30 d fermentation， the cellulase and sucrase contents of fermentation broth of cabbage and tomato tail were significantly increased after 60 d fermentation， while the content of catalase decreased significantly with fermentation time. The content of soluble carbon in the fermentation broth of tomato and cabbage tail increased with the prolonging of fermentation time. Field experiments showed that the treatment of organic fertilizer + mineral fertilizer（50%）+tomato fermentation broth significantly reduced soil bulk density， and increased soil available P， ammonium N and nitrate N contents. In terms of rhizosphere soil microbial biomass nitrogen and phosphorus content， organic fertilizer + mineral fertilizer（50%）+tomato fermentation broth has the highest soil microbial biomass nitrogen and phosphorus content， soil urease and catalase activities; while organic fertilizer + mineral fertilizer（50%）+two kinds of tail vegetable fermentation broth treatment tomato acidity was the lowest， and amino acid and Vc content were the highest. The above results showed that compared with 30 d of fermentation， the two kinds of tail vegetables had better effects in the field for 60 d of fermentation， especially the organic fertilizer + mineral fertilizer （50%）+two kinds of tail vegetables fermentation liquid treatment， which could partially replace the application of organic fertilizer and mineral fertilizer in the actual production.

Key words： tail vegetable; fermentation broth; protected vegetable field; soil enzyme activity; microbial biomass carbon and nitrogen

我國蔬菜種植面積和產量的不斷增加。數據顯示，截至2018年底，我國集約化蔬菜種植面積達2 043.9萬 hm2，占總農作物播種面積的12.32% [1]，對保證蔬菜供應具有重要作用。設施蔬菜“高投入-高累積-低利用率”的管理模式是當前國家實施“化肥零增長計劃”與“發展綠色農業”所面臨的重大挑戰，也是制約農業可持續發展的重要因子之一[2]。設施蔬菜種植體系“高投入-高產出”的種植模式不利于農業可持續發展。在利益的驅動下，菜農過量施肥，大大超出蔬菜作物本身需求，導致設施土壤板結、土壤質量退化[3]。

2014年我國蔬菜產量已達7.6億t，同時蔬菜廢棄物產量也逐年增長[4]。在蔬菜種植過程中，根據蔬菜本身特性，掐尖、打葉，收貨后遺留田間的殘株、廢果和儲存、凈菜銷售等過程中，產生大量果蔬廢棄物。據統計，蔬菜廢棄物的產量從2002年的1.51 t增加到2015年的2億多t，增加了32%[1]。隨著蔬菜產業的快速發展，人們對食用蔬菜的要求日益提高，尾菜的產量也在迅速增加。蔬菜廢棄物中含有大量的水分、較高的有機質和氮磷鉀養分含量，如果隨意丟棄，必將造成嚴重的資源浪費和環境污染，將其進行肥料化處理后還田對于土壤肥力的保持及減少資源浪費和生產成本的投入有重要意義[5-6]。蔬菜尾菜等廢棄物是放錯了地方的資源，這些廢棄物如果處理不當，會造成材料的浪費和對環境的污染[7-8]。

將果蔬廢棄物經合理的發酵制備，可制成具有催化活性的發酵液，又稱酵素[8-9]。果蔬尾菜廢棄物經過發酵制備環保酵素富含大量的養分、酶類、維生素和礦物質等營養成分，可促進土壤肥力提高[10-11]。蔬菜廢棄物營養含量豐富，但含水率較高，適合進行厭氧發酵處理。厭氧發酵是微生物在厭氧條件下，將大分子有機物逐步分解成水溶性小分子有機物的過程，厭氧發酵后的有機物主要以水溶性分子形式存在，是一種營養豐富的優質液體肥料[12-13]。為了擴展尾菜的資源化利用方式，優化發酵工藝，快速獲取小分子水溶性有機物為主的尾菜發酵產物，主要用于調控根際土壤微生物活性，進而調控設施土壤碳氮轉化和改善蔬菜作物生長條件，提高蔬菜產量及品質，降低設施土壤養分流失風險[14-15]。本試驗中發酵的主要目的是在相同環境條件下，明確番茄和白菜尾菜發酵過程中發酵液的理化性質，采用大田試驗，利用尾菜發酵液替代或部分替代有機肥及化肥，探索對設施菜地土壤理化性質及番茄產量、品質影響，以期為設施蔬菜尾菜管理及土壤質量提升提供依據。

1 材料和方法

1.1 發酵液制備

番茄和白菜的尾菜均從青島農貿市場收集，將采集的果蔬尾菜（番茄尾菜和白菜）進行簡單的分揀，把經過分揀的菜葉尾菜水洗一次后，先切碎，使粒徑在1～2 cm，再用組織搗碎機和研缽加以粉碎，研磨，破壞蔬菜尾菜的內部組織，提高纖維素的降解性。經清洗破碎，按質量比為1∶3∶10的比例和順序，分別放入紅糖、果蔬原料和去離子水，混合后放入密封罐中，發酵溫度為35 ℃，發酵液總固體含量為10%，發酵原料粒度為1～2 cm。每天攪拌1次，時間1 h，震蕩速度70 r·min-1。早期每天放氣1～2次，1個月后待無氣放出，將發酵液中的殘渣濾出，靜置發酵液進入靜后發酵30 d，60 d后，對發酵液抗氧化物質含量及抗氧化能力等指標的測定。

1.2 發酵液大田應用設計

采用大田試驗，根據當地農民的施肥習慣，共設七個處理，即T1：CK，不施肥處理;T2：有機肥（10 050 kg·hm-2施用，下同）;T3：有機肥+番茄尾菜發酵液處理;T4：有機肥+白菜尾菜發酵液處理;T5：有機肥+100%化肥（與T3、T4等氮量，農民傳統施肥）;T6：有機肥+50%化肥+番茄尾菜發酵液處理（與T5等氮量）;T7：有機肥+50%化肥+白菜尾菜發酵液處理（與T5等氮量）。發酵液施用按照45 000 L·hm-2，其他磷鉀肥施用量完全一致，番茄生長過程中的農藝管理與當地農民相同。

1.3 測定指標及方法

在發酵液發酵30 d，60 d時測定發酵液抗氧化物質含量及抗氧化能力，包括總抗氧化能力、羥自由基清除能力、SOD活性、GR活性;纖維素酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性，及其發酵液可溶性碳、氮磷鉀含量測定;發酵液蔗糖酶活性采用 3，5-二硝基水楊酸比色法測定;發酵液過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定[16]。

在番茄盛果期測定土壤容重、土壤銨態氮、硝態氮、速效磷、微生物量碳氮磷含量、土壤脲酶、磷酸酶、蔗糖酶、過氧化氫酶活性[17];在收獲期測定番茄維生素Vc、含糖量、酸度[16];葉片抗氧化酶活性及測定產量。其中土壤容重采用環刀取樣，稱重法;土壤NO3 - ?- N含量采用聯氨還原比色法，紫外可見分光光度計在540 nm波長下比色;土壤土壤NH+ 4 -N含量采用靛酚藍比色法;土壤速效磷采用0.5 mol·L-1 NAHCO3浸提—鉬銻抗比色法;土壤轉化酶活性采用硫代硫酸鈉滴定法;土壤磷酸酶活性（以酚的質量計37 ℃）采用對硝基苯磷酸鹽法;土壤過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法;土壤脲酶活性采用靛酚藍比色法;土壤微生物量碳、氮、磷（MBN/C/P）含量采用氯仿熏蒸—0.5 mol·L-1 K2SO4浸提，土壤微生物量氮含量以熏蒸和未熏蒸土壤的有機氮之差除以KE（0.45）得到，土壤微生物量碳含量以熏蒸和未熏蒸土壤的有機碳之差除以KE（0.38）得到;總酸度采用堿液滴定法測定;番茄紅素含量采用萃取比色法測定;番茄Vc含量采用紫外快速測定法。

1.4 數據處理

用Excel 2003軟件進行數據整理和作圖，用SPSS18.0數據分析軟件進行統計分析，采用LSD法進行差異顯著性檢驗（α=0.05）。

2 結果與分析

2.1 發酵時間對尾菜發酵液抗氧化系統活性的影響

如圖1-A可見，隨著發酵時間的延長，2種尾菜發酵液總抗氧化能力顯著增加，發酵30 d和60 d后均顯著高于尾菜，而超氧化物歧化酶、谷胱甘肽還原酶和還原型谷胱甘肽活性變化規律與總抗氧化能力表現一致。從圖1-B得出，隨發酵時間延長，2種尾菜發酵液的羥自由基清除能力均降低，與尾菜相比，發酵30 d和60 d后該指標顯著降低。

2.2 發酵時間對尾菜發酵液超氧化物歧化酶、谷胱甘肽還原酶、還原型谷胱甘肽活性的影響

如表1 所示，與原尾菜相比，隨發酵時間延長白菜和番茄尾菜發酵液超氧化物歧化酶、還原型谷胱甘肽活性均顯著提高，而谷胱甘肽還原酶在發酵30 d時無顯著性變化，但是發酵60 d時顯著增加。無論發酵30 d或60 d時，番茄發酵液超氧化物歧化酶、還原型谷胱甘肽、谷胱甘肽還原酶活性均顯著高于白菜發酵液中相應酶活性。

2.3 發酵時間對尾菜發酵液纖維素酶、蔗糖酶及過氧化氫酶活性的影響

如表2 所示，發酵30 d時相比，發酵60 d的白菜和番茄發酵液，其纖維素酶和轉化酶含量均顯著提高。與此相反，兩種發酵液的過氧化氫酶含量卻隨著發酵時間的延長而顯著降低。發酵30 d或60 d時，番茄發酵液各種酶活性均顯著高于白菜發酵液中相應酶活性。

2.4 發酵時間對尾菜發酵液可溶性碳及氮磷鉀含量的影響

由表3可見，番茄和白菜發酵液隨著發酵時間的延長，其可溶性碳含量增加;番茄發酵液全鉀含量最高、其次是全氮和全磷含量，而白菜發酵液中全氮含量為0.04±0.00 g·L-1，而磷和鉀含量極低，幾乎未檢出。

2.5 尾菜發酵液與化肥配施對設施番茄盛果期土壤容重及速效磷含量影響

如圖2所示，與對照（T1）相比，各處理土壤容重均顯著降低。其中有機肥+番茄尾菜發酵液（T3）處理與有機肥+白菜尾菜發酵液（T4）處理的土壤容重均低于單施有機肥處理（T2）;而與有機肥+化肥（T5）相比，等氮量條件下有機肥+化肥（減半）+番茄發酵液處理（T6）和有機肥+化肥（減半）+白菜發酵液處理（T7）處理顯著降低土壤容重（圖2-A），表明兩種尾菜發酵液施用在一定程度上降低土壤容重。

從根際土壤速效磷含量來看（圖2-B），與對照相比，各施肥處理土壤速效磷含量均顯著增加。與單施有機肥處理相比，增施尾菜發酵液處理顯著增加土壤速效磷含量，其中以有機肥+化肥（減半）+番茄尾菜發酵液處理（T6）根際土壤速效磷含量最高。

2.6 尾菜發酵液與化肥配施對設施番茄盛果期根際土壤銨態氮、硝態氮含量影響

由圖3-A可見，與對照相比，各施肥處理均提高了土壤銨態氮的含量。其中與單施有機肥處理（T2）相比，有機肥+番茄尾菜發酵液（T3）和有機肥+白菜尾菜發酵液（T4）處理的土壤硝態氮含量增加;與有機肥+化肥處理（T5）相比，等氮量條件下有機肥+化肥（減半）+番茄發酵液處理（T6）和有機肥+化肥（減半）+白菜發酵液（T7）均提高了根際土壤銨態氮含量，而有機肥+化肥（減半）+番茄發酵液處理（T6）土壤銨態氮含量最高。

由圖3-B可見根際土壤硝態氮含量變化。與對照及常規有機肥相比，各施肥處理均提高了土壤硝態氮的含量，其中有機肥+化肥（減半）+番茄發酵液處理（T6）土壤硝態氮含量最高。

2.7 尾菜發酵液與化肥配施對設施番茄盛果期土壤微生物量碳氮磷含量影響

由圖4可見尾菜酵液與化肥配施對設施番茄盛果期土壤微生物量碳氮磷含量影響。與對照及常規有機肥處理相比，有機肥+番茄尾菜發酵液（T3）、有機肥+白菜尾菜發酵液（T4）均提高根際土壤微生物量碳含量，而有機肥+化肥（減半）+番茄發酵液（T6）或白菜尾菜發酵液（T7）處理顯著根際土壤微生物量碳含量最高，且兩者沒有顯著差異（圖3-A）;從根際土壤微生物量氮磷含量來看，有機肥+化肥（減半）+番茄發酵液（T6）處理的微生物量氮磷含量最高，其他處理微生物量氮磷含量均高于對照處理（圖4-B，4-C）。

2.8 尾菜發酵液與化肥配施對設施番茄盛果期土壤酶活性的影響

圖5所示，與對照相比，有機肥+化肥（減半）+番茄發酵液處理（T6）和有機肥+化肥（減半）+白菜發酵液（T7）處理的根際土壤脲酶和過氧化氫酶活性均顯著提高;而各施肥處理的磷酸酶和轉化酶活性與對照無顯著差異。

2.9 尾菜發酵液與有機無機不同配施處理對設施番茄產量、品質的影響

由圖6可見，與對照和單施有機肥處理，添加白菜或者番茄發酵液處理均有效提高了番茄產量，其中以有機肥+化肥（減半）+番茄發酵液（T6）處理番茄產量最高。在番茄品質指標方面，與對照和單施有機肥處理，添加白菜或者番茄發酵液處理顯著提高了番茄氨基酸和Vc含量，且有效降低了番茄總酸度。

3 結論與討論

3.1 討 論

據測算，我國每公頃蔬菜大棚年產廢棄物（莖稈、爛果等）約0.2 t[18]。尾菜廢棄物大量堆積、亂堆亂倒、隨意填埋等不恰當的處理方式導致了周邊生態環境受到嚴重污染，成為限制產業健康發展的主要因素之一[19-20]。目前我國尾菜的處理方式主要有：收集填埋、直接還田、沼氣制取、飼料加工、好氧堆肥等。由于尾菜易腐爛變質，腐爛變質后會產生惡臭氣體和滲濾液，不僅污染環境，而且易滋養病菌，采用堆肥發和直接還田處理尾菜，操作不當容易造成尾菜腐爛污染環境。

利用厭氧發酵處理尾菜，具有經濟性好、無污染、資源化利用率高等特點。本研究發現，以白菜菜葉和番茄菜葉為原料，尾菜厭氧發酵不同時間的抗氧化系統活性增強，尤其是總抗氧化能力、超氧化物歧化酶、谷胱甘肽還原酶和還原型谷胱甘肽活性等參數，在60 d內隨發酵時間增加增加;尾菜發酵液隨發酵進程可溶性碳含量增加。與發酵30 d相比，發酵60 d的白菜和番茄發酵液，其纖維素酶和轉化酶含量均顯著提高。與此相反，兩種發酵液的過氧化氫酶含量卻隨著發酵時間的延長而顯著降低。發酵30 d或60 d時，番茄發酵液各種酶活性均顯著高于白菜發酵液中相應酶活性。發酵30 d時相比，發酵60 d的白菜和番茄發酵液，其纖維素酶和轉化酶含量均顯著提高。與此相反，兩種發酵液的過氧化氫酶含量卻隨著發酵時間的延長而顯著降低。發酵30 d或60 d時，番茄發酵液各種酶活性均顯著高于白菜發酵液中相應酶活性。上述結果表明，發酵過程中，番茄和白菜尾菜發酵過程中發酵液的理化性質得到一定程度的改善提高;而建立蔬菜尾菜廢棄物發酵工藝，推動發酵液大田應用對于蔬菜產業可持續發展具有重要意義。

在發酵液大田實驗中，與添加尾菜發酵液相比，番茄、白菜尾菜發酵與有機無機配施后，土壤理化性質得到一定程度改善。有機肥+化肥相比，等氮量條件下有機肥+化肥（減半）+番茄發酵液處理和有機肥+化肥（減半）+白菜發酵液處理處理顯著降低土壤容重，增加根際土壤銨態氮、硝態氮含量，表明兩種尾菜發酵液施用在一定程度上降低土壤容重，提高氮含量。 而從根際土壤速效磷及微生物碳氮磷含量來看，與單施有機肥處理相比，增施尾菜發酵液處理顯著增加土壤速效磷及微生物量氮磷含量，其中以有機肥+化肥（減半）+番茄尾菜發酵液處理根際土壤速效磷、微生物氮磷含量最高，表明添加尾菜發酵液后土壤速效磷含量及微生物對氮磷周轉速率加大。通過對脲酶、過氧化氫酶及磷酸酶、轉化酶活性分析發現，上述脲酶及過氧化氫酶在尾菜發酵液處理中含量較高;而且與對照和單施有機肥處理，添加白菜或者番茄發酵液處理均有效提高了番茄產量，其中以有機肥+化肥（減半）+番茄發酵液處理番茄產量最高。在番茄品質指標方面，與對照和單施有機肥處理，添加白菜或者番茄發酵液處理顯著提高了番茄氨基酸和Vc含量，且有效降低了番茄總酸度。本研究發現，白菜及番茄尾菜發酵液經過60 d發酵后，尾菜發酵液與有機無機配合使用，能夠實現土壤理化性質改善，探索建立適宜蔬菜尾菜液利用技術模式，并篩選出適宜應用的先進技術對尾菜高效資源化利用具有重要意義。

3.2 結 論

隨發酵時間的延長，番茄和白菜尾菜發酵液抗氧化系統活性增強。尤其是總抗氧化能力、超氧化物歧化酶、谷胱甘肽還原酶和還原型谷胱甘肽活性等參數;番茄和白菜尾菜發酵液隨發酵進程可溶性碳含量增加。

與對照及常規有機肥施用相比，尾菜發酵液施用有效降低土壤容重，提高土壤有效養分含量，特別是有機肥+化肥（減半）+番茄發酵液處理根際土壤速效磷、銨態氮、硝態氮含量最高。尾菜發酵液與化肥配施改善根際土壤微生物量及酶活性，有機肥+化肥（減半）+番茄發酵液或白菜發酵液處理顯著根際土壤脲酶、過氧化氫酶活性最高。同時，尾菜發酵液與化肥配施改善番茄品質番茄酸度降低，而氨基酸、Vc含量顯著提升。由此可見，尾菜發酵液部分替代有機肥對設施番茄的可持續發展具有重要的現實意義。

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收稿日期：2020-06-26

基金項目：國家重點研發計劃（2016YFD0201206; 2017YFD0200208）;北京市農林科學院青年科研基金（QNJJ201831）;北京市農林科學院科技創新能力建設專項區域協同創新項目資助（KJCX20180708）;北京市農林科學院科技創新能力建設專項，京津冀循環農業技術集成創新研究與示范（KJCX20180708）

作者簡介：高利娟（1980—），女，山西朔州人，副研究員，主要從事施肥與環境、農業廢棄物循環利用研究。

通訊作者簡介：李順江（1976—），男，山東青島人，副研究員， 博士，主要從事環境質量安全與健康、農業面源污染監測與防治研究。