不同改良劑對鹽堿地土壤微生物與加工番茄產量的影響

屈忠義 孫慧慧 楊 博 高曉瑜 王利明 王麗萍

(內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院， 呼和浩特 010018)

0 引言

土壤是微生物最好的天然培養基，具有微生物所必需的營養和微生物生長繁殖、生命活動所需的各種條件。微生物幾乎參與土壤中的一切生物及生物化學反應。微生物群落能迅速對周圍環境變化作出反應。因此，土壤中微生物的數量反映了土壤肥力水平，對植被生長發育起到重要作用。有研究表明，土壤微生物數量是一種更有效、反應更靈敏的評價土壤質量的指標[1]。

根據聯合國教科文組織和糧農組織不完全統計，全世界鹽堿地面積為9.54億hm2，我國約為9 900萬hm2[2]。鹽堿土壤的改良及改良前后土壤性質的變化一直是研究追蹤的熱點。內蒙古作為我國西北最大的灌區，現有鹽堿地約26.7萬hm2，且耕地次生鹽漬化面積每年都在增加[3]，農業的可持續發展受到阻礙，亟需對鹽堿地進行改良。改良措施涉及工程、物理、化學、農藝等方面。研究表明，脫硫石膏在降低土壤容重、pH值和土壤電導率[4]，增加微生物量[5]，提高土壤肥力及作物產量等方面具有積極作用[6]；定期施用有機肥可提高土壤有機碳含量，改善土壤理化性質，從而提高作物產量[7]；生物炭具有巨大的表面積和多孔性質，在鹽堿土中施入生物炭能改善土壤結構，提高土壤水肥利用效率[8]，從而提高作物產量[9-10]。現階段關于鹽堿地改良和土壤微生物的研究成果很多[5-6,11-12]，但是將鹽堿地改良劑與土壤微生物數量相結合的相關研究較少。本文以內蒙古河套地區中度鹽堿地為研究對象，研究不同改良劑對中度鹽堿地表層20 cm內作物生育期間土壤微生物群落、理化性質以及作物產量的影響，從生物因子和非生物因子的角度比較不同改良劑對鹽堿地的改良效果，為鹽堿地改良提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2018年5—10月在內蒙古自治區杭錦后旗三道橋澄泥村改鹽增糧試驗基地開展。該地區位于內蒙古自治區巴彥淖爾市西部(106°54′～106°55′E， 40°49′～40°50′N，海拔990～1 003 m)，屬中溫帶大陸性氣候，冬長寒冷，夏短溫熱，蒸發強烈，年均降水量136.5 mm，年均蒸發量1 953.9 mm，鹽分表聚現象嚴重。年平均日照時數3 449.6 h，年均氣溫8.7℃，晝夜平均溫差13.2℃，年均無霜期152 d。生育期內日平均氣溫和日降雨量變化情況見圖1。

經HELOS/OASIS型激光粒度儀測定，可知0～20 cm土層土壤中黏粒、粉粒、砂粒含量(質量分數)分別為7.69%、 47.86%、44.45%，屬于粉壤土。土壤類型屬于硫酸鹽-氯化物型鹽土(格拉波夫斯卡婭的劃分標準)，程度為中度鹽堿土，土壤容重為1.57 g/cm3，pH值為8.62，電導率(EC)為3.25 mS/cm，土壤有機質質量比14.32 g/kg，速效磷質量比8.75 mg/kg，速效鉀質量比218.45 mg/kg，堿解氮質量比50.74 mg/kg。作物生育期地下水埋深1 m左右。

1.2 供試材料

供試脫硫石膏為包頭市第二熱電廠產生的廢棄脫硫石膏，其主要成分為CaSO4·2H2O，pH值為8.08，根據房宸等[13]研究結果并結合離子交換反應原理計算綜合得出施用量為37.5 t/hm2；供試有機肥來自當地集中堆肥區(將羊糞進行好氧發酵而成)，pH值為8.12，根據董蕓雷等[12]研究結果并參照當地農民經驗綜合得出脫硫石膏復配有機肥的施用量為37.5 t/hm2；試驗供試生物炭為遼寧金和福農業開發有限公司的秸稈生物炭，基本理化性質：C質量分數為47.17%、N質量分數為0.71%、H質量分數為3.83%，有機質質量比為925.74 g/kg，堿解氮質量比159.15 mg/kg，速效磷質量比394.18 mg/kg，速效鉀質量比為783.98 mg/kg，pH值為9.04，根據高利華等[14]研究成果得出最佳施用量為22.5 t/hm2。

供試作物為加工番茄，品種為屯河16號，株距35 cm，行距50 cm，種植方式為一膜一帶兩行(圖2)，于5月中旬進行移栽，全生育期110 d。

1.3 試驗設計與方法

試驗設置對照(CK)、有機肥復配脫硫石膏(T1)、生物炭(T2)、脫硫石膏(T3) 4個處理。每個小區面積為90 m2(10 m×9 m),每個處理3次重復，共12個小區，小區四周設置2 m寬的保護行。各改良劑于2017年4月一次性均勻施于土壤表面，用旋耕機均勻翻入耕層0～20 cm。2018年不再施加任何改良劑，繼續進行田間定位試驗。生育期內灌水方式為地下水膜下滴灌，由張力計控制灌水時間，TDR進行校核，灌水下限為-25 kPa，每次灌水定額為225 m3/hm2。底肥的施用量為：磷酸二銨(P2O5質量分數為39%)375 kg/hm2，復合肥(N、P2O5、K2O質量分數為30%、5%、5%)75 kg/hm2，生育期內追施尿素(N質量分數46.67%)225 kg/hm2，通過文丘里施肥器進行膜下滴灌隨水施肥，各小區其余田間管理保持一致。

1.4 測定指標與方法

在番茄各生育期(苗期-開花著果期、開花著果-著果盛期、著果盛期-著果末期)對各處理膜內分別取0～20 cm土層的土樣(采用5點取土的方法)，然后各處理土壤分別均勻混合，分兩份備用。一份帶回實驗室，采用稀釋涂布平板法培養微生物，其中細菌使用牛肉膏蛋白胨培養基[15]，稀釋度選取10-5、10-6、10-7，37℃下倒置培養24 h后計數。放線菌使用高氏一號培養基[15]，稀釋度選取10-4、10-5、10-6，28℃下倒置培養4 d后計數。真菌使用馬丁氏培養基[15]，稀釋度選取10-3、10-4、10-5，28℃下倒置培養4 d后計數。

另一份土樣，經自然風干、過篩后，土水比1∶5浸提法，用酸度計和電導儀直接讀出土壤的pH值和電導率(EC)；采用堿解擴散法測定土壤水解氮含量[16]，采用聯合浸提-比色法測定速效磷和速效鉀含量[17]，采用重鉻酸鉀容量法測定有機質含量[18]。

1.5 數據分析與處理

利用Microsoft Excel 2016軟件對數據進行計算處理，用Origin 2017進行繪圖；用SPSS 22.0軟件進行單因素方差分析和相關性分析，采用LSD方法進行顯著性檢驗(P<0.05)；用CANOCO 5軟件對微生物群落進行冗余分析(RDA)，并作圖。

2 結果與分析

2.1 不同改良劑對土壤理化性質的影響

2.1.1不同改良劑對土壤pH值和電導率的影響

土壤pH值是制約土壤微生物活動和作物生長的主要因素之一，是土壤理化性質和土壤肥力特征的綜合反映[19]。由圖3a(圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同)可知，番茄生育期內土壤pH值在7.61～8.39之間，呈堿性，與CK處理相比，T1和T3處理pH值顯著降低，分別降低了3.00%～5.51%和2.87%～8.50%，T2處理在苗期-開花著果期不顯著，在開花著果期-著果末期顯著降低，降低了3.52%～4.73%。

土壤鹽分是影響作物生長發育和微生物活動的主要障礙因子之一。過多的土壤鹽分會導致土壤透氣和透水性差、表層易板結、養分低等，嚴重影響作物的生長發育，造成作物缺苗或死亡，使作物產量直接減產。由圖3b可知，與對照(CK)處理相比，施加改良劑均能降低土壤EC，在苗期-開花著果期和開花著果-著果盛期，T2處理較對照(CK)處理降低最大，分別降低了70.94%和75.20%，在著果盛期-著果末期，T3處理較對照(CK)處理降低最大，降低了57.42%。主要是因為脫硫石膏通過Ca2+把交換性Na+置換出來，通過灌溉帶走Na+，減少土壤鹽分；而生物炭通過降低土壤容重，提高土壤滲透性，促進灌溉對土壤鹽分的淋洗，從而降低土壤鹽分。

2.1.2不同改良劑對土壤養分的影響

土壤養分是反映土壤質量和土壤生產力的重要指標，為作物生長發育和土壤微生物活動提供必要的營養物質。由圖4可知，施加改良劑能增加土壤中有機質、水解氮、速效磷及速效鉀含量。在全生育期內，各處理表層土壤水解氮含量均相對比較穩定，這可能是因為該試驗采用的是膜下滴灌隨水施肥且注重在需肥較大的生育期多次少量適時適量追肥，從而保證土壤水解氮能有效并平穩供應。速效磷和速效鉀含量在苗期-開花著果期高于著果盛期-著果末期，這是因為前期植株生長發育需要的養分較少，消耗量小于積累量，使得速效磷和速效鉀含量增加，但隨著生育期的增加，植株的生長發育需要消耗大量養分，消耗量大于積累量，使得后期養分含量減少，且速效鉀在番茄著果盛期-著果末期明顯降低，是由于著果成熟時需要大量鉀導致。各處理土壤有機質含量在開花著果-著果盛期最多。

在苗期-開花著果期，T1、T2、T3處理有機質含量均顯著高于對照(CK)處理，且T1處理增加最多，增加了88.88%，在開花著果-著果盛期，各處理差異性不顯著，在著果盛期-著果末期，T2處理顯著增加，較對照(CK)處理增加了28.04%，說明不同改良劑對土壤有機質作用的時間不一致。T2處理的土壤水解氮、速效磷、速效鉀含量均較對照(CK)處理顯著增加，分別增加了53.53%～116.63%、84.97%～295.22%、25.10%～43.22%。因此，在作物生育期內，各改良劑均改善土壤理化性質，增加土壤表層養分。

2.2 不同改良劑對可培養土壤微生物數量的影響

2.2.1不同改良劑對土壤細菌數量的影響

土壤細菌占土壤微生物總數的70%～90%，且細菌數量是反映土壤肥力的一個生物學標志[20]，對表1數據進行縱向比對可知，各處理下，加工番茄整個生育期土壤細菌數量呈先升高后降低的拋物線趨勢，在開花著果-著果盛期達到最高值，這是由于該時期土壤的水熱鹽條件更利于細菌的生長，到著果末期土壤養分和氣溫相對下降，細菌數量也隨之下降。對表1數據進行橫向比對可知，各個生育期下，施加改良劑均能增加土壤細菌數量，且T2處理增加最多，較對照處理(CK)增加了1.6～7.8倍，表明施加不同改良劑能改善土壤理化性質，促進細菌的生長繁殖。

2.2.2不同改良劑對土壤放線菌數量的影響

放線菌受土壤通氣性的影響較大，對表2數據進行縱向比對可知，各處理下，表層土壤放線菌數量在全生育期均呈拋物線形變化，最高值出現在開花著果-著果盛期。對表2數據進行橫向比對可知，各個生育期下，施加不同改良劑的土壤放線菌數量均顯著高于對照(CK)處理，其中，T2處理增加最多，增加2.0～6.1倍，這主要是因為生物炭本身具有巨大表面積和孔隙度，為放線菌提供足夠生存空間和氧氣，且生物炭可作為放線菌生長繁殖的C源。

表1 不同改良劑對鹽堿地表層0～20 cm土壤細菌數量的影響

表2 不同改良劑對鹽堿地表層0～20 cm土壤放線菌數量的影響Tab.2 Effect of different amendments on quantity of actinomycetes in 0～20 cm soil of saline alkali surface layer cfu/g

2.2.3不同改良劑對土壤真菌數量的影響

真菌在腐殖質的形成和團聚體穩定過程中起重要作用。對表3數據進行縱向比對可知，在4種處理下，土壤真菌數量在全生育期呈下降趨勢，苗期-開花著果期真菌數量最大，到著果末期數量降至最低值。這是因為真菌多數適應于中性偏酸性環境。對表3數據進行橫向比對可知，各個生育期下，施加不同改良劑的土壤真菌數量均高于對照(CK)處理，且在苗期-開花著果期和著果盛期-著果末期，T2處理顯著增加，較對照(CK)處理分別增加了32.9%和269.9%；在開花著果-著果盛期，T1處理顯著增加，增加了30.4%。這是因為生物炭施入鹽堿土中能改善土壤結構，為土壤真菌提供良好的生長繁殖棲息地，有效吸附土壤真菌，為其提供載體，而有機肥復配脫硫石膏不僅能增加土壤有機質，對土壤的pH值也有較好的降低作用，進而增加土壤真菌數量。綜上所述，在作物生育期內，各改良劑均能增加土壤微生物數量，且對土壤微生物主要類群的數量調節作用不一致。

表3 不同改良劑對鹽堿地表層0～20 cm土壤真菌數量的影響Tab.3 Effect of different amendments on quantity of fungi in 0～20 cm soil of saline alkali surface layer cfu/g

2.3 不同改良劑對加工番茄產量的影響

不同改良劑對加工番茄產量的影響見圖5，加工番茄產量介于31.73～49.49 t/hm2，通過單因素方差分析發現，施加改良劑對加工番茄產量影響顯著(P<0.05)，且施加各改良劑處理的產量較對照(CK)處理均增加，其中T2處理的產量增加最多，增加了55.96%，其次為T1、T3處理，分別增加了31.63%、33.99%。

2.4 土壤微生物群落的冗余分析

將土壤微生物群落與土壤理化性質進行冗余分析(RDA)，評估土壤環境因子、各處理、微生物群落之間的關系，結果見圖6。土壤細菌、放線菌數量與土壤有機質、速效鉀、速效磷、水解氮含量均呈一定的正相關關系，與EC、pH值呈負相關關系；土壤真菌數量與pH值呈負相關，與其他環境因子呈一定的正相關關系。同時，還可以從 RDA 分析中看出微生物群落受土壤因子影響程度不同。其中，土壤速效鉀、有機質含量和EC是貢獻率最大的3個理化因素，共解釋了95.7%的群落變化，因此土壤鹽分和土壤速效鉀、有機質是影響各處理表層土壤微生物群落分布的主控環境因子。RDA 分析還顯示，不同改良劑處理下土壤微生物群落組成存在差異，T3處理與對照的群落結構相似性高于T1和T2處理，其中T2處理較對照對土壤微生物群落結構的影響最為明顯。以上表明3種改良劑均可改善鹽堿地土壤理化性質，為微生物提供良好的生存條件，同時土壤微生物作為土壤養分的主要分解者，分解土壤中的養分，二者相輔相成，為植物生長提供必要的營養，從而增加作物產量。

3 討論

鹽堿地土壤結構性、通氣性和透水性差，孔隙度小，表層土壤易結皮，使得植物生長受到限制。一方面，鹽堿地中存在大量的易于淋失的Na+和K+，交換性鈉增大了團聚體變濕時破碎或崩解的趨勢，崩解團聚體釋放的黏粒和粉粒在剖面中向下淋洗時，堵塞了土壤孔隙，這是鹽堿地滲透性差的主要原因；另一方面，干旱地區強蒸發量使得土壤鹽分表聚，作物根區積累鹽分，不能很好地生長。本研究表明，施加脫硫石膏和脫硫石膏復配有機肥均能降低土壤pH值，這與劉淑芹等[5]、屈忠義等[21]、鄒璐[6]研究結果一致。在作物初期，生物炭處理土壤pH值較對照(CK)處理增加，但隨著時間的延長，土壤pH值較對照(CK)處理減少，這與VAN ZWIETEN等[9]研究不一致，可能是由于生物炭本身呈堿性，施入土壤中初始較對照(CK)處理有所增加，但隨著生物炭與土壤發生反應，使得生物炭產生正、負電荷，提高土壤陽離子交換量，使堿化度減小，進而降低土壤pH值。田間試驗還表明，施加脫硫石膏、生物炭、脫硫石膏復配有機肥均能降低土壤EC，增加土壤有機質、水解氮、速效磷、速效鉀含量，這與張瑤等[22]研究結果一致。脫硫石膏通過Ca2+把交換性Na+置換出來，通過灌溉將Na+淋洗至深層，降低表層土壤鹽分，同時脫硫石膏中含有大量的S在土壤中經氧化作用生成 H2SO4，可促進土壤 P、K 等的溶解，增加土壤養分含量[6]；有機肥本身作為一種含有機物質的肥料，不僅可以為作物提供一定無機和有機的養分，對土壤養分也有提高[23]；生物炭可以改善土壤結構，增加土壤孔隙度，提高土壤儲水能力，降低土壤鹽分[24]；同時生物炭可以增加土壤陽離子交換量，有效吸附鹽堿地土壤中的養分，降低土壤中氮、磷、鉀的淋溶損失，提高土壤保肥能力，改善土壤養分的空間分布[25]。

本文試驗結果表明，生物炭、脫硫石膏、脫硫石膏復配有機肥均有利于土壤細菌、放線菌、真菌的生長繁殖，增加作物產量，其中生物炭的優勢更加突出，這與文獻[5,26-29]研究結果相似。生物炭具有豐富的微孔結構，比表面積大，吸附能力強，表面官能團豐富，施入土壤后，可降低土壤容重，促進土壤微團聚體的形成，改善土壤結構，為土壤微生物提供庇護場所，促進微生物群落的繁衍生息，同時生物炭含有植物生長所必需的大量元素和中微量元素，可為作物生長發育提供必要的補充，增加作物產量[30-31]；有機肥能夠增加根系的分泌物，提供給土壤微生物更多的能源物質，從而提高土壤微生物量，同時增加作物產量[32]；脫硫石膏能降低土壤pH值和EC，增加土壤通氣性，改善土壤微生物生長繁殖環境，促進微生物生長[6]。本研究也表明，表層土壤在作物全生育期內土壤細菌和放線菌數量呈拋物線形，在開花著果-著果盛期最高，這與隋虹杰等[33]和沈鵬飛[34]研究一致。施加不同改良劑時土壤耕層微生物數量變化不一致，產生這種差異的主要原因是改良劑本身性質造成的，不同改良劑之間其物理性質和養分不同，且本身含有的微生物菌群不同。

本研究通過冗余分析表明，土壤細菌、放線菌數量與土壤養分含量呈正相關，與土壤EC和pH值呈負相關，土壤真菌數量與pH值呈負相關，與其他環境因子呈一定的正相關關系，這與時唯偉等[35]、李鳳霞等[32]結論相符。說明土壤微生物群落在一定程度上能反映土壤肥力水平，土壤中細菌和放線菌數量高，表明土壤性質和肥水條件好，作物產量高，可以作為評價土壤健康的生物指標。同時土壤微生物與土壤肥力和土壤健康也是相輔相成的，土壤微生物作為土壤養分的主要分解者，通過分解有機物等養分獲得自身所需營養物質的同時，為植物生長發育提供必要的營養，進而增加作物產量。分析也表明，土壤速效鉀、有機質含量和EC是土壤微生物群落生長繁殖的關鍵因素，這與IBEKWE等[36]研究結果一致，土壤微生物隨著土壤鹽漬化程度的增加呈減少的趨勢，土壤微生物與大部分土壤養分之間具有很好的相關性[37]。鹽堿土壤板結嚴重，使得土壤孔隙度降低，不利于好氧微生物活動和繁殖，因此通過施加生物炭、脫硫石膏、有機肥能改善土壤理化性質，增加土壤孔隙度，降低土壤鹽分和pH值，增加土壤養分，從而改善土壤中微生物生長環境，增加土壤中細菌、放線菌、真菌數量，而土壤微生物的增加又反作用于土壤結構，改善土壤理化性質，形成良性循環，最終實現改良鹽堿的目的，同時添加這些改良劑能增加土壤中的養分含量，促進作物的生長發育，增加作物產量。

河套灌區作為我國西北最大的灌區，改良鹽堿地對該地區的農業發展和生態環境具有重要意義。生物炭施入土壤中，不僅能改善土壤性質，為作物生長提供一定的營養補充，減少化肥的投入和環境污染，而且原材料生產成本低、來源廣泛[8]。脫硫石膏作為燃煤電廠的副產物，施入鹽堿地后，不僅能減小土壤pH值和鹽分含量，而且能減少對環境的二次污染[4]。而有機肥作為一種含有機物質的肥料，不僅可以為作物提供一定的無機和有機養分，改善土壤理化性質，而且和脫硫石膏、秸稈等復配效果更好[12]。因此本試驗主要在河套灌區施加這3種改良劑，研究對鹽堿地耕層20 cm土壤微生物數量、理化性質及加工番茄產量的影響，結果顯示生物炭更有利于促進鹽堿地土壤微生物的生長繁殖，改善土壤理化性質，增加土壤養分含量，提高加工番茄的產量。

4 結論

(1)施加改良劑均能降低生育期鹽堿地土壤電導率和pH值，增加土壤有機質、水解氮、速效磷、速效鉀含量，其中生物炭(T2)處理在降低土壤電導率、增加土壤養分方面效果較為顯著。

(2)在整個生育期內，各處理的土壤細菌和放線菌數量均呈拋物線形變化，最大值均出現在開花著果-著果盛期，土壤真菌數量在全生育期呈下降趨勢，苗期-開花著果期最多。在同一生育期內，施加生物炭、脫硫石膏、脫硫石膏復配有機肥均可增加鹽堿地土壤細菌、放線菌和真菌數量，其中細菌和放線菌數量均以生物炭(T2)處理的增幅最大，較對照組(CK)分別增加了1.6～7.8倍和2.0～6.1倍。

(3)施加各改良劑均能顯著提高番茄的產量，其中生物炭(T2)處理的產量增加最多，較對照組增加了55.96%。

(4)土壤耕層細菌、放線菌數量均與土壤pH值和EC呈負相關，與土壤有機質、水解氮、速效磷、速效鉀含量呈正相關，土壤真菌數量與土壤pH值呈負相關，與土壤有機質、水解氮、速效磷、速效鉀含量呈正相關。