檸條堆肥與翻耕深度對設施黃瓜生長、品質及產量的協同影響

張凱歌，王曉東，馬永杰，韓聰穎，張雪艷

(寧夏大學農學院，銀川 750021)

【研究意義】現代農業生產中，有機肥施用比例雖不斷增加，但仍以無機肥投入為主，其用量占總用肥量90%以上[1-2]。大量無機肥料投入短期內提高了蔬菜產量效益，但長期盲目施用將造成作物品質和產量下降，土壤養分比例失調，微生物區系失衡[3]。在集約化生產中面臨更為嚴重的土壤障礙問題[4]，尤其在設施栽培中，溫室半封閉環境，以及較露地更多的殺蟲劑、化肥應用造成了土壤質量下降嚴重，黃瓜長勢變差，果實品質和產量降低[5]。有機肥施用可有效改善農田土壤團粒結構，增強土壤透氣能力、保水能力以及蓄熱能力，并能培肥地力，活化土壤養分，提高作物對肥料的利用效率[6]，同時為土壤微生物提供適應的生存環境，增強土壤微生物活性和群落功能多樣性，是改良農田土壤的有效措施[7]。傳統有機肥由于產業供給體系不完善，并不能滿足所有農業生產的需求[8]，因此，進行新型有機肥肥料替代傳統有機肥的研究具有重要意義。【前人研究進展】堆肥是有效利用農業廢棄資源的重要方式。堆肥的施入可通過調整土壤物理、化學和生物學特性達到積極修復土壤質量的效果[9]。張雪艷等[10]研究表明，堆肥結合接種蠟樣芽孢桿菌不僅能有效促進黃瓜植株的生長，而且能提高果實品質和產量。檸條(Caraganamicrophylla)是多年生豆科灌木，作為防風固沙生態功能植物大面積種植于我國西北地區，其殘茬是西北地區重要的農業廢棄資源。寧夏全區每年可開發利用的檸條種植面積達40萬hm2以上，產量超過80萬t[11]。檸條殘茬中氮素和有機質含量較高，進行堆肥處理后適合用于蔬菜作物栽培。檸條堆肥施用將減少檸條殘茬處理不當對生態環境造成的污染，提高農業廢棄資源的利用效率。有機肥施入往往伴隨著翻耕進行，土壤深翻可打破犁底層，改變土層結構，通過深翻建立的耕作層可較好地協調土壤中的水、肥、氣和熱，對大幅度提升土壤質量及促進作物生長具有重要意義[12]，但過度深耕將增加水分和養分流失。目前，關于翻耕深度對作物生長影響的研究多集中在小麥[13]、玉米[14]、大豆[15]和棉花[16]等大田作物上，針對園藝作物特別是設施蔬菜栽培翻耕深度結合有機肥進行土壤培肥研究卻鮮有報道。【本研究切入點】以傳統腐熟雞糞結合常規翻耕深度為對照，設置檸條堆肥結合不同翻耕深度處理，探究檸條堆肥結合翻耕對黃瓜生長、葉片熒光特性、果實品質和產量的協同影響。【擬解決的關鍵問題】明確檸條堆肥下的合理翻耕深度，為檸條殘茬堆肥化利用下促進黃瓜生長、品質和產量形成的合理耕作模式提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況與試驗材料

試驗在寧夏銀川賀蘭國家園區4號日光溫室進行，該區域海拔1110.14 m，地處寧夏回族自治區東北部(105°53′～106°36′E、38°26′～38°48′N)，屬于中溫帶干旱氣候。年平均太陽輻射5711～ 6096 MJ/m2，平均溫度6.28～13.10 ℃，年均降雨量為129～600 mm。供試土壤類型為粉壤土(23.5%的沙子，52.8%的淤泥和3.7%的粘土)。供試黃瓜品種為博美626(天津德瑞特種業有限公司)，檸條堆肥以檸條、羊糞為原料，按照碳氮比25∶1好氧發酵50 d后獲得，容重為0.25 g/cm3，總孔隙度為79.2%。

表1 供試土壤和肥料的基本性質

1.2 試驗設計

以傳統腐熟雞糞+翻耕15 cm(常規耕作)為對照(CK)，檸條堆肥+免耕(T1)、檸條堆肥+翻耕15 cm(T2)、檸條堆肥+翻耕35 cm(T3)、檸條堆肥+翻耕45 cm(T4)為處理，連續進行4茬田間試驗，第1茬(2018年2—7月，早春茬)，第2茬(2018年9月至2019年1月，秋冬茬)，第3茬(2019年2—7月，早春茬)，第4茬(2019年9月至2020年1月，秋冬茬)。每個處理3次重復，小區隨機排列，每個小區面積9 m2。試驗采用高畦栽培，雙行種植，株距33 cm，行距70 cm。雞糞和檸條堆肥等氮施用，雞糞施用量為22.5 t/hm2，檸條堆肥施用量為23.2 t/hm2，同時各處理施用磷酸氫二銨450 kg/hm2，復混肥[m(N)∶m(P)∶m(K)=20∶20∶20]450 kg/hm2，進行統一追肥和灌水，為防止處理間水分橫向運移，小區之間用泡沫板進行隔離，泡沫板深度為80 cm。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 植株長勢的測定 2018—2020年每茬植株定植后第2周開始，每個處理選取代表性植株10株，每隔2周進行植株長勢的測定，共測5次。利用鋼制卷尺從黃瓜莖基部到黃瓜生長點進行株高的測定，利用游標卡尺在距地面1 cm處測定黃瓜植株莖粗。測定后分別計算黃瓜株高相對生長率莖體積相對生長率[17]：

RGH-PH[cm/(cm·d)]=[ln(h2)-ln(h1)]/(t2-t1)

(1)

RGH-SV[cm3/(cm3·d)]=[ln(d2·d2·h2)-ln(d1·d1·h1)]/(t2-t1)

(2)

式中，h1、h2代表2次測量時間點的株高。d1、d2代表2次測量時間點的莖粗，t1、t2代表2次測量的時間點。

1.3.2 植株葉片熒光參數的測定 每個栽培茬的植株定植后6周左右，在晴天上午的09：00—11：00每個處理選取10株具有代表性的植株，用OSI-FL便攜式葉綠素儀選取相同節位(從上數第5片)的黃瓜功能葉片測定葉片熒光參數。測定前，先用熒光夾子夾住黃瓜葉片進行30 min暗適應，使其反應中心處于完全開放狀態，用便攜式熒光儀對準夾子接口處，然后拉開暗室板直接測定葉片的熒光參數Fo和Fm，并計算PSⅡ最大光化學轉化率(Fv/Fm)和PSⅡ最大光化學轉化作用光下實際的光化學淬滅系數(qP)[18]。

1.3.3 黃瓜果實品質和產量的測定 全生育期記錄每個小區黃瓜產量，分別統計各處理的總產量，并按照小區面積計算整個生育期的公頃產量。在黃瓜盛果期采集黃瓜果實測定品質指標。可溶性固形物含量采用TD-45數值折光儀測定，硝酸鹽含量采用水楊酸比色法測定，可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定，Vc含量采用鉬藍比色法測定，有機酸含量采用酸堿中和轉移法進行測定[19]。

1.4 數據統計

所有數據采用Office 2016和SPSS 24.0進行統計分析。分別對春、秋茬數據進行單因素方差分析(One-way ANOVA)，并采用Tukey多重比較方法進行顯著性差異分析(P<0.05)。利用主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)對不同處理的植株長勢，葉片熒光參數、果實品質和產量特性進行綜合評價，利用Origin 2018進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 檸條堆肥和翻耕深度對黃瓜植株生長的影響

翻耕和不同底肥處理對黃瓜植株生長有顯著影響(圖1)。株高、莖體積相對生長率存在明顯的季節差異，春茬數據顯著高于秋茬。在春茬種植中，除T2株高相對生長率顯著高于CK外，其他處理與CK間無顯著差異，T2處理的株高相對生長率相對于CK提高了1.63%。秋茬中各處理株高相對生長率顯著低于CK：CK>T2>T1>T4>T3(圖1-A、1-B)。在春茬種植中CK處理的莖體積相對生長率顯著高于其他處理：CK>T1>T2>T3>T4，且隨著耕作深度的增加而降低。而在秋茬栽培中，T2處理的莖體積相對生長率最高，相對于CK、T1、T3和T4分別提高了0.63%、5.59%、14.16%和14.81%，T2與CK處理間沒有顯著差異，各處理間的差異主要由耕作方式不同造成。

2.2 檸條堆肥和翻耕深度對葉片熒光參數的影響

如圖2所示，除qP外，Fo、Fm、Fv/Fm值存在顯著的季節性差異，春季數據大于秋季。在春茬中T1處理的Fo值與CK相比無顯著差異，CK處理的Fo和Fm值最高，各處理葉片Fo和Fm值隨翻耕深度增加呈降低趨勢，秋茬種植中T1處理的Fo和Fm值與CK無顯著差異，T2和T4處理顯著低于CK，相對于CK的Fo和Fm值分別降低了3.40%、10.76%、3.16%和14.83%，且T4處理最低。春茬種植中T3和T4處理的Fo和Fm值顯著高于CK和其他處理：T4>T3>CK>T1>T2。秋茬中除T3處理的Fv/Fm值顯著低于CK外，其他處理與CK間無顯著差異。春茬種植中各處理與CK的qP值無顯著差異，且T1處理的qP值顯著高于T2、T3和T4處理的9.05%、7.37%和29.10%，秋茬中除T4處理的qP值顯著低于CK外，其它處理與CK相比無顯著差異，T1處理相對于其他處理分別提高了0.33%、9.05%、7.37%、29.1%。

圖1 不同處理下黃瓜株高和莖體積相對生長率的變化Fig.1 Change of cucumber plant height and stem volume growth rate under different treatments

2.3 檸條堆肥和翻耕深度對黃瓜果實品質和產量的影響

由圖3可知，果實Vc、可溶性固形物、硝酸鹽含量無明顯的季節性變化。在春茬中除T3處理外，其他處理的Vc含量與CK無顯著差異，T1處理的Vc含量最高。各處理相對CK顯著增加了果實可溶性固形物含量，分別提高了6.12%、4.08%、9.69%和6.63%。而在秋茬中則降低了果實可溶性固形物含量，且2個栽培季節均表現出T3和T4處理的果實可溶性固形物顯著高于T1和T2處理。在春茬中，T3和T4處理相對于CK顯著增加了果實硝酸鹽含量，分別提高了20.71%和18.68%，在秋茬各堆肥處理的硝酸鹽含量與CK無顯著差異。

果實可溶性糖和有機酸含量與植株生長指標一樣存在明顯的季節性差異，春茬數據顯著高于秋茬數據。在春茬中除T2處理外，其他處理與CK相比顯著增加果實可溶性糖含量4.70%、23.20%和5.20%，T3和T4處理顯著降低了果實有機酸含量，且T3和T4處理的果實糖酸比值相對于CK分別顯著增加了35.86%和31.83%。在秋茬種植中，各處理的果實可溶性糖含量隨翻耕深度增加呈降低趨勢，T3和T4處理的可溶性糖含量相對于CK顯著降低了21.94%和27.65%，各檸條堆肥處理均顯著降低了果實有機酸含量，除T3處理外，其他處理顯著增加果實糖酸比，相對于CK分別增加了17.25%、42.86%、9.03%和17.67%(圖4)。各檸條堆肥處理與CK相比果實產量無顯著差異，但檸條堆肥結合淺耕對黃瓜產量有增加趨勢(圖5)。

2.4 三因素和主成分分析

栽培季節對各指標均產生了顯著影響，株高和莖體積相對生長率、Fo、Fm、Vc、可溶性固形物、可溶性糖、有機酸和糖酸比均受檸條堆肥(Caragana compost，CM)和翻耕深度(Ploughing depth，PD)的顯著影響(表2，P<0.05)。CM和PD單一處理對Fv/Fm、qP、產量和硝酸鹽的影響不顯著(P>0.05)，對其它指標均有顯著影響(P<0.05)。種植季節(Cropping season，CS)與CM互作對Fo和糖酸比無顯著影響，CS與PD互作對Fo和產量的影響不顯著，對其它指標均有顯著影響。CM與PD互作增強了對qP和產量硝酸鹽的影響，而對Fv/Fm、可溶性糖有機酸糖酸比的影響不顯著。CS、CM、PD三因素互作對Fo、Fm和Fv/Fm無顯著影響，對其他指標均有顯著影響。

圖2 不同處理下黃瓜葉片熒光特性的變化Fig.2 Change of cucumber fluorescence properties under different treatments

選取特征值大于1的主成分進行分析，春茬數據提取出3個主成分，其特征值分別為8.549、2.540和1.168(表3)，貢獻率分別為65.760%、19.540%和8.988%，累積貢獻率為94.29%。秋茬數據提取出3個主成分，其特征值分別為7.132、3.393和1.828，貢獻率分別為54.858%、26.298%和14.061%，累積貢獻率為95.02%。按照提取的主成分進行綜合得分分析(表4)，在春茬各處理綜合得分排序為T3>T4>T1>T2>CK，秋茬各處理綜合得分從高到低依次為：T2 >CK> T1 >T4 >T3。

3 討 論

3.1 檸條堆肥和不同翻耕深度下對黃瓜植株生長的差異

長期有機肥添加能有效提高養分有效性，緩解土壤酸化，改善作物的土壤環境，通過深翻等耕作措施進一步改善了土壤耕層結構，促進作物生長[12,20-21]。本研究中，相對于檸條堆肥，傳統雞糞施用促進了黃瓜前期生長，這是因為動物糞便處理過的土壤有機氮礦化速率通常更高[22]。總體來說，黃瓜株高和莖體積相對生長率隨翻耕深度增加呈先增后減的趨勢，15 cm翻耕處理植株長勢整體優于免耕和深耕處理，主要是因為黃瓜的根系主要集中在20 cm以內，屬于典型的淺根系作物[17]。15 cm翻耕處理促進了養分在根系主要分布范圍內的均勻分布，使黃瓜根系獲得了適宜的生長環境，促進了黃瓜植株的生長[23]。而免耕處理養分主要富集在土壤表層，與表層土壤空氣充分的接觸，加快了肥料的礦化速率，不利于作物生長。深翻打破犁地層，可以促進養分向深層土壤分布，但黃瓜根系分布較淺，不能吸收深層土壤的養分，不利于作物生長[17]。

圖4 不同處理下黃瓜果實可溶性糖、有機酸和糖酸比的變化Fig.4 Change of cucumber fruit soluble sugar,organic acids and sugar acid ratio under different treatments

圖5 不同處理下黃瓜果實產量的變化Fig.5 Change of fruit yield of cucumber under different treatments

表2 季節、肥料和翻耕對土壤黃瓜生長、葉片熒光、果實品質和產量的影響

表3 主成分分析的特征值與方差貢獻率

3.2 檸條堆肥和不同翻耕深度下黃瓜葉片熒光參數的差異

植物通過光合作用轉化利用光能，葉綠素熒光不僅能探測光合作用的變化，也可以直接反映植株對逆境的響應[24]。本研究發現在春茬、秋茬栽培中CK和T1處理的Fo和Fm值均高于其他處理，主要是由于黃瓜根系受到土壤環境脅迫時，光合作用系統結構被破壞或可逆性失活使Fo和Fm升高。檸條堆肥結合耕作各處理Fo和Fm均低于CK，說明檸條堆肥和耕作為盛果期黃瓜根系創造了更為適宜的土壤環境。Fv/Fm反映植物的潛在最大光化學轉化率，對逆境脅迫也較為敏感。在健康生理狀態下，絕大多數高等植物的Fv/Fm在0.75～0.85，當最大光合轉化率下降時，代表植物受到了脅迫[25]。春茬中T3處理Fv/Fm最大，秋茬各處理整體上顯著低于春茬，植株在秋冬受到輕度低溫脅迫，抑制了黃瓜葉片能量轉化。熒光與光合也存在競爭，在光照射下PSⅡ中有部分電子門處于關閉態，實時的F比Fm要低，說明發生了熒光淬滅，由光合作用引起的熒光淬滅稱為光化學淬滅，反映了植株光合活性的高低。本研究中，qP值隨著翻耕深度的增加而呈現下降趨勢，且T2處理低于CK處理，說明檸條堆肥及深翻處理施用能夠促進黃瓜的光合作用。

表4 不同處理各主成分綜合得分及排名

3.3 檸條堆肥和不同翻耕深度下黃瓜果實品質和產量的差異

有機肥施用和耕作不僅可以促進植株生長，還具有提高蔬菜品質的作用[26-27]。本研究中，連續施用有機肥后，黃瓜果實中Vc、可溶性糖、可溶性固形物含量和糖酸比均有明顯增加。在春茬栽培中，檸條堆肥及深翻處理促進了黃瓜果實可溶性固形物和可溶性糖含量的積累，提高了糖酸比，秋茬栽培中提高了Vc的含量并且能夠有效降低果實中的有機酸的含量。有機肥的施用能夠降低果實中硝酸鹽的含量，并遠遠低于國家安全標準，秋冬茬中檸條堆肥的施用較雞糞處理能夠顯著降低黃瓜果實中有機酸含量，并且隨著翻耕深度和栽培茬次的增加而降低，提高了糖酸比，說明有機肥特別是檸條堆肥的長期施用能夠提高黃瓜風味。不同肥料處理對黃瓜產量影響差異不顯著，整體上黃瓜產量也在隨著栽培茬次的增加而提高，產量的差異主要是耕作造成的，T4處理過度的耕作深度不利于產量的形成。

3.4 檸條堆肥和不同翻耕深度下黃瓜對栽培季節的響應及綜合評價

低溫對黃瓜生長、及土壤肥力造成了不利影響，有機肥的施用可以抵御低土壤溫度對黃瓜生長的不利影響，提高土壤溫度可以明顯提升這種促進作用[28]。本研究中，春茬各處理的株高和莖體積相對生長率、Fv/Fm、可溶性糖、糖酸比和產量均高于秋茬，可能是秋冬季節低溫環境抑制了黃瓜植株的生長、養分的吸收和轉化。這與閆秋艷等[28]研究結果一致。主成分分析表明，2個栽培季節3個主成分的累積貢獻率均在85%以上，可以解釋原來指標所反映的信息。在春茬栽培中，T3處理提高了Fv/Fm和果實品質(可溶性固形物、可溶性糖和糖酸比)，綜合得分最高。在秋茬栽培中，T2處理綜合得分最高，檸條堆肥結合淺耕保持較好的植株生長、果實產量，有效減少果實有機酸含量，提高了果實糖酸比。

4 結 論

植株生長、熒光特性、果實品質和產量存在明顯的季節性差異，春茬數據顯著高于秋茬，并顯著受栽培茬口、底肥、翻耕深度的影響。總體來說，相比傳統雞糞底肥處理，檸條堆肥結合淺耕能夠保持較好的植株生長和果實產量，而檸條堆肥處理結合深翻降低了株高和莖體積相對生長率、qP，顯著提高了黃瓜Fv/Fm和果實品質。因此，春季采取檸條堆肥結合深翻的耕作方式有利于作物能量轉化和果實品質的提升，秋季則采取檸條堆肥結合淺耕的耕作方式有利于作物生長和產量形成。