不同基肥措施對甜瓜產量和土壤性質、細菌多樣性的影響

馬 陽，張立宏，張 培，蘇美榮，劉淑橋，劉勝藍，李旭光*

（1．河北農業大學資源與環境科學學院，河北 保定 071000；2．石家莊市鹿泉區農業技術推廣中心，河北 石家莊 050200；3．河北省耕地質量監測保護中心，河北 石家莊 050051）

設施栽培在我國農業生產中占據重要地位，設施蔬菜作為農業設施栽培發展的代表產業，其生產面積、產值、經濟價值分別占全國蔬菜的20%、35%、60%［1］。隨著社會生活水平的提高，我國設施蔬菜栽培迅速發展，由于經濟和技術的原因，連作成為設施栽培的常態［2］。設施蔬菜生產中過度施用化肥問題普遍存在，導致蔬菜硝酸鹽累積，肥料利用率降低，菜地土壤肥力下降，土壤出現次生鹽漬化、微生態環境失衡，從而影響蔬菜正常生長，并且降低其產量和品質［3-5］。

隨著我國養殖產業化水平的提高，大量畜禽糞便的不合理利用阻礙了畜牧業的可持續發展，嚴重污染了周圍環境［6］。而畜禽糞便中富含有機質、氮、磷、鉀等作物所需營養，在土壤中易被礦化成為植物能夠利用的營養元素，可提高植物生長速率，糞肥用作底物或部分培養基，可實現畜禽糞便減量化、資源化［7-8］?；屎陀袡C肥合理配施可改善設施菜田土壤板結、酸化、養分流失等狀況，提高土壤肥力以及農產品產量和品質［9-10］。研究表明，有機無機配施能激發土壤微生物活性，促進氮轉化和固定，根據作物需氮量減少化肥用量，從而減少氮損失，保證蔬菜產量［11-13］。土壤調理劑在提升次生鹽漬化土壤肥力、降低鹽脅迫程度、促進黃瓜植株生長發育和增產提質方面具有顯著效果［14］。

目前設施蔬菜施用肥料以無機肥為主，針對設施甜瓜連續種植中存在的化肥農藥過量施用、土壤性質惡化、微生態菌群失衡等問題，本研究以設施甜瓜為研究對象，研究腐熟羊糞、土壤調理劑和生物有機肥對土壤理化性質、細菌多樣性，甜瓜產量和品質的影響，為河北省設施甜瓜生產中土壤環境改善提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2020年2月6日至7月20日在河北省石家莊市鹿泉區石井鄉石井村禾晟合作社（114°18′E，38°05′N）設施大棚進行。供試甜瓜品種為金樓蘭，供試肥料及其他材料為腐熟羊糞、金正大土壤調理劑I型（pH 8～10、N≥3.0%、P2O5≥3.0%、CaO≥15.0%、MgO≥3.0%）、生物有機肥（有機 質≥40%、N+P2O5+K2O≥5.0%、菌 種≥2.0億·g-1）、微動力生物菌劑、平衡復合肥（17-17-17）、生根膨果王菌劑（稀土型全水溶生物菌 肥，菌 種≥0.20億·g-1、有 機 質≥20%、N+P2O5+K2O≥8.0%、稀土黃腐酸鉀≥38%）。供試土壤為壤質潮褐土，基本理化性狀見表1。

表1 供試土壤基本理化性狀

1.2 試驗設計

試驗共設計4個基肥處理：T1，生物有機肥；T2，腐熟羊糞；T3，生物有機肥+土壤調理劑；T4，腐熟羊糞+土壤調理劑。這些調理物質的用量均按照產品的推薦用量使用。試驗選擇種植年限為5年的棚室，每個處理重復3次，隨機區組排列。根據各處理施肥要求進行提前混勻，于2月6日施肥后進行旋耕（表2），于3月8日進行定植、澆水，密度為27000株·hm-2。

表2 試驗處理及不同基肥措施的底肥施用量

本試驗各處理只有基肥不同，后面的追肥保持一致：于3月8日追施微動力生物菌劑45 kg·hm-2；于4月20日追施微動力生物菌劑45 kg·hm-2、平衡復合肥（17-17-17）150 kg·hm-2；于5月11日追施生根膨果王菌劑300 kg·hm-2；于5月20日追施生根膨果王菌劑300 kg·hm-2。其他田間病蟲草害防治和栽培管理等技術措施按照當地實際生產水平統一管理。6月11日開始采收，7月20日拉秧。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 土壤理化性質測定

于試驗布置前和甜瓜成熟期采集0～20 cm土層土壤，自然風干后過篩，采用電位法測定土壤pH；油浴加熱重鉻酸鉀氧化-容量法測定有機質；凱氏定氮法測定全氮；碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定有效磷；乙酸銨提取-火焰光度法測定速效鉀；電導法測定水溶性鹽總量［15］。

1.3.2 土壤可培養微生物數量測定

成熟期采集0～20 cm土層土壤放到無菌袋中，將采集的土樣低溫保存運至實驗室，4℃冷藏保存。采用稀釋涂布平板法測定微生物數量，其中細菌培養采用牛肉膏蛋白胨培養基，真菌培養采用馬丁氏培養基，放線菌培養采用改良高氏一號培養基［16］。

1.3.3 土壤微生物多樣性分析

于成熟期采集0～20 cm土層土壤放到無菌袋中，采用干冰冷藏運輸、 80℃冰箱保存。委托北京百邁客生物科技有限公司進行微生物多樣性分析，基于Illumina Miseq測序平臺，采用雙末端測序法對細菌的16S rDNA基因的V3～V4區進行擴增及測序。通過對Reads拼接過濾，在97%的相似水平下將序列分成不同的操作分類單元OTU，并進行物種注釋及豐度分析，揭示各處理樣品的物種構成；進一步進行Alpha多樣性分析、Beta多樣性分析和顯著物種差異分析等。

1.3.4 甜瓜產量及糖度測定

果實成熟后，每個小區選取具有代表性甜瓜果實5個，根據小區面積折算產量，采用PAL-1型數顯折射儀（日本愛拓）測定果實糖度Brix值。

1.4 統計分析

通過Excel 2016和SPSS 21.0對數據進行單因素方差分析，采用鄧肯法（Duncan）進行檢驗差異顯著性（P＜0.05）分析。采用Mothur 1.30進行Alpha多樣性分析，QIIME進行Beta多樣性分析。利用R語言計算物種和環境因子的皮爾森相關系數，采用Canoco 5.0進行冗余分析（RDA）并作圖。

2 結果與分析

2.1 基肥措施對甜瓜產量和糖度的影響

由表3可知，不同基肥措施下的甜瓜果實產量為T3＞T4＞T1＞T2，其 中T3較T1、T2處 理 顯 著 增產4.60%、5.81%，T4較T2處理顯著增產4.07%，而T3和T4、T1和T2處理間均無顯著差異。與T4比，T1、T2和T3處理的甜瓜糖度Brix值分別提高4.84%、1.33%和5.75%，其 中T1、T3與T4間 差異達顯著水平，T1、T2和T3間差異不顯著。以上表明生物有機肥配施土壤調理劑、腐熟羊糞配施土壤調理劑均能顯著增加甜瓜產量；與施羊糞（T2、T4）相比，土壤增施生物有機肥平均可促進果實糖度提高4.60%。

表3 不同基肥措施下的甜瓜產量和糖度

2.2 基肥措施對土壤理化性質的影響

由表4可知，不同基肥措施水溶性鹽總量較試驗前降低9.13%～39.80%，但差異不顯著；與T4相比，T1、T2和T3的土壤pH分別顯著提高1.97%、2.27%和2.14%；試驗前后各處理土壤有機質無顯著差異；T2土壤全氮分別較T1和T4顯著增加32.92%和25.62%；與T1相比，T2和T4的有效磷分別顯著提高23.86%和29.07%；與T1相比，T2、T3和T4的速效鉀含量分別顯著提高36.41%、29.95%和57.65%，與試驗前相比，T4顯著提高土壤速效鉀35.03%。與試驗前相比，各基肥措施試驗后土壤pH提高0.34%～2.62%，其中T1、T2、T3達顯著水平；各處理土壤容重平均降低2.61%～9.12%，其中T4達顯著水平；T2、T3和T4速效鉀平均分別提高16.84%、11.30%和35.03%，其中T4與試驗前土壤速效鉀間達顯著水平；試驗前土壤有機質、全氮和有效磷與試驗后各處理平均含量變化差異不明顯。以上表明，土壤增施生物有機肥、腐熟羊糞和土壤調理劑可提高表層土壤pH，有效降低土壤容重和水溶性鹽總量，試驗前后土壤有機質、全氮和有效磷差異不大。

表4 不同基肥措施下的0～20 cm土壤理化性質

2.3 基肥措施對土壤可培養微生物數量的影響

由表5可知，不同基肥措施表層土壤可培養微生物、細菌、真菌數量、細菌/真菌均為T4＞T2＞T3＞T1，放線菌數量為T4＞T3＞T1＞T2。T4的土壤可培養微生物總數、細菌數、細菌/真菌較其他處理分別顯著提高10.88%～19.89%、10.55%～21.07%、7.30%～9.95%，T4真菌數較T1顯著提高10.78%，其他各處理間差異均不顯著。與試驗前相比，試驗后土壤可培養微生物、細菌、放線菌數量分別提高9.10%、9.35%、5.17%，細菌/真菌顯著提高11.93%，真菌數量降低6.80%，其中T4的微生物、細菌數量與試驗前差異達顯著水平。說明土壤增施生物有機肥、腐熟羊糞、土壤調理劑可改善表層土壤可培養微生物數量，降低土壤真菌數，其中T4處理改善土壤微生態的效果最佳。

表5 不同基肥措施下的土壤可培養微生物數量

2.4 基肥措施對土壤細菌群落Alpha多樣性的影響

對土壤樣品中16S rDNA基因的V3～V4區進行測序，共獲得細菌有效序列368497個，這些序列在97%的相似性水平上被劃分為1226～1322個OTU，土壤細菌文庫覆蓋率99%。不同基肥措施土壤細菌多樣性Chao1和ACE指數反映出T3和T4處理的物種豐度明顯高于T1和T2，其中T3和T4間、T1和T2間的物種豐度差異不大。Shannon指 數 表 現 出T4＞T3＞T2＞T1，Shannon和Simpson指數反映出T4和T3的物種多樣性最高，其次是T2，T1的物種多樣性最低。以上表明，土壤施生物有機肥配合土壤調理劑、施腐熟羊糞配合土壤調理劑明顯提高了表層土壤的細菌群落多樣性。

表6 不同基肥措施下的土壤細菌群落Alpha多樣性指數

2.5 基肥措施對土壤細菌群落豐度及組成的影響

圖1表明，當測序量超過30000條時，整個曲線趨于平緩，表明該測序文庫已經達飽和。不同處理用不同顏色表示，不同顏色圖形之間交疊部分數字為2個處理之間共有的特征個數（OTU數目）。不同基肥措施處理的共有細菌OTU數量為1100，與T1相比，T2、T3、T4的特異性細菌OTU數量分別為97、102、100，與T2相比，T1、T3、T4的特異性細菌OTU數量分別為117、104、115，說明與T1和T2相比，T3、T4的特異性細菌OTU數量較多。

圖1 不同基肥措施下的土壤細菌群落高通量測序文庫稀釋曲線及韋恩圖

由圖2可知，在門水平（圖2左）下，不同基肥措施處理相對豐度最高的菌門為變形菌門（Proteobacteria）占28.60%～36.09%，隨后依次是酸桿菌門（Acidobacteria）占12.98%～27.30%、綠彎菌門（Chloroflexi）占8.23%～14.82%、放線菌門（Actinobacteria）占7.81%～9.33%、芽單胞菌門（Gemmatimonadetes）占7.13%～9.46%、擬桿菌門（Bacteroidetes）占2.53%～9.79%、浮霉菌門（Planctomycetes）占0.80%～4.08%、Patescibacteria占0.50%～7.88%，低于4.0%的有己科河菌門（Rokubacteria）、硝化螺旋菌門（Nitrospirae）和其他。與T1相比，T2、T3、T4的 變 形 菌 門（Proteobacteria）、酸 桿 菌門（Acidobacteria）、己 科 河 菌 門（Rokubacteria）、硝化螺旋菌門（Nitrospirae）的豐度增加，綠彎菌門（Chloroflexi）、擬 桿 菌 門（Bacteroidetes）、Patescibacteria的豐度降低。在綱水平（圖2右）下，不同基肥措施處理相對豐度較高的有γ-變形菌綱（Gammaproteobacteria）占14.36%～16.90%，α-變 形 菌 綱（Alphaproteobacteria）占4.86%～14.64%，Subgroup_6占4.26%～16.98%，芽 單 胞菌 綱（Gemmatimonadetes）占6.20%～8.26%，δ-變 形 菌 綱（Deltaproteobacteria）占5.73%～7.09%，擬桿菌綱（Bacteroidia）占2.45%～9.62%，Blastocatellia_Subgroup_4占3.27%～4.44%，酸微菌 綱（Acidimicrobiia）占2.48%～5.14%，低 于4%的有厭氧繩菌綱（Anaerolineae）、KD4-96和其他。與T1相比，T2、T3、T4的α-變形菌綱（Alphaproteobacteria）、Subgroup_6、Blastocatellia_Subgroup_4、酸微菌綱（Acidimicrobiia）豐度增加，γ-變形菌綱（Gammaproteobacteria）、擬桿菌綱（Bacteroidia）、厭氧繩菌綱（Anaerolineae）、KD4-96豐度降低。變形菌門含有豐富的固氮細菌，放線菌門和擬桿菌門多為致病細菌，硝化螺旋菌門可將亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽，表明土壤施生物有機肥配合調理劑、施腐熟羊糞配合調理劑均可增強土壤固氮能力，提升土壤抵御外來病原體的能力。

圖2 門和綱水平上最大豐度排名前10的物種相對豐度

2.6 部分環境因子與主要細菌群落間的關系

采用冗余分析（RDA）表明（圖3），2個主要軸特征值分別為60.6%和28.46%，相關系數為0，RDA分析結果可信。不同基肥措施細菌群落變化差異明顯，T1、T4處理在第一排序軸的正端，T2與T3在第一排序軸的負端；T1和T2處理在第二排序軸的正端，T3和T4處理在第二排序軸的負端。第一軸排序與土壤有機質、全氮和水溶性鹽含量均呈負相關。土壤水溶性鹽總量、有機質、速效鉀均與細菌群落中硝化螺旋菌門（Nitrospirae）、變形菌門（Proteobacteria）、己科河菌門（Rokubacteria）、酸桿菌門（Acidobacteria）呈正相關，與Patescibacteria、綠彎菌門（Chloroflexi）、擬桿菌門（Bacteroidetes）呈負相關；此外，土壤全氮和水溶性鹽含量還與芽單胞菌門（Gemmatimonadetes）呈正相關，與放線菌門（Actinobacteria）、浮霉菌門（Planctomycetes）呈負相關。

圖3 不同基肥措施部分環境因子與主要細菌群落（門水平）的冗余分析

3 討論與結論

因連作種植、過量施用化肥造成的土壤微生態失衡、次生鹽漬化已成為制約設施甜瓜生產的突出問題，通過施用生物有機肥、腐熟糞肥、土壤調理劑可改良土壤環境［17-18］。本研究表明，土壤增施生物有機肥、腐熟羊糞和土壤調理劑可提高表層土壤pH 0.34%～2.62%，有效降低土壤容重和水溶性鹽總量2.61%～9.12%和9.13%～39.80%，提高可培養微生物總數9.10%，降低土壤真菌數6.80%。其中T4（腐熟羊糞60 m3·hm-2+調理劑）提高了土壤有機質、有效磷、速效鉀含量，增加了土壤微生物、細菌、放線菌數量，降低了土壤容重的效果最佳，T1（生物有機肥30 t·hm-2）降低土壤水溶性鹽總量、真菌數的效果最佳。較T1相比，T4分別顯著提高了土壤有效磷、速效鉀、微生物數、細菌數、細 菌/真 菌29.07%、57.65%、20.82%、21.07%、11.93%，降低土壤容重6.68%，增產2.87%，甜瓜糖度差異不顯著。表明施用腐熟羊糞配合土壤調理劑較單施生物有機肥更能改善土壤理化性質，平衡土壤微生態，進而促進甜瓜增產。

劉曉月等［19］在研究中發現，土壤調理劑由多種天然礦物質組成，并添加將礦物質與土壤相互激活的有機活性成分，可改善土壤pH，有機肥施入土壤，有機官能團加強了對H+和Al3+的吸附作用，有機肥礦化過程中發生有機陰離子脫羧基化，并且釋放堿性物質（鈣、鎂等），致使土壤pH上升［20-21］；連作和不合理施肥會引起土壤細菌數量下降、真菌數量上升，土壤從“細菌型”向“真菌型”轉化，導致土壤性質和土壤微生物多樣性改變，使碳、氮、磷養分循環受阻，土壤中有益細菌豐度降低、病原真菌豐度和病害程度增加［22-23］。鄭立偉［24］和曲成闖等［17］研究表明，設施蔬菜連作使土壤供肥能力下降、養分失調，微生物群落結構趨向于真菌化狀態，生物有機肥含有較多的有機質和活性微生物，肥效持續時間長，能有效提高土壤養分含量及土壤細菌數量，對真菌數量產生抑制作用，同時促進作物生長。張蕾等［25］、孫瑤等［26］在研究中得出，土壤調理劑可以通過改善土壤結構，平衡土壤酸堿性，使土質疏松，利于土壤微生物對土壤中氮素的固持作用，提升土壤肥力，增加土壤微生物數量，降低鹽脅迫程度，促進設施蔬菜生長發育和增產提質。

本研究中，生物有機肥配施調理劑和腐熟羊糞配施調理劑土壤細菌物種豐度和多樣性均較單施生物有機肥和腐熟羊糞高。與T1（生物有機肥）相比，T2、T3、T4的變形菌門（Proteobacteria）、酸桿菌門（Acidobacteria）、己科河菌門（Rokubacteria）、硝化螺旋菌門（Nitrospirae）豐度增加，綠彎菌門（Chloroflexi）、擬桿菌門（Bacteroidetes）、Patescibacteria豐度降低，表明各處理均可增強土壤固氮能力，也可提升土壤抵御外來病原體的能力，其中T4處理效果更佳，土壤微生物多樣性最豐富。RDA分析表明，土壤有機質、全氮、水溶性鹽總量均與微生物多樣性關系密切。霍朝晨等［27］研究也發現土壤養分和水溶性鹽含量是影響土壤細菌群落的重要土壤因子。土壤調理劑中的天然礦物、酵母殘渣可改善土壤結構，平衡酸堿性，提高保水保肥能力，降低土壤鹽漬化，有利于微生物生長；有機肥和腐熟糞肥為土壤微生物生長發育提供營養，促進有機質分解，增加和平衡土壤養分含量［28-29］。

綜上所述，生物有機肥、腐熟羊糞和調理劑均可不同程度提高表層土壤微生物數量，改善微生物群落結構的多樣性和豐富度，提升表層土壤養分含量。土壤施腐熟羊糞配施土壤調理劑處理的效果最佳，在生產中建議推薦使用。