礦物型土壤調理劑用量對設施黃瓜生長、品質及土壤性狀的影響

沈彥輝，胡璋健，2，趙冬梅，冷 鵬，張 強

（1.浙江大學山東（臨沂）現代農業研究院 山東臨沂 276034；2.浙江大學農業與生物技術學院 浙江杭州 310058；3.臨沂市農業科學院 山東臨沂 276012；4.金正大生態工程集團股份有限公司 山東臨沭 276700）

化肥特別是氮肥的過量施用等不當的農藝措施會加速土壤酸化進程。土壤酸化會導致鋁毒、錳毒頻發，導致耕地質量下降，土壤功能退化，降低農作物對磷、鉬等營養元素的吸收，引起作物產量下降甚至絕產，已成為糧食安全戰略的障礙因素[1]和限制農業生產能力的重要因素之一[2]。臨沂市是農業大市，是山東省重要的糧食、蔬菜和油料生產基地。沂南縣是山東省設施蔬菜“發源地”，也是全國最大的夏、秋黃瓜生產基地。據沂南縣人民政府網站發布信息，2020 年，沂南黃瓜種植面積達192.3 hm2，總產量13.93 億kg，產值27.66 億元，沂南黃瓜已成為種植戶發家致富的支柱產業。近年來，化肥的不合理施用、施肥方式不當等造成的土壤酸化，導致耕地質量、作物產量和果實品質下降，已成為限制黃瓜產業高質量發展的主要因素。

不同土壤調理劑的性質、組成、功能、作用機制并不相同，此外應用的土壤類型不同，施用效果也有較大差異[3-8]。與已廣泛應用的土壤調理劑石灰相比，筆者施用的礦物型土壤調理劑溶解度低，養分全面，含有的P、K、Si、Mg、Ca，能有效補充植物營養。此外，長期的定位試驗表明，施用該礦物型土壤調理劑不僅可以補充農田土壤流失的礦質元素，還能調節土壤酸堿性[9-11]，同時在改良土壤結構、改善土壤微生態環境、增強土壤膠體性能、提高離子交換能力[12]、提高作物產量和改善作物品質[13-14]等方面效果顯著。栗方亮等[10]、范文靜等[14]研究表明，施用礦物型土壤調理劑可提高茄子、油菜產量和維生素C 含量，調節土壤pH 值，提高土壤肥力水平。林祚棋[15]研究表明，施用礦物型土壤調理劑能夠提高連續種植2 茬包菜的產量、土壤pH 值和土壤有效磷含量，降低土壤有效鉻含量。孫薊鋒[16]研究表明，施用硅鈣礦土壤調理劑對土壤有效磷含量、交換性鈣和鎂含量、有效態微量元素和土壤微生物總量產生了顯著影響。趙泓凱等[17]研究表明，美國新型液態Phyto-CatTM土壤調理劑能夠顯著提高不結球白菜產量、葉綠素含量、葉片可溶性糖含量及植株根系活力，同時還能提升土壤肥力、田間持水量、水穩性團聚體含量。陳之群[18]研究表明，“Agri-SC”土壤調理劑對不同土壤類型土壤理化性質、微生物生物量和酶活性的影響表現出明顯的時間效應，同時還能提高甘藍根系活力和光合速率。

近年來，不同類型土壤調理劑對黃瓜生長、品質和土壤性狀影響[19-21]及其不同用量土壤調理劑對設施黃瓜生長影響[22-23]的研究較多，而關于黃瓜生長、品質和土壤性狀對礦物型土壤調理劑用量響應關系的研究相對較少，礦物型土壤調理劑在田間施用時如何實現土壤調理劑的優化利用、找到最佳的調理劑施用量在實際生產應用中具有重要意義。因此，筆者立足沂南設施黃瓜土壤酸化現狀，通過研究施用不同用量礦物型土壤調理劑對設施黃瓜農藝性狀、產量、品質及土壤綜合肥力的影響，明確土壤pH 值、土壤養分含量和作物產量的相關性，以期為修復土壤環境、提高黃瓜產量和土壤肥力水平、改善黃瓜品質，指導設施黃瓜土壤酸化改良和高產栽培管理提供理論依據和實踐參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2019 年2 月9 日至7 月5 日在沂南縣辛集鎮城子莊村溫室大棚進行。供試黃瓜為秋延遲品種德瑞特2 號（天津德瑞特種子公司）；供試土壤為棕壤，具體養分含量見表1。黃瓜于2 月9 日移栽，7 月5 日拉秧。灌溉方式為滴灌。

表1 試驗點土壤基本理化性狀Table 1 The basic physical and chemical properties of soil in experimental site

供試礦物型土壤調理劑為硅鈣鉀鎂肥（金正大生態工程集團股份有限公司），狀態為灰色粉末，具體養分指標見表2；硫基復合肥的N、P2O5、K2O 含量均為15-15-15。

表2 供試土壤調理劑理化性狀Table 2 The physical and chemical properties of soil conditioner

1.2 試驗設計

試驗共設5 個處理，每個處理3 次重復，每個 小區面積25.68 m2（10.74 m×2.40 m），各試驗小區隨機區組排列，共計15 個小區。試驗地兩邊各設置1 行保護行，畦栽小區間不設置隔離行。試驗各處理在當地農戶習慣施肥的基礎上，施用不同用量的礦物型土壤調理劑。處理1：CK（750 kg·hm-2硫基復合肥）；處理2：T750（750 kg·hm-2硫基復合肥+750 kg·hm-2土壤調理劑）；處理3：T1125（750 kg·hm-2硫基復合肥+1125 kg·hm-2土壤調理劑）；處理4：T1500（750 kg·hm-2硫基復合肥+1500 kg·hm-2土壤調理劑）；處理5：T1875（750 kg·hm-2硫基復合肥+1875 kg·hm-2土壤調理劑）。

各處理等氮設計，試驗用礦物型土壤調理劑結合整地，與基肥一并混勻撒施后犁翻做畦。整個試驗過程中，不同處理間除施用的礦物型土壤調理劑用量不同外，其他田間管理措施均一致。后期追肥不限定肥料用量，根據作物長勢及農戶施肥習慣確定，需保證每次施肥時各小區用量均勻一致。

1.3 測定項目與方法

在結果盛期每個小區隨機選取成熟期一致的5個果實樣品，進行農藝性狀和果實品質的測定，取平均值代表該小區指標測定值。采用游標卡尺測量果實橫徑，采用尺子測定果實縱徑；采用分析天平測量果實單果質量；采用阿貝折射儀測定可溶性固形物含量，采用2，6-二氯酚靛酚鈉法[24]測定維生素C 含量，采用蒽酮比色法[25]測定可溶性糖含量，采用酸堿滴定法[26]測定可滴定酸含量。

拉秧時，隨機收集不同處理0～20 cm 黃瓜土壤，每個小區隨機取5 個點，“之”字形排列，采集后的土壤樣品過2 mm 篩，一部分風干用于土壤理化性狀的測定，一部分土樣保存于4 ℃冰箱中，用于土壤酶活性的測定。

采用重鉻酸鉀容量法[27]測定有機質含量；采用堿解擴散法[27]測定堿解氮含量；采用碳酸氫鈉浸提，鉬銻抗比色法[27]測定有效磷含量；采用乙酸銨浸提，火焰光度計法[27]測定速效鉀含量；交換性鈣含量、鎂含量采用1 mol·L-1NH4OAc 浸提，ICP-MS 法[27]測定；采用pH 計進行（V水：V土=2.5∶1）土壤pH 測定[27]。參照魯如坤[28]的方法測定土壤酶活性，采用靛酚比色法測定土壤脲酶活性，采用磷酸苯二鈉法測定土壤堿性磷酸酶活性，采用高錳酸鉀滴定法測定土壤過氧化氫酶活性。

1.4 數據處理

使用Microsoft Excel 2003 對試驗數據進行統計整理并作圖，采用IBM SPSS 22.0 進行相關性分析、主成分分析和差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 礦物型土壤調理劑不同施用量對黃瓜農藝性狀和產量的影響

從表3 可以看出，施用土壤調理劑對黃瓜農藝性狀和產量具有正向促進作用。在試驗梯度范圍內，隨著土壤調理劑施用量的增加，黃瓜農藝性狀和產量均呈現先增加后降低的趨勢。果實橫徑方面，與CK 相比，除T1875 處理外，施用土壤調理劑的其他處理果實橫徑均顯著增加。果實縱徑方面，與CK 相比，僅T1125 處理顯著增加了果實縱徑。果實單瓜質量方面，與CK 相比，施用土壤調理劑對黃瓜單瓜質量的增加無顯著差異。產量方面，與CK 相比，施用土壤調理劑對黃瓜產量的增加幅度為2.05%～7.96%，以T1125 處理黃瓜產量最高，為12 820.00 kg·667 m-2，T1125 處理和T1500 處理黃瓜產量均顯著高于CK。不同用量土壤調理劑處理間果實縱徑、果實單瓜質量和產量無顯著差異，T1125 處理和T1500 處理果實橫徑顯著高于T1875處理。綜合以上試驗結果表明，T1125 處理對黃瓜農藝性狀和產量促進效應最佳。

表3 礦物型土壤調理劑不同施用量對黃瓜農藝學性狀和產量的影響Table 3 Effect of different concentrations of mineral soil conditioner on agronomic traits and yield of cucumber

2.2 礦物型土壤調理劑不同施用量對黃瓜品質的影響

由圖1 可以看出，施用土壤調理劑能改善黃瓜果實品質，整體表現為提高了黃瓜維生素C、可溶性總糖和可溶性固形物含量，降低了除T750 處理外其他土壤調理劑處理的黃瓜可滴定酸含量。維生素C 含量方面，隨著土壤調理劑施用量的增加，黃瓜果實維生素C 含量呈先增加后降低的趨勢。與CK 相比，施用不同用量土壤調理劑均顯著提高了黃瓜果實維生素C 含量，尤以T1125 處理維生素C含量（w，后同）最高，達62.00 mg·kg-1，表明土壤調理劑對提高黃瓜果實維生素C 含量具有顯著的促進作用且T1125 處理效果最佳。可溶性固形物含量方面，與CK 相比，施用土壤調理劑能提高黃瓜果實可溶性固形物含量，但差異不顯著。可溶性總糖含量方面，隨著土壤調理劑用量的增加，黃瓜果實可溶性糖含量變化趨勢與維生素C 含量變化趨勢一致。與CK 相比，除T750 處理以外，其他用量土壤調理劑處理黃瓜果實可溶性糖含量均顯著高于CK。可滴定酸方面，與CK 相比，施用土壤調理劑后，除T750 處理外，其他用量土壤調理劑處理黃瓜果實可滴定酸含量均有一定程度的降低，但差異不顯著。綜合以上試驗結果和經濟效益等因素，在試驗梯度范圍內，T1125 處理為改善黃瓜果實品質的最佳用量。

圖1 不同礦物型土壤調理劑施用量對黃瓜品質的影響Fig.1 Effect of different concentrations of mineral soil conditioner on quality of cucumber

2.3 礦物型土壤調理劑不同施用量對土壤養分含量的影響

由圖2 可以看出，施用土壤調理劑能夠提高土壤有效養分和有機質含量，改善土壤肥力狀況。在試驗梯度范圍內，隨著土壤調理劑施用量的增加，土壤有效磷、速效鉀和有機質含量均呈現先增加后降低的趨勢。在土壤堿解氮含量方面，與CK 相比，施用土壤調理劑對土壤堿解氮含量無顯著影響。在土壤有效磷含量方面，與CK 相比，T1125 處理和T1500 處理顯著增加了土壤有效磷含量，其中T1125 處理土壤有效磷含量最高，達190.43 mg·kg-1。在土壤速效鉀含量方面，與CK 相比，除T750 處理外，其他施用不同用量土壤調理劑均顯著增加了土壤速效鉀含量，尤以T1125 處理土壤速效鉀含量最高，達198.15 mg·kg-1。在土壤有機質含量方面，與CK 相比，除T1875 處理外，其他用量土壤調理劑處理均顯著增加了土壤有機質含量，其中T1125 處理有機質含量最高，達3.24%。綜合以上試驗結果表明，T1125 處理對提高土壤有效養分和有機質含量，改善土壤肥力狀況的效果最佳，這也在一定程度上佐證了T1125 處理黃瓜產量最高這一試驗結果。

圖2 不同礦物型土壤調理劑施用量對土壤養分的影響Fig.2 Effect of different concentrations of mineral soil conditioner on soil nutrient of cucumber

2.4 礦物型土壤調理劑不同施用量對土壤pH和交換性鈣、鎂含量的影響

由圖3 可知，在試驗梯度范圍內，隨著土壤調理劑施用量的增加，土壤pH 值和交換性鈣含量（b）呈逐漸遞增趨勢。土壤酸性狀況的改善，對提升養分固持力、增加土壤養分具有促進作用，反過來土壤養分狀況的改善會減緩土壤酸化進程。與CK 相比，除T750 處理外，土壤調理劑其他施用量處理土壤pH 值顯著升高，分別提高0.26、0.35 和0.41，說明施用土壤調理劑能夠改善土壤酸性狀況。與CK相比，施用土壤調理劑土壤交換性鈣含量顯著升高，分別提高了6.21%、8.28%、11.03%、13.10%。鎂是植物光合作用必需的營養元素，酸性土壤中有效鎂含量是酸性土壤肥力和作物產量的主要限制因子，與CK 相比，除T750 處理外，其他土壤調理劑處理土壤交換性鎂含量（b）有升高趨勢，但差異不顯著，其中以T1125 處理土壤交換性鎂含量最高，達到0.166 cmol·kg-1。綜上所述，T1125 處理對土壤pH 值、土壤交換性鈣和交換性鎂含量提升效果較為顯著，投入-產出性價比最優。

圖3 土壤調理劑不同施用量對土壤pH 和交換性鈣、鎂含量的影響Fig.3 Effect of different concentrations of mineral soil conditioner on pH,exchangeable calcium and magnesium content of soil

2.5 礦物型土壤調理劑不同施用量對土壤酶活性的影響

土壤酶活性是評價土壤肥力狀況的重要指標，測定相應土壤酶活性變化可以間接地了解和預測土壤肥力狀況的演變趨勢。由圖4 可知，在試驗梯度范圍內，施用土壤調理劑能夠提高土壤脲酶活性和土壤過氧化氫酶活性，降低土壤堿性磷酸酶活性。在土壤脲酶活性方面，隨著土壤調理劑施用量的增加，土壤脲酶活性呈先增加后降低的趨勢，與CK 相比，施用土壤調理劑處理均能不同程度地提高土壤脲酶活性，分別提高了16.11%、130.20%、110.74%和100.00%。除T750 處理外，其他處理土壤脲酶活性均顯著高于CK 處理，T1125 處理土壤脲酶活性最高。在土壤堿性磷酸酶活性方面，與CK 相比，施用土壤調理劑顯著降低了土壤堿性磷酸酶活性，且隨著土壤調理劑施用量的增加，土壤堿性磷酸酶活性呈逐漸降低的趨勢。在土壤過氧化氫酶活性方面，與CK 相比，施用土壤調理劑處理顯著提高了土壤過氧化氫酶活性，且隨著土壤調理劑施用量的增加，土壤過氧化氫酶活性呈逐漸遞增的趨勢。

圖4 礦物型土壤調理劑不同施用量對土壤酶活性的影響Fig.4 Effect of different concentrations of mineral soil conditioner on enzymatic activity of soil

2.6 土壤pH、土壤養分含量和黃瓜產量等指標之間的相關性分析

由表4 可知，土壤pH 值、土壤養分含量和作物產量指標間存在不同程度的相關性。黃瓜產量與土壤pH 值、有機質含量、堿解氮含量、有效磷含量、速效鉀含量、交換性鈣含量呈正相關，與土壤交換性鎂含量呈負相關，但均未達到顯著差異水平；土壤pH 值與土壤有效磷含量呈顯著正相關，與速效鉀含量和交換性鈣含量呈極顯著正相關；土壤有機質含量與土壤堿解氮含量呈顯著正相關，與有效磷含量和速效鉀含量呈極顯著正相關；土壤堿解氮含量與土壤有效磷含量、土壤速效鉀含量與土壤交換性鈣含量呈顯著正相關，土壤有效磷含量與土壤速效鉀含量呈極顯著正相關。

表4 土壤pH、土壤養分含量和作物產量等指標間相關性分析Table 4 The correlation analysis of different indicators（including soil pH,conditioner content,yield,etc.）

2.7 土壤pH、土壤養分含量和黃瓜產量等指標間的主成分分析

2.7.1 主成分特征值、累計貢獻率和特征向量分析 對土壤pH 值、土壤養分含量和黃瓜產量8 個指標進行主成分分析（表5），以特征值＞1 為標準，提取到3 個主成分，方差貢獻率依次為57.067%、17.199%、13.572%，累計方差貢獻率達87.838%，即這3 個成分可以代表大部分篩選信息，因此選取前3 個主成分進行分析比較可靠，而其他成分的特征值均小于1，且方差貢獻率趨于平緩，代表性不強，不提取為主成分。

表5 不同指標主成分的特征值及累計貢獻率Table 5 The eigenvalue and cumulative contribution rate of principal component of different indicators

由表6 可知，在第1 主成分特征向量中，特征值較大且為正的指標是有機質含量、有效磷含量、速效鉀含量，在第2 主成分的特征向量中，特征值較大且為正的指標是交換性鈣含量、pH 值，第3 主成分的特征向量特征值較大且為正的指標是產量。

表6 不同指標主成分的特征向量Table 6 The eigenvector of principal component of different indicators

2.7.2 主成分值及綜合得分 按照公式，IFI=0.570 67F1+0.171 99F2+0.135 72F3 計算土壤調理劑不同施用量改良效應的綜合得分及其排序（表7），IFI 值越大，表明該土壤調理劑施用量的改良效應越好。土壤調理劑不同施用量處理效果的評價順序為：T1125＞T1500＞T750＞T1875＞CK。

表7 土壤調理劑不同施用量各主成分值和排序Table 7 The score and rank of principal component of different concentrations of mineral soil conditioner

3 討論與結論

研究表明，土壤酸度是影響土壤環境質量、限制作物產量的主要指標之一[29]。本試驗研究結果表明，與CK 相比，施用礦物型土壤調理劑提高了土壤pH 值，這一方面可能是由于試驗用礦物型土壤調理劑釋放的交換性鹽基離子（K+、Ca2+和Mg2+）將土壤膠體吸附的交換性離子（H+和Al3+）進行了置換，導致土壤的鹽基飽和度提高[30]；此外，還可能是由于試驗用礦物型土壤調理劑中的硅酸根離子易發生水解反應產生堿性物質OH—，將土壤中的H+和Al3+進行了有效中和，從而降低了土壤酸度[31]。本研究結果表明，改良后酸性土壤pH 值與試驗用礦物型土壤調理劑施用量間不存在顯著的線性關系，結合靳輝勇等[32]的研究結果，從側面驗證了本研究用礦物型土壤調理劑在酸性土壤改良中的施用量要適量。通過本試驗篩選，結合土壤pH 值、土壤速效養分含量和黃瓜產量的主成分分析及投入成本等綜合因素的分析，該礦物型土壤調理劑的最佳施用量為1125 kg·hm-2。

本試驗中用的礦物型土壤調理劑富含P、K、Si、Ca、Mg 等營養元素，其加入土壤會影響土壤養分含量，因此施用量不同會造成土壤肥力的差異。研究表明，堿性土壤調理劑能夠促進作物對土壤中氮、磷、鉀的吸收[33]，導致土壤中多種速效養分含量的降低[34]。而在本研究中，施用土壤調理劑增加了土壤有效磷含量和速效鉀含量，一方面可能是由于試驗用礦物型土壤調理劑自身提供的養分，另一方面可能是由于土壤酸堿度的變化，導致起到固磷作用的鐵、鋁離子形成氫氧化物沉淀，對磷的固定作用減弱；土壤酸堿度的改變會影響土壤鉀的有效性，調理劑自身含有的交換性鈣離子的拮抗作用可能也是土壤鉀有效性提高的原因之一。施用土壤調理劑增加土壤交換性鈣含量是其釋放的Ca2+進入土壤溶液后，一部分被土壤膠體吸附成交換性鈣造成的；施用土壤調理劑對土壤交換性鎂含量無顯著影響，可能是由于其鈣鎂比例造成晶體結構改變造成的[35]。鎂是植物光合作用的必需營養元素[36]，土壤酸堿度的改變改善了作物根際環境，促進了黃瓜植株對有效鎂的吸收，植株的吸收量大于施用土壤調理劑對有效鎂的增加量也可能是土壤交換性鎂含量增加不顯著的原因。本試驗中用的土壤調理劑不含有機質，施用礦物型土壤調理劑土壤有機質含量增加，可能是由于其改善了土壤孔隙和土壤團聚性，改良了土壤結構，促進了有機質的分解。

土壤環境變化的重要傳感器是土壤微生物和土壤酶，施用土壤調理劑能夠在一定程度上改善土壤肥力狀況，測定相應土壤酶活性和土壤化學的變化可以間接地評價其改良效果[37]。本研究結果表明，施用礦物型土壤調理劑提高了土壤脲酶活性和過氧化氫酶活性，降低了土壤堿性磷酸酶活性，與張澤錦等[38]在設施連作土壤中酶活性影響的結果不一致，這可能是土壤調理劑的類型、施用量、土壤類型、種植模式、施肥習慣等多種因素的影響造成的。

土壤改良劑對酸化土壤物理、化學和生物學性質影響的綜合體現是作物產量和品質提升[31]。本研究結果表明，施用礦物型土壤調理劑提高了黃瓜產量，改善了黃瓜外觀性狀，其中以T1125 處理綜合指數最優，說明土壤調理劑超量施用不僅不利于提高蔬菜商品性和產量，而且還會造成資源浪費。可溶性糖、可溶性固形物、維生素C、可滴定酸作為果實中重要的營養成分，是評價黃瓜果實風味的重要指標[39]。本研究結果表明，施用礦物型土壤調理劑均能提高黃瓜果實中維生素C、可溶性糖、可溶性固形物含量，施用適量礦物型土壤調理劑可降低黃瓜果實中可滴定酸含量，這表明礦物型土壤調理劑對黃瓜品質的提高具有促進作用且對黃瓜酸度有較好的抑制作用，大大改善黃瓜的風味口感。相關性分析表明，土壤pH 值與黃瓜產量呈正相關，說明了土壤酸度調整后，促進了植物根部細胞分裂、伸長和運輸[40]，打破了植物內部激素平衡[41-43]，促進植物生長發育，提高作物產量和改善作物品質。

綜上所述，本研究中用的礦物型土壤調理劑在沂南溫室黃瓜上的應用效果表明，施用該土壤調理劑可以調節土壤pH 值，提高土壤有效養分含量和黃瓜產量，改善黃瓜外觀和風味品質，提升土壤肥力水平。綜合來看，在本試驗土壤酸度下，施用土壤調理劑以1125 kg·hm-2的效果最好，但實際應用過程中還需要結合土壤pH 值、農藝措施、施肥習慣、土壤類型、栽培作物等因素進行合理調整。

將工業固體廢棄物經無害化處理后作為生產礦物型土壤調理劑的原料是一種發展趨勢，但該類礦物型土壤調理劑自身含有一些重金屬離子，有造成土壤二次污染的潛在風險。因此，后期應通過長期大量田間試驗，綜合考慮多因素系統評價該類礦物型土壤調理劑的改良效果，為該類礦物型土壤調理劑的廣泛應用提供科學依據。