有機肥配施生物菌肥對設施黃瓜土壤改良效果

金珊，劉雪，陳卓帛，李路瑤，陳雪，耿兵

（中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京 100081）

設施栽培在我國農業發展中起著十分重要的作用，而設施蔬菜是設施栽培發展中的一項代表性產業，它的生產面積、產值和經濟價值分別占全國蔬菜的20%、35%和60%[1]，同時，設施蔬菜也是北京市蔬菜產業的主要形式，在保障首都蔬菜全面供應方面具有重要作用，其中設施黃瓜是主要蔬菜作物之一[2]。近年來，伴隨著設施蔬菜種植業的迅速發展，長期連作及化肥不合理施用所導致的土壤養分不均衡、土壤肥力質量下降、土傳病害日趨嚴重以及土壤微生物生態環境破壞等問題十分突出，而更為重要的是設施蔬菜產量降低和品質下降已經嚴重影響了設施蔬菜種植業的安全高效和綠色優質化發展[3-4]。因此，如何優化施肥模式，在減少化肥投入的基礎上同時滿足設施蔬菜所需的營養成分并提高產量和品質，已經成為構建綠色蔬菜產業所要面對的重大課題之一[5]。

有機肥含有植物生長需要的大量元素和微量元素，并且富含纖維素、蛋白質、氨基酸等營養物質，肥效緩而持久，對環境友好，對于維持土壤肥力也有很好的效果。已有研究表明，有機肥替代相比單施化肥顯著提高了設施土壤pH，減緩了酸化現象[6-7]，也能夠有效地改善設施蔬菜的品質[8-9]。生物菌肥在改良土壤、預防設施蔬菜土傳病害、恢復地力、降解有毒物質、維持根際微生物區系平衡方面有很好的作用[10]，除此之外對很多作物的種植增產、設施蔬菜土傳病害的防治也產生了很好的效果[11-12]。于占東等[13]研究表明有機肥配施生物菌肥對面條菜莖粗、干物質含量等影響較大，顯著提高產量，但針對其在設施蔬菜土壤改良、促進作物生長等方面的作用還有待進一步研究。池福鈴等[14]研究發現配施有機肥和生物菌肥增加了小白菜的品質和產值，經濟效益提高。高喜葉等[15]發現有機肥與生物菌肥配施對胡蘿卜長勢、胡蘿卜素、葉綠素含量及肉質根生長也有促進效果。王濤等[16]發現施用生物菌肥寧盾后，細菌、放線菌增加，真菌數量減少，于會麗等[17]研究發現隨生物菌肥用量增加，土壤微生物活性和多樣性指數呈先增加后降低趨勢，針對有機肥和生物菌肥配施的效果已有部分研究，但對二者配施后土壤肥力提升效果以及土壤微生物多樣性變化等綜合性的研究還較少[16-18]。

因此，本文從有機肥與生物菌肥配施研究不足之處出發，對不同施肥情況下設施蔬菜生長狀況、土壤理化性質、營養物質和微生物數量及群落結構的變化情況進行評價，較為系統地分析了有機肥與生物菌肥配施對設施蔬菜生長以及土壤改良的效果，以期為解決設施蔬菜連作障礙問題提供新的思路。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

本試驗于2022 年6 月至11 月在北京市順義區大孫各莊環發所試驗基地進行，該試驗區地處暖溫帶半濕潤半干旱大陸季風氣候，年平均氣溫在11.5 ℃左右，年日照時數可達到2 746 h，年相對濕度為58%。土壤0～20 cm養分含量為堿解氮163.96 mg·kg-1，全氮（N）1.70 g·kg-1，速效磷（P）27.51 mg·kg-1，速效鉀（K）201.33 mg·kg-1，有機質42.15 g·kg-1。

1.2 試驗材料

黃瓜：大成種苗“靚綠460”，由北鎮市大成農業科技有限公司提供。

有機肥：普通有機肥（由中國農業科學研究院環發所試驗基地研制，其中氮含量2%、磷含量2%、鉀含量1%，總養分含量為6.19%、有機質的質量分數為56.11%）、液態有機碳（有機碳養分≥150 g·L-1，有機質含量為25%，氮和鉀的含量都約為100 g·L-1，由福建綠洲生化有限公司提供）。

生物菌肥：“禾神元”多效微生物菌肥（有效活菌數≥2.0 億·mL-1，由神州漢邦（北京）生物技術有限公司提供。

化肥：復合肥（氮含量15%、磷含量15%、鉀含量15%，安徽輝隆集團五禾生態肥業有限公司提供）、尿素（總氮≥46.0%，中國石油天然氣股份有限公司提供）。

1.3 試驗設計

本試驗共設置5個處理，每個處理3次重復，共計15 個小區。每個小區長6 m，寬1.73 m，面積為10.38 m2，試驗采用完全隨機區組設計，處理如表1所示。

表1 試驗設計Table 1 Experiment design

在各處理底肥施入后人工整地，黃瓜提前在育苗基質中進行培育，黃瓜苗齡為30 d 左右時，將黃瓜幼苗從育苗基質中統一移栽至試驗小區，其中黃瓜株距和行間距分別為45 cm 和60 cm，黃瓜于2022 年8 月25 日育苗，2022 年9 月20 日移栽，2022 年12 月19 日拉秧，生育期91 d，在試驗期間各處理均進行定期追肥（約10 d追施一次），并適時適量灌水。

1.4 測定項目與方法

在黃瓜生長苗期（移栽后15 d），對植株生長情況進行測定，葉綠素含量的測定用TYS-B 型葉綠素測定儀進行測定。

在黃瓜生長結果期采集土樣（移栽后60 d），風干粉碎后裝袋以測定土壤化學性質和土壤酶活性。

土壤化學性質：土壤pH測定采用電位法（其中土水比為1∶5），土壤全氮測定采用半微量開式法（采用0.01 mol·L-11/2 HCl 滴定），土壤堿解氮采用堿解擴散法測定，土壤有機質采用重鉻酸鉀外加熱法測定，土壤速效磷測定采用鉬銻抗比色法，土壤速效鉀測定采用NH4OAC浸提-火焰光度法[19]。

土壤酶活性：土壤堿性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法通過北京盒子生工科技有限公司試劑盒測定，土壤蔗糖酶采用可見分光光度法通過Solarbio公司試劑盒測定，土壤過氧化氫酶采用紫外分光光度法測定和脲酶采用靛酚藍比色法通過蘇州格銳思生物科技有限公司試劑盒測定。

土壤微生物：微生物數量采用平板稀釋法測定，其中細菌采用牛肉膏蛋白胨培養基、真菌采用馬丁氏培養基、放線菌采用高氏1 號培養基。微生物多樣性送至上海美吉生物醫藥科技有限公司通過Illumina Miseq PE300 測序平臺進行16S rRNA 基因V3～V4 可變區的高通量測序，引物采用38F（ACTCCTACGGGAGGCAGCAG）和 806R（GGACTACHVGGGTWTCTAAT）測定。

1.5 數據統計及分析

試驗數據利用Excel 2010 軟件和SPSS27.0 軟件對數據進行統計和分析，同時采用Duncan 法進行數據差異顯著性多重比較，其中顯著性水平設為α=0.05，利用Origin 2019進行繪圖，微生物多樣性通過Illumina Miseq PE300測序平臺分析。

2 結果與討論

2.1 對黃瓜葉綠素的影響

由圖1 可以看出，各處理間的葉綠素含量變化呈現如下趨勢：CK＜T1＜T4＜T2＜T3，雖其他處理與空白對照相比，葉綠素含量均有所提升，但僅有T3處理較CK 和T1 處理有顯著差異，其他處理均沒有顯著差異，引起差異的原因可能是在有機肥促進植物生長發育[20]的基礎上生物菌又為黃瓜根系提供適合的微生態生長環境，促進根系的生長和增強根系的吸水吸肥能力，為黃瓜植株的生長提供充足的水分和養料，從而促進黃瓜植株生長，進而促進了黃瓜葉綠素含量的增加[21]。

圖1 苗期設施黃瓜在不同處理下葉綠素含量變化Figure 1 Changes of plant chlorophyll of cucumber under different treatments at seedling stage

2.2 對土壤養分的影響

施用生物菌肥對土壤養分的影響如表2 所示，其中T2、T4 和T3 處理均可降低土壤pH，且這3 個處理與空白對照和T1 處理相比有顯著的差異，pH 的降幅最高可達到4.63%，這可能是因為生物菌肥中的有益微生物在植物生長過程中分解了土壤有機質，從而產生有機酸中和了土壤的堿性[22-23]。與CK 相比，其他施肥處理（T1、T2、T3、T4）均能提高土壤全氮（分別增高1.75%、6.43%、8.19%、3.51%）、堿解氮（2.73%、6.18%、12.54%、7.12%）、有機質（2.81%、16.51%、9.38%、12.50%）、速效磷（3.55%、6.53%、9.78%、5.04%）、速效鉀（24.46%、20.80%、22.80%、17.64%）的含量，其中T1相較于CK 處理除土壤速效磷和速效鉀以外，其他土壤養分增幅并不顯著，而T2、T3、T4處理與CK、T1之間的差異較為顯著，可以看出3個有機肥配施生物菌肥的處理更有助于提升土壤養分含量，這可能是因為3 個處理中生物菌的地衣芽孢桿菌有助于促進土壤中難溶的磷、鉀轉化，使得土壤中部分速效成分增加。除此之外，有機質的含量也有所增加，這可能是因為有機肥本身就含有較多有機物質，再加上生物菌肥中含有的有益微生物進入土壤后加速了土壤有機態養分的轉化。由此表明，有機肥與生物菌肥配施的施肥模式相較于傳統的施肥模式更有助于提升土壤肥力，但3 個有機肥與生物菌肥配施的處理在各種土壤養分的提升各有不同，其中T2 與T4 處理在相同生物菌肥用量下，土壤養分間的差異并不顯著，而傳統施肥量減半用生物菌肥替代的T3 處理相較于T2、T4處理在土壤養分提升方面有顯著差異，這說明在適量減少化肥使用的基礎上加入一些生物菌肥對于土壤養分的改善效果更佳。

表2 不同施肥處理對土壤養分的影響Table 2 Effects of different fertilization treatments on soil nutrients

2.3 對土壤酶活性的影響

土壤酶活性在不同施肥處理下的變化如圖2 所示，不同施肥處理土壤過氧化氫酶活性各有不同，呈現出以下趨勢：CK＜T3＜T1＜T4＜T2。各處理按土壤堿性磷酸酶活性大小排序為CK＜T1＜T2＜T4＜T3，其中T2、T3和T4處理的土壤磷酸酶活性均顯著高于T1和CK處理。不同處理之間的土壤脲酶活性也存在一定的差異，呈現出CK＜T1＜T4＜T3＜T2 的變化趨勢，其中CK 和T1、T3 和T4 處理相互之間并無顯著差異，而T2處理的脲酶活性達到最高且與其他處理均有顯著差異，增幅達到了41.62%。不同施肥處理下土壤蔗糖酶活性變化趨勢為：CK＜T1＜T3＜T4＜T2，各處理的土壤蔗糖酶活性均高于CK，除T1 與CK 差異不顯著外，其他處理與CK相比均有顯著差異。

圖2 不同處理下土壤酶活性變化Figure 2 Changes in soil enzyme activities under different treatments

已有大量研究表明施用生物菌肥可增加土壤酶活性[24-28]，其中過氧化氫酶活性與土壤有機質含量、土壤微生物數量以及土壤肥力之間都存在著十分密切的聯系，可以通過過氧化氫酶活性的高低表示土壤氧化過程的強度[29]，這與本文研究結果一致，T2、T3和T4 處理均可提高土壤過氧化氫酶活性且與CK 差異顯著，其中T2 處理的酶活性最高，達到了503.85μmol·g-1·h-1，且T2 處理的有機質提升也是最大的。T3 處理土壤中脲酶活性有顯著提高，增幅達到了28.25%，這與曲成闖等[30]的研究結果一致，除此之外，T2和T4處理相比CK 和T1處理也均在不同程度上對土壤堿性磷酸酶活性有所提升，但T3 處理對堿性磷酸酶的提升效果最好，由此可以證明有機肥與生物菌肥配施可以增加土壤有效磷的成分，促進土壤營養元素的平衡，提高土壤養分的含量和土壤酶活性，進而提高土壤肥力，能夠做到及時補給因植株生長繁殖所消耗的養分，本文中T3 處理土壤蔗糖酶活性也有一定的增加，可能是因為氮素供給可以提升土壤微生物活性，進而促進秸稈腐解，補充土壤養分，提高土壤蔗糖酶活性，這與文本中2.2中土壤氮含量變化相一致。另外，本研究還發現液態有機碳相比化肥也更有助于土壤肥力的提升，這可能與它本身就富含碳素和速效養分，具有高效、肥力持久和促植物生長、提高抗逆性的特點有關，這與王卓等[31]的研究一致。

2.4 對土壤微生物數量變化的影響

不同施肥處理下土壤中可培養的微生物數量各有差異，通過對土壤中的細菌、真菌和放線菌的數量進行對比后發現，其中細菌數量最多，為107數量級；放線菌次之，為105～106數量級；真菌數量最低，為104～105數量級。由圖3 可知，與CK 相比，T1 處理可在不同程度上提高土壤中微生物的數量，其中細菌、真菌、放線菌分別增加了24.77%、41.04%、8.56%。與T1 相比，T2、T3 和T4 處理呈現增加土壤中細菌、放線菌數量而降低土壤中真菌數量的趨勢，且各處理與CK、T1 之間均呈顯著差異，其中T2 處理提高土壤中細菌、放線菌數量最為明顯，增加量可達到19.14%和16.66%，T3處理降低土壤真菌量最大。

圖3 土壤中微生物數量變化Figure 3 Changes in microbial population in soil

生物菌肥中本就含有大量有益微生物，因此施用生物菌肥相比傳統化肥更能夠增加土壤中微生物數量，改善土壤微生物群落結構。本文通過對土壤微生物數量進行對比發現，不同施肥處理相比空白對照均能夠在不同程度上提高土壤中細菌、真菌、放線菌數量，表明土壤施入肥料后更有利于微生物的生長和繁殖，提升了土壤微生物的密度，這與蘇煜等[32]的研究結果一致，但與T1處理相比，T2、T3和T4處理更能提高土壤中細菌、放線菌的數量，并降低了土壤中真菌的數量，這與生物菌肥施用于連作黃瓜[33]、番茄和辣椒[34]、切花菊[35]的土壤后得到的結果基本一致，細菌數量明顯增多可能是與本研究供試的生物菌肥其主要功能菌是芽孢桿菌有關，而真菌數量降低可能是因為生物菌肥能夠在增加土壤有益菌的同時降低了部分病原真菌的數量，這也能夠說明有機肥與生物菌肥配施，在培肥土壤，促進設施蔬菜生長，提高產量、品質的同時也減緩了設施蔬菜土傳病害的發生。T4 處理與T2 處理在生物菌肥量施用相同的情況下，對土壤微生物數量變化影響不同，說明T4 處理中施用的液態有機碳相比發酵的有機肥對土壤微生物數量的提升效果較差。T3 處理對于土壤中細菌、放線菌的數量提升效果沒有T2 處理好，可能是因為生物菌肥施用量較少造成的。

2.5 對土壤細菌群落結構的影響

2.5.1 細菌群落多樣性分析

在97%相似性的閾值下對OTUs 進行生物信息統計分析，結果如圖4所示。其中通過Alpha多樣性，對不同施肥處理下土壤中細菌的物種豐富度和群落多樣性進行分析，發現與CK 相比，其他處理的Chao指數和Shannon指數均有所提升，其中T1處理增長幅度較小，其他有機肥和生物菌肥配施的處理增長幅度較大，有顯著差異（P＜0.05），T2處理的Chao 指數增幅最大達到了6.25%，T3 處理的Shannon 指數增幅達到最大為5.34%。

圖4 不同處理下土壤中細菌多樣性的Chao指數和Shannon指數Figure 4 Chao index and Shannon index of bacterial diversity in soil under different treatments

2.5.2 細菌優勢物種組成分析

通過高通量測序對不同施肥處理下的土壤細菌在門水平上的差異進行分析，結果如圖5 所示。其中厚壁菌門（Firmicutes），變形菌門（Proteobacteria），放線菌門（Actinobacteria），綠彎菌門（Chloroflexi），酸桿菌門（Acidobacteria），擬桿菌門（Bacteroidetes），芽單胞菌門（Gemmatimonadetes），黏球菌門（Myxococcota），髕骨菌門（Patescibacteria）為門水平上的優勢菌群，其中分布最廣的是厚壁菌門（Firmicutes），分布范圍為16.40%～27.89%。與CK 相比，厚壁菌門在T1、T2、T3、T4 處理中相對豐度分別提高了5.72、10.89、11.5、6.22個百分點，放線菌門的相對豐度在CK 與T1處理變化較小，而T2 處理較CK 與T1 處理有較明顯的提升，變形菌門在各處理中豐度變化較小。

圖5 不同處理下門水平細菌群落組成Figure 5 Composition of phylum level bacterial community under different treatments

圖6 不同處理下的PCoA分析Figure 6 PCoA analysis under different treatments

2.5.3 細菌群落主坐標分析

主坐標分析（PCoA 分析）采用的是bray-curtis 距離算法，細菌的PCoA 第一、第二坐標貢獻度分別為37.91%、12.75%。其中在第一主成分上，T2、T3 處理土壤細菌群落組成基本一致，T4與T1基本組成一致。其中T2、T3 與CK 之間距離較遠，存在較大差異。在第二主成分上，處理CK、T1、T2、T4 土壤細菌群落組成基本一致，唯有T3 處理與CK、T1、T4 存在較大差異。由此可以說明是有機肥和生物菌肥配施引起了差異。

通過高通量測序對土壤中細菌的多樣性進行測定后發現，土壤細菌多樣性在不同處理下也有所不同，有研究表明土壤細菌的多樣性受到土壤化學、物理、生物等多個方面變化的影響[36]，而在土壤中添加含有有益微生物的生物菌肥，勢必也會對土壤細菌的群落有所影響，由此說明土壤中細菌多樣性的改變會受到土壤理化性質本身變化和從外界加入植物促生菌兩方面的影響。在本研究中，發現不同施肥條件下，土壤的理化性質也有所差異，其中T2、T3、T4處理對土壤理化性質影響最為明顯，這與本研究中得出的土壤細菌多樣性變化結果相對應，從而說明有機肥和生物菌肥配施后改變了土壤理化性質和施入生物菌肥直接在土壤中添加了有益菌兩方面影響了細菌多樣性。本研究還發現，各處理中酸桿菌門的相對豐度占比均有不同程度降低，這與前人研究結果部分相似[5，37]，另外T2、T3 處理中的厚壁菌門豐度占比達到了最高，厚壁菌門與土壤的肥力、植物的生長以及減少土壤污染都有一定關系，也有助于抑制有害微生物的繁殖。除此之外，也有研究證實土壤中施入不同的肥料可以改變土壤微生物群落結構[38]，這說明土壤細菌優勢菌門的分布隨著土壤質地、種植蔬菜種類、施肥種類的不同也會有所不同。土壤微生物多樣性越高，結構越穩定，土壤功能越完善，土壤生態系統就會越穩定[39]。因此，通過施用生物菌肥可能會改變微生物結構，從而提升土壤微生物多樣性，使得土壤微生態環境也得到改善，并且做到了環境友好。

3 結論

（1）在土壤肥力提升方面，3 種有機肥與生物菌肥配施的處理（T2、T3、T4）相比傳統施肥處理（T1）更能改善土壤肥力狀況，但在這3 種處理中，有機肥與生物菌肥配施的處理（T3）效果最佳。

（2）在土壤微生態環境改善方面，有機肥與生物菌肥配施（T3）在改善土壤微生物結構、提高微生物多樣性方面效果最佳，液態菌液與生物菌肥配施（T4）次之。且有機肥配施生物菌肥的處理（T3）相比傳統施肥處理（T1）在一定程度減少了土壤中真菌數量，這也減少了土壤中部分病原菌，可以減緩設施蔬菜土傳病害的發生。

（3）在實際生產中要改變傳統施肥方式，減少化肥的使用，有機肥與生物菌肥配施的施肥方式更有助于設施蔬菜產業的發展，具體施用量可參考本研究中有機肥與生物菌肥配施（T3）的施用量（有機肥22 500 kg·hm-2、生物菌肥750 mL·hm-2、化肥187.5 kg·hm-2）。