蚯蚓原位堆肥配施生物炭對土壤性質及辣椒品質產量的影響

摘要：隨著種植年限的延長，設施土壤生產力下降，土壤環境惡化。為提升土壤質量和農產品品質產量，比較了蚯蚓原位堆肥、生物炭和蚯蚓原位堆肥配施生物炭不同組合處理提高設施土壤特性和辣椒品質產量的效果，以期篩選出緩解設施土壤退化高效可行的新型栽培模式。田間試驗在寧夏連續灌溉5年微咸水的設施土壤中進行，供試辣椒品種為洋大帥。試驗以未處理土壤為對照（CK），設置了蚯蚓原位堆肥（在定植前20 d左右，將蚯蚓投入鋪有牛糞和前茬作物秸稈的栽培壟上，使其消解農業廢棄物，T1）、生物炭3 t/hm2（將生物炭與地表0～20 cm土壤混勻，T2）和蚯蚓原位堆肥+生物炭3 t/hm2（前10 d利用蚯蚓消解牛糞、作物秸稈等有機廢棄物，消解末期引入生物炭，T3）3個處理，在盛果期測定土壤理化性質、葉片光合特性和辣椒品質產量等。結果顯示：T1和T3處理土壤容重較CK顯著降低，土壤含水率和土壤孔隙度較CK顯著提高；同時，T1和T3處理均能顯著提高土壤有機質、氮、磷、鉀等養分含量，以T3處理效果最好；從活化土壤酶看，T3處理脲酶、磷酸酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性最高，較CK分別顯著提高了140.90%、38.87%、56.24%和19.50%；相較于其他處理，T3辣椒品質最優，產量最高，其中，可溶性糖、維生素C和可溶性固形物含量較CK分別顯著提高了78.86%、18.01%和26.98%；本研究中，土壤理化性質、土壤酶活性與辣椒品質產量存在正相關關系。綜上所述，蚯蚓原位堆肥+生物炭處理在改善土壤質量，提高辣椒產量品質等方面效果最佳，因此，在生產上優先推薦使用蚯蚓原位堆肥配施生物炭模式。

關鍵詞：蚯蚓原位堆肥；生物炭；辣椒；品質；產量；土壤性質

中圖分類號：S141.4；S641.306" 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）24-0212-08

收稿日期：2023-12-07

基金項目：寧夏重點研發計劃項目（編號：2021BBF02005）。

作者簡介：馮云星（2000—），女，寧夏固原人，主要從事設施蔬菜栽培生理與土壤調控方面的研究。E-mail：3352268778@qq.com。

通信作者：曹云娥，博士，教授，主要從事設施蔬菜營養與生理、壤微生態調控研究。E-mail：caohua3221@163.com。

近年來，隨著設施栽培規模的快速壯大，設施蔬菜栽培面積不斷增加，設施蔬菜產業逐漸成為農業發展主流^［1］。然而，依靠過量施用化肥和不合理灌溉等農藝措施來提高產量和生產效率的現象在設施生產中依然十分常見^［2-3］，研究表明不合理的施肥灌溉措施會造成土壤環境惡化，土壤養分平衡失調，嚴重時影響設施蔬菜的產量、品質及可持續性發展^［4］。因此，科學合理的栽培措施對提高溫室土壤肥力，保障土壤可持續發展具有重要意義。目前，已有大量研究發現，使用土壤改良劑可以改善土壤環境惡化的問題，其中，以生物炭和蚯蚓糞效果較為明顯^［5-6］，如蚯蚓糞10 kg/池和摻混獼猴桃枝條3 kg能顯著改善土壤物理性質，提高土壤肥力^［7］，生物炭處理能提高土壤養分及蔬菜的產量等^［8］ 。

生物炭憑借其豐富的官能團，極高的比表面積、養分含量以及強大的吸附能力，從而具有高效的土壤改良作用^［9］，研究發現常規施肥混施生物炭180 kg/hm2對糯玉米生長農藝性狀及生物量促進效果最佳，60 kg/hm2對單穗產量促進效果最佳^［10］，秸稈和秸稈生物炭還田能顯著提高土壤有機碳、全氮和速效鉀等的含量^［11］。蚯蚓堆肥和腐殖酸肥料可以改善土壤團聚體的穩定性和微觀結構，進而提高鹽堿土滲透性和鹽淋溶量^［12］。蚯蚓堆肥和生物炭混合施用有助于提高土壤養分含量，改善土壤的理化性質，進而提高蔬菜作物的產量和品質^［13-14］。蚯蚓原位堆肥不僅繼承了蚯蚓堆肥可迅速降解有機物，提高有效態氮、磷、鉀含量等優點，而且蚯蚓與蚯蚓糞共同體含有極其豐富的有益微生物菌群，可有效降低土傳病害^［15］。有研究表明，蚯蚓原位堆肥配施生物炭可以通過提高土壤養分含量、中和土壤酸堿度，降低土壤鹽分和提高細菌群落多樣性水平來改善土壤內部理化條件并提高農產品品質和產量^［16］。

蚯蚓原位堆肥性質優良，可利用價值高，但是近年來已發表的文章多集中在蚯蚓異位堆肥（蚯蚓糞）提升土壤質量和次生鹽漬化土壤的改良等方面^［17］，而利用蚯蚓原位堆肥克服土壤環境惡化的研究報道較少。因此，本研究在連續灌溉5年微咸水的壤土中進行，研究蚯蚓原位堆肥、生物炭、蚯蚓原位堆肥配施生物炭對設施土壤性質、辣椒品質及產量的影響，以期為設施蔬菜產業的可持續發展提供支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2022年4—8月在寧夏賀蘭縣寧夏農旅產業園日光溫室內進行，供試辣椒品種為洋大帥，購自寧夏天緣種業公司；供試蚯蚓為赤子愛勝蚓，由寧夏萬輝生物環保科技有限公司提供，供試土壤為壤土，10 μm生物炭選用上海海諾炭業有限公司的產品。供試材料基礎性質見表1。

1.2 試驗設計

試驗采用單因素隨機區組設計，共設4個處理，每個處理設置3個重復。未處理土壤（CK），蚯蚓原位堆肥（T1：將牛糞及前茬植株秸稈等有機廢棄物均勻撒施在栽培壟上，放入蚯蚓消解農業有機廢棄物），生物炭3 t/hm2（T2：將生物炭與地表0～20 cm土壤混勻），蚯蚓原位堆肥+生物炭3 t/hm2（T3：將前茬秸稈及牛糞等有機廢棄物均勻撒施在栽培壟上，前 10 d 利用蚯蚓消解有機廢棄物，消解末期引入生物炭），小區面積為37.8 m2，每壟長7.0 m，寬0.6 m，株距為0.3 m，行距為0.4 m。定植后澆足緩苗水，整個生育期采用園試配方1/2倍液進行滴灌，定植、育苗、移栽、打藥等采用大田管理模式統一管理。

1.3 測定指標與方法

土壤理化性質指標測定參考《土壤農化分析》^［18］，土壤酶活性指標測定參考《土壤酶及其研究法》^［19］，果實品質指標的測定參考《植物生理學實驗指導》^［20］。

1.4 數據分析

采用Excel 2021進行數據統計；采用SPSS 26.0進行差異顯著性分析和主成分分析；采用Origin 2022制圖。

2 結果與分析

2.1 蚯蚓原位堆肥配施生物炭對土壤理化性質的影響

2.1.1 蚯蚓原位堆肥配施生物炭對土壤物理性質的影響

由圖1可知，蚯蚓原位堆肥（T1）和蚯蚓原位堆肥+生物炭（T3）處理下土壤含水率與土壤孔隙度較CK顯著提高（Plt;0.05），其中，T1、T3處理的土壤含水率較CK顯著提高了27.23%和21.10%，T1、T3處理的土壤孔隙度較CK顯著提高了25.01%和30.38%，且T1和T3處理土壤含水率與土壤孔隙度較生物炭（T2）處理顯著提高；T1、T3處理土壤容重較CK顯著降低了37.27%和29.92%。說明蚯蚓原位堆肥、蚯蚓原位堆肥配施生物炭的栽培模式更有利于改善土壤結構，提高土壤含水率。

2.1.2 蚯蚓原位堆肥配施生物炭對土壤化學性質的影響

由表2可知，T1、T2、T3處理土壤EC值較CK顯著提高，分別顯著提高了0.93、0.37、1.16 mS/cm，這可能是蚯蚓糞養分含量較高、生物炭含有較多可溶性鹽或有機質分解釋放的鹽分導致的^［21］；T1、T2、T3處理土壤速效磷、全磷和速效鉀含量較CK均顯著提高（Plt;0.05），且均表現為T3gt;T1gt;T2gt;CK的趨勢，其中，T1、T2、T3處理速效磷含量分別提高了151.30、50.58、173.49 mg/kg，T1、T2、T3處理全磷含量分別提高了0.73、0.43、0.81 g/kg，T1、T2、T3處理速效鉀含量分別提高了186.90、33.43、226.41 mg/kg，且T1和T3處理土壤速效磷、全磷和速效鉀含量較單施生物炭（T2）顯著提高；T1、T3處理下有機質、全氮及速效氮含量較CK均顯著提高，其中，T1、T3處理下有機質含量分別提高了26.46、28.70 g/kg；T1、T3處理全氮含量分別提高了0.25、0.25 g/kg；T1、T3處理速效氮含量分別提高了14.93、16.80 mg/kg，且土壤全氮、全磷、全鉀及有機質、速效氮、速效磷含量均表現為 T3gt;T1gt;T2gt;CK的趨勢。說明生物炭、蚯蚓堆肥等引入土壤后能顯著提高土壤養分含量，且相較于單施生物炭，蚯蚓原位堆肥和蚯蚓原位堆肥配施生物炭對土壤養分含量提高更有利。

2.1.3 蚯蚓原位堆肥配施生物炭對Na+和K+的影響

由圖2可知，各處理土壤Na+含量表現為 CKgt;T2gt;T3gt;T1的趨勢，其中，T1、T2、T3處理土壤Na+含量較CK分別顯著降低了15.68%、9.16%和13.24%（Plt;0.05）；各處理土壤K+含量表現為T3gt;T1gt;T2gt;CK的趨勢，其中，T1、T2、T3處理土壤K+含量較CK分別顯著增加了20.48%、18.65%和27.25%（Plt;0.05）。

2.2 蚯蚓原位堆肥配施生物炭對土壤酶活性的影響

由圖3可知，各處理下蔗糖酶活性和脲酶活性表現為T3gt;T1gt;T2gt;CK的趨勢，與CK相比，T1、T2、T3處理脲酶和蔗糖酶活性均差異顯著（Plt;0.05），其中，T1、T2、T3處理土壤脲酶活性分別顯著提高了60.39%、34.14%和140.90%，T1、T2、T3處理蔗糖酶活性分別顯著提高了34.24%、 26.94%和56.24%；與CK相比，T1、T2、T3處理磷酸酶活性分別顯著提高了20.81%、21.06%和38.87%，蚯蚓原位堆肥+生物炭（T3）處理顯著高于單施生物炭（T2）處理；與CK相比，T3處理過氧化氫酶活性差異顯著，顯著提高了19.50%（Plt;0.05）。

2.3 蚯蚓原位堆肥配施生物炭對葉綠素含量及光合作用的影響

由圖4可知，各土壤處理下辣椒葉片葉綠素含量表現為T3gt;T1gt;T2gt;CK的趨勢，其中，T3處理葉綠素含量較CK顯著提高了11.23%（Plt;0.05）；由圖5可知，相較于對照組，各處理辣椒葉片蒸騰速率顯著提高（Plt;0.05），其中，T1、T2、T3處理蒸騰速率較CK顯著提高了10.11%、7.46%和30.04%，且蚯蚓原位堆肥（T1和T3）處理顯著高于單施生物炭（T2）處理；T1、T3處理凈光合速率較CK顯著提高（Plt;0.05），分別顯著提高了22.47%和10.77%；T1和T3處理的氣孔導度較對照均有所提高，但差異不顯著；T2處理細胞間隙CO2濃度均較CK顯著降低了1.07%（Plt;0.05）。

2.4 蚯蚓原位堆肥配施生物炭對辣椒植株生物量的影響

由圖6可知，各土壤處理下辣椒植株地上及地下部分生物量均表現為T3gt;T1gt;T2gt;CK的趨勢。

T1、T2、T3處理地上部分干、鮮重較CK均顯著提高，其中，T1、T2、T3地上部分生物量分別顯著提高了66.43%、41.15%、65.40%（鮮重）和67.82%、46.42%、86.30%（干重），且蚯蚓原位堆肥+生物炭（T3）處理地上部分干重較單施生物炭（T2）處理顯著提高；T1和T3處理地下部分干、鮮重較CK顯著提高，其中，T1和T3處理地下部分生物炭分別顯著提高了94.24%、103.07%（鮮重）和109.58%、144.47%（干重）。綜上，說明與生物炭相比，蚯蚓原位堆肥或蚯蚓原位堆肥+生物炭更有利辣椒植株的生長。

2.5 蚯蚓原位堆肥配施生物炭對辣椒品質的影響

由圖7可知 與CK相比 T1、T2、T3處理辣椒果實的可溶性糖、維生素C及可溶性固形物含量均差異顯著（Plt;0.05），且均表現為T3gt;T1gt;T2gt;CK的趨勢，其中，T1、T2、T3處理可溶性固形物含量分別顯著提高了26.19%、13.49%和26.98%，維生素C含量分別顯著提高了10.49%、6.91%和18.01%，可溶性糖含量分別顯著提高了71.48%、30.21%和78.86%，且蚯蚓原位堆肥（T1和T3）處理可溶性固形物和可溶性糖含量顯著高于單施生物炭（T2）處理，蚯蚓原位堆肥+生物炭（T3）處理維生素C含量較單施生物炭（T2）處理顯著提高；各土壤處理下辣椒果實有機酸含量和糖酸比表現為T3gt;T2gt;CKgt;T1和T1gt;T3gt;T2gt;CK的趨勢，其中，T3處理有機酸含量較CK顯著提高了22.21%。本研究發現，各土壤處理下辣椒硝酸鹽含量較CK均有提高，但在國家標準范圍內（果菜類≤440 mg/kg）；綜上，說明各土壤處理在提高果實品質方面均效果顯著，且蚯蚓原位堆肥處理果實品質優于單施生物炭處理。

2.6 蚯蚓原位堆肥配施生物炭對辣椒產量的影響

由圖8可知，各土壤處理辣椒產量表現出T3gt;T1gt;T2gt;CK的趨勢，其中T1和T3處理產量較CK顯著提高（Plt;0.05），且分別比CK提高了15.85%和32.50%，同時，蚯蚓原位堆肥+生物炭（T3）處理辣椒產量較蚯蚓原位堆肥（T1）和單施生物炭（T2）處理顯著提高。說明相比于生物炭，蚯蚓原位堆肥更有利于農產品產量的提高，且與單施蚯蚓原位堆肥處理相比，蚯蚓原位堆肥配施生物炭提高辣椒產量的效果最優。

2.7 土壤理化性質、土壤酶活性與辣椒品質產量的相關性分析

由圖9可知，土壤理化性質、土壤酶活性與辣椒品質產量存在一定的正相關關系。其中，土壤孔隙度、含水率與辣椒品質產量呈正相關，土壤容重與辣椒品質產量呈負相關，土壤孔隙度與可溶性糖含量相關性最強，相關系數達到0.94； 土壤有機質、全量氮、速效氮、全量磷、速效磷、速效鉀含量及EC值與辣椒品質產量呈正相關，其中，全量氮含量與可溶性糖含量相關性最強，相關系數達到了0.95；pH值與辣椒可溶性糖、維生素C、可溶性固形物含量呈正相關，pH值與硝酸鹽含量、有機酸含量、產量間呈負相關；土壤脲酶等相關酶活性與辣椒品質呈正相關，其中，脲酶活性與辣椒維生素C含量相關性最強，相關系數達到了0.96。綜上所述，說明土壤養分含量越高，酶活性越強，辣椒產量越高，品質越好。

2.8 蚯蚓原位堆肥配施生物炭處理間的隸屬函數分析

為了更好地對比不同處理與指標之間的關系，對土壤理化性質、辣椒植株生物量及果實品質等31項指標進行主成分分析，從中獲取5個主成分，據此，計算4個處理的綜合得分（表3）為 T3gt; T1gt;T2gt;CK，說明蚯蚓原位堆肥+生物炭處理效果最優。

3 討論

3.1 蚯蚓原位堆肥配施生物炭可改善土壤的肥力和理化性狀

在本試驗中，蚯蚓原位堆肥和蚯蚓原位堆肥+生物炭處理顯著改善了土壤理化性質，提高了土壤含水率、土壤孔隙度、有機質、全量氮磷鉀及速效氮磷含量，顯著降低了土壤容重，值得注意的是，蚯蚓原位堆肥與生物炭配施效果比單施蚯蚓原位堆肥和單生物炭處理的效果更好。這與董麗華等和申佳麗等的研究結果^［22-23］類似。蚯蚓原位堆肥配施生物炭能夠改善溫室土壤的理化性狀和土壤肥力，原因可歸納為2點：其一，土壤中的蚯蚓處于活動狀態，可以疏松土壤提高通氣性，而且引入土壤中的生物炭孔隙類型豐富、密度低，理化性狀穩定，能明顯改善土壤的物理結構^［24-25］；另外，蚯蚓田間消解秸稈、牛糞等有機廢棄物所產生的蚯蚓糞以及引入土壤中的生物炭含有豐富的有機碳、氮磷鉀等營養元素，可有效提高土壤養分含量、有效性和土壤總有機碳含量^［26-29］。本試驗中，蚯蚓原位堆肥降低了土壤pH值，這與鄧曉等的研究結果^［30］一致，因為生物炭本身呈堿性^［8］，因此引入生物炭的處理（T2和T3）土壤pH值水平提高了。本研究表明，蚯蚓原位堆肥與生物炭配施顯著提高了脲酶等土壤相關酶活性，土壤酶活性間接反映土壤養分的周轉速度，是表征土壤生態系統功能和肥力水平的重要指標，施用外源有機肥可有效提高土壤酶的活性^［31］。蚯蚓原位堆肥與生物炭配施能提高土壤酶活性，原因可歸結為：引入牛糞中的蚯蚓所產生的蚯蚓糞施用到土壤中能提高土壤有機質、氮、磷等養分含量，增加植株根系數量，增強根系活力，進而提高土壤相關酶活性^［32］。另一方面，引入土壤中的生物炭可通過增加土壤微生物的種類和數量，來增加其自身活動所分泌的酶量，提高土壤酶活水平^［33-34］。

3.2 蚯蚓原位堆肥配施生物炭可提高辣椒品質和產量

在本試驗中，蚯蚓原位堆肥和蚯蚓原位堆肥+生物炭顯著提高了辣椒維生素C、可溶性糖和可溶性固形物等的含量，且以蚯蚓原位堆肥與生物炭配施效果最優。已有研究證明，維生素C含量與土壤有機質含量成正相關，可溶性固形物含量與有效鉀含量成正相關，果實品質受多個土壤養分因子的共同影響^［35］。蚯蚓原位堆肥配施生物炭能顯著改善辣椒品質，原因可能是土壤中引入的生物炭和蚯蚓糞混合可以調控基質中的養分含量，促進植株根系生長，調動根系的養分吸收活力，從而影響辣椒植株對養分的利用效率，促進產量的增長和果實品質的提升^［36］。值得注意的是，蚯蚓原位堆肥可以有效降低辣椒有機酸含量，提高糖酸比，因此，本栽培方式可以用于生產其他水果蔬菜，以調控風味品質。蚯蚓糞可以利用其本身的團聚體結構，改善黏重土壤的物理性質，使辣椒根系有良好的生存環境和較強的養分吸收效率，進而增加辣椒產量^［37］；另外，生物炭能增加養分向上運輸的途徑，促進植株生物量的積累和產量的提高^［38］。本試驗發現，蚯蚓原位堆肥與生物炭配施能提高辣椒葉片葉綠素含量及光合效率，進而促進辣椒植株生物量的積累和產量的提升，這與胡蒙愛等的研究結果^［39］一致。該結果進一步表明，土壤全氮、全磷的積累與產量呈正相關^［39］，蚯蚓糞配施生物炭可以調控基質中的養分含量，對植物的生長發育具有積極作用；其次是蚯蚓原位堆肥與生物炭配施能提高辣椒葉片光合特性，進而促進光合產物的積累與產量的提高。

4 結論

蚯蚓原位堆肥和蚯蚓原位堆肥配施生物炭均顯著提高了土壤孔隙度和土壤含水率，降低了土壤容重，并顯著提高了土壤養分含量和土壤酶活性，促進了辣椒植株的生長，提高了辣椒果實品質及產量，通過隸屬函數分析，以蚯蚓原位堆肥+生物炭 3 t/hm2（T3）處理最優。

綜上所述，蚯蚓原位堆肥+生物炭3 t/hm2（T3）處理相較于蚯蚓原位堆肥（T1）處理效果更好，因此在生產上優先推薦使用蚯蚓原位堆肥配施生物炭的新型栽培模式。

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