咸淡水灌溉下蚯蚓粪和生物炭对栽植番茄草炭基质理化特性的影响

Effects of brackish and fresh water irrigation on the physical and chemical properties of substrates

摘要

目的 探究微咸水和淡水灌溉下番茄不同栽培基质的理化特性的变化，为在微咸水灌溉下选出最适番茄栽培的草炭基质提供参考和理论依据。 方法 进行了秋冬茬（2019年8月31日~2019年12月2日）和早春茬（2020年4月3日~2020年8月23日）两个茬口的田间栽培试验，设计3种栽培基质和2种水质的灌溉处理，分别为：草炭+淡水灌溉、草炭+微咸水灌溉、草炭+蚯蚓粪+淡水灌溉、草炭+蚯蚓粪+微咸水灌溉、草炭+生物炭+淡水灌溉、草炭+生物炭+微咸水灌溉，共6个处理组合，分析了各处理对基质物理性状、养分及酶活性的影响。 结果 灌溉水质对通气孔隙度、有机质和速效氮无显著影响；栽培基质对有机质无显著影响；灌溉水质和栽培基质两者交互作用对通气孔隙度、持水孔隙度、速效氮和过氧化氢酶无显著影响。基质容重、通气孔隙度和持水孔隙度随茬口增加而增加，且草炭添加蚯蚓粪可显著增加基质容重，降低基质通气孔隙度；随茬口增加，速效养分、全磷以及脲酶和过氧化氢酶活性整体呈现下降趋势，而全氮、有机质呈现上升趋势。微咸水灌溉下基质速效磷、全氮、全磷和全钾以及pH、EC均高于淡水灌溉。在微咸水灌溉下，草炭添加蚯蚓粪和生物炭的基质容重均显著高于单一草炭基质。草炭+蚯蚓粪与草炭相比两茬基质通气孔隙度均呈下降趋势，而早春茬持水孔隙度在各处理间无显著差异。两茬各处理均对全磷无显著影响，与草炭基质相比，微咸水下草炭+蚯蚓粪基质可显著增加速效氮、速效磷含量，而磷酸酶活性显著降低，草炭+生物炭基质可显著增加速效钾含量，而过氧化氢酶活性显著降低。通过双因素分析表明，灌溉水质和栽培基质均对基质速效养分、全效养分以及酶活性存在显著影响，且互作效应显著。 结论 以番茄为研究对象，在淡水灌溉下草炭+生物炭基质效果最优，在微咸水灌溉下草炭+蚯蚓粪基质效果最优。

Abstract

Objective To investigate the effects of brackish water and fresh water irrigation on physical and chemical properties of different cultivation substrates，so as to provide reference and theoretical basis for selecting the optimal substrate for tomato cultivation under brackish water irrigation. Method Peat (P),peat + earthworm (PE) and peat + biochar (PB) were used in the experiment，and brackish water irrigation (B) and fresh water irrigation (F) were used in Pf，Pb，PEf，PEb，PBf and PBb treatments.The effects of brackish water on physical properties，nutrients and enzyme activities of matrix were systematically analyzed. Result Irrigation water quality had no significant effect on aeration porosity,organic matter and available nitrogen，while cultivation substrate had no significant effect on organic matter.The interaction between irrigation water quality and cultivation substrate had no significant effect on aeration porosity，water retention porosity，available nitrogen and catalase，and the rest had significant effect on other indexes.Substrate bulk density，aeration pores and water-holding pores increased with the stubble increase，and the addition of earthworm in peat significantly increased substrate bulk density and decreased substrate aeration space.With the stubble increasing，the available nutrients，total phosphorus，urease and catalase activities decreased，while total nitrogen and organic matter increased.The substrate nutrients of available P，total N，total P，total K，pH and EC under brackish water irrigation were higher than those under fresh water irrigation.Under brackish water irrigation，the bulk density of earthworm and biochar were significantly higher than that of peat alone.Compared with peat + earthworm，aeration porosity of two stubble showed a downward trend，while water retention porosity of early spring stubble showed no significant difference among different treatments.Compared with peat，the contents of available nitrogen and available phosphorus in brackish water were significantly increased by peat + earthworm，while the activity of phosphatase was significantly decreased.The content of available potassium was significantly increased by peat + biochar，while the activity of catalase was significantly decreased.Two-factor analysis showed that irrigation water quality and cultivation substrate had significant effects on basal available nutrients，total available nutrients and enzyme activities，and were significantly affected by their interaction. Conclusion Under fresh water irrigation，the effect of peat + biochar shows the best，and under brackish water irrigation，the effect of peat + earthworm shows the best.

Graphical abstract

关键词

番茄 / 微咸水 / 草炭 / 生物炭 / 蚯蚓粪 / 基质养分 / 酶活性

Key words

tomato / brackish water / peat / biochar / earthworm / matrix nutrients / enzyme activity

随着经济发展，我国农业灌溉用水量呈现急剧增长态势，农业灌溉用水量约占社会总用水量的62%^［1］。宁夏地区主要依靠黄河水来满足农业用水需求，但近年来随着经济的发展和生态保护目标的提高，黄河的可用水量逐渐减少，淡水资源的供需矛盾日益突出。我国西北地区地下微咸水资源量为88.6亿m³/a，可开采量为42.390亿m³/a^［2］，因此利用微咸水缓解农业用水供需矛盾具有很大潜力^［3］。但微咸水灌溉在为植物生长提供所需要的水分时，还会导致土壤含盐量升高，造成土壤次生盐碱化。有研究认为，添加缓解盐胁迫物质是减轻盐胁迫对植物危害的有效途径之一^［4］。草炭作为无土栽培的常用基质，具有一定缓解盐胁迫的能力，但草炭为不可再生的资源，储量有限，若长期无节制地开采和使用将导致资源枯竭，严重破坏生态环境。因此，如何降低草炭的使用量或寻找其替代品是目前配比基质时需要考虑的一个关键问题^［5］。

近年来众多农业科研工作者开始寻求来源广泛且可再生的新型栽培基质材料，发现腐熟后的农业有机废弃物，如作物秸秆、畜禽粪便、菇渣等，可以代替或部分替代草炭作为新型栽培基质，并已取得不错的效果^［6-7］。如蚯蚓粪和生物炭作为农业废弃物的加工产物，是良好的栽培基质材料，大量研究发现添加蚯蚓粪和生物炭对基质养分存在有益影响，能够代替或减少草炭的使用。蚯蚓粪含有机质以及植物生长所需的大量微量元素，适量添加可以提高土壤综合肥力，为作物提供良好的生长环境^［7］。生物炭自身理化特性有利于改善土壤结构，聚集水分，减少基质利用时产生的有害物质，提高养分含量，而且生物炭具有吸附性，能有效吸附水分和营养物质，有利于提高和保持土壤肥力^［9］。除此之外，蚯蚓粪和生物炭也具有缓解盐胁迫的作用。严漪云^［10］发现污泥蚓粪的施用能显著改善滩涂土壤的理化性质，降低土壤pH值、EC值及土壤容重，增加土壤有机质含量。赵红玉等^［11］研究表明，微咸水灌溉下添加生物炭后土壤表层（0~20 cm）总孔隙度和有机质增加，土壤表层（0~20 cm）钠吸附比降低了23.88%~33.27%。15 t/hm²生物炭的施用量可以促进盐分淋洗，降低微咸水灌溉下土壤含盐量。屈忠义等^［12］研究表明，22.5 t/hm²生物炭施用量最有利于降低中度盐碱地土壤EC和pH值，促进土壤微生物的生长繁殖，提高土壤有机质、水解氮、速效磷、速效钾含量。

目前，对于微咸水和淡水灌溉系统下草炭添加蚯蚓粪、生物炭对基质养分的影响研究鲜有报道。因此本试验采用草炭基质栽培，设计添加生物炭和蚯蚓粪，并分别进行淡水和微咸水灌溉，旨在研究不同添加物质条件下，不同灌溉水对基质物理性状、养分及酶活性的影响，探究草炭添加蚯蚓粪和生物炭对不同灌溉水质的响应，为在微咸水灌溉下选出最适番茄栽培的基质提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验在宁夏吴忠国家农业科技园区日光温室C区4号棚内进行。试验进行了田间两个茬口的栽培，分别为秋冬茬（2019年8月31日~2019年12月2日）和早春茬（2020年4月3日~2020年8月23日）。设3种栽培基质，淡水（f）和微咸水（b）2种灌溉方式，共6个处理，分别为：草炭+淡水灌溉（P_f），草炭+微咸水灌溉（P_b），草炭+蚯蚓粪+淡水灌溉（PE_f），草炭+蚯蚓粪+微咸水灌溉（PE_b），草炭+生物炭+淡水灌溉（PB_f），草炭+生物炭+微咸水灌溉（PB_b），草炭中蚯蚓粪和生物炭的添加比例均为4∶1（质量比）。以番茄为研究对象，番茄品种为安特莱斯，购买于宁夏天缘种业有限公司。采用下挖槽式栽培，栽培槽长宽高为10 m×0.6 m×0.45 m，双行栽培，行距70 cm，株距45 cm，每个处理3次重复，小区面积6 m²，采用随机区组排列。所有处理均采用滴灌，全生育期追肥‘以色列海法·魔力丰’（以色列海法（中国）化学集团有限公司生产），且所有处理灌水量和追肥量一致。微咸水EC为3 mS/cm，淡水EC为1.15 mS/cm，微咸水在植株定植两周后开始灌溉。草炭由宁夏中青农业科技有限公司生产，蚯蚓粪购买自华盛绿能（宁夏）农业科技有限公司，生物炭由玉米秸秆经过炭化得到，山东泰安精农生物科技有限公司生产。基质原料特性见表1。

1.2 样品采集项目和测定方法

1.2.1 基质理化性质的测定

分别在2019年11月13日和2020年7月15日番茄盛果期，采用5点取样法从栽培基质中部取基质500 g，每个处理3次重复，风干后过1 mm筛子。基质容重、通气孔隙度、持水孔隙度根据马全会等^［13］的方法测定。pH采用电位计法测定，EC值采用电导法测定^［14］。总有机碳（TOC）含量采用重铭酸钾-硫酸氧化法测定；总氮（TN）含量采用H₂SO₄-H₂O₂消化-半微量凯氏定氮法测定；总磷（TP）含量采用H₂SO₄-H₂O₂消化-钼锑抗比色法测定；总钾（TK）含量采用H₂SO₄-H₂O₂消化-火焰光度法测定；速效氮含量采用凯氏定氮法测定；速效磷含量采用钼锑抗比色法测定；速效钾含量采用火焰光度法测定^［15］。

1.2.2 酶活性的测定

在2019年11月13日和2020年7月15日取基质，风干后过1 mm筛子用于测定酶活性。脲酶活性采用次氯酸钠比色法测定，磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定，过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法^［16］。

1.3 数据分析

利用Excel 2010进行数据整理，对栽培基质和灌溉水质及两者互作进行两因素方差分析，采用Duncan法进行差异显著性分析，利用SPSS 20.0进行相关性分析；用主成分分析进行综合评价。

2 结果与分析

2.1 咸淡水灌溉对不同基质物理特性的影响

由表2看出，容重、通气空隙度和持水孔隙度均随茬口增加呈增加趋势。秋冬茬微咸水相对淡水灌溉显著增加基质容重，两个茬口下不同灌溉水质添加蚯蚓粪（PE）和生物炭（PB）两个处理均相比草炭处理（P）基质容重增加，且PE处理连续两茬种植后基质容重最高。灌溉水对基质的通气空隙度和持水孔隙度无显著影响，秋冬茬PE相对P在咸淡水灌溉下均显著降低基质的通气孔隙度。

2.2 咸淡水灌溉对不同基质养分的影响

如表3所示，随茬口增加，速效氮、速效磷、速效钾和全磷整体呈下降趋势，而全氮、有机质呈现上升趋势。微咸水灌溉下基质速效磷、全氮、全磷和全钾以及pH、EC均高于淡水灌溉。在淡水灌溉下，秋冬茬各处理间速效氮和pH无显著差异，与P_f相比PE_f显著增加速效磷和有机质含量，而PB_f显著增加速效钾、全钾、全氮和全磷含量，分别增加了55.09 %，119.14%，100 %，103.03 %。与P_f相比，PE_f和PB_f的EC均显著提高，分别提高了7.45%和6.38%。早春茬中，与P_f相比，PE_f和PB_f均显著提高速效钾含量，分别提高了41.67%和274.33%，且PE_f 显著提高有机质含量，PB_f显著提高速效氮含量。

在微咸水灌溉下，两茬各处理间全磷含量无显著差异，秋冬茬，与P_b相比，PE_b和PB_b均显著提高全氮含量，分别提高了76.62%，57.79%；PE_b和PB_b的pH显著降低了2.47%和3.15%；PE_b显著增加速效氮、速效磷含量和有机质，PB_b显著增加速效钾及EC。早春茬各处理全氮含量无显著差异，与P_b相比PE_b和PB_b均显著提高速效钾和全钾含量，PE_b显著提高速效磷含量，而PB_b与P_b相比速效氮和速效磷之间无显著差异。

2.3 咸淡水灌溉对不同基质酶活性的影响

由图1可知，脲酶和过氧化氢酶随茬口增加呈下降趋势。秋冬茬在淡水灌溉下，PE_f的脲酶活性显著高于P_f处理，且PB_f的脲酶活性显著降低。在微咸水灌溉下，各处理的脲酶活性表现为PB_b>PE_b>P_b，与P_b相比，PB_b脲酶活性提高了103.93%，PE_b提高了66.43%。磷酸酶和过氧化氢酶在淡水和微咸水灌溉下表现一致，均为P处理显著高于PE和PB处理。与淡水相比，同一基质下，磷酸酶在微咸水灌溉下均显著低于淡水灌溉，按照草炭、草炭+蚯蚓粪、草炭+生物炭顺序，各处理分别下降了12.37%、35.04%、22.31%。与淡水相比，微咸水灌溉下各基质处理的过氧化氢酶活性均显著增加，按照草炭、草炭+蚯蚓粪、草炭+生物炭顺序，分别提高了29.70%、31.12%和31.78%。

早春茬PE_f和PB_f的脲酶和磷酸酶活性均大于P_f，且PB_f的磷酸酶活性显著高于PE_f。而PB_f处理的过氧化氢酶显著低于P_f和PE_f，且P_f和PE_f之间差异不显著。微咸水灌溉下，PE_b和PB_b的脲酶活性与P_b均无显著差异，但PE_b小于PB_b。P_b与PB_b磷酸酶活性无显著差异，PE_b显著低于P_b与PB_b，分别下降了19.59%、15.45%。同一基质下，与淡水相比，各处理在微咸水灌溉下磷酸酶活性显著提高，分别提高了164.43%、72.68%、82.92%。与淡水相比，过氧化氢酶表现为PB_b显著高于PB_f，显著增加了32.9%，其他处理间差异不显著。

2.4 栽培基质和灌溉水质及两者交互作用对各指标的影响

由表4可知，灌溉水质除了对通气孔隙度、有机质和速效氮无显著影响，对速效钾、全氮有显著影响外，对其他指标均有极显著影响。栽培基质除了对有机质无显著影响外，对其他指标均有极显著影响。灌溉水质和栽培基质两者交互作用对通气孔隙度、持水孔隙度、速效氮和过氧化氢酶无显著影响，对速效磷、全氮、全磷和磷酸酶有显著影响外，对其他指标均有极显著影响。

2.5 主成分分析

选取有机质、速效氮、速效磷、全氮、全磷、脲酶、过氧化氢酶、pH，EC共9个指标进行PCA分析，结果如图2所示，PC₁和PC₂分别解释差异为44.87%和28.02%，即总变异72.89%。pH、过氧化氢酶、EC、全氮、全磷在PC₁上有较高的权重，速效氮、全磷、有机质、速效磷在PC₂上有较高的权重。在PC₁上Pb_f与其他处理明显区分开。在PC₂上PB_f、P_f、PE_f与PB_b、P_b、PE_b明显区分开。EC与全磷、全氮呈显著正相关，pH与过氧化氢酶呈显著正相关，脲酶与速效磷呈显著正相关。根据综合得分可以看出，不同水质灌溉下添加蚯蚓粪与生物炭均有利于提高综合肥力，而在淡水灌溉下PB_f效果最优，在咸水灌溉下PE_b效果最优。

3 讨论

作为植物生长介质，基质能够起到固定根系，协调水分、养分和氧气供给的作用，基质良好的理化特性是获得理想应用效果的前提。本研究中草炭添加蚯蚓粪、生物炭在淡咸水灌溉下均可提高基质容重，且持水孔隙度无显著差异。有研究表明适宜的容重为0.1~0.8 g/cm³，最好为0.5 g/cm^3［17］。本试验所有处理容重均符合适宜容重，且草炭添加蚯蚓粪、生物炭后基质容重达到了理想的0.5 g/cm³。而持水孔隙度整个过程变化不大，说明保水性一直处于稳定状态。随着茬口的变化，速效氮、速效磷、速效钾和全磷整体呈现下降趋势，这可能与连续种植造成土壤有效养分的损失有关^［18］。与淡水灌溉相比，微咸水灌溉下基质速效磷、全氮、全磷和全钾以及pH、EC均有所提高，这可能是微咸水灌溉后导致基质酸碱环境发生变化，从而影响了土壤养分含量和植物对养分的吸收与利用所致^［19］。本研究发现，P_f相比PE_f可显著增加速效磷、速效钾及有机质含量，这是因为蚯蚓粪中含有大量有效养分和有机质，适量添加可以提高基质中氮、磷、钾的供给能力，增加土壤有机质，对土壤起到很好的培肥作用^［8］。本研究发现PE_b与P_b相比显著降低pH，且最初添加会增加基质EC，说明蚯蚓粪低pH和低EC的特性可改变基质pH，但短期内由于蚯蚓粪的养分含量高，添加蚯蚓粪会增加基质EC，随着种植时间延长，又会降低基质EC^［20］。本试验得出，PB_f可显著增加速效氮、速效钾、全氮和全磷含量，这与张伟明等^［21］得出的结论一致。生物质炭中含有多种矿质营养元素，施入土壤后，在一定程度上会释放出这些营养元素，进而增加土壤中有效养分和有机质的含量；靖彦等^［22］研究表明，生物质炭对土壤养分具有保持能力，可以通过表面库仑力、氢键以及分子间的范德华力等将土壤养分离子吸附在土壤颗粒表面，能够有效降低土壤中铵态氮和硝态氮的淋失。在微咸水灌溉下PB_b可显著提高速效钾、速效磷，增加有机质，这可能因为原生物炭本身含有的丰富营养元素（特别是C、P、K等），可直接向盐渍化土壤提供养分，改善植物营养^［23］，同时由于表面多孔、富含官能团、带有正负电荷等特性，可通过吸附、化合等作用，降低养分淋失^［24］。本试验得出第二茬PB_b的EC值显著低于P_b，这可能是因为生物炭的加入改善了基质的通透性，进而促进了盐分的淋溶。

土壤酶是土壤生物活性的综合表现，土壤酶活性的高低能够反映土壤生物活性和土壤质量的健康状况^［25］。本研究中随茬口增加基质中脲酶和过氧化氢酶呈下降趋势，其原因可能是连续种植使得养分的消耗较大，土壤中有益微生物减少，从而降低了基质酶活性^［26］。本研究结果显示，与P_f相比，PE_f的脲酶活性显著提高，可能由于蚯蚓粪本身含有丰富的有机碳、氮、磷和钾等营养元素，也可能是其含有丰富的微生物和酶，微生物活性得到增强，因此基质中会分泌更多的脲酶^［27］。且PE_f的脲酶活显著高于PB_f，与和文祥等^［28］认为的土壤脲酶活性与土壤有机质和全氮呈显著正相关的结论相印证，因PE_f的有机质含量显著高于PB_f，且全氮含量差异不大，使得PE_f的脲酶活显著高于PB_f。PE_f磷酸酶活性显著低于PB_f，这与刘丽等^［29］的结论相似，原因可能是蚯蚓粪中含有无机磷成分，磷酸酶的反应产物中也包含无机磷成分，这使得酶促反应受到抑制，所以施加蚯蚓粪的处理磷酸酶活性较高。生物呼吸过程和有机物的氧化反应产生的过氧化氢对土壤和生物均有一定的毒害作用，而土壤中的过氧化氢酶则能将对活细胞有害的过氧化氢分解为水和氧气，从而减轻氧化氢的毒害作用^［30］。本研究中草炭添加生物炭在淡咸水灌溉下均显著降低，这可能是因为生物炭中活性物质不仅只含有促进微生物的成分，还可能含有抑制性物质，例如呋喃、酚类等^［31］，这可能是脲酶和过氧化氢酶活性降低的原因。过氧化氢酶与pH呈显著正相关，其原因为过氧化氢酶的酶促反应会降低土壤腐殖质含量从而增加土壤pH^［32］。

4 结论

1） 容重、通气空隙度和持水孔隙度均随茬口增加呈增加趋势。两茬在不同灌水下，添加蚯蚓粪和生物炭均可显著增加基质容重，草炭添加蚯蚓粪在不同灌溉水下降低基质的通气空隙度，添加生物炭对通气空隙度影响不显著。

2） 速效氮、速效磷、速效钾、全磷以及脲酶和过氧化氢酶活性整体随着茬口的增加，呈现下降趋势，全氮、有机质呈上升趋势。微咸水灌溉下基质养分速效磷、全氮、全磷和全钾以及pH、EC均高于淡水灌溉。与P_b相比，PE_b显著增加速效氮、速效磷含量，PB_b显著增加速效钾含量。

3） 综合分析表明，以番茄为研究对象，在淡水灌溉下草炭+生物炭基质效果最优，在微咸水灌溉下草碳+蚯蚓粪基质效果最优。

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基金资助

宁夏回族自治区重点研发项目国际合作项目(2019BEH03001)

自治区科技创新领军人才项目(KJT2017001)

宁夏回族自治区“青年拔尖人才培养工程”项目(201701)