不同配方肥配施蚯蚓发酵液体肥对设施连作土壤及番茄风味物质的效应

Effects of Different Fertilizer Formulations Combined with Earthworm Fermentation Liquid Fertilizer on Soil and Flavor Compounds in Tomato Cultivation under Continuous Cropping Conditions

摘要

为探究不同配方肥配施蚯蚓发酵液体肥对连作土壤养分、番茄品质的影响，以粉宴1号番茄为试验材料，将农户常规施肥模式（CK）、园试1/2配方（T1）、目标产量配方（T2）3 种不同营养液配方分别与蚯蚓发酵液体肥（E）配施，在番茄盛果期采集土壤样品、植株样品及果实样品，测定土壤化学性质、植株养分、果实品质及其风味物质。结果表明：园试1/2配方（T1）、目标产量配方（T2）、园试1/2配方+蚯蚓发酵液体肥（T1+E）、目标产量配方+蚯蚓发酵液体肥（T2+E）均显著增加了土壤养分、番茄果实品质，同时改善了番茄风味物质。其中，相较于农户常规施肥模式（CK），园试1/2配方+蚯蚓发酵液体肥（T1+E）的土壤有机质、全磷、速效磷、全氮、速效氮、铵态氮、硝态氮的质量比，磷酸酶、脲酶的活性，维生素C质量比，葡萄糖、蔗糖质量浓度分别提升了17.52%、77.40%、11.76%、100%、85.3%、30.04%、63.06%、180.82%、46.42%、37.13%、47.03%、34.91%。通过对不同处理的番茄品质指标进行熵权Topsis评价法分析，得出壬醛、正戊醇可以作为品质的评价因子，T1+E、T2+E的品质指标相对最佳。通过隶属函数分析，T1+E处理对于土壤养分与番茄品质的提升效果最好，对于番茄风味物质的影响最显著。

Abstract

This study investigates the effects of various fertilizer formulations combined with earthworm fermentation liquid fertilizer on soil nutrients and tomato quality in continuous cropping systems. Using Fianyan No.1 tomato as the experimental material， three different nutrient solution formulations were evaluated： the farmer’s conventional fertilization mode （CK）， the garden 1/2 formula （T1） and the target yield formula （T2）， all in combination with earthworm fermentation liquid fertilizer （E）. Soil samples， tomato plant samples， and fruit samples were collected during the fruiting period of the tomatoes. The soil chemical properties， plant nutrients， fruit quality and flavor compounds were analyzed. The results indicated that T1， T2， T1+E， and T2+E significantly enhanced soil nutrient levels， improved tomato fruit quality， and enriched flavor compounds in the tomatoes. Specially， compared to the conventional fertilization mode （CK）， the mass ratios of organic matter， total phosphorus， available phosphorus， total nitrogen， available nitrogen， ammonium nitrogen， nitrate nitrogen， phosphatase， urease， vitamin C， glucose and sucrose in the T1+E treatment increased by 17.52%， 77.40%， 11.76%， 100%， 85.3%， 30.04%， 63.06%， 180.82%， 46.42%， 37.13%， 47.03%， and 34.91%， respectively. The entropy-weight Topsis evaluation method revealed that nonanal and n-amyl alcohol could serve as quality indicators， with T1+E and T2+E showing the best quality parameters. Membership function analysis indicated that the T1+E treatment was most effective in enhancing soil nutrients and tomato quality， as well as significantly impacting the flavor compounds of the tomatoes. These findings provide theoretical support for the practical production of tomatoes.

Graphical abstract

关键词

番茄 / 蚯蚓发酵液体肥 / 土壤养分 / 果实品质 / 风味物质

Key words

tomato / earthworm fermentation liquid fertilizer / soil nutrients / fruit quality / flavor compounds

近年来，我国设施蔬菜产业发展迅猛，其栽培面积约为256.7万hm²（含西瓜、甜瓜、食用菌），年产量2.6亿t，占蔬菜总产量的1/3左右，总产值超过1万亿元，约占蔬菜总产值45%左右。设施蔬菜利用3%的耕地，创造了种植业17%的产值^[1]。然而，不合理施肥引发诸多问题，如土壤盐渍化、连作障碍、微生物区系失衡等，大量元素施入过量而中微量元素施入不足所导致的作物营养失衡和生育障碍亦有发生。为有效防治不合理施肥所造成的设施土壤障碍，一系列有机（液）肥结合配方的研究取得了初步进展。高刘^[2]使用浓缩沼液配方肥种植香蕉，与施用常规化肥相比，施用沼液配方肥可以明显提高香蕉产量、改善果实品质、增加土壤养分含量。闫嘉欣等^[3]在相同的环境条件及田间管理状态下，追施黄腐酸液体配方肥，极显著地提高了黄瓜产量。值得注意的是，有机（液）肥在改善土壤团聚体及有机碳分布的同时^[4]，对蔬菜风味也产生了深远影响。有关研究表明，羊粪、尾菜、秸秆配比为6∶3∶1的配方处理显著提高了娃娃菜产品中维生素C、总游离氨基酸（TEAAs）、必需氨基酸（EAAs）、药用氨基酸（MAAs）、总酚酸和总黄酮的含量^[5]。孙娜等^[6]发现，猪粪可以促进番茄果实中果香味和花香味物质的积累，猪粪、秸秆、化肥配施处理下番茄果实中挥发性物质含量高，秸秆代替半量化肥氮素处理下，番茄果实中水杨酸甲酯、2-甲基-1-丁醇、反-2-己稀醛的含量增加。

目前，以蚯蚓液肥为代表的功能性有机（液）肥的应用研究成果丰富。如张林山等^[7]研究表明，在锦绣品种黄桃上施用蚯蚓有机液肥，长期施用可促进树体营养吸收，果实中可溶性固形物含量增加。周艳孔等^[8]通过试验证明，叶面喷施复合微生物菌肥、蚯蚓有机液肥均可提高草莓可溶性糖含量、糖酸比、维生素C等品质指标。本试验通过配施蚯蚓液体发酵肥对连续3年栽培番茄的设施土壤进行改良，系统比较不同配方肥配施蚯蚓发酵液体肥处理间的土壤养分、番茄风味物质构成的差异，验证蚯蚓发酵液体肥+配方肥能否提升设施蔬菜栽培品质，以期为蚯蚓类肥料在设施蔬菜生产中的示范推广提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于宁夏农旅产业园（38˚18′N，106°15′E）。该区域年降水量180~200 mm，80%的降水集中在6—8月，年平均气温8.8 ℃，无霜期160~170 d，气候类型属中温带干旱气候，具典型的大陆性气候特点。试验温室为宁夏二代日光温室，长80 m，跨度6.8 m，脊高4.4 m，后墙高度4.7 m。

试验供试土壤为沙壤土（土壤连作3 年），供试番茄品种为粉宴1号，供试蚯蚓发酵液体肥由宁夏万辉生物科技有限公司提供。

1.2 试验设计

试验为双因素随机区组设计，因素1为不同营养元素配方肥，包括①农户常规施肥模式（CK）；②根据园试1/2配方配制养分（T1），N为10.38 kg，P₂O₅为4.09 kg，K₂O为21.27 kg；③根据农业部亩产（1亩=667 m²）设施番茄4 000~6 000 kg推荐施肥量（T2）配制，N为20 kg，P₂O₅为6.9 kg，K₂O为34.6 kg。因素2为蚯蚓发酵液体肥，施用量为35 kg（E）。共2×3=6个处理CK、CK+E、T1、T1+E、T2、T2+E，每个处理设3 次重复（表1、表2）。为了提高番茄的品质及风味，依据宁夏水质以及土壤养分，底肥施用有机肥（蚯蚓粪）4 t/667 m²，过磷酸钙（w_{\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{O}}≥12%，w_{{\mathrm{P}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{5}}}≥22%）40 kg/667 m²，折合CaO为4.8 kg，P₂O₅为8.8 kg，番茄开花后连续追施2 次，第1穗果核桃大小时，继续追施，共追施6 次。使用园试1/2配方肥时，磷酸二氢铵、硝酸钾、硫酸钾、尿素每次分别施用0.802 5、2.438 8、2.881 3、1.886 3 kg/667 m²。使用农业部亩产设施番茄推荐施肥量配方肥时，磷酸二氢铵、硝酸钾、硫酸钾、尿素每次分别施用1.413 4、4.813 0、4.825 0、3.863 8 kg/667 m²。各处理番茄物候期一致。

1.3 样品采集

1.3.1 土壤样品采集

在盛果期采集土壤样品。按照五点取样法在各小区分别选取5个样点，利用土钻采集两植物中间土壤（深度0~30 cm）样品，自然风干，筛除杂物，分别过1.00、0.25 mm目筛测定其化学性质和酶活性。

1.3.2 果实样品采集

在盛果期采集果实样品。小区最外的2 行植株是保护行植株，不进行采样，在各试验小区中间行随机选取10 株番茄植株测定果实品质及风味物质。

1.4 样品测定分析

1.4.1 土壤测定分析

土壤养分指标参考《土壤农化分析》^[9]进行测定。土壤酶活性指标参考《土壤酶及其研究法》^[10]进行测定。

1.4.2 果实品质及风味物质测定

果实品质指标的测定参考《植物生理学实验指导》^[11]中的方法。番茄风味物质的测定参考魏守辉等^[12]的方法。

1.5 数据统计分析

采用Excel 2007进行数据整理、Origin 2018制图，使用SPSS23.0 软件对数据进行统计分析，选用LSD法在P0.05水平上进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同配方肥配施蚯蚓发酵液体肥对设施连作土壤的影响

2.1.1 不同配方肥配施蚯蚓发酵液体肥处理间土壤化学性质的比较

如表3所示，相较于未添加处理，蚯蚓发酵液体肥添加组pH稳定保持在7.13~7.32，其中CK+E、T1+E、T2+E对于土壤pH具有显著的缓冲作用。相较于CK处理，其他处理均显著增加了土壤EC，其中T1+E的EC达到了2.22 mS/cm，较CK增长了73.44%。相较于未添加处理，蚯蚓发酵液体肥添加组的EC显著增加。相较于CK，除全磷外，CK+E的各项养分指标的质量比均有较显著的提升，其中有机质、速效磷、全氮、速效氮、铵态氮、硝态氮分别增加了3.19%、3.27%、8.70%、11.82%、4.64%、4.79%。类似的变化特征亦在T2+E与T2的比较中得到，相较于T2，T2+E处理中的有机质、全磷、速效磷、速效氮、硝态氮质量比分别增加了7.69%、9.58%、1.68%、14.85%、14.21%。而T1+E的有机质质量比达到最大值，为40.12 g/kg，较T1处理增长26.14%。类似地，T1+E的全磷、速效磷、全氮、速效氮、铵态氮及硝态氮质量比均显著高于其他处理，较T1分别增加了56.02%、8，22%、17.94%、40.00%、27.68%、29.82%。

2.1.2 不同配方肥配施蚯蚓发酵液体肥处理间土壤酶活性的比较

如表4所示，相较于CK，除过氧化氢酶外，CK+E的土壤酶活性均有较显著的提升，其中磷酸酶、蔗糖酶、脲酶活性分别增加了34.25%、6.43%、25.62%。类似变化特征亦在T2+E与T2的比较中得到，相较于T2，T2+E中的磷酸酶、蔗糖酶、脲酶活性分别增加了34.65%、15.17%、1.17%。T1+E处理的磷酸酶、脲酶活性均显著高于其他处理，较T1分别增加了33.97%、3.32%。

2.2 不同配方肥配施蚯蚓发酵液体肥处理间番茄植株养分的比较

如图1所示，相较于CK，CK+E的植株全氮、全磷的质量比均有较显著的提升，根全氮、全磷的质量比分别增加了22.65%、10.48%，茎全氮、全磷的质量比分别增加了12.03%、3.04%，叶全氮、全磷的质量比分别增加了80.70%、7.71%。类似变化特征亦在T2+E与T2的比较中得到，相较于T2，T2+E中根全氮、全磷的质量比分别增加了20.45%、10.92%，茎全氮、全磷的质量比分别增加了7.63%、40.21%，叶全氮、全磷的质量比分别增加了34.18%、5.79%。类似地，T1+E的植株全氮、全磷的质量比均有较显著提升，较T1，根全氮、全磷的质量比分别增加了36.58%、11.92%，茎全氮、全磷的质量比分别增加了12.91%、10.10%，叶全氮、全磷的质量比分别增加了42.70%、6.14%。

2.3 不同配方肥配施蚯蚓发酵液体肥处理间番茄品质的比较

如表5所示，相较于CK，CK+E的番茄维生素C、可溶性糖质量分数、葡萄糖质量浓度均有较显著的提升，分别增加了3.49%、6.78%、15.51%，有机酸质量分数、硝酸盐质量比显著降低，分别减少了10.46%、5.85%。类似变化特征亦在T2+E与T2的比较中得到，相较于T2，T2+E中的可溶性糖质量分数、葡萄糖质量浓度、蔗糖质量浓度分别增加了4.34%、2.56%、10.03%，硝酸盐质量比显著降低，减少了17.36%。类似地，T1+E处理的维生素C质量比、葡萄糖质量浓度、蔗糖质量浓度均显著高于其他处理，较T1分别增加了18.79%、4.47%、18.19%，而T1+E的有机酸质量分数、硝酸盐质量比较T1减少了8.75%、17.84%。

2.4 不同配方肥配施蚯蚓发酵液体肥处理间番茄风味物质的比较

如图2所示，6 个处理共检测到酯类、醇类、醛类、酮类及其他5大类芳香物质，其中以醛类和醇类物质为主。T1+E及T2+E的芳香物质成分相对较为丰富，共检测出54种成分。CK中检测出香气物质最少为39 种。其他3 个处理检测出芳香物质成分分别为44 种（CK+E）、50 种（T2）和52 种（T1）。酯类是产生果香的重要物质，酯类物质以T1+E相对质量分数最高，为30.84%。醇类物质中T1+E的相对质量分数最高，比其他处理高5.38%~22.79%。醛类物质以CK+E、T2和CK的相对质量分数较高，其中CK+E的相对质量分数最高。酮类物质也是重要的芳香物质组成成分，在所检测的芳香物质中酮类物质相对质量分数最低，占0.3%~5.14%。在不同处理中，T2+E的酮类物质相对质量分数最高。其他类物质包括烯、酚等，在不同施肥处理中，T1+E中的其他类物质相对质量分数最高，为9.76%。

由表6可知，6 个处理均有果香、清新香、茶香等特征气味，另外还可闻到辛辣味、塑料味等刺激气味。6 个处理均有正戊醇、壬醛、反-2-己烯醛、顺-3-己烯醛，但是其相对质量分数不同。1-戊烯-3-醇、反-2-己烯醛、顺-3-己烯醛等物质在所检测出的气味物质中相对质量分数较高。具有花香的挥发性物质是癸醛，T2的相对质量分数最高，为2.30%；6-甲基-5-庚烯-2-酮与番茄红素含量有关，影响番茄整体风味，T2+E的相对质量分数较高，为1.59%；具有清香的物质是反-2-庚烯醛，与番茄果实的甜味相关，CK+E的相对质量分数较高，为0.42%。

对不同品种的品质指标进行加权，由表7可知，壬醛相对质量分数的权重最大，其次是正戊醇相对质量分数，有机酸质量分数的权重最小。通过熵权Topsis评价法计算得出各个指标的正理想值、负理想值、理想解的贴合度，根据理想解的贴合度得出品种排名，结果显示各处理番茄品质高低依次为T1+E、T2+E、T1、T2、CK、CK+E，说明T1+E、T2+E的番茄品质指标相对较好。

2.5 不同配方肥配施蚯蚓发酵液体肥处理间的隶属函数分析

在主成分分析的基础上，为了更直观地反映不同配方肥配施蚯蚓发酵液体肥对土壤养分、番茄植株养分和品质的影响，进一步分析综合指标及隶属函数，如表8所示。利用模糊隶属函数分析方法，能够全面、客观地反映不同配方肥配施蚯蚓发酵液体肥对土壤养分、番茄植株养分和品质的影响，并根据D值得出综合排名，各处理综合排名高低依次为T1+E、T2+E、T1、T2、CK+E、CK。这说明园试1/2配方肥添加蚯蚓液体肥对设施土壤和番茄品质的影响效果最好。

3 讨论

蚯蚓有机液体肥是以蚯蚓为原料制备成的一种有机活性液体肥料^[13]，其中富含各类无机、有机养分，在显著促进土壤养分释放转化的同时，也有益于作物对养分的吸收利用。前期研究发现，蚯蚓有机肥的施用含量使土壤有机质、全氮养分提高80%以上，全磷、有效磷、速效钾养分提高50%左右^[14]。本研究结果表明，配施蚯蚓发酵液体肥的处理（CK+E、T1+E、T2+E）较未配施蚯蚓发酵液体肥的处理（CK、T1、T2）土壤养分状况有不同程度的改善，其中CK+E的有机质、速效磷、全氮、速效氮、铵态氮、硝态氮的质量比分别增加3.19%、3.27%、8.70%、11.82%、4.64%、4.79%；T1+E的全磷、速效磷、全氮、速效氮、铵态氮及硝态氮质量比分别增加56.02%、8.22%、17.94%、40.00%、27.68%、29.82%；T2+E的有机质、全磷、速效磷、速效氮、硝态氮质量比分别增加7.69%、9.58%、1.68%、14.85%、14.21%。苏卫^[14]的研究报道也证实了上述结果。尽管配施蚯蚓发酵液体肥全面改善了设施土壤的养分状况，但本研究发现EC有小幅上升，前期相关报道亦发现蚯蚓粪与滨海盐渍土添加比例由0∶20上升至4∶20时，土壤盐度由最初的3.22‰下降至2.58‰，随后又上升至3.48‰^[15]，故蚯蚓类有机肥的施用亦需考虑合理的施用量。

基于上述积极的养分改善作用，本研究发现土壤保护酶活性有对应的上升，其中T1+E的脲酶、磷酸酶活性分别达到77.72、2.05 mg/（d·g），显著高于其他处理。前期研究认为，蚯蚓可以调控土壤脲酶和碱性磷酸酶活性，通过提高土壤中氮、磷的有效性进而促进甘薯地上部生长^[16]。张成龙等^[17]发现，配施蚯蚓裂解液可显著提高马铃薯各生育期的土壤蔗糖酶、纤维素酶和脲酶等的活性，且与全量施肥相比，肥料减量20%配施蚯蚓裂解液可以显著提高土壤脲酶、纤维素酶和蔗糖酶的活性。

土壤酶是土壤中活跃的有机成分之一，在促进土壤养分循环和供给植物生长所需养分的过程中发挥重要作用^[18]。试验中在比较不同处理番茄植株养分质量比的差异时发现，T2+E的根部全氮、全磷质量比最高，T1+E的茎叶全氮、全磷质量比最高。有研究发现，蚯蚓有机肥中含有丰富的大量矿质营养元素、有机质、激素及生长素类物质，有利于作物对土壤养分的吸收和转运，平衡各个器官之间的养分分配，促进番茄的生长发育，在保证干物质积累的同时，可显著提高番茄品质^[19]；而番茄体内的这一养分再平衡为风味物质的累积提供了先决条件。本研究结果表明，T1+E的番茄维生素C质量比、葡萄糖质量浓度、蔗糖质量浓度均显著高于其他处理，分别达到14.92 mg/100 g、254.19 mg/L、41.85 mg/L，而有机酸质量分数、硝酸盐质量比则显著低于其他处理，分别为1.46%、15.61 mg/kg。6-甲基-5-庚烯-2-酮、反-2-庚烯醛等有益代谢物质在蚯蚓发酵液的处理组中被检测到，同时通过番茄品质指标熵权Topsis评价分析结果可知，T1+E的番茄品质优于其他处理。相关研究结果也表明，蚯蚓粪处理后，显著提高了番茄产量、果实质量、可溶性蛋白和维生素C的含量^[20]。葛立傲等^[21]研究了蚯蚓粪、蘑菇渣与普通肥料对蔬菜产量和质量的影响，发现经蚯蚓粪处理硝酸盐含量明显降低，蔬菜产量、维生素C含量及含糖量明显增加，蔬菜品质得到明显改善。刘祥等^[22]研究发现，蚯蚓粪与化肥合理配合使用，可以明显改善红小豆的株高、叶面积等性状，可溶性糖、可溶性蛋白质含量均有所增加。此外，番茄的香味主要来自果实中的挥发性芳香化合物。在番茄中挥发性物质多种多样，目前已经有400 多种挥发性芳香化合物被鉴定出来，其中只有几十种物质对番茄芳香存在贡献，主要包括醇类、醛类、酮类、萜类和酯类物质以及含硫化合物等^[23]。本研究所检测到的绝大多数化合物均出自上述合成途径。醛类物质具有青草味，可增加番茄的新鲜度；醇类物质具有甜味，对番茄风味的提升有重要作用；酮类物质具有花香、果香和甜感，气味受人喜爱；酚类物质具有刺激性气味，使人感觉不愉悦^[24]。张现征^[25]研究发现，番茄果实中芳香物质种类有73种，其中含量较高的是反-2-己烯醛和己醛。而本研究中检测到了39~54种番茄风味物质，其中相对质量分数较高的是顺-3-己烯醛、反-2-己烯醛，这与前人的报道^[26]有所不同。原因可能是供试番茄品种不同、栽培方式及气候条件的差异导致番茄果实风味物质的组成和含量不同。不同营养配方调控番茄果实风味的机制仍需进一步研究。

4 结论

综上所述，农户常规施肥模式、园试1/2配方、农业部亩产设施番茄推荐施肥方式添加蚯蚓发酵液体肥，均能显著改善土壤肥力水平、植株养分、果实品质。并且相较于农户常规施肥模式，园试1/2配方配施蚯蚓发酵液体肥的效果更佳。因此，在生产上优先推荐使用园试1/2配方配施蚯蚓发酵液体肥。

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基金资助

宁夏重点研发计划项目“设施蔬菜健康复合生境系统研究与示范”(2021BBF02025)