有机肥与化肥配施对黄瓜产量及土壤微生物多样性的影响

罗 佳，刘丽珠，王 同，严少华，卢 信，范如芹，张振华

(江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，江苏 南京 210014)



有机肥与化肥配施对黄瓜产量及土壤微生物多样性的影响

罗 佳，刘丽珠，王 同，严少华，卢 信，范如芹，张振华①

(江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，江苏 南京 210014)

有机肥和化肥配合施用比单施化肥或有机肥具有明显的优势，但在配合施用时其对土壤生物多样性的影响方面还缺乏深入探讨。在等氮量条件下，将水葫芦(Eichhorniacrassipes)有机肥(WOF处理)、猪粪有机肥(POF处理)和发酵床熟化垫料有机肥(FOF处理)分别以1∶1的比例与化肥〔w(N)∶w(P2O5)∶w(K2O)=15∶15∶15〕配施，并以单施化肥(CF处理)和不施肥(CK处理)为对照，分析其对设施大棚黄瓜(Cucumissativus)产量及土壤微生物多样性的影响。结果表明：采用不同有机肥与化肥配施可以获得与化肥相当或者超过化肥的产量，其中FOF处理产量最高，比CF处理提高26.77%，其次为WOF处理。有机肥与化肥配施不仅可以保持或提高黄瓜果实产量，同时可以提高果实品质，WOF、POF和FOF处理维生素C含量比CF处理增加30%左右。与CF处理相比，有机肥与化肥配施能提高氮素利用效率，但是不同来源的有机肥与化肥配施在氮素利用效率上存在明显差异。PCR-DGGE分析显示细菌群落结构可分为3大类，CK和CF处理群落结构相似，WOF和POF处理群落结构相似，FOF处理则单独成一类；不同来源的有机肥与化肥配施都能提高土壤中细菌的香农-威尔指数和丰度，与CF处理相比最高能提高5%以上。施入外源有机物质可以改变土壤的细菌群落结构，提高土壤微生物多样性，而施入化肥对土壤的细菌群落结构无显著影响。

有机肥；化肥；肥料配施；黄瓜；土壤微生物多样性

化肥的大量施用是我国面源污染的主要诱因之一,我国目前每年化肥施用量是6 000万t左右,农业生产已完全依附于化肥的投入[1]。单独施用化肥和单独施用有机肥均难以做到产量和品质兼顾,而有机无机复合(混)肥不仅可维持当季作物产量，改善作物品质与风味,同时能保护生态环境[2-4]。有机肥部分替代化肥不仅可以减少化肥过量施用引起的农业面源污染,还可改良农田土壤质量,提高农产品品质。

我国每年产生几十亿t的有机固体废弃物[5]。有机固体废弃物中含有大量的有机质和农作物生产所需的营养元素[6],合理利用有机固体废弃物将其变成有机肥可以改善生态环境，减轻有机固体废弃污染。因此,大力发展有机固体废弃物肥料化对于我国农业部推动的“减肥减药”行动,2020年实现我国化肥施用量的零增长具有十分重要的意义。

有机固体废弃物经过高温发酵和无害化处理后形成有机肥,但是由于其原料来源广泛,易造成不同有机肥之间性状和肥效差异。有机无机肥料配合施用比单施化肥或有机肥具有明显的优势,但在配合施用对土壤生物多样性的影响方面还缺乏深入探讨[7-9]。因此,笔者选择湖泊中污染比较严重的入侵植物水葫芦(Eichhorniacrassipes)、畜牧养殖中最重要的养猪场废弃物猪粪和近年兴起的生态养猪废弃物发酵床熟化垫料制成有机肥,试图通过研究在设施大棚条件下不同有机肥和化肥配施对黄瓜(Cucumissativus)产量、氮素利用效率及土壤微生物多样性的影响,为设施大棚栽培施肥、农业固体有机废弃物资源化利用及有机肥和化肥配施提供理论和应用依据。

1 材料与方法

1.1 有机肥的来源和制备

水葫芦来源于江苏省农业科学院武进竺山湖水污染治理科研基地,在武进基地挤压脱水后运至六合基地堆肥发酵;猪粪来源于江苏省农业科学院六合基地猪场,经过干湿分离后堆肥发酵;发酵床熟化垫料来源于江苏省农业科学院六合基地发酵床养殖场,主要成分为菌糠和稻壳,清理出来直接运至有机肥厂堆肥发酵。经过发酵腐熟和无害化处理后形成的3种有机肥养分指标均符合NY 525—2012《有机肥料》标准[10],重金属和病原菌等均未超标,具体指标见表1。

表1 3种有机肥养分、重金属和病原菌含量

Table 1 Contents of nutrients, heavy metals and pathogenic bacteria in the three kinds of organic manure

有机肥种类 w(有机质)/%w(总氮)/(g·kg-1)w(总磷)/(g·kg-1)w(总钾)/(g·kg-1)w(砷)/(mg·kg-1)w(汞)/(mg·kg-1)w(铅)/(mg·kg-1)w(镉)/(mg·kg-1)w(铬)/(mg·kg-1)粪大肠杆菌含量/g-1蛔虫卵死亡率/%水葫芦有机肥58.6533.8521.3712.321.580.121.940.2341.122398.75猪粪有机肥45.8235.2118.4313.860.270.027.260.2046.712797.12熟化垫料有机肥55.0428.3218.5214.883.470.045.670.5945.873397.77标准[10]≥45≥50≤15≤2≤50≤3≤150≤100≥95

有机肥养分和重金属含量以烘干样计,粪大肠杆菌和蛔虫卵死亡率以鲜样计。

1.2 大棚试验设计

试验在江苏省农业科学院六合动物基地设施大棚内进行,试验肥料为等氮量施用,总氮用量为112.44 kg·hm-2。设置5个处理,分别为:CK,不施用任何肥料; CF,仅施用化肥; WOF,施用50%化肥和50%水葫芦有机肥; POF,施用50%化肥和50%猪粪有机肥;FOF,施用50%化肥和50%发酵床熟化垫料制成的有机肥。化肥和有机肥配施比例以总氮量为标准换算。供试土壤的基本理化性状如下:w(全氮)为5.80 g·kg-1，w(全磷)为2.42 g·kg-1，w(全钾)为9.86 g·kg-1，w(速效磷)为0.65 g·kg-1，w(速效钾)为0.66 g·kg-1，w(有机质)为50.97 g·kg-1，pH值为 6.7。化肥是w(氮)、w(磷)和w(钾)均为15%的复合肥。试验设置3个重复,试验小区随机排列,每个小区内黄瓜行距为50 cm,株距为50 cm,共计16株,小区面积为4.5 m×1.2 m,供试黄瓜品种为京育四号,所用肥料在黄瓜苗移栽前作基肥一次性施入。

1.3 样品采集与测定方法

试验周期为2个月,试验期间每天进行日常管理和环境条件监测,果实长至可食用及时采摘和计产,在试验15、30、45和60 d时采集土样进行相关测试,土壤化学指标测定方法参照文献[11],维生素C含量测定采用2,6-二氯酚靛酚滴定法,可溶性糖测定采用蒽酮比色法,硝酸盐含量测定采用水杨酸硝化法。同时,采集成熟期(60 d)植株根际土壤样品，采用PCR-DGGE方法分析其土壤微生物多样性,根际土壤采集方法见文献[12],土样进行PCR-DGGE分析测定前保存于-80 ℃的冰箱内。

1.4 PCR-DGGE检测

利用PCR-DGGE技术[13],通过土壤DNA试剂盒(SoilMasterTMDNA Extraction Kit)提取土壤中细菌DNA,经过PCR扩增后(PCR引物[14]为F984GC:5-AAC GCG AAG AAC CTT AC-3和R1378:5-CGG TGT GTA CAA GGC CCG GGA ACG-3,在F984GC的5-端添加GC夹子:5-CGC CCG GGG CGC GCC CCG GGC GGG GCG GGG GCA CGG GGG G-3),采用D-Code突变检测系统(Bio-Rad)对样品进行DGGE分析。所用的聚丙烯酰胺凝胶w为8%,变性梯度为40%～60%,80 V、恒温60 ℃条件下在1×TAE中电泳16 h,银染后扫描。

所得图像用Bio-Rad Quantity One 4.6.3 软件进行处理,有关泳道和条带的技术处理都用该软件进行。通过Bio-Rad Quantity One 软件系统将DGGE条带转换成数字信息,采用香农-威尔多样性指数(Shannon-Wiener index,H)、丰度(S) 、均匀度指数(EH) 比较各个样品的多样性[15],其中H和EH的计算公式如下：

H=-∑Pi×lnPi。

(1)

式(1)中,Pi为种群i数量在群落中的比例,%。

EH=H/lnS。

(2)

1.5 数据分析与统计

采用Excel 2003和SPSS 13.0软件分析数据,采用Bio-Rad Quantity One 4.6.3软件分析样品DGGE电泳条带。

氮效率计算方法[5]如下:氮素果实生产效率(NFPE)=单位面积黄瓜产量/单位面积地上部植株氮积累总量;氮肥回收率(NRR)=(施氮区地上部吸氮量-无氮空白区地上部吸氮量)/施氮量×100;氮肥农学利用效率(ANUE)=(施氮区产量-无氮空白区产量)/施氮量;氮肥生理利用效率(PNUE)=(施氮区产量-无氮空白区产量)/(施氮区地上部吸氮量-无氮空白区地上部吸氮量)。

2 结果与分析

2.1 不同有机肥和化肥配施对黄瓜产量的影响

在等氮量施用条件下,不同的有机肥与化肥配施对黄瓜产量影响不同,结果见图1。CF处理产量为54.3 t·hm-2,与CK处理(48.76 t·hm-2)间差异不显著;而不同有机肥与化肥配施处理黄瓜产量均显著高于CK处理(P<0.05)。其中FOF处理产量达到68.82 t·hm-2,显著高于CF处理(P<0.05);其次为WOF和POF处理,产量分别为65.6和65.03 t·hm-2,但是与CF处理间差异不显著。上述结果表明,采用不同有机肥与化肥配施可获得与化肥相当或者超过化肥的产量。

CK─不施肥对照;CF─化肥;WOF─50%化肥+50%水葫芦有机肥;POF─50%化肥+50%猪粪有机肥;FOF─50%化肥+50%发酵床熟化垫料有机肥。

2.2 不同有机肥和化肥配施对黄瓜品质的影响

由表2可知,有机肥和化肥配施可以提高黄瓜果实的维生素C含量,与CK相比,WOF、POF和FOF处理黄瓜果实体内维生素C含量分别显著提高27.11%、30.12%和32.09%(P<0.05),而CF与CK处理黄瓜果实体内维生素C含量无显著差异。不同有机肥和化肥配施处理黄瓜果实体内可溶性糖含量与CF处理间无显著差异;各处理果实体内w(硝酸盐)均低于440 mg·kg-1,均未超过GB 19338—2003《蔬菜中硝酸盐限量》[16]。由此可见,有机肥和化肥配施不仅可以提高黄瓜果实产量,同时可改善黄瓜果实品质。

2.3 不同有机肥和化肥配施对黄瓜果实氮素积累的影响

图2表明,不同施肥处理对黄瓜果实体内氮素积累影响存在差异,CF处理氮素积累量达到58.63 kg·hm-2,比CK提高10%以上。POF处理黄瓜果实体内氮素积累量为59.31 kg·hm-2,与CK和CF处理差异不显著;而FOF处理氮素积累量与CK处理差异显著,与CF处理差异不显著;WOF处理氮素积累量显著高于其他处理,达74.20 kg·hm-2。上述结果表明,有机肥和化肥配施可以提高黄瓜果实体内氮素积累量,但是不同的有机肥和化肥配施对黄瓜果实体内氮素积累影响不同。

表2 不同施肥处理对黄瓜果实品质的影响

Table 2 Effect of fertilization on quality of cucumber relative to combination of fertilizer

处理w(维生素C)/(mg·kg-1)w(可溶性糖)/(g·kg-1)w(硝酸盐)/(mg·kg-1)CK149.83±15.13b20.54±3.21a43.17±4.62aCF177.97±28.66ab21.75±4.14a46.25±6.37aWOF190.45±23.05a19.30±1.70a49.03±5.32aPOF194.96±12.70a23.00±1.53a45.87±2.53aFOF197.97±20.73a19.58±0.94a44.32±6.41a

CK为不施肥对照;CF为化肥;WOF为50%化肥+50%水葫芦有机肥;POF为50%化肥+50%猪粪有机肥;FOF为50%化肥+50%发酵床熟化垫料有机肥。 同一列数据后英文小写字母不同表示不同处理间某指标差异显著(P<0.05)。

2.4 不同有机肥和化肥配施对黄瓜氮效率的影响

由表3可知,WOF和FOF处理氮素果实生产效率显著低于CK处理,CF和POF处理与CK处理间差异不显著。CF处理氮肥回收率仅为29.03%,显著低于有机肥和化肥配施的3个处理(P<0.05); FOF处理氮肥回收率最高,WOF处理次之,POF处理最低。CF处理氮肥农学利用效率和氮肥生理利用效率均最低,FOF处理氮肥农学利用效率最高,POF处理氮肥生理利用效率最高。因此,有机肥和化肥配施可以提高黄瓜果实氮效率,不同的有机肥和化肥配施对黄瓜果实氮效率影响存在差异。

CK─不施肥对照;CF─化肥;WOF─50%化肥+50%水葫芦有机肥;POF─50%化肥+50%猪粪有机肥;FOF─50%化肥+50%发酵床熟化垫料有机肥。直方柱上方英文小写字母不同表示不同处理间黄瓜果实氮素积累量差异显著(P<0.05)。

表3 不同施肥处理对黄瓜氮肥利用和生产效率的影响

Table 3 Effect of fertilization on nitrogen use efficiency, nitrogen recovery rate, agronomic nitrogen use efficiency and physiological nitrogen use efficiency of cucumber relative to combination of fertilizer

处理氮素果实生产效率NFPE/(g·g)-1氮肥回收率NRR/%氮肥农学利用效率ANUE/(g·g-1)氮肥生理利用效率PNUE/(g·g-1)CK423.04±45.20a———CF366.99±40.55ab29.03±5.76c18.48±8.25c63.65±28.43cWOF343.10±54.00b67.53±10.39ab96.86±9.22b143.44±13.65bPOF364.76±27.32ab56.03±3.95b119.75±5.89b213.70±10.51aFOF339.23±17.57b77.90±3.05a160.66±11.34a206.22±14.55c

CK为不施肥对照;CF为化肥;WOF为50%化肥+50%水葫芦有机肥;POF为50%化肥+50%猪粪有机肥;FOF为50%化肥+50%发酵床熟化垫料有机肥。 同一列数据后英文小写字母不同表示不同处理间某指标差异显著(P<0.05)。“—”表示无数据。

2.5 不同有机肥和化肥配施对土壤微生物区系的影响

利用PCR-DGGE技术分离黄瓜根际土壤中16S rDNA部分片段PCR产物,可以看到DNA片段被分离为若干条带,DGGE图谱见图3。结果表明不同处理间样品在DGGE图谱中电泳条带数量、强度和迁移率均存在一定差异。

表4表明,各施肥处理香农-威尔指数和丰度均比CK处理有明显提高,CF、WOF、POF和FOF处理香农-威尔指数分别比CK处理提高5.80%、7.40%、11.71%和8.11%,丰度则由CK处理的38提高到44～50,施肥尤其是施用有机肥能提高土壤中细菌群落多样性。采用邻接法(neighbor joining)通过软件Quantity One对DGGE图谱进行相似分析。图4表明5个处理可分为3大类,CK和CF处理群落结构相似,WOF和POF处理群落结构相似,FOF处理单独归为一类。这说明施入外源有机物质可能改变土壤细菌群落结构,而施入化肥对土壤细菌群落结构影响不大。

CK─不施肥对照;CF─化肥;WOF─50%化肥+50%水葫芦有机肥;POF─50%化肥+50%猪粪有机肥;FOF─50%化肥+50%发酵床熟化垫料有机肥。

表4 不同样品细菌的香农-威尔指数、丰度和均匀度指数

Table 4 Shannon-Wiener index, richness and evenness of the bacteria in soil samples

处理丰度S香农-威尔指数H均匀度EHCK383.520.97CF443.720.98WOF473.780.98POF543.930.99FOF503.800.97

CK为不施肥对照;CF为化肥;WOF为50%化肥+50%水葫芦有机肥;POF为50%化肥+50%猪粪有机肥;FOF为50%化肥+50%发酵床熟化垫料有机肥。

CK─不施肥对照;CF─化肥;WOF─50%化肥+50%水葫芦有机肥;POF─50%化肥+50%猪粪有机肥;FOF─50%化肥+50%发酵床熟化垫料有机肥。

3 讨论

化肥对于我国粮食丰产起到重要的作用,但是长期施用化肥容易造成土壤理化性状恶化,过多施用易造成农业面源污染[17-18];有机肥尽管具有长期效应,但由于分解缓慢,不能满足当季作物生长养分需求[4]。因此,有机肥和化肥配施可以协调养分供应,满足作物全生育期需要,改善土壤生物性状,提高作物产量和品质;同时也可减少化肥过量施用对土壤和环境的影响[19]。有机肥和化肥配施刺激了土壤微生物活性,与单施化肥相比更多的无机氮被固定在微生物体内,从而避免了前期过多的无机氮存在于土壤中而产生挥发损失;当作物需肥量增加时,土壤中没有更多的能源物质来维持微生物的生命活动,大量的微生物相继死亡,被固持在这些微生物体内的这部分氮素释放出来供作物吸收利用[20-22]。水葫芦有机肥、猪粪有机肥和发酵床熟化垫料有机肥与化肥配施处理的黄瓜产量明显增加,增幅在20%左右,其中发酵床熟化垫料有机肥与化肥配施效果最好。从黄瓜品质方面来看,3种有机肥和化肥配施处理黄瓜果实体内维生素C含量比CF处理增加10%左右,可溶性糖和硝酸盐含量差异不显著,说明有机肥和化肥配施未降低黄瓜品质,甚至可提高黄瓜的维生素C含量。

氮素利用率不仅可以反映单位施肥量对作物产量的影响,同时反映作物对肥料的回收利用效率,因此从提高作物产量、减少肥料损失、防止环境污染方面均具有重要意义[23]。有机无机肥配施可以改善土壤的供氮能力,明显增加水稻地上部氮素积累量,加速氮素向籽粒的转运,提高水稻对氮素的吸收利用效率[3]。不同的有机无机肥配施对玉米的氮素吸收量、氮素损失量以及氮素利用率不同,适宜的秸秆、牛粪和鸡粪还田量能明显提高氮肥利用率[24]。水葫芦有机肥与化肥配施在黄瓜果实氮素积累量方面高于其他2种有机肥与化肥配施,然而在氮肥回收率、氮肥农学利用率方面发酵床熟化垫料有机肥与化肥配施最高。因此,与CF处理相比,有机肥与化肥配施能提高氮素利用效率,但是不同来源的有机肥与化肥配施在氮素利用效率上存在明显差异。

有机无机肥配施在提高作物产量的同时可以改变土壤微生物群落碳源代谢模式,提高土壤微生物群落碳源利用能力,但是由于不同的有机肥施入后造成土壤中碳源及营养元素物质组成和含量差异，使微生物群落结构发生不同的变化[25]。利用PCR-DGGE技术分析红壤中细菌和真菌群落组成和多样性的变化,发现不同施肥方式可以导致微生物群落结构显著差异,施用有机肥和生物炭显著增加了细菌多样性,但施肥造成次年真菌多样性下降[26]。长期有机无机肥配施可以改变土壤细菌和真菌的群落结构,提高土壤酶活性,提高农田生态系统的生产力并对生态系统健康有改善作用[27]。到目前为止,与其他分析技术相比,尽管PCR-DGGE技术存在一些不足,但仍然是一种比较常见的研究不同环境中微生物群落变化的工具。施入外源有机物质可以改变土壤的细菌群落结构,而施入化肥对土壤的细菌群落结构影响不大。因此,应当鼓励农民在生产过程中采用有机肥和化肥配施的方式,减少化学肥料的使用,降低对环境的不良影响。

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(责任编辑： 陈 昕)

Effect of Combined Application of Chemical Fertilizer With Organic Manure on Cucumber Yield and Soil Microbial Diversity.

LUO Jia, LIU Li-zhu, WANG Tong, YAN Shao-hua, LU Xin, FAN Ru-qin, ZHANG Zhen-hua

(Institute of Agricultural Resource and Environmental Sciences, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China)

Combined application of chemical fertilizer with organic manure has obvious advantages over application of chemical fertilizer or organic manure alone in terms of crop yield, but little has been reported about effect of the combination on soil microbial diversity. A greenhouse experiment was conducted to investigate effects of the combined application of chemical fertilizer with organic manure on cucumber yield and soil microbial diversity. The experiment was designed to have 5 treatments, that is, Treatment CK (no fertilization), Treatment CF [chemical fertilizer,w(N)∶w(P2O5)∶w(K2O)=15∶15∶15], Treatment WOF (NPK +water hyacinth), Treatment POF (NPK + pig manure) and Treatment FOF (NPK + fermented bedding). All the treatments, except for Treatment CK, were the same in N input and the combination followed 1∶1 ratio. Results show that the treatments of combined application were higher than or equal to Treatment CF in cucumber yield. Treatment FOF in particular was 26.77% higher, and followed by Treatment WOF. The combined fertilization was found to be able to maintain or raise cucumber yield and improve quality of the fruit as well. The cucumbers from the treatments of combined fertilization were about 30% higher than those from Treatment CF in Vitamin C content. The combined fertilization also improved nitrogen use efficiency, but the effect varied sharply from treatment to treatment. PCR-DGGE shows that soil bacteria community structure in the five treatments could be classified into three groups. Treatments CK and CF were quite similar in soil bacterial community structure and Treatments WOF and POF were similar too, while Treatment FOF was unique. The treatments of combined fertilization, regardless of source of organic manure, all increased the Shannon-Wiener index and abundance of soil bacteria by as far as over 5% as compared with Treatment CF,which indicates that application of extraneous organic matter could alter structure of the soil microbial community and improve soil microbial diversity, but the application of chemical fertilizer (CF) has little effect on the soil microbial community structure.

organic manure;chemical fertilizer;combined fertilization;cucumber;soil microbial diversity

2015-09-06

公益性行业(农业)科研专项(201203050);江苏省农业科技自主创新资金〔CX(15)1003〕

X53;S141.2

A

1673-4831(2016)05-0774-06

10.11934/j.issn.1673-4831.2016.05.013

罗佳(1982—),男,江苏滨海人,副研究员,博士,主要从事污染物治理及资源化利用研究。E-mail: luo-jia-428@163.com

① 通信作者E-mail: zhenhuaz70@hotmail.com