番茄秸秆原位还田配施腐解菌剂对番茄生产的影响

孙小妹，俞兆鹏，吕文军，陈年来，吉生成，肖朝卿，李积红，王 健

(1.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃 兰州 730070; 2.凉州区农产品质量安全监督管理站，甘肃 武威 733000;3.甘肃省农业生态与资源保护技术推广总站，甘肃 兰州 730000;4.甘肃省祁连山国家级自然保护区管护中心，甘肃 兰州 730000)

设施栽培技术的迅速发展促进了我国蔬菜产业种植面积的扩大和产量的持续提高，到2016年为止，我国蔬菜种植面积为2 233.3万 hm2，产量高达7.98亿t，蔬菜产业逐渐成为我国部分区域的经济支柱，同时也伴随着大量蔬菜废弃物的产生。2005年我国秸秆资源数据的估算结果显示，水稻、玉米、小麦秸秆和蔬菜尾菜位居农业废弃物源首，其中蔬菜废弃物由于随意倾倒和堆积，利用转化率低，无害化处理不到位，腐烂变质后造成严重的环境污染，影响到居民生活质量、身体健康以及蔬菜产业的持续发展[1]。因此，做好蔬菜废弃物的资源化利用和研究已成为当前蔬菜产业可持续发展亟需解决的新问题。

目前，蔬菜废弃物的资源化利用已经形成了能源化、肥料化、饲料化、原料化和基质化的模式。其中肥料化有尾菜堆肥(高温有氧过程)、尾菜沤肥(水淹条件和厌氧处理)和尾菜微生物复合肥(集尾菜腐解有机肥+配比N/P/K无机肥+功能微生物于一体)三种成功模式[2]。研究表明,按照“减量化、资源化、再利用”的循环经济理念，将农作物的根、茎、叶经处理后还田可改善土壤的物理、化学和生物特性，减缓连作障碍[3]。例如，小麦、水稻、玉米秸秆通过高温好氧堆肥过程灭杀病原菌可有效增加土壤有机质、改善土壤结构[4-5]；将芹菜、芥菜的茎叶晒干后还于辣椒连作地块，通过改善根区环境，促进辣椒的根系生长提高产量[6]；在番茄连作土壤中加入大蒜或洋葱蔬菜剩余物可调节土壤微生物群落结构，减少根结线虫数量，降低番茄植株根结线虫病的发生[7]。可见,蔬菜秸秆还田既提高土壤肥力，又节省农民在农忙时期清理秸秆的时间，同时兼备成本低的特点，已然成为促进农业可持续发展的有效途径[8]。

番茄有较高的废弃物生物量，其茎秆粗壮，糖类和纤维素等营养物质[9]是茄果类蔬菜废弃物的核心来源，富含营养元素、蛋白质。关于番茄秸秆还田的相关研究较少,尤其是番茄茎秆废弃物原位还田的效应研究甚少。探究番茄秸秆原位还田对土壤特性和下茬番茄长势的影响，可拓宽茄果类设施蔬菜废弃物肥料化的利用途径，改善土壤环境及废弃物资源化的利用技术。由于土壤中微生物可实现秸秆的腐解，而腐解菌剂与秸秆的腐解效果具有正向影响效应，腐解效率受腐解关键菌的影响，继而对下茬作物的播种时间、作物长势及产量产生影响。为探究日光温室茄果类设施蔬菜秸秆原位还田技术的可行性以及配施腐解菌剂的效果，本研究采用番茄秸秆原位全量还田，并配施3种不同腐解菌剂，分析其对土壤和下茬番茄长势及产量的影响，探明设施蔬菜秸秆直接还田的可行性，以期为加强茄果类设施蔬菜废弃物利用提供可靠的数据支撑和理论依据，促进蔬菜产业的绿色发展。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验设在甘肃省西北部的武威市凉州区下双镇于家湾村(北纬37°48′ 08″，东经102°35′06″，海拔1 632 m)，位于河西走廊东端。该区属于温带大陆性干旱气候，干旱少雨、日照充足、昼夜温差大。试验日光温室大棚棚龄为8 a，长60 m、宽7 m。上茬种植蔬菜为番茄。

1.2 试验设计

于2019年7月15日拉秧前大水漫灌，2 d后放倒番茄秧苗全量还田(5 875 kg/666.7-2)。采用秸秆破碎机(1GQN-140 型，潍坊科比特农业机械装备有限公司，山东省潍坊市)旋耕一遍，将番茄秸秆打碎为5cm左右的长段，并就地还田。腐解菌剂与淋湿后不沾手的麸皮混匀后撒于地表，用旋耕机二次旋耕将打碎的秸秆和腐解菌剂埋于地下20 cm深处，然后在地表覆盖棚膜，封严日光温室放风口。确保日光温室内白天气温40～65℃，0～10 cm土壤温度40～45℃，高温闷棚20～25 d揭膜开沟种植。试验共设5个处理3次重复：无番茄秸秆+无菌剂添加(对照，C)；番茄秸秆+无菌剂添加(T1)；番茄秸秆+菌剂1‘源动力’(其中，菌剂1中含棘孢木霉、枯草芽孢杆菌、绿色木霉、黑曲霉、酿酒酵母等有效活菌的数量≥166亿cfu·g-1，施用量1 kg·666.7m-2，T2)；番茄秸秆+菌剂2‘有纯’(其中，菌剂2中含芽孢杆菌、木霉菌、酵母菌等有效活菌的数量≥80亿cfu·g-1，施用量3 kg·666.7m-2，T3)；番茄秸秆+菌剂3‘沃宝’(其中，菌剂3中含枯草芽孢杆菌、酵母菌等有效活菌的数量≥100亿cfu·g-1，施用量2 kg·666.7m-2，T4)。15个面积为28 m2(4 m×7 m)的小区随机排列，以‘凯特2号’番茄作为试验材料，种植株间距20 cm、行间距80 cm，每小区种植番茄175株；采样监测时均避开每个小区两侧的边缘行，后期的棚间管理均按照常规模式。于9月13日生长旺盛期统计生长形态特征和病情状况，于11月2日果数成熟期监测产量构成性状、果实品质特征。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 土壤特性测定 于番茄秸秆还田腐解前(7月17日)、番茄秸秆还田腐解25 d后(8月12日)、番茄成熟期(11月2日)按照五点法采集0～20 cm土层土样，挑拣出土样中的秸秆残体后装入自封袋带回实验室4℃保存。土壤微生物数量统计按照平板稀释法[10]，风干过筛后的土样测定pH、有机质、碱解氮、速效磷、速效钾的含量。用上海雷磁PHSJ-4FpH仪测定土壤pH，土壤有机质用硫酸-重铬酸钾外加热法，碱解氮用水解扩散法，速效磷采用碳酸氢钠法，速效钾含量用NH4OAc-火焰光度计法[11]。

1.3.2 形态特征测定 于开花坐果期测定相关形态指标，株高与茎粗利用卷尺和游标卡尺测定，叶长、叶宽和叶面积用LI-3000C叶面积仪测定。

1.3.3 叶绿素相对含量及病情状况测定 利用SPAD502测定仪测定叶绿素相对含量。 根据番茄病情症状特点，参照王运勤等[12]制定的病情分级标准。病情指数(DI)=100[∑(病害的级数×该级病害株数)/病害的最高级数×样本总数]。

1.3.4 产量构成性状 于果实成熟期，从9月28号至11月19号统计小区内每天采摘番茄的果数和重量，最终求和算平均单株果数、单果重、单株产量。

产量(kg·666.7m-2)=株数×平均单株果数×平均单果重

1.3.5 果实性状及品质 随机抽取30个果实测定果实性状及品质。硬度利用果实硬度计测定；果实纵、横径利用直尺测量，果形指数=纵径/横径；果肉指数采用离心法测定，果肉指数=上清液/沉淀；可溶性固形物利用阿贝折射仪测定；番茄红素利用高效液相色谱法测定。

1.4 数据分析

统计分析在SPSS 19.0中完成，单因素方差分析(ANOVA)采用Duncan’s multiple range tests(Duncan 多重比较)比较不同处理间各测定指标间的差异显著性，采用GraphPad Prism作图。在Canoco 4.5中做RDA分析，通过蒙特卡罗置换检验约束排序模型的显著性，以成熟期土壤特征指标：pH、有机质(SOC)、速效氮(AN)、速效磷(AP)、速效钾(AK)、真菌数量(NF)、细菌数量(NB)、放线菌数量(NA)作为环境数据，为了排除环境变量间共线性问题对排序结果的影响，排序前对环境变量进行前向选择(通过forward．Sel(environmental variables)实现)，排序图仅呈现前向选择后的变量。

2 结果与分析

2.1 番茄秸秆原位还田对土壤特性的影响

与对照相比，番茄秸秆还田及其配施腐解菌剂处理对腐解后与成熟期土壤pH的影响不显著(P>0.05)；比较三个时期土壤pH的变化，在5个处理均表现为成熟期显著低于腐解前(P<0.05)(图1A)。腐解后5个处理间土壤有机质含量差异不显著(P>0.05)，但成熟期T2处理有机质含量显著高于T1、T3、T4和C，分别高7.3%、8.1%、14.2%和26.9%；除对照外，其他4个处理的土壤有机质含量在三个时期均表现为：成熟期>番茄秸秆腐解后>番茄秸秆腐解前(图1B)。

比较5个处理间土壤速效养分含量变化表明：番茄秸秆还田及其配施腐解菌剂显著增加土壤速效磷和速效钾含量(P<0.05)(图2B，C)，对碱解氮含量影响不显著(P>0.05)(图2A)。与对照相比，成熟期土壤速效磷和速效钾含量比T1、T2、T3、T4处理分别增加12.2%、10.6%、21.0%和28.1%及21.1%、32.8%、12.0%和31.7%。在5个处理间，腐解后和成熟期T2处理的速效磷含量显著高于其他4个处理(P<0.05)，例如，在腐解后T2的速效磷含量比C、T1、T3、T4处理分别高24%、11.3%、4.4%和8.7%。速效钾含量在T3处理表现为腐解后和成熟期显著高于其他4个处理(P<0.05)。

土壤速效养分在腐解前、腐解后和成熟期分别表现为：番茄秸秆还田及其配施腐解菌剂使碱解氮、速效磷和速效钾呈不同程度的增加。例如，C、T1、T2、T3、T4处理碱解氮含量在成熟期分别比腐解前显著高12.2%、11.1%、10.1%、11.7%、10.5%。C、T1、T2、T3、T4处理速效磷含量在腐解后和成熟期分别比腐解前显著提高7.3%、20.3%、28.5%、25.7%、22.2%和12.2%、22.6%、29.6%、30.1%、22.1%。C、T1、T2、T3、T4处理的速效钾含量在成熟期比腐解前和腐解后分别高49.2%、50.3%、67.7%、62.4%、69.3%和46.9%、41.1%、56.4%、50.5%、56.7%。

比较3个时期土壤真菌、细菌、放线菌数量，5个处理的细菌数量和放线菌数量较腐解前均有所增加，其中放线菌数量增幅更大(表1)。C、T1、T2、T3、T4处理成熟期和腐解后放线菌数量分别是腐解前的2.5、5.5、4.3、2.7、4.5倍和13.2、18.4、4.3、15.1、12.5倍。真菌数量表现为成熟期显著高于腐解前和腐解后，从C到T4处理增幅依次为61.1%、50%、82.5%、63.2%、75%和77.7%、71.4%、85%、63.2%、83.3%。

腐解后5个处理间真菌数量差异不显著，成熟期表现为T2处理分别比C、T1、T3、T4显著高55%、65%、52.5%、40%(表1)。细菌数量表现为：腐解后T2、T3处理显著高于其他3个处理，成熟期T2处理细菌数量分别比C、T1、T3和T4显著高61.6%、30.2%、11.6%和37.2%。腐解后T1和T4处理的放线菌数量显著高于其他3个处理，在成熟期表现为T2分别比C、T1、T3、T4显著高92.3%、53%、54.4%和62.3%。

表1 番茄秸秆还田配施腐解菌剂对不同时期土壤微生物数量的影响

2.2 番茄秸秆原位还田对番茄生长形态特征的影响

番茄秸秆还田及其配施腐解菌剂对番茄株高、茎粗和叶宽的影响不显著(P>0.05)(表2)，但对叶长和叶面积的影响显著(P<0.05)。其中，T3和T4处理叶长显著高于C、T1和T2处理；与对照相比，T1、T2、T3和T4番茄叶面积分别显著增加8.3%、11.3%、23.7%和26.2%。

表2 番茄秸秆还田配施腐解菌剂对番茄开花坐果期形态特征的影响

2.3 番茄秸秆原位还田对番茄叶绿素相对含量及病情状况的影响

番茄秸秆还田及其配施腐解菌剂显著增加番茄叶片叶绿素SPAD值，其中处理T3和T4间差异不显著(P>0.05)，对照叶绿素SPAD值分别比T1、T2、T3和T4处理显著低7.2%、10.3%、17.4%和17.1%(图3A)。番茄秸秆还田对病毒病病情指数和叶霉病病情指数的影响结果并不一致，T1和T2处理的病毒病病情指数分别比C、T2、T3处理显著低5.6%、9.8%、10.9%和11.7%、15.6%、16.7%，而对照处理的叶霉病病情指数显著高于T1、T2、T3和T4处理，分别高20.8%、14.0%、19.0%和21.6%(图3B)。

图3 番茄开花坐果期叶片叶绿素相对含量(A)及病情状况(B)对番茄秸秆还田配施腐解菌剂的响应

2.4 番茄秸秆原位还田对番茄产量构成性状的影响

分析产量构成性状发现：单株果数和产量对番茄秸秆还田的响应规律相似，在T2处理下单株果数和产量显著高于其他处理(P<0.05)，分别比C、T1、T3、T4处理显著高25.1%、11.7%、10.7%、9.2%和20.4%、13.4%、7.6%、6.3%(图4A、D)。单果重在5个处理间差异不显著(P>0.05)(图4B)。对照处理下单株果重比T1、T2、T3、T4分别低3.9%、12.2%、5.9%、12.7%。

图4 番茄产量及产量构成性状对番茄秸秆还田配施腐解菌剂的响应

2.5 番茄秸秆原位还田对番茄果实性状及品质的影响

番茄秸秆还田对果实纵横径、果型指数、果肉指数、可溶性固形物和番茄红素的影响不显著(P>0.05)(表3)。而秸秆还田显著降低了果实硬度，其中T3处理的果实硬度分别比C、T1、T2和T4显著低28.0%、17.1%、19.7%和12.0%(P<0.05)。

表3 番茄秸秆还田配施腐解菌剂对番茄果实特性的影响

2.6 番茄产量与土壤环境因子间的相关性分析

分析土壤环境因子对番茄产量及其产量构成性状的影响，PC1贡献率为77%，PC2贡献率仅为0.6%，产量与土壤速效磷的含量和放线菌数量显著正相关(图5)。其中单株果数和单株产量与土壤有机质含量显著正相关，土壤有机质与单株果数的相关性为R2=0.75，高于土壤有机质与单株产量间的相关性(R2=0.31)。

注：SOC：土壤有机质；AN：碱解氮；AP：速效磷；NB：细菌数量；NA：放线菌数量；FNPP：单株果数；FYPP:单株产量；Y：产量。

3 讨论与结论

3.1 秸秆还田对土壤特性影响的研究现状

土壤微生物不仅是促进生态系统物质循环的关键环节，而且与土传病害的发生密切相关。大量研究表明土壤微生物与秸秆之间存在反馈效应，土壤微生物影响秸秆的分解和腐殖质的形成，而秸秆也会影响土壤微生物的数量和群落结构[19]。张翰林等[20]的研究表明，秸秆还田使土壤微生物数量有所增加，这与本文的研究结果一致：相较于对照，番茄秸秆还田+腐解菌剂显著提高了细菌和放线菌的数量(表1)。吴文辉[21]也发现番茄秸秆堆肥显著提高细菌群落的丰富度与多样性，优势菌门为变形杆菌门、放线菌门和厚壁菌门，其中变形杆菌门和厚壁菌门与土壤理化特性紧密相关。pH 被认为是微生物群落的指示性指标，越趋近于中性越有利于细菌群落多样性[22]。因此，番茄秸秆还田后土壤pH的下降促进了细菌群落的多样性和数量。由于植物病原菌大多为真菌，番茄秸秆还田使真菌所占比重降为最低，表明番茄秸秆还田使大棚土壤有向健康方向发展的趋势。

3.2 秸秆还田对番茄产量和品质影响的研究现状

研究表明，蔬菜废弃物还田在改善土壤理化和生物特性的同时优化作物的根区环境，促进下茬植株生长发育，提高产量[6]。本研究中番茄秸秆还田对番茄的生长势和产量影响显著。分析番茄产量构成性状，增产的主要原因是秸秆还田提高了单株果数(图4A)。耿凤展等[23]的研究也获得类似结果，将上茬蔬菜废弃物还田使番茄产量呈现不同程度的增高。RDA分析结果表明，土壤有机质含量、土壤速效磷、放线菌数量与单株果数和单株产量间呈正相关关系，最终实现番茄产量的增加(图5)。Liu等[24]对亚洲秸秆还田的meta-分析表明，秸秆还田使有机质含量显著提高12.8%，显著增产12.3%。因为，秸秆旋耕还田在增加土壤外源碳的同时，使土壤容重和孔隙度分别下降和增加，从而有利于植株的生长发育而实现增收[25]。其次，土壤有机碳是维持微生物生命活动的能量来源，对土壤肥力具有调节作用而促进增产[26]。分析影响番茄产量的因素发现，相较于细菌，产量与放线菌数量存在很强的正相关性(图5)。放线菌在土壤中广泛分布，因以其卓越的植物残体降解能力而被广泛关注。Bao等[27]的研究结果表明,在植物残体降解的整个过程中，放线菌物种组成和功能组成均保持相对较高的稳定性而占据优势，其分解机理如下：(1)放线菌基因组中CAZyme酶编码基因平均相对丰度高达16%，高于优势细菌基因组中的CAZyme酶编码基因丰度；(2)随着秸秆化学成分的变化，放线菌群落组成和功能组成的相似性变异幅度均显著低于其他优势细菌类群；(3)放线菌秸秆降解生态生理重要性在低肥力土壤下提高。

比较不同菌剂对产量和长势的影响，菌剂2、3的影响效果相当，而菌剂1对产量的影响效果最优。现代农业中常用的微生物促腐菌剂富含枯草芽孢杆菌、绿色木霉、黑曲霉菌、混合纤维弧菌、酵母菌等，促进产生纤维素酶、半纤维素酶和木质素酶等，加快秸秆还田后的腐化，增加田间土壤养分[28]。比较3种菌剂的菌种类型和有效活菌数发现，腐解菌剂1较菌剂2、3的菌种类型和数量更加多样和丰富。除共有的芽孢杆菌和酵母菌外，菌剂1还富含绿色木霉、黑曲霉和棘孢木霉。研究表明，微生物的丰富度对秸秆的降解效果具有叠加效应，混合多种微生物的菌剂较单一类型菌剂可分泌丰富多样的酶类，在酶类协同作用下加快秸秆纤维素、半纤维素和木质素的转化[29]。例如，枯草芽孢杆菌和绿色木霉分别可产生蛋白酶、纤维素酶、脂肪酶和淀粉酶等和纤维素酶、蛋白类酶等加快纤维素和半纤维素的降解。而随着时间的持续，绿色木霉对农作物秸秆总有机碳的矿化、分解能力要优于枯草芽孢杆菌，但是在枯草芽孢杆菌与绿色木霉的协同作用下可缩短堆肥的腐解时间。因此，我们推测菌剂1的腐解效果最优估计与其富含多样且丰富的微生物类型，以及枯草芽孢杆菌与绿色木霉的交互效应加快腐解有关。与之相对应的结果：菌剂1作用下成熟期放线菌数量和有机质绝对值最高(表1)也验证了我们的推测。故而T2处理(菌剂1‘源动力’)的腐解效果要优于其他处理，产量增幅最大。基于Meta分析发现，秸秆还田对产量的影响还跟还田量有关[30]，过量还田会造成土壤与大气环境间物质交换受阻，微生物活性受到抑制而减缓腐解速率，限制土壤养分的循环[31]，使有机质的矿化分解延缓，进而对作物生长和发育产生抑制效应。同时过量的秸秆还田使土壤C/N比提高，若没有足够的氮肥满足于微生物的代谢活动，会出现秸秆腐解和作物生长所需的“氮争夺”现象[32]。由于本研究采取“秸秆腐解+闷棚”25 d后再种植的模式，避免了腐解过程微生物代谢和幼苗生长间的资源竞争。

3.3 结 论

(1)与对照相比，番茄秸秆原位还田及其配施腐解菌剂处理降低土壤pH，使土壤有机质、速效磷、速效钾含量和土壤细菌、放线菌数量显著增加；其中放线菌数量在成熟期表现为T2分别比C、T1、T3、T4显著高92.3%、53%、54.4%和62.3%。据此得出，番茄秸秆原位还田配施腐解菌剂可改变微生物数量，增加土壤速效养分和有机质含量，改善土壤肥力。

(2)番茄秸秆原位还田对番茄的生长势和产量影响显著，T2处理分别比C、T1、T3、T4处理下产量显著提高20.4%、13.4%、7.6%、6.3%，增产的主要原因是秸秆还田提高了单株果数。RDA分析表明，单株果数与土壤有机质含量、速效磷含量、放线菌数量显著正相关，即番茄秸秆原位还田优化了土壤特性，促进产量的增加。

(3)比较3种腐解菌剂的增产效果，‘源动力’的增产效果最优，分别比‘有纯’和‘沃宝’高7.6%和6.3%。取决于‘源动力’作用下有机质含量和速效磷含量分别在成熟期和腐熟后均显著高于其它处理。