矿物型土壤调理剂用量对设施黄瓜生长、品质及土壤性状的影响

沈彦辉，胡璋健，2，赵冬梅，冷 鹏，张 强

（1.浙江大学山东（临沂）现代农业研究院 山东临沂 276034；2.浙江大学农业与生物技术学院 浙江杭州 310058；3.临沂市农业科学院 山东临沂 276012；4.金正大生态工程集团股份有限公司 山东临沭 276700）

化肥特别是氮肥的过量施用等不当的农艺措施会加速土壤酸化进程。土壤酸化会导致铝毒、锰毒频发，导致耕地质量下降，土壤功能退化，降低农作物对磷、钼等营养元素的吸收，引起作物产量下降甚至绝产，已成为粮食安全战略的障碍因素[1]和限制农业生产能力的重要因素之一[2]。临沂市是农业大市，是山东省重要的粮食、蔬菜和油料生产基地。沂南县是山东省设施蔬菜“发源地”，也是全国最大的夏、秋黄瓜生产基地。据沂南县人民政府网站发布信息，2020 年，沂南黄瓜种植面积达192.3 hm2，总产量13.93 亿kg，产值27.66 亿元，沂南黄瓜已成为种植户发家致富的支柱产业。近年来，化肥的不合理施用、施肥方式不当等造成的土壤酸化，导致耕地质量、作物产量和果实品质下降，已成为限制黄瓜产业高质量发展的主要因素。

不同土壤调理剂的性质、组成、功能、作用机制并不相同，此外应用的土壤类型不同，施用效果也有较大差异[3-8]。与已广泛应用的土壤调理剂石灰相比，笔者施用的矿物型土壤调理剂溶解度低，养分全面，含有的P、K、Si、Mg、Ca，能有效补充植物营养。此外，长期的定位试验表明，施用该矿物型土壤调理剂不仅可以补充农田土壤流失的矿质元素，还能调节土壤酸碱性[9-11]，同时在改良土壤结构、改善土壤微生态环境、增强土壤胶体性能、提高离子交换能力[12]、提高作物产量和改善作物品质[13-14]等方面效果显著。栗方亮等[10]、范文静等[14]研究表明，施用矿物型土壤调理剂可提高茄子、油菜产量和维生素C 含量，调节土壤pH 值，提高土壤肥力水平。林祚棋[15]研究表明，施用矿物型土壤调理剂能够提高连续种植2 茬包菜的产量、土壤pH 值和土壤有效磷含量，降低土壤有效铬含量。孙蓟锋[16]研究表明，施用硅钙矿土壤调理剂对土壤有效磷含量、交换性钙和镁含量、有效态微量元素和土壤微生物总量产生了显著影响。赵泓凯等[17]研究表明，美国新型液态Phyto-CatTM土壤调理剂能够显著提高不结球白菜产量、叶绿素含量、叶片可溶性糖含量及植株根系活力，同时还能提升土壤肥力、田间持水量、水稳性团聚体含量。陈之群[18]研究表明，“Agri-SC”土壤调理剂对不同土壤类型土壤理化性质、微生物生物量和酶活性的影响表现出明显的时间效应，同时还能提高甘蓝根系活力和光合速率。

近年来，不同类型土壤调理剂对黄瓜生长、品质和土壤性状影响[19-21]及其不同用量土壤调理剂对设施黄瓜生长影响[22-23]的研究较多，而关于黄瓜生长、品质和土壤性状对矿物型土壤调理剂用量响应关系的研究相对较少，矿物型土壤调理剂在田间施用时如何实现土壤调理剂的优化利用、找到最佳的调理剂施用量在实际生产应用中具有重要意义。因此，笔者立足沂南设施黄瓜土壤酸化现状，通过研究施用不同用量矿物型土壤调理剂对设施黄瓜农艺性状、产量、品质及土壤综合肥力的影响，明确土壤pH 值、土壤养分含量和作物产量的相关性，以期为修复土壤环境、提高黄瓜产量和土壤肥力水平、改善黄瓜品质，指导设施黄瓜土壤酸化改良和高产栽培管理提供理论依据和实践参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2019 年2 月9 日至7 月5 日在沂南县辛集镇城子庄村温室大棚进行。供试黄瓜为秋延迟品种德瑞特2 号（天津德瑞特种子公司）；供试土壤为棕壤，具体养分含量见表1。黄瓜于2 月9 日移栽，7 月5 日拉秧。灌溉方式为滴灌。

表1 试验点土壤基本理化性状Table 1 The basic physical and chemical properties of soil in experimental site

供试矿物型土壤调理剂为硅钙钾镁肥（金正大生态工程集团股份有限公司），状态为灰色粉末，具体养分指标见表2；硫基复合肥的N、P2O5、K2O 含量均为15-15-15。

表2 供试土壤调理剂理化性状Table 2 The physical and chemical properties of soil conditioner

1.2 试验设计

试验共设5 个处理，每个处理3 次重复，每个 小区面积25.68 m2（10.74 m×2.40 m），各试验小区随机区组排列，共计15 个小区。试验地两边各设置1 行保护行，畦栽小区间不设置隔离行。试验各处理在当地农户习惯施肥的基础上，施用不同用量的矿物型土壤调理剂。处理1：CK（750 kg·hm-2硫基复合肥）；处理2：T750（750 kg·hm-2硫基复合肥+750 kg·hm-2土壤调理剂）；处理3：T1125（750 kg·hm-2硫基复合肥+1125 kg·hm-2土壤调理剂）；处理4：T1500（750 kg·hm-2硫基复合肥+1500 kg·hm-2土壤调理剂）；处理5：T1875（750 kg·hm-2硫基复合肥+1875 kg·hm-2土壤调理剂）。

各处理等氮设计，试验用矿物型土壤调理剂结合整地，与基肥一并混匀撒施后犁翻做畦。整个试验过程中，不同处理间除施用的矿物型土壤调理剂用量不同外，其他田间管理措施均一致。后期追肥不限定肥料用量，根据作物长势及农户施肥习惯确定，需保证每次施肥时各小区用量均匀一致。

1.3 测定项目与方法

在结果盛期每个小区随机选取成熟期一致的5个果实样品，进行农艺性状和果实品质的测定，取平均值代表该小区指标测定值。采用游标卡尺测量果实横径，采用尺子测定果实纵径；采用分析天平测量果实单果质量；采用阿贝折射仪测定可溶性固形物含量，采用2，6-二氯酚靛酚钠法[24]测定维生素C 含量，采用蒽酮比色法[25]测定可溶性糖含量，采用酸碱滴定法[26]测定可滴定酸含量。

拉秧时，随机收集不同处理0～20 cm 黄瓜土壤，每个小区随机取5 个点，“之”字形排列，采集后的土壤样品过2 mm 筛，一部分风干用于土壤理化性状的测定，一部分土样保存于4 ℃冰箱中，用于土壤酶活性的测定。

采用重铬酸钾容量法[27]测定有机质含量；采用碱解扩散法[27]测定碱解氮含量；采用碳酸氢钠浸提，钼锑抗比色法[27]测定有效磷含量；采用乙酸铵浸提，火焰光度计法[27]测定速效钾含量；交换性钙含量、镁含量采用1 mol·L-1NH4OAc 浸提，ICP-MS 法[27]测定；采用pH 计进行（V水：V土=2.5∶1）土壤pH 测定[27]。参照鲁如坤[28]的方法测定土壤酶活性，采用靛酚比色法测定土壤脲酶活性，采用磷酸苯二钠法测定土壤碱性磷酸酶活性，采用高锰酸钾滴定法测定土壤过氧化氢酶活性。

1.4 数据处理

使用Microsoft Excel 2003 对试验数据进行统计整理并作图，采用IBM SPSS 22.0 进行相关性分析、主成分分析和差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 矿物型土壤调理剂不同施用量对黄瓜农艺性状和产量的影响

从表3 可以看出，施用土壤调理剂对黄瓜农艺性状和产量具有正向促进作用。在试验梯度范围内，随着土壤调理剂施用量的增加，黄瓜农艺性状和产量均呈现先增加后降低的趋势。果实横径方面，与CK 相比，除T1875 处理外，施用土壤调理剂的其他处理果实横径均显著增加。果实纵径方面，与CK 相比，仅T1125 处理显著增加了果实纵径。果实单瓜质量方面，与CK 相比，施用土壤调理剂对黄瓜单瓜质量的增加无显著差异。产量方面，与CK 相比，施用土壤调理剂对黄瓜产量的增加幅度为2.05%～7.96%，以T1125 处理黄瓜产量最高，为12 820.00 kg·667 m-2，T1125 处理和T1500 处理黄瓜产量均显著高于CK。不同用量土壤调理剂处理间果实纵径、果实单瓜质量和产量无显著差异，T1125 处理和T1500 处理果实横径显著高于T1875处理。综合以上试验结果表明，T1125 处理对黄瓜农艺性状和产量促进效应最佳。

表3 矿物型土壤调理剂不同施用量对黄瓜农艺学性状和产量的影响Table 3 Effect of different concentrations of mineral soil conditioner on agronomic traits and yield of cucumber

2.2 矿物型土壤调理剂不同施用量对黄瓜品质的影响

由图1 可以看出，施用土壤调理剂能改善黄瓜果实品质，整体表现为提高了黄瓜维生素C、可溶性总糖和可溶性固形物含量，降低了除T750 处理外其他土壤调理剂处理的黄瓜可滴定酸含量。维生素C 含量方面，随着土壤调理剂施用量的增加，黄瓜果实维生素C 含量呈先增加后降低的趋势。与CK 相比，施用不同用量土壤调理剂均显著提高了黄瓜果实维生素C 含量，尤以T1125 处理维生素C含量（w，后同）最高，达62.00 mg·kg-1，表明土壤调理剂对提高黄瓜果实维生素C 含量具有显著的促进作用且T1125 处理效果最佳。可溶性固形物含量方面，与CK 相比，施用土壤调理剂能提高黄瓜果实可溶性固形物含量，但差异不显著。可溶性总糖含量方面，随着土壤调理剂用量的增加，黄瓜果实可溶性糖含量变化趋势与维生素C 含量变化趋势一致。与CK 相比，除T750 处理以外，其他用量土壤调理剂处理黄瓜果实可溶性糖含量均显著高于CK。可滴定酸方面，与CK 相比，施用土壤调理剂后，除T750 处理外，其他用量土壤调理剂处理黄瓜果实可滴定酸含量均有一定程度的降低，但差异不显著。综合以上试验结果和经济效益等因素，在试验梯度范围内，T1125 处理为改善黄瓜果实品质的最佳用量。

图1 不同矿物型土壤调理剂施用量对黄瓜品质的影响Fig.1 Effect of different concentrations of mineral soil conditioner on quality of cucumber

2.3 矿物型土壤调理剂不同施用量对土壤养分含量的影响

由图2 可以看出，施用土壤调理剂能够提高土壤有效养分和有机质含量，改善土壤肥力状况。在试验梯度范围内，随着土壤调理剂施用量的增加，土壤有效磷、速效钾和有机质含量均呈现先增加后降低的趋势。在土壤碱解氮含量方面，与CK 相比，施用土壤调理剂对土壤碱解氮含量无显著影响。在土壤有效磷含量方面，与CK 相比，T1125 处理和T1500 处理显著增加了土壤有效磷含量，其中T1125 处理土壤有效磷含量最高，达190.43 mg·kg-1。在土壤速效钾含量方面，与CK 相比，除T750 处理外，其他施用不同用量土壤调理剂均显著增加了土壤速效钾含量，尤以T1125 处理土壤速效钾含量最高，达198.15 mg·kg-1。在土壤有机质含量方面，与CK 相比，除T1875 处理外，其他用量土壤调理剂处理均显著增加了土壤有机质含量，其中T1125 处理有机质含量最高，达3.24%。综合以上试验结果表明，T1125 处理对提高土壤有效养分和有机质含量，改善土壤肥力状况的效果最佳，这也在一定程度上佐证了T1125 处理黄瓜产量最高这一试验结果。

图2 不同矿物型土壤调理剂施用量对土壤养分的影响Fig.2 Effect of different concentrations of mineral soil conditioner on soil nutrient of cucumber

2.4 矿物型土壤调理剂不同施用量对土壤pH和交换性钙、镁含量的影响

由图3 可知，在试验梯度范围内，随着土壤调理剂施用量的增加，土壤pH 值和交换性钙含量（b）呈逐渐递增趋势。土壤酸性状况的改善，对提升养分固持力、增加土壤养分具有促进作用，反过来土壤养分状况的改善会减缓土壤酸化进程。与CK 相比，除T750 处理外，土壤调理剂其他施用量处理土壤pH 值显著升高，分别提高0.26、0.35 和0.41，说明施用土壤调理剂能够改善土壤酸性状况。与CK相比，施用土壤调理剂土壤交换性钙含量显著升高，分别提高了6.21%、8.28%、11.03%、13.10%。镁是植物光合作用必需的营养元素，酸性土壤中有效镁含量是酸性土壤肥力和作物产量的主要限制因子，与CK 相比，除T750 处理外，其他土壤调理剂处理土壤交换性镁含量（b）有升高趋势，但差异不显著，其中以T1125 处理土壤交换性镁含量最高，达到0.166 cmol·kg-1。综上所述，T1125 处理对土壤pH 值、土壤交换性钙和交换性镁含量提升效果较为显著，投入-产出性价比最优。

图3 土壤调理剂不同施用量对土壤pH 和交换性钙、镁含量的影响Fig.3 Effect of different concentrations of mineral soil conditioner on pH,exchangeable calcium and magnesium content of soil

2.5 矿物型土壤调理剂不同施用量对土壤酶活性的影响

土壤酶活性是评价土壤肥力状况的重要指标，测定相应土壤酶活性变化可以间接地了解和预测土壤肥力状况的演变趋势。由图4 可知，在试验梯度范围内，施用土壤调理剂能够提高土壤脲酶活性和土壤过氧化氢酶活性，降低土壤碱性磷酸酶活性。在土壤脲酶活性方面，随着土壤调理剂施用量的增加，土壤脲酶活性呈先增加后降低的趋势，与CK 相比，施用土壤调理剂处理均能不同程度地提高土壤脲酶活性，分别提高了16.11%、130.20%、110.74%和100.00%。除T750 处理外，其他处理土壤脲酶活性均显著高于CK 处理，T1125 处理土壤脲酶活性最高。在土壤碱性磷酸酶活性方面，与CK 相比，施用土壤调理剂显著降低了土壤碱性磷酸酶活性，且随着土壤调理剂施用量的增加，土壤碱性磷酸酶活性呈逐渐降低的趋势。在土壤过氧化氢酶活性方面，与CK 相比，施用土壤调理剂处理显著提高了土壤过氧化氢酶活性，且随着土壤调理剂施用量的增加，土壤过氧化氢酶活性呈逐渐递增的趋势。

图4 矿物型土壤调理剂不同施用量对土壤酶活性的影响Fig.4 Effect of different concentrations of mineral soil conditioner on enzymatic activity of soil

2.6 土壤pH、土壤养分含量和黄瓜产量等指标之间的相关性分析

由表4 可知，土壤pH 值、土壤养分含量和作物产量指标间存在不同程度的相关性。黄瓜产量与土壤pH 值、有机质含量、碱解氮含量、有效磷含量、速效钾含量、交换性钙含量呈正相关，与土壤交换性镁含量呈负相关，但均未达到显著差异水平；土壤pH 值与土壤有效磷含量呈显著正相关，与速效钾含量和交换性钙含量呈极显著正相关；土壤有机质含量与土壤碱解氮含量呈显著正相关，与有效磷含量和速效钾含量呈极显著正相关；土壤碱解氮含量与土壤有效磷含量、土壤速效钾含量与土壤交换性钙含量呈显著正相关，土壤有效磷含量与土壤速效钾含量呈极显著正相关。

表4 土壤pH、土壤养分含量和作物产量等指标间相关性分析Table 4 The correlation analysis of different indicators（including soil pH,conditioner content,yield,etc.）

2.7 土壤pH、土壤养分含量和黄瓜产量等指标间的主成分分析

2.7.1 主成分特征值、累计贡献率和特征向量分析 对土壤pH 值、土壤养分含量和黄瓜产量8 个指标进行主成分分析（表5），以特征值＞1 为标准，提取到3 个主成分，方差贡献率依次为57.067%、17.199%、13.572%，累计方差贡献率达87.838%，即这3 个成分可以代表大部分筛选信息，因此选取前3 个主成分进行分析比较可靠，而其他成分的特征值均小于1，且方差贡献率趋于平缓，代表性不强，不提取为主成分。

表5 不同指标主成分的特征值及累计贡献率Table 5 The eigenvalue and cumulative contribution rate of principal component of different indicators

由表6 可知，在第1 主成分特征向量中，特征值较大且为正的指标是有机质含量、有效磷含量、速效钾含量，在第2 主成分的特征向量中，特征值较大且为正的指标是交换性钙含量、pH 值，第3 主成分的特征向量特征值较大且为正的指标是产量。

表6 不同指标主成分的特征向量Table 6 The eigenvector of principal component of different indicators

2.7.2 主成分值及综合得分 按照公式，IFI=0.570 67F1+0.171 99F2+0.135 72F3 计算土壤调理剂不同施用量改良效应的综合得分及其排序（表7），IFI 值越大，表明该土壤调理剂施用量的改良效应越好。土壤调理剂不同施用量处理效果的评价顺序为：T1125＞T1500＞T750＞T1875＞CK。

表7 土壤调理剂不同施用量各主成分值和排序Table 7 The score and rank of principal component of different concentrations of mineral soil conditioner

3 讨论与结论

研究表明，土壤酸度是影响土壤环境质量、限制作物产量的主要指标之一[29]。本试验研究结果表明，与CK 相比，施用矿物型土壤调理剂提高了土壤pH 值，这一方面可能是由于试验用矿物型土壤调理剂释放的交换性盐基离子（K+、Ca2+和Mg2+）将土壤胶体吸附的交换性离子（H+和Al3+）进行了置换，导致土壤的盐基饱和度提高[30]；此外，还可能是由于试验用矿物型土壤调理剂中的硅酸根离子易发生水解反应产生碱性物质OH—，将土壤中的H+和Al3+进行了有效中和，从而降低了土壤酸度[31]。本研究结果表明，改良后酸性土壤pH 值与试验用矿物型土壤调理剂施用量间不存在显著的线性关系，结合靳辉勇等[32]的研究结果，从侧面验证了本研究用矿物型土壤调理剂在酸性土壤改良中的施用量要适量。通过本试验筛选，结合土壤pH 值、土壤速效养分含量和黄瓜产量的主成分分析及投入成本等综合因素的分析，该矿物型土壤调理剂的最佳施用量为1125 kg·hm-2。

本试验中用的矿物型土壤调理剂富含P、K、Si、Ca、Mg 等营养元素，其加入土壤会影响土壤养分含量，因此施用量不同会造成土壤肥力的差异。研究表明，碱性土壤调理剂能够促进作物对土壤中氮、磷、钾的吸收[33]，导致土壤中多种速效养分含量的降低[34]。而在本研究中，施用土壤调理剂增加了土壤有效磷含量和速效钾含量，一方面可能是由于试验用矿物型土壤调理剂自身提供的养分，另一方面可能是由于土壤酸碱度的变化，导致起到固磷作用的铁、铝离子形成氢氧化物沉淀，对磷的固定作用减弱；土壤酸碱度的改变会影响土壤钾的有效性，调理剂自身含有的交换性钙离子的拮抗作用可能也是土壤钾有效性提高的原因之一。施用土壤调理剂增加土壤交换性钙含量是其释放的Ca2+进入土壤溶液后，一部分被土壤胶体吸附成交换性钙造成的；施用土壤调理剂对土壤交换性镁含量无显著影响，可能是由于其钙镁比例造成晶体结构改变造成的[35]。镁是植物光合作用的必需营养元素[36]，土壤酸碱度的改变改善了作物根际环境，促进了黄瓜植株对有效镁的吸收，植株的吸收量大于施用土壤调理剂对有效镁的增加量也可能是土壤交换性镁含量增加不显著的原因。本试验中用的土壤调理剂不含有机质，施用矿物型土壤调理剂土壤有机质含量增加，可能是由于其改善了土壤孔隙和土壤团聚性，改良了土壤结构，促进了有机质的分解。

土壤环境变化的重要传感器是土壤微生物和土壤酶，施用土壤调理剂能够在一定程度上改善土壤肥力状况，测定相应土壤酶活性和土壤化学的变化可以间接地评价其改良效果[37]。本研究结果表明，施用矿物型土壤调理剂提高了土壤脲酶活性和过氧化氢酶活性，降低了土壤碱性磷酸酶活性，与张泽锦等[38]在设施连作土壤中酶活性影响的结果不一致，这可能是土壤调理剂的类型、施用量、土壤类型、种植模式、施肥习惯等多种因素的影响造成的。

土壤改良剂对酸化土壤物理、化学和生物学性质影响的综合体现是作物产量和品质提升[31]。本研究结果表明，施用矿物型土壤调理剂提高了黄瓜产量，改善了黄瓜外观性状，其中以T1125 处理综合指数最优，说明土壤调理剂超量施用不仅不利于提高蔬菜商品性和产量，而且还会造成资源浪费。可溶性糖、可溶性固形物、维生素C、可滴定酸作为果实中重要的营养成分，是评价黄瓜果实风味的重要指标[39]。本研究结果表明，施用矿物型土壤调理剂均能提高黄瓜果实中维生素C、可溶性糖、可溶性固形物含量，施用适量矿物型土壤调理剂可降低黄瓜果实中可滴定酸含量，这表明矿物型土壤调理剂对黄瓜品质的提高具有促进作用且对黄瓜酸度有较好的抑制作用，大大改善黄瓜的风味口感。相关性分析表明，土壤pH 值与黄瓜产量呈正相关，说明了土壤酸度调整后，促进了植物根部细胞分裂、伸长和运输[40]，打破了植物内部激素平衡[41-43]，促进植物生长发育，提高作物产量和改善作物品质。

综上所述，本研究中用的矿物型土壤调理剂在沂南温室黄瓜上的应用效果表明，施用该土壤调理剂可以调节土壤pH 值，提高土壤有效养分含量和黄瓜产量，改善黄瓜外观和风味品质，提升土壤肥力水平。综合来看，在本试验土壤酸度下，施用土壤调理剂以1125 kg·hm-2的效果最好，但实际应用过程中还需要结合土壤pH 值、农艺措施、施肥习惯、土壤类型、栽培作物等因素进行合理调整。

将工业固体废弃物经无害化处理后作为生产矿物型土壤调理剂的原料是一种发展趋势，但该类矿物型土壤调理剂自身含有一些重金属离子，有造成土壤二次污染的潜在风险。因此，后期应通过长期大量田间试验，综合考虑多因素系统评价该类矿物型土壤调理剂的改良效果，为该类矿物型土壤调理剂的广泛应用提供科学依据。