蔬菜废弃物堆肥对设施蔬菜连作土壤生态质量的改良效果.pdf

中中 国国 瓜瓜 菜菜试验研究2024，37（3）：151-157收稿日期：2023-07-06；修回日期：2023-12-26基金项目：厦门市自然科学基金联合资助项目（3502Z20227316）作者简介：蔡尽忠，男，教授，主要从事环境、食品有毒有害物质检测与处理研究工作。E-mail：通信作者：邓盈，女，实验师，主要从事环境监测工作。E-mail：随着蔬菜种植面积的快速增加，蔬菜生产过程中产生大量的废弃物1-2。这些废弃物若不能得到妥善处理，将会对环境产生负面影响3。目前，针对蔬菜废弃物的处理方法主要包括动物饲养、厌氧消化和焚烧等4，但存在操作困难、成本高、产品质量不稳定等缺点5。相比之下，堆肥是一种无害化的DOI：10.16861/ki.zggc.202423.0441蔬菜废弃物堆肥对设施蔬菜连作土壤生态质量的改良效果蔡尽忠1，2，王理玲3，邓盈1（1.厦门华厦学院环境与公共健康学院福建厦门361024；2.厦门市环境监测工程技术研究中心福建厦门361024；3.厦门理工学院福建厦门361024）摘要：为了探究利用蔬菜废弃物堆肥制备的生物有机肥对设施蔬菜连作土壤的改良效果，将芹菜、白菜、胡萝卜、花椰菜等蔬菜废弃物与玉米秸秆进行堆肥，并施用于不同连作年限的设施小白菜土壤。研究表明，受试的 4 种土壤中细菌、放线菌及真菌数量，土壤酶活性及小白菜品质均随着堆肥添加量的增加而提高；而土壤尖孢镰刀菌数量则随着堆肥添加量的增加而降低。在连作 5 年的土壤中，高剂量施肥处理与未施肥对照相比，土壤细菌、放线菌及真菌数量，土壤蔗糖酶、过氧化氢酶、脲酶及磷酸酶活性分别提高 0.77、1.63、1.53、3.50、1.66、0.99 及 1.65 倍；小白菜维生素 C 与可溶性糖含量分别提高了 88.56%和 50.42%；土壤尖孢镰刀菌数量减少了 94.55%。结果表明，利用蔬菜废弃物堆肥制备的生物有机肥能够显著改善连作土壤的生态质量，并且对连作年限长的土壤有着更显著的效果。关键词：蔬菜废弃物；连作；生物有机肥；土壤微生物数量；土壤酶活性；小白菜品质中图分类号：S63文献标志码：A文章编号：1673-2871（2024）03-151-07Improvement effect of vegetable waste composting on soil ecological qual-ity of continuous vegetable cropping in facilitiesCAI Jinzhong1,2,WANG Liling3,DENG Ying1（1.College of Environment and Public Health,Xiamen Huaxia University,Xiamen 361024,Fujian,China;2.Xiamen EnvironmentalMonitoring Engineering Technology Research Center,Xiamen 361024,Fujian,China;3.Xiamen University of Technology,Xiamen,361024,Fujian,China）Abstract:In order to explore the effect of bio-organic fertilizer prepared from vegetable waste composting on the soil im-provement of facility vegetable with continuous cropping,we composted vegetable wastes such as celery,Chinese cab-bage,carrot and cauliflower with corn straw and applied them to the facility pakchoi soil with different continuous crop-ping years.The results showed that the number of bacteria,actinomycetes and fungi,soil enzyme activity and pakchoiquality in the four tested soils increased with the increase of compost addition.However,the number of Fusarium oxyspo-rum in soil decreased with the increase of compost addition.For example,in the soil with 5 years continuous cropping,the number of soil bacteria,actinomycetes and fungi,and the activities of soil sucrase,catalase,urease and phosphatase in-creased by 0.77,1.63,1.53,3.50,1.66,0.99 and 1.65 times,respectively,and the content of vitamin C and soluble sugarin pakchoi increased by 88.56%and 50.42%,respectively.The number of F.oxysporum in soil decreased by 94.55%.Theresults showed that the bio-organic fertilizer prepared by composting vegetable waste could significantly improve the eco-logical quality of continuous cropping soil,and had a more significant effect on soil with long continuous cropping years.Key words:Vegetable waste;Continuous cropping;Bio-organic fertilizer;Soil microbial quantity;Soil enzyme activity;Pakchoi quality151中国瓜菜第37卷试验研究处理方法，通过微生物将可降解有机物转化为稳定的有机和无机产物6，能有效地利用蔬菜废弃物资源7。堆肥有助于提高土壤肥力和植物产量8-9，增加土壤持水能力、改善土壤结构、提高团聚体稳定性10，作为植物病害的生物防治剂11，被重金属污染的土壤也可通过堆肥修复。堆肥还可用于降解土壤中的化学污染物12。连作障碍是指同一作物或其近缘作物在同一块土地上连续种植，即使在正常管理条件下，也会导致植物生长发育受阻，产品产量和品质降低，病虫害严重的现象13-16。连作会导致土壤速效养分含量下降17、养分要素比例失衡18、土壤酶活性下降、理化性质恶化19、微生物种群变化、病虫害加剧20等问题。在我国，由于可利用耕地面积有限、栽培条件限制以及经济利益的驱使，通常在同一块土地上连续种植同一作物，导致大面积的耕地和温室受到连作障碍的威胁，从而产生严重的土壤传播疾病并抑制作物生长，最终导致作物产量和品质下降，影响农民收入21-22。近年来，如何缓解连作障碍已成为农业生产中亟待解决的热点问题23。为了解决这一问题，以前的研究主要集中在利用间作或轮作、使用有机肥或生物肥、对自体毒素的吸附和降解以及土壤微生物结构的重建等方法。Du 等19通过在同一块土地上采用黄瓜与洋葱或大蒜间作，提高了黄瓜的产量，并增强了土壤酶活性及改善了微生物环境。Gao等24则利用烟草与花生轮作的方式，有效地改善了土壤生态菌群。Chen 等25发现，有机肥和含有效微生物的有机肥能够缓解花生连作障碍。Li 等26利用腐植酸，改善了土壤的理化性质、酶活性和微生物多样性，从而提高了连作花生的产量和品质。Mao 等27在土壤中接种放线菌，成功降解了草莓在土壤中产生的 2 种主要自体毒素苯甲酸和对羟基苯甲酸。Wang 等28则利用生物碳抑制苹果连作障碍，并促进幼苗生长。生物碳的加入还增强了苹果重植土壤的酶活性、改变了真菌群落结构、增加了真菌丰度，并降低了土壤传播病原体基数。Li等29利用合成细菌群落成功控制了蒙古黄芪的根腐病。然而，关于利用蔬菜废弃物堆肥来缓解连作障碍的研究尚不多见30。笔者的研究旨在通过将芹菜、白菜、胡萝卜、花椰菜等蔬菜废弃物与玉米秸秆进行堆肥，制备出一种生物有机肥，并将其施用于不同连作年限的设施小白菜土壤中，测定土壤微生物数量及酶活性，同时分析小白菜品质并以此探明蔬菜废弃物堆肥对设施蔬菜连作土壤的改良效果，以期为蔬菜废弃物资源化利用提供新的途径，为设施蔬菜连作土壤生态质量的改良提供参考。1材料与方法1.1研究区概况蔬菜废弃物堆肥制备的生物有机肥为环境与公共健康学院固体废弃物处理研究团队自制：将芹菜、白菜、胡萝卜、花椰菜这 4 种蔬菜废弃物经过 4 d暴晒，使水分下降到 70%75%，蔬菜废弃物和玉米秸秆辅料均经过粉碎机粉碎到 12 cm 小段，用玉米秸秆调节碳氮质量比为 25 1，调节含水率为 60%左右，加入葡萄糖 10 gkg-1，微生物菌剂 0.5 gkg-1（微生物菌剂主要为芽孢杆菌、放线菌、霉菌和酵母菌，活菌数为 1.3108CFUg-1）。将充分混合好的物料在 60 cm50 cm30 cm 的泡沫箱进行堆肥，通气量为 0.1 Lmin-1，且为连续通风，每 5 d 翻堆 1 次，堆肥 30 d，制备生物有机肥料31。试验土壤种植作物为小白菜，取自厦门市集美区后溪镇下店里蔬菜专业合作社大棚 020 cm 根区耕层，包括未连作、连作 3 年、连作 5 年、连作 7 年共 4 种土壤，土壤的养分如表 1 所示。1.2试验设计2022 年 3 月份以盆栽方式进行生物有机肥的施肥试验，施用量包括 4 个水平：未施肥、低施肥剂量（7.5 thm-2）、中等施肥剂量（15 thm-2）、高施肥剂量（30 thm-2）；连作年限 4 个处理：未连作、连作 3表 1 不同连作年限土壤养分特征Table 1Nutrients property of different cropping year soil连作年限Croppingyears/a0357w（有机质）Organic mattercontent/（gkg-1）31.7835.2641.6550.72w（总氮）Total N content/（gkg-1）1.081.131.661.98w（总磷）Total P content/（gkg-1）0.860.981.331.56w（总钾）Total Kcontent/（gkg-1）1.321.491.631.77w（速效氮）Available Ncontent/（mgkg-1）38.3642.6566.7159.13w（速效磷）Available Pcontent/（mgkg-1）26.3247.1740.4135.66w（速效钾）Available Kcontent/（mgkg-1）32.1658.1947.3539.13152第3期，等：土壤生态质量的改良效果试验研究BCcAcBcCcBbcAabBbcBbcBbAabBbBbAaAaAaAa03060901201501802100a3a5a7a细菌数量Number of bacteria/（107cfu g-1）连作年限Years of continuous cropping 0 t hm-27.5 t hm-215 t hm-230 t hm-2BcAcBbBcBcAcBbBcBbAbAaBbBaAaAaAa0501000a3a5a7a放线菌数量Number of actinomycetes/（105cfu g-1）连作年限Years of continuous cropping 0 t hm-27.5 t hm-215 t hm-230 t hm-2CdCcBcAcCcCbcBbAbBbBbABbAbAaAaAaAa040801200a3a5a7a真菌数量Number of fungi/（104cfu g-1）连作年限Years of continuous cropping 0 t hm-27.5 t hm-215 t hm-230 t hm-2CaCaBaAaCabCaBbAbCbCbBcAcBcBcBdAd01202400a3a5a7a尖孢镰刀菌数量Number of Fusarium oxysporum/（103cfu g-1）连作年限 Years of continuous cropping 0 t hm-27.5 t hm-215 t hm-230 t hm-2年、连作 5 年、连作 7 年；共计 16 个处理，5 次重复，每个重复为 1 个盆栽。在 30 cm10 cm12 cm 的盆中放入 1.5 kg 土壤，放入小白菜种子，小白菜全部出苗后间苗，保持每盆 3 株小白菜。待小白菜成熟后，测定小白菜维生素 C、可溶性糖含量；同时用土壤采样器采集盆中 23 cm 处 100 g 土壤，过2 mm 筛，测定土壤微生物数量和酶活性。1.3测试方法小白菜品质指标的测定：采用 2，6-二氯靛酚滴定法测定维生素 C 含量32，采用蒽酮比色法测定可溶性糖含量31。采用平板计数法测定土壤微生物数量33，细菌培养采用牛肉膏蛋白胨培养基，真菌培养采用马丁氏培养基，放线菌培养采用改良高氏一号培养基，尖孢镰刀菌培养采用尖孢镰刀菌分离培养基。采用二硝基水杨酸比色法测定土壤蔗糖酶活性34，采用对硝基苯磷酸盐法测定磷酸酶活性32，采用滴定法测定过氧化氢酶活性35，采用次氯酸钠比色法测定脲酶活性36。1.4数据分析所 有 的 试 验 数 据 用 Excel 2016 绘 图，用SPSS 18.0 进行数据处理和完全随机方差分析，均值差异性分析采用 LSD 法。2结果与分析2.1生物有机肥对连作土壤微生物数量的影响生物有机肥作用下连作土壤的微生物数量如图 1 所示。随着连作年限增加，未施肥土壤的土壤细菌、放线菌数量呈现逐年下降的趋势，在连作3 年时最高，连作 5 年时下降到未连作水平，连作7 年时则进一步降低。施入生物有机肥后，随着施肥量的增加，土壤细菌数量与未连作土壤之间的差距不断缩小，连作 7 年时，未施肥时细菌数量比未注：不同小写字母表示同一连作年限不同施肥量之间在 0.05 水平差异显著，不同大写字母表示同一施肥量不同连作年限之间在 0.05 水平差异显著。下同。Note:Different lowercase letters indicate significant differences（at the 0.05 level）between different fertilization amounts for the same continu-ous cropping period.Different capital letters indicate significant differences（at the 0.05 level）between the same amount of fertilizer applied anddifferent continuous cropping years.The same below.图 1生物有机肥对连作土壤微生物数量的影响Fig.1Effect of bio-organic fertilizer on microbe number of continuous cropping soil0 thm-27.5 thm-230 thm-215 thm-20 thm-27.5 thm-230 thm-215 thm-20 thm-27.5 thm-230 thm-215 thm-20 thm-27.5 thm-230 thm-215 thm-2（107CFUg-1）（107CFUg-1）（107CFUg-1）0357035703570357Cc尖孢镰刀菌数量Number of Fusarium oxysporum/（107CFUg-1）蔡尽忠，等：蔬菜废弃物堆肥对设施蔬菜连土壤生态质量的改良效果连作年限 Years of Continuous cropping/a连作年限 Years of Continuous cropping/a连作年限 Years of Continuous cropping/a连作年限 Years of Continuous cropping/a153中国瓜菜第37卷试验研究连作土壤低 17.60%，高剂量时连作 7 年土壤细菌数量已基本与未连作土壤持平，仅比未连作土壤低5.80%；连作 7 年时，土壤放线菌数量也是随着施肥剂量的增加而增加，中、高施肥剂量时放线菌数量超过未连作土壤，高剂量时放线菌数量比未连作土壤显著提高了 28.69%。对未施肥土壤，土壤真菌数量随着连作年限增加而不断增加；施入生物有机肥后，连作土壤真菌数量均随着施肥剂量的增加与未连作土壤相比增幅不断减小，高剂量下各连作年限土壤真菌数量已与未连作土壤没有显著差异，其中连作 7 年土壤真菌数量增幅由未施肥时的 189.07%减少到高施肥量时的 11.24%。在未施肥土壤处理中，土壤尖孢镰刀菌数量随着连作年限的延长急剧增加，连作 3、5、7 年分别比未连作土壤提高了 0.68、8.31、22.90 倍；当施入生物有机肥后，随着施肥剂量的增加，连作土壤的尖孢镰刀菌数量与未连作土壤相比增幅不断缩小，高剂量时已降低到与未连作土壤接近的水平。不同连作年限的土壤细菌、放线菌、真菌数量均随着施肥量的增加而增加；以未施肥土壤作为对照，各施肥量下 3 类微生物数量相比于对照的增加幅度基本表现出了连作 3 年未连作连作 5 年连作 7 年的趋势，在此 4 种连作年限下，高剂量生物肥处理的土壤细菌数量分别比对照增加了 0.47、1.00、0.77、1.28 倍，放线菌数量比对照增加了 0.84、1.21、1.63、2.23 倍，真菌数量比对照增加了 2.69、3.80、1.53、0.85 倍，并且，在连作 7 年土壤中，土壤细菌真菌比例由未施肥时的 1339 1 增加到高剂量生物肥的 1658 1，土壤肥力由“真菌型”向“细菌型”转变。与上述 3 种微生物数量变化趋势相反，不同连作年限土壤的尖孢镰刀菌数量随着生物肥剂量的增加而不断减少，连作年限越长，减少的幅度越大，高剂量下连作 3、5、7 年土壤尖孢镰刀菌数量分别比对照减少了 75.13%、94.55%、94.39%。2.2生物有机肥对连作土壤酶活性的影响生物有机肥作用下连作土壤酶活性的变化如图 2 所示。对于未施肥土壤，土壤蔗糖酶、过氧化氢酶、脲酶、磷酸酶活性表现出了随着连作年限的延长，在连作 3 年时升高，在连作 5 年时低于未连作水平，在连作 7 年时进一步降低的趋势。施加生物有机肥后，低剂量时，连作 5 年和 7 年的土壤蔗糖酶和过氧化氢酶活性即可增加到与未连作土壤相当的水平，随着施肥剂量的继续提高，两种酶活性继续大幅提高，高剂量时过氧化氢酶活性已经显著高于未连作土壤，与连作 3 年的土壤相当；随着生物有机肥剂量的提高，连作 5 年和 7 年的土壤脲酶和磷酸酶活性比不施肥提高幅度较小，高剂量时的脲酶活性与未连作土壤相当，而磷酸酶活性则显著低于未连作土壤（连作 7 年）。不同连作年限的土壤 4 种酶活性均随着施肥量的增加而提高；酶活性的增幅大多表现出了连作3 年未连作连作 5 年未连作连作 5年连作 7 年的趋势，如连作 3 年的维生素 C、可溶性糖含量分别比未连作增加了 22.98%、10.33%，连作 7 年分别比未连作处理降低了 28.95%、15.62%。不同连作年限的小白菜品质指标均随着施肥量的增加而增加，高施肥量下维生素 C、可溶性糖含量显著高于对照；高剂量生物有机肥处理的品质指标分别比未施肥的增加幅度基本表现出了连作3 年未连作连作 5 年连作 7 年的趋势，此 4 种连作年限下，高用量有机肥处理下小白菜的维生素C 含量比对照提高了 34.02%、57.27%、88.56%、120.00%，可溶性糖含量比对照提高了 19.06%、33.95%、50.42%、53.94%。3讨论与结论设施蔬菜产业在过去的几十年中，以其高度集约化、高产量和高效益的特点，逐渐成为了现代农业的重要组成部分。然而，随着其不断的发展，土壤退化作为设施蔬菜连作障碍的主要问题逐渐显现，成为了产业健康发展的关键瓶颈。土壤微生物在许多生化过程中起着至关重要的作用，这些生化过程对土壤的环境、生态和生产功能至关重要，因此土壤微生物丰度是衡量土壤品质的重要指标37。影响土壤肥力和生产力的生物过程主要与土壤微生物转化出的酶活性有关38，酶活性的变化反映了土壤生化过程的趋势以及与土壤生物学及其物理和化学性质相关的所有转化37。笔者通过研究土壤154第3期，等：土壤生态质量的改良效果试验研究bBbAcBCdCbABbAcBCcCabAabAbAbAaAaAaAaA0601201800a3a5a7aw（维生素C）Vitamin C/（mg kg-1）连作年限Years of continuous cropping 0 t hm-27.5 t hm-215 t hm-230 t hm-2bABbAcBcBabAabAbAbcAabAabAabAabAaAaAaAaA04812160a3a5a7aw（可溶性糖）Soluble sugar/（mg kg-1）连作年限Years of continuous cropping 0 t hm-27.5 t hm-215 t hm-230 t hm-2BcAcBdCdCcAcBcCcAbAbAbAbBaAaABaABa08160a3a5a7a蔗糖酶 Sucrase/（g-1d-1）连作年限Years of continuous cropping 0 t hm-27.5 t hm-215 t hm-230 t hm-2BcAcBcCcBcAbcBcBcBbAabABbABbBaAaAaAa025500a3a5a7a过氧化氢酶Catalase/（g-1d-1）连作年限Years of continuous cropping 0 t hm-27.5 t hm-215 t hm-230 t hm-2BbAcBCcCcBbAbcBCcCbcBCbAabBbCbBaAaBaBa01002003000a3a5a7a脲酶Urease/（g-1d-1）连作年限Years of continuous cropping 0 t hm-27.5 t hm-215 t hm-230 t hm-2BcAcBCdCcBcAcBCcCcBbAbBbBbABaAaBCaCa040800a3a5a7a磷酸酶Phosphatase/（g-1d-1）连作年限Years of continuous cropping 0 t hm-27.5 t hm-215 t hm-230 t hm-2细菌、真菌丰度，土壤蔗糖酶、过氧化氢酶、脲酶、磷酸酶活性，以及小白菜品质指标的变化来衡量蔬菜废弃物堆肥对设施蔬菜连作土壤生态质量的改良效果。施入生物有机肥后，生物有机肥中丰富的养分促进了微生物群的生长，因此放线菌的数量增加，由于放线菌大多能产生抗菌素39，拮抗病原真菌，因而抑制了连作土壤中尖孢镰刀菌等病害真菌数量的增加。这与 Chen 等30利用蔬菜废弃物堆肥改良土壤性质发现的加入堆肥后土壤有益菌放线菌丰图 2生物有机肥对连作土壤酶活性的影响Fig.2Effect of bio-organic fertilizer on enzyme activity of continuous cropping soil图 3生物有机肥对连作土壤小白菜品质的影响Fig.3Effect of bio-organic fertilizer on the quality of pakchoi in continuous cropping soil0 thm-27.5 thm-230 thm-215 thm-20 thm-27.5 thm-230 thm-215 thm-20 thm-27.5 thm-230 thm-215 thm-20 thm-27.5 thm-230 thm-215 thm-2蔗糖酶活性Sucrose activity/（mgg-1d-1）过氧化氢酶活性Catalase activity/（mgg-1d-1）脲酶活性Urease activity/（mgg-1d-1）磷酸酶活性Phosphatase activity/（mgg-1d-1）0357035703570357w（维生素）Vitamin C content/（mgkg-1）w（可溶性糖）Soluble suga content/（mgkg-1）30 t hm-230 thm-2w（维生素）Vitamin C content/（mgkg-1）w（可溶性糖）Soluble sugar content/（mgkg-1）0 t hm-27.5 t hm-215 t hm-230 t hm-215 t hm-20 t hm-27.5 t hm-20 thm-27.5 thm-215 thm-230 thm-20 thm-27.5 thm-215 thm-203570357蔡尽忠，等：蔬菜废弃物堆肥对设施蔬菜连土壤生态质量的改良效果连作年限 Years of Continuous cropping/a连作年限 Years of Continuous cropping/a连作年限 Years of Continuous cropping/a连作年限 Years of Continuous cropping/a连作年限 Years of Continuous cropping/a连作年限 Years of Continuous cropping/a155中国瓜菜第37卷试验研究度增加和土壤传播病原菌数量减少的结果一致。不同连作年限的小白菜品质指标均随着施肥量的增加而增加，高施肥量下维生素 C、可溶性糖含量这两个指标均显著高于对照，这与陈卓等40以蔬菜酵素液代替复合肥，可以提高不结球白菜品质的研究结果是一致的。综上，对于所有受试土壤，土壤细菌、放线菌、真菌数量，土壤酶活性及小白菜品质指标均随着蔬菜废弃物堆肥添加量的增加而提高，而土壤尖孢镰刀菌数量却表现出增加的趋势。与未施肥的对照相比，高剂量堆肥处理的土壤细菌、放线菌、真菌数量，土壤酶活性及小白菜品质均有显著提高；土壤中病害真菌尖孢镰刀菌数量显著降低。本研究中蔬菜废弃物堆肥制备的生物有机肥能够显著改善连作土壤的品质并且对连作年限长的土壤有着更显著的效果。参考文献1PAVI 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