柠条堆肥与翻耕深度对设施黄瓜生长、品质及产量的协同影响

张凯歌，王晓东，马永杰，韩聪颖，张雪艳

(宁夏大学农学院，银川 750021)

【研究意义】现代农业生产中，有机肥施用比例虽不断增加，但仍以无机肥投入为主，其用量占总用肥量90%以上[1-2]。大量无机肥料投入短期内提高了蔬菜产量效益，但长期盲目施用将造成作物品质和产量下降，土壤养分比例失调，微生物区系失衡[3]。在集约化生产中面临更为严重的土壤障碍问题[4]，尤其在设施栽培中，温室半封闭环境，以及较露地更多的杀虫剂、化肥应用造成了土壤质量下降严重，黄瓜长势变差，果实品质和产量降低[5]。有机肥施用可有效改善农田土壤团粒结构，增强土壤透气能力、保水能力以及蓄热能力，并能培肥地力，活化土壤养分，提高作物对肥料的利用效率[6]，同时为土壤微生物提供适应的生存环境，增强土壤微生物活性和群落功能多样性，是改良农田土壤的有效措施[7]。传统有机肥由于产业供给体系不完善，并不能满足所有农业生产的需求[8]，因此，进行新型有机肥肥料替代传统有机肥的研究具有重要意义。【前人研究进展】堆肥是有效利用农业废弃资源的重要方式。堆肥的施入可通过调整土壤物理、化学和生物学特性达到积极修复土壤质量的效果[9]。张雪艳等[10]研究表明，堆肥结合接种蜡样芽孢杆菌不仅能有效促进黄瓜植株的生长，而且能提高果实品质和产量。柠条(Caraganamicrophylla)是多年生豆科灌木，作为防风固沙生态功能植物大面积种植于我国西北地区，其残茬是西北地区重要的农业废弃资源。宁夏全区每年可开发利用的柠条种植面积达40万hm2以上，产量超过80万t[11]。柠条残茬中氮素和有机质含量较高，进行堆肥处理后适合用于蔬菜作物栽培。柠条堆肥施用将减少柠条残茬处理不当对生态环境造成的污染，提高农业废弃资源的利用效率。有机肥施入往往伴随着翻耕进行，土壤深翻可打破犁底层，改变土层结构，通过深翻建立的耕作层可较好地协调土壤中的水、肥、气和热，对大幅度提升土壤质量及促进作物生长具有重要意义[12]，但过度深耕将增加水分和养分流失。目前，关于翻耕深度对作物生长影响的研究多集中在小麦[13]、玉米[14]、大豆[15]和棉花[16]等大田作物上，针对园艺作物特别是设施蔬菜栽培翻耕深度结合有机肥进行土壤培肥研究却鲜有报道。【本研究切入点】以传统腐熟鸡粪结合常规翻耕深度为对照，设置柠条堆肥结合不同翻耕深度处理，探究柠条堆肥结合翻耕对黄瓜生长、叶片荧光特性、果实品质和产量的协同影响。【拟解决的关键问题】明确柠条堆肥下的合理翻耕深度，为柠条残茬堆肥化利用下促进黄瓜生长、品质和产量形成的合理耕作模式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况与试验材料

试验在宁夏银川贺兰国家园区4号日光温室进行，该区域海拔1110.14 m，地处宁夏回族自治区东北部(105°53′～106°36′E、38°26′～38°48′N)，属于中温带干旱气候。年平均太阳辐射5711～ 6096 MJ/m2，平均温度6.28～13.10 ℃，年均降雨量为129～600 mm。供试土壤类型为粉壤土(23.5%的沙子，52.8%的淤泥和3.7%的粘土)。供试黄瓜品种为博美626(天津德瑞特种业有限公司)，柠条堆肥以柠条、羊粪为原料，按照碳氮比25∶1好氧发酵50 d后获得，容重为0.25 g/cm3，总孔隙度为79.2%。

表1 供试土壤和肥料的基本性质

1.2 试验设计

以传统腐熟鸡粪+翻耕15 cm(常规耕作)为对照(CK)，柠条堆肥+免耕(T1)、柠条堆肥+翻耕15 cm(T2)、柠条堆肥+翻耕35 cm(T3)、柠条堆肥+翻耕45 cm(T4)为处理，连续进行4茬田间试验，第1茬(2018年2—7月，早春茬)，第2茬(2018年9月至2019年1月，秋冬茬)，第3茬(2019年2—7月，早春茬)，第4茬(2019年9月至2020年1月，秋冬茬)。每个处理3次重复，小区随机排列，每个小区面积9 m2。试验采用高畦栽培，双行种植，株距33 cm，行距70 cm。鸡粪和柠条堆肥等氮施用，鸡粪施用量为22.5 t/hm2，柠条堆肥施用量为23.2 t/hm2，同时各处理施用磷酸氢二铵450 kg/hm2，复混肥[m(N)∶m(P)∶m(K)=20∶20∶20]450 kg/hm2，进行统一追肥和灌水，为防止处理间水分横向运移，小区之间用泡沫板进行隔离，泡沫板深度为80 cm。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 植株长势的测定 2018—2020年每茬植株定植后第2周开始，每个处理选取代表性植株10株，每隔2周进行植株长势的测定，共测5次。利用钢制卷尺从黄瓜茎基部到黄瓜生长点进行株高的测定，利用游标卡尺在距地面1 cm处测定黄瓜植株茎粗。测定后分别计算黄瓜株高相对生长率茎体积相对生长率[17]：

RGH-PH[cm/(cm·d)]=[ln(h2)-ln(h1)]/(t2-t1)

(1)

RGH-SV[cm3/(cm3·d)]=[ln(d2·d2·h2)-ln(d1·d1·h1)]/(t2-t1)

(2)

式中，h1、h2代表2次测量时间点的株高。d1、d2代表2次测量时间点的茎粗，t1、t2代表2次测量的时间点。

1.3.2 植株叶片荧光参数的测定 每个栽培茬的植株定植后6周左右，在晴天上午的09：00—11：00每个处理选取10株具有代表性的植株，用OSI-FL便携式叶绿素仪选取相同节位(从上数第5片)的黄瓜功能叶片测定叶片荧光参数。测定前，先用荧光夹子夹住黄瓜叶片进行30 min暗适应，使其反应中心处于完全开放状态，用便携式荧光仪对准夹子接口处，然后拉开暗室板直接测定叶片的荧光参数Fo和Fm，并计算PSⅡ最大光化学转化率(Fv/Fm)和PSⅡ最大光化学转化作用光下实际的光化学淬灭系数(qP)[18]。

1.3.3 黄瓜果实品质和产量的测定 全生育期记录每个小区黄瓜产量，分别统计各处理的总产量，并按照小区面积计算整个生育期的公顷产量。在黄瓜盛果期采集黄瓜果实测定品质指标。可溶性固形物含量采用TD-45数值折光仪测定，硝酸盐含量采用水杨酸比色法测定，可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定，Vc含量采用钼蓝比色法测定，有机酸含量采用酸碱中和转移法进行测定[19]。

1.4 数据统计

所有数据采用Office 2016和SPSS 24.0进行统计分析。分别对春、秋茬数据进行单因素方差分析(One-way ANOVA)，并采用Tukey多重比较方法进行显著性差异分析(P<0.05)。利用主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)对不同处理的植株长势，叶片荧光参数、果实品质和产量特性进行综合评价，利用Origin 2018进行绘图。

2 结果与分析

2.1 柠条堆肥和翻耕深度对黄瓜植株生长的影响

翻耕和不同底肥处理对黄瓜植株生长有显著影响(图1)。株高、茎体积相对生长率存在明显的季节差异，春茬数据显著高于秋茬。在春茬种植中，除T2株高相对生长率显著高于CK外，其他处理与CK间无显著差异，T2处理的株高相对生长率相对于CK提高了1.63%。秋茬中各处理株高相对生长率显著低于CK：CK>T2>T1>T4>T3(图1-A、1-B)。在春茬种植中CK处理的茎体积相对生长率显著高于其他处理：CK>T1>T2>T3>T4，且随着耕作深度的增加而降低。而在秋茬栽培中，T2处理的茎体积相对生长率最高，相对于CK、T1、T3和T4分别提高了0.63%、5.59%、14.16%和14.81%，T2与CK处理间没有显著差异，各处理间的差异主要由耕作方式不同造成。

2.2 柠条堆肥和翻耕深度对叶片荧光参数的影响

如图2所示，除qP外，Fo、Fm、Fv/Fm值存在显著的季节性差异，春季数据大于秋季。在春茬中T1处理的Fo值与CK相比无显著差异，CK处理的Fo和Fm值最高，各处理叶片Fo和Fm值随翻耕深度增加呈降低趋势，秋茬种植中T1处理的Fo和Fm值与CK无显著差异，T2和T4处理显著低于CK，相对于CK的Fo和Fm值分别降低了3.40%、10.76%、3.16%和14.83%，且T4处理最低。春茬种植中T3和T4处理的Fo和Fm值显著高于CK和其他处理：T4>T3>CK>T1>T2。秋茬中除T3处理的Fv/Fm值显著低于CK外，其他处理与CK间无显著差异。春茬种植中各处理与CK的qP值无显著差异，且T1处理的qP值显著高于T2、T3和T4处理的9.05%、7.37%和29.10%，秋茬中除T4处理的qP值显著低于CK外，其它处理与CK相比无显著差异，T1处理相对于其他处理分别提高了0.33%、9.05%、7.37%、29.1%。

图1 不同处理下黄瓜株高和茎体积相对生长率的变化Fig.1 Change of cucumber plant height and stem volume growth rate under different treatments

2.3 柠条堆肥和翻耕深度对黄瓜果实品质和产量的影响

由图3可知，果实Vc、可溶性固形物、硝酸盐含量无明显的季节性变化。在春茬中除T3处理外，其他处理的Vc含量与CK无显著差异，T1处理的Vc含量最高。各处理相对CK显著增加了果实可溶性固形物含量，分别提高了6.12%、4.08%、9.69%和6.63%。而在秋茬中则降低了果实可溶性固形物含量，且2个栽培季节均表现出T3和T4处理的果实可溶性固形物显著高于T1和T2处理。在春茬中，T3和T4处理相对于CK显著增加了果实硝酸盐含量，分别提高了20.71%和18.68%，在秋茬各堆肥处理的硝酸盐含量与CK无显著差异。

果实可溶性糖和有机酸含量与植株生长指标一样存在明显的季节性差异，春茬数据显著高于秋茬数据。在春茬中除T2处理外，其他处理与CK相比显著增加果实可溶性糖含量4.70%、23.20%和5.20%，T3和T4处理显著降低了果实有机酸含量，且T3和T4处理的果实糖酸比值相对于CK分别显著增加了35.86%和31.83%。在秋茬种植中，各处理的果实可溶性糖含量随翻耕深度增加呈降低趋势，T3和T4处理的可溶性糖含量相对于CK显著降低了21.94%和27.65%，各柠条堆肥处理均显著降低了果实有机酸含量，除T3处理外，其他处理显著增加果实糖酸比，相对于CK分别增加了17.25%、42.86%、9.03%和17.67%(图4)。各柠条堆肥处理与CK相比果实产量无显著差异，但柠条堆肥结合浅耕对黄瓜产量有增加趋势(图5)。

2.4 三因素和主成分分析

栽培季节对各指标均产生了显著影响，株高和茎体积相对生长率、Fo、Fm、Vc、可溶性固形物、可溶性糖、有机酸和糖酸比均受柠条堆肥(Caragana compost，CM)和翻耕深度(Ploughing depth，PD)的显著影响(表2，P<0.05)。CM和PD单一处理对Fv/Fm、qP、产量和硝酸盐的影响不显著(P>0.05)，对其它指标均有显著影响(P<0.05)。种植季节(Cropping season，CS)与CM互作对Fo和糖酸比无显著影响，CS与PD互作对Fo和产量的影响不显著，对其它指标均有显著影响。CM与PD互作增强了对qP和产量硝酸盐的影响，而对Fv/Fm、可溶性糖有机酸糖酸比的影响不显著。CS、CM、PD三因素互作对Fo、Fm和Fv/Fm无显著影响，对其他指标均有显著影响。

图2 不同处理下黄瓜叶片荧光特性的变化Fig.2 Change of cucumber fluorescence properties under different treatments

选取特征值大于1的主成分进行分析，春茬数据提取出3个主成分，其特征值分别为8.549、2.540和1.168(表3)，贡献率分别为65.760%、19.540%和8.988%，累积贡献率为94.29%。秋茬数据提取出3个主成分，其特征值分别为7.132、3.393和1.828，贡献率分别为54.858%、26.298%和14.061%，累积贡献率为95.02%。按照提取的主成分进行综合得分分析(表4)，在春茬各处理综合得分排序为T3>T4>T1>T2>CK，秋茬各处理综合得分从高到低依次为：T2 >CK> T1 >T4 >T3。

3 讨 论

3.1 柠条堆肥和不同翻耕深度下对黄瓜植株生长的差异

长期有机肥添加能有效提高养分有效性，缓解土壤酸化，改善作物的土壤环境，通过深翻等耕作措施进一步改善了土壤耕层结构，促进作物生长[12,20-21]。本研究中，相对于柠条堆肥，传统鸡粪施用促进了黄瓜前期生长，这是因为动物粪便处理过的土壤有机氮矿化速率通常更高[22]。总体来说，黄瓜株高和茎体积相对生长率随翻耕深度增加呈先增后减的趋势，15 cm翻耕处理植株长势整体优于免耕和深耕处理，主要是因为黄瓜的根系主要集中在20 cm以内，属于典型的浅根系作物[17]。15 cm翻耕处理促进了养分在根系主要分布范围内的均匀分布，使黄瓜根系获得了适宜的生长环境，促进了黄瓜植株的生长[23]。而免耕处理养分主要富集在土壤表层，与表层土壤空气充分的接触，加快了肥料的矿化速率，不利于作物生长。深翻打破犁地层，可以促进养分向深层土壤分布，但黄瓜根系分布较浅，不能吸收深层土壤的养分，不利于作物生长[17]。

图4 不同处理下黄瓜果实可溶性糖、有机酸和糖酸比的变化Fig.4 Change of cucumber fruit soluble sugar,organic acids and sugar acid ratio under different treatments

图5 不同处理下黄瓜果实产量的变化Fig.5 Change of fruit yield of cucumber under different treatments

表2 季节、肥料和翻耕对土壤黄瓜生长、叶片荧光、果实品质和产量的影响

表3 主成分分析的特征值与方差贡献率

3.2 柠条堆肥和不同翻耕深度下黄瓜叶片荧光参数的差异

植物通过光合作用转化利用光能，叶绿素荧光不仅能探测光合作用的变化，也可以直接反映植株对逆境的响应[24]。本研究发现在春茬、秋茬栽培中CK和T1处理的Fo和Fm值均高于其他处理，主要是由于黄瓜根系受到土壤环境胁迫时，光合作用系统结构被破坏或可逆性失活使Fo和Fm升高。柠条堆肥结合耕作各处理Fo和Fm均低于CK，说明柠条堆肥和耕作为盛果期黄瓜根系创造了更为适宜的土壤环境。Fv/Fm反映植物的潜在最大光化学转化率，对逆境胁迫也较为敏感。在健康生理状态下，绝大多数高等植物的Fv/Fm在0.75～0.85，当最大光合转化率下降时，代表植物受到了胁迫[25]。春茬中T3处理Fv/Fm最大，秋茬各处理整体上显著低于春茬，植株在秋冬受到轻度低温胁迫，抑制了黄瓜叶片能量转化。荧光与光合也存在竞争，在光照射下PSⅡ中有部分电子门处于关闭态，实时的F比Fm要低，说明发生了荧光淬灭，由光合作用引起的荧光淬灭称为光化学淬灭，反映了植株光合活性的高低。本研究中，qP值随着翻耕深度的增加而呈现下降趋势，且T2处理低于CK处理，说明柠条堆肥及深翻处理施用能够促进黄瓜的光合作用。

表4 不同处理各主成分综合得分及排名

3.3 柠条堆肥和不同翻耕深度下黄瓜果实品质和产量的差异

有机肥施用和耕作不仅可以促进植株生长，还具有提高蔬菜品质的作用[26-27]。本研究中，连续施用有机肥后，黄瓜果实中Vc、可溶性糖、可溶性固形物含量和糖酸比均有明显增加。在春茬栽培中，柠条堆肥及深翻处理促进了黄瓜果实可溶性固形物和可溶性糖含量的积累，提高了糖酸比，秋茬栽培中提高了Vc的含量并且能够有效降低果实中的有机酸的含量。有机肥的施用能够降低果实中硝酸盐的含量，并远远低于国家安全标准，秋冬茬中柠条堆肥的施用较鸡粪处理能够显著降低黄瓜果实中有机酸含量，并且随着翻耕深度和栽培茬次的增加而降低，提高了糖酸比，说明有机肥特别是柠条堆肥的长期施用能够提高黄瓜风味。不同肥料处理对黄瓜产量影响差异不显著，整体上黄瓜产量也在随着栽培茬次的增加而提高，产量的差异主要是耕作造成的，T4处理过度的耕作深度不利于产量的形成。

3.4 柠条堆肥和不同翻耕深度下黄瓜对栽培季节的响应及综合评价

低温对黄瓜生长、及土壤肥力造成了不利影响，有机肥的施用可以抵御低土壤温度对黄瓜生长的不利影响，提高土壤温度可以明显提升这种促进作用[28]。本研究中，春茬各处理的株高和茎体积相对生长率、Fv/Fm、可溶性糖、糖酸比和产量均高于秋茬，可能是秋冬季节低温环境抑制了黄瓜植株的生长、养分的吸收和转化。这与闫秋艳等[28]研究结果一致。主成分分析表明，2个栽培季节3个主成分的累积贡献率均在85%以上，可以解释原来指标所反映的信息。在春茬栽培中，T3处理提高了Fv/Fm和果实品质(可溶性固形物、可溶性糖和糖酸比)，综合得分最高。在秋茬栽培中，T2处理综合得分最高，柠条堆肥结合浅耕保持较好的植株生长、果实产量，有效减少果实有机酸含量，提高了果实糖酸比。

4 结 论

植株生长、荧光特性、果实品质和产量存在明显的季节性差异，春茬数据显著高于秋茬，并显著受栽培茬口、底肥、翻耕深度的影响。总体来说，相比传统鸡粪底肥处理，柠条堆肥结合浅耕能够保持较好的植株生长和果实产量，而柠条堆肥处理结合深翻降低了株高和茎体积相对生长率、qP，显著提高了黄瓜Fv/Fm和果实品质。因此，春季采取柠条堆肥结合深翻的耕作方式有利于作物能量转化和果实品质的提升，秋季则采取柠条堆肥结合浅耕的耕作方式有利于作物生长和产量形成。