辣椒秸稈還田量對西瓜根際土壤微環境及西瓜品質的影響

　　摘要：為促進辣椒秸稈廢棄物的循環利用，提高西瓜產量、改善西瓜品質，以美秀西瓜品種為試材，采用單因素隨機區組設計的方法，以不進行秸稈還田為對照(CK)，以秸稈還田量 4 500、9 000、16 500、 27 000 kg/hm2(分別記為 L300、L600、L1100、L1800)4 個處理，研究辣椒秸稈不同還田量對西瓜根際土壤養分含量、微生物數量、土壤酶活性、單瓜質量及品質的影響。結果表明，西瓜根際土壤速效磷含量、速效鉀含量、銨態氮含量、硝態氮含量隨秸稈還田量增加表現出先升高后降低的單峰變化規律，并在 L1100 處理達到最大，較對照分別增加 13.86%、19.50%、51.29%、41.73%，而有機質含量隨秸稈還田量增加而增大。辣椒秸稈還田能顯著提高西瓜根際土壤細菌、放線菌、真菌數量和根際微生物總量，且均在 L1100 處理下數量最多，同時根際土壤中以細菌數量最多，放線菌次之，真菌最少。隨著辣椒秸稈還田量的增加，西瓜根際土壤蔗糖酶活性呈逐漸升高的變化趨勢，在 L1800 處理下活性最大;4 個秸稈還田處理的土壤脲酶、磷酸酶和過氧化氫酶活性均高于對照，但脲酶、磷酸酶活性在 L1100 處理下最大，過氧化氫酶活性在 L600 處理下最大。在 L1100 處理下，西瓜單瓜質量最大，較對照增加 37.77%;中心及邊際可溶性固形物含量最高，較對照分別增加 9.85%、30.57%;中邊差最小，較對照降低 28.68%。L300、L600、L1100 處理下西瓜皮厚與對照差異不顯著。有機酸含量以 L600 處理最大。因此，辣椒秸稈還田量為 16 500 kg/hm2 可顯著改善 0~20 cm 耕層土壤養分，提高土壤微生物數量和土壤酶活性，提高單瓜質量，改善西瓜品質風味，為西瓜農田土壤培肥和西瓜優質增產的適宜秸稈還田量。

　　秦濤， 河南農業科學 發表時間：2021-08-16

　　關鍵詞：辣椒秸稈;還田;西瓜;土壤養分;土壤微生物;土壤酶;品質

　　全球每年因農業生產產生的農業秸稈廢棄物約 70 億 t，我國農業種植產生的秸稈量為 10.4 億 t [1-2]，占世界總量的 1/7 以上。農業秸稈廢棄物含有豐富的氮磷鉀等礦質營養元素，秸稈還田可增加土壤有機質、培肥地力、改良土壤結構，提高土壤酶活性，促進下茬作物生長[3]。另外，秸稈還田還能解決秸稈處理難的問題，減少環境污染。但秸稈還田量并非越多越好，其受到還田方式[4]、還田秸稈種類、下茬作物等多種因素的影響。此外，秸稈還田易導致土壤碳氮比(C/N)失調，秸稈腐解時期常出現與苗爭氮的現象[5]，進而影響植株生長狀況。過高的秸稈還田量不僅不利于土壤速效養分的積累和作物單產的提高[6]，還易造成植株葉綠素含量和干質量降低[7]。因此，探尋適宜的秸稈還田量對改良土壤、減少化肥施用量、提高作物產量、改善品質具有重要意義。

　　西瓜、辣椒輪作是黃淮地區蔬菜作物的主要輪作方式之一。辣椒于秋季采收結束后，秸稈從田間移出，被堆放在地頭、道路兩旁、房前屋后或者遺棄在溝河之中，這不僅不利于美麗鄉村的建設，還造成大量農業有機廢棄物資源浪費，因此加快辣椒秸稈還田再利用研究具有既迫切又重要的現實意義。當前有關辣椒秸稈還田種植茄果類作物[8-9]的栽培模式已見報道，而辣椒秸稈還田對西瓜根際土壤微環境及西瓜生理特性等方面的研究尚未見報道。因此，將辣椒秸稈粉碎旋耕還田，研究辣椒秸稈不同還田量對西瓜根際土壤養分、土壤微生物、土壤酶活性以及西瓜單瓜質量、品質風味的影響，為西瓜栽培確定適宜的辣椒秸稈還田量，增加西瓜產量、改善西瓜品質風味提供理論支持，并為辣椒秸稈循環利用提供科學依據。

　　1 材料和方法

　　1.1 試驗材料

　　本試驗于 2020 年 1—5 月在商丘職業技術學院試驗站進行，供試西瓜品種為中國農業科學院育成的雜交種“美秀”。

　　1.2 試驗方法

　　本試驗采用單因素隨機區組設計，試驗共設置 4 個處理和 1 個對照(CK)，處理和對照均 3 次重復，共 15 個小區。每小區長 8 m、寬 6 m，面積為 48 m 2，每小區種植西瓜 60 株，小區間隔離帶寬 2 m。4 個小區辣椒秸稈還田量分別為 4 500、9 000、16 500、27 000 kg/hm2，分別記為 L300、L600、 L1100、L1800，對照(CK)不進行秸稈還田。2020 年 1 月 5 日，用粉碎機將辣椒秸稈粉碎成長度 0.5 cm 左右的小段，然后按還田量稱取相應質量的秸稈均勻撒于旋耕過的小區表面，同時在各個小區普施尿素(N 46%)225 kg/hm2、磷酸氫二銨(N 18%,P2O5 51%)150 kg/hm2、硫酸鉀(K2O 48%)275 kg/hm2，折合純 N 130.5 kg/hm2、P2O5 76.5 kg/hm2、K2O 132 kg/hm2 再用小型旋耕機分別對各個小區進行旋耕，將秸稈翻入土壤，翻深 22 cm 左右。2020 年 1 月 15 日播種西瓜，3 月 1 日定植，5 月 10 日收獲。

　　1.3 測定項目及方法

　　2020 年 4 月 1 日取各處理土壤，測定西瓜根際土壤養分、土壤微生物數量和土壤酶活性。采用“S” 形 5 點取樣法取 0~20 cm 根際土樣，混勻后，從中取一部分自然風干用于測定土壤酶活性，再從中取一部分裝入無菌袋，密封后于 4 ℃條件下保存，用于測定微生物數量。5 月 10 日測定西瓜單瓜質量和品質指標。

　　土壤速效磷含量采用 NaHCO3-鉬銻抗比色法測定，速效鉀含量采用火焰光度計比色法測定，有機質含量采用重鉻酸鉀容量法測定[10]，銨態氮和硝態氮含量采用全自動間斷化學分析儀 Smartchem200 (意大利產)測定;土壤細菌、真菌、放線菌和微生物總量采用稀釋平板計數法測定[11];土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和過氧化氫酶活性分別采用 3,5-二硝基水楊酸比色法、靛酚比色法、磷酸苯二鈉比色法和高錳酸鉀(KMnO4)滴定法測定[12]。單瓜質量采用河北信騰生物科技有限公司生產的型號為 XT-B 的電子天平稱量，皮厚用游標卡尺測量，西瓜中心可溶性固形物和邊際可溶性固形物采用浙江托普儀器有限公司生產的型號為 LB50T 的測糖儀測定，有機酸含量采用氫氧化鈉(NaOH)滴定法測定[13]。每個指標均進行 3 次重復，取平均值。

　　1.4 數據統計與分析

　　采用 Excel 2007 軟件處理試驗數據，利用 DPS 6.55 軟件進行方差分析。

　　2 結果與分析

　　2.1 辣椒秸稈還田對西瓜根際土壤養分含量的影響

　　由表 1 得出，辣椒秸稈還田能夠增加西瓜根際土壤速效磷、速效鉀、銨態氮、硝態氮和有機質含量，且不同秸稈還田量的影響不同。其中，速效磷、速效鉀、銨態氮、硝態氮含量隨秸稈還田量的增加均表現出先升高再降低的單峰變化規律，除 L300 處理下上述指標與對照差異不顯著外，L600、L1100、 L1800 均與對照差異顯著(P<0.05)。L1100 處理下速效磷、速效鉀、銨態氮、硝態氮含量最高，較對照分別增加 13.86%、19.50%、51.29%、41.73%，表明該處理下的秸稈還田量較其他 3 個處理更有利于上述養分指標含量的提高，也說明土壤養分與秸稈還田量并非呈正比。隨著秸稈還田量的增加，西瓜根際土壤有機質含量呈現逐漸上升的態勢，且在 L1800 處理下最高，L1100 處理次之，但二者差異不顯著(P>0.05)。

　　2.2 辣椒秸稈還田對西瓜根際土壤微生物數量的影響

　　由表 2 可以得出，辣椒秸稈還田處理下的西瓜根際土壤細菌、放線菌、真菌和根際微生物總量均高于不還田處理。隨著秸稈還田量的增加，西瓜根際土壤細菌、放線菌、真菌和根際微生物總量均呈現先升高再降低的單峰變化規律，在 L1100 處理下最大，較對照分別增加 76.88%、60.70%、33.79%、 42.80%，說明秸稈還田可有效增加西瓜根際土壤微生物數量，但并不是秸稈還田量越大，根際土壤微生物數量就越多。4 個處理的細菌數量和微生物總量均與對照差異顯著(P<0.05);除 L300 處理外， L600、L1100、L1800 處理的放線菌和真菌數量均與對照差異顯著(P<0.05)。另外，從表 2 還可以得出，西瓜根際土壤細菌數量最多，放線菌次之，真菌最少，可見細菌為微生物菌群中的優勢菌。

　　2.3 辣椒秸稈還田對西瓜根際土壤酶活性的影響

　　由表 3 可以看出，辣椒秸稈不同還田量對西瓜根際土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和過氧化氫酶活性的影響存在差異。隨著辣椒秸稈還田量的增加，西瓜根際土壤蔗糖酶活性呈現逐漸升高的變化趨勢，在 L1800 處理下活性最高，為 12.50 mg/(g·d)，說明秸稈還田能夠增加西瓜根際土壤有機碳的積累和轉化。蔗糖酶活性在 L300 處理下較對照增加 4.47%，L600 較 L300 增加 5.18%，L1100 較 L600 增加 25.27%， L1800 較 L1100 增加 6.84%， L1800 處理下蔗糖酶活性雖然呈升高趨勢但增幅卻呈下降趨勢。與對照相比，4 個秸稈還田處理的西瓜根際土壤脲酶和磷酸酶活性均升高，最大值均出現在 L1100 處理下，較對照分別顯著增加 32.65%、24.66%，表明秸稈還田能提高西瓜根際土壤脲酶和磷酸酶活性，為土壤增加氮源和磷素。4 個秸稈還田處理下的過氧化氫酶活性均高于對照，且均與對照差異顯著(P<0.05)，在 L600 處理下值最大[2.59 mL/(g·d)]，但 L1100 與其差異不顯著(P>0.05)。

　　2.4 辣椒秸稈還田對西瓜品質的影響

　　由表 4 可知，與對照相比，4 個秸稈還田處理均提高了西瓜單瓜質量,其中 L1100 處理下值最大， L1800 處理次之，但二者差異不顯著(P>0.05)，較對照分別提高 37.77%、28.72%，說明秸稈還田可顯著提高單瓜質量，有利于后期單產的提高。L300、L600、L1100 處理下西瓜皮厚與對照差異不顯著(P>0.05)，L1800 處理較對照顯著增加 23.94%。西瓜中心可溶性固形物和邊際可溶性固形物含量均隨秸稈還田量的增加呈現先增后降的單峰變化規律，在 L1100 處理下最大，較對照分別增加 9.85%、 30.57%，表明秸稈還田在提高西瓜中心糖度的同時，更有利于西瓜邊際糖度的提高。中邊差以 L1100 處理下值最小，表明該處理可減少西瓜的甜度梯度，增加口感。秸稈還田能夠提高西瓜果實有機酸含量，且以 L1100 處理下相對較低。綜合而言，L1100 處理下秸稈還田量可顯著提高西瓜單瓜質量，增加西瓜甜度，改善西瓜品質。

　　3 結論與討論

　　秸稈還田對增加農田土壤肥力、減少化肥用量、提高保水保肥能力、改善土壤理化性質等有重要作用。鄒清祺等[14]研究指出，小麥秸稈還田量可顯著提高玉米茬土壤速效磷和速效鉀含量，且以秸稈粉碎還田效果最佳。施驥等[15]研究認為，隨著水稻和玉米秸稈還田量的增加，田間土壤速效磷和速效鉀含量呈上升趨勢。本試驗結果表明，西瓜根際土壤速效磷和速效鉀含量隨辣椒秸稈還田量的增加呈現先升高后降低的變化規律，且在秸稈還田量 16 500 kg/hm2 時值最大，試驗結果與前人研究結論并不完全一致，這可能與不同試驗設置的秸稈還田量、土壤自身理化性質等多種因素有關。本試驗條件下，辣椒秸稈還田量達到 27 000 kg/hm2 時，西瓜根際速效磷和速效鉀含量開始下降，這應該是因為秸稈還田量過高時，土壤微生物所在的微環境發生改變，微生物數量減少、微生物活動產生的酶活性也降低，使秸稈腐解的速率下降，秸稈中養分向土壤中釋放的速率也隨之降低。硝態氮和銨態氮是土壤中速效氮的 2 種主要形態，它們常用于表征土壤供氮水平的高低[16]，且是可以被植株根系直接吸收的無機氮肥。本試驗結果表明，秸稈還田可以增加土壤中銨態氮和硝態氮的含量，但在秸稈還田量 0~16 5000 kg/hm2 時，銨態氮和硝態氮含量增加，而當秸稈還田量達到 27 000 kg/hm2 時卻降低。這是因為，土壤中的氮素只有經過微生物的分解、礦化才能成為可被根系吸收利用的速效氮[17]，而微生物的分解、礦化作用又與被降解的底物有關。當被降解底物含量不超出一定閾值時，微生物通過礦化作用向土壤中釋放無機氮;當被降低底物含量超出一定閾值時，微生物為了維持正常的代謝活動必須從土壤中吸收無機氮素[18]。本試驗中，辣椒秸稈還田量為 27 000 kg/hm2 時，土壤銨態氮和硝態氮含量不升反降，是因為秸稈添加量過高，微生物在分解秸稈時與土壤爭氮所致。土壤有機質是衡量土壤肥力和土壤質量的重要指標，而作物秸稈因含有豐富的半纖維素、纖維素、木質素等物質常被作為土壤有機質的重要來源。前人研究表明，秸稈還田能夠有效提高土壤的有機質含量，培肥地力，改善土壤質量[19]。本試驗結果表明，辣椒秸稈還田能夠顯著提高西瓜根際土壤有機質含量，且有機質含量隨秸稈還田量的增多而增加，這與秸稈還田引起的“激發效應”有關，秸稈還田后刺激微生物分泌腐解秸稈的胞外酶，使秸稈逐漸被分別為可被利用的有機碳[20]。

　　土壤微生物為土壤養分轉化與循環過程提供動力，在有機質分解及腐殖質形成過程中起重要作用 [21]。細菌、真菌、放線菌是土壤微生物的三大主要菌類，其中細菌是土壤微生物的主體，占土壤微生物總量的 70%～90%，對秸稈的分解有重要作用;真菌對有機物料的降解和腐殖化有重要影響[22];放線菌對木質素的分解起重要作用。李純燕等[23]研究得出，秸稈粉碎后深翻能有效增加土壤真菌、細菌和放線菌數量。徐蔣來等[24]研究得出，水稻小麥周年輪作種植全田秸稈 50%的還田量有利于土壤細菌、放線菌數量的增加，而 75%的還田量有利于土壤真菌數量的增加。高日平等[25]研究指出，玉米田秸稈總量 50%的還田量有利于玉米全生育期土壤微生物數量的增加。本試驗結果表明，與對照相比，4 個秸稈還田處理下的根際土壤細菌、真菌、放線菌數量均得到提高，試驗結果與前人一致。另外，本試驗結果還表明，西瓜根際微生物數量并不隨秸稈還田量的增加而保持上升趨勢，而且在秸稈還田量為 16 500 kg/hm2 時根際土壤細菌、真菌、放線菌和根際微生物總量值最大，繼續增加秸稈還田量至 27 000kg/hm2 時上述指標均降低，這可能是因為秸稈還田能夠為微生物生長提供充足的碳源，進而對微生物數量及微生物區系產生影響[26]。當秸稈還田量在適宜范圍內時，充足的碳源刺激微生物的大量繁殖，而當秸稈還田量過大時提高了土壤中的 C/N，迫使微生物在進行生命活動時必須從土壤中爭奪氮素，氮素的缺乏降低了微生物的代謝水平，從而抑制微生物數量的增加[27]。另外，土壤含氧量的降低能夠在一定程度上抑制好氧微生物的繁殖。秸稈還田量過大會使土壤生態環境與外界物質交換的能力受阻，可使土壤中氧氣含量降低。同時，有研究表明，秸稈還田能夠提高土壤呼吸速率[28]，還田量過高的土壤呼吸速率過大，進一步降低土壤含氧量，從而抑制土壤微生物數量的增加。

　　土壤酶是土壤生態系統的核心[29]，土壤酶活性在土壤能量轉化及物質循環過程中有重要作用，能夠反映土壤中各種生物化學反應過程的強弱[30]和預測土壤肥力的演變趨勢。涂建平等[31]研究指出，秸稈還田較不還田處理能夠顯著提高蔗糖酶、脲酶等土壤酶活性。蘇秦[32]研究認為，在麥玉輪作模式下進行秸稈還田能提高土壤酶活性，且土壤酶活性與秸稈還田量呈正比。路文濤等[33]通過秸稈還田試驗研究得出，秸稈還田處理 0~60 cm 土層脲酶、酸性磷酸酶活性均低于不還田處理，且秸稈還田處理在 0~40 cm 土層的脲酶活性差異不顯著。可見，不同試驗條件下秸稈還田對土壤酶活性變化規律的影響并不完全一致，這可能與秸稈種類、還田量、還田模式、茬口、土壤質地及當地氣候條件等多種因素共同作用有關。本試驗條件下，辣椒秸稈還田量為 4 500、9 000、16 500 kg/hm2 時，可有效提高了西瓜根際土壤脲酶、磷酸酶和過氧化氫酶活性，而當秸稈還田量達到 27 000 kg/hm2 時上述酶活性又降低，這應該是因為適宜范圍內的秸稈還田能夠為微生物提供充足的營養物質，提高微生物活性，促進微生物繁殖，而土壤微生物數量的增加伴隨著包括土壤酶在內的分泌物數量的增多，從而提高酶活性;當秸稈還田量過高時，致使土壤 C/N 失調，微生物繁殖受到抑制，數量減少，進而引起土壤酶等分泌物的減少[34]，酶活性也隨之降低。蔗糖酶活性雖隨辣椒秸稈還田量持續增加，但在還田量為 27 000 kg/hm2 時增幅明顯減小，這應該也與土壤酶 C/N 失調致使微生物分泌土壤酶的數量減少有關。

　　單瓜質量大小直接影響單產的高低，瓜皮厚度直接關系到西瓜可食部分的多少，可溶性固形物含量和中邊差是反映西瓜口感的重要指標之一，有機酸含量是影響果實品質的重要因素[35-36]。本試驗條件下，辣椒秸稈還田量為 16 500 kg/hm2 時，西瓜單瓜質量最大，中心可溶性固形物、邊際可溶性固形物含量最高，說明辣椒秸稈還田能夠有效提高西瓜單瓜質量，改善西瓜品質。其原因應該是，秸稈還田增加土壤礦質元素含量，改善土壤肥水氣熱環境，提高西瓜根系活力，使葉片光合能力增強，光合產物的有效積累提高了單瓜質量、可溶性固形物含量等，從而提高產量、改善果實品質。本試驗結果還表明，辣椒秸稈還田量為 16 500 kg/hm2 時，西瓜果肉中邊差最小，瓜皮厚度與對照差異不顯著，說明此秸稈還田量最有利于西瓜口感的提升，且在提高西瓜產量、改善品質的前提下，并未減少果肉在果實中的占比。