菌肥與生物炭配施對設施西瓜生長及土壤理化性質的影響

張曼　郝科星　張煥　侯東穎　侯富恩　張濤

摘? ? 要：為明確生物炭與微生物菌肥合理配施的最佳用量，以雙抗8號西瓜為試材，以常規施肥為對照，在常規施肥基礎上設4個菌肥與生物炭配施處理（AB₀：單施菌肥；AB₁：菌肥+ 2000 kg·hm^-2生物炭；AB₂：菌肥+3000 kg·hm^-2生物炭；AB₃：菌肥+4000 kg·hm^-2生物炭），比較不同處理對根區土壤理化性質和西瓜長勢、品質、產量及抗性等方面的影響。結果表明，與對照相比，菌肥配施中量生物炭（AB₂）可顯著降低土壤容重、顯著提高土壤有機質和有效養分含量、降低pH值；西瓜的長勢和抗病性隨生物炭配施量的增加呈先提高后降低的趨勢，AB₂處理表現最優，西瓜莖粗和蔓長分別較對照顯著提高28.57%和28.09%，枯萎病防效為51.20%；AB2處理果實的品質和產量也均高于其他處理，維生素C含量和中心、邊部可溶性固形物含量分別比對照顯著提高17.06%、15.38%、23.32%，產量為2 968.45 kg·667 m^-2，增產率達31.54%。綜上，可將3000 kg·hm^-2生物炭作為菌肥最佳配施量應用于當地實際生產。

關鍵詞：西瓜；設施栽培；微生物菌肥；生物炭

中圖分類號：S651 文獻標志碼：A 文章編號：1673-2871（2023）05-072-06

Effects of bacterial fertilizer combined with biochar on watermelon growth and soil physical and chemical properties in greenhouse

ZHANG Man HAO Kexing ZHANG Huan HOU Dongying HOU Fuen ZHANG Tao

（1. College of Agricultural Economics and Management， Shanxi Agricultural University， Taiyuan 030006， Shanxi， China; 2. Linyi County Weather Bureau， Linyi 044100， Shanxi， China）

Abstract： In order to determine the optimal amount of biochar and microbial bacterial fertilizer， Shuangkang No. 8 watermelon was used as the test material， and conventional fertilization was used as the control. Four other treatments （AB₀： single application of bacterial fertilizer; AB₁： bacterial fertilizer + 2000 kg·hm-2 biochar; AB₂： bacterial fertilizer + 3000 kg·hm-2 biochar; AB3：bacterial fertilizer + 4000 kg·hm^-2biochar） were set up to compare the physicochemical properties of root zone soil and the growth， quality， yield and resistance of watermelon. The results showed that compared with the control， the bacterial fertilizer combined with medium amount of biochar （AB₂） could significantly reduce the soil bulk density， significantly increase the content of soil organic matter and available nutrients， and reduce the pH value. The growth vigor and disease resistance of watermelon increased first and then decreased with the increase of the amount of biochar， and AB₂treatment was the best. The stem diameter and vine length of watermelon were significantly increased by 28.57% and 28.09% respectively compared with the control， and the control effect of fusarium wilt was 51.20%. The quality and yield of watermelon in AB₂treatment were also better than those in other treatments. The content of vitamin C and the content of central and marginal soluble solids were significantly increased by 17.06%， 15.38% and 23.32% compared with the control. The yield was 2 968.45 kg·667m^-2， with an increase rate of 31.54%. In conclusion， 3000 kg·hm-2 biochar can be used as the optimal amount of bacterial fertilizer for local actual production.

Key words： Watermelon; Greenhouse cultivation; Microbial fertilizer; Biochar

西瓜為葫蘆科、西瓜屬一年生藤本植物，富含礦物質、維生素和多種氨基酸，可清熱解暑，是消夏解渴之佳品，深受大眾喜愛，在果蔬生產和消費中占據重要的地位，有較高的市場價值。我國西瓜年產量超6000萬t[1]，占全球西瓜總產量的60%以上，西瓜產業對于帶動地方經濟發展具有重要意義[2]。設施栽培為現代瓜果蔬菜的主要高效發展模式，栽培面積逐年迅速增加，但由于設施內土壤集約化程度高，常常處于高蒸發、低淋洗等非自然環境下，且常年種植單一，導致土壤出現不同程度的板結鹽化、微生物群落結構異常、養分失衡，土壤逐年惡化，連作障礙問題愈發凸顯。為追求高產和優質，瓜農在生產中盲目大量施用化肥，導致生產成本提高、肥料利用率下降，我國北方設施土壤氮肥利用率僅為24%，磷肥利用率為8%[3]。高施肥量和低養分利用率進一步加速了土壤退化，形成惡性循環，嚴重威脅生態環境安全，不符合農業可持續發展的要求。有研究表明，大量施用化肥降低了土壤生物多樣性[4]，為實現化肥零增長目標，利用替代肥替代部分化肥是設施產業發展的必然趨勢[5]。

生物炭是生物質原料在無氧或低氧條件下經熱裂解產生的富碳難溶性炭化物，細密多孔、比表面積大、具有極強的吸附性能，含有較多的含氧活性基團。生物炭所固有的這些性質，決定其施入土壤可提高土壤保水保肥性能、調節土壤溫度、改良土壤團粒結構、吸附農殘和重金屬等污染物，且能夠補充土壤中的礦物質養分，增強作物長勢，近年來被廣泛應用于農業生產各個領域[6]。有研究表明，施加5%生物質炭，可顯著降低多種蔬菜的硝酸鹽含量，提高維生素C含量，降低重金屬Cd在蔬菜可食用部分的富集量[7]；以生物炭基質代替常規基質栽培草莓，可有效提高草莓品質，顯著促進草莓生長[8]；生物炭用于改良鹽漬土，促進了土壤中Na+的淋洗，其釋放的礦物質養分提高了作物對Ca2+、K+、Mg2+等礦物元素的吸收，抑制玉米的鹽分脅迫氧化應激反應，提高光合作用效率，促進鹽漬土玉米生產[9]等。微生物肥料在我國的研究和生產已經有50多年的歷史，市場上常見的微生物肥料按其功能大致可分為微生物菌肥和微生物菌劑兩大類[10]。微生物菌肥富含大量有益菌株和適量有機質，施入土壤可顯著提高土壤養分含量[11]，改善土壤微環境，提高根際微生物活性，促進植株生長。合理使用微生物菌肥可降低化肥使用量，王明友等[12]研究結果顯示，低用量化肥配施微生物菌肥可顯著提高設施黃瓜的產量和品質，較對照（單施草炭基質）增產43.3%，大幅提升經濟效益。施用微生物菌肥可有效拮抗西瓜根區病原菌，緩解病原菌對西瓜根系的侵染[13]，即外源菌肥增強了作物體內的抗病防御體系，進而提高西瓜對細菌性枯萎病的抗性。大量試驗表明，微生物菌肥對提高作物產量和品質、增強作物抗性、緩解連作障礙有很大的應用潛力[14]。但菌肥受土壤溫度、濕度、土壤理化性質等外部因素的影響較大，且不同菌肥所含的菌種不同，施入土壤后的影響作用機制不同，產生的效果也不盡相同，因此在實際生產中肥效并不穩定。

筆者利用生物炭和菌肥的互補特性，將生物炭與菌肥配施，生物炭的多孔結構和巨大的比表面積為微生物提供更多的生存空間，提高了菌肥的生物活性；適量的生物炭可提升土壤有機質含量，而菌肥中的菌種賴以生存的基礎是有足夠的有機質，因此可將生物炭作為菌肥的增效載體共同促進作物的生長[15]。目前，多數研究主要集中在單一生物炭或單一微生物菌肥對作物生長的影響方面，但在施用生物菌肥的基礎上，再配施不同比例的生物炭在設施西瓜上的應用鮮有報道。筆者以山西晉中設施西瓜為研究對象，設置不同生物炭施用量與微生物菌肥配施，研究不同配施比例對設施西瓜生長、品質、產量和根區土壤理化性質的影響，明確生物炭配施的最佳用量，以期為確定晉中地區的生物炭與微生物菌肥合理配施提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2021年3月在山西農業大學東陽試驗示范基地進行，該地處于山西省中部，年均氣溫約9.8 ℃，屬暖溫帶半濕潤區，年降水量在420～480 mm?；A土樣取自試驗大棚內深0～30 cm區域，S型多點取樣，混勻后帶回實驗室待自然風干過篩后測定。試區土壤類型為黏土，pH值為8.46、有機質含量（w，后同）21.97 g·kg^-1、全氮含量1.61 g·kg^-1、有效磷含量58.96 mg·kg^-1、速效鉀含量215.32 mg·kg^-1。

1.2 材料

試驗所用西瓜品種為雙抗8號，為山西農業大學生命科學學院提供的抗性較強的中熟品種；微生物菌肥選用中國農業科學院原子能利用研究所研制的“加加旺”，其有益菌（細黃鏈霉菌）含量≥2.0億個·g^-1，有機質含量≥35%；供試生物炭為竹炭，由河南立澤環?？萍加邢薰旧a。

1.3 試驗設計

試驗共設5個處理組：常規施肥（CK，牛糞6 m³·667 m^-2+ 三元復合肥40 kg·667 m^-2）；然后在常規施肥的基礎上配施菌肥和生物炭，即單施菌肥處理（AB₀）；菌肥 + 2000 kg·hm^-2生物炭配施處理（AB₁）；菌肥 + 3000 kg·hm^-2生物炭配施處理（AB₂）；菌肥 + 4000 kg·hm^-2生物炭配施處理（AB₃）。其中菌肥配施量一定，以商品推薦量1500 kg·hm^-2施加，每個處理3次重復，共15個小區隨機區組排列，小區面積為20 m²（6 m×3.33 m）。

定植前1個月，清理干凈大棚后用旋耕機進行旋翻，再整地做畦劃分小區。各處理統一施入牛糞6 m³·667 m^-2和三元復合肥40 kg·667 m^-2作為基肥，小區之間縱鋪100 cm厚塑料膜間隔開。定植前2周，將菌肥和生物炭按設置比例混勻，以條施方式施入對應小區內，再翻耕耙勻。試驗采用溝壟覆膜種植模式，壟寬300 cm，畦高15 cm，畦面整平，每畦兩側各鋪設一條滴灌帶，最后用黑色地膜進行壟面壟溝全覆蓋。于2021年3月14日在育苗棚播種育苗，選用50孔穴盤，4月29日定植至試驗棚，瓜苗株距設為45 cm，行距1.5 m，植株對爬，每小區定植26株，定植后各處理田間管理措施同當地，水肥管理各處理均一致，采用水肥一體化模式，于7月26日采收西瓜。收瓜后采集土樣，每小區按對角線法取5個點混勻，用于土壤養分指標的測定。

1.4 測定指標

1.4.1 土壤指標測定 土壤質量：環刀取樣，每小區取相鄰的2個點，再轉移至鋁盒中于105 ℃恒溫烘箱內烘至恒質量；鋁盒于105 ℃恒溫烘箱內烘干后測定土壤含水量；水土質量比按2.5∶1制成懸濁液，靜止后取其上清液用pH計測定土壤pH值；采用凱氏定氮法測定土壤全氮含量[16]；采用碳酸鹽浸提、鉬銻抗比色法測定土壤有效磷含量[16]；采用乙酸銨浸提、火焰光度計測定土壤速效鉀含量[16]；采用重鉻酸鉀氧化，硫酸外加熱法測定土壤有機質含量[16]；采用水土比5∶1浸提水溶鹽，浸出液直接用電導儀測定土壤全鹽量。（注：每個樣品3次重復）

1.4.2 西瓜生長指標、產量測定 膨瓜期用數顯卡尺測主蔓第2節位莖粗（mm）；于定植50 d時調查記錄植株的發病情況并計算病情指數和相對防治效果：病情指數=（∑（各級株數×發病級數）/總株數）×最高病級×100；相對防治效果/%=（對照病情指數-處理病情指數）/對照病情指數×100；采收前用卷尺測主蔓蔓長（m）；西瓜拉秧后按小區進行單株計產（kg·667 m^-2）；采收后用直尺測西瓜橫縱徑和皮厚（mm）；用TD-45型號手持數字折射計測定西瓜中心和邊緣可溶性固形物含量；采用2，6-二氯靛酚滴定法測定[16]西瓜維生素C含量。（注：西瓜生長指標每小區均隨機測6株，品質指標每小區隨機測5個西瓜）

1.5 數據分析

采用Excel 2007對數據進行整理分析；運用SPSS 22.0進行數據比較和差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 菌肥與生物炭配施對土壤理化性狀的影響

由表1可知，菌肥與不同量生物炭配施對設施大棚內土壤理化性狀產生不同的影響。物理性質方面，與CK相比，單施菌肥、菌肥與生物炭配施各處理均可降低土壤容重，其中菌肥配施中量生物炭（AB₂）處理最為顯著，土壤容重比CK顯著降低7.69%；各處理的土壤含水量均比CK有所提高，僅AB₁處理與CK差異顯著，AB₀、AB₁、AB₂、AB₃分別比CK提高3.37%、23.47%、6.61%、8.12%?；瘜W性質方面，土壤全氮和土壤有機質含量均隨著生物炭配施量增加而呈遞增趨勢，但各處理之間全氮含量無顯著差異；菌肥與生物炭配施處理（AB₁、AB₂、AB₃）有機質含量均顯著高于對照CK，分別比CK提高28.40%、33.17%、37.10%，菌肥配施中、高量生物炭處理（AB₂、AB₃）有機質含量顯著高于單施菌肥處理（AB₀），其中AB₃處理有機質含量最高，比AB₀提高20.59%；除AB₃處理外，其他處理土壤有效磷含量也均隨生物炭配施量增加而呈遞增趨勢，菌肥配施中、高量生物炭處理（AB₂、AB₃）土壤有效磷含量顯著高于單施菌肥處理（AB₀）和CK，其中AB₂有效磷含量最高，比CK顯著提高54.82%；與CK相比，各處理均降低了土壤pH值，僅AB₂處理pH值與CK達顯著差異水平；除AB₀處理顯著提高土壤鹽分含量外，菌肥與生物炭配施各處理均降低了土壤鹽分含量，其中AB₂土壤全鹽含量最低；各處理土壤速效鉀含量均較CK有所降低，其中AB0處理土壤速效鉀含量比CK顯著降低11.50%。

2.2 菌肥與生物炭配施對設施西瓜生長及枯萎病防治的影響

由表2可知，與CK相比，單施菌肥、菌肥與生物炭配施各處理均可顯著提高西瓜莖粗，其中AB₂莖粗值最大，比對照提高28.57%；各處理西瓜蔓長也均大于CK，其中AB₂、AB₃處理較CK分別顯著提高28.09%、26.40%；各處理病情指數均與CK存在顯著差異，病情指數表現為AB₂103，AB₂處理枯萎病防治效果最為突出，為51.20%，顯著高于其他處理。

2.3 菌肥與生物炭配施對設施西瓜果實外觀品質的影響

由表3可以看出，AB₀、AB₁、AB₂、AB₃處理西瓜果實縱徑、橫徑均大于CK，但除AB₂處理外均與CK差異不顯著，其中AB₂處理果實縱徑、橫徑均為最大，顯著大于CK；各處理西瓜果皮厚度也較CK處理有所降低，AB₂處理果皮厚度最低，比CK降低13.83%，但差異不顯著；AB₂處理果形指數最大，西瓜外形橢圓形狀更加明顯，但各處理果形指數之間無顯著差異。

2.4 菌肥與生物炭配施對設施西瓜果實品質的影響

由表4可以看出，AB₀、AB₁、AB₂、AB₃處理均可提高果實中心、邊部可溶性固形物含量和維生素C含量，其中AB₁、AB₂處理果實中心、邊部可溶性固形物含量及維生素C含量均與CK差異顯著，AB₂處理中心和邊部可溶性固形物含量最高，分別較CK顯著提高15.38%和23.31%，較單施菌肥（AB₀）分別顯著提高10.26%和13.04%，AB₂處理維生素C含量也最高，為98.1 mg·kg^-1，較CK顯著提高17.06%；各處理單瓜質量均顯著高于CK，AB₂單瓜質量最高，比CK顯著提高31.54%。由此可見，在提升西瓜果實綜合品質方面，AB₂處理效果最為顯著。

2.5 菌肥與生物炭配施對設施西瓜產量的影響

由表5可以看出，AB₀、AB₁、AB₂、AB₃各處理西瓜小區產量均顯著高于CK，且各處理之間西瓜小區產量差異不顯著。與CK相比，折合667 m²產量AB₀處理增產373.22 kg，增產率為16.54%；AB₁處理增產390.58 kg，增產率為17.31%；AB₂處理增產幅度最大，增產711.73 kg，增產率高達31.54%；AB₃處理增產347.19 kg，增產率為15.38%。

3 討論與結論

土壤理化性狀直接影響作物根系的生長與養分吸收，根系區域環境是作物生存之根本[17]。設施大棚內西瓜連作障礙尤為凸顯，筆者研究發現，設施大棚根系區土壤各項理化指標不理想，土壤板結硬化、容重升高、鹽分總量較高、pH值偏高、土壤有機質含量較低、土壤養分失調等進一步導致作物產量與品質不高，這與前人研究結果一致[18-19]。單施微生物菌肥后，土壤容重和含水量均有改所善，土壤養分總量升高，速效養分含量顯著降低，即微生物菌肥施入土壤可改善土壤團粒結構，起到培肥地力的效果，促進西瓜對速效養分的吸收[20-21]，這與李雙喜等[22]關于微生物有機肥對連作西瓜土壤性狀的研究結果相一致。菌肥與生物炭配施較單施菌肥在改善土壤物理性狀、均衡土壤養分上效果更好，且3個配施處理均降低了土壤全鹽量，可減輕鹽分對根系的傷害，其中以菌肥配施中量生物炭（AB₂）對土壤容重、土壤有效磷含量、土壤pH的影響最為顯著；以菌肥配施低量生物炭（AB₁）對土壤含水量的影響最大。

植株莖粗、蔓長反映了作物的長勢。束秀玉[23]研究表明，當外源生物炭施用量為2%時，西瓜幼苗莖粗較對照顯著提高32.09%；白雪等[15]研究結果顯示，固定量生物炭配施中量菌肥（20 g·盆^-1）處理顯著促進元寶楓幼苗株高、莖粗的增長。筆者研究結果表明，菌肥配施中、高生物炭（AB₂、AB₃）處理均可顯著提高西瓜莖粗和蔓長，增強西瓜長勢。較強的長勢進而促進了養分在作物體內的積累。陳修斌等[24]在不同基質配比對設施西葫蘆生長的影響研究中得出幼苗的干、鮮質量可反映營養成分與同化物質在作物體內的積累量，而同化物質積累轉化的結果最終體現在果實外觀形態上。菌肥配施中量生物炭（AB₂）處理西瓜橫、縱徑均較其他處理高，縱徑、橫徑分別比CK提高10.58%、8.64%；單瓜質量也以AB₂處理為最大，顯著高于CK 31.54%。

生物炭具有強吸附性，且本身富含多種礦質元素，微生物菌肥富含大量有益菌株和適量有機質，生物炭作為菌肥的載體與菌肥配施入土壤后，可補充土壤中的礦物質養分，改善根區微生態環境，提高土壤酶活性[25]，且其吸附緩釋養分的性能可提高養分利用率，促進土壤養分轉化與吸收，改善作物品質。有研究表明，設施菜地生物炭施加量為4000 kg·hm^-2時，番茄的含糖量和維生素C含量均達最高，綜合品質提升最顯著[26]。與之相符，筆者的試驗菌肥配施低、中量生物炭處理（AB₁、AB₂）均顯著提高西瓜果實的中心、邊部可溶性固形物含量和維生素C含量，AB₂效果優于AB₁，AB₂處理西瓜中心可溶性固形物含量比AB₁處理提高4.58%，AB₂處理西瓜維生素C含量比AB₁處理提高3.70%。西瓜果皮厚度作為反映果實品質的指標之一，果皮過厚降低可食率，果皮過薄又易裂，造成采收和運輸的不便，本試驗各處理對西瓜果皮厚度無明顯影響。

邱嶺軍等[27]在烤煙種植中施加不同用量生物炭，對煙葉產質量及產值進行分析得出，生物炭用量為3000 kg·hm-2時烤煙產量最高，煙葉品質最佳。筆者研究中單施菌肥、菌肥與生物炭配施均顯著提高西瓜產量，其中菌肥配施中量生物炭（AB₂）處理的設施西瓜產量最高，較對照每667 m²產量提升31.54%，各處理西瓜增產率表現為AB₂>AB₁>AB₀>AB₃。結果表明，設施西瓜產量與配施生物炭用量并不呈正相關，只有科學合理的配施比例，才能更好地激發生物炭與菌肥之間的互補效用，達到增產增質的效果。

綜上所述，該試驗研究了在常規施肥的基礎上單施菌肥（AB₀）、菌肥與低、中、高量生物炭配施（AB₁、AB₂、AB₃）共4種處理對設施大棚內根系土壤理化性質以及設施西瓜品質與產量的影響。最終以菌肥配施中量生物炭（AB₂）在降低土壤容重、提升土壤有效養分含量、增強西瓜長勢、提高防治枯萎病效果、提高西瓜品質和產量方面效果最佳，在實際生產上可作為最佳配施比例應用于設施西瓜栽培。

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