有機氮替代化肥氮對設施菠菜品質·土壤肥力及根際細菌群落的影響

謝瑞斌 李婷婷 劉平

摘要? 為明確有機肥替代化肥對菠菜生長的影響，以等氮量替代為原則，設置配方施肥和有機肥等氮替代不同比例化肥處理，通過大田試驗研究有機氮肥替代化肥氮對設施菠菜產量、品質、土壤肥力和根際細菌群落的影響。結果表明，有機肥替代20%最有利于提升菠菜的產量和品質，鮮干重、維生素C和可溶性糖含量均顯著高于配方施肥處理。有機肥替代可顯著增加土壤的pH、有機質、全氮、有效磷和速效鉀含量，顯著降低土壤的容重。有機氮肥替代比例為20%～80%時，土壤堿解氮含量均顯著低于配方施肥處理。施用有機肥可顯著增加土壤細菌的α多樣性，降低其β多樣性。菠菜有機酸含量和土壤堿解氮含量對β多樣性貢獻率最高，分別為12.80%和-4.71%。施用有機肥可提高好氧菌群、耐脅迫菌群等有益菌群的相對豐度，但也會增加潛在致病菌群的相對豐度。綜上，有機氮肥部分替代化學氮肥可改善菠菜品質，提升土壤肥力和抗性。

關鍵詞? 有機肥；菠菜；等氮替代；土壤肥力；細菌群落

中圖分類號? S153?? 文獻標識碼? A?? 文章編號? 0517-6611（2024）07-0152-06

doi： 10.3969/j.issn.0517-6611.2024.07.037

Effects of Substituting Chemical Fertilizer with Organic Fertilizer Nitrogen on Quality of Greenhouse Spinach， Soil Fertility and Rhizosphere Microbial Community

XIE Rui-bin1，2， LI Ting-ting1，2， LIU Ping2，3

（1.Haian City Farmland Quality Protection Station， Jiangsu Province， Nantong， Jiangsu 226602;2.Jiangsu Yangzhou Agricultural Environmental Safety Technology Service Center， Yangzhou， Jiangsu 225127;3.School of Environmental Science and Engineering， Yangzhou University， Yangzhou， Jiangsu 225127）

Abstract? Effects of substituting chemical nitrogen fertilizer with organic nitrogen fertilizer on greenhouse spinach yield， quality， soil fertility and rhizosphere bacterial community were studied. The experiment adopted an equal nitrogen design with six treatments， i.e.， 0 （CF）， 20% （OM20）， 40% （OM40）， 60% （OM60）， 80% （OM80）， and 100% （OM100） of chemical nitrogen being replaced respectively. The results showed that 20% of chemical nitrogen replacement with organic fertilizer was most conducive to improving the yield and quality of spinach， with fresh and dry weight， vitamin C， and soluble sugar significantly higher than that of CF. In all treatments， adding organic fertilizer could significantly increase the soil pH， organic matter， nitrogen， available phosphorus， and available potassium content， and significantly reduce the bulk density. When the proportion of organic nitrogen fertilizers was 20%-80%， the content of alkaline nitrogen was significantly lower than CF.? Applying organic fertilizer could significantly increase the α diversity of soil bacteria and reduce β diversity. Spinach organic acid content and soil alkaline nitrogen content significantly contributed to β diversity， which was 12.80% and -4.71% respectively. Application of organic fertilizer can improve the relative abundance of beneficial bacteria such as aerobic and stress tolerant， but it might also increase the relative abundance of potential pathogenic bacteria. In summary， the replacement of chemical nitrogen fertilizer with organic nitrogen fertilizers can improve the quality of spinach and improve soil fertility and resistance.

Key words? Organic fertilizer;Spinach;Substituting chemical fertilizer;Soil fertility;Bacterial community

設施蔬菜中過量施用化肥雖然可以保障蔬菜營養吸收，但難以達到高效、高產，同時會破壞土壤環境，導致施用成本的增加、環境的污染、土壤的退化等一系列問題［1-2］。隨著綠色農業的發展，施肥理念也隨之發生了變化。有機肥替代化肥可增產增收，產品綠色健康，是提高蔬菜品質的重要途徑［3-4］。在設施蔬菜栽培中，有機肥替代化肥還能使土壤得到明顯改良，從而增強作物抗病蟲能力［5-6］。施用有機肥可有效促進綠色種養循環農業的發展，使畜禽糞便的利用率得到明顯提高，為農業可持續發展提供強有力的技術支撐與保障，實現作物增產、農民增收、農業增效的發展目標［7-8］。但由于有機肥的肥源不同，其養分含量存在差異，對土壤的地力改善效果差異較大［9］，因此，確定施用過程中有機肥替代化學氮肥的合理比例是實現作物增產和氮利用效率提高的關鍵。筆者以設施菠菜為材料，研究畜禽糞便腐熟的有機肥替代化肥的可行性及其對菠菜生長發育、品質、土壤理化性質以及根際細菌群落的影響，為探索適合長江中下游地區設施菠菜高產優質的施肥技術提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗點位于海安市霞山家庭農場（120312 737°E，32.413 364°N）。試驗時間為2021年11月5日至2022年1月5日。供試土壤為設施潮土，試驗前0～20 cm土壤pH、EC值分別為7.09和26.91 μS/cm，土壤中有機質、全氮、全磷、全鉀、硝酸鹽、有效磷及速效鉀的含量分別為22.5 g/kg、5.96 g/kg、0.56 g/kg、2.77 g/kg、1753 mg/kg、25.9 mg/kg和278 mg/kg。供試菠菜品種為尖葉菠菜，生育期為55～60 d。

1.2 試驗設計

設配方施肥（18-5-18復合肥1 200 kg/hm2）（CF）、有機肥等氮量替代20%化肥（OM20）、有機肥等氮量替代40%化肥（OM40）、有機肥等氮量替代60%化肥（OM60）、有機肥等氮量替代80%化肥（OM80），有機肥等氮量替代100%化肥（OM100）6個處理，每個處理3次重復，隨機區組排列，區組內土壤、地形等條件保持相對一致。有機肥為海安市當地有機肥公司生產的商品有機肥，養分含量：有機質31.3 g/kg，氮（N）16.1 g/kg，磷（P2O5）13.5 g/kg，鉀（K2O）15.7 g/kg。

試驗前將土地平整，左右各設置0.5 m的保護行，前后各設置1.5 m的保護行用于機械作業。各小區面積為4 m×7 m，小區之間采用塑料膜隔開，埋深50 cm，避免小區間肥水相互滲透。每個小區3次重復，隨機區組排列。田間管理同一般設施菠菜。

1.3 測定項目與方法

在菠菜采收期測定不同處理的株高、主根長，測定單株鮮重、干重。在每個小區選取10株長勢一致的植株，利用分光光度計測定整個植株的葉綠素含量。采用2，6－二氯靛酚滴定法測定不同施肥量處理下2個菠菜品種的維生素Ｃ含量，采用蒽酮比色法測定可溶性糖含量，采用分光光度法測定草酸含量和硝酸鹽含量。土壤養分測定參照鮑士旦［10］的方法。

土壤微生物特征測試方法：無菌環境條件下，取菠菜根際土壤10 g，放入10 mL的凍存管中，用封口膜封住，置于液氮中過夜，第二天將凍存管取出，立刻置于干冰中。每個處理設3個平行，共計6組18個樣品。從樣本中提取基因組DNA后，用帶有barcode的特異引物擴增16S rDNA的V3 + V4區，構建測序文庫，Illumina上機測序?；贠TU、豐度數據，開展物種注釋、物種組成分析、指示物種分析、α多樣性分析、β多樣性分析、群落功能預測。

1.4 數據分析

試驗數據用Microsoft Excel整理，SPSS 23.0軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 菠菜生長發育

由表1可知，OM20（有機肥替代氮肥20%）處理下菠菜生長的株高最高，且CF（優化配方施肥）與OM20之間差異顯著。除主根長外，單株鮮重、單株干重均在OM20處理下最大，說明有機肥替代20%化學氮肥時，最有利于植株的生長，可增加菠菜產量。所有處理中，OM40的主根最長，但各處理之間差異不顯著。菠菜葉綠素含量總體呈隨著有機肥的替代比例增加而減少趨勢，僅OM20和OM40這2個處理的葉綠素含量顯著高于其他處理。

2.2 菠菜品質

由圖1a可知，OM20處理下菠菜的維生素C含量最高，隨著有機肥替代比例的增加，維生素C的 含量有下降趨勢，但其他各處理差異不顯著，表明適量施用有機肥有利于維生素C含量的積累。有機肥最佳替代比例為20%。

由圖1b可知，可溶性糖含量在有機肥替代比例為20%時最高，隨著有機肥替代比例增加，有降低趨勢。由圖1c可知，配方施肥處理（CF）的草酸含量最高，隨著有機肥替代比例的增加，草酸含量有下降趨勢，但各處理間差異不顯著。菠菜硝酸鹽含量低于432 mg/kg為正常。由圖1d可知，配方施肥處理中菠菜硝酸鹽含量最高，有機肥替代氮肥后能顯著降低菠菜硝酸鹽的含量，且硝酸鹽含量隨著替代比例的增加而降低。

2.3 土壤養分特征

有機肥替代化學氮顯著改變土壤理化性質。由表2可知，隨著有機肥替代比例的增加，土壤中有機質呈上升趨勢，有機肥替代20%～100%處理與CF相比顯著增加，有機肥替代100%處理的土壤有機質含量最高，比CF增加了30.49%。土壤中的全氮含量隨有機肥替代比例的增加呈波動趨勢，有機肥替代100%處理全氮含量最高。有機肥替代處理的土壤中有效磷含量與CF相比均顯著上升，但有機肥替代處理的有效磷含量無顯著差異，均值為28.77 mg/kg。

有機肥替代處理的土壤中堿解氮含量和CF相比呈先減少后增加的趨勢，有機肥替代20%處理土壤中堿解氮含量最低，與CF相比下降了12.24%，有機肥替代100%處理土壤中的堿解氮含量最高，與CF相比增加了2.46%。有機肥替代處理土壤中的速效鉀均顯著增加，但有機替代80%處理的土壤中速效鉀含量最高，比CF上升了16.58%。

2.4 土壤pH和容重

不同的有機肥替代比例對菠菜土壤pH有不同的影響。圖2表明，CF處理的土壤pH最低為696，OM20處理的土壤pH最高為7.09。不同的有機肥替代土壤的pH總體呈下降趨勢，OM80和OM100與CF處理均無顯著差異。隨著有機肥替代比例的增加，土壤容重呈下降趨勢。CF處理的土壤容重最高，為1.37 g/cm3，OM80和OM100處理的土壤容重最低，為1.25 g/cm3左右。

2.5 土壤根際微生物

由圖3可知，施用有機肥能顯著提高菠菜根際土壤微生物豐度，除OM80處理外，其他有機肥替代化學氮處理的細菌多樣性均高于配方施肥處理土壤。各處理中，優勢菌門主要為變形菌門（Proteobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）、放線菌門（Actinobacteria）、髕骨細菌門（Patescibacteria）、浮霉菌門（Planctomyoetes）等。優勢菌門在有機肥替代的各處理中豐度所占的比例有差異，如OM80的處理中變形菌門（Proteobacteria）的相對豐度顯著高于其他處理。OM100處理土壤中的細菌α多樣性顯著高于配方施肥處理，但β多樣性顯著低于配方施肥，表明有機肥替代100%處理的細菌群落多樣性高，且群落結構更穩定。各處理之間的指示屬差異較大（圖4a），有機肥替代100%處理和配方施肥2個處理間的指示屬分別為Solitalea和Luteolibacter（圖3e）。

相關性分析表明（圖4b），草酸對菠菜土壤根際細菌β多樣性貢獻率最高，為12.80%，其次堿解氮，為-4.71%，表明根際土壤中有機酸含量越高，細菌群落結構越不穩定，而堿解氮含量越高，細菌群落越穩定。

群落功能預測結果表明（圖5），好氧菌群、潛在致病菌群和耐脅迫菌群的相對豐度隨著有機肥替代比例的增加而增加，厭氧菌群相對豐度隨著有機肥替代比例增加而降低。有機肥替代化肥不僅能提高有益菌群如好氧菌群和耐脅迫菌群的豐富度，也會提高土壤攜帶易致病菌群的風險。

3 討論與結論

3.1 有機氮肥替代化學氮肥對菠菜生長發育和品質的影響

有機肥含有功能菌，功能菌的快速繁殖可優化土壤微生物種群結構，增強土壤酶活性，活化土壤養分，提高根系活力，促進根系對營養元素的吸收利用，提高作物產量和品質。研究發現，有機肥替代化肥可促進水稻［11］、茶葉［12］、橘子［13］、辣椒［14］等農作物產量的增加和品質的提升。配施有機肥可通過提高植株的葉綠素含量進而增強作物的光合作用，有利于維生素C、有機酸、糖分和蛋白等物質的積累［15-16］。該研究結果表明，與當地習慣施肥相比，有機肥部分替代化學氮肥可增加鮮重、干重和主根長，提高菠菜維生素C和可溶性糖的含量，降低菠菜有機酸和硝酸鹽含量，這與潘亞杰等［17］研究結果一致。其中，有機肥替代化學氮肥比例為20%時，植株生長發育最好，菠菜的品質最佳。

3.2 有機氮肥替代化學氮肥對土壤地力的影響

有機肥替代化肥最直接的影響是提升土壤的有機質含量，降低土壤的容重，但有機肥替代比例并不是越高越好［18］。有機肥替代20%最有利于水稻田土壤有機質含量、速效氮、速效磷、速效鉀等含量的增加［19］，有機肥替代10%以內最有利于提高花椰菜的肥料利用率［20］，有機肥氮替代15%～30%的化學氮最有利于大蒜對養分的吸收［21］。該試驗結果顯示，當有機肥替代化學氮肥比例為80%時，有效態養分如有效磷、速效鉀和堿解氮等含量最高，而替代比例為20%時有效態養分含量最低，表明有機肥替代20%時最有利于當季作物養分的吸收利用和品質的改善，但有機肥替代80%時最有利于設施土壤后續的地力培肥。

3.3 有機氮肥替代化學氮肥對根際土壤微生物的影響

施用有機肥能顯著提高植株根際土壤中細菌的多樣性［22］，從而更有利于活化土壤養分，提高根系活力，促進根系對營養元素的吸收利用，提高作物產量和品質，增強作物抗病和抗逆性［23］。與配方施肥相比，有機肥中的指示屬Luteolibacter為根際土壤系統中的常見菌群［24］，配施有機肥可增加根際有益菌的相對豐度。施用有機肥可增加細菌群落的α多樣性，但降低細菌群落的β多樣性，表明施用有機肥可增加細菌群落結構的穩定性。但對不同作物不同土壤的研究結果不完全一致，江尚燾等［25］研究表明，施用有機肥可提高芒果根系內部的細菌多樣性，而對土壤根際的細菌多樣性無顯著影響。土壤全氮、堿解氮等含量能夠較好地解釋門水平下土壤細菌組成的變異［26］。相關性分析表明，有機酸和堿解氮是影響土壤細菌群落構建的關鍵因素。

施用有機肥可改變土壤細菌群落中功能菌群的結構。該研究表明，施用生物有機肥能增加土壤好氧菌群和耐脅迫菌群的相對豐度，配施有機肥有利于改善土壤微生物的結構及土壤水分、營養、通氣等環境條件，為土壤微生物提供了良好的生長環境，提高了土壤微生物的代謝能力，增加了土壤中的好氧菌群和耐脅迫菌群。此外，該研究還發現，施用有機肥處理的菠菜根際潛在致病菌群的相對豐富有所提升，其作用機制需要進一步研究。

綜上，有機氮肥部分替代化學氮肥可改善菠菜品質，有機肥替代20%最有利于提升菠菜的產量和品質。有機肥替代能夠提升土壤肥力，可顯著增加土壤養分含量、降低土壤容重，顯著增加土壤細菌的α多樣性、降低β多樣性，提高好氧菌群、耐脅迫菌群等有益菌群的相對豐度，但也會增加潛在致病菌群的相對豐度。

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基金項目?? 國家綠色種養循環農業試點縣項目。

作者簡介?? 謝瑞斌（1979—），男，江蘇海安人，高級農藝師，從事土壤肥料研究。

通信作者，講師，博士，從事土壤耕地質量提升、土壤生態學研究。