辣椒秸秆还田量对西瓜根际土壤微环境及西瓜品质的影响

　　摘要：为促进辣椒秸秆废弃物的循环利用，提高西瓜产量、改善西瓜品质，以美秀西瓜品种为试材，采用单因素随机区组设计的方法，以不进行秸秆还田为对照(CK)，以秸秆还田量 4 500、9 000、16 500、 27 000 kg/hm2(分别记为 L300、L600、L1100、L1800)4 个处理，研究辣椒秸秆不同还田量对西瓜根际土壤养分含量、微生物数量、土壤酶活性、单瓜质量及品质的影响。结果表明，西瓜根际土壤速效磷含量、速效钾含量、铵态氮含量、硝态氮含量随秸秆还田量增加表现出先升高后降低的单峰变化规律，并在 L1100 处理达到最大，较对照分别增加 13.86%、19.50%、51.29%、41.73%，而有机质含量随秸秆还田量增加而增大。辣椒秸秆还田能显著提高西瓜根际土壤细菌、放线菌、真菌数量和根际微生物总量，且均在 L1100 处理下数量最多，同时根际土壤中以细菌数量最多，放线菌次之，真菌最少。随着辣椒秸秆还田量的增加，西瓜根际土壤蔗糖酶活性呈逐渐升高的变化趋势，在 L1800 处理下活性最大;4 个秸秆还田处理的土壤脲酶、磷酸酶和过氧化氢酶活性均高于对照，但脲酶、磷酸酶活性在 L1100 处理下最大，过氧化氢酶活性在 L600 处理下最大。在 L1100 处理下，西瓜单瓜质量最大，较对照增加 37.77%;中心及边际可溶性固形物含量最高，较对照分别增加 9.85%、30.57%;中边差最小，较对照降低 28.68%。L300、L600、L1100 处理下西瓜皮厚与对照差异不显著。有机酸含量以 L600 处理最大。因此，辣椒秸秆还田量为 16 500 kg/hm2 可显著改善 0~20 cm 耕层土壤养分，提高土壤微生物数量和土壤酶活性，提高单瓜质量，改善西瓜品质风味，为西瓜农田土壤培肥和西瓜优质增产的适宜秸秆还田量。

　　秦涛， 河南农业科学 发表时间：2021-08-16

　　关键词：辣椒秸秆;还田;西瓜;土壤养分;土壤微生物;土壤酶;品质

　　全球每年因农业生产产生的农业秸秆废弃物约 70 亿 t，我国农业种植产生的秸秆量为 10.4 亿 t [1-2]，占世界总量的 1/7 以上。农业秸秆废弃物含有丰富的氮磷钾等矿质营养元素，秸秆还田可增加土壤有机质、培肥地力、改良土壤结构，提高土壤酶活性，促进下茬作物生长[3]。另外，秸秆还田还能解决秸秆处理难的问题，减少环境污染。但秸秆还田量并非越多越好，其受到还田方式[4]、还田秸秆种类、下茬作物等多种因素的影响。此外，秸秆还田易导致土壤碳氮比(C/N)失调，秸秆腐解时期常出现与苗争氮的现象[5]，进而影响植株生长状况。过高的秸秆还田量不仅不利于土壤速效养分的积累和作物单产的提高[6]，还易造成植株叶绿素含量和干质量降低[7]。因此，探寻适宜的秸秆还田量对改良土壤、减少化肥施用量、提高作物产量、改善品质具有重要意义。

　　西瓜、辣椒轮作是黄淮地区蔬菜作物的主要轮作方式之一。辣椒于秋季采收结束后，秸秆从田间移出，被堆放在地头、道路两旁、房前屋后或者遗弃在沟河之中，这不仅不利于美丽乡村的建设，还造成大量农业有机废弃物资源浪费，因此加快辣椒秸秆还田再利用研究具有既迫切又重要的现实意义。当前有关辣椒秸秆还田种植茄果类作物[8-9]的栽培模式已见报道，而辣椒秸秆还田对西瓜根际土壤微环境及西瓜生理特性等方面的研究尚未见报道。因此，将辣椒秸秆粉碎旋耕还田，研究辣椒秸秆不同还田量对西瓜根际土壤养分、土壤微生物、土壤酶活性以及西瓜单瓜质量、品质风味的影响，为西瓜栽培确定适宜的辣椒秸秆还田量，增加西瓜产量、改善西瓜品质风味提供理论支持，并为辣椒秸秆循环利用提供科学依据。

　　1 材料和方法

　　1.1 试验材料

　　本试验于 2020 年 1—5 月在商丘职业技术学院试验站进行，供试西瓜品种为中国农业科学院育成的杂交种“美秀”。

　　1.2 试验方法

　　本试验采用单因素随机区组设计，试验共设置 4 个处理和 1 个对照(CK)，处理和对照均 3 次重复，共 15 个小区。每小区长 8 m、宽 6 m，面积为 48 m 2，每小区种植西瓜 60 株，小区间隔离带宽 2 m。4 个小区辣椒秸秆还田量分别为 4 500、9 000、16 500、27 000 kg/hm2，分别记为 L300、L600、 L1100、L1800，对照(CK)不进行秸秆还田。2020 年 1 月 5 日，用粉碎机将辣椒秸秆粉碎成长度 0.5 cm 左右的小段，然后按还田量称取相应质量的秸秆均匀撒于旋耕过的小区表面，同时在各个小区普施尿素(N 46%)225 kg/hm2、磷酸氢二铵(N 18%,P2O5 51%)150 kg/hm2、硫酸钾(K2O 48%)275 kg/hm2，折合纯 N 130.5 kg/hm2、P2O5 76.5 kg/hm2、K2O 132 kg/hm2 再用小型旋耕机分别对各个小区进行旋耕，将秸秆翻入土壤，翻深 22 cm 左右。2020 年 1 月 15 日播种西瓜，3 月 1 日定植，5 月 10 日收获。

　　1.3 测定项目及方法

　　2020 年 4 月 1 日取各处理土壤，测定西瓜根际土壤养分、土壤微生物数量和土壤酶活性。采用“S” 形 5 点取样法取 0~20 cm 根际土样，混匀后，从中取一部分自然风干用于测定土壤酶活性，再从中取一部分装入无菌袋，密封后于 4 ℃条件下保存，用于测定微生物数量。5 月 10 日测定西瓜单瓜质量和品质指标。

　　土壤速效磷含量采用 NaHCO3-钼锑抗比色法测定，速效钾含量采用火焰光度计比色法测定，有机质含量采用重铬酸钾容量法测定[10]，铵态氮和硝态氮含量采用全自动间断化学分析仪 Smartchem200 (意大利产)测定;土壤细菌、真菌、放线菌和微生物总量采用稀释平板计数法测定[11];土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和过氧化氢酶活性分别采用 3,5-二硝基水杨酸比色法、靛酚比色法、磷酸苯二钠比色法和高锰酸钾(KMnO4)滴定法测定[12]。单瓜质量采用河北信腾生物科技有限公司生产的型号为 XT-B 的电子天平称量，皮厚用游标卡尺测量，西瓜中心可溶性固形物和边际可溶性固形物采用浙江托普仪器有限公司生产的型号为 LB50T 的测糖仪测定，有机酸含量采用氢氧化钠(NaOH)滴定法测定[13]。每个指标均进行 3 次重复，取平均值。

　　1.4 数据统计与分析

　　采用 Excel 2007 软件处理试验数据，利用 DPS 6.55 软件进行方差分析。

　　2 结果与分析

　　2.1 辣椒秸秆还田对西瓜根际土壤养分含量的影响

　　由表 1 得出，辣椒秸秆还田能够增加西瓜根际土壤速效磷、速效钾、铵态氮、硝态氮和有机质含量，且不同秸秆还田量的影响不同。其中，速效磷、速效钾、铵态氮、硝态氮含量随秸秆还田量的增加均表现出先升高再降低的单峰变化规律，除 L300 处理下上述指标与对照差异不显著外，L600、L1100、 L1800 均与对照差异显著(P<0.05)。L1100 处理下速效磷、速效钾、铵态氮、硝态氮含量最高，较对照分别增加 13.86%、19.50%、51.29%、41.73%，表明该处理下的秸秆还田量较其他 3 个处理更有利于上述养分指标含量的提高，也说明土壤养分与秸秆还田量并非呈正比。随着秸秆还田量的增加，西瓜根际土壤有机质含量呈现逐渐上升的态势，且在 L1800 处理下最高，L1100 处理次之，但二者差异不显著(P>0.05)。

　　2.2 辣椒秸秆还田对西瓜根际土壤微生物数量的影响

　　由表 2 可以得出，辣椒秸秆还田处理下的西瓜根际土壤细菌、放线菌、真菌和根际微生物总量均高于不还田处理。随着秸秆还田量的增加，西瓜根际土壤细菌、放线菌、真菌和根际微生物总量均呈现先升高再降低的单峰变化规律，在 L1100 处理下最大，较对照分别增加 76.88%、60.70%、33.79%、 42.80%，说明秸秆还田可有效增加西瓜根际土壤微生物数量，但并不是秸秆还田量越大，根际土壤微生物数量就越多。4 个处理的细菌数量和微生物总量均与对照差异显著(P<0.05);除 L300 处理外， L600、L1100、L1800 处理的放线菌和真菌数量均与对照差异显著(P<0.05)。另外，从表 2 还可以得出，西瓜根际土壤细菌数量最多，放线菌次之，真菌最少，可见细菌为微生物菌群中的优势菌。

　　2.3 辣椒秸秆还田对西瓜根际土壤酶活性的影响

　　由表 3 可以看出，辣椒秸秆不同还田量对西瓜根际土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和过氧化氢酶活性的影响存在差异。随着辣椒秸秆还田量的增加，西瓜根际土壤蔗糖酶活性呈现逐渐升高的变化趋势，在 L1800 处理下活性最高，为 12.50 mg/(g·d)，说明秸秆还田能够增加西瓜根际土壤有机碳的积累和转化。蔗糖酶活性在 L300 处理下较对照增加 4.47%，L600 较 L300 增加 5.18%，L1100 较 L600 增加 25.27%， L1800 较 L1100 增加 6.84%， L1800 处理下蔗糖酶活性虽然呈升高趋势但增幅却呈下降趋势。与对照相比，4 个秸秆还田处理的西瓜根际土壤脲酶和磷酸酶活性均升高，最大值均出现在 L1100 处理下，较对照分别显著增加 32.65%、24.66%，表明秸秆还田能提高西瓜根际土壤脲酶和磷酸酶活性，为土壤增加氮源和磷素。4 个秸秆还田处理下的过氧化氢酶活性均高于对照，且均与对照差异显著(P<0.05)，在 L600 处理下值最大[2.59 mL/(g·d)]，但 L1100 与其差异不显著(P>0.05)。

　　2.4 辣椒秸秆还田对西瓜品质的影响

　　由表 4 可知，与对照相比，4 个秸秆还田处理均提高了西瓜单瓜质量,其中 L1100 处理下值最大， L1800 处理次之，但二者差异不显著(P>0.05)，较对照分别提高 37.77%、28.72%，说明秸秆还田可显著提高单瓜质量，有利于后期单产的提高。L300、L600、L1100 处理下西瓜皮厚与对照差异不显著(P>0.05)，L1800 处理较对照显著增加 23.94%。西瓜中心可溶性固形物和边际可溶性固形物含量均随秸秆还田量的增加呈现先增后降的单峰变化规律，在 L1100 处理下最大，较对照分别增加 9.85%、 30.57%，表明秸秆还田在提高西瓜中心糖度的同时，更有利于西瓜边际糖度的提高。中边差以 L1100 处理下值最小，表明该处理可减少西瓜的甜度梯度，增加口感。秸秆还田能够提高西瓜果实有机酸含量，且以 L1100 处理下相对较低。综合而言，L1100 处理下秸秆还田量可显著提高西瓜单瓜质量，增加西瓜甜度，改善西瓜品质。

　　3 结论与讨论

　　秸秆还田对增加农田土壤肥力、减少化肥用量、提高保水保肥能力、改善土壤理化性质等有重要作用。邹清祺等[14]研究指出，小麦秸秆还田量可显著提高玉米茬土壤速效磷和速效钾含量，且以秸秆粉碎还田效果最佳。施骥等[15]研究认为，随着水稻和玉米秸秆还田量的增加，田间土壤速效磷和速效钾含量呈上升趋势。本试验结果表明，西瓜根际土壤速效磷和速效钾含量随辣椒秸秆还田量的增加呈现先升高后降低的变化规律，且在秸秆还田量 16 500 kg/hm2 时值最大，试验结果与前人研究结论并不完全一致，这可能与不同试验设置的秸秆还田量、土壤自身理化性质等多种因素有关。本试验条件下，辣椒秸秆还田量达到 27 000 kg/hm2 时，西瓜根际速效磷和速效钾含量开始下降，这应该是因为秸秆还田量过高时，土壤微生物所在的微环境发生改变，微生物数量减少、微生物活动产生的酶活性也降低，使秸秆腐解的速率下降，秸秆中养分向土壤中释放的速率也随之降低。硝态氮和铵态氮是土壤中速效氮的 2 种主要形态，它们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无机氮肥。本试验结果表明，秸秆还田可以增加土壤中铵态氮和硝态氮的含量，但在秸秆还田量 0~16 5000 kg/hm2 时，铵态氮和硝态氮含量增加，而当秸秆还田量达到 27 000 kg/hm2 时却降低。这是因为，土壤中的氮素只有经过微生物的分解、矿化才能成为可被根系吸收利用的速效氮[17]，而微生物的分解、矿化作用又与被降解的底物有关。当被降解底物含量不超出一定阈值时，微生物通过矿化作用向土壤中释放无机氮;当被降低底物含量超出一定阈值时，微生物为了维持正常的代谢活动必须从土壤中吸收无机氮素[18]。本试验中，辣椒秸秆还田量为 27 000 kg/hm2 时，土壤铵态氮和硝态氮含量不升反降，是因为秸秆添加量过高，微生物在分解秸秆时与土壤争氮所致。土壤有机质是衡量土壤肥力和土壤质量的重要指标，而作物秸秆因含有丰富的半纤维素、纤维素、木质素等物质常被作为土壤有机质的重要来源。前人研究表明，秸秆还田能够有效提高土壤的有机质含量，培肥地力，改善土壤质量[19]。本试验结果表明，辣椒秸秆还田能够显著提高西瓜根际土壤有机质含量，且有机质含量随秸秆还田量的增多而增加，这与秸秆还田引起的“激发效应”有关，秸秆还田后刺激微生物分泌腐解秸秆的胞外酶，使秸秆逐渐被分别为可被利用的有机碳[20]。

　　土壤微生物为土壤养分转化与循环过程提供动力，在有机质分解及腐殖质形成过程中起重要作用 [21]。细菌、真菌、放线菌是土壤微生物的三大主要菌类，其中细菌是土壤微生物的主体，占土壤微生物总量的 70%～90%，对秸秆的分解有重要作用;真菌对有机物料的降解和腐殖化有重要影响[22];放线菌对木质素的分解起重要作用。李纯燕等[23]研究得出，秸秆粉碎后深翻能有效增加土壤真菌、细菌和放线菌数量。徐蒋来等[24]研究得出，水稻小麦周年轮作种植全田秸秆 50%的还田量有利于土壤细菌、放线菌数量的增加，而 75%的还田量有利于土壤真菌数量的增加。高日平等[25]研究指出，玉米田秸秆总量 50%的还田量有利于玉米全生育期土壤微生物数量的增加。本试验结果表明，与对照相比，4 个秸秆还田处理下的根际土壤细菌、真菌、放线菌数量均得到提高，试验结果与前人一致。另外，本试验结果还表明，西瓜根际微生物数量并不随秸秆还田量的增加而保持上升趋势，而且在秸秆还田量为 16 500 kg/hm2 时根际土壤细菌、真菌、放线菌和根际微生物总量值最大，继续增加秸秆还田量至 27 000kg/hm2 时上述指标均降低，这可能是因为秸秆还田能够为微生物生长提供充足的碳源，进而对微生物数量及微生物区系产生影响[26]。当秸秆还田量在适宜范围内时，充足的碳源刺激微生物的大量繁殖，而当秸秆还田量过大时提高了土壤中的 C/N，迫使微生物在进行生命活动时必须从土壤中争夺氮素，氮素的缺乏降低了微生物的代谢水平，从而抑制微生物数量的增加[27]。另外，土壤含氧量的降低能够在一定程度上抑制好氧微生物的繁殖。秸秆还田量过大会使土壤生态环境与外界物质交换的能力受阻，可使土壤中氧气含量降低。同时，有研究表明，秸秆还田能够提高土壤呼吸速率[28]，还田量过高的土壤呼吸速率过大，进一步降低土壤含氧量，从而抑制土壤微生物数量的增加。

　　土壤酶是土壤生态系统的核心[29]，土壤酶活性在土壤能量转化及物质循环过程中有重要作用，能够反映土壤中各种生物化学反应过程的强弱[30]和预测土壤肥力的演变趋势。涂建平等[31]研究指出，秸秆还田较不还田处理能够显著提高蔗糖酶、脲酶等土壤酶活性。苏秦[32]研究认为，在麦玉轮作模式下进行秸秆还田能提高土壤酶活性，且土壤酶活性与秸秆还田量呈正比。路文涛等[33]通过秸秆还田试验研究得出，秸秆还田处理 0~60 cm 土层脲酶、酸性磷酸酶活性均低于不还田处理，且秸秆还田处理在 0~40 cm 土层的脲酶活性差异不显著。可见，不同试验条件下秸秆还田对土壤酶活性变化规律的影响并不完全一致，这可能与秸秆种类、还田量、还田模式、茬口、土壤质地及当地气候条件等多种因素共同作用有关。本试验条件下，辣椒秸秆还田量为 4 500、9 000、16 500 kg/hm2 时，可有效提高了西瓜根际土壤脲酶、磷酸酶和过氧化氢酶活性，而当秸秆还田量达到 27 000 kg/hm2 时上述酶活性又降低，这应该是因为适宜范围内的秸秆还田能够为微生物提供充足的营养物质，提高微生物活性，促进微生物繁殖，而土壤微生物数量的增加伴随着包括土壤酶在内的分泌物数量的增多，从而提高酶活性;当秸秆还田量过高时，致使土壤 C/N 失调，微生物繁殖受到抑制，数量减少，进而引起土壤酶等分泌物的减少[34]，酶活性也随之降低。蔗糖酶活性虽随辣椒秸秆还田量持续增加，但在还田量为 27 000 kg/hm2 时增幅明显减小，这应该也与土壤酶 C/N 失调致使微生物分泌土壤酶的数量减少有关。

　　单瓜质量大小直接影响单产的高低，瓜皮厚度直接关系到西瓜可食部分的多少，可溶性固形物含量和中边差是反映西瓜口感的重要指标之一，有机酸含量是影响果实品质的重要因素[35-36]。本试验条件下，辣椒秸秆还田量为 16 500 kg/hm2 时，西瓜单瓜质量最大，中心可溶性固形物、边际可溶性固形物含量最高，说明辣椒秸秆还田能够有效提高西瓜单瓜质量，改善西瓜品质。其原因应该是，秸秆还田增加土壤矿质元素含量，改善土壤肥水气热环境，提高西瓜根系活力，使叶片光合能力增强，光合产物的有效积累提高了单瓜质量、可溶性固形物含量等，从而提高产量、改善果实品质。本试验结果还表明，辣椒秸秆还田量为 16 500 kg/hm2 时，西瓜果肉中边差最小，瓜皮厚度与对照差异不显著，说明此秸秆还田量最有利于西瓜口感的提升，且在提高西瓜产量、改善品质的前提下，并未减少果肉在果实中的占比。