有机氮替代化肥氮对设施菠菜品质·土壤肥力及根际细菌群落的影响

谢瑞斌 李婷婷 刘平

摘要  為明确有机肥替代化肥对菠菜生长的影响，以等氮量替代为原则，设置配方施肥和有机肥等氮替代不同比例化肥处理，通过大田试验研究有机氮肥替代化肥氮对设施菠菜产量、品质、土壤肥力和根际细菌群落的影响。结果表明，有机肥替代20%最有利于提升菠菜的产量和品质，鲜干重、维生素C和可溶性糖含量均显著高于配方施肥处理。有机肥替代可显著增加土壤的pH、有机质、全氮、有效磷和速效钾含量，显著降低土壤的容重。有机氮肥替代比例为20%～80%时，土壤碱解氮含量均显著低于配方施肥处理。施用有机肥可显著增加土壤细菌的α多样性，降低其β多样性。菠菜有机酸含量和土壤碱解氮含量对β多样性贡献率最高，分别为12.80%和-4.71%。施用有机肥可提高好氧菌群、耐胁迫菌群等有益菌群的相对丰度，但也会增加潜在致病菌群的相对丰度。综上，有机氮肥部分替代化学氮肥可改善菠菜品质，提升土壤肥力和抗性。

关键词  有机肥；菠菜；等氮替代；土壤肥力；细菌群落

中图分类号  S153   文献标识码  A   文章编号  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

设施蔬菜中过量施用化肥虽然可以保障蔬菜营养吸收，但难以达到高效、高产，同时会破坏土壤环境，导致施用成本的增加、环境的污染、土壤的退化等一系列问题［1-2］。随着绿色农业的发展，施肥理念也随之发生了变化。有机肥替代化肥可增产增收，产品绿色健康，是提高蔬菜品质的重要途径［3-4］。在设施蔬菜栽培中，有机肥替代化肥还能使土壤得到明显改良，从而增强作物抗病虫能力［5-6］。施用有机肥可有效促进绿色种养循环农业的发展，使畜禽粪便的利用率得到明显提高，为农业可持续发展提供强有力的技术支撑与保障，实现作物增产、农民增收、农业增效的发展目标［7-8］。但由于有机肥的肥源不同，其养分含量存在差异，对土壤的地力改善效果差异较大［9］，因此，确定施用过程中有机肥替代化学氮肥的合理比例是实现作物增产和氮利用效率提高的关键。笔者以设施菠菜为材料，研究畜禽粪便腐熟的有机肥替代化肥的可行性及其对菠菜生长发育、品质、土壤理化性质以及根际细菌群落的影响，为探索适合长江中下游地区设施菠菜高产优质的施肥技术提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验点位于海安市霞山家庭农场（120312 737°E，32.413 364°N）。试验时间为2021年11月5日至2022年1月5日。供试土壤为设施潮土，试验前0～20 cm土壤pH、EC值分别为7.09和26.91 μS/cm，土壤中有机质、全氮、全磷、全钾、硝酸盐、有效磷及速效钾的含量分别为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。供试菠菜品种为尖叶菠菜，生育期为55～60 d。

1.2 试验设计

设配方施肥（18-5-18复合肥1 200 kg/hm2）（CF）、有机肥等氮量替代20%化肥（OM20）、有机肥等氮量替代40%化肥（OM40）、有機肥等氮量替代60%化肥（OM60）、有机肥等氮量替代80%化肥（OM80），有机肥等氮量替代100%化肥（OM100）6个处理，每个处理3次重复，随机区组排列，区组内土壤、地形等条件保持相对一致。有机肥为海安市当地有机肥公司生产的商品有机肥，养分含量：有机质31.3 g/kg，氮（N）16.1 g/kg，磷（P2O5）13.5 g/kg，钾（K2O）15.7 g/kg。

试验前将土地平整，左右各设置0.5 m的保护行，前后各设置1.5 m的保护行用于机械作业。各小区面积为4 m×7 m，小区之间采用塑料膜隔开，埋深50 cm，避免小区间肥水相互渗透。每个小区3次重复，随机区组排列。田间管理同一般设施菠菜。

1.3 测定项目与方法

在菠菜采收期测定不同处理的株高、主根长，测定单株鲜重、干重。在每个小区选取10株长势一致的植株，利用分光光度计测定整个植株的叶绿素含量。采用2，6－二氯靛酚滴定法测定不同施肥量处理下2个菠菜品种的维生素Ｃ含量，采用蒽酮比色法测定可溶性糖含量，采用分光光度法测定草酸含量和硝酸盐含量。土壤养分测定参照鲍士旦［10］的方法。

土壤微生物特征测试方法：无菌环境条件下，取菠菜根际土壤10 g，放入10 mL的冻存管中，用封口膜封住，置于液氮中过夜，第二天将冻存管取出，立刻置于干冰中。每个处理设3个平行，共计6组18个样品。从样本中提取基因组DNA后，用带有barcode的特异引物扩增16S rDNA的V3 + V4区，构建测序文库，Illumina上机测序。基于OTU、丰度数据，开展物种注释、物种组成分析、指示物种分析、α多样性分析、β多样性分析、群落功能预测。

1.4 数据分析

试验数据用Microsoft Excel整理，SPSS 23.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 菠菜生长发育

由表1可知，OM20（有机肥替代氮肥20%）处理下菠菜生长的株高最高，且CF（优化配方施肥）与OM20之间差异显著。除主根长外，单株鲜重、单株干重均在OM20处理下最大，说明有机肥替代20%化学氮肥时，最有利于植株的生长，可增加菠菜产量。所有处理中，OM40的主根最长，但各处理之间差异不显著。菠菜叶绿素含量总体呈随着有机肥的替代比例增加而减少趋势，仅OM20和OM40这2个处理的叶绿素含量显著高于其他处理。

2.2 菠菜品质

由图1a可知，OM20处理下菠菜的维生素C含量最高，随着有机肥替代比例的增加，维生素C的 含量有下降趋势，但其他各处理差异不显著，表明适量施用有机肥有利于维生素C含量的积累。有机肥最佳替代比例为20%。

由图1b可知，可溶性糖含量在有机肥替代比例为20%时最高，随着有机肥替代比例增加，有降低趋势。由图1c可知，配方施肥处理（CF）的草酸含量最高，随着有机肥替代比例的增加，草酸含量有下降趋势，但各处理间差异不显著。菠菜硝酸盐含量低于432 mg/kg为正常。由图1d可知，配方施肥处理中菠菜硝酸盐含量最高，有机肥替代氮肥后能显著降低菠菜硝酸盐的含量，且硝酸盐含量随着替代比例的增加而降低。

2.3 土壤养分特征

有机肥替代化学氮显著改变土壤理化性质。由表2可知，随着有机肥替代比例的增加，土壤中有机质呈上升趋势，有机肥替代20%～100%处理与CF相比显著增加，有机肥替代100%处理的土壤有机质含量最高，比CF增加了30.49%。土壤中的全氮含量随有机肥替代比例的增加呈波动趋势，有机肥替代100%处理全氮含量最高。有机肥替代处理的土壤中有效磷含量与CF相比均显著上升，但有机肥替代处理的有效磷含量无显著差异，均值为28.77 mg/kg。

有机肥替代处理的土壤中碱解氮含量和CF相比呈先减少后增加的趋势，有机肥替代20%处理土壤中碱解氮含量最低，与CF相比下降了12.24%，有机肥替代100%处理土壤中的碱解氮含量最高，与CF相比增加了2.46%。有机肥替代处理土壤中的速效钾均显著增加，但有机替代80%处理的土壤中速效钾含量最高，比CF上升了16.58%。

2.4 土壤pH和容重

不同的有机肥替代比例对菠菜土壤pH有不同的影响。图2表明，CF处理的土壤pH最低为696，OM20处理的土壤pH最高为7.09。不同的有机肥替代土壤的pH总体呈下降趋势，OM80和OM100与CF处理均无显著差异。随着有机肥替代比例的增加，土壤容重呈下降趋势。CF处理的土壤容重最高，为1.37 g/cm3，OM80和OM100处理的土壤容重最低，为1.25 g/cm3左右。

2.5 土壤根际微生物

由图3可知，施用有机肥能显著提高菠菜根际土壤微生物丰度，除OM80处理外，其他有机肥替代化学氮处理的细菌多样性均高于配方施肥处理土壤。各处理中，优势菌门主要为变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、放线菌门（Actinobacteria）、髌骨细菌门（Patescibacteria）、浮霉菌门（Planctomyoetes）等。优势菌门在有机肥替代的各处理中丰度所占的比例有差异，如OM80的处理中变形菌门（Proteobacteria）的相对丰度显著高于其他处理。OM100处理土壤中的细菌α多样性显著高于配方施肥处理，但β多样性显著低于配方施肥，表明有机肥替代100%处理的细菌群落多样性高，且群落结构更稳定。各处理之间的指示属差异较大（图4a），有机肥替代100%处理和配方施肥2个处理间的指示属分别为Solitalea和Luteolibacter（图3e）。

相关性分析表明（图4b），草酸对菠菜土壤根际细菌β多样性贡献率最高，为12.80%，其次碱解氮，为-4.71%，表明根际土壤中有机酸含量越高，细菌群落结构越不稳定，而碱解氮含量越高，细菌群落越稳定。

群落功能預测结果表明（图5），好氧菌群、潜在致病菌群和耐胁迫菌群的相对丰度随着有机肥替代比例的增加而增加，厌氧菌群相对丰度随着有机肥替代比例增加而降低。有机肥替代化肥不仅能提高有益菌群如好氧菌群和耐胁迫菌群的丰富度，也会提高土壤携带易致病菌群的风险。

3 讨论与结论

3.1 有机氮肥替代化学氮肥对菠菜生长发育和品质的影响

有机肥含有功能菌，功能菌的快速繁殖可优化土壤微生物种群结构，增强土壤酶活性，活化土壤养分，提高根系活力，促进根系对营养元素的吸收利用，提高作物产量和品质。研究发现，有机肥替代化肥可促进水稻［11］、茶叶［12］、橘子［13］、辣椒［14］等农作物产量的增加和品质的提升。配施有机肥可通过提高植株的叶绿素含量进而增强作物的光合作用，有利于维生素C、有机酸、糖分和蛋白等物质的积累［15-16］。该研究结果表明，与当地习惯施肥相比，有机肥部分替代化学氮肥可增加鲜重、干重和主根长，提高菠菜维生素C和可溶性糖的含量，降低菠菜有机酸和硝酸盐含量，这与潘亚杰等［17］研究结果一致。其中，有机肥替代化学氮肥比例为20%时，植株生长发育最好，菠菜的品质最佳。

3.2 有机氮肥替代化学氮肥对土壤地力的影响

有机肥替代化肥最直接的影响是提升土壤的有机质含量，降低土壤的容重，但有机肥替代比例并不是越高越好［18］。有机肥替代20%最有利于水稻田土壤有机质含量、速效氮、速效磷、速效钾等含量的增加［19］，有机肥替代10%以内最有利于提高花椰菜的肥料利用率［20］，有机肥氮替代15%～30%的化学氮最有利于大蒜对养分的吸收［21］。该试验结果显示，当有机肥替代化学氮肥比例为80%时，有效态养分如有效磷、速效钾和碱解氮等含量最高，而替代比例为20%时有效态养分含量最低，表明有机肥替代20%时最有利于当季作物养分的吸收利用和品质的改善，但有机肥替代80%时最有利于设施土壤后续的地力培肥。

3.3 有机氮肥替代化学氮肥对根际土壤微生物的影响

施用有机肥能显著提高植株根际土壤中细菌的多样性［22］，从而更有利于活化土壤养分，提高根系活力，促进根系对营养元素的吸收利用，提高作物产量和品质，增强作物抗病和抗逆性［23］。与配方施肥相比，有机肥中的指示属Luteolibacter为根际土壤系统中的常见菌群［24］，配施有机肥可增加根际有益菌的相对丰度。施用有机肥可增加细菌群落的α多样性，但降低细菌群落的β多样性，表明施用有机肥可增加细菌群落结构的稳定性。但对不同作物不同土壤的研究结果不完全一致，江尚焘等［25］研究表明，施用有机肥可提高芒果根系内部的细菌多样性，而对土壤根际的细菌多样性无显著影响。土壤全氮、碱解氮等含量能够较好地解释门水平下土壤细菌组成的变异［26］。相关性分析表明，有机酸和碱解氮是影响土壤细菌群落构建的关键因素。

施用有机肥可改变土壤细菌群落中功能菌群的结构。该研究表明，施用生物有机肥能增加土壤好氧菌群和耐胁迫菌群的相对丰度，配施有机肥有利于改善土壤微生物的结构及土壤水分、营养、通气等环境条件，为土壤微生物提供了良好的生长环境，提高了土壤微生物的代谢能力，增加了土壤中的好氧菌群和耐胁迫菌群。此外，该研究还发现，施用有机肥处理的菠菜根际潜在致病菌群的相对丰富有所提升，其作用机制需要进一步研究。

综上，有机氮肥部分替代化学氮肥可改善菠菜品质，有机肥替代20%最有利于提升菠菜的产量和品质。有机肥替代能够提升土壤肥力，可显著增加土壤养分含量、降低土壤容重，显著增加土壤细菌的α多样性、降低β多样性，提高好氧菌群、耐胁迫菌群等有益菌群的相对丰度，但也会增加潜在致病菌群的相对丰度。

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基金项目   国家绿色种养循环农业试点县项目。

作者简介   谢瑞斌（1979—），男，江苏海安人，高级农艺师，从事土壤肥料研究。

通信作者，讲师，博士，从事土壤耕地质量提升、土壤生态学研究。