设施蔬菜在设施农业发展中扮演着极其重要的角色，是保障“菜篮子”供给的有效途径之一^[1]。因过分追求经济利益，设施条件下连续种植番茄引发的土壤障碍问题逐渐凸显，严重影响了番茄的产量和品质。无土栽培作为一种新型的栽培方式，因其省水、省工、省肥、节水、高效和环保等诸多优点，是实现高效农业的新途径^[2]。

目前，市场应用较广泛的基质仍是草炭、珍珠岩、蛭石等^[3]。草炭是一种不可再生的自然资源，大量开采会破坏湿地环境的稳定性，进而破坏生态环境^[4]。而各类有机废弃物开发潜力较大，作物秸秆等有机材料能为植物生长提供足够的养分，使农业资源实现其最大价值，有机混配基质是今后基质发展的一个重要方向^[5]。秸秆因其质地疏松多孔、营养丰富、价格低廉，成为替代草炭的理想原料^[6-7]。据统计，我国秸秆年产量占全球农作物秸秆总量的1/5^[8-9]。生物炭吸附养分离子以减少土壤有效态氮、磷、钾的流失，并通过解析作用缓慢释放养分从而更好地供给作物生长，在提升土壤质量、保持土壤肥力等方面发挥积极作用^[9-10]。室内研究发现生物炭可解析18%～31%的NH₄ ⁺，且降低养分淋溶^[10-13]。蚯蚓粪中有植物生长所需的氮、磷、钾等大量元素，锌等多种中微量元素^[13-15]。生物炭与秸秆联合施用显著提高了pH、有机质、全磷、速效钾含量，秸秆和生物炭联合施用可不同程度地改善土壤理化性质^[15-16]。郑文德等^[16]和马全会等^[17]研究了玉米秸秆基质块、复合添加蚯蚓粪和生物炭对促进黄瓜植株生长、改善基质物理特性、促进植株对基质养分吸收的影响，发现黄瓜增产效果显著。宁夏地处西北，干旱少雨、蒸发强烈，淡水资源匮乏，被动利用微咸水已成为当前农业生产的必须，可有效解决淡水资源匮乏以及维持作物生长。但在微咸水和淡水灌溉系统下将生物炭、蚯蚓粪添加到玉米秸秆基质中对基质养分的影响暂不清楚。

因此，本研究以玉米秸秆、秸秆 + 生物炭（质量比4∶1）、秸秆 + 蚯蚓粪（质量比1∶1）、秸秆 + 生物炭 + 蚯蚓粪（质量比2∶2∶1）为栽培基质，进行微咸水和淡水灌溉，系统研究不同玉米秸秆栽培基质下，微咸水和淡水灌溉对基质养分的影响，通过对农业废弃物的基质化利用，替代草炭，为设施番茄基质栽培配方研究及秸秆栽培下微咸水替代淡水灌溉提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料与设计方法

试验于2019年8月29日至2020年8月23日在宁夏吴忠国家农业科技园区日光温室C区4号棚进行。以单一玉米秸秆为对照（S），以秸秆 + 生物炭（SB，质量比4∶1）、秸秆 + 蚯蚓粪（SE，质量比1∶1）、秸秆 + 生物炭 + 蚯蚓粪（SBE，质量比2∶2∶1）为处理，上述处理均用尿素按照碳氮比为25∶1调节发酵，原位发酵49d后作为栽培基质进行栽培试验，灌溉采用淡水（f）和微咸水（b） 灌溉，共8个处理。番茄品种为安特莱斯，购买于宁夏天缘种业有限公司，采用下挖槽式栽培，栽培槽长、宽、高为10m×0.6m×0.45m，双行栽培，行距70cm，株距45cm，每个处理3次重复，小区面积6m²，采用随机区组排列。所有处理均采用滴灌，全生育期追肥以色列海法宝和魔力丰（NPK），所有处理灌水量和追肥量一致。玉米秸秆来源于宁夏石嘴山市平罗县当地农户，秸秆完全风干后切割成1～3cm均匀大小。蚯蚓粪购买于华盛绿能（宁夏）农业科技有限公司。生物炭是玉米秸秆经过炭化得到的。各处理化学性质见表1，微咸水的电导率（EC）为3mS/cm，淡水的EC为1.148mS/cm。

1.2 样品采集和测定方法

基质容重、通气孔隙度、持水孔隙度采用环刀法测定^[17-18]。pH采用电位计测定，EC采用电导法测定^[18-19]；总有机碳（TOC）含量采用重铬酸钾-硫酸氧化法测定；总氮（TN）含量采用H₂SO₄-H₂O₂ 消化-半微量凯氏定氮法测定；总磷 （TP）含量采用H₂SO₄-H₂O₂ 消化-钼锑抗比色法测定；总钾（TK）含量采用H₂SO₄-H₂O₂ 消化-火焰光度法测定；土壤速效氮（铵态氮和硝态氮）含量采用凯氏定氮法测定；土壤有效磷含量采用钼锑抗比色法测定；土壤速效钾含量采用火焰光度法测定^[19-20]。基质样品风干后过0.25mm筛，将待测样品用HNO₃ 在360℃下消煮后，由ICP光谱仪一次性测出养分。

1.3 数据分析

所有数据重复3次，采用SPSS 20.0对试验数据进行方差分析及主成分分析，并采用Duncan法进行多重比较。使用Origin 2019进行作图，数据均为平均值 ± 标准差，用不同字母表示各处理间差异显著（P<0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉水对玉米秸秆复合基质理化特性的影响

由图1可知，夏秋茬，淡水灌溉下，其他处理较S_f 处理显著增加了基质容重。S_b、SE_b、SB_b 处理基质容重高于S_f、SE_f、SB_f 处理，且相同灌溉水下SE和SB处理显著高于S处理，淡水和微咸水灌溉下SE和SB处理分别显著高于S处理152.38%、119.05%和26.19%、9.52%，SBE处理容重在不同灌溉水下无显著差异。冬春茬，相同基质不同灌溉水下基质容重无显著差异，但相对于S处理，SB和SBE处理在淡水和微咸水灌溉下均显著增加基质容重；夏秋茬，淡水灌溉下，S_f 处理通气孔隙度最大，SBE_f 处理通气孔隙度最小；微咸水灌溉下， SE_b 处理通气孔隙度显著高于SB_b 和SBE_b 处理。冬春茬，S处理通气孔隙度仍最大，淡水灌溉下显著高于SB_f 处理，微咸水灌溉下显著高于SBE_b 处理，其他处理间无显著差异。

注：柱上不同小写字母表示各处理间差异显著（P<0.05）。下同。

由图2所示，夏秋茬，除SE_f、SE_b 处理外，不同灌溉水对其他处理基质持水孔隙度有显著影响， SB_b 和SBE_b 处理显著高于SB_f 和SBE_f 处理；淡水灌溉下，SB_f 处理的基质持水孔隙度显著低于S_f 处理，其他处理与S_f 无显著差异；微咸水灌溉下， SE_b、SB_b、SBE_b 处理持水孔隙度显著高于S_b 处理81.83%、108.91%、130.02%。冬春茬，不同灌溉水对基质持水孔隙度无显著性影响，淡水灌溉下和微咸水灌溉下，相对S处理，其他处理基质持水孔隙度无显著差异，但相比SE处理，SB在不同灌溉水下均显著降低基质持水孔隙度。夏秋茬，除SBE外，微咸水灌溉相对淡水灌溉显著增加了基质含水量，且在淡水灌溉下相比S_f，其他处理均显著增加了基质含水量，微咸水下SE_b 和SB_b 显著增加基质含水量；冬春茬，微咸水灌溉相对淡水灌溉显著增加了基质含水量，且淡水灌溉下，相比S_f 处理， SB_f 和SBE_f 处理显著增加基质含水量，微咸水灌溉下，相比S_b，其他处理均显著增加基质含水量。

2.2 不同灌溉水对玉米秸秆复合基质化学特性的影响

由表2可知，夏秋茬，总体来说，相同基质下，不同灌溉水对基质全氮、全磷含量和pH、EC无显著差异。微咸水相对淡水灌溉，显著降低了S_b 和SE_b 基质有机质含量，分别降低了88.47%和60.62%，增加其有效磷和速效钾含量，分别增加了50.93%、65.77%和56.03%、22.21%。SB_b 处理显著降低了基质全钾、速效钾含量，增加了其速效氮含量93.39%。SBE_b 处理显著增加基质有机质、全钾、有效磷和速效钾含量，分别增加了136.93%、19.81%、 99.96%和38.92%。淡水灌溉下，相比S_f 处理，SE_f、 SB_f 和SBE_f 处理显著降低了基质有机质、速效氮含量，增加全钾含量，分别增加了47.22%、69.77%、 18.79%；且SE_f 相比S_f 处理显著增加了基质全磷、有效磷含量，分别增加了55.12%、20.44%，降低了速效钾含量，SB_f 相比S_f 处理增加速效钾含量，增加了89.14%；SBE_f 处理有机质、速效氮、有效磷、速效钾和EC最低，pH最高。微咸水灌溉下，相比S_b 处理，SE_b 处理显著增加基质全氮、速效氮、有效磷含量，分别增加了32.26%、79.57%、32.29%； SB_b 处理增加基质全磷、速效氮含量，分别增加了21.79%、151.61%；但降低基质有效磷和速效钾含量，SBE_b 处理显著增加基质全磷含量，增加了25.68%，降低基质速效氮和速效钾含量。

冬春茬，总体来说，相同基质下，不同灌溉水对全氮、全磷和pH无显著影响。微咸水相对淡水灌溉，显著增加S_b 处理速效氮、pH、EC，分别增加了31.68%、1.80%、60.24%，显著降低SE_b 处理全磷含量，增加基质速效钾、有效磷含量，分别增加了93.78%、50.64%，显著降低SB_b 处理有机质，增加有效磷含量，增加了144.96%，显著增加SBE_b 处理有机质、速效钾和EC，分别增加了35.19%、 42.16%和31.88%。淡水灌溉下，相比S_f 处理，SB_f 处理显著增加基质有机质、速效氮、速效钾含量， SE_f 处理显著增加全磷、全钾、速效氮含量，降低EC，SBE_f 处理显著增加速效氮、速效钾含量。微咸水灌溉下，相比S_b 处理，SE_b 处理显著增加有效磷含量，降低EC，SB_b 处理显著增加有机质、速效钾含量，降低EC，SBE_b 处理显著增加速效钾含量，降低EC。

2.3 不同灌溉水对秸秆复合基质大量元素和中微量元素含量的影响

由表3可知，夏秋茬，相同基质下，不同灌溉水对微量元素镍、铁、锰和铬的含量无显著差异，除S处理外，其他处理镁含量无显著差异，微咸水灌溉降低SE_b 和SB_b 处理钙含量，分别降低了42.79%、53.03%；SBE_b 处理磷含量降低了15.93%；SB_b 处理钾含量降低了37.52%。淡水灌溉下，相比Sf处理，其他处理显著降低基质硫含量，增加镁含量，SBE_f 处理显著降低钙含量，增加磷含量，SEf处理降低钾含量，相比Sf处理，其他处理增加锰含量，但对其他微量元素无显著影响。

冬春茬，相同基质下，不同灌溉水对微量元素无显著影响，对大量元素有显著影响，微咸水相对淡水灌溉下SBE_b 处理显著增加基质磷和钾含量，分别增加了16.49%和37.48%，且SBE_b 处理增加钙含量，增加了116.74%。淡水灌溉下，相比S_f 处理，SE_f 处理显著增加基质钙、磷和镍含量；SB_f 处理显著增加基质硫、锰含量，降低钾、镁含量； SBE_f 处理显著增加磷含量，降低钾含量。微咸水灌溉下，相比S_b 处理，SE_b 处理显著降低基质钙、硫、钾含量；SB_b 处理显著降低钙、钾含量；SBE_b 显著降低硫含量，增加磷、钾、铁含量。

2.4 两茬养分指标的主成分分析

由表4可知，提取3个主成分，夏秋茬，PC1、 PC2、PC3方差贡献率分别为40.380、21.738和17.077，累积贡献率为79.195。冬春茬3个主成分贡献率分别为36.979、21.197和17.864，累积贡献率76.040。表明这3个主成分包括了样品中80%左右的信息，具备一定的代表性。由图3可知，夏秋茬（图3a）中X轴和Y轴分别解释差异的50.82%和23.02%，有机质、pH、EC和速效氮、有效磷、速效钾、全磷含量均是差异的主要贡献指标。各基质微咸水和淡水灌溉在PC2上显著区分开，且在淡水灌溉下，SBE_f 处理与其他基质在PC1上显著区分开来，在微咸水灌溉下SBE_b、SE_b 与S_b 处理在PC1上显著区分开，淡水灌溉下基质有机质、速效氮和速效钾含量较高，微咸水灌溉下基质EC、速效养分含量较高。冬春茬（图3b）中X轴和Y轴分别解释差异的45.87%和23.52%，有机质、速效氮、有效磷、速效钾和全磷含量仍是差异的主要贡献指标。微咸水灌溉与淡水灌溉下的SE_f 和SB_f 处理在PC2上存在显著差异，且在微咸水灌溉下SB和SBE处理与S处理在PC1上存在显著差异，淡水灌溉下各基质处理具有较高的全磷、全钾、有效磷含量，微咸水灌溉具有较高的铬、有效磷、速效钾含量。

注：数据表示平均值 ± 标准误，同列数据的不同字母表示各处理间差异显著（P<0.05）。下同。

注：a为夏秋茬，b为冬春茬。

3 讨论

基质栽培是克服土壤连作障碍的有效措施，已成为我国无土栽培发展的主要形式。开发和利用来源广泛、价格低廉、对环境无污染和便于规模化商品生产的新的基质材料已成为当前设施蔬菜领域内的热点。

本试验中，总体来说，相同基质下，夏秋茬和冬春茬，不同灌溉水下基质容重、持水孔隙度、含水量呈增加趋势，微咸水灌溉下有增加效果，但增加效果在两茬中呈降低趋势；冬春茬下通气孔隙度较夏秋茬呈增加趋势；微咸水灌溉降低了基质通气孔隙度，但降低效果在两茬中呈降低趋势。由于微咸水中含有一定的盐分离子，当入渗进入土壤后，各种盐分离子往往会与土壤胶体发生物理化学作用，改变土壤化学组成、土壤结构及孔隙特征，进而影响土壤入渗特征^[20]。秸秆复合基质添加蚯蚓粪、生物炭增加基质含水量和持水孔隙度。这是因为生物炭质地疏松，具有较高的孔隙度，施用后可显著改善土壤团聚体组成，降低土壤容重，增加总孔隙度，继而改善土壤的通气性和透水性^[21]。蚯蚓粪肥本身具有较土壤更好的含水量和持水能力，徐月明等^[22]研究表明，连续两年在土壤中添加蚯蚓粪肥可显著改善土壤孔隙度和团聚体稳定性。Sf处理在淡水灌溉下显著提高了基质的通气孔隙度。这是因为秸秆添加生物炭、蚯蚓粪后加大了秸秆降解发酵，从而降低基质通气孔隙^[23]。

土壤有机质、速效氮、有效磷和速效钾含量是评价土壤肥力的重要指标。本试验中，冬春茬下基质的有机质、全氮含量和pH较夏秋茬呈升高趋势，冬春茬下基质全钾、速效养分含量和EC较夏秋茬呈降低趋势。由于生物炭本身呈碱性，加之灌溉微咸水，导致pH升高。生物炭具有多孔结构、大表面积和较高的阳离子交换能力，可降低土壤含盐量，减缓盐胁迫，其极强的吸附能力及较高浓度的交换性Ca²⁺/Mg²⁺，可将盐碱土壤中的可溶性盐离子吸附住，且能把土壤胶体吸附的Na⁺ 代换下来，以实现降低土壤可溶性盐含量和碱化度的目的^[24]，故降低了EC。夏秋茬，总体来说，淡水灌溉下基质有机质含量高于微咸水灌溉，除SB_b 处理外，微咸水灌溉下有效磷、速效钾含量和EC高于淡水灌溉，是由于微咸水灌溉后导致EC增高。适量的生物炭还田能提升土壤pH，提升耕层土壤的氧化还原电位，降低还原物质总量，改善土壤有效养分的供应^[25]。相比S处理，连续两茬后，SB_f 处理显著增加有机质、速效钾含量，因生物炭可提高土壤有机质含量，降低土壤中的养分淋溶和固定损失，从而提高肥料的利用率^[26]。生物炭含有一定量的矿质养分，可有效增加土壤中氮、磷、钾等元素含量，还可有效吸附水分和营养物质，有利于提高和保持土壤肥力。SE处理显著增加了基质速效氮、全磷、全钾含量，降低基质EC。适量添加蚯蚓粪可提高基质氮、磷、钾供给能力，改善土壤pH，增加土壤中有机质、硝态氮、有效磷含量和溶解有机碳含量，同时提高土壤酶活性及土壤微生物生物量，提高土壤综合肥力，为作物提供良好的生长环境^[27-29]。基质钙、硫、磷、镁元素含量随茬口变化呈升高趋势，其他元素含量随茬口变化规律不明显。由于作物对营养元素的吸收具有偏好性，尤其对中、微量元素的吸收有特定规律，多年种植必然会使土壤中某些元素亏缺或积累，从而对土壤和作物有一定影响。

本试验得出，冬春茬，Sb处理显著提高了基质钙、硫元素含量。研究表明，秸秆腐解过程中释放出的矿质营养元素能够补充土壤养分来维持土壤的农业生产力^[30]。前茬秸秆持续效应也会促进后茬的养分吸收。冬春茬下SBE_b 处理显著提高了基质磷、钾、镁、铁元素的含量。蚯蚓粪除了富含植物必需的氮、磷、钾等大量营养元素以外，还含有锰、铁、硼、铜等多种微量元素^[31]。微咸水灌溉下添加生物炭和蚯蚓粪对基质养分含量影响不同，一是不同农业废弃物基质原料复配后基质理化性状差异较大，植株对养分的吸收利用出现差异；二是不同配方基质的根际环境不同。

4 结论

（1）夏秋茬，微咸水灌溉相对淡水增加了基质容重，添加蚯蚓粪和生物炭也增加了基质容重，降低了基质的通气孔隙度；冬春茬，相同基质不同灌溉水下基质容重无显著差异，添加生物炭增加了基质容重，降低了基质通气孔隙度。

（2）相同基质下，不同灌溉水对基质全氮、全磷含量和pH无显著影响。微咸水相对淡水灌溉，在夏秋茬显著降低了S_b 和SE_b 处理基质的有机质含量，两茬均增加了有效磷和速效钾含量。淡水灌溉下，添加蚯蚓粪和生物炭不同程度增加了基质的速效养分含量，SBE_f 处理降低了有机质含量和EC，增加了pH。

（3）相同基质下，不同灌溉水对基质微量元素无显著影响，但对大量元素有显著影响，冬春茬，SB_b 和SBE_b 处理显著增加了基质磷和钾含量， S_b 处理显著增加了钙含量，添加蚯蚓粪显著增加了基质磷含量，降低了钾含量，SBE处理增加了磷含量，降低了钙、钾含量。夏秋茬，微咸水灌溉降低了SE_b 和SB_b 处理下的钙含量、SBE_b 处理下的磷含量、SB_b 处理下的钾含量。

参考文献