《Frontiers in Agronomy》：Integrated application of green manure and mushroom residue improves soil quality and carbon-nitrogen fraction, and pepper yield and quality
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本文综述了在设施辣椒栽培体系中，整合施用绿肥与菌渣可系统提升土壤养分（TN、TP、TK、AN、AP、AK、NH4+-N、NO3--N、SOC）、活性碳氮组分（DOC、DON、SIN、MBC、EOC）及有机碳储量，并揭示了其通过优化碳氮周转、激活微生物活性（MBC为关键因子）进而显著提高辣椒产量与品质（可溶性糖、可溶性蛋白、VC）的协同机制，为半干旱地区温室系统减肥增效与土壤健康可持续管理提供了优选方案。
摘要
温室蔬菜种植系统因集约化投入和有机物循环利用不足面临土壤退化挑战。绿肥和菌渣（蘑菇菌渣）作为重要的有机添加物，其单独施用效益已有研究，但二者协同效应对土壤肥力，特别是土壤碳氮组分及作物产量与品质的影响尚未被深入理解。本研究通过随机区组设计，设置了CK（对照）、GM（3000 kg ha-1绿肥）、MR（7500 kg ha-1菌渣）、GMS（3000 kg ha-1>绿肥+3750 kg ha-1菌渣）和GMMR（3000 kg ha-1绿肥+7500 kg ha-1菌渣）五个处理，探究了在温室条件下绿肥与菌渣联合施用对土壤特性和辣椒产质的影响。
1 引言
随着中国作物种植模式的转变，设施农业迅速扩张。然而，缺乏科学施肥实践常导致化肥过量施用，引发土壤退化、酸化和温室气体排放等一系列环境问题。绿肥作为一种传统有机改良剂，可改善土壤结构、增加孔隙度并通过根系分泌物刺激微生物活动。豆科绿肥还能贡献额外的生物固氮，部分替代化肥。同时，农业废弃物的利用已成为可持续农业的重要组成部分。例如，富含腐殖质和多种养分的菌渣能为土壤提供丰富的养分。但现有研究多聚焦于绿肥轮作或菌渣单施，关于二者在设施辣椒生产中协同施用的效果，尤其是在改善土壤理化性质、碳氮组分、团聚体稳定性及产量品质方面的交互作用，尚未得到充分探究。本研究旨在通过田间试验，揭示绿肥与菌渣整合应用对土壤碳氮过程、辣椒产质及二者间调控关系的影响，以期为农业废弃物资源化利用和设施农业绿色管理提供技术支持。
2 材料与方法
试验在2023至2024年于安塞区高桥镇（36°38’ N, 109°16’ E）的温室中进行。该地属半干旱温带季风气候。试验土壤为砂壤土。绿肥为紫云英地上部，菌渣为废弃菌包去除塑料膜后的菌渣。辣椒品种为延安大学纯8号。试验采用随机区组设计，各处理（CK、GM、MR、GMS、GMMR）重复三次，所有改良剂通过旋耕机混入0-20 cm土层。所有处理均施用常规化肥（180 kg N ha-1， 100 kg P2O5ha-1， 120 kg K2O ha-1）。在收获期采集土壤和植物样品，分析土壤理化性质、碳氮组分（如TN、TP、TK、AN、AP、AK、NH4+-N、NO3--N、SOC、DOC、DON、SIN、MBC、EOC）、碳储量及辣椒产量和品质指标（可溶性蛋白、可溶性糖、VC）。采用IBM SPSS Statistics 22进行统计分析，并使用R软件构建随机森林模型识别影响产量和品质的关键土壤因子。
3 结果
3.1 土壤理化性质
绿肥与菌渣的施用显著提升了土壤肥力，增加了全量和速效氮磷钾（TN、TP、TK、AN、AP、AK）、铵态氮（NH4+-N）、硝态氮（NO3--N）及土壤有机碳（SOC）含量，在0-10 cm和10-20 cm土层均显示出GMMR > GMS > MR > GM > CK的规律。例如，在0-10 cm土层，GMMR处理使TN、TP、TK、AN、AP、AK、NH4+-N、NO3--N和SOC分别比CK显著增加了17.9%、56.5%、27.2%、88.9%、34.5%、46.2%、53.0%、71.5%和26.4%。
3.2 溶解性有机碳、溶解性有机氮及土壤无机氮
土壤溶解性有机碳（DOC）、溶解性有机氮（DON）和土壤无机氮（SIN）含量在不同处理间差异显著，其含量在0-10 cm土层高于10-20 cm土层，排序仍为GMMR > GMS > MR > GM > CK。在0-10 cm土层，GMMR处理使DOC、DON和SIN含量分别比CK增加了38.8%、41.3%和63.1%。
3.3 土壤微生物量碳和易氧化有机碳
绿肥与菌渣显著影响了土壤微生物量碳（MBC）和易氧化有机碳（EOC）。GMMR处理的MBC和EOC含量在两层土壤中均为最高。在0-10 cm土层，GM、MR、GMS和GMMR处理的EOC含量分别比CK增加了5.5%、17.4%、19.4%和27.4%。结果表明，绿肥与菌渣协同施用（尤其是GMMR处理）能有效提升土壤中活性较强的易氧化有机碳组分。
3.4 土壤有机碳储量和固碳效率
绿肥与菌渣施用显著影响了0-10 cm和10-20 cm土层的SOC储量。GMMR、GMS、MR和GM处理的SOC储量均显著高于CK。在0-10 cm土层，GMMR、GMS、MR和GM处理的SOC储量比CK分别增加了24.25%、24.49%、17.56%和4.39%；在10-20 cm土层，相应增幅分别为54.28%、31.55%、25.31%和9.46%。总体上，SOC储量顺序为：GMMR > GMS > MR > GM。碳固存效率也表现出相似规律，在0-10 cm土层，GMMR、GMS、MR和GM处理的碳固存效率分别为每年1.07、0.98、0.703和0.17 t ha-1。
3.5 绿肥与菌渣对辣椒产量和品质的影响
与CK相比，绿肥与菌渣的施用显著提高了辣椒产量和品质，其中绿肥与菌渣联合施用（GMS和GMMR处理）表现最佳。GMMR和GMS处理的辣椒产量最高，分别比CK显著增加了17.55%和12.52%。在品质方面，GMS处理的可溶性蛋白含量最高，比CK增加10%；维生素C（VC）含量也最高，比CK增加25.84%。GMMR处理的可溶性糖含量与MR处理相近，比CK高4.87%。各处理对各项指标的影响趋势一致，为GMMR ≥ GMS > MR > GM > CK。
3.6 基于相关性分析和随机森林模型的变量间关系
相关性分析表明，土壤养分、碳氮组分、有机碳储量与辣椒品质（可溶性蛋白、可溶性糖、VC）及产量之间存在不同程度的显著正相关。随机森林模型结果显示，土壤因子分别解释了产量、可溶性蛋白、可溶性糖和VC 97.4%、88.9%、93.8%和96.9%的变异。其中，微生物量碳（MBC）是影响产量和可溶性糖的关键土壤因子，而硝态氮（NO3--N）是影响可溶性蛋白的关键土壤因子。此外，有效磷（AP）是影响VC的关键土壤因子。4+-N), nitrate nitrogen (NO3--N), soil organic carbon (SOC), dissolved organic carbon (DOC), dissolved organic nitrogen (DON), soil inorganic nitrogen (SIN), microbial biomass carbon (MBC), easily oxidizable organic carbon (EOC), soil organic carbon storage (SOC storage), change of SOC storage, and carbon sequestration efficiency. (b) Percent increase in mean square error (MSE) for yield, soluble protein, soluble sugar, and vitamin C based on random forest model.">
4 讨论
4.1 绿肥和菌渣对土壤理化性质的影响
本研究结果表明，GMMR处理显著增加了0-10 cm和10-20 cm土层的土壤养分含量，与Wang等人关于紫云英合理利用的研究结论一致。绿肥可同时提供活性碳源和生物固氮，而菌渣作为一种富含有机质和矿质元素的有机改良剂，能够建立更稳定的养分库和缓释效应，从而放大联合施用的协同效益。各处理均显著增加了AP和AK含量，这归因于足够的有机物料输入增强了团聚体稳定性和阳离子交换能力，从而提高了磷钾等元素的养分保持和缓冲能力。
4.2 绿肥和菌渣对有机碳氮组分的影响
不同施用处理对DOC、DON、SIN、MBC和EOC含量有显著影响。GMMR处理在提升DOC含量方面表现最显著，在0-10 cm和10-20 cm土层分别提升了47.69%和42.11%，这与Ren等人关于施用有机物料可显著提高土壤可溶性有机碳含量的研究一致。GMMR处理的DON和SIN含量也达到最高，表明联合施用显著增加了作物可直接吸收的氮形态。同时，GMMR处理在MBC和EOC含量上也表现最佳，说明绿肥和菌渣的施用为土壤微生物提供了丰富的可利用碳源，增强了其活性和生物量，这对于提高土壤肥力和碳库质量至关重要。
4.3 绿肥和菌渣对土壤理化性质的影响及其与产量和品质的关联
绿肥与菌渣的整合施用，特别是GMMR处理，通过系统提升土壤理化性质和生物活性，为增加辣椒产量和品质奠定了协同的物理-化学-生物学基础。随机森林模型和相关分析共同表明，AP与维生素C关系最密切，NO3--N与可溶性蛋白含量关联最紧密。这证实了养分的供应形态和强度直接调控植物的次生代谢途径。绿肥贡献了生物固氮和易矿化氮源，菌渣则提供缓释的磷、钾及微量元素，共同构建了速效与缓释相结合的养分供应模式。这种模式不仅满足了辣椒高产对氮磷钾的大量需求，也为维生素C（依赖磷介导的光合磷酸化和还原力）和可溶性蛋白质的合成提供了针对性的营养支持。此外，SOC、MBC、DOC与所有产量品质指标间的显著正相关揭示了更深层的调控机制。有机物的添加不仅提升了总碳库，还特异性地促进了活性碳组分的形成。因此，GMMR处理下最高的碳固存效率和活性碳含量，不仅代表了更优的碳储存潜力，也意味着一个功能性更强、更利于植物生长的根际微环境。
5 结论
绿肥与菌渣的施用显著提高了土壤TN、TP、TK、AN、AP、AK、NH4+-N、NO3--N和SOC含量，在0-10 cm和10-20 cm土层均显示出GMMR > GMS > MR > GM > CK的趋势。土壤DOC、DON、SIN、MBC和EOC含量在0-10 cm土层高于10-20 cm，顺序相同。在0-10 cm土层，GMMR、GMS、MR和GM处理的SOC储量比CK分别增加了24.25%、24.49%、17.56%和4.39%；在10-20 cm土层，相应增幅分别为54.28%、31.55%、25.31%和9.46%。相较于对照，GMMR和GMS处理的辣椒产量最高，分别为48797和46708 kg ha-1，增产幅度达17.55%和12.52%，各处理对指标的影响趋势为GMMR ≥ GMS > MR > GM > CK。随机森林分析识别出MBC是影响产量和可溶性糖的关键土壤因子，而NO3--N是影响可溶性蛋白的关键因子。在实际应用中，在温室系统中采用整合施用3000 kg ha-1绿肥加7500 kg ha-1菌渣（GMMR）的策略，可减少化肥用量、提升长期土壤健康，促进可持续管理。
