《Horticulturae》：Study on the Improvement of Soil Physicochemical Properties in Solar Greenhouses by Carbonized Rice Hull and Fermented Rice Hull and Their Effects on the Growth and Development of Colored Pepper
Chunyang Du,
Haoxuan Sun,
Yanfei Zhao,
Qingyan Han,
Ziye Song,
Hongting Chen,
Jianfeng Wang and
Yunpeng Guo
编辑推荐：
本文综述了利用碳化稻壳(CRH)和发酵稻壳(FRH)两种低成本农业废弃物，改良日光温室中因长期连作而退化的黑色土壤的研究。研究发现，两种改良剂（特别是FRH）能显著改善土壤物理结构（如提高孔隙度和持水量），优化土壤pH，提升土壤微生物丰度与多样性（如ACE和Chao指数），并最终促进彩椒的根系活性、光合作用、生长（株高、茎粗）及产量（单果重）。研究为东北地区温室土壤修复提供了有效、经济的本地化解决方案。
引言：温室土壤退化与改良需求
日光温室蔬菜栽培是一种可控制环境的高产高效保护性农业形式，近年来在中国东北地区广泛应用。然而，温室长期连作，加之缺乏自然雨水淋溶以及不当的施肥灌溉措施，导致了严重的土壤退化。常见问题包括土传病害增加、养分失衡、土壤孔隙度降低和微生物群落失调，这些问题共同影响了蔬菜生长，导致产量和品质显著下降。因此，寻找修复退化温室土壤的有效策略，对于中国东北地区日光温室蔬菜生产的绿色、高效和可持续发展至关重要。
土壤改良剂的应用被广泛认为是改善温室土壤理化性质的有效途径。先前的研究评估了多种改良剂，如石灰、粉煤灰、蘑菇渣、生物炭、秸秆和泥炭等。然而，常用改良剂存在显著局限性：泥炭、蛭石和生物炭相对昂贵；石灰主要对酸性土壤有效；粉煤灰氮素有效性低且可能含有有毒元素；秸秆还田可能导致氮素固定和作物暂时性缺氮。因此，亟需寻找低成本、易获得的改良材料。
材料与方法
本研究以彩椒('Bachata')为材料，于2024年3月至9月在吉林省蔬菜花卉科学研究所的塑料薄膜日光温室内进行。供试土壤为典型黑土。试验设置了三种处理：100%黑土(CK)；黑土混合30%碳化稻壳(T1)；黑土混合30%发酵稻壳(T2)。改良剂添加比例为30%，旨在将基质孔隙度调整至适合彩椒生长的范围。每个处理设置3次重复，所有处理采用相同的施肥方案。
测定指标包括：
- 1.
形态指标：株高、茎粗、节间长度。
- 2.
光合参数：使用Li-6800便携式光合系统测定净光合速率(A)、蒸腾速率(E)、气孔导度(Gsw)和胞间CO2浓度(Ci)。
- 3.
叶绿素含量：使用分光光度法测定叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量。
- 4.
根系分析：采用氯化三苯基四氮唑(TTC)还原法测定根系活性。
- 5.
基质理化性质：测定容重、总孔隙度、pH、电导率(EC)及土壤微生物丰度（通过16S rRNA基因测序，计算ACE、Chao1等Alpha多样性指数）。
- 6.
果实产量与品质：记录果实数量、单果重、单株产量，并测定可溶性糖和维生素C(VC)含量。
结果
3.1. 不同处理对土壤理化性质的影响
与CK相比，两种改良剂均降低了土壤容重，并将pH调整至更利于植物生长的范围。T1处理使土壤孔隙度和持水量分别增加了8.80%和75.32%，而T2处理则分别增加了17.84%和133.45%。土壤pH在T1和T2中分别降至6.97和6.40。土壤容重在T1和T2中分别降低了14.53%和30.10%。
3.2. 对彩椒生长、产量和品质的影响
两种改良剂处理下的彩椒植株生长均比CK处理更为旺盛。与CK相比，T1处理的株高和茎粗分别增加了14.42%和7.59%，而T2处理分别增加了28.85%和30.26%。此外，T2在株高和茎粗上均优于T1。在产量方面，T1和T2处理的单果重分别比CK增加了15.33%和21.62%。
3.3. 对彩椒光合特性的影响
与CK相比，T1和T2处理均增强了彩椒的光合性能。在T1中，净光合速率(A)、蒸腾速率(E)、气孔导度(Gsw)和胞间CO2浓度(Ci)分别增加了7.18%、3.02%、4.44%和0.785%。在T2中，相应的增加幅度分别为15.33%、12.90%、5.14%和0.011%。叶绿素测定结果进一步支持了这些发现。在T1中，叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量分别增加了0.68%、1.07%和0.37%。在T2中，增加幅度分别为5.59%、1.83%和1.11%。这些结果表明，两种改良剂均增强了色素积累，提高了光能捕获效率和光合能力，促进了干物质积累。
3.4. 对土壤微生物组成的影响
Alpha多样性分析表明，ACE和Chao指数在T1和T2中均显著高于CK，顺序为T2 > T1 > CK。Shannon指数在T1中最高，T2次之，CK最低。Simpson指数在T1和T2中显著低于CK，表明改良土壤具有更高的微生物丰富度和多样性。
在门水平上，各处理间的优势细菌类群大体相似，但相对丰度存在差异。两种改良剂均增加了酸杆菌门(Acidobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、放线菌门(Actinobacteria)、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)和蓝藻/叶绿体(Cyanobacteria_Chloroplast)的相对丰度，其中FRH的增强效果最为显著。这些变化表明土壤有机质周转、养分有效性和整体肥力得到改善。
3.5. 土壤性质、根系活性与产量之间的相关性
T1和T2处理均增加了土壤孔隙度和持水量，同时降低了容重和pH，为根系生长创造了更有利的条件。根系活性在T1中增加了13.07–61.01%，在T2中增加了36.29–81.38%。相关性分析显示，根系活性与孔隙度呈显著正相关，根系活性与单株总果重也呈显著正相关。这些结果表明，改善的土壤条件从而增强了根系活力、养分吸收，并最终提高了产量。
讨论
日光温室黑土退化表现为容重增加、孔隙度降低和微生物失衡，对东北地区蔬菜可持续生产构成重大挑战。本研究表明，添加本地来源的农业废弃物CRH和FRH可有效缓解这些限制，且FRH表现优于CRH。
土壤孔隙度和持水量的显著增加以及容重的降低，主要归因于改良剂的物理特性。两者均具有刚性的多孔结构和低颗粒密度。当掺入致密黑土时，它们充当物理膨松剂，破坏紧密的土壤堆积，扩大颗粒间孔隙空间，从而降低整体容重。FRH在改善孔隙度方面表现更强，这可能与其纤维结构及发酵过程中的部分分解有关，这可能产生了比相对脆性的炭化稻壳更复杂稳定的孔隙网络。这种改善的孔隙结构直接增强了土壤的保水能力。
土壤pH的变化，特别是T2(FRH)中pH降至6.40，是另一个重要机制。将pH降至6.40使土壤进入微酸性范围，这更利于彩椒等许多蔬菜的生长。CK土壤pH为7.14，处于偏碱性边缘，会限制铁、锰、锌等微量元素的可用性。FRH导致的pH降低可能是由于微生物发酵过程中产生的有机酸，即使在掺入土壤后仍持续作用。这种向更适宜pH范围的调整为改善的营养吸收提供了支持，从而促进了观察到的生长和生理参数的增强。
改良土壤中土壤微生物丰富度和多样性的显著增加进一步证明了稻壳改良剂的生物学益处。FRH尤其具有双重功能：其多孔基质为微生物定殖提供了丰富的生态位，而发酵过程引入了活性微生物种群和易于分解的有机底物，为本土土壤微生物区系提供了能源。这解释了为何T2显示出最高的微生物丰富度。在门水平上细菌群落组成的变化，与增强的有机质周转和养分矿化能力相一致。这种微生物群落重构被认为是改善土壤肥力和植物健康的关键驱动因素。
改善的土壤物理和生物环境对植物根系产生了直接而积极的影响。土壤孔隙度与根系活性之间的强正相关关系表明，改善的通气性和降低的机械阻力创造了更有利的根际环境。更高的根系活性又与果实产量的增加强相关。这种关系是因果性的，支持了一个机制链：改善的土壤结构促进根系活力，增强水和养分吸收，并最终支持更高的光合速率和更多的生物量向果实分配。
T1和T2植株光合性能的增强提供了改良剂益处的进一步生理学证据。首先，改善的根系功能确保了向叶片供应更好的水分和养分，维持了更高的气孔导度和CO2吸收。其次，叶绿素a和b含量的增加表明光捕获能力得到改善。这种色素增强可能与氮素有效性提高有关，而氮素有效性提高则源于有机质微生物矿化作用的刺激。这些过程促进了更高的干物质积累，从而解释了观察到的株高、茎粗、果实产量和品质的增加。
尽管两种改良剂都有效，但FRH始终优于CRH。这种差异可能源于发酵过程中发生的生物化学转化。发酵过程富集了有益微生物，并将复杂的有机物质转化为更不稳定的养分和生物活性化合物。因此，FRH在掺入土壤后能提供即时的生物和营养益处。CRH代表了一种更顽固的碳源，主要改善土壤物理结构并提供更长期的微生物栖息地，但贡献的即时可用养分较少。结构改善、pH优化和快速生物激活的综合优势解释了本研究中观察到的FRH更好的短期表现。
结论
本研究表明，源自东北地区本地农业废弃物的CRH和FRH能有效改善日光温室中的退化黑土。两种改良剂均通过增加孔隙度和降低容重显著改善了土壤物理结构，提高了微生物丰富度和群落结构，并促进了根系活性。这些土壤改善转化为增强的植物生长、增加的叶绿素含量、改善的光合性能、更大的干物质积累以及更高的果实产量和品质。
在各处理中，30%发酵稻壳处理表现出更优的性能。这一优势可能归因于其综合的物理、化学和生物学效应，包括引入了有益微生物和有机酸，将土壤pH调整至更适合彩椒栽培的范围。本研究仅限于中国东北地区日光温室黑土条件下种植的彩椒。未来的研究应评估这些改良剂在不同蔬菜种类、土壤类型和长期栽培系统中的适用性。
