大球盖菇–番茄轮作耦合废菌料还田对土壤肥力、番茄产量与果实品质的影响

《Agronomy》：Effects of Stropharia rugosoannulata–Tomato Rotation Coupled with Spent Mushroom Substrate Incorporation on Soil Fertility, Yield and Fruit Quality of Tomato

　　

摘要

番茄长期单作导致土壤退化、次生盐渍化及产量下降。菇–菜轮作耦合废菌料（SMS）还田是一种可缓解上述障碍的循环利用策略。本研究于2023—2025年在山东省烟台市开展了五阶段渐进式田间试验，旨在筛选本地最优大球盖菇–番茄轮作配置并揭示其土壤改良机制。品种“涅阳”与苹果木屑基质的组合获得最高蘑菇产量，其中基质配方（F = 11.64，p = 0.0006）对生产力的主导作用显著。将SMS深翻还入0–20 cm耕层（M处理）避免了地表覆盖引起的幼苗胁迫与死亡，使大果型番茄R35的商品产量提高28.0%（79,560 kg·ha^?1，p < 0.05），且未改变果实可溶性固形物含量（p = 0.611）。连续两年轮作使土壤有机碳提高17.6%（由3.29 g·kg^?1升至3.87 g·kg^?1），全氮提高243%（由0.79 g·kg^?1升至2.71 g·kg^?1），土壤脱盐效率由33.5%升至56.2%，同时土壤电导率（EC）与pH维持在番茄生长的最适范围内。跨区域验证表明，该系统对土壤pH和EC具有普适性调控作用，而养分累积呈现背景依赖性。该系统通过菌丝介导的生物脱盐、SMS衍生的碳库渐进累积以及互补性酸碱稳态实现土壤肥力提升，每年产生约255,000 CNY·ha^?1（≈38,060 USD·ha^?1）的净经济效益。该可循环轮作模式适宜在胶东设施番茄生产中推广应用。

**大球盖菇–番茄轮作耦合废菌料还田的土壤改良机制与生产效应——论文解读**

**1. 研究背景与科学问题**

番茄（*Solanum lycopersicum* L.）是我国北方重要的设施蔬菜作物。然而，长期连作已引发严重的连作障碍，表现为土壤酸化、次生盐渍化、养分失衡及微生物群落结构恶化，最终导致产量下降与品质劣变。山东省胶东地区是设施番茄的核心产区，集约化单作加剧了土壤退化，亟需环境友好且可循环的土壤改良策略替代传统的化学修复手段。合理的轮作是缓解连作障碍的基本农艺措施，而大球盖菇（*Stropharia rugosoannulata*）作为联合国粮农组织（FAO）推荐的高效食用菌，可利用稻壳、玉米芯、果树木屑等多种农业废弃物作为栽培基质，具有适应性广、资源利用效率高的特点。废菌料（SMS）作为蘑菇采收后的副产物，富含有机碳和菌丝蛋白，还田后可有效补充土壤有机碳与养分。已有研究表明菇–菜轮作具有改善土壤的潜力，然而针对大球盖菇–塑料大棚番茄轮作的研究仍不系统：本地化蘑菇品种与基质筛选、科学的废菌料还田方式、长期土壤肥力累积规律、跨区域适应性以及产量–品质协同调控机制均不明确，制约了该绿色轮作模式的大规模推广。为此，研究人员设计了包含五个渐进阶段的大田试验，旨在筛选最优轮作配置并揭示其土壤改良机制。

**2. 研究内容与主要结论**

研究在山东省烟台市两个典型番茄生产基地（福山区褐土和龙口市棕壤）开展，于2023年9月至2025年8月进行了为期两年的连续定位监测。研究采用五阶段渐进式设计：第一阶段筛选适宜本地的大球盖菇品种与栽培基质组合；第二阶段优化废菌料的还田方式并适配番茄品种；第三阶段分析土壤有机碳的垂直分布特征；第四阶段开展连续两年轮作的长期定位监测；第五阶段进行跨区域适应性验证。结果表明，品种“涅阳”与苹果木屑复合基质的组合获得最高蘑菇产量，基质配方的效应（F = 11.64）显著大于品种效应（F = 7.11）。废菌料深翻还入0–20 cm耕层（M处理）是大果型番茄R35的最优还田方式，商品产量达79,560 kg·ha^?1，较对照提高28.0%，且果实可溶性固形物含量无显著变化。连续两年的轮作显著提升了土壤肥力，土壤有机碳提高17.6%，全氮提高243%，土壤脱盐效率从33.5%提高至56.2%，土壤EC与pH稳定在适宜范围。跨区域验证显示该系统对土壤pH与EC具有普适性调控作用，而养分累积则呈现背景依赖性。该轮作系统每年可产生约255,000 CNY·ha^?1（≈38,060 USD·ha^?1）的净经济效益。

**3. 关键技术与方法**

本研究采用五阶段渐进式田间试验设计。大球盖菇品种与基质筛选采用3 × 3两因素完全随机设计，包含3个品种和3种栽培基质；废菌料还田方式试验设置地表覆盖（D）、耕层混匀（M）和空白对照（O）3个处理，并与3个番茄自交系（R35大果型、粉色樱桃番茄、红色樱桃番茄）交叉配置。连续两年定位监测试验设置5个关键采样时期（T1–T5），跨区域验证试验采用差值法（Δ = 实测值 ? 初始值）消除土壤本底差异。样品采集自山东省烟台市福山区（褐土，连续单作3年）和龙口市（棕壤）两个基地。测定指标包括蘑菇鲜产量、番茄商品产量、果实可溶性固形物、土壤有机碳、全氮、全磷、速效钾、pH与EC。统计分析采用双因素方差分析和Tukey HSD多重比较。

**4. 研究结果**

**4.1 废菌料还田方式对番茄产量与品质的影响**

废菌料还田方式显著影响番茄产量（F = 50.9，p < 0.001），且存在明显的品种依赖性。大果型自交系R35在M处理下获得最高商品产量79,560 kg·ha^?1，较空白对照提高28.0%。D处理（地表覆盖）导致33.3%的番茄幼苗死亡率，说明地表覆盖新鲜废菌料会造成幼苗胁迫。果实可溶性固形物含量主要由番茄遗传特性决定（F = 99.89，p < 0.001），还田方式（F = 0.51，p = 0.611）及其交互作用（F = 1.70，p = 0.194）对其无显著影响，表明该系统实现了增产而不降质的优良效果。

**4.2 不同还田方式下土壤有机碳的垂直分布**

废菌料还田方式与土壤深度对土壤有机碳含量存在显著交互作用（F = 26.64，p < 0.001）。D处理在10–20 cm土层有机碳含量最高（4.228 g·kg^?1），但该层并非番茄根系集中分布区；M处理实现了废菌料在0–20 cm耕层的均匀分布，5–10 cm根系集中层有机碳含量最高（4.145 g·kg^?1），与番茄根系分布精确匹配。对照处理土壤有机碳持续下降，证实连续单作导致土壤有机碳净消耗。

**4.3 连续两年轮作的土壤肥力累积效应**

连续两年定位监测表明，轮作系统有效逆转了土壤退化趋势，使土壤养分状态由消耗转为累积。土壤有机碳呈波动上升趋势，T5时期达3.87 g·kg^?1，较初始值净增加17.6%。全氮增幅最为显著，由0.79 g·kg^?1升至2.71 g·kg^?1，增幅达243%，主要来源于废菌料有机氮矿化和菌丝对土壤难降解氮的活化。全磷呈先降后稳的动态趋势，菌丝有机酸分泌与番茄根系分泌物共同活化了土壤固定态磷。速效钾从171.0 mg·kg^?1持续降至154.5 mg·kg^?1，提示需定期补钾以维持养分平衡。土壤脱盐效率由第一轮作周期的33.5%提高至第二轮作周期的56.2%，土壤EC始终低于0.50 dS·m^?1，pH稳定维持在6.5–7.0。

**4.4 轮作系统的跨区域适应性**

跨站点验证表明，该系统对福山褐土和龙口棕壤的pH与EC具有一致的调控效应，说明其在盐分和酸碱调节方面具有普适性。然而，土壤养分累积呈现显著的背景依赖性：低肥力的福山土壤在第一轮作季表现为有机碳净消耗，而高肥力的龙口土壤则实现了碳净累积；氮、磷、钾动态在两土壤间亦存在差异。

**4.5 经济效益评估**

基于最优配置，该轮作系统预计年总产值约483,900 CNY·ha^?1（≈72,223 USD·ha^?1），总生产成本约228,900 CNY·ha^?1（≈34,164 USD·ha^?1），年净经济效益约255,000 CNY·ha^?1（≈38,060 USD·ha^?1）。菇–菜双作模式实现了农业废弃物的高效利用、土壤生态修复和作物增产的协同效应。

**5. 讨论与结论**

**讨论部分**围绕四个核心机制展开。其一，栽培基质对蘑菇产量的主导作用归因于苹果木屑基质优越的物理孔隙度与保水性能、与蘑菇降解酶系统良好匹配的木质纤维素组成以及本地原料的可得性。其二，深翻还田的优越性在于：物理上实现废菌料与耕层土壤均匀混合，优化团聚体结构与持水能力；化学上削弱短期氮固持效应，实现养分稳定持续释放；生物学上实现全耕层微生物均匀接种，激活根际生物活性。其三，土壤肥力的长期累积通过渐进式分解机制实现，涉及活性碳库、惰性碳库和微生物残体碳库三个功能库的协同作用。其四，生物脱盐与酸碱稳态的自我调节机制中，担子菌菌丝主动吸附和转运可溶性盐分并通过子实体收获移出土壤，实现生物脱盐；蘑菇与番茄作物的互补性酸碱调节维持了土壤pH稳定。区域适应性方面，土壤环境指标（pH与EC）的普适性调控源于蘑菇木质纤维素降解和番茄根际调控的内在生态功能，而养分累积受土壤碳饱和理论的严格约束。

**结论部分**如下：胶东设施番茄生产的最优本地化大球盖菇栽培配置为涅阳品种配合苹果木屑复合基质，其中基质特性主导蘑菇产量表现。废菌料深翻还入0–20 cm耕层消除了新鲜废菌料地表覆盖诱导的幼苗胁迫，使R35大果型番茄商品产量提高28.0%且果实品质无劣变。连续两年大球盖菇–番茄轮作通过三个核心机制有效逆转了连作土壤退化：渐进式废菌料碳库累积、菌丝介导的生物脱盐以及互补性酸碱稳态。土壤有机碳和全氮分别提高17.6%和243%，土壤脱盐效率达56.2%，维持了稳定适宜的土壤微环境条件。需定期补钾以缓解系统钾素亏缺并维持养分平衡。该轮作模式具有普适性的土壤盐分与pH调控效应和背景依赖性的养分累积特征，支持因地制宜的田间管理。年净经济效益约255,000 CNY·ha^?1（≈38,060 USD·ha^?1），这一绿色可循环轮作系统可有效缓解设施番茄连作障碍，实现农业废弃物循环利用、土壤修复与增产增效的协同目标，在胶东设施番茄产区具有广阔的推广应用前景。未来研究应进一步评估多个轮作周期后系统的长期稳定性，阐明土壤微生物群落与酶活性的演替规律，优化补钾方案，并在华北其他设施蔬菜产区进行示范推广。