長期采用不同栽培方式和栽培制度對土壤環(huán)境的影響

張雪艷 田永強 高麗紅* 郭玉曉

（1寧夏大學農(nóng)學院，寧夏銀川 750021；2中國農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學與生物技術學院，北京 100193；3北京市農(nóng)業(yè)技術推廣站，北京 100029）

設施栽培土壤常處在半封閉狀態(tài)下，具有氣溫高、濕度大、肥料投入量多等特點，再加上相對單一的栽培制度，使得設施栽培條件下連作障礙普遍存在。隨種植年限增加，土壤養(yǎng)分失衡、結(jié)構(gòu)被破壞、土壤生物活性和多樣性下降，土壤質(zhì)量退化嚴重（van Bruggen & Semenov，1999；董艷 等，2009）。近年來，針對溫室土壤健康保持和質(zhì)量退化修復的研究成為熱點。

不同栽培方式對土壤質(zhì)量影響不同，保護地栽培相對露地栽培顯著破壞土壤結(jié)構(gòu)，增加養(yǎng)分累積。范君華等（2002）對阿拉爾墾使用10 a以上溫室菜地的微生物區(qū)系以及微生物活性進行研究發(fā)現(xiàn)，溫室土壤由于鹽漬化的影響，微生物活性明顯低于露地菜地。那偉民和陳杏禹（1999）研究指出，使用5 a的大棚與露地相比鹽分含量提高4～5倍。眾多學者研究表明，作物與土壤間的相互作用能夠改變土壤的理化性質(zhì)和微生物結(jié)構(gòu)，提高土壤微生物多樣性，從而提高土壤質(zhì)量。輪作由于不斷更換作物，阻止了土壤微生物的定向惡性發(fā)展，使有益微生物的作用大于有害微生物，形成了新的生態(tài)體系（尹睿 等，2004）。楊建霞等（2005）研究表明，與非連作土壤相比，連作土壤真菌數(shù)量明顯增多；孟艷玲等（2006）認為，蔬菜與甜玉米輪作可大大降低土壤鹽分和硝態(tài)氮的積累；劉恩科等（2008）研究證明，小麥—玉米—小麥—大豆輪作方式的土壤中蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性高于玉米—小麥復種連作方式；吳艷飛等（2006）、李元等（2008）研究證明，夏季填閑速生葉菜和豆科作物能有效降低土壤鹽分含量和養(yǎng)分積累，增加土壤微生物數(shù)量。以往關于設施類型對土壤質(zhì)量的影響主要集中在保護地與露地的比較，而系統(tǒng)研究長期溫室、大棚、露地條件下，休閑、填閑、輪作對土壤質(zhì)量的影響鮮有報道。

本試驗選取連續(xù)種植30 a的土壤為研究對象，栽培設施包括加溫溫室、大棚、露地，栽培制度涉及連作、輪作、填閑，比較系統(tǒng)地研究了不同栽培方式和栽培制度對土壤養(yǎng)分、土壤微生物群落的影響，以及土壤指標間的相互關系，為長期設施栽培條件下改善土壤質(zhì)量措施的制定提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗選取中國農(nóng)業(yè)大學科學園朱其杰老師育種基地連續(xù)種植30 a的土壤（從1969年2月開始種植，2009年5月取樣），栽培設施包括加溫溫室、大棚、露地，栽培制度包括連作、填閑和輪作，水肥投入按照常規(guī)管理進行，具體處理如表1所示。

表1 試驗設計

1.2 土壤樣品采集

土壤樣品的采集是在春茬生產(chǎn)結(jié)束后（連續(xù)生產(chǎn)30 a），取0～20 cm的表層土壤混勻后研磨，過2 mm篩，一部分于4 ℃冰箱保存，用于土壤微生物分析；另一部分風干，過1 mm篩，用于土壤化學指標和土壤酶活性測定。

1.3 土壤化學指標測定

采用1∶5（V∶V）土壤懸液電導法（電導儀法）測量土壤EC值；采用電位計法測量土壤pH值；采用半微量凱氏定氮法測量土壤全氮含量；采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提—鉬銻抗吸光光度法測量土壤有效磷含量；采用1 mol·L-1NH4AC浸提—火焰光度法測量土壤速效鉀含量；土壤有效氮含量采用1 mol·L-1NaOH堿解—擴散法測定；銨態(tài)氮含量采用靛酚藍比色法測定；硝態(tài)氮含量采用紫外分光光度法測定（鮑士旦，2000）。

1.4 土壤酶活性指標測定

脲酶活性采用靛酚藍比色法測定；蔗糖酶活性采用 3，5-二硝基水楊酸比色法測定；多酚氧化酶活性采用鄰苯三酚比色法測定；磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉法測定（許光輝和鄭洪元，1986）。

1.5 土壤微生物數(shù)量測定

采用牛肉膏蛋白胨選擇性培養(yǎng)基培養(yǎng)細菌，稀釋平板計數(shù)法計數(shù)；采用馬丁孟加拉紅—鏈霉素選擇性培養(yǎng)基培養(yǎng)真菌，稀釋平板計數(shù)法計數(shù)；采用改良高氏 1號培養(yǎng)基培養(yǎng)放線菌，稀釋平板計數(shù)法計數(shù)（李阜棣 等，1996）。

1.6 數(shù)據(jù)分析

所有指標均測定3次，每個樣本測量3個平行數(shù)值，取平均值。采用SPSS軟件LSD方法進行單因素顯著性分析，采用Pearson軟件進行相關分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同栽培方式和栽培制度對土壤EC值、pH值的影響

由圖1可知，常年溫室連作（CK）土壤的EC值為0.68 mS·cm-1，顯著高于其他各處理，且高于土壤鹽分警戒值0.4 mS·cm-1（Lin et al.，2004）；S1與S2的EC值在0.35 mS·cm-1左右，顯著低于對照，且低于土壤鹽分警戒值，這可能與S1夏茬填閑的作物能有效吸收土壤中積累的養(yǎng)分有關，但 S1與 S2的 EC值顯著高于露地栽培土壤 S3與 S4的 EC值；S3與 S4的 EC值均為 0.12 mS·cm-1。

不同栽培方式和栽培制度土壤pH值不同，CK的pH值為6.65，顯著低于其他各處理，比S1、S2、S3、S4分別降低了0.67、0.90、1.00、0.98，說明半封閉狀態(tài)下常年連作造成了土壤嚴重酸化；S3和S4的pH值無顯著差異，在7.6左右，S1的pH值為7.32，說明露地種植能夠有效地維持土壤酸度值，填閑栽培菜用大豆或花生也具有減緩土壤酸化的趨勢。

圖1 不同栽培方式和栽培制度對土壤EC值、pH值的影響

2.2 不同栽培方式和栽培制度對土壤養(yǎng)分含量的影響

由表1可知，溫室連作（CK）土壤的全氮、速效氮、速效鉀含量均為最高，分別為0.41%、198.8 mg·kg-1和614.4 mg·kg-1，說明常年黃瓜連作造成了土壤養(yǎng)分含量的積累，尤其是速效鉀含量的積累。速效氮含量為CK＞S1＞S2＞S3＞S4，除S3、S4間無顯著性差異外，其他各處理間均差異顯著。速效鉀含量順序與速效氮相同。各處理間速效磷含量均存在顯著性差異，且順序為S1＞S2＞S3＞CK＞S4。全氮含量為 CK＞S1＞S4＞S3＞S2。土壤有機質(zhì)含量能夠表示土壤肥力的大小，有機質(zhì)含量的順序與全氮含量趨勢相同，說明連年的溫室種植能夠增加土壤肥力。各處理銨態(tài)氮含量的順序為 S2＞CK＞S1＞S3＞S4，硝態(tài)氮含量為 CK＞S1＞S2＞S4＞S3。

表1 不同栽培方式和栽培制度對土壤養(yǎng)分含量的影響

2.3 不同栽培方式和栽培制度對土壤酶活性的影響

土壤酶活性是評價土壤肥力的敏感指標之一，其中脲酶、蔗糖酶、中性磷酸酶是土壤酶活性評價的常用指標。從表 2可以看出，不同栽培方式和栽培制度下，S1的脲酶活性最高，顯著高于CK、S3和S4；溫室連作（CK）土壤的脲酶活性最低，為0.13 mg·g-1；采用大棚種植的S2和S3間脲酶活性差異不顯著。CK的蔗糖酶活性最高；S4次之，且與S1、S3差異不顯著；S2則最低。常年溫室連作（CK）土壤的中性磷酸酶活性顯著高于其他各處理，S1、S2、S3、S4的中性磷酸酶活性分別為對照的 23.51%、13.86%、12.46%、16.14%。S1的過氧化物酶活性最低，其他各處理間差異不顯著。CK過氧化氫酶活性顯著高于其他各處理，S4過氧化氫酶活性最低。CK與S4的多酚氧化酶活性顯著低于其他處理；S2多酚氧化酶活性最高，達到1.38 mg·g-1。

表2 不同栽培方式和栽培制度對土壤酶活性的影響 mg·g-1

2.4 不同栽培方式和栽培制度對土壤微生物群落的影響

土壤微生物是評價土壤質(zhì)量的重要生物指標之一，微生物積極參與土壤中各種物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程，其種群結(jié)構(gòu)失衡會造成作物減產(chǎn)，土壤質(zhì)量降低。土壤惡化時土壤微生物由細菌型向真菌型轉(zhuǎn)變。對不同栽培方式和栽培制度下的細菌、真菌、放線菌數(shù)量的統(tǒng)計結(jié)果表明（圖2），露地種植的土壤細菌數(shù)量相對較高，顯著高于溫室連作土壤，長期的大棚和溫室種植造成了細菌數(shù)量的減少，溫室夏季填閑種植菜用大豆/花生后未能增加土壤中細菌的數(shù)量。溫室夏季填閑種植（S1）的真菌數(shù)量顯著高于其他各處理；相對于連作溫室，大棚和露地種植均降低了真菌數(shù)量。CK的放線菌數(shù)量最低，顯著低于其他各處理；露地種植（S4）的土壤放線菌數(shù)量最高，溫室夏季填閑種植（S1）顯著增加了放線菌的數(shù)量；大棚種植的放線菌數(shù)量高于CK，但顯著低于溫室填閑種植和露地種植。

圖2 不同栽培方式和栽培制度對細菌、真菌、放線菌數(shù)量的影響

2.5 土壤EC值、pH值與土壤養(yǎng)分含量間的相關性分析

對土壤EC值、pH值與土壤養(yǎng)分含量間的相關性進行分析，結(jié)果表明（表3）：土壤EC值與土壤全氮、有機質(zhì)、速效氮、速效鉀、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量間存在極顯著正相關；土壤pH值與土壤全氮、有機質(zhì)、速效氮、速效鉀、硝態(tài)氮含量間存在極顯著負相關，與銨態(tài)氮含量存在顯著負相關。

表3 土壤EC值、pH值與土壤養(yǎng)分含量間的相關性

2.6 土壤養(yǎng)分含量與土壤酶活性、微生物數(shù)量間的相關性分析

對土壤養(yǎng)分含量與土壤酶活性、微生物數(shù)量間的相關性進行分析結(jié)果表明（表4）：蔗糖酶活性與全氮、有機質(zhì)、速效鉀含量間存在極顯著正相關，與速效氮、速效磷含量間存在顯著相關；脲酶活性與全氮、有機質(zhì)含量間存在顯著負相關，而與速效磷含量間存在極顯著正相關；中性磷酸酶含量、過氧化氫酶活性與全氮、有機質(zhì)、速效氮、速效鉀含量間均存在極顯著正相關，且與硝態(tài)氮含量存在顯著正相關，而多酚氧化酶活性則恰恰與之相反。細菌數(shù)量與速效磷含量間存在極顯著負相關；細菌和放線菌數(shù)量與銨態(tài)氮含量呈顯著或極顯著負相關。

表4 土壤養(yǎng)分含量與土壤酶活性、微生物數(shù)量間的相關性

2.7 土壤微生物數(shù)量與土壤酶活性間的相關性分析

對土壤微生物數(shù)量與土壤酶活性間的相關性進行分析，結(jié)果表明（表 5）：蔗糖酶、過氧化物酶、多酚氧化酶活性與細菌數(shù)量呈正相關；除多酚氧化酶外，其他酶活性均與真菌數(shù)量呈正相關，蔗糖酶、中性磷酸酶、過氧化氫酶活性與放線菌數(shù)量呈負相關，但均未達到顯著水平。

3 結(jié)論與討論

表5 土壤微生物數(shù)量與土壤酶活性間的相關性

保護地栽培對于土壤微生物群落具有消極作用，其在增加土壤有機質(zhì)的同時，由于微環(huán)境、氮肥、磷肥和殺菌劑的大量施用改變了土壤的理化性狀，造成了土壤微生物特性下降（陳德明和楊勁松，1995）。Dick（1992）研究認為，輪作可能比采用單一栽培的保護性耕作更有利于維持土壤微生物的多樣性及活性，并可抑制在單一栽培系統(tǒng)中易繁衍的有害微生物。微生物不僅受到外界環(huán)境、施肥種類、作物生育期的影響（Yao et al.，2006），同時還受到植物根系分泌物的影響，即栽培制度會對土壤微生物多樣性產(chǎn)生影響（邱莉萍 等，2004）。常年保護地栽培對土壤質(zhì)量有明顯的消極作用，土壤含鹽量大幅增加，酸化現(xiàn)象嚴重，夏季休閑期填閑種植花生/豆科作物能顯著降低土壤鹽分的積累，這與劉娟等（2011）的研究結(jié)果一致。但長期大棚種植黃瓜土壤質(zhì)量衰退現(xiàn)象遠遠低于溫室連作，常年露地種植能夠較好地維持土壤含鹽量和pH值，延緩土壤的酸化，這是因為保護地栽培（溫室和大棚設施栽培）加速了水肥向地表運移，但是缺少雨水的淋洗，相對容易造成養(yǎng)分的積累；良好的栽培制度可以維持土壤質(zhì)量，延緩退化。

吳鳳芝等（1998）的研究表明，土壤養(yǎng)分含量累積的同時，土壤鹽分含量增加，且土壤鹽分累積與土壤酸化相伴而生。這與本試驗中的EC值與養(yǎng)分含量呈顯著正相關，而與pH值呈顯著負相關的結(jié)論一致。

本試驗結(jié)果表明，露地栽培方式是維持土壤質(zhì)量最有效的種植方式，大棚種植的土壤質(zhì)量介于露地與溫室種植土壤質(zhì)量之間，長期溫室連作對土壤質(zhì)量有顯著的消極作用，但夏季填閑適宜的作物能明顯延緩溫室連作土壤質(zhì)量的衰退。

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