王光飛,高曉東,馬 艷*,郭德杰,王秋君,梁永紅,仇美華
(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,江蘇 南京 210014;2.無錫市惠山區(qū)農(nóng)林局,江蘇無錫 214174;3.江蘇省耕地質(zhì)量與農(nóng)業(yè)環(huán)境保護站,江蘇 南京 210036)
葉菜是一種消費量極大且不可替代的大宗蔬菜。但葉菜不耐貯藏和長距離運輸,因此世界各地,特別是大城市周邊均有規(guī)?;N植。長江中下游區(qū)域設(shè)施葉菜生長期短、產(chǎn)量高,周年可種植4~6茬,土壤長期重茬加上大量盲目施用化肥和高養(yǎng)分農(nóng)家肥,造成養(yǎng)分大量積累,次生鹽漬化和酸化嚴重,微生物菌群失調(diào),土壤肥力質(zhì)量下降,進而引起連作障礙嚴重[1-3]。調(diào)查顯示,在長江中下游地區(qū),長期種植葉菜的大棚土壤次生鹽漬化和酸化面積達到種植面積的40%以上,已經(jīng)嚴重影響了葉菜的產(chǎn)量和品質(zhì),亟待需要安全、有效和可持續(xù)的改良技術(shù)[1-3]。
土壤調(diào)理劑是指加入土壤中用于改善土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性狀的物料。已有的研究表明土壤調(diào)理劑可降低土壤鹽害和調(diào)節(jié)酸堿度[4-7],但此類土壤調(diào)理劑多為化學(xué)和礦物類無機調(diào)理劑,主要成分為天然礦物、人工合成聚合物和人工提取物等,對于快速提高土壤pH值效果顯著,但不能有效改善土壤生物學(xué)性狀,且有時會加劇土壤的鹽漬化程度[4]。另外,施用化學(xué)和礦物類無機調(diào)理劑環(huán)境風(fēng)險大,天然礦物重金屬含量較高且釋放的陽離子可能對土壤有長期毒害作用,聚合物降解物質(zhì)可能對土壤、植物、地下水等有危害作用,人工提取物對土壤的長期影響尚未明確且可能會引入有害物質(zhì)[4,8]。因此,目前應(yīng)用于改善土壤鹽漬化和酸化的調(diào)理劑在實際應(yīng)用中具有局限性。
土壤施用腐熟有機物可有效提高土壤緩沖能力和離子平衡能力[9],這有利于改善土壤鹽漬化和酸堿度等問題?;钚杂幸嫖⑸锟娠@著改善土壤微生物區(qū)系并提高土壤生物活性,進而推動土壤化學(xué)性狀的改良[10]。有研究表明,有益微生物可協(xié)助腐熟有機物平衡土壤養(yǎng)分,降低土壤全鹽含量,提高土壤酸堿度緩沖性能[11]。但目前,尚未有生物有機類復(fù)合土壤調(diào)理劑改善設(shè)施土壤次生鹽漬化和酸化的報道。與化學(xué)和礦物類無機調(diào)理劑相比,生物有機類復(fù)合調(diào)理劑對土壤綜合性狀無副作用。因此,研制具有改善土壤連作障礙的生物活性有機調(diào)理劑具有重大意義。
鑒于此,本團隊以植物源有機肥、秸稈生物炭和耐酸耐鹽的功能微生物為主要原料,研發(fā)形成適合多種障礙土壤的生物有機類復(fù)合調(diào)理劑,其中兩種調(diào)理劑在前期試驗中對鹽漬化和酸化土壤具有良好的效果,本研究擬通過田間試驗,研究兩種復(fù)合調(diào)理劑對設(shè)施障礙土壤綜合性狀和葉菜產(chǎn)量的影響,以期為長江中下游地區(qū)設(shè)施葉菜土壤改良提供針對性強的復(fù)合調(diào)理劑,為解決設(shè)施葉菜連作障礙提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。
本試驗在江蘇省無錫市惠山區(qū)洛社鎮(zhèn)葉菜種植基地(31°39′N,120°14′E)開展。該區(qū)域為亞熱帶季風(fēng)海洋性氣候,年平均氣溫17℃,全年平均降水量1 100 mm,土壤為太湖平原地區(qū)有代表性的黃泥土。選取種植年限8年以上的兩個次生鹽漬化和酸化嚴重的代表性大棚進行試驗,土壤性狀見表1。
表1 試驗土壤基本性狀
促生防病微生物菌劑:綠色木霉菌TV41和解淀粉芽孢桿菌BS211為本研究室篩選,以麩皮稻草等原料固態(tài)發(fā)酵制備菌劑[12]。
3種復(fù)合調(diào)理劑分別制備如下:中藥渣有機肥(江蘇省好徠斯肥業(yè)有限公司)與稻殼生物炭(溧陽市德勝活性炭廠)按鮮重9∶1混合后,添加TV41菌劑和BS211菌劑至活菌終濃度均為107,即為調(diào)理劑1;秸稈有機肥(南京明珠肥料有限公司)與稻殼生物炭(溧陽市德勝活性炭廠)按鮮重9∶1混合后,添加TV41菌劑和BS211菌劑至活菌終濃度均為107,即為調(diào)理劑2;調(diào)理劑3購于市場,以畜禽糞便和秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物堆肥至腐熟再添加促進植物生長和抑制土傳病原菌的功能菌至終濃度為2×107。3種調(diào)理劑基礎(chǔ)性狀見表2。
表2 復(fù)合調(diào)理劑基本性狀
試驗在塑料大棚中進行,大棚規(guī)格為跨度8 m、中部高2.2 m、長40 m,設(shè)置4個處理:1)常規(guī)對照(CK):每公頃施用15-15-15復(fù)合肥450 kg;2)調(diào)理劑1(T1):每公頃施用調(diào)理劑1 4 500 kg;3)調(diào)理劑2(T2):每公頃施用調(diào)理劑2 4 500 kg;4)調(diào)理劑3(T3):每公頃施用調(diào)理劑3 4 500 kg,每個處理3次重復(fù),小區(qū)面積為6 m2,隨機排列。各處理總養(yǎng)分投入見表3。2017年6月1日肥料撒施后翻地,并灑水至土壤水分達最大田間持水量的60%~70%。6月10日一號棚撒播種植一點紅莧菜,二號棚撒播種植雞毛菜,7月5日收獲并測產(chǎn)。收獲結(jié)束后各小區(qū)按照S型多點法采集0~20 cm耕層土樣。
1.4.1 土壤主要化學(xué)性狀測定
銨態(tài)氮以凍存土樣為測定對象,其余土壤理化指標均以風(fēng)干土樣為測定對象。pH值:采用土水比=1∶5浸提,用pH計測定;電導(dǎo)率:采用土水比=1∶5浸提,用電導(dǎo)儀測定;有機質(zhì):重鉻酸鉀—硫酸消化法;銨態(tài)氮:氯化鉀浸提-靛酚藍比色法;硝態(tài)氮:氯化鉀浸提-紫外分光光度法;速效鉀:乙酸銨浸提-火焰光度法;有效磷:碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗分光光度法[13]。
表3 不同處理氮磷鉀養(yǎng)分投入
1.4.2 土壤酶活性測定
以鮮土樣為測定對象,土壤蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法,以1 g土壤24 h后產(chǎn)生葡萄糖的毫克數(shù)表示;脲酶活性采用苯酚-次氯酸鈉比色法測定,以1 g土壤24 h后催化底物產(chǎn)生的NH3-N的毫克數(shù)表示;酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法,以1 g土壤24 h后催化底物產(chǎn)生的苯酚的納摩爾數(shù)表示[14]。
1.4.3 土壤微生物數(shù)量測定
以鮮土樣提取土壤DNA,試劑盒為MP公司生產(chǎn)的FastDNA SPIN Kit for Soil,按照使用說明提取土壤DNA。采用實時熒光定量PCR技術(shù)測定土壤細菌和真菌總數(shù)。采用平板培養(yǎng)法對土壤芽孢桿菌和木霉進行計數(shù),所用培養(yǎng)基分別為V8和馬丁氏培養(yǎng)基[15]。
1.4.4 土壤微生物碳源利用特征分析
應(yīng)用Biolog-Eco生態(tài)板測定土壤微生物碳源利用能力[16]。
采用孔平均顏色變化率法測定微生物利用單一碳源的能力。Ci為各反應(yīng)孔在590 nm的光密度值;R為ECO 板對照孔A1的光密度值;Ci-R小于零的孔計算中記為零;Pi=(Ci-R)/∑(Ci-R),表示有碳源的孔與對照孔A1的光密度值之差與整板總差的比值;S為顏色發(fā)生變化的孔數(shù)(AWCD>0. 2代表該孔碳源被利用)??灼骄伾兓剩ˋverage well color development,AWCD)=∑(Ci-R)/31;Shannon物 種 多 樣 性 指 數(shù)(H)=-∑Pi×lnPi;Simpson優(yōu) 勢 度 指 數(shù)(D)=1-∑ Pi2;Shannon 群落均勻度指數(shù)(E)=H/lnS[16]。
試驗中所得數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2016軟件整理后,應(yīng)用SPSS 17.0軟件進行統(tǒng)計分析。文中數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)平均值。應(yīng)用Canoco 4.5軟件進行主成分分析(PCA),其結(jié)果用排序圖表示。
不同調(diào)理劑對葉菜產(chǎn)量影響差異較大(圖1),T1和T2在兩個大棚中均顯示出增產(chǎn)作用,對莧菜的增產(chǎn)率分別為17.5%和11.7%,對雞毛菜的增產(chǎn)率分別為15.7%和24.5%。但T3對兩種葉菜產(chǎn)量影響甚小,在雞毛菜表現(xiàn)出減產(chǎn)作用。另外,T1對于莧菜增產(chǎn)作用顯著,而T2對雞毛菜增產(chǎn)作用顯著,這可能與葉菜品種不同有關(guān),也可能與調(diào)理劑在不同背景土壤中表現(xiàn)的效果差異相關(guān)。
圖1 不同調(diào)理劑處理的產(chǎn)量
2.2.1 對土壤主要化學(xué)性狀的影響
兩個大棚土壤均為強酸性土壤(4.71和4.63),種植后T1和T2處理對土壤pH值無顯著影響,但T3則降低土壤pH值,在莧菜和雞毛菜大棚中下降值分別為0.17和0.30,但與CK未達到顯著差異。不同處理土壤EC值差異較大,總養(yǎng)分投入越大土壤EC值越高。與對照相比,T1和T2明顯降低兩個大棚土壤的EC值,而T3明顯增加兩個大棚土壤的EC值。在莧菜大棚,T1和T2處理的土壤EC值分別比CK低 61.3和108.3 μ S/cm,在雞毛菜大棚,分別比CK 低82.3和92 μ S/cm,而T3處理則在兩個大棚中使得土壤EC值分別增加了82.3和155.0 μ S/cm。3種調(diào)理劑對土壤有機質(zhì)含量的影響較小,但其中T1對莧菜大棚有機質(zhì)含量的增加值為3.4 g/kg,T2對雞毛菜大棚的增加值為4.2 g/kg。T1和T2處理均降低了兩個大棚土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量,兩個處理在莧菜大棚中使得硝態(tài)氮分別減少3.8%和17.9%,在雞毛菜大棚中使銨態(tài)氮分別減少33.2%和22.4%。3種調(diào)理劑均可增加土壤有效磷含量,在雞毛菜大棚中分別增加了69.3、150.1和77.6 mg/kg。調(diào)理劑對速效鉀影響較小,但在雞毛菜大棚中T2降低了速效鉀含量,T3則增加了速效鉀含量。
圖2 不同調(diào)理劑處理的土壤化學(xué)性狀
綜上,T1和T2總體表現(xiàn)為降低土壤鹽分和速效養(yǎng)分含量,而T3提高土壤鹽分含量,并降低了土壤pH值,可能與該調(diào)理劑本身的高EC值有關(guān)。
2.2.2 相關(guān)性分析
相關(guān)分析顯示,產(chǎn)量與土壤化學(xué)性狀相關(guān)性不強(表4)。土壤EC值與產(chǎn)量呈一定的負相關(guān)性,其余指標與產(chǎn)量相關(guān)性系數(shù)均較小。因此,調(diào)理劑對產(chǎn)量的影響與其改變土壤化學(xué)性狀關(guān)聯(lián)較小。值得注意的是產(chǎn)量與總養(yǎng)分投入呈顯著負相關(guān),即總養(yǎng)分投入對產(chǎn)量有顯著負影響。
表4 土壤化學(xué)性狀與產(chǎn)量相關(guān)性分析
2.3.1 對土壤酶活性的影響
3種調(diào)理劑對土壤蔗糖酶活性表現(xiàn)出顯著的增加作用,在莧菜大棚T1、T2和T3處理的酶活性分別是CK的2.18、1.60和1.66倍,且T1與CK達到顯著差異;在雞毛菜大棚分別是CK的1.26、2.49和1.60倍,且T2與CK達到顯著差異。另外,3種調(diào)理劑對酸性磷酸酶活性也有一定的增加作用,其中T2較為明顯。與蔗糖酶和酸性磷酸酶相反,調(diào)理劑降低了土壤脲酶活性,并且在莧菜大棚中T1、T2和T3脲酶活性均顯著低于CK。可見,施入調(diào)理劑對土壤碳氮磷轉(zhuǎn)化均產(chǎn)生了較大的影響,可能促進了碳磷轉(zhuǎn)化,而削弱了氮轉(zhuǎn)化。這與調(diào)理劑減少土壤銨態(tài)氮含量和增加有效磷含量相符。
圖3 不同調(diào)理劑處理土壤酶活性
2.3.2 對土壤微生物數(shù)量的影響
施入3種調(diào)理劑對土壤微生物數(shù)量均產(chǎn)生了較大的影響。T1和T2可降低土壤真菌總數(shù),顯著增加土壤細菌總數(shù)。 T1和T2處理,在莧菜大棚中使得真菌減少率分別為8.3%和8.0%,使得細菌增加率分別為19.2%和7.8%;在雞毛菜大棚中使得真菌減少率分別為25.1%和45.2%,使得細菌增加率分別為20.8%和30.2%。在雞毛菜大棚中,T2處理的真菌和細菌總數(shù)均與CK達到顯著差異。
另一方面,施用調(diào)理劑對土壤有益菌木霉和芽孢桿菌數(shù)量也產(chǎn)生了較大的影響。在兩個大棚中,采用平板培養(yǎng)法,在對照和T3處理中均未檢測到木霉,而T1和T2處理中木霉的數(shù)量在莧菜大棚分別為4.8×103和 3.5×103CFU/g,在雞毛菜大棚分別為9.8×103和 3.3×103CFU/g,均顯著高于CK和T3,表明調(diào)理劑帶入的木霉菌TV41在土壤中能很好定殖或者是施用這兩種調(diào)理劑能夠有利于土壤中土著木霉菌的增殖;3種土壤調(diào)理劑對芽孢桿菌數(shù)量的影響程度不及木霉,且在不同棚中表現(xiàn)有差異,莧菜大棚,3種調(diào)理劑處理與CK均未達到顯著差異,僅T1處理中芽孢桿菌是CK的1.23倍;雞毛菜大棚,T2處理中芽孢桿菌數(shù)量是CK的1.19倍,達到顯著差異,其他處理差異不顯著。
綜上,施用不同的土壤調(diào)理劑對土壤真菌和細菌的影響程度具有差異,其機理有待于深入研究。
圖4 不同調(diào)理劑處理的土壤微生物數(shù)量
2.3.3 對土壤微生物碳源利用能力及多樣性的影響
平均顏色變化率(AWCD)表征微生物群落碳源利用率,反映了土壤微生物活性和微生物群落生理功能多樣性等。圖5顯示,在兩種蔬菜大棚中,各處理整體趨勢表現(xiàn)相同,均為T1=T2>CK>T3,說明T1和T2處理均促進了土壤微生物對碳源的利用能力,而T3處理則產(chǎn)生抑制作用,可能與該調(diào)理劑本身的性狀相關(guān)。
Shannon多樣性指數(shù)(H)反應(yīng)微生物群落物種的豐富度,Shannon均勻度指數(shù)(E)是微生物群落物種均一性的度量,Simpson優(yōu)勢度指數(shù)(D)反應(yīng)微生物群落物種集中度。T1和T2多樣性指數(shù)顯著高于CK和T3,且T3在莧菜大棚中多樣性指數(shù)顯著低于CK(表5)。另外,T1和T2均勻度指數(shù)也顯著高于CK和T3,而優(yōu)勢度指數(shù)顯著低于CK和T3。因此,T1和T2土壤微生物功能多樣性特征可能是其具有較好應(yīng)用效果的主要原因。
2.3.4 相關(guān)性分析
土壤生物學(xué)性狀與產(chǎn)量緊密相關(guān)(表6)。細菌總數(shù)、芽孢桿菌數(shù)量、蔗糖酶活性、AWCD值及shannon多樣性指數(shù)與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān),而木霉數(shù)量與產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)。另一方面,真菌總數(shù)與產(chǎn)量呈一定的負相關(guān)性。因此,調(diào)理劑對產(chǎn)量的影響應(yīng)與其改善土壤生物學(xué)性狀密切相關(guān)。
圖5 不同調(diào)理劑處理土壤平均顏色變化率
表5 不同調(diào)理劑處理土壤微生物功能多樣性指數(shù)(96 h)
表6 土壤生物學(xué)性狀與產(chǎn)量相關(guān)性分析
圖6 土壤性狀與產(chǎn)量PCA雙序圖
采用PCA分析,建立各大棚葉菜產(chǎn)量與土壤性狀二維排序圖(圖6)。對于莧菜大棚,蔬菜產(chǎn)量受木霉數(shù)量、細菌總數(shù)、AWCD、shannon多樣性指數(shù)和蔗糖酶活性正向影響,而受真菌總數(shù)、脲酶活性、養(yǎng)分總投入、EC、硝態(tài)氮含量和速效鉀含量負向影響。另外,芽孢桿菌數(shù)量、酸性磷酸酶活性、pH、有機質(zhì)和有效磷含量對產(chǎn)量有一定的正向影響。對于雞毛菜大棚而言,木霉數(shù)量、細菌總數(shù)、芽孢桿菌數(shù)量、AWCD、shannon多樣性指數(shù)、脲酶活性和有效磷含量對產(chǎn)量具有正向影響,酸性磷酸酶活性、pH和有機質(zhì)含量有一定的正向影響,但真菌總數(shù)、養(yǎng)分總投入、EC、硝態(tài)氮含量、銨態(tài)氮含量和速效鉀含量為負向影響。
綜合兩個大棚的分析結(jié)果可知,有益微生物數(shù)量、細菌總數(shù)、微生物多樣性和活性以及土壤酶活性等生物學(xué)性狀對產(chǎn)量產(chǎn)生正向影響,而養(yǎng)分投入、土壤鹽分和與速效養(yǎng)分相關(guān)性狀產(chǎn)生負向影響。由此推測,調(diào)理劑主要通過改善生物學(xué)性狀達到增產(chǎn)效果,而土壤養(yǎng)分適當(dāng)降低也有利于增產(chǎn)。另外,在養(yǎng)分過度積累的大棚土壤中降低速效養(yǎng)分含量有利于改善土壤生物學(xué)性狀。
本研究表明施用不同生物有機類復(fù)合調(diào)理劑對設(shè)施障礙土壤的葉菜產(chǎn)量和土壤綜合性狀均產(chǎn)生較大的影響,且差異顯著。調(diào)理劑1與調(diào)理劑2能顯著增加兩種蔬菜的產(chǎn)量,但調(diào)理劑3在一定程度上降低蔬菜產(chǎn)量。我們從調(diào)理劑本身性狀對土壤化學(xué)、生物學(xué)性狀的差異影響進行解析。
參與試驗的兩個大棚土壤均次生鹽漬化嚴重,養(yǎng)分過量盈余。調(diào)理劑1和調(diào)理劑2處理總養(yǎng)分投入低于對照處理,而調(diào)理劑3總養(yǎng)分投入高于對照處理。與對照相比,調(diào)理劑3增加了土壤電導(dǎo)率和多種速效養(yǎng)分含量,降低了pH值,這與調(diào)理劑3養(yǎng)分和鹽分含量高有關(guān)。肖輝等[17]的研究也表明高鹽分有機肥易引起土壤鹽分積累,并降低土壤pH值。土壤積鹽可引起交換性酸增加和鹽基飽和度下降,從而使土壤酸化[18]。調(diào)理劑1和調(diào)理劑2均降低土壤電導(dǎo)率和多種速效養(yǎng)分含量。優(yōu)質(zhì)生物有機類肥料和微生物菌肥能提高土壤生物活性,促進元素轉(zhuǎn)化,平衡土壤養(yǎng)分[11,19-22]。因此,調(diào)理劑1和調(diào)理劑2可能具有較高的生物活性。調(diào)理劑1和調(diào)理劑2呈堿性,其中含有的生物炭可增強土壤酸堿緩沖度[23],但可能由于本試驗中調(diào)理劑的施用量較少且試驗時間較短,因此對土壤酸化的改善效果不明顯。
在生物學(xué)性狀方面,調(diào)理劑1和調(diào)理劑2顯著增加了土壤酶活性、細菌數(shù)量、有益微生物數(shù)量、碳源利用能力和微生物多樣性,顯著抑制了土壤真菌化,這與前人對生物有機類肥料和微生物菌肥的研究一致[11,19,24-27]。在土壤養(yǎng)分含量充足的情況下,土壤養(yǎng)分已不是影響作物生長的限制因素[25,28]。土壤微生物、土壤動物和土壤酶是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成成分,更能敏感反映土壤肥力質(zhì)量[29-31]。因此,調(diào)理劑1和調(diào)理劑2的施入顯著改善了土壤肥力質(zhì)量。另外,土壤微生態(tài)環(huán)境的改善也可減輕長期葉菜種植的自毒作用。調(diào)理劑3雖然在一定程度上增加土壤酶活性和抑制土壤真菌化,但對細菌、真菌和有益微生物數(shù)量影響甚小,且降低了碳源利用能力和微生物多樣性,并沒有顯示出對土壤生物學(xué)性狀的有效改善作用。
相關(guān)性和主成分分析顯示,不同調(diào)理劑施用下,化學(xué)性狀與產(chǎn)量相關(guān)性較小,養(yǎng)分總投入和土壤養(yǎng)分性狀對產(chǎn)量產(chǎn)生負影響,而生物學(xué)性狀與產(chǎn)量緊密相關(guān),對其正向影響顯著。因此,本試驗中調(diào)理劑主要通過改善土壤生物學(xué)性狀進而增加產(chǎn)量。對于養(yǎng)分盈足土壤,降低鹽分和養(yǎng)分有利于提高土壤質(zhì)量。調(diào)理劑3產(chǎn)量低,主要原因可能是該調(diào)理劑本身鹽分和養(yǎng)分含量較高,施用后反而加劇了土壤的鹽漬化和酸化,進而降低生物學(xué)性狀和土壤的生產(chǎn)性能。
生物有機類產(chǎn)品對土壤生物學(xué)性狀的顯著改善作用與其大量的有益微生物和功能菌息息相關(guān)[11,19,26]。調(diào)理劑 1 和調(diào)理劑 2 中的有益木霉菌和芽孢桿菌能在土壤中穩(wěn)定定殖或者兩種土壤調(diào)理劑能夠激發(fā)兩種土著微生物的繁殖,從而調(diào)節(jié)并改善生物學(xué)性狀。調(diào)理劑3改善作用效果較弱,這可能與其有益微生物活性不高或者對土壤中土著有益微生物的激活作用不強相關(guān)。
本試驗條件下,低鹽高活性的生物有機類調(diào)理劑1和調(diào)理劑2可顯著改善次生鹽漬化和酸化嚴重的設(shè)施土壤生物學(xué)性狀,即增加細菌數(shù)量、有益微生物數(shù)量、微生物活性和多樣性且顯著抑制了土壤真菌化。此外,在一定程度上減弱了土壤鹽漬化。這些均有利于提高土壤肥力質(zhì)量,進而增加葉菜產(chǎn)量。但調(diào)理劑3對土壤生物學(xué)性狀有一定的負面影響,且加重土壤鹽漬化,故效果甚微。