填闲作物种植及绿肥还田对宁夏新建日光温室土壤环境的影响

杨冬艳， 冯海萍， 王学梅

(宁夏农林科学院种质资源研究所，宁夏银川 750002)

近年来宁夏设施农业快速发展，设施园艺面积发展已达到66.7万hm2以上，其中蔬菜生产占90%，其突出的投入产出比优势，使得设施园艺产业成为了宁夏重点发展的优势产业，也是农业增效和农民增收最直接的途径。但随着宁夏设施农业的发展，栽培茬口模式和产业结构的形成，如银川郊区的一大茬番茄模式、固原的越冬黄瓜模式、彭阳拱棚辣椒模式，在设施内难以实施有效的轮作倒茬，导致土壤得不到有效的休整和恢复，出现如次生盐渍化加重、土壤与地下水硝态氮明显累积、养分不平衡、土传病虫害加重、某些生物学性质变劣、连作障碍明显等问题，产量随种植年限延长而有降低趋势，导致设施蔬菜生产和经济效益忽高忽低，抑制了农户种植的积极性[1-5]。近年来针对温室土壤健康保持和质量退化修复技术的研究比较活跃，吴凤芝等的研究表明，黄瓜与小麦或大豆轮作提高了土壤微生物多样性[6]；Bandick等的研究表明，轮作、增施绿肥土壤酶活性明显上升，与连作相比，轮作、间作、增施绿肥能够提高土壤的生物活性，缓解土壤质量退化[7]。张雪艳等研究发现夏茬种植填闲作物增加了土壤微生物总量，在一定程度上提高了土壤微生物多样性，减少了根结线虫的数量，增加了黄瓜产量[8]。因此在日光温室蔬菜生产中，适当轮作有利于维持土壤微生物多样性和活性。目前的研究多是针对种植多年的温室土壤进行修复研究，而对新建温室土壤维护的研究较少，宁夏日光温室50%以上都是近3年的温室，绝大部分新建日光温室都采用夯实土墙，为了施工方便，耕作表层土都夯实到土墙中，栽培应用的土壤是耕作层以下的生土，土壤容重大，孔隙度小，养分贫瘠[9]，因此在日光温室土壤连作障碍出现之前或表现初期进行土壤健康持续利用、延缓退化的研究具有重要意义，本试验在种植1年的温室中通过夏季休闲季节种植豆科(大豆)和禾本科(玉米、苏丹草和高梁)植物，研究不同填闲作物种植及还田对日光温室土壤化学及微生物群落多样性的影响，探索新建日光温室土壤健康利用的途径。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验地点在宁夏自治区吴忠市孙家滩设施园区日光温室内，试验所选填闲作物处理为TR1：大豆[Giycinemax(L.) Merrill]；TR2：玉米(ZeamaysL.)：登海3672；TR3：苏丹草[Sorghumsudanense(Piper) Stapf]；TR4：高梁草(Sorghumvulgare)：美国白绿集团大力士。

1.2 试验方法

前茬作物为长季节番茄(齐达利)，2013年6月26日拉秧，利用旋根机翻地，土壤理化性质为：pH值8.37，全盐 0.98 g/kg，有机质12.1 g/kg，全氮0.83 g/kg，速效氮 50.3 mg/kg，速效磷25.6 mg/kg，速效钾228 mg/kg。6月29日平整土地，播种填闲作物，设空白对照，每个小区面积 120 cm2，随机排列。播种量为大豆450 kg/hm2，玉米 225 kg/hm2，苏丹草150 kg/hm2，高粱草90 kg/hm2，开沟撒播，沟距10 cm。待苗出齐后浇大水，生长期间不施任何肥料，只进行水分管理，灌水时间及灌水量各处理相同。

8月20日从基部收割填闲作物，整株收获，放置1 d后还田，每个处理小区划分为绿肥还田(TR-H)和不还田(TR-B)2个裂区，还田小区整株植物用切割机切碎3～5 cm，均匀翻到0～30 cm土层中。8月23日灌1次水，各处理灌水量相同，定植之前不采取任何措施。9月25日定植后茬作物芹菜(皇后西芹)。

1.3 测试项目

填闲作物种植前(6月28日)、收割前(8月15日)、还田1个月后(9月21日)取0～20 cm土壤分析土壤EC、pH值、土壤速效氮、磷、钾；微生物群落多样性。8月15日取样测试填闲作物生长量、各作物的全氮和全碳含量。

1.4 测试方法

1.4.1 土壤理化性状的分析 土壤有机质：重铬酸钾-硫酸加热消化法；土壤碱解氮：扩散吸收法；土壤速效磷：0.5 mol/L NaHCO3浸提-硫酸钼锑抗比色法；土壤速效钾：1 mol/L NH4OAc浸提-原子吸收光度计法；土壤pH值：水土比2.5 ∶1，酸度计法；土壤全盐值(EC)：水土比5 ∶1，电导率法[10]。

1.4.2 土壤微生物Biolog-ECO及理化性质分析 取样深度为0～20 cm，立即放入-20 ℃的低温冰箱中保存。试验试剂：由Biolog公司生产，华粤企业集团有限公司提供。主要仪器：Biolog Microsoft全自动微生物鉴定分型系统；Biolog电动八孔移液器；人工气候箱；超净工作台；摇床。

本研究采用有31种碳源的生态板(Biolog-ECO)分析微生物群落的代谢特征，称取10 g鲜土(称量前测量含水量)，加入90 mL无菌生理盐水中，在摇床里振摇30 min，静止沉淀3～5 min，然后进行100倍稀释，以每孔150 μL稀释液加入微孔板中，将制备好的菌悬液倒入无菌移液槽中，使用八孔移液器将其接种于微平板的96孔中。接种好的微平板放到铺有6层纱布的塑料饭盒中，为防止微平板鉴定孔中的菌悬液挥发，纱布保持一定的湿度。塑料饭盒用保鲜膜包裹，保鲜膜上用注射针头扎若干个小眼，以保证微生物培养所需要的氧气，将微平板避光培养。ECO生态板放到30 ℃恒温培养。分别于24、48、72、96、120、168、216 h时读数，测定波长为590 nm。

1.5 数据分析

平均颜色变化率(average well color development，AWCD)反映土壤微生物代谢活性，即利用单一碳源能力的指标，计算公式为：AWCD=∑(C-R)/n(注：C为每个碳源孔的两波段光密度差值；R为对照孔的光密度值；n为培养基碳源种类数，本研究中为31)[11]。数据采用DPS软件进行Duncan’s多重比较差异显著性和微生物群落功能多样性指数SIMPSON(J)、SHANNO和McIntosh (Dmc)指数分析，聚类采用系统聚类最短距离法，每个处理测定3个平行样本，每个样本测量3次，结果取其平均值。

2 结果与分析

2.1 不同填闲作物休闲期间产生的生物量

在种植了1年的日光温室夏季休闲期内种植填闲作物，经过45 d的生长，玉米的单株鲜质量最高，是苏丹草的8倍、高粱草的4.4倍，鲜草单位面积产量最多，但其干物质含量最低，仅为10.29%，而苏丹草鲜质量没有玉米高，但由于干物质含量较高，因此单位面积干物质量也最高，豆科植物大豆生长较禾本科植物慢，但其株高也达到52.8 cm，并开始结荚，干物质含量最高，为27.97%，在本试验栽培密度下，生产干物质量以苏丹草最多，其余依次玉米、大豆和高粱(表1)。

表1不同填闲作物夏季休闲期产生的生物量与碳氮特征

2.2 日光温室种植填闲作物及还田对土壤化学性质的影响

由表2可见，新建日光温室土壤种植填闲作物后，处理之间pH值没有显著差异，部分处理含盐量则较对照显著降低，其中以TR4土壤盐分含量最低，相比对照显著降低土壤含盐量34.9%，其次为TR1与TR3。种植填闲作物的土壤有机质、速效氮磷钾含量与对照相比均显著下降，不同处理下降幅度不同，其中以高粱对土壤各养分的吸收平均比例最高，其余依次为苏丹草、大豆和玉米。

将各作物收割后，设置还田和不还田2个裂区，试验发现同种作物还田处理与未还田处理之间土壤pH值没有显著差异，土壤含盐量只有玉米还田处理显著低于不还田处理，其他填闲作物还田与不还田之间没有显著差异；各填闲作物还田后与未还田相比有机质含量显著上升，增加最多的是TR3(苏丹草)38.41%，其余依次是TR1(大豆)35.16%、TR2(玉米)13.19%、TR4(高粱)9.46%，这与作物翻压到土壤中的干物质量成正比。

还田1个月后试验发现，同种作物还田处理的土壤速效氮含量低于不还田处理，其中TR1还田处理与不还田处理土壤速效氮含量均显著高于休闲对照。各处理土壤速效磷含量相对于休闲没有显著的差异，大豆、玉米和苏丹草还田处理的土壤速效磷含量显著低于不还田处理的土壤，高粱还田与不还田处理的速效磷含量差异不明显；各处理土壤速效钾含量没有显著的差异。

表2种植填闲作物及还田后对土壤理化性质的影响

注：表中同列数值后不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，不同大写字母表示差异极显著(P<0.01)。

2.3 种植填闲作物后土壤微生物群落碳源利用的动力学特征

平均颜色变化率(AWCD)表征了微生物群落碳源利用率，反映了土壤微生物活性、微生物群落生理功能多样性[12]。种植填闲作物的土壤的AWCD在培养48 h后均高于空白对照，其中TR1的土壤AWCD值在培养开始后就显著开始上升，且上升幅度最大，其AWCD在培养期间始终高于其他处理，其他处理以及对照的AWCD在培养24 h以后缓慢上升，碳源开始被明显利用，随着温育时间的延长，到培养结束时，TR1的上升速率最高，为0.008 9 AWCD/h，TR4次之，为 0.006 5 AWCD/h，TR3为0.006 2 AWCD/h、TR2为 0.005 6 AWCD/h，最后为休闲对照0.004 5 AWCD/h。说明种植填闲作物后土壤微生物利用总碳源能力的大小顺序为：大豆>高粱>苏丹草>玉米>休闲对照。

从图1可见，AWCD在168 h的培养期间逐渐升高，因此以168 h的数据计算六大碳源利用情况。种植不同填闲作物对于土壤微生物利用不同碳源类型的影响也不同，由图2可以看出，相对于休闲对照，TR1可以显著提高土壤微生物利用各种碳源的能力，而TR2则只提高了土壤微生物利用羧酸类、聚合物类和胺类碳源，同时降低了利用碳水化合物与酚类的能力；TR3则提高了土壤微生物利用羧酸类、聚合物类、氨基酸类和胺类碳源，降低了利用酚类的能力；TR4提高了土壤微生物利用羧酸类、碳水化合物、氨基酸类和胺类碳源，降低了利用酚类的能力。相对于休闲对照，种植大豆可以显著提高土壤微生物利用各种碳源的能力，而禾本科植物则减弱吸收了部分碳源，休闲对照的土壤微生物利用各种碳源的能力最弱。应用31种碳源的光密度值(168 h)作统计变量进行聚类分析，可以清晰直观地反映各处理之间的关系。由图3可见，种植豆科作物大豆的土壤微生物与对照和禾本科作物具有明显不同的碳源利用模式，种植玉米和苏丹草有更为相似的碳源利用模式，而同为禾本科的高粱与玉米、苏丹草碳源利用模式则有较大的差异。

2.4 填闲作物还田后土壤微生物群落碳源利用的动力学特征

种植填闲作物后，不论还田与否，土壤微生物群落的AWCD值均高于休闲对照，试验发现，大豆和高粱未还田处理的AWCD值高于还田处理的土壤，而苏丹草与玉米则与之相反，还田处理提高了土壤的AWCD值。在培养结束时，各处理土壤微生物利用总碳源能力的大小顺序为：TR1-B>TR1-H>TR4-B>TR2-H>TR2-B>TR4-H>TR3-H>TR3-B>CK(图4)。说明不同填闲作物还田后对微生物群落生物活性影响不同，从还田角度来看，大豆和高粱降低了土壤微生物群落的代谢活性，而苏丹草和玉米还田则提高了土壤微生物群落的功能多样性。

Biolog微平板技术操作简单，获得数据量丰富，能反映微生物种群的总体活性，土壤微生物对Biolog微平板中各类碳源利用情况的差异能够反映土壤中微生物群落代谢功能的不同[13]。由图5可以看出，TR1-H相比TR1-B处理降低了土壤微生物利用碳水化合物类、氨基酸类、酚类和胺类碳源的能力，提高了利用羧酸类和聚合物类碳源能力；TR4-H提高了利用酚类、氨基酸类和胺类碳源能力，降低了利用羧酸类、碳水化合物和聚合物类碳源能力。TR2-H提高了利用羧酸类、聚合物类、碳水化合物类和氨基酸类碳源能力；降低了利用酚类和胺类碳源能力；TR3-H提高了利用羧酸类、胺类类、碳水化合物类和氨基酸类碳源能力，降低了利用聚合物类和酚类碳源能力。聚类分析(图6)表明：TR3-H的土壤微生物群落结构功能与其他处理由较大的差异，TR1、TR2和TR4还田与未还田处理的土壤微生物利用碳源的模式相似，TR3-B处理与对照的土壤微生物利用碳源的模式也相似，说明TR3苏丹草还田与不还田的土壤微生物群落功能差异显著。其他作物还田与否对土壤微生物群落功能类似。

2.5 土壤微生物群落功能多样性指数分析

Simpson指数是表征群落多样性的常用指数，是研究群落物种数及其个体数和分布均匀程度的综合指标[13]，McIntos指数是群落物种均匀性的度量。由表3可见，新建日光温室种植填闲作物后，TR1、TR2与TR4、Simpson指数和McIntos指数较对照显著降低，而Shannon指数较对照显著增加，TR3土壤的Simpson指数与对照无显著差异，其他指标则均显著高于对照，说明不同填闲作物对土壤微生物群落常见物种影响不同，但均增加了物种的均匀度和丰富度，填闲作物还田后，各处理没有显著差异。

表3种植填闲作物及还田后土壤微生物群落多样性指数的影响

3 讨论

有研究表明轮作不仅影响土壤微生物，使有益微生物增加，有害微生物减少，而且使土壤微生物活性增强[13]，吴宏亮等研究宁夏压沙地连作西瓜与花豆、辣椒和南瓜3种轮作方式对沙田土壤微生物群落和理化性状的影响，结果表明：与连作相比，3种轮作模式均可改善土壤微生物区系结构，增加土壤微生物多样性指数，增加细菌、放线菌数量及细菌数量与真菌数量比值(B/F)，减少真菌数量；其中以与辣椒轮作效果最为明显，McIntosh指数显著增加，缓解西瓜的连作障碍[14]；Lupwayi等在用Biolog方法研究轮作对加拿大Albertta省北部的灰色淋溶土中细菌多样性和群落结构的影响后指出，在先前生长红三叶草(Trifoliumpratense)或豆类的小麦地中，微生物多样性显著高于连续种植小麦或夏季休耕的小麦地[15]。Alvey等也指出，谷物与豆科植物轮作对根际微生物群落的结构有显著影响(P<0.05)，在连续种植谷物的土壤中生长的植物有较相似的根际细菌群落，而轮作土壤中的微生物群落则出现较大的变异性[16]。本试验通过日光温室休闲季节种植豆科与禾本科作物，发现AWCD值均显著高于休闲对照，土壤微生物群落活性显著增强，各填闲作物利用总碳源的能力的大小顺序为：大豆>高粱>苏丹草>玉米>休闲对照。种植豆科作物大豆的土壤微生物与对照和禾本科作物具有明显不同的碳源利用模式，种植玉米和苏丹草有更为相似的碳源利用模式，而同为禾本科的高粱与玉米、苏丹草碳源利用模式则有较大的差异。土壤微生物群落在秸秆腐解和营养元素释放过程中具有举足轻重的作用[17]。本试验发现不同填闲作物还田后与未还田相比，对微生物群落生物活性影响不同，大豆和高粱降低了土壤微生物群落代谢活性，而苏丹草和玉米还田则提高了土壤微生物群落的活性。这可能是大豆、高粱绿肥的C/N较苏丹草与玉米高，腐解时微生物群落代谢差异造成的。

试验温室为新建温室，栽培土壤偏碱性，钾营养元素含量较高，速效氮、速效磷含量较低，经过夏季休闲期种植作物，发现相对于空白对照，种植填闲作物可以降低土壤全盐含量，由于休闲作物生长的需求，也使得土壤表层速效养分和有机质含量减少，填闲作物还田或未还田处理，土壤速效磷钾养分含量没有显著变化，土壤速效氮含量较还田之前有显著的增加。

综上所述，对于宁夏新建日光温室土壤的维护，在于减少全盐含量和增加土壤速效氮磷养分，通过夏季休闲季节种植填闲作物，能够提高土壤微生物群落代谢活性，通过根系或整株的还田促进了土壤氮素的转化，但对磷钾养分影响不显著，应选择适宜C/N作物进行还田，土壤微生物群落代谢活性与还田作物C/N比呈显著正相关。在宁夏新建日光温室，种植苏丹草作物和还田能够显著减少土壤全盐含量，增加土壤微生物群落代谢活性。作物的C/N、还田干物质量以及土壤有机质含量均是影响土壤微生物代谢活性的相关因素，针对休闲作物对后茬作物生产力的影响及休闲作物影响的时效性，还需做深入系统的研究。

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