土壤熏蒸-微生物有机肥联用缓解设施茄子连作障碍的土壤生物化学效应研究

贾喜霞，师桂英，吕海龙，李亚娟，黄炜，张立彭

(1.甘肃农业大学园艺学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃农业大学草业学院，甘肃 兰州 730070)

为研究应用绿色、安全、高效、低毒的土壤处理技术，近年来，科学家提出了通过调控土壤微生物区系以诱导形成抑病型土壤来克服连作障碍的基本技术[1].该技术将“土壤熏蒸+微生物有机肥”相结合，首先对土壤进行化学消毒，然后向土壤中施入微生物有机肥，通过人工补充外源拮抗微生物，促使抑病型的土壤微生物区系形成在土壤中，保证质量健康的耕地土壤，减少农用化学品的投入，促进植株健康生长.利用携带针对性拮抗菌和其他有益菌的微生物有机肥在黄瓜立枯病、黄瓜枯萎病以及番茄青枯病等土传病害防控中的应用获得了成功[2-4].然而，在某些情况下，单独施用微生物有机肥并不能得到很好的效果.如甘肃农业大学邱慧珍团队在陇东地区旱作马铃薯连作障碍治理中发现，单独施用微生物有机肥并不能使连作马铃薯块茎产量的严重下降得到控制[5]，而采用土壤消毒与微生物有机肥联用的方法(石灰+碳铵熏蒸与微生物有机肥联用)可使马铃薯块茎产量增加，使植株的发病率和病薯率降低[6].

茄子(SolanummelongenaL.)是全国栽培的重要的果菜类蔬菜之一.随着专业化生产的发展，设施茄子连作栽培已成常态，致使连作障碍愈来愈严重：如黄萎病和根腐病等土传病害严重发生，产量下降，果实品质变差.棚室茄子连作栽培的研究表明，连作生产田土壤微生物结构失衡是连作障碍形成的重要原因：随着连作年限的增加，茄子根际土壤中可培养的细菌、放线菌数量逐年减少，而真菌数量呈逐年增加趋势，且随着连作年限的增加变化幅度逐年加大[7].郭炜等[8]通过喷施不同种类的微生物有机肥发现，合理正确地施用微生物有机肥可以提高茄子的品质及产量.甘肃省白银市位于甘肃省中部，地处黄河灌溉农业区，光热资源丰富，设施果菜类生产已成规模.其中以水川镇大坪科技示范园区为中心，已形成了较大规模的日光温室茄子种植片带.该区日光温室茄子普遍采用一大茬、高肥水、自根苗栽培方式，连作现象普遍，连作障碍严重.连作障碍形成的原因与植物种类，土壤类型及栽培技术密切相关[9-10]，前人主要从土壤剖面养分变化、重金属含量、土壤养分动态变化和土壤的生物学特性等方面对该区茄子连作障碍进行了研究[11-13].但是基于茄子根际微生态环境水平上连作障碍的治理研究未见报道.

如前所述，微生物有机肥在土壤微生物区系调控中的作用为生产实践所证实，土壤消毒与微生物有机肥联用在农田连作障碍治理中展示了良好的应用效果.近年来，由本课题组成员参与研发的生物有机肥(“鑫昊”生物有机肥)，在白银建厂生产，应用于当地辣椒、番茄等多种蔬菜作物生产.2017年，本课题组开展了该有机肥在白银地区设施茄子连作田肥效试验，证明了该生物有机肥与常规施肥配施可在一定程度上缓解该区日光温室茄子一大茬栽培连作障碍[14].同年，本课题组开展了土壤熏蒸剂(威百亩，石灰氮)与该生物有机肥联用缓解设施茄子连作障碍试验研究，证明该技术能够显著缓解设施茄子连作障碍，提高茄子的产量及品质(研究结果另文发表).本部分研究以此为基础，评估该微生态调控技术对日光温室茄子连作生产田的土壤微生态环境的影响，以期为该技术的进一步推广应用提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 试验区基本情况

试验在甘肃省白银市白银区水川镇大坪科技示范园区进行.试验区的气候类型为温带大陆干旱、半荒漠气候，年均气温8.07 ℃，年均无霜期183.8 d.年蒸发量1 997.1 mm，年降水量198 mm.日极端最高气温37.3 ℃，最低气温-26 ℃.该区水源充足，具有良好的农业灌溉条件.

1.2 供试材料

供试茄子品种：嫁接的‘黑龙长茄’(砧木为托鲁巴母).

化学熏蒸剂：石灰氮颗粒剂(总氮≥20%，氰氨化钙≥50%，宁夏远大兴博化工有限公司)，42%威百亩水剂(25 kg/桶，山东钰来化工科技监制出品).

微生物有机肥：由白银鑫昊生物科技有限公司与甘肃农业大学产学研合作研制，由白银鑫昊生物科技有限公司提供(有机质含量≥45%，总养分含量(NaP2O5+K2O)≥5%，加入活化菌后发酵一周使用).

1.3 试验设计与方法

试验地位于该区大坪村茄子连作4 a的92#温室内.试验于2017年9月～2018年4月进行.处理前耕层土壤基本理化性状如下：碱解氮148.35 mg/kg、有机质26.08 g/kg、有效磷154.03 mg/kg、速效钾275.00 mg/kg，水土比5∶1条件下采用HANNAHI8314便携式pH仪测定土壤pH为8.28.

试验采用完全随机区组设计共6个处理：CK，只施基肥(羊粪14.4 t/667m2)，其他不做任何处理；SFS，石灰氮熏蒸土壤；SFW，威百亩熏蒸土壤；BF，用微生物有机肥对土壤进行处理；SFS+BF，石灰氮熏蒸与微生物有机肥联用；SFW+BF，威百亩熏蒸与微生物有机肥联用.小区面积8.0 m×1.0 m，每个处理3次重复.熏蒸处理的具体操作如下：施药前将基肥均匀撒入棚中，用旋耕机翻耕均匀.然后将石灰氮颗粒70 kg/667m2均匀撒施到土壤中，快速用旋耕机深翻，深度为0～20 cm，然后覆膜且膜下浇透水；或将用水稀释80倍的威百亩25 kg/667m2均匀洒到土壤表面，然后起垄，地表覆膜，膜下浇水保持土壤湿度在65%～75%；最后密封棚膜，闷棚15 d.土壤熏蒸结束后，揭膜晾晒5 d.微生物有机肥施用的具体操作如下：熏蒸结束后将微生物有机肥按300 kg/667m2以基肥的方式一次性施入沟中并覆土，以保证肥料湿润.

茄子植株于2017年9月28日定植.采用宽垄双行覆膜定植，垄宽和行距分别为1.0 m和0.5 m，株距为0.7 m，定植后每月2号和17号采用膜下滴灌的方式进行灌溉.其余田间管理措施均由农户按常规方法管理.从结果期开始，采用滴灌的形式对茄子追肥3次，每次间隔15 d，所施肥料为高磷钙型的6-30-19-7钙(粉剂，武汉禾力康农业技术有限公司)，每次的施肥量为4 kg/667m2.

1.4 样品采集与分析

采用五点取样法分别于定植前(2017-9-27，即土壤消毒完成后)、幼苗期(2017-10-17)、开花坐果期(2017-12-14)、盛果期(2018-1-12)以及定植后140 d(2018-2-10)进行各小区土壤样品的采集，采样深度为0～20 cm.分别采用马丁氏培养基、牛肉膏蛋白胨培养基和高氏1号培养基培养真菌、细菌和放线菌，并用稀释涂布平板法对两种菌计数.蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶等酶的酶活性测定参照文献[15-16].

1.5 数据处理

原始数据处理及图表绘制在Microsoft Excel 2010上进行，试验数据的方差分析用SPSS 19.0统计软件进行，并用Duncan’s法进行多重比较和差异显著性检测(P<0.05).

2 结果与分析

2.1 “土壤熏蒸+微生物有机肥”对日光温室连作茄子土壤可培养微生物数量的影响

2.1.1 “土壤熏蒸+微生物有机肥”对细菌数量的影响 不同采样时期，不同土壤处理方法对土壤细菌数量的影响见图1.双因素方差分析结果表明，土壤处理方法对细菌数量的影响达到差异显著水平(F=5 609.6，P<0.05)，植株生长发育时期对细菌数量的影响也达到差异显著水平(F=20.989，P<0.05)，且二因素之间互作效应显著(F=1 516.9，P<0.05).进一步对植株同一生长发育时期各处理的细菌数量进行多重比较得，“土壤熏蒸+微生物有机肥”联用对茄子连作土壤细菌数量影响显著.与CK相比，土壤熏蒸尽管使苗期的土壤细菌数量降低，但与微生物有机肥联用的SFW+BF和SFS+BF处理，随着茄子的生长发育，细菌数量快速增加并显著高于CK、SFW和SFS处理；除开花结果期外，BF处理在茄子生长的整个生育期内均显著高于CK、SFS和SFW处理；BF与SFW+BF处理间除苗期外差异不显著，而除苗期外，处理SFS+BF在整个生育期内与CK、SFS、BF差异显著.茄子生长第110天，SFW+BF处理的细菌数较CK和SFW处理分别显著增加89.30%和113.75%，SFS+BF处理的细菌数较CK和SFS处理分别显著增加92.25%和114.40%；茄子生长第140天(2018-2-10)，SFW+BF和SFS+BF处理的细菌数较CK分别显著增加92.25%和89.30%.由此说明土壤熏蒸与微生物有机肥连用有利于细菌数量的繁殖，且处理SFS+BF优于处理SFW+BF.

多重比较结果在同一个植株生长发育时期进行.Multiple comparison results showed in the same plant growth stage,respectively.图1 土壤熏蒸和微生物有机肥联用对土壤细菌数量的影响Figure 1 Effects of soil fumigation and bio-organic fertilizer on soil bacteria

2.1.2 “土壤熏蒸+微生物有机肥”对真菌数量的影响 不同采样时期，不同土壤处理方法对土壤真菌数量的影响见图2.双因素方差分析结果表明，土壤处理方法对真菌数量的影响达到差异显著水平(F=6.763 3，P<0.05)，植株生长发育时期对真菌数量的影响也达到差异显著水平(F=6.763 3，P<0.05)，且二因素之间互作效应显著(F=0.580 8，P<0.05).进一步对植株同一生长发育时期各处理的真菌数量进行多重比较，结果表明，不同处理条件下土壤真菌的数量在茄子整个生育期内均表现出CK>BF>SFW或 SFS>SFW+BF或SFS+BF的趋势，表明土壤熏蒸处理和与微生物有机肥联用的处理均能使茄子连作土壤中的真菌数量降低，且与CK相比，处理SFW+BF和SFS+BF差异显著.在茄子生长的第80天，与CK相比，处理SFW、SFS、SFW+BF、SFS+BF的真菌数量显著降低，分别降低112.55%、102.06%、162.57%、199.39%；茄子生长的第140天，处理SFW+BF和SFS+BF的真菌数显著低于CK，分别降低62.37%和92.56%.BF处理的真菌数量在苗期显著低于CK，在其他各生育期内与CK差异不显著.常规施肥处理CK真菌数量一直处于较高水平，而熏蒸处理以及与微生物有机肥联用后真菌数量显著减小，说明施用熏蒸剂处理后能显著降低土壤中的真菌数量.

2.1.3 “土壤熏蒸+微生物有机肥”对放线菌数量的影响 不同采样时期，不同土壤处理方法对土壤放线菌数量的影响见图3.双因素方差分析结果表明，土壤处理方法对放线菌数量的影响达到差异显著水平(F=1 504.8，P<0.05)，植株生长发育时期对放线菌数量的影响也达到差异显著水平(F=29.66，P<0.05)，且二因素之间互作效应显著(F=545.86，P<0.05).进一步对植株同一生长发育时期各处理的放线菌数量进行多重比较，结果表明，放线菌数量的变化情况在茄子生长期内与细菌基本相似.即土壤熏蒸降低了苗期土壤放线菌的数量，但在茄子生长发育后期，处理SFW+BF和SFS+BF的放线菌数量出现快速的增加并大幅度地高于CK、SFW和SFS处理.茄子生长的第110天，处理SFW+BF和SFS+BF的放线菌数较CK分别增加19.85%和23.57%，茄子生长的第140天，SFW+BF和SFS+BF处理的放线菌数较CK显著增加51.86%和62.28%.BF处理在茄子生长的整个生育期内均显著高于CK、SFS和SFW处理；BF与SFW+BF处理间除苗期外差异不显著；而除苗期和盛果期外，SFS+BF处理与CK、SFS、BF处理间差异均显著.

多重比较结果在同一个植株生长发育时期进行.Multiple comparison results showed in the same plant growth stage,respectively.图2 土壤熏蒸和微生物有机肥联用对真菌数量的影响Figure 2 Effects of soil fumigation and bio-organic fertilizer on fungus quantity

多重比较结果在同一个植株生长发育时期进行.Multiple comparison results showed in the same plant growth stage,respectively.图3 土壤熏蒸和微生物有机肥联用对土壤放线菌数量的影响Figure 3 Effects of soil fumigation and combined use of bio-organic fertilizer on soil actinomycetes

2.1.4 “土壤熏蒸+微生物有机肥”对B/F(细菌/真菌)值的影响 土壤熏蒸和微生物有机肥联用对茄子连作土壤B/F(细菌/真菌)值的影响如图4.由图4可以看出，在茄子生长发育的后期，与CK相比SFW和SFS的B/F值差异并不显著，而处理SFW+BF和SFS+BF的这一比值从开花结果期开始显著高于CK，且SFS+BF>SFW+BF.定植后80 d，处理SFW、SFS、SFW+BF、SFS+BF的B/F值与CK相比差异显著，分别增加92.86%、114.09%、92.86%和100.00%；茄子生长第140天，处理SFW+BF和SFS+BF的B/F值较CK分别增加227.42%和298.39%.由此说明微生物有机肥中大量的有益微生物和拮抗微生物在茄子生育后期逐渐进入连作茄子根际，改善了茄子连作土壤的微生物区系.

图4 “土壤消毒+微生物有机肥”对茄子连作土壤B/F(细菌/真菌)值的影响Figure 4 Effects of soil fumigation combined with bio-organic fertilizer on soil B/F (bacteria/fungus) values in continuous cropping of eggplant

2.2 “土壤熏蒸+微生物有机肥”对日光温室茄子连作土壤酶活性的影响

2.2.1 “土壤消毒+微生物有机肥”对过氧化氢酶活性的影响 土壤熏蒸与微生物有机肥相结合对日光温室茄子连作土壤酶活性的影响见表3.就过氧化氢酶而言，从表3可以看出，茄子播前、苗期及开花结果期内，SFW+BF和SFS+BF处理较CK并未出现显著变化；在盛果期较CK分别增加了149.59%和153.66%；在定植后140 d较CK分别增加了110.05%和121.16%.SFW+BF处理在茄子播前及其整个生育期内较SFW、BF并未出现显著差异，SFS+BF与SFS和BF同样没有显著差异.

2.2.2 “土壤熏蒸+微生物有机肥”对脲酶活性的影响 从定植后20 d(苗期)至茄子定植后140 d，SFW+BF和SFS+BF处理的脲酶活性均高于其他各处理.在苗期、开花结果期和盛果期以及定植后140 d，SFS+BF处理土壤脲酶活性与CK相比分别显著增加了97.27%、74.30%、187.85%和56.75%；SFW+BF处理在盛果期较CK显著增加了170.06%，在其他各生育期内与CK、SFW、BF相比均未出现显著差异，而SFS+BF处理在苗期以后的各时期与CK、SFS、BF相比差异显著.

2.2.3 “土壤熏蒸+微生物有机肥”对蔗糖酶活性的影响 对蔗糖酶，SFW+BF和SFS+BF处理较CK在茄子播前及其整个生育期内并未出现显著变化，BF处理的土壤蔗糖酶在茄子开花结果期达到最大值，较CK显著了增加66.90%，其他各处理间差异不显著.

2.2.4 “土壤熏蒸+微生物有机肥”对碱性磷酸酶活性的影响 “土壤消毒+微生物有机肥”处理显著影响了连作茄子土壤磷酸酶的活性.不同处理条件下土壤中碱性磷酸酶的活性在茄子整个生育期内均表现出SFS+BF或SFW+BF>SFS或SFW>BF>CK的趋势，且SFW+BF和SFS+BF处理较CK差异显著.在盛果期，处理SFW+BF和SFS+BF的土壤碱性磷酸酶活性较CK分别显著增加了47.22%和58.33%；在定植后140 d，分别增加了54.05%和62.16%.茄子定植后SFS+BF处理与CK、SFS、BF处理间土壤磷酸酶活性差异显著.

表1 “土壤熏蒸+微生物有机肥”联用对土壤酶活性的影响

3 讨论

土壤微生物与土壤中植物的生长、有效养分的吸收和转化、土壤生态系统的修复等密切相关.因此，土壤微生物可作为土壤生态系统最直接的生物学指标，以此来检测土壤生态系统是否受到干扰或污染[17-18].诸多研究表明，连作障碍形成的重要原因之一是微生物结构的失衡[19].在土壤生态系统中微生物的功能主要包括：维持土壤养分循环、控制土传病虫害、诱导植物抗病性等，其丰度，多样性与植物种类，土壤类型及栽培技术密切相关[6-7].连作栽培会影响根系生理，改变根系分泌物的质量和数量，对作物根际微生物产生了新的选择压力，由此导致微生物群落结构发生变化[20-21]，连作还可促使土壤从高肥的“细菌型”土壤向低肥的“真菌型”土壤转变：小麦、大豆、马铃薯和韭菜根部有益的细菌和放线菌显著减少，而对根际有害的土壤真菌显著增加[22-25].因此，通常用细菌与真菌数量的比值来直观表现土壤肥力的高低[25].本试验中，通过土壤熏蒸和微生物有机肥联用(SFW+BF和SFS+BF)，可使土壤中微生物的数量发生显著改变，茄子生长发育后期土壤中的真菌数量减少，细菌和放线菌数量增加，在土壤中维持一个更高的细菌和真菌比例(B/F)，保持了土壤微生物区系的平衡.本研究结果与刘星等[6]在马铃薯的研究中所得结果一致.在该项针对陇东地区旱作马铃薯连作障碍治理技术的研究中，研究人员发现利用石灰+碳铵熏蒸与有机肥联用和氨水熏蒸与有机肥联用，可使马铃薯生长发育后期土壤中细菌和放线菌数量增加，真菌的数量减少，土壤向“细菌型”土壤转变，可有效缓解连作障碍.

本研究结果还表明，植株生长发育时期与“土壤熏蒸+微生物有机肥”(SFW+BF和SFS+BF)处理对微生物的数量变化具有互作效应：因此，尽管土壤熏蒸降低了播前和苗期土壤细菌的数量，但是，由于互作效应的存在，随着茄子生育进程的推进，土壤熏蒸与微生物有机肥联用的各处理(SFW+BF和SFS+BF)，细菌数出现快速增加并大幅度地高于对照及与有机肥未联用的各处理(CK、SFW和SFS).其原因在于：微生物有机肥本身含有有益菌群，可活化土壤中的一些土著微生物.且微生物有机肥的基料大多由有机物构成，使土壤中微生物的可利用营养增加，增加菌群数，尤其是细菌的数量[26].

土壤酶来源于土壤中的微生物、植物和动物，它们不仅参与土壤中的物质转化和能量代谢，而且其活性大小是衡量土壤肥力的重要指标[27-28].土壤呼吸强度、有机质等土壤养分状况和微生物的数量等均与过氧化氢酶的活性密切相关[29]，过氧化氢酶的活性通常受土壤肥力因素的影响，并与其成正比.脲酶是土壤酶中唯一对尿素转化作用有影响的酶[30]，脲酶可使土壤中尿素的水解得到加速，为植物生长补充所需的氮源，一般用土壤脲酶的活性来衡量土壤氮素水平.土壤蔗糖酶可参与土壤碳素循环，是土壤成熟度、物质转化强度和土壤肥力水平的重要评价指标[31]，土壤呼吸强度、土壤养分和微生物数量等均可影响蔗糖酶的活性.碱性磷酸酶可参与有机磷转化，使有机磷的脱磷速率提升[32]，还可以有效减少过量磷素对土壤的影响.诸多研究表明，连作可使上述土壤酶活性持续降低[33-34].土壤熏蒸可降低土壤多种酶的活性，前人在使用土壤消毒剂溴甲烷等进行土壤消毒时得到证明[35].本研究中使用的土壤消毒剂威百亩和石灰氮也得到了类似结果.本研究结果进一步得出，“土壤熏蒸+微生物有机肥”可使连作茄子土壤脲酶和碱性磷酸酶以及生长后期过氧化氢酶的活性显著提高，由此表明土壤熏蒸剂与微生物菌肥结合可以使单独采用土壤熏蒸剂导致土壤酶活性降低的现象得到改善，提高土壤酶活性，促进植株生长，缓解茄子连作障碍.但本试验中蔗糖酶活性的变化不显著.推测可能与所施有机肥的种类和性质、熏蒸剂的类型和用量以及熏蒸剂有效成分在不同性质土壤中的渗透效果等多种因素有关[28].

4 结论

比较本研究中石灰氮熏蒸配合微生物有机肥与威百亩熏蒸配合微生物有机肥对土壤微生物及酶活性的影响，发现前者对土壤生物化学作用效应优于后者.本课题组前期研究表明，在同样的试验条件下，石灰氮熏蒸配合微生物有机肥的处理对连作茄子的增产效果优于威百亩熏蒸配合微生物有机肥的处理.因此，石灰氮、威百亩等土壤消毒剂与微生物有机肥联用可以使连作茄子土壤的微生物区系得到有效改善，使土壤酶活性提高，进而改善土壤理化性状.促进植株生长，缓解茄子连作障碍，且“石灰氮熏蒸+微生物有机肥”的联用效果优于“威百亩熏蒸+微生物有机肥”的联用效果.