生物有机类复合调理剂在设施叶菜障碍土壤上的应用效果

王光飞，高晓东，马 艳*，郭德杰，王秋君，梁永红，仇美华

（1.江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，江苏 南京 210014；2.无锡市惠山区农林局，江苏无锡 214174；3.江苏省耕地质量与农业环境保护站，江苏 南京 210036）

叶菜是一种消费量极大且不可替代的大宗蔬菜。但叶菜不耐贮藏和长距离运输，因此世界各地，特别是大城市周边均有规模化种植。长江中下游区域设施叶菜生长期短、产量高，周年可种植4～6茬，土壤长期重茬加上大量盲目施用化肥和高养分农家肥，造成养分大量积累，次生盐渍化和酸化严重，微生物菌群失调，土壤肥力质量下降，进而引起连作障碍严重［1-3］。调查显示，在长江中下游地区，长期种植叶菜的大棚土壤次生盐渍化和酸化面积达到种植面积的40%以上，已经严重影响了叶菜的产量和品质，亟待需要安全、有效和可持续的改良技术［1-3］。

土壤调理剂是指加入土壤中用于改善土壤物理、化学和生物学性状的物料。已有的研究表明土壤调理剂可降低土壤盐害和调节酸碱度［4-7］，但此类土壤调理剂多为化学和矿物类无机调理剂，主要成分为天然矿物、人工合成聚合物和人工提取物等，对于快速提高土壤pH值效果显著，但不能有效改善土壤生物学性状，且有时会加剧土壤的盐渍化程度［4］。另外，施用化学和矿物类无机调理剂环境风险大，天然矿物重金属含量较高且释放的阳离子可能对土壤有长期毒害作用，聚合物降解物质可能对土壤、植物、地下水等有危害作用，人工提取物对土壤的长期影响尚未明确且可能会引入有害物质［4，8］。因此，目前应用于改善土壤盐渍化和酸化的调理剂在实际应用中具有局限性。

土壤施用腐熟有机物可有效提高土壤缓冲能力和离子平衡能力［9］，这有利于改善土壤盐渍化和酸碱度等问题。活性有益微生物可显著改善土壤微生物区系并提高土壤生物活性，进而推动土壤化学性状的改良［10］。有研究表明，有益微生物可协助腐熟有机物平衡土壤养分，降低土壤全盐含量，提高土壤酸碱度缓冲性能［11］。但目前，尚未有生物有机类复合土壤调理剂改善设施土壤次生盐渍化和酸化的报道。与化学和矿物类无机调理剂相比，生物有机类复合调理剂对土壤综合性状无副作用。因此，研制具有改善土壤连作障碍的生物活性有机调理剂具有重大意义。

鉴于此，本团队以植物源有机肥、秸秆生物炭和耐酸耐盐的功能微生物为主要原料，研发形成适合多种障碍土壤的生物有机类复合调理剂，其中两种调理剂在前期试验中对盐渍化和酸化土壤具有良好的效果，本研究拟通过田间试验，研究两种复合调理剂对设施障碍土壤综合性状和叶菜产量的影响，以期为长江中下游地区设施叶菜土壤改良提供针对性强的复合调理剂，为解决设施叶菜连作障碍提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地点

本试验在江苏省无锡市惠山区洛社镇叶菜种植基地（31°39′N，120°14′E）开展。该区域为亚热带季风海洋性气候，年平均气温17℃，全年平均降水量1 100 mm，土壤为太湖平原地区有代表性的黄泥土。选取种植年限8年以上的两个次生盐渍化和酸化严重的代表性大棚进行试验，土壤性状见表1。

表1 试验土壤基本性状

1.2 试验材料

促生防病微生物菌剂：绿色木霉菌TV41和解淀粉芽孢杆菌BS211为本研究室筛选，以麸皮稻草等原料固态发酵制备菌剂［12］。

3种复合调理剂分别制备如下：中药渣有机肥（江苏省好徕斯肥业有限公司）与稻壳生物炭（溧阳市德胜活性炭厂）按鲜重9∶1混合后，添加TV41菌剂和BS211菌剂至活菌终浓度均为107，即为调理剂1；秸秆有机肥（南京明珠肥料有限公司）与稻壳生物炭（溧阳市德胜活性炭厂）按鲜重9∶1混合后，添加TV41菌剂和BS211菌剂至活菌终浓度均为107，即为调理剂2；调理剂3购于市场，以畜禽粪便和秸秆等农业废弃物堆肥至腐熟再添加促进植物生长和抑制土传病原菌的功能菌至终浓度为2×107。3种调理剂基础性状见表2。

表2 复合调理剂基本性状

1.3 试验设计

试验在塑料大棚中进行，大棚规格为跨度8 m、中部高2.2 m、长40 m，设置4个处理：1）常规对照（CK）：每公顷施用15-15-15复合肥450 kg；2）调理剂1（T1）：每公顷施用调理剂1 4 500 kg；3）调理剂2（T2）：每公顷施用调理剂2 4 500 kg；4）调理剂3（T3）：每公顷施用调理剂3 4 500 kg，每个处理3次重复，小区面积为6 m2，随机排列。各处理总养分投入见表3。2017年6月1日肥料撒施后翻地，并洒水至土壤水分达最大田间持水量的60%～70%。6月10日一号棚撒播种植一点红苋菜，二号棚撒播种植鸡毛菜，7月5日收获并测产。收获结束后各小区按照S型多点法采集0～20 cm耕层土样。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 土壤主要化学性状测定

铵态氮以冻存土样为测定对象，其余土壤理化指标均以风干土样为测定对象。pH值：采用土水比=1∶5浸提，用pH计测定；电导率：采用土水比=1∶5浸提，用电导仪测定；有机质：重铬酸钾—硫酸消化法；铵态氮：氯化钾浸提-靛酚蓝比色法；硝态氮：氯化钾浸提-紫外分光光度法；速效钾：乙酸铵浸提-火焰光度法；有效磷：碳酸氢钠浸提-钼锑抗分光光度法［13］。

表3 不同处理氮磷钾养分投入

1.4.2 土壤酶活性测定

以鲜土样为测定对象，土壤蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水杨酸比色法，以1 g土壤24 h后产生葡萄糖的毫克数表示；脲酶活性采用苯酚-次氯酸钠比色法测定，以1 g土壤24 h后催化底物产生的NH3-N的毫克数表示；酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法，以1 g土壤24 h后催化底物产生的苯酚的纳摩尔数表示［14］。

1.4.3 土壤微生物数量测定

以鲜土样提取土壤DNA，试剂盒为MP公司生产的FastDNA SPIN Kit for Soil，按照使用说明提取土壤DNA。采用实时荧光定量PCR技术测定土壤细菌和真菌总数。采用平板培养法对土壤芽孢杆菌和木霉进行计数，所用培养基分别为V8和马丁氏培养基［15］。

1.4.4 土壤微生物碳源利用特征分析

应用Biolog-Eco生态板测定土壤微生物碳源利用能力［16］。

1.5 数据处理

采用孔平均颜色变化率法测定微生物利用单一碳源的能力。Ci为各反应孔在590 nm的光密度值；R为ECO 板对照孔A1的光密度值；Ci-R小于零的孔计算中记为零；Pi=（Ci-R）/∑（Ci-R），表示有碳源的孔与对照孔A1的光密度值之差与整板总差的比值；S为颜色发生变化的孔数（AWCD＞0. 2代表该孔碳源被利用）。孔平均颜色变化率（Average well color development，AWCD）=∑（Ci-R）/31；Shannon物 种 多 样 性 指 数（H）=-∑Pi×lnPi；Simpson优 势 度 指 数（D）=1-∑ Pi2；Shannon 群落均匀度指数（E）=H/lnS［16］。

试验中所得数据经Excel 2016软件整理后，应用SPSS 17.0软件进行统计分析。文中数据均为3次重复平均值。应用Canoco 4.5软件进行主成分分析（PCA），其结果用排序图表示。

2 结果与分析

2.1 不同调理剂对叶菜产量的影响

不同调理剂对叶菜产量影响差异较大（图1），T1和T2在两个大棚中均显示出增产作用，对苋菜的增产率分别为17.5%和11.7%，对鸡毛菜的增产率分别为15.7%和24.5%。但T3对两种叶菜产量影响甚小，在鸡毛菜表现出减产作用。另外，T1对于苋菜增产作用显著，而T2对鸡毛菜增产作用显著，这可能与叶菜品种不同有关，也可能与调理剂在不同背景土壤中表现的效果差异相关。

图1 不同调理剂处理的产量

2.2 不同调理剂对土壤主要化学性状的影响

2.2.1 对土壤主要化学性状的影响

两个大棚土壤均为强酸性土壤（4.71和4.63），种植后T1和T2处理对土壤pH值无显著影响，但T3则降低土壤pH值，在苋菜和鸡毛菜大棚中下降值分别为0.17和0.30，但与CK未达到显著差异。不同处理土壤EC值差异较大，总养分投入越大土壤EC值越高。与对照相比，T1和T2明显降低两个大棚土壤的EC值，而T3明显增加两个大棚土壤的EC值。在苋菜大棚，T1和T2处理的土壤EC值分别比CK低 61.3和108.3 μ S/cm，在鸡毛菜大棚，分别比CK 低82.3和92 μ S/cm，而T3处理则在两个大棚中使得土壤EC值分别增加了82.3和155.0 μ S/cm。3种调理剂对土壤有机质含量的影响较小，但其中T1对苋菜大棚有机质含量的增加值为3.4 g/kg，T2对鸡毛菜大棚的增加值为4.2 g/kg。T1和T2处理均降低了两个大棚土壤中铵态氮和硝态氮的含量，两个处理在苋菜大棚中使得硝态氮分别减少3.8%和17.9%，在鸡毛菜大棚中使铵态氮分别减少33.2%和22.4%。3种调理剂均可增加土壤有效磷含量，在鸡毛菜大棚中分别增加了69.3、150.1和77.6 mg/kg。调理剂对速效钾影响较小，但在鸡毛菜大棚中T2降低了速效钾含量，T3则增加了速效钾含量。

图2 不同调理剂处理的土壤化学性状

综上，T1和T2总体表现为降低土壤盐分和速效养分含量，而T3提高土壤盐分含量，并降低了土壤pH值，可能与该调理剂本身的高EC值有关。

2.2.2 相关性分析

相关分析显示，产量与土壤化学性状相关性不强（表4）。土壤EC值与产量呈一定的负相关性，其余指标与产量相关性系数均较小。因此，调理剂对产量的影响与其改变土壤化学性状关联较小。值得注意的是产量与总养分投入呈显著负相关，即总养分投入对产量有显著负影响。

表4 土壤化学性状与产量相关性分析

2.3 不同调理剂对土壤生物学性状的影响

2.3.1 对土壤酶活性的影响

3种调理剂对土壤蔗糖酶活性表现出显著的增加作用，在苋菜大棚T1、T2和T3处理的酶活性分别是CK的2.18、1.60和1.66倍，且T1与CK达到显著差异；在鸡毛菜大棚分别是CK的1.26、2.49和1.60倍，且T2与CK达到显著差异。另外，3种调理剂对酸性磷酸酶活性也有一定的增加作用，其中T2较为明显。与蔗糖酶和酸性磷酸酶相反，调理剂降低了土壤脲酶活性，并且在苋菜大棚中T1、T2和T3脲酶活性均显著低于CK。可见，施入调理剂对土壤碳氮磷转化均产生了较大的影响，可能促进了碳磷转化，而削弱了氮转化。这与调理剂减少土壤铵态氮含量和增加有效磷含量相符。

图3 不同调理剂处理土壤酶活性

2.3.2 对土壤微生物数量的影响

施入3种调理剂对土壤微生物数量均产生了较大的影响。T1和T2可降低土壤真菌总数，显著增加土壤细菌总数。 T1和T2处理，在苋菜大棚中使得真菌减少率分别为8.3%和8.0%，使得细菌增加率分别为19.2%和7.8%；在鸡毛菜大棚中使得真菌减少率分别为25.1%和45.2%，使得细菌增加率分别为20.8%和30.2%。在鸡毛菜大棚中，T2处理的真菌和细菌总数均与CK达到显著差异。

另一方面，施用调理剂对土壤有益菌木霉和芽孢杆菌数量也产生了较大的影响。在两个大棚中，采用平板培养法，在对照和T3处理中均未检测到木霉，而T1和T2处理中木霉的数量在苋菜大棚分别为4.8×103和 3.5×103CFU/g，在鸡毛菜大棚分别为9.8×103和 3.3×103CFU/g，均显著高于CK和T3，表明调理剂带入的木霉菌TV41在土壤中能很好定殖或者是施用这两种调理剂能够有利于土壤中土著木霉菌的增殖；3种土壤调理剂对芽孢杆菌数量的影响程度不及木霉，且在不同棚中表现有差异，苋菜大棚，3种调理剂处理与CK均未达到显著差异，仅T1处理中芽孢杆菌是CK的1.23倍；鸡毛菜大棚，T2处理中芽孢杆菌数量是CK的1.19倍，达到显著差异，其他处理差异不显著。

综上，施用不同的土壤调理剂对土壤真菌和细菌的影响程度具有差异，其机理有待于深入研究。

图4 不同调理剂处理的土壤微生物数量

2.3.3 对土壤微生物碳源利用能力及多样性的影响

平均颜色变化率（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样性等。图5显示，在两种蔬菜大棚中，各处理整体趋势表现相同，均为T1=T2＞CK＞T3，说明T1和T2处理均促进了土壤微生物对碳源的利用能力，而T3处理则产生抑制作用，可能与该调理剂本身的性状相关。

Shannon多样性指数（H）反应微生物群落物种的丰富度，Shannon均匀度指数（E）是微生物群落物种均一性的度量，Simpson优势度指数（D）反应微生物群落物种集中度。T1和T2多样性指数显著高于CK和T3，且T3在苋菜大棚中多样性指数显著低于CK（表5）。另外，T1和T2均匀度指数也显著高于CK和T3，而优势度指数显著低于CK和T3。因此，T1和T2土壤微生物功能多样性特征可能是其具有较好应用效果的主要原因。

2.3.4 相关性分析

土壤生物学性状与产量紧密相关（表6）。细菌总数、芽孢杆菌数量、蔗糖酶活性、AWCD值及shannon多样性指数与产量呈显著正相关，而木霉数量与产量呈极显著正相关。另一方面，真菌总数与产量呈一定的负相关性。因此，调理剂对产量的影响应与其改善土壤生物学性状密切相关。

图5 不同调理剂处理土壤平均颜色变化率

表5 不同调理剂处理土壤微生物功能多样性指数（96 h）

表6 土壤生物学性状与产量相关性分析

2.4 土壤性状与产量主成分分析

图6 土壤性状与产量PCA双序图

采用PCA分析，建立各大棚叶菜产量与土壤性状二维排序图（图6）。对于苋菜大棚，蔬菜产量受木霉数量、细菌总数、AWCD、shannon多样性指数和蔗糖酶活性正向影响，而受真菌总数、脲酶活性、养分总投入、EC、硝态氮含量和速效钾含量负向影响。另外，芽孢杆菌数量、酸性磷酸酶活性、pH、有机质和有效磷含量对产量有一定的正向影响。对于鸡毛菜大棚而言，木霉数量、细菌总数、芽孢杆菌数量、AWCD、shannon多样性指数、脲酶活性和有效磷含量对产量具有正向影响，酸性磷酸酶活性、pH和有机质含量有一定的正向影响，但真菌总数、养分总投入、EC、硝态氮含量、铵态氮含量和速效钾含量为负向影响。

综合两个大棚的分析结果可知，有益微生物数量、细菌总数、微生物多样性和活性以及土壤酶活性等生物学性状对产量产生正向影响，而养分投入、土壤盐分和与速效养分相关性状产生负向影响。由此推测，调理剂主要通过改善生物学性状达到增产效果，而土壤养分适当降低也有利于增产。另外，在养分过度积累的大棚土壤中降低速效养分含量有利于改善土壤生物学性状。

3 讨论

本研究表明施用不同生物有机类复合调理剂对设施障碍土壤的叶菜产量和土壤综合性状均产生较大的影响，且差异显著。调理剂1与调理剂2能显著增加两种蔬菜的产量，但调理剂3在一定程度上降低蔬菜产量。我们从调理剂本身性状对土壤化学、生物学性状的差异影响进行解析。

参与试验的两个大棚土壤均次生盐渍化严重，养分过量盈余。调理剂1和调理剂2处理总养分投入低于对照处理，而调理剂3总养分投入高于对照处理。与对照相比，调理剂3增加了土壤电导率和多种速效养分含量，降低了pH值，这与调理剂3养分和盐分含量高有关。肖辉等［17］的研究也表明高盐分有机肥易引起土壤盐分积累，并降低土壤pH值。土壤积盐可引起交换性酸增加和盐基饱和度下降，从而使土壤酸化［18］。调理剂1和调理剂2均降低土壤电导率和多种速效养分含量。优质生物有机类肥料和微生物菌肥能提高土壤生物活性，促进元素转化，平衡土壤养分［11，19-22］。因此，调理剂1和调理剂2可能具有较高的生物活性。调理剂1和调理剂2呈碱性，其中含有的生物炭可增强土壤酸碱缓冲度［23］，但可能由于本试验中调理剂的施用量较少且试验时间较短，因此对土壤酸化的改善效果不明显。

在生物学性状方面，调理剂1和调理剂2显著增加了土壤酶活性、细菌数量、有益微生物数量、碳源利用能力和微生物多样性，显著抑制了土壤真菌化，这与前人对生物有机类肥料和微生物菌肥的研究一致［11，19，24-27］。在土壤养分含量充足的情况下，土壤养分已不是影响作物生长的限制因素［25，28］。土壤微生物、土壤动物和土壤酶是生态系统的重要组成成分，更能敏感反映土壤肥力质量［29-31］。因此，调理剂1和调理剂2的施入显著改善了土壤肥力质量。另外，土壤微生态环境的改善也可减轻长期叶菜种植的自毒作用。调理剂3虽然在一定程度上增加土壤酶活性和抑制土壤真菌化，但对细菌、真菌和有益微生物数量影响甚小，且降低了碳源利用能力和微生物多样性，并没有显示出对土壤生物学性状的有效改善作用。

相关性和主成分分析显示，不同调理剂施用下，化学性状与产量相关性较小，养分总投入和土壤养分性状对产量产生负影响，而生物学性状与产量紧密相关，对其正向影响显著。因此，本试验中调理剂主要通过改善土壤生物学性状进而增加产量。对于养分盈足土壤，降低盐分和养分有利于提高土壤质量。调理剂3产量低，主要原因可能是该调理剂本身盐分和养分含量较高，施用后反而加剧了土壤的盐渍化和酸化，进而降低生物学性状和土壤的生产性能。

生物有机类产品对土壤生物学性状的显著改善作用与其大量的有益微生物和功能菌息息相关［11，19，26］。调理剂 1 和调理剂 2 中的有益木霉菌和芽孢杆菌能在土壤中稳定定殖或者两种土壤调理剂能够激发两种土著微生物的繁殖，从而调节并改善生物学性状。调理剂3改善作用效果较弱，这可能与其有益微生物活性不高或者对土壤中土著有益微生物的激活作用不强相关。

4 结论

本试验条件下，低盐高活性的生物有机类调理剂1和调理剂2可显著改善次生盐渍化和酸化严重的设施土壤生物学性状，即增加细菌数量、有益微生物数量、微生物活性和多样性且显著抑制了土壤真菌化。此外，在一定程度上减弱了土壤盐渍化。这些均有利于提高土壤肥力质量，进而增加叶菜产量。但调理剂3对土壤生物学性状有一定的负面影响，且加重土壤盐渍化，故效果甚微。