不同土壤改良方法对草莓连作土壤理化性状、养分和微生物量的影响

李跃飞，李彬，祁石刚，田福发，高学双，程芳梅，刘书华，李经洽

（1.宿迁市宿豫区农业技术推广中心，江苏 宿迁 223800；2.宿迁市农业技术综合服务中心，江苏 宿迁 223800；3.江苏省农业科学院宿迁农科所，江苏 宿迁 223800；4.宿迁市宿城区农产品综合检验检测中心，江苏 宿迁 223800）

草莓属蔷薇科多年生草本植物，其果实色、香、味俱佳，深受消费者喜爱[1,2]。近年来，随着社会经济快速发展，耕地面积呈现不断变小趋势，而设施草莓栽培面积逐年递增，随着草莓产业的发展，草莓土壤连作障碍愈发严重[3-6]。连作障碍主要表现为土壤养分失衡、理化性质恶化、微生物群落结构发生改变、自毒物质累积等[7-9]，导致作物出现长势衰弱、品质降低和产量下降等不良现象[10]。近年来，宿迁市草莓栽培面积已达到2 000 hm2，然而，宿豫保护地呈现出不同的盐渍化组成特征[11,12]，致使土壤连作障碍给当地草莓产业造成越来越严重的负面影响。因此，非常有必要探索当地草莓连作障碍发生的内在因素，研究其消减方法。目前，消减连作障碍的主要方法有物理、生态、生物、化学等手段，其中物理方法有高温闷棚，是将大棚完全封闭，利用增温对土壤进行消毒处理，晴天时，20～30 cm 土层能较长时间保持在50～60 ℃，当地表温度达到70 ℃以上时，持续20～30 d，能显著提升土壤消毒效果。生态方法为米糠还田，将米糠肥料化是充分利用农业资源的重要途径，避免随意丢弃污染环境，不仅可以起到培肥改良土壤，增加土壤肥力的作用，而且还可提高耕地抗逆性。生物方法为利用复合微生物菌剂，遴选具有防病、拮抗有害微生物的菌群，例如促生芽孢杆菌、木霉菌、放线菌和粘帚霉等菌剂，通过微生物肥料的使用，将有益微生物施入土壤中，通过菌株在作物根表、根际和体内定殖、繁殖和转移，充分发挥菌株的促生长、土壤养分释放、抗逆、改良土壤等功能，提高肥料利用率，增强作物抗逆性等效果[13]。化学方法为威百亩，具有熏蒸作用的二硫代氨基甲酸酯类杀线虫剂（化学式为C2H4NNaS2，白色结晶固体），将其在土壤中降解成异硫氰酸甲酯而发挥熏蒸作用，通过抑制生物细胞分裂、DNA、RNA 和蛋白质的合成以及造成生物呼吸受阻，能有效杀灭根结线虫、杂草等有害生物，从而获得洁净及健康的土壤。目前，对宿迁草莓连作障碍土壤的修复研究鲜有将高温闷棚、米糠还田、复合微生物菌和威百亩熏蒸这4 种土壤处理方法作系统比较研究。因此，本研究对草莓连作后利用4 种不同的土壤改良方法，通过比较水溶性盐、养分、微生物量和酶活性的变化。明确4 种不同的土壤改良方法对连作草莓土壤修复的作用机制，以期为宿迁设施栽培草莓连作土壤改良方法提供一定的理论依据和科学参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验地位于江苏省宿迁市宿豫区顺河街道周石庄社区王振川的地块（118°18'58''E，33°58'26''N），连作草莓3 年，土壤类型为壤土，土壤理化性质为：pH 7.12，EC 0.6，有机质27.68 g/kg，有效氮270.98 mg/kg，有效磷48.90 mg/kg，有效钾985.76 mg/kg。供试品种为红颊草莓。试验所用的覆盖地膜为鲁冠牌聚乙烯农膜，厚度6 丝，复合微生物菌剂为苏州大章鱼生态农业公司生产的CBM 益生菌（主要菌种为光合菌，枯草芽孢杆菌，木霉菌等），威百亩为江苏利民化工有限公司生产的利民沃野牌威百亩水剂（含量42%）。

1.2 试验设计

试验棚内分别设置5 个处理，每个处理的小区面积均为24 m2，长48 m，宽0.5 m，分别为对照（CK）处理：连续种植草莓3 年，于2020 年8 月底定植，果实收获期持续到11 月至翌年4 月下旬，2021 年6 月对收获后的草莓土壤进行取样；高温闷棚（T1）处理：将大棚完全封闭增温处理使土壤温度达到50℃～60℃，棚内地面上也覆盖一层透明薄膜，持续20 d；米糠还田（T2）处理：将米糠20 kg均匀撒在连作后的土壤上，用旋耕机旋耕一遍后喷水，然后覆盖地膜，持续20 d；复合微生物菌（T3）处理：将液态菌剂0.3 kg兑水30 kg配成溶液（浓度为0.01 g/L），均匀浇灌在连作土壤上，用旋耕机旋耕一遍；威百亩（T4）处理：将有熏蒸作用的二硫代氨基甲酸酯类杀线虫剂（化学式为C2H4NNaS2）10 kg 兑水50 kg 配成溶液（浓度为200 g/L），将溶液通过滴灌均匀施入连作后的土壤中，并立即覆盖透明薄膜，发挥熏蒸作用，处理15 d后解除薄膜，然后通风晾干5 d。每个处理重复3 次，采用随机区组设计。

1.3 样品采集

2021 年6 月，先对宿迁市宿豫区草莓保护地代表性地块进行土壤农化样品的采集，取样深度为0～20 cm，采用五点取样法，7～8 月后，经过4 种土壤改良处理后，再采集土壤样品。土样经抽湿风干后，磨细过20 目筛，测定土壤理化性状指标；未经风干的土样直接用来测定土壤微生物量碳、土壤微生物量氮和土壤酶。

1.4 测定项目与方法

土壤钠（Na+）、钾（K+）、钙（Ca2+）、镁（Mg2+）、硫酸根（SO42-）、碳酸根（CO32-）和碳酸氢根（HCO3-）测定，参照LY/T 1251-1999 森林土壤水溶性盐分分析；氯（Cl-）元素测定，参照NY/T 1378-2007 土壤氯离子含量的测定；土壤硝态氮（NO3-）测定，参照GBT 32737-2016 土壤硝态氮的测定紫外分光光度法；土壤pH 测定，参照HJ 962-2018 土壤pH 的测定；土壤有机质（SOC）的测定采用重铬酸钾容量法，参照NY/T 1121.6-2006 土壤检测第6 部分；土壤有效氮的测定采用碱解扩散法，参照LY/T 1228-2015 森林土壤氮的测定；土壤有效磷的测定采用分光光度法，参照NY/T 1121.7-2014 土壤检测第七部分：土壤有效磷的测定；土壤有效钾的测定采用乙酸铵浸提法，参照NY/T 889-2004 土壤有效钾和缓效钾含量的测定；土壤蔗糖酶的测定采用3，5-二硝基水杨酸比色法，参照土壤与环境微生物研究法[14]；土壤脲酶的测定采用苯酚钠次氯酸钠比色法，参照土壤微生物研究原理与方法[15]；土壤过氧化氢酶的测定采用高锰酸钾滴定法，参照土壤微生物研究原理与方法[15]；土壤过氧化物酶采用试剂盒名为索莱宝（Solarbio）BC0895-100T/48S；土壤多酚氧化酶测定采用试剂盒名为索莱宝（Solarbio）BC0115-100T/96S；土壤微生物量碳、氮参照熏蒸法测定[15]。

1.5 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2010 软件对数据进行处理，采用方差分析2017.01 版软件（南京农业大学农学院王绍华程序设计）进行单因素随机区组差异性分析。

2 结果与分析

2.1 不同土壤改良方法对土壤水溶性盐离子的影响

2.1.1 不同土壤改良方法对土壤水溶性盐中阴离子含量的影响

表1 可见，土壤中5 种水溶性阴离子除了CO32-没有检出，其他4 种离子含量大小顺序为SO42-＞NO3-＞Cl-＞HCO3-。SO42-含量在不同处理间差异显著（P ＜0.05），与CK处理相比，T2 处理SO42-含量最低；HCO3-含量CK 和T4 处理之间差异显著（P ＜0.05），其他处理之间差异不显著（P＞0.05），T2 处理HCO3-含量最低，T4 处理HCO3-含量最高；NO3-含量在不同处理间差异显著（P ＜0.05），T2 处理NO3-含量最低，T4处理NO3-含量最高；Cl-含量在不同处理间差异显著（P ＜0.05），T2 处理Cl-含量最低，T3 处理Cl-含量最高。结果表明，T2 处理后SO42-、HCO3-、NO3-和Cl-阴离子含量降低，对草莓连作后由水溶性阴离子造成的土壤盐渍化的修复效果较好。

表1 不同处理对土壤水溶性阴离子含量的影响Table 1 The content of water-soluble anions in soil with different treatments 单位：g/kg

2.1.2 不同土壤改良方法对土壤水溶性盐中阳离子含量的影响

表2 可见，土壤4 种水溶性阳离子含量大小顺序为K+＞Mg2+＞Ca2+＞Na+，其中，K+含量在不同处理间的差异显著（P ＜0.05），与对照处理相比，T4 处理K+含量最小；Na+含量在对照和T4 处理间差异显著（P ＜0.05），T2 处理Na+含量最低，T4 处理含量最高；Ca2+含量在T1 和T2 差异不显著，T4 处理Ca2+含量最低，对照的Ca2+含量最高；Mg2+含量不同处理间差异显著（P ＜0.05），T4 处理Mg2+含量最低，对照Mg2+的含量最高；结果表明，T4 处理对连作后土壤中K+、Ca2+、Mg2+含量的降低效果比较明显，但对Na+含量的增加有促进作用。

表2 不同处理的土壤水溶性阳离子含量Table 2 The content of water-soluble cations in soil under different treatments 单位：g/kg

2.2 不同土壤改良方法对土壤养分含量的影响

由表3 可见，4 个处理对pH、有机质含量、有效氮、有效磷和有效钾含量的影响各有差异。各处理对pH 的影响差异比较明显，T4 和T2 处理均显著高于对照CK 的1.3 和0.04 个单位，其他2 个处理均低于对照；不同处理对有机质含量的影响差异明显（P ＜0.05），T4 处理的有机质含量最高，T3 处理的有机质含量最低；不同处理对有效氮含量的影响差异明显（P ＜0.05），T4 处理的有效氮含量最高，T2 处理的有效氮含量最低；不同处理对有效磷含量的影响差异明显（P＜0.05），T3 处理的有效磷含量最高，T1 处理的有效磷含量最低；不同处理对有效钾含量的影响差异明显（P ＜0.05），对照的有效钾含量最高，T2 处理的有效钾含量最低。结果表明，T3 处理在降低土壤pH，增加土壤有效磷含量方面效果最显著，T4 处理在增加土壤pH，提高有机质含量和有效氮含量效果最显著。

表3 不同处理的土壤养分含量Table 3 The soil nutrient content of different treatments

2.3 不同土壤改良方法对土壤微生物量的影响

表4 可见，不同处理对土壤微生物量碳（MBC）和微生物量氮（MBN）含量的影响。不同处理对MBC 的影响差异明显（P ＜0.05），T1 处理后MBC 含量显著降低而MBN 含量显著增加，T2 处理MBC 含量和MBN 含量均显著降低，T3 处理后MBC 含量显著降低而MBN 含量显著增加，T4 处理后MBC 含量和MBN 含量均显著下降且为各处理的最低值，各处理均显著降低MBC含量，而对MBN含量增减效果不同。

表4 不同处理的土壤微生物量Table 4 The soil microbial biomass of different treatments 单位：g/kg

2.4 不同土壤改良方法对土壤酶活性的影响

不同处理对土壤酶活性的影响不同（表5）。T1 处理后的土壤过氧化物酶含量最高，T2 处理后的脲酶含量最高，T3 处理蔗糖酶和过氧化氢酶含量最高，T4 处理的土壤多酚氧化酶含量最高而其蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶和土壤过氧化物酶含量均最低。

表5 不同处理的土壤酶活性Table 5 Soil enzyme activities under different treatments

3 讨论

3.1 不同土壤改良方法对草莓连作土壤盐分的影响

土壤盐渍化是引起设施栽培连作障碍的主要原因之一。宿迁地区草莓种植方式主要是设施栽培，莓农为了经济效益最大化和果实甜度增加，多年偏施化学肥料尤其是硫基复合肥和高钾肥料，片面认为只要加大施肥量，就能获得丰产，在生产上大量地使用高浓度复混肥等化肥。复混肥主要是以过磷酸钙、氯化铵、硫酸铵和氯化钾等为主要原料复混而成，化肥主要以尿素、碳铵和磷酸二铵为主。由于草莓对养分的选择吸收，使大量的Ca2+、NO3-、Cl-、SO42-残留在土壤中。同时为了降低生产成本，莓农很少揭膜淋雨，造成设施土壤表层的硫酸根和钾离子浓度不断集聚。研究表明，设施草莓土壤经过连续种植后，土壤中阴性离子主要有SO42-、NO3-、Cl-、HCO3-、阳性离子主要有K+、Mg2+、Ca2+、Na+。本研究共检测8 种阴阳离子，土壤阴阳离子含量随土壤处理方法呈现出一定的规律性变化，其中4 种阴离子含量在不同处理间大小顺序为SO42-＞NO3-＞Cl-＞HCO3-，4 种阳离子含量大小顺序为K+＞Mg2+＞Ca2+＞Na+，其中4 种处理方法与对照相比，米糠还田处理后四种阴离子含量都最低，对消除土壤阴离子最有效，这与李彬等[16]研究米糠对土壤硝态氮与水溶性总盐含量降低结果一致。威百亩处理对土壤中K+、Ca2+、Mg2+含量的降低效果比较明显。因此，根据设施草莓连作土壤特性，改良设施草莓土壤的方法，一方面，需要通过科学平衡施肥等措施消减土壤离子增量[17]；降低土壤电导率和硝态氮含量[18]，从根源上减少土壤盐分增加；另一方面，需要通过米糠还田等生态措施入手，减少土壤水分蒸发和离子向表层移动聚集；通过增加碳源，增进微生物活性，消减土壤盐基离子[16]。

3.2 不同土壤改良方法对连作草莓土壤养分的影响

草莓根系是吸收养分的主要器官，属须根系，分布浅，90%的根位于地下15 cm 以内。适宜在pH 5.5～6.5的偏酸性土壤环境中生长。本研究发现，对照和各处理土壤的pH 都在7.87 以上，均超过了草莓生长的最适酸碱度，且符合宿迁历史上处于黄泛区土壤整地偏碱的特征。通过4 种不同的土壤改良方法，并不能将土壤pH降低到7 以下，而威百亩处理本身为碱性物质，导致土壤碱性更强。

参考中国第二次土壤普查推荐的养分分级标准[19]，对本研究中的连作土壤有机质、大量元素等养分进行分级，确认对照及各处理的有机质含量均为中上（3级），有效氮含量为高（2 级）、有效磷含量为高（2 级）、有效钾含量为极高（1 级）。本研究表明，经过草莓多年连作，土壤的有机质、氮、磷、钾速效养分均具高位，通过土壤改良，尤其是威百亩能进一步提高土壤有机质、有效氮和速效磷的含量。

3.3 不同土壤改良方法对连作草莓土壤微生物量的影响

土壤微生物量是土壤自然肥力的重要指标之一，能参与土壤有机质的合成和分解，是土壤有机质的活性组分。其中土壤微生物量碳（MBC）是土壤有机碳库的一部分，虽然占比仅为有机质的1%～4%[20]，但是在土壤养分吸收与转化、质量监测、能量储存中起主导作用，与土壤中的氮、碳、硫、磷等成分密切相关；土壤微生物量氮（MBN）是土壤有效氮的主要来源，其含量大小决定土壤氮素肥力的高低[21]。本试验中高温闷棚、米糠还田和复合微生物菌（CBM 菌）处理均对微生物碳含量减少和氮含量增加有促进作用，而威百亩处理却降低微生物碳和微生物氮含量，表明化学熏蒸处理能严重抑制土壤中微生物的活性，同时也证实了单纯的化学处理对土壤肥力有显著的负作用，不建议将化学处理作为单一或最后的土壤改良方法。

3.4 不同土壤改良方法对连作草莓土壤酶活性的影响

土壤酶是土壤新陈代谢的重要因素，推动着物质转化，在土壤碳、氮、磷循环过程中具有重要的作用。土壤酶的活性反映了土壤中进行的各种生物化学过程的强度和方向，同时易受环境中物理、化学和生物等诸因素的影响。本试验中T3 处理对蔗糖酶和过氧化氢酶含量增加效果最显著，这与陶加乐等[22]增施生物有机肥对蔗糖酶和过氧化氢酶的研究结果相似；T4 处理对蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶和土壤过氧化物酶降低效果最显著，其原因在于T3 复合微生物菌的生物处理和T4 威百亩的化学处理对土壤酶的种类和活性的影响差异较大。研究表明，蔗糖酶与土壤有机质、氮、磷含量、微生物数量及土壤呼吸强度有关。一般情况下，土壤肥力越高，蔗糖酶活性越高。本研究中的蔗糖酶活性在复合微生物菌处理下明显提高，而在威百亩的化学处理下显著降低。

脲酶活性与土壤的微生物数量、有机物质含量、全氮和速效磷含量呈正相关，常用土壤脲酶活性表征土壤的氮素状况。本研究中脲酶活性在米糠还田处理下较对照增加显著，可能与米糠还田显著增加土壤有机质含量有关。关松荫[23]研究表明，土壤中过氧化氢酶对于改善土壤肥力具有重要的作用；唐海滨等[24]研究发现，过氧化氢酶活性与土壤全氮呈极显著正相关，全氮对过氧化氢酶活性的影响表现在直接效应上，而速效钾、速效磷、全磷、有机质则通过间接作用影响过氧化氢酶的活性。本试验中过氧化氢酶活性在米糠和复合微生物菌处理下活性升高，这与关松荫[25]研究过氧化氢酶活性与有机质含量及微生物数量有关研究结果一致；而在高温和威百亩处理下活性下降，这可能和高温、杀菌剂对酶活性破坏有关。

土壤过氧化物酶（S-POD）主要来源于土壤微生物，能够氧化土壤有机物质（酚、胺及某些杂环化合物）产生过氧化物，在腐殖质的形成过程中具有重要作用。本试验中土壤过氧化物酶活性除了具有其他酶相似的变化趋势，在高温处理下活性更强，在米糠还田下活性反而降低。

土壤多酚氧化酶（S-PPO）主要来源于土壤微生物、植物根系分泌物及动植物残体分解释放，能催化土壤生成有机质和色素，完成土壤芳香族化合物循环，用于土壤环境修复。土壤多酚氧化酶与土壤理化性质相关性并不具有规律性。研究表明，多酚氧化酶与氮、磷和有机质等相关性不显著[26,27]；刘秀清等[28]的研究则表明，多酚氧化酶活性与全磷、全氮、有机质质量分数呈极显著负相关，与速效磷质量分数呈显著负相关。本试验中土壤多酚氧化酶活性在高温、米糠和威百亩处理下有所增加，这与谢春艳等[29]多酚氧化酶活性与有机质分解和发酵温度密切相关的研究结果较为一致；反而在复合微生物菌处理下下降，跟其他酶活性的变化趋势不一致，这可能与高华等[30]研究复合微生物菌在没有发酵或发酵结束后，对多酚氧化酶活性有降低效果有关，有待进一步研究。

综上所述，连作草莓土壤酶活性的变化因具体的不同土壤处理方法和酶种类的不同而有所不同，其机理可能是通过对土壤pH 的调控而间接改变土壤酶的活性[31]。

4 结论

单纯的物理、生态、生物或化学处理方法对草莓土壤连作障碍改良效果有明显差异。总体而言，高温闷棚这种物理处理方法投入和用工少，操作简便，适合用于连作障碍发生较轻的地块应用；米糠还田这种生态处理方法虽然用工多，操作复杂，但能提高土壤有机质含量，对土壤微生物多样性影响小，更适合改良由土壤阴离子造成的连作障碍土壤；复合微生物菌这种生物处理方法投入和用工增加，但能降低土壤的酸碱度，提高土壤蔗糖酶活性和肥力，适合连作障碍严重且基础肥力较高的地块；威百亩这种化学处理方法投入和用工多，操作要求高，对土壤各类微生物均有杀灭作用，适合连作障碍特别严重地块，并且只能作为一种前置处理方法来应用，必须结合后面的补偿土壤有益菌的处理。从经济性和综合处理效果来看，高温闷棚和米糠还田两种方法更便于生产中推广，同时可再结合另外两种处理方法，因地制宜，才能产生最佳处理效果。

本研究由于只开展单一类型的土壤处理，没有进行单一处理的定量试验和单一处理的复合试验，加上土壤处理的方法和时间受当地气温和设施影响比较大，没有进行土壤处理后草莓移栽验证试验。因此，相关研究将在后续的工作中进行改进和提升。