温度对厌氧土壤消毒处理效果的影响

周开胜

(蚌埠学院土木与水利工程学院,安徽 蚌埠 233030)

随着社会经济发展和农业科技进步,农业生产设施化、集约化、专业化发展,已渐成我国果蔬、中草药等经济作物生产的重要模式。不合理地大量化肥施用,极易造成土壤化肥残留、酸化、次生盐渍化、养分失衡、板结、土传致病生物(如致病尖孢镰刀菌、青枯菌、线虫)增殖等连作障碍问题,导致作物产量减低、品质下降,甚至绝收。目前,有关多因素成因的连作障碍的防控,主要有调控土壤pH[1]、高温焖棚[2]、熏蒸土壤[3]、立架栽培[4]、轮作[5]、套作[6]、间作[7]、培育抗病品种[8]、配施拮抗菌[9]、栽植嫁接苗[10]、施用生物有机肥[11]等,这些措施多为针对连作障碍的某一特定因素采取的相应防控措施,虽取得一定成效,但无论从防控效果、成本还是环保等方面,仍存在诸多不足,亟需从土壤生态修复与改善的角度考虑,开发消除多因素成因的连作障碍的技术方法。

厌氧土壤消毒(Anaerobic Soil Disinfestation,ASD)是21世纪初发展起来的一种替代土壤化学药物熏蒸的土壤生态修复方法,已在美国、日本、荷兰等国得到广泛应用。其基本方法是在土壤中添加易腐解的有机物料,灌水,覆膜,密封2～4周,创造强烈的土壤厌氧还原环境,消除连作障碍因子,过程短,在1个月内即可完成。近年来,在我国用ASD法处理退化连作土壤,防控作物连作障碍也多有报道[12-17]。处理温度是ASD杀灭土传致病生物[3],影响土壤物理、化学和生物学性质的重要影响因素[3]。当土壤温度在15～45 ℃时,土壤中大多数微生物的活性随温度升高而增强,但当土壤温度低于15 ℃或高于45 ℃时,微生物活性变弱,从而影响土壤生物化学过程,进而影响ASD处理效果[18-19]。

不同季节土壤温度不同,为提高ASD处理效果和推广应用,本研究以稻草为有机物料,番茄连作土壤为研究对象,开展处理温度对ASD消除连作障碍因子的影响研究。番茄种植规模大、分布范围广,其果实营养丰富,且风味独特,深受大众喜爱,开展此研究具有十分重要的理论和现实意义。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.2 研究方法

1.2.1 试验设计

共设置5个处理:对照(CK)、10 ℃、20 ℃、30 ℃和40 ℃处理。称取土样折合干土重0.73 kg,放入自封塑料袋内,除CK外,每个土样均添加过2 mm筛的折合干土重1%的稻草粉末,混匀后,加水至饱和,排空后密封,分别置于10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃的生化恒温培养箱内,培养3周,每个处理设置3个重复。

1.2.2 样品分析

土壤pH和EC测定参照文献[13]。土壤TOC、TN的测定参照文献[20]中的H2SO4-K2Cr2O7湿烧法与开氏消煮法;土壤铵态氮和硝态氮测定参照文献[16];采用火焰光度法测定土壤速效钾含量。采用Power SoilTMDNA Isolation Kit试剂盒提取土壤中微生物DNA,其中细菌、真菌及尖孢镰刀菌的定量方法参照文献[13]。

1.3 数据处理

采用SPSS 20.0中的单因素方差分析和Duncan分析不同处理间的差异。采用Excel 2010分析试验数据;采用Origin 8.0绘图。

2 结果与分析

2.1 土壤pH、EC变化

处理前,供试土壤呈强酸性和轻度盐渍化(EC值在0.34～0.98 mS·cm-1之间,为轻度盐渍化土壤[21])。由图1(a)可见,不同温度下ASD处理后的土壤pH均较对照显著升高(P<0.05),处理温度为40 ℃的ASD处理pH最高;值得注意的是,处理温度为10 ℃的ASD处理土壤pH升至6.5,土壤由未处理前的强酸性(pH=4.75)转变为接近中性。ASD处理后的土壤EC值随处理温度的升高而减小,但处理温度从30 ℃升至40 ℃,土壤EC值变化并不显著(P>0.05),见图1(b)。图1中,不同小写字母代表处理间差异显著(P<0.05),下同。

图1 不同温度下ASD处理对连作土壤pH、EC的影响

2.2 土壤中铵态氮和硝态氮质量比变化

处理前,供试土壤铵态氮和硝态氮质量比分别为4.28 mg·kg-1和257 mg·kg-1。ASD处理后,处理温度从10 ℃升至30 ℃,按态氮质量比差异不显著(P>0.05),当处理温度升至40 ℃时,铵态氮质量比显著升高(P<0.05)(图2a);各处理硝态氮质量比均显著降低(P<0.05),值得注意的是,温度为10 ℃的ASD处理中硝态氮质量比仍达83.9 mg·kg-1,但随着处理温度继续升高(≥20 ℃)硝态氮质量比显著降低(P<0.05)(图2b)。

图2 不同温度下ASD处理对连作土壤铵态氮、硝态氮质量比的影响

2.3 土壤TOC、K质量比变化

ASD处理后,各处理中TOC质量比均显著高于CK(P<0.05);其中,20 ℃条件下,ASD处理后,土壤TOC质量比最高(图3a)。各处理中速效钾质量比均较CK显著增加(P<0.05)(图3b)。但处理温度对ASD处理后土壤TOC和速效钾质量比的影响规律性均不明显。

图3 不同温度下ASD处理对连作土壤TOC、速效钾质量比的影响

2.4 土壤中微生物数量变化

2.4.1 土壤细菌、真菌数量变化

ASD处理后,土壤细菌数量均较对照显著升高(P<0.05),且随处理温度升高,土壤细菌数量呈增加趋势(图4a)。处理温度对ASD处理后真菌数量的影响较为复杂,处理温度为10～30 ℃时,各处理中真菌数量呈现波动性变化,当处理温度升至40 ℃时,土壤真菌数量显著下降(P<0.05)(图4b)。

图4 不同温度下ASD处理土壤细菌和真菌数量的影响

2.4.2 土壤尖孢镰刀菌数量变化

ASD处理后,各处理中尖孢镰刀菌数量随处理温度升高而减小,处理温度为10 ℃的ASD处理中尖孢镰刀菌数量显著高于对照和其他处理(P<0.05);当处理温度升至20 ℃时,ASD处理后,土壤中尖孢镰刀菌与对照差异不显著(P>0.05);当处理温度分别升至30 ℃和40 ℃时,ASD处理后,土壤中尖孢镰刀菌数量均显著低于对照及其他处理(P<0.05),但温度为30 ℃和40 ℃的处理间差异不显著(P>0.05)(图5)。

图5 不同温度下ASD处理对土壤尖孢镰刀菌数量的影响

3 讨论

ASD处理是土壤生物化学过程,土壤温度是ASD处理有效抑制土传致病微生物和改善土壤物理化学性质的重要环境因子[3,18-19],与文献报道一致的是,无论提高酸性土壤pH,清除土壤累积的硝酸盐,降低土壤EC值,还是抑制尖孢镰刀菌,处理温度为40 ℃的ASD处理效果均最好。由此可见,欲取得ASD处理消除连作障碍因子的最佳效果,在条件允许的情况下,宜选择在气温高的夏季。处理温度不仅影响ASD处理后土壤微生物活性和杀菌物质(如H2S、NH3、Mn2+、Fe2+和脂肪酸)的产生量[12,17,22-23],还影响有机酸的电离常数,随处理温度升高,挥发性脂肪酸将产生更多的非电离形式[24],只有非电离形式的挥发性脂肪酸才对土传致病生物具有毒杀作用[25-26]。从图4和图5可以看出,当处理温度升至40℃时,真菌和尖孢镰刀菌数量均显著降低。

4 结论

不同处理温度的ASD处理,均可显著提高土壤TOC和速效K质量比,提高土壤肥力;处理温度为10 ℃的ASD处理不能完全去除土壤积累的硝酸盐,限制了酸性土壤pH升高和EC值降低;无论是提高酸性土壤pH,清除土壤累积的硝酸盐,降低土壤EC值,还是杀灭土传致病微生物(如F.oxysporum),处理温度为40 ℃的ASD处理效果均最佳,为提高处理效果,可选择在气温高的夏季进行处理。