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        連作對設施番茄土壤微生物及酶活性的影響

        2018-10-16 07:13:48李蘭君劉玳含劉建斌武鳳霞朱英波
        江蘇農(nóng)業(yè)科學 2018年18期
        關鍵詞:全氮年限真菌

        李蘭君,劉玳含,劉建斌,武鳳霞,朱英波

        (1.河北科技師范學院生命科技學院,河北秦皇島066600;2.北京市農(nóng)林科學院植物營養(yǎng)與資源研究所,北京100097;3.北京城市學院城市建設學部,北京100083)

        進入20世紀90年代,隨著溫室大棚、地膜覆蓋等技術的發(fā)展,設施農(nóng)業(yè)隨之迅速發(fā)展[1],設施蔬菜已經(jīng)成為我國蔬菜生產(chǎn)的重要組成部分。近年來,由于人均耕地的減少、經(jīng)濟需要等原因,設施菜地的復種指數(shù)、集約化程度的增加使得設施菜地連作現(xiàn)象十分普遍。隨著連作年限的增加,出現(xiàn)設施蔬菜產(chǎn)量降低、病蟲害加劇等現(xiàn)象。連作障礙已經(jīng)成為限制設施蔬菜高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的主要因素[2-3]。

        長期連作破壞土壤穩(wěn)定性,設施菜地中普遍存在土壤肥力下降、土壤次生鹽漬化及土壤酸化[4-6],嚴重影響植物對水肥的吸收利用,影響植物生長發(fā)育。吳道銘等對南方酸性紅壤的研究表明,長期種植單一作物破壞土壤結構及土壤通透性,使土壤水鹽失衡進而加劇土壤酸化及鋁毒現(xiàn)象[7]。番茄連作的研究表明,連作使得土壤質量下降,土壤養(yǎng)分失衡,對土壤有機質、土壤全氮、速效鉀、速效磷等都有很大影響[8-9]。土壤微生物是生態(tài)系統(tǒng)的重要一環(huán),在土壤物質循環(huán)能量流動中具有不可替代的作用[10-11]。土壤微生物群落結構及土壤酶活性是土壤生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的部分,能敏感地反映出土壤的質量和狀態(tài),是評價土壤環(huán)境的重要指標[12-13]。大量研究表明,土壤連作障礙與微生物的關系密切[14-16]。長期連作使土壤微生物生態(tài)環(huán)境失衡[17-18]。隨著連作年限的增加,土壤細菌數(shù)量下降而土壤真菌數(shù)量上升[19],真菌與細菌比值上升,土壤由肥力高的細菌型轉變?yōu)榉柿Φ偷恼婢?。Mazzola研究表明連作病害多來自真菌[20]。馬寧寧等對設施番茄的研究表明,連作使土壤可培養(yǎng)微生物的種類下降,部分土著微生物滅絕[21]。馬海燕等對非洲菊的研究表明,脲酶含量隨連作年限的增加先增加后下降[22]。土壤中過氧化氫酶活性隨番茄連坐年限增加緩慢增加而后逐漸下降,也有研究表明土壤過氧化氫酶活性隨著連作年限的增加而上升[23]。本研究對北京市房山區(qū)的設施番茄連作土壤進行了理化指標、微生物指標和酶活性指標的綜合分析,明確了不同指標的變化規(guī)律及指標之間的相關性,以期為設施連作土壤的改良提供理論依據(jù)和技術支持。

        1 材料與方法

        1.1 試驗材料

        2015年12月在北京市房山地區(qū)的設施蔬菜大棚選取番茄連作土壤作為試驗土壤樣品,共10個試驗區(qū),設施蔬菜的連作年限分別為 0、1、3、5、6、7、8、9、10、20 年。取得樣品后當天帶回實驗室,一部分樣品在于4℃保存,用于微生物測定;一部分土壤樣品在陰涼處風干,撿出植物殘體、石塊及其他雜物。將風干后土壤樣品碾碎,通過1 mm及0.25 mm篩子的土壤樣品備用。

        1.2 土壤理化性質的測定

        土壤有機質含量測定采用K2Cr2O7氧化-外加熱法,全氮含量測定采用凱氏定氮法,速效鉀含量測定采用NH4OAc浸提-火焰光度法,有效磷含量測定采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法,電導率使用電導率儀測定,pH值使用pH儀測定,水 ∶土 =5 ∶1[24]。

        1.3 微生物純培養(yǎng)試驗及DNA提取方法

        土壤微生物數(shù)量采用稀釋平板法測定,細菌采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基培養(yǎng)2~3 d后計數(shù),真菌采用PDA培養(yǎng)基培養(yǎng)3~5 d后計數(shù)。

        土壤細菌、真菌DNA分別使用細菌基因組DNA提取試劑盒(離心柱型)、真菌基因組DNA提取試劑盒(離心柱型)提取,細菌16S rDNA擴增,引物為27F(5'-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3')和1492R(5'-TACGGCTACCTTCGACTT-3'),真菌ITSrDNA擴增,引物為ITS1(5'-TCCGTAGGTGAAGCGG-3')和ITS4(5'-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3')[25]。擴增后的PCR產(chǎn)物由北京諾賽基因組研究中心有限公司測序分析。

        1.4 土壤酶活性測定方法

        土壤過氧化氫酶活性采用KMnO4滴定法測定,以1 g土消耗的0.1 mol/L KMnO4的體積(mL)表示。土壤脲酶活性采用比色法測定,以3 h后1 g土含有的的量(mg)表示[25]。

        1.5 數(shù)據(jù)分析

        采用SPSS 22.0軟件對數(shù)據(jù)分析處理。

        2 結果與分析

        2.1 連作年限對設施番茄土壤理化性質的影響

        研究發(fā)現(xiàn),隨著連作年限的增加,設施番茄土壤的全氮、速效鉀、有效磷含量均逐漸增高然后下降,分別在連作7年、7年、6年達到最高值,比未連作土壤增加幅度分別達87.50%、751.93%、497.09%(表1)。其中土壤全氮含量在連作20年與未連作土壤相比差異不顯著,其他連作年限全氮含量顯著高于未連作土壤,土壤速效鉀、有效磷含量皆顯著高于未連作土壤。土壤有機質含量變化趨勢與土壤的全氮、速效鉀、有效磷含量變化趨勢類似,在連作6年達到最高值,比未連作土壤增加幅度達到122.45%。由此可見,在連作過程中土壤有機質、全氮、速效鉀、有效磷處于先積累后消耗的狀態(tài)。

        隨著連作年限的增加,土壤pH值顯著下降,在連作8年達到最低值,較未連作土壤下降了0.7,在連作20年土壤pH值有所恢復。隨著連作年限的增加,土壤電導率先上升后下降,在連作5年達到最大值,較未連作土壤增加幅度達到8.34%,連作1年到連作6年與未連作土壤差異不顯著,連作7年到連作20年土壤電導率顯著低于未連作土壤。

        2.2 連作年限對可培養(yǎng)土壤微生物的影響

        2.2.1 連作年限對設施番茄土壤可培養(yǎng)土壤微生物數(shù)量的影響 研究發(fā)現(xiàn),隨著連作年限的增加,設施番茄土壤細菌數(shù)量呈先上升后下降趨勢(圖1)。在連作6年達到最高值,增加幅度為1 566.67%,連作8年后,細菌數(shù)量穩(wěn)定,與未連作土壤差異不顯著。真菌數(shù)量變化趨勢類似于細菌變化趨勢,在連作7年達到最高值,增加幅度為1 209.09%,連作6年與連作7年真菌數(shù)量差異不顯著;連作9年后真菌數(shù)量趨于穩(wěn)定,與未連作土壤差異不顯著。設施番茄土壤微生物總量變化趨勢類似于細菌、真菌變化趨勢,隨著連作年限的增加設施番茄土壤微生物總量呈先上升后下降趨勢,在連作6年達到最高值(圖2)。土壤中細菌數(shù)量最多,細菌是土壤可培養(yǎng)微生物的優(yōu)勢群體,但隨著土壤連作年限增加,土壤細菌/真菌一直降低,在連作8年達到最低值,連作9年后土壤細菌/真菌開始上升,與連作8年土壤細菌/真菌差異顯著,與未連作土壤差異不顯著(圖3)。

        表1 連作年限對設施番茄土壤理化性質的影響

        2.2.2 連作年限對設施番茄土壤可培養(yǎng)土壤微生物種類的影響 隨著番茄連作年限增加,土壤可培養(yǎng)微生物的種類也發(fā)生了很大的變化(表2)。土壤可培養(yǎng)真菌的種類隨連作年限的增加而緩慢減少,連作前6年真菌種類基本是不變的,連作7年后真菌種類開始減少。土壤可培養(yǎng)細菌種類連作前6年逐漸增加,其中連作3年開始出現(xiàn)微桿菌屬(Microbacterium sp.)、溶桿菌屬(Lysobacter sp.)(表 3)。連作 6、7、8、9、10 年均檢測到寡養(yǎng)假單胞菌屬(Stenotrophomonas sp.)。連作7年后土壤可培養(yǎng)細菌種類開始減少,一些土壤細菌開始消失,其中連作1年出現(xiàn)的堅強芽孢桿菌(Bacillus firmus),在連作10、20年都沒有發(fā)現(xiàn);地衣芽孢桿菌(B.licheniformis)存在于連作3~8年,連作9、10、20年均未發(fā)現(xiàn)該菌。

        表2 連作年限對設施番茄土壤可培養(yǎng)真菌種類的影響

        2.3 連作年限對設施番茄土壤酶活性的影響

        土壤酶廣泛參與土壤中各種生物化學過程,其活性反應了土壤養(yǎng)分轉化能力及土壤微生物的活性。其中過氧化氫酶參與土壤中各種化合物的氧化反應,并且能促進過氧化物的分解,避免其對植物的毒害作用。脲酶直接參與土壤中的氮循環(huán),能在一定程度上反映土壤的供氮能力。隨著連作年限的增加,設施番茄土壤過氧化氫酶活性先增加后下降,在連作6年達到最高值,增加幅度為19.18%,連作6、7年過氧化氫酶活性顯著高于未連作土壤,連作20年過氧化氫酶活性顯著低于未連作土壤,其他連作年限過氧化氫酶活性與未連作土壤差異不顯著(圖4)。隨著連作年限的增加,設施番茄土壤脲酶活性先顯著上升后顯著下降,在連作5年達到最高值,增加幅度為27.03%,連作3、5、6年脲酶活性顯著高于未連作土壤,連作7年后脲酶活性顯著低于未連作土壤,連作9、10、20年之間脲酶活性差異不顯著(圖5)。

        2.4 連作番茄土壤理化性質、酶活性、微生物數(shù)量相關性分析

        研究發(fā)現(xiàn),土壤脲酶活性與土壤電導率相關系數(shù)最大,為0.935(表4)。土壤過氧化氫酶活性與土壤全氮含量、有機質含量相關性較大,相關系數(shù)分別為0.804、0.828,說明土壤全氮含量、有機質含量較高時,土壤過氧化氫酶活性隨之增加。土壤細菌數(shù)量、真菌數(shù)量與土壤有機質含量相關系數(shù)都較高,分別達到0.759、0.925,土壤有機質含量較高時,適于土壤真菌、細菌的生長。土壤有效磷含量與土壤真菌數(shù)量、細菌數(shù)量相關系數(shù)為0.753、0.659,土壤速效鉀含量與土壤真菌數(shù)量、細菌數(shù)量相關系數(shù)為0.760、0.303。真菌數(shù)量和細菌數(shù)量均與有機質含量的相關性最大。

        表3 連作年限對設施番茄土壤可培養(yǎng)細菌種類的影響

        3 討論與結論

        長期連作條件下,土壤理化性質、土壤微生物總量、微生物多樣性、土壤酶活性都會改變,從而影響作物生長發(fā)育,降低作物產(chǎn)量。土壤微生物是植物根際最活躍的部分,能敏感地反映出土壤生態(tài)系統(tǒng)的變化[12-13,26-27]。本試驗結果表明,隨連作年限增加,土壤細菌、真菌數(shù)量呈先增加后降低趨勢,細菌與真菌比值則一直降低甚至連作7年后低于未連作土壤,土壤由細菌型向真菌型轉變,這與前人研究結果[28-30]一致。此外,連作前期可培養(yǎng)真菌種類較為穩(wěn)定,連作7年后可培養(yǎng)真菌種類減少,連作9、10年僅有2種可培養(yǎng)真菌。連作9、10、20 年均未發(fā)現(xiàn)木霉屬(Trichoderma sp.)真菌,而目前發(fā)現(xiàn)的生防菌多為木霉屬真菌,并且在此之前多屬真菌漸漸消失??膳囵B(yǎng)細菌種類隨連作年限先上升后下降,連作10僅有4種可培養(yǎng)細菌,連作7年后芽孢桿菌種類減少,連作3年后開始出現(xiàn)微桿菌,連作6年后開始出現(xiàn)寡養(yǎng)假單胞桿菌,芽孢桿菌被證實對植物生長有促進作用[31-32],為根際有益微生物,其他多屬細菌逐漸消失,總體細菌多樣性減少。因此,長期連作使土壤環(huán)境趨向單一化,對土壤微生物進行定向選擇,土壤有益菌減少,有害菌增加。

        表4 連作番茄土壤理化性質與酶活性、微生物數(shù)量相關系數(shù)

        土壤中酶來源于土壤微生物和根際分泌物,可以催化土壤中有機質的轉化,其中過氧化氫酶可以分解腐殖質形成過程中產(chǎn)生的過氧化氫,減少其對植物的傷害,脲酶能促進土壤中有機氮向無機氮轉化,提高土壤的供氮能力[26]。本試驗結果表明,土壤過氧化氫酶活性隨連作年限先增加后下降,總體變化不明顯,僅有連作20年土壤過氧化氫酶活性低于未連作土壤。脲酶活性變化明顯,連作前5年增加,之后開始迅速降低,連作7年低未連作土壤。

        受溫室大棚過量施肥、肥料利用率低及得不到雨水充分淋洗等條件影響,設施菜地土壤的有機質、全氮、速效鉀、有效磷水平普遍較高[33-34],且均高于露天土壤。本試驗結果表明,連作前期土壤有機質、全氮、速效鉀、有效磷水平隨連作年限增加均升高,并且全氮與速效鉀水平在連作7年到達最大值,有機質和速效磷水平在連作6年達到最大值,而后開始降低。pH值隨連作年限增加不斷降低,一直處于6.50~7.50間,土壤屬于中性土。電導率先隨連作年限的增加而升高,連作5年達到最大值,連作7年后降低幅度較大,與有機質、全氮、速效鉀、有效磷變化趨勢類似。但根據(jù)全國土壤養(yǎng)分分級標準(6級制),設施番茄土壤各連作年限有機質含量都達到3級,其中連作6、7年達到1級;土壤全氮含量都達到3級,其中連作5、6、7、8年達到1級;土壤速效鉀、有效磷含量都達到1級。說明設施番茄施肥量非常充足,甚至已經(jīng)過量。

        由番茄連作土壤理化性質、酶活性、微生物數(shù)量相關性分析得出,土壤脲酶活性與電導率相關極顯著,土壤過氧化氫酶活性與土壤全氮含量、有機質含量相關性極顯著。土壤真菌數(shù)量、細菌數(shù)量分別與土壤有機質含量相關極顯著、顯著。土壤脲酶活性受土壤電導率影響較大,土壤微生物數(shù)量受土壤有機質含量影響較大。

        本試驗結果表明,長期連作條件下,土壤細菌與真菌的比值一直下降,土壤由細菌型轉向真菌型,連作前期土壤微生物多樣性、酶活性、土壤養(yǎng)分均處于一個較高水平,土壤生態(tài)環(huán)境良好。連作6、7年后土壤微生物多樣性降低,土壤微生物數(shù)量降低,酶活性減少,土壤養(yǎng)分減少,土壤質量下降,土壤生態(tài)環(huán)境轉向惡劣,出現(xiàn)普遍的連作障礙問題。因此,在設施番茄生產(chǎn)中應盡量避免連作,對于長期連作的番茄產(chǎn)區(qū)可以通過與其他作物間作、調節(jié)pH值、合理施肥、施用微生物菌劑等方法防治連作障礙。

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