土壤熏蒸－微生物有機肥聯(lián)用對連作馬鈴薯生長和土壤生化性質(zhì)的影響

劉星，張書樂，劉國鋒，邱慧珍＊，王蒂，張俊蓮，沈其榮

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，甘肅 蘭州730070；2.甘肅省作物遺傳改良與種質(zhì)創(chuàng)新重點實驗室，甘肅 蘭州730070；3.甘肅農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，甘肅 蘭州730070；4.南京農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境科學學院，江蘇 南京210095）

馬鈴薯（Solanumtuberosum）是繼小麥（Triticumaestivum）、玉米（Zeamays）和水稻（Oryzasativa）之后全球第四大糧食作物，中國是世界最大的馬鈴薯生產(chǎn)國，馬鈴薯產(chǎn)業(yè)在國民經(jīng)濟發(fā)展和保證糧食供應安全中占有重要地位［1－2］。甘肅中部沿黃灌區(qū)是我國加工型馬鈴薯的主要生產(chǎn)基地，也是西北最大的種薯繁殖基地，該地區(qū)馬鈴薯種植呈現(xiàn)規(guī)模化、機械化和集約化的特點，經(jīng)營銷售模式以訂單農(nóng)業(yè)為主，隨著近年來農(nóng)產(chǎn)品價格的不斷走高和馬鈴薯消費逐步向高附加值產(chǎn)品轉(zhuǎn)變，農(nóng)墾企業(yè)在滿足訂單需求的同時，也造成了作物結(jié)構(gòu)相對單一、倒茬困難和馬鈴薯的多年連作［3－5］，導致植株生長發(fā)育受阻，塊莖產(chǎn)量和品質(zhì)下降，土傳病害猖獗等一系列問題，嚴重影響企業(yè)和農(nóng)戶的種植效益。因而探明馬鈴薯種植的連作障礙機理，尋求能夠緩解和克服馬鈴薯連作障礙的有效途徑，對于促進該地區(qū)馬鈴薯生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論意義和實踐價值。

農(nóng)作物連作障礙機理目前已成為全球性的研究熱點，隨著研究的深入以及相關(guān)學科間的交叉融合，作為植株和土壤媒介的微生物尤為受到關(guān)注。研究表明［6－14］，細菌型土壤向真菌型土壤的轉(zhuǎn)變和根際微生物群落結(jié)構(gòu)的顯著改變是連作障礙產(chǎn)生的主要原因，可以導致根際微生態(tài)環(huán)境惡化以及土壤微生物區(qū)系的失衡并誘發(fā)土傳病害，特別是真菌型的土傳病害，造成了連作系統(tǒng)下作物的大幅度減產(chǎn)。這與本課題組前期在甘肅中部沿黃灌區(qū)進行的長期定位試驗結(jié)果一致。隨著連作年限的延長，馬鈴薯根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)顯著改變，病原菌過渡成為優(yōu)勢種群，真菌型土傳病害病原菌的數(shù)量明顯增加，帶來病害的大面積發(fā)生［15－20］。因而在國內(nèi)外連作障礙防控研究中，土傳病原菌合理有效抑制并重建土壤健康的微生物區(qū)系都是重點考慮的科學問題。目前，多采用土壤熏蒸的方法，如甲醛、石灰氮、過氧乙酸、甲基溴和三氯硝基甲烷等進行化學熏蒸直接殺滅連作土傳病原菌，但其后果是土壤中的有益微生物類群同樣受到破壞性的影響，微生物群落結(jié)構(gòu)顯著改變，土壤微生物區(qū)系失衡［21－23］。這類方法的應用也未能考慮連作有益土壤微生物區(qū)系的修復和重建。很多學者試圖從生防的角度出發(fā)，施用攜帶針對性的拮抗菌和其他有益菌的微生物有機肥料來調(diào)節(jié)土壤微生物區(qū)系以克服連作障礙，但耗時較長且田間效果不穩(wěn)定，這主要與微生物有機肥的種類和質(zhì)量、有機物料和土傳病原菌的種類以及供試的生態(tài)環(huán)境條件具有重要關(guān)系［24－25］。本課題組在2010和2011年連續(xù)進行的田間試驗證實，單獨施用微生物有機肥料進行土壤改良并不能抑制連作系統(tǒng)下馬鈴薯塊莖產(chǎn)量的嚴重下降。為尋求緩解或克服馬鈴薯連作障礙的有效方法，本課題組提出將土壤熏蒸和微生物有機肥料施用兩種方法有機結(jié)合的思路，即在播種前通過土壤熏蒸來殺滅土傳致病菌，而后在植株生育期內(nèi)將微生物有機肥多次兌水澆灌至植株根部，持續(xù)地向馬鈴薯根際直接補充拮抗微生物和有益微生物，人工定向調(diào)控馬鈴薯連作土壤微生物區(qū)系，改善根際微生態(tài)環(huán)境。本研究的目的在于評估這種土壤熏蒸和微生物有機肥聯(lián)用的方法對甘肅省中部沿黃灌區(qū)馬鈴薯連作障礙的防控效果，特別是對塊莖產(chǎn)量、植株生長以及土壤致病菌動態(tài)、微生物區(qū)系和酶活性等的影響，以期為實踐生產(chǎn)提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

田間試驗于2012年在位于甘肅省中部沿黃灌區(qū)的白銀市景泰縣條山農(nóng)場進行（東經(jīng)103°33′－104°43′，北緯36°43′－37°38′；海拔1274～3321m），當?shù)鼐哂谐渥愕乃春土己玫霓r(nóng)業(yè)灌溉條件。屬溫帶大陸性干旱氣候，年均氣溫為9.1℃，年均無霜期141d。年均降水量185.6mm，年均蒸發(fā)量1722.8mm。年均日照時數(shù)2713h，全縣光熱資源豐富，日照百分率62%，太陽年平均輻射量6.20×105J／m2，≥0℃的年活動積溫3614.8℃，≥10℃的年有效積溫3038℃。供試土壤為灰鈣土，質(zhì)地為砂壤。

1.2 試驗設計與方法

選擇地勢平坦、整齊、且土壤肥力均勻的馬鈴薯連作3年地塊進行田間試驗，熏蒸開始前采集混合土樣測定耕層土壤基本理化性狀：有機質(zhì)12.7g／kg，全氮0.52g／kg，堿解氮51.63mg／kg，速效磷6.96mg／kg，速效鉀174.62mg／kg，水土比5∶1條件下pH為8.67。基于環(huán)境風險和人畜健康考慮，本研究選擇氨水和石灰氮作為土壤的化學熏蒸劑，試驗設計5個處理：CK，空白對照；SFA，施用氨水進行土壤熏蒸；SFB，施用石灰＋碳銨進行土壤熏蒸；SFA＋BOF，土壤氨水熏蒸＋微生物有機肥澆灌；SFB＋BOF，土壤石灰＋碳銨熏蒸＋微生物有機肥澆灌。每個處理3次重復，完全隨機區(qū)組排列，小區(qū)面積為5.4m×10.0m。采用統(tǒng)一的馬鈴薯栽培種植模式和施肥量，寬壟雙行覆膜種植，在播種前一天切種薯，并用濃度為1.5%的高錳酸鉀溶液浸泡消毒，壟寬和行距分別為1.35m和0.70m，株距為0.17m，種植密度約為8.25×104株／hm2。氮肥用量為210kg N／hm2，N∶P2O5∶K2O比例為1.4∶1.0∶2.0，化肥分別用養(yǎng)分含量為15－15－15的復合肥和含 N 46%的尿素以及含 K2O 51%的硫酸鉀進行施用。土壤熏蒸的具體操作如下：將半腐熟玉米秸稈平鋪至處理小區(qū)，將氨水（或石灰＋碳銨）均勻灑到秸稈表面，然后快速地人工翻埋，深度為0～20cm，再用水澆灌使土壤飽和，最后用雙層棚膜覆蓋整個小區(qū)，四周用土壓實密閉防止氨揮發(fā)和風吹。土壤熏蒸1個月時間，而后揭膜晾曬7d，使氨完全揮發(fā)，最后采集少量熏蒸后土壤進行室內(nèi)發(fā)芽試驗，以保證馬鈴薯正常出苗。市售氨水和秸稈的用量分別為130L／667m2和3 m3／667m2，碳銨和生石灰的用量均為200kg／667m2，氨水和碳銨為等氮量施用。微生物有機肥施用的具體操作如下：在馬鈴薯出苗后每間隔20d進行澆灌，全生育期共計4次，將微生物有機肥兌水后沿馬鈴薯植株莖基部澆灌，澆灌濃度為2%，每株澆灌量為0.5kg。其他處理小區(qū)的馬鈴薯植株澆灌等量的清水代替。微生物有機肥由南京農(nóng)業(yè)大學植物營養(yǎng)系提供，有機質(zhì)含量為30.4%，全氮為2.0%，其中氨基酸態(tài)氮占總氮的60%以上，P2O5為3.7%，K2O為1.1%，含根際促生細菌和抗土傳病害功能菌數(shù)量大于108cfu／g，拮抗型微生物菌種為枯草芽孢桿菌和木酶。播種和施肥過程采用機械化一次進行，而后由人工覆膜。所有化肥均在播種時一次性基施，無追肥，其余栽培、灌溉和田間管理措施均按農(nóng)場統(tǒng)一方法進行。2012年5月15日播種，9月15日收獲。供試材料為當?shù)刂髟缘募庸ば婉R鈴薯品種大西洋，由條山農(nóng)場提供。

1.3 樣品采集與分析

分別在馬鈴薯播前（5月10日，即土壤消毒完成后）、苗期（6月25日）、開花期（7月10日）、塊莖膨大期（8月10日）、淀粉積累期（8月27日）和收獲期（9月14日）采用五點取樣法采集各小區(qū)土壤樣品，采樣均在壟上馬鈴薯行間進行，深度為0～20cm。塊莖膨大期調(diào)查各個小區(qū)的植株發(fā)病率，同時采集植株樣品，每個小區(qū)使用鐵鍬在盡量不破壞根系的前提下將植株整株挖出5株，測定植株主莖上頂枝的倒3和倒4葉的葉綠素含量，然后用剪刀將根系剪下，置于冰盒中帶回實驗室測定根系形態(tài)學參數(shù)。收獲時在每個小區(qū)隨機采集健壯程度和長勢一致的無病害馬鈴薯植株10株，進行考種，調(diào)查株高和莖粗等農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量構(gòu)成要素，將植株整株挖出，分根、莖、葉和塊莖四部分在105℃下殺青30min，80℃烘至恒重，稱量干物質(zhì)。記錄試驗小區(qū)馬鈴薯塊莖實測產(chǎn)量，并對薯塊進行分級，調(diào)查商品薯率、病薯率和畸形薯率。

葉綠素含量采用SPAD值來表示，SPAD－502型葉綠素儀測定。在室內(nèi)將根系用水緩慢沖洗干凈，盡量不傷及毛根，根系形態(tài)包括總根長、根表面積、根直徑、根體積和根尖數(shù)等指標，采用加拿大產(chǎn) Win RHIZOTM 2009根系掃描與分析系統(tǒng)測定［26］。

土壤微生物計數(shù)采用稀釋平板法，真菌采用馬丁氏培養(yǎng)基，細菌采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基，放線菌采用高氏1號培養(yǎng)基，鐮刀菌的計數(shù)采用Komada培養(yǎng)基［10，27］。土壤酶包括脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶、脫氫酶和磷酸酶活性的測定方法參考相關(guān)的實驗工具書［28－29］。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0數(shù)據(jù)處理軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，不同處理間數(shù)據(jù)的多重比較采用Duncan新復極差法完成。圖表繪制在Microsoft Excel 2007軟件上進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤熏蒸和微生物有機肥聯(lián)用對連作馬鈴薯塊莖產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成及農(nóng)藝性狀的影響

馬鈴薯收獲時，對各處理的塊莖產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素以及植株的農(nóng)藝性狀進行調(diào)查（表1）。與CK相比，SFA處理的塊莖產(chǎn)量無顯著變化，SFB處理則顯著下降5.09%。SFA＋BOF和SFB＋BOF處理塊莖產(chǎn)量較CK均有顯著的增加，增幅分別達到13.62%和20.36%，表明單獨土壤熏蒸并不能改善連作馬鈴薯的塊莖產(chǎn)量，而土壤熏蒸和微生物有機肥聯(lián)用則能夠顯著增加連作馬鈴薯的塊莖產(chǎn)量。在與微生物有機肥料聯(lián)用的條件下，石灰＋碳銨熏蒸的效果優(yōu)于氨水熏蒸。單株產(chǎn)量、單株結(jié)薯數(shù)量和單薯重量是表征馬鈴薯塊莖產(chǎn)量構(gòu)成的重要因素，從表1也可以看出，單株產(chǎn)量的變化趨勢與塊莖產(chǎn)量一致。而不同處理之間單株結(jié)薯數(shù)量均無顯著差異，單薯重量則差異顯著。SFB＋BOF處理單薯重量較CK顯著增加33.71%，而SFA、SFB和SFA＋BOF處理與CK相比均無顯著變化。統(tǒng)計分析表明，塊莖產(chǎn)量同單株產(chǎn)量（R2＝0.8873，P＜0.0001，n＝15）與單薯重量（R2＝0.2851，P＝0.0403，n＝15）之間均具有顯著或極顯著的線性關(guān)系，表明單株產(chǎn)量和單薯重量的變化共同導致了土壤熏蒸和微生物有機肥聯(lián)用處理下連作馬鈴薯產(chǎn)量的增加；另外，單株產(chǎn)量與單薯重量之間也存在顯著的線性關(guān)系（R2＝0.3129，P＝0.0302，n＝15），而其與單株結(jié)薯數(shù)量之間則并無顯著線性關(guān)系存在，表明馬鈴薯塊莖產(chǎn)量的形成更多依賴于單薯重量的增加而非結(jié)薯數(shù)量，推測馬鈴薯結(jié)薯數(shù)量可能更多地受基因型控制。在植株的田間農(nóng)藝性狀上，不同處理間株高、莖圍和分株數(shù)均無顯著差異，但主莖分枝數(shù)差異明顯。SFA＋BOF和SFB＋BOF處理的主莖分枝數(shù)較CK分別顯著增加13.92%和16.46%，SFA和SFB處理較CK則無顯著變化。主莖分枝數(shù)的增加一方面能夠使得SFA＋BOF和SFB＋BOF處理下單株馬鈴薯承載更多的葉片，提高光合器官源面積；另一方面有利于形成更為龐大的地上冠層結(jié)構(gòu)，在群體動態(tài)上增加對光能輻射的單位截獲量。

2.2 土壤熏蒸和微生物有機肥聯(lián)用對連作馬鈴薯生物量的影響

馬鈴薯植株整株和不同器官的生物量以及根冠比和收獲指數(shù)的結(jié)果見表2。SFA＋BOF和SFB＋BOF處理的整株生物量較CK分別顯著增加55.86%和78.15%，表明土壤熏蒸和微生物有機肥聯(lián)用能夠大幅度增加連作馬鈴薯的生物產(chǎn)量。另外，SFB＋BOF處理較SFA＋BOF處理相比整株生物量也顯著增加14.30%，這與塊莖產(chǎn)量的趨勢一致，石灰＋碳銨熏蒸與微生物有機肥聯(lián)用的效果優(yōu)于氨水熏蒸與微生物有機肥的聯(lián)用。SFA和SFB處理下整株生物量較CK均有不同程度的增加，但增幅較小。就不同器官而言，SFA＋BOF和SFB＋BOF處理下的莖和葉，以及塊莖的生物量較CK都有顯著的增加。塊莖生物量占到整株生物量的80%以上，不同處理下塊莖生物量的變化趨勢與整株一致。與CK相比，單獨的土壤熏蒸或與微生物有機肥聯(lián)用條件下根冠比和收獲指數(shù)均無顯著變化。

2.3 土壤熏蒸和微生物有機肥聯(lián)用對植株發(fā)病率和薯塊分級的影響

馬鈴薯植株發(fā)病率和收獲后薯塊分級的結(jié)果如圖1所示。SFA和SFB處理與CK相比在植株發(fā)病率上并未出現(xiàn)顯著差異，表明單獨的土壤熏蒸應用并不能有效降低連作馬鈴薯植株的發(fā)病率，SFA＋BOF和SFB＋BOF處理較CK發(fā)病率分別顯著下降54.92%和72.82%，且SFB＋BOF處理發(fā)病率也顯著低于SFA＋BOF處理，土壤熏蒸和微生物有機肥的聯(lián)用可以作為抑制連作馬鈴薯植株發(fā)病的有效措施。統(tǒng)計結(jié)果表明，塊莖產(chǎn)量與植株發(fā)病率之間具有極顯著的負相關(guān)關(guān)系（R2＝－0.9013，P＜0.0001，n＝15）。不同處理下連作馬鈴薯的商品薯率無顯著的變化。而在病薯率上，SFA、SFB、SFA＋BOF和SFB＋BOF處理與CK相比均出現(xiàn)顯著的下降，其中以SFA＋BOF和SFB＋BOF處理的降幅最大，分別為66.15%和64.76%，表明土壤熏蒸和微生物有機肥聯(lián)用能夠顯著降低連作馬鈴薯的薯塊發(fā)病率。SFA＋BOF和SFB＋BOF處理與CK相比在畸形薯率上無顯著差異。

表1 馬鈴薯塊莖產(chǎn)量及其產(chǎn)量構(gòu)成要素和植株農(nóng)藝性狀的比較Table 1 Comparison on tuber yield and its yield component factors as well as field agronomic characteristics of potato plants

表2 馬鈴薯整株和不同器官生物量的比較Table 2 Comparison on biomass of the whole plant and different organs of potato

2.4 土壤熏蒸和微生物有機肥聯(lián)用對連作馬鈴薯葉綠素含量和根系形態(tài)參數(shù)的影響

塊莖膨大期是馬鈴薯產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時期，馬鈴薯整個生育期內(nèi)，塊莖膨大期植株干物質(zhì)的積累量占總積累量的60%以上。本研究測定了塊莖膨大期時馬鈴薯植株的葉綠素含量和根系的形態(tài)參數(shù)，從表3可知，土壤熏蒸和微生物有機肥的聯(lián)用影響了連作馬鈴薯植株的生長發(fā)育。SFA＋BOF和SFB＋BOF處理與CK相比，葉綠素含量分別顯著增加14.46%和13.75%，從而有效增強馬鈴薯植株同化產(chǎn)物的生產(chǎn)以及花后更多的同化產(chǎn)物向塊莖中的轉(zhuǎn)運。而SFA和SFB處理的葉綠素含量較CK則無顯著變化。在根系的形態(tài)特征上，SFA＋BOF和SFB＋BOF處理的總根長較CK分別顯著增加16.46%和22.65%，根表面積分別增加31.59%和35.71%，同時根尖數(shù)也分別顯著增加30.10%和35.86%，表明土壤熏蒸和微生物有機肥聯(lián)用能夠有效改善連作馬鈴薯的根系形態(tài)特征，促進根系伸展，同時形成更多的側(cè)根，擴大根系所接觸的土壤面積，從而有利于對土壤養(yǎng)分和水分的吸收，為塊莖產(chǎn)量的提高打下了良好的基礎。SFA和SFB處理對連作馬鈴薯植株的根系形態(tài)特征則無顯著影響。

圖1 土壤熏蒸和微生物有機肥對植株發(fā)病率和馬鈴薯薯塊分級的影響Fig.1 Effect of soil fumigation and bio－organic fertilizer application on the incidence of diseased plant and classification of potato tuber

表3 塊莖膨大期馬鈴薯植株葉綠素含量和根系形態(tài)參數(shù)的比較Table 3 Comparison on SPAD value and root morphological parameters of potato plant in tuber bulking stage

2.5 土壤熏蒸和微生物有機肥聯(lián)用對馬鈴薯連作土壤可培養(yǎng)微生物數(shù)量的影響

從圖2可以看出，土壤熏蒸和微生物有機肥的聯(lián)用顯著影響馬鈴薯連作土壤可培養(yǎng)微生物的數(shù)量。與CK相比，土壤熏蒸盡管降低了播前和苗期土壤細菌的數(shù)量，但隨著馬鈴薯生育進程的推進，微生物有機肥料多次澆灌后，大量的外源細菌型有益微生物和拮抗微生物進入土壤，SFA＋BOF和SFB＋BOF處理細菌數(shù)量出現(xiàn)快速的增加并大幅度地高于CK、SFA和SFB處理，這一過程持續(xù)至馬鈴薯收獲。而SFA和SFB處理較CK在細菌數(shù)量上并未出現(xiàn)顯著的差異。

不同處理條件下土壤真菌的數(shù)量在馬鈴薯整個生育期內(nèi)均表現(xiàn)出SFB＋BOF＞SFA＋BOF＞SFA或SFB＞CK的趨勢，表明單獨的土壤熏蒸或與微生物有機肥聯(lián)用均能降低馬鈴薯連作土壤真菌數(shù)量，且SFA＋BOF和SFB＋BOF處理較CK均達到差異顯著水平。就土壤放線菌數(shù)量而言，不同處理間的差異主要體現(xiàn)在馬鈴薯淀粉積累期和收獲期，表現(xiàn)為SFA＋BOF和SFB＋BOF處理顯著高于CK、SFA和SFB處理，而SFA和SFB處理較CK均無顯著差異。另外，自花期開始，隨著微生物有機肥的澆灌，SFA＋BOF和SFB＋BOF處理較CK大幅度地提高了土壤中細菌與真菌數(shù)量的比值，驅(qū)動著連作土壤向“細菌型”的轉(zhuǎn)變，SFA和SFB處理較CK相比均無顯著差異。

圖2 土壤熏蒸和微生物有機肥對土壤可培養(yǎng)微生物數(shù)量的影響Fig.2 Effect of soil fumigation and bio－organic fertilizer application on population of soil cultural microorganisms

SFA和SFB處理較CK都顯著降低了播前和苗期土壤的鐮刀菌數(shù)量，且SFB處理條件下鐮刀菌數(shù)量顯著低于SFA處理，表明土壤熏蒸能夠有效抑制連作土壤中的鐮刀菌生長，石灰＋碳銨熏蒸的抑制效果優(yōu)于氨水熏蒸。這種土壤熏蒸對鐮刀菌的抑制效果持續(xù)至馬鈴薯苗期，但從花期開始，SFA和SFB處理下鐮刀菌數(shù)量都出現(xiàn)快速的回升，至馬鈴薯收獲，兩個處理鐮刀菌數(shù)量都高于CK。在SFA＋BOF和SFB＋BOF處理下，這種土壤鐮刀菌數(shù)量回升的情況并未出現(xiàn)，隨著微生物有機肥的澆灌，拮抗微生物的引入使得鐮刀菌的數(shù)量仍然維持在一個遠低于CK的水平，且SFB＋BOF處理的鐮刀菌數(shù)量在整個生育期都要低于SFA＋BOF處理。結(jié)果表明，土壤熏蒸和微生物有機肥聯(lián)用能夠有效抑制馬鈴薯整個生育期內(nèi)連作土壤鐮刀菌的數(shù)量，石灰＋碳銨熏蒸與微生物有機肥聯(lián)用的效果更好。而鐮刀菌與真菌數(shù)量的比值，不同處理與CK相比在整個生育期內(nèi)并未出現(xiàn)顯著差異。

統(tǒng)計分析結(jié)果表明，從塊莖膨大期開始至馬鈴薯收獲，細菌／真菌與塊莖產(chǎn)量（R2＝0.7774，P＜0.0001，n＝45）和植株發(fā)病率（R2＝－0.7923，P＜0.0001，n＝45）均具有顯著或極顯著的線性相關(guān)關(guān)系，同時，鐮刀菌數(shù)量與塊莖產(chǎn)量（R2＝－0.7608，P＜0.0001，n＝45）和植株發(fā)病率（R2＝0.8421，P＜0.0001，n＝45）也具有顯著或極顯著的線性相關(guān)關(guān)系。表明通過抑制連作系統(tǒng)下土傳真菌的數(shù)量來控制植株發(fā)病率和改善土壤微生物區(qū)系是土壤熏蒸和微生物有機肥聯(lián)用處理下塊莖產(chǎn)量顯著增加的直接原因。

2.6 土壤熏蒸和微生物有機肥聯(lián)用對馬鈴薯連作土壤酶活性的影響

本研究也測定了土壤中與C、N、P轉(zhuǎn)化和氧化還原等生化過程相關(guān)的酶類活性（表4）。從苗期至馬鈴薯收獲，SFA＋BOF和SFB＋BOF處理的脲酶活性均高于CK、SFA和SFB三個處理。在苗期、花期和塊莖膨大期，SFA＋BOF處理土壤脲酶活性與CK相比分別顯著增加了113.78%，56.70%和163.14%，SFB＋BOF處理較CK相比在整個生育期內(nèi)均未出現(xiàn)顯著差異。就土壤蔗糖酶、脫氫酶和過氧化氫酶活性而言，馬鈴薯播前及其整個生育期內(nèi)，SFA＋BOF和SFB＋BOF處理較CK并未出現(xiàn)顯著變化。土壤熏蒸和微生物有機肥聯(lián)用對土壤磷酸酶的活性影響顯著。從播前開始至馬鈴薯收獲，土壤磷酸酶活性均表現(xiàn)出SFA＋BOF或SFB＋BOF＞SFA或SFB＞CK的趨勢，且SFA＋BOF和SFB＋BOF處理顯著高于CK。在塊莖膨大期，SFA＋BOF和SFB＋BOF處理土壤磷酸酶活性較CK顯著增加了32.77%和38.11%；在淀粉積累期，分別增加了30.90%和37.16%。SFA＋BOF和SFB＋BOF處理間土壤磷酸酶活性在播前和整個生育時期未出現(xiàn)顯著差異。

表4 土壤熏蒸和微生物有機肥聯(lián)用對土壤酶活性的影響Table 4 Effect of the combination of soil fumigation and bio－organic fertilizer application on soil enzyme activities

3 討論

3.1 土壤熏蒸和微生物有機肥聯(lián)用對連作馬鈴薯塊莖產(chǎn)量和生長發(fā)育的影響

集約化條件下的馬鈴薯生產(chǎn)和訂單農(nóng)業(yè)的種植模式導致甘肅省中部沿黃灌區(qū)出現(xiàn)嚴重的馬鈴薯連作障礙。本課題組前期的研究結(jié)果顯示，連作兩年是在當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境和栽培及品種條件下馬鈴薯連作的閾值年限，自連作三年開始，馬鈴薯塊莖產(chǎn)量開始出現(xiàn)嚴重的下降，降幅通常能夠達到25%～50%［3，16］。因而本研究選擇在馬鈴薯連作三年地塊上開展田間試驗，試圖通過土壤熏蒸和微生物有機肥聯(lián)用的方法來減少連作馬鈴薯產(chǎn)量的損失，將產(chǎn)量維持在當?shù)仄骄?。田間試驗結(jié)果表明，土壤熏蒸和微生物有機肥的聯(lián)用能夠顯著增加連作三年馬鈴薯的塊莖產(chǎn)量，石灰＋碳銨熏蒸配合微生物有機肥澆灌的效果顯著優(yōu)于氨水熏蒸與微生物有機肥的聯(lián)用。SFB＋BOF處理下塊莖產(chǎn)量達到36617kg／hm2，已達到當?shù)伛R鈴薯的平均產(chǎn)量水平（畝產(chǎn)2.5t左右）。Yao等［30］關(guān)于蘋果（Maluspumila）連作障礙防控的研究結(jié)果表明，土壤熏蒸和堆肥改良的聯(lián)合應用并不能改善果樹生長發(fā)育狀況和提高果實產(chǎn)量，推測可能與堆肥的種類和性質(zhì)、熏蒸劑的選擇和用量以及熏蒸劑效用成分在不同質(zhì)地土壤中的滲透效果等多種因素有關(guān)［31］。同時，土壤熏蒸和微生物有機肥的聯(lián)用大幅度地降低了連作馬鈴薯植株的發(fā)病率，直接導致塊莖產(chǎn)量的增加，表明對于土傳病害嚴重的土壤，先進行土壤預處理，然后再施用微生物有機肥能有效抑制病害的產(chǎn)生，克服連作障礙，這與前人的報道一致［32］。就收獲后的薯塊而言，盡管不同處理之間在薯塊商品率上無顯著差異，但土壤熏蒸和微生物有機肥的聯(lián)用顯著降低病薯率，病薯率的大幅度降低對于改善馬鈴薯的窖藏品質(zhì)，提高規(guī)模化馬鈴薯種植企業(yè)的經(jīng)濟效益具有重要意義。土壤熏蒸和微生物有機肥聯(lián)用處理也顯著改善連作馬鈴薯植株的生長發(fā)育，包括提高葉綠素含量和維持相對優(yōu)化的根系形態(tài)結(jié)構(gòu)，從而能夠有效提升植株的光合生產(chǎn)強度，同時增強植株對土壤水分和養(yǎng)分的吸收利用，這是塊莖產(chǎn)量增加的又一重要原因。相比之下，單獨的土壤熏蒸應用（SFA和SFB處理）并未能造成連作馬鈴薯根系形態(tài)特征的顯著改變。阮維斌等［33］和Yuen等［34］分別對連作大豆（Glycinemax）和草莓（Fragariaananassa）的研究證實，使用溴甲烷進行播前土壤熏蒸能夠改善作物根系形態(tài)，增加總根長和側(cè)根數(shù)，以及根長密度等，這與本研究中田間試驗結(jié)果的差異可能與作物品種以及病害種類的不同有關(guān)。

3.2 土壤熏蒸和微生物有機肥聯(lián)用對馬鈴薯連作土壤生化性質(zhì)的影響

不同作物連作障礙發(fā)生的原因差別很大，但主要來自土壤，其中微生物種群結(jié)構(gòu)失衡是導致土壤質(zhì)量下降和作物減產(chǎn)的重要原因，其顯著特點是土傳病原菌過度，成為優(yōu)勢種群，病蟲害大量滋生［7－8，16］。因鐮刀菌導致的枯萎病是甘肅省馬鈴薯連作種植過程中的主要病害。田間試驗結(jié)果表明，土壤熏蒸和微生物有機肥聯(lián)用的方法能夠有效抑制連作土壤鐮刀菌的數(shù)量，降低植株的發(fā)病率。前人試圖通過外源物料的引入或其他農(nóng)藝措施來抑制連作系統(tǒng)下的土傳病害和改善土壤微生物區(qū)系，進而達到緩解甚至克服連作障礙的目的，減少作物產(chǎn)量的損失。目前已有部分的報道，主要是從連作土壤熏蒸（消毒或滅菌），以及攜帶拮抗菌的微生物類肥料的生防應用兩個方面開展研究，但未能取得一致的研究效果。結(jié)合本研究，可以從3個方面分析原因：1）連作土壤滅菌后盡管能在短期內(nèi)大量抑制或殺死土壤中的致病微生物，但土壤微生物群落結(jié)構(gòu)會在很短的時間內(nèi)迅速得以恢復，病原微生物的數(shù)量甚至還會有所增加，并且這種變化過程很難受人工控制和定量［35］。這與本研究的結(jié)果類似，在播前土壤中，SFA和SFB處理的鐮刀菌數(shù)量較CK大幅度地降低，但隨著生育進程的推進，這兩個處理下的土壤鐮刀菌數(shù)量出現(xiàn)快速的回升。從生態(tài)學的角度來看，土壤熏蒸后抑制或消除了土壤中大部分的微生物，一旦外源微生物通過各種途徑侵入土壤，就等于微生物進入到一個養(yǎng)分和空間的無限環(huán)境，在一定時期內(nèi)會以指數(shù)形式迅速繁殖，其數(shù)量也會在短期內(nèi)超過自然土壤承受極限［36］。甚至消毒后的土壤中殘存的部分病原微生物也會在近似于無限養(yǎng)分和空間條件下短期內(nèi)大量重新生長繁殖。在SFA＋BOF和SFB＋BOF處理下，由于澆灌帶來拮抗微生物和有益微生物不斷補充進土壤，能夠持續(xù)地將鐮刀菌的數(shù)量維持在一個較低的水平，并且改善微生物區(qū)系，抑制因鐮刀菌侵染而導致的植株發(fā)病。2）目前生產(chǎn)上經(jīng)常用到的熏蒸劑由于其作用強度較大，土壤中的有害微生物或線蟲等被徹底殺死的同時，一些對于作物生長有益的微生物種類同樣也被殺死，微生物群落結(jié)構(gòu)改變程度較大，間接導致了土壤微生物區(qū)系的不均衡，以及有益菌和致病菌在種群和個體數(shù)量上的相對變化［23］。細菌與真菌數(shù)量的比值通常被認為是表征土壤健康的重要指標［11］，本試驗中SFA和SFB處理下細菌／真菌較CK并未表現(xiàn)出顯著的差異，而在SFA＋BOF和SFB＋BOF處理下這一比值在生育后期顯著低于CK，大量的細菌型有益微生物和拮抗微生物隨肥料澆灌直接進入連作馬鈴薯根際，導致土壤向“細菌型”的轉(zhuǎn)變，使得連作土壤微生物區(qū)系特征得到初步的改善。3）大多數(shù)情況下，有機物料對土傳病害的防控和微生物區(qū)系的改變是基于整個土壤生物活性的提高，因此往往需要大量的投入和較長時間才能獲得較好的效果［37］。傳統(tǒng)的肥料施用方法也導致拮抗菌遠離根系，不能形成在作物根際范圍內(nèi)的有效定植［38－40］。本研究采用澆灌的方式將拮抗菌直接引入馬鈴薯根際，有助于拮抗菌的定植和根系周圍“生物墻”的形成［41－42］。

土壤熏蒸和微生物有機肥的聯(lián)用對土壤相關(guān)酶活性的影響較小，SFA＋BOF和SFB＋BOF處理下脫氫酶、過氧化氫酶、蔗糖酶和脲酶活性較CK并未出現(xiàn)大幅度的改變，我們認為這對于維持土壤正常的生理生化功能具有重要的意義。前人的報道也證明使用溴甲烷等進行土壤熏蒸能夠顯著降低土壤多種酶的活性，不利于改善土壤的生產(chǎn)力［21］。但單獨的土壤熏蒸或與微生物有機肥聯(lián)用顯著增加了土壤磷酸酶的活性，可能與土壤熏蒸后微生物細胞死亡，微生物生物量磷的向外釋放有關(guān)［43］。

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