西瓜連作土壤微生態(tài)環(huán)境對生物耕作的動態(tài)響應

張娟琴,鄭憲清,李雙喜,張翰林,白娜玲,張海韻,呂衛(wèi)光

(上海市農(nóng)業(yè)科學院生態(tài)環(huán)境保護研究所,上海市設施園藝技術重點實驗室,上海市農(nóng)業(yè)環(huán)境保護監(jiān)測站,農(nóng)業(yè)部上海農(nóng)業(yè)環(huán)境與耕地保育科學觀測實驗站,上海低碳農(nóng)業(yè)工程技術研究中心,上海201403)

我國是世界上西瓜種植第一大國,近年來,西瓜種植產(chǎn)業(yè)不斷向專業(yè)化、設施化和集中化方向發(fā)展。 大棚溫室連作栽培,破壞了土壤微生態(tài)環(huán)境,導致有益菌種群結構的改變和數(shù)量降低,造成了嚴重的連作障礙[1-2]。 如何有效改善西瓜連作土壤的微生態(tài)環(huán)境,防治西瓜連作障礙一直是西瓜生產(chǎn)中亟待解決的難題。前人從培育抗病品種、農(nóng)業(yè)措施(輪作、施肥、暴曬)、化學防治、生物防治[3-4]等角度進行了大量研究。

蚯蚓被達爾文稱之為“地球上最有價值的動物”,蚯蚓的吞噬、排泄(蚯蚓糞)、掘穴等活動在改善土壤理化性質,推動養(yǎng)分循環(huán),調控土壤微生物活性,完善群落結構和功能等方面均具有重要作用[5-7]。 已有研究表明,蚯蚓堆肥能明顯降低西瓜、番茄枯萎病的發(fā)病率,提高壯苗指數(shù),改善品質,同時蚯蚓糞的施入提高了番茄連作土壤微生物群落多樣性,可在一定程度上恢復微生物區(qū)系平衡,提高土壤養(yǎng)分含量[10-11]。但當前的研究主要集中在蚯蚓糞功效方面,將蚯蚓直接應用于連作土壤微生態(tài)環(huán)境修復的研究較少,尤其對不同生活型蚯蚓的對比研究不足[12]。 生物耕作是利用蚯蚓等生物的某些特性并輔以科學管理措施的土壤改良模式,本試驗通過研究西瓜連作土壤對不同生活型蚓種和密度的動態(tài)響應規(guī)律,以期為西瓜連作土壤的修復提供數(shù)據(jù)依據(jù)和技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

土壤:取自上海市農(nóng)業(yè)科學院莊行試驗站西瓜連作5 年的大棚。 2018 年7 月西瓜收獲后,取0—20 cm土壤。 按照土壤和牛糞質量比9∶1的比例向連作土壤中添加牛糞。 試驗土壤基本性狀:pH 7.72、電導率1.18 mS∕cm、有機質18.1 g∕kg、全氮1.46 g∕kg、全磷2.04 g∕kg、全鉀15.83 g∕kg、速效氮80.39 mg∕kg、速效磷85.93 mg∕kg、速效鉀640.03 mg∕kg。

蚯蚓:赤子愛勝蚓(太平2 號)購自江蘇無錫養(yǎng)殖基地,威廉環(huán)毛蚓取自于上海市農(nóng)業(yè)科學院崇明試驗基地。 試驗前將2 種蚯蚓放入試驗土壤中預養(yǎng)1 周,使蚯蚓適應試驗土壤環(huán)境。 用試驗土壤替代蚯蚓腸道的內(nèi)容物,以減少試驗誤差。 挑取3.0—3.5 g 的威廉環(huán)毛蚓及0.3—0.4 g 的赤子愛勝蚓為試驗蚯蚓。

試驗容器為下直徑14 cm、上直徑20 cm、高40 cm 的圓柱形鐵桶,鐵桶底部和四周分別有4—6 個通氣孔,鐵桶內(nèi)及上口徑覆0.3 mm 細紗網(wǎng)防止蚯蚓逃逸。

1.2 試驗設計

每個試驗容器底部放入100 g 水稻秸稈(長約5 cm)、1 kg 新鮮菜葉,加入4 kg 試驗土壤,澆足水(1 000 mL)平衡24 h,投放蚯蚓。 試驗共設置7 個處理,分別為:不放蚯蚓(對照,CK)、每千克試驗土壤中投放1 條、3 條、5 條威廉環(huán)毛蚓(P1、P3、P5)和每千克試驗土壤中投放5 條、10 條、15 條赤子愛勝蚓處理(E5、E10、E15)。 容器表面放置水稻秸稈20 g(長約5 cm),為蚯蚓提供遮光環(huán)境。 容器內(nèi)溫度保持在25—30 ℃,相對濕度在70%—80%。

1.3 樣品采集

分別在生物耕作30 d、60 d、90 d 后,從土壤表層到底層均勻取200 g 左右的土壤樣品。 一部分樣品進行風干,測定土壤理化性質,另一部分保存在4 ℃中,分析土壤微生物的數(shù)量。 重復3 次。

1.4 測定項目與方法

土壤pH 采用電位法測定(水土比2.5∶1),電導率采用電導法測定,總氮含量采用凱氏定氮法測定,總磷含量采用酸溶-鉬銻抗比色法測定,全鉀含量采用氫氧化鈉熔融-火焰光度計法測定,速效氮含量采用凱氏定氮法測定,速效磷含量采用鉬銻抗比色法測定,速效鉀含量采用火焰光度計法測定,有機質含量采用重鉻酸鉀容量法測定,陽離子交換量采用乙酸銨法測定,粒徑采用密度計法測定,Cu、Zn、Mn、Ca、Mg、Fe含量采用火焰原子吸收分光光度法測定[13-14]。 土壤微生物數(shù)量采用平板稀釋法[15]測定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)用平均值表示,采用Excel 2007 和SPSS 16.0 統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)分析。

2 結果與分析

2.1 生物耕作對西瓜連作土壤理化性質的影響

2.1.1 生物耕作對西瓜連作土壤pH、電導率及養(yǎng)分的影響

由表1 可知,土壤pH 隨著生物耕作密度的增大而有所下降,并向中性趨近。 電導率值因生物耕作蚓種的不同而不同,威廉環(huán)毛蚓試驗組較對照下降了0.16—0.26 mS∕cm,赤子愛勝蚓組對土壤電導率影響不明顯,而隨著生物耕作時間的延長,土壤電導率值有輕微上升的趨勢。 生物耕作90 d 時,試驗組土壤有機質、全氮、全磷和全鉀較對照組依次分別提升了6.45—7.72 g∕kg、0.06—0.15 g∕kg、0.17—0.47 g∕kg 和0.06—0.16 g∕kg;與植物生長直接相關的速效氮、速效磷和速效鉀分別提高了13.51%—36.68%、26.45%—46.33%和8.74%—22.29%。 土壤養(yǎng)分隨著時間的延長呈上升趨勢;養(yǎng)分增長率與蚯蚓密度成正比,但增長速率隨著時間的延長而下降。 在蚯蚓重量相近的情況下,威廉環(huán)毛蚓對土壤的改良效果更佳,但是生物耕作90 d 時,威廉環(huán)毛蚓試驗組土壤有機質含量較60 d 時有小幅下降,推測威廉環(huán)毛蚓活動能力強,在食物缺乏的情況下會消耗土壤的有機質。

表1 生物耕作對西瓜連作土壤pH、電導率及養(yǎng)分的影響Table 1 Effects of earthworm tillage on pH,conductivity,and nutrients of watermelon soil for five consecutive years

圖1 生物耕作對土壤陽離子交換量的影響Fig.1 Effects of earthworm tillage on cation exchange capacity of watermelon soil for five consecutive years

Cu、Zn、Mn、Ca、Mg、 Fe 作為土壤中重要的營養(yǎng)元素,參與各種代謝反應,生物耕作后土壤中各元素含量變化規(guī)律如表2 所示。 蚯蚓投放密度對6 種元素含量影響不顯著。 隨著生物耕作時間的延長,Ca 含量呈上升趨勢,Cu、Zn 含量呈先升后降的趨勢,而Mn、Fe 含量呈下降趨勢,但生物耕作組各處理間Cu、Zn、Mn、Fe 含量變化不顯著,而Ca 含量和Mg 含量不同處理時間差異明顯。

2.1.2 生物耕作對西瓜連作土壤陽離子交換量、土壤團聚體的影響

蚯蚓活動對土壤陽離子交換量(CEC)和團聚體產(chǎn)生顯著的影響,而這兩者是表征土壤肥力、緩沖能力及抗侵蝕能力的重要理化指標。 由圖1 可見,隨蚯蚓密度增大,生物耕作組陽離子交換量呈上升趨勢,其中生物耕作60 d 比30 d 時陽離子交換量高7.47—10.67 cmol∕kg,90 d時,生物耕作組土壤陽離子交換量較對照提高了8.38—12.61 cmol∕kg。

表2 生物耕作對西瓜連作土壤銅、鋅、錳、鈣、鎂、鐵含量的影響Table 2 Effects of earthworm tillage on contents of Cu,Zn,Mn,CA,Mg and Fe in watermelon soil for five consecutive years

一般把粒徑＞0.25 mm 的團聚體稱為土壤團粒結構體(大團聚體),其數(shù)量與土壤的肥力狀況呈正相關[16]。 生物耕作30 d、60 d 和90 d 時,粒徑＞0.25 mm 的土壤大團聚體的比重較對照組依次提升了2.88%—17.77%、8.88%—25.47%和10.76%—29.10%(圖2、圖3、圖4)。 隨著生物耕作時間的延長,土壤大團聚體比重呈上升趨勢,但上升速率呈下降趨勢。

圖2 生物耕作30 d 后土壤水穩(wěn)性團聚體分布特征Fig.2 Distribution characteristics of soil water stable aggregates after 30 days of earthworm tillage

圖3 生物耕作60 d 后土壤水穩(wěn)性團聚體分布特征Fig.3 Distribution characteristics of soil water stable aggregates after 60 days of earthworm tillage

圖4 生物耕作90 d 后土壤水穩(wěn)性團聚體分布特征Fig.4 Distribution characteristics of soil water stable aggregates after 90 days of earthworm tillage

2.2 生物耕作對土壤微生物數(shù)量的影響

如表3 所示,生物耕作組土壤中細菌、放線菌數(shù)量隨著處理時間的延長、蚯蚓密度的增大呈上升趨勢,而真菌的數(shù)量則呈下降趨勢。 30 d、60 d、90 d 時,生物耕作組細菌數(shù)量較對照組依次分別提升40.69%—73.26%、56.18%—110.11%和54.95%—107.69%。 90 d 時,生物耕作組真菌數(shù)量較對照組下降了28.67%—52.68%,放線菌的數(shù)量則上升了15.81%—27.49%;細菌在土壤微生物中的占比提高了5.07%—8.01%,而真菌、放線菌分別下降了0.19%—0.27%和4.88%—7.75%。 土壤中放線菌的數(shù)量增加,而在微生物中占比下降,可能與其生長慢的特性相關。

表3 生物耕作對西瓜連作土壤細菌、真菌、放線菌的影響Table 3 Effects of earthworm tillage on on bacteria,fungi and actinomycetes in watermelon soil for five consecutive years

3 討論

連作會造成土壤理化性質異常、養(yǎng)分非均衡消耗以及土壤中微生物群落結構改變等,導致土壤病原微生物大量繁殖,加劇土傳病害的發(fā)生[1,17]。

3.1 生物耕作對西瓜連作土壤理化性質的影響

Hooper 等[18]研究認為,盡管蚯蚓糞便的pH 較高,但蚯蚓的活動促進了基質中氮循環(huán)細菌的活躍程度,使銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度相對平衡,土壤pH 趨近中性。 本試驗中,隨著生物耕作時間的延長及蚯蚓密度的增大,土壤pH 比對照組下降了0.27—0.43,向中性趨近,與前人研究結果一致。 電導率是反映土壤中鹽分含量的指標,試驗過程中,威廉環(huán)毛蚓試驗組土壤電導率較對照下降了0.16—0.26 mS∕cm,而赤子愛勝蚓模式對土壤電導率影響不明顯。 伍玉鵬等[19]研究赤子愛勝蚓對鹽堿土的影響,結果也表明赤子愛勝蚓對土壤電導率影響不明顯。 而王斌等[20]通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗認為赤子愛勝蚓和威廉環(huán)毛蚓均能提高菜田土壤的電導率,并且電導率隨著培養(yǎng)時間的增長持續(xù)增長,與本試驗研究結論不盡相同,這可能與研究所用基質不同有關。

蚯蚓的活動可以促進土壤微生物對有機質的礦化,通過影響土壤碳、氮、磷、鉀等養(yǎng)分循環(huán)關鍵菌,從而促進養(yǎng)分循環(huán)和周轉速率,提高土壤的肥力[21-22]。 本研究中,90 d 時,生物耕作組土壤有機質、全氮、全磷、全鉀較對照組依次分別提升了6.45—7.72 g∕kg、0.06—0.15 g∕kg、0.17—0.47 g∕kg、0.06—0.16 g∕kg;與植物生長直接相關的速效氮、速效磷、速效鉀分別提高了13.51%—36.68%、26.45%—46.33%、8.74%—22.29%,由此可見生物耕作可以提高土壤養(yǎng)分含量,尤其是土壤速效養(yǎng)分的含量。 從時間動態(tài)變化來看,土壤養(yǎng)分延時間軸呈增長趨勢,增長速率與生物耕作蚯蚓密度成正比,但增長速率隨著時間的延長而下降。 在蚯蚓質量相近的情況下,威廉環(huán)毛蚓養(yǎng)分活化率更高。 但是威廉環(huán)毛蚓活動能力強,在食物缺乏的情況下會消耗土壤的有機質。 土壤全量養(yǎng)分(全氮、全磷、全鉀)的提升可能與容器底部新鮮菜葉的腐解有關,而速效養(yǎng)分(速效氮、速效磷、速效鉀)的提升說明生物耕作有活化西瓜連作土壤養(yǎng)分的作用,這與前人的研究結論吻合[7,23]。 目前有關蚯蚓對土壤中礦質元素影響的研究主要集中在土壤污染修復方面,與代謝酶相關元素的研究極少[24]。 本試驗結果表明,Ca、Mg 含量受生物耕作時間影響顯著,可能與蚯蚓體內(nèi)的代謝相關,但生物耕作蚓種、密度、時間對Cu、Zn、 Mn、Fe 含量的影響均不顯著,其原因可能是這4 種元素未參與蚯蚓體內(nèi)的主要代謝或者土壤中的本底值低于蚯蚓富集臨界值,尚需要進一步試驗驗證。

作為表征土壤質量的重要理化指標,陽離子交換量與土壤保肥能力、土壤緩沖能力呈正相關,是土壤改良和合理施肥的重要依據(jù),而作為土壤結構基本構成單元的土壤團聚體,則是影響農(nóng)田土壤肥力保持、碳氮循環(huán)和持水能力的主要因素之一。 粒徑＞0.25 mm 的大團聚體豐富是土壤結構特征良好的表現(xiàn),其與土壤肥力、養(yǎng)分的生物有效性、抗侵蝕能力之間存在一定的正比例關系[16,25-26]。 本試驗中生物耕作組的土壤陽離子交換量、大團聚體較對照依次提高了8.38—12.61 cmol∕kg、10.76%—29.10%。 說明生物耕作可以提高土壤陽離子交換量、大團聚體的數(shù)量,改善土壤的保肥能力和緩沖能力,同時促進土壤結構穩(wěn)定,增強抗侵蝕能力。

3.2 生物耕作對土壤微生物特征的影響

土壤生態(tài)系統(tǒng)中物質循環(huán)、轉化以及土壤質量的改善與土壤微生物密切相關[4]。 土壤微生物數(shù)量是衡量土壤微生物菌群好壞的重要指標。 前人研究表明,西瓜、煙草、番茄等作物連作年限增加,土壤中放線菌、細菌數(shù)量減少,真菌數(shù)量增加[27-29]。 李雙喜等[30]、鄭憲清等[31]的研究均表明,生物耕作能有效提高菜田不同耕層的土壤養(yǎng)分含量和含水量、增加土壤微生物總量及微生物生理類群的數(shù)量、提升細菌與真菌的比值,其中氨化細菌、硝化細菌以及無機磷分解菌等生理細菌數(shù)量得到顯著提升。 本試驗結果表明,生物耕作增加了土壤細菌、放線菌數(shù)量,降低了真菌的數(shù)量;90 d 時,生物耕作組細菌在土壤總微生物中的占比提高了5.07%—8.01%,而真菌在土壤微生物中占比較對照組下降了52.78%以上。 說明生物耕作后西瓜連作土壤中微生物總量增加,細菌與真菌的比值上升,土壤微生物群落結構得到改善。

4 結論

赤子愛勝蚓和威廉環(huán)毛蚓均可以作為生物耕作的蚓種,用來改良土壤理化性質,促進土壤養(yǎng)分轉化,提升土壤微生物總量,提高細菌和真菌比,改善土壤微生物群落結構。 提高生物耕作蚯蚓密度有助于提高土壤微生態(tài)環(huán)境的改善速度,縮短修復時間。 在質量相近的情況下,威廉環(huán)毛蚓的修復效果優(yōu)于赤子愛勝蚓,這可能與威廉環(huán)毛蚓的生活型密切相關。