溫度對厭氧土壤消毒處理效果的影響

周開勝

(蚌埠學院土木與水利工程學院,安徽 蚌埠 233030)

隨著社會經濟發展和農業科技進步,農業生產設施化、集約化、專業化發展,已漸成我國果蔬、中草藥等經濟作物生產的重要模式。不合理地大量化肥施用,極易造成土壤化肥殘留、酸化、次生鹽漬化、養分失衡、板結、土傳致病生物(如致病尖孢鐮刀菌、青枯菌、線蟲)增殖等連作障礙問題,導致作物產量減低、品質下降,甚至絕收。目前,有關多因素成因的連作障礙的防控,主要有調控土壤pH[1]、高溫燜棚[2]、熏蒸土壤[3]、立架栽培[4]、輪作[5]、套作[6]、間作[7]、培育抗病品種[8]、配施拮抗菌[9]、栽植嫁接苗[10]、施用生物有機肥[11]等,這些措施多為針對連作障礙的某一特定因素采取的相應防控措施,雖取得一定成效,但無論從防控效果、成本還是環保等方面,仍存在諸多不足,亟需從土壤生態修復與改善的角度考慮,開發消除多因素成因的連作障礙的技術方法。

厭氧土壤消毒(Anaerobic Soil Disinfestation,ASD)是21世紀初發展起來的一種替代土壤化學藥物熏蒸的土壤生態修復方法,已在美國、日本、荷蘭等國得到廣泛應用。其基本方法是在土壤中添加易腐解的有機物料,灌水,覆膜,密封2～4周,創造強烈的土壤厭氧還原環境,消除連作障礙因子,過程短,在1個月內即可完成。近年來,在我國用ASD法處理退化連作土壤,防控作物連作障礙也多有報道[12-17]。處理溫度是ASD殺滅土傳致病生物[3],影響土壤物理、化學和生物學性質的重要影響因素[3]。當土壤溫度在15～45 ℃時,土壤中大多數微生物的活性隨溫度升高而增強,但當土壤溫度低于15 ℃或高于45 ℃時,微生物活性變弱,從而影響土壤生物化學過程,進而影響ASD處理效果[18-19]。

不同季節土壤溫度不同,為提高ASD處理效果和推廣應用,本研究以稻草為有機物料,番茄連作土壤為研究對象,開展處理溫度對ASD消除連作障礙因子的影響研究。番茄種植規模大、分布范圍廣,其果實營養豐富,且風味獨特,深受大眾喜愛,開展此研究具有十分重要的理論和現實意義。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.2 研究方法

1.2.1 試驗設計

共設置5個處理:對照(CK)、10 ℃、20 ℃、30 ℃和40 ℃處理。稱取土樣折合干土重0.73 kg,放入自封塑料袋內,除CK外,每個土樣均添加過2 mm篩的折合干土重1%的稻草粉末,混勻后,加水至飽和,排空后密封,分別置于10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃的生化恒溫培養箱內,培養3周,每個處理設置3個重復。

1.2.2 樣品分析

土壤pH和EC測定參照文獻[13]。土壤TOC、TN的測定參照文獻[20]中的H2SO4-K2Cr2O7濕燒法與開氏消煮法;土壤銨態氮和硝態氮測定參照文獻[16];采用火焰光度法測定土壤速效鉀含量。采用Power SoilTMDNA Isolation Kit試劑盒提取土壤中微生物DNA,其中細菌、真菌及尖孢鐮刀菌的定量方法參照文獻[13]。

1.3 數據處理

采用SPSS 20.0中的單因素方差分析和Duncan分析不同處理間的差異。采用Excel 2010分析試驗數據;采用Origin 8.0繪圖。

2 結果與分析

2.1 土壤pH、EC變化

處理前,供試土壤呈強酸性和輕度鹽漬化(EC值在0.34～0.98 mS·cm-1之間,為輕度鹽漬化土壤[21])。由圖1(a)可見,不同溫度下ASD處理后的土壤pH均較對照顯著升高(P<0.05),處理溫度為40 ℃的ASD處理pH最高;值得注意的是,處理溫度為10 ℃的ASD處理土壤pH升至6.5,土壤由未處理前的強酸性(pH=4.75)轉變為接近中性。ASD處理后的土壤EC值隨處理溫度的升高而減小,但處理溫度從30 ℃升至40 ℃,土壤EC值變化并不顯著(P>0.05),見圖1(b)。圖1中,不同小寫字母代表處理間差異顯著(P<0.05),下同。

圖1 不同溫度下ASD處理對連作土壤pH、EC的影響

2.2 土壤中銨態氮和硝態氮質量比變化

處理前,供試土壤銨態氮和硝態氮質量比分別為4.28 mg·kg-1和257 mg·kg-1。ASD處理后,處理溫度從10 ℃升至30 ℃,按態氮質量比差異不顯著(P>0.05),當處理溫度升至40 ℃時,銨態氮質量比顯著升高(P<0.05)(圖2a);各處理硝態氮質量比均顯著降低(P<0.05),值得注意的是,溫度為10 ℃的ASD處理中硝態氮質量比仍達83.9 mg·kg-1,但隨著處理溫度繼續升高(≥20 ℃)硝態氮質量比顯著降低(P<0.05)(圖2b)。

圖2 不同溫度下ASD處理對連作土壤銨態氮、硝態氮質量比的影響

2.3 土壤TOC、K質量比變化

ASD處理后,各處理中TOC質量比均顯著高于CK(P<0.05);其中,20 ℃條件下,ASD處理后,土壤TOC質量比最高(圖3a)。各處理中速效鉀質量比均較CK顯著增加(P<0.05)(圖3b)。但處理溫度對ASD處理后土壤TOC和速效鉀質量比的影響規律性均不明顯。

圖3 不同溫度下ASD處理對連作土壤TOC、速效鉀質量比的影響

2.4 土壤中微生物數量變化

2.4.1 土壤細菌、真菌數量變化

ASD處理后,土壤細菌數量均較對照顯著升高(P<0.05),且隨處理溫度升高,土壤細菌數量呈增加趨勢(圖4a)。處理溫度對ASD處理后真菌數量的影響較為復雜,處理溫度為10～30 ℃時,各處理中真菌數量呈現波動性變化,當處理溫度升至40 ℃時,土壤真菌數量顯著下降(P<0.05)(圖4b)。

圖4 不同溫度下ASD處理土壤細菌和真菌數量的影響

2.4.2 土壤尖孢鐮刀菌數量變化

ASD處理后,各處理中尖孢鐮刀菌數量隨處理溫度升高而減小,處理溫度為10 ℃的ASD處理中尖孢鐮刀菌數量顯著高于對照和其他處理(P<0.05);當處理溫度升至20 ℃時,ASD處理后,土壤中尖孢鐮刀菌與對照差異不顯著(P>0.05);當處理溫度分別升至30 ℃和40 ℃時,ASD處理后,土壤中尖孢鐮刀菌數量均顯著低于對照及其他處理(P<0.05),但溫度為30 ℃和40 ℃的處理間差異不顯著(P>0.05)(圖5)。

圖5 不同溫度下ASD處理對土壤尖孢鐮刀菌數量的影響

3 討論

ASD處理是土壤生物化學過程,土壤溫度是ASD處理有效抑制土傳致病微生物和改善土壤物理化學性質的重要環境因子[3,18-19],與文獻報道一致的是,無論提高酸性土壤pH,清除土壤累積的硝酸鹽,降低土壤EC值,還是抑制尖孢鐮刀菌,處理溫度為40 ℃的ASD處理效果均最好。由此可見,欲取得ASD處理消除連作障礙因子的最佳效果,在條件允許的情況下,宜選擇在氣溫高的夏季。處理溫度不僅影響ASD處理后土壤微生物活性和殺菌物質(如H2S、NH3、Mn2+、Fe2+和脂肪酸)的產生量[12,17,22-23],還影響有機酸的電離常數,隨處理溫度升高,揮發性脂肪酸將產生更多的非電離形式[24],只有非電離形式的揮發性脂肪酸才對土傳致病生物具有毒殺作用[25-26]。從圖4和圖5可以看出,當處理溫度升至40℃時,真菌和尖孢鐮刀菌數量均顯著降低。

4 結論

不同處理溫度的ASD處理,均可顯著提高土壤TOC和速效K質量比,提高土壤肥力;處理溫度為10 ℃的ASD處理不能完全去除土壤積累的硝酸鹽,限制了酸性土壤pH升高和EC值降低;無論是提高酸性土壤pH,清除土壤累積的硝酸鹽,降低土壤EC值,還是殺滅土傳致病微生物(如F.oxysporum),處理溫度為40 ℃的ASD處理效果均最佳,為提高處理效果,可選擇在氣溫高的夏季進行處理。