不同栽培制度对黄瓜连作土壤质量的影响

不同栽培制度对黄瓜连作土壤质量的影响

设施栽培土壤通常处于半封闭状态，气温高，湿度高，肥料摄入量大，相当严重。此外，相对独立的栽培系统使整地种植条件下的连作障碍变得普遍。在连作条件下，随着种植年限的增加，土壤养分失衡、结构破坏、土壤生物活性和多样性降低，土壤质量恶化。因此，近年来，对室温土壤健康保存和质量退化恢复技术的研究相对活跃。目前，生物特性是土壤质量研究的热点，主要包括土壤酶活性、土壤微生物数量、土壤微生物多样性、微生物量、土壤线虫等指标。土壤酶是评价土壤质量较敏感的指标之一,其中蔗糖酶参与土壤碳循环,脲酶参与土壤氮素转化,为作物生长提供氮源;土壤微生物作为有机质的降解者和植物营养物质的活性库,在土壤营养中发挥着重要作用,与土壤质量密切相关;微生物数量和种群的变化是土壤连作障碍产生的主要原因,微生物多样性是最具潜力的土壤质量评价敏感性生物指标之一,其能较早地预测土壤养分及环境质量的变化;根结线虫是温室栽培中最重的土传病害之一,土壤线虫与根结线虫也被用于作为土壤质量评价的重要指标.邱莉萍等对土壤肥力与土壤酶活性的相关性进行了研究,结果表明,脲酶、碱性磷酸酶活性与土壤肥力呈极显著正相关,因此认为脲酶和碱性磷酸酶活性可以作为土壤肥力的正相关指标,而蔗糖酶活性与肥力因素相关性不显著;Miller等研究认为轮作提高了土壤微生物多样性;Colyer等研究表明,种植抗线虫番茄后轮作黄瓜,黄瓜收获后土壤中线虫数量减少.梁银丽等研究证明,黄瓜和翻青玉米、豇豆、翻青黑豆轮作是克服黄瓜连作障碍的有效模式,该模式既能吸收土壤中的不同养分,又能通过换茬减轻土传病害的发生;Zelles等通过盆栽试验证明,不同作物系统下,不种植作物的系统微生物多样性最低.以往关于栽培制度对土壤质量影响的研究较多,但是针对温室连作黄瓜土壤,系统评价不同栽培制度对土壤质量影响的研究还鲜见报道.本课题组前期的试验结果表明,夏季种植青蒜、速生叶菜降低了土壤盐分含量和养分积累,其中以栽植青蒜的处理效果最明显,黄瓜-番茄轮作处理也降低了土壤盐分积累,增加了土壤微生物数量,但不同栽培制度下根际土壤微生物量、微生物多样性及土壤关键酶活性如何变化,各土壤生物活性指标间的相关性如何还不清楚.为此,本文以连作8年的温室黄瓜土壤为对象,重点研究不同栽培制度下根际土壤生物活性的变化,以评价不同栽培制度对土壤生物环境的影响,阐述其对土壤质量的保持和修复效果,为温室连作黄瓜土壤的可持续应用提供理论依据.1材料和方法1.1试验设计与方法供试土壤为连作8年黄瓜的温室土壤,土壤EC为0.73mS·cm-1、pH值6.88、全氮1.81g·kg-1、速效氮192.4mg·kg-1、有效磷824.0mg·kg-1、速效钾805.0mg·kg-1,土壤微生物总量近似为1.02×108CFU·g-1,养分含量明显高于一般的菜田土壤,并已出现严重的次生盐渍化.2004年6月—2007年1月在中国农业大学科学园日光温室内进行不同栽培制度的盆栽试验,塑料盆直径25cm、深28cm,为防止试验过程中塑料盆受外界环境的影响,将塑料盆埋于地下,盆口与地面齐平.试验设5种栽培制度(表1),以连续种植黄瓜、夏季休闲处理为对照(CK).各处理中除CS3外,其他仍以生产黄瓜为主.供试黄瓜(Cucumissativus)品种为津优3号,菠菜(Spinaciaoleracea)品种为耐热的KerdionRZ,白菜(Brassicachinensis)品种为青梗王,茼蒿(Chrysanthemumsegetum)品种为杭州大叶茼蒿,大蒜(Alliumfistulosum)品种为成都二水早,番茄(Solanumlycopersicum)品种为中杂9号.所有处理均3次重复,每个处理小区栽培12盆,处理间随机区组排列.休闲期间所有处理均不施肥,只根据栽培作物对水分的需求进行水分管理,秋冬茬和早春茬定植作物前,每盆施入膨化鸡粪500g,为保证各处理养分投入量相同,在黄瓜生长期间各处理补充相同量的山崎黄瓜营养液,同时控制每盆的浇水量一致.在试验的第3年,在各茬口拉秧期取样,取样时间分别为2006年6月30日、2006年9月24日和2007年1月4日.每个重复取中间10盆0～20cm表层土壤,10盆土样混匀后研磨过2mm筛,一部分置于4℃冰箱保存,用于土壤微生物数量、微生物量碳和氮、线虫和根结线虫数量的分析,一部分置于-20℃冰箱保存,用于土壤微生物多样性的测试,留部分土样风干后过1mm筛,用于土壤酶活性分析.1.2测量和方法1.2.1培养基微生物总量测定采用牛肉膏蛋白胨选择性培养基培养细菌,马丁孟加拉红-链霉素选择性培养基培养真菌,改良高氏一号培养基培养放线菌,稀释平板计数法计数,微生物总量由细菌、真菌和放线菌数量相加而得.1.2.2土壤酶指标蔗糖酶采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定,脲酶采用次氯酸钠显色比色法测定,均是以每克干土样所含酶的活性表示.1.2.3土壤中的碳和氮含量土壤微生物量氮采用氯仿熏蒸-茚三酮比色法测定;土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸浸提-容量分析法测定.1.2.4土壤线虫指数的测定土壤线虫的测定采用浅盆法.1.2.5rapd扩增土壤微生物群落DNA提取参照夏北成等的方法,采用纯化试剂盒(上海申能博采生物科技有限公司)纯化粗DNA.同一时期相同处理样品混合,3个时期土样序号按照试验设计顺序累加:1～5分别代表早春茬的CK、CS1、CS2、CS3、CS4,6～10分别代表夏茬的CK、CS1、CS2、CS3、CS4,11～15则分别代表秋冬茬的CK、CS1、CS2、CS3、CS4,从而得到15份土壤材料.15份材料以5ng·μl-1浓度等量混合,对208对RAPD引物(上海生工生物工程技术服务有限公司)进行筛选,筛选出的9对引物分别是S32、S363、S1307、S1314、S2013、S2145、S2149、S2155和S2159,利用筛选出的引物对15份土壤单样进行扩增.PCR反应体系为20μl,10μlmastermix(购于天根生化科技北京有限公司),20pmol随机引物,10ngDNA.扩增程序为:94℃预变性3min;再进行94℃变性1min;37℃退火40s和72℃延伸1.5min,40个循环扩增;最后72℃后延伸7min.利用Bio-RadGelDoc2000凝胶成像仪和SiconImage图像分析软件对PCR产物电泳图进行分析,土壤微生物群落多样性采用Shannon-Weaver指数表示,Shannon-Weaver指数由以下公式计算:Dsh=−∑i=1sPilnPi=−∑i=1s(Ni/N)ln(Ni/N)Dsh=-∑i=1sΡilnΡi=-∑i=1s(Νi/Ν)ln(Νi/Ν)式中:Dsh为Shannon-Weaver指数;s代表群落数量;Pi为第i条RAPD条带出现的概率;Ni为第i个RAPD条带的扩增量;N为土壤微生物群落DNA的RAPD条带扩增总量(N=∑Ni).PCR扩增产物以0、1、-999统计建立数据库,在相同迁移位置,有条带记为1,没条带记为0,条带缺失记为-999.利用NTSYSpc21建立样品的亲缘关系树状图.1.2.6每穗土壤肥力的产量记录温室各茬不同处理小区蔬菜产量,计算每平方米的产量.1.3数据处理与分析每个处理均测定3个平行样本,每个样本测量3次,结果取其平均值.采用SPSS软件对数据进行处理,利用LSD法进行单因素显著性分析,相关分析采用Pearson法.2结果与分析2.1不同处理对土壤微生物的影响从表2可以看出,夏茬(2006-09-24取样)种植作物处理的土壤脲酶活性显著低于未种植作物土壤(P<0.05),未种植作物土壤的脲酶活性高,而且没有作物吸收其释放的氮素,从而导致氮素在土壤中产生一定程度的积累,这与夏茬休闲处理土壤速效氮含量高的结果一致;秋冬茬(2007-01-04取样)间作青蒜的CS1脲酶活性显著低于CK,这与间作后期青蒜与黄瓜产生养分和空间竞争,造成黄瓜生长状况低于CK有关.秋冬茬土壤蔗糖酶活性高于冬春茬(2006-06-30取样)和夏茬土壤;从夏茬蔗糖酶活性可以看出,休闲期种植作物处理土壤蔗糖酶活性均高于未种植作物土壤,CS2、CS3和CS4蔗糖酶活性与CK相比差异显著,分别比CK高8.9%、36.9%和89.5%,表明夏茬休闲不利于土壤蔗糖酶活性的提高.3个时期对照(CK)土壤微生物量碳含量均低于其他处理,且与CS3和CS4差异达显著水平,说明其他作物的加入改变了土壤微生物碳源的供给;早春茬CS2、CS3、CS4均显著高于CK,其中CS2值最大.夏茬种植作物处理的微生物量氮含量低于未种植作物处理,并达到显著差异,这与脲酶活性的测定结果一致.而秋冬茬各处理微生物量碳含量基本为3个时期的最高值.土壤微生物是温室连作障碍产生的内部操控者,已有研究表明,在连作障碍中土壤微生物变化起关键作用.本研究中,与本底土壤相比,所有处理土壤微生物总数都呈下降趋势,这与各处理栽培条件的改变有关.但不同栽培制度下,微生物总量变化规律不同,夏茬填闲菠菜和小白菜(CS3)及夏茬填闲青蒜(CS4)处理在各个时期都保持了较高的数量,且两个处理微生物总量在夏茬和秋冬茬分别比CK高32.4%、52.9%和21.4%、26.8%.较高的土壤微生物群落多样性不仅可以提高土壤生态系统的稳定性与和谐性,同时也可提高土壤对微生态环境恶化的缓冲能力,其多样性越高,土壤综合抗病能力越强.早春茬各栽培制度的多样性指数均为3个时期的最低值;夏茬各处理多样性指数为CS4>CS2>CS1>CS3>CK,且CS2与CS4显著高于CK;而秋冬茬各处理多样性指数为CS2>CS1>CS4>CK>CS3,其中前3个处理显著高于CK;CS2在3个时期的土壤微生物多样性指数均显著高于CK.总体上填闲和轮作既有利于土壤蔗糖酶活性的增加,又有利于土壤微生物量碳和微生物总数的增加.2.2土壤微生物多样性与土壤微生物量的关系对上述土壤质量生物指标进行相关性分析,结果见表3.土壤脲酶活性与土壤微生物多样性呈显著负相关,同时微生物量氮与微生物多样性也呈负相关.微生物多样性与微生物总量呈正相关,但相关不显著.土壤蔗糖酶活性与土壤微生物量碳、微生物量氮、微生物总量和微生物多样性都呈正相关,其中与微生物总量相关性达显著水平.土壤微生物量碳与土壤蔗糖酶、土壤微生物量氮、微生物总量和微生物多样性呈正相关,并与微生物总量相关达显著水平.蔗糖酶和微生物量碳与微生物多样性呈显著正相关.2.3归为一类、3由图1可知,对15份土壤材料的微生物遗传多样性进行聚类分析,可分成四类,一类是4、5,分别是夏季种植菠菜和大蒜两个处理;1、2、3归为一类;6、7、8、11、12、13、14、15处理归为一类;10单独归为一类.夏茬种植大蒜处理与其他处理的相似程度较小,说明休闲期种植大蒜对土壤微生物群落的影响最大,并且与其他处理相比,改变了土壤微生物群落的组成,这与土壤微生物多样性Shannon-Weaver指数的结果一致.从聚类分析结果可以看出,9与10土壤的相似程度较高,说明夏茬种植菠菜对土壤的影响效果与种植青蒜效果相似.2.4生活温度和体重对线虫和根结线虫数量的影响由图2可以看出,夏茬不同栽培制度下线虫和根结线虫数量均低于其他时期,主要原因是夏茬种植的作物均为非易感线虫的种类,从而减少了线虫的寄生,并且夏茬作物收获时带走一部分寄生线虫;而夏茬休闲处理由于不能提供线虫寄主和食源,从而造成线虫和根结线虫数量减少;早春茬各处理线虫和根结线虫数量都高于其他时期,这与早春茬适宜的温室环境有关(线虫适宜生存温度为20℃～30℃);秋冬茬CK线虫数量最高,且显著高于其他处理(P<0.05),同时CK根结线虫数量也显著高于CS1、CS2、CS4处理;3个时期CS2和CS4处理的根结线虫数量均显著低于CK(P<0.05),这可能与辣茬作物青蒜和菊科作物茼蒿对线虫有一定的抑制作用有关.2.5不同种植方式对黄瓜产量的影响不同栽培制度各茬作物产量存在差异,3年试验结果基本相同,因此本试验以第3年各茬口产量为例进行说明(表4).夏茬CS1和CK均为休闲期,无收益,CS2、CS3和CS4平均产量均在30000kg·hm-2左右.秋冬茬各处理黄瓜产量都很低,这与黄瓜收获期短(仅一个半月左右),而且后期处于低温弱光逆境有关,但与对照相比,CS2、CS3和CS4处理黄瓜产量均呈增加趋势,以CS2产量最高,结瓜期也最早,其次是CS4,这可能与夏茬填闲作物增加了土壤酶活性、微生物量碳和微生物总量有关.而CS1产量低于CK,但差异不显著(P>0.05),这是因为间作作物与主栽作物之间产生了养分和空间竞争.早春茬产量高于秋冬茬,其中CS3种植番茄,产量最低;CS2、CS4主栽黄瓜,产量分别比CK高8.5%和10.5%(P<0.05);CS1产量低于CK,但差异不显著.3不同种植方式对土壤微生物的影响任何对土壤扰动的活动都能对土壤造成较大影响,适当轮作有利于维持土壤微生物多样性和活性.植被的存在既能维持生态平衡又能保护土壤微生物多样性,因此,利用作物之间的相互作用,可以增加土壤微生物活性.杨建霞等研究表明,连作条件下土壤根际微生物数量表现出较明显的温室效应,土壤中真菌数量明显增加,放线菌数量总趋势降低,微生物总量和细菌数量变化均呈降低趋势;吴凤芝等的研究表明,黄瓜与小麦或大豆轮作提高了土壤微生物多样性指数、丰富度指数和均匀度指数.本试验结果与二者相似,连作黄瓜土壤采用不同栽培制度处理3年后,夏茬种植速生叶菜和青蒜处理的土壤蔗糖酶活性、微生物量碳、微生物总量和微生物多样性指数都高于两季种植的对照处理,且差异显著(P<0.05).Bandick等的研究结果表