寧夏設施番茄連年高強度種植下對土壤特性的影響

劉永亮 高艷明 李建設 等

摘要：通過設施連作高強度種植與開放和半開放式的大田和陽畦種植模式相比較，探究設施土壤連作模式下，土壤養分、重金屬、微量元素以及微生物區系組成變化，明確連作模式對土壤細菌和真菌群落多樣性以及土壤中細菌真菌優勢菌群的影響。結果表明，連作高強度種植條件下土壤中各種離子含量發生了很大的變化，其中溫室鈉離子和氯離子含量與大田和陽畦地相比有所降低，而鉀離子、鈣離子和碳酸氫根離子含量相比大田和陽畦地增高。溫室連年高強度的種植使土壤微生物數量明顯高于大田和陽畦地土壤中微生物的數量，連年種植對土壤微生物影響也比較明顯，降低了細菌群落多樣性而提高了真菌群落多樣性，溫室高強度的種植降低了土壤蛋白酶、脲酶和蔗糖酶活性，提高了土壤脫氫酶的活性。溫室高強度的種植導致土壤養分的大量積累，尤其是磷素的積累更為嚴重；對土壤中重金屬含量的影響也比較明顯，其中對鉻和汞的含量影響最大。同時，溫室土壤中有效銅和有效鋅含量高出陽畦地和大田10倍以上。因此，設施種植要減少連作，合理的輪作使設施土壤長期有效的發展。

關鍵字：高強度種植；設施土壤；土壤化學特征；微生物特征；酶活性

中圖分類號：S606.1 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）04-0838-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.04.007

Effect of High-intensity Growing Conditions Year after Year on

Soil Properties in Ningxia

LIU Yong-liang，GAO Yan-ming，LI Jian-she，ZHANG Xue-yan

（Agriculture College Ningxia University， Yinchuan 750021， China）

Abstract： Compared the planting pattern of high strength continuous cropping in facilities with open and semi open planting in field and cold frame，researched composition change of soil nutrients， heavy metals， trace elements and microbial flora under the continuous cropping pattern of facilities，confirmed the influence of continuous cropping pattern on soil bacterial and fungal community diversity as well as the dominant bacteria in soil. The results showed that， even at high intensity for planting soil conditions， great changes occurred in the various ion content， including greenhouse sodium ions and chloride ion content compared with the field and cold frame to be reduced， the content of potassium ions， calcium ions and carbonate hydrogen ion increased that compared to the field and cold frame and higher. Microbial number in soil after high-intensity continuous cropping in greenhouse was significantly higher than the number of field and cold frame soil microorganisms. The high strength of the greenhouse decreased the activity of protease， urease and invertase， and increased the activity of dehydrogenase in soil. The high intensity of the planting of greenhouse caused a lot of soil nutrient accumulation， especially the accumulation of phosphorus was more serious. The contents of heavy metals in soil， especially the contents of Cr and Hg， were significantly affected. Meanwhile， the effective copper and zinc content in greenhouse soil was over ten times more than the content in cold frame and field. Therefore， it was effective to reduce the continuous cropping and rotation， and to make the facility soil long-term and effective.

Key words： high strength planting； soil chemistry trait； soil index；microbial trait； enzymatic activity

設施溫室栽培是通過改變自然環境，使作物獲得適宜的生長條件，可以擺脫不利于作物生長的自然環境條件和有限的土地資源，進行周年生產，從而大大的提高了作物的產量和土地利用率。設施栽培條件下，由于覆蓋使土壤缺少自然雨水的淋洗，并且土壤溫度、濕度、土壤通氣狀態以及肥水的管理等因素都與露地大田有著較大的差別，加之長年的連作及高強度種植，導致土壤的養分失衡、土壤板結、土壤鹽堿化、微生物數量和群落的多樣性發生變化等，嚴重影響到作物的正常生長發育及產量的形成。研究表明，隨著設施栽培年限的增加，設施菜地土壤次生鹽漬化現象不斷出現并日益加重，嚴重影響了蔬菜的產量和品質，阻礙蔬菜生產的可持續發展[1，2]。由于設施栽培產量及價格高，經濟效益好，農民為了提高產量，往往大量施用肥料，其用量遠遠多于露地栽培的用肥量，達到露地栽培的4～5倍，有的達到10倍以上，養分量大大超出了作物生長的需求量，沒有被植物吸收的營養元素，多以可溶性鹽的形式在土壤中不斷積累[3]。當積累到一定程度時，造成土壤養分失衡，進而影響作物的正常生長。呂福堂等[4]報道，聊城市日光溫室施肥量為大田的5～10倍，個別甚至達到20多倍。大量施肥導致土壤中部分養分的積累，是造成土壤鹽漬化的重要因素之一。設施栽培土壤次生鹽漬化的鹽分組成主要以 NO3-、SO42-、Ca2+為主，其次還有陰離子，主要包括Cl-、CO32-；另外，陽離子主要包括Mg2+、K+（Na+）。而土壤鹽分集中在地表及耕作層是設施土壤次生鹽漬化最明顯的特征。在土壤微生物和土壤酶活性方面，吳鳳芝等[5]的研究結果表明，連作土壤微生物群落多樣性指數、豐富度及其均勻度指數均隨著黃瓜種植年限的增加而降低，黃瓜產量顯著下降。隨著連作年限的增加，土壤主要養分含量有增加的趨勢，土壤脲酶活性、中性磷酸酶、酸性磷酸酶活性也有增加的趨勢，土壤化學性狀變差，出現了鹽類積累[6，7]。

寧夏蓮湖農場設施溫室長年種植番茄，連作10年以上溫室比較常見，目前連作溫室番茄病蟲害嚴重、坐果率低、植株生長不良、產量低。因此，本研究通過番茄設施連年高強度種植條件下的溫室土壤與溫室前陽畦地和大田土壤進行土壤質量參數相比較，進一步探究番茄連年高強度種植對土壤特性的影響。旨在為綜合評價設施連作高強度種植條件下對土壤微生物、土壤酶活性、土壤養分、土壤離子、土壤微量元素的含量以及土壤重金屬含量的影響，同時進一步說明設施栽培條件下土壤質量的演變，為寧夏設施番茄種植提供理論基礎，同時為豐富與發展連作障礙和設施高強度種植理論提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設計

試驗于2013年5月1日采樣，試驗地點為寧夏回族自治區青銅峽市蓮湖農場，試驗設計為3個處理，重復3次。處理A為連續種植10年番茄的日光溫室棚（一年兩茬），以下簡稱溫室；處理B為鄰近溫室的陽畦地（2009 — 2012年種植玉米），下稱陽畦地；處理C為鄰近溫室的大田（2008 — 2012年種植水稻），以下簡稱大田。

1.2 測定指標及方法

用5點混合取樣法進行土壤樣品的采集，分別測定不同土層深度和不同處理土壤微生物數量、土壤酶活性、土壤養分、土壤離子、土壤重金屬和微量元素含量。采集0～30 cm土層土壤，混勻、過孔徑2.5 mm篩，4 ℃保存，用于土壤微生物數量的測定；分別采集0～20、20～40 cm土層土壤，混勻后風干保存、過篩，用于土壤酶活性、土壤離子、土壤養分以及土壤重金屬和微量元素含量的測定。

微生物數量的測定采用平板稀釋計數法，細菌培養采用牛肉膏蛋白胨培養基，真菌采用馬丁孟加拉紅培養基，放線菌采用淀粉硝酸鉀培養基（高氏一號），土壤酶活性測定均參照關松蔭等[8]的試驗方法。土壤離子測定方法參照鮑士旦[9]的試驗方法；土壤速效鉀含量采用醋酸銨-火焰光度計法測定、土壤全鉀含量采用NaOH熔融-火焰光度計法測定、土壤速效磷含量采用碳酸氫鈉法測定、土壤全磷含量采用硫酸-高氯酸消煮法測定、土壤堿解氮含量采用堿解擴散法測定、土壤全氮含量采用重鉻酸鉀-硫酸消化法測定、土壤有機質含量采用重鉻酸鉀容量法測定。土壤微量元素的測定均參照鮑士旦[9]的試驗方法。As、Hg含量采用氫化物發生原子熒光光譜儀測定，Cd、Pb用石墨爐原子吸收光譜儀測定，Cr用電感耦合等離子體發射光譜儀測定[9]。

土壤中總DNA的提取是采用深圳市安必勝科技有限公司提供的強力土壤DNA提取試劑盒。提取的DNA在-85 ℃冰箱冷凍保存。樣品檢測分別采用細菌通用引物 341f-GC/U758。首先采用紫外分光光度計進行濃度及純度檢測。然后根據濃度檢測結果，采用0.8%瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA樣品的完整性，電壓為120 V，電泳時間約為20 min。

1.3 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2003和DPS v3.01統計軟件進行數據處理、作圖和統計分析。

2 結果與分析

2.1 高強度種植對土壤微生物特性的影響

2.1.1 對微生物數量的影響 由表1可知，土壤細菌、真菌和放線菌數量都表現出溫室>大田>陽畦地，并且溫室、大田和陽畦地之間表現出差異顯著性（P<0.05）。其中溫室細菌數分別較大田和陽畦地高49.02%和149.06%，大田較陽畦地高67.14%；溫室真菌數分別較大田和陽畦地高47.66%和241.57%，大田較陽畦地高131.33%；溫室放線菌數分別較大田和陽畦地高120.90%和510.94%，大田較陽畦地高176.56%。

2.1.2 對土壤細菌多樣性的影響 對溫室、陽畦地和大田土壤進行基因組DNA的提取，提取后產物經0.8%瓊脂糖凝膠電泳進行檢測，樣品上樣量為50～100 ng，以 DL15 000為Marker，上樣量為3 μL，結果如圖1所示，可以清晰的看到基因組DNA條帶，條帶有較好的特異性、單一、條帶比較清晰，未出現非特異性擴增，且擴增產物與目的片段長度相近。

3 小結與討論

連作高強度種植條件下土壤中的微生物數量、土壤養分、土壤酶活性、土壤離子含量、微量元素、重金屬含量和微生物多樣性都發生了較大的變化，與大田和陽畦地相比有明顯的差異。通過各個指標的分析，旨在為寧夏設施番茄連年生產過程中以及設施土壤連作改良提供理論參考。

土壤pH、微生物、土壤養分、土壤離子含量、土壤酶活性及微量元素含量等都是評價土壤質量的重要指標。結果表明，連作高強度種植條件下土壤中各離子含量發生很大的變化，其中鈉離子和氯離子含量與大田和陽畦地相比有所降低，而鉀離子、鈣離子和碳酸氫根離子含量相比大田和陽畦地增高。這可能是引起土壤鹽堿化的重要因素之一。從EC值也可以看出，設施高強度的種植導致土壤全鹽含量的增加，連年高強度的種植條件下鹽分離子主要積累在0～20 cm土層。溫室高強度的種植使土壤微生物數量明顯高于大田和陽畦地土壤中微生物的數量，但是大田與陽畦地相比較，前茬作物也影響著土壤中微生物的數量。同時溫室高強度的種植也影響著土壤酶活性的變化，與大田和陽畦地相比較，高強度的種植降低了土壤蛋白酶、脲酶和蔗糖酶活性，提高了土壤脫氫酶的活性。溫室高強度的種植導致土壤養分的大量積累，尤其是磷素的積累更為嚴重，在0～20 cm土層，溫室速效磷分別較陽畦地和大田高557.59%和242.32%，溫室全磷分別較陽畦地和大田高250.00%和194.74%，這可能與當地的農民長年重施磷肥有關。在土壤重金屬方面，連年高強度的種植對土壤中重金屬含量的影響也比較明顯，其中對鉻和汞的含量影響最大，其中0～20 cm土層中，溫室鎘含量分別較陽畦地和大田高25.00%和33.99%，溫室汞含量分別較陽畦地和大田高80.95%和90.00%，這可能與農藥、除草劑和化肥的大量使用有關。在土壤微量元素方面，連年的高強度種植對土壤中微量元素含量也有明顯影響，尤其是對土壤中有效銅和有效鋅含量的影響最大，其溫室土壤中有效銅和有效鋅含量較陽畦地和大田高幾倍甚至10倍以上。高強度種植提高了土壤中真菌群落的多樣性，而降低了土壤中細菌群落的均勻度和多樣性。

土壤離子含量的高低直接影響著土壤次生鹽漬化程度，造成設施連作土壤離子含量變化的主要因素是不合理地大量使用化肥和有機肥，肥料的大量使用是造成設施菜地土壤次生鹽漬化的重要原因之一[10，11]。在長期設施栽培條件下，氮素淋溶可導致地下水硝態氮污染。另外，過量的硝態氮還造成氮氧化物等溫室氣體的大量釋放，使溫室內有害氣體聚集量增加，對蔬菜生長產生直接危害[12]。土壤磷素的過量累積對環境也會帶來潛在的威脅：一方面在質地較粗的土壤中可以發生磷素的淋失；另一方面，土壤侵蝕和地表徑流會將表土中的磷素帶入水體，引起富營養化[13]。農藥和雞糞、豬糞等有機肥和磷肥的大量使用是造成土壤重金屬含量增加的主要因素，動物糞便中往往含有大量的銅、鋅等元素，會造成土壤中這些元素的積累，另外，鎘、鉻在磷肥中含量較高。當重金屬含量積累到限制作物正常生長發育時，出現作物的生長不良、產量下降等，作物生長在重金屬含量較高的土壤中，使重金屬在作物體內富集，進過食物鏈進入人體，影響人的身體健康。因此，在設施農業生產過程中，要重視農藥和肥料的使用，進行合理的輪作栽培，適當的休田，加強設施土壤的管理，不能只為追求短期效益而破壞設施土壤的生態平衡。

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