生物強化還原處理防控辣椒連作障礙

郭樹根，沈怡斐，姚燕來*，陳朱侃，洪春來，王衛平，朱鳳香，陳曉旸

(1.蘭溪市農作物技術推廣站，浙江 金華 321100； 2.浙江省農業科學院 環境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 3100021)

辣椒是一種重要的茄果類蔬菜，營養豐富，所含的維生素C含量是番茄的5倍、茄子的20倍，胡蘿卜素含量是番茄的7～15倍、茄子的20～35倍[1]。辣椒是我國種植面積最大的蔬菜作物之一，1997年我國辣椒總產量已居世界首位，年產量2 800萬t，約占世界辣椒產量的46%[2]。近年來，辣椒種植面積不斷擴大，但為追求較高的經濟效益，許多集約化種植區由于耕地面積有限、輪作困難，連作現象十分普遍，辣椒連作障礙日漸突出，辣椒枯萎病等土傳病害高發。研究顯示，辣椒連作1 a產量下降10%～15%，連作2 a產量下降20%～30%，連作3 a產量下降30%～50%[3]。連作障礙已經嚴重影響了辣椒生產的可持續發展，成為辣椒集約化種植中亟待解決的問題。

引起蔬菜連作障礙的因素較多，主要包括自毒作用、病原微生物的大量積累、土壤肥力不均衡、土壤理化性狀變劣等[4]。多年來，許多專家學者都在尋找高效持久防控連作障礙的有效方法，如選育抗病品種[1]、嫁接[5]、土壤消毒[6]、高溫悶棚[7]等，但抗病品種選育時間長、嫁接成本高、土壤消毒容易造成環境污染、常規高溫悶棚效果不顯著，蔬菜連作障礙防控仍缺乏有效的方法。

21世紀初，荷蘭和日本科學家幾乎同時提出了一種控制土傳病害的有效方法，在荷蘭稱之為厭氧土壤消毒(anaerobic soil disinfestation, ASD)[8]，在日本稱之為生物土壤消毒(biological soil disinfestations, BSD)[9]。近年來，國內學者獨立發展了該方法，稱之為強還原土壤滅菌(reductive soil disinfestation, RSD)[10-11]。該技術主要通過添加生物質材料進行生物質強化作用創造強還原的土壤生態環境，達到有效殺滅耕層土壤病原微生物、改善土壤環境的作用[10]。由于該技術不使用任何化學藥劑，為進一步區別于化學消毒，本文將其稱之為生物強化還原(biological reductive soil disinfestation, BRSD)。該方法提出后，在日本、荷蘭、美國等被廣泛應用于各種作物生產中土傳病原菌滅菌，在我國黃瓜、香蕉、西瓜等農作物連作障礙防控上也均取得了較好的效果[12-14]。

為進一步探明BRSD在多年連作辣椒連作障礙防控應用上的效果及其作用機理，選擇連作6 a的辣椒種植設施大棚進行試驗，以期為辣椒連作障礙防控技術進步提供理論和技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗地點位于浙江省金華市蘭溪市水亭鄉生塘胡村辣椒種植基地，該基地已連續種植辣椒6 a以上，辣椒連作障礙較為突出，枯萎病等土傳病害高發，常規發病率在30%以上。

試驗用辣椒品種系衢州市農業科學研究院選育的衢椒1號。

連作障礙土壤修復劑系浙江省農業科學院環境資源與土壤肥料研究所研制，由蠶沙、動植物蛋白等天然生物質廢棄物制備而成，pH值7.2，總氮2.03%，總磷0.99%，總鉀2.77%，有機質76%，含水率26.2%。

1.2 處理設計

試驗設置對照(CK)和BRSD處理，每處理重復3次，小區面積40 m2。試驗前將前茬辣椒稈清理出試驗大棚，采用旋耕機將土壤翻耕均勻平整。BRSD處理，將連作障礙修復劑按照1 t·667 m-2的用量均勻施入土壤中，然后用旋耕機將修復劑與耕層土壤混合均勻，灌水至最大飽和含水率后，覆蓋60 μm厚大棚膜。對照采用常規悶棚處理，除密閉大棚外不采取任何措施。土壤處理時間2016年8月27日至9月26日，處理結束后，揭開BRSD處理中覆蓋的大棚膜。

1.3 辣椒定植與管理

于9月29日施用基肥，起壟，進行辣椒移栽、定植。基肥采用45%復合肥(氮、磷、鉀有效養分含量均為15%)，對照按每667 m256.5 kg用量，每小區施用復合肥3.4 kg；BRSD處理按每667 m228.3 kg用量，施用基肥1.7 kg。辣椒定植后，按照常規管理方式進行管理，定期觀察記錄辣椒發病情況和長勢，辣椒采收時稱量并記錄每批次辣椒的產量。

1.4 土壤樣品采集和土壤理化性狀測定

采集土壤處理前和辣椒收獲期的土壤樣品，分析測定土壤理化性狀。土壤pH測定按照水土體積質量比2.5∶1的比例浸提，采用pH計進行測定。土壤有機質、全氮、速效磷、堿解氮、速效鉀按照《土壤農化分析》[15]中的方法測定。

1.5 尖孢鐮刀菌(Fusarium oxysporum)數量測定

采用平板涂布法，培養基采用尖孢鐮刀菌選擇性培養基[16]。準確稱取5 g土壤到45 mL滅菌生理鹽水三角瓶中，25 ℃ 120 r·min-1振蕩30 min，使土壤顆粒分散，靜置20～30 s，即成10-1土壤稀釋液。再用1 mL移液槍吸取0.5 mL的10-1土壤稀釋液，移入裝有4.5 mL滅菌生理鹽水的試管中，稀釋混勻，即成10-2稀釋液，連續稀釋成10-3稀釋液。取10-3稀釋度土壤溶液0.1 mL涂布于選擇性培養基平板上，用無菌玻璃涂棒在培養基表面輕輕地涂布均勻，放置1 h后，將培養基平板倒置于28 ℃培養箱培養3～4 d，計數培養基上的菌落數。

1.6 數據分析

采用Graph Pad Prism 5軟件和SPSS 19.0軟件進行數據處理和方差分析(one-way ANOVA)，采用Duncan法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 對辣椒枯萎病發病率的影響

如圖1所示，由于多年連作，對照地塊上辣椒平均發病率高達56.1%，BRSD處理后辣椒平均發病率顯著降低，平均發病率為13.0%。

圖1 BRSD處理和對照辣椒枯萎病的發病率

2.2 對辣椒生長和產量的影響

如圖2所示，對照地塊上辣椒普遍長勢矮小，平均株高僅為22.8 cm， BRSD處理地塊上的辣椒長勢顯著優于對照，平均株高達到35.0 cm，為對照的1.5倍。

圖2 BRSD處理和對照收獲期辣椒的株高

記錄辣椒采摘時每批次的產量，統計最終的辣椒產量如圖3所示。對照地塊上辣椒667 m2平均產量為767.61 kg，而BRSD地塊辣椒平均產量為1 132.40 kg，較對照增產47.5%。

圖3 BRSD處理和對照收獲期辣椒的667 m2產量

2.3 對土壤理化性狀的影響

如圖4所示，處理前由于多年連作種植，長期施用化肥，土壤酸化嚴重，pH值僅為4.12。在高溫悶棚的對照地塊上繼續種植一茬辣椒后，土壤pH值進一步降低至4.05，而在經BRSD處理的地塊上種植辣椒后，土壤pH為6.10，極顯著高于對照和處理前土壤。說明生物強還原土壤處理技術可以提高土壤pH值，顯著改善土壤酸化問題。

柱上無相同大寫字母的表示處理間差異極 顯著(P<0.01)。圖6～9同。圖4 不同處理對土壤pH值的影響

如圖5所示，種植基地土壤由于常年使用化肥，而有機肥施用不足，且基地內植株殘體一般均予以清除，土壤的有機質含量較低，處理前土壤有機質含量僅為22.00 g·kg-1。種植一茬辣椒后，對照地塊土壤有機質含量僅為21.93 g·kg-1，而經BRSD處理的地塊，土壤有機質含量顯著高于處理前和對照，達到23.53 g·kg-1。說明BRSD處理可顯著增加土壤有機質含量。

柱上無相同小寫字母的表示處理間差異顯著(P<0.05)圖5 不同處理對土壤有機質含量的影響

如圖6所示，處理前基地土壤全氮含量為1.55 g·kg-1。種植一茬辣椒后，對照地塊土壤全氮含量為1.61 g·kg-1，稍高于種植前，而經過BRSD處理的地塊土壤全氮含量為1.60 g·kg-1，與對照地塊類似。方差分析表明，不同處理間土壤全氮含量無顯著差異。處理前土壤速效氮含量為185.71 mg·kg-1，對照地塊土壤速效氮含量為186.14 mg·kg-1，而BRSD處理地塊土壤速效氮含量為160.50 mg·kg-1，極顯著低于對照和處理前土壤。

圖6 不同處理對土壤全氮和速效氮含量的影響

如圖7所示，由于多年種植辣椒，磷肥使用量較大，土壤中的速效磷總體含量較高。處理前土壤速效磷含量為498.03 mg·kg-1，對照地塊辣椒采收后土壤速效磷含量降低，速效磷含量為293.39 mg·kg-1，BRSD處理地塊的土壤速效磷含量更低，為189.12 mg·kg-1。方差分析表明，處理前土壤速效磷含量極顯著高于對照和BRSD處理土壤。

圖7 不同處理對土壤速效磷含量的影響

如圖8所示，由于前期多年種植辣椒，鉀肥使用量大，處理前土壤速效鉀含量較高，為416.15 mg·kg-1，對照地塊辣椒采收后土壤速效鉀含量降低為333.19 mg·kg-1，BRSD處理地塊的土壤速效鉀含量降至267.02 mg·kg-1。與土壤速效磷含量的表現相似，處理前土壤速效鉀含量要極顯著高于對照和BRSD處理土壤。

圖8 不同處理對土壤速效鉀含量的影響

2.4 對土壤尖孢鐮刀菌數量的影響

致病性尖孢鐮刀菌侵染引起的植物枯萎病是種世界性的土傳真菌病害之一，可侵染多種作物，造成嚴重的減產。如圖9所示，處理前土壤中尖孢鐮刀菌數量較高，達到15.67×103g-1干土，對照土壤經過高溫悶棚處理，土壤中的尖孢鐮刀菌數量低于處理前，但仍達到10.67×103g-1干土，而BRSD處理土壤中尖孢鐮刀菌數量僅為0.67×103g-1干土，極顯著低于處理前和對照土壤。

圖9 不同處理對土壤中尖孢鐮刀菌數量的影響

3 討論

本試驗表明，辣椒多年連作地塊由于土壤酸化、養分大量累積、病原菌數量大量增加等土壤退化問題，導致辣椒生長弱勢、枯萎病等土傳病害高發、產量顯著下降，連作障礙問題突出，嚴重影響辣椒的生產。通過BRSD處理，可以有效改善土壤酸化，增加土壤有機質，減少土壤中速效養分的大量積累，降低土壤中的病原菌數量，從而促進辣椒的生長，減少辣椒病害的發生，增加辣椒產量，從而有效解決辣椒多年連作造成的障礙問題。

連作障礙指在同一塊土壤中連續栽培同種或同科的作物時，即使在正常的栽培管理狀況下也會出現生長勢變弱、產量降低、品質下降、病蟲害嚴重的現象[5,17]。試驗點位于辣椒連作地塊，辣椒種植年限達6 a，連作障礙問題較為突出，僅靠高溫悶棚無法有效解決辣椒的連作障礙，對照地塊辣椒發病率達到56.1%，且植株生長矮小，嚴重影響辣椒產量。近年來的研究表明，BRSD是一種能夠有效防控作物連作障礙的土壤處理方法。在夏季農閑期，辣椒連作地塊經BRSD處理30 d后，可明顯降低辣椒枯萎病發病率，同時能夠促進植株生長，顯著增加辣椒產量，處理地塊比對照平均增產47.5%。這些結果與王光飛等[18]研究結果一致。

病原微生物的大量積累是造成作物土傳病害高發的重要原因[4]。采集辣椒連作6 a的土壤樣品分析表明，連作多年后土壤中尖孢鐮刀菌數量較高，經過高溫悶棚處理后，土壤中的尖孢鐮刀菌數量仍然在104g-1干土以上，這是造成高溫悶棚后辣椒枯萎病發生嚴重的重要原因。多項研究表明，常規淹水對尖孢鐮刀菌等土傳病害病原菌的殺滅作用十分有限：Stover[19]通過土壤淹水方式殺滅引起香蕉枯萎病的尖孢鐮刀菌，但是耗時近4個月，且殺菌效果不好；王光飛等[20]研究結果也表明，常規淹水對辣椒疫病的防控效果不穩定，當土壤中病原菌的數量較高時，采用單一的淹水處理不能完全防控辣椒疫病。造成這些現象的原因可能是，在厭氧環境下，常見的土傳病原菌，如尖孢鐮刀菌雖然不再生長，但可以存活，并且在恢復好氧條件后可以繼續生長[21]。BRSD通過向土壤中添加大量有機物料，利用淹水或覆膜阻止空氣進入，形成厭氧環境，對絕大多數為好氧微生物的土傳病原菌進行殺滅[14]，同時通過厭氧發酵產生大量有機酸、H2S、NH3、低價金屬離子等對土傳病原菌有毒有害的物質[13,22]，改變土壤微生物群落結構，抑制土傳病原菌活性[10]。本研究表明，BRSD處理后土壤中的尖孢鐮刀菌數量顯著降低，僅為0.67×103g-1干土，種植辣椒后，辣椒發病率顯著降低，說明BRSD對辣椒枯萎病等土傳病害具有較好的防控效果。

土壤肥力不均衡、土壤理化性狀變劣是造成作物生長勢弱、產量下降等連作障礙的重要原因[4]。當前的農業單一化種植、高投入和高產出的集約化種植管理模式，除了會造成土壤中病原微生物大量積累、作物土傳病害頻發之外，還常伴隨土壤酸化、次生鹽漬化、土壤通透性降低和養分失調等嚴重的土壤退化問題。試驗地塊經過6 a的辣椒種植后，土壤酸化嚴重，pH值僅為4.12，經過BRSD處理之后，pH值提高至6.10，適合大多數作物生長。土壤有機質是土壤固相部分重要的組成成分，是土壤肥力評價的重要指標，其含量高低在一定程度上代表土壤肥力的高低，土壤有機質含量的變化直接反映了土壤肥力的演變過程[23]。因勞動力缺乏、盲目追求產量，當前生產上過量施用化肥的現象十分普遍，耕地有機肥施用不足，且基地內植株殘體一般均予以清除，土壤的有機質含量呈逐年下降趨勢。BRSD將易降解農業廢棄物有機物料引入土壤中，除部分被分解用于發揮對土傳病原菌的致死作用外，大量有機物質存留于土壤中，成為土壤有機質的組成部分。本研究中，BRSD處理土壤有機質含量顯著高于對照和處理前土壤。氮、磷、鉀是作物生長所需要的大量營養元素，但是過量施用化肥，造成土壤中氮磷鉀等元素大量積累，導致土壤次生鹽漬化、養分不平衡、作物對所需養分的吸收受到抑制等問題日漸突出，進而影響植物的健康生長，造成植物容易感病和產量下降。對照土壤經高溫悶棚處理后，辣椒采收時土壤中的速效氮含量與處理前基本一致，速效磷和速效鉀含量雖低于處理前，但仍然較高。BRSD處理地塊辣椒種植后，土壤全氮含量無顯著變化，但土壤速效氮、速效磷、速效鉀含量均顯著低于處理前土壤，說明BRSD有效減少了土壤中速效氮、速效磷、速效鉀等的積累。土壤中速效氮、速效磷和速效鉀等的減少，一方面與試驗中化肥施用量的減少相關，另一方面是因為土壤處理過程中雖然添加了有機物料，但其中的氮、磷、鉀等元素多以有機緩釋的形式存在，加之該處理促進了辣椒的生長和產量的增加，導致辣椒生長對土壤中速效養分的消耗較高[24-25]。由此可知，BRSD處理不僅對土傳病原菌具有顯著的致死作用，對緩解土壤酸化、減輕鹽漬化、改良退化土壤也有明顯作用。