臭氧水對(duì)土柱土壤生物化學(xué)性狀的影響

魏俊杰， 洪堅(jiān)平

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)， 山西 晉中 030801)

土壤中存在一部分不利于作物生長，使作物發(fā)病受害的微生物，人們將由這類土傳病原微生物引起的作物病害統(tǒng)稱為土傳病害[1]。由于土傳病害造成的作物減產(chǎn)達(dá)20%～30%，嚴(yán)重的地區(qū)達(dá)50%以上，甚至絕收[2]，故消除土傳病害并維持土壤健康可持續(xù)利用已成為農(nóng)業(yè)發(fā)展亟待解決的難題之一。

目前，國內(nèi)外采取消除土傳病蟲害的措施主要有高溫悶棚、培育抗病性強(qiáng)的作物品種、采用生物熏蒸技術(shù)和強(qiáng)氧化還原法等[3-5]，以上方法在治理土傳病害方面均已取得成效，但每種方法有其適用性但也有局限性。

臭氧是氧氣的同素異形體[6]，是一種強(qiáng)氧化劑，最早應(yīng)用于倉儲(chǔ)害蟲的防治[7-8]，其具有高效的殺菌作用，且對(duì)微生物的殺菌作用也高效快速[9-11]。研究表明，臭氧可以迅速殺滅微生物，然后分解產(chǎn)生氧氣，既無毒無害又不產(chǎn)生任何污染與殘留，因此被視為理想的綠色強(qiáng)氧化劑[12]。

目前，國內(nèi)外對(duì)臭氧水的研究愈發(fā)增多，且已開始將臭氧應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。已有研究表明，澆灌臭氧水對(duì)韭菜地下害蟲韭菜遲眼蕈蚊有顯著防治效果[13-16]。田苗等[17]指出，在室溫條件下，臭氧水濃度為0.43 mg/L時(shí)，可將植物中的大腸桿菌全部殺死。STRICKLAND等[18]用臭氧水處理水果沙拉后發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品保質(zhì)期得到明顯延長，從而降低了損耗成本。WEI等[19]在對(duì)木瓜進(jìn)行臭氧處理后，得到臭氧處理能明顯降低木瓜營養(yǎng)價(jià)值流失的結(jié)論。目前關(guān)于臭氧水對(duì)土壤影響的研究較少，吳啟佳等[20]發(fā)現(xiàn)臭氧水對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、總氮和速效養(yǎng)分含量有著顯著的降低作用。荊世杰等[21]研究臭氧對(duì)溫室土壤0～15 cm土壤理化性質(zhì)的影響中指出，臭氧水處理后的土壤有機(jī)質(zhì)、銨態(tài)氮含量顯著下降。由于臭氧的強(qiáng)氧化性，其對(duì)土壤的主要成分理化性質(zhì)的影響還鮮有報(bào)道[22]。為此，筆者等以臭氧水處理后的試驗(yàn)柱土壤為研究對(duì)象，探究臭氧水處理土壤不同深度和不同時(shí)間的農(nóng)田土壤微生物量以及養(yǎng)分含量的變化，以期為治理土傳病害提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料及方法

1.1 供試材料

供試臭氧水：室溫下，將臭氧氣體快速溶于蒸餾水中制取濃度為28 mg/L 的臭氧水，臭氧氣體由山西中通高技術(shù)科技有限責(zé)任公司利用OZU-AP-300型臭氧機(jī)組制取。

供試土壤：太谷農(nóng)田土，取自山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院試驗(yàn)站(東經(jīng)112.6°，北緯37.4°)，屬黃土狀石灰性褐土，質(zhì)地為輕壤，新鮮土壤初始含水量為9%。

儀器：蒸汽滅菌器(上海博迅醫(yī)療生物儀器股份有限公司)，光照培養(yǎng)箱(杭州惠爾儀器股份有限公司)、水浴恒溫振蕩器：SHZ-88型、火焰光度計(jì)：FP6400A型、訂制土柱

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院試驗(yàn)的試驗(yàn)地中，用自制土柱取樣器(圖1)取原狀土40 cm，然后立即密封底部及小孔。根據(jù)預(yù)試驗(yàn)的簡易模擬，試驗(yàn)所用濃度為28 mg/L的臭氧水300 mL能使半徑1.7 cm、高40 cm的的土柱飽和，因此在土柱中注入臭氧水2 L，在30 cm處達(dá)到均勻性飽和。以澆灌2 L蒸餾水的自制土柱為對(duì)照 ，土柱灌水后立即將土柱密封。

1.2.1 不同處理時(shí)間的土壤微生物量和養(yǎng)分含量考察 在微生物量的考察上，試驗(yàn)設(shè)置6個(gè)處理，分別為臭氧水處理1 h、3 h、5 h、7 h、9 h和11 h；在養(yǎng)分含量的考察上設(shè)置4個(gè)處理，分別為臭氧水處理1 h、5 h、10 h和24 h，各處理3次重復(fù)，取平均值。在臭氧水處理后，按照試驗(yàn)處理的時(shí)間，用消毒殺菌后的不銹鋼取土器從土柱深度10 cm、20 cm、30 cm處采集2 g土樣，然后將所采土樣混合并分為2份，

圖1 自制取樣土柱

1份微生物培養(yǎng)并測(cè)定土壤微生物量及滅火率，1份放入—4℃冰箱冷凍保存24 h后取出，風(fēng)干測(cè)定含水量，然后過20目篩測(cè)定土壤速效磷、速效鉀，最后過100目篩測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)。

1.2.2 不同深度土壤微生物量和養(yǎng)分含量考察 不同深度土壤共設(shè)3個(gè)處理，分別為10 cm、20 cm和30 cm，每個(gè)處理3次重復(fù)，取平均值。在臭氧水處理24 h后，用消毒殺菌后的不銹鋼取土器插入10 cm、20 cm、30 cm層土壤的對(duì)應(yīng)小孔采集土樣，每層隨機(jī)采集5個(gè)樣品，將所采土樣分為2份，1份土樣進(jìn)行微生物培養(yǎng)并測(cè)定土壤微生物量及滅火率，1份混合土樣放入—4℃冰箱冷凍保存24 h后取出，風(fēng)干測(cè)定含水量，然后過20目篩測(cè)定土壤速效磷、速效鉀，最后過100目篩測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)。

1.3 考察指標(biāo)的測(cè)定

土壤微生物數(shù)量測(cè)定采用稀釋平板計(jì)數(shù)法對(duì)細(xì)菌、真菌、放線菌進(jìn)行計(jì)數(shù)，以對(duì)照土樣菌落數(shù)為基數(shù)計(jì)算滅活率。土壤中硝態(tài)氮采用酚二磺酸比色法[23]，堿解氮采用堿解擴(kuò)散法[23]，銨態(tài)氮采用KCl浸提，靛酚藍(lán)比色法[23-24]進(jìn)行測(cè)定。土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法進(jìn)行測(cè)定，土壤速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提法提取，鉬銻抗比色法[23]進(jìn)行測(cè)定，土壤速效鉀采用1 mol/L NH4OAC浸提法提取，火焰光度法[23]進(jìn)行測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用Excel 軟件，計(jì)算各處理的平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差，并繪圖。通過Spss 軟件，運(yùn)用LSD 法進(jìn)行(P<0.05)多重比較顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 臭氧水處理不同時(shí)間對(duì)柱狀土壤微生物及養(yǎng)分含量的影響

2.1.1 土壤微生物量 從表1可知，臭氧水處理不同時(shí)間土柱中細(xì)菌、真菌和放線菌的菌落數(shù)變化及滅活率。

1) 細(xì)菌。臭氧水處理土壤后，土壤中細(xì)菌菌落數(shù)量顯著降低，臭氧水處理1 h的細(xì)菌滅活率最高，為93.28%，且在其余處理時(shí)間內(nèi),其滅活率均在80%以上，說明臭氧水在一定時(shí)間內(nèi)能顯著減少土壤中的細(xì)菌數(shù)量。臭氧水處理后細(xì)菌菌落數(shù)量表現(xiàn)為先升高后下降再升高的趨勢(shì)，這可能與取樣時(shí)間長短以及不規(guī)范操作有關(guān)，導(dǎo)致細(xì)菌繁殖規(guī)律出現(xiàn)一定偏差。

表1臭氧水不同處理時(shí)間土柱土壤中的微生物菌落數(shù)及滅活率

Table 1 Colony count and inactivation ratio of microorganism in soil samples treated with ozone water under different treatment time

處理時(shí)間/hTreatment time菌落數(shù)/(105CFU/g) Colony count細(xì)菌真菌放線菌滅活率/% Inactivation ratio細(xì)菌真菌放線菌0(處理前)804±81 a184±28 a215±24 a000 154±16 e16±8 d44±10 d93.2891.3079.64376±25 d18±4 d55±15 c90.5590.2274.235157±49 b18±8 d 58±7 c80.4790.2273.207115±32 c28±12 c61±17 c85.7084.7871.62989±31 d 30±16 c80±10 b88.9383.7062.7411101±48 d42±21 b81±15 b87.4377.1762.37

注：表中同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。

Note: Different lowercase letters in the same column indicate significance of difference atP<0.05 level. The same below.

2) 真菌。臭氧水處理土壤后，土壤中真菌菌落數(shù)量顯著降低，真菌的滅活率在臭氧水處理1 h時(shí)為91.30%,且在其余處理時(shí)間內(nèi)維持在77%以上，說明臭氧水能顯著減少土壤中的真菌數(shù)。此外，真菌菌落數(shù)隨著時(shí)間的延長而緩慢增加，這是由于臭氧水半衰期較短，約為20 min，在其有效范圍內(nèi)可能不能完全殺死真菌，臭氧水分解后，土壤中殘存的真菌進(jìn)行繁殖，導(dǎo)致數(shù)目增多。

3) 放線菌。臭氧水處理土壤后，土壤中放線菌菌落數(shù)量顯著降低，放線菌的滅活率在臭氧水處理1 h時(shí)為79%,在其余處理時(shí)間維持在62%以上，說明臭氧水能顯著減少土壤中的放線菌數(shù)。放線菌的變化趨勢(shì)和真菌類似，其在臭氧水處理后1 h的滅活率達(dá)到最高，隨后逐漸降低，降低的原因可能是由于臭氧水分解后殘存的放線菌繼續(xù)繁殖。另外，放線菌滅活率遠(yuǎn)低于細(xì)菌和真菌的殺菌效果，其原因可能是放線菌依靠孢子繁殖，孢子外有一層厚厚的孢子壁，能一定程度上抵擋臭氧水的強(qiáng)氧化，致使有相當(dāng)一部分放線菌經(jīng)臭氧水處理后存活。

2.1.2 土壤養(yǎng)分含量 從圖2可知，臭氧水處理不同時(shí)間土柱土壤中速效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量的變化。

1) 速效磷及速效鉀含量。臭氧水處理后1 h，速效磷含量上升幅度達(dá)9.4%，但與對(duì)照(蒸餾水)不顯著。此后，均呈下降趨勢(shì)，在1～5 h內(nèi)速效磷含量顯著下降，此時(shí)含量低于初始值，5～10 h小幅回升，之后10～24 h內(nèi)趨于平緩。整體而言，1～24 h 內(nèi)速效磷含量與對(duì)照差異不顯著。1 h內(nèi)速效鉀上升幅度約3.6%， 1～5 h內(nèi)增加10.1%，與對(duì)照差異顯著，5～10 h內(nèi)速效鉀含量下降約7.6%，但與對(duì)照差異不顯著，此后10～24 h內(nèi)無變化，但與對(duì)照相比，有5.6%的提升?？偠灾?，臭氧水處理后的速效鉀含量均高于對(duì)照，但僅5 h時(shí)與對(duì)照差異顯著。

2) 有機(jī)質(zhì)含量土壤有機(jī)質(zhì)是土壤的重要組成部分，其含量是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)。經(jīng)臭氧水處理的有機(jī)質(zhì)含量與對(duì)照(蒸餾水)相比在1 h、5 h、10 h、24h顯著降低35.8%、41.6%、41.0%、42.8%。

圖2 臭氧不同處理時(shí)間土柱土壤的養(yǎng)分含量變化

2.2 臭氧水處理對(duì)不同深度土柱土壤微生物量及養(yǎng)分含量的影響

2.2.1 土壤微生物量 從表2可知，臭氧水處理24 h后不同深度土柱土壤細(xì)菌、真菌和放線菌的菌落數(shù)和滅活率。

1) 細(xì)菌菌落。臭氧水處理后，10 cm深度土壤的細(xì)菌菌落數(shù)量顯著下降，在20 cm及30 cm深度的細(xì)菌菌落數(shù)量下降不顯著。細(xì)菌在10 cm深度土壤的滅活率為33.27%，其后隨著深度的加深，滅活效果隨之降低，說明臭氧水對(duì)10 cm內(nèi)的土壤滅活效果最好。

2) 真菌菌落。臭氧水處理后，10 cm深度土壤的真菌菌落數(shù)量顯著下降，在20 cm及30 cm深度真菌菌落數(shù)量下降不顯著。真菌在10 cm深度土壤滅活率為39.62%，其后隨著深度加深，滅活效果隨之降低，說明臭氧水對(duì)真菌的最佳施用范圍是深度10 cm內(nèi)的土壤。

3) 放線菌菌落。臭氧水處理后，放線菌的菌落變化與細(xì)菌、真菌的菌落變化一致，在土深10 cm處滅活率最高，為28%。放線菌滅活率小于細(xì)菌、真菌，其原因可是放線菌依靠孢子繁殖，孢子外有一層厚厚的孢子壁，能一定程度上抵擋臭氧水的強(qiáng)氧化，致使有相當(dāng)一部分放線菌經(jīng)臭氧水處理后存活。

表2臭氧水處理前后不同深度土柱土壤中的微生物菌落數(shù)及滅活率

Table 2 Colony count and inactivation ratio of microorganism in soil samples with different soil depth before and after ozone water treatment

處理Treatment土層深度/cmSoil depth菌落數(shù)/(105CFU/g) Colony count細(xì)菌真菌放線菌平均滅活率/% Average inactivation ratio細(xì)菌真菌放線菌空白組CK102 026±206 a265±37 a430±46 a 201 586±158 c231±26 b319±55 b 302 037±228 b238±34 c338±26 d試驗(yàn)組 Test group101 352±150 d160±25 d310±32 c33.2739.6227.91 201 421±89 c210±37 b270±29 e10.4010.0015.36 301 967±130 b225±40 c319±32 d3.435.465.62

2.2.2 土壤養(yǎng)分含量 從圖3可知臭氧水處理前后，不同深度土柱土壤中的養(yǎng)分含量變化。

1) 速效磷。臭氧水處理后速效磷含量降低，在土壤深度10 cm和20 cm的速效磷分別較對(duì)照降低39.1%和17.4%，在30 cm土層中，速效磷含量無變化，土壤深度20 cm和30 cm的速效磷含量與對(duì)照差異不顯著。10 cm土壤中速效磷含量降低幅度比20 cm高，是因?yàn)楸韺油寥乐杏袡C(jī)物質(zhì)含量高，大量的有機(jī)陰離子使其在爭(zhēng)奪固相表面的專屬位點(diǎn)時(shí)占具優(yōu)勢(shì)，而臭氧水氧化有機(jī)質(zhì)，使有機(jī)陰離子與磷酸根離子競(jìng)爭(zhēng)專屬位點(diǎn)能力下降，導(dǎo)致土壤中吸附態(tài)磷含量增加，速效磷含量下降。

圖3 臭氧水處理前后不同深度土柱土壤的養(yǎng)分含量

2) 速效鉀。10 cm土層中，臭氧水處理使速效鉀含量顯著降低，降低55.9%， 20 cm土層速效鉀含量降低24.8%，與對(duì)照無顯著差異， 30 cm土層經(jīng)臭氧水處理后，速效鉀含量無明顯變化。

3) 有機(jī)質(zhì)。臭氧水處理后，不同深度土壤有機(jī)質(zhì)含量均顯著降低，土層10 cm、20 cm和30 cm土層土壤的降幅分別為38.8%、43.9%和36.4%。

3 結(jié)論與討論

試驗(yàn)表明，在臭氧水處理后1 h的細(xì)菌、真菌、放線菌滅活率分別為93.25%、91.38%和79.65%，并且在其余處理時(shí)間內(nèi)3種菌種的滅活率均在62%以上。雖然臭氧水能顯著減少土壤中細(xì)菌、真菌、放線菌的數(shù)量，但是隨著臭氧水分解，土壤微生物數(shù)量隨著時(shí)間延長而緩慢增加。

臭氧水處理24 h后，細(xì)菌、真菌、放線菌的滅活率隨著土壤深度的增加而降低，在10 cm深度的土壤細(xì)菌、真菌、放線菌的滅活率分別為33.27%、39.62%和28%，但隨著表層土柱土樣深度的增加而細(xì)菌、真菌、放線菌的滅活率顯著降低。

臭氧水澆灌后與對(duì)照(蒸餾水)相比，隨時(shí)間變化，土壤中的速效鉀含量整體上升，臭氧水處理5 h的速效鉀含量達(dá)到最大，比初始增加10.1%，而有機(jī)質(zhì)含量顯著降低，但速效磷無明顯變化。臭氧水處理24 h后，在10 cm土層中，有機(jī)質(zhì)、速效磷和速效鉀含量明顯降低，分別較對(duì)照降低38.8%、39.1%和55.9%，在20 cm和30 cm土層中，速效磷和速效鉀含量降低不明顯，有機(jī)質(zhì)含量變化顯著，分別較對(duì)照降低43.9%和36.4%。

臭氧水處理土壤后，土壤微生物的菌落數(shù)趨勢(shì)大致為先銳減后慢慢升高，而造成這一現(xiàn)象的原因可能與土壤水分下滲速率以及臭氧水半衰期有關(guān)。由于目前科學(xué)界尚未對(duì)臭氧水在土壤中的下滲進(jìn)行研究，故參考水在土壤中的下滲情況，從有關(guān)土壤水分入滲的研究[25]可以得知，水的初始入滲量快，經(jīng)過一定時(shí)間后到達(dá)穩(wěn)定入滲，此時(shí)入滲率較慢。得出以下推測(cè)：在澆灌臭氧水后，開始時(shí)，臭氧水以較快速度滲入表層土壤，但當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定入滲后，由于臭氧水的半衰期僅為20 min，而其尚未下滲到深層土壤便已分解，故對(duì)下層土壤微生物影響較弱。

對(duì)于土壤養(yǎng)分含量，臭氧水處理后，速效磷含量與對(duì)照差異不顯著的結(jié)果與荊世杰等提出的速效磷含量顯著降低的結(jié)論不相符[21]?？赡苁怯捎诖嗽囼?yàn)臭氧水濃度偏低，不足以將土壤中有機(jī)質(zhì)氧化徹底，從而增加土壤中有機(jī)陰離子與磷酸根離子的競(jìng)爭(zhēng)，使其吸附固定。土壤中鉀主要以速效鉀、緩效鉀和相對(duì)無效性鉀形態(tài)存在，它們之間存在動(dòng)態(tài)平衡[24]。速效鉀含量在經(jīng)臭氧水處理后，24 h內(nèi)的含量均高于對(duì)照，可能由于臭氧水直接將土壤中的緩效鉀轉(zhuǎn)化為速效鉀，而速效鉀含量隨著土層的加深逐漸減少，在30 cm土層的變化不顯著，由此可知，臭氧水入滲過程降低速效鉀含量，這一結(jié)論與吳啟佳等研究結(jié)果相似，可能的原因： 1) 由于臭氧水處理使土壤氧化徹底，土壤速效鉀溶于水向下遷移；2) 土壤有機(jī)質(zhì)含量下降，降低有機(jī)質(zhì)中微量元素對(duì)鉀的吸附、鰲合，使其淋洗損失。經(jīng)臭氧水處理的有機(jī)質(zhì)含量與空白相比在24 h顯著降低，土層10 cm、20 cm和30 cm土層土壤的降幅分別為38.8%、43.9%和36.4%，表明臭氧水處理能顯著降低土壤有機(jī)質(zhì)，使其礦化度提升。試驗(yàn)結(jié)果表明，臭氧水處理土壤后，其強(qiáng)氧化性能殺死土壤微生物，可能殺死土傳病害的來源，減少設(shè)施農(nóng)業(yè)土傳病害的發(fā)生，而且還調(diào)整了土壤養(yǎng)分含量，使土壤逐漸恢復(fù)健康、養(yǎng)分比例趨向合理。