改良劑對熏蒸處理后土壤環境改善和促進作物生長的研究進展

李青杰, 張大琪, 顏冬冬, 王秋霞, 李 園, 曹坳程

(中國農業科學院 植物保護研究所，植物病蟲害生物學國家重點實驗室，北京 100193)

0 引言

隨著保護地的發展和高附加值作物的連年栽培，土壤中的病原菌和蟲卵數量逐漸積累，導致土傳病、蟲害的發生逐年加重，作物生長受到抑制，病蟲害發生嚴重時可致作物減產60%，甚至絕收[1]。土傳病害的發生具有隱蔽性，不易被發現，一旦暴發將造成重大損失[2]。在作物種植前進行土壤熏蒸是目前最有效、快速且穩定的防治土傳病害的方法[3-4]，并可提高農產品的產量和品質[5]。土壤熏蒸可有效防治線蟲、病原菌、雜草等，如土壤熏蒸劑氯化苦液劑 (99.5%) 在用量為300～450 kg/hm2時，對黃瓜根結線蟲病的防治效果可達82.89%～91.07%[6]；在辣椒和黃瓜生長期通過穴施1 200 μg/mL 的四硫代碳酸鈉能有效減少土壤中辣椒疫霉病菌和黃瓜枯萎病菌的數量[7]；當異硫氰酸烯丙酯 (98%) 的用量為20～320 mg/kg 時，對土壤中雙子葉雜草藜的防效可達90%以上[8]。但土壤熏蒸劑具有廣譜性，在殺死病原物的同時，對土壤中的非靶標微生物也會產生不利影響[9]。此外，在作物生長過程中，熏蒸后的土壤也可能被病原物再次侵染，導致防治效果變差[10]。研究表明，施用土壤改良劑可改善土壤的理化性質、提高土壤中的養分含量[11-12]，促進作物根系對營養元素的吸收[13]，提高作物產量[14]，并能有效防治土壤病原物。此外，土壤改良劑還可以促進土壤微生物的恢復，提高土壤微生物的活性[15]，抑制重金屬離子對作物的毒害作用[16-17]。在土壤熏蒸后施用合適的改良劑可以改善土壤環境，防止病原菌的再次侵染，促進作物的生長發育[18-19]。

目前尚未見關于土壤熏蒸劑和改良劑兩者聯合使用方面的綜述。鑒于此，筆者在簡介了常用的幾種土壤熏蒸劑及改良劑后，重點綜述了近年來土壤改良劑對熏蒸后的土壤環境 (土壤理化性質、酶活性、微生物群落) 和作物生長影響的研究進展，旨在為作物土傳病害的防治以及熏蒸后土壤的改良和修復方法提供參考。

1 土壤熏蒸和改良劑

土壤熏蒸是將熏蒸劑施于密閉的土壤中，利用揮發的有效氣體殺滅土傳病、蟲、草害的防治方法，也稱土壤消毒。土壤熏蒸可分為物理熏蒸、化學熏蒸及生物熏蒸，在土傳病害發生嚴重的地塊，優先采用化學熏蒸進行防治[20]。化學熏蒸劑中的溴甲烷因對臭氧層具有破壞作用，已基本被淘汰[21]；目前常用的化學熏蒸劑如氯化苦、二甲基二硫、威百畝、棉隆和異硫氰酸丙烯酯等作為溴甲烷的替代品在世界各地已經得到廣泛應用[22-23]，其中氯化苦由于具有良好的防治效果，對作物增產效果顯著，而成為用量較大的土壤熏蒸劑，但氯化苦具有強烈的刺激性氣味，使用時必須由專業人員進行操作[24]。這些熏蒸劑均可以有效防治土傳病害、促進作物生長。為了達到良好的防治效果，在進行土壤熏蒸之前，應明確各種熏蒸劑的使用范圍，根據熏蒸劑本身的理化性質、施藥的環境條件、使用技術及防治對象等[25-26]正確選擇并使用。常用熏蒸劑的信息見表1。雖然土壤熏蒸劑可以有效殺滅土壤中的病原物，但同時對有益微生物也產生了不良的影響[27]。土壤經熏蒸處理后，土壤環境受到擾動，暫時處于一種“不平衡”的狀態，具體表現為土壤的理化性質發生改變、土壤微生物的多樣性下降和土壤酶活性受到抑制[28]。此時可向土壤中補充有益物質，改善土壤熏蒸對環境的擾動，促進有益微生物的恢復，也可加強對病原物的防治。

表1 常用熏蒸劑的信息Table 1 Information on commonly used fumigants

土壤改良劑也可稱為土壤調節劑，是指可以改善土壤狀況，促進作物養分吸收，而本身不提供植物養分的一種物料[33]。土壤改良劑種類繁多，分類標準不一，按原料來源可分為天然改良劑、合成改良劑、天然-合成共聚物改良劑和生物改良劑4 大類。改良劑的類型不同，作用方式也不一樣，總體來說是通過有效改善土壤理化性質、加強微生物活動及提高酶活性等方式，最終達到提高土壤肥力的效果[34](表2)。土壤改良劑的研究始于19 世紀末，中國的研究起步較晚，多應用于退化土壤，如酸性土壤、堿性土壤、鹽漬化土壤及沙化土壤的改良等[35]。也可用于土壤修復，比如：比利時研制的瀝青乳化保濕劑可以用于沙漠中的水分長期儲存；法國研制的親水松土劑常用于疏松和濕潤土壤；日本研制的液體通氣保濕劑可提高土壤通氣性和透水性；印度用紙廠廢渣降低土壤酸度[34]等。改良劑不僅可以增加土壤養分，還具有固定溫室氣體的作用。近年來研究較多的改良劑——生物炭，具有來源廣泛、比表面積大、自身含有植物生長所需的營養物質等優點，不僅可以改良土壤和微生物的棲息環境，而且還可以減少溫室氣體的排放[36-37]。一些改良劑還具有良好的離子交換和吸附功能，研究表明，天然沸石有吸附NH4+和控制NH4+肥料肥效釋放的潛力，可以促進作物對養分的吸收[38]。改良劑還可減少土壤中重金屬的含量，防止其對作物產生毒害作用，例如：生物改良劑中的叢枝菌根（arbuscular mycorrhizal，AM）含有豐富的菌絲體，當植物缺乏微量元素時，叢枝菌根可促進植物對微量元素的吸收；而當微量元素濃度過高時，叢枝菌根可對重金屬元素的毒害具有一定的緩解作用[39-40]。近年來，隨著“減肥減藥”政策的實施，土壤改良劑發展迅速，其在一定程度上可替代化肥使用[41]。土壤改良劑的應用范圍非常廣泛，可用于玉米、小麥、番茄、黃瓜、草莓、生姜、西瓜和蘋果等種植土壤的改良[42]。

表2 土壤改良劑的分類及主要作用方式Table 2 Classification and main mode of action of soil amendments

土壤進行熏蒸處理后，可選用合適的改良劑減輕或消除熏蒸帶來的不利影響，有些可能還具有良好的增效作用。固體類的改良劑可以通過深耕或穴施施入土壤，液體類的改良劑可以通過滴灌的方式施于作物根際，一方面可以防止病原菌的再次侵染，另一方面可以改善土壤環境，增加作物的品質和產量。一般可以提高土壤肥力的改良劑均可以使用，但要根據使用說明進行使用。

2 改良劑對熏蒸處理后土壤環境改善的影響

土壤環境主要是指土壤的理化性質、酶活性、微生物群落及其相關的功能基因，可以反映土壤肥力和土壤的健康狀況[43]。常用的土壤理化性質指標有電導率、有機質、速效磷、速效鉀、銨態氮和硝態氮等，測定土壤理化性質對評價土壤肥力意義重大。土壤酶活性和微生物群落常作為土壤質量的生物性質指標，用以評估土壤的生物活性，以便進行更深層次的研究。土壤理化性質的改變一般會導致其生物性質也發生相應的變化[44-45]。

土壤熏蒸劑的使用不僅解決了土傳病害的難題，也改變了土壤環境的狀態。方文生[46]研究發現，用1,3-二氯丙烯處理北京潮土24 d 后，土壤NH4+-N 的含量降低了25.7%，NO3--N 的含量增加了8.5%，這與范琳娟等[47]的研究結果一致，即熏蒸處理會改變土壤的理化性質。Li 等[48]研究發現，用氯化苦進行熏蒸處理后，土壤生物環境 (土壤的生命體系) 發生了顯著變化，如短期內細菌多樣性下降，群落組成發生變化，后期可逐漸恢復至對照水平。而改良劑對土壤環境的影響大多是有利的。用微生物改良劑處理土壤后，土壤容重降低，復配土的速效鉀、速效磷等含量均有顯著提升[49]；用改良劑處理土壤還可降低馬鈴薯胞囊線蟲 (Globodera rostochiensis和G.pallida)的存活率，增加有益微生物的數量[50]。周緒寶等[51]研究表明，EM 菌劑 (主要成分為光合菌類、乳酸菌類、酵母菌類、放線菌類等80 余種微生物) 可改變不同分類水平下主要細菌所占比重，增加細菌總數，改善植物生長的微環境。

改良劑可通過不同的作用方式促進熏蒸處理后土壤環境的改善。1) 改良劑可以抑制病原菌的繁殖，從而減少病原菌的數量。如將棉隆與生化黃腐酸聯合使用，在茄子的整個生長期對于土壤真菌的抑制效果高于70%，而在茄子結果期使用則高達94.2%，并具有較好的穩定性和持效性，而使用棉隆單劑對真菌的抑制效果最高為85.7%，在茄子收獲期僅為44.8%[52]。2) 改良劑可以恢復土壤酶活性和提高土壤養分含量，改善土壤的生態環境。用1,3-二氯丙烯熏蒸土壤7 d后，土壤中脲酶和蔗糖酶的活性分別下降了42.3%和27.8%，土壤pH 值、有效磷和有機質含量均顯著降低，隨著木霉、枯草芽孢桿菌和腐殖酸肥料的施入，土壤脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性逐漸恢復至與對照相同的水平，土壤銨態氮、硝態氮、速效磷等養分的含量顯著增加[53]。3) 改良劑可以促進土壤有益微生物的恢復，改善土壤生物環境。Fang等[54]研究表明，用氯化苦熏蒸后土壤微生物的多樣性降低，有益微生物如變形菌門 (Proteobacteria)、厚壁菌門 (Firmicutes) 和芽孢桿菌屬 (Bacillus) 的相對豐度被抑制，而在熏蒸后加入生物炭可以有效改善土壤的氮代謝，減少氯化苦對有益物種及其生態功能的不利影響，縮短土壤微生物多樣性和氮循環功能微生物的恢復時間。4) 改良劑可以增強有益菌的定殖強度。土壤熏蒸后施入生物有機肥可以使土壤有益菌株的定殖更強健，降低熏蒸后土壤中病原體豐度迅速上升的風險，較好地抑制西瓜枯萎病的發生[55]。5) 改良劑可以影響土壤整體的功能，提高土壤健康水平。張潔等[56]研究表明，低劑量棉隆熏蒸處理后溝施YB-04 菌肥，對黃瓜根結線蟲病的防治效果為87.8%，土壤中的細菌數量、細菌/真菌比值及土壤酶活性與棉隆單獨熏蒸處理相比均顯著增加；而將棉隆熏蒸與海藻菌肥聯合使用后，土壤中超氧化物歧化酶 (SOD)、過氧化物酶 (POD) 及過氧化氫酶(CAT) 3 種保護酶的活性顯著提升，土壤中的細菌數量、細菌與真菌的比值與對照以及棉隆、海藻菌肥單獨使用相比均顯著增加[57]。可以看出，隨著改良劑的施入，熏蒸后土壤養分含量會有所增加，微生物群落可加速恢復，對于土壤環境具有改善作用。

綜上所述，土壤熏蒸劑和改良劑聯合使用對土壤環境有很大的調節作用：熏蒸后土壤微環境的動態平衡因受到擾動而處于失衡狀態，改良劑的添加能快速遏制不平衡狀態的持續時間，使土壤環境快速恢復到動態平衡的狀態，并優化土壤原有的生態環境。因此，土壤熏蒸劑和改良劑的合理配施將給土壤營造一個良好的環境，有利于土壤的保護和作物的生長。

3 改良劑對熏蒸處理后促進作物生長的影響

影響作物生長的因素很多，比如作物的生理生化反應及土壤環境等均可影響作物生長。土壤熏蒸劑和改良劑使用的目的是為了盡可能地減少對作物生長的不利因素，增加有利因素，最終達到增產豐收或改善作物品質的效果。

改良劑可以解除土壤經熏蒸處理后對作物生長的抑制作用，調控作物的生長環境，促進作物生長。研究表明，連作多年的百合種植地在用威百畝進行熏蒸處理后，百合的生長受到抑制，產量下降了11%～19%，但隨著百合生長期多次施用特8?菌劑（含有22 類菌群，總數達15 000 cfu/g，有機質含量≥70%），土壤總孔隙度和絕對含水量增加，百合的莖粗和根冠比增加，產量比單獨用熏蒸劑處理的提高了16%[58]。王廣印等[59]研究表明，用棉隆熏蒸土壤后，并未降低番茄莖基腐病的發病率，而在棉隆熏蒸處理后施入生物菌肥則大幅度地降低了番茄莖基腐病的發病率，與對照相比，發病率降低了79.62%，并且可以抑制雜草生長，促進果實膨大，提高果穗產量，這與Tian等[60]的研究結果一致。

改良劑和熏蒸劑也具有協同作用，在土壤熏蒸后施用改良劑可以達到更好的效果。Chen 等[61]研究發現，在菊花種植地，單獨用棉隆和添加了Paenibacillus polymyxa(strain SQR21) 的生物肥料處理土壤，菊花的莖高、莖干重、葉寬、根鮮重和干重等均比對照高，但用棉隆熏蒸后再施用生物肥料的處理，對菊花的生長促進作用最明顯。孟天竹等[62]用棉隆熏蒸西瓜種植地的土壤，發現西瓜枯萎病病情指數降低、產量上升，在種植過程中多次追施馕播王（根際促生細菌和抗土傳病害功能菌數量大于108 cfu/g）更加抑制了西瓜枯萎病，商品果產量提高3.28～3.68 倍。由此可見，土壤熏蒸劑和改良劑的使用均可以促進作物生長，但兩者聯合使用效果更佳，促進作用更強。

改良劑可以通過不同的方式促進土壤經熏蒸處理后作物的生長。1) 改良劑可以促進熏蒸處理后植株對養分的吸收，改善植株的生長狀況。劉星等[63]研究表明，土壤分別經熏蒸劑和微生物有機肥單獨處理，均顯著提升了馬鈴薯植株的光合生產強度，降低了連作馬鈴薯植株的發病率，同時增強了植株對土壤水分和養分的吸收利用，馬鈴薯塊莖產量增幅達到13.62%～20.36%，而經兩者聯用的效果優于單獨處理的效果，因此推薦棉隆和微生物有機肥聯合使用。2) 改良劑可促進土壤微生物數量的增加，減少土壤害蟲的數量。土壤經棉隆消毒后，配合施用土壤改良劑肥老伴 (有效含菌量5×107個/g) ，土壤微生物的數量及活性增加，促進了草莓根系的生長，增產效果達7.3%～10.2%[64]。聶海珍等[65]研究表明，棉隆熏蒸處理初期線蟲數量急劇下降，但番茄移栽90 d后，線蟲數量開始快速上升，在棉隆與淡紫擬青霉Paecilomyces lilacinus聯合處理的地塊，根結線蟲種群數量最低，且在番茄整個生長期和收獲季始終顯著低于對照，顯著促進番茄生長，提高了番茄產量。3) 改良劑可提高果實品質。曹云等[66]研究表明，棉隆熏蒸與微生物有機肥聯用能增加連作西瓜的生物產量，與對照相比，西瓜中心糖含量、糖酸比分別提高了15.9%、13.4%, 單果重、總產量、商品果產量分別增加了24.5%、33.4% 和34.1%，優于棉隆單獨處理組。在番茄種植地，將威百畝與金匯農業生物菌肥聯用可降低真菌的生物量，在一定程度上改善土壤微生物環境，促進番茄生長，番茄的產量比單一熏蒸處理的高[67]。總體來看，土壤熏蒸處理后施用改良劑可以改善作物生長發育的環境，提高作物的產量和品質。

4 結論與展望

土壤環境是作物賴以生存的地方，其健康程度直接關系著作物的生長發育。研究者們常從土壤的物理性質 (容重、含水量、孔隙度等)、化學性質 (有機質、速效鉀、有效磷等)、生物性質 (酶活性、微生物組成等) 3 方面來研究土壤環境的變化。作物連作引起的土傳病害不僅降低了作物產量，對土壤環境也造成了不利影響。土壤熏蒸可有效防治病蟲害，但熏蒸處理后土壤環境處于一種不平衡的狀態，一些土壤微生物 (特別是有益微生物)，在熏蒸處理后處于被抑制的狀態，恢復時間較長，不足以抵抗外來病原物的侵襲。在作物生長后期特別是結果期和收獲期，熏蒸劑的藥效會減弱，一旦病原物和害蟲再次出現將造成不可挽回的損失。在土壤熏蒸后使用改良劑可以提高土壤肥力，增強作物對病蟲害的抵抗能力，進而促進作物的生長發育。改良劑可通過提高熏蒸后的土壤酶活性，降低有害微生物的活性，加強有益微生物的活動，防止病原菌再次侵染，在作物的生長期內可以起到很好的預防和防治作用，從而增加作物產量。由此可見，改良劑對熏蒸后的土壤環境具有改善作用，可以促進作物生長。改良劑對熏蒸后土壤環境改善和作物生長的促進效果不同，主要影響因素包括土壤熏蒸劑的種類、改良劑的種類、土壤本身的狀況、使用方法等。

目前國內外有關微生物菌肥或生物炭與熏蒸劑聯合使用的報道較多，對土壤微生物群落結構及其多樣性變化的研究也較為詳細，但在未來的研究中更應該關注以下幾點：1) 改良劑對熏蒸劑處理后土壤中的關鍵微生物和功能基因變化的影響；2) 研究用于替代化肥而又不會降低對土傳病害防治效果的新型的土壤改良劑；3) 研究土壤熏蒸后施用改良劑對土壤環境的具體改善過程，包括養分循環、酶活性和有益微生物的具體變化，闡明改善的機制。總體來看，土壤熏蒸處理后，隨著改良劑的介入可以有效促進作物生長，持續防治土壤病蟲害，對農業可持續發展具有重要的指導意義。