棉隆熏蒸聯合生物炭和沸石對土壤微生態及土傳病原菌的影響

李青杰, 方文生, 張大琪, 顏冬冬, 李 園, 王秋霞, 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)

高附加值作物的連年種植,導致大量的病原菌和蟲卵在土壤中積累,嚴重破壞了土壤微生態環境,引發土傳病害。土傳病害可使作物減產60%以上甚至絕收,給農民帶來巨大的經濟損失[1]。目前,在作物種植前進行土壤熏蒸是控制土傳病蟲害最有效且穩定的方法[2]。溴甲烷對土壤病原菌、害蟲以及雜草等具有良好的防治效果,可顯著提高作物產量,但溴甲烷破壞臭氧層,已于2015年禁止在農業熏蒸上使用[3]。隨著溴甲烷的淘汰,尋找溴甲烷的有效替代品成為研究的熱點。棉隆可有效防治土傳病蟲害,且對臭氧層無破壞作用,被認為是溴甲烷的最佳替代品之一[4]。

棉隆是一種廣譜性土壤熏蒸劑,它在土壤中水解形成異硫氰酸甲酯，可用以防治病原菌、線蟲和雜草,已廣泛應用于苗場、溫室和果園等的設施農業中[5]。然而棉隆在殺滅病原物的同時,也破壞了土壤的微生態系統,土壤微生態受到擾動形成一種“近真空”的狀態,一旦恢復作物的種植,病原菌可能會再次侵染,導致病害持續發展[6]。研究表明,向熏蒸后的土壤中添加改良劑或有機肥可以改善土壤熏蒸帶來的不利影響,增加有益微生物的數量,達到持續防控病蟲害的目的,從而促進作物生長[7]。

近年來,生物炭和沸石作為土壤改良劑的相關研究備受關注。生物炭來源廣泛,比表面積大,可以提高土壤酶活性,改善土壤微生態環境[8]。生物炭還可以提高作物產量,改善作物品質[9]。Fang等[10]的研究表明,生物炭可以減輕氯化苦熏蒸對有益微生物和土壤微生態的負面影響,改善土壤氮代謝,促進土壤健康。沸石具有良好的離子吸附和交換能力,可以促進作物對養分的吸收,對土壤微生物和酶活性具有積極的影響[11]。在土壤中施用沸石可以提高土壤有機質,改善土壤的微結構,提高土壤的保水保肥性[12]。因此,研究棉隆熏蒸后添加生物炭和沸石對土壤微生態和病原菌的影響至關重要,可為其用于田間防治土傳病害提供參考。

目前,對于熏蒸后土壤微生態恢復的研究主要集中在土壤熏蒸和微生物菌肥配施方面,關于生物炭和沸石對于棉隆熏蒸后土壤微生態的研究尚未見公開報道。為了闡明棉隆熏蒸后添加生物炭和沸石對土壤微生態和土傳病原菌的影響,為其在田間的進一步推廣應用提供參考,本試驗測定了棉隆熏蒸后添加常用劑量的生物炭和沸石對土壤理化性質、土壤酶活性、土壤微生物數量以及土壤病原菌的影響。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤:河北省保定市滿城區連作草莓20年以上的0～20 cm深度的保護地土壤(38°59′N, 115°16′ E),土壤質地為粉質壤土,其基本理化性質為有機質16.86 g/kg、銨態氮0.53 mg/kg、硝態氮43.30 mg/kg、速效鉀864.17 mg/kg、有效磷56.14 mg/kg、pH為7.38、電導率為248 μS/cm,含水量16.84%。

供試藥劑:98%棉隆顆粒劑,江蘇省南通施壯化工有限公司。

供試土壤改良劑:生物炭是紫莖澤蘭秸稈在500℃下煅燒而成,來源于中國農業科學院植物保護研究所;沸石來源于河南省鞏義市恒鑫礦產建材實業有限公司。

1.2 試驗設計

稱取300 g供試土壤放入500 mL寬頸廣口瓶內,按照43 mg/kg的劑量將棉隆添加到土壤中并混合均勻,設置一組不做任何藥劑處理的對照。加藥后立即使用凡士林和保鮮膜密封瓶口,將其放置在25℃培養箱中培養10 d,熏蒸結束后敞氣一周。試驗共設4個處理:1)CK:不做任何藥劑和添加處理;2)DZ:僅棉隆熏蒸處理,敞氣結束后不做任何添加處理;3)B:棉隆熏蒸敞氣結束后向廣口瓶內添加3%的生物炭并混合均勻;4)Z:棉隆熏蒸敞氣結束后向廣口瓶內添加3%的沸石并混合均勻。每個處理3個重復,每個重復均使用300 g土壤。將上述廣口瓶放在28℃培養箱中培養60 d。分別于培養的第10、30、60天取樣進行土壤理化性質、酶活性、微生物數量和病原菌的測定(每次取樣前都要混合均勻再取樣)。

1.3 測定項目及方法

理化性質指標:土壤理化性質參照《土壤農化分析》[13]進行測定。

土壤酶活性測定:使用土壤過氧化氫酶(S-CAT)和土壤蔗糖酶(S-SC)活性檢測試劑盒(北京索萊寶科技有限公司)測定土壤過氧化氫酶和蔗糖酶活性,分別在240 nm和540 nm處測定樣品的吸光度。

土壤微生物數量的測定:土壤微生物數量采用平板稀釋法測定[14]。細菌采用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養基(牛肉膏3 g,蛋白胨10 g,NaCl 5 g,瓊脂15～20 g,蒸餾水1 000 mL,pH 7.4～7.6),在28℃恒溫培養箱中黑暗環境下培養,2 d后統計菌落數。真菌采用馬丁氏培養基(KH2PO41 g,MgSO4·7H2O 0.5 g,蛋白胨5 g,葡萄糖10 g,瓊脂15～20 g,蒸餾水1 000 mL,此培養液1 L加1%孟加拉紅水溶液3.3 mL),在28℃恒溫培養箱中黑暗環境下培養,3 d后計菌落數。臨用時以無菌操作在100 mL培養基中加入1%的鏈霉素0.3 mL使其終濃度為30 μg/mL。

土壤病原菌的測定:稱取5 g土壤樣品加入到冷卻至室溫的95 mL 0.7‰的滅菌瓊脂水中,振蕩混勻制成土壤懸浮液。在無菌操作臺上,分別按照Komada[15]和Masago等[16]的方法將1 mL土壤懸浮液與培養基混合均勻并倒入培養皿內,在黑暗環境下(28℃)培養2～3 d 后記錄鐮刀菌Fusariumspp.和疫霉Phytophthoraspp.的菌落數。

1.4 數據處理與分析

病原菌抑制率=(對照處理的菌落數-藥劑處理的菌落數)/對照處理的菌落數×100%。

采用Microsoft Excel 2010進行數據統計,采用SPSS 20.0軟件單因素方差分析(ANOVA)和Duncan氏新復極差法進行差異顯著性檢驗(α=0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同處理對土壤理化性質的影響

2.1.1不同處理對土壤氮素的影響

從表1可以看出，培養10 d，與對照相比，僅棉隆熏蒸處理的土壤銨態氮含量顯著增加了57.14%，棉隆熏蒸后用生物炭處理的銨態氮含量顯著降低了73.81%。培養30 d，棉隆熏蒸后用生物炭處理的銨態氮含量比對照顯著降低了28.77%。培養60 d，各處理組的銨態氮含量無顯著差異。在整個培養期內，與對照相比，各處理的土壤硝態氮含量均顯著增加，且棉隆熏蒸后用沸石處理的硝態氮含量最高。培養60 d，與對照相比，僅棉隆熏蒸、棉隆熏蒸后用生物炭處理和棉隆熏蒸后用沸石處理的硝態氮含量分別顯著增加了153.81%、144.77%和169.78%。僅棉隆熏蒸和棉隆熏蒸后用生物炭處理的硝態氮含量在整個培養期內均無顯著差異，但均顯著高于對照。

表1 棉隆熏蒸聯合生物炭和沸石處理對土壤氮素的影響1)Table 1 Effects of dazomet fumigation combined with biochar and zeolite on soil nitrogen

2.1.2不同處理對有效磷、速效鉀、有機質、pH和電導率的影響

從表2可以看出，熏蒸后培養10 d，僅棉隆熏蒸、熏蒸后用生物炭處理和熏蒸后用沸石處理的土壤有效磷含量分別比對照顯著降低38.06%、52.76%和56.13%。培養30～60 d，棉隆熏蒸后用生物炭處理的土壤有效磷含量顯著高于對照和其他處理，其他處理間無顯著差異。在整個培養期內，棉隆熏蒸后用生物炭、沸石處理的土壤中速效鉀含量顯著高于對照和僅棉隆熏蒸處理。棉隆熏蒸后用生物炭處理的土壤速效鉀含量在整個培養期內比熏蒸后用沸石處理高87.83%～102.07%。棉隆熏蒸后用生物炭處理的土壤有機質含量在整個培養期內顯著高于對照和其他處理。棉隆熏蒸后用沸石處理的土壤有機質含量在培養30 d時比僅棉隆熏蒸處理低12.04%，培養60 d時高44.47%。

表2 棉隆熏蒸聯合生物炭和沸石處理對有效磷、速效鉀、有機質、pH和電導率的影響Table 2 Effects of dazomet fumigation combined with biochar and zeolite on available P, available K, organic matter, pH and electrical conductivity

在熏蒸后10～30 d的培養期內，棉隆熏蒸后用生物炭處理的pH和對照無顯著差異，但顯著高于僅棉隆熏蒸處理和熏蒸后用沸石處理，培養60 d，與對照相比，僅棉隆熏蒸、棉隆熏蒸后用生物炭處理和熏蒸后用沸石處理的pH分別顯著降低了4.89%、2.38%和5.01%。在整個培養期內，各處理的電導率均顯著高于對照，其中棉隆熏蒸后用生物炭處理的電導率最高，在培養期結束時達到987 μS/cm。

2.2 不同處理對土壤酶活性的影響

2.2.1不同處理對土壤過氧化氫酶活性的影響

從圖1可以看出，在熏蒸后10～30 d的培養期內，與對照相比，各處理土壤的過氧化氫酶活性均顯著增加。培養10 d，與對照相比，僅棉隆熏蒸、熏蒸后用生物炭處理和熏蒸后用沸石處理的土壤過氧化氫酶活性分別顯著增加了16.42%、9.77%和6.28%，但熏蒸后生物炭和沸石處理的過氧化氫酶活性顯著低于僅棉隆熏蒸處理。培養30 d，棉隆熏蒸后用生物炭處理的土壤過氧化氫酶活性略高于僅棉隆熏蒸處理，二者無顯著差異，但顯著高于熏蒸后用沸石處理。培養60 d，棉隆熏蒸后用生物炭處理的土壤過氧化氫酶活性最高，顯著高于對照和其他處理。對照、僅棉隆處理和熏蒸后用沸石處理的過氧化氫酶活性無顯著差異，與棉隆熏蒸后用生物炭處理相比，分別降低了5.37%、4.87%和7.08%。

圖1 棉隆熏蒸聯合生物炭和沸石處理對土壤過氧化氫酶活性的影響Fig.1 Effects of dazomet fumigation combined with biochar and zeolite on soil catalase activity

2.2.2不同處理對土壤蔗糖酶活性的影響

從圖2可以看出，在熏蒸后10～30 d的培養期內，與對照相比，各處理土壤的蔗糖酶活性均顯著增加。培養10 d，與對照相比，僅棉隆熏蒸、熏蒸后用生物炭處理和熏蒸后用沸石處理的土壤蔗糖酶活性分別顯著增加了7.10%、3.71%和4.33%。培養30 d，棉隆熏蒸后用沸石處理的土壤蔗糖酶活性達到最高，顯著高于對照和其他處理。培養60 d，棉隆熏蒸后用生物炭處理的土壤蔗糖酶活性最高，達到64.77 mol/(g·d)，比熏蒸后用沸石處理增加了6.65%。各處理的蔗糖酶活性和對照均無顯著差異。

圖2 棉隆熏蒸聯合生物炭和沸石處理對土壤蔗糖酶活性的影響Fig.2 Effects of dazomet fumigation combined with biochar and zeolite on soil sucrase activity

2.3 不同處理對土壤微生物數量的影響

2.3.1不同處理對土壤細菌數量的影響

從圖3可以看出，在整個培養期內，棉隆熏蒸后用生物炭處理的土壤細菌數量最高，僅棉隆熏蒸處理的細菌數量最低。培養10 d，僅棉隆熏蒸和熏蒸后用沸石處理的細菌數量顯著低于對照和熏蒸后用生物炭處理，熏蒸后用生物炭處理和對照無顯著差異。培養30 d，棉隆熏蒸后用生物炭處理的細菌數量分別比對照、僅棉隆熏蒸和熏蒸后用沸石處理顯著增加了14.10%、33.95%和18.78%，熏蒸后用沸石處理的細菌數量和對照無顯著差異，但顯著高于僅棉隆熏蒸處理。培養60 d，各處理間的細菌數量差異顯著，棉隆熏蒸后用生物炭處理的細菌數量分別比對照、僅棉隆熏蒸和熏蒸后用沸石處理顯著增加了24.59%、32.56%和28.09%。

圖3 棉隆熏蒸聯合生物炭和沸石處理對土壤細菌數量的影響Fig.3 Effects of dazomet fumigation combined with biochar and zeolite on the number of bacteria in soil

2.3.2不同處理對土壤真菌數量的影響

從圖4可以看出，隨著培養時間的延長，對照和處理組土壤中真菌數量均有所降低。培養10 d，棉隆熏蒸后用生物炭和沸石處理的真菌數量均顯著低于對照，僅棉隆熏蒸處理的真菌數量和對照無顯著差異。培養30 d，棉隆熏蒸后用生物炭處理和熏蒸后用沸石處理的土壤真菌數量顯著低于僅棉隆熏蒸處理，分別低52.86%和41.41%。僅棉隆熏蒸處理和對照無顯著差異。培養60 d，熏蒸后生物炭處理的真菌數量最高，分別比對照、僅棉隆熏蒸和熏蒸后用沸石處理高1.47、8.30倍和5.16倍。

圖4 棉隆熏蒸聯合生物炭和沸石處理對土壤真菌數量的影響Fig.4 Effects of dazomet fumigation combined with biochar and zeolite on the number of fungi in soil

2.4 不同處理對土壤病原菌的影響

由表3可以看出，在整個培養期內，各處理對鐮刀菌和疫霉的抑制效果均較好，其中對鐮刀菌的抑制效果好于疫霉。培養10 d，熏蒸后用生物炭和沸石處理的土壤中鐮刀菌和疫霉的數量顯著低于對照和僅棉隆熏蒸處理，其中熏蒸后用生物炭處理對鐮刀菌和疫霉的抑制率達到91.04%、85.19%；熏蒸后用沸石處理對鐮刀菌和疫霉的抑制率分別為74.22、84.28%。培養30 d，熏蒸后用生物炭處理對鐮刀菌和疫霉的抑制率顯著高于其他處理。培養60 d，熏蒸后用沸石處理對鐮刀菌和疫霉的抑制率最高，分別達到89.29%和72.58%，其次是僅棉隆熏蒸處理，抑制率分別為75.90%、68.37%。熏蒸后用生物炭處理對鐮刀菌和疫霉的抑制效果在培養期結束時降低，抑制率低于僅棉隆熏蒸處理。

表3 棉隆熏蒸聯合生物炭和沸石處理對土壤病原菌的影響Table 3 Effects of dazomet fumigation combined with biochar and zeolite on pathogens in soil

3 結論與討論

氮作為一種大量元素，在作物的生長中有著不可替代的作用，作物吸收利用的氮素主要是銨態氮和硝態氮[17]。我們的試驗結果表明棉隆熏蒸后土壤硝態氮的含量顯著增加，可能是由于熏蒸殺死的一些微生物促進了土壤氮的轉化[18]。喬亞振等[19]的研究表明生物炭會降低設施土壤的全氮含量，降低土壤氮素環境風險。與喬亞振的研究結果相似，本研究發現棉隆熏蒸后添加生物炭處理在培養前期土壤銨態氮的含量降低，可能是生物炭促進了土壤微生物的恢復，土壤的礦化過程受到抑制。而棉隆熏蒸后添加沸石處理顯著增加土壤硝態氮含量，這與李華興等[20]的研究沸石可以提高土壤養分的結果一致。

棉隆熏蒸后培養10 d土壤有效磷的含量顯著降低，有機質含量增加，后期均恢復至對照水平，說明棉隆熏蒸對土壤有效磷和有機質的影響是短暫的，這與方文生[21]的研究結果一致。朱婧等[9]的研究發現，在土壤中添加沸石可顯著提高有效磷的含量，本試驗培養10 d后發現沸石處理降低有效磷含量，可能是沸石添加量不同和土壤性質的差異造成了相反的結果。添加生物炭則顯著增加速效鉀和有機質的含量，效果優于沸石處理，這與李昌娟等[22]的研究施用生物炭基肥可顯著提高土壤養分有效性，促進茶樹對養分的吸收結果一致。土壤電導率與土壤中水溶性鹽的含量有關，本試驗中各處理的電導率均顯著增加，其中棉隆熏蒸后添加生物炭處理比僅棉隆熏蒸的電導率高，說明生物炭可以增加土壤的含鹽量，從而提高電導率。

土壤酶是土壤中的生物催化劑，土壤酶活性的高低對評價土壤肥力有重要意義[23]。過氧化氫酶催化過氧化氫的分解，減緩其對生物體的毒害，其活性與土壤理化性質密切相關[24]。蔗糖酶可增加土壤中營養物質的含量，促進養分的循環[25]。本試驗表明，和對照相比，僅棉隆熏蒸和熏蒸后用沸石處理在培養的前30 d內過氧化氫酶、蔗糖酶活性增加，后期效果減弱恢復到對照水平。而熏蒸后添加生物炭過氧化氫酶活性顯著增加，在培養期結束時達到最優。表明棉隆熏蒸后添加生物炭可提高土壤肥力，且作用效果較持久。謝婷婷等[26]的研究表明在尖椒生長的土壤中添加生物炭可以提高土壤中蔗糖酶、過氧化氫酶活性，且蔗糖酶活性與速效鉀含量呈正相關，與我們的研究結果一致。熏蒸后用沸石處理在培養前期蔗糖酶活性提高，培養期結束時和對照間無顯著差異，可能與隨著培養時間延長沸石對土壤養分的促進效果不明顯有關。土壤微生物是土壤生態系統的重要組成部分，它們參與大部分的生化過程和養分循環[27]。研究表明土壤熏蒸可殺滅多數微生物，降低土壤微生物的數量[28]。本研究中培養期結束時棉隆熏蒸顯著降低了土壤中細菌和真菌的數量，添加生物炭處理增加了土壤微生物的數量，顯著高于僅棉隆熏蒸處理組，說明生物炭有利于土壤微生物的恢復[29]。

土壤病原菌的防治對于作物生長至關重要。張大琪等[30]的研究表明，二甲基二硫熏蒸可有效防治鐮刀菌，但對疫霉的防治效果較差。侯文龍等[31]發現沸石對黃瓜枯萎病菌的抑制率可達到80.3%，本試驗中各處理對鐮刀菌和疫霉的數量均有顯著抑制作用，熏蒸后生物炭處理前期抑制率高，培養期結束時抑制率較低，可能是后期藥效減弱，部分病原菌迅速繁殖。培養期結束時，熏蒸后用沸石處理對病原菌的抑制率高于其他處理組，表明沸石對土壤病原菌的抑制效果更持久，可以較長時間抑制病原菌的繁殖。

本試驗首次明確了棉隆熏蒸后添加生物炭和沸石對土壤微生態和病原菌的影響，表明棉隆熏蒸后施用生物炭和沸石可以提高土壤養分、促進熏蒸后土壤微生態的恢復，并且可以加強對病原菌的防治效果，可在田間進一步推廣應用。