







摘 要 針對蘭州高原夏菜生產中芹菜連作障礙問題,通過兩年試驗與綜合分析,創新性地提出了“三增一減”技術策略:增加生物有機肥、微生物菌劑及礦物質調理劑施用,同時削減化肥使用,旨在有效控制連作障礙。該技術被證實能顯著優化土壤理化性質,提升關鍵營養素含量,改善土壤結構,增強透氣性、保水保肥能力及酶活性,促進養分循環與吸收。應用結果顯示,該策略不僅能顯著提升芹菜產量與品質,還能有效應對連作障礙引起的減產問題,特別是在處理Ⅳ中展現出高效益成本比的抗連作性能。此外,還評估了技術推廣面臨的挑戰,并展望了未來優化方向,包括技術實施策略的細化及綜合防控技術路徑的探索。總體而言,“三增一減”技術不僅為芹菜種植提供了有效的連作障礙緩解方案,其科學原理和技術框架對其他易受連作影響的蔬菜種類亦具廣泛適用性,為連作障礙研究及高原夏菜產業可持續發展貢獻了重要理論依據與實踐策略。
關鍵詞 微生物肥料;芹菜;連作障礙;土壤;生物有機肥;微生物菌劑;礦物質調節劑;化肥減量
中圖分類號:S636.3 文獻標志碼:A DOI:10.19415/j.cnki.1673-890x.2024.21.003
芹菜(Apium graveolens),屬傘形科(Apiaceae)植物,別名旱芹、藥芹。中國南北各省區均有栽培,分布于歐洲、亞洲、非洲及美洲,供作蔬菜。喜溫暖及陽光充足的環境,喜濕潤,耐旱,耐瘠,較耐寒,喜疏松、肥沃的壤土,生長適溫15~28 ℃[1]。蘭州高原夏菜是依據西北高原夏季涼爽、日照充足、晝夜溫差大等氣候優勢,在高海拔地區種植的優質蔬菜。經過20余年的發展,為提升土地利用效率,菜農傾向于種植經濟效益高的蔬菜,其中芹菜因其特性尤為適配。作為一種偏好涼爽環境的作物,芹菜在蘭州高原夏季的適宜溫度下茁壯成長,得益于充足的陽光和顯著的晝夜溫差,這不僅利于營養積累,還保證了其質地脆嫩和高產,避免了高溫引起的生長問題。市場需求方面,高品質的高原夏菜芹菜因口感與營養俱佳而廣受歡迎,市場穩定且需求量大;加之每667 m2芹菜能帶來可觀的收益,顯著增強了農民的經濟收益,故而芹菜種植在蘭州高原夏菜產業中得以蓬勃發展,成為主導作物之一。但多年單一化種植導致土地連作障礙、產量減少甚至絕收的情況屢見不鮮。這是因為連作土壤已經弱化了優質高產的基礎,如土壤有機質、理化性質、生物學性狀等都在不斷下降或惡化[2]。當前,連作障礙已成為蘭州高原夏菜生產中的難題和關鍵制約因素,尤其在芹菜這一主栽蔬菜品種上,部分主栽區已無法繼續種植。
從目前研究來看,王廣印、帥正彬、李賀勤等研究者都認為土壤連作障礙是多因子綜合作用的結果[3-5]。對于土壤連作障礙這個重大問題,可主要從土壤“保健”理念出發,著力解決土壤微生物和土壤營養的平衡協調關系,增強土壤的可持續利用性。具體策略即是采取生產要素集成技術長期保持土壤“清潔與健康”[6]。同時,消減單位面積化肥施用量成為實現蔬菜產業提質增效及可持續發展的重要途徑[7]。因此,唯有采取多項技術措施相結合,方能實現防控土壤連作障礙、促進芹菜優質高產和產業的可持續發展。
通過初步實踐驗證,以芹菜為主要研究對象,結合蘭州當地農業生產要素水平及成本,本研究認為采用增加生物有機肥、微生物菌劑、礦物質調理劑的聯合施用,同時減少化肥的使用,即“三增一減”,這一技術措施對于緩解連作障礙具有良好的效果。
1 材料與方法
1.1 試驗地概況
試驗地點選在蘭州高原夏菜主產區榆中縣金家營村。蘭州市榆中縣金家營村平均海拔1 874.4 m,年平均降雨量376.8 mm,年平均氣溫6.7 ℃,全年無霜期167 d,試驗地為砂壤土,含有機質8.53 g·kg-1,有效氮、磷、鉀含量分別為47.6、68.4、91.2 mg·kg-1。
1.2 試驗材料
品種:2022年供試品種為皇后(法國TEZIER公司)西芹,2023年供試品種為蘭巴達(荷蘭bejo公司)西芹。
肥料:1)基肥:處理選用甘肅大行農業科技開發有限公司普通有機肥料(有機質≥45%,N+P2O5+K2O≥5%);五株菌生物有機肥(有機質≥40 %,有效活菌數≥2億·g-1)。2)追肥:選用巧農2號plus微生物復合液肥(有效活菌數≥10億·mL-1,N+P2O5+K2O≥15%,含礦物質調理劑-礦源黃腐酸鉀)。3)微生物菌劑:選用“億菌優蔬”液體微生物菌劑(含礦物質調理劑-礦源黃腐酸鉀)、“億菌優土”固體農用微生物菌劑。4)說明:生物有機肥、復合液肥及菌劑均含有本地土壤中分離培養的枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌、假單胞菌、哈茨木霉等微生物菌群。
1.3 試驗設計
試驗采取兩年定點試驗,第一年試驗主要驗證技術處理的有效性,第二年試驗主要驗證技術處理的長期持續效應。試驗共設5個處理,分別為習慣對照(CK)及處理I、II、III、IV,試驗設計方案具體見表1。試驗采用隨機區組試驗,每個處理3個重復,小區面積200 m2。均采用常規覆膜,育苗移栽。其他田間管理按當地習慣栽培方式。微生物菌劑用量為(“億菌優蔬”6 kg/667 m2;“億菌優土”15 kg/667 m2)。同時所有處理與當地習慣施肥處理相比減少使用大量元素化肥20%。
1.4 測定方法
產量測定:全年兩季茬口各處理植株物候期進行觀察記載。收獲期各處理分別取樣10株測定經濟和生物性狀。各處理取1 m2,重復3次進行測產,并計算折合產量。
土壤測定:于種植前和收獲后,在各處理各小區采集 0~20 cm 土壤樣品,分小區用土鉆采用梅花形取樣法,采取5個點的樣品后混合。送甘肅省有色金屬地質勘查局蘭州礦產勘查院中心實驗室,測定耕層土壤理化性質指標:全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質含量、pH值、全鹽量。全氮含量測定采用自動定氮儀法。全磷、全鉀含量采用酸消解-電感耦合等離子體發射光譜法測定。堿解氮含量采用堿解擴散法測定。有效磷含量采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定。速效鉀含量采用NH4OAc溶液浸提-火焰光度法(FP6400型)測定。有機質含量采用重鉻酸鉀氧化-容量法測定。pH值采用電極法測定。全鹽采用DDS-11電導率儀測定[8]。同時處理Ⅱ、Ⅳ、CK采集 0~20 cm 土壤樣品,分小區用土鉆采用梅花形取樣法,采取5個點的樣品后混合,送甘肅省有色金屬地質勘查局蘭州礦產勘查院中心實驗室測定土壤水穩大團聚體、總孔隙度及土壤酶活性。土壤水穩大團聚體用濕篩法測定、土壤總孔隙度采用環刀法測定,土壤酶活性采用試劑盒進行測定。
1.5 數據分析
試驗的數據、表格及文字處理采用WPS Office 2023軟件,用IBM SPSS Statistics 28.0軟件進行統計分析,用WPS Office 2023繪圖。
2 結果與分析
2.1 不同處理對芹菜產量的影響
從表2可以看出,2022年與當地農民習慣施肥方法相比,在微生物菌劑施用次數相同的情況下,處理Ⅱ和處理Ⅳ顯著提高了芹菜的產量,其中處理Ⅳ對比農民習慣施肥方法提高產量達到19.86 %。從產量構成因素上看,主要提高了芹菜的株高和莖粗,進而提高了單株質量,最終提高了產量。
2023年因蘭州市極端天氣多發,導致試驗地連作障礙發生較為嚴重。從表3可以看出,2023年的試驗數據進一步驗證并豐富了前一年的發現,同時也揭示了一些新的趨勢。處理Ⅱ在芹菜的株高、莖粗、單株質量等生長勢方面,顯著優于其他處理;與之相對應產量也最好,達到了161.9 t·hm-2,較對照組提高了近兩倍。但是從發病率來看,處理Ⅳ的發病率最低(21.08%),表明其在保持作物健康方面的優越性,遠低于對照組(CK)的48.53%。這可能歸因于生物有機肥、微生物菌劑及礦物質調理劑的聯合應用,有效抑制了病害的發生。同時處理Ⅳ的產量也有顯著提升,再次證明了調整后的施肥策略對于克服連作障礙和提高產量的有效性。
2023年的試驗數據強化了生物有機肥、微生物菌劑和礦物質調理劑聯合作用對提升芹菜產量和抵抗病害的重要性,特別是處理Ⅱ、處理Ⅳ在多個評價指標上表現優秀,顯示出它們為緩解連作障礙、促進芹菜優質高產的高效措施。同時證明了一個結論,即當作物連作障礙發生較輕時,該施肥措施可通過提高作物單株質量來提高產量;在連作障礙發生較重時,該措施通過降低作物病株數和發病率來穩住產量。
從圖1可以看出,除處理Ⅲ外,2023年所有處理的平均產量相比2022年有顯著提高。表明通過連續兩年實施的“三增一減”施肥措施,即使在連作條件下,也能有效促進作物產量的增加。這可能歸因于土壤健康狀況的持續改善,以及作物對施肥措施的更好適應。2023年處理Ⅱ和處理Ⅳ的低發病率與高產量相輔相成,說明了通過改善土壤微生物環境和增強作物免疫力,有效控制病害對于維持和提升連作條件下的產量至關重要。連續兩年的試驗證實,采用“三增一減”施肥措施不僅能在短期內提升產量,還能通過持續改善土壤健康和作物抗性,產生長期的積極效應。長期而言,這種措施有助于構建可持續的農業生產體系,減少對化肥的依賴,同時保護和提升土壤生產力。
2.2 不同處理對土壤理化生長的影響
從圖2可以看出,2022年在榆中縣金家營村,以芹菜作為主要的模型作物,實施“三增一減”技術后,土壤中的堿解氮、有效磷、速效鉀等關鍵速效營養元素含量普遍得到提升,其中處理II氮磷鉀分別增加16.0%、42.2%和21.6%;處理Ⅲ堿解氮增加19.9%,表明技術有效改善了土壤養分供應狀況。尤其值得注意的是,有機質含量的大幅增加(處理Ⅱ、處理Ⅲ、處理Ⅳ分別增加了25.4%、35.9%、35.9%),這對于提升土壤肥力、改善土壤結構、增強保水保肥能力及促進土壤微生物活動具有重要意義。總體而言,“三增一減”技術對芹菜種植土壤的氮磷鉀營養元素和有機質含量均有正面影響,該技術通過優化土壤環境,為芹菜種植提供了更為有利的條件。
通過對比年際間的數據,無論是對照組(CK)還是處理Ⅳ,土壤中的堿解氮、有效磷、速效鉀和有機質含量都有所增加,顯示出時間對土壤肥力自然恢復有一定作用(圖3)。但是對照組(CK)與處理前相比雖然在某些年份和某些指標上有所波動(如速效鉀的增加),但整體上并沒有展現出明顯的持續性改善趨勢,尤其是在堿解氮和有效磷方面,與處理前相比甚至還出現了下降或僅輕微增長。通過實施“三增一減”技術,年際間處理Ⅳ顯著提升了土壤中氮、磷、鉀的有效含量,堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質分別增加36.4%、78.1%、72.1%、122.8%,顯示了技術在促進土壤養分循環、改善土壤肥力和結構方面的高效性。處理Ⅳ在兩年間各項指標的顯著提升,證明了這種技術措施在長期應用中的有效性,尤其是在提升土壤有機質含量方面,這對維持和提升土壤肥力、改善土壤結構、增強生態系統服務功能具有重要價值。
由表4可以看出,處理Ⅱ、處理Ⅳ容重較CK分別降低5.59%、6.29%,容重的降低可能意味著土壤的結構更為疏松,有利于土壤通氣和根系生長。其次,在總孔隙度方面,處理Ⅱ和處理Ⅳ均較CK提高了3%。總孔隙度的增加有助于提升土壤的保水能力和透氣性,對于土壤生態系統的穩定性和作物生長均具有重要意義。此外,通過對耕層土壤水穩性團聚體含量的分析,我們發現“三增一減”技術對于土壤大團聚體(≥0.25 mm)總量的形成具有顯著的促進作用。其中,處理Ⅳ的土壤大團聚體含量明顯高于其他處理,這進一步證實了“三增一減”技術對于改善土壤團粒結構的有效性。綜上所述,“三增一減”技術能夠顯著改善芹菜種植耕層土壤的物理性質,包括降低容重、增加總孔隙度,并促進大團聚體的形成。
在表5中可以發現,處理Ⅱ和處理Ⅳ均提高了土壤中磷酸酶的活性,這表明“三增一減”技術有利于土壤中有機磷的礦化過程,進而提高植物可利用的磷水平。雖然處理Ⅱ和處理Ⅳ的蔗糖酶活性相較于對照組有所下降,但下降幅度不大,可能與土壤碳源的利用效率調整有關。這提示在實施“三增一減”措施時,需要注意保持土壤中碳氮比的平衡,避免對碳循環過程產生不利影響。處理Ⅱ和處理Ⅳ均提升了土壤中亮氨酸氨基肽酶的活性,表明土壤中蛋白質的礦化過程得到加強,這有助于提高土壤氮的循環效率和植物可吸收氮的水平,尤其是處理Ⅳ的效果更為顯著。綜上所述,“三增一減”技術對土壤酶活性有積極影響,顯著提升了磷酸酶和亮氨酸氨基肽酶活性,有利于土壤養分的循環和植物養分的吸收。
通過試驗充分說明使用“三增一減”技術,能有效地提高及改善芹菜種植土壤的各項理化性質。首先是能夠提高堿解氮、有機質、速效鉀、有效磷等主要速效營養元素質量。已有大量研究表明,有機肥的使用,提高了土壤堿解氮、有效磷、速效鉀和有效鋅等多種有效養分含量[9]。原因可能是施用生物有機肥可增加土壤有機酸含量,而有機酸能促進礦物質的有效化和釋放,提高土壤有效養分的含量[10]。這都與本研究結果相一致。其次,試驗還能夠證明,使用“三增一減”技術,能夠有效改善芹菜種植耕層土壤的結構,提高土壤酶活性。
3 討論與結論
3.1" 討論
連作問題具有復雜性,多年來,國內外學者在多個層面上對連作障礙的發生機理進行了深入探索。但由于作物連作障礙影響因子眾多,形成機理復雜,克服連作障礙技術體系的建立、完善尚需進一步研究[11]。目前,學術界普遍認為造成連作障礙的主要因素包括4個方面:作物的化感自毒作用、土壤酶活性的改變、微生物群落的失衡及養分的失衡,這些因素的相互作用和影響共同導致了連作障礙的產生。其中,土壤微生物菌群失衡被視為研究連作相關潛在問題的核心機制之一[12]。連作障礙常常促使土壤中的許多蔬菜致病病原菌大量繁衍和積累,如鐮刀菌屬(Fusarium spp.)因其廣泛的致病范圍和強大的致病能力而備受關注[13-14]。本研究通過送檢試驗地病株發現試驗地發病芹菜絕大多數都是由鐮刀菌屬致病。
雖然蔬菜連作障礙的成因研究雖已取得顯著進展,但當前仍難以從根本上消除部分蔬菜栽培中連作障礙的負面影響,僅能在一定程度上對其進行緩解[11]。那么如何緩解現今的連作障礙問題,有研究者提出可以從 兩個主要途徑著手:1)“凈土”保持土壤健康。2)對土壤進行“保健”,著力解決土壤微生物和土壤營養的平衡協調關系,增強土壤的可持續利用性。具體策略:1)采用強還原土壤滅菌法(Reductive Soil Disinfestation,RSD) “打掃干凈土壤”。2)取生產要素集成技術長期保持土壤“清潔與健康”[2,6]。經過一系列前期實地調查研究,我們認為第二種策略途徑能夠實現防控及緩解土壤連作障礙、促進蔬菜優質高產和可持續發展的目標。
生物有機肥不僅可作為有益菌的食物,而且有利于改良土壤[15]。而微生物菌劑中的有益菌不僅具有固氮、殺菌殺蟲等作用,還可以分解碳素有機質中的碳、氫、氧、氮,大大提高了生物的利用率。二者相結合提高土壤透氣性、降低鹽堿危害和增強作物抗逆性具有重要作用[16]。在蔬菜生產中施用微生物肥料能取得改善土壤理化與生物學性質、緩解連作障礙、增強蔬菜抗病能力、提高品質和產量的顯著效果[17]。礦物質調節劑可有效提升作物鉀含量。鉀是作物必需的營養元素之一,又稱品質元素,是調節多種元素的“興奮劑”[18]。礦物鉀肥中的鉀素不僅是果實生長所需的首要元素,而且是植物體內酶的活化劑,能激活植物體代謝所必需的60余種酶的活性,在作物生長發育及產量形成、促進植物體生理生化活動及代謝反應過程中具有十分重要的作用[19-21]。鑒于近年來新型農業物資(生產要素)的不斷涌現,結合蘭州地區農業生產要素的實際運用水平及成本考量,本研究特此提出一項針對性的施肥技術措施——“三增一減”措施。此項措施旨在通過增加生物有機肥、微生物菌劑及礦物質調理劑的施用量,并相應減少化肥的使用量,以期達到有效防控及緩解土壤連作障礙、推動芹菜優質高產及實現可持續發展的目標。
芹菜作為一種典型的不耐連作蔬菜[22],是蘭州高原夏菜中的主要栽培品種。芹菜連作會導致土壤中特定病原微生物種群密度增加,這些問題在連作蔬菜中具有共性,是連作障礙研究的重點。芹菜的這一特點使其成為研究連作障礙影響及防治措施的理想模型。針對芹菜連作障礙采取的“三增一減”技術措施,不僅有效緩解了芹菜的連作障礙,其原理和技術路徑對于其他易受連作影響的蔬菜種類也有廣泛的適用性和借鑒價值。這意味著,通過芹菜的研究可以探索出一套適用于多種蔬菜的連作障礙緩解措施。經過進一步的試驗驗證,該技術措施顯著改善了土壤的理化性質,有效提升了土壤微生物和營養平衡狀態,從而提高了土壤的可持續利用性。
在深入探究蔬菜栽培中連作障礙的負面影響時,我們還認識到,在現有的連作障礙的調控措施方面,需要從單一因素的防控策略轉向多因素、多角度的綜合防控研究。這包括但不限于輪作、休耕、間作套種、增施生物有機肥、土壤滅菌、選用抗性品種及嫁接栽培等一系列防治技術的優化應用。通過綜合運用這些技術,可以更加精準地調控植物—土壤—微生物系統,從而有效改善土壤生態環境,最終實現連作障礙的顯著消減。盡管生物有機肥和微生物菌劑的使用帶來了顯著的增產效果,但在實際應用中仍可能面臨一些挑戰,如農民接受度、成本效益、市場推廣等。本團隊也將在降低技術成本方面做進一步研究。隨著消費者對健康、環保食品的需求增加,以及政府對可持續農業的支持,這些技術有望在未來得到更廣泛的應用,為農業生產帶來更大的機遇和挑戰。
3.2 結論
本研究針對蘭州高原夏菜生產中的芹菜連作障礙問題,經過一系列多年定點試驗和對比分析,提出了一種技術解決方案,即“三增一減”施肥技術措施。該技術措施旨在通過增加生物有機肥、微生物菌劑、礦物質調理劑的施用量,同時減少化肥的使用,以改善土壤理化性質、提高土壤微生物和營養平衡,從而防控緩解土壤連作障礙。試驗結果表明,該技術措施在改善土壤環境、提高芹菜產量和品質方面取得了顯著成效。具體而言,該技術通過改善土壤結構和增加土壤主要速效營養元素含量,提高了土壤肥力和保水能力,為芹菜生長提供了更好的土壤環境。同時,該技術還能有效調控土壤微生物群落結構,提高土壤生物多樣性和酶活性,從而增強土壤生態功能。同時該技術在連作障礙發生較輕時,可通過提高芹菜單株質量來提高產量,以此減輕連作障礙危害;在連作障礙發生較為嚴重時,該技術通過有效提高土壤微生物多樣性來降低芹菜病株數和發病率穩住芹菜產量,且具有長期的積極效應。特別值得一提的是,處理Ⅳ這一“三增一減”施肥方式,在節省成本的同時,能夠確保較好的抗連作障礙效果。針對芹菜連作障礙采取的“三增一減”技術措施,不僅有效緩解了芹菜的連作障礙,其原理和技術路徑對于其他易受連作影響的蔬菜種類也有廣泛的適用性和借鑒價值。這意味著,通過芹菜的研究可以探索出一套適用于多種蔬菜的連作障礙緩解措施。這項技術措施不僅有效緩解了芹菜土壤連作障礙,還為蘭州高原夏菜的優質高產和可持續發展提供了堅實的基礎。此項施肥措施為蘭州高原夏菜產業的提質增效和化肥減量提供了科學依據,也為微生物肥料在芹菜產量及品質提升方面的應用提供了理論支持。
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(責任編輯:敬廷桃)