張娟琴,鄭憲清,李雙喜,張翰林,白娜玲,張海韻,呂衛(wèi)光

(上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究所,上海市設(shè)施園藝技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海市農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站,農(nóng)業(yè)部上海農(nóng)業(yè)環(huán)境與耕地保育科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站,上海低碳農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心,上海201403)

我國(guó)是世界上西瓜種植第一大國(guó),近年來(lái),西瓜種植產(chǎn)業(yè)不斷向?qū)I(yè)化、設(shè)施化和集中化方向發(fā)展。 大棚溫室連作栽培,破壞了土壤微生態(tài)環(huán)境,導(dǎo)致有益菌種群結(jié)構(gòu)的改變和數(shù)量降低,造成了嚴(yán)重的連作障礙[1-2]。 如何有效改善西瓜連作土壤的微生態(tài)環(huán)境,防治西瓜連作障礙一直是西瓜生產(chǎn)中亟待解決的難題。前人從培育抗病品種、農(nóng)業(yè)措施(輪作、施肥、暴曬)、化學(xué)防治、生物防治[3-4]等角度進(jìn)行了大量研究。

蚯蚓被達(dá)爾文稱之為“地球上最有價(jià)值的動(dòng)物”,蚯蚓的吞噬、排泄(蚯蚓糞)、掘穴等活動(dòng)在改善土壤理化性質(zhì),推動(dòng)養(yǎng)分循環(huán),調(diào)控土壤微生物活性,完善群落結(jié)構(gòu)和功能等方面均具有重要作用[5-7]。 已有研究表明,蚯蚓堆肥能明顯降低西瓜、番茄枯萎病的發(fā)病率,提高壯苗指數(shù),改善品質(zhì),同時(shí)蚯蚓糞的施入提高了番茄連作土壤微生物群落多樣性,可在一定程度上恢復(fù)微生物區(qū)系平衡,提高土壤養(yǎng)分含量[10-11]。但當(dāng)前的研究主要集中在蚯蚓糞功效方面,將蚯蚓直接應(yīng)用于連作土壤微生態(tài)環(huán)境修復(fù)的研究較少,尤其對(duì)不同生活型蚯蚓的對(duì)比研究不足[12]。 生物耕作是利用蚯蚓等生物的某些特性并輔以科學(xué)管理措施的土壤改良模式,本試驗(yàn)通過(guò)研究西瓜連作土壤對(duì)不同生活型蚓種和密度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律,以期為西瓜連作土壤的修復(fù)提供數(shù)據(jù)依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

土壤:取自上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院莊行試驗(yàn)站西瓜連作5 年的大棚。 2018 年7 月西瓜收獲后,取0—20 cm土壤。 按照土壤和牛糞質(zhì)量比9∶1的比例向連作土壤中添加牛糞。 試驗(yàn)土壤基本性狀:pH 7.72、電導(dǎo)率1.18 mS∕cm、有機(jī)質(zhì)18.1 g∕kg、全氮1.46 g∕kg、全磷2.04 g∕kg、全鉀15.83 g∕kg、速效氮80.39 mg∕kg、速效磷85.93 mg∕kg、速效鉀640.03 mg∕kg。

蚯蚓:赤子愛(ài)勝蚓(太平2 號(hào))購(gòu)自江蘇無(wú)錫養(yǎng)殖基地,威廉環(huán)毛蚓取自于上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院崇明試驗(yàn)基地。 試驗(yàn)前將2 種蚯蚓放入試驗(yàn)土壤中預(yù)養(yǎng)1 周,使蚯蚓適應(yīng)試驗(yàn)土壤環(huán)境。 用試驗(yàn)土壤替代蚯蚓腸道的內(nèi)容物,以減少試驗(yàn)誤差。 挑取3.0—3.5 g 的威廉環(huán)毛蚓及0.3—0.4 g 的赤子愛(ài)勝蚓為試驗(yàn)蚯蚓。

試驗(yàn)容器為下直徑14 cm、上直徑20 cm、高40 cm 的圓柱形鐵桶,鐵桶底部和四周分別有4—6 個(gè)通氣孔,鐵桶內(nèi)及上口徑覆0.3 mm 細(xì)紗網(wǎng)防止蚯蚓逃逸。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

每個(gè)試驗(yàn)容器底部放入100 g 水稻秸稈(長(zhǎng)約5 cm)、1 kg 新鮮菜葉,加入4 kg 試驗(yàn)土壤,澆足水(1 000 mL)平衡24 h,投放蚯蚓。 試驗(yàn)共設(shè)置7 個(gè)處理,分別為:不放蚯蚓(對(duì)照,CK)、每千克試驗(yàn)土壤中投放1 條、3 條、5 條威廉環(huán)毛蚓(P1、P3、P5)和每千克試驗(yàn)土壤中投放5 條、10 條、15 條赤子愛(ài)勝蚓處理(E5、E10、E15)。 容器表面放置水稻秸稈20 g(長(zhǎng)約5 cm),為蚯蚓提供遮光環(huán)境。 容器內(nèi)溫度保持在25—30 ℃,相對(duì)濕度在70%—80%。

1.3 樣品采集

分別在生物耕作30 d、60 d、90 d 后,從土壤表層到底層均勻取200 g 左右的土壤樣品。 一部分樣品進(jìn)行風(fēng)干,測(cè)定土壤理化性質(zhì),另一部分保存在4 ℃中,分析土壤微生物的數(shù)量。 重復(fù)3 次。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

土壤pH 采用電位法測(cè)定(水土比2.5∶1),電導(dǎo)率采用電導(dǎo)法測(cè)定,總氮含量采用凱氏定氮法測(cè)定,總磷含量采用酸溶-鉬銻抗比色法測(cè)定,全鉀含量采用氫氧化鈉熔融-火焰光度計(jì)法測(cè)定,速效氮含量采用凱氏定氮法測(cè)定,速效磷含量采用鉬銻抗比色法測(cè)定,速效鉀含量采用火焰光度計(jì)法測(cè)定,有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定,陽(yáng)離子交換量采用乙酸銨法測(cè)定,粒徑采用密度計(jì)法測(cè)定,Cu、Zn、Mn、Ca、Mg、Fe含量采用火焰原子吸收分光光度法測(cè)定[13-14]。 土壤微生物數(shù)量采用平板稀釋法[15]測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用平均值表示,采用Excel 2007 和SPSS 16.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物耕作對(duì)西瓜連作土壤理化性質(zhì)的影響

2.1.1 生物耕作對(duì)西瓜連作土壤pH、電導(dǎo)率及養(yǎng)分的影響

由表1 可知,土壤pH 隨著生物耕作密度的增大而有所下降,并向中性趨近。 電導(dǎo)率值因生物耕作蚓種的不同而不同,威廉環(huán)毛蚓試驗(yàn)組較對(duì)照下降了0.16—0.26 mS∕cm,赤子愛(ài)勝蚓組對(duì)土壤電導(dǎo)率影響不明顯,而隨著生物耕作時(shí)間的延長(zhǎng),土壤電導(dǎo)率值有輕微上升的趨勢(shì)。 生物耕作90 d 時(shí),試驗(yàn)組土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀較對(duì)照組依次分別提升了6.45—7.72 g∕kg、0.06—0.15 g∕kg、0.17—0.47 g∕kg 和0.06—0.16 g∕kg;與植物生長(zhǎng)直接相關(guān)的速效氮、速效磷和速效鉀分別提高了13.51%—36.68%、26.45%—46.33%和8.74%—22.29%。 土壤養(yǎng)分隨著時(shí)間的延長(zhǎng)呈上升趨勢(shì);養(yǎng)分增長(zhǎng)率與蚯蚓密度成正比,但增長(zhǎng)速率隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而下降。 在蚯蚓重量相近的情況下,威廉環(huán)毛蚓對(duì)土壤的改良效果更佳,但是生物耕作90 d 時(shí),威廉環(huán)毛蚓試驗(yàn)組土壤有機(jī)質(zhì)含量較60 d 時(shí)有小幅下降,推測(cè)威廉環(huán)毛蚓活動(dòng)能力強(qiáng),在食物缺乏的情況下會(huì)消耗土壤的有機(jī)質(zhì)。

表1 生物耕作對(duì)西瓜連作土壤pH、電導(dǎo)率及養(yǎng)分的影響Table 1 Effects of earthworm tillage on pH,conductivity,and nutrients of watermelon soil for five consecutive years

圖1 生物耕作對(duì)土壤陽(yáng)離子交換量的影響Fig.1 Effects of earthworm tillage on cation exchange capacity of watermelon soil for five consecutive years

Cu、Zn、Mn、Ca、Mg、 Fe 作為土壤中重要的營(yíng)養(yǎng)元素,參與各種代謝反應(yīng),生物耕作后土壤中各元素含量變化規(guī)律如表2 所示。 蚯蚓投放密度對(duì)6 種元素含量影響不顯著。 隨著生物耕作時(shí)間的延長(zhǎng),Ca 含量呈上升趨勢(shì),Cu、Zn 含量呈先升后降的趨勢(shì),而Mn、Fe 含量呈下降趨勢(shì),但生物耕作組各處理間Cu、Zn、Mn、Fe 含量變化不顯著,而Ca 含量和Mg 含量不同處理時(shí)間差異明顯。

2.1.2 生物耕作對(duì)西瓜連作土壤陽(yáng)離子交換量、土壤團(tuán)聚體的影響

蚯蚓活動(dòng)對(duì)土壤陽(yáng)離子交換量(CEC)和團(tuán)聚體產(chǎn)生顯著的影響,而這兩者是表征土壤肥力、緩沖能力及抗侵蝕能力的重要理化指標(biāo)。 由圖1 可見(jiàn),隨蚯蚓密度增大,生物耕作組陽(yáng)離子交換量呈上升趨勢(shì),其中生物耕作60 d 比30 d 時(shí)陽(yáng)離子交換量高7.47—10.67 cmol∕kg,90 d時(shí),生物耕作組土壤陽(yáng)離子交換量較對(duì)照提高了8.38—12.61 cmol∕kg。

表2 生物耕作對(duì)西瓜連作土壤銅、鋅、錳、鈣、鎂、鐵含量的影響Table 2 Effects of earthworm tillage on contents of Cu,Zn,Mn,CA,Mg and Fe in watermelon soil for five consecutive years

一般把粒徑＞0.25 mm 的團(tuán)聚體稱為土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)體(大團(tuán)聚體),其數(shù)量與土壤的肥力狀況呈正相關(guān)[16]。 生物耕作30 d、60 d 和90 d 時(shí),粒徑＞0.25 mm 的土壤大團(tuán)聚體的比重較對(duì)照組依次提升了2.88%—17.77%、8.88%—25.47%和10.76%—29.10%(圖2、圖3、圖4)。 隨著生物耕作時(shí)間的延長(zhǎng),土壤大團(tuán)聚體比重呈上升趨勢(shì),但上升速率呈下降趨勢(shì)。

圖2 生物耕作30 d 后土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布特征Fig.2 Distribution characteristics of soil water stable aggregates after 30 days of earthworm tillage

圖3 生物耕作60 d 后土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布特征Fig.3 Distribution characteristics of soil water stable aggregates after 60 days of earthworm tillage

圖4 生物耕作90 d 后土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布特征Fig.4 Distribution characteristics of soil water stable aggregates after 90 days of earthworm tillage

2.2 生物耕作對(duì)土壤微生物數(shù)量的影響

如表3 所示,生物耕作組土壤中細(xì)菌、放線菌數(shù)量隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)、蚯蚓密度的增大呈上升趨勢(shì),而真菌的數(shù)量則呈下降趨勢(shì)。 30 d、60 d、90 d 時(shí),生物耕作組細(xì)菌數(shù)量較對(duì)照組依次分別提升40.69%—73.26%、56.18%—110.11%和54.95%—107.69%。 90 d 時(shí),生物耕作組真菌數(shù)量較對(duì)照組下降了28.67%—52.68%,放線菌的數(shù)量則上升了15.81%—27.49%;細(xì)菌在土壤微生物中的占比提高了5.07%—8.01%,而真菌、放線菌分別下降了0.19%—0.27%和4.88%—7.75%。 土壤中放線菌的數(shù)量增加,而在微生物中占比下降,可能與其生長(zhǎng)慢的特性相關(guān)。

表3 生物耕作對(duì)西瓜連作土壤細(xì)菌、真菌、放線菌的影響Table 3 Effects of earthworm tillage on on bacteria,fungi and actinomycetes in watermelon soil for five consecutive years

3 討論

連作會(huì)造成土壤理化性質(zhì)異常、養(yǎng)分非均衡消耗以及土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)改變等,導(dǎo)致土壤病原微生物大量繁殖,加劇土傳病害的發(fā)生[1,17]。

3.1 生物耕作對(duì)西瓜連作土壤理化性質(zhì)的影響

Hooper 等[18]研究認(rèn)為,盡管蚯蚓糞便的pH 較高,但蚯蚓的活動(dòng)促進(jìn)了基質(zhì)中氮循環(huán)細(xì)菌的活躍程度,使銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度相對(duì)平衡,土壤pH 趨近中性。 本試驗(yàn)中,隨著生物耕作時(shí)間的延長(zhǎng)及蚯蚓密度的增大,土壤pH 比對(duì)照組下降了0.27—0.43,向中性趨近,與前人研究結(jié)果一致。 電導(dǎo)率是反映土壤中鹽分含量的指標(biāo),試驗(yàn)過(guò)程中,威廉環(huán)毛蚓試驗(yàn)組土壤電導(dǎo)率較對(duì)照下降了0.16—0.26 mS∕cm,而赤子愛(ài)勝蚓模式對(duì)土壤電導(dǎo)率影響不明顯。 伍玉鵬等[19]研究赤子愛(ài)勝蚓對(duì)鹽堿土的影響,結(jié)果也表明赤子愛(ài)勝蚓對(duì)土壤電導(dǎo)率影響不明顯。 而王斌等[20]通過(guò)室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)認(rèn)為赤子愛(ài)勝蚓和威廉環(huán)毛蚓均能提高菜田土壤的電導(dǎo)率,并且電導(dǎo)率隨著培養(yǎng)時(shí)間的增長(zhǎng)持續(xù)增長(zhǎng),與本試驗(yàn)研究結(jié)論不盡相同,這可能與研究所用基質(zhì)不同有關(guān)。

蚯蚓的活動(dòng)可以促進(jìn)土壤微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的礦化,通過(guò)影響土壤碳、氮、磷、鉀等養(yǎng)分循環(huán)關(guān)鍵菌,從而促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)和周轉(zhuǎn)速率,提高土壤的肥力[21-22]。 本研究中,90 d 時(shí),生物耕作組土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀較對(duì)照組依次分別提升了6.45—7.72 g∕kg、0.06—0.15 g∕kg、0.17—0.47 g∕kg、0.06—0.16 g∕kg;與植物生長(zhǎng)直接相關(guān)的速效氮、速效磷、速效鉀分別提高了13.51%—36.68%、26.45%—46.33%、8.74%—22.29%,由此可見(jiàn)生物耕作可以提高土壤養(yǎng)分含量,尤其是土壤速效養(yǎng)分的含量。 從時(shí)間動(dòng)態(tài)變化來(lái)看,土壤養(yǎng)分延時(shí)間軸呈增長(zhǎng)趨勢(shì),增長(zhǎng)速率與生物耕作蚯蚓密度成正比,但增長(zhǎng)速率隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而下降。 在蚯蚓質(zhì)量相近的情況下,威廉環(huán)毛蚓養(yǎng)分活化率更高。 但是威廉環(huán)毛蚓活動(dòng)能力強(qiáng),在食物缺乏的情況下會(huì)消耗土壤的有機(jī)質(zhì)。 土壤全量養(yǎng)分(全氮、全磷、全鉀)的提升可能與容器底部新鮮菜葉的腐解有關(guān),而速效養(yǎng)分(速效氮、速效磷、速效鉀)的提升說(shuō)明生物耕作有活化西瓜連作土壤養(yǎng)分的作用,這與前人的研究結(jié)論吻合[7,23]。 目前有關(guān)蚯蚓對(duì)土壤中礦質(zhì)元素影響的研究主要集中在土壤污染修復(fù)方面,與代謝酶相關(guān)元素的研究極少[24]。 本試驗(yàn)結(jié)果表明,Ca、Mg 含量受生物耕作時(shí)間影響顯著,可能與蚯蚓體內(nèi)的代謝相關(guān),但生物耕作蚓種、密度、時(shí)間對(duì)Cu、Zn、 Mn、Fe 含量的影響均不顯著,其原因可能是這4 種元素未參與蚯蚓體內(nèi)的主要代謝或者土壤中的本底值低于蚯蚓富集臨界值,尚需要進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

作為表征土壤質(zhì)量的重要理化指標(biāo),陽(yáng)離子交換量與土壤保肥能力、土壤緩沖能力呈正相關(guān),是土壤改良和合理施肥的重要依據(jù),而作為土壤結(jié)構(gòu)基本構(gòu)成單元的土壤團(tuán)聚體,則是影響農(nóng)田土壤肥力保持、碳氮循環(huán)和持水能力的主要因素之一。 粒徑＞0.25 mm 的大團(tuán)聚體豐富是土壤結(jié)構(gòu)特征良好的表現(xiàn),其與土壤肥力、養(yǎng)分的生物有效性、抗侵蝕能力之間存在一定的正比例關(guān)系[16,25-26]。 本試驗(yàn)中生物耕作組的土壤陽(yáng)離子交換量、大團(tuán)聚體較對(duì)照依次提高了8.38—12.61 cmol∕kg、10.76%—29.10%。 說(shuō)明生物耕作可以提高土壤陽(yáng)離子交換量、大團(tuán)聚體的數(shù)量,改善土壤的保肥能力和緩沖能力,同時(shí)促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,增強(qiáng)抗侵蝕能力。

3.2 生物耕作對(duì)土壤微生物特征的影響

土壤生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)、轉(zhuǎn)化以及土壤質(zhì)量的改善與土壤微生物密切相關(guān)[4]。 土壤微生物數(shù)量是衡量土壤微生物菌群好壞的重要指標(biāo)。 前人研究表明,西瓜、煙草、番茄等作物連作年限增加,土壤中放線菌、細(xì)菌數(shù)量減少,真菌數(shù)量增加[27-29]。 李雙喜等[30]、鄭憲清等[31]的研究均表明,生物耕作能有效提高菜田不同耕層的土壤養(yǎng)分含量和含水量、增加土壤微生物總量及微生物生理類群的數(shù)量、提升細(xì)菌與真菌的比值,其中氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌以及無(wú)機(jī)磷分解菌等生理細(xì)菌數(shù)量得到顯著提升。 本試驗(yàn)結(jié)果表明,生物耕作增加了土壤細(xì)菌、放線菌數(shù)量,降低了真菌的數(shù)量;90 d 時(shí),生物耕作組細(xì)菌在土壤總微生物中的占比提高了5.07%—8.01%,而真菌在土壤微生物中占比較對(duì)照組下降了52.78%以上。 說(shuō)明生物耕作后西瓜連作土壤中微生物總量增加,細(xì)菌與真菌的比值上升,土壤微生物群落結(jié)構(gòu)得到改善。

4 結(jié)論

赤子愛(ài)勝蚓和威廉環(huán)毛蚓均可以作為生物耕作的蚓種,用來(lái)改良土壤理化性質(zhì),促進(jìn)土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化,提升土壤微生物總量,提高細(xì)菌和真菌比,改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。 提高生物耕作蚯蚓密度有助于提高土壤微生態(tài)環(huán)境的改善速度,縮短修復(fù)時(shí)間。 在質(zhì)量相近的情況下,威廉環(huán)毛蚓的修復(fù)效果優(yōu)于赤子愛(ài)勝蚓,這可能與威廉環(huán)毛蚓的生活型密切相關(guān)。