种植年限对设施蔬菜土壤养分和环境的影响

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　　摘 要：为了给设施蔬菜地合理施肥提供依据，研究了不同种植年限设施蔬菜地土壤理化性质、微生物数量及酶活性变化，以露地土壤為对照（CK），采集种植1 a（年）、3 a、5 a、7 a、9 a、11 a、13 a、15 a、17 a、20 a以及20 a以上的0～20 cm设施蔬菜土壤样品，采用常规土壤理化性质检测方法测定了土壤理化性质和酶活性，采用平板计数法，分析土壤微生物数量。结果表明，设施菜地种植年限与土壤容重呈正相关，与土壤孔隙度呈负相关;设施菜地土壤pH值随种植年限的增加逐年降低，两者呈显著的负相关性;土壤EC值、土壤有机质和速效磷含量都随种植年限的增加而逐年增高，并与种植年限呈显著的正相关性;与CK相比，种植13 a的蔬菜样地土壤全氮和速效钾含量均显著地增加;连续种植20 a以上，设施蔬菜土壤含盐量比对照土壤显著地增加了486.49%。土壤细菌和放线菌数量、过氧化氢酶和碱性磷酸酶活性呈现出先增加后减少的趋势，且都在种植年限为11～13 a时达到最大;真菌数量随着种植年限的增加而增加，而土壤脲酶活性则随种植年限的增加呈下降趋势;转化酶活性随着种植年限的增加保持不变。土壤微生物数量与酶活性之间存在一定程度的相关关系，其中土壤真菌数量与土壤酶活性之间的相关性最为显著。综上所述，种植年限不同的设施菜地，土壤养分失衡，呈现酸化趋势，盐分含量逐年增加，土传真菌病害潜在发生，对设施蔬菜生产不利。
　　关键词：设施菜地;种植年限;土壤理化性质;土壤微生物;土壤酶活性
　　中图分类号：S606   文献标志码：A   文章编号：1673-2871（2020）01-048-07
　　Abstact： In order to offer basis for reasonable application of fertilizers in protected vegetable fields， the physical and chemical properties， microorganism， and enzyme activity of soil were studied in vegetable greenhouses under different cultivation times. The open field was taken as control （CK）， and the nearby greenhouses with planting ages of 1 year， 3 years， 5 years， 7 years， 9 years， 11 years， 13 years， 15 years， 17 years， 20 years， and more than 20 years were chosen for the research in Qinghai. The soil samples at depth of 0-20 cm from 25 representative and different planting ages of greenhouses were collected with a S-sampling. The physical and chemical properties were analyzed using conventional chemical methods. The population of soil microorganism was measured using dilution plate counting method. The results indicated that there was a positive correlation between the planting age and soil bulk density， and negative correlation with soil porosity. Soil pH value decreased with year and showed significant negative correlation with the planting age. Soil EC value， soil organic matter， and available phosphorus contents increased with the increasing of greenhouse age and displayed significant positive correlation with the plantation age. Compared with CK， content of both the soil total nitrogen and available potassium in planting ages of 13 years were increased significantly. In the greenhouses of  20 years of planting， the salt content increased by 486.49% compared with the control. The number of soil bacteria and actinomycetes， catalase and alkaline phosphatase activity increased first and then decreased， and reached their maximum at 11-13 years of planting. With the increase of vegetable plantation age， soil fungi number was increased， while soil urease was decreased continuously and the invertase activity remained unchanged. There was a certain degree of correlation between the number of soil microorganisms and enzyme activity， among which the number of soil fungi was the most significant. In conclusion， the increase of planting ages lead to the soil nutrient imbalance， soil acidification， and significant increases in soil salt content and potential occurrence of soil-borne pathogenic fungi， which is unfavorable to the production of protected vegetable. 　　Key words： Greenhouse;  Planting ages;  Soil physical and chemical properties;  Soil microorganism;  Soil enzyme activity
　　设施蔬菜栽培因其集约化程度高、产能高效、农业环境适应能力强、技术含量高等特点，可运用生物、工程与环境技术，使农业生产不再受限于气候、季节、地形等因素，有效地提高了农业资源综合利用效益和水平，在我国发展迅速，在蔬菜反季节和跨地区种植中起着重要作用，成为我国农业经济的重要来源之一[1]。随着青海省现代农业发展要求和农业产业结构调整的需求，以及该地区气候冷凉、无霜期短等特点，设施菜地在青海省农业中占的比重逐年增大。但由于设施蔬菜集约化的连年种植，在这种半封闭、高肥、高水、高农药的生产环境下，导致土壤耕层结构恶化，养分失调，病虫害加剧，产量和品质下降，收益减少，已经严重影响设施土壤环境和蔬菜产品的安全。如何平衡设施内土壤环境，减少土壤盐害的发生，解决土壤地力下降，微生物群落失衡和土壤病害等连作障礙，降低土传病害的危害，解决设施蔬菜连作障碍、恢复耕层土壤生产力等问题迫在眉睫。
　　目前，针对不同地区的设施温室土壤的理化性状、微生物群落及土壤酶等方面已经做了大量研究。已有研究表明[2-3]随种植年限增加，土壤容重和pH 值均明显下降，而土壤孔隙度、土壤 EC 值、有机质和土壤盐分含量则显著升高;土壤全氮和全磷含量均持续升高，而土壤全钾、硝态氮和速效钾含量呈现先升高后降低;土壤细菌数量先上升后下降，放线菌数量先迅速升高后保持相对稳定，真菌数量呈持续增加的趋势。陶笑等[4]研究表明，连续旱作6 a（年）土壤的 pH 值低于连续旱作4 a的土壤，其土壤EC值、硝态氮、养分含量随着种植年限的增加而提高。也有学者提出，不同年限的设施蔬菜土壤理化性状和土壤微生物数量及酶活性受区域影响和种植模式的不同所得出的研究结果也相差甚远[5]。但有关青海省不同种植年限日光温室菜地的土壤理化现状和土壤微生物数量变化的探讨尚有缺乏，且大多数研究者主要集于单个年份设施菜地土壤环境，在不同年限（尤其是较长年份）设施菜地土壤性质的变化与土壤微生物数量以及土壤酶活性之间的关系等方面研究尚不清楚。鉴于此，笔者为了探讨青海省不同种植年限对日光温室土壤性状变化的影响，采集不同年限的典型设施蔬菜种植基地的土壤样品，分析不同种植年限青海省日光温室土壤理化性状、微生物数量及酶活性的变化及其之间相关性，为指导设施菜地土壤健康提供有效的改良指标，为设施菜地土壤可持续利用提供理论参考。
　　1 材料与方法
　　1.1 土样采集
　　设施菜地土壤采自青海省海东市高店镇、碾伯镇、长里镇、拦隆口镇、多巴镇和李家山镇6个镇共计49栋日光温室种植菜地，以确保耕作管理措施（灌水、施肥量、施肥种类等）和土壤类型（栗钙土）相对一致性，种植的蔬菜以黄瓜、番茄、辣椒为主，且不同种植年限的土壤均未换土。日光温室的施肥主要以商品有机肥和蔬菜专用肥为主。
　　试验土样选取不同种植年限的日光温室，以相邻露天蔬菜地的土壤为对照（CK）。其中1 a、17 a、20 a的温室有3个，3 a、13 a、15 a的温室有5个，9 a、11 a的温室有4个，7 a的温室7个，5 a的温室8个，20 a以上的温室有2个。取样时用内径2 cm的土钻取表层0～20 cm的土壤，每个温室用“S”型采样法取6钻，将土壤混合均匀，并用四分法分区土样，混匀的土样分为2部分，一部分用于分析土壤理化性状，一部分4 ℃冰箱保存用于分离土壤微生物和土壤酶活性测定。
　　1.2 测定方法
　　土壤理化性状测定参照鲍士旦的方法[6]：土壤容重的测定采用环刀法;比重的测定采用比重瓶法，计算土壤孔隙度;土壤pH的测定采用电位法;土壤电导率（EC）的测定采用电极法。土壤有机质含量的测定采用重铬酸钾容量滴定法;土壤全氮含量的测定采用凯氏定氮法;土壤有效磷含量的测定采用NaHCO3 浸提-钼锑抗比色法;速效钾含量的测定采用NH4OAC 浸提-火焰光度法;土壤盐分含量的测定采用烘干全量法。土壤微生物数量的测定参照周德庆的方法[7]。土壤酶活性的检测参照陈慧的方法[8]。
　　1.3 数据分析
　　试验数据的统计和作图采用 Excel 2010 软件处理。
　　2 结果与分析
　　2.1 种植年限对土壤物理性状的影响
　　土壤容重能反应土壤结构，透气透水性能的好坏，也是作为土壤熟化程度的重要指标之一。由图1-A可知，随着种植年限的增加，土壤容重呈增加的趋势，土壤孔隙度呈下降趋势。通过对49个日光温室的种植年限和土壤容重数据进行回归和相关性分析，可知两者的相关关系式为：y=0.023 x +1.104（y为土壤容重，x为设施种植年限），二者相关系数为r=0.958，说明土壤容重与种植年限之间存在正相关性，随着种植年限的延长土壤容重值有所增加。相反，土壤孔隙度与种植年限的相关关系式为y=-1.037 x+60.04（y为土壤孔隙度，x为设施种植年限）（图1-B），二者相关系数为r=-0.776，说明土壤孔隙度与种植年限之间存在负相关性，随着种植年限的延长土壤孔隙度值有所下降。上述结果表明，连年种植是导致温室土壤板结，土壤孔隙度降低，造成土壤容重升高的主要原因之一。
　　2.2 种植年限对土壤化学性状的影响
　　土壤酸碱度对土壤肥力及植物生长的影响很大。由图2-A可知，土壤pH值随种植年限的增加呈下降趋势，并与种植年限呈负相关（r=-0.820）。土壤pH由1 a的8.17下降为20年以上的7.34，种植20 a以上的温室土壤pH值均在7.3以上，说明温室土壤虽有酸化的趋势但还未明显酸化，对土壤理化性状和蔬菜生长发育不会产生不良影响，但需要加强合理施肥，防止土壤进一步酸化。通过对种植年限和土壤EC值数据进行回归和相关性分析，由图2-B 表明二者的回归关系式为：y=0.203 x +0.625（r=0.899），其中y为土壤EC值，x为设施种植年限。说明土壤EC值与种植年限存在一定的相关性，随着种植年限的增加，土壤养分呈现积累的趋势。土壤EC值从1 a温室的土壤的EC值0.41 mS·cm-1增加到20 a的2.60 mS·cm-1。 　　2.3 种植年限与土壤养分的影响
　　与对照（CK）相比，随着种植年限的增加，土壤中全盐含量逐年增加，对照与种植年限为1 a的土壤全盐含量基本相当，没有差异，种植年限17 a、20 a和20 a以上的土壤中全盐含量分别显著增加了393.69%、346.85%和486.4 9%。与CK相比，土壤全氮含量不同年份之间有不同差异，种植年限为11 a的全氮含量为最高，增加了122.43%（图3-A）。与对照相比，土壤速效钾含量在不同种植年限之间变化不大，没有达到显著差异，种植年限为13 a的土壤速效钾含量最高，比对照仅仅增加了27.63%（图3-B）。通过对种植年限与土壤有机质和速效磷含量数据进行回归和相关性分析（图3-C～D）可知，二者的相关关系式分别为y=1.808 x +12.96和y=8.775 x +51.26，相关系数分别为r =0.951（p< 0.01）， r =0.846（p< 0.01），说明种植年限与土壤有机质和速效磷含量均呈正相关，随着种植年限的增加，土壤有机质和速效磷呈现积累的趋势。
　　2.4 种植年限对土壤微生物的影响
　　由图4-A、4-C可知，随着设施菜地种植年限增加，土壤细菌和放线菌的数量呈先增加后降低的趋势，真菌数量呈现增长趋势。土壤细菌数量范围为2.31×108 ～4.80×108 CFU·g-1，与CK相比，种植年限11 a、9 a、7 a显著增加了土壤细菌的数量，分别增加了181.18%、110.45%和86.82%;土壤放线菌的数量范围为1.1×106～7.2×106 CFU·g-1，与对照相比，种植年限11 a、9 a、5 a显著增加了土壤放线菌的数量，分别增加了554.55%、518.18%和472.73%，总之，土壤细菌和放线菌在设施菜地种植11 a时达到最高。土壤真菌的数量范围为5.0×104～4.6×105 CFU·g-1，与CK相比，种植年限20 a以上、20 a、17 a显著增加了土壤真菌的数量，与CK相比，分别增加了820%、800%和700%，土壤真菌表现出逐年增加的趋势（图4-C）。对于土壤中的一些有益细菌（芽孢杆菌和假单胞杆菌）来说，随着种植年限增加，也表现出先增加后下降的趋势，种植7 a时，这两种菌的数量达到最高，分别为5.2×105和1.0×104 CFU·g-1（图4-D）。
　　2.5 种植年限对土壤酶活性的影响
　　由图5-B、5-D可知，土壤过氧化氢酶和碱性磷酸酶活性随种植年限的增加呈先增加后减少的趋势，而土壤脲酶活性逐渐降低，转化酶活性基本没有明显的变化。土壤过氧化氢酶活性的范围为173.25～256.11 mg·g-1，与CK相比，种植年限11 a、13 a和15 a显著增加了土壤过氧化氢酶活性，分别增加了39.12%、50.04%和40.06%。土壤碱性磷酸酶活性的范围为50.40～100.20 mg·g-1，与CK相比，种植年限11 a、13 a和15 a显著增加了土壤过氧化氢酶活性，分别增加了76.70%、106.60%和100.41%。这两种土壤酶在种植13 a时达到最高。土壤转化酶不同种植年限之间差异不显著，酶活性基本稳定在34 mg·g-1左右，与CK相比，酶活性增加了5.96%～15.16%（图5-C）。土壤脲酶随着种植年限的增加，其活性逐渐降低，种植年限之间酶活性差异不显著，与CK相比，酶活性减少了-6.45%～20.34%（图5-A）。
　　2.6 土壤微生物数量与酶活性的相关性
　　由表1可以看出，土壤微生物数量与土壤酶活性之间存在一定程度的相关关系。其中，细菌数量与放线菌数量呈极显著正相关;真菌数量与放线菌数量、过氧化氢酶活性呈极显著正相关，与脲酶活性、转化酶活性呈极显著负相关;放线菌数量用于过氧化氢酶呈显著正相关;脲酶活性与转化酶活性呈极显著正相关;过氧化氢酶活性与碱性磷酸酶呈极显著正相关;转化酶活性与碱性磷酸酶活性呈显著负相关。
　　3 讨论与结论
　　土壤的理化性状是评价土壤生态环境质量的重要指标之一。笔者研究发现，随着种植年限延长，设施蔬菜地土壤的容重变大，孔隙度变小，土壤结构性变差，这与蔡彦明等[9]的研究结果基本一致，但与高新昊等[3]研究结果相反，这可能与不同地区土壤类型及种植区施肥习惯不同有关。同时，随着种植年限的延长，青海省设施土壤酸化现象越明显，笔者调查的设施菜地土壤pH由8.17下降到7.34，这与高新昊、王学霞等[3，10]的研究结果一致。pH值降低的原因可能是随着种植年限的延长，施用大量的化学肥料导致SO42-等酸根离子在土壤中的残留促进土壤酸化。土壤养分是由土壤提供的植物生长所必须的营养元素，是土壤肥力的重要物质基础。本研究中，土壤有机质和速效磷含量都随种植年限的增加逐年增高，并与种植年限呈显著的正相关性;与CK相比，种植13 a的蔬菜样地土壤全氮和速效钾含量均显著地增加;这与高新昊、熊汉琴、王辉、唐海滨、黎宁等[3，11-14]所研究的设施菜地中土壤全氮、全磷等理化性状随着种植年限的增加而逐渐增加的结论一致。但笔者同时也发现，青海设施菜地连续种植20 a以上，土壤EC值升高显著，土壤含盐量比对照土壤显著地增加了486.49%。另外，在试验调查过程中，发现种植7 a以上的设施菜地土壤表面白色、红色和绿色现象，也证实本试验的研究结果。这与祝海燕等[15]所研究的山东寿光的设施蔬菜土壤盐含量随着种植年限的增加呈现积累的趋势一致。
　　土壤微生物是土壤質量以及健康的评价指标之一，而土壤酶活性能反映微生物数量和分布状况，因此两者可以共同作为评价土壤肥力的一种评价指标[16]。在本研究中，不同种植年限设施菜地中土壤细菌和放线菌数量、过氧化氢酶和碱性磷酸酶活性呈现出先增加后减少的趋势，这与韦小了、张珍明、马云华和刘素慧等[16-19]的研究结果一致。而土壤脲酶活性则随种植年限的增加呈下降趋势，这与范玉贞等[20]的研究结果略有不同，可能与土壤类型、种植作物种类等有关，具体原因需要进行更深入的研究。笔者利用稀释平板计数法分析了不同种植年限设施菜地土壤真菌数量，发现设施菜地土壤真菌数量随着种植年限的增加而增加，并且显著高于露天菜地，这与宋蒙亚、李琼芳、朱良和李春格等[21-24]的研究结论一致。土壤微生物数量与土壤酶活性有显著相关性，微生物活动分泌是土壤酶主要来源之一，土壤中真菌的分泌活动频繁可以增强土壤酶活性，而土壤酶与土壤碳、氮、磷等养分循环有相关关系[25]。在本研究中，土壤微生物数量与酶活性之间存在一定程度的相关关系，其中土壤真菌数量与土壤酶活性之间的相关性最为显著，这与张向前等[26]的研究结果一致。 　　细菌和真菌数量比及放线菌和真菌数量比是表示土壤肥力的一种指标[27]，反映土壤环境质量的基本情况。本研究中，随着种植年限的逐渐增加，尤其11 a之后，设施菜地土壤中细菌和放线菌数量逐渐减少，而真菌数量呈上升趋势，本试验结果与岳思君等[28]和聂园军等[29]的研究结果类似，表明设施菜地连作导致真菌数量增加，增加了土传真菌病害的可能性。
　　连续种植导致青海设施菜地土壤结构变差，盐分含量显著升高，土壤酸化，理化性质的变化导致土壤真菌数量增加，土壤酶活性变化总体不大，以种植11～13 a的土壤受干扰程度最大，说明连续种植后菜地土壤环境受到严重影响。
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