填閑作物種植及綠肥還田對寧夏新建日光溫室土壤環(huán)境的影響

楊冬艷， 馮海萍， 王學(xué)梅

(寧夏農(nóng)林科學(xué)院種質(zhì)資源研究所，寧夏銀川 750002)

近年來寧夏設(shè)施農(nóng)業(yè)快速發(fā)展，設(shè)施園藝面積發(fā)展已達到66.7萬hm2以上，其中蔬菜生產(chǎn)占90%，其突出的投入產(chǎn)出比優(yōu)勢，使得設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)成為了寧夏重點發(fā)展的優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)，也是農(nóng)業(yè)增效和農(nóng)民增收最直接的途徑。但隨著寧夏設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，栽培茬口模式和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的形成，如銀川郊區(qū)的一大茬番茄模式、固原的越冬黃瓜模式、彭陽拱棚辣椒模式，在設(shè)施內(nèi)難以實施有效的輪作倒茬，導(dǎo)致土壤得不到有效的休整和恢復(fù)，出現(xiàn)如次生鹽漬化加重、土壤與地下水硝態(tài)氮明顯累積、養(yǎng)分不平衡、土傳病蟲害加重、某些生物學(xué)性質(zhì)變劣、連作障礙明顯等問題，產(chǎn)量隨種植年限延長而有降低趨勢，導(dǎo)致設(shè)施蔬菜生產(chǎn)和經(jīng)濟效益忽高忽低，抑制了農(nóng)戶種植的積極性[1-5]。近年來針對溫室土壤健康保持和質(zhì)量退化修復(fù)技術(shù)的研究比較活躍，吳鳳芝等的研究表明，黃瓜與小麥或大豆輪作提高了土壤微生物多樣性[6]；Bandick等的研究表明，輪作、增施綠肥土壤酶活性明顯上升，與連作相比，輪作、間作、增施綠肥能夠提高土壤的生物活性，緩解土壤質(zhì)量退化[7]。張雪艷等研究發(fā)現(xiàn)夏茬種植填閑作物增加了土壤微生物總量，在一定程度上提高了土壤微生物多樣性，減少了根結(jié)線蟲的數(shù)量，增加了黃瓜產(chǎn)量[8]。因此在日光溫室蔬菜生產(chǎn)中，適當(dāng)輪作有利于維持土壤微生物多樣性和活性。目前的研究多是針對種植多年的溫室土壤進行修復(fù)研究，而對新建溫室土壤維護的研究較少，寧夏日光溫室50%以上都是近3年的溫室，絕大部分新建日光溫室都采用夯實土墻，為了施工方便，耕作表層土都夯實到土墻中，栽培應(yīng)用的土壤是耕作層以下的生土，土壤容重大，孔隙度小，養(yǎng)分貧瘠[9]，因此在日光溫室土壤連作障礙出現(xiàn)之前或表現(xiàn)初期進行土壤健康持續(xù)利用、延緩?fù)嘶难芯烤哂兄匾饬x，本試驗在種植1年的溫室中通過夏季休閑季節(jié)種植豆科(大豆)和禾本科(玉米、蘇丹草和高梁)植物，研究不同填閑作物種植及還田對日光溫室土壤化學(xué)及微生物群落多樣性的影響，探索新建日光溫室土壤健康利用的途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗地點在寧夏自治區(qū)吳忠市孫家灘設(shè)施園區(qū)日光溫室內(nèi)，試驗所選填閑作物處理為TR1：大豆[Giycinemax(L.) Merrill]；TR2：玉米(ZeamaysL.)：登海3672；TR3：蘇丹草[Sorghumsudanense(Piper) Stapf]；TR4：高梁草(Sorghumvulgare)：美國白綠集團大力士。

1.2 試驗方法

前茬作物為長季節(jié)番茄(齊達利)，2013年6月26日拉秧，利用旋根機翻地，土壤理化性質(zhì)為：pH值8.37，全鹽 0.98 g/kg，有機質(zhì)12.1 g/kg，全氮0.83 g/kg，速效氮 50.3 mg/kg，速效磷25.6 mg/kg，速效鉀228 mg/kg。6月29日平整土地，播種填閑作物，設(shè)空白對照，每個小區(qū)面積 120 cm2，隨機排列。播種量為大豆450 kg/hm2，玉米 225 kg/hm2，蘇丹草150 kg/hm2，高粱草90 kg/hm2，開溝撒播，溝距10 cm。待苗出齊后澆大水，生長期間不施任何肥料，只進行水分管理，灌水時間及灌水量各處理相同。

8月20日從基部收割填閑作物，整株收獲，放置1 d后還田，每個處理小區(qū)劃分為綠肥還田(TR-H)和不還田(TR-B)2個裂區(qū)，還田小區(qū)整株植物用切割機切碎3～5 cm，均勻翻到0～30 cm土層中。8月23日灌1次水，各處理灌水量相同，定植之前不采取任何措施。9月25日定植后茬作物芹菜(皇后西芹)。

1.3 測試項目

填閑作物種植前(6月28日)、收割前(8月15日)、還田1個月后(9月21日)取0～20 cm土壤分析土壤EC、pH值、土壤速效氮、磷、鉀；微生物群落多樣性。8月15日取樣測試填閑作物生長量、各作物的全氮和全碳含量。

1.4 測試方法

1.4.1 土壤理化性狀的分析 土壤有機質(zhì)：重鉻酸鉀-硫酸加熱消化法；土壤堿解氮：擴散吸收法；土壤速效磷：0.5 mol/L NaHCO3浸提-硫酸鉬銻抗比色法；土壤速效鉀：1 mol/L NH4OAc浸提-原子吸收光度計法；土壤pH值：水土比2.5 ∶1，酸度計法；土壤全鹽值(EC)：水土比5 ∶1，電導(dǎo)率法[10]。

1.4.2 土壤微生物Biolog-ECO及理化性質(zhì)分析 取樣深度為0～20 cm，立即放入-20 ℃的低溫冰箱中保存。試驗試劑：由Biolog公司生產(chǎn)，華粵企業(yè)集團有限公司提供。主要儀器：Biolog Microsoft全自動微生物鑒定分型系統(tǒng)；Biolog電動八孔移液器；人工氣候箱；超凈工作臺；搖床。

本研究采用有31種碳源的生態(tài)板(Biolog-ECO)分析微生物群落的代謝特征，稱取10 g鮮土(稱量前測量含水量)，加入90 mL無菌生理鹽水中，在搖床里振搖30 min，靜止沉淀3～5 min，然后進行100倍稀釋，以每孔150 μL稀釋液加入微孔板中，將制備好的菌懸液倒入無菌移液槽中，使用八孔移液器將其接種于微平板的96孔中。接種好的微平板放到鋪有6層紗布的塑料飯盒中，為防止微平板鑒定孔中的菌懸液揮發(fā)，紗布保持一定的濕度。塑料飯盒用保鮮膜包裹，保鮮膜上用注射針頭扎若干個小眼，以保證微生物培養(yǎng)所需要的氧氣，將微平板避光培養(yǎng)。ECO生態(tài)板放到30 ℃恒溫培養(yǎng)。分別于24、48、72、96、120、168、216 h時讀數(shù)，測定波長為590 nm。

1.5 數(shù)據(jù)分析

平均顏色變化率(average well color development，AWCD)反映土壤微生物代謝活性，即利用單一碳源能力的指標，計算公式為：AWCD=∑(C-R)/n(注：C為每個碳源孔的兩波段光密度差值；R為對照孔的光密度值；n為培養(yǎng)基碳源種類數(shù)，本研究中為31)[11]。數(shù)據(jù)采用DPS軟件進行Duncan’s多重比較差異顯著性和微生物群落功能多樣性指數(shù)SIMPSON(J)、SHANNO和McIntosh (Dmc)指數(shù)分析，聚類采用系統(tǒng)聚類最短距離法，每個處理測定3個平行樣本，每個樣本測量3次，結(jié)果取其平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同填閑作物休閑期間產(chǎn)生的生物量

在種植了1年的日光溫室夏季休閑期內(nèi)種植填閑作物，經(jīng)過45 d的生長，玉米的單株鮮質(zhì)量最高，是蘇丹草的8倍、高粱草的4.4倍，鮮草單位面積產(chǎn)量最多，但其干物質(zhì)含量最低，僅為10.29%，而蘇丹草鮮質(zhì)量沒有玉米高，但由于干物質(zhì)含量較高，因此單位面積干物質(zhì)量也最高，豆科植物大豆生長較禾本科植物慢，但其株高也達到52.8 cm，并開始結(jié)莢，干物質(zhì)含量最高，為27.97%，在本試驗栽培密度下，生產(chǎn)干物質(zhì)量以蘇丹草最多，其余依次玉米、大豆和高粱(表1)。

表1不同填閑作物夏季休閑期產(chǎn)生的生物量與碳氮特征

2.2 日光溫室種植填閑作物及還田對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

由表2可見，新建日光溫室土壤種植填閑作物后，處理之間pH值沒有顯著差異，部分處理含鹽量則較對照顯著降低，其中以TR4土壤鹽分含量最低，相比對照顯著降低土壤含鹽量34.9%，其次為TR1與TR3。種植填閑作物的土壤有機質(zhì)、速效氮磷鉀含量與對照相比均顯著下降，不同處理下降幅度不同，其中以高粱對土壤各養(yǎng)分的吸收平均比例最高，其余依次為蘇丹草、大豆和玉米。

將各作物收割后，設(shè)置還田和不還田2個裂區(qū)，試驗發(fā)現(xiàn)同種作物還田處理與未還田處理之間土壤pH值沒有顯著差異，土壤含鹽量只有玉米還田處理顯著低于不還田處理，其他填閑作物還田與不還田之間沒有顯著差異；各填閑作物還田后與未還田相比有機質(zhì)含量顯著上升，增加最多的是TR3(蘇丹草)38.41%，其余依次是TR1(大豆)35.16%、TR2(玉米)13.19%、TR4(高粱)9.46%，這與作物翻壓到土壤中的干物質(zhì)量成正比。

還田1個月后試驗發(fā)現(xiàn)，同種作物還田處理的土壤速效氮含量低于不還田處理，其中TR1還田處理與不還田處理土壤速效氮含量均顯著高于休閑對照。各處理土壤速效磷含量相對于休閑沒有顯著的差異，大豆、玉米和蘇丹草還田處理的土壤速效磷含量顯著低于不還田處理的土壤，高粱還田與不還田處理的速效磷含量差異不明顯；各處理土壤速效鉀含量沒有顯著的差異。

表2種植填閑作物及還田后對土壤理化性質(zhì)的影響

注：表中同列數(shù)值后不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母表示差異極顯著(P<0.01)。

2.3 種植填閑作物后土壤微生物群落碳源利用的動力學(xué)特征

平均顏色變化率(AWCD)表征了微生物群落碳源利用率，反映了土壤微生物活性、微生物群落生理功能多樣性[12]。種植填閑作物的土壤的AWCD在培養(yǎng)48 h后均高于空白對照，其中TR1的土壤AWCD值在培養(yǎng)開始后就顯著開始上升，且上升幅度最大，其AWCD在培養(yǎng)期間始終高于其他處理，其他處理以及對照的AWCD在培養(yǎng)24 h以后緩慢上升，碳源開始被明顯利用，隨著溫育時間的延長，到培養(yǎng)結(jié)束時，TR1的上升速率最高，為0.008 9 AWCD/h，TR4次之，為 0.006 5 AWCD/h，TR3為0.006 2 AWCD/h、TR2為 0.005 6 AWCD/h，最后為休閑對照0.004 5 AWCD/h。說明種植填閑作物后土壤微生物利用總碳源能力的大小順序為：大豆>高粱>蘇丹草>玉米>休閑對照。

從圖1可見，AWCD在168 h的培養(yǎng)期間逐漸升高，因此以168 h的數(shù)據(jù)計算六大碳源利用情況。種植不同填閑作物對于土壤微生物利用不同碳源類型的影響也不同，由圖2可以看出，相對于休閑對照，TR1可以顯著提高土壤微生物利用各種碳源的能力，而TR2則只提高了土壤微生物利用羧酸類、聚合物類和胺類碳源，同時降低了利用碳水化合物與酚類的能力；TR3則提高了土壤微生物利用羧酸類、聚合物類、氨基酸類和胺類碳源，降低了利用酚類的能力；TR4提高了土壤微生物利用羧酸類、碳水化合物、氨基酸類和胺類碳源，降低了利用酚類的能力。相對于休閑對照，種植大豆可以顯著提高土壤微生物利用各種碳源的能力，而禾本科植物則減弱吸收了部分碳源，休閑對照的土壤微生物利用各種碳源的能力最弱。應(yīng)用31種碳源的光密度值(168 h)作統(tǒng)計變量進行聚類分析，可以清晰直觀地反映各處理之間的關(guān)系。由圖3可見，種植豆科作物大豆的土壤微生物與對照和禾本科作物具有明顯不同的碳源利用模式，種植玉米和蘇丹草有更為相似的碳源利用模式，而同為禾本科的高粱與玉米、蘇丹草碳源利用模式則有較大的差異。

2.4 填閑作物還田后土壤微生物群落碳源利用的動力學(xué)特征

種植填閑作物后，不論還田與否，土壤微生物群落的AWCD值均高于休閑對照，試驗發(fā)現(xiàn)，大豆和高粱未還田處理的AWCD值高于還田處理的土壤，而蘇丹草與玉米則與之相反，還田處理提高了土壤的AWCD值。在培養(yǎng)結(jié)束時，各處理土壤微生物利用總碳源能力的大小順序為：TR1-B>TR1-H>TR4-B>TR2-H>TR2-B>TR4-H>TR3-H>TR3-B>CK(圖4)。說明不同填閑作物還田后對微生物群落生物活性影響不同，從還田角度來看，大豆和高粱降低了土壤微生物群落的代謝活性，而蘇丹草和玉米還田則提高了土壤微生物群落的功能多樣性。

Biolog微平板技術(shù)操作簡單，獲得數(shù)據(jù)量豐富，能反映微生物種群的總體活性，土壤微生物對Biolog微平板中各類碳源利用情況的差異能夠反映土壤中微生物群落代謝功能的不同[13]。由圖5可以看出，TR1-H相比TR1-B處理降低了土壤微生物利用碳水化合物類、氨基酸類、酚類和胺類碳源的能力，提高了利用羧酸類和聚合物類碳源能力；TR4-H提高了利用酚類、氨基酸類和胺類碳源能力，降低了利用羧酸類、碳水化合物和聚合物類碳源能力。TR2-H提高了利用羧酸類、聚合物類、碳水化合物類和氨基酸類碳源能力；降低了利用酚類和胺類碳源能力；TR3-H提高了利用羧酸類、胺類類、碳水化合物類和氨基酸類碳源能力，降低了利用聚合物類和酚類碳源能力。聚類分析(圖6)表明：TR3-H的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)功能與其他處理由較大的差異，TR1、TR2和TR4還田與未還田處理的土壤微生物利用碳源的模式相似，TR3-B處理與對照的土壤微生物利用碳源的模式也相似，說明TR3蘇丹草還田與不還田的土壤微生物群落功能差異顯著。其他作物還田與否對土壤微生物群落功能類似。

2.5 土壤微生物群落功能多樣性指數(shù)分析

Simpson指數(shù)是表征群落多樣性的常用指數(shù)，是研究群落物種數(shù)及其個體數(shù)和分布均勻程度的綜合指標[13]，McIntos指數(shù)是群落物種均勻性的度量。由表3可見，新建日光溫室種植填閑作物后，TR1、TR2與TR4、Simpson指數(shù)和McIntos指數(shù)較對照顯著降低，而Shannon指數(shù)較對照顯著增加，TR3土壤的Simpson指數(shù)與對照無顯著差異，其他指標則均顯著高于對照，說明不同填閑作物對土壤微生物群落常見物種影響不同，但均增加了物種的均勻度和豐富度，填閑作物還田后，各處理沒有顯著差異。

表3種植填閑作物及還田后土壤微生物群落多樣性指數(shù)的影響

3 討論

有研究表明輪作不僅影響土壤微生物，使有益微生物增加，有害微生物減少，而且使土壤微生物活性增強[13]，吳宏亮等研究寧夏壓沙地連作西瓜與花豆、辣椒和南瓜3種輪作方式對沙田土壤微生物群落和理化性狀的影響，結(jié)果表明：與連作相比，3種輪作模式均可改善土壤微生物區(qū)系結(jié)構(gòu)，增加土壤微生物多樣性指數(shù)，增加細菌、放線菌數(shù)量及細菌數(shù)量與真菌數(shù)量比值(B/F)，減少真菌數(shù)量；其中以與辣椒輪作效果最為明顯，McIntosh指數(shù)顯著增加，緩解西瓜的連作障礙[14]；Lupwayi等在用Biolog方法研究輪作對加拿大Albertta省北部的灰色淋溶土中細菌多樣性和群落結(jié)構(gòu)的影響后指出，在先前生長紅三葉草(Trifoliumpratense)或豆類的小麥地中，微生物多樣性顯著高于連續(xù)種植小麥或夏季休耕的小麥地[15]。Alvey等也指出，谷物與豆科植物輪作對根際微生物群落的結(jié)構(gòu)有顯著影響(P<0.05)，在連續(xù)種植谷物的土壤中生長的植物有較相似的根際細菌群落，而輪作土壤中的微生物群落則出現(xiàn)較大的變異性[16]。本試驗通過日光溫室休閑季節(jié)種植豆科與禾本科作物，發(fā)現(xiàn)AWCD值均顯著高于休閑對照，土壤微生物群落活性顯著增強，各填閑作物利用總碳源的能力的大小順序為：大豆>高粱>蘇丹草>玉米>休閑對照。種植豆科作物大豆的土壤微生物與對照和禾本科作物具有明顯不同的碳源利用模式，種植玉米和蘇丹草有更為相似的碳源利用模式，而同為禾本科的高粱與玉米、蘇丹草碳源利用模式則有較大的差異。土壤微生物群落在秸稈腐解和營養(yǎng)元素釋放過程中具有舉足輕重的作用[17]。本試驗發(fā)現(xiàn)不同填閑作物還田后與未還田相比，對微生物群落生物活性影響不同，大豆和高粱降低了土壤微生物群落代謝活性，而蘇丹草和玉米還田則提高了土壤微生物群落的活性。這可能是大豆、高粱綠肥的C/N較蘇丹草與玉米高，腐解時微生物群落代謝差異造成的。

試驗溫室為新建溫室，栽培土壤偏堿性，鉀營養(yǎng)元素含量較高，速效氮、速效磷含量較低，經(jīng)過夏季休閑期種植作物，發(fā)現(xiàn)相對于空白對照，種植填閑作物可以降低土壤全鹽含量，由于休閑作物生長的需求，也使得土壤表層速效養(yǎng)分和有機質(zhì)含量減少，填閑作物還田或未還田處理，土壤速效磷鉀養(yǎng)分含量沒有顯著變化，土壤速效氮含量較還田之前有顯著的增加。

綜上所述，對于寧夏新建日光溫室土壤的維護，在于減少全鹽含量和增加土壤速效氮磷養(yǎng)分，通過夏季休閑季節(jié)種植填閑作物，能夠提高土壤微生物群落代謝活性，通過根系或整株的還田促進了土壤氮素的轉(zhuǎn)化，但對磷鉀養(yǎng)分影響不顯著，應(yīng)選擇適宜C/N作物進行還田，土壤微生物群落代謝活性與還田作物C/N比呈顯著正相關(guān)。在寧夏新建日光溫室，種植蘇丹草作物和還田能夠顯著減少土壤全鹽含量，增加土壤微生物群落代謝活性。作物的C/N、還田干物質(zhì)量以及土壤有機質(zhì)含量均是影響土壤微生物代謝活性的相關(guān)因素，針對休閑作物對后茬作物生產(chǎn)力的影響及休閑作物影響的時效性，還需做深入系統(tǒng)的研究。

參考文獻：

[1]郭文忠，李丁仁. 寧夏日光溫室土壤次生鹽漬化發(fā)生原因及治理[J]. 長江蔬菜，2003(4)：39-40.

[2]洪 瑜，王 芳，劉汝亮，等. 寧夏典型設(shè)施蔬菜地氮素污染研究[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010(4)：402-405.

[3]王菊蘭，何文壽. 寧夏不同地區(qū)溫室土壤養(yǎng)分的變化特點[J]. 土壤，2005，37(6)：630-634.

[4]王菊蘭，何文壽. 寧夏灌區(qū)不同種植年限溫室土壤養(yǎng)分的變化特點[J]. 農(nóng)業(yè)科學(xué)研究，2005，26(1)：1-5.

[5]郭文忠，秦小軍，王占云，等. 寧夏日光溫室蔬菜生產(chǎn)中存在的問題及改進措施[J]. 當(dāng)代蔬菜，2006，34(5)：6-7.

[6]吳鳳芝，王學(xué)征. 黃瓜與小麥和大豆輪作對土壤微生物群落物種多樣性的影響[J]. 園藝學(xué)報，2007，34(6)：1543-1546.

[7]Bandick A K，Dick R P. Field management effects on soil enzyme activities[J]. Soil Biology and Biochemistry，1999，31(11)：1471-1479.

[8]張雪艷，田永強，高艷明，等. 溫室黃瓜不同栽培制度對土壤微生物群落功能結(jié)構(gòu)的影響[J]. 園藝學(xué)報，2011，38(7)：1317-1324.

[9]楊冬艷，郭文忠，張麗娟，等. 寧夏設(shè)施蔬菜土壤環(huán)境生物調(diào)控的實踐與理論[J]. 寧夏農(nóng)林科技，2014，55(12)：33-35，38.

[10]孫 權(quán). 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境質(zhì)量分析方法[M]. 銀川：寧夏人民出版社，2004.

[11]陳承利，廖 敏，曾路生. 污染土壤微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性及功能多樣性測定方法[J]. 生態(tài)學(xué)報，2006，26(10)：3404-3412.

[12]劉秉儒，張秀珍，胡天華，等. 賀蘭山不同海拔典型植被帶土壤微生物多樣性[J]. 生態(tài)學(xué)報，2013，33(22)：7211-7220.

[13]Anderson T H. Microbial eco-physiological indicators to asses soil quality[J]. Agriculture Ecosystems & Environment，2003，98(1/2/3)：285-293.

[14]樊 軍，郝明德. 長期輪作與施肥對土壤主要微生物類群的影響[J]. 水土保持研究，2003，10(1)：88-89，114.

[15]吳宏亮，康建宏，陳 阜，等. 不同輪作模式對沙田土壤微生物區(qū)系及理化性狀的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報，2013，21(6)：674-680.

[16]Lupwayi N Z，Rice W A，Clayton G W. Soil microbial diversity and community structure under wheat as influenced by tillage and crop rotation[J]. Soil Biology and Biochemistry，1998，30(13)：1733-1741.

[17]Alvey S，Yang C H，Buerkert A，et al. Cereal/legume rotation effects on rhizosphere bacterial community structure in West African soils[J]. Biology and Fertility of Soils，2003，37：73-82.

[18]Lix Y，Wang Q F，Xu F L. Effect of returning application ostraw on soil K，P Zn adsorption-desorption and their availabilit[J]. Journal of Huazhong Agricultural University，2000，19(3)：227-232.